KR20030048100A - 자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템과, 용접 경로 설정방법과, 용접 토치의 위치 제어 방법과, 자동 용접 헤드정렬 및 안내 소프트웨어와, 제어 소프트웨어 - Google Patents

자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템과, 용접 경로 설정방법과, 용접 토치의 위치 제어 방법과, 자동 용접 헤드정렬 및 안내 소프트웨어와, 제어 소프트웨어 Download PDF

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Abstract

용접 헤드 또는 토치(5)를 소망의 용접 경로를 따라 정렬 및 안내하기 위한 시스템은 용접 헤드 조립체를 고정 경로를 따라 이동시키기 위한 주행 메커니즘과, 소망의 용접 경로를 따르도록 고정 경로에 대해 용접 헤드 또는 토치(5)를 이동시키기 위한 스티어링 메커니즘을 포함한다. 소망의 용접 경로를 설정하기 위한 방법은 용접 헤드 또는 토치(5)를 소망의 경로를 따라 소정 위치로 이동시킴으로써 상기 경로의 좌표를 설정하는 단계와, 소망 위치에서 용접 헤드 또는 토치(5)의 위치를 기록하는 단계를 포함한다. 좌표 사이에서의 용접 헤드 또는 토치의 이동은 용접 헤드 또는 토치(5)가 자동 스티어링 프로그램의 초기화에 이어서 하나의 좌표에서 다음 좌표로 이동될 때 경로를 내삽함으로써 달성된다.

Description

자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템과, 용접 경로 설정 방법과, 용접 토치의 위치 제어 방법과, 자동 용접 헤드 정렬 및 안내 소프트웨어와, 제어 소프트웨어{AUTOMATIC WELD HEAD ALIGNMENT AND GUIDANCE SYSTEM AND METHOD}
본 발명의 시스템 및 방법은 용접 경로가 용이하게 변경될 수 없는 순수 기계 시스템 뿐만 아니라, 용접 동안에 수동 조정에 의해 용접 경로를 변경시키는 시스템을 대체한다. 본 발명의 시스템 및 방법을 사용함으로써, 조작자는 안내 경로를 사전 설정할 수 있으며, 안내 경로를 따라 별도 지점의 좌표를 선택함으로써 소망하는 바대로 그 경로를 변경할 수 있으며, 최종 경로는 경로상의 인접 지점 사이에서의 내삽에 의해 제공된다.
용접 동안에 용접 헤드 또는 토치의 자동 안내에도 불구하고, 본 발명의 시스템 및 방법은 기계적 윤곽 탐침조사 등을 통한 용접 경로의 자동 감지가 필요치않으며, 그에 따라 간단한 원격 제어 인터페이스 및 스티어링 모터를 추가함으로써, 또는 펜던트(pendant), 제어 스테이션, 또는 다른 원격 제어 조작자 인터페이스 및 크로스-시임 구동 모터를 이미 갖춘 반자동 용접 장치에 있어서 제어 소프트웨어를 변경함으로써 용이하게 이행될 수 있다. 그 단순성 때문에, 본 발명의 시스템 및 방법은 폭 넓은 아크 용접 시스템에서 실행될 수 있으며, 임의의 수의 자유도를 따라 용접 경로의 변이를 제공할 수 있다.
용접 헤드가 가공물에 대한 고정 경로를 따라 이동될 때, 아크 길이 및 크로스-시임 진폭 등의 파라미터를 수동으로 변경함으로써 용접 작업을 원격으로 제어하는 것이 잘 알려져 있다. 종래의 용접 헤드 안내 장치의 고정 경로가 간단한 궤도, 원형 또는 선형 용접 경로에 일반적으로 적합하지만, 용접 동안에 용접 경로를 조정하기 어려워, 용접 헤드가 소망의 경로를 따르도록 하기 위해 용접 공정의 정지 및/또는 일정한 조작자의 조정이 필요하다.
용접 동안에 용접 경로를 조정하는 것은, 용접 동안에 용접 헤드에 접근하기 어렵기 때문에, 방사능 또는 높은 열이 있는 때와, 용접 아크와의 가시적 접촉을 방해하거나 배제하는 장애물이 존재하는 상황과 같은 열악한 환경에서 용접이 수행되는 경우에 특히 어렵다. 용접 장치의 작업은 용접 공정과 연관된 많은 변수로 인해 상당한 숙련이 필요하며, 조작자가 수행하여야 할 일에 용접 헤드 안내를 추가하는 것은 조작자의 일을 복잡하게만 하여, 양질의 용접물을 달성하는 것을 보다 어렵게 한다. 결과적으로, 본 발명의 원리에 따른 용접 헤드 자동 안내 시스템 및 방법을 제공함으로써, 거의 모든 환경에서 작업의 용이성 및 양질의 용접물의 생산을 조력한다.
자동 용접 헤드 안내 및 정렬에서 이득을 얻는 종래의 용접 장치 타입은 반자동 궤도 용접 헤드, 원형 시임 용접 및 평면 용접 장치가 있다. 예를 들면, 반자동 궤도 용접 헤드는 파이프 또는 튜브 둘레를 선회할 때 안내 트랙에 의해 규정된 경로를 따르도록 전통적으로 배열되지만, 안내 트랙을 의도된 용접선과 정렬시키는 것이 어렵고, 용접선이 거의 완전한 평면을 따르지 않는 경우에, 일종의 조작자의 조정이 필요하다. 한편, 탱크 뚜껑상의 밀봉 용접부와 같은 원형부를 용접하는데 사용되는 자동 용접 헤드에 있어서, 중앙 피봇 시스템은 용접될 구성요소가 토치 경로에 대해 편심되거나 비원형이더라도 용접 헤드가 거의 완전한 원형을 그리도록 하는데 사용된다. 가공물 불규칙성의 유사한 문제가 평면 용접에 사용된 편평한 안내 트랙에 대해 발생한다.
용접 헤드의 정확한 안내에 대한 필요성은 용접 헤드가 진동운동하거나 또는 그렇지 않은 반자동 GMAW 또는 GTAW 용접의 경우에 특히 중요하며, 여기서 정확한 루트 패스(root pass)는 랜드 면이 완전히 융해/소모되는 것을 보장하기 위해 중요하다. 베벨 또는 홈이 충진될 때, 토치는 용접부중 어느 한 측면상의 과잉 덧살(build-up) 없이 적당한 비드 배치 및 측벽 용융을 보장하도록 위치되어야 한다. 이러한 시스템에서 안내하는 종래의 트랙을 적용하기 위해, 트랙 위치의 빈번한 수동 확인 및 조정이 요구되며, 이것은 시간 소비적이며 고가이거나, 미국 특허 제 4,935,597 호에 개시된 것과 같이 복잡한 윤곽 감지 시스템이 필요하며, 여기서 용접 토치 스위블 장착과 함께 윤곽 탐침조사가 요구되어, 용접 장치의 비용 및 복잡성을 크게 증대시킨다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 제 1 목적은 용접 동안에 조작자의 조정이 필요없이 조작자 규정 경로를 따라 용접 헤드를 정렬 및 자동적으로 안내하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 현재의 아크 용접 장치용으로 용이하게 적용되도록 배열되고 반자동 궤도 용접 헤드 장치, 원형 시임 용접기 및 평면 용접기를 포함하는 자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 자동 용접 헤드 안내 경로가 규정 및 변경될 수 있는 간단한 조작자 인터페이스와, 이 인터페이스를 사용하는 직관적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 4 목적은 현재의 반자동 용접 헤드 펜던트, 제어 스테이션, 또는 현재의 스티어링 모터를 이용하는 원격 제어 인터페이스를 통해 이행될 수 있거나, 또는 이러한 이전부터 있던 적합한 스티어링 모터 및 원격 인터페이스가 없는 용접 장치로 대안적으로 개장(改裝)될 수 있는 자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
이들 목적은, 본 발명의 바람직한 실시예의 원리에 따라서, 용접선의 중앙상에 토치를 유지하기 위해 용접선을 따라 좌표를 설정함으로써 조작자가 용접 경로를 사전 설정할 수 있는 시스템 및 방법을 제공함으로써 달성되며, 본 발명의 시스템 및 방법은 주요 단차(step) 또는 불연속성 없이 용접선을 따르도록 조작자에 의해 설정된 좌표 사이의 매끄러운 경로를 설정하는 내삽법 또는 곡선-피팅 함수를 포함한다.
특히, 본 발명의 시스템은 용접 헤드 조립체를 고정 경로를 따라 주행 방향으로 이동시키도록 배열된 제 1 용접 헤드 조립체 드라이브와, 하나 또는 그 이상의 스티어링 모터를 포함할 수 있고, 고정 경로에 대해 용접 헤드 또는 용접 토치를 스티어링하여 소망의 용접 경로로 사전 프로그래밍된 제어기로부터의 제어 신호에 응답하여 고정 경로에 대해 소망의 용접 경로를 따라 용접 헤드 또는 토치를 안내하기 위한 제 2 스티어링 드라이브를 포함한다. 용접 헤드 조립체 드라이브는 용접 헤드 조립체를 트랙을 따라 이동시키도록 배열된 종래의 구동 모터일 수 있거나, 용접 헤드 조립체를 고정 경로를 따라 이동시키기 위한 로봇 아암 장치, 피봇 아암 또는 임의의 다른 안내 메커니즘의 형태를 취할 수도 있다. 한편, 스티어링 드라이브는 용접 토치의 크로스-시임 진동운동을 야기하는데 전통적으로 사용된 크로스-시임 구동 모터와 같은 크로스-시임 구동 모터일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예의 방법의 원리에 따르면, 소망의 용접 경로의 프로그래밍은, 영점(zero) 좌표를 설정하고 실제 용접 경로를 따라 소망의 위치로 용접 헤드를 이동시키도록 스티어링 모터 또는 모터들을 수동으로 제어하면서 제 1 소정의 경로를 따라 용접 헤드를 이동시키며, 용접 헤드가 소망의 위치에 있는 경우에 위치 인코더의 값을 저장하는 것에 의해 소망의 위치의 좌표를 기록함으로써 수행되며, 상기 경로는 인접한 좌표 사이에서 내삽함으로써 완료된다.
궤도 파이프 둘레 용접의 경우와 같은 많은 경우에 있어서, 경로의 내삽은반자동 궤도 용접 장치에 전형적으로 제공되는 크로스-시임 구동 모터와 같은 단일 스티어링 모터에 의해 수행되는 단일 축 오프셋 함수를 위한 간단한 기울기 산출로 축소될 수 있다. 기울기 곡선은 각도에 근거한 용접 헤드에 대한 지점들 사이의 원호의 주행 각도의 항으로 또는 주행 속도 및 시간에 근거한 용접 헤드에 대한 고정 경로를 따른 주행 거리의 항으로 계산될 수 있다. 사전 설정된 지점 사이의 오프셋 증분의 총합은 크로스 시임 구동 시스템이 고정된 수일 수 있거나 또는 고정된 수로 설정될 정도로 작은 증분으로 계산될 수 있다.
주행 모터 및 크로스-시임 구동 시스템을 구비한 반자동 용접 장치의 특정 예시에 대하여, 영점 좌표의 설정은 주행 클러치를 수동으로 해제하고 용접 헤드를 소망의 주행 위치로 밀고/당기며, 동일 클러치를 재결합시킴으로써 용접 헤드를 소망의 시작 위치에 조작자가 최초로 위치시키는 것에 의해, 및/또는 용접 헤드가 소망의 시작 위치에 위치될 때까지 이용 가능하다면 주행/스티어링 조그 버튼을 누르는 것에 의해 수행될 수 있다. GTAW용 텅스텐 팁, 또는 GMAW, GMAW-P, FCAW 또는 FCAW-P용 필러 와이어는 가공물에 바로 근접하게 가져갈 수 있으며, 및/또는 가시적 정렬을 용이하게 하도록 가공물과 접촉될 수 있다. 대안적으로, 정렬 그리드 또는 크로스-헤어(cross-hair)로 인덱싱된 렌즈를 포함하는 카메라와 같은 일종의 측정 장치는 용접 헤드와 소망의 시작 위치를 정확하게 정렬하는 것을 더욱 더 보장하는데 사용된다. 카메라는 특히 가시적으로 제한되거나 생물학적으로 해로운 영역에서 원격 정렬용으로 특히 유용하며, 이러한 경우에 카메라는 고정된 용접부상에 또는 국부적으로 장착될 수 있다.
용접 헤드가 소망의 시작 위치에 위치된 경우에, 조작자는 시험 또는 용접 모드에 있는 동안에 프로그램의 실행중에 통상적으로 사용되는 원격 펜던트 또는 제어 스테이션상의 버튼을 눌러, 크로스-시임 진동운동 진폭과 같은 함수를 제어하며, 그에 의해 각 축(스티어링 및 주행)에 대한 인코더 카운터를 영점으로 맞추며, 그에 따라 고정 시작 위치를 설정한다. 다음에, 조작자는 조그 버튼을 사용하여 용접 헤드를 다음 위치로 이동시키며, 인코더 카운터를 영점으로 맞추는데 사용된 버튼을 눌러 다음 위치에 대한 인코더 값을 기록함으로써 좌표로서 다음 위치를 설정하며, 용접 헤드를 계속 이동시켜, 충분한 좌표가 소망의 경로를 따르도록 설정될 때까지 새로운 좌표를 설정한다. 경로가 상술된 것과 유사한 방법으로 시험된 후에 추가적인 좌표가 설정될 수 있거나, 또는 좌표가 삭제될 수 있다.
경로의 좌표가 설정되고, 시작 또는 재시작 순서가 초기화되며, 주행을 초기화하는 프로그램 라인을 만나는 경우에, 시스템은 용접 헤드가 뒤따르기 위해 매끄러운 루트 또는 코스를 제공하도록 인접한 좌표 사이에서 스티어링을 내삽한다. 스티어링은 임의의 2개의 인접한 좌표 사이에서 연속적으로 내삽된 스티어링 지점을 따라 미세 단계로 조정된다. 이러한 스티어링 과정은 경로가 존재하는 한 발생하여 다중 패스를 위해 그 사용을 허용한다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에 있어서, 시스템은 스티어링 오버라이드(steering override)가 원격 펜던트로부터 발생되게 하며, 스티어링 오버라이드는 전체 경로가 사전 규정된 증분으로 오버라이드의 방향으로 이동(오프셋)하도록 하며, 수정된 경로는 오버라이드의 실행시에 즉시 저장되어 시스템에 전력이 차단될 때 유지된다.
본 발명은 일반적으로 아크 용접 분야에 관한 것으로, 특히 일정한 조작자의 조정이 필요없이, 조작자에 의해 규정된 용접 경로를 따라 가공물에 대해 용접 헤드를 정렬 및 안내하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 원리에 따라 자동 정렬 및 안내 기능을 포함하도록 변형된 반자동 용접 시스템의 개략도,
도 2는 도시된 방법 단계의 각각과 연관된 표시의 예시적인 표현을 포함하는 것으로, 본 발명의 바람직한 실시예의 원리에 따라 자동 정렬 및 안내 방법용 프로그램 모드를 나타내는 흐름도,
도 3은 본 발명의 다른 바람직한 실시예의 원리에 따라 기본 경로 설정 방법에 추가될 수 있는 선택적인 경로 변경 기능을 나타내는 흐름도.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템은 트랙(3)에 의해 규정된 제 1 고정 경로를 따라 화살표(A)로 표시된 주행 방향으로 구동 모터(2)에 의해 이동되는 용접 헤드 조립체(1)를 포함한다. 트랙(3)은 용접 헤드 조립체(1)가 가공물(81) 둘레를 연장하는 시임(80)을 대체로 따르도록 한다. 용접 헤드가 모터에 의해 트랙을 따라 추진되는 타입의 궤도 파이프 둘레 용접 장치로 도시되어 있지만, 본 발명의 원리가 평면 용접 장치에도 적용될 수 있다는 것은 본 기술분야에 숙련된 자에게는 이해될 것이며, 용접 헤드는 로봇 아암, 피봇 아암 또는 다른 안내 메커니즘에 의해 제 1 고정 경로를 따라 안내되어 용접 헤드를 고정 경로를 따라 이동시킨다. 고정 경로는 원형, 선형 또는 임의의 다른 형상일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 용접 헤드 조립체(1)는 트랙(3)에 의해 규정되고 화살표(A)로 표시된 주행 경로의 접선에 수직인 방향[화살표(B)로 표시됨]으로 용접 헤드 조립체(1)내의 토치(5)를 이동하기 위한 스티어링 모터(4)를 포함한다. 스티어링 모터(4)는 다른 적합한 스티어링 모터를 포함하지 않는 용접 헤드 조립체상에 개장될 수 있거나, 또는 예로써 용접 경로의 중심선을 중심으로 진동운동하도록 파이프 둘레 용접 시스템에 전통적으로 구비된 타입의 현재의 모터 또는 크로스-시임 드라이브일 수도 있다. 또한, 토치 또는 용접 헤드는 크로스-슬라이드 메커니즘상에 장착되어 트랙에 대한 헤드의 안내에 조력할 수 있다. 스티어링 모터의 타입과 무관하게, 트랙이 용접 헤드 또는 토치의 정밀한 위치에 의존하지 않기 때문에, 토치는 용접 경로에 대체로 근접하여 스탠드오프 레그(standoff leg), 너트/볼트 및/또는 택(tack) 용접부를 사용하여 표면에 불완전하게 정렬되어 기계적으로 고정될 수 있다. 용접 경로에 대한 용접 헤드의 정밀한 위치는, 기준점을 위치시키고, 용접 경로를 다라 좌표를 프로그래밍한 후 곡선 피팅 또는 내삽법 공식을 사용하여 설정 좌표 사이의 경로를 매끄럽게 함으로써 구해진다.
일반적으로, 본 발명의 바람직한 실시예의 시스템 및 방법은 용접 헤드가 진동운동하거나 또는 그렇지 않은 스티어링 모터, 및 위치를 근거한 드라이브를 합체할 수 있는 모든 용접 정치에 적용될 수 있다. 본 발명의 원리가 적용될 수 있는 장치의 예로서는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW; Gas Tungsten Arc Welding), 가스 금속 아크 용접(GMAW; Gas Metal Arc Welding), 펄스식 가스 금속 아크 용접(GMAW-P), 플럭스 코어 아크 용접(FCAW; Flux Core Arc Welding) 및 펄스식 플럭스 코어 아크 용접(FCAW-P)이 있지만, 본 발명의 원리가 플라즈마 아크 용접, 서브머지드 아크 용접, 레이저 용접 등과 같은 다른 타입의 용접 방법에도 잠재적으로 적용될 수 있다는 것은 본 기술 분야에 숙련된 자에게는 자명할 것이다.
도 1의 예에 있어서, 모터 제어기(6)는 모터(2)에 제어 신호를 제공함으로써, 궤도 용접기의 경우에 전통적으로 각도로 측정되는, 트랙(3)에 대한 용접 헤드 조립체의 위치를 제어한다. 또한, 모터 제어기(6)는 스티어링 모터에 스티어링 신호를 제공하여, 트랙(3)에 의해 규정되는 기선에 대한 토치의 위치를 제어한다. 스티어링 모터(4)가 용접 동안에 진동운동을 제공하는데 사용되는 타입의 크로스-시임 구동 모터인 경우에, 스티어링 제어 신호는 용접 동안에 진동운동 신호에 첨가될 수 있다. 또한, 모터 제어기(6)는 가공물에 대해 화살표(C)로 표시된 방향으로 토치를 이동시키는 제 3 모터(7)에 제어 신호를 공급할 수 있다.
용접 헤드 조립체에는, 주행 방향으로의 용접 헤드 조립체(1)의 이동을 감지하고 용접 헤드 조립체에 대한 스티어링 방향으로의 토치(5)의 이동을 감지하기 위한 인코더(8, 9)가 각각 부착되며, 또한 주행 메커니즘 및 스티어링 모터를 조작자가 제어하게 하는 펜던트 또는 원격 인터페이스(12)상의 적절한 버튼(11)을 누를 때 인코더에 의해 검출된 현재 위치를 저장하기 위한 카운터, 레지스터 및/또는 메모리(10)가 부착된다. 인코더가 적절한 인터페이스 전자장치와 함께 싱크로(synchro), 리졸버(resolver), 포텐쇼미터(potentiometer) 또는 임의의 다른 타입의 변위 변환기로 대체될 수 있다는 것은 본 기술분야에 숙련된 자에게는 자명할 것이다.
본 발명의 시스템용 조작자 인터페이스는, 현재 인코더 위치를 기록하기 위한 버튼(11) 이외에, 주행 모터(2)가 용접 헤드를 트랙(3)을 따라 소정 방향(A)으로 이동하게 하는 조그 버튼(jog button)(13)과, 스티어링 모터가 토치(5)를 고정 경로에 대해 소정 방향(B)으로 이동하게 하는 조그 버튼(14)을 포함한다. 도시되지는 않았지만, 용접 헤드와 가공물 사이의 거리를 수동으로 변경하도록 버튼이 제공될 수도 있다. 또한, 조작자 인터페이스는 사전 저장된 인덱스 위치를 삭제하기 위한 버튼과, 인덱스 위치를 표시할 수 있는 표시장치(16)를 포함한다. 표시장치(16)는 인덱싱 또는 용접과 같은 현재의 기능 또는 모드와, 용접 헤드의 위치와, 화살표를 갖는 현재의 주행 방향과, 용접부가 그들 사이에 위치된 인덱스를 나타내는 것이 바람직하다.
조작자 인터페이스는 종래의 반자동 용접 장치에 사용된 펜던트 또는 제어 스테이션으로 공지된 조작자 인터페이스와 동일할 수도 있다. 용접 동안에, 펜던트상의 버튼은 보통 기능을 갖지만, 본 발명의 시스템이 용접 경로의 좌표를 설정하는 프로그래밍 모드에 있는 경우에, 용접 작업에 사용되는 버튼은 상술된 기능을 수행하도록 재할당한다. 예를 들면, 용접 동안에는 사용되지만 프로그래밍 모드 동안에는 사용되지 않는 종래의 반자동 용접 헤드 펜던트의 진동운동 증감 버튼은 기록 및 삭제 버튼(11, 15)으로 이용할 수 있다. 대안적으로, 별도 프로그래밍 인터페이스는 용접 경로의 프로그래밍을 용이하게 하는데 사용될 수 있다.
도시된 시스템이 단일 스티어링 모터(4)를 포함하고 있지만, 본 발명이 2개의 자유도로 제한된 용접 경로를 구비한 장치에만 국한되지 않으며, 대신에 2개 또는 그 이상의 모터를 필요로 하는 3차원 용접 경로로 확장될 수 있으며, 이러한 경우에 있어서 용접 조립체 및 토치의 이동의 각각의 자유도에 대해 인코더 또는 변위 변환기가 제공된다는 것은 본 기술분야에 숙련된 자에게는 자명할 것이다. 또한, 스티어링 모터가 용접 헤드에 대해 토치만이 아니라 전체 용접 헤드 조립체를 이동시키도록 배열될 수도 있으며, 용접 헤드 또는 토치가 슬라이딩 아암 또는 로드, 풀리, 또는 임의의 다른 적합한 안내 메커니즘에 의해 안내될 수도 있다는 것은 자명할 것이다.
본 발명의 방법은, 경로의 좌표가 설정된 프로그래밍 모드(도 2에 도시됨)와, 프래그래밍 모드 동안에 설정된 경로가 필요한 경우 시험 및 변경되는 시험 모드(도 3에 도시됨)와, 프로그래밍 모드 동안에 설정된 경로가 실제 용접 동안에 용접 헤드를 안내하는데 사용되는 용접 모드(도시되지 않음)를 특징으로 한다. 도 2에 도시된 바와 같이 프로그래밍 모드의 주요 프로그래밍 순서에 있어서, 용접 헤드 또는 토치는 수동으로 또는 펜던트상의 조그 버튼(13, 14)을 사용하여 소망의 시작 위치에 초기에 위치된다(단계 100). 다음에, 인코더 카운터는 예를 들어 인덱싱되지 않은 위치가 사전에 설정된 경우에 기록 버튼(11)을 누름으로써 "0(zero)"으로 설정된다(단계 110). 그후에, 용접 헤드 또는 토치가 조그 버튼(13, 14)을 사용하여 인덱싱될 다음 위치로 이동되며(단계 120), 인코더(8, 9)에 의해 표시된 바와 같은 용접 헤드 또는 토치의 현재 위치가 저장되며(단계 130), 시험 경로의 좌표가 설정될 때까지 이 공정이 반복된다(단계 140, 단계150). 그런 후에, 시험 경로 프로그램이 시작되어 선택된 좌표에 의해 규정된 경로를 따라 용접 헤드 또는 토치를 자동으로 이동시키며, 제어기가 좌표 사이의 매끄러운 경로를 내삽하며, 그후에 프로그램밍된 경로가 소망의 경로에 대응할 때까지 경로는 필요에 따라 좌표를 추가 또는 제거함으로써 변경될 수 있다.
표시장치(1)는, 도 2에 또한 도시된 바와 같이, 인접 좌표와 용접 헤드의 현재 위치를 표시함으로써 용접 경로의 설정 또는 프로그래밍을 용이하게 한다. 위치가 인덱싱될 때마다, 고정 시작 위치에 대한 인코더 카운트는 모든 축 및 표시장치(16)상에 표시된 결과에 대하여 기록된다. 인덱스 사이의 용접 헤드의 이동 동안에, 용접부가 그 사이에 위치되는 인덱스, 화살표 표시 주행 방향 및 용접 헤드의 위치가 표시된다. 예를 들면, 대응하는 방법 단계들과 관련하여, 도 2에 도시된 표시장치는 단계 110에서 설정된 초기 0° 위치로부터 50°까지 용접 헤드를 이동시키고, 인덱스로서 50° 위치를 설정하고, 계속해서 83° 위치까지 이동하고 83°에서 다음 인덱스를 설정하는 것을 나타낸다. 인덱스를 삭제하기 위해, 헤드를 삭제될 인덱스로 이동시키거나, 또는 표시장치 제어를 사용하여 이전 인덱스를 불러 삭제 버튼(15)을 누르는 것만이 단지 필요하다. 궤도 용접 장치의 경우에 있어서, 표시장치는 360°에 도달한 경우에 0으로 재설정하지만, 특정 상황에서 주행이 360°를 초과하는 각도로, 또는 선형 치수로 표현될 수도 있다.
물론, 선택된 조작자 수행 단계가 "2중 안전 장치(failsafe)" 기능에 의해 보호될 수 있다는 것은 본 기술분야에 숙련된 자에게는 자명하다. 예를 들면, 조작자가 삭제 버튼(15)을 누른 후에 간단하게 좌표를 삭제하는 대신에, 삭제버튼(15)을 최초로 누른 후에, 조작자가 삭제 버튼을 두번째 누름으로써 또는 다른 확인 버튼을 누름으로써 삭제를 확인하도록 프롬프트 표시할 수도 있다. 또한, "모두 삭제(delete all)" 기능이 선택적으로 포함될 수도 있으며, 이 기능은, 조작자가 특정 주기의 시간 동안 삭제 버튼을 누르는 경우에 조작자가 다시 삭제 버튼 또는 다른 확인 버튼을 누름으로써 모든 좌표의 삭제를 확인하도록 프롬프트 표시할 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일단 시험 경로가 사전 프로그래밍되면, 그 경로는, 자동 스티어링 순서를 초기화하고(단계 170) 수동 조그 버튼(14)을 사용하여 경로를 변경함으로써(단계 180) 시험 및/또는 용접 모드 동안에 변경될 수 있으며, 그에 따라 시스템에 전압이 차단된 후에도 새로운 경로가 유지를 위해 저장된다. 다음에, 변경된 시험 경로는 용접 순서가 초기화된 경우의 용접 경로가 된다.
인덱싱된 좌표 사이의 내삽이 수행되는 방법은 본 발명의 원리가 적용되는 용접 경로의 타입에 따라 달라진다. 본 발명의 원리가 적용될 수 있는 용접 경로는 결합될 베벨의 에지 또는 덧살올려질(용접될) 표면상의 각도부, 만곡부, 오목부 및/또는 돌출부를 갖는 용접 경로를 포함하여, 단일의 가정 평면에 형성될 수 있거나 또는 그렇지 않을 수 있는 원주방향 파이프 용접부와; 원주방향 미트라형(mitered), 즉 타원형 파이프 용접부와; 안장형 또는 물고기 입형 용접부와 같은 원주방향 다중 축 용접부와; 다각형이 둥근 각도 또는 원호로 형성될 수 있거나 또는 그렇지 않을 수 있는 다각형 형상을 갖는 용접부를 포함하는 것으로, 진원으로 형성될 수 있거나 또는 그렇지 않을 수 있는 원주방향 플레이트 용접부와; 비선형이고, 각도부 및 만곡부중 어느 하나 또는 모두를 포함하는 기다란 플레이트 용접부와; 결합될 재료의 2개의 파이프/플레이트 또는 다른 피스와 반드시 결합될 필요는 없는 오버레이(overlay)(덧살) 용접을 포함한다.
파이프 둘레 용접의 경우에 있어서, 경로는, 각도에 근거한 용접 헤드에 대한 지점들 사이의 원호의 각도의 면에서 또는 주행 속도 및 시간에 근거한 용접 헤드에 대한 주행 거리의 면에서 계산된, 단일 축 오프셋 함수를 위한 간단한 기울기 산출로 대부분의 경우에 축소될 수 있다. 그러한 경우에 있어서, 간단한 기울기 산출식은 하기의 수학식 1의 형태를 취한다.
한편, 간단한 파이프 둘레의 예시에 있어서도 토치에 대한 매끄러운 경로를 산출하는데 많은 다른 방법이 사용될 수도 있다는 것은 본 기술분야에 숙련된 자에게는 자명할 것이며, 이러한 다른 방법은, 그에 한정되지는 않지만, 각각의 설정 지점을 통과하는 매끄러운 경로를 생성하도록 3개의 지점을 고려할 수 있는 3차원 스플라인 내삽법(cubic spline interpolation)과, 반경방향 평면 및 축방향 면에서 상당한 변이를 갖는 둘레 용접에 대한 2차원 기울기 산출과, 단부 시일 용접부에 대한 원형 내삽법(circular interpolation)을 포함한다.
바람직하게, 모터 제어기(6)는 인접 인덱스 사이에서 스티어링을 내삽한다. 즉, 인덱스는 즉시 선행하여 현재 주행 위치를 따른다. 예를 들면, 이동이 각도로 측정되는 용접 장치의 경우에 있어서, 인덱스가 0°, 18° 및 37°로 설정되면, 내삽의 단부 지점으로서 0° 및 18°로 기록된 인덱싱 데이터를 사용하여 0°와 18° 사이에서의 주행 위치에 대해 스티어링이 내삽된다. 내삽의 단부 지점으로서 18° 및 37°로 기록된 인덱싱 데이터를 사용하여 18°와 37° 사이에서의 주행 위치에 대한 스티어링이 내삽된다.
일단 경로가 설정되면, 용접 헤드는 주행할 때 경로를 따르게 된다. 하나의 직선내에서 주행하거나 하나의 평면내에서 선회하기 보다 오히려, 제어 소프트웨어는 용접 헤드가 주행 동안에 경로에 부합하도록 자동적으로 스티어링되게 한다. 바람직하게, 시험 및 용접 모드 모두에 있어서, 스티어링은 다음 인덱싱 위치에 도달할 때 발생하는 큰 증분 대신에 임의의 2개의 인덱싱 위치(추가적인 인덱스가 보다 복잡한 내삽을 위해 요구될 수 있음) 사이에서 연속적으로 내삽된 스티어링 지점을 따라 미세 단계로 조정된다. 시험 모드 또는 용접 모드중 어느 하나에서 프로그램을 실행하는 동안에, 동일 경로가 모든 패스에 대해 사용될 수 있다. 대안적으로, 경로는 오프셋되거나, 변경될 수도 있으며, 새로운 경로가 설정될 수도 있다.
본 기술분야에 숙련된 자가 본 발명을 실시 및 사용할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 충분히 상세하게 설명하였지만, 그럼에도 불구하고 나타낸 실시예의 많은 변형 및 변경이 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것은 자명할 것이며, 본 발명은 상기 설명 또는 첨부 도면에 의해 제한되지 않으며, 첨부된 청구의 범위에 의해서만 규정될 수 있다.

Claims (22)

  1. 자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템에 있어서,
    용접될 시임에 대체로 평행한 고정 경로를 따라 용접 헤드 조립체를 이동시키도록 배열된 주행 메커니즘과,
    소망의 용접 경로를 따르도록 용접 헤드 또는 용접 헤드의 토치를 상기 고정 경로에 대해 이동시키기 위한 스티어링 메커니즘과,
    상기 주행 및 스티어링 메커니즘의 현재 위치를 설정하기 위한 위치 결정 장치와,
    상기 주행 및 스티어링 메커니즘의 인덱스 위치를 기록하기 위한 기록 장치와,
    상기 용접 헤드 또는 토치가 조작자에 의해 사전에 이동되는 상기 인덱스 위치를 기록함으로써 부분적으로 설정된 소망의 용접 경로를 따라 상기 용접 헤드 또는 토치를 이동시키도록 배열된 제어기를 포함하는
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 자동 스티어링 프로그램의 초기화에 이어서 인접한 상기 인덱스 위치 사이의 경로를 내삽함으로써 상기 인덱스 위치 사이에서 상기 용접 헤드 또는 토치를 이동시키도록 배열되는
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 자동 스티어링 프로그램의 초기화에 이어서 다수의 상기 인덱스 위치 사이의 경로를 내삽함으로써 상기 인덱스 위치 사이에서 상기 용접 헤드 또는 토치를 이동시키도록 배열되는
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 주행 메커니즘은 트랙과, 상기 용접 헤드 조립체를 상기 트랙을 따라 이동시키기 위한 주행 모터를 포함하며, 상기 스티어링 메커니즘은 상기 용접 헤드 조립체에 대해 상기 토치를 이동시키도록 배열된 크로스-시임 구동 모터를 포함하는
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 용접 헤드 조립체가 반자동 궤도 파이프 둘레 용접 시스템의 구성요소인
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 크로스-시임 구동 모터가 진동운동 구동 모터인
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스티어링 메커니즘이 적어도 하나의 스티어링 모터를 포함하는
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스티어링 메커니즘이 크로스-시임 구동 모터인
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    인덱싱될 위치 사이에서 상기 용접 헤드 또는 토치를 조작자가 이동할 수 있게 하기 위한 조그 버튼과, 상기 용접 헤드 또는 토치의 현재 위치가 인덱스 위치로서 기록되게 하기 위한 기록 버튼을 구비하는 조작자 인터페이스를 더 포함하는
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 조작자 인터페이스는 반자동 용접 장치용 제어 인터페이스이며, 상기조그 버튼 및 기록 버튼은 소망의 용접 경로의 설정 동안에 갖는 기능과 용접 동안에 갖는 기능이 상이한
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 용접 헤드 또는 토치가 소정의 경로를 따라 자동적으로 이동될 때 소정 경로를 수동으로 변경되게 하도록 배열되며, 그후에 변경된 소정의 경로가 새로운 소정의 경로로서 저장되는
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 시스템.
  12. 용접 헤드 또는 토치가 용접 동안에 그에 관해서 자동적으로 안내되는 소정의 용접 경로를 설정하는 방법으로, 상기 용접 헤드 또는 토치는 적어도 하나의 스티어링 모터를 포함하는 스티어링 메커니즘 및 주행 메커니즘에 의해 위치되며, 상기 주행 메커니즘 및 스티어링 메커니즘은 그의 현재 위치를 표시하기 위한 각각의 위치 결정 장치를 포함하는, 용접 경로 설정 방법에 있어서,
    ⓐ 용접 헤드 조립체를 초기 위치로 이동시키는 단계와,
    ⓑ 상기 초기 위치에서 상기 위치 결정 장치를 영점으로 맞추는 단계와,
    ⓒ 상기 용접 헤드 조립체를 제 2 위치로 이동시키는 단계와,
    ⓓ 상기 제 2 위치에서 상기 위치 결정 장치의 값을 기록하는 단계와,
    ⓔ 소망의 용접 경로의 좌표가 설정될 때까지 다음의 제 3 위치에 대해 상기단계 ⓒ 및 단계 ⓓ를 반복하는 단계와,
    ⓕ 상기 용접 헤드 또는 토치가 상기 좌표 사이에서 이동되는 자동 스티어링 프로그램을 초기화하여 상기 소망의 용접 경로를 따르는 단계를 포함하는
    용접 경로 설정 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 단계 ⓕ는 자동 스티어링 프로그램의 초기화에 이어서 상기 소망의 용접 경로의 설정을 완료하도록 인접한 상기 좌표 사이에서 경로를 내삽하는 단계를 포함하는
    용접 경로 설정 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 단계 ⓕ는 자동 스티어링 프로그램의 초기화에 이어서 상기 소망의 용접 경로의 설정을 완료하도록 다수의 상기 좌표 사이에서 경로를 내삽하는 단계를 포함하는
    용접 경로 설정 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    자동 스티어링 프로그램의 초기화에 이어서 상기 용접 헤드 또는 토치가 상기 소망의 용접 경로로부터 벗어나게 하도록 상기 스티어링 모터를 제어함으로써상기 경로를 수동으로 변경하는 단계와, 변경된 경로를 기록하여 새로운 용접 경로를 설정하는 단계를 더 포함하는
    용접 경로 설정 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 단계 ⓑ 내지 ⓔ는 반자동 용접 장치의 조작자 인터페이스상의 조그 및 기록 버튼을 각각 누름으로써 수행되는
    용접 경로 설정 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 조작자 인터페이스상의 버튼을 누름으로서 사전 선택된 좌표를 삭제하는 단계를 더 포함하는
    용접 경로 설정 방법.
  18. 용접 동안에 시임에 대해 용접 토치의 위치를 제어하는 방법에 있어서,
    ⓐ 상기 토치를 포함하는 용접 헤드 조립체를 소정의 고정 주행 경로를 따라 이동시키는 단계와,
    ⓑ 다수의 사전 설정된 좌표에 의해 부분적으로 규정된 용접 경로를 따라 용접 헤드 조립체에 대해 토치를 이동하도록 스티어링 모터를 제어하는 단계와,
    ⓒ 인접한 상기 사전 설정된 좌표 사이에서 경로를 내삽함으로써 상기 용접경로를 완료하는 단계를 포함하는
    용접 토치의 위치 제어 방법.
  19. 용접 토치의 위치를 제어하기 위한 자동 용접 헤드 정렬 및 안내 소프트웨어에 있어서,
    소망의 용접 경로의 좌표를 저장하기 위한 수단과, 상기 소망의 용접 경로를 완료하도록 상기 저장 좌표 사이에서 내삽하기 위한 수단을 포함하는
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 소프트웨어.
  20. 제 19 항에 있어서,
    소망의 용접 경로의 좌표를 저장하기 위한 상기 수단은,
    ⓐ 초기 위치로의 용접 헤드 또는 토치의 이동시에 위치 결정 장치를 영점으로 맞추며,
    ⓑ 상기 용접 헤드 또는 토치가 제 2 위치로 이동된 후에 상기 위치 결정 장치의 값을 기록하며,
    ⓒ 소망의 용접 경로의 좌표가 설정될 때까지 다음의 제 3 위치에 대해 단계 ⓑ를 반복하기 위한 수단을 포함하는
    자동 용접 헤드 정렬 및 안내 소프트웨어.
  21. 제 20 항에 있어서,
    자동 스티어링 프로그램의 초기화에 이어서 상기 용접 헤드 또는 토치가 상기 소망의 용접 경로로부터 벗어나게 하도록 상기 스티어링 모터를 제어함으로써 상기 경로를 수동으로 변경하고, 변경된 경로를 기록하여 새로운 용접 경로를 설정하기 위한 수단을 더 포함하는
    제어 소프트웨어.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 소프트웨어는 반자동 용접 장치의 크로스-시임 구동 모터의 제어기를 프로그래밍하도록 반자동 용접 장치의 조작자 인터페이스를 사용함으로써 실행되는
    제어 소프트웨어.
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