KR101296938B1

KR101296938B1 - 레이저 용접 장치

Info

Publication number: KR101296938B1
Application number: KR1020117020886A
Authority: KR
Inventors: 노부히로 요시까와; 도시히꼬 이시즈까
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2013-08-14
Also published as: JP2010214393A; EP2406033A1; KR20110124290A; JP5316124B2; CN102307697B; US20110297654A1; WO2010103357A1; CN102307697A

Abstract

레이저 용접 장치(100)에는 아암을 구비하는 다축 로봇(110) 및 다축 로봇의 아암의 첨단에 부착된 스캐너(120)가 제공된다. 스캐너(120)는 레이저 빔을 작업편에 조사하는 광학계를 포함한다. 스캐너(120)는 레이저 빔의 광축과 광학계의 고정 요소(131) 사이의 교점과 일치하는 좌표계의 원점을 갖는 사전설정 좌표계를 포함한다.

Description

레이저 용접 장치{LASER WELDING APPARATUS}

본 출원은 2009년 3월 13일자 출원된 일본특허출원 제2009-061724호를 우선권으로 주장한다. 일본 특허 출원 제2009-061724호의 전체 내용을 본 명세서에서 참조한다.

본 발명은 일반적으로 레이저 용접 작업을 고속으로 달성할 수 있는 레이저 용접 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 레이저 용접을 고속으로 달성할 수 있는 레이저 용접 장치에 관한 것이다.

최근, 자동차 산업에서는 레이저 용접을 이용하여 차체를 조립하고 있다. 레이저 용접은 첨단(작업 단부)에 스캐너가 부착된 다축 로봇을 이용하여 실행된다. 레이저 빔은 스캐너로부터 방출된다. 레이저 용접에는 일반적으로 레이저 빔이 고도의 위치 정밀도로 방출될 것과 고속 성능이 요구된다. 예컨대, 레이저 용접 장치가, 2축(방향)을 따라 이동하는 스캐너와 함께 다축 로봇을 작동시킴으로써 이러한 요건을 충족시키는 기술을 나타내는 일본공개특허공보 제2006-187803호에 개시되어 있다.

상기 특허공보에 나타낸 기술에 의하면, 스캐너의 좌표계의 원점이 스캐너의 광로의 2축을 따라 이동하도록 설계된 스캐닝 미러의 회전 중심축과 일치하도록 설정되어 있다는 것을 알게 되었다. 다축 로봇은, 스캐너 좌표계의 원점이 항상 로봇의 좌표계의 원점에 기초하고 있는 곳을 확인할 수 있다. 로봇 제어 장치는, 스캐닝 미러의 초점 거리 및 각도 그리고 다축 로봇의 아암의 조합된 제어를 실행한다.

스캐너 좌표계의 원점은 스캐닝 미러의 회전축에 놓이도록 설정되기 때문에, 다축 로봇에 의해 확인되는 스캐너 좌표계의 원점의 위치는, 2축을 따라 스캐닝 미러를 이동시키는 역할을 하는 이동 부품에서의 역할의 영향 및 장치가 얼마나 정밀하게 조립되는지의 영향으로 인해 스캐너 좌표계의 원점의 실제 위치와 때때로 상이하다. 이러한 차이가 발생하는 경우, 레이저가 작업편에 부딪치는 위치는 실제 목표로 하는 위치로부터 오프셋 되어, 레이저 용접 동안 레이저 빔을 위치시키는 정확도는 저하된다.

또한, 스캐닝 미러의 초점 거리 및 각도 그리고 다축 로봇의 아암은 모두 동일한 로봇 제어 장치에 의해 제어되기 때문에, 레이저 용접의 고속 성능에는 제한이 있고 레이저 용접을 고속으로 실행하는 것은 어렵다.

본 발명의 하나의 목적은 레이저 용접 작업을 고속으로 달성할 수 있는 레이저 용접 장치를 제공하는 것이다.

공지 기술 상태의 견지에서, 본 발명의 하나의 양태는 아암을 구비하는 다축 로봇 및 다축 로봇의 아암의 첨단에 부착된 스캐너를 포함하는 레이저 용접 장치를 제공하는 것이다. 스캐너는 레이저 빔을 작업편에 방출하는 광학계를 포함한다. 스캐너는 레이저 빔의 광축과 광학계의 고정 요소 사이의 교점과 일치하는 좌표계의 원점을 갖는 사전 설정 좌표계를 포함한다.

이제, 본 발명의의 일부를 형성하는 첨부된 도면을 참조한다.

도 1은 하나의 도시된 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 간략 개략도이다.
도 2는 도 1의 스캐너를 더 상세하게 도시하는 간략 개략도이다.
도 3은 익스펜더 렌즈의 이동 거리와 초점 렌즈로부터 작업 지점 (레이저 빔 처리 지점) 까지의 거리 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 도시된 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 중앙 처리 유닛에 의해 실행되는 제어 작동의 순서도이다.
도 5는 도 4에 도시된 작동 순서도를 실행함에 있어서 중앙 처리 유닛에 의해 실행되는 처리를 설명하기 위한 개략도이다.

이제 도면을 참조하여 선택된 실시예를 설명한다. 실시예에 대한 이하의 설명은 첨부된 청구항 및 그것의 균등물에 의해 규정된 바와 같이 본 발명을 제한하려는 것이 아니며 단지 설명을 위해 제공된다는 것이 이 개시물로부터 당업자에게는 명백하다.

우선 도 1을 참조하면, 일 도시된 실시예에 따라 레이저 용접 장치(100)가 개략적으로 도시되어 있다. 레이저 용접 장치(100)는 다축 로봇(110), 스캐너 또는 레이저 처리 헤드(120), 로봇 제어 장치(140), 스캐너 제어 장치(150) 및 중앙 처리 유닛(160)을 주로 포함한다. 다축 로봇(110) 은 도 1에 도시된 바와 같이 복수의 관절 섹션을 갖는 아암을 구비한다. 다축 로봇(110)은 6개의 이동 축을 형성하는 관절 섹션들 사이에 조인트가 있는 6축 로봇(또한, "멀티-조인트식 로봇" 이라고도 함)이다. 모터(M)(예컨대, AC 서보모터) 및 인코더(도시 생략)가 관절 섹션 사이의 조인트의 각각의 축에 제공된다. 따라서, 다축 로봇(110)은 6개의 AC 서보모터(M)(도 1에는 4개만 도시되어 있음) 및 6 자유도를 갖는다. 다축 로봇(110)은 고유 로봇 좌표계에 기초하여 작동한다. 결국, 아암의 첨단, 즉 레이저 처리 헤드 또는 스캐너(120)는 다축 로봇(110)의 위치 및 자세를 변화시킴으로써 다양한 방향으로 이동될 수 있다. AC 서보모터(M)는 로봇 제어 장치(140)로부터의 지령으로 특정된 이동량에 대응하는 양만큼 회전하도록 구성 및 배치된다. 펄스 인코더로부터 출력된 펄스 신호가 로봇 제어 유닛(52)에 공급된다. 당연히, 레이저 용접 장치(100)에 사용된 모터(M) 및 인코더는 이러한 특정 장치로 제한되지 않으며, 또한 서보모터 및 펄스 인코더 외의 다른 장치를 사용하는 것도 가능하다.

스캐너(120)는 레이저 용접 장치(100)의 레이저 빔 방출 섹션을 구성한다. 스캐너(120)는 다축 로봇(110)의 아암의 작업 단부(112)에 부착된다. 스캐너(120)는 작업편, 예컨대 자동차의 도어, 후드, 트렁크 또는 다른 부분의 작업 지점(170)(레이저 방사 위치)에 레이저 빔을 방출하도록 배치된다. 레이저 빔이 부딪치는 작업편의 부분은 용융되어 용접된다. 스캐너(120)는 고유의 스캐너 좌표계에 기초하여 작동한다. 작업 지점(170)의 좌표는 로봇 좌표계에 따라 특정된다. 따라서, 스캐너(120)에는 작업 지점(170)에 레이저 빔을 정확하게 방출하기 위해 배치된 광학계가 설치된다. 광학계를 작동시킴으로써, 레이저 빔은 X축 및 Y축 방향(로봇 좌표계)에서 스캐닝되고, 빔의 초점의 위치는 Z축 방향(로봇 좌표계)에서 조정된다. 스캐너(120)에는 레이저 빔을 3방향, 즉 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향(스캐너 좌표계)으로 이동시키기 위해 3개의 AC 서보모터가 설치된다. 따라서, 스캐너(120)는 레이저 빔이 집중되는 위치를 3차원에서 변화시킬 수 있다. 스캐너 (120) 를 로봇 좌표계와 스캐너 좌표계 사이에서 변환시키는 방법 및 스캐너(120)의 구성 특징에 대한 상세한 설명을 이하에서 설명한다.

로봇 제어 장치(140)는 스캐너(120)의 좌표계(스캐너 좌표계)의 원점을, 스캐너(120) 광학계의 구성 요소 중 광학계 내에 고정되는 요소와 레이저 빔의 광축 사이의 교점과 일치하도록 설정한다. 스캐너(120)의 좌표계의 원점을 광학계 내에 고정되는 스캐너(120)의 광학계의 구성 요소와 레이저 빔의 광축 사이의 교점과 일치하도록 설정하고 초점 거리 방향의 제어를 실행하기 위해 후술하는 연산 방법을 사용함으로써, 스캐너(120)의 위치는 선형 연산을 이용하여 결정될 수 있다. 즉, (후술하는) 광로 방향의 익스펜더 렌즈(123)의 이동량 및 초점 거리의 변화량이 선형 근사법을 이용하여 연산된다. 결국, 다축 로봇(110)은 작업 지점(170)에 대해 더 용이하게 제어될 수 있고, 고정밀 용접 작업이 고속으로 달성될 수 있다. 따라서, 다축 로봇(110)의 제어는 더 간단하고 다축 로봇(110)은 교시 지점을 정밀하게 그리고 고속으로 따라갈 수 있다. 로봇 제어 장치(140)는, 스캐너(120)의 좌표계의 원점이 미리 저장된 다축 로봇(120)의 교시 경로를 따라 지나가도록 다축 로봇(110)의 6 개의 AC 서보모터의 작동을 제어한다.

스캐너 제어 장치(150)는, 스캐너(120)로부터 방출된 레이저 빔이 작업 대상의 작업 지점(170)에 정확하게 조사되도록 스캐너(120)의 광학계의 3 개의 AC 서보모터의 작동을 제어한다.

중앙 처리 유닛(160)은 동기화된 작동 지령을 (예컨대, 동일한 제어 주기 시간 간격 및 동일한 시기로) 로봇 제어 장치(140) 및 스캐너 제어 장치(150)에 보낸다. 로봇 제어 장치(140) 및 스캐너 제어 장치(150)는 중앙 처리 유닛(160)으로부터의 작동 지령을 동일한 제어 속도 및 동일한 제어 주기 시간으로 처리한다. 이와 같이, 다축 로봇(110) 및 스캐너(120)는 단일 제어 장치에 의해 구동되는 것처럼 병렬로 작동된다.

도 2는 도 1의 스캐너 (120) 를 더 상세하게 도시한 개략도이다. 스캐너(120)는 광섬유(122), 익스펜더 렌즈(123), 초점 위치 조정 장치(126)를 포함한다. 초점 위치 조정 장치(126)에는 익스펜더 렌즈(123)를 구동시키기 위한 AC 서보모터(124) 및 볼 스크류(125)가 설치되어 있다. 스캐너(120)는 조준 렌즈(128), 반사경(130), 초점 렌즈(131) 및 레이저 빔 스캐닝 장치(136)를 더 포함한다. 레이저 빔 스캐닝 장치(136)에는 제1 스캐닝 미러(132), 제1 스캐닝 미러(132)를 회전시키기 위한 AC 서보모터(133), 제2 스캐닝 미러(134), 및 제2 스캐닝 미러(134)를 회전시키기 위한 AC 서보모터(135)가 설치되어 있다. 광섬유(122)는 레이저 빔을 익스펜더 렌즈(123) 쪽으로 조사하도록 배치되고 구성된다. 레이저 빔은 레이저 발진기 (도시 생략) 에 의해 발생된다.

초점 위치 조정 장치(126)는 레이저 빔의 광축의 방향 (도 2에서 화살표로 나타낸 수직 방향)을 따라 익스펜더 렌즈(123)를 이동시키는 역할을 한다. 익스펜더 렌즈(123)는 레이저 빔의 광축의 방향을 따라 이동되도록 배치되고 초점 거리를 조정하는 역할을 한다. 광섬유(122)로부터 방출된 레이저 빔의 확대 각도가 익스펜더 렌즈의 위치에 따라 변한다. 결국, 레이저 빔의 초점 거리가 변하고, 작업 지점은 도 2에 도시된 Z 축의 방향으로 따라 이동한다. 익스펜더 렌즈(123)는 AC 서보모터(124) 및 볼 스크류(125)에 의해 이동된다.

조준 렌즈(128)는 익스펜더 렌즈 (123) 로부터 나오는 확대된 레이저 빔을 조준하는 역할을 한다. 반사경(130)은 조준 렌즈(128)를 나오는 조준된 레이저 빔을 레이저 빔 스캐닝 장치(136) 쪽으로 방향을 변경한다. 레이저 빔 스캐닝 장치(136)에서, 반사경(130)으로부터 도착하는 레이저 빔은 작업 지점으로 방향 설정되도록 우선 제1 스캐닝 미러(132)에 의해 반사된 후 제2 스캐닝 미러(134)에 의해 반사된다. 제1 스캐닝 미러(132)는, 회전 샤프트의 회전 중심축을 중심으로 AC 서보모터(133)에 의해 회전될 수 있도록 AC 서보모터(133)의 회전 샤프트에 연결된다. 제1 스캐닝 미러(132)가 회전될 때, 레이저 빔이 부딪치는 위치는 도 2에 도시된 X 축의 방향을 따라 이동되어 작업 지점의 위치를 변화시킨다. 제2 스캐닝 미러(134)는, 회전 샤프트의 회전 중심축을 중심으로 AC 서보모터(135)에 의해 회전될 수 있도록 AC 서보모터(135)의 회전 샤프트에 연결된다. 제2 스캐닝 미러(134)가 회전될 때, 레이저 빔이 부딪치는 위치는 도면에 도시된 Y 축의 방향 (도 2에서, Y축은 지면에 수직함)을 따라 이동되어 작업 지점의 위치를 변화시킨다.

따라서, 작업편의 작업 지점의 3 차원 좌표에 따라 익스펜더 렌즈(123), 제1 및 제2 스캐닝 미러(132, 134)를 제어(이동)함으로써, 레이저 빔은 작업 지점이 3 차원에서 변화되고 있는 작업편에 정확한 레이저 용접을 달성하도록 제어될 수 있다.

작업 지점의 위치가 Z 축 방향에서 약간만 변할 때, 작업 지점에 조사된 레이저 빔의 출력 밀도가 규정된 범위 내에서만 변한다면, 익스팬더 렌즈(123)를 이동시킬 필요가 없다.

레이저 광에 관한 제1 및 제2 스캐닝 미러(132, 134)의 반사율은 미러(132, 134)에 구비된 표면 코팅 상태의 영향으로 인해 반사각도에 따라 변한다. 작업 지점에서의 레이저 광의 필요한 출력 밀도를 얻기 위해, 반사각도는 미리 정해진 각도 범위 내로 제한된다. 상기 각도 범위는 전형적으로 대략 ±10°정도이다.

익스펜더 렌즈(123)를 구동시키는 역할을 하는 AC 서보모터(124), 제1 스캐닝 미러(132)를 구동시키는 역할을 하는 AC 서보모터(133), 및 제2 스캐닝 미러(134)를 구동시키는 역할을 하는 AC 서보모터(135)는 각각 익스펜더 렌즈(123) 및 스캐닝 미러(132, 134)가 신속하고 정밀하게 제어될 수 있는 것을 보장하기 위해서 다축 로봇(110)의 아암을 구동시키는데 사용된 AC 서보모터보다 더 낮은 관성비 및 높은 분해능을 갖도록 설계된다. 따라서, 익스펜더 렌즈(123), 제1 스캐닝 미러(132) 및 제2 스캐닝 미러(134)는 신속하게 이동될 수 있고, 레이저 빔은 작업 지점에 정확하게 조사될 수 있다. 결과적으로, 용접 품질은 향상될 수 있고, 스캐너(120)의 광학계의 크기, 중량 및 비용은 감소될 수 있다.

AC 서보모터(124)는 큰 감속비를 갖는 감속 기어로서의 역할을 하는 볼 스크류(125)를 통해 익스펜더 렌즈(123)에 연결된다. AC 서보모터(124)는 익스펜더 렌즈(123)를 매우 신속하고 고정밀도로 이동시킨다. 그러므로, AC 서보모터(124)는 낮은 관성비 및 높은 분해능을 갖는다. 유사하게, AC 서보모터(133)의 회전 샤프트는 큰 감속비를 갖는 감속 기어(133A)를 통해 제1 스캐닝 미러(132)에 연결되고, AC 서보모터(135)의 회전 샤프트는 큰 감속비를 갖는 감속 기어(135A)를 통해 제2 스캐닝 미러(134)에 연결된다. 따라서, 제1 및 제2 스캐닝 미러(132, 134)를 신속하고 정밀하게 이동시키기 위해, AC 서보모터(133) 및 AC 서보모터(135)는 낮은 관성비 및 높은 분해능을 가져야 한다.

따라서, 익스페너 렌즈(123), 제1 스캐닝 미러(132) 및 제2 스캐닝 미러 (134) 각각은 높은 감속비를 갖는 감속 기어를 통해 AC 서보모터의 회전 샤프트에 연결된다. 결과적으로, 익스펜더 렌즈(123), 제1 스캐닝 미러(132) 및 제2 스캐닝 미러(134)는 AC 서보모터의 작동에 대해 신속하게 반응할 수 있고, 레이저 빔은 작업 지점에 정확하게 조사될 수 있다. 결국, 용접 품질은 향상될 수 있고, 스캐너의 광학계의 크기, 중량 및 비용은 감소될 수 있다.

더 구체적으로, 레이저 빔은 10 내지 150mm/sec 의 속도로 각각의 작업 지점을 따라 스캐닝되어야 하고 3000 내지 6000mm/sec 의 속도로 작업 지점들 사이에서 이동되어야 한다. 이런 요건을 충족시키기 위해, 스캐너(120)의 AC 서보모터는 다축 로봇(110)의 AC 서보모터에 비해 매우 우수한 가속/감속 성능 및 분해능을 갖는다.

이러한 높은 가속/감속 성능을 달성하기 위해, 스캐너(120)의 AC 서보모터에는 가속 또는 감속 중에 매우 소량의 관성만이 걸릴 필요가 있다. 더 구체적으로, 관성비는 대략 3:1 의 통상의 관성비와는 달리 1:1 이거나 또는 더 작아야 한다.

한편, 높은 분해능을 달성하기 위해서, 통상적인 광학 인코더만을 사용하는 경우 작업 지점에 대한 분해능이 불충분하기 때문에, 스캐너(120)의 AC 서보모터 각각은 높은 감속비를 갖는 감속 기어를 통해 연결된다. 이러한 감속 기어가 사용될 때, 감속 기어에서의 마찰의 영향을 가능한 많이 감소시킬 필요가 있다. 그러므로, 감속 기어의 감속비는, AC 서보모터 각각의 최대 정격 회전 속도가 작업 지점에서의 3000mm/sec 내지 6000mm/sec 의 빔 이동 속도에 대응하도록 설정된다.

다축 로봇(110)에서 사용된 모터 및 스캐너(120)에서 사용된 모터는 AC 서보모터이다. AC 서보모터만을 사용하면 더 균일한 세트의 지령을 사용할 수 있게 된다. 결과적으로, 로봇 제어 장치(140) 및 스캐너 제어 장치(150)는 단일 중앙 처리 유닛(160)과 동일한 제어 속도 및 동일한 제어 주기 시간으로 제어될 수 있다.

더 구체적으로는, 중앙 처리 유닛(16)으로부터의 작동(이동) 지령에 기초하여, 로봇 제어 장치(140)는 다축 로봇(110)이 사전-교시된 경로를 정확하게 따라가도록 다축 로봇(110)의 이동을 제어할 수 있다. 한편, 중앙 처리 유닛(160)으로부터의 작동 지령에 기초하여, 스캐너 제어 장치(150)는 레이저 빔이 조사되는 위치가 사전-저장된 작업 지점 경로를 따라가도록 스캐너(120)를 제어할 수 있다. 요컨대, 다축 로봇(110) 및 스캐너(120)의 역할은, 스캐너(120)의 위치가 로봇 제어 장치(140)에 의해 제어되고 작업 지점이 스캐너(120)에 의해 추적되도록 용이하게 분담될 수 있다. 이와 같이 역할을 분담함으로써, 다축 로봇(110) 및 스캐너(120)의 각각의 역할은 명확하게 규정되며, 다축 로봇(110) 및 스캐너(120)의 성능 특성은 특화될 수 있어 최적의 장치 구성을 달성하게 된다.

중앙 처리 유닛(160)은 동일한 제어 주기 시간 및 동일한 타이밍으로 로봇 제어 장치(140) 및 스캐너 제어 장치(150)에 작동 지령을 발하기 때문에, 다축 로봇(110)의 교시된 경로에 대한 지령 및 스캐너(120)의 작업 지점 경로에 대한 지령은 동기화된다. 결과적으로, 스캐너(120)는 다축 로봇(110)을 작동시키면서 용이하게 작동될 수 있고, 작업편이 복잡한 3차원 형상을 갖는 경우에도 정확한 고속 레이저 용접이 달성될 수 있다.

도 3은 익스펜더 렌즈(123)의 이동 거리와 초점 렌즈(131)로부터 작업 지점까지의 거리 사이의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3에서, 상측 곡선은 익스펜더 렌즈(123)가 1000mm 의 초점 길이(f=1000)를 가질 때 획득된 관계를 나타내고, 하측 곡선은 익스펜더 렌즈(123)가 800mm 의 초점 길이(f=800)를 가질 때 획득된 관계를 나타낸다. 도 3으로부터 명확한 바와 같이, 익스펜더 렌즈(123)의 이동 거리와 초점 렌즈(131)로부터 작업 지점까지의 거리 사이의 관계는 2차 곡선에 거의 근사될 수 있다. 이는 1000mm 의 초점 길이(f=1000)를 갖는 익스펜더 렌즈(123)가 사용되는지 또는 800mm 의 초점 길이(f=800)를 갖는 익스펜더 렌즈(123)가 사용되는지의 여부와 무관한 사실이다. 양 익스펜더 렌즈(123)는 대략 1mm 의 초점 길이 오차를 갖는다.

광섬유(122)로부터 방출된 레이저 빔의 빔 품질이 5 내지 20mm-mrad 인 경우, 작업 지점 부근에서 2mm 내지 5mm 의 초점 깊이를 얻을 수 있다. 결과적으로, 2차 곡선 근사로부터 기인하는 초점 위치의 오차는 레이저 용접에 실질적으로 영향을 주지 않는다.

따라서, 스캐너(120)의 좌표계의 원점이 (광학계의 고정 요소인) 초점 렌즈(131)에 설정되는 경우, 익스펜더 렌즈(123)를 이동시킴으로써 초점 거리가 변할 때 초점 거리는 2차 곡선과 근사할 수 있다. 이 실시예에 있어서, 스캐너(120)의 좌표계의 원점은, 초점 거리가 2차 곡선과 근사할 수 있다는 사실의 견지에서 레이저 빔의 광축과 초점 렌즈(131) 사이의 교차 지점에 설정된다.

제1 및 제2 스캐닝 미러(132, 134)가 이동되는 경우에도, 초점 거리는 제2 곡선과 여전히 근사할 수 있다. 초점 거리를 2차 곡선과 근사시킬 수 있다는 점은, 작업 지점에 대한 스캐너(120)의 3축의 위치가 선형으로 연산될 수 있기 때문에, 다축 로봇(110)을 교시된 경로에 위치시키는 것을 더 용이하게 하고, 스캐너(120)로부터 방출된 레이저 빔을 작업 지점에 위치시키는 것을 더 용이하게 한다. 선형 연산에 의해, 축은 피드백 제어를 이용하여 실시간으로 용이하게 제어될 수 있다.

다축 로봇(110)에 있어서, 작업 단부의 현재의 위치를 알기 위해서 순운동학(forward kinematics) 및 역운동학(inverse kinematics)을 이용하여 피드백 제어를 실행할 필요가 있다. 스캐너(120)의 좌표계의 원점이 광학계 내에 고정되는 초점 렌즈(131)에 놓이도록 설정될 때, 다축 로봇(110)의 작업 단부의 현재 위치는 단일 연산에서 정확하게 연산될 수 있고, 즉 역운동학을 이용하여 단일 연산에서 분석 결과를 얻는다. 결과적으로, 로봇 제어 장치(140)에 의해 생기는 연산 부하가 감소된다.

반대로, 스캐너(120)의 좌표계의 원점이 광학계 내에 고정되지 않는 요소, 예컨대 익스펜더 렌즈(123), 제1 스캐닝 미러(132) 또는 제2 스캐닝 미러(134)에 설정되는 경우, 단일 연산에서 분석 결과를 얻을 수 없고 단일 연산으로 작업 단부의 현재의 위치를 얻을 수 없다. 대신에, 로봇 제어 장치(140)가 반복되는 순운동학 및 역운동학 연산을 이용하여 피드백 제어를 실행할 필요가 있다. 결과적으로, 로봇 제어 장치(140)에 의해 생기는 연산 부하는 증가하고, 고속 용접 작업을 실행할 능력은 저하된다.

이제 도 4에 도시된 순서도 및 도 5에 도시된 개략도를 참조하여 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 작동을 설명한다. 도 4는 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의해 실행되는 제어 작동의 순서도이며, 도 5는 도 4에 도시된 순서도에 표시된 제어 처리를 설명하기 위해 사용된 개략도이다.

작동 순서도는, 다축 로봇(110)의 이동 경로 및 스캐너(120)의 작업 지점 경로가 이미 교시되었다는 가정에 기초한다. 이제, 다축 로봇(110)의 경로 및 스캐너(120)의 작업 지점 경로를 교시하는 공정을 간단하게 설명한다.

다축 로봇(110)의 아암을 구동시킬 때 요구되는 응답성 및 이동 속도는 스캐너(120)의 익스펜더 렌즈(123), 제1 스캐닝 미러(132) 및 제2 스캐닝 미러(134)를 구동시킬 때 요구되는 응답성 및 이동 속도와 완전히 상이하다. 그러므로, 작업 지점을 통과하는 경로는 다축 로봇(110)에 교시되고, 작업 지점에 레이저 빔을 조사하기 위한 작업 지점 경로는 스캐너(120)에 교시된다.

다축 로봇(110)의 이동 경로 및 스캐너(120)의 작업 지점 경로는 중앙 처리 유닛(160)에 개별적으로 교시되고 저장된다.

이제, 도 5를 참조하여 이동 경로 및 작업 지점 경로를 교시하는 과정을 더 상세하게 설명한다. 먼저, 이동 경로의 시작 지점(P1)이 다축 로봇(110)에 교시되고, 작업 지점 경로의 시작 지점(W1)이 스캐너(120)에 교시된다. 다음, 이동 위치(지점)(P2) 및 지점 P1으로부터 지점 P2로 이동하기 위한 이동 속도(V1)가 다축 로봇(110)에 교시된다. 동시에, 스캐너(120)에 의해 추적되는 작업 지점의 경로(M, 도 5에 도시된 반원 경로), 종료 지점(W2) 및 작업(레이저 빔 이동) 속도(V)가 스캐너(120)에 교시된다.

다축 로봇(110)이 지점(P1)으로부터 지점(P2)으로 이동하는 속도(V1)는 스캐너(120)의 작업 속도(V)와 독립적으로 설정된다. 다축 로봇(110)이 지점(P1)으로부터 지점(P2)으로 이동하는 동안 스캐너(120)가 레이저 용접을 완료하도록 이동 속도(V1) 및 작업 속도(V)를 설정하는 것이 바람직하다.

이제 도 4의 순서도에 기초하여 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 작동을 설명한다.

단계 S10에서, 중앙 처리 유닛(160)은 내부 저장 장치로부터 다축 로봇(110) 및 스캐너(120)에 대한 교시값을 획득한다. 더 구체적으로는, 중앙 처리 유닛(160)은 로봇(110)에 대한 시작 지점(P1), 종료 지점(P2) 및 이동 속도(V1)를 획득하며, 이것들 모두는 저장 장치에 미리 저장되어 있다. 또한, 중앙 처리 유닛(160)은 스캐너(120)에 대한 시작 지점(W1), 종료 지점(W2) 및 작업 속도(V)를 획득하고, 이것들 모두는 저장 장치에 미리 저장되어 있다.

단계 S11에서, 중앙 처리 유닛(160)은 저장 장치로부터 획득된 다축 로봇(110)에 대한 교시값에 기초하여 다축 로봇(110)에 대한 교시 이동 경로를 작성한다. 더 구체적으로는, 중앙 처리 유닛(160)은 로봇 제어 장치(140)의 각각의 제어 주기에 대응하는 통과 지점[도 5에서 점선이 그어져 있는 지점(P1)과 (P2) 사이의 3지점]을 생성한다.

단계 S12에서, 중앙 처리 유닛(160)은 저장 장치로부터 획득된 스캐너(120)에 대한 교시값에 기초하여 스캐너(120)에 대한 교시된 작업 지점 경로를 생성한다. 더 구체적으로, 중앙 처리 유닛(160)은 스캐너 제어 장치(150)의 각각의 제어 주기에 대응하는 통과 지점 [도 5에서 점선이 그어져 있는 지점(W1)과 지점(W2) 사이의 3지점]을 작성한다.

단계 S13 에서, 중앙 처리 유닛(160)은 다축 로봇(110)의 이동 경로의 지점을 시계열로 배치하고 단계 S12에서 생성된 스캐너(120)의 작업 지점 경로의 지점을 시계열로 배치한다.

단계 S14에서, 중앙 처리 유닛(160)은 다축 로봇(110)의 이동 경로의 시계열을 로봇 제어 장치(140)로 보내고 스캐너(120)의 교시 경로의 시계열을 스캐너 제어 장치(150)로 보낸다.

로봇 제어 장치(140)는 중앙 처리 유닛(160)으로부터 받은 이동 경로를 동일한 제어 주기 시간 및 동일한 타이밍으로 다축 로봇(110)으로 보내어 다축 로봇(110)을 지점(P1)과 (P2) 사이의 이동 경로를 따라 위치시킨다. 한편, 스캐너 제어 장치(150)는 중앙 처리 유닛(160)으로부터 받은 작업 지점 경로를 동일한 제어 주기 시간 및 동일한 타이밍으로 스캐너(120)에 보내어 지점(W1)과 (W2) 사이의 작업 지점 경로를 따라 레이저 빔을 스캐닝한다. 즉, 이동 경로의 지점은 작업 지점 경로의 지점이 스캐너(120)로 보내지는 것과 동시에 로봇(110)으로 보내져, 로봇(110) 및 스캐너(120)는 동기화된 방식으로 이동한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 작업 지점 경로(M)를 따라 지점(W1)으로부터 지점(W2)까지 이동하는 동안, 다축 로봇(110)은 단지 이동 경로를 따라 지점(P1)으로부터 지점(P'1) 까지만 이동하고 용접이 완료된 후에 지점(P2)에 도달하기까지는 아직 작은 거리가 남아있다.

단계 S15에서, 중앙 처리 유닛(160)은 전체 이동 경로 및 전체 작업 지점 경로가 완성되었는지의 여부를 결정한다. 전체 이동 경로 및 전체 작업 지점 경로가 완성되지 않은 경우(단계 S15의 결과가 아니오), 중앙 처리 유닛(160)은 단계 S14를 계속 실행시킨다. 즉, 레이저 빔이 지점(W1)으로부터 (W2)까지 이동되지 않고 작업 지점 경로(M)의 용접이 완료되고 다축 로봇(110)이 이동 경로의 지점(P1)으로부터 (P2)까지 이동되지 않은 경우, 중앙 처리 유닛(160)은 단계 S14를 계속 실행시킨다. 한편, 전체 이동 경로 및 전체 작업 지점 경로가 완성된 경우(단계 S15의 결과가 예), 중앙 처리 유닛(160)은 레이저 용접을 종료시킨다.

이 실시예에 따른 레이저 용접 장치에 의해 획득될 수 있는 몇몇 가능한 효과를 이하에 기재한다.

스캐너의 좌표계의 원점은, 고정되어 있는 광학계의 구성 요소와 레이저 빔의 광축 사이의 교점과 일치하도록 설정되기 때문에, 다축 로봇의 제어는 더 간단하고, 다축 로봇은 교시 지점을 정확하게 그리고 고속으로 따라갈 수 있다.

다축 로봇은 로봇 제어 장치에 의해 제어되고, 스캐너는 스캐너 제어 장치에 의해 제어되며, 로봇 제어 장치 및 스캐너 제어 장치는 동일한 제어 주기 시간 및 동일한 타이밍으로 작동 지령을 발하도록 설계되어 있기 때문에, 다축 로봇의 작동(이동) 및 스캐너의 작동은 개별적으로 제어되지만 이러한 방식에 있어서 상기 작동은 용이하게 동기화될 수 있다. 결과적으로, 장치는 레이저 용접 작업을 고정밀도로 고속으로 완수할 수 있다.

익스펜더 렌즈 및 2개의 스캐닝 미러를 작업 지점의 3차원 좌표에 따라 제어(이동)함으로써, 레이저 빔은 작업 지점이 3차원에서 변하는 작업 대상에 대해 정확한 레이저 용접을 완수하도록 제어될 수 있다.

익스펜더 렌즈 및 2 개의 스캐닝 미러를 구동시키는데 사용된 모터가 다축 로봇의 아암을 구동시키는데 사용된 모터보다 낮은 관성비 및 높은 분해능을 가지기 때문에, 레이저 빔은 작업 지점에 정확하게 조사될 수 있다. 결과적으로, 용접 품질이 향상될 수 있고, 스캐너의 광학계의 크기, 중량 및 비용은 감소될 수 있다.

AC 서보모터만을 사용하면 더 균일한 세트의 지령을 사용할 수 있게 된다. 결과적으로, 로봇 제어 장치 및 스캐너 제어 장치는 단일 중앙 처리 유닛에 의해 동일한 제어 속도 및 동일한 제어 주기 시간으로 제어될 수 있다.

익스펜더 렌즈 및 2개의 스캐닝 미러 각각은 높은 감속비를 갖는 감속 기어를 통해 각각의 AC 서보모터의 회전 샤프트에 연결된다. 결과적으로, 익스펜더 렌즈 및 2개의 스캐닝 미러는 AC 서보모터의 작동에 대해 신속하게 반응할 수 있고 레이저 빔은 작업 지점에 정확하게 조사될 수 있다. 결과적으로, 용접 품질이 향상될 수 있고, 스캐너의 광학계의 크기, 중량 및 비용은 감소될 수 있다.

상기 선택된 실시예는 본 발명을 설명하기 위해 정선되었습니다만, 첨부된 청구항에 규정된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 다양한 변화 및 변형이 이루어질 수 있다는 것은 본 명세서로부터 이 기술분야의 당업자에게는 명백하다. 예컨대, 다양한 구성요소의 크기, 형상, 위치 또는 방향성은 필요에 따라 그리고/또는 소망에 따라 변화될 수 있다. 직접 연결되거나 서로 접촉하는 것으로 도시되어 있는 구성요소는 그들 사이에 배치된 중간 구조물을 가질 수 있다. 하나의 요소의 기능이 2개로 실행될 수 있으며, 또한 그 반대로도 될 수 있다. 모든 이점이 특정 실시예에서 동시에 나타날 필요는 없다. 또한, 종래기술로부터 고유하고 단독으로 또는 다른 특징과 조합된 모든 특징은 이러한 특징(들)에 의해 구현되는 구조적인 및/또는 기능적인 개념을 포함하는 출원인에 의한 추가의 발명에 대한 별도의 상세한 설명도 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예의 상기 상세한 설명은 단지 설명을 위해 제공되며 첨부된 청구항 및 그것의 균등물에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명을 제한하려는 목적이 아니다.

Claims

아암을 갖는 다축 로봇과,
상기 다축 로봇의 아암의 첨단에 부착되고, 레이저 빔을 작업편에 방출하는 광학계를 구비하는 스캐너를 포함하며,
상기 스캐너는 레이저 빔의 광축과 광학계의 고정 요소 사이의 교점과 일치하는 좌표계의 원점을 갖는 사전 설정 좌표계를 포함하는, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 광학계의 고정 요소는 초점 렌즈인, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 스캐너의 좌표계의 원점이 교시된 이동 경로를 따라 이동하도록 교시된 이동 경로를 따라 상기 아암을 이동시키기 위해 다축 로봇의 작동을 제어하는 로봇 제어 장치와,
상기 레이저 빔이 작업편의 작업 지점에 방출되도록 스캐너의 광학계의 작동을 제어하는 스캐너 제어 장치를 더 포함하는, 레이저 용접 장치.
제3항에 있어서, 상기 로봇 제어 장치 및 스캐너 제어 장치가 동기화된 방식으로 작동하도록 작동 지령을 발하는 중앙 처리 유닛을 더 포함하는, 레이저 용접 장치.
제1항에 있어서, 상기 스캐너의 광학계는,
상기 레이저 빔의 광축 방향을 따라 이동함으로써 초점 거리를 조정하는 익스펜더 렌즈와,
상기 익스펜더 렌즈를 나오는 레이저 빔을 조준하는 조준 렌즈와,
상기 조준 렌즈를 나오는 레이저 빔을 작업편에 스캐닝하는 한 쌍의 스캐닝 미러를 더 포함하는, 레이저 용접 장치.
제5항에 있어서, 상기 익스펜더 렌즈는 모터의 회전 샤프트에 연결되고,
상기 스캐닝 미러는 모터의 회전 샤프트에 각각 연결되고,
상기 모터 각각은 다축 로봇의 아암을 구동시키는데 사용된 모터보다 낮은 관성비 및 높은 분해능을 갖는, 레이저 용접 장치.
제6항에 있어서, 상기 익스펜더 렌즈 및 스캐닝 미러를 구동시키는 모터는 AC 서보모터이고, 상기 익스펜더 렌즈 및 스캐닝 미러는 각각 높은 감속비를 갖는 감속 기어를 통해 상기 AC 서보모터 각각의 회전 샤프트에 연결되는, 레이저 용접 장치.
제5항에 있어서, 상기 스캐너의 광학계는 상기 레이저 빔의 광축 방향의 익스펜더 렌즈의 이동량의 연산 및 초점 거리의 변화량의 연산을 위해 선형 근사법을 이용하는, 레이저 용접 장치.