KR20070119888A - 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동접합장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료 집합체를 이루는 주요 구성품인 안내관의 제조공정에 있어서 플랜지를 자동으로 안내관 튜브에 접합하는 장치와 방법에 관한 것이다.

본 발명은 절삭공구뭉치(140)를 포함하는 접합면 가공부(100), 메거진(210)과 이송블럭(230)과 공압실린더(240)를 포함하는 플랜지 공급부(200), 튜브 실링장치(310,320)와 용접토치(350)를 포함하는 용접부(300), 절삭공구뭉치(430)를 포함하는 내경 가공부(400), 캠(512)을 포함하는 측면방향 이송수단(510)과 그리퍼(521)를 포함하는 축방향 이송수단(520)을 포함하여 구성된 이송부(500)를 포함하여 구성되고, 접합면 가공부(100), 용접부(300), 내경 가공부(400)의 순서로 장치가 배열되고 용접부의 측면에 상기의 배열과는 별개로 플랜지 공급부(200)가 위치하고, 접합면 가공부(100)과 용접부(300), 내경가공부(400) 사이에 각각 측면방향 이송수단(510)이 위치하며, 접합면 가공부(100), 용접부(300), 내경가공부(400)에 각각 축방향 이송수단(520)이 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.

핵연료집합체, 안내관, 플랜지, 선반

Description

핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동접합장치 및 방법{AUTOMATED WELDING EQUIPMENT AND METHOD FOR THE FLANGE OF THE GUIDE THIMBLE TUBE IN THE NUCLEAR FUEL ASSEMBLY}

도 1a은 억지끼워맞춤 용접방식에 따른 플랜지와 튜브의 결합전 단면도

도 1b는 억지끼워맞춤 용접방식에 따른 플랜지와 튜브의 결합후 단면도

도 2a는 맞대기 용접방식에 따른 플랜지와 튜브의 결합전 단면도

도 2b는 맞대기 용접방식에 따른 플랜지와 튜브의 결합후 단면도

도 3a는 접합면 가공부의 평면도

도 3b는 접합면 가공부의 스토퍼의 단면도

도 4는 메거진의 단면도

도 5a는 용접부의 평면도

도 5b는 마개측 실링장치의 측면도

도 5c는 용접챔버의 단면도

도 6a는 내경가공부의 측면도

도 6b는 내경가공 전,후의 튜브의 단면도

도 7a는 측면방향 이송수단의 개략도(1)

도 7b는 측면방향 이송수단의 개략도(2)

도 7c는 공압실린더를 사용하는 축방향 이송수단의 개략도

도 7d는 풀리와 모터를 사용하는 축방향 이송수단의 개략도

도 8a는 길이 측정부의 측면도

도 8b는 길이 측정부의 스토퍼의 단면도

도 9는 흔들림 측정부의 측면도와 정면도

본 발명은 핵연료 집합체를 이루는 주요 구성품인 안내관의 제조공정에 있어서 플랜지를 자동으로 안내관 튜브에 접합하는 장치와 방법에 관한 것이다.

핵연료집합체란 핵연료의 원자로에로의 장전 및 인출 시 개개가 아닌 일체로서 취급할 수 있는 연료요소의 집합체를 말한다. 예를 들면 경수로용의 연료집합체(연료 어셈블리라고도 말함)는 우라늄 산화물을 펠릿모양으로 소결하여 약 4 m 길이의 지르칼로이 합금의 속이 빈 관 내에 봉입한 연료를, 비등수형 원자로에서는 60 개 정도, 가압수형 원자로에서는 230 개 정도를 4각 격자 모양의 다발로 하여, 상하에 냉각재가 지나는 구멍이 뚫인 지지판을, 중간에는 연료봉의 간격을 유지하기 위한 지지격자를 장착한 구조로 되어 있다.

이러한 집합체에서 연료봉이 장입되는 골격이 되는 구조를 골격체라고 하며, 골격체는 상단고정체, 하단고정체, 안내관, 계측관등의 부품으로 구성되며, 이 부품들은 용접이나 기계적인 방법에 의해 결합된다. 골격체는 핵연료 집합체에서 각 연료봉들 간의 간격을 유지하고 연료봉을 고정시켜 주는 역할을 하는 조립체로서 핵연료 집합체의 기계적 구조의 근간을 이루고 있다.

상기의 골격체에서 안내관은 제어봉의 원활한 출입안내를 목적으로 원자로용기 내에 설치된 내부구조재이다. 원자로의 기동, 정지 및 출력조정은 제어봉(중성자흡수체)을 노심에 출입시키는 것에 의하여 이루어진다. 안내관은 연료집합체의 건전성을 손상하는 일 없이 적절하게 위치를 정하고 연료를 적절히 냉각하기 위해 유로를 형성하는 등의 중요한 역할을 가지고 있다. 또한, 제어봉뿐만 아니라 독물질봉, 중성자원봉등의 통로역할도 한다.

이러한 안내관은 상단고정체의 하단에 연결되어서, 원자로의 상부에서 제어봉등이 투입되어 안내관으로 들어온다. 상기의 상단고정체와의 연결은 안내관의 일끝단에 부착된 플랜지에 의해 이루어진다. 따라서, 안내관에 있어서 플랜지가 반드시 부착되어야 한다.

안내관은 구조상으로 상부에서 투입된 각종 장비들이 낙하시의 충격에 손상되지 않도록 하부가 충격흡수를 위하여 내경이 작게 되어야 하며, 이는 제어봉의 낙하시 속도를 줄여주는 역할을 하기 위함이다. 또한, 유로구멍이 두곳에 뚫어져 있어 냉각수가 안내관 내부에 찰 수 있도록 되어 있다.

상기와 같은 구조를 가져야 하는 안내관은 매우 까다로운 형상을 가지고 있어서 자동장치에 의해 제조하기가 매우 어렵다. 또한, 원자로에서 매우 중요한 역할을 하기 때문에 매우 정밀하게 제조되어야 한다.

따라서, 안내관 튜브에 플랜지등을 접합하는 것은 매우 정밀하게 되어야 하기 때문에 품질 확보를 위하여 수작업을 하는 경우 장시간이 소요된다. 하지만, 안내관의 소요량을 고려하면 생산성을 향상시키는 방안을 고려하지 않을 수 없다.

종래의 경우 안내관 튜브에 플랜지를 접합하는 작업은 거의 수작업에 이루어졌다. 전술한 바와 같이 안내관의 형상이 단순하지 않아서 자동화 장치에 의해 접합하기 쉽지 않았기 때문이다. 특히 플랜지를 용접하기 위해 도 1a와 도 1b와 같이 안내관 튜브에 플랜지를 수동장비에서의 억지끼워맞춤 용접방식으로 접합하였다.

도 1a와 같이 플랜지(2)에 별도의 압입턱이 형성되어 있어 도 1b와 같이 튜브(1)에 압입턱을 억지로 끼워 넣은 후 용접을 하는 것이 종래기술이다.

상기의 접합방식에 의할 경우 별도의 압입작업이 필요하고, 압입방식에 의한 내부턱이 발생하여 별도의 가공공정이 필요하게 된다. 또한, 수작업에 의한 경우, 안내관의 길이가 약 4000㎜이고, 무게가 약 2.5㎏이기 때문에 다량의 안내관을 장시간에 걸쳐 작업할 경우 근골격계 질환이 발생할 우려가 있었다.

또한, 생산성과 품질을 고려하면, 작업시간이 오래걸리고, 일정하지 않아서 생산성이 향상되지 않았고, 생산성을 향상시키기 위해 작업을 빠르게 하면, 품질이 저하되는 문제가 발생하게 되었다.

따라서, 품질을 유지하면서, 생산성을 향상시키고, 작업자에게 무리가 가지 않도록 자동화를 이루는 것이 필요하였다.

본 발명은 종래의 핵연료집합체의 안내관의 제조과정에서 플랜지 접합에 있어서의 상기와 같은 문제점을 해결하여 자동화가 가능한 안내관 플랜지 자동 접합장치 및 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로 다음과 같은 목적을 가진다.

본 발명은 자동화에 적합하게 플랜지 접합방식을 억지끼워맞춤 용접방식이 아니라 도 2a와 도2b와 같은 맞대기 용접방식을 적용하여 자동화된 용접방식을 가진 안내관 플랜지 자동접합장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 이송과정을 자동화하여 다량의 안내관을 힘들이지 않고 이송하게 하여 근골격계질환의 발생을 방지하고, 전 작업공정을 한번의 작동에 의해 이루어지게 자동화하여 생산성을 향상시키는 접합장치 및 방식을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 생산성을 향상시키면 발생할 수 있는 품질의 저하를 방지하도록 각 공정에서 정밀 측정하여 자동화에 의한 생산성 향상과 품질을 유지할 수 있는 안내관 플랜지 자동 접합장치 및 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 안내관 플랜지 자동 접합장치는 다음과 같은 구성을 가진다.

본 발명의 안내관 플랜지 자동접합장치는 절삭공구뭉치(140)를 포함하는 접합면 가공부(100),

메거진(210)과 이송블럭(230)과 공압실린더(240)를 포함하는 플랜지 공급부(200),

튜브 실링장치(310,320)와 용접토치(350)를 포함하는 용접부(300),

절삭공구뭉치(430)를 포함하는 내경 가공부(400),

캠(512)을 포함하는 측면방향 이송수단(510)과 그리퍼(521)를 포함하는 축방향 이송수단(520)을 포함하여 구성된 이송부(500)를 포함하여 구성되고,

접합면 가공부(100), 용접부(300), 내경 가공부(400)의 순서로 장치가 배열되고 용접부의 측면에 상기의 배열과는 별개로 플랜지 공급부(200)가 위치하고,

접합면 가공부(100)과 용접부(300), 내경가공부(400) 사이에 각각 측면방향 이송수단(510)이 위치하며,

접합면 가공부(100), 용접부(300), 내경가공부(400)에 각각 축방향 이송수단(520)이 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 측정뭉치(620)와 측정뭉치의 말단에 연결된 프로브(610)를 포함하여 이루어진 길이 측정부(600)가 상기 접합면 가공부(100)에 이어서 배열되어 이루어지고,

회전모터(722), 회전모터의 하측에 위치하는 롤러(721)를 포함하는 튜브회전 장치(720)와 회전모터의 전면에 위치하는 측정 프로브(710)와 회전모터의 후면에 위치하는 스토퍼(730)를 포함하여 이루어진 흔들림 측정부(700)가 상기 내경 가공부에 이어서 배열되어 이루어지고,

센서와 PLC를 포함하여 이루어진 제어부를 더 포함하여 이루어진다.

도 3a를 참고로 하여, 상기 접합면 가공부(100)는 스토퍼(110)와 척(chuck)(120)과 스핀들모터(130)와 절삭공구를 포함하는 절삭공구뭉치(140)와 서보모터(150)등을 포함하여 이루어진다.

도 3b에서, 스토퍼(110)는 튜브(1)를 가공위치에 정지하도록 위치를 잡아주는 역할을 하며, 작업대에서 튜브(1)를 기준으로 절삭공구와 반대측에 위치한다. 스토퍼(110)는 상하로 이동가능하도록 하부에 공압실린더(111)가 부착되어 있고, 상부에는 스톱바(stop bar)(112)가 튜브(1)의 축방향으로 경미하게 움직일 수 있도록 작은 슬라이딩 레일(113)이 형성되어 있고, 튜브(1)를 맞물수 있도록 둥글게 돌출된 스톱바(stop bar)(112)를 포함하고 있다. 상기의 스톱바는 튜브(1)측으로 돌출되어 있다.

척(120)과 스핀들모터(130)와 절삭공구를 포함한 절삭공구뭉치(140)등은 일반적인 선반에 장착된 부품과 같은 것이어서 자세한 설명과 도시는 하지 않는다. 다만, 도 3a에서 전체적으로 개략적인 구성만 도시하였다. 척(120)은 튜브를 고정하고, 스핀들 모터의 회전에 의해 튜브(1)를 물고 같이 회전을 하게 되고, 냉각역할을 하는 질소가스의 분사중에 절삭공구(140)가 튜브측으로 서보모터(150)에 의해 전진하여 튜브를 가공하는 구조를 가기고 있다.

상기의 절삭공구에 의해 튜브는 맞대기 용접방식에 적합하게 가공된다. 가공된 접합면은 도 2a와 같이 튜브(1)의 외경이 45°의 후퇴각을 가지도록 가공되어, 반대로 외경이 45°의 전진각을 가지도록 형성된 플랜지의 접합면과 도 2b와 같이 외경이 맞물리도록 접합면이 형성된다. 따라서, 별도의 압입작업이 없이도 튜브와 플랜지는 외경이 맞물게 결합하게 된다.

도 4를 참고로, 상기 플랜지 공급부(200)는 튜브와 접합할 플랜지(2)를 자동으로 공급해 주는 구성으로, 메거진(210), 스토퍼(220), 플랜지 이송블럭(230), 공압실린더(240)를 포함하고 있다.

메거진(210)에는 상부에 플랜지 유입구(211)가 있고 하부에 플랜지 유출구(212)가 있어 상부에 플랜지(2)를 장입하면 상부에서 하부까지 일렬로 적치되어 플랜지(2)가 유출되는 구조를 가진다.

상기 플랜지 메거진의 하부에는 평면의 스토퍼(220)가 플랜지 유출구(212))를 막고 있으며, 상기 스토퍼는 공압실린더(221)에 의해 진퇴하여 플랜지 유출구(212)를 개폐시킨다. 따라서, 공압실린더(221)의 조절에 의해 메거진(210)에서 플랜지(2)가 한개씩 나올 수 있도록 한다.

상기 스토퍼(220)의 하부에는 쐐기형의 홈(231)을 가진 플랜지 이송블럭(230)이 위치한다. 상기 이송블럭(230)은 스토퍼에 의해 한개씩 플랜지 메거진(210)에서 나오는 플랜지(2)를 쐐기형의 홈(231)에 수용한다.

상기의 플랜지 이송블럭의 하단에는 공압실린더(240)가 연결되어 있어서, 이송블럭이 플랜지(2)를 수용하면 공압실린더(240)가 작동되어 도 4에서 점선으로 도시한 것과 같이 플랜지를 이송하여 용접위치까지 플랜지(2)를 이송한다.

도 5a를 참고로, 용접부(300)는 상기의 맞물린 튜브(1)와 플랜지(2)를 용접하는 역할을 하며, 마개측과 챔버측에 각각 있는 튜브 실링장치(310,320), 용접챔버(330), 멘드렐장치(340), 진공밸브 및 알곤밸브, 용접토치뭉치(350), 서보모터(360)를 포함하여 구성되어 있다.

상기 튜브 실링장치(310,320)는 마개측과 챔버측에서 각각 튜브를 전체적으로 실링하기 위한 장치다.

도 5b는 마개측 튜브 실링장치(310)를 도시한 것으로, 마개측 튜브 실링장치(310)는 튜브를 기준으로 용접챔버(330)와 반대측에 위치하며, 상부에 튜브의 내부로 삽입될 수 있고 말단에 실링용 링(312)이 장착된 긴 실링 바(bar)(311)를 가지고 있으며, 하부에 모터(313)와 풀리(314), 레일(315)이 설치되어 모터에 의해 돌아가는 풀리에 끌려 레일을 따라 전후진을 할 수 있다. 상기 마개측 실링장치(310)가 전진하여 튜브 내부로 긴 실링 바(311)를 삽입하면, 실링 바의 말단에 부착된 실링 링(312)의 부피가 팽창하여 튜브 내부를 실링하여 관내가 밀폐된다.

챔버측 실링장치(320)는 링 형태로, 용접챔버의 튜브 유입구(334)에 부착되어 실링장치가 작동하면 링의 부피가 팽창되어 튜브의 외경을 감싸서 용접챔버와 튜브를 밀폐시키고, 도 5c에 도시되어 있다. 상기의 마개측과 챔버측 튜브 실링 장 치에 의해서 튜브는 양끝단으로 완전히 밀폐된다.

도 5c를 참고로 하여, 용접챔버(330)는 튜브가 들어와 용접될 수 있는 수용공간(331)을 가지고 있으며, 멘드렐장치와 용접토치뭉치와 튜브가 유출입 할 수 있는 3개의 개구부(332,333,334)를 가지고 있는 구조를 가진다. 따라서 튜브 유입구(334)와 멘드렐 유입구(332)는 동축상에 위치하여 튜브가 멘드렐에 의해 고정되고 회전될 수 있으며, 용접토치 뭉치의 유입구(333)는 튜브에 수직하게 위치하여 튜브에 수직하게 용접할 수 있게 되어 있다.

멘드렐장치(340)는 튜브를 잡고 회전할 수 있는 장치로 하부에 공압실린더(341)와 커넥팅로드(342)가 조인트로 연결되어 공압실린더(341)의 작동에 의해 멘드렐(343)이 전후진 할 수 있게 되어 있다. 또한, 멘드렐(343)은 서보모터(360)와 타이밍벨트로 연결되어 회전가능하게 되어있다.

진공밸브는 밀폐된 용접챔버와 튜브내의 공기를 빨아들여 진공을 만들어 주며, 알곤밸브는 불활성 가스인 알곤가스를 용접부에 공급하여 TIG 용접시 불활성 분위기를 만들어 준다. 상기 진공밸브는 종래기술과 동일한 것으로 따로 도시하지는 않는다.

용접토치 뭉치(350)는 하부에 용접토치(351)를 포함하는 부품으로 측면에 공압실린더(352)가 위치하며, 도 5c의 점선으로 된 원에 도시된 일부 측면도와 같이 공압실린더(352)의 작동시 공압실린더(352)에 연결된 커넥팅로드(353)와 조인트에 의해 수직운동하여 용접토치(350)를 상하로 이동시켜 용접부위에 용접토치를 접근시킨다.

서보모터(360)는 일반적인 모터로 타이밍벨트에 의해 멘드렐과 연결되어 멘드렐의 회전을 가능하게 한다.

도 6a에 도시된, 내경가공부(400)는 스토퍼(410)와 척(chuck)(420)과 절삭공구를 포함하는 절삭공구뭉치(430)와 서보모터(440)등을 포함하여 이루어진다. 스토퍼는 상기 접합면 가공부의 스토퍼(110)와 같은 구성으로 되어있다. 또한, 절삭공구 뭉치와 서보모터도 일반적으로 시판되는 엔드밀에 사용되는 것이다.

도 6b와 같이 용접된 튜브의 내경은 상기 용접부에서 맞대기 용접을 하면 접합면과 접한 내경부분에 용접후 돌출된 부분(3)이 발생한다. 따라서, 절삭공구는 회전을 하며 튜브의 내경을 다듬어 돌출된 부분(3)을 제거하게 된다.

이송부(500)는 튜브를 각 장치들에 옮기는 역할을 하며, 튜브의 축방향에 수직 방향인 측면으로 이동시키는 측면방향 이송수단(510)과 튜브의 축방향 이동을 위한 축방향 이송수단(520)으로 구성되어 있다.

도 7a에 도시된 측면방향 이송수단은 작업대의 하부에 설치된 모터(511), 모터의 축에 연결된 캠(512), 캠면과 접촉하고 캠에 연동되는 종동체(513)로 구성된 캠장치와, 다수개의 평행하고 일방으로 경사진 플레이트들로 튜브의 진행방향으로 단이 형성되어 배치되어 이루어진 튜브가이드(515)를 포함하여 이루어져 있다. 상기 튜브가이드(515)의 형상은 각 장치들에 따라 달라지며, 도 7b에 도시된 튜브가이드(515)는 하나의 실시예에 불과하다.

도 7b에 도시된 상기 종동체(513)는 캠면과 롤러로 접촉하고 캠의 회전에 의해 상사점과 하사점 사이를 상하로 운동한다. 종동체(513)에는 종동체와 연결된 다수개의 블럭(514)이 붙어있다. 블럭의 개수와 위치는 각 장치들에서 튜브를 가공하는 작용에 따라 달라지고, 도 7b에 도시된 것은 하나의 실시예에 불과하다. 상기의 블럭(514)은 종동체의 움직임에 따라 상하로 움직이며, 튜브의 측면 이송방향으로 나란히 배치되어 있다. 따라서, 측면 이송방향으로 동시에 블럭(514)이 상승하게 구성되었다.

튜브가이드(514)의 단의 수와 형상 또한, 각 장치들에서 튜브를 가공하는 작용에 따라 달라지고, 도 7b에 도시된 것은 하나의 실시예에 불과하다.

축방향 이송수단(520)은 각각 힌지(면접촉에 의해 두개의 물체를 회전운동이 가능하게 결합하는 베어링)(523)에 의해 몸체의 상부와 결합되어 공압에 의해 힌지를 축으로 회전운동 가능한 좌우로 분기된 팔(522)이 달린 그리퍼(521)와 그리퍼의 몸체 하부와 연결된 그리퍼의 이동을 위한 공압실린더(524)로 구성되며 도 7c에도시되어 있다. 다만, 그리퍼의 이동을 위한 구성은 반드시 공압실린더에 의해서만 되는 것이 아니라 도 7d와 같이 모터(525)와 풀리(526)로 구성되어 모터의 작동에 의해 풀리에 끌려 이동되는 구성을 가지기도 한다.

상기의 그리퍼(521)의 좌우 팔(522)은 동시에 움직여 같이 위로 올라가고 같이 아래로 내려온다. 따라서, 동시에 회전하여 위로 올라간 그리퍼의 팔(522)은 튜브를 잡을 수 있게 된다. 또한, 동시에 회전하여 내려온 팔은 튜브를 놓을 수 있게 되어있다.

상기 이송부(500)는 각 구성요소들 사이에 위치한다. 접합면 가공부(100)와 용접부(300)와 내경가공부(400) 사이에 각각 측면방향 이송수단이 위치한다. 또한, 접합면 가공부(100), 용접부(300), 내경가공부(400)의 각각에는 축방향 이송수단이 위치한다.

도 8a에 도시된 길이측정부(600)는 접합면 가공부(100)에서 가공된 후의 튜브의 길이를 측정하는 구성요소이다. 상기 길이측정부는 스토퍼(610)와 프로브(621)를 포함하는 측정뭉치(620)를 포함하여 구성되어 있다.

길이측정부(600)의 스토퍼(610)는 도 8b에 도시되었고, 상부에 튜브의 일단을 수용하여 고정하는 수용부(611)를 가지고, 튜브를 기준으로 측정뭉치와 반대측에 고정되어 있다. 프로브(621)를 포함한 측정뭉치(620)는 도 8a에 도시되어 있고, 하부에 공압실린더(622)가 연결되어 전후진이 가능하고, 측정뭉치의 상부에는 전후진 가능한 측정 프로브(탐침)(621)가 부착되어 있다. 측정 프로브(621)는 튜브까지 이동하고 이동한 변위를 계산하여 튜브의 길이를 계산하는 데 이용한다.

상기 길이측정부(600)에서 측정된 가공후 튜브의 길이가 적정치가 안되는 경우 조치를 취할 때까지 작동이 중단되며, 튜브의 길이가 적정한 경우 튜브는 캠장치에 의해 튜브가이드를 타고 다음 장치로 이송된다. 따라서, 작업시 정확한 수치측정에 의한 품질유지가 가능하다.

흔들림 측정부(700)는 도 9에 도시되어 있으며, 용접된 플랜지와 튜브가 동 축으로 용접이 되었는지를 검사하는 역할을 하며 프로브(710)와 튜브회전장치(720)와 스토퍼(730)를 포함하여 이루어진다. 튜브회전장치는 3점에서 튜브와 접촉하여 튜브를 회전시키는 장치로서, 하부의 좌우측에 2개의 축방향으로 유선형인 롤러(721)가 회전가능하게 되어 있고, 상부의 모터(722)와 연결된 원통형 실린더(723)가 튜브와 접하여 회전하면 튜브가 같이 회전하도록 구성되어 있다.

프로브(710)는 상기의 튜브 회전장치의 전면에 위치하며, 튜브회전장치에 의해 회전하는 튜브의 플랜지부분과 접촉하여 플랜지의 흔들림을 측정한다. 측정결과가 흔들림이 적정치가 안되는 경우 조치를 취할 때까지 작동이 중단되며, 흔들림이 적정한 경우 튜브는 캠장치에 의해 튜브가이드를 타고 다음 장치로 이송된다. 따라서, 작업시 정확한 수치측정에 의한 품질유지가 가능하다.

상기의 스토퍼(730)는 길이 측정부의 스토퍼(610)과 동일한 구성을 사용하여 별도의 도시를 하지 않는다.

제어부는 상기의 장치들과 연결되어 있고, 상기의 장치들의 작동을 제어하는 역할을 하며, 근접센서와 광센서로부터 신호를 받고 각 장치들에 신호를 보내는 제어프로그램이 내장된 PLC(programmable logic controller)로 이루어져 있다. PLC는 제어수단을 말하고 내장된 프로그램에 의해 자동화 공정을 제어하는 역할을 한다. 상기 제어부는 자동화 장치에 사용되는 일반적인 제어장치들을 사용하였다. 따라서 별도의 도시를 하지 않았다.

이하에서는 본 발명의 상기 구성요소들 사이의 작용에 대하여 살펴본다.

우선적으로 안내관 튜브(1)의 끝단을 가공하는 장치에서 작업은 시작된다. 안내관 튜브를 공급적치대에 적치해 놓으면, 경사진 튜브가이드(515)의 경사면을 따라 튜브가 측면방향으로 굴러 내려간다. 튜브는 튜브가이드 사이의 단에서 멈추게 되고, 단에 설치된 근접센서에 의해 감지된다.

상기에서 튜브가 감지되면, 작업대의 하부에 장착된 캠과 연결된 모터가 작동하게 되고 캠(512)이 회전하게 된다. 캠과 접촉하고 있는 종동체(513)는 상승하게 되고, 상사점에 이르게 되면, 종동체와 연결된 블럭(514)이 동시에 올라가서 튜브가이드의 단에 정지해 있는 튜브를 들어올려 단을 올라가게 한다.

단위로 올라간 튜브는 튜브가이드의 경사면을 따라 굴러 내려서 아직 하강하지 않은 블럭(514)에 막히게 되고, 캠이 회전하여 하사점에 이르게 되면 종동체와 블럭이 하강하게 되고, 튜브는 경사면과 단 사이에 형성된 수용공간인 홈에 수용되게 된다.

수용된 튜브는 근접센서에 의해 감지되고, 그리퍼(521)가 작동하여 튜브를 잡고, 축방향으로 전진(가공위치가 있는 방향이 전면)을 하게 된다. 튜브의 전진과 함께 스토퍼가 상승하게 되고, 스토퍼가 충분히 상승하면 그리퍼가 후진을 하게 된다. 그리퍼에 잡힌 튜브는 스토퍼(110)에 밀착될 때까지 후진한다.

튜브가 정지되면 튜브척(120)이 작동하여 튜브를 고정하고, 스토퍼(110)는 상단부분이 후진하고 그리퍼는 튜브를 풀어준다. 선반의 스핀들 모터(130)가 회전을 하고 가공면에 질소가스가 분사되며, 서보모터(150)가 작동하여 절삭공구가 부 착된 공구대(140)를 튜브측으로 전진시키며 튜브를 가공한다. 튜브의 가공은 튜브의 외경이 45°의 후퇴각을 가지도록 도 2a와 같이 가공한다.

가공이 완료되면 질소가스의 공급이 중단되고, 서보모터가 후진하며 튜브척이 풀리게 된다. 그리퍼가 튜브를 잡고 전진하면 스토퍼(110)가 하강하게 된다. 스토퍼가 완전히 하강하면 그리퍼(521)는 후진하여 튜브를 가공전의 위치로 다시 이송시키게 된다.

가공전의 홈에 수용되어 있는 위치에 도달하면, 캠장치의 작동에 의해 종동체(513) 및 블럭(514)이 상승하여 튜브를 홈에서 들어올려 단의 위로 올려 놓게 되고, 튜브는 튜브가이드(515)를 타고 굴러서 다음의 단에 형성된 홈까지 이동하여 홈에 수용된다.

수용된 튜브는 그리퍼(512)에 잡혀서 후진하게 되고, 후방에 고정되어 있는 스토퍼(610)의 수용부(611)에 수용되어 밀착하게 된다. 상기의 상태에서 프로브(621)를 포함하는 측정뭉치(620)가 전진하게 되고, 어느 정도 접근후 측정프로브가 전진하여 가공된 튜브의 길이를 측정한다.

측정이 완료되면 측정뭉치는 후진한다. 이때, 측정된 튜브의 길이가 적정치가 안되는 경우 작업이 조치를 취할 때까지 중단되며, 튜브의 길이가 적정한 경우 튜브는 캠장치에 의해 튜브가이드를 타고 다음 장치로 이송된다.

끝단이 가공된 튜브는 플랜지를 접합하는 장치에서 작업된다. 다시 상기의 이송과정과 마찬가지로 캠장치와 튜브가이드에 의해 다음 단에 형성된 홈까지 이송 된다.

그리퍼가 작동하여 튜브를 잡는다. 동시에 플랜지 공급부(200)의 메거진(210)에서 용기의 하단에 위치한 스토퍼(220)가 플랜지를 한개씩 나오게 하여 플랜지 이송블럭(230)에 플랜지가 한개씩 올려진다. 플랜지는 플랜지 이송블럭에 올려진채 공압실린더(240)에 의해 이송되어 튜브와 동축이 되는 위치까지 이송된다.

그리퍼는 튜브를 잡은채로 전진하여 플랜지가 튜브에 밀려 같이 전진하도록 이동한다. 플랜지와 튜브는 용접챔버내의 용접위치까지 이송된다.

튜브의 끝단 중 플랜지가 위치하는측의 반대측인 마개측 튜브실링장치(310)가 전진하고, 멘드렐뭉치(340)가 튜브측으로 이동한다. 멘드렐(343)과 튜브실링장치(310)에 의해 튜브와 플랜지는 클램핑되고, 그리퍼는 튜브를 놓는다.

튜브실링장치(310,320)가 작동하여 외부공기를 차단하여 챔버를 밀폐시킨다. 따라서 튜브는 완전히 밀폐되고, 진공밸브가 열려서 내부의 공기를 배출시켜 챔버와 튜브를 진공상태로 만든다.

챔버내에서 알곤가스밸브가 열리며 챔버를 알곤가스로 채우고, 용접토치뭉치(350)가 하강한다. 동시에 서보모터(360)가 작동하여 멘드렐을 회전시켜 플랜지와 튜브를 회전하게 한다. 회전하는 튜브와 플랜지의 접합면에 대하여 용접이 이루어지고, 그 후 냉각이 되며, 서보모터는 정지하게 되고, 용접토치는 상승하게 된다.

용접이 끝난 튜브에 대해 멘드렐이 풀리고 챔버측 실링장치가 해제되며, 끝단측 실링장치가 후퇴하여 분리된다. 그리퍼가 다시 튜브를 잡고 튜브를 후진시켜 용접하기 전의 튜브위치까지 튜브를 이송한다. 이후 상기와 같이 캠장치에 의해 튜브는 다음 단의 홈까지 이송된다.

이송된 튜브는 그리퍼에 의해 잡혀 스토퍼(730)에 의해 막히기 전까지 후진하게 된다. 후진된 튜브에 대해 튜브회전모터(722)가 하강하여 실린더(723)와 튜브와 맞닿게 되고, 모터의 회전에 의해 실린더(723)와 롤러(721)에 맞닿은 튜브는 회전하게 된다. 회전중에 측정 프로브가 전진하여 플랜지 부분의 흔들림을 측정하고 다시 후진한다.

흔들림까지 측정되면, 회전모터는 회전을 정지하고, 상승하게 된다. 그리퍼는 튜브를 다시 전진시켜 원래의 위치로 이송하고 튜브를 풀어주면 튜브는 캠장치에 의해 다음장치로 이송된다.

플랜지가 튜브에 접합이 되고 나면 튜브 내경가공부(400)에서 튜브의 내경이 가공된다. 상기에서 이송된 튜브는 캠장치와 튜브가이드에 의해 다음 단에 형성된 홈까지 이송된다.

이송된 튜브를 그리퍼가 잡고 전진하게 되고, 동시에 스토퍼(410)가 상승하게 된다. 스토퍼가 완전히 상승하면, 그리퍼는 후진하여 튜브가 스토퍼에 밀착되게 한다. 튜브가 스토퍼에 밀착되어 정지하면 튜브척이 튜브를 물고 그리퍼가 풀리게 된다.

튜브의 가공부위에 질소가스가 분사되고 절삭공구뭉치(430)가 모터에 의해 회전하며 튜브로 접근한다. 절삭공구는 튜브의 내경을 도 6b와 같이 가공하고, 가 공이 완료되면 가공장치는 후진하고, 질소가스의 분사도 중지된다.

가공이 완료된 튜브를 잡고 있던 척이 풀리고 그리퍼가 다시 튜브를 잡고 전진하며 스토퍼는 하강하게 된다. 스토퍼의 하강 후에 다시 그리퍼는 후진하고 튜브를 가공전의 위치까지 이송시킨 후에 튜브를 놓는다.

상기의 과정까지 완료된 튜브는 다시 캠장치에 의해 이송되어 튜브적치대에 적치된다.

한편, 본 발명은 상기의 장치들을 사용하여 안내관 튜브에 자동으로 플랜지를 접합하는 방법에 관한 것으로 다음의 공정으로 이루어진다.

튜브의 일측 끝단에 플랜지와 접합될 용접면을 가공하는 용접면 가공공정,

플랜지를 공급하여 튜브에 플랜지를 접합하는 플랜지 용접공정,

용접된 튜브에 형성된 돌출부를 제거하는 내경 가공공정이 차례대로 이루어지는 것을 특징으로 하고,

용접면 가공공정이 이루어진 후에 이루어지는 길이 측정공정을 더 포함하여 이루어지고,

플랜지 용접공정 후에 이루어지는 흔들림 측정 공정을 더 포함하여 이루어진다.

상기 접합면 가공공정은 접합면가공부(100)에서 자동으로 공급된 튜브에 플랜지를 접합하기 위하여 접합면을 가공하는 공정이다. 공급된 튜브를 선반으로 이 송하여 선반의 절삭공구로 튜브를 가공하여 튜브의 접합면을 튜브의 외경이 45°의 후퇴각을 가지도록 가공한다.

길이측정 공정은 접합면 가공후의 튜브의 길이를 측정하는 공정으로 길이측정부(600)의 측정프로브(610)에 의해 튜브의 길이를 측정한다. 측정된 길이가 허용치에 들어가면 다음공정으로 진행되지만, 허용치를 넘으면 공정을 정지하여 작업자가 조치를 취하여 잘못 가공된 튜브를 제거하면 다시 작업이 재개되는 것을 특징으로 한다.

플랜지 용접공정은 접합면이 가공된 튜브가 공급되면, 플랜지를 한개씩 튜브에 맞대어 튜브를 실링한후 용접챔버(330)에서 맞댄 부분을 용접하는 공정이다. 회전하는 튜브에 대하여 알곤가스에 의한 불활성 분위기 하에서 TIG 용접을 행하게 된다.

흔들림 측정 공정은 상기 플랜지 용접공정에 의해 접합된 플랜지가 튜브에 대하여 동축상에 고정되었는지 흔들림을 측정하는 공정이다. 본 공정은 흔들림 측정부(700)에서 이루어지며, 튜브 외경의 3점에서 튜브를 잡고 회전시켜 플랜지에 접촉하는 프로브(710)에 의해 흔들림을 측정한다. 측정결과 흔들림이 허용치에 들어가면 다음 공정으로 진행되지만, 허용치를 넘으면 공정을 정지하고 작업자에 의해 잘못 용접된 튜브를 제거하는 조치가 취해지면 다시 작업이 재개되는 것을 특징으로 한다.

내경 가공공정은 내경 가공부(400)에서 상기 플랜지 용접공정에서 플랜지와 튜브가 용접되어 접합될 때, 접합면의 일부가 녹아서 내경에 돌출부가 발생하는 경 우 돌출부를 제거하는 공정이다. 본 공정은 공급된 튜브를 고정시키고, 회전하는 절삭공구를 튜브에 삽입하여 튜브의 내경을 가공한다.

상기 공정들은 용접면 가공공정, 길이 측정공정, 플랜지 용접공정, 흔들림 측정공정, 내경 가공공정의 순서로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 반드시 상기의 장치들과 공정순서에 한정되지는 않는다. 비슷한 작용을 하는 장치를 사용하더라도 같은 결과가 나올 수 있다. 본 발명에서 도시한 것은 본 발명의 기술적 사상을 담고 있는 일 실시예에 불과하다.

이하 본 발명에 의해 달성되는 본 발명의 효과에 대해 살펴본다.

본 발명은 자동화에 적합하게 플랜지 접합방식을 억지끼워맞춤 용접방식이 아니라 맞대기 용접방식을 적용하여 자동화된 용접방식을 가질 수 있는 안내관 플랜지 자동접합장치 및 방법을 제공하였다.

따라서, 본 발명은 이송과정을 자동화하여 다량의 안내관 튜브를 힘들이지 않고 이송하게 하였고, 전 작업공정을 한번의 작동에 의해 이루어지게 자동화하여 생산성을 향상시켰다. 그 결과 다량의 안내관 튜브가 접합될 수 있게 되고, 작업자에게 발생할 수 있는 근골격계 질환을 방지할 수 있게 되었다.

또한, 본 발명은 생산성을 향상시키면 발생할 수 있는 품질의 저하를 방지하 도록 각 공정에서 정밀 측정하여 자동화에 의한 생산성 향상과 품질을 유지할 수 있도록 하여 최적화된 생산과정을 이룰 수 있게 하였다..

Claims (16)

1. 절삭공구뭉치(140)를 포함하는 접합면 가공부(100),

   메거진(210)과 이송블럭(230)과 공압실린더(240)를 포함하는 플랜지 공급부(200),

   튜브 실링장치(310,320)와 용접토치(350)를 포함하는 용접부(300),

   절삭공구뭉치(430)를 포함하는 내경 가공부(400),

   캠(512)을 포함하는 측면방향 이송수단(510)과 그리퍼(521)를 포함하는 축방향 이송수단(520)을 포함하여 구성된 이송부(500)를 포함하여 구성되고,

   접합면 가공부(100), 용접부(300), 내경 가공부(400)의 순서로 장치가 배열되고 용접부의 측면에 상기의 배열과는 별개로 플랜지 공급부(200)가 위치하고,

   접합면 가공부(100)과 용접부(300), 내경가공부(400) 사이에 각각 측면방향 이송수단(510)이 위치하며,

   접합면 가공부(100), 용접부(300), 내경가공부(400)에 각각 축방향 이송수단(520)이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
2. 제 1항에 있어서,

   측정뭉치(620)와 측정뭉치의 말단에 연결된 프로브(610)를 포함하여 이루어 진 길이 측정부(600)가 상기 접합면 가공부(100)에 이어서 배열되어 이루어진 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
3. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,

   회전모터(722), 회전모터의 하측에 위치하는 롤러(721)를 포함하는 튜브회전장치(720)와 회전모터의 전면에 위치하는 측정 프로브(710)와 회전모터의 후면에 위치하는 스토퍼(730)를 포함하여 이루어진 흔들림 측정부(700)를 더 포함하고,

   상기 흔들림 측정부는 상기 내경 가공부에 이어서 배열되어 이루어진 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 각 구성요소들 사이에 센서와 PLC를 포함하여 이루어진 제어부를 더 포함하여 이루어진 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
5. 제 1항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이송부(500)는 튜브의 측면방향으로의 이송을 담당하는 측면 이송수단(510)과 튜브의 축방향 이송을 담당하는 축방향 이송수단(520)으로 구성되며,

   상기 측면 이송수단(510)은 튜브를 1개씩 다음 공정으로 옮겨주는 캠(512)과 모터(511)와 캠에 접하고 연동되는 종동체(513)로 이루어진 캠장치, 튜브의 경로가 되는 다수개의 평행하고 일방으로 경사진 플레이트들로 튜브의 진행방향으로 단지어 배치되어 이루어진 튜브가이드(515)를 포함하여 이루어지고,

   상기 축방향 이송수단(520)은 몸체와 팔(522)로 이루어진 튜브를 붙잡아 축방향으로 전진 및 후진시키는 그리퍼(521), 그리퍼의 전진과 후진을 시키는 그리퍼의 후면에 연결된 공압 실린더(524)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
6. 제 1항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이송부(500)는 튜브의 측면방향으로의 이송을 담당하는 측면 이송수단(510)과 튜브의 축방향 이송을 담당하는 축방향 이송수단(520)으로 구성되며,

   상기 측면 이송수단(510)은 튜브를 1개씩 다음 공정으로 옮겨주는 캠(512)과 모터(511)와 캠에 접하고 연동되는 종동체(513)로 이루어진 캠장치, 튜브의 경로가 되는 다수개의 평행하고 일방으로 경사진 플레이트들로 튜브의 진행방향으로 단지어 배치되어 이루어진 튜브가이드(515)를 포함하여 이루어지고,

   상기 축방향 이송수단(520)은 몸체와 팔(522)로 이루어진 튜브를 붙잡아 축방향으로 전진 및 후진시키는 그리퍼(521), 그리퍼의 전진과 후진을 시키는 그리퍼의 하측에 연결된 풀리(526)와 모터(525)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 접합면 가공부(100)는 절삭대의 전면에 위치하는 스토퍼(110), 공구뭉치의 전면에 위치하는 튜브척(120), 스핀들 모터(130)와 절삭공구와 공구대를 포함하여 이루어지는 공구뭉치(140), 공구뭉치의 후면에 위치하는 서보모터(150)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고,

   상기 내경가공부(400)는 절삭대의 전면에 위치하는 스토퍼(410), 공구뭉치의 전면에 위치하는 튜브척(420), 절삭공구와 공구대를 포함하여 이루어지는 공구뭉치(430), 공구뭉치의 후면에 위치하는 서보모터(440)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 플랜지 공급부(200)는 유입구과 유출구가 있는 메거진(210), 메거진의 하부에 유출구를 개폐하도록 장착된 스토퍼(220), 스토퍼의 하부에 위치한 플랜지 이송블럭(230), 이송블럭과 연결된 공압실린더(240)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 용접부(300)는 튜브 실링수단(310,320), 용접챔버(330), 용접챔버의 후면에 연결된 멘드렐장치(340), 용접챔버의 상측에 연결된 용접토치뭉치(350), 용접챔버의 측면에 위치한 서보모터(360)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 튜브 실링수단은 용접대의 전면에 용접챔버와 마주하는 마개측 실링장치(310)와 용접챔버의 내부 전면에 형성된 튜브 유입구에 장착된 챔버측 실링장치(320)로 구성되며,

    상기 마개측 실링장치(310)는 상부에 튜브의 내부로 삽입될 수 있고 말단에 실링용 링(312)이 장착된 실링 바(311)를 포함하고 하부에 모터(313)와 풀리(312), 레일(315)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,

    상기 챔버측 실링장치(320)는 용접챔버의 튜브 삽입구에 부착된 부피가 증가하는 링을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 안내관 플랜지 자동접합장치.
11. 제 9항에 있어서,

    상기 멘드렐 장치(340)는 용접챔버의 후면에 삽입된 멘드렐 뭉치(343)와 용접챔버의 후면에 마주하는 공압실린더(341), 상기 멘드렐 뭉치와 공압실린더(31)를 연결하는 커넥팅로드(342)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
12. 제 9항에 있어서,

    상기 용접토치뭉치(350)는 용접토치(351), 용접토치의 측면에 위치한 공압실린더(352), 상기 공압실린더(352)와 용접토치(351)를 연결하는 커넥팅로드(353)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합장치.
13. 튜브의 일측 끝단에 플랜지와 접합될 용접면을 가공하는 용접면 가공공정,

    플랜지를 공급하여 튜브에 플랜지를 접합하는 플랜지 용접공정,

    용접된 튜브에 형성된 돌출부를 제거하는 내경 가공공정이 차례대로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합방법.
14. 제 13항에 있어서,

    용접면 가공공정이 이루어진 후에 이루어지는 길이 측정공정을 더 포함하여 이루어지고,

    상기 길이측정 공정은 가공후 길이가 허용치에 들어가면 다음공정으로 진행되지만, 허용치를 넘으면 공정을 정지하는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합방법.
15. 제 13항 또는 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,

    플랜지 용접공정 후에 이루어지는 흔들림 측정 공정을 더 포함하여 이루어지고,

    상기 흔들림 측정 공정은 측정결과 흔들림이 허용치에 들어가면 다음공정으로 진행되지만, 허용치를 넘으면 공정을 정지하는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합방법.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 공정들은 용접면 가공공정, 길이 측정공정, 플랜지 용접공정, 흔들림 측정공정, 내경 가공공정의 순서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료집합체의 안내관 플랜지 자동 접합방법.

Images