KR102168447B1 - 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템 - Google Patents

로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템 Download PDF

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박성옥
명기철
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Abstract

본 발명은 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템에 관한 것이다.
구체적으로는, 선박에 액체화물의 적, 화역을 위하여 사용되는 다수의 배관을 일정 간격으로 유지하면서 고정하는 역할을 수행하는 파이프서포트를 제작하기 위한 용접공정을 로봇을 이용하여 자동화시킨, 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템에 관한 것이다.

Description

로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템{AUTO-WELDING SYSTEM OF PIP SUPPORT USING A ROBOT}
본 발명은 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템에 관한 것이다.
구체적으로는, 선박에 액체화물의 적, 화역을 위하여 사용되는 다수의 배관을 일정 간격으로 유지하면서 고정하는 역할을 수행하는 파이프서포트를 제작하기 위한 용접공정을 로봇을 이용하여 자동화시킨, 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에는 액체화물의 적/화역을 위하여 수많은 배관들이 설치되는데, 이러한 배관을 일정 간격으로 유지하면서 선체에 고정하기 위한 철의장품을 서포트파이프라고 지칭한다.
이러한 파이프서포트는, 선박의 척당 7 ~ 9,000여개가 필요한데, 선박의 종류의 선박의 스펙에 따라서, 형상과 크기가 모두 다르기 때문에, 제작 및 생상관리에 어려움이 있고, 제작협력업체들은 일감부족, 조선소의 납품가 인하요구, 숙련인력 부족, 인건비 상승 등으로 큰 어려움을 겪고 있는 실정이다.
본 출원인은 철의장품 생산에 로봇 용접 시스템을 적용하여 관련 기술력을 확보하고 원가절감, 용접 품질 향상, 작업환경 개선, 생산성 향상을 달성하여 위기를 극복하고자 한다.
이때, 선박의 종류나 스펙에 따라서 다양한 파이프서포트의 규격은 조선소의 3D설계정보에 기반하여 정보를 추출함으로써, 자동화가 가능하도록 할 수 있다.
배관 등의 자동용접을 위한 기술로서, 등록특허공보 제10-1050815호의 지능형 자동용접로봇을 이용한 강관 현장시공 연결방법이 기재되어 있다.
상기 기술은, 지능형 자동용접로봇을 이용한 강관 현장시공 연결방법은, 지능형 다관절 로봇암 구조를 가진 자동용접로봇을 이용하여 강관의 외면 및 내면을 자동 용접할 수 있도록 구성하여, 강관 연결부의 용접 정밀도를 향상시킴과 아울러 협소한 시공 공간에서도 보다 용이하게 용접 작업을 수행할 수 있고, 강관의 배열 경사도에 따라 장비의 각도를 적절하게 설정하여 강관 둘레에 장착할 수 있도록 구성하여, 수평 관로 설치 구간은 물론 경사 관로 설치 구간에서도 보다 용이하게 관로 연결 시공 작업을 수행할 수 있는 효과를 제공한다.
다음으로, 등록특허공보 제10-0823550호에는 자동이송용접로봇용 클램핑 장치가 기재되어 있다.
상기 기술은, 서보 모터, 기어 역회전 임시방지부, 웜기어부, 볼스크루, 선형가이드, 클램핑 확인 센서를 포함하여, 주름부의 크기와 형상의 차이를 극복할 수 있고, 클램핑 힘을 조절할 수 있는 자동이송용접로봇용 클램핑 장치에 관한 것으로서,
자동이송용접로봇용 클램핑 장치는 선박의 멤브레인 패널의 주름부를 파지하도록 클램프부를 갖되, 상기 클팸프부를 가까워지게 또는 멀어지게 이동시키는 볼스크루; 상기 볼스크루와 상기 클램프부 사이를 연결하여 상기 볼스크루의 회전력을 직선운동으로 전환하는 선형가이드; 상기 주름부에 접촉하여 감지 신호를 출력하도록 상기 클램프부에 결합된 근접센서; 상기 클램프부가 상기 주름부에 클램핑 된 것에 상응한 클램핑 확인 신호를 출력하도록 장치 본체에 결합된 복수개의 클램핑 확인 센서; 상기 로봇의 제어부에 의해 동력을 발생하는 모터 조립체; 상기 모터조립체의 회전력을 상기 볼스크루에 전달하도록 상기 볼스크루와 상기 모터조립체 사이에 결합된 웜기어부를 포함한다.
또한, 등록실용신안공보 제20-0460819호의 멀티패스 자동용접로봇이 기재되어 있다.
상기 기술은, 멀티패스 자동용접로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레일을 따라 이동하면서 자동으로 용접하는 자동용접로봇의 용접토오치를 X,Y,Z 방향 뿐만 아니라 일정각도로 틸팅(tilting)할 수 있도록 하여 다양한 용접부위(패스)에 용이하게 사용할 수 있도록 한 멀티패스 자동용접로봇에 관한 것이다.
마지막으로, 등록특허공보 제10-1142264호에는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법이 기재되어 있다.
상기 기술은, 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법은, 강관의 둘레에 장착될 수 있도록 폐쇄시 원형 구조를 갖는 파지 장치와, 이 파지 장치의 한쪽 측면에 원통형 구조로 돌출되게 구비된 주행 레일과, 다관절 구조를 갖는 로봇암들이 연속적으로 연결되고 상기 주행 레일을 따라 강관의 둘레를 이동하면서 강관 연결부 외면을 자동으로 원주 용접하는 다관절 자동용접로봇을 포함하여 구성됨으로써, 협소한 시공 공간에서도 용이하게 용접작업을 실시할 수 있고, 강관 연결부 외면 용접시에 용접 품질 및 용접 작업성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
그러나 상술된 기술은 파이프(또는 배관, 강관) 자체의 용접에 대한 자동화 기술에 관련된다.
등록특허공보 제10-1050815호(2011.07.20. 공고) 등록특허공보 제10-0823550호(2008.04.22. 공고) 등록실용신안공보 제20-0460819호(2012.06.13. 공고) 등록특허공보 제10-1142264호(2012.05.07. 공고)
본 발명의 목적은, 선박에 액체화물의 적, 화역을 위하여 사용되는 다수의 배관을 일정 간격으로 유지하면서 고정하는 역할을 수행하는 파이프서포트를 제작하기 위한 용접공정을 로봇을 이용하여 자동화시킨, 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템을 제공하는데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로 본 발명에 따른 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템은, 레일, 로봇암 및 제어기를 주요하게 포함하는 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템에 있어서,
상기 로봇암은 상기 레일의 일측에서 레일 상면에 용접을 수행하도록 구성되되, 용접을 수행하는 용접건과, 상기 레일 상의 파이프서포트의 구성품의 형태를 식별하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 로봇암은, 전, 후, 좌, 우, 상 및 하 모두의 방향으로 구동 가능한 다관절 로봇암인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기는,
상기 로봇암에 구성된 용접건으로 용접소스를 공급하고, 로봇암의 센서로부터 식별된 구성품의 형태에 기반한 용접을 수행하도록 제어하는 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어기는,
선박의 3D설계정보 혹은 조선소의 3D설계정보를 기반으로 파이프서포트의 형태정보를 추출하여 저장하는, 형태정보추출부와;
상기 형태정보추출부를 통해 추출된 형태정보에 기반하여, 용접정보를 추출하여 저장하는, 용접정보추출부와;
상기 로봇암에 구성된 센서의 센서값을 수신하고, 수신된 센서값에 기반하여 파이프서포트의 구성품의 형태를 파악하는, 센서값수신부와;
상기 센서값수신부에 의해 파악된 구성품의 형태를, 상기 형태정보추출부를 통해 추출된 형태와 비교하고, 해당 형태에 따른 용접정보를 로딩하는, 비교 및 용접정보 로딩부와;
상기 비교 및 용접정보 로딩부에 의해 로딩된 용접정보에 기반하여 로봇암이 용접을 수행할 수 있도록 제어하는, 용접제어부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템에 의하면, 선박에 액체화물의 적, 화역을 위하여 사용되는 다수의 배관을 일정 간격으로 유지하면서 고정하는 역할을 수행하는 파이프서포트를 제작하기 위한 용접공정을 로봇을 이용하여 자동화시키는, 용접 자동화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 용접될 파이프서포트의 구성품을 정렬시킬 수 있으므로, 신속한 용접이 가능함과 더불어, 정확성에 크게 기여할 수 있다.
또한, 로봇을 적용함에 따라, 용접에 의해 발생되는 유독가스나 감전 등의 사고를 예방할 수 있다.
또한, 사람에 비하여 안정적으로 고품질의 결과물을 제공할 수 있어서, 재작업에 따른 비용소모 및 인력소모 등의 문제점을 극복할 수 있어서 효율적이다.
도 1은 본 발명에 따른 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템을 블록도로 나타낸 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
본 발명은 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템에 관한 것이다.
구체적으로는, 선박에 액체화물의 적, 화역을 위하여 사용되는 다수의 배관을 일정 간격으로 유지하면서 고정하는 역할을 수행하는 파이프서포트를 제작하기 위한 용접공정을 로봇을 이용하여 자동화시킨, 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템을 블록도로 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템은, 첨부된 도면의 도 1과 같이 주요하게, 레일; 로봇암; 및 제어기;를 포함하여 구성된다.
이때, 레일은 파이프서포트의 용접되기 전인 구성품을 이송하는 기능을 하고, 로봇암은 레일의 일측으로 구성되어 상기 레일을 따라 이송되는 구성품들을 용접시키는 기능을 한다.
여기서, 상기 로봇암은, 전, 후, 좌, 우, 상 및 하 방향 모두로 움직임이 가능하도록 구성된 다관절 형태의 로봇암으로 구성되며, 이러한 로봇암은 다양한 목적으로 적용되어 있으므로 구체적인 설명을 생략하도록 한다.
다만, 본 발명에서의 로봇암은 단부에 용접을 수행하기 위한 용접건이 구성되고, 용접건에 구성된 단부의 다른 일측으로 상기 구성품의 형태를 식별하기 위한 센서가 구성될 수 있다.
이때, 상기 센서는 적외선, 초음파, 영상인식(비젼인식) 센서 등으로 구성되어 특정 물체의 형태를 식별할 수 있는 센서를 의미한다.
상기 제어기는, 상기 로봇암에 구성된 용접건으로 용접소스(전압/전류)를 공급하고, 로봇암의 센서로부터 식별된 구성품의 형태에 기반한 용접을 수행하도록 제어하는 기능을 수행한다. 이러한 제어기는 로봇암 및 레일과 유/무선으로 연결되도록 구성되고, 일측에 제어패널로서 구성된다.
이를 위해 제어기는, 형태정보추출부; 용접정보추출부; 센서값수신부; 비교 및 용접정보 로딩부; 및 용접제어부;를 포함한다.
상기 형태정보추출부는, 선박의 3D설계정보 혹은 조선소의 3D설계정보를 기반으로 파이프서포트의 형태정보를 추출하여 저장하는 기능을 한다.
또한, 상기 용접정보추출부는, 선박의 3D설계정보 혹은 조선소의 3D설계정보를 기반으로 추출된 형태정보에 기반하여, 용접정보를 추출하여 저장하는 기능을 한다.
이때, 파이프서포트는 사용될 선박의 종류나 선박의 스펙에 따라 개수와 크기 등 규격이 다르기 때문에, 선박이나 혹은 조선소의 3D설계정보로부터 파이프서포트의 형태정보를 추출하는 것이다.
또한, 추출된 형태정보에 따라 용접되어야 할 범위가 다르기 때문에 그에 기반한 용접정보를 추출하는 것이다.
이때, 대형정보에 기반하여 필요정보를 추출하는 것은 주지 관용 기술로서, 다양하게 적용되어 있으므로, 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 센서값수신부는, 상기 로봇암에 구성된 센서의 센서값을 수신하는 기능을 한다.
이러한 센서값수신부는, 수신된 센서값에 기반하여 파이프서포트의 구성품의 형태를 파악하도록 한다.
상기 비교 및 용접정보 로딩부는, 상기 센서값수신부에 의해 파악된 구성품의 형태를, 상기 형태정보추출부를 통해 추출된 형태와 비교하고, 해당 형태에 따른 용접정보를 로딩하는 기능을 한다.
이로써, 레일 위에 안착된 구성품의 형태를 파악하여 해당 형태에 따른 용접 수행 준비가 끝난다.
상기 용접제어부는, 상기 비교 및 용접정보 로딩부에 의해 로딩된 용접정보에 기반하여 로봇암이 용접을 수행할 수 있도록 제어하는 기능을 수행한다.
이를 위해, 상기 용접제어부는 로봇암으로 제어신호를 전송하도록 한다.
즉, 상기 제어기와 로봇암은 도면에 도시되지 않았지만 정보 공유를 위한 통신부를 포함할 수 있고, 이러한 통신의 형태는 유선 또는 무선 등 다양하게 구성될 수 있다.
한편, 상술된 구성품은 2종 간의 용접을 목적으로 하기 때문에, 레일 상에서의 정렬이 매우 중요하다.
제대로 된 정렬이 되지 못하면, 구성품의 맞닿음이 불균일해짐에 따라 용접에 오류가 발생되고 불량품이 발생될 가능성이 높아지기 때문이다.
이를 위하여, 본 발명에서는 다른 설계 조건에 따라서 [표 1]과 같은 레일의 형상을 제시한다.
[표 1]은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레일의 구성을 나타낸 것이다.
Figure 112020071745022-pat00001
[표 1]에 따른 본 발명의 레일은 상면에서부터 하방으로 오목한 홈부를 포함한다.
이러한 홈부는 레일의 폭방향으로 2개가 마주하는 방향으로 형성되도록 하되, 이러한 2개의 홈부가 레일의 길이방향으로 일정간격마다 다수 개 형성되도록 할 수 있다.
상기 홈부에는 바(bar)가 홈부의 폭방향을 따라 이동될 수 있도록 구성된다.
이때, 상기 바의 안정적인 가이드를 위하여 바의 홈부의 내측벽에 닿는 일측으로 돌기를 형성하고, 상기 홈부의 내측벽에는 오목하되 폭방향으로 연장된 가이드홈이 형성되어 상기 돌기가 가이드홈에 내삽된 상태로 고정되도록 할 수 있다.
또한, 상기 돌기와 가이드홈은 그 형상이 '凸'의 다단 형상을 가지도록 구성하고, 이탈을 방지하도록 할 수도 있다.
또한, 상기 레일의 단부방향에 해당하는 홈부의 내측면에서부터 바의 일면까지는 다수 개의 스프링이 연결되어 바에 탄성을 제공하고, 상기 바의 다른 방향의 일면으로는 전자석이 바의 내측에 내장되도록 구성할 수 있다.
이때, 상기 제어기는 전자석에 전력을 공급하여 전자석의 온(On)/오프(Off) 제어를 수행하는 전자석제어부를 더 포함할 수도 있다.
이러한 구성에 의하면, 2개의 대칭방향으로 마주하는 홈부 내에 위치된 각각의 바는, 바(bar) 사이에 상술된 구성품이 위치된 상태로, 전자석이 온(On) 제어되는 경우, 2개의 바가 구성품을 향해 움직이면서 폭을 좁혀 구성품을 잡아주게 되어 정렬이 가능하도록 한다.
반대로, 전자석이 오프(Off) 제어되는 경우, 바는 스프링의 탄성에 의해 다시 구성품으로부터 멀어지도록 된다.
이에 따라, 적어도 바(bar)가 홈부 내에서 움직일 수 있는 가동범위 내에서는 구성품의 크기에 제한없이 정렬이 가능한 장점을 가진다.
상기에서 설명된 홈부 내지 바(bar)의 구성은 작게 구성되어 작은 간격으로 배열되도록 할 수도 있을 것이다.
상기에서 도면을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도면의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

Claims (4)

  1. 레일, 로봇암 및 제어기를 주요하게 포함하는 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템에 있어서,
    상기 로봇암은 상기 레일의 일측에서 레일 상면에 용접을 수행하도록 구성되되, 용접을 수행하는 용접건과, 상기 레일 상의 파이프서포트의 구성품의 형태를 식별하기 위한 센서를 포함하되,
    상기 로봇암은, 전, 후, 좌, 우, 상 및 하 모두의 방향으로 구동 가능한 다관절 로봇암이고,
    상기 제어기는,
    상기 로봇암에 구성된 용접건으로 용접소스를 공급하고, 로봇암의 센서로부터 식별된 구성품의 형태에 기반한 용접을 수행하도록 제어하는 기능을 수행하며,
    선박의 3D설계정보 혹은 조선소의 3D설계정보를 기반으로 파이프서포트의 형태정보를 추출하여 저장하는, 형태정보추출부와;
    상기 형태정보추출부를 통해 추출된 형태정보에 기반하여, 용접정보를 추출하여 저장하는, 용접정보추출부와;
    상기 로봇암에 구성된 센서의 센서값을 수신하고, 수신된 센서값에 기반하여 파이프서포트의 구성품의 형태를 파악하는, 센서값수신부와;
    상기 센서값수신부에 의해 파악된 구성품의 형태를, 상기 형태정보추출부를 통해 추출된 형태와 비교하고, 해당 형태에 따른 용접정보를 로딩하는, 비교 및 용접정보 로딩부와;
    상기 비교 및 용접정보 로딩부에 의해 로딩된 용접정보에 기반하여 로봇암이 용접을 수행할 수 있도록 제어하는, 용접제어부;를 포함하여 구성되고,
    상기 레일은,
    상면에서부터 하방으로 오목한 홈부를 포함하며,
    상기 홈부는 레일의 폭방향으로 2개가 마주하는 방향으로 형성되어, 2개의 홈부가 레일의 길이방향으로 일정간격마다 다수 개 형성되도록 하되,
    각 홈부에는 바(bar)가 홈부의 폭방향을 따라 이동될 수 있도록 구성되고,
    상기 바의 안정적인 가이드를 위하여 바의 홈부의 내측벽에 닿는 일측으로 돌기를 형성하고, 상기 홈부의 내측벽에는 오목하되 폭방향으로 연장된 가이드홈이 형성되어 상기 돌기가 가이드홈에 내삽된 상태로 고정되도록 하며,
    상기 돌기와 가이드홈은 그 형상이 '凸'의 다단 형상을 가지도록 구성하고,
    상기 레일의 단부방향에 해당하는 홈부의 내측면에서부터 바의 일면까지는 다수 개의 스프링이 연결되어 바에 탄성을 제공하고, 상기 바의 다른 방향의 일면으로는 전자석이 바의 내측에 내장되도록 구성함으로써,
    2개의 대칭방향으로 마주하는 홈부 내에 위치된 각각의 바는, 바(bar) 사이에 상술된 구성품이 위치된 상태로, 전자석이 온(On) 제어되는 경우, 2개의 바가 구성품을 향해 움직이면서 폭을 좁혀 구성품을 잡아주게 되어 정렬이 가능하도록 하고,
    전자석이 오프(Off) 제어되는 경우, 바는 스프링의 탄성에 의해 다시 구성품으로부터 멀어지도록 하는 것을 특징으로 하는, 로봇을 이용한 파이프서포트의 용접 자동화 시스템.
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