KR102202131B1 - 복합체 구조물의 파손 부위 가공용 이동형 스카핑 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자동 스카핑 장치를 이용하여 복합체 구조물의 파손 부위를 가공하는 방법은 자동 스카핑 장치를 이송 지지장치에 연결 고정하여 수리 대상 구조물로 근접 이동하는 단계; 수리 대상 구조물인 복합체 구조물의 형상 정보를 획득하는 단계; 상기 복합체 구조물의 획득된 형상 정보를 기반으로 가공 경로를 생성하는 단계; 및 상기의 생성된 가공 경로에 따른 가공을 수행하는 단계;를 포함한다.
상기 자동 스카핑 장치는, 가공 공구에 대한 x축 방향 이동을 가능하게 하는 x축 구동부, 상기 가공 공구에 대한 y축 방향 이동을 가능하게 하도록 상기 x축 구동부 상에 형성되는 y축 구동부, 상기 가공 공구에 대한 z축 방향 이동을 가능하게 하도록 상기 x,y축 구동부 상에 형성되는 z축 구동부, 상기 가공 공구에 대해 상기 z축을 중심으로 회전 구동하게 하는 스핀들 구동부, 및 상기 가공 공구에 대해 상기 x축을 중심으로 회전 구동하게 함으로써 복합체 구조물의 파손 부위에 대해 상기 가공 공구의 경사각 변동을 가능하게 하는 경사각 조절부를 포함하고, 상기의 생성된 가공 경로를 따라 선형화 알고리즘을 적용하여 상기 가공 공구의 회전 작동시 파손 부위에 대한 오버컷을 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합체 구조물의 파손 부위 가공용 이동형 스카핑 장치{Movable scarping apparatus for machining damaged parts of composite structures}

본 발명은 복합체 구조물의 파손 부위를 수리함에 있어 수리 전 파손 부위를 제거하기 위하여 사용되는 스카핑 장치에 관한 기술로서, 일반 구조물 뿐만 아니라 대형 복합체 구조물과 같이 파손부 분리 및 이송이 어려운 대상 또한 수리하기 위하여 이동 및 설치 후 가공이 가능한 경량화 구조를 갖는 스카핑 장치에 관한 것이다.

제작 연도가 오래된 노후항공기일수록 복합재로 제작된 구조물이 다양한 운용 환경의 영향을 받아 반복적인 하중에 의해 피로현상을 수반하게 되며, 이러한 요인들에 의해 항공기 구조는 초기 설계단계에서의 건전성을 유지하지 못하여 점차 강도가 저하되고, 균열이 발생하거나 전파될 수 있다. 또한, 항공기 운용 중에는 설계수명보다 훨씬 낮은 기령에도 국부적 손상이 발생 할 수 있다. 따라서 경제적인 항공기 운용을 위해서는 복합재 구조물에 대한 유지보수가 경제적이면서 안전한 방법으로 수행 될 수 있어야 하며, 이에 따른 손상 보수에 대한 기술이 필수적으로 요구되고 있다.

손상된 복합재 구조물의 수리는 손상 부위를 테이퍼 또는 계단 형상으로 제거한 다음 모재와 동일한 소재의 패치(Patch)를 손상 부위에 접착하는 공정을 이용하고 있다. 이러한 과정은 다년간의 경험을 가진 전문가의 수작업으로 진행하게 되며, 매우 정밀한 공정 특성으로 인하여 손상 부위 가공에 시간이 오래 걸릴 뿐 아니라, 작업자 숙련도에 따라 수리 부위의 구조적 성능에 차이가 발생하기도 한다.

최근에는 이러한 단점을 보완하기 위해 해외 선진 업체를 중심으로 복합재 수리공정 자동화에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 일부 업체는 이미 상용화에 성공하였지만, 국내의 경우에는 중대 파손 구조물의 수리 방법에 대한 인증 권한의 미보유 및 선진 기술 확보에 적극적으로 나서지 않은 관계로 고부가가치의 수리 시장에 진입하지 못하고 있다.

실제적으로, 민수 항공기 보유 대수를 기준으로 세계적 수준인 국내 항공사의 복합소재 구조물 중대 파손 수리 대부분은 해외 일부 기업에서 독점하고 있으며, 이에 따라 항공기의 운행 중단 시간 증가는 물론 고가의 수리비용에 의한 국부 유출이 가속화되고 있는 실정이다.

현재 상용화된 자동 스카핑 장치의 일반적인 핵심기능은 정밀 가공, 레이저와 카메라를 통한 자동 3D 형상 인식, 작업 환경에 따른 이동 편의성, 편한 사용자 조작 환경 및 가공면 후처리기능 등을 갖는다.

한편, 종래의 자동 스카핑은 수작업에 의한 방안에 비해서는 효율성을 증대한다는 측면에서는 이점이 있을 수 있지만, 여전히 대형의 복합체 구조물에 대한 이동 설치를 가능하게 하기 위한 경량화 구조의 달성 미비, 가공 공구의 회전 시 오버컷 제거의 어려움이 여전히 있게 된다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 대형 복합체 구조물과 같이 파손부 분리 및 이송이 어려운 대상을 수리하기 위하여 이동 설치 가능한 경량화 구조를 갖는 스카핑 장치를 제공하는 것이 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동 스카핑 장치를 이용하여 복합체 구조물의 파손 부위를 가공하는 방법은 자동 스카핑 장치를 이송 지지장치에 연결 고정하여 수리 대상 구조물로 근접 이동하는 단계; 수리 대상 구조물인 복합체 구조물의 형상 정보를 획득하는 단계; 상기 복합체 구조물의 획득된 형상 정보를 기반으로 가공 경로를 생성하는 단계; 및 상기의 생성된 가공 경로에 따른 가공을 수행하는 단계;를 포함한다.

상기 자동 스카핑 장치는, 가공 공구에 대한 x축 방향 이동을 가능하게 하는 x축 구동부, 상기 가공 공구에 대한 y축 방향 이동을 가능하게 하도록 상기 x축 구동부 상에 형성되는 y축 구동부, 상기 가공 공구에 대한 z축 방향 이동을 가능하게 하도록 상기 x,y축 구동부 상에 형성되는 z축 구동부, 상기 가공 공구에 대해 상기 z축을 중심으로 회전 구동하게 하는 스핀들 구동부, 및 상기 가공 공구에 대해 상기 x축을 중심으로 회전 구동하게 함으로써 복합체 구조물의 파손 부위에 대해 상기 가공 공구의 경사각 변동을 가능하게 하는 경사각 조절부를 포함하고, 상기의 생성된 가공 경로를 따라 선형화 알고리즘을 적용하여 상기 가공 공구의 회전 작동시 파손 부위에 대한 오버컷을 제거하는 것을 특징으로 한다.

상기의 생성된 가공 경로는 파손 부위에 대해 경사 또는 계단식으로 단차진 구조를 갖도록 형성된다.

상기 자동 스카핑 장치는, 가공 시에 발생하는 분진의 비상을 방지하면서 발생한 분진을 제거하기 위하여 상기 가공 공구 인근에 집진 배관 및 커버를 위치한 상태에서 작동을 실시한다.

상기 가공 수행 단계 상에서, 고속 회전 및 진동 특성을 갖는 울트라소닉 스핀들을 적용하여 복합체 구조물의 가공면에 층간 분리 또는 섬유 뜯김을 방지한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 이동형 스카핑 장치는 평면 또는 곡면 형상의 대형 복합체 구조물에 대한 표면 가공을 위하여 X, Y, Z 3축 방향을 따른 이동 및 복수의 축을 중심으로 한 회전 구동을 가능하게 한 다축 구동을 통해 파손 부위를 스텝 형태 또는 경사 형태 등 다양한 형상으로 가공하는 과정을 통해 파손 부위에 대한 원활한 수리를 가능하게 한다.

본 발명은 평면 또는 곡면으로 구성된 복합체 구조물에 스카핑 장치를 이동한 뒤 파손부를 가공 및 제거하기 위하여 가공부 끝단에 3D 스캐너를 장착하여 수리 대상 복합 구조물의 형상 정보를 획득하고, 획득된 형상 정보를 기반으로 가공 경로를 생성하고, 생성된 가공 경로에 따른 가공 수행을 실시함으로써 정밀한 수리 작업을 실시한다.

본 발명은 가공 시 발생하는 분진의 비산을 방지하면서 발생한 분진을 제거하기 위하여 집진 배관 및 커버를 위치시킨다.

본 발명은 복합체 구조물 가공 시 고속 회전 및 진동 특성을 갖는 울트라 소닉 스핀들을 적용하여 고속 회전을 통해 가공 툴 회전을 실시함으로써 복합체의 가공면에 층간 분리 또는 섬유 뜯김을 방지한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체 구조물의 파손 부위 가공용 자동 스카핑 장치의 일방향에 따른 사시도를 보인다.
도 2는 도 1의 자동 스카핑 장치의 다른 방향에 따른 사시도를 보인다.
도 3은 가공 공구 이동 시 선형화 작업을 통해서 파손 부위 상에 형성되는 오버컷을 저감하는 과정을 보인다.
도 4는 복합체 구조물 가공 후에 단차진 형상으로 스카핑을 수행한 상태를 보인다.
도 5는 복합체 구조물 상에 실제적으로 스텝 형상을 가공한 것을 보인다.
도 6은 본 발명에 따른 스카핑 장치를 이용하여 항공기 동체 표면의 파손 부위에 대한 수리를 실시하는 일 실시예를 보인다.
도 7은 본 발명에 따른 스카핑 장치를 이용하여 항공기 동체 표면의 파손 부위에 대한 수리를 실시하는 다른 실시예를 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 복합체 구조물의 파손 부위 가공용 이동형 스카핑 장치에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 스카핑 장치는 곡면 형상의 대형 복합체 구조물에 대한 표면 가공을 위하여 X, Y, Z 3축 방향을 따른 이동 및 복수의 축을 중심으로 한 회전 구동을 가능하게 한 다축 구동을 통해 파손 부위를 스텝 형태 또는 경사 형태 등 다양한 형상으로 가공하는 과정을 통해 파손 부위에 대한 원활한 수리를 가능하게 한다.

특히, 항공기와 같은 대형 구조물 표면 상에 파손 발생 시에 상기 파손 부위로 본 발명에 따른 스카핑 장치를 원활히 이송하는 구조를 통해 파손부 분리 및 이송이 어려운 대상을 수리하게 한다. 한편, 본 발명은 항공기 파손 시에 수리를 실시하는 것에 한정되는 것이 아니고, 파손 시에 이동이 용이하지 않은 모든 종류의 대형 구조물에 적용 가능할 수 있다.

또한, 별도의 지지 구조물에 스카핑 장치를 고정한 형태로 구성하여 파손부 분리 및 이송이 가능한 대상의 수리를 가능하게 할 수 있다.

먼저, 복합체 구조물의 파손 부위를 가공하는 스카핑 장치의 구성을 설명한다.

스카핑 장치(100)는 가공 공구(10)에 대한 x축 방향 이동을 가능하게 하는 x축 구동부(110), 상기 가공 공구에 대한 y축 방향 이동을 가능하게 하도록 상기 x축 구동부(110) 상에 형성되는 y축 구동부(120), 상기 가공 공구에 대한 z축 방향 이동을 가능하게 하도록 상기 x,y축 구동부 상에 형성되는 z축 구동부(130), 상기 가공 공구에 대해 상기 z축을 중심으로 회전 구동하게 하는 스핀들 구동부(140), 및 상기 가공 공구에 대해 상기 x축을 중심으로 회전 구동하게 함으로써 복합체 구조물의 파손 부위에 대해 상기 가공 공구의 경사각 변동을 가능하게 하는 경사각 조절부(150)를 포함한다.

x축 구동부(110)는 사각 중공 형상의 x축 베이스 플레이트(111), x축 베이스 플레이트(111)의 나란히 마주하는 양측 테두리 상면 상에 배열되는 x축 리니어 가이드(113), x축 리니어 가이드(113)에 연결된 x축 구동모터부(115), 파손부 분리 및 이송이 어려운 대형 구조물로 이송하기 위하여 x축 베이스 플레이트(111)의 네 모서리 부분 상에 배치되는 이송 지지장치 연결부(117)를 포함한다.

y축 구동부(120)는 x축 리니어 가이드(113) 상에서 x축에 대해 수직 방향으로 이동하는 y축 베이스 플레이트(121), y축 베이스 플레이트(121) 상면 상에 배열되는 y축 리니어 가이드(123), y축 리니어 가이드(123)에 연결된 y축 구동모터부(125)를 포함한다.

z축 구동부(130)는 y축 리니어 가이드(123) 상에서 xy축에 대해 수직 방향으로 이동하는 z축 베이스 바디(131), z축 베이스 바디(131) 상에 배열되는 z축 리니어 가이드(133), z축 리니어 가이드(133)에 연결된 z축 구동모터부(135)를 포함한다.

스핀들 구동부(140)는 z축 베이스 바디(131)의 하부단에 배치되는 스핀들 회전 플레이트(141), 스핀들 회전 플레이트(141)의 하단 상에 결합되는 스핀들 브라켓(143) 및 스핀들 회전 플레이트(141)에 배치된 상태에서 상기 스핀들 회전 플레이트(141)를 관통하는 스핀들 회전축 상에 체인과 같은 동력 전달수단을 통해 동력을 공급하는 스핀들 회전모터부(145)를 포함한다.

경사각 조절부(150)는 스핀들 브라켓(143) 내에 배치된 스핀들을 고정하는 형태인 스핀들 파지부(151), 스핀들 파지부(151)의 일측에 연결된 상태에서 스핀들 브라켓(143) 상에 고정된 구조를 통해서 스핀들 파지부(151) 상에 회전 동력을 공급하는 브라켓 회전모터부(155)를 포함한다.

상기의 스카핑 장치(100)를 이용하여 복합체 구조물의 파손 부위를 가공하는 방법은 자동 스카핑 장치를 이송 지지장치 연결부(117)를 통해 이송 지지장치(200)에 연결 고정하여 수리 대상 구조물로 근접 이동하는 단계; 수리 대상 구조물인 복합체 구조물의 형상 정보를 획득하는 단계; 상기 복합체 구조물의 획득된 형상 정보를 기반으로 가공 경로를 생성하는 단계; 및 상기의 생성된 가공 경로에 따른 가공을 수행하는 단계;를 포함한다.

도 3을 참조하면, 상기의 생성된 가공 경로를 따라 선형화 알고리즘을 적용하여 가공 공구의 회전 작동시 파손 부위에 대한 오버컷을 제거한다.

즉, 가공 공구의 회전 반경을 크게 하는 경우에는 파손 부위에 대한 오버컷이 도 3 상부 도면의 ε만큼 크게 형성되는 반면, 가공 공구의 회전 반경을 작게 하는 경우에는 파손 부위에 대한 오버컷이 도 3 하부 도면의 δ만큼 작게 형성되는 것을 확인할 수 있다.

도 4를 참조하면, 생성된 가공 경로는 파손 부위에 대해 경사 또는 계단식으로 단차진 구조를 갖도록 형성된다. 구체적으로는, 복합체 구조물 가공 전에는 평탄한 면을 이루는 상태에서, 복합체 구조물 가공 후에는 파손 부위의 중심을 기준으로 양측으로 경사 또는 계단식으로 단차진 구조가 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 6,7은 본 발명에 따른 스카핑 장치를 이용하여 항공기 동체 표면의 파손 부위에 스카핑 장치를 이송 및 지지하여 파손부에 대한 수리를 실시하는 다양한 실시예를 보인다.

즉, 항공기 동체 상의 다양한 위치에 따라 스카핑 장치의 원활한 이동을 가능하게 하는 이송 지지장치(200)를 이용하여 안정적으로 스카핑 장치를 파손 부위 상에 위치하게 한 상태에서 수리 작업을 가능하게 한다.

이송 지지장치(200)는 x축 구동부(110)를 이루는 x축 베이스 플레이트(111)의 각 코너부에 위치한 이송 지지장치 연결부(117)를 통해 안정적으로 고정한 상태에서, 스카핑 장치의 위치 이동을 실시하는 구조일 수 있다.

본 발명은 곡면으로 구성된 복합체 구조물 파손부를 가공 및 제거하기 위하여 가공부 끝단에 3D 스캐너를 장착하여 수리 대상 복합 구조물의 형상 정보를 획득하고, 획득된 형상 정보를 기반으로 가공 경로를 생성하고, 생성된 가공 경로에 따른 가공 수행을 실시함으로써 정밀한 수리 작업을 실시한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 자동 스카핑 장치를 이용하여 복합체 구조물의 파손 부위를 가공하는 방법에 있어서,
   자동 스카핑 장치를 이송 지지장치에 연결 고정하여 복합체 구조물로 근접 이동하는 단계;
   수리 대상 구조물인 복합체 구조물의 형상 정보를 획득하는 단계;
   상기 복합체 구조물의 획득된 형상 정보를 기반으로 가공 경로를 생성하는 단계; 및
   상기의 생성된 가공 경로에 따른 가공을 수행하는 단계;를 포함하고,
   상기 자동 스카핑 장치는,
   가공 공구에 대한 x축 방향 이동을 가능하게 하는 x축 구동부, 상기 가공 공구에 대한 y축 방향 이동을 가능하게 하도록 상기 x축 구동부 상에 형성되는 y축 구동부, 상기 가공 공구에 대한 z축 방향 이동을 가능하게 하도록 상기 x,y축 구동부 상에 형성되는 z축 구동부, 상기 가공 공구에 대해 상기 z축을 중심으로 회전 구동하게 하는 스핀들 구동부, 및 상기 가공 공구에 대해 상기 x축을 중심으로 회전 구동하게 함으로써 복합체 구조물의 파손 부위에 대해 상기 가공 공구의 경사각 변동을 가능하게 하는 경사각 조절부를 포함하고,
   상기의 생성된 가공 경로를 따라 선형화 알고리즘을 적용하여 상기 가공 공구의 회전 작동시 파손 부위에 대한 오버컷을 제거하는 것을 특징으로 하는,
   자동 스카핑 장치를 이용하여 복합체 구조물의 파손 부위를 가공하는 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기의 생성된 가공 경로는 파손 부위에 대해 경사 또는 계단식으로 단차진 구조를 갖도록 형성되는,
   자동 스카핑 장치를 이용하여 복합체 구조물의 파손 부위를 가공하는 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 자동 스카핑 장치는, 가공 시에 발생하는 분진의 비산을 방지하면서 발생한 분진을 제거하기 위하여 상기 가공 공구 인근에 집진 배관 및 커버를 위치한 상태에서 작동을 실시하는,
   자동 스카핑 장치를 이용하여 복합체 구조물의 파손 부위를 가공하는 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 가공 수행 단계 상에서,
   고속 회전 및 진동 특성을 갖는 울트라소닉 스핀들을 적용하여 복합체 구조물의 가공면에 층간 분리 또는 섬유 뜯김을 방지하는,
   자동 스카핑 장치를 이용하여 복합체 구조물의 파손 부위를 가공하는 방법.

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