KR100527376B1 - 용접 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접 로봇에 관한 것으로서, 구체적으로는 2차원 평면상에서 용접 작업을 자유로이 수행할 수 있는 용접 로봇에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 선단에 용접 토치가 구비된 용접 매니퓰레이터와, 상기 용접 매니퓰레이터를 탑재하여 소정의 작업위치로 이동시키는 이송 장치를 포함하는 용접 로봇으로서, 상기 매니퓰레이터는, 후단이 상기 이송 장치 상부에 선회 가능하게 결합된 수평아암, 상기 수평아암의 선단에 수직방향으로 승강 가능하게 결합된 수직아암, 및 상기 수직아암이 직선 경로를 따라 이동될 수 있도록 상기 수평아암을 선회시키는 선회 구동부를 구비하며, 상기 용접 토치는 상기 수직아암의 하단에 설치되어 좌우로 선회하며 위빙 용접이 가능한 용접 로봇이 제공된다.

본 발명에 의하면, 이중 선체 구조 더블 바텀 블록의 U자형 용접 부위와 같은 2차원 형상의 용접 부위가 다수 분포하는 구조물의 제작 공정을 효율적으로 자동화 할 수 있게 된다.

Description

용접 로봇 {Welding Robot}

본 발명은 용접 로봇에 관한 것으로서, 구체적으로는 2차원 평면상에서 용접 작업을 자유로이 수행할 수 있는 용접 로봇에 관한 것이다.

선박에 있어 이중 선체(double hull) 구조는 선저가 파괴되는 경우에 있어서도 내저판의 침수를 막을 수 있고, 선저의 강도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 공간 활용도도 좋고, 배의 중심이 낮아져 선체 안정성이 증가하는 이점을 가지고 있다.

이중 선체의 이러한 장점으로 인해 이중 선체의 건조 물량이 증가하고 있지만 이중 선체의 선저 구조는 내저판을 지지하는 복잡한 골조 구조를 지니고 있기 때문에 그 제작 과정을 자동화하는 데에는 여러 가지 어려움이 있게 된다.

도 1a에는 이중 선체 구조를 구성하는 이어 바텀 블록(inner bottom block)의 사시도가 도시되어 있다.

도 1a에 도시된 것과 같이, 이중 선체 구조를 구성하는 이너 바텀 블록(1)은, 넓은 철판으로 이루어진 하판(bottom plate)(3)에 복수 개의 론지(longi)(2)를 소정의 간격으로 서로 평행하게 설치되어 용접됨으로써 고정된다. 여기에 철판으로 이루어진 웹 플로어(web floor)(4) 및 거더(girder)(5)를 상기 하판(3) 상에 설치하여 도 1a에 도시된 것과 같은 이너 바텀 블록(1)을 제작한다. 여기서, 상기 이너 바텀 블록(1)은 상기 웹 플로어(4) 및 거더(5)에 의해 공간이 분할된 상태로 제작된다. 그리고, 상기 하판(3), 론지(2), 웹 플로어(4) 및 거더(5)들은 모두 자리를 잡기 위해 서로 가용접된다.

도 1b에는 도 1a의 A부분의 부분 확대도가 도시되어 있다.

도 1b에 도시된 것과 같이, 가용접되어 제작된 상기 이너 바텀 블록(1)의 웹 플로어(4) 결합부위에는, 상기 론지(2)와 웹 플로어(4) 사이의 수직용접부(6)와, 상기 하판(3)과 웹 플로어(4) 사이의 수평용접부(7)가 존재하고, 이 부분들은 필요한 강도를 만족시키도록 재용접되어야 한다.

일자형 론지(2)에 일부가 가려진 상태이지만, 두 개의 일자형 론지(2) 사이의 공간에서 전체적으로 용접되어야 할 부분의 형상이 U자형임을 알 수 있다. 이러한 U자형의 용접을 수행해야 하는 경우가 이중 선체 구조를 제작하는 과정에서는 수없이 많이 포함된다.

도 1a에 도시된 것과 같이, 상기 이너 바텀 블록(1)의 경우, 상면이 개방되어 있다. 이 경우, 종래에는 크레인을 이용하여 자동 용접 장치를 용접 위치(A)에 가까이 위치시킨 후 용접 작업을 수행하였다. 한 부분의 용접 작업이 마무리되면 다시 크레인을 사용하여 론지(2) 너머의 다른 용접 위치로 이동한 후 용접 작업을 수행하였다.

그러나, 이러한 방식으로 이너 바텀 쉘(1)의 용접을 수행하기 위해서는 별도의 크레인이 필요하고 작업자의 일손이 많이 필요하다는 단점이 있어왔다.

도 2a에는 도 1a에 도시된 이너 바텀 블록에 상판이 결합된 더블 바텀 블록의 사시도가 도시되어 있다.

도 2a에 도시된 것과 같이, 더블 바텀 블록(8)은 상하좌우가 모두 폐쇄되어 있다. 도 2a에 도시된 것과 같은 상면이 폐쇄된 더블 바텀 블록(8)에 대해서는 크레인을 사용한 작업이 불가능하다. 따라서, 종래에는 작업자가 직접 더블 바텀 블록(8) 내로 들어가서 용접 작업을 수작업으로 수행하여 왔다.

그러나, 더블 바텀 블록(8) 내부의 공간은 매우 어둡고, 막힌 공간 내에서 용접 작업이 이루어지므로 용접 열기와 용접 과정에서 발생되는 가스로 인해 작업자가 작업하기에 열악하다.

따라서, 이너 바텀 블록(1)은 물론 더블 바텀 블록(8) 내에서의 정형화된 용접 작업을 자동화할 필요성이 증가되었다. 특히, 이너 바텀 블록(1)이나 더블 바텀 블록(8) 내의 U자형 용접부나, 또는 필요에 따라서는 보다 복잡한 2차원 형상의 용접부에 대해 용접을 수행할 수 있고, 좁은 공간에서의 이동에 편리한 용접 로봇이 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은 이중 선체 구조와 같이 용접 작업이 많이 포함되는 공정을 자동화하여 인력과 시간을 절약할 수 있게 하는 용접 로봇을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 선단에 용접 토치가 구비된 용접 매니퓰레이터와, 상기 용접 매니퓰레이터를 탑재하여 소정의 작업위치로 이동시키는 이송 장치를 포함하는 용접 로봇으로서, 상기 매니퓰레이터는, 후단이 상기 이송 장치 상부에 선회 가능하게 결합된 수평아암, 상기 수평아암의 선단에 수직방향으로 승강 가능하게 결합된 수직아암, 및 상기 수직아암이 직선 경로를 따라 이동될 수 있도록 상기 수평아암을 선회시키는 선회 구동부를 구비하며, 상기 용접 토치는 상기 수직아암의 하단에 설치되고, 상기 용접 토치는 위빙 용접을 위해 좌우로 선회가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 용접 로봇을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 선회 구동부는, 상기 수평아암의 후단 중심부에 결합되어 상기 수평아암에 길이방향으로의 전진 또는 후진력을 제공하는 직선 구동원, 및 상기 직선 구동원에 의해 상기 수평아암에 전후진력이 제공될 때, 상기 수평아암의 선단이 직선 경로를 따라 좌우로 이동하도록, 상기 수평아암을 회전운동과 병진운동이 동시에 이루어지도록 안내하는 캠부재를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 캠부재는, 상기 수평아암의 길이방향과 나란하게 형성된 직선형 슬롯과, 상기 직선형 슬롯의 전방에 상기 수평아암의 길이방향에 대하여 수직한 방향으로 소정의 곡률을 가지며 형성된 곡선형 슬롯을 포함하며, 상기 수평아암의 후단부에는 상기 직선형 슬롯 및 곡선형 슬롯에 각각 삽입되는 한 쌍의 캠돌기가 형성된 것이 바람직하다.

여기서, 상기 직선 구동원은, 상기 직선형 슬롯에 삽입되는 상기 수평아암의 캠돌기에 링크 결합되는 볼너트, 상기 볼너트에 회전 가능하게 결합되는 볼나사, 상기 볼나사를 회전 구동하여 상기 볼너트 및 이에 결합되는 캠돌기를 직선 구동하는 모터를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 수직아암은, 길이방향을 따라 일면에 래크가 형성된 메인아암, 상기 메인아암의 하단부에 힌지 결합되고 상기 용접 토치와 결합되는 용접 토치 어댑터 및 상기 메인아암과 상기 용접 토치 어댑터를 체결하는 토글클램프를 포함하며, 상기 메인아암의 래크와 결합되어 상기 메인아암을 상하 방향으로 구동하는 피니언과, 상기 피니언을 회전 구동하고 상기 수평아암의 단부에 구비되는 모터를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3에는 본 발명에 따른 용접 매니퓰레이터가 이송 장치에 장착된 상태의 사시도가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 용접 로봇은, 선단에 용접 토치가 구비된 용접 매니퓰레이터(100)와, 상기 용접 매니퓰레이터(100)를 탑재하여 소정의 작업위치로 이동시키는 이송 장치(10)를 포함한다.

상기 매니퓰레이터(100)는, 후단이 상기 이송 장치 상부에 선회 가능하게 결합된 수평아암(104), 상기 수평아암(104)의 선단에 수직방향으로 승강 가능하게 결합된 수직아암(101), 및 상기 수직아암(101)이 직선 경로를 따라 이동될 수 있도록 상기 수평아암을 선회시키는 선회 구동부(105)를 구비하며, 상기 용접 토치(103)는 상기 수직아암(101)의 하단에 힌지 결합되는 용접 토치 어댑터(102)에 설치된다.

도 4에는 도 3에 도시된 용접 매니퓰레이터의 평면도가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 상기 용접 매니퓰레이터(100)에 구비되는 선회 구동부(105)는, 상기 수평아암(104)의 후단 중심부에 결합되어 상기 수평아암(104)에 길이방향으로의 전진 또는 후진력을 제공하는 직선 구동원, 및 상기 직선 구동원에 의해 상기 수평아암(104)에 전후진력이 제공될 때, 상기 수평아암(104)의 선단이 직선 경로를 따라 좌우로 이동하도록, 상기 수평아암(104)을 회전운동과 병진운동이 동시에 이루어지도록 안내하는 캠부재를 포함한다.

상기 캠부재는, 상기 수평아암(104)의 길이방향과 나란하게 형성된 직선형 슬롯(106)과, 상기 직선형 슬롯(106)의 전방에 상기 수평아암(104)의 길이방향에 대하여 수직한 방향으로 소정의 곡률을 가지며 형성된 곡선형 슬롯(107)을 포함한다.

도 5에는 상기 수평아암의 저면 사시도가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 것과 같이, 상기 수평아암(104)의 후단부에는 상기 직선형 슬롯(106) 및 곡선형 슬롯(107)에 각각 삽입되는 한 쌍의 캠돌기(110, 111)가 형성된다.

한편, 도 4에 도시된 것과 같이, 상기 직선 구동원은, 상기 직선형 슬롯(106)에 삽입되는 캠돌기(110)와 결합되는 볼너트(116), 상기 볼너트(116)에 회전 가능하게 결합되는 볼나사(115), 상기 볼나사(115)를 회전 구동하여 상기 볼너트(116) 및 이에 결합되는 캠돌기(110)를 직선 구동하는 모터(114)로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 직선 구동원으로는 이외에도, 유압 실린더, 피니언과 래크 등의 다른 직선 구동 수단이 사용될 수 있다.

도 6a에는 도 4의 D-D 선을 따라 자른 부분 단면도가 도시되어 있고, 도 6b에는 도 6a의 슬라이딩 블록의 저면 사시도가 도시되어 있다.

도 6a에 도시된 것과 같이, 상기 캠돌기(111)는 상기 곡선형 슬롯(107)에 삽입되는 롤러 블록(122)의 상부 홈(123)에 수용되고, 상기 롤러 블록(122)의 하부에는 모터(121)가 연결되며, 상기 모터(121)의 하단부에는 슬라이딩 블록(125)이 결합된다. 상기 슬라이딩 블록(125)은 상부의 모터 수용부(134)와 하부의 슬라이더(133)로 구성된다. 상기 슬라이더(133)는, 상기 곡선형 슬롯(107)의 곡률을 따라 상기 선회 구동부(105) 내부에 형성된 내부 슬롯(132)에 삽입되고, 상기 슬라이더(133)와 상기 내부 슬롯(132)의 사이에는 적절한 윤활제가 도포된다.

상기 모터(121)의 회전에 의해 상기 롤러 블록(122)이 회전하면서 상기 곡선형 슬롯(107)을 따라 원하는 방향으로 이동하게 되고, 상기 슬라이딩 블록(125)은 상기 내부 슬롯에 삽입되어 상기 모터(121)의 본체가 좌우로 회전하지 못하도록 잡아주는 기능을 한다. 이렇게 구성함으로써, 상기 캠돌기(111)가 상기 곡선형 슬롯(107)에서 원하는 방향으로 이동하도록 조절할 수 있다.

상기 캠돌기(111)의 운동 방향을 결정하기 위한 구성으로는 이외에도, 곡선형 슬롯(107)을 따라 롤러체인을 위치시키고, 상기 롤러체인에 상기 캠돌기(111)가 결합되도록 구성하는 구성이 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 롤러체인을 이동시킴에 따라, 상기 캠돌기(111)가 상기 곡선형 슬롯(107)을 따라 이동하도록 하여 상기 캠돌기(111)의 운동을 제어할 수 있다.

도 7에는 도 3의 C 방향에서 바라본 상기 수직아암의 하부의 정면도가 도시되어 있다.

도 7에 도시된 것과 같이, 상기 수직아암(101)은, 래크가 형성된 메인아암과, 상기 메인아암(101)의 하단부에 힌지 결합되고 상기 용접 토치를 수용하는 용접 토치 어댑터(102)로 구성된다. 또한, 상기 수직아암에는, 상기 메인아암(101)을 상하 방향으로 구동하는 피니언, 상기 피니언을 회전 구동하는 모터(117) 및 상기 메인아암과 상기 용접 토치 어댑터(102)를 체결하는 토글클램프(118)가 더 포함된다. 상기 토글클램프(118)가 설치되는 면에는 소정의 토글클램프용 슬롯(119)이 형성되어 상기 수직아암(101)의 상방향 이동시, 상기 수평아암(104)의 하면에 상기 토글클램프(118)가 걸리지 않도록 한다. 그리고, 상기 토글클램프(118)는 손잡이가 위쪽으로 향하도록 설치되는 것이 편리하다.

용접 작업 시에 용접 두께를 충분히 두껍게 하기 위해, 용접 토치(103)를 좌우로 움직이면서 위빙 용접(weaving welding)을 하게 된다. 본 발명에 따른 용접 로봇(100)의 매니퓰레이터에는 이러한 위빙 용접이 가능하도록, 상기 용접 토치 어댑터(102)의 단부에 모터(135)가 장착된다.

도 8에는 본 발명에 따른 용접 로봇이 좁은 통로를 통해 이동할 때의 모습을 보여주는 사시도가 도시되어 있다.

도 8에 도시된 것과 같이, 상기 용접 로봇이 좁은 통로를 통과할 때, 예를 들어, 이중선체 구조를 구성하는 더블 바텀 블록 내의 다른 공간으로 웹 플로어(4) 벽면의 개구부(130)를 통해 이동할 때에는, 상기 수직아암(101)은 상기 수직아암 상에 형성된 래크와 상기 모터(117)에 연결된 피니언에 의해 상방향으로 이동되고, 상기 힌지 결합부(124)에서 접혀 상기 수평아암의 상면에 놓여진다. 그리고, 상기 수평아암은 상기 이송 장치와 일직선이 되도록 회전된다.

상기 수직아암(101)을 접을 때에는 상기 토글클램프(118)(도 7)를 풀고 수동으로 작업자가 접어주게 된다.

이상에서는 용접 로봇의 기구적인 특징들만을 설명하였지만, 본 발명이 실제로 실시될 때에는 용접이 가능하도록 하기 위해, 용접 와이어 공급부나, 용접 에너지원이 연결되어 사용될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 용접 로봇에 이러한 종래의 용접 와이어 공급부, 용접 에너지원등이 결합되는 용접 로봇도 본 발명의 범위에 포함된다.

한편, 본 발명에 따른 용접 로봇의 제어를 위해서는, 유선 또는 무선 통신을 이용하여 원격 조정되도록 하는 방식이나, 소정의 작업 패턴을 미리 프로그램화하여 반복 작업을 수행하도록 하는 방식이 모두 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 이중 선체 구조 더블 바텀 블록의 U자형 용접 부위와 같은 2차원 형상의 용접 부위가 다수 분포하는 구조물의 제작 공정에 있어서, 소정의 프로그램에 따라 해당 용접 부위를 반복적으로 용접할 수 있는 용접 로봇이 제공된다. 본 발명에 따른 용접 로봇은 상하방향의 용접은 물론 좌우 방향의 용접을 원활하게 수행할 수 있고, 용접되는 부재간의 구석진 곳까지 용접 토치가 접근할 수 있도록 구성되며, 용접 부위가 넓은 경우에도 좌우로 선회하면서 용접을 실시할 수 있어 넓은 용접 부위를 효율적으로 용접할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 용접 로봇을 공정에 적용함으로써, 용접 작업을 자동화하고 용접 작업을 수행하기 위해 소요되는 인력과 시간을 절약할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

도 1a는 이중 선체 구조를 구성하는 오픈 타입 이너 바텀 블록(open type inner bottom block)의 사시도.

도 1b는 도 1a의 A부분의 확대도.

도 2는 이중 선체 구조를 구성하는 더블 바텀 블록(double bottom block)의 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 용접 로봇의 사시도.

도 4는 도 3에 도시된 용접 로봇의 매니퓰레이터 부분의 평면도.

도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 수평아암의 저면 사시도.

도 6a는 도 4의 B-B 선을 따라 자른 단면도.

도 6b는 도 6a의 슬라이딩 블록의 저면 사시도.

도 7은 도 3의 A 방향에서 바라본 수직아암 하단부의 정면도.

도 8은 본 발명에 따른 용접 로봇이 도 2에 도시된 더블 바텀 블록의 내부에 설치된 것을 보여주는 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 이너 바텀 블록 2: 론지

3: 하판 4: 웹 플로어

5: 거더 6: 수직 용접부

7: 수평 용접부 8: 더블 바텀 블록

9: 개구부 10: 이송 장치

100: 용접 로봇 101: 수직아암

102: 용접 토치 어댑터 103: 용접 토치

104: 수평아암 105: 선회 구동부

106: 직선형 슬롯 107: 곡선형 슬롯

109: 선회 구동부 구동 피니언 110: 캠돌기(직선형 슬롯)

111: 캠돌기(곡선형 슬롯) 114: 모터

115: 볼나사 116: 볼너트

117: 모터 118: 토글클램프

119: 토글클램프용 슬롯 121: 모터

122: 롤러 블록 123: 롤러 블록 상부 홈

124: 힌지 결합부 125: 슬라이딩 블록

130: 개구부 132: 내부 슬롯

133: 슬라이더 134: 모터 수용부

135: 모터

Claims (5)

1. 삭제
2. 선단에 용접 토치가 구비된 용접 매니퓰레이터와, 상기 용접 매니퓰레이터를 탑재하여 소정의 작업위치로 이동시키는 이송 장치를 포함하는 용접 로봇으로서,

   상기 매니퓰레이터는,

   후단이 상기 이송 장치 상부에 선회 가능하게 결합된 수평아암;

   상기 수평아암의 선단에 수직방향으로 승강 가능하게 결합된 수직아암; 및

   상기 수직아암이 직선 경로를 따라 이동될 수 있도록 상기 수평아암을 선회시키는 선회 구동부를 구비하며,

   상기 용접 토치는 상기 수직아암의 하단에 좌우 방향으로 선회가 가능하도록 설치되고,

   상기 선회 구동부는,

   상기 수평아암의 후단 중심부에 결합되어 상기 수평아암에 길이방향으로의 전진 또는 후진력을 제공하는 직선 구동원; 및

   상기 직선 구동원에 의해 상기 수평아암에 전후진력이 제공될 때, 상기 수평아암의 선단이 직선 경로를 따라 좌우로 이동하도록, 상기 수평아암을 회전운동과 병진운동이 동시에 이루어지도록 안내하는 캠부재를 포함하는 것을 특징으로 용접로봇.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 캠부재는, 상기 수평아암의 길이방향과 나란하게 형성된 직선형 슬롯과, 상기 직선형 슬롯의 전방에 상기 수평아암의 길이방향에 대하여 수직한 방향으로 소정의 곡률을 가지며 형성된 곡선형 슬롯을 포함하며,

   상기 수평아암의 후단부에는 상기 직선형 슬롯 및 곡선형 슬롯에 각각 삽입되는 한 쌍의 캠돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 용접 로봇.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 직선 구동원은,

   상기 직선형 슬롯에 삽입되는 상기 수평아암의 캠돌기에 링크 결합되는 볼너트;

   상기 볼너트에 회전 가능하게 결합되는 볼나사;

   상기 볼나사를 회전 구동하여 상기 볼너트 및 이에 결합되는 캠돌기를 직선 구동하는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 로봇.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 수직아암은,

   길이방향을 따라 일면에 래크가 형성된 메인아암;

   상기 메인아암의 하단부에 힌지 결합되고 상기 용접 토치와 결합되는 용접 토치 어댑터; 및

   상기 메인아암과 상기 용접 토치 어댑터를 체결하는 토글클램프를 포함하며,

   상기 메인아암의 래크와 결합되어 상기 메인아암을 상하 방향으로 구동하는 피니언; 및

   상기 피니언을 회전 구동하고, 상기 수평아암의 단부에 구비되는 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 로봇.