KR102426356B1 - 3축 관통형 턴테이블과 5축 구동이 가능한 토치를 구비하여 정밀한 용접을 수행하는 용접장치 - Google Patents

3축 관통형 턴테이블과 5축 구동이 가능한 토치를 구비하여 정밀한 용접을 수행하는 용접장치 Download PDF

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Abstract

3축 관통형 턴테이블과 5축 구동이 가능한 토치를 구비하여 정밀한 용접을 수행하는 용접장치를 제공한다.
상기 용접장치는 스탠드 컬럼; 상기 스탠드 컬럼에 배치되는 피딩기; 상기 스탠드 컬럼에 배치되며 상기 피딩기로부터 와이어를 공급받아 용접을 수행하는 토치; 상기 스탠드 컬럼에 배치되며 상기 토치에 의해 용접되는 모재가 배치되는 턴테이블을 포함하고, 상기 턴테이블은 x축을 회전축으로 모재를 회전시키며, x축을 회전축으로 틸팅되며 z축을 기준으로 이동하도록 구동하는 것을 특징으로 한다.

Description

3축 관통형 턴테이블과 5축 구동이 가능한 토치를 구비하여 정밀한 용접을 수행하는 용접장치{WELDING ROBOT THAT FORMS UNIFORM WEAVING BEAD BY PERFORMING WELDING IN PRECISE WEAVING OPERATION ALONG THE WELDING LINE FORMED ON THE STEEL PIPE}
본 발명은 3축 관통형 턴테이블과 5축 구동이 가능한 토치를 구비하여 정밀한 용접을 수행하는 용접장치에 관한 것이다.
용접은 금속의 야금적 접합법을 총칭하는 용어로서, 같은 종류 또는 다른 종류의 금속재료에 열과 압력을 가하여 고체 사이에 직접 결합이 되도록 접합시키는 방법을 의미한다. 스마트팩토리는 제품을 제작과 포장하고 기계를 점검하는 전 과정이 자동으로 이뤄지는 공장으로서, 전통적인 인적리소스 기반으로 공정이 진행되는 공장에 로봇기술과 정보통신기술(ICT)을 융합하여 이뤄지는 차세대 4차산업력명의 핵심으로 꼽힌다. 그러나 용접분야에서 스마트팩토리의 구현을 위해서는 용접장치가 모재를 안정적으로 지지하는 동시에 용접로봇의 토치가 숙련된 용접공의 손동작을 정확하게 묘사해야 가능하기 때문에, 이를 위해 많은 연구개발이 이뤄지고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 3축 관통형 턴테이블과 5축 구동이 가능한 토치를 구비하여 정밀한 용접을 수행하는 용접장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 용접장치는 스탠드 컬럼; 상기 스탠드 컬럼에 배치되는 피딩기; 상기 스탠드 컬럼에 배치되며 상기 피딩기로부터 와이어를 공급받아 용접을 수행하는 토치; 상기 스탠드 컬럼에 배치되며 상기 토치에 의해 용접되는 모재가 배치되는 턴테이블을 포함하고, 상기 턴테이블은 x축을 회전축으로 모재를 회전시키며, x축을 회전축으로 틸팅되며 z축을 기준으로 이동하도록 구동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 스탠드 컬럼에는 상기 턴테이블을 z축을 기준으로 이동시키기 위한 제1레일이 형성되어 있고, 상기 턴테이블은 상기 제1레일을 따라 이동하는 제1브라켓에 지지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1브라켓에는 상기 턴테이블을 x축을 회전축으로 틸팅시키기 위한 제1조인트가 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 토치는 x축과 y축을 회전축으로 틸팅되며, x축과 y축과 z축을 기준으로 이동하도록 구동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 스탠드 컬럼에는 상기 토치를 z축을 기준으로 이동시키기 위한 제2레일과, 상기 제2레일을 따라 이동하며 상기 토치를 x축을 기준으로 이동시키기 위한 제3레일과, 상기 제3레일을 따라 이동하며 상기 토치를 y축을 기준으로 이동시키기 위한 제4레일이 형성되어 있고, 상기 토치는 상기 제4레일을 따라 이동하는 제2브라켓에 지지되며, 상기 제2브라켓에는 상기 토치를 x축을 회전축으로 틸팅시키기 위한 제2조인트와 상기 토치를 y축을 회전축으로 틸팅시키기 위한 제3조인트가 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 용접장치는 모재를 지지하는 지지부를 3축 관통형으로 구현함과 동시에 5축 구동이 가능한 토치를 구비함으로써,
1) 파이프 맞대기(T관, 엘보우, 플렉시블관 등) 필렛(플렌지 등) 용접에서 GTAW TIG 정밀용접에 매우 안정적인 자동용접수행에 도움되고,
2) 관통형 턴테이블 3축제어기능으로 사용자 및 모재의 적절한 용접자세 유지에 유용하며,
3) 토치의 5축 구동이 가능하여 일반적인 용접장치보다 정밀한 용접이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 용접장치를 2가지 측면에서 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 용접장치의 턴테이블이 3축 구동하는 것을 개념적으로 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 용접장치의 토치가 5축 구동하는 것을 개념적으로 나타낸 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, x축과 y축과 z축을 "회전축으로 회전/기준으로 이동"한다는 의미는 x축과 y축과 z축과 나란한(평행한) 축을 "회전축으로 회전/기준으로 이동"한다는 광의의 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 용접장치(100)를 설명한다. 도 1은 본 발명의 용접장치를 2가지 측면에서 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 용접장치의 턴테이블이 3축 구동하는 것을 개념적으로 나타낸 사진이고, 도 3은 본 발명의 용접장치의 토치가 5축 구동하는 것을 개념적으로 나타낸 사진이다.
본 발명의 용접장치(100)는 바람직하게는 100A 150A 200A 사이즈 파이프를 권장하며, 플렌지 사이즈 300, 350, 400[mm] 자체모델 웰딩척(관통형 3가지 웰딩척 파이프 10A~100A, 10A~150A, 10A~200A)을 적용하는 경우 최적의 용접조건을 제시할 수 있다. 또한, 본 발명의 용접장치(100)는 바람직하게는 파이프 길이는 최대 3000mm이며, 물론, 그 이상까지 적용 가능하나 별도의 받침대를 필요 시 제공하여야 한다. 나아가 본 발명의 용접장치(100)는 관통형 턴테이블 스탠드 컬럼에 부착형 토치헤드장치가 별도로 개발되어 TIG 정밀용접에 이용하기 적합하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 용접장치(100)는 스탠드 컬럼(10), 피딩기(20), 토치(30), 턴테이블(40)을 포함할 수 있다. 스탠드 컬럼(10)의 상면에는 피딩기(20)가 배치되고, 스탠드 컬럼(10)의 일측 측면에는 토치(30)가 배치되고, 스탠드 컬럼(10)의 타측 측면(일측 측면과 직각으로 배치되는 측면일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아님)에는 턴테이블(40)이 배치될 수 있다.
피딩기(20)는 토치(30)로 TIG 용접을 위한 와이어(용가재)를 공급하는 기기일 수 있으며, 상세하게, 토치(30)의 노즐 끝단의 인근으로 와이어를 적량/적시에 공급할 수 있다.
토치(30)는 피딩기(20)로부터 와이어를 공급받아 용접을 수행하는 구성일 수 있으며, 각각의 용접 방식에 따라 다양한 종류의 토치가 이용될 수 있다. 일 예로, TIG 용접은 불활성 가스의 분위기 속에서 용접이 진행되며 전극은 텅스텐을 사용하고 용가재를 따로 공급하는 용접방식으로서 토치(30)에서는 아크가 발생하여 용접이 수행되게 된다.
턴테이블(40)은 토치(30)에 의해 용접되는 모재가 배치되어 모재를 안정적으로 지지(리테이닝)하는 구성 요소일 수 있다.
본 발명의 용접장치(100)에서는 턴테이블(40)이 x축을 회전축으로 모재를 회전시키며, x축을 회전축으로 틸팅되며 z축을 기준으로 이동하도록 구동하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 용접장치(100)에서는 파이프 맞대기(T관, 엘보우, 플렉시블관 등) 필렛(플렌지 등) 용접에서 GTAW TIG 정밀용접에 매우 안정적인 자동용접수행에 도움되고, 관통형 턴테이블 3축제어기능으로 사용자 및 모재의 적절한 용접자세 유지에 유용할 수 있다.
즉, 본 발명의 용접장치(100)에서는 기존의 롤러 지지 방식에서 벗어나 모재가 턴테이블(40)을 관통하며 안정적으로 지지되며 턴테이블(40) 자체의 회전 기능에 의해 모재를 클램핑한 상태로 안정적으로 회전시켜 정밀한 용접에 도움을 줄 수 있다.
상세하게, 스탠드 컬럼(10)에는 턴테이블(40)을 z축을 기준으로 이동시키기 위한 제1레일(11)이 형성될 수 있으며, 제1레일(11) 상에는 제1레일(11)을 따라 이동이 가능한 제1브라켓(12)이 배치되고, 턴테이블(40)은 제1브라켓(12)에 지지되어 z축을 기준으로 이동할 수 있다. 한편, 제1브라켓(12)을 이동시키기 위한 액추에이터가 구비될 수 있으며, 일 예로, 제1레일(11)은 스크류 방식으로 마련되어 전동 모터 액추에이터에 의한 스크류 회전에 의해 회전이 구속된 제1브라켓(12)이 제1레일(11)을 따라 이동하여 턴테이블(40)이 z축을 기준으로 함께 이동할 수 있으나, 본 발명의 용접장치(100)의 구현 방식이 상술한 방식에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1브라켓(12)에는 턴테이블(40)을 x축을 회전축으로 틸팅시키기 위한 제1조인트(12-1)가 형성될 수 있다. 한편, 제1조인트(12-1)는 수동 조작에 의해 틸팅되는 회전커넥터일 수 있으나, 본 발명의 용접장치(100)의 구현 방식이 상술한 방식에 한정되는 것은 아니다(회전모터에 의해 자동 조작이 가능하게 구현될 수도 있음).
나아가 턴테이블(40)에는 모재를 구속시키기 위한 크램핑 파츠(41)가 마련되어 있고 크램핑 파츠(41)가 베어링에 의해 턴테이블 본체(42)와 회전 가능하게 연결되어 모재를 자체적으로 회전시킬 수 있다. 이 경우, 턴테이블(40)의 크램핑 파츠(41)를 회전시키기 위한 액추에이터가 구비될 수 있으며, 일 예로, 회전 모터가 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 용접장치(100)에서는 토치(30)가 x축과 y축을 회전축으로 틸팅되며, x축과 y축과 z축을 기준으로 이동하도록 구동되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 용접장치(100)에서는 모재의 두께나 사이즈 또는 용접선에 맞추어 토치(30)의 자세와 위치를 수정함으로써 정밀한 용접을 수행하게 할 수 있다.
상세하게, 스탠드 컬럼(10)에는 토치(30)를 z축을 기준으로 이동시키기 위한 제2레일(13)이 배치될 수 있으며, 제2레일(13) 상에는 제2레일(13)을 따라 이동하며 토치(30)를 x축을 기준으로 이동시키기 위한 제3레일(14)이 배치될 수 있으며, 제3레일(14) 상에는 제3레일(14)을 따라 이동하며 토치(30)를 y축을 기준으로 이동시키기 위한 제4레일(15)이 배치될 수 있다. 이 경우, 토치(30)는 제4레일(15)을 따라 이동하는 제2브라켓(16)에 의해 지지될 수 있다.
한편, 제3레일(14)과 제4레일(15)과 제2브라켓(16)을 이동시키기 위한 액추에이터가 구비될 수 있으며, 일 예로, 제2레일(13)은 스크류 방식으로 마련되어 전동 모터 액추에이터에 의한 스크류 회전에 의해 회전이 구속된 제3레일(14)이 제2레일(13)을 따라 이동하여 토치(30)가 z축을 기준으로 함께 이동할 수 있으며, 제3레일(14)은 스크류 방식으로 마련되어 전동 모터 액추에이터에 의한 스크류 회전에 의해 회전이 구속된 제4레일(15)이 제3레일(14)을 따라 이동하여 토치(30)가 x축을 기준으로 함께 이동할 수 있으며, 제4레일(15)은 스크류 방식으로 마련되어 전동 모터 액추에이터에 의한 스크류 회전에 의해 회전이 구속된 제2브라켓(16)이 제4레일(15)을 따라 이동하여 토치(30)가 y축을 기준으로 함께 이동할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 유공압 실린더 방식 등 다양한 액추에이터가 이용될 수 있다.
또한, 제2브라켓(16)에는 토치(30)를 x축을 회전축으로 틸팅시키기 위한 제2조인트(16-1)와 토치(30)를 y축을 회전축으로 틸팅시키기 위한 제3조인트(16-2)가 형성되어 있을 수 있다. 한편, 제2조인트(16-1)와 제3조인트(16-2)는 수동 조작에 의해 틸팅되는 회전커넥터일 수 있으나, 본 발명의 용접장치(100)의 구현 방식이 상술한 방식에 한정되는 것은 아니다(회전모터에 의해 자동 조작이 가능하게 구현될 수도 있음).
본 발명의 용접장치(100)의 변형례(미도시)에서는 용접 시 턴테이블(40)이 정방향으로 모재를 일회전시켜 용접이 완료되며 전자 제어 유닛(미도시)에 의해 턴테이블(40)의 회전과 토치(30)의 작동 여부가 제어될 수 있다. 한편, 용접 중간에 사용자가 토치(30)와 모재와의 용접각도를 변경하기 위해 수동으로 제1조인트(12-1)를 회전 틸팅시킴으로써 부족해지는 용접 영역을 보완하기 위해, 제1조인트(12-1)에는 회전량 측정 센서(미도시)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 사용자가 용접 중 제1조인트(12-1)를 수동으로 역방향으로 회전 틸팅시키는 경우 전자 제어 유닛은 회전량 측정 센서로부터 제1조인트(12-1)의 회전 방향과 회전각과 회전 시점에 대한 정보를 전달받아 1) 토치(30)를 작동시킨 상태에서 턴테이블(40)이 정방향으로 모재를 일회전시키도록, 턴테이블(40)을 제어한 후, 추가적으로 2) 토치(30)를 작동시킨 상태에서 턴테이블(40)이 정방향으로 모재를 제1조인트(12-1)가 역방향으로 회전 틸팅한 회전각만큼 추가로 회전시키도록, 턴테이블(40)을 제어할 수 있다. 이와 반대로, 사용자가 용접 중 제1조인트(12-1)를 수동으로 정방향으로 회전 틸팅시키는 경우 전자 제어 유닛은 회전량 측정 센서로부터 제1조인트(12-1)의 회전 방향과 회전각과 회전 시점에 대한 정보를 전달받아 1) 토치(30)를 작동시킨 상태에서 턴테이블(40)이 정방향으로 모재를 일회전시키도록, 턴테이블(40)을 제어한 후, 2) 토치(30)를 작동시키지 않은 상태에서 턴테이블(40)이 역방향으로 모재를 회전시켜 제1조인트(12-1)가 회전한 시점에서의 모재의 회전 위상 지점에 위치하도록, 턴테이블(40)을 제어할 수 있으며(이를 위해, 턴테이블의 액추에이터의 회전 위상을 감지하는 엔코더 센서가 추가되어 전자 제어 유닛이 엔코더 센서로부터 제1조인트가 회전한 시점에서의 모재의 회전 위상 지점을 판단할 수 있음), 3) 토치(30)를 작동시킨 상태에서 턴테이블(40)이 역방향으로 모재를 제1조인트(12-1)가 정방향으로 회전 틸팅한 회전각만큼 추가로 회전시키도록, 턴테이블(40)을 제어할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (5)

  1. 스탠드 컬럼;
    상기 스탠드 컬럼에 배치되는 피딩기;
    상기 스탠드 컬럼에 배치되며 상기 피딩기로부터 와이어를 공급받아 용접을 수행하는 토치; 및
    상기 스탠드 컬럼에 배치되며 상기 토치에 의해 용접되는 모재가 배치되는 턴테이블을 포함하고,
    상기 턴테이블은 x축을 회전축으로 모재를 회전시키며, x축을 회전축으로 틸팅되며 z축을 기준으로 이동하도록 구동하고,
    상기 스탠드 컬럼에는 상기 턴테이블을 z축을 기준으로 이동시키기 위한 제1레일이 형성되어 있고,
    상기 턴테이블은 상기 제1레일을 따라 이동하는 제1브라켓에 지지되고,
    상기 제1브라켓에는 상기 턴테이블을 x축을 회전축으로 틸팅시키기 위한 제1조인트가 형성되어 있고,
    상기 토치는 x축과 y축을 회전축으로 틸팅되며, x축과 y축과 z축을 기준으로 이동하도록 구동하고,
    상기 스탠드 컬럼에는 상기 토치를 z축을 기준으로 이동시키기 위한 제2레일과, 상기 제2레일을 따라 이동하며 상기 토치를 x축을 기준으로 이동시키기 위한 제3레일과, 상기 제3레일을 따라 이동하며 상기 토치를 y축을 기준으로 이동시키기 위한 제4레일이 형성되어 있고,
    상기 토치는 상기 제4레일을 따라 이동하는 제2브라켓에 지지되며,
    상기 제2브라켓에는 상기 토치를 x축을 회전축으로 틸팅시키기 위한 제2조인트와 상기 토치를 y축을 회전축으로 틸팅시키기 위한 제3조인트가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 용접장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009067016A (ja) * 2007-09-18 2009-04-02 Hitachi Koki Co Ltd 切断機及び切断機を梱包する方法
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KR20170136171A (ko) * 2016-06-01 2017-12-11 주식회사 동주웰딩 관형 모재의 용접 위치별 토치 각도 제어가 가능한 용접장치

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