KR101481486B1 - 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템 - Google Patents

Abstract

선형으로 이동할 수 있고 이동 경로 상의 일정 위치에서 차량 범퍼에 천공 작업을 하도록 설치되는 천공 장치와, 차량 범퍼를 파지한 상태에서 용접 위치와 천공 위치 사이를 이동할 수 있는 이송 지그와 용접 위치에서 차량 범퍼의 홀에 브래킷 용접을 실시할 수 있는 초음파 용접기를 구비하는 용접 스테이션을 구비하며, 용접 스테이션 복수 개가 천공 장치의 이동 방향을 따라 배열된 것을 특징으로 하는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템과 이러한 시스템을 이용하여 차량 범퍼 천공 및 용접 작업을 할 수 있는 방법이 개시된다.
본 발명에 따르면 차량 범퍼의 생산에 있어서 여러 패턴의 설치 홀을 가진 서로 다른 사양의 차량 범퍼를 능률적인 천공 및 용접 작업을 통해 효과적으로 공급할 수 있고, 다양한 범퍼를 생산할 때 차량 범퍼 천공 및 용접 장치가 설치되는 면적, 공간을 줄여 설비 비용을 줄이고, 범퍼 생산에서 설비 동작과 작업물 흐름을 단순화할 수 있다.

Description

차량 범퍼 천공 및 용접 시스템{punching and welding system for bumper of vehicle}

본 발명은 차량 범퍼에 근접 센서 등을 설치하기 위해 설치 홀을 형성하고 그 홀에 맞는 브래킷을 용접하여 결합시키는 천공 및 용접 시스템에 관한 것이다.

차량 범퍼(bumper)는 차량이 충돌하는 경우 발생되는 충격을 흡수하여 자동차의 본체 및 탑승자를 보호하기 위해 차량 전, 후단에 장착된 장치이며, 여러 재질로 만들 수 있으나, 오늘날에는 합성수지 재질의 범퍼가 일반적이다.

근래에 차량은 여러 가지 기능을 위한 차량 전자 장비를 장착하게 되는데, 범퍼는 위치가 차량 끝단에 있다는 위치적 특성으로 인하여 주차나 차량 운행시의 안전을 위해 다른 물체와의 거리, 근접도를 측정할 수 있는 센서나 화상카메라가 장착되는 장소가 된다.

이러한 센서, 화상카메라 등이 설치되기 위해서 범퍼에 홀을 형성하고 이 홀에 해당하는 범퍼의 내측면 위치에 브래킷이 결합되는 것이 일반적이다. 종래에는 이러한 브래킷을 설치하기 위해서 먼저 범퍼에 홀을 형성하고 다음으로 브래킷을 범퍼의 내측에서 수작업으로 결합시키거나, 개별화된 각각의 공정에서 자동화 장비를 이용하여 홀을 형성하고 브래킷을 결합시키는 공정을 진행하였다.

그러나 이러한 공정 방식은 홀을 형성하는 천공 작업과 브래킷을 결합하는 용접 작업을 하기 위한 별도 공간이 필요하고, 그 공간과 공간 사이에 별도의 이송장치가 필요하여 센서가 장착되는 범퍼를 생산하는 비용을 증가시킨다. 또한, 천공 작업과 용접 작업이 별도로 이루어져 같은 위치에 대한 작업임에도 이를 이용하여 작업의 효율을 개선하는 것은 어려웠다.

대한민국 등록특허 제10-1018452호에는 이런 문제를 개선하기 위해 하나의 베이스에 천공 장치와 용접 장치를 폭 방향으로 번갈아 설치하고, 범퍼를 놓는 지그를 폭 방향으로 움직일 수 있게 하여, 천공이 끝나면 범퍼를 바로 이송하여 용접이 이루어지도록 하는 범퍼 생산장치가 개시된다.

대한민국 등록특허 제10-0915647호에는 범퍼에 센서 등을 장착하기 위해 홀을 형성하는 여러 가지 천공 방법 가운데 도장된 범퍼에 적용하기에 바람직한 초음파 천공을 하는 천공 장치가 개시된다. 여기서는 기계식 천공의 문제점 특히 도장된 범퍼에 홀을 형성함에 있어서 홀 주변에 버(bur)가 발생하고 센서 장착 홀(hole)주변에서 도장층이 압력을 받아 백화, 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

한편, 자동차 산업 발전과 소비자 기호의 다양화에 따라 다양한 차종이 생산되고, 같은 차종에 있어서도 옵션이 다양화되면서 범퍼의 종류도 다양해지고, 같은 범퍼에서도 센서 등을 설치하기 위해 형성하는 홀의 위치나 형태도 달라질 수 있다.

기존과 같이 하나의 범퍼 종류, 설치 홀 위치 및 형태에 맞게 천공 및 용접 장치를 세팅하면 능률적으로 다량 생산을 할 수 있지만, 이런 경우, 여러 가지 종류의 범퍼나 홀 위치에 적응할 수 없고, 하나의 생산 공장 내에서 범퍼 종류별로 천공 및 용접 장치를 구비해야 하므로 천공 및 용접 장치를 설치할 공간이 많이 필요하게 된다.

또한, 범퍼 공급 시에 혼류가 될 경우, 장비와 범퍼가 잘못 매칭(matching)되어 공정 불량이 발생하기 쉽게 된다.

대한민국 등록특허 제10-1018452호 대한민국 등록특허 제10-0915647호

본 발명은 차량 범퍼의 생산에 있어서, 다양한 차종에 대응할 수 있도록 다양한 설치 홀을 가진 다양한 범퍼를 능률적으로 공급할 수 있는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템 및 이를 이용한 차량 범퍼 천공 및 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 다양한 범퍼를 생산할 때 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템이 설치되는 면적, 공간을 줄여 설비 비용을 줄이고, 범퍼 생산에서 설비 동작과 작업물 흐름을 단순화할 수 있도록 하는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템 및 이를 이용한 차량 범퍼 천공 및 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은,

일정 경로를 따라 이동할 수 있고 이동 경로 상의 일정 위치에서 차량 범퍼에 천공 작업을 하도록 설치되는 천공 장치와, 차량 범퍼를 파지한 상태에서 용접 위치와 천공 위치 사이를 이동할 수 있는 이송 지그와 용접 위치에서 차량 범퍼의 홀에 브래킷 용접을 실시할 수 있는 초음파 용접기를 구비하는 용접 스테이션을 구비하며, 용접 스테이션 복수 개가 천공 장치의 이동 방향을 따라 배열된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 용접 스테이션 복수 개와 함께 상기 천공 장치의 이동 방향을 따라 배열되며, 상기 천공 장치에 교체 장착 가능한 서로 다른 천공 지그, 가령 천공 모듈(punching module)이 배치되는 천공 지그 매거진 혹은 천공 모듈 매거진(punching module magazine)을 구비할 수 있다.

본 발명에서 용접 스테이션 복수 개는 상기 천공 장치의 이동 방향을 기준으로 좌우 양쪽으로 2열로 배열될 수 있다.

본 발명에서, 각 용접 스테이션은 정확한 위치를 유지하는 베이스와 베이스에 결합되는 용접 스테이션용 카트리지로 이루어질 수 있고, 용접 스테이션용 카트리지는 처리될 범퍼의 종류에 적합하게 설치 혹은 배열된 이송 지그와 초음파 용접기를 구비하며, 다른 종류의 범퍼가 공급될 때에는 쉽게 베이스로부터 카트리지를 바꾸는 교체 장비에 의해 범퍼 종류에 적합한 카트리지로 변경하여 작업을 진행할 수 있다.

본 발명의 시스템은, 가이드 레일, 가이드 레일을 따라 이동할 수 있고 일정 위치에서 차량 범퍼에 초음파 천공 작업을 하도록 설치되는 초음파 천공 장치, 천공 장치의 가이드 레일에 따른 이동을 조절하는 이동 조절기, 차량 범퍼를 파지한 상태에서 용접 위치와 천공 위치 사이를 이동할 수 있는 이송 지그와 용접 위치에서 차량 범퍼의 홀에 브래킷 용접을 실시할 수 있는 초음파 용접기를 구비하여 이루어지며 가이드 레일 방향으로 배열되는 복수 개의 용접 스테이션, 용접 스테이션들과 함께 가이드 레일 방향으로 배열되며 용접 장치에 교체 장착 가능한 서로 다른 초음파 천공 지그 혹은 천공 모듈이 배치되는 천공 지그 매거진 혹은 천공 모듈 매거진을 구비하여 이루어질 수 있다.

본 발명에서 각 용접 스테이션의 이송 지그는 가이드 레일 설치 방향 혹은 천공 장치의 이동 방향과 수직하게 이동하며, 상기 가이드 레일 혹은 천공 장치의 선형 이동 경로에 가장 접근한 지점이 천공 위치가 되고, 가장 멀어진 지점이 용접 위치가 될 수 있다.

본 발명에서 천공 장치는 3차원으로 이동할 수 있는 로봇 아암의 단부에 천공용 다이와 혼을 포함하는 천공용 초음파 모듈을 구비하여 이루어지는 것일 수 있다.

본 발명의 차량 범퍼 천공 및 용접 방법은,

일정 경로 가령 선형 경로로 이동할 수 있고, 이동 경로 상의 일정 위치에서 차량 범퍼에 천공 작업을 하도록 설치되는 천공 장치와, 차량 범퍼를 파지한 상태에서 용접 위치와 천공 위치 사이를 이동할 수 있는 이송 지그와 용접 위치에서 차량 범퍼의 홀에 브래킷 용접을 실시할 수 있는 초음파 용접기를 구비하는 용접 스테이션 복수 개와, 천공 장치에 교체 장착 가능한 서로 다른 천공 지그(모듈)가 배치되는 천공 지그(모듈) 매거진을 구비하며, 복수 개의 용접 스테이션과 천공 지그(모듈) 매거진이 천공 장치의 이동 방향을 따라 배열되는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템을 운용함에 있어서,

천공 장치가 하나의 용접 스테이션의 천공 위치에서 천공 작업을 마치고 다른 용접 스테이션의 천공 위치로 천공 작업을 위해 이동하며, 이 과정에서 천공 장치가 천공 지그(모듈) 매거진 위치에서 천공 지그(모듈)를 교체하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 시스템을 이루는 요소들의 각각의 동작은 하나 혹은 복수의 조절기(콘트롤러: controller)에 의해 행해지고, 동작의 기준이 되는 위치, 가령 천공 장치의 이동 경로 상의 각 용접 스테이션 위치, 천공 지그(모듈) 매거진 위치, 각종 범퍼별 천공을 위한 홀들의 3차원적 위치, 브래킷 용접을 위해 홀과 브래킷이 접하는 3차원적 위치, 천공 지그(모듈) 교체를 위한 교체 지점의 3차원적 위치는 미리 고려 혹은 입력된 상태에서 이 위치에 따라 천공 장치, 초음파 용접기 동작은 조절기에 입력된 프로세스 혹은 프로그램에 의해 이루어지는 것이 동작의 신속성과 효율을 담보하기 위해 바람직하다.

본 발명에서 시스템의 각 요소의 동작을 조절하는 조절기로는, 천공 장치가 선형으로 이동할 때 용접 스테이션 각각의 천공 위치에 대응하는 위치에서 정지할 수 있도록 미리 프로그램된 상태로 천공 장치의 이동을 조절하는 선형 이동 조절기,

천공 위치에서 이송 지그에 장착된 범퍼의 홀 형성 위치에 천공 지그(모듈)가 배치되도록 천공 장치의 동작을 미리 프로그램된 상태로 조절하는 천공 동작 조절기,

용접 위치에서 초음파 용접기가 범퍼의 홀 위치에 브래킷을 접하도록 하고 초음파 진동을 인가시키는 동작을 조절하는 용접 동작 조절기가 구비될 수 있다.

본 발명에 따르면 차량 범퍼의 생산에 있어서 여러 패턴의 설치 홀을 가진 서로 다른 사양의 차량 범퍼를 능률적인 천공 및 용접 작업을 통해 효과적으로 공급할 수 있다.

본 발명에 따르면 다양한 범퍼를 생산할 때 차량 범퍼 천공 및 용접 장치가 설치되는 면적, 공간을 줄여 설비 비용을 줄이고, 범퍼 생산에서 설비 동작과 작업물 흐름을 단순화할 수 있다.

도1은 본 발명 시스템의 일 실시예를 나타내는 사시도,
도2는 도1의 실시예를 나타내는 평면도로 범퍼 준비대가 각 용접 스테이션 뒤쪽에 설치된 상태를 나타내는 평면도,
도3은 도1의 실시예에서 천공 장치가 특정 용접 스테이션 위치, 정확하게는 그 용접 스테이션의 천공 위치에서 천공 작업을 하는 상태를 나타내는 사시도,
도4는 본 발명의 다른 실시예에서 천공 장치의 천공 모듈의 구성을 나타내는 사시도,
도5는 도1의 실시예에서 천공된 범퍼에 대한 브래킷 용접 작업이 이루어지는 것을 나타내는 사시도,
도6은 도1의 실시예를 이루는 용접 스테이션에서 용접 스테이션용 카트리지를 교체하기 위해 베이스에서 분리시키는 상태를 나타내는 사시도,
도7은 본 발명의 일 실시예에 따라 서로 다른 범퍼를 처리하는 두 용접 스테이션에서 천공 및 용접이 이루어지는 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명 시스템의 일 실시예를 나타내는 사시도이고, 도2는 이 실시예의 평면도로, 각 용접 스테이션 뒤쪽에 범퍼 준비대를 함께 개시하고 있다.

시스템의 기본 구성을 이루는 가이드 레일(10), 가이드 레일(10) 위에서 움직이는 천공 장치(20), 가이드 레일(10) 일측에 설치되어 천공 장치(20) 이동을 조절하는 선형 이동 조절기(30), 가이드 레일(10) 양쪽에 3개씩 모두 6개가 배열된 용접 스테이션(40)과 각 용접 스테이션(40) 사이에 설치된 천공 유닛 매거진(50)이 개시되어 있다.

용접 스테이션(40) 뒤쪽에는 각 용접 스테이션에 대응하여 작업 전의 범퍼를 공급하고 작업된 범퍼를 회수하는 범퍼 준비대(준비틀)(70)가 위치하고 있다.

도3을 참조하면, 천공 장치(20)는 가이드 레일(10)을 따라 움직이는 천공베이스부(21)와 천공베이스부(21) 평면에 회전가능하게 설치되고 가이드 레일 설치 방향으로 서로 이격된 두 개의 관절형 로봇 아암(23)과 각 로봇 아암(23) 단부에 회전 가능하게 설치된 천공 모듈(25)을 구비한다.

도4의 다른 실시예의 초음파 천공 모듈(25)을 통해 천공 모듈(25)의 일반적 구성을 살펴보면, 천공 모듈(25)은 하부틀(253))과 칼럼(251)을 포함하며, 칼럼(251)은 보이지 않는 뒷면에서 로봇 아암(23)의 끝단에 회전 가능하게 결합되어 대략 수직하게 위치한다. 그러나, 회전에 의해 컬럼(251)은 닿게 될 범퍼(1)에서의 경사면에 따라 대응하여 수직에서 일정 각도 회전된 상태로 유지될 수 있다. 하부틀(253)에는 범퍼(1)의 하부 혹은 내측 면을 지지하는 천공용 다이(die:255)가 설치되고, 칼럼(251)에는 헤드(257)가 상하방향으로 이동가능하게 설치되어 천공용 다이(255)를 향해 접근하거나 멀어지도록 되어 있다. 헤드(257)는 칼럼(251)에 볼 스크루 장치(2511)와 서보 모터(2513)로 이루어지는 직선이송수단에 의해 상하 방향으로 이송될 수 있다.

헤드(257)에는 초음파 발진기로부터 인가되는 전기 에너지를 기계적인 진동 에너지로 변환하는 컨버터(2571) 혹은 진동자(transducer)가 설치되고, 컨버터(2571)에는 진동파의 진폭을 조절하는 부스터(booster)(2573)가 결합되며, 부스터(2573)에는 공명체와 펀치를 겸한 툴 혼(tool horn)(2575)이 일종의 천공 지그로서 결합된다.

크기와 형태를 달리하여 범퍼 종류에 맞게 형성된 툴 혼(2575)은 헤드(257)의 하강에 의해 범퍼를 가압함과 함께 초음파 진동을 범퍼에 전달함으로써 범퍼를 국소적 순간적으로 용융시켜 천공을 실시한다. 헤드(257)에는 범퍼의 상면(외측면)을 눌러주기 위한 누름판(2577)이 설치되어 있다.

천공베이스부(21)는 일종의 궤도차와 같이 선형 가이드 레일(10)을 따라 움직이며, 가이드 레일(10)을 따라 정확한 이동을 하기 위해 여러 기계장치와 구동장치 및 조절기, 센서가 사용될 수 있다. 가령, 가이드 레일을 따라 긴 스크류가 설치되고, 천공베이스부 하면에는 스크류 사이에 끼워지는 결합돌기가 있어서 가이드 레일 단부에서 스크류를 회전시키는 서보 모터 회전에 따라 결합돌기는 가이드 레일을 따라 움직이게 되고, 천공베이스부(21)를 포함한 천공 장치(20)도 가이드 레일(10)을 따라 움직일 수 있다.

혹은, 다른 실시예에서, 천공베이스부(21)는 서보 모터와 서보 모터 축에 결합된 피니언 기어를 가지고, 가이드 레일을 따라 피니언 기어에 결합되는 긴 선형 래크가 설치된다. 서보 모터가 회전하면 피니언 기어도 회전하여 천공 장치 전체는 선형 래크를 따라 선형 이동을 할 수 있다.

이런 경우들에서 서보 모터는 선형 이동 조절기(30)에 의해 통제되어 천공베이스부(21)의 가이드 레일(10) 상의 위치는 결국 선형 이동 조절기(30)에 의해 정밀하게 조절된다.

선형 이동 조절기(10)에는 각 용접 스테이션(40)의 위치, 천공 지그 매거진(50)의 위치를 고려하여 이들 위치들 사이에서 이동하도록 하는 프로그램이 미리 준비된다. 현재의 위치가 확인되고 하나 이상의 목표 위치가 차례로 입력되면 현재 위치에서의 천공 장치(20)의 작업이 끝나면 천공 장치(20)가 제1 목표 위치로 이동하고, 이 제1 목표 위치가 현재 위치가 된다. 그리고, 순서대로 그 다음 목표 위치가 순위 상승하여 제1 목표 위치가 된다.

가령, 천공 장치가 제1 범퍼용 천공 지그를 장착한 상태로 준비 위치에 있으면서 작업이 개시되면 준비 위치가 현재 위치가 된다. 제1 용접 스테이션에 제1 범퍼가 공급되면서 제1 용접 스테이션 위치가 다음 위치인 제1 목표 위치가 되고, 다음으로 제2 용접 스테이션에 제2 범퍼가 공급되면 제2 범퍼용 천공 지그가 구비된 천공 지그 매가진, 제2 용접 스테이션이 차례로 제2 목표 위치, 제3 목표 위치가 될 수 있다.

도5 및 도6을 참조하여 설명하면, 용접 스테이션(40)은 전체 설비 내에서 정해진 위치를 유지하는 스테이션 베이스(410)와 스테이션 베이스(410) 위에 착탈식으로 고정되는 카트리지(420), 즉, 용접 스테이션용 카트리지를 구비한다. 용접 스테이션용 카트리지(420)에는 용접 스테이션(40)에 공급되는 차량 범퍼를 진공 흡착이나 기계적인 조임을 이용하여 파지한 상태에서 용접 위치와 천공 위치 사이를 이동할 수 있는 이송 지그(421)와, 용접 위치에서 천공 작업이 이루어진 차량 범퍼의 홀에 브래킷을 용접시키기 위한 초음파 용접기(423)가 구비된다.

이송 지그(421)는 그 카트리지(420)에 적합하게 공급되는 범퍼의 종류에 따라 하부 면과 밀착하여 안정적으로 지지할 수 있도록 하는 복수의 받침대(4211)와, 범퍼를 이송 지그(421)에 고정할 수 있도록 진공흡착부를 구비할 수 있다.

카트리지(420)에서 이송 지그(421)의 동작 방향은 선형 가이드 레일(10)의 설치 방향과 수직하도록 용접 스테이션용 카트리지(420) 바닥에 이송 지그(421) 움직임을 유도하는 유도 레일(425)이 형성된다. 이송 지그(421)도 천공 장치의 천공베이스부와 같이 서보 모터, 레크, 피니언 같은 구동장치와 조절기에 의해 유도 레일을 따라 용접 위치와 천공 위치 사이를 정확히 오갈 수 있다. 이송 지그는 이들 두 위치 사이에서만 반복하여 움직이기 때문에 유도 레일(425) 상에서 여러 위치를 움직이는 것에 비해 간단한 프로그램으로 정확한 위치를 확보하고 신속하게 움직일 수 있다.

이송 지그(421)가 천공 위치에 있는 경우, 이송 지그(421)는 용접 스테이션용 카트리지(420)에서 선형 가이드 레일(10)을 향해 이동하고, 천공 장치(20)의 관절형 로봇 아암(23)이 천공 모듈(25)의 천공용 다이(255)를 홀 형성 위치로 이동시켜 홀 형성 위치에서 범퍼(1) 아래 면(내측 면)에 쉽게 접촉시킬 수 있다. 이 상태에서 헤드(257)가 천공용 다이(255)를 향해 하강하고, 헤드(257)에 설치된 원주 형태의 툴 혼(2575)이 이 홀 형성 위치에서 범퍼(1)를 상면(외측 면)으로부터 녹여 범퍼로부터 홀 부분이 낙하하도록 하고 이로써 범퍼에 홀을 형성하게 된다.

이 과정에서 천공 장치에 내장되거나 외부에서 신호선으로 연결된 천공 동작 조절기(미도시)가 로봇 아암(23)의 움직임과 헤드의 움직임, 천공 지그(툴 혼)를 통한 초음파 진동의 인가 여부를 조절하게 된다. 이런 경우, 천공 장치(20)는 해당 용접 스테이션 위치에 있고, 로봇 아암(23)과 천공 모듈(25)의 헤드(257) 위치는 준비 위치에 있다. 이때의 헤드의 천공 지그(툴 혼)의 공간 상의 위치를 기준으로 범퍼의 종류에 따라 3차원 공간에서 홀의 상대적 위치가 미리 정해진다.

따라서, 그 위치들을 고려한 천공 동작 조절기의 프로그램에 따라 로봇 아암과 천공 모듈(헤드)이 움직여 천공 지그가 준비 위치로부터 범퍼의 예정된 홀 위치로 이동할 수 있으므로 천공 동작 조절기에 현재의 범퍼 종류 혹은 스테이션 카트리지의 종류에 대한 정보를 입력하면 천공 지그의 신속한 움직임이 가능하다.

범퍼 종류 혹은 스테이션 카트리지에 대한 정보는 천공 장치가 선형 이동할 다음 위치(목표 위치)와 연관하여, 신호선을 통해 선형 이동 조절기로부터 천공 동작 조절기로 전달될 수 있고, 각 용접 스테이션 카트리지에 범퍼가 공급될 때 각 용접 스테이션에서의 센서 신호에 의해 혹은 시스템을 관리하는 오퍼레이터에 의해 선형 이동 조절기와 함께 입력받는 것도 가능하다.

범퍼에 4개의 홀이 차량 폭 방향으로 볼 때 차폭 중심으로부터 대칭적으로 형성되는 경우, 여기서 천공 장치의 로봇 아암 및 천공 모듈은 2개이므로 범퍼에 1차로 2개의 홀을 뚫고, 이 위치에서 로봇 아암 및 천공 모듈을 다시 움직여 2차로 범퍼에 2개의 홀을 뚫는 동작도 프로그램에 의해 따르게 되어 신속하게 이루어질 수 있다.

범퍼에 예정된 4개의 홀이 예정 위치에 형성되면, 천공 장치(20)에서 로봇 아암(23) 및 천공 모듈(25)은 원래의 준비 위치로 회귀하고, 범퍼는 이송 지그(421)의 움직임에 의해 용접 위치로 이동한다. 용접 위치에서 범퍼(1) 아래쪽에 4개의 초음파 용접기(423)가 구비되어 이송 지그(421)의 복수의 받침대(4211) 사이사이로 이미 형성된 홀 위치마다 초음파 용접기(423)의 동작으로 초음파 용접기의 브래킷 용접용 혼(4231)이 밀착하게 된다.

범퍼 위쪽에는 용접 스테이션용 카트리지의 지지 구조물에 설치된 고정용 다이(425)가 있어서 유압 실린더나 공압 실린더 혹은 서보 모터의 작용으로 브래킷 용접용 혼(4231)에 대응되는 위치에 접근하여 범퍼(1) 외측면 혹은 상면에 닿아 도5와 같은 상태가 된다.

각각의 용접 스테이션용 카트리지(420)에 설치된 초음파 발생기(발진기)에서는 브래킷 용접용 혼(4231)에 초음파 진동을 인가하여 범퍼의 홀 위치마다 범퍼에 브래킷(미도시)을 용접하게 된다.

이러한 초음파 용접기(423)의 브래킷 용접용 혼(4231)의 동작, 고정용 다이(425)의 동작, 브래킷 용접용 혼(4231)에 대한 초음파 진동 인가 여부는 용접 스테이션용 카트리지(420)마다 설치된 용접 동작 조절기에 의해 실시될 수 있다. 범퍼의 종류마다 용접 스테이션용 카트리지가 정해지고, 범퍼의 홀마다 브래킷 용접용 혼 및 고정용 다이의 접촉 위치가 정해지므로, 고정용 다이, 브래킷 용접용 혼을 포함하는 초음파 용접기의 최초 위치와 범퍼 접촉 위치를 오가는 동작은 여기서도 천공 동작 조절기에 의한 조절과 마찬가지로 용접 동작 조절기과 그 내장 프로그램에 의해 신속하게 이루어질 수 있다.

용접 스테이션에서 공급된 범퍼에 대한 브래킷 용접이 이루어지면 이송 지그는 그때까지 진공 파지하여 이송 지그에 고정하던 범퍼를 진공 해제 방식으로 놓아주게 되고, 별도의 운반 장치나 오퍼레이터에 의해 범퍼는 용접 스테이션에서 그 뒤쪽에 있는 범퍼 준비대로 옮겨져 해당 범퍼의 천공 및 용접 작업은 완료되게 된다. 물론, 이와 동시에 다른 가공될 범퍼가 그 범퍼 준비대에서 그 용접 스테이션으로 공급될 수도 있다.

특정 용접 스테이션의 천공 위치에서 천공 작업을 마친 천공 장치는 선형 이동 조절기의 신호에 따라 가이드 레일 위를 이동하여 다음 용접 스테이션으로 이동하며, 다음 용접 스테이션이 다른 종류의 범퍼를 위한 것이라면 그 이동 과정에서 천공 지그 매거진 위치에 정지하고, 천공 지그를 적합한 종류로 교체하는 교체 작업이 이루어진다. 천공 지그의 교체를 위하여 교체 위치로 가기 위한 로봇 아암과 천공 모듈의 동작은 각 용접 스테이션 위치에서 범퍼 천공 위치로 이동하는 동작과 같은 방식으로 이루어질 수 있으며, 천공 모듈의 헤드는 천공 지그를 교체하기 위한 교체용 기기 구성을 가진다. 천공 지그 교체를 위한 동작도 천공 동작 조절기에 의해 제어될 수 있다. 이런 기기 구성은 자동화 장치에서 기존에 알려진 것이므로 여기서 그 구체적 내용은 생략하기로 한다.

이상 실시예에서는 천공 장치의 선형 이송 동작 조절기, 천공 장치의 천공 동작 조절기, 용접 스테이션의 초음파 용접기의 용접 동작 조절기가 별도로 이루어지는 것으로 언급되나, 신호선으로 원거리에서도 신호 전달이 가능한 것이므로 이들 조절기는 물리적으로 하나로 통합된 상태로 운용될 수 있으며, 서보 모터 등에 대한 일반 전력 공급, 초음파 용접을 위한 초음파 전력의 공급도 신호선과 병설되는 전력선에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 이 실시예에서 각 요소의 동작은 장소적으로 분할되어 이루어지지만 협동적인 상호 동작이 필요하므로 조절기도 서로 연결되어 각 조절기의 조절 명령은 그 순서가 통합적으로 조절되어 이루어진다.

도1과 같은 시스템에서 용접 스테이션은 2열로 서로 마주보도록 배치되고, 하나의 열에 3개씩 모두 6개가 배치된다. 천공 장치의 두 개의 로봇 아암은 천공베이스부에 회전 가능하게 설치되므로 하나의 용접 스테이션 위치에서 작업을 하고, 천공베이스부는 가이드 레일을 따라 선형 이동을 시키지 않은 상태에서도 각 로봇 아암을 180도 회전시켜 다른 열의 용접 스테이션 위치에서 천공 작업을 할 수 있다. 물론, 로봇 아암은 회전하지 않고 천공베이스부가 선형 이동을 하면서 옆쪽의 용접 스테이션 위치로 이동하여 천공 작업을 할 수도 있다. 다음 용접 스테이션 위치로의 이용은 이러한 천공베이스부의 선형 이동과 천공베이스부 위에서 로봇 아암의 회전을 통해 다른 열의 용접 스테이션을 향하게 하는 회전 이동을 조합하여 이루어질 수 있다.

이런 구성에서 각 용접 스테이션마다 서로 다른 종류의 범퍼를 천공 및 용접 가공할 경우 최대 6개의 서로 다른 종류의 범퍼를 가공할 수 있다. 범퍼의 종류가 5개라면 6개의 용접 스테이션 가운데 하나는 예비로 준비하는 버퍼 스테이션(buffer station)으로 운용될 수 있다. 어느 종류의 범퍼가 다른 종류에 비해 많이 처리되어야 한다면 6개 가운데 그 범퍼를 처리하는 용접 스테이션을 2개 배치할 수 있다.

한편, 각 용접 스테이션에서 도6과 같이 스테이션 베이스 위에 결합되는 용접 스테이션 카트리지를 교체하면서 사용하면 7 종류 이상의 범퍼도 처리하는 것이 가능하다. 이런 경우, 물론 천공 지그 매거진에서도 범퍼 종류에 맞추어 천공 지그의 종류를 구비하는 것이 필요하다.

6개의 용접 스테이션에 대한 천공 장치의 천공 작업 순서 및 천공 지그의 교체는 가장 단순하게는 6개의 용접 스테이션 위치에 따라 시계방향 혹은 반시계방향으로 이동하면서 이루어질 수 있다. 또한, 앞서도 잠깐 언급되듯이 용접 스테이션에 범퍼가 놓이는 순서대로 하여, 먼저 범퍼가 놓인 용접 스테이션이 다음 작업 위치가 되도록 할 수도 있다. 그러나, 바람직하게는 용접 스테이션에서 처리할 범퍼의 종류가 바뀌면 천공 지그도 바뀌며 그 교체 작업에도 시간이 들어간다는 점과, 가장 인접한 위치를 다음 작업 위치로 하면 시간이 줄어든다는 점을 고려하여 오퍼레이셔 리서치를 이용하여 작업 순서를 정하는 것이 바람직하다. 이런 오퍼레이션 리서치(OR: Operation Research)를 이용한 작업 순서는 조절기의 프로그램에 반영될 수 있다.

한편, 본 발명과 같은 선형 구성, 즉, 천공 장치의 이동을 선형으로 하고, 용접 스테이션을 이와 평행한 선형으로 1열 혹은 2열로 배열하는 것은 범퍼의 종류가 늘어나거나 수량이 늘어나는 것에 대해 확장을 통해 신속히 대응할 수 있는 가능성을 가지므로 유리한 점이 있다.

즉, 도1의 실시예에서는 용접 스테이션이 2열 총 6개이지만 2열 8개, 2열 10개와 같은 확장은 가이드 레일을 연장하고, 용접 스테이션과 천공 지그 매거진을 추가 배열을 통해 비교적 쉽게 이루어질 수 있다. 각 조절기를 통한 동작의 제어와 이동은 기본적으로 변화하는 것이 없이 일부 세부사항 수정을 통해 운영할 수 있고, 프로그램은 선형 이동 조절기의 프로그램에서 용접 스테이션 위치를 추가하여 확장하는 것에 의해 쉽게 확장될 수 있다.

이런 경우, 천공 장치를 하나에서 2 이상의 복수로 확장하는 것도 가능하다. 이런 경우, 천공 장치의 선형 이동 구간을 단순히 나누어 운영하는 방법도 가능하고, 천공 장치의 선형 이동을 다른 천공 이동 장치의 위치에 따라 탄력적으로 운영하는 방법도 생각할 수 있다.

본 발명의 천공 및 용접 시스템을 운영하는 방법에서는, 가령, 가장 간단하게, 두 개의 용접 스테이션과 이들 사이의 천공 지그 매거진이 하나의 천공 장치의 선형 이송 방향으로 배열된 시스템에서 구체적인 동작들은 다음과 같은 단계들로 이루어질 수 있다.

우선 제1 용접 스테이션 위치에서 이루어지는 동작들은, 제1 용접 스테이션의 제1 이송 지그에 제1종 범퍼가 놓이는 단계, 제1 이송 지그가 제1 천공 위치로 이동하는 단계, 천공 장치가 제1 용접 스테이션 대응 위치에 놓인 것을 확인(이동동작 포함)하는 단계, 제1 천공 위치의 제1종 범퍼의 일정 개소에 천공 장치의 천공 지그가 준비 위치로부터 정렬동작 및 천공 작업을 실시하는 단계, 천공 장치의 천공 지그가 준비 위치로 복귀하는 단계, 제1 이송 지그가 제1 천공 위치에서 제1 용접 위치로 이동하는 단계, 초음파 용접기가 제1종 범퍼의 홀 위치에 브래킷을 접촉시키고 용접을 실시하는 단계, 초음파 용접기가 준비 위치로 복귀하는 단계, 브래킷이 융착된 제1종 범퍼를 제1 용접 스테이션에서 반출하는 단계를 구비하여 이루어질 수 있다.

제2 용접 스테이션 위치에서 이루어지는 동작들도 기본적으로 위와 동일한 방식으로 이루어질 수 있다.

단, 제1 용접 스테이션 위치에서 제2 용접 스테이션 위치로 전환하는 과정에서 각 스테이션에 맞는 범퍼의 종류가 다를 때에는 천공 장치는, 천공 장치가 선형 이동을 하여 천공 지그 매거진에서 천공 지그를 제2종 범퍼에 맞도록 제2 천공 지그로 교체하는 단계를 가질 수 있다.

제1 용접 스테이션에서의 동작과 제2 용접 스테이션에서의 동작, 천공 장치가 천공 지그 매거진에서 천공 지그를 교체하는 작업은 서로 상충되지 않는 한 동시에 이루어질 수 있다. 단, 천공 장치는 하나만 구비되므로 천공 장치의 동작은 순서에 맞게 이루어져야 한다.

도7은 이러한 본 발명 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 흐름도이다.

이를 참조하면, 우선 제1 용접 스테이션에서 원위치 즉, 용접 위치에 있는 제1 이송 지그에 제1종 범퍼가 놓이는 단계가 이루어진다(S10).

제1 이송 지그는 주변의 초음파 용접기의 브래킷 용접용 혼과 충돌하는 것을 막기 위해 일단 위로 일정거리 상승하고, 그 상태에서 제1 천공 위치로 이동한다(S20). 이때, 범퍼가 용접 스테이션에 오퍼레이터의 수작업으로 공급되고 반출된다면 오퍼레이터는 제2 용접 스테이션으로 이동한다. 천공 장치는 제1 용접 스테이션 위치에 있는 것을 확인하고, 현재 위치가 다른 위치라면 제1 용접 스테이션 위치로 이동한다.

다음으로, 천공 장치는 천공베이스부에 설치된 관절형 로봇 아암의 동작을 통해 준비 위치에서, 범퍼 및 이송 지그 구조물, 초음파 용접기 구조물과의 충돌을 피하면서, 천공 모듈의 천공용 다이가 범퍼의 홀 위치 하면에 접하도록 하고, 천공 모듈의 헤드가 하강하여 천공 지그(초음파 천공기의 툴 혼)가 천공용 다이에 접근하도록 한다. 이때 천공 지그에는 초음파 진동이 인가되도록 하며, 범퍼 상면으로부터 범퍼를 천공하는 천공 단계가 이루어진다(S30). 형성될 홀이 여러 개인 경우, 천공 장치는 준비 위치에서 제1 홀 위치로, 제1 홀 위치에서 제2 홀 위치로의 이런 이동 동작을 하나의 범퍼에 대해 위치를 바꾸면서 복수 회 실시하게 된다. 그리고, 오퍼레이터는 제2 용접 스테이션의 이송 지그에 제2 범퍼를 공급한다.

다음으로, 제1 범퍼에 대한 천공 작업이 완료되었으므로 천공 장치의 로봇 아암 및 천공 모듈은 범퍼 및 이송 지그 구조물, 초음파 용접기 구조물과의 충돌을 피하면서 원위치인 제1 용접 스테이션 위치의 준비 위치로 돌아간다(S40).

다음으로, 천공 장치는 선형 이동 조절기의 신호에 따라 천공 지그 매거진 위치로 이동하고, 이 위치에서 천공 지그를 제2종 범퍼용으로 교체한다(S50).

그리고, 천공 장치는 제2 용접 스테이션 위치로 이동하고, 여기서 천공 모듈 및 로봇 아암은 준비 위치를 유지한다(S60). 이때, S40, S50, S60의 단계 가운데 하나에서는 제2 용접 스테이션에서는 제2 이송 지그가 제2 천공 위치로 이동하게 된다.

다음으로, 천공 장치는 S30 단계에서 제1 천공 위치에서 한 것처럼 제2 천공 위치에서 제2종 범퍼에 대한 천공 작업을 실시한다(S70).

또한, S40, S50, S60, S70의 단계에서는 제1 용접 스테이션에서는 제1 이송 지그가 제1 천공 위치에서 원위치인 용접 위치로 복귀하며, 여기서 초음파 용접기가 제1종 범퍼에 접근하여 닿아 브래킷 용접을 실시하게 된다. 그리고, 연속적인 작업을 위해서는, 오퍼레이터는 작업이 완성된 제1종 범퍼를 반출하고, 다시 제1 종 범퍼를 제1 이송 지그에 공급하고, 제1 이송 지그가 제1 천공 위치로 이동하는 작업이 차례로 이루어지게 된다.

이러한 진행 방법은 연속 작업을 위해서는 제1 용접 스테이션, 제2 용접 스테이션에 교대로 이루어질 수 있다.

각 동작이 이루어질 때 조절기를 이용한 개개의 구체적인 동작은 로봇이나 기계장치의 위치 기반 자동제어기술에서 잘 알려진 것이므로 이미 앞서 언급된 개략적 내용 외에 이를 구현하는 구체적인 프로그램 및 기계 구성은 생략하기로 한다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 가령, 이상 실시예들에서는 용접 스테이션 복수 개가 2열로 배열된 경우를 주로 설명하고 있으나 용접 스테이션은 공장 레이아웃에 따라 선형이나 원형 등의 형태로 배열되고, 1열이나 다른 복수 열로 배열될 수도 있다.

따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

1: 범퍼
10: 가이드 레일 20: 천공 장치
21: 천공베이스부 23: 로봇 아암
25: 천공모듈 30: 선형 이동 조절기
40: 용접 스테이션 50: 천공 지그 매거진
60: 초음파 발생기 70: 범퍼 준비대

Claims (7)

1. 일정 경로를 따라 이동할 수 있고, 이동 경로 상의 일정 위치에서 차량 범퍼에 홀을 만드는 천공 작업을 하도록 설치되는 천공 장치와,
   차량 범퍼를 파지한 상태에서 용접 위치와 천공 위치 사이를 이동할 수 있는 이송 지그와, 상기 용접 위치에서 차량 범퍼의 홀 위치에 브래킷 용접을 실시할 수 있는 초음파 용접기를 구비하는 용접 스테이션을 구비하며,
   상기 용접 스테이션 복수 개가 상기 천공 장치의 이동 방향을 따라 배열된 것을 특징으로 하는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 용접 스테이션 복수 개와 함께 상기 천공 장치의 이동 경로를 따라 배열되며, 상기 천공 장치에 교체 장착 가능한 서로 다른 천공 모듈이 배치되는 천공 모듈 매거진을 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 용접 스테이션 복수 개는 상기 천공 장치의 이동 방향을 기준으로 좌우 양쪽으로 2열로 배열되고,
   상기 천공 장치는 선형 이동을 하는 천공베이스부와 범퍼에 직접 천공 작업을 실시하는 천공 모듈 및 상기 천공베이스부에 놓여 회전할 수 있고 상기 천공 모듈을 공간 상에서 이동시키는 기계적 동작을 하는 로봇 아암을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 천공 장치가 선형으로 이동할 때 상기 용접 스테이션 각각의 상기 천공 위치에 대응하는 위치에서 정지할 수 있도록 미리 프로그램된 상태로 상기 천공 장치의 이동을 조절하는 선형 이동 조절기,
   상기 천공 위치에서 상기 이송 지그에 장착된 범퍼의 홀 형성 위치에 천공 모듈이 배치되도록 상기 천공 장치의 동작을 미리 프로그램된 상태로 조절하는 천공 동작 조절기,
   상기 용접 위치에서 상기 초음파 용접기가 범퍼의 홀 위치에 브래킷을 접하도록 하고 초음파 진동을 인가시키는 동작을 조절하는 용접 동작 조절기가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템.
5. 가이드 레일,
   상기 가이드 레일을 따라 이동할 수 있고, 일정 위치에서 차량 범퍼에 천공 작업을 하도록 설치되는 초음파 천공 장치,
   상기 초음파 천공 장치의 상기 가이드 레일에 따른 이동을 조절하는 이동 조절기,
   차량 범퍼를 파지한 상태에서 용접 위치와 천공 위치 사이를 이동할 수 있는 이송 지그와 상기 용접 위치에서 차량 범퍼의 홀에 브래킷 용접을 실시할 수 있는 초음파 용접기를 구비하여 이루어지며, 복수 개가 상기 가이드 레일 방향으로 배열되는 용접 스테이션,
   상기 용접 스테이션 복수 개와 함께 상기 가이드 레일 방향으로 배열되며, 상기 용접 장치에 교체 장착 가능한 서로 다른 초음파 천공 모듈이 배치되는 천공 지그 매거진을 구비하여 이루어지는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 초음파 천공 장치는 상기 가이드 레일을 따라 이동하는 천공베이스부와
   상기 천공베이스부에 회전 가능하게 설치된 로봇 아암과 상기 로봇 아암에 결합된 천공 모듈을 구비하며,
   상기 천공 모듈은 선형의 천공 컬럼과 천공 컬럼 하부에 설치되는 다이와 천공 컬럼 상부에서 상하로 이동가능하게 설치되는 초음파 헤드를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템.
7. 일정 경로를 따라 이동할 수 있고, 이동 경로 상의 일정 위치에서 차량 범퍼에 천공 모듈을 이용하여 천공 작업을 하도록 설치되는 천공 장치와;
   차량 범퍼를 파지한 상태에서 용접 위치와 천공 위치 사이를 이동할 수 있는 이송 지그와, 상기 용접 위치에서 상기 차량 범퍼의 홀에 브래킷 용접을 실시할 수 있는 초음파 용접기를 구비하는 용접 스테이션 복수 개와;
   상기 천공 장치에 교체 장착 가능한 서로 다른 천공 모듈이 배치되는 천공 모듈 매거진;
   을 구비하며, 복수 개의 상기 용접 스테이션과 상기 천공 모듈 매거진이 상기 천공 장치의 이동 방향을 따라 배열되는 차량 범퍼 천공 및 용접 시스템을 운용함에 있어서,
   상기 천공 장치가 하나의 용접 스테이션의 천공 위치에서 천공 작업을 마치고 다른 용접 스테이션의 천공 위치로 천공 작업을 위해 이동하며, 이동 과정에서 상기 천공 장치가 상기 천공 모듈 매거진 위치에서 천공 모듈을 교체하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 범퍼 천공 및 용접 방법.

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