KR102399985B1

KR102399985B1 - 임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치 및 그 구동 방법

Info

Publication number: KR102399985B1
Application number: KR1020170157166A
Authority: KR
Inventors: 조영식; 이지형; 강성원
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2022-05-20
Also published as: KR20190059501A

Abstract

본 발명은 대상 부재의 임의 각도를 지닌 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치에 있어서: 용접용 토치(21)를 자세변동 가능하게 지지하는 캐리지(20); 상기 토치(21)의 자세를 전기적 신호로 변동하고 검출하며, 수직필렛에 대한 토치 기준점(P0)의 설정이 가능한 구동수단: 및 상기 부재의 기준점(P0) 변화에 대응하여 토치(21)를 설정된 자세로 변동하는 제어기(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 필렛부의 크기나 형태에 관계없이 캐리지의 지시대로 토치각도와 토치길이를 조정하는 것만으로 임의의 각도를 가지는 필렛의 용접이 진행되므로 신속하고 편리한 설정이 가능하여 현장 적용성의 제고에 의한 작업환경 개선과 생산성 향상을 도모하는 효과가 있다.

Description

임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치 및 그 구동 방법{Welding carriage apparatus corresponding to arbitrary fillet angle and method for driving the same}

본 발명은 필렛 용접용 캐리지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 선박이나 해양구조물을 건조하는 현장에 적용하기 위한 임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

통상적으로 수직필렛 용접의 경우에는 토치각도, 토치상하조정기, 토치좌우조정기를 기본(45도 및 중간)으로 설정하고, 토치를 시작위치에 위치시킨 후 거리유지롤러가 필렛에 밀착되도록 고정하며, 토치각도와 토치위치의 미세조정을 거친 후 용접을 수행한다. 용접이 종료된 다음 캐리지를 다른 곳에 설치하여 용접을 속행하는 경우에도 캐리지를 재조정하지 않고 거리유지롤러를 이용하여 필렛에 밀착시키는 것만으로 설치가 완료된다. 이는 필렛의 각도가 수직이므로 용접위치가 변하지 않기 때문이다.

그러나, 선박이나 해양구조물 건조 현장에 투입되는 부재는 임의의 각도를 가지는 필렛이 다수 존재한다. 이러한 경우에는 기존 토치위치가 용접위치에 맞지 않으므로 거리유지롤러를 필렛에 밀착시킨 상태에서 토치각도 조정기를 이용하여 토치각도를 설정한 후, 토치끝을 보면서 토치가 용접위치에 정확하게 위치할 수 있도록 토치상하조정기와 토치좌우조정기를 조정하게 된다. 이때 좁고 조명이 부족한 필렛 공간에서 관찰해야 하므로 그 작업이 어렵고 시간이 많이 소모된다. 이러한 작업을 용접대상 부재마다 수행해야 하며 경우에 따라서는 토치위치가 세팅되지 않아 거리유지롤러의 길이를 변경해 가면서 조정하는 아주 번거로운 상황도 불가피하게 발생하게 된다.

이와 관련하여 하기의 한국 공개특허공보 제2015-0084089호, 한국 등록특허공보 제1047737호 등을 참조할 수 있다.

전자는 3개의 가이드 롤러에 의해 지지되어 오버헤드 용접 자세의 필렛 이음부를 가진 직선 및 원통 형상의 의장품 용접에서, 용접 DB의 데이터에 따라 각종 장치를 제어함에 따라 용접 조건에 따른 자동 용접이 가능함은 물론 실제 용접시 파워 소스의 출력 차이를 보상하여 용접 품질 향상의 효과를 기대한다.

그러나, 이는 직선 또는 원통형 구조물에 대한 오버헤드 용접을 대상으로 하므로 전체 필렛 부재에 적용하기에 한계성을 보이고 있다.

후자는 변위센서로 수직피용접물의 기울기를 측정하면서 필렛용접부의 위치, 연장경로를 정확하게 추적하고, 기울기에 따른 필렛용접부의 횡방향 위치변화에 맞추어 용접 토치를 좌우로 이동하여 보상하도록 함으로써, 수직피용접물과 수평피용접물이 서로 직각을 이루지 못하는 경우에도 필렛용접을 신뢰성있게 자동으로 수행하는 효과를 기대한다.

그러나, 이는 캐리지의 전후방에 수직으로 다수의 변위센서를 탑재해야 하므로 외형이 증가하여 소형이나 협소한 필렛 부재에 적용하기 곤란하다.

한국 공개특허공보 제2015-0084089호 "용접 DB 내장 및 용접기 특성 보상기능을 가진 전자세 필렛 용접 캐리지" (공개일자 : 2015.07.22.) 한국 등록특허공보 제1047737호 "용접부재의 기울기를 고려하여 용접부 자동추적이 가능한 필렛용접용 캐리지장치 …" (공개일자 : 2010.05.27.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 필렛부의 크기나 형태에 관계없이 캐리지의 설치전에 필렛의 각도를 입력하고 캐리지가 지시하는 대로 토치각도와 토치길이를 조정하는 것만으로 임의의 각도를 가지는 필렛에 대해 용접을 수행할 수 있는 임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치 및 그 구동 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 의하면, 대상 부재의 임의 각도를 지닌 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치에 있어서: 용접용 토치를 자세변동 가능하게 지지하는 캐리지; 상기 토치의 자세를 전기적 신호로 변동하고 검출하며, 수직필렛에 대한 토치 기준점의 설정이 가능한 구동수단: 및 상기 부재의 기준점 변화에 대응하여 토치를 설정된 자세로 변동하는 제어기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단은 엔코더 탑재형 서보모터 및 육안 확인용 눈금을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 기준점에서 토치의 선단부 위치를 저장하는 기준버튼을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 토치를 기준점에서 이격된 제1터치준비위치로 이동시키는 과정에서 토치의 각도와 길이를 변화를 연산하여 저장하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 터치검출기의 가동과 더불어 토치를 제1터치준비위치에서 제2터치준비위치로 이동시키면서 각각의 수직/수평 좌표를 획득하고, 이에 의하여 연산된 시작점에 토치의 선단부를 일치시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일면에 의하면, 청구항 1의 장치를 기반으로 하는 용접캐리지 구동 방법에 있어서: (A) 상기 제어기의 터치검출기를 켜고 준비하는 단계; (B) 상기 토치를 제1터치준비위치에서 각각 수직방향 및 수평방향으로 이동시켜 좌표를 확보하는 단계; (C) 상기 토치를 제2터치준비위치에서 각각 수직방향 및 수평방향으로 이동시켜 좌표를 확보하는 단계; 및 (D) 상기 제어기로 용접시작점 p_start를 계산하고 자세조절기를 제어하여 토치를 p_start로 이송시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (B)는 다음의 수식을 이용하여 제1터치준비위치(P1)의 좌표(p1_h, p1_v)를 연산하는 것을 특징으로 한다.

p1_h = p0_h + l_p1*cos(th_torch) + l_torch*{cos(th_torch) - sin(th_torch)} - h_r/tan(th_fillet)

p1_v = p0_v + l_p1*sin(th_torch)

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (C)는 용접시작위치 p_start에서 토치각도 선상으로 p_start에서 p1까지 거리의 두 배의 거리에 제2터치준비위치(P2)를 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 (D)는 p1_h과 p2_h에 의한 직선과 p1_v과 p2_v에 의한 직선의 교점을 이용하여 p_start를 산출하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 필렛부의 크기나 형태에 관계없이 캐리지의 지시대로 토치각도와 토치길이를 조정하는 것만으로 임의의 각도를 가지는 필렛의 용접이 진행되므로 신속하고 편리한 설정이 가능하여 현장 적용성의 제고에 의한 작업환경 개선과 생산성 향상을 도모하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 장치를 개략적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제어 개념을 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 세부적인 구성을 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 작동을 설명하기 위한 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일면은 대상 부재의 임의 각도를 지닌 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치에 관하여 제안한다. 부재(10)는 각종 선박용 구조물을 이루는 것을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 도 1은 수직필렛의 부재(10)를 나타내고 도 2는 예각필렛의 부재(10′)과 둔각필렛의 부재(10″)를 나타낸다.

본 발명에 따른 캐리지(20)는 용접용 토치(21)를 자세변동 가능하게 지지하는 구조이다. 도 1에서 토치(21)의 자세변동을 위해 캐리지(20)에 각도조절기(32), 상하조절기(34), 좌우조절기(36) 등이 설치된 상태를 예시한다. 보편적으로 토치(21)는 홀더(22)를 개재하여 하방향으로 경사진 자세를 유지한다. 홀더(22) 상에는 힌지와 더불어 각도조절기(32)가 설치된다.

한편, 미설명 부호 25는 부재(10)와 캐리지(20)의 간격을 유지하는 가이드롤러이고, 미설명 부호 27은 캐리지(20)를 운반하기 위한 손잡이이다.

또, 본 발명에 따르면 구동수단이 상기 토치(21)의 자세를 전기적 신호로 변동하고 검출하며, 수직필렛에 대한 토치 기준점(P0)의 설정이 가능한 구조이다. 도 2에서 수직필렛 부재(10)의 토치 기준점(P0)과 예각필렛 부재(10′)의 토치 시작점(P_start)을 나타낸다. 도 3에서 전기적 신호로 토치(21)의 자세변동과 신호검출을 유발하는 자세조절기(38)를 예시한다. 토치(21)의 자세변동은 길이와 각도 변화를 포함한다. 물론 전술한 각도조절기(32), 상하조절기(34), 좌우조절기(36)를 대체적/중복적으로 활용할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단은 엔코더 탑재형 서보모터 및 육안 확인용 눈금(23)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 자세조절기(38)는 토치(21)의 가로(수평)방향 이송을 위한 서보모터, 드라이브, 엔코더 등을 탑재하고, 토치(21)의 세로(수직)방향 이송을 위한 서버모터, 드라이브, 엔코더 등을 탑재한다. 이외에 홀더(22)에 각인된 눈금을 육안으로 확인하면 개략적인 토치(21)의 작업각과 개략적인 토치의 길이를 파악할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 제어기(40)가 상기 부재의 기준점(P0) 변화에 대응하여 토치(21)를 설정된 자세로 변동한다. 제어기(40)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 마이컴 회로로 구성된다. 제어기(40)에 토치의 가로방향 이송 위치를 파악하고 저장하는 기능, 토치의 세로방향 이송 위치를 파악하고 저장하는 기능, 필렛각도를 입력하는 기능, 세팅에 필요한 정보를 출력하는 기능 등이 탑재된다. 도 2 및 도 3에서 수직필렛에 대응하는 토치(21)의 기준점(P0)이 예시된다. 기준점(P0)의 변화에 대응하는 토치(21)의 자세 제어를 위한 메인/서브루틴 프로그램은 제어기(40)의 메모리에 저장되고 실행된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(40)는 기준점(P0)에서 토치(21)의 선단부 위치를 저장하는 기준버튼(42)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 토치(21)의 초기 위치 세팅을 신속하고 정확하게 수행하기 위해 제어기(40)에 별도의 기준버튼(42)을 구비하는 것이 바람직하다. 작업자가 각도조절기(32), 상하조절기(34), 좌우조절기(36)를 가동하여 토치(21)의 선단을 수직필렛에 맞추고 기준버튼(42)을 누르면 제어기(40)가 캐리지(20)에 대응한 토치(21)의 초기 위치를 검출하여 저장하는 세팅이 완료된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(40)는 토치(21)를 기준점(P0)에서 이격된 제1터치준비위치(P1)로 이동시키는 과정에서 토치(21)의 각도와 길이를 변화를 연산하여 저장하는 것을 특징으로 한다. 이는 제어기(40)에 의하여 메인 프로그램을 수행하기 전의 예비적 단계로 볼 수 있다.

전술한 세팅 과정에서 수직필렛에 대해 작업할 수 있는 가이드롤러(25)의 길이와 기준점(P0)을 설정하고 기준버튼(42)을 누른다. 제어기(40)는 이때의 자세조절기(38)의 위치 m0(m0_h, m0_v)를 저장한다. 도 2 및 도 3을 참조하여 제어기(40)에 의한 연산을 설명한다.

토치각도(th_torch) = 필렛 각도의 1/2

토치 길이(l_torch) = H / sin(th_torch)

H : 토치 홀더의 기준 높이, 세로축 이송장치가 가운데 있을 때 바닥부터의 토치 홀더의 높이

제어기(40)는 토치위치가 제1터치준비위치 p1이 될 수 있도록 자세조절기(38)로 가로이송과 세로이송을 조정한다. p1은 용접시작위치인 P_start 에서 토치각도 상에서 l_p1거리(경험치 10mm)에 위치한다.

p1_v = p0_v + l_p1*sin(th_torch)

여기에서 l_torch * {cos(th_torch) - sin(th_torch)}는 변경된 길이의 토치가 세로방향의 이동량 없이 수직필렛의 용접시작위치에 위치하기 위해 가로방향으로 이동해야 하는 거리를 의미하고 h_r/tan(th_fillet)은 필렛의 각도에 의해 용접위치가 가로방향으로 변화하는 양을 의미한다. h_r은 지면으로부터 가이드롤러(25)의 위치이며 설계상의 값을 이용할 수 있다.

따라서 p1을 위한 가로이송장치와 세로이송장치의 위치 m1은 다음과 같이 계산할 수 있다.

m1_h = m0_h + l_p1*cos(th_torch) + l_torch * {cos(th_torch) - sin(th_torch)} - h_r/tan(th_fillet)

m1_v = m0_v + l_p1*sin(th_torch)

이에 따라, 홀더(22)의 눈금(23)을 이용한 토치각도와 토치길이의 육안으로 조정으로 토치(21)를 제1터치준비위치(P1)로 이송한다. 이 과정에서 토치각도와 토치길이를 아주 정밀하게 조정할 필요는 없다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(40)는 터치검출기(45)의 가동과 더불어 토치(21)를 제1터치준비위치(P1)에서 제2터치준비위치(P2)로 이동시키면서 각각의 수직/수평 좌표를 획득하고, 이에 의하여 연산된 시작점(P_start)에 토치(21)의 선단부를 일치시키는 것을 특징으로 한다. 제어기(40)는 입력 키패드(도시 생략)를 통하여 입력되는 필렛 각도에 대응하여 구동부(도시 생략)를 통해 용접설정에 필요한 토치각도와 토치길이를 출력한다.

도 4를 참조하여 제어기(40)가 메인 프로그램을 수행하는 작동의 일예를 순차적으로 설명한다.

* 터치검출기(45)를 켠다.

* p1에서 수직방향으로 터칭작업을 하여 p1_h을 획득하여 저장장치에 기록한다. 그 후 p1으로 복귀한다.

* p1에서 수평방향으로 터칭작업을 수행하여 p1_v을 획득하여 저장장치에 기록한다. 그 후 p1으로 복귀한다.

* 수평이송장치와 수직이송장치를 조정하여 제2토치준비위치 p2로 이송시킨다. p2는 용접시작위치 p_start에서 토치각도 상에 위치하며 p_start에서 p1까지 거리의 두 배의 거리를 가진다.

* p2에서 수직방향으로 터칭작업을 하여 p2_h을 획득하여 저장장치에 기록한다. 그 후 p2으로 복귀한다.

* p2에서 수평방향으로 터칭작업을 수행하여 p2_v을 획득하여 저장장치에 기록한다. 그 후 p2으로 복귀한다.

이에, 제어기(40)는 용접시작점 p_start를 계산하고 자세조절기(38)를 제어하여 토치(21)를 p_start로 이송시킨다. p_start는 p1_h과 p2_h에 의한 직선과 p1_v과 p2_v에 의한 직선의 교점이므로 이를 이용하여 계산할 수 있다.

* 용접을 수행한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10, 10′,10″: 부재 20: 캐리지
21: 토치 22: 홀더
23: 눈금 25: 가이드롤러
27: 손잡이 32: 각도조절기
34: 상하조절기 36: 좌우조절기
38: 자세조절기 40: 제어기
42: 기준버튼 45: 터치검출기

Claims

대상 부재의 임의 각도를 지닌 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치에 있어서:
용접용 토치(21)를 자세변동 가능하게 지지하고, 부재와의 간격을 유지하는 가이드롤러(25)를 갖춘 캐리지(20);
상기 토치(21)의 자세를 전기적 신호로 변동하고 검출하며, 수직필렛에 대한 토치 기준점(P0)의 설정이 가능한 구동수단: 및
상기 부재의 기준점(P0) 변화에 대응하여 토치(21)를 설정된 자세로 변동하는 제어기(40);를 포함하되,
상기 제어기(40)는 기준점(P0)에서 토치(21)의 선단부 위치를 저장하는 기준버튼(42)을 구비하고,
상기 제어기(40)는 토치(21)를 기준점(P0)에서 이격된 제1터치준비위치(P1)로 이동시키는 과정에서 토치(21)의 각도와 길이를 변화를 연산하여 저장하며,
상기 제어기(40)는 터치검출기(45)의 가동과 더불어 토치(21)를 제1터치준비위치(P1)에서 제2터치준비위치(P2)로 이동시키면서 각각의 수직/수평 좌표를 획득하고, 이에 의하여 연산된 시작점(P_start)에 토치(21)의 선단부를 일치시키는 것을 특징으로 하는 임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 구동수단은 엔코더 탑재형 서보모터 및 육안 확인용 눈금(23)을 구비하는 것을 특징으로 하는 임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 장치.
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청구항 1의 장치를 기반으로 하는 용접캐리지 구동 방법에 있어서:
(A) 상기 제어기(40)의 터치검출기(45)를 켜고 준비하는 단계;
(B) 상기 토치(21)를 제1터치준비위치(P1)에서 각각 수직방향 및 수평방향으로 이동시켜 좌표를 확보하는 단계;
(C) 상기 토치(21)를 제2터치준비위치(P2)에서 각각 수직방향 및 수평방향으로 이동시켜 좌표를 확보하는 단계; 및
(D) 상기 제어기(40)로 용접시작점 p_start를 계산하고 자세조절기(38)를 제어하여 토치(21)를 p_start로 이송시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 구동 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 단계 (B)는 다음의 수식을 이용하여 제1터치준비위치(P1)의 좌표(p1_h, p1_v)를 연산하는 것을 특징으로 하는 임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 구동 방법.
p1_h = p0_h + l_p1*cos(th_torch) + l_torch*{cos(th_torch) - sin(th_torch)} - h_r/tan(th_fillet)
p1_v = p0_v + l_p1*sin(th_torch)
청구항 6에 있어서,
상기 단계 (C)는 용접시작위치 p_start에서 토치각도 선상으로 p_start에서 p1까지 거리의 두 배의 거리에 제2터치준비위치(P2)를 설정하는 것을 특징으로 하는 임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 구동 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 단계 (D)는 p1_h과 p2_h에 의한 직선과 p1_v과 p2_v에 의한 직선의 교점을 이용하여 p_start를 산출하는 것을 특징으로 하는 임의 각도의 필렛에 대응하는 용접캐리지 구동 방법.