KR20040056762A

KR20040056762A - 4축기구부 로봇 용접장치 및 이를 이용한 한쪽 또는 양쪽끝단부가 막혀있는 모재 용접방법

Info

Publication number: KR20040056762A
Application number: KR1020020083319A
Authority: KR
Inventors: 한종만; 이원구; 차주용
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2004-07-01
Also published as: KR100494026B1

Abstract

본 발명은 일반 용접캐리지로 접근 할 수 없는 부분에 대해서 자동용접도 가능하도록 개선된 4축기구부 로봇 용접장치 및 이를 이용한 용접방법을 제공한다.

본 발명은 용접선(A) 방향(X축)으로 배치되는 주행레일(22)을 따라 수평 이송되는 X축기구부(20), 상기 X축기구부(20)에 장착되어 주행레일(22)과 수직한 평면 방향(Y축)으로 이송되는 Y축기구부(40), 상기 Y축기구부(40)에 장착되어 X축과 Y축의 평면에 수직한 방향(Z축)으로 이송되는 Z축기구부(50), 상기 Z축기구부(50)에 장착되어 제자리에서 회전 운동하는 T축기구부(60), 상기 T축기구부(60)에 토치(30)를 고정되게 설치하여 상기한 4축기구부에 의해 토치(30)의 용접속도, 위빙 패턴, 높이(아크 길이) 및 아크 길이, 용접장의 양쪽 끝단에서 회전 운동시키도록 구성됨을 그 특징으로 하고, 상기 장치를 이용하여 한쪽 또는 양쪽 끝단부가 막혀있는 모재 용접작업시 토치를 회전시키는 T축기구부의 회전속도는 직선구간의 X축기구부 용접속도와 동일하게 유지하고, 토치 회전시 아크길이를 일정하게 유지하기 위해 Z축기구부를 사용하며, 직선구간의 용접비드와 동일하도록 시작코너에서 위빙폭이 줄어드는 위빙패턴을 사용하는 것을 용접방법.

Description

4축기구부 로봇 용접장치 및 이를 이용한 한쪽 또는 양쪽 끝단부가 막혀있는 모재 용접방법{Auto Welding M/C}

본 발명은 자동용접기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토치의 위빙 폭, 용접속도, 높이 등과 같은 용접조건의 변화에 따른 순시 대응으로 일반 용접캐리지로 접근 할 수 없는 부분에 대해서 다층 자동용접도 가능하여 작업성, 생산성 향상에 크게 기여할 수 있도록 개선된 4축기구부 로봇 용접장치 및 이를 이용한 한쪽 또는 양쪽 끝단부가 막혀있는 모재 용접방법을 제공함에 있는 것이다.

조선소에서 선박 건조시 조립되는 블록들은 블록의 형상에 따라서 여러가지 제작공법 및 그 작업방법이 서로 상이하다.

일예로 공장내에서는 다양한 기능을 갖는 용접로봇 또는 자동용접장치를 사용하여 용접을 수행하였으나, 야드에서의 블록 조립 및 탑재공정의 용접작업의 경우에는 작업여건에 따라서 포터블(Portable) 로봇이나 소형 캐리지 보다는 용접사에 의한 수동용접이 주로 행해지고 있는 실정이다.

이는 블록 제작공정에 있어 작업 환경 및 작업 조건, 설계방법으로는 포터블 용접 로봇을 적용하는데 많은 어려움이 있고, 용접장 한쪽 또는 양쪽 끝단이 막혀있는 부위에 대해서는 다층용접이 필수적으로 요구되었고, 소형 캐리지를 사용하는 경우 용접 시작부와 끝단부에 용접보류부(약 100mm)가 발생하게 되는 문제점에서 비롯되고 있다.

따라서 종래에는 용접보류부를 갖는 작업 환경에서는 자동용접 캐리지를 이용하여 컨테이너선의 메인데크(용접장 약 2∼3M, 두께 45t) 용접시 기구학적으로 토치가 회전할 수 있게 별도의 장치를 부가하여 용접보류부가 발생하는 것을 억제를 꾀하기도 하였다.

그러나 단순히 토치의 회전기능만을 부가한 단순한 소형캐리지는 만족스러운 용접품질을 얻을 수 없었고, 용접 시작코너(후진각)에서의 용접 비드패턴(용접품질)과 직선구간에서의 비드패턴이 서로 동일하지 않는 문제점이 있고, 일반 캐리지를 사용할 경우 용접선 추적기능이 없으므로 용접사가 계속해서 아크(Arc)를 모니터링 해야 하는 불편함 등이 있었다.

또한, 양쪽 끝단부는 용접잔류부가 남게 되어 이를 수정/마무리를 위해 용접사에 의한 수동용접시 후판인 관계로 상당한 용접시간이 소요되게 되어 그에 따른 작업자의 피로도가 높고, 생산성은 저하되는 등의 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로, 작업자의 피로도를 최소화하여 생상성 향상에 크게 기여할 수 있는 자동용접장치를 제공함을 그 목적으로 하고 있다.

또한, 본 발명은 양끝단부에 용접잔류부가 없는 다층 용접이 가능하고, 용접 작업시에는 용접 조건의 변화에 따른 순시 적응이 뛰어난 자동 용접장치를 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

또한, 본 발명은 각 용접 패스가 끝날 때마다 토치 초기위치를 재교시 하여 양 끝단이 절단된 부재에 대한 끝단부 용접이 가능하게 하여 일반 용접캐리지로 접근 할 수 없는 부분에 대한 다층 자동용접도 가능하도록 개선된 자동용접장치를 제공함에 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 소형 4축 기구부 및 제어기(DSP 보드)로 구성된 포터블 로봇을 이용한 자동용접장치를 제공함을 그 특징으로 하고 있다.

상기 자동용접장치는 작업자가 LCD 및 키패드로 구성된 소형 리모트 조작반을 이용하여 토치를 세팅하거나 용접조건 등을 간편하게 입력할 수 있게하고, 수평 아래보기 용접중에는 X, Y, Z축 그리고 T축과 같은 4축방향으로 움직이도록 구성되는 각각의 기구부를 통해 실시간으로 토치를 이동시키면서 위빙 폭, 용접속도, 토치높이 등을 조정하여 용접조건의 변화에 따른 순시 대응이 가능하게 하고, 후진각 용접구간에서도 모재에 수직인 직선구간에서의 비드패턴과 동일한 용접 비드 특성을 생성하는 4축기구부 로봇을 이용한 자동 용접장치를 이용하여 양쪽 끝단부 용접시 만족스러운 용접품질을 얻을 수 있는 용접방법을 제공함을 그 특징으로 하고 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 예에 따른 구성 및 작용 효과 등을 첨부 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 4축기구부 로봇 용접장치의 구성을 나타낸 예시도,

도 2는 본 발명에 따른 용접장치를 이용하여 모재 용접방법을 나타낸 예시도,

도 3은 본 발명에 따른 용접장치의 토치의 동작상태를 나타낸 정면도,

도 4는 본 발명의 용접장치의 토치에 의한 위빙 폭을 변화를 나타낸 정면도와 평면도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20 : X축기구부 22 : 주행레일

30 : 토치 40 : Y축기구부

50 : Z축기구부 60 : T축기구부

70 : 리모콘 80 : 용접기

82 : 케이블 84 : 피더

A : 용접선

도 1은 본 발명이 적용된 4축기구부 로봇 용접장치를 나타낸 예시도로서, 본 발명에서는 용접선(A) 방향(X축)으로 배치되는 주행레일(22)을 따라 수평 이송되는 X축기구부(20), 상기 X축기구부(20)에 장착되어 주행레일(22)과 수직한 평면방향(Y축)으로 이송되는 Y축기구부(40), 상기 Y축기구부(40)에 장착되어 X축과 Y축의 평면에 수직한 방향(Z축)으로 이송되는 Z축기구부(50), 상기 Z축기구부(50)에 장착되어 제자리에서 회전 운동하도록 된 T축기구부(60), 상기 T축기구부(60)에 CO2 용접기의 토치(30)를 고정되게 설치하여 상기한 4축기구부에 의해 토치(30)의 속도(용접속도), 위빙 패턴, 높이(아크 길이) 및 아크 길이, 용접장의 양쪽 끝단에서 회전 운동시키며 용접을 행하도록 구성되고 있다.

그리고 상기 4축기구부를 작동시키는 구동모타(AC Servo 모타, 감속기 인크리멘탈 엔코더 일체형), 각 축방향으로 움직이는 기구부가 이동 가능한 변위의 양쪽 끝단에 설치되어 절대 위치를 감지하는 리미트스위치, 드라이브 & 리모터박스에서 제어신호과 모타 파워를 연결하는 컨넥터 및 작업자가 토치(30)의 위치, 용접속도를 감시 조정할 수 있는 소형 경량의 리모콘(70)(컨트롤러)가 구비하고 있다.

상기 리모콘(70)은 초기 토치의 위치, 용접속도, 위빙 폭을 입력하여 용접시 실시간으로 토치를 임의로 조정할 수 있게하고 이를 보여주기 위한 입출력장치인 키패드(16 key)와 LCD(240×64 dot)를 포함하고, 용접기(80)와 토치(30)를 연결하는 케이블(82)의 중간에는 전압전류를 조정하는 피더(84)를 설치하고 있다.

도 2는 본 발명에 따른 용접장치를 이용하여 양쪽 끝단이 막혀있는 모재를 용접하는 것을 나타낸 작업 상태도로서, 한쪽 또는 양쪽 끝단부가 막혀있는 모재(10) 용접작업시 토치(30)를 기구학적으로 회전시키면서 양끝단이 직선구간일 때와 동일한 용접품질을 얻을 수 있는 제어 알고리즘을 제공한다.

이를 위해 토치(30)를 회전시키는 T축기구부(60)의 회전속도는 직선구간의 X축기구부(20) 용접속도와 동일하게 유지하고, 토치(30) 회전시 아크길이를 일정하게 유지하기 위해 Z축기구부(50)를 사용하며, 직선구간(b)의 용접비드와 동일하도록 시작코너(a)에서 위빙폭이 줄어드는 위빙패턴을 사용한다.

또한, 토치(30)가 회전하면서 용접을 시작하는 구간(a)에서의 토치 자세는 후진각에 해당되며, 토치가 회전한 후 모재와 수직인 자세로 용접하는 구간은 수직구간(b), 토치가 회전하면서 용접종료하는 구간(c)의 토치자세는 전진각에 해당된다.

시작코너(a)의 위빙폭은 ±W1이며, 직선구간(b)에서 위빙폭은 중심에서 ±W2가 된다.

이처럼 시작코너에서 토치가 회전하는 동안 토치(30)와 모재(10) 사이의 간격(아크 길이)은 좁아지므로 이 갭을 일정하게 유지하기 위해서 Z축을 상대적으로 상승시킨다.

그리고 시작코너(a)에서 토치가 상승할 때와 반대로, 토치(30)가 회전하게 되면 토치(30)와 모재(10) 사이의 간격(아크 길이)이 넓어지게 되므로 이 갭을 일정하게 유지하기 위해서 Z축을 상대적으로 하강시킨다.

또한, 시작구간(a)에서 토치가 회전하는 동안에 후진각 특성 때문에 용접비드의 폭이 좁아지므로 이를 보상하기 위해서 이러한 위빙폭 변화를 수행할 수 있도록 한다.

용접을 수행하기 위해서는 토치의 초기자세 및 티칭기능 수행후 회전각도만큼 항상 회전시키고, 용접이 완료된 상태에서는 토치가 수직일 때와 대칭으로 회전시키도록 하고 있다.

이와 같이 구성된 본 발명은 X축기구부(20)의 주행레일(22)을 용접선(A) 방향으로 설치하여 토치(30)가 용접선(A) 방향을 따라 이동할 수 있도록 배치하여 초기 용접 시작 위치에서는 작업자가 리모콘을 이용하여 T축기구부(60)를 소정의 각도만 회전 운동시킨 후 Z축기구부(50)의 수직방향 운동에 의해 토치(30)는 모재(90)에 대해서 일정한 높이(Arc 길이)를 유지하게 된다.

이 상태에서 용접작업을 실시하면 직선 용접구간에서는 Z축기구부(50)와 T축기구부(60)는 일정 높이를 유지한 상태로 X축기구부(20)의 구동과 Y축기구부(40)에 의해 일정한 위빙 패턴을 형성하는 동작을 구현하게 된다.

이와 같이 용접작업을 수행하면서 종료 위치에 이르면 T축기구부(60)에 의한 회전 운동과 Z축기구부(50)의 수직방향 운동에 의해 토치(30)를 움직이면 모재(90)에 대해서 일정한 높이(Arc 길이)를 유지하게 되어 용접잔류부가 남지 않게 된다.

이처럼 본 발명은 용접선(A) 방향으로 토치(30)의 속도(용접속도)를 조정하는 X축기구부(20), 주행레일(22)에 수직한 평면 방향으로 움직이며 토치(30)의 위빙 패턴을 형성하는 Y축기구부(40), X축과 Y축의 평면에 수직한 방향으로 이동하면서 양쪽 끝단에서 토치(30)의 높이(아크 길이) 및 용접중에 아크 길이를 순시 조정하는 Z축기구부(50), 토치(30)가 용접장의 양쪽 끝단에서 기구학적으로 회전 운동할 수 있도록 유도하는 T축기구부(60)에 의해 토치(30)는 4축 전방향(X, Y, Z축방향은 물론 T축방향)으로 자유롭게 움직이며 용접작업을 효과적으로 수행할 수 있는 것이다.

따라서 작업자는 수평 아래보기 용접중에도 실시간으로 리모콘을 조작하여 토치(30)를 실시간으로 이동시키며 위빙 폭, 용접속도, 토치 높이 등을 조정할 수 있게 되어 후진각의 용접구간이나 모재에 수직인 직선구간에서의 비드패턴이 모두 동일한 용접 비드 특성을 유지할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에서는 한쪽 또는 양쪽 끝단부가 막혀있는 모재(10) 용접작업시 토치(30)를 기구학적으로 회전시키면서 양끝단이 직선구간(b)일 때와 동일한 용접품질을 얻을 수 있도록 토치(30)를 회전시키는 T축기구부(60)의 회전속도는 직선구간의 X축기구부(20) 용접속도와 동일하게 유지하고, 토치 회전시 아크길이를 일정하게 유지하기 위해 Z축기구부(50)를 사용하며, 직선구간(b)의 용접비드와 동일하도록 시작코너(a)에서 위빙폭이 줄어드는 위빙패턴을 사용한다.

이와 같이 구성된 본 발명은 X축기구부(20)의 주행레일(22)을 용접선(A) 방향으로 설치하여 토치(30)가 용접선(A) 방향을 따라 이동할 수 있도록 배치하여 초기 용접 시작 위치에서는 작업자가 리모콘(70)을 이용하여 T축기구부(60)를 소정의 각도만 회전 운동시킨 후 Z축기구부(50)의 수직방향 운동에 의해 토치(30)는 모재(10)에 대해서 일정한 높이(Arc 길이)를 유지하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 양끝단부에 용접 잔류부가 없이 다층용접은 물론 용접작업 수행시 용접조건 변화에 따라 토치(30)를 이동시키면서 위빙 폭, 용접속도, 토치 높이 등을 조정할 수 있게 되어 적응성이 뛰어나고, 리모콘을 사용하므로써 작업자가 실시간 용접조건 및 용접패턴의 조정이 가능하여 작업자 안전 확보 및 피로도 최소화, 생산성 향상에 크게 기여하게 되는 등의 작용 효과를 갖는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

용접선(A) 방향(X축)으로 배치되는 주행레일(22)을 따라 수평 이송되는 X축기구부(20), 상기 X축기구부(20)에 장착되어 주행레일(22)과 수직한 평면 방향(Y축)으로 이송되는 Y축기구부(40), 상기 Y축기구부(40)에 장착되어 X축과 Y축의 평면에 수직한 방향(Z축)으로 이송되는 Z축기구부(50), 상기 Z축기구부(50)에 장착되어 제자리에서 회전 운동하는 T축기구부(60), 상기 T축기구부(60)에 CO2 용접기의 토치(30)를 고정되게 설치하여 상기한 4축기구부에 의해 토치(30)의 용접속도, 위빙 패턴, 높이(아크 길이) 및 아크 길이, 용접장의 양쪽 끝단에서 회전 운동할 수 있도록 구성되고, 상기 4축기구부를 작동시키는 구동모타, 각 축방향으로 움직이는 기구부의 절대 위치를 감지하는 리미트스위치, 토치(30)의 위치, 용접속도를 감시 조정하는 리모콘(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는 4축기구부 로봇 용접장치.
제1항의 장치를 이용하여 한쪽 또는 양쪽 끝단부가 막혀있는 모재 용접작업시 토치를 회전시키는 T축기구부(50)의 회전속도는 직선구간의 X축기구부(20) 용접속도와 동일하게 유지하고, 토치 회전시 아크길이를 일정하게 유지하기 위해 Z축기구부(40)를 사용하며, 직선구간(b)의 용접비드와 동일하도록 시작코너(에서 위빙폭이 줄어드는 위빙패턴을 사용하는 것을 특징으로 하는 4축기구부 로봇 용접장치를 이용한 한쪽 또는 양쪽 끝단부가 막혀있는 모재 용접방법.
제3항에 있어서, 시작코너(a)에서 토치(30)가 회전하는 동안 토치(30)와 모재(10) 사이의 간격이 좁아지면 Z축을 상승시키고, 시작코너에서 토치가 상승할 때와 반대로, 토치가 회전하면 토치와 모재 사이의 간격이 넓어지면 Z축을 하강시키며, 시작구간(a)에서 토치가 회전하는 동안에 용접비드의 폭이 좁아지면 위빙폭 변화를 주는 것을 특징으로 하는 4축기구부 로봇 용접장치를 이용한 한쪽 또는 양쪽 끝단부가 막혀있는 모재 용접방법.