KR102603414B1 - 절단 및 용접 통합 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은, 대상물의 절단 및 용접을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있도록 함으로써 절단 및 용접 작업이 효율성을 향상시킬 수 있는 절단 및 용접 통합 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템은, 제1 대상물에 개구부를 형성하고, 상기 개구부의 형상에 따라 제2 대상물을 절단하여 결합부를 형성하고, 상기 개구부에 상기 결합부를 용접으로 접합하는 공정을, 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행하는 절단 및 용접 통합 시스템에 있어서, 상기 제1 대상물을 지지하는 지지 롤러를 회전 구동하는 회전 구동부; 상기 제1 대상물의 일부를 절단하여 개구부를 형성하고, 상기 개구부에 상기 제2 대상물의 끝단을 지지하여 상기 제1 대상물에 상기 제2 대상물을 지지한 상태에서, 상기 제2 대상물의 일부를 절단하여 결합부를 형성하고, 상기 제2 대상물을 상기 제1 대상물로부터 분리하여 뒤집어서 고정하고 상기 개구부와 상기 결합부의 접합부를 따라서 용접하도록 구동하는 작업 구동부; 및 베이스에 설치되어 상기 작업 구동부를 3축 방향으로 선형 구동하는 선형 구동부;를 구비하고, 상기 작업 구동부의 끝단에는 절단 툴 및 용접 툴이 교체 가능하도록 장착되는 툴 어댑터가 구비되는 절단 및 용접 통합 시스템.

Description

절단 및 용접 통합 시스템 및 그 제어방법 {Integrated System for Cutting and Welding and Method thereof}
본 발명은 절단 및 용접 통합 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대상물의 절단 및 용접을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있도록 된 통합된 절단 및 용접 통합 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
산업 현장에서는 열교환기나 탱크 등의 대형 저장 용기(shell)와 같은 제1 대상물에 대해 노즐과 같은 제2 대상물을 연결 작업이 필요한 경우가 자주 있다. 이때, 일반적으로 열교환기나 탱크 등의 대형 저장 용기(shell)와 같은 제1 대상물에 대해 노즐과 같은 제2 대상물을 용접 작업을 수행하기 위해서는, 여러 명의 작업자가 장시간에 걸쳐 서로 다른 사업장에서 여러 단계의 공정을 거쳐서 작업을 수행해야 한다.
예를 들어, 제1 작업장에서는 저장 용기에 노즐이 결합될 개구부를 형성하고, 공간적으로 또는 거리가 떨어져 있는 제2 작업장에서 노즐을 쉘의 개구부에 용접할 수 있도록 절단 가공하여 제1 작업장으로 이동하여 저장 용기의 개구부에 노즐을 위치시켜 용접 등을 통하여 노즐을 저장 용기에 연결할 수 있다.
이 경우, 여러 명의 작업자가 장시간에 걸쳐 서로 다른 사업장에서 여러 단계의 공정을 거쳐서 작업을 수행해야 한다. 따라서, 작업하는데 많은 시간이 소요되며, 다수의 작업자가 필요하며, 서로 다른 작업장으로 구성품과 데이터 등이 이동해야 하므로, 여러 가지 비효율적인 문제가 발생할 수 있다.
특히, 제1 대상물 및 제2 대상물의 용접 부위가 곡선 등 자유 형상을 가지는 경우 작업의 난이도가 올라감에 따라 작업에 더 큰 비효율성이 발생할 수 있게 된다.
한편, 특허문헌 1에는 레이저 비전센서를 이용한 자동 용접 시스템이 개시되어 있다. 이 개시된 자동 용접 시스템은 작업자가 수동제어로 용접헤드를 용접부 근처에 위치시킨 후, 레이저 비전센서에 의해 계측 및 검출된 화상정보를 기초로 용접용 토치를 용접 위치로 위치시킨 후 용접 작업을 수행한다. 하지만, 이 자동 용접 시스템은 용접 동작을 수행하는 구성에 대해서만 개시되어 있을 뿐, 대상물의 절단 및 용접을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있도록 함으로써 작업의 효율성을 향상시킬 수 있도록 하는 구성에 대해서는 개시되어 있지 않다.
특허문헌 2에는 압력용기의 자동 용접 장치가 개시되어 있다. 이 개시된 자동 용접 장치는 비전센서인 레이저 다이오드와 CCD 카메라를 통해 용접선을 추적하여 용접을 수행한다. 용접부에 굴곡면이 있을 경우 레이저 다이오드와 CCD 카메라에 입력된 데이터를 통해 프로그램이 분석하여 좌표값을 토대로 용접장치부를 이동시켜 용접을 한다. 하지만, 이 자동 용접 시스템도 용접 동작을 수행하는 구성에 대해서만 개시되어 있을 뿐, 대상물의 절단 및 용접을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있도록 함으로써 작업의 효율성을 향상시킬 수 있도록 하는 구성에 대해서는 개시되어 있지 않다.
등록특허공보 제10-0543316호 (2006. 01. 06) 등록특허공보 제10-2025092호 (2019. 09. 19)
본 발명의 목적은, 대상물의 절단 및 용접을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있도록 함으로써 절단 및 용접 작업이 효율성을 향상시킬 수 있는 절단 및 용접 통합 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템은, 제1 대상물에 개구부를 형성하고, 상기 개구부의 형상에 따라 제2 대상물을 절단하여 결합부를 형성하고, 상기 개구부에 상기 결합부를 용접으로 접합하는 공정을, 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행하는 절단 및 용접 통합 시스템에 있어서, 상기 제1 대상물을 지지하는 지지 롤러를 회전 구동하는 회전 구동부; 상기 제1 대상물의 일부를 절단하여 개구부를 형성하고, 상기 개구부에 상기 제2 대상물의 끝단을 지지하여 상기 제1 대상물에 상기 제2 대상물을 지지한 상태에서, 상기 제2 대상물의 일부를 절단하여 결합부를 형성하고, 상기 제2 대상물을 상기 제1 대상물로부터 분리하여 뒤집어서 고정하고 상기 개구부와 상기 결합부의 접합부를 따라서 용접하도록 구동하는 작업 구동부; 및 베이스에 설치되어 상기 작업 구동부를 3축 방향으로 선형 구동하는 선형 구동부;를 구비하고, 상기 작업 구동부의 끝단에는 절단 툴 및 용접 툴이 교체 가능하도록 장착되는 툴 어댑터가 구비될 수 있다.
상기 개구부와 상기 결합부가 각각 원통형 형상의 일부가 절단되어 형성될 수 있다.
상기 개구부와 상기 결합부의 접합부를 따라서 수행되는 용접 작업 시에 상기 용접 툴이 아래보기 자세로 용접할 수 있도록, 상기 회전 구동부가 상기 제1 대상물을 회전시킬 수 있다.
상기 용접 작업이, 루트 용접 비드를 형성하는 루트 패스 용접, 상기 루트 패스 비드 위에 적층하여 용접 비드를 형성하는 적층 용접, 및 상기 적층 용접 위에 최종 용접 비드를 형성하는 캐핑 용접을 포함할 수 있다.
상기 접합부의 상기 개구부와 상기 결합부 사이의 간격인 갭을 측정하는 갭 측정부를 구비하고, 상기 갭의 크기에 따라 용접 조건 또는 용접 방법을 달리할 수 있다.
상기 접합부에 향하여 일정한 길이의 레이저 라인을 조사하는 레이저 슬릿, 및 상기 레이저 라인의 형상을 입력받는 카메라를 구비하여, 상기 접합부의 상기 개구부와 상기 결합부 사이의 간격인 갭을 측정하고, 상기 갭의 크기에 따라 용접 조건 또는 용접 방법을 달리할 수 있다.
상기 제1 대상물의 개구부가 형성될 부분에 개구부 형상이 마킹되고, 마킹된 개구부 형상을 입력받는 카메라, 및 상기 마킹된 개구부와의 거리를 측정하는 거리 측정부를 포함하고, 입력된 마킹된 개구부 형상과 측정된 거리를 이용하여 상기 절단 툴의 끝단을 마킹된 개구부의 미리 설정된 절단 시작점으로 이동시킬 수 있다.
상기 제1 대상물의 개구부가 형성될 부분에 개구부 형상이 마킹되고, 마킹된 개구부 형상에 대한 3차원 정보를 입력받는 3D 카메라를 포함하고, 입력된 마킹된 개구부 형상의 3차원 정보를 이용하여 상기 절단 툴의 끝단을 마킹된 개구부의 미리 설정된 절단 시작점으로 이동시킬 수 있다.
상기 개구부와 상기 결합부가 결합된 형상에 대한 3차원 정보를 입력받는 3D 카메라를 포함하고, 상기 3차원 정보를 이용하여 상기 용접 툴의 끝단을 미리 설정된 용접 시작점으로 이동시킬 수 있다.
상기 제1 대상물의 길이방향 이동량을 검출하는 사행량 측정부, 및 상기 제1 대상물의 길이방향 이동량을 입력받아 상기 제1 대상물의 사행 여부를 판단하고, 상기 지지 롤러의 경사를 조절하여 상기 제1 대상물의 사행이 발생되는 것을 방지하도록 제어할 수 있다.
상기 지지 롤러가 상기 제1 대상물의 원형 단면을 양측에서 지지하면서 회전시키며, 양측의 상기 지지 롤러가 각각 독립적으로 구동될 수 있다.
상기 제1 대상물의 원주 방향으로 일정한 길이로 사행 마커가 형성되고, 상기 제1 대상물의 회전에 따라 상기 사행 마커의 움직임을 입력받아 상기 제1 대상물의 사행 여부를 판단하고, 상기 제1 대상물의 사행 여부에 따라 양측 지지 롤러의 구동을 제어하여 상기 제1 대상물의 사행이 발생되는 것을 방지하도록 제어할 수 있다.
상기 선형 구동부에 의하여 선형 이동되며, 상기 작업 구동부에 의한 상기 제2 대상물의 절단 또는 용접 작업 시에 상기 제2 대상물을 파지하여 지지하는 파지 구동부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 방법은, 제1 대상물에 개구부를 형성하고, 상기 개구부의 형상에 따라 제2 대상물을 절단하여 결합부를 형성하고, 상기 개구부에 상기 결합부를 용접으로 접합하는 공정을, 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행하는 절단 및 용접 통합 제어방법에 있어서, 상기 제1 대상물을 지지 롤러에 로딩하는 단계; 상기 제1 대상물의 일부를 절단하여 개구부를 형성하는 단계; 상기 개구부에 상기 제2 대상물의 일부를 삽입하여 상기 제1 대상물에 상기 제2 대상물을 지지하는 단계; 상기 제2 대상물의 일부를 절단하여 결합부를 형성하는 단계; 상기 제2 대상물을 상기 제1 대상물로부터 분리하여 뒤집어서 상기 개구부에 상기 결합부를 가접하는 단계; 및 상기 개구부와 상기 결합부의 접합부를 따라서 용접하는 단계;를 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 대상물의 절단 및 용접을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있도록 함으로써, 절단 및 용접 작업의 편의성 및 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 개략적인 정면도이고,
도 2는 도 1의 절단 및 용접 통합 시스템의 측면도이고,
도 3은 도 1의 절단 및 용접 통합 시스템의 사시도 및 비드 용접 부분 확대도이고,
도 4는 도 1의 절단 및 용접 통합 시스템의 평면도이고,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴 중 플라즈마 절단기의 부분 단면도이고,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴 중 산소 절단기의 부분 단면도이고,
도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴 중 원통형 디버링 공구의 부분 단면도이고,
도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴 중 사다리꼴 디버링 공구의 부분 단면도이고,
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴 중 MIG 용접기의 부분 단면도이고,
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴 중 TIG 용접기의 부분 단면도이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 제어방법을 설명하기 위한 순서도이고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 블록도이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템에 의하여 절단 및 용접되는 각각 원통형 형상 부분을 가지는 제1 대상물(쉘)과 제2 대상물(노즐)의 실시예를 개략적인 도시한 도면이고,
도 11은 도 10의 제1 대상물(쉘)의 개구부에 일부 절단된 제2 대상물(노즐)이 부착된 형상을 개략적인 도시한 도면이고,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템에 의하여 제1 대상물(쉘)에 제2 대상물(노즐)이 부착된 형상의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 13은 제1 대상물(쉘)에 제2 대상물(노즐)이 부착된 형상의 다른 실시예로서, 쉘-노즐 용접부와 패드 용접부를 도시한 도면이고,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템에서 원통형 제1 대상물의 사행 방지 장치 및 방법의 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템 및 이의 제어방법에 대해 상세히 설명하기로 한다. 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 사시도 및 비드 용접 부분 확대도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 평면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템(1)은 제1대상물(70)과 제2대상물(75) 각각의 절단 및 용접을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있도록 함으로써, 절단 및 용접 작업의 편의성 및 효율성을 향상시킬 수 있도록 하는 장치이다. 제1 대상물(70)은 쉘(shell)과 같은 열교환기 등의 원통형 구조체를 포함할 수 있다. 제1 대상물(70)은 사용 용도에 따라 다양한 직경을 가질 수 있다. 제1 대상물(70)에는 후술하는 베이스(20) 상에 위치된 상태로, 절단, 디버링 및 제2대상물(75)과의 용접 공정이 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행될 수 있다. 제2 대상물(75)은 제1 대상물(70) 상의 적어도 일 위치에 접합 형성되는 것으로, 그 용도에 따라 다양한 형상 예를 들어, 원통형 형상을 포함하여 이루어질 수 있다. 제2 대상물(75)는 도 12에 도시된 바와 같은 노즐 또는 파이프가 될 수 있다.
절단 및 용접 통합 시스템(1)은 제1 대상물(70)의 원통형 부분의 일부를 절단하여 개구부(71)를 형성하고, 개구부(71)의 형상에 따라 제2 대상물(75)의 원통형 부분의 일부를 절단하여 결합부(76)를 형성하고, 개구부(71)에 결합부(76)를 용접으로 접합하는 공정을, 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있다.
이를 위하여, 절단 및 용접 통합 시스템(1)은 회전 구동부(60); 작업 구동부(80); 및 선형 구동부(10);를 포함할 수 있다.
회전 구동부(60)는 제1 대상물(70)을 지지하는 지지 롤러(64)를 회전 구동할 수 있다. 작업 구동부(80)는 제1 대상물(70)의 일부를 절단하여 개구부(71)를 형성하고, 개구부(71)에 제2 대상물(75)의 끝단을 지지하여 제1 대상물(70)에 제2 대상물(75)을 지지한 상태에서, 개구부(71)를 따라서 제2 대상물(75)의 일부를 절단하여 결합부(76)를 형성하고, 제2 대상물(75)을 제1 대상물(70)로부터 분리하여 뒤집어서 고정하고, 개구부(71)와 결합부(76)의 접합부를 따라서 용접하도록 구동할 수 있다. 선형 구동부(10)는 베이스(20)에 설치되어 작업 구동부(80)를 3축 방향으로 선형 구동할 수 있다.
작업 구동부(80)의 끝단에는 절단 툴(110), 디버링 툴(120) 및 용접 툴(130)이 교체 가능하도록 장착되는 툴 어댑터가 마련될 수 있다. 따라서, 툴 어댑터에 장착되는 워킹 툴의 종류를 절단 툴(110), 디버링 툴(120) 및 용접 툴(130)를 설정된 순서에 따라 순차적으로 교체해가면서 작업함으로써, 제1 대상물(70)에 대한 절단 작업 및 디버링 작업에 의한 개구부(71) 형성 작업, 제2 대상물(75)에 대한 절단 작업 및 디버링 작업에 의한 결합부(76) 형성 작업, 및 제2 대상물(75)의 결합부(76)를 제1 대상물(70)의 개구부(71)에 용접하는 용접 작업을 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있게 된다.
제1 대상물(70)의 일부를 절단하여 개구부(71)를 형성하기 위하여, 미리 개구부(71)의 위치, 형상, 및 크기 정보를 포함하는 개구부 정보가 단말기 또는 유선 또는 무선 통신을 통하여 제어부에 입력될 수 있다. 개구부 정보에 따라 제1 대상물(70)의 일부가 절단되어 개구부(71)가 형성될 수 있다. 이때, 제2 대상물(75)이 절단되어 형성된 개구부(71)에 제1 대상물(70)과 결합되는 방향과 반대 방향으로 고정 지지될 수 있다. 이를 위하여, 제2 대상물(75)의 제1 대상물(70)과 접합되는 방향과 반대 방향의 끝단부가 개구부(71) 부분에 가접 등에 의하여 고정될 수 있다. 따라서, 제2 대상물(75)은 이를 고정하는 별도의 고정 기구 없이도 개구부(71)에 안정적으로 고정 지지되어 결합부(76)의 절단 및 디버링 작업을 수행할 수 있게 된다.
이때, 제2 대상물(75)의 결합부(76)의 형상은 제1 대상물(70)의 개구부(71)와 대응되는 형상이 될 수 있다. 따라서, 제2 대상물(75)의 결합부(76)는 개구부(71) 형상을 따라서 절단하여 형성될 수 있다. 이때, 결합부(76)를 위한 정확한 사전 마킹 또는 정확한 형상 정보의 입력 없이도, 제2 대상물(75)의 결합부(76)는 개구부(71) 절단을 위한 데이터로부터 제2 대상물(75)의 길이방향으로 일정한 간격 쉬프트하여 절단하여 형성될 수 있게 된다. 이 경우, 제2 대상물(75)은 제1 대상물(70)으로부터 분리되어 상하를 뒤집어서 결합부(76)가 개구부(71)에 용접에 의하여 접합될 수 있다. 이때, 각각 원통형의 일부분인 개구부(71)와 결합부(76)가 대응될 수 있도록 제2 대상물(75)이 절단 가공된 형상에서 길이방향 중심축에 대하여 90도 회전하여 접합될 수 있다.
따라서, 제1 대상물(70)에 대한 절단 작업 및 디버링 작업에 의한 개구부(71) 형성 작업, 제2 대상물(75)에 대한 절단 작업 및 디버링 작업에 의한 결합부(76) 형성 작업, 및 제2 대상물(75)의 결합부(76)를 제1 대상물(70)의 개구부(71)에 용접하는 용접 작업이 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있게 된다.
한편, 개구부(71)가 제1 대상물(70)의 원통형 부분의 일부를 절단하여 형성되고, 결합부(76)가 개구부(71)의 형상에 따라 제2 대상물(75)의 원통형 부분의 일부를 절단하여 형성될 수 있다. 이 경우, 도 10 및 도 11에 되시된 바와 같이 결합부(76)는 평면을 형성하는 가상의 원주선(77) 대비 원통형 바디의 상면 직선부 기준으로 양쪽으로 일정한 각도로 기울어진 형상이 될 수 있다. 그에 따라, 도 12에 도시된 쉘(70)에 노즐(75)이 용접이 완료된 용접부의 형상은 도 13에 도시된 바와 같이 쉘-노즐 용접부(78)는 3차원으로 구부러진 원형 형상을 갖는다. 도 13에 도시된 실시예에서는 패드와 노즐 사이의 쉘-노즐 용접부(78)와 패드와 쉘 사이의 패드 용접부(79)가 3차원으로 구부러진 원형 형상으로 형성될 수 있다.
이때, 개구부(71)와 결합부(76)의 용접에 의한 접합 시에 용접선이 개구부(71) 및 결합부(76) 형상을 따라 형성되게 된다. 따라서, 용접선이 하나의 평면에 위치되지 못하고 3차원으로 휘어진 곡면 형상을 갖게 되어, 용접선이 원주선(77)이 이루는 평면 대비 휘어진 곡면을 갖게되어 용접 시에 용접 토치(툴)의 각도와 용접 조건을 잡기 어려워 안정적인 용접 품질을 얻을 수 없는 경우가 발생할 수 있다.
따라서, 회전 구동부(60)가 개구부(71)와 결합부(76)의 접합부를 따라서 수행되는 용접 작업 시에 용접 툴이 아래보기 자세로 용접할 수 있도록 제1 대상물(70)을 회전시킬 수 있다. 이때, 제1 대상물(70)을 회전시켜, 용접 토치의 진행에 따라 현재 용접하고 있는 포인트가 아래 보기 자세가 될 수 있도록 만들 수 있으며, 그에 따라 안정적인 용접 품질을 얻을 수 있게 된다.
이때, 용접 작업은 멀티 패스로 진행될 수 있다. 이 경우, 용접 작업은 루트 패스 용접, 적층 용접, 및 캐핑 용접을 포함할 수 있다. 루트 패스 용접은 루트 용접 비드를 형성한다. 적층 용접은 루트 패스 비드 위에 적층하여 용접 비드를 형성할 수 있으며, 개구부(71)와 결합부(76)에 의하여 형성되는 용접 라인의 갭의 크기 또는 필요 용접 두께에 따라 복수 층으로 형성될 수 있다. 캐핑 용접은 적층 용접 위에 최종 용접 비드를 형성할 수 있다. 이 경우 용접부의 경사면 크기에 따라 복수 층으로 형성될 수 있다.
이때, 각각의 용접 작업에 따라 아래보기 자세를 형성하기 위한 용접 토치의 각도가 모두 다를 수 있다. 그에 따라 회전 구동부(60)는 최적의 제1 대상물(70)의 각도가 될 수 있도록 제1 대상물(70)을 회전시킬 수 있다.
한편, 개구부(71)와 결합부(76)에 의하여 형성되는 용접 라인의 갭의 크기에 따라 용접 조건 또는 용접 방법이 달라질 수 있다. 이를 위하여, 절단 및 용접 통합 시스템(1)에는 접합부의 개구부(70)와 결합부(75) 사이의 간격인 갭을 측정하는 갭 측정부가 구비될 수 있다. 갭 측정부에 의하여 갭의 크기 및 위치를 측정하고, 용접 작업 시에 각 용접 위치에서의 갭의 크기에 따라 해당 용접 위치에서의 용접 조건 및/또는 방법을 달리할 수 있도록 할 수 있다. 그에 따라, 최적의 용접 품질을 얻을 수 있다.
이를 위하여, 절단 및 용접 통합 시스템(1)은 갭 측정부를 포함할 수 있다. 또한, 갭 측정부는 레이저 슬릿과 카메라를 포함할 수 있다. 레이저 슬릿은 접합부를 향하여 일정한 길이의 레이저 라인을 조사하고, 카메라가 레이저 라인의 형상을 입력받고, 제어부에서 접합부의 개구부(71)와 결합부(76) 사이의 간격인 갭을 측정하고, 갭의 크기에 따라 용접 조건 및/또는 용접 방법을 달리함으로써, 최적의 용접 품질을 얻을 수 있다.
이때, 레이저 슬릿과 카메라는 일정한 간격 이격되어 작업 구동부의 마지막 링크의 툴 어댑터와 가까운 위치에 설치될 수 있다. 이때, 별도의 지지대가 작업 구동부의 툴 어댑터가 설치되는 링크에서 외부로 연장되도록 설치되고, 레이저 슬릿과 카메라가 그 지지대에 설치될 수 있다. 이때, 갭 측정부는 용접 작업시에 용접 아크에 영향을 받지 않는 위치에 설치될 수 있으며, 갭 측정부와 용접 토치 사이에 별도의 차단 부재가 설치될 수 있다.
특히, 제2 대상물이 원통형 부재인 경우 용접 라인이 3차원 원형 형상을 가질 수 있게 되므로, 제2 대상물이 용접 아크를 차단할 수 있도록 하는 위치에 갭 측정부가 설치될 수 있다. 이때, 갭 측정과 용접 작업이 일정한 간격을 가지고 함께 진행될 수 있다. 다만, 다른 실시예로서 갭 측정부가 용접 작업 전에 용접 라인을 따라 전체적으로 스캐닝하여 먼저 갭을 측정한 후에 별도로 용접 작업이 수행될 수도 있다.
한편, 절단 및 용접 통합 시스템(1)에서는 절단 작업, 디버링 작업, 및 용접 작업이 자동으로 수행되므로, 워킹 툴과 작업 대상물 사이에 상대 좌표값을 설정하는 것이 중요할 수 있다.
이를 위하여, 개구부가 형성되기 전에 제1 대상물(70)의 개구부(71)가 형성될 부분에 개구부(71) 형상이 마킹되거나 개구부(71)의 중심점이 마킹될 수 있다. 이때, 절단 및 용접 통합 시스템(1)이 카메라 및 거리 측정부를 포함하고, 입력된 마킹된 개구부 형상 및/또는 위치 또는 개구부의 중심점과 측정된 거리를 이용하여 상기 절단 툴의 끝단을 마킹된 개구부의 미리 설정된 절단 시작점으로 이동시킬 수 있다.
이를 위하여, 카메라는 마킹된 개구부 형상 또는 마킹된 개구부의 중심점을 입력받을 수 있다. 거리 측정부는 마킹된 개구부 또는 개구부의 중심점과의 거리를 측정할 수 있다.
다른 실시예로서, 상기 카메라가 마킹된 개구부 형상 또는 개구부의 중심점에 대한 3차원 정보를 입력받는 3D 카메라가 될 수 있다. 이 경우, 입력된 마킹된 개구부 형상의 3차원 정보를 이용하여 절단 툴의 끝단이 마킹된 개구부의 미리 설정된 절단 시작점으로 이동될 수 있다. 이때, 3D 카메라는 개구부로 노즐을 이동 및/또는 고정할 때에도 적용될 수 있다.
또한, 3D 카메라는 개구부와 결합부가 결합된 형상에 대한 3차원 정보를 입력받을 수 있다. 그에 따라 제어부는 3차원 정보를 이용하여 용접 툴의 끝단을 미리 설정된 용접 시작점으로 이동시키도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템(1)은 제1 대상물(70)을 지지하는 베이스(20)와, 상기 베이스(20) 상에 설치되는 선형 구동부(10)와, 적어도 어느 하나의 회전 방향으로 회전 가능한 작업 구동부(80) 및 워킹 툴(100)을 포함할 수 있다.
상기 베이스(20) 상에는 상호 소정 간격 이격되게 설치되는 한 쌍의 레일(35)과, 상기 제1 대상물(70)을 회전 가능하게 지지하는 회전 지지부(80)가 마련될 수 있다.
상기 선형 구동부(10)는 수직 프레임(30), 수평 프레임(40), 및 이동 유닛(45) 및 승강 유닛(50)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 제1 대상물(70)의 중심축 방향이 도면상에 표시된 y축 방향으로 배치된 것을 예로 들어 설명한다.
상기 수직 프레임(30)은 상기 레일(35) 상에 y축 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치될 수 있다. 이 수직 프레임(30)은 적어도 한 쌍으로 구성될 수 있으며, 상기 베이스(20) 상에 마련된 구동원(미도시)에 의해 선형 구동될 수 있다. 따라서 이 수직 프레임(30)은 워킹 툴(100)의 y축 방향 위치를 결정한다.
상기 수평 프레임(40)은 상기 한 쌍의 수직 프레임(30)의 상단부 사이에 고정 설치될 수 있다.
상기 이동유닛(45)은 상기 수평 프레임(40) 상에 길이 방향(x축 방향)으로 따라 왕복 이동 가능하게 설치될 수 있다. 이 이동 유닛(45)은 소정 구동원(미도시)에 의해 선형 구동되는 것으로, 상기 워킹 툴(100)의 x축 방향 위치를 결정한다. 상기 승강유닛(50)은 소정 구동원(미도시)에 의해 상기 이동 유닛(45)에 승강 가능하게 설치될 수 있으며, 워킹 툴(100)의 z축 방향 위치를 결정한다.
상기한 바와 같이 선형 구동부(10)를 구비함으로써, 상기 워킹툴(100)은 3축(x, y, z) 방향으로 자유롭게 위치될 수 있다. 여기서, 수직 프레임(30)과, 이동 유닛(45) 및 승강 유닛(50) 각각을 구동하는 구동원은 로터리 모터 또는 리니어 모터 등이 사용될 수 있다.
상기 작업 구동부(80)는 상기 승강 유닛(50)에 설치되는 것으로, 제1 및 제2 회전유닛(85)(90)을 포함할 수 있다.
상기 제1 회전유닛(85)은 승강 유닛(50)에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 즉, 제1 회전유닛(85)은 일 회전축을 중심으로 360도 회전 가능하게 승강 유닛(50)에 설치될 수 있다.
상기 제2 회전유닛(90)은 제1 회전유닛(85)에 대해 왕복 회전 운동 가능하게 설치될 수 있다. 즉, 제2 회전유닛(90)의 중심축은 제1 회전유닛(85)의 회전축에 대해 소정 각도 범위 내에서 왕복 회동 가능하다. 상기 워킹툴(100)은 제2 회전유닛(90)에 고정 설치될 수 있다. 따라서 워킹 툴(100)은 제1 및 제2 회전유닛(90)의 회전 위치에 따라 상기 제1 및/또는 제2 대상물(70)(75)의 작업 위치에 대해 프로그램된 각도로 자유롭게 설정 가능하다.
또한, 본 실시예에 있어서, 승강 유닛(50)에 대해 제1 회전유닛(85), 제2 회전유닛(90) 순으로 설치된 것을 예로 들어 나타내었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 회전유닛과 제2 회전유닛의 위치를 바꾸어 설치하는 것도 가능하다. 이 경우, 워킹 툴은 제1 회전유닛에 설치될 수 있다.
상기한 바와 같이 구성함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템(1) 는 선형 구동부(10)의 3축 구동과, 작업 구동부(80)의 회전 구동에 따라 상기 제1 및/또는 제2대상물(70)(75) 상의 상기 워킹 툴(100)의 위치 및 작업 방향을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한 부가적으로, 제1 대상물(70)은 회전 지지부(60)에 의해 회전 구동되므로, 회전 지지부(60)는 보다 용이하게 작업 위치에 워킹 툴(100)이 위치되도록 할 수 있다. 따라서 제1 및 제2 대상물(70)(75)은 각각의 어느 위치에 대해서도 원하는 모양으로 절단 및 용접이 가능하다.
상기 워킹 툴(100)은 그 기능에 따라 절단기, 디버링 공구 및 용접기로 구분될 수 있으며, 이들 각각은 제2 회전유닛(90)에 교환 가능하게 설치될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템(1)의 워킹 툴 중 절단기의 부분 단면도이다. 도면을 참조하면, 워킹 툴(100)은 그 단부에서 돌출 형성된 결합부(140)를 구비한다. 또한, 제2 회전유닛(90)의 단부에는 상기 결합부(140)가 삽입되는 결합홈(142)이 형성될 수 있다.
상기 결합부(140)의 외주에는 결합부(140)의 길이방향을 가로지르는 방향으로 소정 깊이 인입되거나 관통되게 제1 고정홀(144)이 형성될 수 있다. 제2 회전유닛(90)의 단부에는 상기 결합홈(142)의 내외를 관통하여 형성되는 제2 고정홀(148)이 형성된다. 여기서, 제2 고정홀(148)은 결합부(140)가 결합홈(142)에 체결 시 상기 제1 고정홀(144)에 연통 가능하게 형성된다. 또한 본 발명은 상기 제1 및 제2 고정홀(144)(148) 내에 체결되어, 제2 회전유닛(90)에 대해 워킹 툴(100)을 고정하는 고정핀(146)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 절단 및 용접 통합 시스템(1)는 고정핀(146)을 제거한 상태에서 워킹툴(100)을 교체 후 다시 고정핀(146)을 체결하는 것으로, 본 발명은 워킹 툴(100)을 용이하게 교환할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 회전유닛(90)과 워킹 툴(100)에 결합홈(142)이 형성되어 체결되는 것을 나타내었지만, 상기 워킹 툴(100)과 제2 회전유닛(90)의 체결이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 결합부와 결합홈과 제1 및 제2 고정홀의 결합구조가 반대로 형성되는 것도 가능하다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴(100)의 다양한 예를 설명하기로 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴 중 절단기(110)의 부분 단면도로서, 플라즈마 절단기(110a)와, 산소 절단기(110b) 각각을 나타낸 것이다.
도 5a를 참조하면, 플라즈마 절단기(110a)는 전기에너지에 의해 생성된 플라즈마를 이용하여 절단 작업을 수행한다. 이 플라즈마 절단은 기계 절단에 비하여 절단 형상에 제약이 적고 두께 25mm 정도를 가지는 중후판의 절단 속도가 빠르다는 이점이 있다.
이 플라즈마 절단기(110a)는 고온의 열을 잘 전달하기 위해 후술하는 산소 절단기의 노즐에 비하여 상대적으로 짧고 두터운 형상의 팁(111a)을 가진다. 이 플라즈마 절단기(110a)는 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)이 두꺼워도 잘 절단할 수 있다. 한편, 플라즈마 절단기(110a)를 채용한 절단 공정 시, 가스 절단에 비해 절단 시 가스가 많이 발생할 수 있다. 또한 플라즈마 절단기(110a)는 전기의 소모가 많고 전극의 소모와 노즐의 수명 단축에 의해 가스절단보다 운전비용이 높다. 따라서 열절단공정이 사용되는 제조업의 절단 운전비용을 낮추면서 절단부 품질을 확보하는 방안이 필요하다.
도 5b를 참조하면, 상기 가스 절단기(110b)는 가스를 이용하여 열을 생산하여 절단을 한다. 예를 들어, IPG, 아세틸렌 및 산소 등과 같은 가스를 사용할 수 있다. 상기 가스 절단기(110b)는 가스를 집약적으로 전달하기 위해 얇고 긴 형상을 가진다.
상기 가스 절단기(110b)는 전기가 필요하지 않고 열을 이용하여 가스를 가열한다. 이 가스 절단기(110b)는 상기 플라즈마 절단기에 비해 가격이 저렴하다. 이 가스 절단기(110b)는 열효율이 낮아 가열시간이 길다. 또한, 고압가스를 사용하므로 폭발화재의 위험성이 크다. 따라서, 절단 시 위험성이 낮으면서 열효율이 높아 가열 속도를 높일 수 있는 절단기가 필요하다.
본 발명의 실시예에 따른 워킹 툴(100)은 플라즈마 절단기(110a)와 산소 절단기(110b)를 호환 적용 가능하다. 즉, 상기 워킹 툴(100)은 플라즈마 절단기(110a)와 산소 절단기(110b)가 교환 가능한 구조로 형성될 수 있다. 상기 플라즈마 절단기(110a)와 산소 절단기(110b)의 장점과 단점을 활용하여 교환 가능하다. 즉, 상기한 바와 같이 상대적으로 두께가 두꺼운 대상물을 빠르게 절단하고 싶을 시에는 플라즈마 절단기(110a)를 사용할 수 있다. 반면에 속도는 느리지만 저렴한 운전비용을 원하면 산소 절단기(110b)를 사용할 수 있다. 따라서, 상기 플라즈마 절단기(110a)와 산소 절단기(110b)를 호환하여 사용함으로써, 절단기 각각이 가진 단점을 극복할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴 중 디버링 공구의 부분 단면도로서, 도 6a는 타원형 디버링 공구이고, 도 6b는 사다리꼴 디버링 공구이다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 타원형 디버링 공구(120a)와 사다리꼴 디버링 공구(120b)의 단부 표면에는 사포가 도포되어 있다.
상기 디버링 공구(120)는 가공부위의 형상에 따라 다양한 형태로 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 타원형 디버링 공구(120a)는 대상물이 선상의 형태를 가질 때 사용될 수 있다. 상기 사다리꼴 디버링 공구(120b)는 대상물이 코너의 형태를 가질 때 사용될 수 있다.
또한 디버링 공구(120)의 사포 거칠기도 디버링 공구(120)의 선택에 영향을 줄 수 있다. 대상물의 표면 거칠기가 높을수록 사포 거칠기가 높은 디버링 공구(120)를 선택해야 한다. 사포 거칠기가 높은 디버링 공구(120)로 디버링 한 후, 대상물의 표면의 거칠기가 낮아지면 사포 거칠기가 낮은 디버링 공구(120)를 선택하여 디버링한다. 결과적으로, 대상물은 매끈한 표면을 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 워킹툴 중 용접기의 부분 단면도로서, 도 7a는 MIG 용접기이고, 도 7b는 TIG 용접기이다. 도 7a를 참조하면, 상기 MIG 용접기(130a)는 토치구조가 단순하여 좁은 공간에도 접근이 가능하고, 높은 전류를 쓸 수 있기 때문에 고능률적이다. 이는 상기 TIG 용접기(130b)보다 2배 정도 높은 능률을 가지는 것이다. 또한, 용접 속도가 빨라 공정 시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 상기 MIG 용접기(130a)는 스패터(불똥)가 완전히 없어지지 않는 단점이 있다.
도 7b를 참조하면, 상기 TIG 용접기(130b)는 사용 시 대상물의 열에 의한 변형이 적다. 또한, TIG 용접기(130b)의 특성 상 전 자세로 용접이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 상기 TIG 용접을 실시하면 용접 속도가 느리기 때문에 용접생산 가격이 비싸다는 단점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 용접기(130)는 상기 절단기(110)와 마찬가지로, 사용용도에 따라 다양한 종류가 선택될 수 있다. 전류가 높아 고능률적이고, 용접속도가 빠른 용접기가 필요하다면 상기 MIG 용접기(130a)가 사용될 수 있다. 반면에, 가격이 비싸더라도 전 자세로 용접이 가능하고, 열에 의한 변형이 적고 용접비드가 미려하고 스패터가 없는 고품질의 용접 품질이 필요하다면 상기 TIG 용접기(130b)가 사용될 수 있다. 즉, 상기 MIG 용접기(130a)와 TIG 용접기(130b)는 각각의 장점과 단점을 비교하여 교환 가능하다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템(1)는 상기 베이스(20) 상에 설치되어, 상기 제1 대상물(70)을 회전 가능하게 지지하는 회전 구동부(60)를 더 포함할 수 있다.
상기 회전 구동부(60)는 베이스(20) 상에 설치되는 보조 베이스(62)와, 이 보조 베이스(62) 상에 설치되는 지지 롤러(64) 및 지지부재(68)를 포함하여, 단일 모듈로 구성될 수 있다.
하지만, 보조 베이스(62) 상에만 회전 구동부(60)가 설치되는 것으로 한정되지는 않는다. 상기 베이스(20) 상에 직접 회전 구동부(60)가 설치되는 것 또한 가능할 수 있다.
상기 보조 베이스(20)는 상기 지지 롤러(64)의 위치를 고정시켜 하나의 모듈로 만들어 질 수 있다. 따라서, 상기 지지 롤러(64)를 상기 보조 베이스(62)에 미리 고정시키면, 상기 지지 롤러(64) 위치의 정확성이 높아지고, 손쉽게 상기 지지 롤러(64)를 상기 베이스(20)에 고정시킬 수 있다는 장점이 있을 수 있다.
상기 지지 롤러(64)는 y축 상에 좌우로 상호 이격되어 두 쌍을 이룰 수 있다. 그 중 한 쌍은 y축의 길이 방향으로 상기 제1 대상물(70)의 양쪽 단부를 지지할 수 있도록 분리 설치될 수 있다. 따라서, 총 4개의 지지 롤러(64)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 대상물(70)을 지지하기 위해 상기 지지 롤러(64) 두 쌍은 특정한 모양으로 형성될 수 있다. y축에 좌우로 위치한 한 쌍의 지지 롤러(64)는 지지 롤러(64)가 마주하는 방향이 하강하는 모양으로 테이퍼지게 형성될 수 있다. 나머지 한 쌍도 마주하는 방향이 하강하는 모양으로 테이퍼지게 형성될 수 있다. 최종적으로 상기 두 쌍의 지지 롤러(64) 형상으로 인해 상기 제1 대상물(70)의 균형이 중심으로 향하여 제1 대상물(70)이 지지될 수 있다.
또한, 상기 지지 롤러(64)는 상기 구동원(미도시)에 의해 회전될 수 있다. 상기 구동원은 상기 지지 롤러(64)를 회전시키기 위해 모터로 구성되어 있다. 상기 구동원에 인해 상기 지지 롤러(64) 상에 위치한 제1 대상물(70)은 회전할 수 있다. 이때, 상기 지지 롤러(64)는 제1 대상물(70)이 절단, 디버링 및 용접 가능한 범위 내에서 움직이도록 조절될 수 있다.
상기 지지부재(68)는 상기 지지 롤러(64)를 지지할 수 있다. 또한, 상기 지지부재(68)는 상기 구동원을 상기 지지 롤러(64)에 고정하기 위해 사용될 수 있다. 상기 지지부재(68)가 상기 구동원을 고정함으로 인해, 상기 지지 롤러(64)는 상기 제1대상물(70)을 움직이도록 조절할 수 있다. 또한, 상기 지지부재(68)에 의해 상기 지지 롤러(64)는 여분의 공간으로 인한 흔들림을 가지지 않고 회전할 수 있다.
또한, 상기 회전 구동부재(68)는 x축, y축, z축 및 제1회전유닛(85)와 제2회전유닛(90)의 2개의 회전축과 함께 상기 워킹툴(100)의 작업이 자연스럽게 이루어지도록 위치를 조절할 수 있다.
한편, 두 쌍의 지지 롤러(64)에 의하여 절단, 디버링, 및/또는 용접 작업 시에 제1 대상물(70)을 일방향 또는 다른 방향으로 회전시킬 수 있다. 이때, 지지 롤러(64)의 회전에 따라 제1 대상물(70)이 길이 방향(y 방향)으로 이동되는 사행문제가 발생할 수 있다. 이 경우, 제1 대상물의 사행에 의하여 제1 대상물(70)의 길이 방향 이동에 의하여 절단, 디버링, 및/또는 용접 작업의 품질이 떨어질 수 있다.
따라서, 절단 및 용접 통합 시스템에서는 원통형 부분을 갖는 제1 대상물의 회전시에도 사행이 방지될 수 있는 사행 방지 장치가 적용될 수 있다. 도 14a 내지 도 14d에는 본 발명의 일 실시예에 따른 사행 방지 장치 및 방법이 도시되어 있다.
이 경우, 두 쌍의 지지 롤러(64)들 중에서 적어도 하나가 경사가 조절될 수 있는 가동 롤러(64')가 되며, 나머지는 경사가 조절되지 않는 통상의 지지 롤러(64)가 될 수 있다. 또한, 사행량 측정 센서(61)는 제1 대상물이 길이 방향으로 이동되는 방향 및 이동량을 측정할 수 있다. 롤러 경사 제어기(65)는 사행량 측정 센서(61)에 의하여 측정되는 사행량에 의하여 롤러 경사 액추에이터(69)에 의하여 가동 롤러(64')를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시켜 사행되는 방향과 반대방향으로 제1 대상물이 이동될 수 있도록 제어한다.
도 14a는 사행이 없는 경우로서 가동 롤러(64')에 경사가 없이 평행한 경우이다. 도 14b는 우측 사행의 경우로서 가동 롤러(64')를 시계방향으로 경사를 주어 사행과 반대방향으로 제1 대상물이 이동되도록 한다. 도 14c는 좌측 사행의 경우로서 가동 롤러(64')를 반시계방향으로 경사를 주어 사행과 반대방향으로 제1 대상물이 이동되도록 한다. 도 14d는 도 14a의 사행 방지 장치의 측면도이다.
사행 방지 장치는 도면에 도시된 바와 같이 롤러 경사 액츄에이터(69)와 사행량 측정센서(61) 및 롤러 경사 제어기(65)를 포함하는 피드백 제어계로 구성될 수 있다. 이때, 지지 롤러가 회전함에 따라 발생하는 사행량을 사행량 측정센서(61)로 감지하고 이에 상응하는 반대방향의 사행이 유발되도록 롤러 경사 제어기(65)가 롤러 경사 액츄에이터(69)에 구동 신호를 주게 된다. 이러한 구동신호를 받은 롤러 경사 액츄에이터(69)는 현재 발생한 사행량을 상쇄시키는 로울러 경사 각도를 유지함으로써 발생되는 사행량이 제거되고 결과적으로 사행이 방지될 수 있다.
사행 방지 장치의 다른 실시예로서, 지지 롤러(64)가 제1 대상물(70)의 원형 단면을 양측에서 지지하면서 회전시키며, 적어도 한 쌍의 지지 롤러가 각각 독립적으로 구동될 수 있다. 이 경우, 제1 대상물(70)의 원주 방향으로 일정한 길이로 사행 마커가 그려지고, 카메라를 통하여 사행 마커의 영상을 입력받고, 사행 제어부가 제1 대상물(70)의 회전에 따라 사행 마커의 움직임을 입력받아 제1 대상물(70)의 사행 여부를 판단하고, 제1 대상물의 사행 여부에 따라 양측 지지 롤러의 구동을 독립적으로 제어하여 제1 대상물의 사행을 방지하도록 제어할 수 있다.
다른 실시예로서, 절단 및 용접 통합 시스템은 선형 구동부에 의하여 선형 이동되며, 작업 구동부에 의한 제2 대상물의 절단, 디버링 또는 용접 작업 시에 제2 대상물을 파지하여 지지하는 파지 구동부를 포함할 수 있다. 파지 구동부는 선형 구동부에 작업 구동부와 독립적으로 구동되도록 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 용접기(130)는 상기 수평 프레임(40)의 하부와 상기 회전유닛(85, 90)의 사이에 가스 집진부(150)와 조명유닛(155)을 포함할 수 있다.
상기 절단 및 용접 통합 시스템(1)는 상기 수평 프레임(40)과 수직 프레임(30)을 이용하여 하우징(170)을 설치하여 작업 공간을 만들 수 있다. 상기 하우징(170) 안에서 작업자가 작업을 할 시, 작업 중 발생하는 가스로 시야가 흐려질 수 있다. 특히, 상기한 바와 같이, 상기 워킹툴(100) 중 플라즈마 절단기(110a)를 사용할 시 가스가 다량 방출될 수 있다. 또한, 내부 공간이 어두워 작업 시야를 확보하지 못할 수도 있다.
따라서, 상기 절단 및 용접 통합 시스템(1)는 절단, 디버링 및 용접 시 발생하는 가스를 상기 가스 집진부(150)를 통하여 집진하여 작업자가 가스로 인해 작업 시야가 흐려지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 가스집진부(150) 내부에 조명유닛(155)을 설치하여 작업 시야를 확보할 수 있다.
그리고, 상기 가스 집진부(150)의 상부에 직접 연결되어 설치되는 가스 포집 덕트(160)가 있을 수 있다. 상기 가스 포집 덕트(160)는 상기 가스 집진부(150)에서 빠져나가는 가스를 공장 외부로 배출시키도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 제어방법을 보인 순서도이다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템 및 이의 제어방법의 블록도이다.
이하, 도 1 내지 도 9을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템의 제어방법에 대해 상세히 설명한다.
절단 및 용접 통합 제어방법은 도 1의 절단 및 용접 통합 시스템(1)을 제어하는 것으로 절단 및 용접 통합 시스템에서 설명된 방법들이 그대로 적용될 수 있다. 절단 및 용접 통합 제어방법은 제1 대상물에 개구부를 형성하고, 상기 개구부의 형상에 따라 제2 대상물을 절단하여 결합부를 형성하고, 상기 개구부에 상기 결합부를 용접으로 접합하는 공정을, 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행할 수 있다.
절단 및 용접 통합 제어방법은 제1 대상물을 지지 롤러에 로딩하는 단계; 제1 대상물의 일부를 절단하여 개구부를 형성하는 단계; 개구부에 제2 대상물의 끝단을 지지 또는 고정하여 제1 대상물에 상기 제2 대상물을 지지하는 단계; 개구부를 따라서 제2 대상물의 일부를 절단하여 결합부를 형성하는 단계; 제2 대상물을 제1 대상물로부터 분리하여 뒤집어서 개구부에 결합부를 가접하는 단계; 및 개구부와 결합부의 접합부를 따라서 용접하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 절단 및 용접 통합 시스템(1)의 제어방법은 제1 대상물(70)의 절단 및 디버링 단계(S10 ~ S30), 제2 대상물의 절단 및 디버링 단계(S40~S50) 및 제1 대상물과 제2 대상물의 가접 및 용접 단계(S60~S80)를 포함할 수 있다.
우선, 제1 대상물(70)이 용접되는 부위를 소정 형상으로 절단한다(S10). 절단 과정은 선형 구동부(10), 작업 구동부(80), 절단기(110)가 장착된 워킹 툴(100)의 작용에 의해 이루어 질 수 있다. 또한 제1 대상물(70)이 회전 구동부(60)에 의해 이동되면서 절단될 수 있다.
상기한 바와 같이, 절단기(110)에는 플라즈마 절단기(110a)와 산소 절단기(110b)가 될 수 있다. 이 중 어느 하나를 상기 제1 대상물(70)의 특성에 따라 선택해 상기 제2 회전유닛(90)에 고정시킬 수 있다. 그 다음, 절단에 필요한 데이터를 컴퓨터에 입력할 수 있다. 절단기(110)의 끝부분을 제1대상물(70)의 특정 시작 위치에 놓고 데이터가 입력된 프로그램에 의해 자동으로 제1 대상물(70)을 절단할 수 있다.
상기 절단 및 용접 통합 시스템(1) 및 이의 제어방법은 X축, Y축, Z축과 제1 회전유닛(85), 제2 회전유닛(90)의 회전축 및 상기 제1 대상물(70)을 지지하는 회전 지지부(60)에 의해 워킹 툴(100)을 자동으로 제어하여 제1 대상물(70)의 표면의 절단을 수행할 수 있다. 제1 대상물(70)의 절단 시 컴퓨터의 제어를 통해 절단의 시작점과 끝점이 같도록 절단할 수 있다. 또한, 제1 대상물(70)의 절단 시 상기 제2 대상물(75)의 절단부와 정확하게 일치하도록 자동으로 절단할 수 있다. 혹은, 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)의 절단부에 틈새가 0mm 초과 3mm 이하의 일정한 값을 가지도록 자동으로 절단할 수 있다.
다음으로, 작업자가 제2 회전유닛(90)의 절단기(110)를 디버링 공구(120)로 교환한 후, 절단한 제1 대상물(70)을 디버링할 수 있다(S20). 상기한 바와 같이, 디버링 공구(120)에는 타원형 디버링 공구(120a) 또는 사다리꼴 디버링 공구(120b)가 될 수 있다. 이 중 어느 하나를 제1 대상물(70)의 특성에 따라 선택해 제2 회전유닛(90)에 고정시킬 수 있다. 그 다음, 디버링에 필요한 데이터를 컴퓨터에 입력할 수 있다. 디버링 공구(120)의 끝부분을 제1 대상물(70)의 특정 시작 위치에 놓고 데이터가 입력된 프로그램에 의해 자동으로 제1 대상물(70)을 디버링 할 수 있다.
이어서, 상기 제2 대상물(75)을 제1 대상물(70) 상의 절단 개구부 상에 180도 상하로 회전하여 올려놓는다(S30). 후술하는 바와 같이, 상기 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)은 용접되는 부위가 마주하는데, 이때, 마주할 부위의 절단과 디버링을 위해 이 공정을 실시한다. 상기 제2 대상물(75)이 제1 대상물(70)과 맞닿는 상부에 플랜지가 형성되어 있다면 두 위치 정도에 가접 공정을 실시하여 상기 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)을 고정시킬 수 있다. 상기 제2 대상물(75)이 상하로 뒤바뀌어 있다면 제2 대상물(75)의 작업 위치의 높이가 높아져 워킹 툴(100)의 접근성이 좋아 공정하기가 용이할 수 있다.
노즐은 작업자가 직접 수동으로 쉘 상단에 올려놓을 수 있다. 다만, 노즐은 무게가 무거워서 직접 수동으로 쉘 상단에 올려놓기는 곤란한 경우에는, 천정 크레인을 써서 들고, 작업장 바닥에 내린 다음 반대로 뒤집은 후 다시 천정 크레인으로 들어올려서 제1 대상물의 절단 개구부에 장착시켜 조립할 수 있다. 이 뒤집기 작업을 원활하게 하기 위해서는 제2 대상물의 몸체 양쪽에 인양 러그를 구멍있는 모양으로 부착하여 양쪽에서 인양한 후 바닥에 가볍게 놓은 후 180도 뒤집기를 용이하게 할 수 있다.
다음으로, 작업자가 상기 제2 회전유닛(90)의 상기 디버링 공구(120)를 상기 절단기(110)로 교환한 후, 상기 제2 대상물(75)을 절단할 수 있다(S40).
이어서, 작업자가 상기 제2 회전유닛(90)의 상기 절단기(110)를 상기 디버링 공구(120)로 교환한 후, 상기 제2 대상물(75)의 절단 부위를 디버링할 수 있다(S50).
다음으로, 상기 제2 대상물(75)을 다시 180도 상하로 회전하여 뒤집은 후, 상기 제2 대상물(75)을 상기 제1 대상물(70)의 절단 부위에 삽입하여 고정시킬 수 있다(S60).
이어서, 작업자가 상기 제2 회전유닛(90)의 상기 디버링 공구(120)를 상기 용접 토치(130)로 교환한 후, 상기 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)의 절단 부위가 일치하도록 가접할 수 있다(S70). 가접 시, 컴퓨터에 입력한 데이터와 일치하도록 정확한 각도로 조절해야 할 수 있다. 상기한 방법에서 상기 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)의 절단부가 갭이 생성되도록 데이터를 입력한 경우에 가접 시 비드 단면적은 갭에 비례하여 커질 수 있다. 또한, 가접 시 상기 제1대상물(70)의 y축을 조절하여 상기 용접 토치(130)가 아래보기 방향으로 유지될 수 있도록 할 수 있다. 상기 용접 토치(130)가 아래보기 방향으로 유지될 시 가접이 용이하게 이루어질 수 있다.
마지막 단계로, 작업자가 상기 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)을 최종적으로 고정하기 위해 용접할 수 있다(S80). 상기한 바와 같이, 상기 용접기(130)에는 TIG 용접 토치(130a) 또는 MIG 용접 토치(130b)가 될 수 있다. 상기한 방법과 마찬가지로, 상기 용접 토치(130)를 상기 제2 회전유닛(90)에 고정시킨 후, 용접에 필요한 데이터를 컴퓨터에 입력할 수 있다. 상기 용접 토치(130)의 끝부분을 상기 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)이 접한 특정 시작 위치에 놓고 작동시킬 수 있다. 상기 절단 및 용접 통합 시스템(1) 및 이의 제어방법은 X축, Y축, Z축과 제1 회전유닛(85), 제1 대상물(70)의 회전축 및 제1 대상물을 지지하는 회전 구동부(60)를 자동으로 제어하여 상기 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)의 용접을 수행할 수 있다. 상기 제1 대상물(70)과 제2 대상물(75)의 용접 시 컴퓨터의 제어를 통해 용접의 시작점과 끝점이 같도록 용접할 수 있다. 또한, 가접 시와 마찬가지로, 상기 제1 대상물(70)의 y축을 이용하여 상기 용접 토치(130)가 아래보기 방향으로 유지되어 용접이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
1: 절단 및 용접 통합 시스템
10: 선형 구동부 20: 베이스
30: 수직 프레임 35: 수직 프레임 레일
40: 수평 프레임 45: 이동유닛
50: 승강 유닛 60: 회전 구동부
62: 보조 베이스 64: 지지 롤러
66: 지지 롤러축 68: 지지 부재
70: 제1 대상물 75: 제2 대상물
80: 회전 구동계 85: 제1 회전유닛
90: 제2 회전유닛 100: 워킹 툴
110: 절단기 120: 디버링 공구
130: 용접기 140: 결합부
160: 가스 포집 덕트 170: 하우징

Claims (14)

  1. 제1 대상물에 개구부를 형성하고, 상기 개구부의 형상에 따라 제2 대상물을 절단하여 결합부를 형성하고, 상기 개구부에 상기 결합부를 용접으로 접합하는 공정을, 하나의 플랫폼에서 연속적으로 수행하는 절단 및 용접 통합 시스템에 있어서,
    상기 제1 대상물을 지지하는 지지 롤러를 회전 구동하는 회전 구동부와;
    상기 제1 대상물의 일부를 절단하여 개구부를 형성하고, 상기 개구부에 상기 제2 대상물의 끝단을 지지하여 상기 제1 대상물에 상기 제2 대상물을 지지한 상태에서, 상기 제2 대상물의 일부를 절단하여 결합부를 형성하고, 상기 제2 대상물을 상기 제1 대상물로부터 분리하여 뒤집어서 고정하고 상기 개구부와 상기 결합부의 접합부를 따라서 용접하도록 구동하는 작업 구동부; 및
    베이스에 설치되어 상기 작업 구동부를 3축 방향으로 선형 구동하는 선형 구동부;를 포함하고,
    상기 작업 구동부의 끝단에는 절단 툴 및 용접 툴이 교체 가능하도록 장착되는 툴 어댑터가 구비되며,
    상기 개구부와 상기 결합부의 접합부를 따라서 수행되는 용접 작업 시에 상기 용접 툴이 아래보기 자세로 용접할 수 있도록, 상기 회전 구동부가 상기 제1 대상물을 회전시키고,
    상기 용접 작업이,
    루트 용접 비드를 형성하는 루트 패스 용접,
    상기 루트 패스 비드 위에 적층하여 용접 비드를 형성하는 적층 용접, 및
    상기 적층 용접 위에 최종 용접 비드를 형성하는 캐핑 용접을 포함하는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개구부와 상기 결합부가 각각 원통형 형상의 일부가 절단되어 형성되는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접합부의 상기 개구부와 상기 결합부 사이의 간격인 갭을 측정하는 갭 측정부를 더 포함하고,
    상기 갭의 크기에 따라 용접 조건 또는 용접 방법을 달리할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접합부에 향하여 일정한 길이의 레이저 라인을 조사하는 레이저 슬릿, 및 상기 레이저 라인의 형상을 입력받는 카메라를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 대상물의 개구부가 형성될 부분에 개구부 형상이 마킹되고,
    마킹된 개구부 형상을 입력받는 카메라, 및 상기 마킹된 개구부와의 거리를 측정하는 거리 측정부를 더 포함하고,
    입력된 마킹된 개구부 형상과 측정된 거리를 이용하여 상기 절단 툴의 끝단을 마킹된 개구부의 미리 설정된 절단 시작점으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 대상물의 개구부가 형성될 부분에 개구부 형상이 마킹되고,
    마킹된 개구부 형상에 대한 3차원 정보를 입력받는 3D 카메라를 더 포함하고,
    입력된 마킹된 개구부 형상의 3차원 정보를 이용하여 상기 절단 툴의 끝단을 마킹된 개구부의 미리 설정된 절단 시작점으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 개구부와 상기 결합부가 결합된 형상에 대한 3차원 정보를 입력받는 3D 카메라를 더 포함하고,
    상기 3차원 정보를 이용하여 상기 용접 툴의 끝단을 미리 설정된 용접 시작점으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 대상물의 길이방향 이동량을 검출하는 사행량 측정센서와;
    상기 사행량 측정센서로부터 상기 제1 대상물의 길이방향 이동량을 입력받아 상기 제1 대상물의 사행 여부를 판단하고, 상기 지지 롤러의 경사를 조절하여 상기 제1 대상물의 사행이 발생되는 것을 방지하도록 제어하는 롤러 경사 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 지지 롤러가 상기 제1 대상물의 원형 단면을 양측에서 지지하면서 상기 제1 대상물을 회전시키며, 양측의 상기 지지 롤러가 각각 독립적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 대상물의 원주 방향으로 일정한 길이로 사행 마커가 형성되고,
    상기 제1 대상물의 회전에 따라 상기 사행 마커의 움직임을 입력받아 상기 제1 대상물의 사행 여부를 판단하고,
    상기 제1 대상물의 사행 여부에 따라 양측 지지 롤러의 구동을 제어하여 상기 제1 대상물의 사행이 발생되는 것을 방지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 선형 구동부에 의하여 선형 이동되며, 상기 작업 구동부에 의한 상기 제2 대상물의 절단 또는 용접 작업 시에 상기 제2 대상물을 파지하여 지지하는 파지 구동부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 절단 및 용접 통합 시스템.
  14. 제1항, 제2항 및 제5항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 절단 및 통합 시스템의 절단 및 용접 통합 제어방법에 있어서,
    상기 제1 대상물을 지지 롤러에 로딩하는 단계;
    상기 제1 대상물의 일부를 절단하여 개구부를 형성하는 단계;
    상기 개구부에 상기 제2 대상물의 일부를 삽입하여 상기 제1 대상물에 상기 제2 대상물을 지지하는 단계;
    상기 개구부의 형상에 따라 상기 제2 대상물의 일부를 절단하여 결합부를 형성하는 단계;
    상기 제2 대상물을 상기 제1 대상물로부터 분리하여 뒤집어서 상기 개구부에 상기 결합부를 가접하는 단계; 및
    상기 개구부와 상기 결합부의 접합부를 따라서 용접하는 단계;를 포함하는 절단 및 통합 시스템의 절단 및 용접 통합 제어방법.
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