KR20040082680A

KR20040082680A - 서보건형 저항 스폿 용접 시스템

Info

Publication number: KR20040082680A
Application number: KR1020030017299A
Authority: KR
Inventors: 김규식
Original assignee: 김규식
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-09-30

Abstract

본 발명은 서보 모터를 이용한 서보건의 토크제어와 인버터 저항 스폿 용접에 관한 것으로, 서보건의 가압력 제어와 비선형되먹임 방식의 정전력 제어 알고리즘을 사용한 새로운 방식의 스폿용접시스템을 제안한다. 본 발명은 용접공정시 서보건의 가압을 제어하여 스패터를 저감시키며, 비선형되먹임 방식의 정전력제어 알고리즘을 적용하여 용접공정중 동저항 특성을 고려한 일정한 전력을 공급해 줌으로 용접품질을 향상시킨다.

Description

서보건형 저항 스폿 용접시스템{Resistance Spot Welding System with a Servo-Gun}

저항 스폿 용접은 두 금속판을 전극 사이에 놓고 압력을 가하면서 0.3초 내외의 짧은 시간에 수천 암페어의 큰 전류를 흘리면 금속판이 접촉저항으로 인한 주울열을 발생시켜 너게트가 형성되도록 하는 전기저항 용접의 일종이다.

산업현장의 자동 용접라인에서 로봇암 끝단에 부착해서 사용되는 용접건은 시편에 작용해야 할 압력을 공압에 의해서 생성시키는 공압건을 사용하였다. 공압건의 특징은 시편에 주어지는 압력을 일정한 값으로 설정을 해서 개폐식의 제어형태이므로 용접공정 중에 가압력의 변화가 어려우며 정확한 가압력을 제어하기가 쉽지 않다. 또한, 전극의 움직이는 거리가 일정하여 작업대상물의 조건에 따라 이동할 때 간섭현상이 발생하며 공정시간에서의 휴지시간 등이 많이 소모가 된다.

한편, 현재의 저항 스폿 용접은 대부분 사이리스터의 위상제어를 이용한 정전류제어방식을 사용하고 있다. 하지만 이 방식은 짧은 용접시간동안 동저항 특성을 고려하지 않아 스패터가 많이 발생되어 용접품질이 저하되고 용접주위의 오염을 초래하고 있다. 이를 보완하기 위해 인버터 방식의 정전류 제어방식이 도입되고 있으나 이 역시 공급되는 전력이 균일하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명에서는 기존의 공압건을 서보 모터를 이용한 서보건으로 전환하여 가압력의 제어 및 공정속도를 더욱 빠르게 수행할 수 있게하며, 실시간으로 가압력을 제어하여 용접팁과 시편의 접촉시 발생하는 충돌을 극소화한다. 더불어, 비선형되먹임방식의 정전력 제어방식을 인버터 전원제어에 적용하여 저항 스폿 용접의 향상된 용접품질을 도모한다.

저항 스폿 용접에서 용접품질에 가장 큰 영향을 주는 3가지 요소는 용접전류, 가압력, 용접시간을 들 수 있다. 도 1은 저항 스폿 용접기의 원리를 나타내고 있다. 도 2는 전형적인 동저항의 특성곡선을 나타낸다. 동저항은 용접시편이 용접도중 그 저항값이 변하는 것을 의미한다. 도 2에서 구간 I은 용접시편의 표면산화막 때문에 절연저항이 수M정도로 된다. 전극 가압력에 의해 절연상태가 파괴됨에 따라 전류가 흐르기 시작하며 접촉점에서 온도가 상승하면 산화물의 피막이 급격히 파괴되어 매우 빠르게 동저항이 감소한다. 구간II는 전류가 흐르기 시작하면 온도가 상승함에 따라 접촉면의 연성이 증가하므로 접촉면적의 증가 및 온도상승에 의한 용접시편의 체적저항이 증가함으로 상반효과가 평형상태를 이루는 α점에서 동저항이 최소치가 되면 온도상승에 의해 동저항은 증가하기 시작한다. 구간III에서 동저항은 온도상승과 더불어 계속 상승하다가 이 구간이 끝나는 부근에서 용접시편의 접촉면에서 부분적 용융이 일어난다. 구간 Ⅳ에서 용접시편의 온도는 계속 상승하여 체적저항을 증가시키는 반면 접촉표면에서의 용융된 부분(nugget 형성부)의 증가로 전류가 흐르는 단면적이 커져 저항이 감소한다. 상반효과로 인한 평형상태가 이루는 동저항의 최대점인 β점은 온도가 안정되기 시작하는 점이며, 이후 용융부가 커지면서 동저항은 감소한다. 구간 Ⅴ에서 용접시편 접촉부에서 용융부가 계속 성장하면서 접촉면이 넓어지기 때문에 동저항은 감소한다.

이와 같이 저항 점 용접의 공정시 저항 값이 변하여 일정전류제어시 용융부에 가해진 파우어가 일정치 못해 전류제어만으로는 좋은 용접품질을 기대할 수 없게 된다. 본 발명은 비선형되먹임 방식의 정전력제어방식을 사용하여 이 문제를 해결한다.

도 1은 저항 스폿 용접기의 원리

도 2는 전형적인 동저항의 특성곡선

도 3은 인버터식 직류 스폿용접기의 구성 및 각부의 파형

도 4는 정전력 제어 시스템의 변압기와 부하 모델링

도 5는 용접 시스템 제어 블록선도

도 6은 선형 시스템으로 바뀐 블록선도

도 7은 본 시스템의 제어를 위한 블록선도

도 8은 본 발명에서 사용하는 서보건의 구조

도 9는 모재가 스테인레스일 경우의 서보건의 전압에 따른 가압력 그래프

도 10은 모재가 알루미늄일 경우의 서보건의 전압에 따른 가압력 그래프

도 11은 저항 용접 공정별 서보건 제어

<수식에 쓰이는 용어 및 약어의 정의>

: 전력설정치 (power command)

: 전력측정치 (measured Power)

: 전력오차( =)

: 변압기 1차측 전압

: 변압기 2차측 전압

: 전극 팁양단 전압

: 변압기 2차측 전류

: 변압기 2차측 인덕턴스

: 변압기 권선비 ()

: 비례 (적분) 이득 상수

: 파우어 증폭기 이득

본 발명은 크게 인버터식 용접기와 서보건으로 구성된다. 도 3은 인버터식 직류 스폿용접기의 구성 및 각부의 파형을 나타낸다. 3상 상용전원에서 전압은 3상 정류기로 먼저 직류화되고, 이것을 전해 콘덴서로 평활 시킨 후, 스위칭 소자를 이용해 상용 주파수보다 높은 주파수로 다시 교류화하고 이 교류를 변압기 1차 회로에 공급한다. 그리고, 공급된 전압은 전력용 변압기로 전압 변환한 후 2차측에 구성되어 있는 전파정류회로를 통하여 부하에 직류를 공급하는 구조로 되어 있다. 이에 대한 회로구성도의 하단에 각 부위의 파형을 각각 도식적으로 나타내었다.

본 발명에서는 미분기하학 이론에 기초를 둔 비선형궤한 선형화기법을 시스템에 응용한 정전력 제어방식을 채택한다. 도 4는 정전력 제어 시스템의 변압기와 부하를 간단히 모델링한 등가회로이다. 이 모델링으로부터 2차측 동적방정식을 구하면 다음 식 (1)과 같다.

(1)

또한 용접부의 전력과 전력제어부의 동적방정식은 다음 식(2),(3),(4)와 같다.

(2)

(3)

(4)

시스템 제어용 블록선도에 대해 살펴보면가 시간의 함수이기 때문에 라플라스 도메인에서 표현하기가 곤란하다. 따라서 팁양단저항를 용접전류나 용접전압변수에 비해 동적응답특성이 느린 매개변수로 볼 수 있으므로 상수 R로 가정하고 수식을 전개해 보면 다음 식 (5),(6)과 같아진다.

(5)

(6)

이들로부터 도 5와 같은 시스템 제어용 블록선도를 얻을 수 있다. 식 (1)-(6)까지를 살펴보거나 도 5에서 알 수 있듯이 본 시스템은 비선형 시스템이다. 따라서 제어기 게인 튜닝(gain tuning )도 힘들뿐만 아니라 각 동작점마다 동특성이 달라지며 응답특성의 예측이 어렵다는 단점을 가지고 있다.

본 발명에서는 미분기하학적 이론에 기초를 둔 비선형궤환 선형화기법을 이 시스템에 응용함으로써 완전한 선형시스템으로 만들어 제어한다. 식(2)로부터 다음을 얻을 수 있다.

(7)

여기서 새로운 입력를 다음과 같이 정의하면,

(8)

식 (7) 는 다음과 같다.

(9)

식 (9) 에서 볼 수 있듯이 이 시스템은 완전한 선형 시스템으로 바뀐다. 이 시스템을 제어하기 위한 블록선도가 도 6에 있다. 도 6은 완전한 선형시스템이므로 전체 시스템이 선형으로 동작한다. 또한 PI 이득은 도 6에서 R 과 L 의 범위가 주어지면 쉽게 구할(tuning) 수 있다. 실제적인 제어를 살펴보면 다음과 같다.는 식 (9) 나 도 6으로부터 다음과 같이 주어진다.

(10)

식 (8) 과 식 (10)으로 부터 다음 식을 얻을 수 있다.

(11)

식 (4) 와 식 (11)로부터 다음을 얻을 수 있다.

(12)

이때 파우어증폭기 이득이 K 이므로 D/A 변환기의 출력값은임을 알 수 있다. 제어를 위한 전체 블록선도는 도 7에 있다. 식 (12)에서 변압기에 가해지는 입력은 일반적인 PI 에 상수 N 과 L 이 곱해지고 용접전압로 나뉘어졌다. 따라서, 용접초기에 용접전압가 작을 때 일반적인 PI 보다 출력이 커지고 점차 시간이 흐를수록 용접전압가 줄어들어 PI 출력이 정상으로 돌아오는 역할을 한다. 그 결과 과도특성이 뛰어나 빠른 시간에 용접전력이 유입되고 용접을 위한 통전시간이 줄어 드는 효과가 있다.

다음으로 도 8은 본 발명의 일부분의 서보건의 구조를 나타낸다. 본 발명에서의 서보건은 서보 모터, 타이밍플리, 스크류와 리니어가이드, 동력전달부 등 기계적 부품을 사용한 구동계와 용접에 필요한 용접용 트래스, 건암 등의 전력공급계를 분리시켜 하나의 브라켓에 구성되며 용접조건에 따른 별도의 제어시스템을 갖춘다.

본 발명에서는 기존의 공압건을 사용한 저항 스폿용접시스템을 서보 모터를 사용하여 회전운동을 직선운동으로 하는 서보건으로 대체한다. 이때 엘엠가이드(LM Guide)는 직선운동의 축을 잡아주는 역할을 한다. 모터에 의한 토크 명령은 회전운동을 직선운동으로 전환하는 타이밍 벨트와 볼 스크류에 의해 가압력을 생성하는데 토크를 전달하기 위한 기계적인 특성에 의해 볼스크류와 엘엠 가이드(LM Guide)의 마찰력이라는 외란과 하부전극의 휨 현상이 발생하게 된다. 한편, 각 시편과 용접전류에 따른 용접 설정조건을 데이터베이스화 하여 사용자가 용접조건에 맞게 선택하는 방식을 사용한다. 여기서 용접환경은 가압시간, 전력의 지속시간, 용접전력의 크기, 타점수 등을 의미한다. 도 9와 도 10은 각각 모재가 스테인레스와 알루미늄 경우 오픈루프로 제어되는 토오크 제어 시스템에서 가압력 명령치인 전압에 따른 서보건의 가압력을 나타내는 그래프이다. 본 발명의 서보건 가압력은 가압력 명령치인 전압에 개략적으로 비례함을 볼 수 있다. 즉 용접 조건을 따라 전압값을 선택하여 서보건의 가압력을 조정할 수 있게 됨을 알수 있다.

서보건의 용접공정을 보면 서보건은 용접팁의 움직에 따라 도 11와 같이 접근-가압-용접-유지-휴지 단계로 구분할 수 있다. '접근'단계에서는 용접할 부위로 전극이 이동하는 순간이며 이 때에는 정확한 위치제어가 필요하게 된다. 본 발명의 서보건 용접기는 위치제어가 정확하여 모재에 거의 완벽하게 접근이 가능하게 되어 충격에 의한 모재의 변형을 줄일 수 있다. '가압'단계에서는 용접되는 시편과 시편사이가 금속접촉을 일으키게 하며 저항을 원하는 수준으로 끌어내리는 역할을 한다. '용접'단계는 설정된 용접전류를 용접기간동안 흐르게 하면서 용융이 발생되는 실제 용접공정 중 용접품질을 결정하는 가장 중요한 부분이다. '유지'단계에서는 금속 재결합이 일어나서 서서히 식을 수 있도록 압력을 유지시켜주는 부분이다. '휴지'단계는 가압력이 제거되고 다음 용접 목표를 향해 서보건이 움직이는 단계이다.

본 발명은 미분기하학적 이론에 기초를 둔 비선형궤환 선형화기법을 인버터식 저항 스폿 용접 시스템에 적용하여 비선형적인 용접시스템을 선형으로 바꾸어 정전력 제어를 수행케한다. 정전력 제어방식은 저항 점 용접에서 동저항을 고려하여 정전류 제어방식보다 정밀한 제어가 가능하게 되며, 이에 따라 스패터가 저감되고 훌륭한 용접품질을 얻을 수 있게 된다.

본 발명은 기존의 공압건을 서보 모터를 사용한 서보건으로 대체하여 고속용접을 가능케 하였으며 전극의 위치를 실시간으로 제어하고 가압력의 조정이 사용자에 의해 간단히 수행될 수 있게 된다. 또한 피용접물에 대한 전극의 가벼운 접촉과 가압으로 피용접물의 변형이 적어 용접품질을 향상 시킬 수 있게 된다. 서보건은 전극벌림의 임의조정이 가능하고, 임의 가압력의 조정이 가능하다. 또한 전극의 가벼운 접촉으로 전극이 피용접물에 닿는 충돌음이 적어져 용접건의 내구성과 마모에 있어 기존에 비해 월등하며, 기존의 공압건은 일정한 거리로 인하여 작업 대상물과의 간섭현상이 존재하였지만 서보건의 경우 작업거리의 가변이 가능하여 작업 대상물에 대한 접근이 용이해지며 작업의 유연성이 커지게 된다. 압축공기를 사용하지 않아 압축공기의 배기음이 없고, 압축공기 배기시 비산되는 미세한 기름이 없어 작업환경이 개선된다. 마지막으로 공기압배관기기 및 그 공사가 필요치 않아 설비투자금액이 저감되게 된다.

Claims

저항 스폿 용접 시스템의 정전력 제어에서

미분기하학적 이론에 기초를 둔 비선형궤환 선형화기법을 인버터식 직류 저항 스폿 정전력 용접 시스템에 적용하여 비선형적인 용접시스템을 선형으로 바꾸어 정전력 제어를 수행케하는 방식.
저항 스폿 정전력 용접 시스템에서

기존의 공압건을 서보 모터를 사용한 서보건으로 대체하고, 용접조건에 따른 서보건의 제어를 용접조건 데이터베이스를 이용하여 수행케 하는 방식.