KR20040024060A - 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접방법 및 장치에 관한 것이며, 그 목적은 시각 센서를 이용하여 파이프의 일회전을 정확하게 검출하여 파이프 원주의 연속 용접이 가능하도록 하는 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 장치를 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 파이프 원주 용접시 파이프의 일회전 검출을 위한 장치에 있어서, 파이프의 일측 끝단 내부에 부착되고, 온-오프 수동레버를 구비한 전자석과, 상기 전자석을 인식할 수 있도록 파이프에 근접하여 구비된 근접센서를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 방법 및 장치에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 방법 및 장치{Automatic welding system for circumferential pipe which can weld continuously without an operator}

본 발명은 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시각 센서를 이용하여 파이프의 일회전을 정확하게 검출하여 파이프 원주의 연속 용접이 가능하도록 하는 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 방법 및 장치에 관한 것이다.

금속접합에 가장 많이 사용되는 공정중의 하나인 아크용접은 고도의 숙련된 기술을 지닌 작업자를 필요로 하는 노동 집약적인 공정이다. 또한 작업에 수반되는 고열과 아크 빛(arc light), 스패터(spatter), 매연(fume) 및 소음 등으로 인해 작업 환경이 열악하고 고된 작업이기 때문에 자동화가 절실하게 요구되는 분야중 하나이다. 용접공정에는 용접 구조물의 치수 오차와 용접시의 국부적인 입열로 인한 용접물의 열 변형이 존재하고 아크의 입열 량과 용접부의 형상 및 용접부에 대한 토치각도 등의 용접변수에 따라 용접품질이 결정된다. 따라서 고도의 기능을 구비한 용접자동화 시스템 개발을 위해서는 용접부를 자동적으로 추적하고 용접변수를 자동으로 조절할 수 있는 센서의 개발이 필수적이다.

자동용접에 적용되는 센서는 크게 접촉식 센서와 비 접촉시 센서로 나눌 수 있다. 상기 접촉식 센서는 간단하고 신뢰도가 높으나 용접부의 형상에 대한 정보를얻기 힘들고, 측정하고자 하는 대상물과의 접촉에 의해 측정이 이루어지므로 유지 및 보수가 어려운 단점이 있다. 또한 접촉에 의해 용접선을 추적하는 원리이기 때문에 고속 용접에 적용하기에는 한계를 가진 시스템이 구성될 수 있다. 아크 용접에 적용되어지는 비 접촉식 센서는 대표적으로 아크센서 및 시각센서가 있다. 상기 아크센서의 경우 용접시 토치팁에서 용접부까지 거리 변화와 아크의 전압/전류 값의 상호관계를 이용하는 센서로, 구조가 간단하고 경제적으로 유리한 장점을 가지고 있으나, 측정방법상 토치의 위빙이 반드시 필요하고 분해능이 떨어지며, 미리 잘 정의된 용접부의 형상을 필요로 함으로 용접부의 형상정보를 얻어낼 수 없다는 단점을 가지고 있다.

상기 시각센서는 레이저 광이나 초음파를 측정부에 조사한 뒤 반사되어서 센서로 돌아오기까지의 시간을 측정해서 위치정보를 얻어내는 방식과 레이저를 보조 광으로 사용하고 광삼각법의 원리를 이용하는 방식으로 나눌 수 있다. 전자의 경우 광삼각법의 원리를 이용하는 시각센서에서 필연적으로 발생하는 그림자 효과에 의한 정보유실은 없고 측정물의 위치에 따른 분해능의 차이가 없으나, 초당 얻을 수 있는 위치 정보의 양이 적은 단점이 있다. 광삼각법의 원리를 이용하는 방식의 시각센서는 앞에서 열거한 다른 센서에 비해 주변 노이즈의 영향을 많이 받고 측정 신호에서 정보를 추출해 내는 과정이 상대적으로 복잡하지만, 측정이 용접공정과는 무관하게 이루어지고 용접선의 위치 정보뿐만 아니라 용접부의 형상 정보도 얻어낼 수 있기 때문에, 용접선 추적, 용접공정 모니터링 및 용접변수 제어에 적용 가능한 장점이 있다. 따라서 자동 용접을 위한 비 접촉식 센서로 다방면으로 연구되어지고있는 분야 중에 하나이다. 시각센서를 이용한 자동화 분야는 로봇 자동 용접 시스템, 전용 자동용접 시스템 및 검사 장비에 이르기 까지 매우 다양하며 그 적용 범위가 점차 늘어나고 있는 추세이지만, 일반 전용 장비의 경우 시스템 마다 그 적용 특성이 다르기 때문에 시각센서 시스템을 장비 기능 위주로 변경하는 작업들이 필수적으로 수반되어야 한다.

종래에는 파이프 일회전 인식을 정확하게 할 수 없었고, 후판 용접 그루브의 용접 위치를 정확하게 인식할 수 있는 알고리즘이 없었으며, 용접조건을 제어할 수 있는 시스템이 없어 연속 용접이 가능한 다전극 용접의 경우 아직까지 세계적으로 시각센서를 이용하여 약 170 mm 두께를 가진 후판 파이프 원주 용접을 위한 다전극 연속 용접 장치를 개발한 실적이 전무한 상태로 파이프 원주 용접시 공정시간이 다량 소비 되었고, 숙련된 전문가를 필요로 하여 투입되는 작업공수가 증가 하였으며, 이로 인해 비용이 다량 소비되었으며, 품질도 저하되는 등 많은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출되는 것으로,

그 목적은 시각 센서를 이용하여 파이프의 일회전을 정확하게 검출하여 파이프 원주의 연속 용접이 가능하도록 하는 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 파이프 원주 용접시 파이프의 일회전 검출을 위한 장치에 있어서,파이프의 일측 끝단 내부에 부착되고, 온-오프 수동레버를 구비한 전자석과, 상기 전자석을 인식할 수 있도록 파이프에 근접하여 구비된 근접센서를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 방법 및 장치를 제공함으로서 발명이 추구하는 목적을 달성 할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예의 개념도,

도 2 는 후판용접 그루브 및 용접부 형상도,

도 3 은 본 발명의 일회전 검출을 위한 시스템 개념도,

도 4 는 본 발명의 일회전 검출 순서도,

도 5 는 본 발명의 시스템 상세도,

도 6 은 본 발명의 용접 대상물 및 시각센서 위치인식 개념도,

도 7 은 본 발명 시각센서의 반자동 및 자동모드 개념도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 파이프 (2) : 용접토치

(3) : 시각센서 (4) : 용접 그루브

(5) : 근접센서 (6) : 전자석

(7) : 터닝 롤 (8) : 용접와이어 형상

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 실시예의 개념도를 도시한 것으로, 파이프(1)의 하부에 위치하여 파이프(1)를 원주 방향으로 회전 시키는 터닝 롤(7)과, 상기 파이프의 일측단에 위치하여 파이프(1)의 회전수를 검출하는 근접센서(5) 및 파이프 일측단 내부에 부착되는 전자석(6)과, 상기 파이프(1)와 파이프(1)사이에 형성된 'U' 혹은 'V'자 모형의 그루브(4)의 상부에 형성된 용접토치(2)와, 상기 용접토치(2)에 부착되어 용접선을 추적하는 시각센서(3)로 구성된다. 용접을 위한 파이프는 3개로 구성되어 있으며, 원주방향 용접부는 두 개가 발생하게 된다. 따라서 용접선 추적을 위한 시각센서 및 3전극SAW 용접토치(2)를 각각 두 개씩 장착한다.

상기 시각센서(3)에 내장된 기능은 자동(auto), 반자동(semi-auto) 및 수동(manual) 모드로 나눌 수 있으며, 용접조건을 제어하기 위한 토치 컨트롤 온/오프 기능을 부가적으로 가지고 있다. 자동 모드의 경우 초층 용접부터 모든 필 패스(fill pass)까지의 레이어/패스(layer/pass)를 측정된 그루브 폭을 기준으로 자동적으로 용접하는 경우를 말하며, 반자동 모드의 경우 추적하고자 하는 용접부의 위치를 사용자가 설정하면, 선정된 용접부를 기준으로 시각센서가 용접부를 추적하는 기능을 가지고 있다. 본 기능은 시각센서 내부에 설정된 기능키를 이용해 설정이 가능하다.

도 2 는 후판용접 그루브 및 용접부 형상도를 도시한 것으로, 'U'자형 혹은 'V'자 형의 용접 그루브(4)에 용접이 실시되어 용접와이어가 녹아 용접 그루브를 채운 형상(8)을 나타내며, 그루브의 폭이 작을 경우 하나의 패스만으로 용접이 이루어지고, 그루브 폭이 클 경우 두 개 혹은 세 개의 패스로서 용접부를 채울 수 있다.

도 3 은 본 발명의 일회전 검출을 위한 시스템 개념도를 도시한 것이고,

도 4 는 본 발명의 일회전 검출 순서도를 도시한 것으로, 파이프(1)가 회전하기 직전에 파이프 일측 끝단 내부에 근접센서(5)의 위치와 동일한 위치에 온-오프 스위치를 구비한 전자석(6)을 온(On)하여 부착하는 단계와, 파이프를 회전시키는 단계와, 상기 근접센서(5)와, 전자석(6)이 일주한 후 다시 접촉하여 용접을 끝마치는 단계로 구성된다.

도 5 는 본 발명의 시스템 상세도를 도시한 것으로, 2개의 교류전원과, 하나의 직류전원으로 구동되고, 상기 전원에 각각 연결된 와이어 공급유닛과, 상기 와이어 유닛에 각각 연결된 용접토치와, 상기 토치에 연결된 레이저센서와, 상기 레이저 센서에서 측정한 용접정보를 수집하여 토치로 전달되는 전압과 와이어 공급유닛으로 전달되는 전류를 조절하는 센서 컨트롤러와, 상기 센서 컨트롤러에 연결되어 용접헤드의 위치를 제어하는 장치로 구성된다.

도 6 은 본 발명의 용접 대상물 및 시각센서 위치인식 개념도를 도시한 것으로, 시각센서에서 측정된 그루브(4)의 3차원 좌표를 특정점 6개로 구분하여 사용자가 원하는 시점에서 원하는 그루브 특정점으로 이동할 수 있는 기능을 갖는다.

도 7 은 본 발명의 시각센서의 반자동(A) 및 자동모드(B) 개념도를 도시한 것으로, 반자동모드(A)는 사용자가 선정한 버튼의 기능에 의해 단독 기능 즉, BOT C(Bottom Center)의 위치만 추적하고, 자동모드(B)는 사용자가 선정한 버튼의 기능에 관계없이 시각센서에서 용접될 부분의 폭을 인식하여 BOT L(Bottom Left)⇒BOT C(Bottom Center)⇒BOT R(Bottom Right) 위치로 용접을 자동적으로 구현한다.

상기와 같은 구성을 참조하여 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

시각센서에서 3차원 좌표로 측정된 그루브 특정점을 6개로 구분하여 사용자가 원하는 시점에서 원하는 그루브 특정점으로 이동할 수 있는 기능을 가진다. 이때 시각센서와 용접토치는 일체형으로 되어 있기 때문에 시각센서에서 측정된 3차원 정보를 기반으로 사용자가 선정한 위치까지의 거리는 다시 시각센서에서 PLC의 모션제어기에 입력된다. 입력된 변경거리는 시스템의 안정성을 위해 한꺼번에 전체 이동거리를 움직이는 것이 아니라 매우 작은 양을 점진적으로 시각센서에서 PLC 모션제어기에 연속적으로 입력함으로써 시스템이 안정성을 꾀하였다. 따라서 반자동 모드의 경우 파이프 일회전 검출과 관계없이 사용자가 원하는 위치에 대한 버튼만누르면 자동용접이 가능하며 사용하는 시각센서가 용접선 높이 및 폭 방향 자동추적을 행하기 때문에 용접선 추적을 위해 별도로 토치를 조절할 필요가 없다.

자동모드의 경우 반자동 모드의 모든 기능과 동일하고, 차이점은 사용자가 별도의 버튼을 누르지 않더라도 정해진 용접절차에 따라 모든 용접을 자동적으로 구현할 수 있으며, 그루브를 채우는 용접 회수가 내부변수로 설정되어 있고, 시각센서는 그루브 폭 및 높이에 대한 3차원 정보를 실시간으로 측정이 가능하기 때문에 연속 용접시 용접 그루브 폭을 감지하여 자동적으로 용접부에 채워넣어야 할 패스수를 결정하고, 이를 기반으로 작업자의 별도 동작이나 지시 없이 용접을 행할 수 있으며, 연속 용접 수행시 용접 와이어에 의해 채워진 용접 그루브의 용접되지 않은 부위의 3차원 정보를 계속적으로 계산하여 더 이상 용접이 불가능한 경우까지 연속 용접을 행한 뒤 용접은 중단되며, 작업자는 용접 중단신호를 통보 받은 후 마무리 작업을 행한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은, 시각 센서를 이용 파이프의 일회전을 정확하게 검출하여 파이프 원주의 연속 용접이 가능하도록 하여 파이프 원주 용접시 공정시간이 단축되었고, 누구나 손쉽게 작동할 수 있고 고도의 숙련된 전문가가 필요 없어 작업공수의 감소로 공정에 소비되는 비용이 감소하였고, 균일한 용접비드를 얻을 수 있어 그라인딩과 같은 2차 가공작업이 줄었으며, 품질이 향상되는 등 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (2)

1. 파이프 원주 용접시 파이프의 일회전 검출을 위한 장치에 있어서,

   파이프의 일측 끝단 내부에 부착되고, 온-오프 수동레버를 구비한 전자석과,

   상기 전자석을 인식할 수 있도록 파이프에 근접하여 구비된 근접센서를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접 장치.
2. 전자석에 구비된 전원을 동작시켜 파이프 일측 끝단 내부에 부착하는 단계와,

   상기 전자석의 위치를 파악할 수 있도록 전자석에 근접하여 설치된 근접센서를 세팅하는 단계와,

   터닝 롤을 동작시켜 파이프를 회전시키는 단계와,

   파이프를 회전시킴과 동시에 그루브 상에 위치한 용접토치로 용접을 실시하는 단계와,

   파이프가 일회전 하여 근접센서에 의해 전자석의 위치를 인식하는 단계와,

   상기 파이프의 일회전이 끝남과 동시에 시각센서를 이용해 다음 용접우치로 자동으로 토치를 이동시키는 단계와,

   각 용접 위치별로 수행해야 할 용접패스를 자동적으로 인식하는 단계 구성된 것을 특징으로 하는 자동 연속용접이 가능한 파이프 원주 용접방법.