KR102599235B1

KR102599235B1 - 곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇

Info

Publication number: KR102599235B1
Application number: KR1020160113096A
Authority: KR
Inventors: 김정민; 이동준; 김진욱; 정성균; 강성원
Original assignee: 한화오션 주식회사
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2023-11-08
Also published as: KR20180026120A

Abstract

본 발명은 다양한 각도로 배열되는 부재들(T-bar 부재, Trans 부재)을 갖는 선박블록의 용접을 위한 포터블 용접로봇에 있어서: 상기 블록의 일부에 고정되는 지지수단(20); 상기 지지수단(20) 상에 도립 상태로 결합되어 용접토치(36)를 가동하는 다관절로봇(30); 및 상기 다관절로봇(30)의 모션을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에, 형상이 복잡하고 공간이 협소한 선수선미 곡블록의 용접에 있어서 용접캐리지나 바닥설치 구조를 배제하여 시스템의 복잡화와 핸들링 불편을 해소함에 따라 품질과 생산성을 향상하는 효과가 있다.

Description

곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇{Portable welding robot for curved block welding}

본 발명은 조선용 용접로봇에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기존의 용접로봇으로는 작업이 어려운 선박의 선수선미부 곡블록에 대하여 자동용접을 수행할 수 있는 곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇에 관한 것이다.

기존의 용접로봇으로 곡블록 용접을 자동화하기 위해서는 6축 수직 다관절로봇(바닥설치형, 자중 20kg 미만)을 사용할 수 있으나, 부재와의 충돌없이 U-cell 전체 영역에 대한 용접작업이 가능하려면 6축 외에 부가축(직선축, 자중 4~6kg 예상 또는 회전축)이 필요하고, 부가축 추가로 인해 로봇의 중량이 무거워지므로(24~26kg) 로봇을 작업자의 손으로 핸들링하기 어렵게 된다.

도 1을 참조하여, 기존 용접로봇으로 선박의 곡블록을 용접하는 경우 예상되는 문제점을 정리하면 다음과 같다. 론지는 수직의 웹과 수평의 페이스를 지닌 T바(14)를 의미한다.

(a) 론지 페이스와의 로봇의 팔꿈치부(3축) 간섭회피 어려움이 발생하는 바, 로봇 3축이 론지 페이스 높이정도에 위치하여 용접작업 시 로봇 3축과 로봇 충돌가능성이 높기 때문이다.

(b) 론지 페이스와의 충돌회피 및 작업영역 확보를 위한 부가축(직선축 또는 회전축)이 필요하여 로봇전체 중량 증가하므로 작업자의 핸들링에 불편함이 수반된다.

(c) 론지 부재의 경사각(α)을 보상하기 위한 로봇서포트가 필요한 바, 별도의 액츄에이터 등을 사용하여 경사각(α)을 조정해야 한다.

(d) 기존의 터치센서 및 LDS(레이저 변위센서)를 사용하여 곡블록의 형상 및 치수 센싱을 위해서는 복잡한 작업이 필요하고 센싱시간이 오래 걸린다.

이와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로 한국 공개특허공보 제2014-0118151호는 일정간격을 두고 나란히 배열된 선행토치와 후행토치로 이루어지고, 상기 선행토치와 후행토치에는 각각 위빙(weaving) 작동하도록 한 위빙모터가 각각 연결된 것이며, 한 번의 용접으로 규격에 맞는 비드를 형성하면서 평 및 곡블록의 맞대기 용접이 이루어지는 효과를 기대한다.

그러나, 이는 바닥면에 접촉하는 이동바퀴로 이동하는 구조이므로 단순하게 맞대어진 블록의 용접에 한정되는 한계성을 드러낸다.

1. 한국 공개특허공보 제2014-0118151호 "선박 평, 곡블록 전용 용접장치" (공개일자 : 2014.10.08.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 형상이 복잡하고 공간이 협소한 선수선미 곡블록의 용접에 있어서 용접캐리지나 바닥설치 구조를 배제하여 시스템의 복잡화와 핸들링 불편을 해소하도록 조선용 소형 구조를 기반으로 하는 곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다양한 각도로 배열되는 블록의 용접을 위한 포터블 용접로봇에 있어서: 상기 블록의 일부에 고정되는 지지수단; 상기 지지수단 상에 도립 상태로 결합되어 용접토치를 가동하는 다관절로봇; 및 상기 다관절로봇의 모션을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단은 블록에 위치변동 가능하게 접촉되는 서포트, 블록에 대한 부착력을 단속하는 매그스위치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단은 다관절로봇의 수동적 착탈을 위하여 툴체인저를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단은 정위치를 세팅을 위해 기준대 상에 한 쌍의 레이저포인트를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 다관절로봇은 어깨부, 링크부, 팔꿈치부를 손목부의 상측으로 수평하게 배열시켜 접은 상태를 구현하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 용접대상의 전체 영역을 검출하는 라이다센서, 용접대상의 국부 영역을 검출하는 레이저변위센서, 다관절로봇의 자세를 검출하는 기울기센서, 설정된 알고리즘을 탑재하고 실행하는 제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 설정된 범위로 다관절로봇의 관절운동을 유발하면서 라이다센서로 용접대상 영역에 대한 형상과 치수를 검출하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 형상이 복잡하고 공간이 협소한 선수선미 곡블록의 용접에 있어서 용접캐리지나 바닥설치 구조를 배제하여 시스템의 복잡화와 핸들링 불편을 해소함에 따라 품질과 생산성을 향상하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 용접로봇의 투입 대상을 예시하는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 용접로봇의 설치 상태를 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 용접로봇을 분리하여 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 용접로봇의 지지수단을 나타내는 구성도
도 5는 본 발명에 따른 용접로봇의 6축 구동을 나타내는 구성도
도 6은 본 발명에 따른 용접로봇을 접은 상태로 나타내는 구성도
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 용접로봇의 작업 상태를 나타내는 모식도

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

본 발명은 다양한 각도로 배열되는 부재들(T-bar 부재, Trans 부재)을 갖는 선박블록의 용접을 위한 포터블 용접로봇에 관하여 제안한다. 도 1과 같이 주판(12)에 대한 T바(14)의 경사각(α), 주판(12)에 대한 트랜스(16)의 경사각(β), T바(14)에 대한 트랜스(16)의 경사각(γ) 등으로 이루어진 선박의 선수선미부 곡블록에서 U셀(U-cell)과 같은 특정의 영역에 대한 용접을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

특히, 얼음을 깨면서 운항하는 쇄빙선의 경우 론지 사이 간격이 400~480mm로 좁고 보강용 부재가 많아 용접작업 시수가 상당히 많이 들어가거나 작업공간이 좁아 용접사들의 접근이 상당히 어려울뿐더러 용접작업 전에 실시하는 예열(65~80℃) 작업은 화상의 위험까지 있다. 곡블록의 경사각이 최대 30˚를 이루고 있으므로 기존의 용접로봇에 의하면 간섭이 초래되어 용접자동화가 곤란하다.

본 발명에 따르면 지지수단(20)이 상기 블록의 일부에 고정되는 구조이다. 도 2에서 본 발명의 지지수단(20)이 T바(14)에 고정되는 상태를 예시한다. 지지수단(20)은 후술하는 다관절로봇(30)과 분리 또는 결합 가능한 판재 형태이다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단(20)은 블록에 위치변동 가능하게 접촉되는 서포트(21), 블록에 대한 부착력을 단속하는 매그스위치(22)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 지지수단(20)의 상하로 2개의 서포트(21)를 예시하는 바, T바(14)의 경사각에 대응하므로 별도의 액츄에이터를 배제할 수 있다. 서포트(21)는 막대 또는 앵글 형태로서 위치(높이)의 변동이 가능하도록 구성할 수 있다. 도 4에서 매그스위치(22)는 삼각형으로 배치한 상태를 예시하는 바, 자성체인 T바(14)에 부착하기 위한 자력을 단속한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단(20)은 다관절로봇(30)의 수동적 착탈을 위하여 툴체인저(25)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 지지수단(20)의 상단에 배치되는 툴체인저(25)는 하나의 마스터와 이에 전후 방향의 동심으로 대향하는 슬레이브로 구성된다. 툴체인저(25)의 외부로 노출된 레버를 수동으로 조작하여 다관절로봇(30)의 베이스(38)를 분리 또는 결합한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단(20)은 정위치를 세팅을 위해 기준대(23) 상에 한 쌍의 레이저포인트(41)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 4를 참조하면 기준대(23)가 수평으로 전개되고 기준대(23)의 양단에 설치된 레이저포인트(41)가 용접대상(예컨대 U셀의 격벽)에 조사한다. 양측의 레이저포인트(41)는 지지수단(20)이 설정된 위치에 이르면 동일한 점을 조사한다. 레이저포인트(41)를 사용하면 용접대상이 곡면일지라도 별도의 측정과정을 생략하고 지지수단(20)의 정위치를 신속하고 정확하게 세팅할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 다관절로봇(30)이 상기 지지수단(20) 상에 도립 상태로 결합되어 용접토치(36)를 가동하는 구조이다. 도 5에서 다관절로봇(30)은 어깨부(31), 링크부(32), 팔꿈치부(33), 손목부(34)를 포함하는 6축 구동으로 예시한다. 이와 같은 다관절로봇(30)이 지지수단(20) 상에 도립 상태로 설치(Upside down installation)되면 별도의 부가축을 배제하더라도 용접자동화의 신뢰성을 높일 수 있다. 특히 제3축에 해당하는 팔꿈치부(33)가 상대적으로 공간이 넓은 론지 페이스 아래에 위치하므로 일부 블록(특히 론지 페이스)과의 간섭을 회피하고 용접대상 전체 영역(U-cell )에 대한 작업성이 향상된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 다관절로봇(30)은 어깨부(31), 링크부(32), 팔꿈치부(33)를 손목부(34)의 상측으로 수평하게 배열시켜 접은 상태를 구현하는 것을 특징으로 한다. 도 6에서 상대적으로 길이가 길게 형성되는 제3축의 팔꿈치부(33)의 상측으로 길이가 짧은 어깨부(31), 링크부(32), 팔꿈치부(33)가 인접하게 배치되는 상태를 예시한다. 이와 같이 하면 다관절로봇(30)의 보관 및 이동 시 컴팩트하게 접을 수 있고, 베이스(38)의 상부에 설치된 손잡이(28)를 이용하여 한손으로 핸들링하기도 용이하다. 별도의 부가축을 배제한 구성도 전체 중량 감소에 기여하므로 포터블 용도에 부합된다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 다관절로봇(30)의 모션을 설정된 알고리즘으로 제어하는 구조이다. 도 3에서 제어수단(40)은 베이스(38)에 탑재되는 상태로 예시하지만 다관절로봇(30)에서 이격된 요소를 포함할 수 있다. 제어수단(40)의 알고리즘은 다관절로봇(30)의 도립 상태에서 용접토치(36)를 통한 운봉에 소요되는 제반 프로그램으로 구성된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)은 용접대상의 전체 영역을 검출하는 라이다센서(42), 용접대상의 국부 영역을 검출하는 레이저변위센서(43), 다관절로봇(30)의 자세를 검출하는 기울기센서(45), 설정된 알고리즘을 탑재하고 실행하는 제어기(47)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 라이다센서(42)는 링크부(32)에 설치되고 용접대상의 전체적인 형상 및 치수를 검출한다. 레이저변위센서(43)는 손목부(34)와 용접토치(36) 사이에 설치되고 운봉에 관련된 정확한 경로를 검출한다. 기울기센서(45)는 중력 방향에 대한 다관절로봇(30)의 자세를 측정하여 용접조건(위빙조건, 전류/전압)을 결정하는 신호로 활용한다. 예컨대, 용접대상면의 수직, 수평, 경사도에 대응한 위빙조건이 규정된 바, 기울기센서(45)의 정보를 기반으로 용접대상의 상대적인 자세를 연산할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(47)는 설정된 범위로 다관절로봇(30)의 관절운동을 유발하면서 라이다센서(42)로 용접대상 영역에 대한 형상과 치수를 검출하는 것을 특징으로 한다. 도 8처럼 라이다센서(42)를 제2축의 링크부(32)에 장착하는 경우 2축의 링크부(32)를 회전시켜 작업대상 전체 영역의 센싱이 가능하다. 이와 같이 하면 곡블록의 복잡한 형상 및 치수 센싱이 간편하고 센싱시간을 단축할 수 있다.

도 7(a) 내지 (e)을 참조하여 사용의 일예를 설명하면, 서포트(21)를 이용하여 지지수단(20)의 위치를 임시로 결정하고(a), 기준대(23)를 내리고 레이저포인트(41)를 작동하고(b), 양측 레이저포인트(41)의 조사점이 일치하도록 지지수단(20)을 이동시키고(c), 매그스위치(22)를 온시켜 지지수단(20)의 위치를 세팅하고(d), 다관절로봇(30)을 도립 상태로 지지수단(20)의 툴체인저(25)에 결합한다(e).

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.

12: 주판 14: T바
16: 트랜스 20: 지지수단
21: 서포트 22: 매그스위치
23: 기준대 25: 툴체인저
30: 다관절로봇 31: 어깨부
32: 링크부 33: 팔꿈치부
34: 손목부 36: 용접토치
38: 베이스 40: 제어수단
41: 레이저포인터 42: 라이다센서
43: 레이저변위센서 45: 기울기센서
47: 제어기

Claims

다양한 각도로 배열되는 블록의 용접을 위한 포터블 용접로봇에 있어서:
상기 블록의 일부에 고정되는 지지수단(20);
상기 지지수단(20) 상에 도립 상태로 결합되어 용접토치(36)를 가동하는 다관절로봇(30); 및
상기 다관절로봇(30)의 모션을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);을 포함하되,
상기 제어수단(40)은 용접대상의 전체 영역을 검출하는 라이다센서(42), 용접대상의 국부 영역을 검출하는 레이저변위센서(43), 다관절로봇(30)의 자세를 검출하는 기울기센서(45), 설정된 알고리즘을 탑재하고 실행하는 제어기(47)를 구비하는 것을 특징으로 하는 곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 지지수단(20)은 블록에 위치변동 가능하게 접촉되는 서포트(21), 블록에 대한 부착력을 단속하는 매그스위치(22)를 구비하는 것을 특징으로 하는 곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 지지수단(20)은 다관절로봇(30)의 수동적 착탈을 위하여 툴체인저(25)를 구비하는 것을 특징으로 하는 곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 지지수단(20)은 정위치를 세팅을 위해 기준대(23) 상에 한 쌍의 레이저포인트(41)를 구비하는 것을 특징으로 하는 곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 다관절로봇(30)은 어깨부(31), 링크부(32), 팔꿈치부(33)를 손목부(34)의 상측으로 수평하게 배열시켜 접은 상태를 구현하는 것을 특징으로 하는 곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제어기(47)는 설정된 범위로 다관절로봇(30)의 관절운동을 유발하면서 라이다센서(42)로 용접대상 영역에 대한 형상과 치수를 검출하는 것을 특징으로 하는 곡블록 용접을 위한 포터블 용접로봇.