KR101268918B1 - 파이프 플랜지 자동 용접 방법 및 장치 - Google Patents

파이프 플랜지 자동 용접 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터닝 롤러의 상부에 올려진 직관 파이프와 플랜지의 안쪽과 바깥쪽의 2곳의 필렛 용접을 하는 자동 용접 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 로봇 기본 구성품인 터치 센서를 활용하여 파이프 원주방향의 진원도, 갭 및 랩 길이 변동을 센싱하고, 용접 중 실시간으로 토치 위치 및 용접 조건을 적응 제어 가능하도록 구성된 파이프 플랜지의 자동 용접 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 UMPC, PDA, 노트북, 바코드 판독장치와 같은 무선 단말기를 이용하여 생산 도면에 표시된 바코드 레벨을 스캔하여 자재 정보를 획득하는 작업 정보 자동 입력 단계; 상기 획득된 자재 정보를 이용하여 설계와 연동된 자재 정보 시스템의 배관 설계 데이터베이스에 접속하여 로봇 작업을 위한 특정 정보를 추출하는 배관 정보 추출 단계; 상기 추출된 정보를 기초로 기하학적인 CAD 모델을 생성하고 충돌 회피 및 경로 최적화가 가능한 로봇 작업 프로그램을 생성하는 오프라인 프로그래밍 단계; 상기 기하학적인 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위해 용접 전 원주 방향을 따라 발생하는 진원도, 갭 및 등의 변동을 실측 센싱하고, 센싱한 값의 변동 값에 대해 최적 토치 위치와 최적 용접 조건을 계산 및 저장을 수행하는 부재 형상 센싱 단계; 상기 부재 형상 센싱 단계에 자동 저장된 최적값을 용접 중 실시간으로 로딩하여 최적 토치 위치 및 최적 용접 조건으로 자동 용접 작업 가능하도록 하는 적응 제어 용접 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

파이프 플랜지 자동 용접 방법 및 장치{Method and Apparatus for Automatically Welding Pipe and Flange}
본 발명은 터닝 롤러의 상부에 올려진 직관 파이프와 플랜지의 안쪽과 바깥쪽의 2곳의 필렛용접을 하는 자동용접 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 파이프와 플랜지를 자동 용접하기 위한 로봇 오프라인 프로그램을 생성하기 위하여 선박건조용 의장 자재 통합관리시스템에서 필요 설계 정보를 추출하여 기하학적인 CAD 모델과 로봇 작업 프로그램을 생성하고 상기 생성된 기하학적 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위하여 용접 전 원주방향을 따른 부재의 진원도, 갭 및 랩 길이 변동을 측정하여 용접 중 토치 위치 및 용접 조건을 최적으로 적응 제어가 가능하도록 구성된 파이프 플랜지 자동 용접 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박에 설치되는 배관 간의 연결은 배관의 끝단에 용접된 플랜지 간의 볼팅 체결로 이루어진다. 배관 제작 공장 내에서는 직관 파이프와 플랜지의 취부 용접 후 상기 직관 파이프와 플랜지의 연결부를 원주방향을 따라 용접하는데 상기 직관 파이프를 플랜지에 용접하기 위해서는 그 직관 파이프를 터닝 롤러에 올려놓은 후 상기 터닝 롤러를 서서히 회전시키면서 플랜지와 직관 파이프를 용접장치를 이용하여 자동용접하거나 수동으로 용접한다.
종래에는 터닝롤러 위에 놓여진 파이프는 원주 방향으로 회전하며 파이프 길이 방향으로 미끌림(슬립) 현상이 자주 발생하는데, 주로 플랜지 면에 붙은 변위계로 측정하고, 취부된 파이프와 플랜지의 원주방향을 따른 갭 변화의 센싱은 LV(Laser Vision) 및 LB(Laser Beam) 등의 센서로 측정하고, 파이프의 진원도 및 랩 길이 변동은 측정은 하지 않는다. 또한 LV 및 LB 센서를 이용한 센싱은 고가의 부대 설비, H/W(센서 정보용 PC, 센서 거치대 등) 등의 설치가 필요하고, 외경 변화 시 조사 높이 변화로 정확한 센싱이 어려운 문제가 있었으며, 안과 밖의 2곳 필렛부 중 플랜지의 바깥쪽 필렛부만 측정하고, 갭 변화에 대한 위치 보상 및 용접 조건 제어만 수행하는 문제가 있었다.
또한, 종래의 용접은 고품질 용접이 어렵고, 즉, 수동의 경우 작업자 기량에 따라 용접 품질 영향을 받으며, 자동의 경우 갭 대응만 가능하고, 진원도 및 랩 변동에 대응이 불가하며, 연속 용접이 불가하고, 과대한 복사열 및 작업 피로도로 연속 용접이 불가능하고, 작업 준비시간이 과다 소요되고, 즉, 작업을 위한 배관 정보 서칭 및 입력 시 시간 과다 소요되고, 조작반을 조작하여 용접 시작점으로 토치 이동하였고, 직교 로봇은 외경 반경에 대해 다양한 토치 각도 설정이 어려워 특정 직경의 파이프만 사용하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 자동용접에 있어서, 로봇 작업 프로그램을 생성하기 위하여 로봇 프로그래머는 특정 파이프와 플랜지 실물을 올려놓은 상태에서 로봇 조작반을 사용하여 로봇의 각 관절을 스텝 바이 스텝으로 움직이며 충돌이 발생하지 않는 로봇 이동 경로를 개별로 저장하며 작업 프로그램을 작성하였으나, 상기 확인 과정을 통한 작업 프로그램 작성은 많은 시간이 소요되었고 다양한 형상과 구경을 가지는 파이프와 플랜지의 모든 타입에 대한 작업 프로그램 생성은 현실적으로 불가능하였다. 또한 작업자의 판단에 의존한 수작업에 의하여 잘못된 작업 프로그램을 로딩하는 경우 로봇 이동 시 파이프나 플랜지와 로봇 바디가 충돌하여 장치의 파손이 발생하였고, 잘못된 용접 시작 위치에서 용접하여 용접 불량을 초래하였다.
또한 강판을 롤링한 상태에서 용접되어 제작된 파이프의 내부에는 잔류응력이 존재하여, 파이프를 원하는 길이로 절단하는 경우 파이프의 동심을 나타내는 진원이 나오지 않으며, 취부 과정에서 발생하는 원주 방향을 따른 갭의 변동으로 인하여 자동 용접 적용 시 고품질 용접을 구현하는데 한계가 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 로봇 기본 구성품인 터치 센서를 활용하여 파이프 원주방향의 진원도, 갭 및 랩 길이 변동을 센싱하고, 용접 중 실시간으로 토치 위치 및 용접 조건을 적응 제어가능하도록 구성된 파이프 플랜지의 자동 용접 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 플랜지의 자동 용접 방법은 UMPC, PDA, 노트북, 바코드 판독장치와 같은 무선 단말기를 이용하여 생산 도면에 표시된 바코드 레벨을 스캔하여 자재 정보를 획득하는 작업 정보 자동 입력 단계; 상기 획득된 자재 정보를 이용하여 설계와 연동된 자재 정보 시스템의 배관 설계 데이터베이스에 접속하여 로봇 작업을 위한 특정 정보를 추출하는 배관 정보 추출 단계; 상기 추출된 정보를 기초로 기하학적인 CAD 모델을 생성하고 충돌 회피 및 경로 최적화가 가능한 로봇 작업 프로그램을 생성하는 오프라인 프로그래밍 단계; 상기 기하학적인 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위해 용접 전 원주 방향을 따라 발생하는 진원도, 갭 및 랩의 변동을 실측 센싱하고, 센싱한 값의 변동 값에 대해 최적 토치 위치와 최적 용접 조건을 계산 및 저장을 수행하는 부재 형상 센싱 단계; 상기 부재 형상 센싱 단계에 자동 저장된 최적값을 용접 중 실시간으로 로딩하여 최적 토치 위치 및 최적 용접 조건으로 자동 용접 작업 가능하도록 하는 적응 제어 용접 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면 본 발명의 파이프 플랜지의 자동 용접 장치는 생산 도면에 자재 정보를 포함하고 있는 바코드 레벨; 상기 바코드 라벨로부터 자재 정보를 획득하기 위한 바코드 판독장치와 같은 무선 단말기; 상기 무선 단말기로 추출된 자재 정보를 포함하며 선박 건조를 위한 의장 자재 부품의 각각의 개별 정보를 가지며 설계와 연동된 자재정보시스템의 배관설계 데이터베이스; 상기 자재정보시스템의 배관설계 데이터베이스로부터 로봇 작업을 위한 필요 정보를 추출하고 추출된 정보를 근거로 기하학적인 CAD 모델을 생성하고 충돌 회피 및 경로 최적화가 가능하도록 로봇 작업 프로그램을 자동으로 생성하는 오프라인 프로그래밍 PC; 상기 오프라인 프로그래밍 PC에 의해 만들어진 로봇 작업 프로그램을 중앙 제어 PC로 전송하기 위한 메인 허브; 상기 오프라인 프로그래밍 PC에 의해 생성된 로봇 작업 프로그램을 실행시키는 로봇 제어기; 작업자가 그래픽 패널로 용접 시작 및 종료 명령을 입력하여 원주방향으로 파이프를 회전시키는 터닝 롤러; 상기 터닝 롤러를 구동시키는 PLC(Programmable Logic Controller); 상기 메인 허브와 접속되어 로봇 제어기 및 PLC를 제어하는 중앙 제어 PC; 상기 로봇 제어기에 접속되어 다양한 구경을 가진 파이프와 플랜지의 안쪽과 바깥쪽의 두 곳의 필렛 용접부에 대해 용접 시작점으로 이동 가능하며 원하는 용접 토치 각도의 구현이 가능한 용접 토치가 탑재된 6축 로봇; 상기 로봇 제어기에 연동되어 용접 시작 및 종료 신호를 보내고 용접전류 및 전압을 제어하는 로봇 용접기; 상기 로봇 제어기에 연동되어 기하학적 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위해 용접 전 원주 방향을 따라 발생하는 진원도, 갭 및 랩의 변동을 실측으로 센싱하기 위한 터치 센서; 및 상기 PLC와 접속되어 중앙 제어 PC로 파이프 회전 값을 보내어 파이프 회전 및 종료를 인식하는 회전 인식 엔코더를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파이프 플랜지의 자동 용접 장치는 상기 로봇 제어기는 상기 터치 센서로 측정된 진원도, 갭 및 랩의 등의 변동값을 자동 저장하고, 상기 중앙 제어 PC는 상기 로봇 제어기와 상기 메인 허브에 접속되어 상기 변동값에 대한 최적 토치 위치 및 최적 용접 조건을 자동으로 계산하여 저장하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 파이프와 플랜지의 안쪽과 바깥쪽의 2곳 필렛 용접부의 로봇 용접으로 인하여 진원도 및 갭, 랩 변동에 대응 가능하여 고품질, 고신뢰성의 용접이 가능하다. 또한, 수동용접과 달리 용접 로봇은 연속 용접이 가능하여 생산성 향상이 기대되며, 바코드 스캔만으로 로봇 오프라인 프로그램을 자동 생성하여 작업 준비시간의 단축이 가능하며, 6축 다관절 로봇을 적용을 통하여, 일반 5축 이하 직교 로봇이 구현하기 어려운 다양한 토치 각도의 설정 및 다양한 직경에 대한 용접 시작점의 이동이 가능하여 양호한 용접 품질의 확보가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 파이프 플랜지 자동용접 방법의 흐름도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 파이프 플랜지 자동용접 장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 설계와 연동된 자재정보시스템 내부 배관설계 데이터베이스에 있는 로봇 작업을 위한 필요 정보를 도시한다.
도 4는 오프라인 프로그래밍에 의해 생성된 기하학적 CAD 모델 생성 단계와 로봇 데이터 파일 생성 단계의 화면을 도시한 도면이다.
도 5는 OLP(Off Line Teaching Programming) 프로그램의 기하학적 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위한 부재 형상 센싱 과정을 도시한 도면으로서,
도 5a는 파이프 원주방향 측정위치에서 진원도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 파이프 원주방향 측정위치에서 갭을 설명하기 위한 도면이다.
도 5c는 파이프 원주방향 측정위치에서 랩 길이를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5에서의 측정값을 기초로 원주방향 진원도 / 갭 / 랩 변동에 대응한 토치 위치 및 용접 조건의 적응 제어 과정을 도시한 도면으로서,
도 6a는 원주방향 진원도 변동에 대응한 토치 위치 및 용접 조건의 적응 과정을 도시한다.
도 6b는 원주방향 갭 변동에 대응한 토치 위치 및 용접 조건의 적응 과정을 도시한다.
도 6c는 원주방향 랩 변동에 대응한 토치 위치 및 용접 조건의 적응 과정을 도시한다.
도 7은 정밀제어가 가능하도록 구성된 6축 로봇 시스템과 파이프를 원주방향으로 회전시키는 터닝 롤러의 설치 예시도이다.
이하 도면을 참조로 하여 본 발명의 일 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 파이프 플랜지 자동용접 방법의 흐름도를 나타낸다.
본 발명의 파이프 플랜지 자동용접 방법은 선박용 의장 자재 관리 시스템 및 파이프 플랜지 자동 용접 시스템에서 진행된다. 상기 선박용 의장 자재 관리 시스템에서는 설계 정보를 다루는데, 먼저 UMPC(Ultra Mobile PC), PDA(Personal Digital Assistant), 노트북, 바코드 판독 장치 등의 무선 단말기를 사용하여 바코드 라벨을 스캔하여 자재 정보를 획득하는 단계로서 작업 정보 자동 입력 단계(S10), 상기 획득된 자재 정보를 이용하여 설계와 연동된 자재 정보 시스템의 배관 설계 데이터베이스에 접속하여 로봇 작업을 위한 특정 정보를 추출하는 배관 정보 추출 단계(S20)를 포함하고, 이 단계에서는 오프라인 프로그래밍용 정보 추출 같은 배관 세부 정보를 추출한다. 이어서, 파이프 플랜지 자동 용접 시스템에서 생산이 이루어지는데, 상기 배관 정보 추출 단계에서 추출된 정보를 기초로 기하학적인 CAD 모델을 생성하고 즉, 기하학적 배관 모델을 생성하고, 충돌 회피 및 경로 최적화가 가능한 로봇 작업 프로그램을 생성하는 오프라인 프로그래밍 단계(S30)를 포함하는데, 상기 기하학적인 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위해 용접 전 원주 방향을 따라 발생하는 진원도, 갭 및 랩 등의 변동을 실측 센싱하고, 즉 용접 전 실제 모델을 센싱하고, 센싱한 값의 변동 값에 대해 최적 토치 위치와 최적 용접 조건을 계산 및 저장을 수행하는 부재 형상 센싱 단계를 포함하는데, 진원도 /갭/랩 변동 대응 보간값을 계산 및 저장한다(S40). 이어서 상기 부재 형상 센싱 단계에 자동 저장된 최적값을 용접 중 실시간으로 로딩하여 최적 토치 위치 및 최적 용접 조건으로 자동 용접 작업 가능하도록 하는 적응 제어 용접 단계(S50)를 포함한다. 이 적응 제어 용접 단계에서는 용접 중 실시간 보간값을 로딩하여 토치 위치 및 용접 조건 실시간 적응 제어하여 기하학적 모델과 실제 모델의 차이를 극복한다.
도 2는 본 발명의 파이프 플랜지 자동 용접 장치의 블록도를 도시한다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 파이프 플랜지 자동 용접 장치는 바코드 라벨(1), 무선 단말기(2), 자재정보 시스템의 배관설계 데이터베이스(3), 오프라인프로그래밍 PC(4), 중앙 제어 PC(5), 메인 허브(6), 로봇 제어기(7), PLC(Programmable Logic Controller;8), 6축 로봇(9), 로봇 용접기(10), 터치 센서(11), 그래픽 패널(12), 터닝 롤러(13) 및 회전 인식 엔코더(14)를 포함한다.
바코드 라벨(1)은 생산 도면에 자재 정보를 포함하고 있으며, 무선 단말기(2)는 상기 바코드 라벨(1)로부터 자재정보를 획득하기 위한 바코드 판독장치 등으로 된다. 자재정보 시스템의 배관설계 데이터베이스(3)는 상기 무선 단말기(2)로 추출된 자재 정보를 포함하며 선박건조를 위한 의장 자재 부품의 각각의 개별 정보를 가지며 설계와 연동되어 있다. 상기 오프라인 프로그래밍 PC(4)는 자재정보시스템의 배관설계 데이터베이스(3)로부터 로봇 작업을 위한 필요정보를 추출하고, 추출된 정보에 의하여 기하학적인 CAD 모델을 생성하고 충돌 회피 및 경로 최적화가 가능하도록 로봇 작업 프로그램을 자동으로 생성한다. 메인 허브(6)는 상기 오프라인 프로그래밍 PC(4)에 의해 만들어진 로봇 작업 프로그램을 중앙 제어 PC(5)로 전송한다. 중앙 제어 PC(5)는 상기 메인 허브(6)와 접속되어 로봇 제어기(7) 및 PLC(8)를 제어한다. 로봇 제어기(7)는 상기 오프라인 프로그래밍 PC(4)에 의해 생성된 로봇 프로그램을 실행시킨다. 상기 6축 로봇(9)은 상기 로봇 제어기(7)에 접속되어 다양한 구경을 가진 파이프와 플랜지의 안쪽과 바깥쪽의 2곳의 필렛 용접부에 대해 용접 시작점으로 이동 가능하며 원하는 용접 토치 각도의 구현이 가능한 용접 토치가 탑재되어 있다. 로봇 용접기(10)는 상기 로봇 제어기(7)에 연동되어 용접 시작 및 종료 신호를 보내고 용접 전류 및 전압을 제어한다. 또한 터치 센서(11)는 상기 로봇 제어기(7)에 연동되어 기하학적 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위해 용접 전 원주 방향을 따라 발생하는 진원도, 갭 및 랩 등의 변동을 실측으로 센싱한다. 상기 로봇 제어기(7)는 또한 상기 터치 센서(11)로 측정된 진원도, 갭 및 랩의 변동값을 자동 저장한다. 상기 중앙 제어 PC(5)는 또한 로봇 제어기(7)와 메인 허브(6)에 접속되어 상기 랩의 변동값에 대한 최적 토치 위치 및 최적 용접 조건을 자동으로 계산하여 저장한다. 터닝 롤러(13)는 작업자가 그래픽 패널(12)로 용접 시작 및 종료 명령을 입력하여 원주방향으로 파이프를 회전시킨다. PLC(8)는 상기 중앙 제어 PC(5)와 접속되어 상기 터닝 롤러(13)를 구동시킨다. 회전 인식 엔코더(14)는 상기 PLC(8)과 접속되어 중앙 제어 PC(5)로 파이프 회전값을 보내어 파이프 회전 및 종료를 인식한다.
도 3은 설계와 연동된 자재정보시스템 내부 배관설계 데이터베이스에 있는 로봇 작업을 위한 필요 정보를 도시한다.
도 3의 배관 설계 데이터베이스는 DNC WORK, DNC WORK HISTORY, WELD JOB, PIPE, FLANGE 및 SLEEVE로 구성된다.
*DNC WORK는 작업정보 DB로서 작업해야 할 PIPE 입고 시 바코드 스캔을 통해 입력된 PIPE_PCE_NO로 DNC WORK DB, WELD JOB DB의 로봇 작업 정보를 검색해 로봇 작업 프로그램을 생성한다. DNC WORK의 항목은 다음과 같다.
PIPE_PCE_NO : 파이프의 자재 번호
LINE_NO : 작업장 번호 ex) ALINE, BLINE
NO_FITT_PART : 해당 파이프에 취부되는 소부재 개수
WELD_PLN_DATE : 작업 착수 예정일
*DNC WORK HISTORY는 작업정보 HISTORY DB로서 작업완료 후에 DNC WORK HISTORY DB에 기록해 실적을 집계할 경우 사용한다. DNC WORK HISTORY의 항목은 다음과 같다.
PIPE_PCE_NO : 파이프의 자재 번호
LINE_NO : 작업장 번호 ex) ALINE, BLINE
NO_FITT_PART : 해당 파이프에 취부되는 소부재 개수
NO_JOB : 로봇 작업 프로그램 개수
WELD_APP_DATE : 작업 착수일
WELD_APP_TIME : 작업 착수 시작
*WELD JOB : 로봇 작업정보 DB로서 작업해야 할 PIPE 입고 후 PIPE_PCE_NO로 용접에 필요한 작업 정보를 검색해 로봇 작업 프로그램을 생성한다. WELD JOB 항목은 다음과 같다.
COMP1_TYPE : 소부재 1번 타입 ex) PIPE, FLG, SLV etc…
COMP1_MAT_CODE : 소부재 1번 자재코드 (PIPE, FLANGE, SLEEVE DB의 PIPE_MAT_CODE, FLG_MAT_CODE, SLV_MAT_CODE 등과 연동)
WELD_TYPE : 용접 TYPE ex) 2F, 1G, 2G etc…
COMP1_FITT_DIST : 소부재 1번 취부 거리 (PIPE 기준 취부 거리)
COMP1_FITT_ANGLE : 소부재 1번 취부 각도
*PIPE : PIPE 정보 DB
*FLANGE : FLANGE 정보 DB
*SEEVE : SLEEVE 정보 DB
PIPE, FLANGE, SLEEVE DB의 경우 기존 SAP에 연동되어 기구축되어 있다.
도 4는 오프라인 프로그래밍에 의해 생성된 기하학적 CAD 모델 생성 단계와 로봇 데이터 파일 생성 단계의 화면을 도시한 도면이다.
도 5는 OLP(Off Line Teaching Programming) 프로그램의 기하학적 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위한 부재 형상 센싱 과정을 도시한 도면으로서,
도 5a는 파이프 원주방향 측정위치에서 진원도를 설명하기 위한 도면이다.
용접 전 터닝롤러(13)를 1/n 바퀴 회전하며 터치 센싱을 수행하여 파이프(51)의 진원도를 측정하고, 상기 측정값을 보간하여 파이프 원주방향에 따른 진원도 변동을 저장하는데, 원주방향 진원도 측정을 위해 n값은 "4"이상 설정이 필요하다. 도면에서 도면 부호 9는 6축 로봇이다.
터치 센싱 위치
 터치 센싱 측정값
X Y Z
0시 750 750 1000
3시 750 750 900
6시 750 750 1000
9시 750 750 900
도 5a의 그래프 및 표 1로부터 터치 센싱 위치 0시에서 3시 그리고 6시에서 9시의 사이에 Z좌표를 보면 1000mm에서 990mm로 10mm의 편차가 있음을 알 수 있다.
도 5b는 파이프 원주방향 측정위치에서 갭을 설명하기 위한 도면이다.
파이프 진원도 오차 및 용접 취부 오차로 인해 파이프 원주방향으로 갭이 다르게 분포한다.
용접 전 터닝 롤러를 1/n 바퀴 회전하며 터치 센싱을 수행하여 파이프와 플랜지의 갭을 측정하고 상기 측정 값을 보간하여 파이프(51)와 플랜지(52)의 원주방향을 따른 갭 변동을 저장하는데, 원주방향 갭 변동 측정을 위해 n은 "4"이상 설정이 필요하다.
터치 센싱은 도면에서 1번 위치 및 2번 위치로 임의의 위치에서 2번 터치센싱을 수행한다. 터치센싱 Z값을 저장하고 CAD I/F(인터페이스) 생성시 추출된 특정 정보를 조합하여 갭을 계산한다.
갭(Gap) = 터치센싱 1번 위치 Z값 - 터치센싱 2번 위치 Z값 - (DFO-DF1)/2
위의 식에서, DFO : 플랜지 외경, DF1 : 플랜지 내경이다.
터치 센싱
위치
 터치 센싱 측정 값
Gap(mm)
1번 위치 Z값 2번 위치
Z값		 DFO DF1 (DFO-DF1)/2
0시 1155 1000 800 500 150 5.0
3시 1142.5 990 800 500 150 2.5
6시 1150 1000 800 500 150 0.0
9시 1142.5 990 800 500 150 2.5
표 2로부터 0시에서 3시 그리고 6시에서 9시 사이에 2.5mm의 갭이 있는 것을 알 수 있다.
도 5c는 파이프 원주방향 측정위치에서 랩 길이를 설명하기 위한 도면이다.
파이프(51)와 플랜(52)지가 직각으로 취부되지 않아 파이프 원주방향으로 랩(Lap) 길이의 변동이 발생한다.
용접 전 터닝롤러를 1/n 바퀴 회전하며 터치센싱을 수행하여 파이프와 플랜지의 랩을 측정하고, 상기 측정값을 보간하여 파이프와 플랜지의 원주방향을 따른 랩 변동을 저장하는데, 원주방향 랩 변동 측정을 위해 n값은 "4"이상 설정이 필요하다. 터치 센싱은 3번 위치 및 4번 위치로 임의의 위치에서 2번 터치센싱을 수행한다. 터치센싱 Y값을 저장하고 CAD I/F 생성 시 추출된 특정 정보를 조합하여 랩 길이를 계산한다.
랩(Lap) = 터치센싱 4번위치 값 - 터치 센싱 3번 위치값
터치 센싱 위치
 터치 센싱 측정값 Lap(mm)
4번 위치 Y 값 3번 위치 Y 값
0시 500 487 13.0
3시 500 485 15.0
6시 500 487 13.0
9시 500 485 15.0
위의 표 3 및 도 5c의 그래프로부터 0시에서 3시 그리고 6시에서 9시 사이에 2mm의 랩 길이 차이가 있는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 5에서의 측정값을 기초로 원주방향 진원도 / 갭 / 랩 변동에 대응한 토치 위치 및 용접 조건의 적응 제어 과정을 도시하는데,
도 6a는 원주방향 진원도 변동에 대응한 토치 위치 및 용접 조건의 적응 과정을 도시한다.
상기 도 5a에서 측정된 진원도 값을 가지고 로봇의 Z 방향 움직임을 보상하며 용접을 수행한다. 진원의 변동에 대응하여 로봇의 Z방향이 움직이며 보상하므로 모재 표면과 와이어 끝단의 거리가 항상 일정하게 유지되어 정확한 용접 타점을 유지하므로 고품질 용접이 가능하게 된다.
즉, 도 6a로부터 알 수 있는 바와 같이, 3시와 9시에서 0시와의 편차 10mm에 대해 -10mm를 보상하며 용접을 수행한다.
도 6b는 원주방향 갭 변동에 대응한 토치 위치 및 용접 조건의 적응 과정을 도시한다.
도 5b에서 측정된 갭을 가지고 용접 중 전류, 전압, 용접속도(파이프 회전속도)를 보상하며 용접을 수행한다. 갭 변동에 대응하여 용접조건(전류, 전압, 회전속도)을 조절하여 갭에 의한 용접 면적의 변화에 대응하므로 항상 일정한 각장과 각목이 형성된다. 즉, 도 6b의 전류, 전압 및 파이프 회전속도 그래프에 따라 전류, 전압 및 파이프 회전속도를 보상하며 용접을 수행한다.
도 6c는 원주방향 랩 변동에 대응한 토치 위치 및 용접 조건의 적응 과정을 도시한다.
도 5c에서 측정된 갭을 가지고 용접 중 타점의 변경 및 전류, 전압 용접속도(파이프 회전속도)를 보상하며 용접을 수행한다. 랩 변동에 대응하여 용접 타점 용접 조건(전류, 전압, 회전속도)을 조절하여 랩에 의한 용접 타점을 일정하고 유지하고, 용접 면적의 변화에 대응가능하므로 항상 일정한 각장과 각목이 형성된다. 랩에 상관없이 Y 방향으로의 모재 면과 와어이 끝단의 거리를 일정하게 유지하여 정확한 용접 타점을 유지하고 그로 인해 고품질 용접이 가능하게 된다. 즉, 도 6c의 용접 타점, 전류, 전압 및 회전속도의 그래프에 따라 용접 타점, 전류, 전압 및 회전속도를 보상하며 용접을 수행한다.
도 7은 정밀제어가 가능하도록 구성된 6축 로봇 시스템과 파이프를 원주방향으로 회전시키는 터닝 롤러의 설치 예시도이다.
도면에서 13은 파이프(51)를 사이에 두고 원주방향으로 회전시킨다. 6축 로봇 시스템(9)은 용접 중 실시간으로 토치 위치 및 용접 조건을 정밀제어한다.
본 발명에 의하면 파이프와 플랜지의 안쪽과 바깥쪽의 2곳 필렛 용접부의 로봇 용접으로 인하여 진원도 및 갭, 랩 변동에 대응 가능하여 고품질, 고신뢰성의 용접이 가능하다. 또한, 수동용접과 달리 용접 로봇은 연속 용접이 가능하여 생산성 향상이 기대되며, 바코드 스캔만으로 로봇 오프라인 프로그램을 자동생성하여 작업 준비시간의 단축이 가능하며, 6축 다관절 로봇을 적용을 통하여, 일반 5축 이하 직교 로봇이 구현하기 어려운 다양한 토치 각도의 설정 및 다양한 직경에 대한 용접 시작점의 이동이 가능하여 양호한 용접 품질의 확보가 가능한 효과가 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조로 하여 기술하였으나, 본 발명은 이 실시예로 한정되지 않으며, 이하의 부속 청구범위의 사상 및 영역을 일탈하지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 여러 가지로 수정 및 변형실시될 수 있으며, 따라서 이와 같은 수정 및 변형을 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 바코드 라벨 2: 무선 단말기
3: 자재정보 시스템 4: 오프라인 프로그래밍 PC
5: 중앙 제어 PC 6: 메인 허브
7: 로봇 제어기 8: PLC
9: 6축 로봇 10: 로봇 용접기
11: 터치 센서 12: 그래픽 패널
13: 터닝 롤러 14: 회전 인식 엔코더
51: 파이프 52: 플랜지

Claims (9)

  1. UMPC, PDA, 노트북, 바코드 판독장치와 같은 무선 단말기를 이용하여 생산 도면에 표시된 바코드 레벨을 스캔하여 자재 정보를 획득하는 작업 정보 자동 입력 단계;
    상기 획득된 자재 정보를 이용하여 설계와 연동된 자재 정보 시스템의 배관 설계 데이터베이스에 접속하여 로봇 작업을 위한 특정 정보를 추출하는 배관 정보 추출 단계;
    상기 추출된 정보를 기초로 기하학적인 CAD 모델을 생성하고 충돌 회피 및 경로 최적화가 가능한 로봇 작업 프로그램을 생성하는 오프라인 프로그래밍 단계;
    상기 기하학적인 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위해 용접 전 원주 방향을 따라 발생하는 진원도, 갭 및 랩의 변동을 실측 센싱하고, 센싱한 값의 변동 값에 대해 최적 토치 위치와 최적 용접 조건을 계산 및 저장을 수행하는 부재 형상 센싱 단계; 및
    상기 부재 형상 센싱 단계에 자동 저장된 최적값을 용접 중 실시간으로 로딩하여 최적 토치 위치 및 최적 용접 조건으로 자동 용접 작업 가능하도록 하는 적응 제어 용접 단계를 포함하고,
    상기 센싱은 n번 터치 센싱을 수행하고, n은 4이고,
    상기 갭은, 갭(Gap) = 터치센싱 n-3 번째 위치 Z값 - 터치 센싱 n-2 번째 위치 Z값 - (DFO-DF1)/2으로 되고, 여기서, DFO : 플랜지 외경, DF1 : 플랜지 내경이고, 상기 랩은, 랩(Lap) = 터치센싱 n-1 번째 위치 Y값 - 터치 센싱 n-0 번째 위치 Y값인 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 자동 용접 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부재 형상 센싱 단계는 용접 전 터닝롤러를 1/n 바퀴 회전하며 터치 센싱을 수행하여 파이프의 진원도를 측정하고 측정값을 보간하여 파이프의 원주방향을 따른 진원도 변동을 저장하는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 자동 용접 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 부재 형상 센싱 단계는 용접 전 터닝롤러를 1/n 바퀴 회전하며 터치 센싱을 수행하여 파이프와 플랜지의 갭을 측정하고 이 측정된 값을 보간하여 파이프와 플랜지의 원주방향을 따른 갭 변동을 저장하는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 자동 용접 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 부재 형상 센싱 단계는 용접 전 터닝롤러를 1/n 바퀴 회전하며 파이프와 플랜지의 랩을 측정하고 이 측정된 값을 보간하여 파이프와 플랜지의 원주방향을 따른 랩 변동을 저장하는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 자동 용접 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    측정된 진원도 값을 가지고 로봇의 Z방향 움직임을 보상하여 용접을 수행하는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 자동 용접 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 측정된 갭을 가지고 용접 중 전류, 전압, 용접속도(파이프 회전속도)를 보상하며 용접을 수행하는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 자동 용접 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 측정된 랩을 가지고 용접 중 용접 타점의 변경 및 전류, 전압, 용접 속도(파이프 회전속도)를 보상하며 용접을 수행하는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 자동 용접 방법.
  8. 생산 도면에 자재 정보를 포함하고 있는 바코드 레벨;
    상기 바코드 라벨로부터 자재 정보를 획득하기 위한 바코드 판독장치와 같은 무선 단말기;
    상기 무선 단말기로 추출된 자재 정보를 포함하며 선박 건조를 위한 의장 자재 부품의 각각의 개별 정보를 가지며 설계와 연동된 자재정보시스템의 배관설계 데이터베이스;
    상기 자재정보시스템의 배관설계 데이터베이스로부터 로봇 작업을 위한 필요 정보를 추출하고 추출된 정보를 근거로 기하학적인 CAD 모델을 생성하고 충돌 회피 및 경로 최적화가 가능하도록 로봇 작업 프로그램을 자동으로 생성하는 오프라인 프로그래밍 PC;
    상기 오프라인 프로그래밍 PC에 의해 만들어진 로봇 작업 프로그램을 중앙 제어 PC로 전송하기 위한 메인 허브;
    상기 오프라인 프로그래밍 PC에 의해 생성된 로봇 작업 프로그램을 실행시키는 로봇 제어기;
    작업자가 그래픽 패널로 용접 시작 및 종료 명령을 입력하여 원주방향으로 파이프를 회전시키는 터닝 롤러;
    상기 터닝 롤러를 구동시키는 PLC(Programmable Logic Controller);
    상기 메인 허브와 접속되어 로봇 제어기 및 PLC를 제어하는 중앙 제어 PC;
    상기 로봇 제어기에 접속되어 다양한 구경을 가진 파이프와 플랜지의 안쪽과 바깥쪽의 두 곳의 필렛 용접부에 대해 용접 시작점으로 이동가능하며 원하는 용접 토치 각도의 구현이 가능한 용접 토치가 탑재된 6축 로봇;
    상기 로봇 제어기에 연동되어 용접시작 및 종료 신호를 보내고 용접전류 및 전압을 제어하는 로봇 용접기;
    상기 로봇 제어기에 연동되어 기하학적 CAD 모델과 실제 모델의 불일치를 극복하기 위해 용접 전 원주 방향을 따라 발생하는 진원도, 갭 및 랩의 변동을 실측으로 센싱하기 위한 터치 센서; 및
    상기 PLC와 접속되어 중앙 제어 PC로 파이프 회전 값을 보내어 파이프 회전 및 종료를 인식하는 회전 인식 엔코더를 포함하고,
    상기 터치 센서는 n번 터치 센싱을 수행하고, n은 4이고,
    상기 갭은, 갭(Gap) = 터치센싱 n-3 번째 위치 Z값 - 터치 센싱 n-2 번째 위치 Z값 - (DFO-DF1)/2으로 되고, 여기서, DFO : 플랜지 외경, DF1 : 플랜지 내경이고,상기 랩은, 랩(Lap) = 터치센싱 n-1 번째 위치 Y값 - 터치 센싱 n-0 번째 위치 Y값인 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 자동 용접 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 로봇 제어기는 상기 터치 센서로 측정된 진원도, 갭 및 랩의 등의 변동값을 자동 저장하고, 상기 중앙 제어 PC는 상기 로봇 제어기와 상기 메인 허브에 접속되어 상기 변동값에 대한 최적 토치 위치 및 최적 용접 조건을 자동으로 계산하여 저장하는 것을 특징으로 하는 파이프 플랜지의 자동 용접 장치
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