KR100423882B1 - 휴대용 수직 자동용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선체 블록이나 철골 구조의 수직 교차부위 등을 용접하는 데에 사용되는 휴대용 자동용접장치에 관한 것으로, 종래의 2축 위버나 자석식 용접 캐리지는 구조상 수직 교차부위의 양끝단에서 항상 일정량만큼 용접을 할 수 없는 영역이 발생하기 때문에 이러한 용접 잔량부위를 처리하기 위해 별도의 작업자가 투입되어야 하고, 2축만으로는 용접선의 위치 오차에 따른 오류를 보정할 수 없기 때문에 용접 불량 문제가 항상 존재하게 되는 등의 문제가 있었던 바, Z축 밑변베이스(6)와, Z축 밑변베이스의 상부 중앙에 수직방향으로 설치되는 Z축 상하베이스(1), 용접토치(12)를 상하방향으로 회전시키는 R축 구동부(5), 용접토치(12)의 끝단을 X, Y방향으로 이동시키는 X축 구동부(4)와 Y축 구동부(7), X축 구동부(4)와 Y축 구동부(5), R축 구동부(5)를 Z축 상하베이스(1)를 따라 수직방향으로 이동시키는 Z축 구동부(3), 용접에 필요한 여러 조건들을 설정하거나 제어하는 제어기(2), Z축 구동부(3)와 R축 구동부(5)의 끝단에 자중에 의한 흘러내림을 방지하기 위하여 설치되는 미끄럼방지수단, R축 구동부(5)에 접속되어 용접토치(12)를 지지할 수 있도록 하는 토치어댑터(10), 용접대상물과 정확한 거리세팅을 위하여 Z축 밑변베이스(6) 선단에 설치되는 용접면 접촉어댑터(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 단순 기능 위주의 2축 위버로는 불가능했던 용접 잔량부위 처리 문제 및 용접선 이탈시 용접선 추적 기능을 내장하여 용접 품질 문제를 쉽게 해결할 수 있으며, 용접 유해 성분이 발생하는 열악한 작업 환경에 대한 작업 조건들을 개선할 수 있고, 숙련된 기술자와 고기능 로봇들만 처리가능한 수직 교차부위의 용접을 쉽게 처리함으로써 항상 균일하고 양질의 용접 품질을 얻을 수 있으며, 작업자가 직접 들고 다니면서 사용하기 때문에 별도의 부대 설비가 필요 없고, 고기능을 보유하기 때문에 작업자 1명이 다수의 로봇을 동시에 관리할 수 있어 용접 품질 생산성을 크게 향상시키는 등의 효과가 얻을 수 있게 된다.

Description

휴대용 수직 자동용접장치 {PORTABLE AUTOMATIC WELDING APPARATUS}

본 발명은 선체 블록이나 철골 구조의 수직 교차부위 등을 용접하는 데에 사용되는 휴대용 자동용접장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 수직 교차부위를 완전하게 용접하기 위해 기본 4축 구조를 갖는 용접 장치로서 특히 용접 시작부와 끝단부에서 필수적으로 수반되는 용접 잔량부위를 없앨 수 있도록 하는 동시에 용접 품질 향상을 위하여 용접선 위치 오차를 보정할 수 있도록 위빙 기능과 토치 각도 조절 기능을 보유한 휴대용 수직 자동 용접 장치에 관한 것이다.

일반적으로 선체 블록이나 철골 구조물 등의 용접작업은 협소한 작업공간과 유해 가스가 많이 발생하는 열악한 작업환경하에서 수행되기 때문에 생산 현장 작업자를 보호하고 용접 품질 및 생산성을 향상시키기 위하여 다양한 자동화 장치를 고안하여 생산현장에 적용하고 있는 실정이다.

상기 용접작업 중에서 특히 수직 교차부위의 용접은 수평 교차부위의 용접에 비하여 대단히 어렵고 힘든 작업이며 숙련된 용접사를 필요로 한다.

현재 수직 교차부위의 용접 장비로는 등록실용신안공보 제284899호나 제175956호, 실용신안공보 제97-4754호와 같이 주행축과 위빙축의 2축을 갖는 단순 기능의 2축 위버를 사용하거나 자석 부착한 용접 캐리지 등이 사용되며, 이것들은 단순 기능 위주로 용접 작업만을 수행한다.

특히 2축 위버나 자석식 용접 캐리지는 구조상 수직 교차부위의 양끝단에서 항상 일정량만큼 용접을 할 수 없는 영역이 발생하기 때문에 이러한 용접 잔량부위를 처리하기 위해 별도의 작업자가 투입되어야 하고, 2축만으로는 용접선의 위치 오차에 따른 오류를 보정할 수 없기 때문에 용접 불량 문제가 항상 존재하게 된다.

즉, 위빙축과 상하 이동축을 갖는 2축 장비의 문제점은 도 1 및 도 2와 같이 수평상태의 주판(M) 상부에 수직상태로 위치하는 한 쌍의 부재(S1)(S2)를 직교시켜 용접하는 수직 교차 용접에 있어서 바닥부의 접근 불가능한 부분과 천정부의 접근 불가능한 부분에 용접 잔량부위(a)(b)가 반드시 존재하게 된다는 점이다.

또한 용접 부재의 가접이나 부재의 휨으로 인해 수직 교차부위가 직각을 이루지 못하기 때문에 도 3과 같이 실제 수직 용접선(L2)은 이상적인 수직 용접선(L1)에서 벗어나게 되어 용접선 위치 오차(f)가 발생하게 되므로 2축 장비로는 심각한 용접 품질 불량을 초래하게 된다.

또한 특수 개발된 고기능 5축 또는 6축 용접 로봇의 적용은 시스템 가격이 고가이며, 로봇을 운영하기 위한 별도의 부대설비 및 기술인력들이 필요하기 때문에 대부분의 작업 현장에서는 극히 한정된 부분에서만 운영되고 있는 실정이다.

본 발명은 단순 기능만 수행하는 2축 용접 캐리지 장비들의 기능적인 단점과 고기능 용접 로봇이 갖는 시스템 복잡성 및 고가격의 단점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적이 비숙련자라도 누구나 쉽게 사용할 수 있고, 이동과 설치가 편리하며 가격이 저렴하면서도 고기능 자동 용접 로봇이 갖는 유사 수준의 용접 기능을 내장한 휴대용 수직 자동용접장치를 제공하는 데에 있다.

도 1은 종래 2축 용접 장비를 사용한 수직 교차 용접부위의 측면 개략도.

도 2는 종래 2축 용접 장비를 사용한 수직 교차 용접부위의 평면 개략도.

도 3은 종래 장비에 의한 실제용접선의 상태도.

도 4a ~ 4d는 본 발명의 한 실시예의 사시도.

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 X축과 Y축을 각 부재와 나란하게 한 상태의 수직 교차 용접부위 평면 개략도.

도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 X축과 Y축을 각 부재와 45도 방향으로 위치시킨 상태의 수직 교차 용접부위 평면 개략도.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 휴대용 수직 자동용접장치에 의한 용접 공정을 설명하는 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : Z축 상하베이스 2 : 제어기

3 : Z축 구동부 4 : X축 구동부

5 : R축 구동부 6 : Z축 밑면 베이스

7 : Y축 구동부 8 : Z축 워엄기어 박스

9 : R축 워엄기어 박스 10 : 토치 어댑터

11 : 용접면 접촉어댑터 12 : 용접토치

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기본 4축으로 구성함으로써 기존의 단순 기능 위주의 2축 위버를 사용하여 수직 교차부를 용접할 경우 필수적으로 발생되는 용접 잔량부위를 제거함으로써 부가적인 인력이나 작업을 최소화하고, 용접선 이탈을 방지할 용접선 추적 기능이 구현될 수 있도록 한 것으로, 본 발명의 휴대용 수직 자동용접장치는

Z축 밑변베이스(6)와,

Z축 밑변베이스의 상부 중앙에 수직방향으로 설치되는 Z축 상하베이스(1),

용접토치(12)를 상하방향으로 회전시키는 R축 구동부(5),

용접토치(12)의 끝단을 X, Y방향으로 이동시키는 X축 구동부(4)와 Y축 구동부(7),

X축 구동부(4)와 Y축 구동부(7), R축 구동부(5)를 Z축 상하베이스(1)를 따라 수직방향으로 이동시키는 Z축 구동부(3),

용접에 필요한 여러 조건들을 설정하거나 제어하는 제어기(2),

Z축 구동부(3)와 R축 구동부(5)의 끝단에 자중에 의한 흘러내림을 방지하기 위하여 설치되는 미끄럼방지수단,

R축 구동부(5)에 접속되어 용접토치(12)를 지지할 수 있도록 하는 토치어댑터(10),

용접대상물과 정확한 거리세팅을 위하여 Z축 밑변베이스(6) 선단에 설치되는 용접면 접촉어댑터(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 미끄럼방지수단으로 워웜기어박스(8)(9) 형태의 감속기를 사용하거나, 브레이크 취부형 모터 또는 별도의 브레이크 장치 등을 사용하는 것에 있다. 본 발명의 실시예에 따른 설명에서는 미끄럼방지수단으로 워웜기어박스 형태의 감속기를 위주로 설명을 하기로 한다.

본 발명의 다른 특징은 Z축 구동부(3)의 상단에 상기 제어기(2)가 설치된 것에 있다.

이하 그 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의거하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 4a ~도 4d에는 본 발명의 한 실시예의 사시도가 도시되어 있는 바, Z축 수직 이동방향(Z), Y축 이동방향(Y), X축 이동방향(X), R축 상하 회전방향(R)을 각각 화살표로 표시하였다.

이와 같은 본 발명의 휴대용 수직 자동용접장치는 Z축 밑면 베이스(6)의 양측면 끝단에 직각 방향으로 용접면 접촉어댑터(11)가 부착되고, Z축 밑면 베이스(6) 윗면에는 이동부의 무게 중심 위치에 Z축 상하 베이스(1)가 부착되며, Z축 상하 베이스(1)의 가이드면을 따라서 Z축 구동부(3), Z축 워엄기어 박스(8), 제어기(2)가 설치되고, Z축 측면에는 Y축 구동부(7)가 부착된다.워엄기어박스 형태의 감속기는 워엄과 워엄기어가 서로 맞물려 워엄을 구동 기어로 하면 대략 1/20 내지 1/30 정도의 감속비를 얻을 수 있다. 특히, 워엄기어를 구동축으로 하게 되는 경우, 비틀림각이 작고 감속비가 1/20 이상이면 자동체결(self-locking)이 되어 워엄기어로 워엄을 회전시킬 수 없게 된다. 따라서, 워엄기어축에 어떠한 힘이 작용하여도 워엄이 회전하지 않기 때문에 워엄기어도 회전을 할 수가 없어, 워엄축의 모터에 전원이 오프(OFF)가 되어도 워엄기어에 장착된 구성은 자중에 의해 흘러내리는 것이 방지된다.상기 제어기는 용접장치의 전원의 온/오프, 용접 토치의 위치 설정 및 이동 등 용접에 필요한 여러 조건들을 설정하거나 제어한다.

그리고 Y축 구동부(7)의 앞면에는 X축 구동부(4)가 수직 용접교차부위의 정면 방향으로 설치되고, X축 구동부(4) 밑면에는 R축 워엄기어 박스(9)와 R축 구동부(5)가 부착되며, R축 구동부(5)의 측면에는 토치 어댑터(10)에 의하여 용접토치(12)가 부착된다.

본 발명의 휴대용 수직 자동용접장치를 이용하여 용접을 할 때는 우선 휴대용 수직 자동용접장치를 용접하고자 하는 수직 교차부위로 이동시킨 후 전원 및 용접 와이어를 투입하고, 수직 교차부위의 양쪽 측면에 직각으로 설치된 두개의 용접면 접촉 어댑터(11)가 밀착되도록 조정한다.

상기에서 용접토치(12)가 수직 교차부위에 정확하게 위치하지 않으면 Z축 구동부(3) 상부에 부착된 제어기(2)를 사용하여 X, Y, Z, R축을 미세 조정한다.

이때 용접토치(12) 각도는 2∼5도로 위쪽 방향으로 향하여 용접해야 우수한 용접 품질을 얻을 수 있지만 토치 어댑터나 R축 구동부 등으로 인하여 수직 교차부위의 바닥면에서 일정 부분은 이러한 자세로 접근이 불가능 구역이 발생하게 된다.

따라서 본 장비가 포함하고 있는 R축 구동부(5)를 이용하여 접근 불가능한 부분인 용접 잔량부위를 해소하도록 R축을 상하 방향으로 회전시켜 접근시킬 수 있다.

한편 휴대용 수직 자동용접장치가 용접위치에 정확하게 설치되었으면 제어기(2)에 부착된 시작 스위치를 작동시켜 용접 작업을 수행한다.

Z축의 구동은 Z축 밑면베이스(6)에 직각으로 설치된 Z축 상하베이스(1)를 따라서 Z축 구동부(3)의 모터를 통해 수직 방향으로 이동하며, Z축 상하베이스(1)에 부착된 가이드바, LM 등의 가이드면을 따라서 볼스크류 또는 랙, 피니언등을 이용하여 Z축 워엄기어박스(8)나 감속기로 모터의 동력을 전달한다.

또한 Y축 구동부(7)는 볼스크류와 가이드바, LM 등을 통하여 모터의 동력을 용접토치(12)에 전달하며 이송물을 수직 교차부위에서 전후로 이동시켜 용접선에서의 위치 오차에 따른 용접 깊이 방향을 보정한다.

X축 구동부(4)는 Y축 구동부(7)와 마찬가지로 볼스크류와 가이드바, LM 등을 통하여 모터의 동력을 전달하며, 이송물을 좌우 방향으로 이동시켜 용접선 위치 오차에 따른 용접 폭 방향을 보정한다.

R축 구동부(5)는 X축 구동부(4) 밑면에 부착된 R축 워엄 기어박스(9)나 브레이크 부착된 모터를 통하여 토치 어댑터(10)와 용접토치(12)를 상하 방향으로 회전시켜 용접 교차면과 용접토치(12)의 방향을 적절하게 유지시켜주고 용접 잔량부위를 해소하는 기능을 수행한다. 브레이크 취부형 모터는 통상 전자(電磁) 브레이크를 모터의 케이스 속에 장착하여, 모터에 전원이 오프(OFF)일 때는 브레이크가 작용하고 온(ON)일 때에는 브레이크가 떨어지도록 설계되어 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 사용에 따른 교차 용접부위의 개략도이다. 도 5a 와 도 5b의 구별은 본 발명의 용접장치를 용접 작업부재에 설치하는 위치에 따라 X축과 Y축을 구동하는 방법이 달라짐에 따른 것이다.

도 5a의 작업형태는 본 발명의 용접장치를 위에서 내려다 보았을 때 용접토치(12)와 작업부재(S1)(S2), 즉 수직 용접교차부위가 있는 부재(S1)(S2)들과 X축, Y축 구동 방향이 일치하도록 설치한 것으로, 용접토치(12)는 양 용접부재(S1)(S2)와 45도를 이룬다.

이 작업형태에 있어서는 용접토치(12) 끝단을 수직 용접교차부위로 이동시키기 위해서 X, Y축 모두를 움직여야 하며, 위빙을 갖는 수직 용접시에도 X, Y축 모두를 이동하여 위빙 동작을 구현해야 한다.

한편 도 5b의 작업형태는 도 5a의 작업형태와 달리 X, Y축 구동방향이 작업부재(S1)(S2)와 45도 기울어져 설치된다는 특징이 있다.

이 작업형태에 있어서 용접토치(12) 끝단 방향은 도 5a의 작업형태와 같이 작업 부재와 45도 이루고, X, Y축 중 하나가 용접토치 방향과 일치되며, 나머지 한 축은 토치 방향과 90도 이루도록 설치한다.

이 작업형태의 경우, 용접토치(12)와 수직 교차부위와의 거리는 용접토치(12)와 일치된 축(Y축)을 이용하여 전후로 이동시키고 좌우 방향은 X축을 이용하여 조절하면 되며, 특히 위빙을 갖는 수직 용접시에는 X축이 위빙축이 되며 용접선 위치 오차에 대한 폭 방향 보정 기능을 수행하고, 나머지 축은 깊이 방향의 보정을 수행하는 특징이 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 휴대용 수직 자동용접장치에 의한 용접 공정을 설명한다. 본 용접 단계에 앞서, 용접 위치로 휴대용 수직 자동용접장치를 이동시킨 후, 전원 오프(OFF) 상태에서 상기 자동용접장치의 용접 토치 어댑터(10)에 용접 토치를 연결한다. 그 다음, 전원을 온(ON) 상태로 전환한 후 제어기(2)로 X, Y, Z 및 R축에 대해 로봇의 원점을 설정하여 작업 준비를 완료한다. 본 작업 단계에서, 도 5a에 도시된 바와 같이, 용접면 접촉 어댑터(1)를 용접 부재(S1, S2)에 밀착시키다. 제어기로 용접 조건 설정 후 a구간 유무를 판단하여, a구간의 용접이 수행되어야 한다면 자동용접장치를 a구간 용접 자세로 이동하여 a구간 용접을 수행한 후, 수평 용접 자세로 c구간 용접을 실시한다. 만일 a구간 용접이 수행될 필요가 없으면, 다음으로 수평 용접 자세로 c구간 용접을 실시한다. 그 다음, 마무리 용접으로 b구간 용접을 수행하여 본 작업 단계를 완료한다. 이때, a, b 및 c 각 구간의 용접 후에는 용접구간 용접선의 위치 오차 보정을 위해 위치 오차(f)를 추종한다. 용접 작업 완료 후 새로운 용접 부재로 장비를 이동하여 본 작업 단계를 반복 수행한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 휴대용 수직 자동용접장치는 단순 기능 위주의 2축 위버로는 불가능했던 용접 잔량부위 처리 문제 및 용접선 이탈시 용접선 추적 기능을 내장하여 용접 품질 문제를 쉽게 해결할 수 있으며, 용접 유해 성분이 발생하는 열악한 작업 환경에 대한 작업 조건들을 개선할 수 있다.

또한 숙련된 기술자와 고기능 로봇들만 처리가능한 수직 교차부위의 용접을 쉽게 처리함으로써 항상 균일하고 양질의 용접 품질을 얻을 수 있으며, 작업자가 직접 들고 다니면서 사용하기 때문에 별도의 부대 설비가 필요 없고, 고기능을 보유하기 때문에 작업자 1명이 다수의 로봇을 동시에 관리할 수 있어 용접 품질 생산성을 크게 향상시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. Z축 밑변베이스(6)와,

   Z축 밑변베이스의 상부 중앙에 수직방향으로 설치되는 Z축 상하베이스(1),

   용접토치(12)를 상하방향으로 회전시키는 R축 구동부(5),

   용접토치(12)의 끝단을 X, Y방향으로 이동시키는 X축 구동부(4)와 Y축 구동부(7),

   X축 구동부(4)와 Y축 구동부(7), R축 구동부(5)를 Z축 상하베이스(1)를 따라 수직방향으로 이동시키는 Z축 구동부(3),

   용접에 필요한 여러 조건들을 설정하거나 제어하는 제어기(2),

   Z축 구동부(3)와 R축 구동부(5)의 끝단에 자중에 의한 흘러내림을 방지하기 위하여 설치되는 미끄럼 방지수단,

   R축 구동부(5)에 접속되어 용접토치(12)를 지지할 수 있도록 하는 토치어댑터(10),

   용접대상물과 정확한 거리세팅을 위하여 Z축 밑변베이스(6) 선단에 설치되는 용접면 접촉어댑터(11)를 포함하는 것을 특징으로 휴대용 수직 자동용접장치.
2. 제1항에 있어서, 미끄럼 방지 수단은 워웜기어박스(8)(9) 형태의 감속기를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수직 자동용접장치.
3. 제1항에 있어서, 미끄럼 방지 수단은 브레이크 취부형 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수직 자동용접장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Z축 구동부(3)의 상단에 설치되는 제어기(2)는 볼륨 조절 스위치, 경고등, 전원 스위치를 포함하여 수직 교차부위의 용접에 필요한 여러 조건들을 설정하거나 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 휴대용 수직 자동용접장치.