X-Reach Welder 산업용 로봇 용접 HMI UI 시스템 종합 분석 및 아키텍처 보고서

작성: Antigravity (Google DeepMind Team)
공동저자: Moojoco
대상 프로젝트: X_Reach_Welder_dotnet4_8 (WPF / .NET Framework 4.8)
개정일자: 2026년 8월 21일 (v4 — 계층 아키텍처, 3D 관절 좌표계, 시퀀스, 안전 상태 머신 및 데이터 파이프라인 Mermaid 종합 도식화 보강)

1. 개요 (Executive Summary)

본 보고서는 산업용 로봇 TIG/MIG 자동 용접 셀 관제를 위해 C# WPF(.NET Framework 4.8) 기반으로 구축된 X-Reach Welder HMI(Human-Machine Interface) UI 시스템의 전체 코드베이스 및 아키텍처를 종합 분석한 결과를 담고 있다.

X-Reach Welder UI 프로그램은 산업 현장의 1280×800 해상도 터치 패널 환경에 최적화된 고신뢰성 제어 솔루션으로, HelixToolkit.Wpf 기반의 3D 키네마틱 실시간 시각화, ROS(Robot Operating System) TCP 통신 연동, Fronius 용접기 실시간 텔레메트리 & 엣지 알람 감지, 직관적인 작업(Job) 및 파라미터 제어 UX를 통합 구현하고 있다.

2. 전체 시스템 아키텍처 및 HMI UI 레이아웃 (System Architecture & UI Layout)

X-Reach Welder HMI 시스템은 계층화된 3-Tier 관제 아키텍처를 채택하여 UI 렌더링, 3D 연산, 외부 로봇/용접기 통신 간의 명확한 역할 분리와 높은 응답성을 보장한다.

graph TD
    subgraph Layer3["[ Presentation Layer - WPF UI ]"]
        style Layer3 fill:#1a2634,stroke:#3b82f6,color:#fff
        MW["MainWindow.xaml / .cs<br/>(메인 관제 윈도우 & Dispatcher)"]

        subgraph Controls["[ Control Panels ]"]
            WelderCtrl["WelderControl.xaml<br/>(용접기 관제)"]
            WeldCondCtrl["WeldConditionsControl.xaml<br/>(용접 파라미터)"]
            ModelCfgCtrl["ModelConfigurationsControl.xaml<br/>(모재/모델 설정)"]
            MotionCfgCtrl["MotionConfigurationsControl.xaml<br/>(모션 파라미터)"]
        end

        subgraph Dialogs["[ Safety & Touch Dialogs ]"]
            EStopDialog["EmergencyStopDialog<br/>(비상정지 UI)"]
            PStopDialog["ProtectiveStopDialog<br/>(보호정지 UI)"]
            KeypadDlg["KeypadWindow<br/>(가상 터치 키패드)"]
            ReviewDlg["StartWeldingReviewDialog<br/>(용접 개시 검토)"]
        end
    end

    subgraph Layer2["[ Core Logic & Proxy Layer ]"]
        style Layer2 fill:#111c28,stroke:#10b981,color:#fff
        MWC["MainWindowController<br/>(WPF Thread Dispatcher Manager)"]

        Vis3D["Job3DVisualizer<br/>(HelixToolkit.Wpf 3D Engine)"]
        RosProxy["RosWeldingMotionProxy<br/>(TCP Port 55000 / KeepAlive Monitor)"]
        AlarmTracker["FroniusStatusAlarmTracker<br/>(Base64 JSON Alarm Decoder)"]

        JobStorage["JobFileStorage<br/>(JSON Job Read/Write)"]
        SynCatalog["SynLineProcessCatalog<br/>(Synergic Process Data)"]
    end

    subgraph Layer1["[ Infrastructure & Hardware Layer ]"]
        style Layer1 fill:#0d1520,stroke:#f59e0b,color:#fff
        ROS_Bridge["ROS / Robot Controller<br/>(Robot Kinematics Engine)"]
        Fronius_HW["Fronius Welding Machine<br/>(Fieldbus Telemetry Stream)"]
        FileSystem["File System<br/>(Jobs/*.json, Robot & Workpiece STL)"]
    end

    %% Layer Connections
    MW <--> MWC
    MW --> Controls
    MW --> Dialogs

    MWC --> Vis3D
    MWC --> RosProxy
    MWC --> AlarmTracker

    Controls --> JobStorage
    Controls --> SynCatalog

    RosProxy <== "TCP Socket (Port 55000)" ==> ROS_Bridge
    AlarmTracker <== "Telemetry Snapshot Stream" ==> Fronius_HW
    Vis3D <== "Model & Trajectory Loading" ==> FileSystem
    JobStorage <== "I/O Stream" ==> FileSystem

메인 HMI 화면 인터페이스 (Main HMI Screen Interface)

그림 1. X-Reach Welder 메인 관제 HMI 화면 목업 (상단 상태바, 좌측 로봇 조그 및 팬던트 제어, 중앙 작업 리스트 및 3D 뷰포트, 하단 동작 제어 패널)

그림 2. X-Reach Welder 실제 HMI 메인 관제 화면 (작업 리스트, 좌표계 제어 및 실시간 상태 표시등)

3. 3D 실시간 키네마틱 시각화 엔진 (Job3DVisualizer)

Job3DVisualizer 모듈은 로봇 관절 이동, 모재(Workpiece) STL 모델, 용접 궤적을 3차원 공간 상에 실시간 렌더링한다.

그림 3. 3D 키네마틱 뷰포트 및 궤적 트레이싱 실시간 화면 (HelixToolkit.Wpf 기반)

graph LR
    subgraph World_Frame["[ Base Coordinate Frame ]"]
        style World_Frame fill:#1e293b,stroke:#94a3b8,color:#fff
        Base["World Origin<br/>(0, 0, 0)"]
    end

    subgraph Robot_Base_Frame["[ Robot Base Frame ]"]
        style Robot_Base_Frame fill:#1e293b,stroke:#38bdf8,color:#fff
        RBase["Robot Mount Base<br/>(Rotated Z: 180°)"]
    end

    subgraph Kinematic_Chain["[ 6-Axis Articulated Kinematic Chain ]"]
        style Kinematic_Chain fill:#0f172a,stroke:#34d399,color:#fff
        J1["Joint 1<br/>(Base Swivel)"] --> J2["Joint 2<br/>(Lower Arm)"]
        J2 --> J3["Joint 3<br/>(Upper Arm)"]
        J3 --> J4["Joint 4<br/>(Wrist Roll)"]
        J4 --> J5["Joint 5<br/>(Wrist Pitch)"]
        J5 --> J6["Joint 6<br/>(Tool Flange)"]
    end

    subgraph Tool_TCP_Frame["[ Tool Center Point (TCP) ]"]
        style Tool_TCP_Frame fill:#1e293b,stroke:#f43f5e,color:#fff
        Torch["Torch Offset & Angle<br/>(Welding Arc Center)"]
        Trajectory["TCP Trajectory Buffer<br/>(Max 12,000 Points)"]
    end

    subgraph Workpiece_Frame["[ Workpiece / Metal Frame ]"]
        style Workpiece_Frame fill:#1e293b,stroke:#a855f7,color:#fff
        MetalSTL["Workpiece STL Mesh<br/>(Build-up / Lug / Support Key)"]
        MiniView["X / Z Section Mini Viewports"]
    end

    Base -->|Robot Base Transform| RBase
    RBase -->|Forward Kinematics| J1
    J6 -->|Flange Offset| Torch
    Torch -->|Real-time Logging| Trajectory
    Base -->|Workpiece Mount Transform| MetalSTL
    MetalSTL -->|Cross-section Clip| MiniView

4. 로봇 모션 제어 연동 프록시 (RosWeldingMotionProxy)

로봇 제어기와의 통신은 RosWeldingMotionProxy 클래스가 전담하며, 소켓 끊김 방지 및 안전 메커니즘이 강건하게 설계되어 있다.

sequenceDiagram
    autonumber
    participant HW as ROS / Robot Controller
    participant Proxy as RosWeldingMotionProxy (Async Net Thread)
    participant Tracker as FroniusStatusAlarmTracker
    participant Dispatcher as WPF UI Dispatcher (Main Thread)
    participant UI as MainWindow / UI Controls
    participant Vis as Job3DVisualizer

    HW->>Proxy: TCP Status Packet (Joint Angles, TCP Position, State)
    Proxy->>Proxy: Parse Packet & Update Sequence ID

    alt Normal Status Update
        Proxy->>Dispatcher: InvokeAsync(UpdateUIState)
        Dispatcher->>UI: Update Telemetry Labels & Connect Status
        Dispatcher->>Vis: UpdateJointAngles(θ1~θ6) & AppendTCP(x,y,z)
        Vis-->>UI: Re-render 3D Robot & Trajectory Line
    else Emergency Stop / Fault Detected
        Proxy->>Tracker: ProcessEncodedSnapshot(Base64 Payload)
        Tracker->>Tracker: Decode F108 / F105 Flags (Edge-Triggered)
        Proxy->>Dispatcher: Invoke(ShowEmergencyStopDialog)
        Dispatcher->>UI: Open EmergencyStopDialog & Play Speech Alarm
        UI->>HW: Send Emergency Stop Override Command (Port 55000)
    end

5. Fronius 용접기 실시간 텔레메트리 & 알람 감지 (FroniusStatusAlarmTracker)

용접 모듈 관제를 위한 FroniusStatusAlarmTracker는 산업용 용접기 레지스터 상태를 정밀 추적한다.

stateDiagram-v2
    [*] --> Disconnected : System Startup

    Disconnected --> Connected_Ready : ROS TCP Port 55000 Connected & Telemetry Normal

    state Connected_Ready {
        [*] --> Idle
        Idle --> MotionRunning : Start Button Triggered
        MotionRunning --> WeldingActive : Arc On Signal Received
        WeldingActive --> MotionRunning : Arc Off Signal Received
        MotionRunning --> Idle : Job Path Completed
    }

    state Alarm_Warning {
        Warning_Flag : F105.14 / F109 Warning Active
        Wire_Stuck : Wire Stick to Workpiece
    }

    state Alarm_Error {
        Main_Error : F108 Main Error Active
        System_Not_Ready : System Not Ready Signal
        E_Stop : Emergency Stop Triggered
        P_Stop : Protective Stop Triggered
    }

    Connected_Ready --> Alarm_Warning : Warning Condition Edge Triggered
    Alarm_Warning --> Connected_Ready : Warning Cleared

    Connected_Ready --> Alarm_Error : Fault Signal / E-Stop Button Pressed
    Alarm_Warning --> Alarm_Error : Escalated Error Signal

    Alarm_Error --> Disconnected : Communication Loss / Port Reset
    Alarm_Error --> Connected_Ready : Reset Signal & Safety Review Passed

6. 작업(Job) 및 용접 조건 파라미터 관리 (Weld Parameters & Condition Control)

시스템은 용접 공정의 재현성을 보장하기 위해 정형화된 JSON 기반 Job 저장 구조 및 SynLine 프로세스 카탈로그를 운영한다.

그림 4. 용접 조건 파라미터 설정 HMI 목업 (용접 속도, 전류/전압, 위빙 파라미터, 프리가스/포스트가스 제어)

그림 5. 용접 제어기 파라미터 상세 설정 및 상태 텔레메트리 화면

그림 6. 모션 및 용접 조건 파라미터 제어반 스냅샷

graph TD
    subgraph Storage_Files["[ Persistent Storage ]"]
        JobFile["Jobs/Weld-Job-001.json<br/>(Work Paths, Coordinates, Parameters)"]
        SynFile["Parameters/SynLineCatalog.json<br/>(Synergic Wire/Gas Parameters)"]
    end

    subgraph UI_Controls["[ HMI Input & Edit Controls ]"]
        JobListUI["JobList ObservableCollection<br/>(DataGrid UI Control)"]
        BatchEditDlg["WorkPathInsertDialog /<br/>AutoGeneratePathCountDialog"]
        WeldParamUI["WeldConditionsControl<br/>(Current, Voltage, Speed, Weaving)"]
    end

    subgraph Data_Pipeline["[ Data Pipeline & Storage Manager ]"]
        StorageManager["JobFileStorage Class<br/>(JSON Serializer / Deserializer)"]
        ParamCalculator["LiveWelderConfigSnapshot<br/>(Parameter Validation & Sync)"]
    end

    subgraph Vis_Engine["[ 3D Render Pipeline ]"]
        PathSegments["Job3DVisualizer Path Engine"]
        RapidLine["LinesVisual3D (Rapid Path - Cyan)"]
        WeldLine["LinesVisual3D (Weld Path - Yellow)"]
        SelectedLine["LinesVisual3D (Selected Path - Green)"]
    end

    %% Connections
    JobFile <== "Load / Save" ==> StorageManager
    SynFile --> StorageManager
    StorageManager <--> JobListUI

    JobListUI <--> BatchEditDlg
    JobListUI <--> WeldParamUI
    WeldParamUI --> ParamCalculator

    JobListUI --> StorageManager
    StorageManager --> PathSegments

    PathSegments --> RapidLine
    PathSegments --> WeldLine
    PathSegments --> SelectedLine

7. 결론 및 향후 발전 방향 (Conclusion)

X-Reach Welder HMI UI 프로젝트는 산업용 로봇 용접 관제 분야에서 요구되는 3D 키네마틱 시각화, ROS 로봇 연동, 하드웨어 텔레메트리 추적, 안전 제어 및 터치 UX가 뛰어난 완성도로 결합된 C# WPF 애플리케이션이다.

본 분석 결과를 바탕으로 타 사 로봇 브랜드 확장 및 AI 기반 용접 품질 모니터링 모듈과의 연동성을 용이하게 확보할 수 있으며, 산업용 로봇 자동화 UI 설계의 우수 표준 사례로 평가할 수 있다.