KR100988159B1 - 플라즈마를 이용한 파이프 절단장치 - Google Patents

플라즈마를 이용한 파이프 절단장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베드프레임(10) 상으로 공구대(20)를 이송하며 토치(25) 상으로 플라즈마를 분사하여 파이프를 원하는 형상으로 절단하는 장치에 있어서: 상기 파이프를 척킹유니트(32)로 고정하고 롤러유니트(35)로 지지하는 클램핑수단(30); 상기 베드프레임(10)과 공구대(20) 사이에 설치되고, 공구대(20)를 직선운동시키는 X축구동기(40); 상기 공구대(20)의 일측에 회전 가능하게 설치되고, 아암(22)을 개재하여 토치(25)와 연결되는 R축구동기(50); 상기 공구대(20)의 일측에 상하운동 가능하게 설치되고, 아암(22)을 개재하여 토치(25)와 연결하되, 고속 이동 가능한 제1승강기구(62)와, 아암(22)의 중간에 연결되어 미세 이동 가능한 제2승강기구(64)를 구비하는 Z축구동기(60); 및 상기 X축구동기(40), R축구동기(50), Z축구동기(60)와 전기적으로 연결되고, 사용자의 입력모드에 대응한 설정된 신호를 출력하여 파이프 절단을 수행하되 모드선택부(72)와 미세조절부(74)를 탑재한 수동제어기(70)와 병행하여 마이컴제어부(82)와 원격통신부(86)를 탑재한 자동제어기(80)를 구비하고, 레이저센서(76)로 파이프의 지지상태를 검출하여 이상 발생시 작동을 정지하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명은, 다축운동기구와 마이크로컴퓨터 시스템을 연계함에 따라 작업자의 숙련도에 크게 의존하지 않더라도 안정된 품질과 양호한 생산성을 유지할 수 있는 효과가 있다.
Figure R1020080033439
파이프, 배관, 절단, 플라즈마, 자동제어, 입력

Description

플라즈마를 이용한 파이프 절단장치{Apparatus of cutting pipe using plasma}
본 발명은 플라즈마를 이용한 파이프 절단장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작업자의 숙련도에 크게 의존하지 않더라도 안정된 품질과 양호한 생산성을 유지할 수 있는 플라즈마를 이용한 파이프 절단장치에 관한 것이다.
통상적으로, 선박에는 수십 가지 규격으로 생산된 배관부재인 모관과 지관이 다양한 형태로 연결되는 배관 시스템이 구비되는데, 각종 배관은 설계된 규격으로 절단된 후에 용접과 열처리를 거쳐 완제품으로 도색된다. 이러한 배관의 절단에 있어 원형톱, 산소, 워터젯, 레이저 방식 등이 있으나 근래 고속 절단 작업용으로 플라즈마 방식이 가장 선호되고 있다.
한국 공개특허 제2007-0105781호는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임에 파이프를 지지함과 아울러 회전시키는 파이프 지지수단과, 상기 베이스 프레임의 양측으로 서포트에 설치되는 가이드 레일과, 상기 가이드레일을 따라 슬라이딩되는 헤드부와, 상기 헤드부에 설치된 승강수단에 승강되는 이송부재와, 상기 이송부재에 설치되어 플라즈마 아크를 발생하는 절단팁과, 상기 베이스 프레임에 설치되어 상기 지지된 파이프를 배출하는 파이프 언로딩 수단을 구비한다.
이는 파이프를 이동시키지 않고 회전시키면서 절단할 수 있고, 로딩 및 언로딩에 따른 작업공수를 절감하는 효과는 있지만 근본적으로 자동화 생산에 의한 균일한 품질 및 높은 생산력의 유지를 기대하기 곤란하다.
일본 공개특허 제2003-191077호는 “파이프 삽통부와 차륜을 가지는 본체 프레임 2에 파이프 P를 본체 프레임에 고정하는 척킹 장치 3과 회전틀 4를 설치하고, 플라즈마 절단기 6의 토치 6a를 회전틀 4의 단면을 모방하고 장치 8을 이용하고 설치하고, 회전틀 4에 통하여 본체 프레임 2에 고정한 파이프 P을 회전틀 4를 회전시키고 토치 6a로부터 분사시킨 고온의 플라즈마류로 절단하게 한다.”
그러나 이는 조관기 등으로부터 연속적으로 흘러나오는 대경 파이프를 신속 정확하고 미려하게 절단할 수 있는 효과가 기대되기는 하지만 여전히 숙련된 작업자에 의존해야 하기 때문에 품질과 생산성 향상은 물론 고급인력을 확보하는 측면에서 한계성을 보인다.
종래기술의 문헌정보
[문헌1] 한국 공개특허 제2007-0105781호 “플라즈마를 이용한 파이프 절단 장치”
[문헌2] 일본 공개특허 제2003-191077호 “파이프 절단기”
이에 따라 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 것으로서, 다축운동기구와 마이크로컴퓨터 시스템을 연계함에 따라 작업자의 숙련도에 크게 의존하지 않더라도 안정된 품질과 양호한 생산성을 유지할 수 있는 플라즈마를 이용한 파이프 절단장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 베드프레임 상으로 공구대를 이송하며 토치 상으로 플라즈마를 분사하여 파이프를 원하는 형상으로 절단하는 장치에 있어서: 상기 파이프를 척킹유니트로 고정하고 롤러유니트로 지지하는 클램핑수단; 상기 베드프레임과 공구대 사이에 설치되고, 공구대를 직선운동시키는 X축구동기; 상기 공구대의 일측에 회전 가능하게 설치되고, 아암을 개재하여 토치와 연결되는 R축구동기; 상기 공구대의 일측에 상하운동 가능하게 설치되고, 아암을 개재하여 토치와 연결하되, 고속 이동 가능한 제1승강기구와, 아암의 중간에 연결되어 미세 이동 가능한 제2승강기구를 구비하는 Z축구동기(60); 및 상기 X축구동기(40), R축구동기), Z축구동기와 전기적으로 연결되고, 사용자의 입력모드에 대응한 설정된 신호를 출력하여 파이프 절단을 수행하되 모드선택부와 미세조절부를 탑재한 수동제어기와 병행하여 마이컴제어부와 원격통신부를 탑재한 자동제어기를 구비하고, 레이저센서로 파이프의 지지상태를 검출하여 이상 발생시 작동을 정지하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
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한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다축운동기구와 마이크로컴퓨터 시스템을 연계함에 따라 작업자의 숙련도에 크게 의존하지 않더라도 안정된 품질과 양호한 생산성을 유지할 수 있는 효과를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 의한 절단장치를 각각 정면과 평면과 측면에서 나타내는 구성도, 도 4는 본 발명에 의한 절단장치의 롤러유니트를 나타내는 구성 도, 도 5는 본 발명에 의한 절단장치의 X축구동기를 나타내는 구성도, 도 6은 본 발명에 의한 절단장치의 Z축구동기를 나타내는 구성도, 도 7은 본 발명에 의한 절단장치의 R축구동기를 나타내는 구성도이다.
본 발명은 베드프레임(10) 상으로 공구대(20)를 이송하며 토치(25) 상으로 플라즈마를 분사하여 파이프(P)를 원하는 형상으로 절단하는 장치에 관련된다. 베드프레임(10) 상에는 평행한 한 쌍의 리니어모션용 X축레일(15)이 설치된다. 공구대(20)는 일측으로 토치(25)를 지지하면서 수평, 수직, 회전운동이 가능하도록 한다. 토치(25)는 플라즈마공급기(12)와 플렉시블 배관으로 연결되며, 파이프(P)의 재질에 따라 교환이 가능하도록 설치된다.
본 발명에 따르면 상기 파이프를 척킹유니트(32)로 고정하고 롤러유니트(35)로 지지하는 클램핑수단(30)이 구비된다. 클램핑수단(30)은 파이프를 정확한 자세로 긴밀하게 고정하여 회전시 요동이 최소화되도록 지지하는 수단이다. 척킹유니트(32)는 연동척을 사용하는 것이 좋으며 자성을 부가할 수도 있다. 롤러유니트(35)는 아암(36) 상에 롤러를 구비하여 파이프를 지지하는 것으로 조절축(38)에 의해 아암(36)의 회동이 가능하다. 이에 따라 중량이 큰 파이프를 롤러유니트(35)에 안착하고 승하강시켜 척킹유니트(32)에 로딩 또는 언로딩하거나 파이프의 가공중에 처짐을 방지하는 작동의 수행 가능하다.
또, 본 발명에 따르면 공구대(20)를 직선운동시키는 X축구동기(40)가 상기 베드프레임(10)과 공구대(20) 사이에 설치된다. 도 5에서 X축구동기(40)는 기어(46)와 서보모터(45)로 이루어진다. 공구대(20)의 하단에 설치되는 서보모터(45) 는 기어(46)를 개재하여 래크치차를 지닌 X축레일(15)과 맞물린다. 이에 따라 서보모터(45)의 작동에 의해 공구대(20)가 베드프레임(10) 상으로 직선운동한다. 상기 공구대(20)의 이동거리를 일정 범위로 제한하기 위하여 베드프레임(10) 상에 리미트스위치(48)가 설치된다.
또, 본 발명에 따르면 아암(22)을 개재하여 토치(25)와 연결되는 R축구동기(50)가 상기 공구대(20)의 일측에 회전 가능하게 설치된다. 도 6 및 도 7에서, 상기 R축구동기(50)는 아암(22)을 회전가능하게 지지하는 베어링(미도시)과 서보모터(55)로 이루어진다. 아암(22)의 회전으로 토치(25)가 파이프 외주면으로 선회운동 가능하고 설정된 다양한 경로로 절단이 수행된다.
또, 본 발명에 따르면 아암(22)을 개재하여 토치(25)와 연결되는 Z축구동기(60)가 상기 공구대(20)의 일측에 상하운동 가능하게 설치된다. 도 6 및 도 7에서, 토치(25)는 R축구동기(50)와 함께 Z축구동기(60)에 의하여 상하운동된다. 토치(25)의 선단은 Z축구동기(60)의 회전 중심을 기준선으로 상하운동한다. 이러한 Z축구동기(60)는 제1승강기구(62)와 제2승강기구(64)로 이루어진다.
이러한, 제1승강기구(62)는 공구대(20)에 설치되어 고속 이동 가능한 것으로 X축구동기(40)처럼 리니어모션용 레일, 서보모터(65), 기어(미도시)를 개재하여 연결된다. 제2승강기구(64)는 아암(22)의 중간에 연결되어 미세 이동 가능한 것으로 별도의 서보모터 및 기어(미도시)를 이용하여 연결된다. 다만 제2승강기구(64)는 행정거리가 작으므로 기어를 생략하는 구성도 가능하다. 이와 같이 Z축구동기(60)를 2단으로 구동하면 다양한 규격의 파이프 절단에 있어서 작업성이 향상된다.
한편, 아암(22)의 외단부에서 토치(25)에 인접하여 또 다른 미세 Z축 이동수단을 부가할 수도 있다. 이는 수동조작으로 토치(25)를 일시 상하운동하는 경우를 고려한 것으로 솔레노이드 또는 엑츄에이터로 구동하고, 대신에 서보모터로도 구동이 가능하다할 것이다.
또, 본 발명에 따르면 제어수단이 상기 X축구동기(40), R축구동기(50), Z축구동기(60)와 전기적으로 연결되고, 사용자의 입력모드에 대응한 설정된 신호를 출력하여 파이프 절단을 수행한다. 통상 배관용 파이프는 모관과 지관이 용접으로 연결되는 구조이므로 파이프는 곡선의 경로로 절단되어야 하고 이를 위해 토치(25)가 Z축구동기(60)의 2축을 포함하여 4축운동을 수행하고 여기에 척킹유니트(32)의 회전운동이 더해진다. 제어수단은 X축구동기(40), R축구동기(50), Z축구동기(60)에 설정된 시컨스에 따른 신호를 보낸다.
한편, X축구동기(40), R축구동기(50), Z축구동기(60) 및 척킹유니트(32)를 구동하는 각각의 서보모터는 위치 제어를 위한 엔코더를 내장한 방식을 사용하는 것이 좋다.
도 8은 본 발명에 의한 절단장치를 제어기와 연계하여 나타내는 구성도, 도 9는 본 발명에 의한 레이저센서를 확대하여 나타내는 구성도이다.
상기 제어수단은 모드선택부(72)와 미세조절부(74)를 탑재한 수동제어기(70)와 병행하여 마이컴제어부(82)와 원격통신부(86)를 탑재한 자동제어기(80)를 구비한다. 수동제어기(70)에서 모드선택부(72)는 모관과 지관의 연결 각도에 따른 파이프의 절단 경로를 미리 설정한 것이고, 미세조절부(74)는 절단 작동중에 X축구동 기(40), R축구동기(50), Z축구동기(60)와 척킹유니트(32)의 작동을 개별적으로 일시 연장한다. 자동제어기(80)는 마이컴제어부(82)를 구비하여 보다 다양한 모드로 절단 작업이 가능하고, 이 때문에 비록 비숙련자라고 할지라도 용이하게 작업할 수 있다. 마이컴제어부(82)는 모니터(84) 상으로 입력창을 표시하고 그래픽 인터페이스를 이용하여 사용자의 선택을 처리한다. 원격통신부(86)는 장치 운용상의 문제가 발생할 때 전문가의 온라인 원격제어가 가능하도록 한다.
또한, 본 발명은 레이저센서(76)로 파이프의 지지상태를 검출하여 이상 발생시 작동을 정지할 수 있다. 레이저센서(76)는 발신부(77)와 수신부(78)로 이루어지고 파이프(P) 표면상으로 광을 조사하여 자세의 이상을 감지한다. 클램핑수단(30)에 안착된 파이프의 자세가 정확하지 않으며 원하는 절단이 곤란할 뿐 아니라 회전 언밸런스에 의한 안전사고의 우려도 있다.
작동에 있어서, 작업자는 모관과 지관의 규격(치수, 연결각도 등)을 확인한 후 롤러유니트(35)를 이용하여 척킹유니트(32)에 고정하고, 자동제어기(80)의 모니터(84) 상으로 원하는 모드를 입력하고, X축구동기(40)와 Z축구동기(60)에 의해 토치(25)의 원점을 맞춘 다음 플라즈마공급기(12)를 작동하고 작업을 개시한다. 이에 따라 척킹유니트(32)에 의해 파이프가 정해진 속도로 회전하는 동안 X축구동기(40)와 Z축구동기(60)가 설정된 절단 경로를 추종하고 R축구동기(50)가 설정된 개선을 추종하며 절단이 완료된다.
만일 작업 중에 척킹유니트(32) 상의 파이프 요동이 심하거나 토치(25)가 절단 경로를 이탈하여 레이저센서(76)에서 이상이 감지되면 즉시 플라즈마공급기(12) 와 척킹유니트(32)를 정지시켜 작업이 중단되도록 한다. 수동제어기(70)는 토치(25)의 원점을 잡기 위한 용도로 활용될 수 있으며, 이외에 미숙련자의 교육용이나 자동제어기(80)의 에러시 비상용도로 활용도 가능하다.
이와 같이 종래의 경우 숙련된 작업자가 부재하면 작업의 진행이 불가능했지만 본 발명에서 일단 모든 데이터가 자동제어기(80)에 입력되면 비숙련자라도 간단한 컴퓨터 조작으로 정밀한 절단 작업이 가능하다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 의한 절단장치를 각각 정면과 평면과 측면에서 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 의한 절단장치의 롤러유니트를 나타내는 구성도,
도 5는 본 발명에 의한 절단장치의 X축구동기를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명에 의한 절단장치의 Z축구동기를 나타내는 구성도,
도 7은 본 발명에 의한 절단장치의 R축구동기를 나타내는 구성도,
도 8은 본 발명에 의한 절단장치를 제어기와 연계하여 나타내는 구성도,
도 9는 본 발명에 의한 레이저센서를 확대하여 나타내는 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *
10: 베드프레임 20: 공구대
22: 아암 25: 토치
30: 클램핑수단 32: 척킹유니트
35: 롤러유니트 40: X축구동기
45, 55, 65: 서보모터 50: R축구동기
60: Z축구동기 62: 제1승강기구
64: 제2승강기구 70: 수동제어기
76: 레이저센서 80: 자동제어기

Claims (3)

  1. 베드프레임(10) 상으로 공구대(20)를 이송하며 토치(25) 상으로 플라즈마를 분사하여 파이프를 원하는 형상으로 절단하는 장치에 있어서:
    상기 파이프를 척킹유니트(32)로 고정하고 롤러유니트(35)로 지지하는 클램핑수단(30);
    상기 베드프레임(10)과 공구대(20) 사이에 설치되고, 공구대(20)를 직선운동시키는 X축구동기(40);
    상기 공구대(20)의 일측에 회전 가능하게 설치되고, 아암(22)을 개재하여 토치(25)와 연결되는 R축구동기(50);
    상기 공구대(20)의 일측에 상하운동 가능하게 설치되고, 아암(22)을 개재하여 토치(25)와 연결하되, 고속 이동 가능한 제1승강기구(62)와, 아암(22)의 중간에 연결되어 미세 이동 가능한 제2승강기구(64)를 구비하는 Z축구동기(60); 및
    상기 X축구동기(40), R축구동기(50), Z축구동기(60)와 전기적으로 연결되고, 사용자의 입력모드에 대응한 설정된 신호를 출력하여 파이프 절단을 수행하되 모드선택부(72)와 미세조절부(74)를 탑재한 수동제어기(70)와 병행하여 마이컴제어부(82)와 원격통신부(86)를 탑재한 자동제어기(80)를 구비하고, 레이저센서(76)로 파이프의 지지상태를 검출하여 이상 발생시 작동을 정지하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 파이프 절단장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
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