KR20040092262A - 용접건의 배향 상태 측정 장치 - Google Patents

용접건의 배향 상태 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모재에 스터드 볼트와 같은 작업편을 원하는 소정의 각도 및 방향으로 용접하기 위한 용접건과 모재 표면 사이의 배향 상태 측정 장치에 관한 것이다.  통상, 스터드 볼트와 같은 작업편은 용접건과 평행한 상태를 유지하기 때문에, 모재의 용접 표면에 스터드 볼트를 원하는 소정의 각도 및 방향으로 용접하기 위하여, 스터드 볼트가 부착될 모재의 용접 표면과 용접건은 원하는 소정의 각도 및 방향으로 위치되어야 한다.  본 발명에 따른 용접건의 배향 상태 측정 장치는 용접건의 적어도 3개 지점에서 모재의 용접 표면까지의 거리를 측정하기 위한 거리 측정 센서와, 거리 측정 센서에서 계측된 상기 용접건의 적어도 3개 지점에서 모재의 용접 표면까지의 거리로부터 배향 상태를 판별하는 제어기를 포함한다.

Description

용접건의 배향 상태 측정 장치 {Apparatus for measuring orientation of welding gun}
본 발명은 모재에 스터드 볼트와 같은 작업편을 원하는 소정의 각도 및 방향으로 용접하기 위한 용접건과 모재 표면 사이의 배향 상태 측정 장치에 관한 것이다.  스터드 볼트와 같은 작업편이 모재에 용접될 때, 이들 사이에는 원하는 소정의 배향 상태(작업편과 모재 사이의 각도 및 방향으로 표현되며, 예를 들어 수직 상태)가 요구된다. 
스터드 볼트는 팁에 융제가 있는 단부에서 용접팁을 가지며, 스터드 볼트의 팁이 모재에 접촉하도록 하면서 모재에 스터드 볼트를 원하는 소정의 각도 및 방향으로 위치시킨다.  스터드 볼트 주위에는 아크쏠림 코일을 위치시키고, 모재에 스터드 볼트를 들어올려 스터드 볼트와 모재 사이에 전압을 가하여 파일럿 아크를 설정한다.  스터드 볼트와 모재 사이에 고전압을 가하여 주용접아크를 설정하고 스터드 볼트가 들어올려지는 중에 모재에 스터드 볼트를 부딪치게 하여 스터드 볼트를 모재에 용접한다.  이때, 스터드 볼트가 들어올려지는 시간에 실제로 아크쏠림 코일에 저전류를 공급하고, 스터드 볼트가 올려진 후 전체 용접 사이클 시간의 1/4 내지 1/2 내에 아크 쏠림코일에 전류를 점차 최대로 증가시킨다.  이러한 작업에 의하여 스터드 볼트는 모재의 용접 표면에 원하는 소정의 각도 및 방향으로 용접된다.  통상의 경우 스터드 볼트는 모재에 대해 수직으로 용접된다.
스터드 볼트를 모재에 대해 수직으로 용접하는 경우, 모재에 용접된 스터드 볼트의 수직 정도는 육안으로 판별하여야 하며, 모재의 표면이 평평하지 않은 경우에 수직 상태 여부를 육안으로 판단하기 조차 곤란하다.  더욱이, 스터드 볼트가 모재의 용접 표면에 정확히 수직 상태로 용접되면, 용접 부위의 강도가 증가되어 제품의 품질이 향상된다. 
또한, 작업편과 모재가 수직을 포함하는 원하는 소정의 각도 및 방향으로 용접된 경우 이를 육안으로 검사하는 경우 용접에 많은 시간을 요구할 뿐만 아니라 용접 정밀도도 나빠져, 제작 비용의 증가와 함께 품질 저하도 함께 가져온다.
통상, 스터드 볼트와 같은 작업편은 용접건과 평행한 상태를 유지하기 때문에, 모재의 용접 표면에 스터드 볼트를 원하는 소정의 각도 및 방향으로 용접하기 위하여, 스터드 볼트가 부착될 모재의 용접 표면과 용접건도 상기와 동일한 소정의 각도 및 방향으로 위치되어야 한다. 
본 발명은, 모재의 용접 표면에 용접될 작업편이 용접건과 평행하다는 전제하에, 모재의 용접 표면과 용접건의 배향 상태(각도 및 방향)를 측정하는 용접건의 배향 상태 측정 장치를 제공하여 전술된 종래기술의 문제점을 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
도1은 스터드 볼트 자동 용접 시스템의 일례를 도시한 도면.
도2는 스터드 볼트 자동 용접 시스템의 다른 예를 도시한 도면.
도3은 본 발명에 따른 용접건의 배향 상태 측정 장치의 측정 전 상태를 도시한 사시도.
도4는 도3에 도시된 용접건의 배향 상태 측정 장치의 저면도.
도5a 내지 도5c는 본 발명에 따른 용접건의 배향 상태 측정 장치가 모재의 용접 표면까지의 거리를 측정하는 과정을 도시한 도면.
도6은 본 발명에 따른 수직 상태 측정 제어 방법을 도시한 도표.
도7은 본 발명에 따른 수직 상태 측정 제어의 흐름도.
도8a 내지 도8d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접건의 배향 상태 측정 장치의 측정 과정을 도시한 도면.
도9 내지 도12는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 배향 상태 측정 장치를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101: 제어기
102: 로봇
104: 스터드 볼트 용접건
105: 모재
200: 배향 상태 측정 장치
201, 301: 부착 지그
202: 부착 지그 연결부
203: 거리 측정부
203a: 거리 측정부 본체
203b: 거리 측정 막대
204: 거리 측정부 이송용 공압 실린더
401: 환형 연결 부재
501: 거리 측정 광센서
전술된 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용접건의 배향 상태 측정 장치는 용접건에 평행한 작업편을 모재에 원하는 각도 및 방향으로 용접하기 위해 용접건과 모재 사이의 배향 상태를 측정하는 장치로서, 용접건의 적어도 3개 지점에서 모재의 용접 표면까지의 거리를 측정하기 위한 거리 측정 센서와, 거리 측정 센서에서 계측된 상기 용접건의 적어도 3개 지점에서 모재의 용접 표면까지의 거리로부터 배향 상태를 판별하는 제어기를 포함한다. 
본 발명에 따른 용접건의 배향 상태 측정 장치는 상기 거리 측정 센서가 부착되고 용접건에 탈착 가능한 지그를 더 포함하고, 1개 이상의 거리 측정 센서가 상기 지그에 부착되고, 상기 지그는 용접건의 종축에 대해 회전 가능하게 장착될 수 있다.  이와 달리, 상기 거리 측정 센서는 3개 이상이 용접건에 장착될 수 있다.
거리 측정 센서는 거리 측정부와, 상기 용접건에 장착되어 거리 측정부를 전후진시키는 작동기를 포함하고, 상기 거리 측정부는 거리 측정부 본체와, 상기 거리 측정부 본체에 대해 상기 거리 측정부의 전후진 방향으로 활주하는 거리 측정 막대를 포함할 수 있다.  더욱이, 상기 거리 측정부 본체는 환형 연결 부재에 의해 상호 연결된 것을 특징으로 하는 용접건의 배향 상태 측정 장치.
상기 작업편은 스터드 볼트일 수 있다. 
상기 배향 상태는 수직 상태일 수 있다.  이 경우, 상기 거리 측정 센서는 거리 측정 광센서일 수 있다.
도1은 제어기(101)에 의해 제어되는 로봇(102)이 용접건(104)을 파지하여 모재(105)의 용접 위치로 이송하여 용접을 수행하는 스터드 볼트의 용접 시스템을 도시하고, 도2는 로봇(102)이 모재(105)를 파지하여 모재(105)의 용접 위치를 용접건(104)에 이송하여 용접을 수행하는 스터드 볼트의 용접 시스템을 도시한다. 
이하에서는 도1과 같이, 용접건(104)이 모재(105)의 용접 위치로 이송되어 이들을 상호 수직으로 용접하는 용접 시스템에 대해 설명하고자 한다.
도3은 본 발명의 용접건의 배향 상태 측정 장치(200)가 장착된 용접건(104)이 모재(105)의 용접 위치로 이송되어 있는 상태를 도시한 도면이다.  용접건의 배향 상태 측정 장치(200)는 거리 측정부(203)와 작동기인 공압 실린더(204)를 포함하는 거리 측정 센서와, 거리 측정 센서의 공압 실린더(204)가 장착된 부착 지그(201)와, 거리 측정 센서에서 계측된 용접건의 적어도 3개 지점에서 모재의 용접 표면까지의 거리로부터 수직 상태를 판별하는 제어기(101)를 포함한다.  공압 실린더(204)에는 상기 거리 측정부(203)가 선단에 부착되어 이를 전후진시킨다. 또한, 제어기(101)는 배향 상태를 판별할 뿐만 아니라, 용접건(104)을 모재(105)의 용접 위치로 이송시키는 명령도 함께한다.  부착 지그(201)는 절두 원추형으로 용접건(104)의 선단에 장착되고 부착 지그 연결부(202)에 의해 스터드 볼트 용접건(104)에 장착된다.  거리 측정부(203)는 거리 측정부 본체(203a)와 이 본체에 활주 가능하게 설치된 거리 측정 막대(203b)를 포함한다.  도4는 도3의 저면도로서 이를 참조하면, 부착 지그(201)에는 3개의 거리 측정 센서가 용접건(104) 또는 부착 지그(201)의 종축 둘레에 120도의 간격으로 고정 장착되어 있다. 
도5a 내지 도5c는 본 발명에 따른 용접건의 배향 상태 측정 장치가 모재 표면까지의 거리를 측정하는 과정을 도시한다.  거리 측정부(203)가 모재(105)에 대해 후퇴되어 있는 상태(도5a)에서, 공압 실린더(204)는, 도5b에 도시된 바와 같이, 거리 측정부(203)의 거리 측정 막대(203b)의 선단부가 모재(105)의 표면에 접촉할 때까지 거리 측정부(203)를 전진시킨다.  거리 측정 막대(203b)의 선단부가 모재(105)의 표면에 접촉한 후에도 공압 실린더(204)는 거리 측정부(203)를 더 전진시켜 거리 측정 막대(203b)가 거리 측정부 본체(203a) 내부로 활주하게 된다.  따라서, 거리 측정부(203)가 후퇴되어 있을 때의 거리 측정 막대(203b)의 선단부에서 모재(105)의 표면까지의 거리는 공압 실린더(204)에 의한 거리 측정부(203)의 이송 거리와 거리 측정 막대(203b)가 거리 측정부 본체(203a) 내부로 활주된 거리(이들 사이의 상대 변위)의 차이 값이 된다.  거리 측정 후 공압 실린더(204)가 거리 측정부(203)를 후퇴시키면, 거리 측정부 본체(203a) 내에 활주되어 삽입된 거리 측정 막대(203b)는 (도시되지 않은) 내부의 복원 수단에 의해 원래 위치로 복원된다.
다음은, 도6 및 도7을 참조하여, 본 발명에 따른 용접건의 배향 상태 측정 장치가 구비된 스터드 볼트 용접 시스템의 작동을 설명한다.  작업 개시 지령(T_ts)이 내려지면 거리 측정부(203)가 도3에서와 같이 후퇴된 상태에서 용접건(104)이 모재(105) 상에 위치된다.  각각의 공압 실린더(204)는 거리 측정부(203)를 전진시켜 전술한 바와 같이 모재(104) 표면까지의 거리를 측정한다.  그 다음, 측정된 3개 지점의 거리를 서로 비교하여 이들 사이의 거리 차이가 미리 설정된 오차 범위 내에 존재하는가를 판별한다.  이러한 수직 상태 분석에서 3개 지점의 거리 차이가 일정 오차 범위 내에 존재하게 되면 모재(105) 표면과 스터드 볼트 용접건(104) 사이의 수직 상태는 만족하는 것으로 판단하고, 스터드 볼트 용접을 위해 공압 실린더(204)는 거리 측정부(203)를 후퇴시키게 된다.  그 다음, 스터드 볼트 용접 시작 지령(T_ws)에 의해 스터드 볼트 용접을 수행하게 된다.
만일 수직 상태 분석 과정에서 3개 지점에서 모재(105) 표면까지 거리의 차이가 일정 오차 범위 내에 존재하지 않게 되면, 3개 지점에서 모재(105) 표면까지 거리의 차이값에 기초하여 이를 보정하도록 제어기(101)는 로봇(102)에게 용접건(104)과 모재(105) 표면이 상호 수직이 되도록 조정하게 한다.
다른 실시예로서, 거리 측정 센서는 3개에 한정되지 않고 그 이상일 수 있다.  또한, 1개 또는 2개의 거리 측정 센서가 부착 지그에 고정 장착되고 부착 지그(201)가 용접건에 대해 회전 가능하게 장착될 수 있다.  도8a 내지 도8d는 1개의 거리 측정 센서, 즉 거리 측정부(203) 및 공압 실린더(204)가 고정 장착된 부착 지그(201)를 용접건(104)에 대해 회전 가능하게 장착된 경우, 용접건(104)의 3개 지점에서 모재(105) 표면까지의 거리를 측정하는 과정을 도시한다.  공압 실린더(204)가 거리 측정부(203)를 후퇴시킨 도8a에 도시된 상태에서, 용접건(104)이 모재(105) 상에 위치된 후, 도8b에 도시된 바와 같이 상기 위치에서 모재(105) 표면까지의 거리를 측정한다.  그 다음, 도8c와 같이 거리 측정 막대(203b)를 후퇴시키고, 용접건(104)의 종축에 대해 120도 회전시킨 후, 도8d와 같이 모재(105) 표면까지의 거리를 측정한다.  이러한 방식으로 하나의 거리 측정 센서를 용접건(104)의 종축에 대해 120도씩 회전시켜 용접건의 3개 위치에서 모재 표면까지의 거리를 측정한다.
다른 실시예로서, 도9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 거리 측정부(203) 및 공압 실린더(204)는 원통형 부착 지그(301) 상에 부착되어 용접건(104)의 종축에 대해 평행하게 설치될 수 있다. 
또 다른 실시예로서, 도10에 도시된 바와 같이, 거리 측정부(203)가 연결되어 있는 공압 실린더(204)는 용접건(104)에 직접 장착될 수 있으며, 도11과 같이 거리 측정부(203)는 환형 연결 부재(401)에 의해 상호 연결될 수 있다.  이 경우 공압 실린더(204)는 거리 측정부(203)를 동시에 동일한 거리만큼 전진시켜서 거리 측정부(203)의 거리 측정부 본체(203a)와 거리 측정 막대(203b) 사이의 상대 변위만으로 거리가 측정된다.
또한, 용접건(104)과 모재(105)가 수직으로 용접된 경우 이를 검사하기 위하여 거리 측정 센서는 도12와 같이 거리 측정 광센서(500)를 용접건(104)의 종축에대해 평행하게 설치하고, 모재 표면까지의 거리를 측정하여 용접건(104)과 모재(105) 사이의 수직 상태를 검사할 수 있다.
통상 3개 이상의 지점에서 두 물체 (작업편과 모재) 사이의 거리가 측정되면, 이들 사이의 경사각 및 방향을 알 수 있다.  비록 전술된 실시예가 작업편과 모재 사이의 수직 상태를 측정하는 것으로 한정하여 설명하였으나, 이는 상호 수직이 아닌 소정의 각도 및 방향으로 이들이 용접된 경우에도 이들이 얼마만큼 정확한 각도 및 방향으로 용접되었는가를 검사할 수 있다.  또한, 본 발명에서 작업편을 스터드 볼트로 한정하여 설명하였으나, 작업편은 이에 한정되지 않는다.
전술된 본 발명의 상기 구성에 따라, 모재(105)와 스터드 볼트 용접건(104) 사이의 상대적인 배향 상태를 보다 정확하고 신속하게 판별할 수 있다.  특히, 모재(105)의 표면이 다소 평평하지 않은 경우도 배향 상태를 용이하고 정확하게 판별할 수가 있다.  또한, 배향 상태 분석 과정에서 3개 이상의 지점에서 모재의 용접 표면까지의 거리를 측정함으로써 스터드 볼트가 용접될 모재(105)에 스터드 볼트(104)가 어느 방향으로 얼마의 각도로 기울어져 있는가를 알 수 있어서 이들 사이의 배향 상태를 용이하게 보정할 수 있다.   따라서, 시간적인 손실과 그에 따른 경제적인 손실을 줄일 수 있으며, 높은 정밀도로 이들을 용접할 수 있다.
특히, 스터드 볼트(104)를 모재(105)에 수직으로 용접하는 경우, 이들은 원하는 정밀도를 갖고 용접되기 때문에, 접합부의 용접 강도가 향상되어 전체적인 구조물의 안정성이 개선된다.

Claims (8)

  1. 용접건에 평행한 작업편을 모재에 원하는 각도 및 방향으로 용접하기 위해 용접건과 모재 사이의 배향 상태를 측정하는 용접건의 배향 상태 측정 장치이며,
    용접건의 적어도 3개 지점에서 모재의 용접 표면까지의 거리를 측정하기 위한 거리 측정 센서와,
    거리 측정 센서에서 계측된 상기 용접건의 적어도 3개 지점에서 모재의 용접 표면까지의 거리로부터 배향 상태를 판별하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접건의 배향 상태 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 거리 측정 센서가 부착되고 용접건에 탈착 가능한 지그를 더 포함하고, 1개 이상의 거리 측정 센서가 상기 지그에 부착되고, 상기 지그는 용접건의 종축에 대해 회전 가능하게 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 용접건의 배향 상태 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 거리 측정 센서는 3개 이상이 용접건에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 용접건의 배향 상태 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 거리 측정 센서는 용전건에 평행하게 장착되고, 상기 거리 측정 센서는 거리 측정부와 상기 용접건에 장착되어 거리 측정부를 전후진시키는 작동기를 포함하고, 상기 거리 측정부는 거리 측정부 본체와 상기 거리 측정부 본체에 대해 상기 거리 측정부의 전후진 방향으로 활주하는 거리 측정 막대를 포함하고, 상기 거리 측정부 본체를 상호 연결하는 환형 연결 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접건의 배향 상태 측정 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 거리 측정 센서는 거리 측정부와, 상기 용접건에 장착되어 거리 측정부를 전후진시키는 작동기를 포함하고, 상기 거리 측정부는 거리 측정부 본체와, 상기 거리 측정부 본체에 대해 상기 거리 측정부의 전후진 방향으로 활주하는 거리 측정 막대를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접건의 배향 상태 측정 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작업편은 스터드 볼트인 것을 특징으로 하는 용접건의 배향 상태 측정 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배향 상태는 수직 상태인 것을 특징으로 하는 용접건의 배향 상태 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 거리 측정 센서는 거리 측정 광센서인 것을 특징으로 하는 용접건의 배향 상태 측정 장치.
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