KR102109177B1

KR102109177B1 - 기억재생형 다층자동용접방법

Info

Publication number: KR102109177B1
Application number: KR1020130000499A
Authority: KR
Inventors: 김진욱
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2013-01-03
Filing date: 2013-01-03
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2033-01-03
Also published as: KR20140088685A

Abstract

다층용접시 1차 경로에 대한 위빙모션(weaving motion)을 저장하고, 그 저장한 위빙모션을 재생하여 다층 용접이 이루어질 수 있도록 한 기억재생형 다층자동용접 장치 및 그 방법이 개시된다.
개시된 기억재생형 다층자동용접장치는, 용접 로봇의 용접 토치에 설치되어, 위빙모션중 용접선을 추적하는 아크 센서와; 상기 아크 센서에서 추적한 용접선 추적 정보로부터 위빙동작의 중심 궤적을 산출하여 저장하고, 다층 용접을 위한 재생 명령시 상기 저장한 위빙동작의 중심 궤적을 기반으로 상기 용접 로봇을 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

기억재생형 다층자동용접방법{MULTI-LAYERED AUTOMATIC WELDING METHOD OF MEMORY REPRODUCING TYPE}

본 발명은 용접로봇제어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다층용접시 1차 경로에 대한 위빙모션(weaving motion)을 저장하고, 그 저장한 위빙모션을 재생하여 다층 용접이 이루어질 수 있도록 한 기억재생형 다층자동용접방법에 관한 것이다.

상기에서 위빙모션이란 용접 로봇이 용접 작업을 행할 때 한 번의 경로이동으로 용입량을 많게 하기 위하여 단순한 직선/곡선만으로 움직이는 것이 아니라 용접 진행방향에 대하여 지그재그로 진자운동(oscillation motion)을 하는 것을 의미한다.

일반적으로 산업현장에는 다양한 종류의 산업용 로봇이 사용되고 있으며, 이중에는 철판 등의 각종 재료를 용접하는 용접용 로봇이 이용된다. 용접 로봇을 사용한 용접에는 용접대상 모재를 운반하여 지그에 고정시키고, 대상 모재에 용접이 실시될 용접 라인 상의 용접 시작점과 용접 종료점을 입력하면, 제어기는 저장된 소정의 프로그램에 기초하여 로봇에 구비된 용접토치를 구동하여 용접을 행한다.

이러한 모재를 용접하는 데에는 아크용접(arc welding) 등의 방법이 주로 사용된다. 아크 용접은 용접 토치에 와이어를 공급하면서 용접 토치와 용접모재 사이에 강한 전류를 형성하여 와이어 및 모재를 순간적으로 녹이면서 융착시키는 용접방법이다. 아크 용접을 행할 때에는 모재의 종류나 용접하고자 하는 용접 부위의 상호 접촉형상에 따라 소정의 용접조건을 미리 설정하여 입력시킨다. 이러한 용접조건들에는 용접전류, 용접전압, 용접토치와 모재간의 이격거리, 와이어의 공급속도 및 용접토치에 의한 위빙모션의 속도 등이 포함된다.

용접 로봇을 이용하여 용접을 하는 것에 있어서, 선박을 제조하는 데에 사용되는 철판 등과 같이 두께가 상당히 큰 모재를 용접하는 경우가 있는 데, 이러한 두꺼운 모재를 용접하는 데에는 아크 용접에 의한 다층용접을 주로 사용한다.

다층용접에 대한 종래기술이 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 특1998-026434호(1998.07.15. 공개)(발명의 명칭: 다층용접을 수행하는 용접로봇 제어방법 및 용접제어장치)에 개시된다.

개시된 종래기술은, 원하는 용접부의 단면형상과 용접조건에 따라 용접층간의 용접량 오프셋의 방향 및 크기를 산출하고, 용접라인 상의 기초용접을 위한 용접시작점과 용접 종료점을 잇는 루트패스를 설정한 후 용접 토치를 상기 루트패스를 따라 이동시켜 기초용접을 수행시키고, 루트패스로부터 상기 용접량 오프셋에 해당하는 만큼 위치변경된 커버 용접층의 커버패스를 산출하고, 상기 용접 토치를 상기 커버 패스를 따라 이동시켜 커버 용접을 수행하게 된다.

1. 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 특1998-026434호(1998.07.15. 공개)(발명의 명칭: 다층용접을 수행하는 용접로봇 제어방법 및 용접제어장치)

그러나 상기와 같은 종래기술은 용접할 층에 따라 기초용접을 한 후, 루트패스로부터 용접량 오프셋에 해당하는 만큼 위치 변경된 커버패스를 다시 산출해야하는 복잡함이 있다.

또한, 종래기술은 다시 산출된 커버패스에 따라 다층 용접을 할 경우, 모션 동작의 시작 및 끝 지점에서의 가감속이 불가능하여, 시작 및 끝 지점에서 갑자기 용접 토치가 동작하거나 멈추어 충격이 발생하는 단점도 있다. 즉, 용접 로봇이 정지상태에서 바로 정상상태속도(사용자 설정속도)로 바로 동작시킬 경우 가속도에 의한 심한 충격이 발생하고, 동작중인 상태에서 급정지하게 되면 이 또한 심한 충격이 발생하게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다층용접시 1차 경로에 대한 위빙모션(weaving motion)을 저장하고, 그 저장한 위빙모션을 재생하여 다층 용접이 이루어질 수 있도록 한 기억재생형 다층자동용접 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 위빙모션 동작의 시작 및 끝 지점에서 가감속 속도 프로파일에 의해 부드러운 위빙모션을 구현할 수 있도록 한 기억재생형 다층자동용접 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 용접선 추적장치(아크 센서, 레이저 비전센서(LVS)로 아크 용접선 추적(Arc Seam Tracking)한 로봇 궤적을 메모리에 저장하여, 다층용접이 가능토록 한 기억재생형 다층자동용접 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 메모리를 동적할당하여 실제 용접구간별로 위빙모션을 저장하도록 함으로써, 메모리의 관리에 효율성을 도모하도록 한 기억재생형 다층자동용접 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 기억재생형 다층자동용접장치는,

용접 로봇의 용접 토치에 설치되어, 위빙모션중 용접선을 추적하는 아크 센서와;

상기 아크 센서에서 추적한 용접선 추적 정보로부터 위빙동작의 중심 궤적을 산출하여 저장하고, 다층 용접을 위한 재생 명령시 상기 저장한 위빙동작의 중심 궤적을 기반으로 상기 용접 로봇을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 제어기는,

초기 위빙동작의 중심 궤적을 산출하여 저장하고, 다층 용접시에는 중심 궤적에 오프셋(offset)을 부가하여 다층 용접을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 제어기는,

초기 위빙동작의 중심 궤적을 저장할 시, 용접 구간별로 메모리를 동적 할당하여 중심 궤적을 저장하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 제어기는,

다층 정보를 입력하거나 위빙모션 기억 및 재생 명령을 입력하거나 용접 속도를 입력하기 위한 입력부;

상기 입력부를 통해 입력된 기억 명령에 따라 위빙동작의 중심 궤적을 산출하여 저장부에 저장하고, 상기 재생 명령에 따라 상기 저장한 중심 궤적에 오프셋을 부가하여 용접 제어신호를 발생하는 제어부;

상기 제어부에서 발생한 용접 제어신호를 용접기 및 용접 로봇에 대응한 신호로 변환하여 상기 용접기 및 용접 로봇에 전송하는 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 기억재생형 다층자동용접방법은,

(a) 사용자에 의해 기억 명령이 입력되면 위빙동작시 아크 센서로부터 출력되는 용접선 추적 정보로부터 중심 궤적을 산출하여 메모리에 저장하는 단계;

(b) 상기 사용자에 의해 재생 명령이 입력되면 상기 메모리로부터 모션 정보를 탐색하는 단계;

(c) 탐색한 모션 정보를 기초로 저장된 중심 궤적으로부터 위빙동작의 중심점을 탐색하는 단계;

(d) 상기 (c) 단계에서 탐색한 중심점에 다층 용접에 대응하는 오프셋을 부여하여 중심 궤적을 보간하는 단계;

(e) 상기 보간한 중심 궤적을 기초로 다층용접시 위빙모션의 시각 및 끝 지점에서 용접 토치의 속도 조정을 위한 속도 프로파일을 생성하는 단계;

(f) 상기 생성한 속도 프로파일과 상기 보간한 중심 궤적에 따라 로봇을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (a)단계는,

(a-1) 사용자에 의해 기억 명령이 입력되면 위빙동작시 아크 센서로부터 출력되는 용접선 추적 정보로부터 중심 궤적을 산출하는 단계;

(a-2) 상기 산출한 중심 궤적을 용접 구간별로 동적 할당하는 단계;

(a-3) 상기 동적할당한 메모리에 상기 산출한 위빙모션의 중심 궤적을 저장하는 단계를 포함한다.

상기에서 (a-1) 단계의 중심 궤적은 각 노드와 노드의 중심 위치와, 각 노드에서의 로봇 자세 값과 다음 노드의 자세가 될 때까지의 동축각(Equivalent Axis Angle)을 기초로 하여 산출한 중심 자세를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (a-2) 단계의 동적 할당은,

각 위빙모션의 시작점/끝점을 관리하는 구조체;

위브 명령을 포함하는 파일(MPF 파일)을 위한 구조체;

상기 위빙모션의 저장되는 중심점을 관리하는 구조체로 할당되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (b)단계는,

모션명령 단위로 시작점 및 끝점을 분석하여 시작점/끝점을 관리하는 구조체 정보를 메모리 영역에서 탐색하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (b)단계는,

(b-1) 모션(MOVL) 명령을 해석하여 시작점 및 목표지점을 탐색하는 단계;

(b-2) 버퍼 메모리 인덱스의 첫 번째 모션 포인터를 탐색하는 단계;

(b-3) 상기 (b-1) 단계에서 탐색한 모션 시작점 및 모션 목표점을 목표지점으로 설정하는 단계;
(b-4) 상기 시작점에서 설정한 모션 시작점까지의 거리, 상기 목표지점에서 설정한 모션 목표지점까지의 거리를 산출하는 단계;

삭제

(b-5) 상기 시작점에서 목표지점으로의 단위방향 벡터와 상기 모션 시작점에서 모션 목표점으로의 단위방향 벡터를 산출하는 단계;

(b-6) 상기 (b-5)단계에서 산출한 방향벡터간의 벡터 내적을 산출하는 단계;

(b-7) 상기 (b-4)에서 산출한 거리값과 상기 (b-6)에서 산출한 벡터 내적을 기초로 메모리의 모션정보를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (c)단계는,

(c-1) 위빙동작시 저장된 위빙중앙지점의 전체개수에서 최적의 메모리 위치를 탐색하는 단계;

(c-2) 상기 탐색한 메모리 위치를 기초로 시작 위치 및 목표위치를 설정하는 단계;

(c-3) 현재 위치에서 시작 위치 및 목표 위치까지의 거리를 각각 산출하는 단계;

(c-4) 현재 위치에서 시작위치 및 목표위치의 단위방향벡터를 산출하는 단계;

(c-5) 상기 (c-4)단계에서 산출한 단위방향벡터의 내적을 산출하는 단계;

(c-6) 상기 (c-3)단계에서 산출한 거리와 상기 (c-5)단계에서 산출한 벡터 내적으로 중심점을 결정하는 단계를 포함한다.

상기에서 (d)단계는,

(d-1) 상기 (c) 단계에서 탐색한 중심점에 다층 용접에 대응하는 오프셋을 부여하여 중심 궤적의 위치를 보간하는 단계;

(d-2) 상기 위치 보간된 중심 궤적에 오프셋을 부여하여 회전을 보간하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (e)단계는,

(e-1) 위빙중심점의 전체 거리를 계산하는 단계;

(e-2) 상기 계산한 위빙중심점의 전체 거리를 기초로 제어루프 시간당 전진거리를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (e-2)단계는,

등속구간에서의 속도 값과 상기 위빙중심점의 전체 거리를 승산하여 전진거리를 산출하고, 현재 위치와 상기 전진거리를 가산하여 다음 위치의 속도를 계산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 다층용접시 1차 경로에 대한 위빙모션(weaving motion)을 저장하고, 그 저장한 위빙모션을 재생하여 다층 용접을 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 위빙모션 동작의 시작 및 끝 지점에서 튀는 현상 없이 가감속 속도 프로파일에 의해 부드러운 위빙모션을 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 메모리를 동적 할당하여 실제 용접구간별로 위빙모션을 저장하도록 함으로써, 메모리의 관리에 효율성을 도모해주는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 기억재생형 다층자동용접 장치의 구성도이고,
도 2는 도 1의 제어기의 실시 예 구성도이며,
도 3a는 본 발명에서 위빙모션을 설명하기 위한 설명도이고, 도 3b는 본 발명에서 다층용접을 설명하기 위한 설명도이며,
도 4는 본 발명에 따른 기억재생 다층자동용접 방법을 보인 흐름도이고,
도 5는 도 4에서 모션정보 탐색단계의 실시 예 흐름도이며,
도 6은 도 4에서 위빙동작의 중심점 탐색단계의 실시 예 흐름도이며,
도 7은 도 4에서 속도 프로파일 생성단계의 실시 예 흐름도이며,
도 8은 본 발명에서 다층자동용접 과정을 설명하기 위한 설명도이고,
도 9는 본 발명에서 중심 위치를 산출하는 과정을 설명하기 위한 설명도이며,
도 10은 본 발명에서 메모리 모션정보 구조체의 관계도이고,
도 11은 본 발명에서 메모리 위치 탐색을 위한 설명도이며,
도 12는 본 발명에서 기억재생시 보간(interpolation) 방법을 설명하기 위한 설명도이며,
도 13은 본 발명에서 모션지령위치의 자세 값을 산출하는 과정을 설명하기 위한 설명도이며,
도 14는 본 발명에서 저장된 메모리 경로를 그대로 재현한 시뮬레이션 예시도이고,
도 15는 본 발명에서 위빙중심점간 거리 산출과정의 예시 도이며,
도 16은 본 발명에서 등속구간에서의 속도 프로파일 예시 도이고,
도 17은 본 발명에서 X축 방향의 가속구간의 속도 예시 도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 기억재생형 다층자동용접 장치의 개략 구성도로서, 용접 로봇(200), 아크 센서(210), 제어기(100)로 구성된다.

여기서 아크 센서(210)는 상기 용접 로봇(200)의 용접 토치에 설치되며, 위빙모션중 용접선을 추적하는 역할을 한다. 이러한 아크 센서(210)는 위빙모션중 용접 아크 전류를 피드백 받아 용접 경로를 추적하는 통상의 용접 선 추적 방식을 이용한다.

제어기(100)는 상기 아크 센서(210)에서 추적한 용접선 추적 정보로부터 위빙동작의 중심 궤적을 산출하여 저장하고, 다층 용접을 위한 재생 명령(RECALL 명령)시 상기 저장한 위빙동작의 중심 궤적을 기반으로 상기 용접 로봇(200)을 제어하는 역할을 한다.

이러한 제어기(100)는 도 2에 도시한 바와 같이, 다층 정보를 입력하거나 위빙모션 기억 및 재생 명령을 입력하거나 용접 속도를 입력하기 위한 입력부(120); 상기 입력부(120)를 통해 입력된 기억 명령에 따라 위빙동작의 중심 궤적을 산출하여 메모리인 저장부(130)에 저장하고, 상기 재생 명령에 따라 상기 저장한 중심 궤적에 오프셋(offset)을 부가하여 용접 제어신호를 발생하는 제어부(140); 상기 제어부(140)에서 발생한 용접 제어신호를 용접기 및 용접 로봇에 대응한 신호로 변환하여 상기 용접기 및 용접 로봇(200)에 전송하는 신호 출력부(150)를 포함한다. 도 2에서 전원부(110)는 3상 교류 전원을 입력받아 장치에서 필요로 하는 알맞은 전압으로 변환을 하여 구동용 전원을 공급해주는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 기억재생형 다층자동용접 장치는, 용접 로봇(200)의 위빙동작 중 아크센서(210)를 활용하면 용접선 추적이 가능하며, 이때 위빙동작의 중심 궤적을 저장하면 다중경로 용접(다층용접)이 가능하다. 이를 위해서 본 발명에서는 2가지의 명령을 사용한다. 예컨대, 위빙 용접시 위빙 중심점을 저장하기 위한 기억 명령(MEMORY 명령)과, 상기 저장한 위빙 중심점을 기반으로 기억재생을 통해 다층 용접을 수행하기 위한 정방향(Forward) 또는 역방향(Backward) 용접 명령인 재생 명령(RECALL 명령)이 그것이다.

아크 센싱을 통한 용접선 추적을 한 후 다층용접을 하기 위해서는 주지한 바와 같이 2가지 명령을 활용한다.

기억 명령은 용접선 추적 경로를 메모리에 저장하기 위한 명령으로서, 부가적으로 메모리 온 상태이면 위빙용접 중 용접선 추적 경로를 메모리에 저장하고, 메모리 오프 상태이면 메모리 저장을 중지하는 것을 나타낸다.

재생 명령은 저장된 용접선 추적 경로를 메모리에서 불러오기 위한 명령으로서, 부가적으로 FWD는 저장된 용접선 추적 경로를 순방향으로 재생하도록 한 명령이고, BACK는 저장된 용접선 추적 경로를 역방향으로 재생하도록 한 명령이며, STOP는 기억 재생 모션의 동작을 정지하기 위한 명령이며, BUF는 용접선 추적 경로의 저장번호를 나타낸다.

상기 제어기(100)는 초기 위빙동작 중 사용자가 입력부(120)를 통해 기억 명령을 입력하면, 위빙동작의 중심 궤적을 산출하여 저장부(130)에 저장한다. 이때 초기 위빙동작의 중심 궤적을 저장할 시, 용접 구간별로 메모리를 동적 할당하여 중심 궤적을 저장하게 된다. 여기서 위빙동작의 중심 궤적을 산출하는 구체적인 방법은 후술하는 다층자동용접 방법에서 자세하게 설명하기로 한다.

아울러 사용자가 입력부(120)를 통해 재생 명령을 입력하면, 상기 저장부(130)에 저장한 중심 궤적을 불러오고, 이렇게 불러온 중심 궤적에 경로 보정량인 오프셋(offset)을 부여하여 중심 궤적을 보정 한 후, 이를 기반으로 자동으로 다층 용접을 한다.

도 3b는 다층용접 경로를 나타낸 것으로서, #1은 첫 번째 용접 경로이고, #2는 첫 번째 용접 경로에서 저장한 중심 궤적을 재생하여 용접한 두 번째 용접 경로이며, #3은 첫 번째 용접 경로에서 저장한 중심 궤적을 재생하여 용접한 세 번째 용접 경로를 의미한다.

도 4는 본 발명에 따른 기억재생형 다층자동용접방법을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타내며, 도 1의 제어기(100) 및 도 2의 제어부(140)에서 소프트웨어적으로 수행하는 과정을 나타낸 것이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 기억재생형 다층자동용접방법은, (a) 사용자에 의해 기억 명령(MEMORY ON)이 입력되면 위빙동작시 아크 센서(210)로부터 출력되는 용접선 추적 정보로부터 중심 궤적을 산출하여 메모리(저장부)에 저장하는 단계(S101 ~ S104); (b) 상기 사용자에 의해 재생 명령(RECALL ON)이 입력되면 상기 메모리로부터 모션 정보를 탐색하는 단계(S105 ~ S106); (c) 탐색한 모션 정보를 기초로 저장된 중심 궤적으로부터 위빙동작의 중심점을 탐색하는 단계(S107); (d) 상기 (c) 단계에서 탐색한 중심점에 다층 용접에 대응하는 오프셋을 부여하여 중심 궤적을 보간하는 단계(S108 ~ S109); (e) 상기 보간한 중심 궤적을 기초로 다층용접시 위빙모션의 시각 및 끝 지점에서 용접 토치의 속도 조정을 위한 속도 프로파일을 생성하는 단계(S110); (f) 상기 생성한 속도 프로파일과 상기 보간한 중심 궤적에 따라 로봇을 제어하는 단계(S111)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 기억재생형 다층자동용접방법은, 먼저 위빙동작중에 단계 S101에서와 같이 기억 명령이 입력되면, 단계 S102로 이동하여 아크 센서로부터 출력되는 용접선 추적 정보로부터 로봇의 중심 궤적을 산출하게 된다. 즉, 기억 명령이 입력되면 위빙 동작의 중앙선 지점(x, y, z)과 그때의 로봇 토치의 자세 값을 메모리에 저장한다. 위빙 중앙선 지점 및 자세는 도 8에 도시한 바와 같이, 로봇 토치가 한 노드(Node)에서 다음번 노드로 가기 위해 모션 계획(Motion Plan)을 하는 단계에서 계산하여 찾는다. 노드의 중간지점(x, y, z)은 각 노드 지점(시작, 목표위치) 사이의 중간 값으로 취하고 중간지점에서의 자세 값은 등축각(Equivalent Axis Angle)을 고려하여 결정한다.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 9에서 위빙중심 M1의 위치는 Node#0과 Node#1의 중심이 되며, 이는 아래의 <수식1>로 표현된다.

위브(WEAVE) 명령의 Motion Plan 단계에서는 각각 현재 노드에서의 자세값(R₀, R₁)과 다음 노드까지 진행할 동안 회전해야할 등축각(θ₀₁, θ₁₂)값을 가지고 있다. 따라서 중심점의 위치는 이 각 노드에서의 자세 값과 등축각을 활용하도록 한다.

만약, Node#1에서의 용접 로봇의 자세 값이 R₁이고, R₂자세가 될 때까지 회전해야할 등축각 값이 θ₁₂라고 할 경우, M2에서의 자세값은 아래의 <수식2>와 같다.

여기서 θ₁₂는 Node#1을 기준으로 회전시키는 상대각도(Relative Angle)가 된다. 재생 명령으로 재연할 경우, 이 상대각도를 가지고 수식 전개시 복잡할 수 있으므로 절대각도(Absolute Angle)를 구하여 메모리에 저장토록 한다. 위브 모션동작의 초기위치 R_INI를 기준으로 절대각도를 구하는 수식은 아래 <수식3>과 같다.

이러한 과정을 통해 위빙동작의 중심 위치/자세를 산출하게 되면, 단계 S103으로 이동하여 메모리를 할당한다.

기억 명령은 3단계 구조로 메모리를 구성한다, 'MEMORY BUF = index'로 표기한 '용접선 추적 경로'파일(BUF) 내부에는 메모리 온 ~ 메모리 오프 내부에 포함된 모든 위브 명령들이 저장되며, 이것에 관한 JOB 프로그램은 다음과 같다.

ARCON START=0 MAIN=1 SENSOR=ON

MEMORY ON BUF=02

WEAVE T000 T010 <-----(A)

WEAVE T010 T011 <-----(B)

WEAVE T011 T012 <-----(C)

MEMORY OFF

ARCOF END=03

위에서 작성한 JOB 프로그램 예의 경우 (A), (B), (C) 3개의 모션궤적이 저장된다. 이때 각 모션의 시작점/끝점 등을 관리하는 구조체가 "MEM_MOV' 구조체가 된다. 위 예의 경우 3개의 위브 명령이 MPF#2 파일에 저장된다. MPF 파일을 위한 구조체명은 'MEM_MPF'이다. 또한, 하나의 모션내부에는 위빙동작의 중심점이 저장되는 데 이를 관리하는 구조체가 'MEM_POS'가 된다. 'MEM_MOV' 구조체는 동적으로 메모리를 할당하며 'Linked List'관계로 연결되어 있다.

도 10은 상기 메모리 모션정보 구조체 관계를 나타낸 것이다.

단계 S104에서는 상기와 같이 산출한 위빙동작의 중심 위치/자세를 상기 메모리에 저장하게 된다.

이후 사용자는 기억재생을 이용하여 다층용접을 위해 입력부를 통해 재생 명령을 입력하면(S105), 단계 S106에서 메모리로부터 모션 정보를 탐색하게 된다.

아래 JOB 프로그램은 메모리 기능을 활용해 궤적을 저장하고 재생하는 예제이다. (1)구간의 위브 명령 3개가 연속되는 동안 메모리 온 ~ 메모리 오프 구간을 설정하여 로봇 토치의 궤적을 저장하고, 이후 (2)구간에서 RECALL FRWD ~ RECALL STOP 구간에 MOVL명령을 통해 앞에서 저장된 궤적을 그대로 재현한다.

이때 (2)구간의 재생 명령 기능 구현을 위해서는 앞에서 모션명령(WEAVE) 단위로 시작점, 끝점을 분석하여 MEM_MOV 구조체 정보를 제어기 내부 메모리 영역에서 찾아야 한다.

NOP

MOV] T000 V=30.0 PL=0

; MEMORY RECORD

MOV] T001 MAIN=0 SENSOR=ON

MEMORY ON BUF=0

WEAVE P000 T002 WD=0.0 AD=0.0 WVF=0 (1)

WEAVE P000 T003 WD=0.0 AD=0.0 WVF=0 (1)

WEAVE P000 T004 WD=0.0 AD=0.0 WVF=0 (1)

MEMORY OFF

ARCOF END=0

; RECALL FORWARD PLAY

MOV] T001 V=30.0 PL=0

ARCON START=0 MAIN=0 SENSOR=OFF

RECALL FWD BUF=0

MOVL T002 V=30.0 PL=0 (2)

MOVL T003 V=30.0 PL=0 (2)

MOVL T004 V=30.0 PL=0 (2)

RECALL STOP

ARCOF END=0

END

앞서 MEM_MPF 구조체 정보에는 첫 번째 MEM_MOV*(포인터)가 저장되어 있다고 설명하였다. 이 포인터 변수값을 이용하여 Linkked List 구조대로 연속하는 MEM_MOV 정보를 찾는다.

즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 단계 S201에서는 모션(MOVL) 명령을 해석하여 시작점(plan_start) 및 목표지점(plan_target)을 탐색하게 된다. 그리고 단계 S202에서는 'RECALL FWD BUF=#'에서 선언된 버퍼 메모리 인덱스의 첫 번째 모션 포인터(MEM_MOV*(포인터))를 탐색하게 된다. 이후 단계 S203에서 계산의 편의를 위해 모션 시작점(mov_start) 및 모션 목표점(mov_target)을 설정하는 된다. 다음으로, 단계 S204에서는 상기 시작점에서 설정한 모션 시작점까지의 거리와, 상기 목표지점에서 설정한 모션 목표지점까지의 거리를 각각 산출한다. 그리고 단계 S205에서는 상기 시작점에서 목표지점으로의 단위방향 벡터와 상기 모션 시작점에서 모션 목표점으로의 단위방향 벡터를 산출하고, 단계 S206에서 상기 산출한 방향벡터간의 벡터 내적을 산출한다. 이후 단계 S207에서 상기 산출한 거리 값과 상기 산출한 벡터 내적을 기초로 메모리의 모션정보를 결정하게 된다. 즉, 상기 산출한 각 거리 값이 0.1.이하이고, 상기 벡터내적값이 0.99보다 같거나 작을 경우 동일한 위치 정보를 가지고 있는 MEM_MOV 데이터라고 결정한다. 이와는 달리 상기 산출한 각 거리 값이 0.1 이하가 아닐 경우, 상기 벡터내적값이 0.99와 같지 않을 경우에는 다음 변수 값을 이용하여 다음번 모션정보를 탐색하게 된다.

이러한 과정으로 메모리의 모션 정보를 결정하면, 단계 S107로 이동하여 위빙동작의 중심점을 탐색하게 된다.

'RECALL FWD'명령은 전술한 "MEMORY ON'명령으로 저장된 로봇 토치 궤적을 활용하는 기능이다. 도 11에서 M0, M1, M2, ....는 '메모리 온' 명령에 의해 제어기의 메모리상에 저장된 궤적정보로 위빙동작시 중심 좌표값이다.

T0, T1, T2, ...는 로봇제어기가 제어주기마다 움직인 궤적을 나타낸 것이다. 여기서 'RECALL FWD'동작을 통해 모션을 진행할 경우 T0 ~ T3은 M0 ~ M1의 두 직선이 이루는 벡터방향에 있음을 확인할 수 있다. 마찬가지로 T4 ~ T6이 M1 ~ M2가 이루는 벡터선상에 있음을 알 수 있다.

'RECALL FWD'를 실행하기 위해서는 이렇게 메모리에 저장된 궤적점(Mo, M1, M2,...)이 이루는 벡터를 구한 후 T0, T1,...이 움직이는 속도를 구해 지점을 찾도록 한다.

전술한 바와 같이 MEM_MOV 구조체안에는 MEM_POS*정보가 있다. 즉, 하나의 위빙동작의 중심점의 정보가 이 MEM_POS 구조체에 저장되는 데, 위빙동작의 사이클만큼 정보를 가지고 있어야 한다. 위빙동작시 속도와 이동거리를 알 수 없으므로 MEM_POS는 동적 메모리로 할당한다.

위빙동작의 중심점을 탐색하는 구체적인 방법은, 도 6에 도시한 바와 같이, 단계 S301에서 위빙동작시 저장된 위빙중앙 지점의 전체개수에서 최적의 메모리 위치를 탐색하게 된다. 즉, MOM_MOV -> pos_total 변수는 위빙동작시 저장된 위빙중앙지점의 전체개수를 의미한다. 이 개수에서 -1까지 검색을 통해 최적의 MEM_POS를 찾는다. 다음으로, 단계 S302에서 상기 탐색한 메모리 위치를 기초로 시작 위치(pos_start) 및 목표위치(pos_target)를 설정하게 된다. 즉, 'FOR ~ LOOP'구조에서 n번째 MEM_POS 정보를 시작 위치(pos_start)로, n+1번째 MEM_POS정보를 목표위치(pos_target)로 설정한다. 그리고 단계 S303에서 현재 위치(pos_current)에서 시작 위치 및 목표 위치까지의 거리를 각각 산출한다. 이후 단계 S304에서 현재 위치에서 시작위치 및 목표위치의 단위방향벡터(vect_1, vect_2)를 각각 산출한다. 아울러 단계 S305에서 산출한 단위방향벡터의 내적을 산출한다. 만약, vect_1과 vect_2가 같은 방향일 경우, cos(0)=1이 되고, 서로 반대방향일 경우 cos(180)=-1의 값을 갖게 될 것이다. 다음으로, 단계 S306에서 산출한 거리와 산출한 벡터 내적으로 중심점을 결정하게 된다. 즉, 현재 위치 값이 시작 위치와 목표 위치 사이에 있는 경우, 벡터내적값은 product < -0.9가 될 것이고, dist_s2c의 거리가 dist_s2t보다 짧게 될 것이다. 이 두 가지 조건을 만족할 경우 For ~ Loop를 빠져나온다. 만약 현재 로봇토치 위치가 시작 위치와 겹치는 위치(=같은 위치)에 있다면 dist_s2c < 0.01 조건을 만족하게 된다. 이런 경우도 For ~ Loop를 빠져나온다.

다음으로, 단계 S108 및 단계 S109에서는 상기 탐색한 중심 궤적에 오프셋을 부가하여 중심 궤적을 보간하게 된다.

먼저, 위치 보간(Position Interpolation)은 도 12에서 P_B지점은 아래의 벡터 <수식4>처럼 P_A로 표현할 수 있다.

여기서 P_A -> P_B -> P_C의 순서대로 궤적을 그리면서 로봇토치가 이동한다고 할 때, P_C위치는

벡터 선상에 있지만

벡터선상으로 옮겨줘야 함을 상식적으로 알 수 있다. 'RECALL FWD' 기능으로 궤적을 생성할 때 특정지점이 유효한 범위에 있는지 판별해야 한다. 만약 현재 궤적생성구간이 M0 ~ M1 구간이라면 이 구간 내부에 위치하는 지점(예를 들어, P_A)에서 M0, M1 각각의 방향을 쳐다보는 두 벡터

의 벡터내적은 1이 되지만, P_C에서 M0, M1 각각의 방향으로 쳐다보는 두 벡터의 벡터내적은 -1이 되므로 P_C지점이 M0, M1 사이에 있지 않다는 것을 알 수 있다. 벡터 내적 산출은 아래의 <수식5>와 같다.

최종적으로 찾아야 할 Pc'지점은 아래의 <수식6>과 같다.

회전 보간(Rotion Interpolation)을 위해서는 WEAVE 명령을 수행하는 동안 위빙중심점에서의 등축각을 저장해 두어야 한다. 이는 MOVL 명령으로 'RECALL FWD'를 실행할 경우, 회전 역시 위브때와 유사한 자세로 회전해야하기 때문이다. 전술한 위치 보간 단계를 거치고 나면 MEM_POS 구조체중에서 다음번 보간을 위한 최적의 인덱스(=메모리 어드레스)를 찾을 수 있다. 이 인덱스를 찾고 난 뒤에 회전 보간을 구해야 한다.

도 13에서 위빙 동작 중앙지점을 각각 M1, M2라고 하고, 그 각각의 지점에서의 위치 값을 아래와 같이 시작 위치, 목표 위치라고 설장하고, M1 ~ M2 사이의 거리를 dist_s2t, M1 ~ Pc까지의 거리를 dist_s2n이라고 한다.

또한, M1, M2 지점에서의 자세 값을 의미하는 등축각 값을 eq_start, eq_target이라고 설정한다. 이 경우 구하고자 하는 다음번 모션지령위치(motion command position) Pc에서의 자세 값은 아래와 같은 <수식7>의 비율관계를 활용하여 구한다.

도 14는 저장된 메모리 경고를 그대로 재현한 시뮬레이션 예시도 이다.

다음으로, 단계 S110에서 속도 프로파일을 생성한다. 전술한 RECALL 보간은 이해를 쉽게 하기 위해 등속도로 설명하였다. 실제 로봇은 정지상태에서 바로 정상상태속도(사용자 설정속도)로 바로 동작시킬 경우 가속도에 의한 심한 충격을 줄 수 있다. 따라서 "RECALL FWD BUF=#"모션동작의 시작/끝 지점에서는 가감속 속도 프로파일을 생성하여 로봇이 동작하도록 한다.

속도 프로파일을 생성하는 과정을 좀 더 구체적으로 설명하면, 도 7의 단계 S401에서와 같이 위빙중심점의 전체 거리를 계산한다. 거리계산은 MEM_MOV 구조체의 멤버인 MEM_POS구조체의 x, y, z 좌표값과 다음번 MEM_POS 구조체의 x, y, z좌표값과의 직선거리를 구해 합한다. 도 15에서처럼 M0 ~ M1까지의 거리를 L1, M1 ~ M2까지의 거리를 L2형식으로 찾아 마지막 끝점까지 합한다.

다음으로, 단계 S402에서 상기 계산한 위빙중심점의 전체 거리를 기초로 제어루프 시간당 전진거리를 계산하게 된다. 제어루프 시간당 전지해야 할 거리를 계산하는 것은 다음과 같다. 등속구간에서의 속도 값(Vel_u)과 상기 위빙중심점의 전체 거리(dist_total)를 승산하여 전진거리(progress_dist)를 산출하고, 현재 위치(pos_cur)와 상기 전진거리를 가산하여 다음 위치의 속도(pos_next)를 계산하게 된다. 여기서 속도 값은 'S-Curve'형태의 값을 가진다. 참고적으로 속도 프로파일에서 등속구간에서의 속도 값은 1/등속구간 시간과 동일하다.

도 16은 등속구간에서의 속도 값을 나타내고, 도 17은 X축 방향의 가속구간의 속도 예시 도이다.

이렇게 하여 제2 경로 및 제3 경로에 대해서 산출한 중심 궤적에 속도 프로파일을 적용하여 단계 S111에서 해당 제어 값을 용접 로봇에 전송하여, 용접 로봇의 다층용접시 용접 토치의 속도, 위치 및 자세를 제어하게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100… 제어기
110… 전원부
120… 입력부
130… 저장부
140… 제어부
150… 신호 출력부
200 ..... 로봇(용접 로봇)
210… 아크 센서

Claims

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용접 로봇의 용접 토치에 설치되어, 위빙모션중 용접선을 추적하는 아크 센서, 상기 아크 센서에서 추적한 용접선 추적 정보로부터 위빙 동작 시 로봇의 중심 궤적을 산출하여 저장하고, 다층 용접을 위한 재생 명령시 상기 저장한 중심 궤적을 기반으로 상기 용접 로봇을 제어하는 제어기를 포함하는 기억재생형 다층자동용접장치를 이용하여 다층자동용접을 제어하는 방법으로서,
(a) 상기 제어기에서 사용자에 의해 기억 명령이 입력되면 위빙동작시 아크 센서로부터 출력되는 용접선 추적 정보로부터 위빙 동작의 중심 궤적을 산출하여 메모리에 저장하는 단계;
(b) 상기 사용자에 의해 재생 명령이 입력되면 상기 메모리로부터 모션 정보를 탐색하는 단계;
(c) 탐색한 모션 정보를 기초로 저장된 중심 궤적으로부터 위빙동작의 중심점을 탐색하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계에서 탐색한 중심점에 다층 용접에 대응하는 오프셋을 부여하여 중심 궤적을 보간하는 단계;
(e) 상기 보간한 중심 궤적을 기초로 다층용접시 위빙모션의 시각 및 끝 지점에서 용접 토치의 속도 조정을 위한 속도 프로파일을 생성하는 단계;
(f) 상기 생성한 속도 프로파일과 상기 보간한 중심 궤적에 따라 로봇을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 (d)단계는,
(d-1) 상기 (c) 단계에서 탐색한 중심점에 다층 용접에 대응하는 오프셋을 부여하여 중심 궤적의 위치를 보간하는 단계; (d-2) 상기 위치 보간된 중심 궤적의 위치에서의 자세 값인 등축 값을 이용하여 용접 로봇의 회전을 보간하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기억재생형 다층자동용접방법.
청구항 5에 있어서, 상기 (a)단계는,
(a-1) 사용자에 의해 기억 명령이 입력되면 위빙동작시 아크 센서로부터 출력되는 용접선 추적 정보로부터 중심 궤적을 산출하는 단계;
(a-2) 상기 산출한 위빙동작의 중심 궤적을 용접 구간별로 메모리에 동적 할당하는 단계;
(a-3) 동적 할당한 메모리에 상기 산출한 위빙동작의 중심 궤적을 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기억재생형 다층자동용접방법.
청구항 6에 있어서, 상기 (a-1) 단계의 중심 궤적은 각 노드와 노드의 중심 위치와, 각 노드에서의 로봇 자세 값과 다음 노드의 자세가 될 때까지의 동축각(Equivalent Axis Angle)을 기초로 하여 산출한 중심 자세를 포함하는 것을 특징으로 하는 기억재생형 다층자동용접방법.
청구항 6에 있어서, 상기 (a-2) 단계의 동적 할당은,
각 위빙모션의 시작점/끝점을 관리하는 구조체;
위브 명령을 포함하는 파일(MPF 파일)을 위한 구조체;
상기 위빙모션의 저장되는 중심점을 관리하는 구조체로 할당되는 것을 특징으로 하는 기억재생형 다층자동용접방법.
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청구항 5에 있어서, 상기 (e)단계는,
(e-1) 위빙중심점의 전체 거리를 계산하는 단계;
(e-2) 상기 계산한 위빙중심점의 전체 거리를 기초로 제어루프 시간당 전진거리를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기억재생형 다층자동용접방법.
청구항 13에 있어서, 상기 (e-2)단계는,
등속구간에서의 속도 값과 상기 위빙중심점의 전체 거리를 승산하여 전진거리를 산출하고, 현재 위치와 상기 전진거리를 가산하여 다음 위치의 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 기억재생형 다층자동용접방법.