KR101343846B1

KR101343846B1 - 마찰교반용접의 회전체용 광신호 처리장치

Info

Publication number: KR101343846B1
Application number: KR1020120015743A
Authority: KR
Inventors: 정성욱; 김상준; 권택규; 허만주
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-12-20
Also published as: KR20130094475A

Abstract

본 발명은 회전체를 이용하여 피접합재(10)를 접합하는 용접장치에 있어서: 모터(22)를 구비하는 프레임(20); 상기 프레임(20) 상에 모터(22)의 구동력을 받아 회전 가능하도록 설치되는 가공툴(30); 상기 프레임(20)과 가공툴(30)에 각각 영구자석(41)과 코일(43)을 구비하여 전원을 공급하는 전원수단(40); 및 상기 피접합재(10)의 접합 상태를 검출하는 센서(52)를 구비하고, 램프(55)를 개재하여 센서(52)의 신호를 제어기(58)로 전송하는 검출수단(50);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 회전체의 회전운동을 이용하는 발전 방식을 기반으로 자체적인 전원을 공급하면서 접합부의 온도, 압력, 툴의 높이 등에 대한 실시간 데이터를 정확하게 전송하는 효과가 있다.

Description

마찰교반용접의 회전체용 광신호 처리장치{Optical signal processing apparatus for rotating body of friction stir welding}

본 발명은 마찰교반용접의 회전체용 광신호 처리장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 회전체의 회전운동을 이용하는 발전 방식을 기반으로 외부 전원 없이 자체적인 전원을 공급하면서 접합부의 온도, 압력, 툴의 높이 등에 대한 실시간 데이터를 정확하게 전송하기 위한 마찰교반용접의 회전체용 광신호 처리장치에 관한 것이다.

마찰교반접합(Friction Stir Welding)은 툴과 피접합재의 마찰열을 이용하여 재료를 융점에 가깝게 가열시킴과 동시에 툴의 회전 및 가압 전진에 의해 고온 교반을 일으켜 접합하는 새로운 고상 접합 기술이다. 이와 같은 FSW에 있어서 접합부의 온도, 압력 등을 조절하여 정밀한 접합 품질을 얻을 수 있는 바, 접합부에 대한 정확한 정보를 획득하기 위하여 다양한 검출 방식이 시도되고 있다.

선행기술의 일예로서, 한국 공개특허공보 제2004-0048426호는 (a) 프로브의 온도를 제어하기 위해 도구와 워크피스의 영역으로부터의 과도한 열을 제거하는 단계; (b) 상기 냉각제가 상기 도구에 들어오는 제 1 기설정된 온도를 가지게 하는 단계; (c) 상기 도구 프로브 온도를 나타내는 제 2 기설정된 온도를 측정하는 단계; 및 (d) 상기 도구 프로브가 기설정된 도구 프로브 온도에서 유지되도록 용접공정을 제어하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 안정적인 용접조건이 달성된 후에 도구 프로브의 온도를 유지하면서 마모를 줄이는 효과를 기대한다.

선행 기술의 다른 예로서, 한국 등록특허공보 제0660227호는 용접될 판재를 안착하는 지지대가 하단에 장착된 프레임; 상기 프레임의 상단 쪽에 연결된 말단에 용접 핀이 장착된 회전기구; 상기 회전기구를 회전시키는 구동부; 상기 프레임의 변위를 측정하는 변위 측정기; 및 상기 프레임의 변위에 따라 상기 회전기구의 위치를 보정하는 이송부를 포함하는 구성을 제안한다. 이에 따라, 프레임의 변위를 측정하여 용접 핀의 삽입 깊이를 일정하게 제어함으로써 정밀한 깊이로 용접하여 접합강도를 향상하는 효과를 기대한다.

그러나, 전자의 선행특허는 측정과정의 온도유지를 위한 냉각을 요지로 하므로 안정적인 전원의 공급에 대한 구성이 미흡하므로 전원과 연계된 측정의 정확성을 보장하기 미흡하고, 후자의 선행특허에 의하면 프레임의 변위를 측정하는 간접 방식이므로 배터리 또는 외부 전원의 공급이 원활하지만 외란 등의 요인에 의하여 측정의 정확도가 급변하게 된다.

1. 대한민국 공개특허공보 제2004-0048426호 "마찰교반 용접방법" (공개일자 : 2004. 6. 9) 2. 대한민국 등록특허공보 제0660227호 "마찰교반 점용접 장치"(공개일자 : 2006. 12. 21.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 회전체의 회전운동을 이용하는 발전 방식을 기반으로 외부 전원 없이 자체적인 전원을 공급하면서 접합부의 온도, 압력, 툴의 높이 등에 대한 실시간 데이터를 정확하게 전송하기 위한 마찰교반용접의 회전체용 광신호 처리장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전체를 이용하여 피접합재를 접합하는 용접장치에 있어서: 모터를 구비하는 프레임; 상기 프레임 상에 모터의 구동력을 받아 회전 가능하도록 설치되는 가공툴; 상기 프레임과 가공툴에 각각 영구자석과 코일을 구비하여 전원을 공급하는 전원수단; 및 상기 피접합재의 접합 상태를 검출하는 센서를 구비하고, 램프를 개재하여 센서의 신호를 제어기로 전송하는 검출수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 가공툴은 중심축 상으로 진원의 중공을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 전원수단은 가공툴의 회전중심 상에 축전지를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 검출수단의 센서는 가공팁의 온도, 압력, 높이 중 적어도 하나를 검출하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 검출수단은 가공툴의 회전중심에 설치되어 센서의 신호를 램프로 출력하는 신호처리기와, 램프의 신호를 수신하도록 프레임에 설치되는 광수신기를 이용하여 무선으로 송수신하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 회전체의 회전운동을 이용하는 발전 방식을 기반으로 자체적인 전원을 공급하면서 접합부의 온도, 압력, 툴의 높이 등에 대한 실시간 데이터를 정확하게 전송하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 주요 회로 연결을 나타내는 블록도
도 3은 본 발명에 따른 장치에 의한 광신호 처리를 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 회전체를 이용하여 피접합재(10)를 접합하는 용접장치, 특히 마찰교반용접을 수행하는 장치에 관련되지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 회전체는 후술하는 것처럼 마찰교반을 수행하기 위한 툴을 의미한다.

본 발명에 따르면 프레임(20) 상에 모터(22)를 구비하는 구조이다. 프레임(20)은 후술하는 가공툴(30)을 지지하기 위한 복수의 환형체(21)를 구비한다. 모터(22)는 프레임(20)의 상측으로 설치되고, 하방향으로 전동을 위한 구동축(25)을 구비한다. 마찰차나 벨트를 개재하여 이격된 구동축(25)과 피동축(35) 상으로 전동하는 방식이 신호전송의 측면에서 바람직하나, 커플링을 이용하여 구동축(25)과 피동축(35)을 동심으로 직결하여 전동하는 방식을 적용할 수도 있다.

또, 본 발명에 따르면 가공툴(30)이 상기 프레임(20) 상에 모터(22)의 구동력을 받아 회전 가능하도록 설치된다. 가공툴(30)은 몸체(31)를 중심으로 상하에 각각 피동축(35)과 가공팁(33)을 결합한 구조이다. 피동축(35)과 가공팁(33)은 교체를 위하여 분리 가능한 구조로 결합된다.

이때, 상기 가공툴(30)은 중심축 상으로 진원의 중공을 구비하는 것을 특징으로 한다. 가공툴(30)은 몸체(31)와 가공팁(33)에 걸쳐서 중공을 구비하는 것이지만, 센서(52)의 종류와 위치에 따라서 중공의 범위는 축소될 수 있다. 가공툴(30)의 중공 구조는 센서(52) 외에 후술하는 축전지(45), 신호처리기(54) 등을 긴밀하게 수용하는 형태와 크기로 선택한다. 가공툴(30)의 중공이 진원으로 형성되어야 고속 회전시 안정적인 다이내믹 밸런스를 유지할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 전원을 공급하는 전원수단(40)이 상기 프레임(20)과 가공툴(30)에 각각 영구자석(41)과 코일(43)을 구비한다. 영구자석(41)은 프레임(20)의 환형체(21) 상에 고정되고, 코일(43)은 영구자석(41)과 대향하도록 가공툴(30)의 몸체(31) 상에 권선된다. 코일(43)에서 반경방향과 축방향으로 유도되는 전선은 가공툴(30)의 고속 회전시 다이나믹 밸런스를 설정된 범위로 유지하도록 흔들림이 없는 긴밀한 상태로 설치한다.

이때, 상기 전원수단(40)은 가공툴(30)의 회전중심 상에 축전지(45)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 가공툴(30)의 회전시 코일(43)에서 유도되는 기전력이 축전지(45)에 충전되는 동시에 센서(52)와 신호처리기(54)로 공급되며, 가공툴(30)의 회전수 변동이 있더라도 축전지(45)를 통하여 균일한 전원의 제공이 가능하다. 전원의 안정과 노이즈 제거를 위해 전원수단(40)은 전원안정기(도시 생략)를 포함할 수도 있다.

또, 본 발명에 따르면 검출수단(50)이 상기 피접합재(10)의 접합 상태를 검출하는 센서(52)를 구비하고, 램프(55)를 개재하여 센서(52)의 신호를 제어기(58)로 전송한다. 측정의 정확도를 높이기 위해 센서(52)는 가공툴(30) 상에 탑재되어야 하지만, 검출수단(50)은 일부가 가공툴(30)에 탑재되고 일부는 외부의 이격된 위치에 설치된다.

이때, 상기 검출수단(50)의 센서(52)는 가공팁(33)의 온도, 압력, 높이 중 적어도 하나를 검출하도록 설치되는 것을 특징으로 한다. 온도를 검출하기 위하여 가공팁(33)에 서모커플을 장착할 수 있고, 압력를 검출하기 위해 가공팁(33)에 피에조소자를 장착할 수 있고, 높이(접합 깊이)를 검출하기 위해 가공팁(33) 또는 몸체(31) 상에 레이저센서를 장착할 수 있다. 이와 같은 센서(52)는 전선을 이용하여 신호처리기(54)에 전기적으로 연결되고, 최종적으로 제어기(58)에서 용접 불량을 판단하는 데이터로 활용된다. 물론 본 발명에서 센서(52)가 온도, 압력, 높이 중 적어도 어느 하나를 측정함을 예시하지만 반드시 이에 한정되는 것이 아니다.

한편, 상기 검출수단(50)은 가공툴(30)의 회전중심에 설치되어 센서(52)의 신호를 램프(55)로 출력하는 신호처리기(54)와, 램프(55)의 신호를 수신하도록 프레임(20)에 설치되는 광수신기(56)를 이용하여 무선으로 송수신하는 것을 특징으로 한다. 램프(55)는 가공툴(30)의 몸체(31)의 외주면에 1개 또는 복수로 LED를 배치하고 신호처리기(54)와 전기적으로 연결한다. 램프(55)를 균일한 간격으로 복수로 설치하는 경우 바코드 처리 방식으로 데이터 처리 속도를 증대할 수 있다. 광수신기(56)는 가공툴(30)의 램프(55)와 대향하는 프레임(20) 상에 설치되고, 외부에 이격되어 위치하는 제어기(58)와 전기적으로 연결한다.

작동에 있어서, 가공툴(30)의 고속 회전에 따라 전원수단(40)에 의하여 전원이 지속적으로 유지된 상태에서 가공툴(30)에 탑재되는 신호처리기(54)가 센서(52)의 신호에 대한 2진 데이터를 생성하여 램프(55)의 점멸 신호로 출력한다. 광수신기(56)는 램프(55)의 점멸 신호를 획득하여 제어기(58)에 보낸다. 제어기(58)는 광수신기(56)에서 수신된 2진 데이터를 변환 처리하여 피접합재(10)의 가공부에 대한 용접(접합) 정보를 획득하고 설정된 알고리즘에 따라 가공툴(30)에 대한 제어를 수행하면서 현재 상태를 디스플레이한다.

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.

10: 피접합재 20: 프레임
22: 모터 25: 구동축
30: 가공툴 31: 몸체
33: 가공팁 35: 피동축
40: 전원수단 41: 영구자석
43: 코일 45: 축전지
50: 검출수단 52: 센서
54: 신호처리기 55: 램프
56: 광수신기 58: 제어기

Claims

회전체를 이용하여 피접합재(10)를 접합하는 용접장치에 있어서:
모터(22)를 구비하는 프레임(20);
상기 프레임(20) 상에 모터(22)의 구동력을 받아 회전 가능하도록 설치되는 가공툴(30);
상기 프레임(20)과 가공툴(30)에 각각 영구자석(41)과 코일(43)을 구비하고, 가공툴(30)의 회전중심 상에 축전지(45)를 구비하여 전원을 공급하는 전원수단(40); 및
상기 피접합재(10)의 접합 상태를 검출하는 센서(52)를 구비하고, 램프(55)를 개재하여 센서(52)의 신호를 제어기(58)로 전송하는 검출수단(50);을 포함하여 이루어지고,
상기 가공툴(30)은 중심축 상으로 진원의 중공을 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접의 회전체용 광신호 처리장치.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 검출수단(50)의 센서(52)는 가공팁(33)의 온도, 압력, 높이 중 적어도 하나를 검출하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접의 회전체용 광신호 처리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 검출수단(50)은 가공툴(30)의 회전중심에 설치되어 센서(52)의 신호를 램프(55)로 출력하는 신호처리기(54)와, 램프(55)의 신호를 수신하도록 프레임(20)에 설치되는 광수신기(56)를 이용하여 무선으로 송수신하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접의 회전체용 광신호 처리장치.