KR102161649B1 - 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치 - Google Patents

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장동현
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Abstract

본 발명은 3차원 타원 형상의 곡면부를 가진 용접 부위를 자동으로 용접할 수 있는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치는,
전극봉과, 상기 전극봉의 적어도 일측에 이격 형성된 와이어 노즐을 포함하며 용접 가공을 수행하는 토치부; 상기 토치부를 3차원 타원 궤적을 따라 이동시키면서, 상기 토치부가 용접을 수행하는 용접 경사면에 대해 상기 토치부의 수직 자세가 유지되도록 하는 다축 구동부를 포함한다.

Description

3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치 {3D elliptical curved surface automatic welding device}
본 발명은 용접장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 3차원 타원 형상의 곡면부를 가진 용접 부위를 자동으로 용접할 수 있는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동 용접장치는 미리 프로그래밍된 경로를 따라 두개의 모재를 서로 접착하는 장치로서 다양한 분야에서 사용되고 있다.
현재 원형 형상을 자동으로 용접하는 자동 용접장치에 대해서는 많은 기술이 알려진 바 있으나, 용접 수행에 따라 반경이 수시로 변하는 타원 형상을 자동으로 용접하는 자동 용접장치에 대한 기술은 알려진 바 없다.
이에 본 명세서에서는 3차원 타원 형상의 곡면부를 가진 용접 부위를 자동으로 용접할 수 있는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 대해 개시한다.
등록실용신안공보 제20-0281772호 (원/타원 트랙킹 용접 로봇)
본 발명은 3차원 타원 형상의 곡면부를 가진 용접 부위를 자동으로 용접할 수 있는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 평면 또는 곡면을 관통하는 원통 형상의 구조물과 관통된 면이 이루는 J형 그루브 용접에 적합한 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치는,
전극봉과, 상기 전극봉의 적어도 일측에 이격 형성된 와이어 노즐을 포함하며 용접 가공을 수행하는 토치부; 상기 토치부를 3차원 타원 궤적을 따라 이동시키면서, 상기 토치부가 용접을 수행하는 용접 경사면에 대해 상기 토치부의 수직 자세가 유지되도록 하는 다축 구동부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상부에 상기 다축 구동부를 지지하면서, 용접 대상물에 고정 지지되는 지지부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 지지부는, 원통형의 용접 대상물 내부에 삽입되는 지지봉과, 지지봉 상부에 형성되며, 원통형의 용접 대상물 상단면에 걸쳐지는 고정 플레이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 지지부는, 원통형의 용접 대상물 내부에 삽입되는 지지봉과, 지지봉의 외주면에 형성되며 방사 방향으로 압축 및 신장이 가능한 디스크 형상의 가변 플레이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상기 다축 구동부는, 상기 토치부를 회전시키는 회전 구동부와, 상기 토치부를 방사 방향(radial direction)으로 이동시키는 방사 구동부와, 상기 토치부를 수직 방향으로 이동시키는 수직 구동부와, 상기 토치부를 상기 용접 경사면에 대해 수직 자세를 유지시키는 틸팅 구동부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상기 틸팅 구동부는, 제1 방향으로 상기 토치부를 이동시켜서 상기 토치부의 제1 방향 경사각을 조절하는 제1 틸팅 구동부와, 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 상기 토치부를 이동시켜서 상기 토치부의 제2 방향 경사각을 조절하는 제2 틸팅 구동부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상기 다축 구동부는, 상기 틸팅 구동부에 의해 상기 토치부의 자세 교정시에, 상기 토치부가 용접 수행 방향에서 이탈할 때, 상기 토치부의 용접 수행 방향을 보정하는 보정 구동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상기 다축 구동부는, 상기 토치부와 용접 대상물과의 간격을 유지시키는 간격 유지 구동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상기 방사 구동부는 상기 회전 구동부 상에 고정 체결되고, 상기 수직 구동부는 하방향으로 연장 형성된 수직축을 구비하며, 상기 방사 구동부는 상기 수직축과 체결되는 제1 수직바를 구비하고, 상기 보정 구동부는 상기 수직축과 연결되며, 상기 제1 틸팅 구동부는 상기 보정 구동부와 연결되고, 상기 제2 틸팅 구동부는 상기 제1 틸팅 구동부와 연결되어, 상기 수직 구동부의 수직 이동 또는 상기 회전 구동부의 회전에 따라, 상기 수직 구동부와 상기 회전 구동부와 상기 방사 구동부와 상기 보정 구동부와 상기 제1 틸팅 구동부와 상기 제2 틸팅 구동부가 함께 상하로 수직 이동 또는 회전할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상기 3차원 타원 궤적은 복수개의 분할점에 의해 분할된 궤적의 길이가 균등하도록 분할되고, 균등 분할된 궤적 구간에 대해 상기 다축 구동부는 선형으로 구동하여 3차원 타원 궤적 상의 용접 속도를 일정하게 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상기 토치부는 상기 전극봉의 양측에 이격 형성된 와이어 노즐을 포함하며, 상기 다축 구동부에 의해 상기 토치부는 용접 시작점에서 일방향으로 기설정된 각도로 회전하여 일방향 용접을 완료한 후, 상기 용접 시작점으로 복귀하고, 다시 타방향으로 회전하면서 용접을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상기 용접 시작점은 3차원 타원형의 곡면부에서 수직 방향(z축 방향)으로 가장 높은 지점이며, 상기 일방향 용접을 완료하여 상기 용접 시작점으로 복귀하는 지점은 3차원 타원형의 곡면부에서 수직 방향(z축 방향)으로 가장 낮은 지점일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에 있어서, 상기 토치부는 J형 그루브 용접을 수행하는 것이 바람직하다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 3차원 타원 형상의 곡면부를 가진 용접 부위를 자동으로 용접할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 평면 또는 곡면을 관통하는 원통 형상의 구조물과 관통된 면이 이루는 J형 그루브 용접에 적합한 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치가 용접 대상물인 원자로 헤드에 설치된 상태가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치가 도시된 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치가 도시된 측면도이다.
도 4 내지 도 6은 다축 구동부를 이루는 각각의 구동부들의 동작 수행을 위한 3차원 타원 궤적을 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치를 이용한 자동 용접방법이 도시된 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치의 콘트롤러 화면이 예시된 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치의 용접 수행 방식이 개념적으로 도시된 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치가 용접 대상물인 원자로 헤드에 설치된 상태가 도시된 도면이다.
통상 원자로 헤드(H)와 관통 노즐(N)이 접하는 경계면은 J형 그루브 용접을 통해 서로 접합시키고 있다. 관통 노즐(N)의 단면은 원형이나, 원자로 헤드(H)의 벽면은 반구 형상이므로, 원자로 헤드(H)와 관통 노즐(N)이 접하는 경계면은 3차원의 타원 형상을 가진다.
원자로 헤드(H)에 관통 노즐(N) 용접시, 복수개의 관통 노즐(N)이 촘촘하게 배열되어 상대적으로 용접 부위가 협소하다. 어느 하나의 관통 노즐과 인접한 관통 노즐 사이의 공간이 협소하여 용접 수행이 어렵다.
본 발명의 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치(10)는 관통 노즐(N)에 고정되어 원자로 헤드(H)와 관통 노즐(N)과의 경계면을 자동 용접하는 데 사용되며, 특히, 토치부를 용접 대상물인 3차원 타원 형상의 곡면을 따라 이동시키면서, 토치부가 용접을 수행하는 용접 경사면에 대해 토치부의 수직 자세가 유지되도록 하여 균일한 용접 품질을 얻을 수 있도록 한다. 물론, 원자로 헤드(H)와 관통 노즐(N)과의 경계면은 용접 대상물의 일 예일 뿐, 용접 부위가 3차원 타원 형상인 모든 구조물에 대해 본 발명이 적용될 수 있다.
한편, J형 그루브 용접은 평면 또는 곡면을 관통하는 원통 형상의 구조물과 관통된 면이 이루는 용접 부위를 용접하는 데 적합한 용접 방식이며, 본 발명의 자동 용접장치(10)는 이와 같은 평면 또는 곡면을 관통하는 원통 형상의 구조물에 의해 생기는 용접 부위를 용접하기 위한 용접 장치이므로, 본 발명의 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치(10)는 3차원 타원 형상 중에서도 J형 그루브 용접에 적합하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치가 도시된 정면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치가 도시된 측면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치(10)(이하, 자동 용접장치라고도 함)는, 지지부(100)와, 토치부(200)와, 다축 구동부(300: 310 ~ 370)를 포함한다.
지지부(100)는 상부에 다축 구동부(300)를 지지하면서, 본 발명의 자동 용접장치가 용접 대상물에 고정 지지되도록 한다. 예를 들어, 용접 대상물은 원자로 헤드(H)에 삽입되는 관통 노즐(N)의 경계면일 수 있다.
지지부(100)는 용접 대상물인 관통 노즐(N)의 상단면에 걸쳐지거나, 또는 관통 노즐(N)의 내주면에 고정 지지될 수 있도록 구성된다.
지지부(100)가 관통 노즐(N)의 상단면에 걸쳐지는 경우, 지지부(100)는 지지봉(110)과 지지봉(110) 상부에 형성되는 고정 플레이트(120)를 구비한다. 지지봉(110)은 관통 노즐(N)에 삽입되고, 고정 플레이트(120)는 관통 노즐(N)의 상단면에 걸쳐지고, 볼트를 이용하여 관통 노즐(N)에 견고하게 고정된다.
한편, 다른 실시 형태로, 지지부(100)가 관통 노즐(N)의 내주면에 지지되는 경우, 지지부(100)는 지지봉(110)과 지지봉(110)의 외주면에 형성되며 방사 방향으로 압축/신장이 가능한 디스크 형상의 가변 플레이트(130)를 구비할 수 있다. 가변 플레이트(130)는 직경이 상이한 다단의 디스크가 중첩된 형태로 구성될 수 있다. (도 2의 A로 도시된 원형 부분 참조)
지지부(100)의 다른 실시 형태에 의하면, 다단의 디스크가 압축된 상태에서 지지부(100)를 관통 노즐(N)로 삽입한 후, 다단의 디스크를 방사 방향으로 신장시켜서 지지부(100)가 관통 노즐(N)의 내주면에 지지되도록 하여 자동 용접장치(10)를 관통 노즐(N)에 견고하게 고정할 수 있다.
토치부(200)는 용접 대상물에 대한 용접 가공을 수행한다. 예를 들어, 토치부(200)는 원자로 헤드(H)와 관통 노즐(N)의 경계면에 대해 용접 가공을 수행한다. 토치부(200)는 제1 틸팅 구동부(340) 하단에 연결 형성된다. 토치부(200)는 텅스텐 재질로 이루어진 전극봉(210)과 전극봉(210)의 적어도 일측에 이격 형성된 와이어 노즐(220)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 와이어 노즐(220)은 전극봉(210)을 중심으로 전극봉(210)의 양측에 이격 형성되고, 와이어 노즐(220)의 끝단은 전극봉(210) 방향으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하며, 이에 대해선 후술한다.
다축 구동부(300)는 지지부(100)에 의해 지지되며, 토치부(200)를 용접 대상물인 3차원 타원 형상의 곡면을 따라 이동시키면서, 토치부(200)가 용접을 수행하는 용접 경사면에 대해 토치부(200)의 수직 자세가 유지되도록 한다.
이를 위해, 다축 구동부(300)는 회전 구동부(310), 방사 구동부(320), 수직 구동부(330), 제1 틸팅 구동부(340), 제2 틸팅 구동부(350), 보정 구동부(360), 간격 유지 구동부(370)를 포함한다.
회전 구동부(310)는 토치부(200)를 회전시킨다. 회전 구동부(310)와 방사 구동부(320)는 볼트 등의 체결 수단에 의해 체결된다. 방사 구동부(320)는 수직축(331)과 체결되어 수직 구동부(330)의 수직 이동에 따라 회전 구동부(310)와 방사 구동부(320)는 상하로 이동된다.
또한, 보정 구동부(360)는 수직축(331)과 연결되고, 제1 틸팅 구동부(340)는 보정 구동부(360)와 연결되며, 제2 틸팅 구동부(350)는 제1 틸팅 구동부(340)와 연결된다. 따라서, 수직 구동부(330)의 수직 이동에 따라 제1 틸팅 구동부(340)와 제2 틸팅 구동부(350)와 보정 구동부(360)는 상하로 이동된다.
따라서, 수직 구동부(330)의 수직축(331)에 회전 구동부(310), 방사 구동부(320), 제1 틸팅 구동부(340), 제2 틸팅 구동부(350), 보정 구동부(360)가 직간접적으로 연결되어, 수직 구동부(330)의 수직 이동에 따라 구동부들(310, 320, 340, 350, 360)이 함께 상하로 이동된다.
한편, 방사 구동부(320)는 회전 구동부(310) 상에 체결 고정되므로, 회전 구동부(310)가 모터(미도시)에 의해 회전되면 이에 체결된 방사 구동부(320)도 함께 회전하고, 방사 구동부(320)와 체결된 수직축(331)도 회전하므로, 수직축(331)과 직간접적으로 연결된 구동부들(320, 330, 340, 350, 360)도 함께 회전된다.
토치부(200)는 제1 틸팅 구동부(340) 하단에 연결 형성되므로, 회전 구동부(310)가 회전하면 제1 틸팅 구동부(340)도 회전하고, 그 하단에 연결된 토치부(200)도 함께 회전하면서 용접 가공을 수행한다.
방사 구동부(320)는 토치부(200)를 방사 방향(radial direction)으로 이동시킨다. 회전 구동부(310) 회전시, 방사 구동부(320)는 함께 회전되면서 토치부(200)를 반경 방향으로 전후진시켜서 토치부(200)의 이동 궤적이 타원을 형성하도록 한다.
방사 구동부(320)는 수직축(331)과 체결되는 제1 수직바(321)와, 제1 수직바(321)를 일방향으로 전후진시키는 구동 수단을 포함한다. 제1 수직바(321)를 전후진시키는 구동 수단은 모터와 이에 연결된 하나 이상의 기어링크들 또는 유압식 액츄에이터 또는 공압식 액츄에이터일 수 있다.
방사 구동부(320)의 작동에 의해 제1 수직바(321)가 이동하면 수직축(331)도 이동하게 되고, 수직축(331)과 직간접적으로 연결된 제1 틸팅 구동부(340), 제2 틸팅 구동부(350), 보정 구동부(360)가 방사 방향으로 이동하고, 제1 틸팅 구동부(340) 하단에 연결된 토치부(200)도 함께 방사 방향으로 이동하면서 용접 가공을 수행한다.
토치부(200)는 회전 구동부(310)에 의해 회전되면서 방사 구동부(320)에 의해 방사 방향(반경 방향)으로 전후진하므로, 토치부(200)의 이동 궤적은 타원을 형성하게 된다.
수직 구동부(330)는 토치부(200)를 수직 방향으로 이동시킨다. 수직 구동부(330)는 수직축(331)과 수직축(331)을 상하로 이동시키는 구동 수단을 포함한다. 수직축(331) 구동 수단은 모터와 이에 연결된 하나 이상의 기어링크들 또는 유압식 액츄에이터 또는 공압식 액츄에이터일 수 있다.
수직축(331)은 보정 구동부(360)와 연결되고, 보정 구동부(360)는 제1 틸팅 구동부(340)와 연결되므로, 수직 구동부(330)가 수직축(331)을 상하로 이동시키면 제1 틸팅 구동부(340)가 상하로 이동되고, 제1 틸팅 구동부(340) 하단에 연결된 토치부(200)도 함께 상하로 이동하면서 용접 가공을 수행한다. 따라서, 상하 방향(Z축 방향)으로 용접을 수행할 수 있게 된다.
토치부(200)의 이동 궤적은 회전 구동부(310)와 방사 구동부(320)에 의해 xy 평면상에 타원을 형성하면서, 수직 구동부(330)에 의해 z축 방향으로 이동되므로 3차원 형상의 타원형 곡면부를 용접할 수 있게 된다.
용접 가공 수행 중에, 토치부(200)의 전극봉(210)이 용접 경사면에 대해 수직이 아닌 경우, 용접 품질이 불균일해진다. 한편, 원자로 분야의 특성상 안전이 가장 중요한 요소이며, 용접 대상물이 원자로 헤드인 경우, 용접 품질의 불균일은 안전에 치명적인 요소가 될 수 있다.
이에, 본 발명에서는 토치부(200)가 용접을 수행하는 용접 경사면에 대해 토치부(200)의 수직 자세가 유지되도록 제1 틸팅 구동부(340)와 제2 틸팅 구동부(350)를 구비한다.
제1 틸팅 구동부(340)는 토치부(200), 구체적으로는 전극봉(210)의 경사각을 조절한다. 제1 틸팅 구동부(340)는 토치부(200)를 시계 방향 또는 반시계 방향(도 2에서 x축 방향)으로 이동시키는 틸팅 수단을 포함한다. 틸팅 수단은 틸팅 모터(341)와 이에 연결된 하나 이상의 기어링크들(미도시)을 포함할 수 있다. 또는 틸팅 수단은 제1 틸팅 구동부(340)와 토치부(200)가 연결되는 부분에 형성되는 유압식 액츄에이터 또는 공압식 액츄에이터일 수 있다.
제2 틸팅 구동부(350)는 제1 틸팅 구동부(340)를 y축 방향으로 전후진시켜서 토치부(200), 구체적으로는 전극봉(210)의 경사각을 조절한다. 제2 틸팅 구동부(350)는 제1 틸팅 구동부(340)과 체결되는 제2 수직바(351)와, 제2 수직바(351)를 일방향으로 전후진시키는 구동 수단을 포함한다. 제2 수직바(351)를 전후진시키는 구동 수단은 모터와 이에 연결된 하나 이상의 기어링크들 또는 유압식 액츄에이터 또는 공압식 액츄에이터일 수 있다.
제1 틸팅 구동부(340)의 구동에 따라 토치부(200)가 시계 방향 또는 반시계 방향(x축 방향)으로 이동되면서 전극봉(210)의 x축 방향 경사각이 조절되고, 제2 틸팅 구동부(350)의 구동에 따라 제1 틸팅 구동부(340)가 y축 방향으로 이동되면서 전극봉(210)의 y축 방향 경사각이 조절된다. 즉, 제1 틸팅 구동부(340) 및 제2 틸팅 구동부(350)의 동작에 따라 토치부(200)의 경사각은 2축으로 조절되므로, 전 방향으로 조절될 수 있다.
보정 구동부(360)는 틸팅 구동부(340, 350)에 의해 토치부(200)의 자세 교정시, 토치부(200)가 용접 수행 방향에서 이탈할 때, 토치부(200)의 용접 수행 방향을 원래의 방향으로 보정한다.
틸팅 구동부(340, 350)에 의해 토치부(200)의 전극봉(210)의 경사각을 조절할 때, 뾰족한 전극봉(210)의 끝단이 용접 경사면에서 미끄러지는 경우가 발생한다. 전극봉(210)의 끝단이 미끄러지게 되면, 용접 수행 방향이 역방향으로 되거나, 입력된 타원 궤도를 이탈하게 되어 용접 품질 불량이 발생한다.
보정 구동부(360)는 전극봉(210)의 이탈 방향과 반대 방향으로 이탈한 거리만큼 제1 틸팅 구동부(340)를 이동시켜서 토치부(200)의 용접 수행 방향을 보정한다. 보정 구동부(360)는 제1 틸팅 구동부(340)의 소정 부위에 체결 형성되며, 제1 틸팅 구동부(340)를 일방향으로 전후진시키는 구동 수단을 포함한다. 구동 수단은 모터와 이에 연결된 하나 이상의 기어링크들 또는 유압식 액츄에이터 또는 공압식 액츄에이터일 수 있다.
간격 유지 구동부(370)는 토치부(200)와 용접 대상물과의 간격을 유지시킨다. 토치부(구체적으로는 전극봉(210))와 용접 대상물과의 간격이 변동되면, 어느 부분은 용접량이 많고, 다른 부분은 용접량이 적게 되는 등, 용접 품질이 불균일해진다. 용접 대상물이 원자로 헤드인 경우, 용접 품질의 불균일은 안전에 치명적인 요소가 될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 토치부(200)와 용접 대상물과의 간격이 일정하게 유지되도록 간격 유지 구동부(370)를 구비한다.
간격 유지 구동부(370)는 토치부(200)를 일방향으로 전후진시키는 구동 수단을 포함한다. 구동 수단은 모터와 이에 연결된 하나 이상의 기어링크들 또는 유압식 액츄에이터 또는 공압식 액츄에이터일 수 있다.
미설명 도면부호 CV는 케이블베어(cableveyor)이다.
다음으로, 다축 구동부(300)를 이루는 각각의 구동부들(310 ~ 370)의 동작 수행을 위한 3차원 타원형 곡면부 용접 궤적을 도출하는 방법을 설명한다. 이하의 설명에서, 3차원 타원형 곡면부가 원자로 헤드(H)와 관통 노즐(N)의 경계면인 경우를 예시하여 설명한다. 물론, 이는 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 원자력 분야의 특성상, 구조물의 안전이 가장 중요하며, 안전을 향상시키기 위해서는 원자로 헤드 용접은 균일하게 수행되어야 한다. 이를 위해서는 자동 용접장치의 정속 구동이 확보되어야 한다.
1. 경사면에 위치한 용접선의 궤적 분석
도 4에 도시된 바와 같이, 원자로 헤드의 용접부 궤적은 3차원 곡면상에 타원 궤적으로 이루어진다. 토치부의 끝점(전극봉(210))은 이러한 궤적을 따라 움직인다.
노즐 위치의 경사면 기울기를 α, 노즐 반경을 r로 하고, 초기 조건 t =0 일 때, x = 0, y = -r, z = 0 로 표현된다. 이때 끝점을 원하는 궤적을 따라 운동시키고 속도를 일정하게 유지하고자 한다면 x축의 각속도(ω)를 위치에 따라 변화(ω = f(θ))시켜야 한다. 그 때의 x, y축과 z축의 위치(x, y, z)와 속도(vx, vy, vz)는 다음 식 (1), 식 (2)와 같고 최종 속도 V는 식 (3)과 같다.
식 (1) :
Figure 112019052056822-pat00001
식 (2) :
Figure 112019052056822-pat00002
식 (3) :
Figure 112019052056822-pat00003
이 때, V = vω로 가정하면 X축의 각속도(
Figure 112019052056822-pat00004
)는 다음 식 (4)와 같다.
식 (4) :
Figure 112019052056822-pat00005
그러나 실제로는 노즐이 원자로 헤드에 삽입되어 있으므로 yz평면 상의 궤적은, 도 5에 도시된 바와 같이, 경사면 상에 직선이 아닌 원호 형태를 갖는다. 이를 고려하여 수식을 전개하면 위치(x, y, z), 속도(vx, vy, vz), 각속도(
Figure 112019052056822-pat00006
)는 다음 식들과 같다.
식 (5) :
Figure 112019052056822-pat00007
여기서,
Figure 112019052056822-pat00008
임
식 (6) :
Figure 112019052056822-pat00009
식 (7) :
Figure 112019052056822-pat00010
이 때, 각도는 다음 식 (8)로 결정할 수 있으므로, 각 점의 궤적상 위치, 속도, 각속도는 α, L, r이 주어지면 정해진다.
식 (8) :
Figure 112019052056822-pat00011
경사면과 원호의 표면까지의 최대 거리 δh는 다음 식 (9)와 같다.
식 (9) :
Figure 112019052056822-pat00012
여기서, 원자로 헤드에 비하여 관통 노즐의 직경은 작으므로 경사면을 평면으로 가정했을 때와 곡면으로 했을 때의 높이 변화 δh는 수 mm이며, 평균속도도 유사하게 계산된다.
따라서, 궤적에 대한 위치 분할만 잘 이루어진다면 원자로 헤드 곡면 형상이 속도 변화에는 크게 영향을 주지 않음을 알 수 있다. 따라서 타원 궤적을 궤적 길이가 균등하도록 분할하여 분할점을 입력하고 다축 구동부(300)의 구동 모드를 선형으로 설정하면, 다축 구동부(300)의 직각 좌표상의 직선 보간 기능을 사용하여 각 점에서 큰 폭의 속력 변화없이 3차원 궤적상의 용접 속도를 일정하게 할 수 있다. 즉, 자동 용접장치의 정속 구동을 구현할 수 있다.
2. 경사보정 및 제어절차
도 6을 참조하여, 토치의 자세를 용접 경사면에 따라 변경하였을 경우에 대한, 토치 끝점의 위치와 속도를 설명한다.
토치 기울임 각을 β라고 할 때, β는 경사면 기울기 α와 회전각 θ에 따라 달라진다. θ = 0°일 때 β = 0°이며, θ = 90°일 때 β = α, θ = 180°일 때 β = 0, θ = 270° 일 때 β = -α 순이다. 따라서 β는 진폭이 2α인 조화함수라는 것을 알 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 β = αsinθ 이다.
β값 변화에 따른 z축 차이값 Δz와 x, y 좌표값의 차이 Δx, Δy는 다음 식 (10)과 같다. 이 때 L은 토치 길이이다.
식 (10) :
Figure 112019052056822-pat00013
이상의 내용을 끝점의 위치와 속도에 반영하면 다음 식 (11)과 같다.
식 (11) :
Figure 112019052056822-pat00014
이 경우, 토치의 끝점은 Δx, Δy, Δz 때문에 궤적에서 이탈하게 되며, 이를 방지하기 위해서 식 (8)과 같은 보정값을 z축(수직 구동부의 축방향)과 M축(보정 구동부의 축방향)에 반영시켜야 한다. 이 때, M축에 대한 보정값
Figure 112019052056822-pat00015
의 보상으로 Δx = 0, Δy = 0이 된다.
식 (12) :
Figure 112019052056822-pat00016
보정값을 반영한 새로운 위치 지시값을 정리하면 다음 식 (13)과 같다.
식 (13) :
Figure 112019052056822-pat00017
여기서, β는 토치부의 기울임 각도이고,
Figure 112019052056822-pat00018
는 토치부의 높이값이며, M은 토치부 기울임 보상 거리이다.
최종적으로, 본 발명의 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치에서 다축 구동부(300)가 토치부(200)를 3차원 타원 형상의 곡면을 따라 이동시키기 위해, 구동축들의 동작을 제어하는 모터의 제어 방법을 정리하면 다음과 같다.
1) 노즐 반경 r, 경사 각도 α, 용접 속도 V를 입력으로 식 (4)의 미분방정식을 풀어서 시간 t에 대한 회전각 θ를 구한다. 이 때, Δt값은 임의로 정하며, θ 값은 수학적으로 표현이 되지 않으므로 벡터형 data로 얻는다.
2) θ 값을 회전 구동부(310)를 구동하는 모터의 제어값으로 사용한다. (X = θ)
3) 토치 길이(전극봉(210)의 길이) L을 입력하고, 식 (9)에 θ 값을 입력하여 토치 기울임 각도 β, 토치 값
Figure 112019052056822-pat00019
, 기울임 보상 거리 M을 구하고, 이를 각각의 구동부를 구성하는 모터의 제어값으로 사용한다.
회전 구동부(310)를 정속으로 구동하면 타원 궤적을 추적하지 못하거나, 타원 궤적에 대한 속도를 정속으로 유지할 수 없다. 따라서 회전 구동부(310)의 구동을 회전각에 따라 변화시켜야 하며 이것은 회전 반경, 경사 각도, 원하는 용접 속도에 의해 결정된다. 토치부 자세를 용접 경사면과 수직이 되도록 보정하기 위해 사용하는 틸팅축과 기울임 보상축은 회전각에 따라 제어하여야 하며, 이는 상기와 같이 토치 길이, 경사 각도에 의해 결정된다.
다음으로, 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치를 이용한 자동 용접방법을 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치를 이용한 자동 용접방법이 도시된 순서도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치의 콘트롤러 화면이 예시된 예시도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치의 용접 수행 방식이 개념적으로 도시된 도면이다.
먼저, 도 8에 예시된 바와 같은 콘트롤러에 용접 조건값들을 입력한다. (S100) 입력되는 용접 조건값은, 토치부(200)의 기울기각, 토치부(200)의 길이, 용접 대상인 관통 노즐의 직경, 용접 시작각도, 용접 종료각도 등이 될 수 있다. 용접 시작각도는, 용접을 개시할 타원 궤적상의 어느 한 점을 의미하고, 용접 종료각도는, 회전 구동부(310)의 회전에 의한 용접이 종료되는 지점을 의미한다.
한편, 타원 궤적 균등 분할을 위한 분할점은 별도로 입력될 수도 있으나, 장치 제조 과정에서 콘트롤러에 기본값(defalut)이 미리 설정되어 있을 수 있다. 도 8은 분할점이 미리 기본값으로 설정된 경우를 예시한다. 용접 조건값을 입력함에 따라, 다축 구동부(300)를 이루는 각각의 구동부들(310 ~ 370)을 구동하는 모터들의 모터 제어값이 산출된다.
도 8에서 “R축_회전축”은 회전 구동부(310), “C축_직경값”은 방사 구동부(320), “Z축 위치값”은 수직 구동부(330), “T축_토치앵글”은 제1 틸팅 구동부(340)와 제2 틸팅 구동부(350), “M축 위치값”은 보정 구동부(360), “AVC 위치값”은 간격 유지 구동부(370)의 구동 상태를 표시한다.
다음, 가동 스위치를 눌러서 용접을 수행한다. (S200) 도 9를 참조하면, 용접 수행은 토치부(200)의 구조에 따라 일방향 용접(도 9의 (a) 참조) 또는 양방향 용접(도 9의 (b) 참조) 2가지 방식으로 수행될 수 있다.
일방향 용접은 토치부(200)가 일방향(시계 방향 또는 반시계 방향)으로 회전하면서 용접을 수행하는 것이다. 양방향 용접은 토치부(200)가 용접 시작점에서 일방향(정방향)으로 180도 회전한 후, 원래의 용접 시작점으로 복귀하고, 다시 타방향(역방향)으로 180도 회전하면서 용접을 수행하는 것이다. 양방향 용접의 경우, 용접 시작점은 3차원 타원형의 곡면부에서 수직 방향(z축 방향)으로 가장 높은 지점이며, 토치부(200)가 일방향 용접을 완료하여 원래의 용접 시작점으로 복귀하는 지점은 3차원 타원형의 곡면부에서 수직 방향(z축 방향)으로 가장 낮은 지점이다.일반적으로, 용접 수행시 용접 진행 방향 전단에 와이어 노즐에서 와이어(용가재)가 공급되면서 용접이 수행된다. 따라서, 일방향 용접시에는 전극봉(210)의 일측에 와이어 노즐(220)이 형성되면 충분하나, 양방향 용접시에는 역방향 용접을 수행하기 위해 전극봉(210)의 양측에 와이어 노즐(220)이 형성되어야 한다.
한편, 원자로 헤드(H)에 관통 노즐(N) 용접시, 복수개의 관통 노즐(N)이 촘촘하게 배열되어 상대적으로 용접 부위가 협소하다. 어느 하나의 관통 노즐과 인접한 관통 노즐 사이의 공간이 협소하여 용접 수행시 작업자가 용접 부위를 실시간으로 관찰하는 것이 매우 어렵다. 일방향으로 360도 용접을 진행하는 경우, 일측의 용접 상황은 관찰이 가능하나, 타측의 용접 상황은 관찰할 수가 없게 되어, 용접 품질 불량 발생 가능성이 높아진다. 이는 안전을 중시하는 원자력 분야에서는 치명적인 안전 결함을 유발할 수가 있다.
한편, 용접 부위 일측과 타측을 180도씩 분할하여 용접하는 경우에는 용접 상황 관찰이 비교적 용이하여 용접 품질을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 양방향 용접을 수행하는 것이 바람직하며, 와이어 노즐(220)은 전극봉(210)을 중심으로 전극봉(210)의 양측에 이격 형성되는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 지지부 200 : 토치부
210 : 전극봉 220 : 와이어 노즐
300 : 다축 구동부 310 : 회전 구동부
320 : 방사 구동부 330 : 수직 구동부
340 : 제1 틸팅 구동부 350 : 제2 틸팅 구동부
360 : 보정 구동부 370 : 간격 유지 구동부

Claims (13)

  1. 전극봉과, 상기 전극봉의 적어도 일측에 이격 형성된 와이어 노즐을 포함하며 용접 가공을 수행하는 토치부(200);
    상기 토치부를 3차원 타원 궤적을 따라 이동시키면서, 상기 토치부가 용접을 수행하는 용접 경사면에 대해 상기 토치부의 수직 자세가 유지되도록 하는 다축 구동부(300)를 포함하며,
    상기 다축 구동부(300)는,
    상기 토치부를 회전시키는 회전 구동부(310)와,
    상기 토치부를 방사 방향(radial direction)으로 이동시키는 방사 구동부(320)와,
    상기 토치부를 수직 방향으로 이동시키는 수직 구동부(330)와,
    상기 토치부를 상기 용접 경사면에 대해 수직 자세를 유지시키는 틸팅 구동부(340, 350)
    를 포함하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상부에 상기 다축 구동부를 지지하면서, 용접 대상물에 고정 지지되는 지지부(100)
    를 더 포함하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 지지부(100)는,
    원통형의 용접 대상물 내부에 삽입되는 지지봉(110)과,
    상기 지지봉 상부에 형성되며, 상기 원통형의 용접 대상물 상단면에 걸쳐지는 고정 플레이트(120)
    를 포함하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 지지부(100)는,
    원통형의 용접 대상물 내부에 삽입되는 지지봉(110)과,
    상기 지지봉의 외주면에 형성되며 방사 방향으로 압축 및 신장이 가능한 디스크 형상의 가변 플레이트(130)
    를 포함하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 틸팅 구동부(340, 350)는,
    제1 방향으로 상기 토치부를 이동시켜서 상기 토치부의 제1 방향 경사각을 조절하는 제1 틸팅 구동부(340)와,
    상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 상기 토치부를 이동시켜서 상기 토치부의 제2 방향 경사각을 조절하는 제2 틸팅 구동부(350)
    를 포함하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 다축 구동부는,
    상기 틸팅 구동부에 의해 상기 토치부의 자세 교정시에, 상기 토치부가 용접 수행 방향에서 이탈할 때, 상기 토치부의 용접 수행 방향을 보정하는 보정 구동부(360)를 더 포함하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 다축 구동부는,
    상기 토치부와 용접 대상물과의 간격을 유지시키는 간격 유지 구동부(370)를 더 포함하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 방사 구동부(320)는 상기 회전 구동부(310) 상에 고정 체결되고,
    상기 수직 구동부(330)는 하방향으로 연장 형성된 수직축을 구비하며,
    상기 방사 구동부(320)는 상기 수직축과 체결되는 제1 수직바를 구비하고,
    상기 보정 구동부(360)는 상기 수직축과 연결되며,
    제1 틸팅 구동부(340)는 상기 보정 구동부와 연결되고,
    제2 틸팅 구동부(350)는 상기 제1 틸팅 구동부와 연결되어,
    상기 수직 구동부의 수직 이동 또는 상기 회전 구동부의 회전에 따라, 상기 수직 구동부와 상기 회전 구동부와 상기 방사 구동부와 상기 보정 구동부와 상기 제1 틸팅 구동부와 상기 제2 틸팅 구동부가 함께 상하로 수직 이동 또는 회전하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 4, 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3차원 타원 궤적은 복수개의 분할점에 의해 분할된 궤적의 길이가 균등하도록 분할되고, 균등 분할된 궤적 구간에 대해 상기 다축 구동부는 선형으로 구동하여 3차원 타원 궤적 상의 용접 속도를 일정하게 하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 4, 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토치부는 상기 전극봉의 양측에 이격 형성된 와이어 노즐을 포함하며, 상기 다축 구동부에 의해 상기 토치부는 용접 시작점에서 일방향으로 기설정된 각도로 회전하여 일방향 용접을 완료한 후, 상기 용접 시작점으로 복귀하고, 다시 타방향으로 회전하면서 용접을 수행하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 용접 시작점은 3차원 타원형의 곡면부에서 수직 방향(z축 방향)으로 가장 높은 지점이며, 상기 일방향 용접을 완료하여 상기 용접 시작점으로 복귀하는 지점은 3차원 타원형의 곡면부에서 수직 방향(z축 방향)으로 가장 낮은 지점인 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 4, 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토치부는 J형 그루브 용접을 수행하는 3차원 타원형 곡면부 자동 용접장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023142229A1 (zh) * 2022-01-25 2023-08-03 季华实验室 焊缝参数识别方法、装置、电子设备及存储介质

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