아크센서

왜 배우는가: 로봇 용접에서 토치가 용접선을 벗어나면 용입과 융합이 불안정해지므로, 아크센서는 자동 용접의 품질을 지키는 기본 장치이다. 이 개념은 1교시 용어형과 3·4교시 논술형에서 모두 묻는 개념이므로 정의, 검출 방식, 적용 한계를 함께 알아 두어야 한다.

출제 이력: 제129회 3교시 5번, 제122회 1교시 2번, 제120회 4교시 5번, 제98회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

아크센서는 용접 아크의 전기 신호를 이용해 토치와 모재 사이의 위치와 개선 형상을 검출하고, 그 정보로 토치 위치를 제어하는 용접 센서이다.

위 정의에는 세 가지 요소가 들어 있다. 첫째, 검출 매체가 아크 자체이므로 별도의 외부 검출 장치가 필요 없다. 둘째, 검출 대상은 토치와 용접선(개선부)의 상대 위치이다. 셋째, 검출 결과는 토치 위치 제어에 쓰이며 필요하면 용접 조건 제어에도 쓰인다. 이 점에서 아크센서는 접촉식 센서나 광학식 센서와 구분된다.

아크센서는 검출하는 전기량에 따라 전압 검출 방식과 전류 검출 방식으로 나뉘며, 두 방식은 토치를 진동시키는 위빙과 결합해 쓰일 수 있다. 이 구분은 2절의 원리 설명에서 그대로 이어진다.

핵심 키워드

• 아크센서: 아크 신호로 토치 위치를 검출하는 센서 장치 전체를 가리킨다.
• 용접선 추적: 용접선의 위치 변화를 따라 토치가 자동으로 이동하는 기능이다.
• 토치 높이 제어: 토치와 모재 사이의 거리를 일정하게 유지하는 제어이다.
• 좌우 제어: 용접선과 직각인 방향의 토치 위치를 맞추는 제어이다.
• 위빙: 토치를 좌우로 진동시키면서 용접선 위치를 검출하는 동작이다.
• 전압 검출: 아크 전압의 변화로 토치와 모재 사이 거리를 판단하는 방식이다.
• 전류 검출: 용접 전류의 변화로 토치와 모재 사이 거리를 판단하는 방식이다.

2. 개념 풀이

아크센서의 정식 정의는 앞 절의 정의와 같다. 원리를 풀면 아크는 전극과 모재 사이의 전기 방전이므로 아크 길이가 바뀌면 아크 전압과 용접 전류가 함께 바뀐다. 아크센서는 이 전기량의 변화를 측정해 토치와 모재 사이의 거리를 구하고, 그 거리와 용접선 위치의 관계로 토치의 편차를 계산한다. 아크센서는 안정된 작업점을 평가하는 방식으로 동작하며, 아크에 섞이는 외란 성분은 필터링과 평가 전략으로 걸러 내야 한다.

안정된 작업점이란 토치가 목표 높이와 목표 개선 위치에 있을 때의 전기 신호 상태를 뜻한다. 이 기준 상태에서 벗어난 신호 차이가 편차 신호이며, 제어기는 그 차이가 0에 가까워지도록 토치를 이동시킨다. 중요한 것은 신호의 절대 크기보다 기준 상태와의 차이이다. 같은 용접 전류라도 용접 조건이 바뀌면 기준 상태가 달라지므로, 센서는 조건마다 기준을 다시 잡아야 한다. 따라서 아크센서는 측정 장치라기보다 용접 로봇의 위치 제어 루프 안에서 작동하는 되먹임 요소로 보는 것이 정확하다.

전압 검출 방식은 아크 전압이 아크 길이에 비례한다는 관계를 이용한다. 아크 전압은 와이어 끝과 모재 사이의 전압이며, 아크 길이가 길어지면 전압이 높아지고 짧아지면 낮아진다. 식으로 쓰면 $V_a \propto L_a$ 이며, V_a는 아크 전압[V], L_a는 아크 길이[mm]이다. 전압 신호를 기준값과 비교하면 토치 높이의 편차를 얻는다.

전류 검출 방식은 정속 송급 조건에서 토치와 모재 사이 거리가 짧아지면 용접 전류가 증가하고 길어지면 감소하는 관계를 이용한다. 전류 신호에는 변동이 섞이므로, 전류 신호를 토치 거리의 역수 형태의 곡선에 맞춰 보정하는 방법이 연구되었다. 식으로 쓰면 $I \propto 1/d$ 이며, I는 용접 전류[A], d는 토치와 모재 사이 거리[mm]이다. 이 관계는 정속 송급과 정전압 조건이 유지될 때 성립하는 근사식으로 이해해야 한다.

위빙은 토치를 용접선 방향과 직각인 좌우로 진동시키면서 검출하는 동작이다. 진동의 양 끝에서 토치와 모재 사이 거리가 서로 달라지므로, 좌우 두 지점의 전류나 전압 차이를 비교하면 용접선이 어느 쪽에 치우쳤는지 판단할 수 있다. 이 차이를 좌우 제어 신호로 쓰고, 두 지점 값의 평균 변화를 토치 높이 제어 신호로 쓴다.

좌우 제어까지 함께 하려면 개선 형상이 좌우 위치를 비교 측정할 수 있는 구조여야 한다. 용융면을 좌우로 비교할 수 있는 V형 개선·필릿 이음은 제한 없이 적용되지만, 간격이 없는 맞대기 이음은 좌우 제어에 적합하지 않다. 답안에는 적용 가능한 이음 형상을 함께 적는다.

3. 등장 배경과 필요성

용접 자동화가 확대된 배경은 용접 인력의 부족과 인건비 상승을 극복하려는 요구이다. 여기에 용접품질을 일정하게 확보하려는 요구가 더해지면서 자동화 기술이 발전했다. 자동화 단계는 수동, 반자동, 기계, 완전자동 순으로 나뉘며, 단계가 높아질수록 토치의 위치를 사람의 감각이 아니라 장치가 결정해야 한다. 다품종 소량 생산 현장은 규격화된 제품을 만드는 제조 현장보다 자동화가 어려우므로, 용접선을 자동으로 검출하는 기술이 별도로 필요하다.