KR102655407B1

KR102655407B1 - 협소구역 곡블록 용접을 위한 경량로봇

Info

Publication number: KR102655407B1
Application number: KR1020160139263A
Authority: KR
Inventors: 조영식; 박주이; 이동준; 임창호
Original assignee: 한화오션 주식회사
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2024-04-08
Also published as: KR20180045304A

Abstract

본 발명은 협소구역에서 용접을 수행하기 위한 경량로봇에 있어서: 베이스(20) 상에 제1링크(21), 제2링크(22), 제3링크(23), 제4링크(24), 토치(25)를 순차적으로 연결한 본체; 상기 링크(21)(22)(23)(24)들의 운동을 유발하도록 각각 1축부(31) 내지 4축부(34)를 연결한 구동수단(30); 및 상기 구동수단(30)에 설정된 출력을 인가하여 토치(25)의 자세를 변동하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에, 용접에 요구되는 모션을 4축으로 구현한 경량화 구조를 기반으로 하여 수동으로 작업하던 협소구역 곡블록의 트랜스 하부 용접작업을 자동화함에 따라 작업 능률을 높이는 효과가 있다.

Description

협소구역 곡블록 용접을 위한 경량로봇{Light weight robor for welding curved block in narrow area}

본 발명은 선박 용접용 로봇에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 선박에서 일반적인 용접용 로봇을 사용하기 곤란한 영역에 투입하기 위한 협소구역 곡블록 용접을 위한 경량로봇에 관한 것이다.

선박 곡블록의 트랜스 하부는 칼라 플레이트를 포함하는 영역으로서 작업각도가 일정치 않고, 론지부에 둔각부/예각부가 존재하여 직교방식 로봇이 부적절하다. 수직다관절 로봇의 경우 6축(전진각, 작업각, 토치Z축)의 조정 및 충돌회피 구조가 필요하다. 일반적인 로봇과 캐리지를 활용하는 경우 칼라부에 대응하여 대처하기 곤란하다. 이와 같은 이유로 인하여 선박의 협소구역 곡블록 용접구간은 자동화가 진행되어 있지 않아 효율이 낮은 실정이다.

이와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1407995호, 한국 공개특허공보 제2014-0118151호 등이 알려져 있다.

전자는 하부아암, 상부아암, 용접토치를 다축운동 가능하게 구비하는 다관절부; 본체의 외면에 운반을 위한 파지가 가능하도록 설치되는 손잡이부; 및 본체 상에 좌표 인식과 용접 작업을 조력하도록 설치되는 전장부;를 포함한다. 이에, 작업공간이 협소한 부분에 한 사람의 작업자가 운반하면서 용접을 수행하는 편의성을 높여 생산성 향상에 기여하는 효과를 기대한다.

그러나 이는 본 출원인에 의한 선행특허로서 선박의 이중 선체블록를 대상으로 하므로 협소구역 곡블록 용접을 위한 개선의 여지가 있다.

후자는 용접부는 서로 일정간격을 두고 나란히 배열된 선행토치와 후행토치로 이루어지고, 상기 선행토치와 후행토치에는 선행토치와 후행토치를 각각 위빙 작동하도록 한 위빙모터가 각각 연결되어 설치된 것이며, 한 번의 용접으로 평 및 곡블록의 맞대기 용접이 이루어지는 효과를 기대한다.

그러나, 이는 이동바퀴와 2개의 토치를 이용한 구조로서 아무리 소형화하더라도 협소구역의 곡블록 용접에 적용하기에 한계성을 나타낸다.

1. 한국 등록특허공보 제1407995호 "경량화 구조의 포터블 용접로봇" (공개일자 : 2014.03.19.) 2. 한국 공개특허공보 제2014-0118151호 "선박 평, 곡블록 전용 용접장치" (공개일자 : 2014.10.08.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 용접에 요구되는 모션을 4축으로 구현한 경량화 구조를 기반으로 하여 직교와 3축회전 및 2중 평형구조를 이용하여 위치가 변해도 토치 각도가 일정하게 유지되고 전진각 독립제어 및 수동 작업각 조정이 가능한 협소구역 곡블록 용접을 위한 경량로봇을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 협소구역에서 용접을 수행하기 위한 경량로봇에 있어서: 베이스 상에 제1링크, 제2링크, 제3링크, 제4링크, 토치를 순차적으로 연결한 본체; 상기 링크들의 운동을 유발하도록 각각 1축부 내지 4축부를 연결한 구동수단; 및 상기 구동수단에 설정된 출력을 인가하여 토치의 자세를 변동하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단은 1축부를 통한 상하운동, 2축부 내지 4축부를 통한 회전운동을 유발하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본체는 제2링크와 상시적으로 평행을 유지하는 평형링크 및 제3링크와 상시적으로 평행을 유지하는 평형링크을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단은 토치의 작업각을 수동으로 변동하도록 기준곡면 상에 조정기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 조정기의 기준곡면은 그 곡률 반경의 회전중심을 토치 상에 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 토치의 작업각에 대응하는 설정된 출력을 4축부에 인가하여 토치의 전진각을 제어하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 용접에 요구되는 모션을 4축으로 구현한 경량화 구조를 기반으로 하여 수동으로 작업하던 협소구역 곡블록의 트랜스 하부 용접작업을 자동화함에 따라 작업 능률을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 용접 대상의 협소구역 곡블록을 나타내는 예시도
도 2는 본 발명에 따른 경량로봇을 전체적으로 나타내는 사시도
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 경량로봇의 자세 변동을 나타내는 구성도
도 5는 본 발명에 따른 경량로봇의 작동을 나타내는 구성도와 도표

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

본 발명은 선박 등의 협소구역에서 용접을 수행하기 위한 경량로봇에 관하여 제안한다. 도 1을 참조하면 다양한 각도로 배열되는 부재들(T-bar 부재, Trans 부재)을 갖는 선박블록을 예시한다. 곡블록의 경우 주판(12), T바(14), 트랜스(16) 간에 형성되는 경사각(α)(β)(γ)에 의한 공간이 협소하다.

일예로, 쇄빙선의 경우 곡블록의 경사각이 최대 30˚ 정도이기 때문에 일반적인 용접로봇은 간섭을 유발하여 용접자동화가 곤란하다. 본 발명의 경량로봇은 곡블록에서 U셀(U-cell)과 같은 협소구역에 대한 용접을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 본체는 베이스(20) 상에 제1링크(21), 제2링크(22), 제3링크(23), 제4링크(24), 토치(25)를 순차적으로 연결한 구조이다. 베이스(20)는 매그스위치 등을 탑재하여 선체에 탈부착 가능하게 고정하는 부분이다. 제1링크(21)는 베이스(20)에 상하운동 가능하게 연결되고, 제2링크(22)는 제1링크(21)에 회전운동 가능하게 연결되고, 제3링크(23)는 제2링크(22)에 회전운동 가능하게 연결되고, 제4링크(24)는 제3링크(23)에 회전운동 가능하게 연결된다.

또, 본 발명에 따르면 구동수단(30)이 상기 링크(21)(22)(23)(24)들의 운동을 유발하도록 각각 1축부(31) 내지 4축부(34)에 설치된다. 협소구역에서 간섭없는 작업범위가 나올 수 있도록 6축이 아닌 4축의 회전형 구조를 채용하여 해당 용접에 필요한 전진각과 작업각을 부여할 수 있다. 전진각은 토치(25)의 이동방향에 대하여 기울어진 각도이고, 작업각은 바닥면에 대한 토치(25)의 기울어진 각도이다.

부연하면, 회전형 관절 로봇의 경우 특성상 그 자세가 일정하게 유지되지 않고 위치에 따라 달라지므로 자세를 제어하여야 할 경우에는 추가적인 3축이 필요하다. 협소구역의 트랜스 하부 용접장은 직선부에서 전진각만 조정되어야 하는데 그렇게 하기 위해서는 역시 추가적인 3축이 필요하므로 6축에서 축수를 줄이기가 어렵게 된다. 6축의 경우 최고로 경량화를 한 경우가 약 13kg 정도가 되므로 작업자가 포터블하게 사용하기에는 어려움이 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단(30)은 1축부(31)를 통한 상하운동, 2축부(32) 내지 4축부(34)를 통한 회전운동을 유발하는 것을 특징으로 한다. 1축부(31)는 제1링크(21) 상에 리니어가이드, 모터, 타이밍벨트 등을 구비한다. 2축부(32) 및 3축부(33)는 각각 제2링크(22) 및 제3링크(23)의 일단에 모터를 구비한다. 4축부(34)는 제4링크(24) 상에 모터, 타이밍벨트 등을 구비한다. 4축부(34)의 회전운동은 후술하는 것처럼 토치(25)의 전진각 변동도 유발한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 본체는 제2링크(22)와 상시적으로 평행을 유지하는 평형링크(27) 및 제3링크(23)와 상시적으로 평행을 유지하는 평형링크(27)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 직선운동을 수행하는 제1링크(21) 상에 연결되는 제2링크(22) 및 제3링크(23)는 회전운동에 더하여 각각의 평형링크(27)에 의하여 평행 상태로 운동하는 2중 평형구조를 가진다. 상류측의 평형링크(27)는 2축부(32)에 결합되는 보조링크(28) 및 3축부(33)에 결합되는 보조링크(28) 사이에 연결된다. 하류측의 평형링크(27)도 동일한 방식으로 3축부(33) 및 4축부(34)의 보조링크(28)를 개재하여 연결된다.

이와 같은 2중 평형구조에 의하면, 도 3 및 도 4에 나타내는 것처럼 작업 공간의 좌표계(XYZ)에서 링크의 위치가 변동되어도 평형링크(27)가 모션을 한정하여 토치(25)의 자세를 일정하게 유지할 수 있다. 도 3에 의하면 2, 3축의 평형구조로 인해 1, 2축이 변동하더라도 토치(25)의 자세는 변동되지 않는다. 도 4에 의하면 2, 3의 평형구조로 인해 3축 혹은 1, 2, 3축이 변동하더라도 토치(25)의 자세는 변동되지 않는다. 따라서 토치(25)의 TCP 위치와 독립적으로 전진각과 작업각을 조정할 수 있게 된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동수단(30)은 토치(25)의 작업각을 수동으로 변동하도록 기준곡면 상에 조정기(36)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 작업각은 용접중이 바뀌지 않음에도 불구하고 일반적인 수직다관절 방식의 로봇은 작업각을 유지하기 위해 용접중에 지속적으로 관련된 축을 제어하여야 한다. 본 발명에서 위치를 정의하는 구성과 작업각을 정의하는 구성을 분리하여 작업각을 수동으로 지정하도록 할 수 있다. 도 5(a)를 참조하면 회전중심(38)을 갖는 원으로 표시한 부분에 기준곡면을 두고 조정기(36)를 탑재한 상태를 예시한다. 조정기(36)는 공지의 나선-노브 방식을 채용하여 토치(25)의 작업각 고정과 변동을 허용한다. 이와 같은 구성으로 인해 모터, 감속기 등 구동에 필요한 부품을 제거하여 외형 치수 및 무게를 감소하고 유지보수성을 높일 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 조정기(36)의 기준곡면은 그 곡률 반경의 회전중심(38)을 토치(25) 상에 유지하는 것을 특징으로 한다. 도 5(a)에서 원으로 표시한 부분의 회전중심(38)이 토치(25) 상에 위치된 상태를 예시한다. 작업각의 회전중심(38)이 토치(25) 상에 위치하면 일반적으로 링크 상에 존재하는 것보다 높이방향의 조정 범위를 줄이고 전진각의 범위를 더 확보할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 구동수단(30)에 설정된 출력을 인가하여 토치(25)의 자세를 변동한다. 제어수단(40)은 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 마이컴 제어기로서 협소공간에서 간섭을 방지하며 운봉하는 알고리즘을 수행한다. 토치(25)의 자세가 우선적으로 결정되고 나머지 링크의 모션이 이에 연동된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)은 토치(25)의 작업각에 대응하는 설정된 출력을 4축부(34)에 인가하여 토치(25)의 전진각을 제어하는 것을 특징으로 한다. 협소구역의 특성상 로봇 모션 과정의 링크 높이를 최소화할 필요가 있다. 그리고 작업각을 작게 유지할수록 링크가 바닥과 가까워지므로 전진각의 범위가 줄어들게 된다.

이와 같은 제어 알고리즘은 도 5(b)의 도표를 통하여 이해될 수 있다. 도시에서 실선은 회전중심(38)을 토치(25) 상에 위치시킨 실시예이고, 점선은 회전중심(38)을 링크 상에 위치시킨 비교예이다. 공히 꺾인 부분을 기준으로 우측은 바닥면에 대한 토치(25)의 형상, 좌측은 여타 링크의 형상을 나타낸다.

본 발명의 실시예의 경우 동일한 작업각 범위에 대해 비교예보다 Z축 조정범위가 더 줄어들어 전체 기구의 높이를 더 줄일 수 있다. 그리고 최저 작업각일 때 링크의 높이를 더 높게 유지 가능하므로 그만큼 전진각을 더 줄 수 있게 되는 장점이 있다. 예컨대, 작업각 35˚인 경우 실시예에서 여타 링크의 높이가 71.42이고 비교예에서 여타 링크 높이가 66.38이다. 이에 제어수단(40)의 제어기는 그 높이 차이만큼 토치(25)의 전진각 자세 범위를 확대하여 간섭이나 충돌에 대응하기 용이하고 결과적으로 품질과 생산성 향상에 유리하다.

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.

20: 베이스 21~24: 링크
25: 토치 27: 평형링크
28: 보조링크 30: 구동수단
31: 1축부 32: 2축부
33: 3축부 34: 4축부
36: 조정기 38: 회전중심
40: 제어수단

Claims

협소구역에서 용접을 수행하기 위한 경량로봇에 있어서:
베이스(20) 상에 제1링크(21), 제2링크(22), 제3링크(23), 제4링크(24), 토치(25)를 순차적으로 연결한 본체;
상기 링크(21)(22)(23)(24)들의 운동을 유발하도록 각각 1축부(31) 내지 4축부(34)를 연결한 구동수단(30); 및
상기 구동수단(30)에 설정된 출력을 인가하여 토치(25)의 자세를 변동하는 제어수단(40);을 포함하되,
상기 본체는 제2링크(22)와 상시적으로 평행을 유지하는 평형링크(27) 및 제3링크(23)와 상시적으로 평행을 유지하는 평형링크(27)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 협소구역 곡블록 용접을 위한 경량로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 구동수단(30)은 1축부(31)를 통한 상하운동, 2축부(32) 내지 4축부(34)를 통한 회전운동을 유발하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 협소구역 곡블록 용접을 위한 경량로봇.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 구동수단(30)은 토치(25)의 작업각을 수동으로 변동하도록 기준곡면 상에 조정기(36)를 구비하는 것을 특징으로 하는 협소구역 곡블록 용접을 위한 경량로봇.
청구항 4에 있어서,
상기 조정기(36)의 기준곡면은 그 곡률 반경의 회전중심(38)을 토치(25) 상에 유지하는 것을 특징으로 하는 협소구역 곡블록 용접을 위한 경량로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 제어수단(40)은 토치(25)의 작업각에 대응하는 설정된 출력을 4축부(34)에 인가하여 토치(25)의 전진각을 제어하는 것을 특징으로 하는 협소구역 곡블록 용접을 위한 경량로봇.