KR101287930B1 - 용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접시 형성되는 융착부위의 비드를 균일하게 그라인딩하는 작업을 용접 비드의 각도 인식과 그라인더의 제어를 통해 자동화하게 되는 용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 피용접물의 용접부에 형성된 용접 비드를 그라인딩하는 그라인더와, 이 그라인더를 상기 용접부를 따라 이동시키는 구동부와, 상기 용접 비드에 대한 이미지를 촬영하는 이미지 촬영부와, 용접 비드의 형성 각도와 위치를 측정함과 아울러 그라인더와 용접 비드 간의 거리를 측정하는 초음파 센싱부와, 상기 이미지 촬영부가 촬영한 이미지와 초음파 센싱부의 측정 정보를 디스플레이하는 디스플레이부와, 이 디스플레이부에 디스플레이된 정보를 바탕으로 상기 용접 비드에 대한 최적의 그라인딩 조건을 입력하게 되는 외부 입력부와, 용접 비드에 대한 이미지와 형성 각도 및 거리 정보를 획득하기 위해 상기 이미지 촬영부와 초음파 센싱부를 제어함과 아울러 획득된 정보가 디스플레이되도록 상기 디스플레이부를 제어하며 외부 입력부를 통해 입력된 최적의 그라인딩 조건에 따라 상기 용접 비드에 대한 그라인딩이 이루어지도록 그라인더와 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 장치를 제공한다.

Description

용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 장치{Automatic grinding system for welding beads}

본 발명은 용접부의 사상작업을 하기 위한 장치에 관한 것으로서, 특히 용접시 형성되는 융착부위의 비드를 균일하게 그라인딩하는 작업을 용접 비드의 각도 인식과 그라인더의 제어를 통해 자동화하게 되는 용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 장치에 관한 것이다.

용접은 자동차, 선박, 기계 등의 산업 분야에서 금속재료를 접합하는 데에 사용되는 가장 대표적인 방법으로서, 같은 종류 또는 다른 종류의 금속재료에 열과 압력을 가하여 피용접물 사이에 직접 결합이 이루어지도록 하는 접합 방법이다.

가장 일반적인 용접법으로는 모재와 피복용접봉 사이에 전압을 걸어서 이때 발생하는 아크의 열로 용접을 하는 아크 용접법이 있으며, 이는 피복금속아크용접·서브머지드아크용접·비활성기체용접 등으로 세분된다.

또, 가스의 연소열로 용접부의 금속을 녹이는 용접법으로서 산소-아세틸렌 용접과 같은 가스 용접법, 접합부에 큰 전류를 단시간에 흘려보내어 접촉부의 저항발열에 의해 이 부분을 국부적으로 녹여서 용접하는 점용접·프로젝션용접·초음파용접·마찰용접과 같은 가스 용접법, 그리고 최근에 용접기술이 급속도로 발전하면서 새롭게 등장한 용접법으로서 전자빔용접·레이저용접과 같은 고에너지 밀도 용접법인 특수 용접법 등이 있다.

이러한 용접법의 적용시 피용접부의 용착 부분에는 띠모양으로 볼록하게 용접 비드(welding beads)가 형성되는데, 용접봉의 운용 방법(운봉법)에 따라 C자형 또는 톱니형의 연속된 비드가 형성되며, 운봉의 폭에 따라 용접 비드의 폭도 결정이 된다.

용접 비드의 올바른 형성은 용접부의 용접 강도와 미관상 매우 중요한데, 용접 비드가 불균일하거나 잔류 용접 비드가 존재할 경우 용접부의 용접 강도에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 외관상으로도 미관을 해치게 된다.

따라서, 용접 작업을 마친 후에는 용접 비드를 그라인더로 연마하는 사상 작업을 하게 되는데, 종래에는 단순히 작업자가 그라인더를 이용하여 수작업으로 수행하여 왔다. 그러나, 수작업은 작업자의 숙련도에 따라 작업의 완성도가 좌우되기 때문에, 숙련된 인력이 부족한 상황에서 작업자를 확보하기가 곤란하고, 초보자의 경우에는 오랜 시간 동안의 경험이 누적되어야 하는 어려움이 있다.

이에, 그라인딩 작업을 자동화하기 위한 연구 개발이 이루어져, 최근에는 특허문헌 1에 공개된 것과 같은 용접 비드면의 사상 작업을 위한 사상로봇이 제안되었으며, 이는 비특허문헌 1의 『취부용 피스(piece) 제거 및 사상 작업 자동화장비 개발에 관한 연구』로도 발표된 바 있다.

[특허문헌 1] 대한민국 공개특허 제10-2010-0006244호(명칭 : 용접비드면 사상작업을 위한 사상로봇, 출원인 : 에스티엑스조선해양 주식회사)

[비특허문헌 1] 대한조선학회 특별논문집 2008년 9월(논문제목 : 취부용 피스(piece)제거 및 사상 작업 자동화장비 개발에 관한 연구, 저자 : 노효원, 김기정, 임래수, 김호경, (주)STX조선)

종래의 수작업에 의한 용접 비드의 그라인딩은 작업의 효율성이 떨어질 뿐만 아니라 높은 숙련성이 요구되며, 오랜 시간 반복 작업으로 인해 불량률이 높아지는 문제가 있다.

또한, 상기 특허문헌 1 및 비특허문헌 1에 공개되어 있는 사상 로봇(그라인딩 로봇)은 작업자가 그라인더를 사용하지 않고 용접부를 따라 조향 및 주행이 가능한 로봇이 그라인딩 작업을 수행하는 점에서는 발전적인 기술이라 할 수 있지만, 작업면에 대한 그라인딩 툴의 각도를 운용자가 눈으로 직접 확인하고 제어하여야 하는 불편함이 따르는 문제가 있다.

본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 개발된 것으로서, 그 목적은, 수작업에 의한 용접 비드의 그라인딩시 발생하는 작업 효율성의 저하와 불량률의 문제점을 해소함과 아울러, 기존 사상 로봇 사용시 그라인딩 툴의 각도를 운용자가 일일이 제어하여야 하는 불편함을 개선하게 되는 용접 비드의 각도 인식에 의한 용접 비드의 자동 그라인딩 장치를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 피용접물의 용접부에 형성된 용접 비드를 그라인딩하는 그라인더와, 이 그라인더를 상기 용접부를 따라 이동시키는 구동부와, 상기 용접 비드에 대한 이미지를 촬영하는 이미지 촬영부와, 용접 비드의 형성 각도와 위치를 측정함과 아울러 그라인더와 용접 비드 간의 거리를 측정하는 초음파 센싱부와, 상기 이미지 촬영부가 촬영한 이미지와 초음파 센싱부의 측정 정보를 디스플레이하는 디스플레이부와, 이 디스플레이부에 디스플레이된 정보를 바탕으로 상기 용접 비드에 대한 최적의 그라인딩 조건을 입력하게 되는 외부 입력부와, 용접 비드에 대한 이미지와 형성 각도 및 거리 정보를 획득하기 위해 상기 이미지 촬영부와 초음파 센싱부를 제어함과 아울러 획득된 정보가 디스플레이되도록 상기 디스플레이부를 제어하며 외부 입력부를 통해 입력된 최적의 그라인딩 조건에 따라 상기 용접 비드에 대한 그라인딩이 이루어지도록 그라인더와 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 장치를 제공한다.

상기 구성에 있어서, 상기 그라인더와 상기 구동부 및 상기 이미지 촬영부와 상기 초음파 센싱부는 제1모듈에 탑재되고, 상기 제어부와 상기 디스플레이부 및 상기 외부 입력부는 제1모듈로부터 원격된 위치의 제2모듈에 탑재된 구성으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 구성에 있어서, 상기 제1모듈은 상기 제2모듈의 제어부 측과 유선 또는 무선 접속될 수 있다.

한편, 본 발명은, 그라인더로 그라인딩하고자 하는 용접부의 용접 비드에 대한 이미지를 촬영하는 제1단계와, 용접 비드의 위치와 형성 각도를 측정함과 아울러 그라인더와 용접 비드 간의 거리를 측정하는 제2단계와, 용접 비드에 대한 이미지와 상기 제2단계의 측정 데이터를 디스플레이부에 디스플레이하는 제3단계와, 상기 디스플레이된 정보를 바탕으로 용접 비드에 대한 최적의 그라인딩 조건을 설정하는 제4단계와, 그라인더를 작동시켜 상기 설정된 최적의 그라인딩 조건에 따라 용접 비드에 대한 그라인딩을 수행하는 제5단계를 포함하여 이루어진 용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 방법을 제공한다.

위와 같이 구성된 본 발명은, 수작업에 의한 용접 비드의 그라인딩시 발생하는 작업 효율성의 저하와 불량률의 문제점을 해소하게 되고, 기존 사상 로봇 사용시 그라인딩 툴의 각도를 운용자가 일일이 제어하여야 하는 불편함을 개선하게 된다. 따라서, 본 발명은 용접 비드에 대한 그라인딩 작업의 효율성과 편리성을 향상시키고, 그라인딩 작업의 불량률을 낮추게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 작업자의 숙련도를 요구할 필요 없이 용접부의 용접 비드를 균일하고 일정한 압력을 유지하면서 그라인딩할 수 있기 때문에, 용접 강도와 미관을 향상시킬 수 있으며, 숙련공 고용에 따른 비용과 시간을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동 그라인딩 장치의 실시예를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 실제 제작된 본 발명의 자동 그라인딩 장치를 예시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 정면도이다.
도 4는 용접부의 폭에 맞추어 도 2의 장치에서 수평 이동 수단이 신장된 상태를 나타낸 정면도이다.
도 5는 용접부의 높이에 맞추어 도 2의 장치에서 수직 이동 수단이 상승 작동한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 6은 용접부의 각도에 맞추어 도 2의 장치에서 각도 조절 수단이 틸팅 작동한 상태를 나타낸 정면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 자동 그라인딩 방법의 공정 순서도를 예시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 자동 그라인딩 장치의 실시예를 나타낸 블럭도이고, 도 2는 실제 제작된 본 발명의 자동 그라인딩 장치를 예시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 정면도로서, 그 구성은 다음과 같이 이루어진다.

먼저, 피용접물을 용접함에 따라 형성된 용접부(W)에 대해 사상 작업을 수행하기 위하여 용접부의 용접 비드(B)를 그라인딩하는 그라인더(10)가 구비된다. 그라인더(10)는 제1모터(11)에 의해 회전 구동되는 그라인딩 툴(12)과, 용접부(W)에 대한 그라인딩 툴(12)의 수평 방향 이동을 수행하기 위한 유압 실린더 장치 또는 볼 스크류 장치와 같은 수평 이동 수단(13)과, 용접부에 대한 그라인딩 툴(12)의 수직 방향 이동을 수행하기 위한 유압 실린더 장치 또는 볼 스크류 장치와 같은 수직 이동 수단(14), 그리고 용접 비드(B)를 상대로 그라인딩 툴(12)의 경사 각도를 조절하기 위한 각도 조절 수단(15)을 구비하고 있다. 이들 수평 이동 수단(13)과 수직 이동 수단(14) 및 각도 조절 수단(15)은 각각 제2모터(16), 제3모터(17), 제4모터(18)에 의해 구동이 된다.

다음으로, 상기 그라인더(10)는 용접부(W)를 따라 이동하여야 하는 것이 필수적인데, 이를 위해 구동부(20)가 구비된다. 이 구동부(20)는 제5모터(21)에 의해 회전 작동하는 구동륜(22)을 구비함으로써, 용접부(W)를 따라 그라인더(10)를 직선 운동시키게 된다.

그리고, 용접 비드(B)에 대한 '그라인딩 전 이미지'를 스캔하는 이미지 촬영부(30)가 구비되는데, 이 이미지 촬영부(30)는 영상 촬영 장비인 CCD 카메라가 사용될 수 있다. 이미지 촬영부(30)의 해상도는 촬영된 이미지의 판독에 문제가 없도록 640×480 이상이 바람직하다. 이미지 촬영부(30)에 의해 촬영된 용접 비드(B)의 그라인딩 전 이미지는 자체 저장이 이루어진다.

또, 상기 용접 비드(B)가 어떠한 각도로 형성되어 있는지를 감지함과 아울러 그라인더(10)(구체적으로는 그라인딩 툴(12))와 용접 비드(B) 간의 거리를 감지하는 초음파 센싱부(40)가 구비된다. 이 초음파 센싱부(40)는 초음파 송신부와 초음파 수신부를 가진 통상적인 초음파 센서로서, 초음파 송신부를 통해 용접 비드(B)를 향하여 초음파 펄스를 발신하고, 초음파 수신부로의 초음파 펄스 신호의 도착 시간에 따라 용접 비드(B)와 그라인딩 툴(12) 사이의 거리값을 측정함으로써 용접 비드(B)의 형성 각도와 위치 및 거리를 검출하게 된다. 이렇게 검출된 용접 비드(B)의 각도와 위치 및 거리는 그라인더(10)가 용접 비드(B)를 그라인딩하기 위한 기초 데이터가 된다.

다음으로, 상기 이미지 촬영부(30)가 촬영한 용접 비드(B)에 대한 이미지와 더불어 상기 초음파 센싱부(40)가 감지한 용접 비드(B)의 형성 각도와 위치 및 거리에 대한 정보를 작업자가 시각적으로 확인할 수 있도록 하기 위한 디스플레이부(50)가 구비된다.

그리고, 위와 같이 디스플레이부(50)에 디스플레이된 용접 비드(B)의 이미지와 형성 각도, 위치 및 거리 정보를 바탕으로 작업자가 용접 비드(B)에 대한 최적의 그라인딩 조건을 입력하게 되는 외부 입력부(60)가 구비된다. 즉, 디스플레이부(50)를 통해 영상 출력된 정보에 의거하여 용접부(W)의 용접 비드(B)에 대한 최적의 그라인딩 조건에 따라 그라인더(10)가 그라인딩 작업을 수행할 수 있도록, 예컨대 키보드나 마우스 등의 수단으로 가능한 문자/숫자 등의 입력을 통해 작업 명령을 전송하게 되는데, 이 외부 입력부(60)는 후술하는 제어부(70)로 하여금 그라인더(10)의 작동을 제어하게 된다.

제어부(70)는 상술한 바와 같은 그라인더(10)와, 구동부(20), 이미지 촬영부(30), 초음파 센싱부(40) 및 디스플레이부(50)를 제어하는데, 특히 외부 입력부(60)의 작업 명령에 따라 용접 비드(B)에 대한 최적의 그라인딩을 위한 제어가 이루어지게 된다. 즉 제어부(70)는, 용접 비드(B)에 대한 이미지와 형성 각도, 위치 및 거리 정보를 획득하기 위해 이미지 촬영부(30)와 초음파 센싱부(40)의 작동을 제어한다. 그리고, 획득된 정보가 작업자에 의해 시각적으로 인식될 수 있도록 디스플레이부(50)로 디스플레이시키며, 디스플레이된 정보를 바탕으로 작업자가 용접 비드(B)에 대한 최적의 그라인딩 조건에 따라 그라인딩이 이루어지도록 그라인더(10)와 구동부(20)의 작동을 제어하게 된다.

한편, 이상에서 설명한 구성 요소들 중, 그라인더(10)와 구동부(20) 및 이미지 촬영부(30)와 초음파 센싱부(40) 제1모듈(100)에 탑재되고, 제어부(70)와 디스플레이부(50) 및 외부 입력부(60)는 제1모듈(100)로부터 원격된 위치에 있게 되는 제2모듈(200)에 탑재된 구성으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 그라인딩 작업이 이루어지는 용접부에 대하여 직접적으로 대면하는 그라인더(10)와 구동부(20) 및 이미지 촬영부(30)와 초음파 센싱부(40)만이 제1모듈(100)에 탑재된 상태에서 피용접물 상에서 이동할 수 있게 되고, 나머지 구성 요소들은 피용접물로부터 원격 위치에 자리하는 제2모듈(200)에 탑재된 상태에서 작업자가 작업 수행을 할 수 있게 된다. 이때, 제1모듈(100)은 제2모듈(200)의 제어부(70) 측과 유선 또는 무선 통신(예컨대, RS-232 방식) 접속됨으로써 제어가 이루어지게 된다.

다음에서는, 도 1∼도 6 및 도 7을 참조하면서 본 발명에 따른 용접 비드의 자동 그라인딩 방법에 대하여 설명하되, 전술한 바와 같은 본 발명의 자동 그라인딩 장치에 대한 실시예의 작동 설명은 이하의 기재 내용으로 갈음된다.

먼저, 제어부(70)의 제어에 따라 구동부(20)가 구동되어 제1모듈(100)이 용접부(W) 측으로 이동한 상태에서 이미지 촬영부(30)가 작동함으로써, 그라인더(10)로 그라인딩하고자 하는 용접부(W)의 용접 비드(B)에 대한 이미지를 촬영한다(S1).

그리고, 역시 제어부(70)의 제어에 따라 초음파 센싱부(40)가 작동하여, 상기 용접 비드(B)의 위치와 형성 각도를 측정함과 아울러 그라인더(10)(구체적으로는 그라인딩 툴(12))와 용접 비드(B) 간의 거리를 측정한다(S2).

이렇게 얻어진 용접 비드(B)에 대한 이미지와 상기 제2단계(S2)의 측정 데이터를 디스플레이부(50)에 디스플레이되도록 함으로써, 작업자가 최적의 그라인딩 조건을 확인할 수 있도록 한다(S3).

이어서, 상기 디스플레이된 정보를 바탕으로 용접 비드(B)에 대한 최적의 그라인딩 조건을 설정한다(S4). 이때 작업자는 디스플레이(50)에 표시된 최적의 그라인딩 조건을 확인하고, 실제로 그라인딩 작업이 수행되어야 할 용접부(W)의 용접 비드(B)에 대하여 최적의 그라인딩 조건에 따라 그라인딩 작업이 수행될 수 있도록 외부 입력부(60)를 통해 최적의 그라인딩 조건들(예를 들면, 용접 비드의 외관 이미지와 위치와 형성 각도 및 거리에 대응하여 그라인딩 툴의 분당 회전 속도 및 각도와 수평 및 수직 위치 등)을 입력하여 제어부(70)로 하여금 그라인더(10)와 구동부(30)를 제어하도록 한다.

이렇게 하여 제어부(70)의 제어에 의해 그라인더(10)가 작동됨으로써 상기 설정된 최적의 그라인딩 조건에 따라 용접 비드(B)에 대한 그라인딩을 수행한다(S5). 즉, 제어부(70)는 구동부(20)를 작동시켜 그라인더(10)가 용접부(W)의 정위치에 자리잡도록 함과 아울러, 그라인더(10)의 수평 이동 수단(13)과 수직 이동 수단(14) 및 각도 조절 수단(15)을 작동시켜 용접 비드(B)에 대한 작업 위치를 정확하게 설정하도록 한다. 이어서, 그라인딩 툴(12)을 구동하여 용접 비드(B)에 대하여 그라인딩 작업이 수행되도록 한다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10 : 그라인더 11 : 제1모터
12 : 그라인딩 툴 13 : 수평 이동 수단
14 : 수직 이동 수단 15 : 각도 조절 수단
16 : 제2모터 17 : 제3모터
18 : 제4모터 20 : 구동부
21 : 제5모터 22 : 구동륜
30 : 이미지 촬영부 40 : 초음파 센싱부
50 : 디스플레이부 60 : 외부 입력부
70 : 제어부 100 : 제1모듈
200 : 제2모듈 B : 용접 비드
W : 용접부

Claims (4)

1. 피용접물의 용접부에 형성된 용접 비드를 그라인딩하는 그라인더;
   상기 그라인더를 상기 용접부를 따라 이동시키는 구동부;
   상기 용접 비드에 대한 이미지를 촬영하는 이미지 촬영부;
   상기 용접 비드의 형성 각도와 위치를 측정함과 아울러 상기 그라인더와 상기 용접 비드 간의 거리를 측정하는 초음파 센싱부;
   상기 이미지 촬영부가 촬영한 이미지와 상기 초음파 센싱부의 측정 정보를 디스플레이하는 디스플레이부;
   상기 디스플레이부에 디스플레이된 정보를 바탕으로 상기 용접 비드에 대한 최적의 그라인딩 조건을 입력하게 되는 외부 입력부;
   상기 용접 비드에 대한 이미지와 형성 각도 및 거리 정보를 획득하기 위해 상기 이미지 촬영부와 초음파 센싱부를 제어하고, 획득된 정보가 디스플레이되도록 상기 디스플레이부를 제어하며, 상기 외부 입력부를 통해 입력된 최적의 그라인딩 조건에 따라 상기 용접 비드에 대한 그라인딩이 이루어지도록 상기 그라인더와 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 그라인더와 상기 구동부 및 상기 이미지 촬영부와 상기 초음파 센싱부는 제1모듈에 탑재되고,
   상기 제어부와 상기 디스플레이부 및 상기 외부 입력부는 상기 제1모듈로부터 원격된 위치의 제2모듈에 탑재된 것을 특징으로 하는 용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1모듈은 상기 제2모듈의 제어부 측과 유선 또는 무선 접속된 것을 특징으로 하는 용접 비드의 각도 인식에 의한 자동 그라인딩 장치.
   
4. 삭제

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