KR102599218B1 - 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치 - Google Patents
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Abstract
배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치에 관한 것으로, 골격을 형성하는 본체, 주행하고자 하는 배관의 내경에 따라 간격 조절이 가능하도록, 상기 본체의 상부와 하부에 각각 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 상부 및 하부 몸체부, 전방향 회전이 가능하도록 메카넘 휠로 마련되고, 상기 상부 및 하부 몸체부에 각각 회전 가능하게 설치되는 주행바퀴, 상기 주행바퀴를 회전시키도록 구동력을 발생하는 구동부 그리고 상기 상부 및 하부 몸체부를 상하 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생하는 액추에이터를 포함하여 다양한 형상 및 크기의 배관 내부를 주행하는 구성을 마련하여, 직선주행, 롤링, 곡선주행 및 좌우 측방향 이동 등 4가지 주행모드를 조합하여 구동해서 대부분의 배관 형태의 주행이 가능함에 따라, 배관 내부에서 검사 및 청소 작업 등 다양한 작업을 수행할 수 있다.
Description
본 발명은 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부 선원법을 이용해서 배관을 검사하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치에 관한 것이다.
배관이 설치되는 조선, 건설, 원자력, 플랜트 등의 여러 산업분야에서 배관제작 시 용접조인트의 결함검사, 내부 이물질 검사 등이 필요하며, 또한 배관의 사용기간 동안 유지보수를 위한 청소, 육안검사 등의 작업이 수행된다.
이러한 산업분야에 적용되는 배관은 직관, 엘보(Elbow) 관, 티형 관(T-branch), 리듀서(Reducer) 배관 등 다양한 형태와 크기의 배관 부품으로 조합되어 있다.
즉, 산업현장에서 배관을 설치할 때 배관의 길이나 설치구역의 특성상 각 배관을 서로 연결하여야 한다.
이와 같이, 배관을 서로 연결하기 위해서는 일정 길이의 배관을 서로 용접하여 시공하기 때문에 용접부가 발생한다. 이러한 용접부에는 직관과 직관을 용접하는 배관 연결부와, 직관과 곡관을 연결하는 배관연결부가 있다.
이처럼 배관에 용접부가 발생하면, 용접부의 건전성을 확인하기 위한 검사가 필요하므로, 배관에 손상을 주지 않도록 하기 위하여, 비파괴 방식으로 검사가 이루어진다.
비파괴 검사 중에서 방사선 비파괴 검사는 방사선 촬영을 통해 촬영 필름을 획득하고, 획득된 촬영 필름을 판독하여 용접부의 건전성을 확인한다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 방사선 조사기와 배관 검사장치 및 검사방법 기술이 개시되어 있다.
한편, 배관들의 내부검사를 위해서는 다양한 형태와 크기에 대응하여 배관 내부를 이동할 수 있는 주행장치가 필수적이다.
그러나 종래기술에 따른 주행장치 기술이나 상용제품들은 제한된 형태와 크기의 배관 내부에서만 이동할 수 있는 전용 장비가 대부분이다.
이로 인해, 종래기술에 따른 주행장치는 중력 방향에 대해 수평이고, 직관인 배관에만 적용 가능함에 따라, 다양한 형상 및 크기의 배관을 검사하는데 한계가 있었다.
그리고 종래기술에 따른 주행장치는 제자리 회전이 불가능함에 따라, 배관 내부의 장애물이나 이물질을 회피하지 못하는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술에 따른 주행장치는 주행바퀴의 이탈로 인해 티형 관 내부의 통과 주행 및 선택주행이 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배관 내부 검사 및 청소를 위해 다양한 형상 및 크기의 배관 내부를 주행할 수 있는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 배관 내부에서 장애물 또는 이물질을 회피해서 주행할 수 있는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치는 골격을 형성하는 본체, 주행하고자 하는 배관의 내경에 따라 간격 조절이 가능하도록, 상기 본체의 상부와 하부에 각각 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 상부 및 하부 몸체부, 전방향 회전이 가능하도록 메카넘 휠로 마련되고, 상기 상부 및 하부 몸체부에 각각 회전 가능하게 설치되는 주행바퀴, 상기 주행바퀴를 회전시키도록 구동력을 발생하는 구동부 그리고 상기 상부 및 하부 몸체부를 상하 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생하는 액추에이터를 포함하여 다양한 형상 및 크기의 배관 내부를 주행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 주행장치의 구동을 원격으로 제어하는 제어단말을 더 포함하고, 상기 제어단말은 상기 주행장치의 중심에서 병진속도와 상기 본체의 회전속도를 구현하기 위한 각 주행바퀴의 회전속도와 회전방향을 계산하고, 계산된 회전속도와 회전방향에 기초해서 각 주행바퀴를 구동하는 주행모터의 지령으로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 및 하부 몸체부는 서로 대칭 구조로 마련되고, 상기 본체는 검사 작업 방법에 따라 필요한 작업도구를 설치 가능하도록, 내부에 설치공간이 마련된 중공을 갖는 사각 통체 형상으로 형성되고, 상기 설치공간에는 검사 작업시 내부에 방사선원이 보관된 컨테이너가 삽입되며, 청소 작업시에는 로봇팔과 그리퍼가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 본체의 일면에는 상기 액추에이터가 설치되고, 상기 본체의 타면에는 상기 구동부를 구동하기 위한 컨트롤러와 비상 배터리 및 제어부품을 포함하는 전장부 박스가 설치되며, 상기 전장부 박스의 전후단에는 각각 상기 본체가 주행하는 전방 및 후방을 촬영하는 카메라가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 액추에이터는 상기 본체의 일면에 설치되는 LM 가이드와 상기 LM 가이드의 슬라이딩 블록에 설치되고, 상기 상부 및 하부 몸체부를 상하 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생하는 공압실린더를 포함하고, 상기 공압실린더는 압축공기의 공급 또는 배출 동작에 의해 로드를 신축 동작시키며, 상기 공압실린더와 로드는 개별적으로 또는 동시에 좌우 방향으로 왕복 운동하고, 상기 공압실린더과 로드에는 각각 상기 주행바퀴가 설치되는 휠링크를 회전 동작시키는 푸시바가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 주행바퀴는 상기 휠링크에 롤러축을 중심으로 회전 가능하게 설치되고, 상기 휠링크의 일단에는 상기 푸시바에 형성된 슬롯홀에 결합되는 캠팔로워가 마련되며, 상기 휠링크는 상기 상부 또는 하부 상부 몸체부에 각각 힌지 구조로 연결되어 상기 푸시바의 좌우 이동에 의해 상하 방향으로 회전하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 몸체부와 하부 몸체부에 각각 설치된 한 쌍의 주행바퀴는 배관의 내경에 대응되도록 상기 휠링크의 회전 동작과 상기 상부 및 하부 몸체부의 상하 이동 중 어느 하나 이상에 의해 간격이 조정되고, 수평 및 수직 주행이 가능하도록 배관의 내부 벽면에 밀착되는 것을 특징으로 한다.
상기 구동부는 전원을 공급받아 상기 주행바퀴를 회전시키도록 구동력을 발생하는 주행모터, 상기 주행모터의 회전속도를 감속하는 감속기 및 상기 감속기에서 출력되는 구동력을 상기 주행바퀴에 전달하는 기어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 본체의 양측단에는 각각 배관 내경 조절용 슬롯이 형성되는 플레이트가 설치되고, 상기 상부 몸체부와 하부 몸체부의 양측단에는 각각 상기 플레이트의 외측에 배치되는 한 쌍의 고정바와 상기 배관 내경 조절용 슬롯을 관통해서 고정볼트가 체결되며, 상기 플레이트에는 상기 배관 내경 조절용 슬롯의 일측에 배관의 내경에 따른 상기 상부 및 하부 몸체부 사이 간격 조절이 가능하도록, 눈금과 치수가 표시되는 것을 특징으로 한다.
상기 한 쌍의 고정바에는 상기 상부 및 하부 몸체부의 양측에 각각 배치되는 한 쌍의 가이드 바가 설치되고, 상기 가이드 바는 배관 내부 주행시 상기 주행장치를 보호하고, 형상이 변화되는 배관 내부에 상기 주행장치가 끼이는 현상을 방지하며, 이동시 손잡이로 활용되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어단말은 상기 주행바퀴와 배관 내부 접촉점의 속도 중 롤러 축방향으로 미끄럼이 없다는 수학식 1의 조건에서 수학식 2를 이용해서 각 주행바퀴의 회전속도를 산출하고, 산출된 회전속도에 기초해서 상기 주행바퀴를 구동하도록 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치.
.............[수학식 1]
.........[수학식 2]
여기서, r은 주행바퀴의 반경, 는 주행바퀴의 롤러 축 방향의 단위벡터, Lx와 Lz는 각각 주행장치의 중심(O)과 롤러축의 x축과 z축 방향 거리, ,는 주행장치의 중심(O)에서 병진속도, , 는 주행장치 본체의 회전속도, φ1 내지 φ4는 각 주행바퀴의 회전속도.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치에 의하면, 배관 내부를 주행하는 주행장치의 본체 전후단에 각각 카메라를 장착하고, 카메라에서 촬영된 영상을 모니터링해서 배관 내부를 육안으로 검사할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 방사선원 컨테이터를 주행장치의 본체에 삽입하고, 본체의 전방에 콜리메이터를 장착해서 내부선원법으로 배관을 비파괴 검사할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 본체에 배관 내부의 이물질을 잡을 수 있는 그리퍼를 가진 링크를 장착해서 배관 내부의 청소 작업을 수행할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이와 함께, 본 발명에 의하면, 자성을 띠는 이물질일 경우 그리퍼 대신 자석을 설치해서 청소 작업을 수행할 수도 있다는 효과가 얻어진다.
결과적으로, 본 발명은 직선주행, 롤링, 곡선주행 및 좌우 측방향 이동 등 4가지 주행모드를 조합하여 구동해서 대부분의 배관 형태의 주행이 가능함에 따라, 배관 내부에서 검사 및 청소 작업 등 다양한 작업을 수행할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주행장치가 적용된 배관 비파괴 검사장치의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 배관 비파괴 검사장치의 사시도,
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치의 커버를 제거한 사시도와 정면도,
도 5는 본체와 상부 및 하부 몸체의 분해 사시도,
도 6은 본체의 분해 사시도,
도 7은 청소 작업에 필요한 작업도구가 설치된 주행장치의 구성도,
도 8은 도 5에 도시된 본체의 측면도,
도 9는 상부 몸체부의 분해 사시도,
도 10은 구동부의 분해 사시도,
도 11은 메카넘 휠 관련 변수를 정의한 도면,
도 12는 배관 내부를 주행하는 메카넘 휠을 위한 기구학을 설명하는 도면,
도 13은 주행장치가 배관을 주행하는 상태를 보인 동작 상태도,
도 14 및 도 15는 배관 내경에 따른 조정하는 방법을 설명하는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 배관 비파괴 검사장치의 사시도,
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치의 커버를 제거한 사시도와 정면도,
도 5는 본체와 상부 및 하부 몸체의 분해 사시도,
도 6은 본체의 분해 사시도,
도 7은 청소 작업에 필요한 작업도구가 설치된 주행장치의 구성도,
도 8은 도 5에 도시된 본체의 측면도,
도 9는 상부 몸체부의 분해 사시도,
도 10은 구동부의 분해 사시도,
도 11은 메카넘 휠 관련 변수를 정의한 도면,
도 12는 배관 내부를 주행하는 메카넘 휠을 위한 기구학을 설명하는 도면,
도 13은 주행장치가 배관을 주행하는 상태를 보인 동작 상태도,
도 14 및 도 15는 배관 내경에 따른 조정하는 방법을 설명하는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주행장치가 적용되는 배관 비파괴 검사장치의 구성을 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주행장치가 적용된 배관 비파괴 검사장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 배관 비파괴 검사장치의 사시도이다.
배관 비파괴 검사장치는 방사선원과 방사선원 컨테이너, 주행장치, 방사선 조사장치, 콜리메이터(collimator) 및 차폐재를 포함하고, 배관 내부에 방사선원을 배치하고, 배관 내부를 주행하면서 배관의 용접조인트를 방사선 촬영하는 내부 선원법을 이용해서 배관의 결함을 비파괴 검사한다.
상세하게 설명하면, 배관 비파괴 검사장치(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 방사선원(20)이 보관되는 방사선원 컨테이너(이하 '컨테이너'라 약칭함)(30), 컨테이너(30)를 배관(11) 내부에서 방사선 촬영하고자 하는 위치, 즉 용접조인트(W) 부분으로 이동시키도록 주행하는 주행장치(40), 컨테이너(30) 내부에 보관된 방사선원(20)을 인출하고 방사선 촬영이 완료되면 방사선원(20)을 다시 컨테이너(30)로 회수하도록 구동하는 방사선 조사장치(50) 및 컨테이너(30)에서 인출된 방사선원(20)을 고정하고 방사선 촬영하고자 하는 위치와 각도로 방사선원(20)에서 방사된 방사선을 투과시키는 콜리메이터(60)를 포함한다.
이와 함께, 배관 비파괴 검사장치(10)는 배관(11) 외부에 마련되고 무선 또는 유선 통신방식으로 각 장치의 구동을 원격으로 제어하는 제어단말(70)을 더 포함할 수 있다.
그래서 본 발명은 배관(11) 내부를 주행하면서 배관(11)의 용접 조인트 부분을 촬영하고, 촬영된 영상에 기초해서 용접 부위의 결함 여부를 검사할 수 있다.
이를 위해, 배관(11)의 용접 조인트 부분에는 방사선 촬영시 용접 부위의 결함을 통해 투과된 방사선을 감광해서 촬영하는 방사선 필름(12)이 설치된다.
이에 따라, 작업자는 방사선 필름(12)에 촬영된 사진을 관찰하여 배관(11)의 용접조인트(W) 결함 여부와 결함의 크기 및 분포 등을 알 수 있다.
그리고 배관(11)의 용접 조인트(W) 부분에는 방사선 촬영시간 동안 배관(11) 내부에서 발생한 방사선이 외부로 방사되는 것을 차폐하여 작업자의 피폭을 방지하는 차폐재(13)가 설치될 수 있다.
다음, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치의 구성을 상세하게 설명한다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치의 커버를 제거한 사시도와 정면도이다.
그리고 도 5는 본체와 상부 및 하부 몸체의 분해 사시도이고, 도 6은 본체의 분해 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치(40)는 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 배관(11) 내부에서 비파괴 검사를 수행하고자 하는 위치, 즉 용접조인트 부분으로 방사선원(20)과 컨테이너(30) 및 방사선 조사장치(50)를 이송하는 기능을 한다.
이를 위해, 주행장치(40)는 직관, 엘보관, 티형 관, 리듀서 배관 등 다양한 형태와 크기의 배관 내부검사를 위해, 다양한 형상 및 크기의 배관에 대응하여 배관 내부를 주행할 수 있도록, 전방향 회전이 가능한 메카넘 휠 4세트로 이루어진 주행바퀴(44)를 포함한다.
이에 따라, 주행장치(40)는 전후 병진이동, 좌우 병진이동, 제자리 회전, 좌우 회전 등이 가능하게 마련되고, 상기한 각 모션을 원활하게 수행할 수 있도록 주행바퀴(44)를 배관(11)의 내부 벽면에 밀착시킨다.
상세하게 설명하면, 주행장치(40)는 골격을 형성하는 본체(41), 배관(11)의 내경에 따라 간격 조절이 가능하도록, 본체(41)의 상부와 하부에 각각 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 상부 및 하부 몸체부(42,43), 상부 및 하부 몸체부(42,43)의 상부와 하부에 각각 회전 가능하게 배치되는 주행바퀴(44), 상부 및 하부 몸체부(42,43)를 상하 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생하여 상부 및 하부 몸체부(42,43)와 연결된 푸시바(466)를 이동시키는 액추에이터(46) 그리고 휠링크(441)를 통해 푸시바(466)와 연결되고 주행바퀴(44)를 회전시키도록 구동력을 발생하는 구동부(45)를 포함한다.
본체(41)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 검사 작업 방법에 따라 필요한 작업도구를 설치할 수 있도록, 내부에 설치공간이 마련된 중공을 갖는 사각 통체 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 설치공간에는 비파괴 검사시 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에 방사선원(20)이 보관되는 컨테이너(30)가 설치될 수 있다.
한편, 도 7은 청소 작업에 필요한 작업도구가 설치된 주행장치의 구성도이다.
주행장치(40)에는 청소 작업시 상기 설치공간에 설치된 컨테이너(30)를 제거하고, 도 7에 도시된 바와 같이, 청소 작업을 위한 로봇팔(14)과 그리퍼(15)가 설치될 수 있다.
여기서, 본 발명은 자성을 띠는 이물질일 경우 그리퍼(15) 대신 자석을 설치해서 청소 작업을 수행하도록 변경될 수 있다.
다시 도 3 내지 도 6에서, 본체(41)의 일면, 도 6에서 보았을 때 전면에는 각각 엑츄에이터(46)가 설치되고, 본체(41)의 후면에는 구동부(45)에 마련된 주행모터(451)를 구동하기 위한 모터 컨트롤러와 비상 배터리, 제어부품(도면 미도시)을 포함하는 전장부 박스(411)가 설치될 수 있다.
전장부 박스(411)의 양단에는 각각 배관(11) 내부 상황을 배관 외부에서 모니터링할 수 있도록, 본체(41)가 주행하는 전방 및 후방을 촬영하는 한 쌍의 카메라(47)가 설치될 수 있다.
그래서 작업자는 제어단말(70)의 화면에 표시된 영상을 통해 배관(11) 내부 상황을 모니터링하며, 주행장치를 원격으로 조종할 수 있다.
여기서, 카메라(47)는 팬(pan) 및 틸트(tilt) 기능을 갖는 카메라로 마련될 수 있다.
한편, 주행장치(40)가 각 모션을 수행하기 위해서는 상부 및 하부에 각각 마련된 주행바퀴(44) 사이의 간격을 배관(11)의 내경과 일치시키고, 각 주행바퀴(44)를 배관(11)의 내부 벽면에 밀착시켜야 한다.
특히, 주행장치(40)가 수직 주행하는 경우, 중력에 의한 주행장치(40)와 케이블의 무게를 견뎌야 함에 따라 주행바퀴(44) 밀착이 필수적이다.
이와 같은 밀착력을 발생하기 하기 위해, 액추에이터(46)는 본체(41)의 전면에 설치되는 리니어 모션 가이드(Linear Motion Guide, 이하 'LM 가이드'라 함)(461)와 LM 가이드(461)의 슬라이딩 블록(462)에 설치되어 구동력을 발생해서 푸시바(466)를 좌우 방향으로 왕복 운동시키는 공압실린더(463)를 포함할 수 있다.
여기서, 공압실린더(463)는 압축공기의 공급 또는 배출 동작에 의해 로드(464)를 신축 동작시키고, 공압실린더(463)와 로드(464)는 각각 LM 가이드(461)를 따라 좌우 방향으로 왕복 운동할 수 있다.
공압실린더(463)과 로드(464)에는 각각 주행바퀴(44)가 설치되는 휠링크(441)의 캠 팔로워(442)를 가이드하기 위한 슬롯홀(465)이 형성된 푸시바(466)가 설치될 수 있다.
각 휠링크(441)는 주행바퀴(44)가 롤러축(443)을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 부분으로, 단면이 대략 '>' 형상 또는 '<' 형상으로 형성되고, 휠링크(441)의 중앙부는 상부 몸체부(42) 또는 하부 몸체부(43)와 힌지축(467)을 중심으로 회전 가능하게 연결되며, 휠링크(441)의 일단에 설치되는 캠 팔로워(442)는 푸시바(466)의 슬롯홀(465)에 끼워진다. 슬롯홀(465)은 캠 팔로워(442)가 결합된 상태에서 상하 방향으로 이동 가능하도록, 상하 방향을 따라 길게 연장된 장홀로 형성될 수 있다.
휠링크(441)에는 메카넘 휠(mecanum wheel)로 마련된 주행바퀴(44)가 장착되고, 메카넘 휠을 구동하기 위한 구동부(45)의 주행모터(451)와 감속기(452) 및 기어유닛(453)이 설치될 수 있다(도 10 참조).
이와 같은 구조로 구성된 액추에이터(46)의 공압실린더(463)에 압축공기가 인가되면, 4개의 주행바퀴(44)는 각각 배관(11)의 내부 벽면을 압착하는 방향으로 움직이고, 주행바퀴(44)가 배관(11) 내부에 접촉하면서 밀착력이 발생한다.
이에 따라, 본 발명은 배관의 제조시 오차가 발생하거나 리듀서 배관 내부를 주행하는 경우와 같이 배관의 내경이 변경되는 경우, 상하부 주행바퀴 사이 간격을 자동으로 조정해서 배관 내경 변화에 대응할 수 있다.
한편, 휠 링크(441) 구조를 이용한 주행바퀴 사이의 간격 조절로 커버할 수 없을 정도로 배관(11)의 내경 변화가 큰 경우, 액츄에이터(46)는 배관(11) 내경 조절용 슬롯(413)을 이용해서 상부 및 하부 몸체부(42,43)의 간격을 조절할 수 있다.
도 8은 도 5에 도시된 본체의 측면도이다.
도 5, 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본체(41)의 양측단에는 각각 배관 내경 조절용 슬롯(413)이 형성되는 플레이트(412)가 설치될 수 있다.
그리고 상부 몸체부(42)와 하부 몸체부(43)의 양측단에는 각각 플레이트(412)의 외측에 배치되는 고정바(415)와 슬롯(413)을 관통해서 고정볼트(414)가 체결될 수 있다.
플레이트(412)에는 슬롯(413)의 일측에 배관(11)의 내경에 따른 상부 및 하부 몸체부 사이 간격을 조절하면서 확인할 수 있도록, 눈금과 치수가 표시될 수 있다.
그래서 작업자는 고정볼트(414)를 느슨하게 체결한 상태에서 상부 및 하부 몸체부(42,43) 사이 간격을 조절하고, 간격 조절이 완료되면, 고정볼트(414)를 완전히 체결해서 본체(41)와 상부 및 하부 몸체부(42,43)를 안정적으로 고정할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 작업자가 직접 상부 몸체부와 하부 몸체부 사이 간격을 조절하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 별도의 공압실린더와 같은 액츄에이터를 추가 설치해서 자동으로 조절하도록 변경될 수도 있다.
그리고 한 쌍의 고정바(415)에는 상부 및 하부 몸체부(42,43)의 전후측에 각각 배치되는 한 쌍의 가이드 바(416)가 설치될 수 있다.
가이드 바(416)는 배관(11) 내부 주행시 주행장치(40)를 보호하고, 엘보관이나 티형 관과 같이 형상 변화가 큰 배관에 끼이는 현상을 방지하는 기능을 한다.
이러한 가이드 바(416)는 작업자가 주행장치(40)를 이동시키는 경우, 손잡이로도 활용될 수 있다.
다음, 도 3, 도 4 및 도 9 내지 도 10을 참조해서 상부 및 하부 몸체부와 주행바퀴 및 구동부의 구성을 상세하게 설명한다.
도 9는 상부 몸체부의 분해 사시도이고, 도 10은 구동부의 분해 사시도이다.
이하에서는 상부 몸체부(42)와 하부 몸체부(43)는 서로 대칭되게 구성됨에 따라, 상부 몸체부(42) 및 상부 몸체부(42)에 설치되는 구동부(45) 및 주행바퀴(44)의 구성을 이용해서 설명한다.
상부 몸체부(42)는 도 9에 도시된 바와 같이, 대략 사각판 형상으로 형성되는 바디(421)를 포함하고, 바디(421)에는 주행바퀴(44)가 회전 가능하게 설치되는 한 쌍의 휠링크(441)가 각각 도 10에 도시된 바와 같이, 힌지축(467)을 중심으로 회전하는 힌지 구조로 결합될 수 있다.
휠링크(441)는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 정면에서 보았을 때 단면이 대략 '>' 또는 '<' 형상으로 형성되고, 휠링크(441)의 하단부에는 푸시바(466)의 슬롯홀(465)에 결합되는 캠팔로워(442)가 전방으로 돌출 형성될 수 있다.
이와 같이, 캠팔로워(442)가 슬롯홀(465)에 결합된 상태에서 푸시바(466)가 좌우 방향으로 이동하면, 휠링크(441)는 힌지축(467)을 중심으로 회전 동작한다.
이에 따라, 상하의 주행바퀴(44)는 각각 상하 방향으로 이동해서 배관(11)의 내경에 대응되도록 간격이 조정되고, 배관(11) 내부 벽면에 밀착력을 발생할 수 있다.
구동부(45)는 전원을 공급받아 주행바퀴(44)를 회전시키도록 구동력을 발생하는 주행모터(451), 주행모터(451)의 회전속도를 감속하는 감속기(452) 및 감속기(452)에서 출력되는 구동력을 주행바퀴(44)에 전달하는 기어유닛(453)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 기어유닛(453)은 감속기(452)의 출력축에 설치되는 제1 기어(454), 제1 기어(454)와 맞물리는 제2 기어(455) 및 주행바퀴(44)의 롤러 축(443)에 설치되고 제2 기어(455)와 맞물리는 제3 기어(456)를 포함할 수 있다.
한편, 평면에서 이동하는 주행장치(40)에 적용되는 메카넘 휠과 관련하여 메카넘 휠의 배치와 기구학식은 널리 알려져 있으나, 원통 형상의 배관(11) 내부를 이동하는 메카넘 휠에 대한 정보는 찾기 어렵다.
따라서 본 발명에서는 배관(11) 내부를 이동하는 메카넘 휠의 배치와 이에 대한 기구학 정보의 일 예를 설명한다.
도 11은 메카넘 휠 관련 변수를 정의한 도면이고, 도 12는 배관 내부를 주행하는 메카넘 휠을 위한 기구학(역기구학, Inverse kinematics)을 설명하는 도면이다.
작업자가 주행장치(40)를 편리하게 조작하기 위해서는, 작업자가 원하는 주행장치(40)의 중심(O)에서 병진속도(,)와 본체(41)의 회전속도(, )를 구현하기 위한 각 주행바퀴(44)의 필요한 회전속도와 회전방향을 구하고, 이를 제어단말(70)의 제어프로그램에서 각 주행바퀴(44)를 구동하는 주행모터(451)의 지령으로 전달해야 한다.
도 11 및 도 12에서 r은 메카넘 휠의 반경이고, 는 메카넘 휠의 롤러 축 방향의 단위벡터이다.
메카넘 휠과 배관(11) 내부 접촉점의 속도 중 롤러 축방향으로 미끄럼이 없다는 수학식 1의 조건에서 아래의 수학식 2를 도출할 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 2]
여기서, Lx와 Lz는 각각 주행장치(40)의 중심(O)과 롤러축(443)의 x축과 z축 방향 거리이고, ,는 주행장치의 중심(O)에서 병진속도이며, , 는 주행장치 본체의 회전속도이고, φ1 내지 φ4는 각 메카넘 휠의 회전속도이다.
수학식 2에서 작업자가 원하는 주행장치(40)의 중심(O)에서 병진속도(,)와 본체(41)의 회전속도(, )를 우변에 입력하면, 각 주행바퀴(44)의 필요한 회전속도를 구할 수 있다.
즉, 주행장치(40)와 연결된 제어단말(70)의 제어프로그램에서 수학식 2를 계산하여 필요한 각 주행바퀴(44)의 회전속도와 회전방향을 각 주행바퀴(44)의 주행모터(451) 지령으로 전송하면, 작업자가 원하는 주행장치(40)의 모션을 구현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 배관은 직관, 엘보관, 티형 관 등 다양한 형태와 크기의 배관 부품으로 조합되어 있다.
따라서 본 발명에서 상기한 바와 같은 메카넘 휠 배치를 활용하면 표 1에 기재된 직선주행, 롤링, 곡선주행, 좌우 방향 이동의 4가지 주행모드로 움직일 수 있다.
표 1은 주행장치의 주행모드별 주행장치속도와 주행바퀴 각속도 테이블이고, 도 13은 주행장치가 배관을 주행하는 상태를 보인 동작 상태도이다.
특히, 티형 관의 경우, 작업자가 원하는 경로를 선택하여 주행이 가능하다.
예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 작업자는 티형 관을 통과하여 직진할 것인지 좌측의 분기된 배관으로 갈 것인지를 선택하여 주행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 주행바퀴(44)가 배관(11) 내부에 밀착된 상태이므로, 수평에서 수직까지 모든 자세의 배관에서 주행이 가능하다.
이때, 작업자는 배관(11)의 내경에 따라 상하 주행바퀴(44) 간격과 상부 및 하부 몸체부(42,43)의 간격을 조정할 수 있다.
예를 들어, 도 14 및 도 15는 배관 내경에 따른 조정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 14의 (a) 내지 (c)에는 배관 내경에 따라 주행장치의 일부 부품을 교체한 상태를 상태가 도시되어 있다.
도 15의 (a) 내지 (c)에는 휠링크의 회전에 의해 조절 가능한 범위, 예컨대 150mm 이내인 경우, 휠링크를 회전시켜 상하 주행바퀴의 간격을 조절하는 동작이 예시되어 있다.
그리고 도 15의 (d) 내지 (f)에는 상부 및 하부 몸체부 사이 간격을 조절하는 동작이 예시되어 있다.
작업자는 도 14의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이, 배관(11) 내경 범위를 복수, 예컨대 φ450, φ600, φ750의 3구간으로 나누고, 각 구간에 따라 푸시바와 플레이트 등 일부 부품을 교체해서 상부 및 하부 몸체부(42,43) 사이의 간격을 조정할 수 있다.
그리고 주행장치(40)가 주행하는 배관(11)의 내경 범위가 미리 설정된 기준내경, 예컨대 φ450, φ600, φ750의 조절 가능 범위 이내인 경우, 도 15의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 휠링크(441)를 회전시켜 상하 주행바퀴(44)의 간격을 조절할 수 있다.
이때, 작업자는 도 15의 (c)에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 푸시바(466) 중에서 어느 하나만을 좌우 방향으로 이동시켜, 본체(41)의 좌측 또는 우측에 설치된 상하 주행바퀴(44)의 간격을 조정할 수도 있다.
반면, 배관(11) 내경 범위가 상기한 각 배관의 기준내경의 조절 가능 범위를 초과할 경우, 도 15의 (d) 내지 (f)에 도시된 바와 같이 상부 및 하부 몸체부(42,43)를 상하 방향으로 이동시켜 상하 주행바퀴(44)의 간격을 조정할 수도 있다.
그래서 본 발명은 상기한 바와 같이 구성되는 배관 내부를 주행하는 주행장치의 본체 전후단에 각각 카메라를 장착하고, 카메라에서 촬영된 영상을 모니터링해서 배관 내부를 육안으로 검사할 수 있다.
그리고 본 발명은 방사선원 용기를 주행장치의 본체에 삽입하고, 본체의 전방에 콜리메이터를 장착해서 내부선원법으로 배관을 비파괴 검사할 수 있다.
또, 본 발명은 본체에 배관 내부의 이물질을 잡을 수 있는 그리퍼를 가진 링크를 장착해서 배관 내부의 청소 작업을 수행할 수 있다.
이와 함께, 본 발명은 자성을 띠는 이물질일 경우 그리퍼 대신 자석을 설치해서 청소 작업을 수행할 수도 있다.
결과적으로, 본 발명은 상기한 4가지 주행모드를 조합하여 구동해서 대부분의 배관 형태의 주행이 가능함에 따라, 배관 내부에서 검사 및 청소 작업 등 다양한 작업을 수행할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 배관 내부를 주행해서 비파괴 검사 및 청소 작업을 수행하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치 기술에 적용된다.
10: 배관 비파괴 검사장치
11: 배관12: 방사선 필름
13: 차폐재14: 로봇팔
15: 그리퍼
20: 방사선원30: 방사선원 컨테이너
40: 주행장치41: 본체
411: 전장부 박스412: 플레이트
413: 배관 내경 조절용 슬롯414: 고정볼트
415: 고정바 416: 가이드바
42,43: 상부,하부 몸체부421: 바디
44: 주행바퀴441: 휠링크
442: 캠팔로워443: 롤러축
45: 구동부451: 주행모터
452: 감속기453: 기어유닛
454 내지 456: 제1 내지 제3 기어
46: 액추에이터461: LM 가이드
462: 슬라이딩 블록463: 공압실린더
464: 로드465: 슬롯홀
466: 푸시바467: 힌지축
47: 카메라
50: 방사선 조사장치60: 콜리메이터
70: 제어단말W: 용접 조인트
11: 배관12: 방사선 필름
13: 차폐재14: 로봇팔
15: 그리퍼
20: 방사선원30: 방사선원 컨테이너
40: 주행장치41: 본체
411: 전장부 박스412: 플레이트
413: 배관 내경 조절용 슬롯414: 고정볼트
415: 고정바 416: 가이드바
42,43: 상부,하부 몸체부421: 바디
44: 주행바퀴441: 휠링크
442: 캠팔로워443: 롤러축
45: 구동부451: 주행모터
452: 감속기453: 기어유닛
454 내지 456: 제1 내지 제3 기어
46: 액추에이터461: LM 가이드
462: 슬라이딩 블록463: 공압실린더
464: 로드465: 슬롯홀
466: 푸시바467: 힌지축
47: 카메라
50: 방사선 조사장치60: 콜리메이터
70: 제어단말W: 용접 조인트
Claims (11)
- 골격을 형성하는 본체,
주행하고자 하는 배관의 내경에 따라 간격 조절이 가능하도록, 상기 본체의 상부와 하부에 각각 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 상부 및 하부 몸체부,
전방향 회전이 가능하도록 메카넘 휠로 마련되고, 상기 상부 및 하부 몸체부의 상부와 하부에 각각 회전 가능하게 배치되는 주행바퀴,
상기 상부 및 하부 몸체부를 상하 방향으로 이동시키도록 구동력을 발생해서 상기 상부 및 하부 몸체부와 연결된 푸시바를 이동시키는 액추에이터 그리고
휠링크를 통해 상기 푸시바와 연결되고 상기 주행바퀴를 회전시키도록 구동력을 발생하는 구동부를 포함하여 다양한 형상 및 크기의 배관 내부를 주행하며,
상기 액추에이터는 상기 본체의 일면에 설치되는 LM 가이드와
상기 LM 가이드의 슬라이딩 블록에 설치되어 구동력을 발생해서 상기 푸시바를 좌우 방향으로 왕복 운동시키는 공압실린더를 포함하고,
상기 공압실린더는 압축공기의 공급 또는 배출 동작에 의해 로드를 신축 동작시키며,
상기 공압실린더와 로드는 각각 상기 LM 가이드를 따라 좌우 방향으로 왕복 운동하고,
상기 공압실린더과 로드에는 각각 상기 푸시바가 연결되어 상기 주행바퀴가 설치되는 휠링크를 회전 동작시키는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치. - 제1항에 있어서,
상기 주행장치의 구동을 원격으로 제어하는 제어단말을 더 포함하고,
상기 제어단말은 상기 주행장치의 중심에서 병진속도와 상기 본체의 회전속도를 구현하기 위한 각 주행바퀴의 회전속도와 회전방향을 계산하고, 계산된 회전속도와 회전방향에 기초해서 각 주행바퀴를 구동하는 주행모터의 지령으로 전달하는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 상부 및 하부 몸체부는 서로 대칭 구조로 마련되고,
상기 본체는 검사 작업 방법에 따라 필요한 작업도구를 설치 가능하도록, 내부에 설치공간이 마련된 중공을 갖는 사각 통체 형상으로 형성되고,
상기 설치공간에는 검사 작업시 내부에 방사선원이 보관된 컨테이너가 삽입되며,
상기 주행장치에는 청소 작업시 상기 설치공간에 삽입된 상기 컨테이너를 제거하고, 청소 작업을 위한 로봇팔과 그리퍼가 설치되는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치. - 제3항에 있어서,
상기 본체의 일면에는 상기 액추에이터가 설치되고,
상기 본체의 타면에는 상기 구동부를 구동하기 위한 컨트롤러와 비상 배터리 및 제어부품을 포함하는 전장부 박스가 설치되며,
상기 전장부 박스의 전후단에는 각각 상기 본체가 주행하는 전방 및 후방을 촬영하는 카메라가 설치되는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치. - 삭제
- 제3항에 있어서,
상기 주행바퀴는 상기 휠링크에 롤러축을 중심으로 회전 가능하게 설치되고,
상기 휠링크의 일단에는 상기 푸시바에 형성된 슬롯홀에 결합되는 캠팔로워가 마련되며,
상기 휠링크의 중앙부는 상기 상부 몸체부 또는 하부 몸체부와 힌지축을 중심으로 회전 가능하게 연결되며,
상기 휠링크의 일단에 설치되는 캠 팔로워는 상기 푸시바의 슬롯홀에 끼워지고,
상기 휠링크는 상기 푸시바의 좌우 이동에 의해 상기 힌지축을 중심으로 상하 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치. - 제6항에 있어서,
상기 상부 몸체부와 하부 몸체부에 각각 설치된 한 쌍의 주행바퀴는
배관의 내경에 대응되도록, 상기 힌지축을 중심으로 한 상기 휠링크의 회전 동작과, 상기 푸시바의 좌우 이동에 의한 상기 상부 및 하부 몸체부의 상하 이동 중 어느 하나 이상에 의해 간격이 조정되고, 수평 및 수직 주행이 가능하도록 배관의 내부 벽면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치. - 제3항에 있어서, 상기 구동부는
전원을 공급받아 상기 주행바퀴를 회전시키도록 구동력을 발생하는 주행모터,
상기 주행모터의 회전속도를 감속하는 감속기 및
상기 감속기에서 출력되는 구동력을 상기 주행바퀴에 전달하는 기어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치. - 제3항에 있어서,
상기 본체의 양측단에는 각각 배관 내경 조절용 슬롯이 형성되는 플레이트가 설치되고,
상기 상부 몸체부와 하부 몸체부의 양측단에는 각각 상기 상부 및 하부 몸체부의 간격을 조절한 상태에서, 상기 플레이트의 외측에 배치되는 한 쌍의 고정바와 상기 배관 내경 조절용 슬롯을 관통해서 고정볼트가 체결되며,
상기 플레이트에는 상기 배관 내경 조절용 슬롯의 일측에 배관의 내경에 따른 상기 상부 및 하부 몸체부 사이 간격 조절이 가능하도록, 눈금과 치수가 표시되는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치. - 제9항에 있어서,
상기 한 쌍의 고정바에는 상기 상부 및 하부 몸체부의 양측에 각각 배치되는 한 쌍의 가이드 바가 설치되고,
상기 가이드 바는 배관 내부 주행시 상기 주행장치를 보호하고, 형상이 변화되는 배관 내부에 상기 주행장치가 끼이는 현상을 방지하며, 이동시 손잡이로 활용되는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치. - 제2항에 있어서,
상기 제어단말은 상기 주행바퀴와 배관 내부 접촉점의 속도 중 롤러 축방향으로 미끄럼이 없다는 수학식 1의 조건에서 수학식 2를 이용해서 각 주행바퀴의 회전속도를 산출하고, 산출된 회전속도에 기초해서 상기 주행바퀴를 구동하도록 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 배관 비파괴 검사장치에 적용되는 주행장치.
.............[수학식 1]
.........[수학식 2]
여기서, r은 주행바퀴의 반경, 는 주행바퀴의 롤러 축 방향의 단위벡터, Lx와 Lz는 각각 주행장치의 중심(O)과 롤러축의 x축과 z축 방향 거리, ,는 주행장치의 중심(O)에서 병진속도, , 는 주행장치 본체의 회전속도, φ1 내지 φ4는 각 주행바퀴의 회전속도.
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