KR101486098B1 - 다관절 용접 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 6축 수직 다관절 용접 로봇을 이동가능한 갠트리(gantry)에 결합하여 용접 로봇 자체의 3차원 공간이동이 가능한 것으로서, 단일 로봇의 작동 범위를 비약적으로 확대시킴으로써 로봇 수를 줄일 수 있도록 한 용접 로봇에 관한 것이며, 본 발명은, 다관절 아암부의 측방 회전을 지지하는 아암 베이스(arm base)가 장착되는 횡방향 이동체와, 상기 횡방향 이동체의 이동을 안내하는 레일부와, 상기 레일부가 수평을 유지하며 바닥으로부터 이격되도록 레일부의 양단에 각각 결합되는 기둥부와, 상기 기둥부의 기저에 장착되어 기둥부를 상기 레일부의 연장방향에 대해 수직인 방향으로 이동시키는 전후방 이동체를 포함하는 갠트리(gantry)부와, 상기 다관절 아암부의 작동 선단에 장착되는 용접 툴(tool)부와, 상기 갠트리, 상기 다관절 아암부, 그리고 상기 용접 툴부의 작동을 제어하는 제어부로 구성된다.

Description

다관절 용접 로봇{ARTICULATED WELDING ROBOT}

본 발명은 6축 수직 다관절 용접 로봇을 이동가능한 갠트리(gantry)에 결합하여 용접 로봇 자체의 3차원 공간이동이 가능한 것으로서, 단일 로봇의 작동 범위를 비약적으로 확대시킴으로써 로봇 수를 줄일 수 있도록 한 용접 로봇에 관한 것이다.

다관절 용접 로봇은, 6축 수직 다관절 로봇의 선단부에 엔드 이펙터로서으로 용접 툴을 장착하여, 공간 내의 임의의 위치에서 임의의 자세를 취할 수 있어 무인 용접작업을 가능하게 한다.

이렇게 공간 내에서 임의의 자세를 취하기 위해서는, 공간 내에 위치를 나타내는 X, Y, Z좌표의 3개 자유도와, 경사 각도를 나타내는 롤링(rolling, X축 회전), 피칭(pitching, Y축 회전), 요잉(yawing, Z축 회전)의 3개 자유도를 합해, 6개의 자유도가 필요하다. 이를 확보하기 위해 다관절 로봇은 6개의 관절을 갖고 있는 경우가 많다.

이러한 다관절 용접 로봇은 반복적이고 위험한 작업을 높은 정밀도와 높은 생산성으로 실현하는데, 차량 또는 철도차량의 제조라인에서 용접 로봇을 적용하는 경우에는, 차량 양측에, 고정되거나 레일 안내에 의한 이동이 가능한 복수의 다관절 용접 로봇이 나열되어 작업 레시피에 의거하여 소정의 용접 지점에 소정의 용접 조건을 만족시키는 작업을 하게 된다.

그런데, 이러한 다관절 용접 로봇의 구성은 소품종 다량 생산이나, 전용 제조라인에 적용함에는 적합하나, 철도차량과 같은, 비교적 크기가 크고, 소량 다품종 생산의 제품일 경우에는, 모델을 바꾸면서 제조라인을 재구성함에 있어서 제조 비용이 높아지고, 이것이 제품가격에도 반영되어, 경쟁력 저하로 이어진다.

따라서, 다품종 소량 생산에 유리한 다관절 용접 로봇이 요구된다.

본 발명은 이러한 요구에 만족시키기 위해 안출된 것으로, 다관절 용접 로봇 자체의 공간이동을 가능하게 하기 위해, 6축 수직 다관절 용접 로봇에 3축 상으로의 이동수단이 추가되어 총 9축의 수직 다관절 용접 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 다관절 아암부의 측방 회전을 지지하는 아암 베이스(arm base)가 장착되는 횡방향 이동체와, 상기 횡방향 이동체의 이동을 안내하는 레일부와, 상기 레일부가 수평을 유지하며 바닥으로부터 이격되도록 레일부의 양단에 각각 결합되는 기둥부와, 상기 기둥부의 기저에 장착되어 기둥부를 상기 레일부의 연장방향에 대해 수직인 방향으로 이동시키는 전후방 이동체를 포함하는 갠트리(gantry)부와, 상기 다관절 아암부의 작동 선단에 장착되는 용접 툴(tool)부와, 상기 갠트리, 상기 다관절 아암부, 그리고 상기 용접 툴부의 작동을 제어하는 제어부로 이루어진다.

또한, 상기 기둥부는 유압실린더를 구비하여 연직방향으로 신축가능하다.

또한, 상기 용접 툴부는 스팟 용접 건(spot welding gun)이다.

또한, 상기 다관절 아암부는 6축 수직 다관절 로봇으로서, 수평한 아암 베이스(arm base)와, 상기 아암 베이스에 횡방향 회전이 가능하게 결합되는 숄더(shoulder)부와, 상기 숄더부의 선단에 그 일단이 전후방으로 관절연결된 엘보(elbow)부와, 상기 엘보부의 타단에 그 일단이 전후방으로 관절연결된 포어 아암(forearm)부와, 상기 포어 아암부의 둘레방향으로 피봇가능하게 내장되는 그 일단이 포어 아암부의 타단에 노출되는 피봇 칼럼(pivot column)과, 상기 피봇 칼럼의 일단에 그 일단이 전후방으로 관절연결되고, 그 타단이 둘레방향으로 회동하는 리스트(wrist)부로 이루어진다.

또한, 상기 다관절 아암부는 상기 용접 툴부와 반대인 그 후방에 밸런스 웨이트(balance weight)부를 더 구비한다.

또한, 상기 밸런스 웨이트부는, 무게추와, 이 무게추로부터 한쪽으로 뻗는 웨이트 로드로 형성되고, 상기 포어 아암부의 상기 일단으로부터 상기 리스트와 반대인 방향으로 돌출된 연장 돌출부와, 상기 연장 돌출부에 전후방으로 관절연결되는 연결 로드부와, 상기 엘보부의 상기 일단에, 상기 포어 아암부와 반대인 방향으로 돌출되되, 엘보부의 길이방향에 대해 수직인 방향으로 돌출되는 수직 돌출부가 형성된 상태에서, 상기 웨이트 로드의 일측 단부가 상기 수직 돌출부에 전후방으로 관절연결되고, 이 관절연결지점으로부터 상기 무게추쪽으로 이격된 지점에서 상기 연결 로드부가 회동가능하게 연결된 것으로 이루어지며, 상기 다관절 아암부가 작동시에, 상기 용접 툴부가 상기 아암 베이스로부터 멀어질수록 상기 무게추가 상기 엘보부로부터 멀어지고, 상기 용접 툴부가 상기 아암 베이스에 근접할수록 상기 무게추가 상기 엘보부에 근접한다.

본 발명의 다관절 용접 로봇은, 종래의, 용접 대상물을 중심으로 예컨대 좌우로 각각의 작업영역이 한정된 2대 이상 다관절 용접 로봇을 한대 또는 적은 대수의 다관절 용접 로봇으로 대체할 수 있고, 아울러, 모델 변경시 추가적인 제조라인의 재구성 없이 탄력적인 운용을 가능케하여 특히, 다품종 소량의 제품생산시의 제조비용을 획기적으로 저감할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명이 적용된 일 실시예에 의한 다관절 용접 로봇을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 다관절 용접 로봇이 바닥면으로부터 상승한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 3은 웨이트 밸런스부가 전개된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 4는 웨이트 밸런스부가 수축된 상태를 나타내는 사시도이다.

이하, 본 발명이 바람직하게 적용된 실시예에 대해 첨부 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용된 일 실시예에 의한 다관절 용접 로봇을 나타내는 사시도이다.

본 실시예의 다관절 용접 로봇은 다관절 아암부(1)와, 이 다관절 아암부(1)의 선단에 엔드 이펙터(end-effector)로서 부착된 용접 툴부(3)와, 다관절 아암부(1) 전체의 공간이동을 가능하게 하는 갠트리부(2)로 구성된다.

본 실시예의 다관절 아암부(1)는 6개의 관절로 이루어지는데, 이에 대해 설명하면, 먼저, 수평 받침대 역할을 하는 아암 베이스(arm base, 11)에 지지되어 요잉 회전이 가능하게 숄더(shoulder)부(12)가 결합된다. 이어서, 상기 숄더부(12)의 상부 선단(121)에는, 긴 형상의 엘보(elbow)부(13)의 일단(一端)이 관절연결되어, 상기 엘보부(13)는 관절연결지점에서 롤링 회전하여 전후방으로 접고 펴기를 한다.

이어서, 상기 엘보부(13)의 타단(131)에는 포어 아암(forearm)부(14)의 일단이 전후방으로 관절연결되어 관절연결지점에서 롤링 회전하여 전후방으로 접고 펴기를 하고, 한편으로 상기 포어 아암부(14) 내부에는 피봇 칼럼(pivot column, 15)의 둘레방향으로 피봇가능하게 내장되어 엔드 이펙터의 피칭 회전을 가능하게 한다.

상기 피봇 칼럼(15)은 상기 포어 아암부(14)의 타단으로부터 그 일단이 노출되며, 이 노출된 피봇 칼럼(15)의 일단(151)에 리스트(wrist)부(16)의 일단이 관절연결되어 관절연결지점에서 롤링 회전하여 전후방으로의 접고 펴기가 가능하게 된다. 그리고, 상기 리스트부(16)의 타단(161)은 둘레방향으로 피칭 회전이 가능하며, 여기에 다양한 엔드 이펙터가 장착된다.

한편, 상기 다관절 아암부(1)는 작동시에 전방으로 전개되어, 상기 용접 툴부(3)가 상기 아암 베이스(11)로부터 멀어질수록 무게 중심이 전방으로 이동되며, 여기에 요잉 회전이 부가되면, 더욱 전방으로 무게 중심이 쏠리게 되어, 상기 아암 베이스(11)와 상기 숄더부(12)의 연결구조에 상당한 하중이 부가된다.

따라서, 상기 다관절 아암부(1)에는 상기 용접 툴부(3)와 반대인 그 후방에 밸런스 웨이트(balance weight)부(17)를 구비하는 것이 바람직하다.

도 3은 웨이트 밸런스부가 전개된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 4는 웨이트 밸런스부가 수축된 상태를 나타내는 사시도이다.

상기 밸런스 웨이트부(17)의 구성에 대해 설명하면, 상기 포어 아암부(14)의, 상기 리스트(16)와 상반되는 방향의 타단에 연장 돌출부(141)가 형성되고, 이 연장 돌출부(141)의 단부에, 연결 로드부(171)의 일단이 관절연결되어 이 관절연결지점으로 중심으로 다관절 아암(1)의 후방쪽으로 연결 로드부(171)가 접고 펴기 동작을 하게 된다.

그리고, 상기 숄더부(12)와 관절연결된 일단에서 상기 엘보부(13)의 후방으로, 엘보부(13)의 길이방향에 대해 수직인 방향으로 돌출되는 수직 돌출부(도시 생략)가 형성된다.

여기서, 무게추(173)와, 이 무게추(173)로부터 한쪽으로 연장형성된 웨이트 로드(174)가 일체로 형성된 밸런스 웨이트부(17)가 다관절 아암부(1) 후방에 장착되는데, 상기 수직 돌출부에 상기 웨이트 로드(174)의 단부가 전후방으로 회동가능하게 연결되고, 이 관절연결지점으로부터 무게추(173)쪽으로 향하는 상기 웨이트 로드(174) 상에, 상기 연결 로드부(171)의 타단이 전후방으로 회동가능하게 연결된다.

도 3 및 도 4에 도시된 상기 엘보부(13)는 좌우로 분할된 형태인데, 이러한 형태에서는 상기 수직 돌출부를 형성하는 대신에 상기 웨이트 로드(174)를, 상기 엘보부(13)의 아래 관절 중심인 엘보 회전축에 공회전 가능하게 연결하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성하면, 다관절 아암부(1)의 전방에서 각 아암들이 접고 펴기를 할 때, 다관절 아암(1)의 후방에서도 상기 밸런스 웨이트부(17)의 접고 펴기가 동시에 이루어진다.

더 구체적으로 설명하면, 상기 다관절 아암부(1)의 작동 중에, 상기 용접 툴부(3)가 상기 아암 베이스(11)로부터 멀어지면 이에 연동해서 상기 밸런스 웨이트부(17)는 상기 엘보부(13)로부터 멀어지고, 상기 용접 툴부(3)가 상기 아암 베이스(11)에 접근하면 이에 연동해서 상기 밸런스 웨이트부(17)가 상기 엘보부(13)에 근접하게 되며, 상기 아암 베이스(11) 상에서 상기 숄더부(12)가 고속으로 선회할 때에 그에 상응하여 상기 밸런스 웨이트부(17)에 원심력이 작용하게 된다. 따라서, 다관절 아암부(1)의 작동 중에 전체 무게 중심이 상기 아암 베이스(11)의 둘레 범위 내에 있게 되어 다관절 아암부(1)가 전도되지 않게 된다.

한편, 상기 다관절 아암부(1) 전체는 공간이동이 가능한데, 이를 가능하게 하는 것이 갠트리(gantry)부(2)이다.

상기 갠트리부(2)는 전체적으로 가교형상을 가지며, 수평한 상부면에는 레일부(21)가 형성되어 있어, 이 레일부(21) 상으로 상기 아암 베이스(arm base)가 일체로 장착된 횡방향 이동체(10)가 왕복이동하게 된다.

그리고, 상기 레일부(21)는 바닥으로부터 일정 높이만큼 이격되도록 기둥부(22)에 의해 지지되는데, 이 기둥부(22)가 레일부(21)의 양단에 연결되어 있어, 횡방향 이동체(10)의 작동 범위가 레일부(21)의 전 길이에 이르도록 함으로써, 상기 다관절 아암부(1)는 레일부(21)의 끝단 주위에서도 가능하여, 갠트리부(2) 둘레 전역을 다관절 아암부(1)의 작업영역으로 할 수 있다.

한편, 상기 기둥부(22)의 바닥쪽 기저에는 상기 레일부(21)의 연장방향에 대해 수직인 방향으로 갠트리부(2) 전체를 이동시킬 수 있는 전후방 이동체(23)가 구비될 수 있으며, 이 전후방 이동체(23)의 차륜을 풀리 형태로 하고, 바닥면에 이에 대응하는 바닥 레일(24)을 설치하면, 갠트리부(2) 전체의 레일 이동이 가능하게 된다.

도 2는 도 1의 다관절 용접 로봇이 바닥면으로부터 상승한 상태를 나타내는 사시도이다.

상기 기둥부(21)에 유압 실린더(25)를 구비하여 연직방향으로 신축가능하게 함으로써, 상기 다관절 아암부(1)의 지상으로부터의 높이를 조절할 수 있게 되며, 이로써, 상기 다관절 아암부(1) 자체의 3차원 공간 이동이 가능하게 된다.

그리고, 이러한 다관절 아암부(1)의 공간 상에서의 위치 제어는 다관절 아암부(1)의 작동과 더불어 제어부(4)에서 이루어지며, 본 실시예에서는 제어부(4)의 컨트롤 박스를 상기 기둥부(21)에 일체로 설치하였다.

한편, 상기 다관절 아암부(1)의 선단부에 장착되는 엔드 이펙트로서 용접 툴부(3)를 장착하여 다관절 용접 로봇을 구성하는 본 실시예에서는, 상기 용접 툴부(3)로서 스팟 용접 건(spot welding gun)을 적용하였다.

스팟(spot) 용접 건은 차체나 스틸제 가구를 용접할 때 사용되며, 본 실시예에서는 스팟 용접 건이 다관절 아암부(1)의 선단에 부착한 경우를 나타내고 있다.

스팟 용접 건은, C자형 죠(jaw)의 양 이빨 단부에 전극팁이 각각 구비되어, 그 사이로 피용접재(주로, 판재)를 위치시켜, 상부 팁(upper tip, 31)이 모터(33)에 의해 하부 팁(lower tip, 32)에 근접하거나 멀어지는 선형 이동을 반복하며 용접을 행하는 것으로, 정밀 제어가 가능하고 그 구조가 간단하여 대형이라도 경량으로 할 수 있어 다관절 아암 로봇의 조작성을 향상시킨다.

그러나, 다관절 아암부의 선단에 장착되는 용접 건은, 상기 스팟 용접 건으로 한정되지 않지 않고, 그밖에도 상기 죠 자체의 개폐를 통해 가압력을 높이는 멀티 용접 건(X자형 스팟 용접 건이라고도 한다)이나, 압력센서가 구비되어 피용접재에 따라 가압력을 정밀 조절 가능한 공압식 로봇 건 등으로 대체될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 포함된다.

1: 다관절 아암부
11: 아암 베이스
12: 숄더부
121: 상부 선단
13: 엘보부
131: 타단
14: 포어 아암부
141: 연장 돌출부
15: 피봇 칼럼
151: 일단
16: 리스트부
161: 타단
17: 밸런스 웨이트부
171: 연결 로드부
172: 엘보 회전축
173: 무게추
174: 웨이트 로드
2: 갠트리부
21: 레일부
22: 기둥부
23: 전후방 이동체
24: 바닥 레일
25: 유압 실린더
3: 용접 툴부
31: 상부 팁
32: 하부 팁
33: 모터
4: 제어부

Claims (6)

1. 다관절 아암부의 측방 회전을 지지하는 아암 베이스(arm base)가 장착되는 횡방향 이동체와, 상기 횡방향 이동체의 이동을 안내하는 레일부와, 상기 레일부가 수평을 유지하며 바닥으로부터 이격되도록 레일부의 양단에 각각 결합되는 기둥부와, 상기 기둥부의 기저에 장착되어 기둥부를 상기 레일부의 연장방향에 대해 수직인 방향으로 이동시키는 전후방 이동체를 포함하는 갠트리(gantry)부와,
   상기 다관절 아암부의 작동 선단에 장착되는 용접 툴(tool)부와,
   상기 갠트리, 상기 다관절 아암부, 그리고 상기 용접 툴부의 작동을 제어하는 제어부로 이루어지며,
   상기 다관절 아암부는 6축 수직 다관절 로봇으로서, 수평한 아암 베이스(arm base)와, 상기 아암 베이스에 횡방향 회전이 가능하게 결합되는 숄더(shoulder)부와, 상기 숄더부의 선단에 그 일단이 전후방으로 관절연결된 엘보(elbow)부와, 상기 엘보부의 타단에 그 일단이 전후방으로 관절연결된 포어 아암(forearm)부와, 상기 포어 아암부의 둘레방향으로 피봇가능하게 내장되는 그 일단이 포어 아암부의 타단에 노출되는 피봇 칼럼(pivot column)과, 상기 피봇 칼럼의 일단에 그 일단이 전후방으로 관절연결되고, 그 타단이 둘레방향으로 회동하는 리스트(wrist)부로 이루어지고,
   상기 다관절 아암부는 상기 용접 툴부와 반대인 그 후방에 밸런스 웨이트(balance weight)부를 더 구비하며,
   상기 밸런스 웨이트부는, 무게추와, 이 무게추로부터 한쪽으로 뻗는 웨이트 로드로 형성되고,
   상기 포어 아암부의 상기 일단으로부터 상기 리스트와 반대인 방향으로 돌출된 연장 돌출부와, 상기 연장 돌출부의 단부에 그 일단이 전후방으로 회동가능하게 관절연결되고, 이 관절연결지점을 중심으로 다관절 아암의 후방쪽으로 접고 펴기 동작을 하는 연결 로드부와, 상기 엘보부의 상기 일단에, 상기 포어 아암부와 반대인 방향으로 돌출되되, 엘보부의 길이방향에 대해 수직인 방향으로 돌출되는 수직 돌출부가 형성된 상태에서, 상기 웨이트 로드의 일측 단부가 상기 수직 돌출부에 전후방으로 회동가능하게 관절연결되고, 이 관절연결지점으로부터 상기 무게추쪽으로 향하여 이격된 지점인 상기 웨이트 로드 상에 상기 연결 로드부의 타단이 전후방으로 회동가능하게 연결된 것으로 이루어지며,
   상기 다관절 아암부가 작동시에, 상기 용접 툴부가 상기 아암 베이스로부터 멀어질수록 상기 무게추가 상기 엘보부로부터 멀어지고, 상기 용접 툴부가 상기 아암 베이스에 근접할수록 상기 무게추가 상기 엘보부에 근접하는 것을 특징으로 하는 다관절 용접 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기둥부는 유압실린더를 구비하여 연직방향으로 신축가능한 것을 특징으로 하는 다관절 용접 로봇.
3. 제1항에 있어서,
   상기 용접 툴부는 스팟 용접 건(spot welding gun)인 것을 특징으로 하는 다관절 용접 로봇.
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