KR20110039983A - 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법 - Google Patents

지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법은, 강관의 둘레에 장착될 수 있도록 폐쇄시 원형 구조를 갖는 파지 장치와, 이 파지 장치의 한쪽 측면에 원통형 구조로 돌출되게 구비된 주행 레일과, 다관절 구조를 갖는 로봇암들이 연속적으로 연결되고 상기 주행 레일을 따라 강관의 둘레를 이동하면서 강관 연결부 외면을 자동으로 원주 용접하는 다관절 자동용접로봇을 포함하여 구성됨으로써, 협소한 시공 공간에서도 용이하게 용접작업을 실시할 수 있고, 강관 연결부 외면 용접시에 용접 품질 및 용접 작업성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
강관, 로봇, 다관절, 로봇암, 파지, 연결 장치, 무게 중심

Description

지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법{Device for automatically welding outside-joint portion of steel pipes using intelligent robot and method for automatically welding thereof}
본 발명은 대형 강관을 직렬로 연결한 상태에서 강관 외면 연결부를 용접하는 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법에 관한 것이다.
본 출원인은 강관 연결 시공시에 이용되는 강관 외면 자동용접장비의 연구 개발의 성과를 바탕으로 다수의 발명을 특허출원하여, 강관의 외면접합부 용접장치(특허 0829993호), 강관의 외면자동용접장치(특허 0808914호), 현장공사의 티그(ＴＩＧ) 자동 용접 장치 및 방법(특허 0739104호), 강관의 티그 자동용접장치(특허 0739109호), 강관 외면 용접 로봇의 자동주행장치(특허 0778275호), 강관 연결용 티그(ＴＩＧ) 자동용접장치(특허 0889585호), 강관 자동용접기의 주행장치(특허 0829993호) 등을 특허받은 바 있다.
이들 특허발명의 강관 외면 자동용접장치들은, 용접 토치를 X, Y, Z 방향의 직선 운동과 θ방향의 회전 운동을 조합하여 강관 연결부 외면을 원주 용접하는 장치이다.
상기한 바와 같은 본 출원인의 특허발명을 포함한 종래 강관 외면 자동용접장치들은, 대형 강관의 둘레에 장착되므로 상당한 크기와 하중을 갖게 되는데, 대부분 크레인 등의 인양 장비를 이용하여 이송하게 된다. 이때 경사지게 배열된 강관의 둘레에 강관 외면 자동용접장치를 장착하기 위해서는 강관 외면 자동용접장치도 경사지게 위치시킨 상태에서 강관의 둘레에 장착하여야 하나, 상당한 크기와 하중을 갖는 강관 외면 자동용접장치를 작업자가 직접 밀면서 경사지게 위치시킨 상태에서 장착하여야 하는 등 강관에 강관 외면 자동용접장치를 장착하는 작업이 쉽지 않을 뿐만 아니라, 안전사고 발생 가능성도 존재하는 문제점이 있다.
또한, 본 출원인의 특허발명을 포함한 종래 강관 외면 자동용접장치들은, 대형 강관 시공시에 배관 설치 작업 및 용접 등을 자동으로 시행하여 시공성, 경제성, 안전성 등을 크게 향상시키는 효과가 있었으나, X,Y,Z 3축 직선 이동 방식에 θ 축 회전 방식을 이용하여 용접할 수 있도록 구성되므로, 강관 용접이 원주 용접을 구현하여야 하는 특수성을 감안할 때, 보다 정밀하고 우수한 관로 용접 작업을 실현하는데 한계가 있고, 협소한 강관 시공 공간에서는 사용이 어려운 한계가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 지능형 다관절 자동용접로봇을 이용하여 강관의 외면을 용접하도록 구성함으로써 용접 정밀도를 향상시킴과 아울러 협소한 시공 공간에서도 작업이 가능할 수 있도록 하여, 용접 품질 및 용접 작업성을 향상시킬 수 있는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법을 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은, 인양 장비를 이용하여 장비를 인양하여 장착할 때, 간단한 구조로 평지 관로 설치 구간은 물론 경사 관로 설치 구간에서도 보다 용이하게 관로 연결 시공 작업에 이용할 수 있는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치는, 강관의 둘레에 장착될 수 있도록 폐쇄시 원형 구조를 갖는 파지 장치와; 상기 파지 장치의 한쪽 측면에 원통형 구조로 돌출되게 구비된 주행 레일과; 다관절 구조를 갖는 로봇암들이 연속적으로 연결되고, 상기 주행 레일을 따라 강관의 둘레를 이동하면서 강관 연결부 외면을 자동으로 원주 용접하는 다관절 자동용접로봇을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 파지 장치는, 그 상단부에 인양 장비를 이용하여 강관 외면 자동용접장 치를 인양하거나 이동시킬 수 있도록 연결 장치가 구비되되, 상기 연결 장치는 경사 구간의 관로 시공시에 경사 구간에 배치된 강관의 경사도에 따라 상기 파지 장치를 경사지게 위치시킨 상태에서 강관의 둘레에 장착할 수 있도록 인양 장비와 연결되는 부분의 위치를 강관의 경사도에 따라 변화시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 연결 장치는, 상기 파지 장치의 상부에 구비되는 고정 플레이트와, 상기 고정 플레이트의 상부에 수직 방향으로 세워지고 강관의 길이 방향으로 길게 연장되어 인양 장비와 연결되는 다수의 연결홀들이 형성된 연결 플레이트를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 다관절 자동용접로봇은 상기 주행 레일을 따라 이동할 수 있도록 설치된 주행 바디와, 상기 주행 바디가 주행 레일을 따라 이동하도록 구동력을 제공하는 구동부와, 상기 주행 바디에 지지되고 다관절 구조를 갖는 로봇암들로 구성되는 다관절 로봇과, 상기 다관절 로봇의 끝단부에 구비되어 용접 토치가 장착되는 토치 클램프를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 다관절 자동용접로봇은 연속된 6관절 로봇암을 이용하여 강관 외면의 자동 원주 용접이 가능하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 다관절 로봇은, 상기 주행 바디에 수직으로 세워진 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 전면에 지지된 로봇 베이스와, 상기 로봇 베이스의 전방에 제1축으로 수평 방향으로 연결된 제1암과, 제1암의 측면에서 제2축으로 연결된 제2암과, 제2암의 끝단부에 측면 방향으로 제3축으로 연결된 제3암과, 제3 암에 제4축으로 회전 가능하게 연결된 제4암과, 제4암의 끝단에서 제5축으로 연결된 제5암과, 제5암의 끝단부에 제6축으로 회전 가능하게 연결되어 끝단부에 토치 클램프가 장착되는 제6암을 포함하고; 상기 각각의 축에는 모터가 연결되어 각각의 로봇암들을 회전 작동시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
다음, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치를 이용한 자동용접방법은, 상기 강관 외면 자동용접장치를 이용한 자동용접방법으로서, 강관 외면 자동용접장치를 이송하여 상호 연결된 강관 둘레에 장착하는 제1단계와; 제1단계 후에, 조작 단말기를 이용하여 강관의 용접 작업 조건에 따라 제어 유닛에 이미 등록되어 있는 프로그램 중 하나를 선택하는 제2단계와; 제2단계 후에, 다관절 자동용접로봇을 강관의 둘레를 따라 이동시키면서 용접 토치를 이용하여 강관 외면의 다수의 용접 포인트에 티칭 작업을 실시하여 용접 위치를 정확하게 입력하는 제3단계와; 제3단계에서 입력된 티칭 작업에 따른 용접 위치를 용접 기준점으로 인식시키는 프리 마스터를 실행하는 제4단계와; 제4단계에서 인식된 용접 기준점을 중심으로 제2단계에서 선택된 프로그램에 따라 다관절 자동용접로봇이 강관 둘레를 따라 이동하면서 강관 외면 연결부를 자동 용접하는 제5단계를 포함한 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계에서, 인양 장비를 이용하여 강관 외면 자동용접장치를 이송할 때, 관로 시공 구간에 배열된 강관의 경사도에 따라 파지 장치의 경사도를 조절한 상태에서 이송한 후에 강관의 둘레에 장착하는 것이 바람직하다.
상기 제5단계에서, 강관의 최저점을 중심으로 좌우 방향 상측으로 각각 180°구간을 순서대로 용접하는 것이 바람직하다.
이때, 보다 신속한 용접 진행을 위해 상기 강관 연결부를 좌우 양측 180° 구간으로 나누어 용접할 때, 상기 주행 레일에 두 개의 다관절 자동용접로봇을 장착하여 좌우 양측 180° 구간을 각각 용접하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.
본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치 및 이를 이용한 자동용접방법은, 지능형 다관절 구조를 갖는 자동용접로봇을 이용하여 강관의 외면을 자동 용접할 수 있도록 구성되기 때문에 전체 용접 장비의 회전 반경이 축소되어 협소한 시공 공간에서도 용이하게 용접 작업이 가능하고, 다관절 로봇을 이용한 자동 용접으로 용접 정밀도도 향상시킬 수 있게 되므로, 강관 외면 연결부의 용접 품질 및 용접 작업성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은, 파지 장치의 상부에 구비된 연결 장치를 경사 조절 조건에 따라 전체 장비의 무게 중심을 변화시킬 수 있도록 구성되기 때문에 간단한 구조로 평지(수평) 관로 설치 구간은 물론 경사 관로 설치 구간에서 보다 용이하게 장비를 장착할 수 있게 되어, 강관 연결 시공시에 시공성 및 작업성 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치가 도시된 도면들로서, 도 1은 수평 인양 및 장착 상태의 측면도, 도 2는 경사 인양 및 장착 상태의 측면도, 도 3은 정면도이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명에서 다관절 자동용접로봇의 측면 및 정면 상세도이고, 도 6은 용접 부대 장비를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치는, 강관(P)의 둘레에 장착될 수 있도록 폐쇄시 원형 구조를 갖는 파지 장치(210)와, 이 파지 장치(210)의 한쪽 측면에 구비된 주행 레일(240)과, 이 주행 레일(240)을 따라 이동하면서 강관 연결부 외면에 자동 원주 용접을 실시하는 다관절 자동용접로봇(250)으로 이루어진다.
이러한 본 발명의 주요 구성 부분은 상세히 설명한다.
먼저, 파지 장치(210)에 대하여 설명한다.
파지 장치(210)는 측면에서 보았을 때, 도 1에서와 같이 전체적으로 양측 링형 플레이트(212) 사이에 잠금 장치(230), 고정 장치(233) 등 여러 기구 장치들이 설치되는 구성으로 이루어진다. 여러 기구 장치들에 대해서는 다음에 자세히 설명한다.
상기 파지 장치(210)는 도 3에서와 같이 크게 반원형 구조를 가진 상부 몸체(216)와, 상기 상부 몸체(216)의 양단부에 회전 가능하게 각각 연결되고 양 끝단부가 서로 잠가질 수 있게 구성되는 쿼터형 몸체(216, 217)로 이루어진다.
즉, 상기 상부 몸체(216)는 원형 구조에서 1/2의 크기로 분할되고, 쿼터형 몸체(216, 217)는 1/4의 크기로 분할되어, 상호 조립됨으로써 강관의 둘레를 파지할 수 있도록 전체적으로 원형 구조를 이루게 된다.
상부 몸체(216)의 상측에는 도 1을 참조하면, 크레인 등의 인양 장비를 이용하여 강관 외면 자동용접장치를 인양하거나 이동시킬 수 있도록 연결 장치(220)가 구비된다.
이 연결 장치(220)는 경사구간 시공시에 강관 외면 자동용접장치를 경사지게 위치시킨 상태에서 강관의 둘레에 장착할 수 있도록 구성되는데, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 파지 장치(210)의 상부에 구비되는 고정 플레이트(221)와, 이 고정 플레이트(221)의 상부에 수직 방향으로 세워지고 강관의 길이 방향으로 연장되어 전체적으로 'ㄱ'자형 구조로 배치되는 연결 플레이트(223)로 구성된다.
특히 연결 플레이트(223)에는 다수의 연결홀(224)들이 일렬로 배열되게 형성되어 인양 장비와의 연결 부분을 적절하게 선택함으로써 강관 외면 자동용접장치의 인양 및 강관 장착시에 강관의 경사도에 따라 경사 이송 상태를 조절할 수 있게 된다.
본 실시예를 참조하기 위한 도면에서는 연결홀(224)의 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 인양 장비와 연결될 수 있는 구조이면 돌출 고리 등 다른 구조로 변경하여 실시하는 것도 가능하다.
도 1 및 도 2에서, 참조 번호 225는 인양 장비로부터 연결된 인양 로프 등 연결 부재를 나타낸다.
연결 장치(220)는 필요에 따라 도면에 예시된 방향과 반대 방향(도 1의 점선 방향)으로 회전시켜 조립할 수 있도록 구성될 수도 있다. 이는 고정 플레이트(221) 또는 연결 플레이트(223)에서 이에 연결된 파지 장치(210)의 구조물과의 사이에 체결된 볼트를 풀어서 연결 장치(220)를 반대 방향으로 회전시킨 후에 다시 볼트를 체결하는 방식으로 구성할 수 있다. 따라서 경사 방향(좌측 또는 우측)에 따라 연결 장치(220)의 조립 방향을 변경함으로써 보다 용이하게 본 발명의 강관 외면 자동용접장치를 경사지게 위치시킨 상태에서 강관에 장착하거나 분리하는 작업이 가능해지게 된다.
연결 장치(220)의 좌우 위치 변경은, 볼트 조립 구조에 한정되지 않고, 상부 몸체(215)로부터 연결 장치를 회전시킨 후에 다시 고정하는 방식으로 구성하는 것도 가능하다.
상기 상부 몸체(216)와 쿼터형 몸체(216, 217)의 연결부분 사이에는 파지 장치(210)를 강관(P)의 둘레에 결합시킬 때, 쿼터형 몸체(216, 217)를 벌린 상태에서 다시 모아지도록 하기 위한 개폐 장치(226)가 구비된다.
상기 개폐 장치(226)는 유압 실린더(227)로 구성되며, 상기 상부 몸체(216)와 양쪽 쿼터형 몸체(216, 217) 사이에 연결되게 구비된다. 물론 상기 상부 몸체(216)와 쿼터형 몸체(216, 217)의 연결부에는 쿼터형 몸체(216, 217)가 개폐 장치(226)에 의해 회전할 수 있도록 힌지(228)가 각각 구비된다.
상기 양쪽 쿼터형 몸체(216, 217)의 상호 마주하는 끝단부에는 강관에 둘레에 결합될 때, 벌어지는 것을 방지할 수 있도록 잠금 장치(230)가 구비된다. 양쪽 쿼터형 몸체(216, 217)의 결합부가 상호 결합된 상태에서 잠금 장치(230)를 구성하는 록킹 핀(231)이 록킹 실린더(232)의 작동으로 양측 쿼터형 몸체(216, 217)의 결합부에 함께 결합함으로써 잠금 작동이 실현될 수 있도록 구성된다.
상기 파지 장치(210)에서 양쪽 링형 플레이트(212) 사이에는 강관(P)의 둘레에 강관 외면 자동용접장치를 안정적으로 장착하기 위한 복수의 고정 장치(233)들이 구성된다.
고정 장치(233)는 상기 파지 장치(210)에서 복수개가 일정 간격마다 설치되는 것이 바람직한 바, 도면에서는 8개가 설치된 구조를 예시하고 있다. 이러한 고정 장치(233)는 유압에 의해 작동하는 고정 실린더(234)가 구비되며, 실린더(234)의 끝단부에 밀착 패드(235)가 부착되어 강관의 외면에 밀착될 수 있게 구성된다.
다음, 파지 장치(210)의 측면에 구비된 주행 레일(240)에 대하여 설명한다.
주행 레일(240)은 파지 장치(210)의 측면에서 원통상으로 돌출되는 레일 플 레이트(241)와, 이 레일 플레이트(241)의 둘레에 설치되는 레일부(243)로 이루어진다.
여기서 상기 레일 플레이트(241) 및 레일부(243)는 상기 파지 장치(210)에서 상부 몸체(216), 쿼터형 몸체(216, 217)와 동일하게 나누어져 구성되며, 상기 레일부(243)는 상기 다관절 자동용접로봇(250)의 원활한 이동을 위해 기어 구조를 갖는 판형 부재로 구성되는 것이 바람직하다.
이러한 주행 레일(240)은 실시 조건에 따라 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
다음, 상기 주행 레일(240)을 따라 이동하면서 강관 외면에 자동 용접을 실현하는 다관절 자동용접로봇(250)에 대하여 설명한다.
다관절 자동용접로봇(250)은 연속된 6관절 로봇암을 이용하여 자유롭게 구동하면서 강관 외면에 용접이 가능하도록 구성된 것으로서, 크게 주행 바디(251), 구동부(253), 다관절 로봇(255), 용접 토치(260)로 이루어진다.
주행 바디(251)는 다관절 로봇(255)을 지지한 상태에서 레일부(243)에 결합되어 레일부(243)를 따라 원주 방향으로 주행이 가능하도록 이루어진다. 이러한 주행 바디(251)에는 주행 레일(240)을 따라 이동 가능하면서 주행 레일(240)에서 이탈되지 않도록 하는 가이드 결합부가 구성될 수 있다. 또한 가이드 결합부 대신에 자성체를 이용하여 주행 바디(251)가 주행 레일(240) 측에 밀착된 상태에서 주행이 가능하도록 구성하는 방식도 가능하다.
구동부(253)는 주행 바디(251)에 구비되어 주행 바디(251)가 레일부(243)를 따라 이동할 수 있도록 구동 모터와, 이 레일부(243)에 결합되어 구동 모터에 의해 회전하는 주행 기어로 이루어질 수 있다. 주행 기어는 도면에 구체적으로 예시하지는 않았지만 레일부(243)에 형성된 기어치에 치합되어 회전함으로써 다관절 자동용접로봇(250)을 주행 레일(240)을 따라 이동시킬 수 있도록 구성된다.
이와 같은 주행 바디(251)와 구동부(253)는 본 출원인이 개발하여 특허받은 특허 0778275호(강관 외면 용접 로봇의 자동주행장치), 또는 특허 0829993호(강관 자동용접기의 주행장치) 등에 개시된 주행 장치들 중 어느 하나를 적용하여 구성할 수 있다. 이때 상기한 주행 레일(240)의 구성도 상기 특허 발명의 구성과 동일하게 적용됨은 물론이다. 따라서 구체적인 주행 바디(251), 구동부(253), 주행 레일(240) 등의 구조 설명은 생략한다.
다관절 로봇(255)은, 다관절 구조로 연결된 로봇암을 이용하여 용접 토치(260)를 강관 외면 둘레에 원주 방향으로 자유롭게 이동시키면서 강관 외면 연결부의 용접이 가능하도록 구성된다. 이러한 다관절 로봇(255)은 매니퓰레이터(Manipulator) 방식으로 이루어지는데, 본 실시예의 도면에서는 로봇 베이스(257)에 연결된 6관절 로봇암 구조를 예시한다. 로봇 베이스(257) 및 각각의 로봇암(A1~A6)들 사이에는 각 로봇암의 회전 방향으로의 자유도 구현을 위한 축(X1~X6)들이 설치되어, 총 6자유도(6축) 구현이 가능한 다관절 로봇(255) 구조를 예시하고 있다.
이러한 6관절 로봇 구조는 하나의 바람직한 예시에 불과하며, 반드시 이에 한정되지 않고 6관절 이하 또는 이상의 로봇 암 구조로 구성하는 것도 가능함은 물론이다.
다관절 로봇(255)은 주행 바디(251)에 수직으로 세워진 베이스 플레이트(256)와, 이 베이스 플레이트(256)의 전면에 지지된 로봇 베이스(257)와, 이 로봇 베이스(257)의 전방에 제1축(X1)으로 대략 수평 방향으로 연결된 제1암(A1)과, 제1암(A1)의 측면에서 제2축(X2)으로 연결된 제2암(A2)과, 제2암(A2)의 끝단부에 측면 방향으로 제3축(X3)으로 연결된 제3암(A3)과, 제3암(A3)에 제4축(X4)으로 회전 가능하게 연결된 제4암(A4)과, 제4암(A4)의 끝단에서 제5축(X5)으로 연결된 제5암(A5)과, 제5암(A5)의 끝단부에 제6축(X6)으로 회전 가능하게 연결된 제6암(A6)으로 구성된다.
여기서, 각각의 축(A1~A6)에는 모터가 설치되어 각각의 암(A1~A6)이 회전 작동될 수 있도록 구성되며, 상기 제6암(A6)의 끝단에는 용접 토치(260)가 장착될 수 있도록 토치 클램프(262)가 구비된다.
토치 클램프(262)는 다관절 로봇(255)에서 탈장착이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하고, 송급 와이어, 용접 가스, 냉각 유체, 용접 전원 등이 연결될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성되는 다관절 자동용접로봇(250)은 상기 주행 바디(251)에 지지된 상태에서 용접 제어부 즉, 후술할 로봇제어 콘트롤박스(273)에 입력된 제어 프로그램(JOB)에 의해 제어되면서 강관의 외면 연결부를 자동 용할 수 있도록 구성되는 것이다.
다관절 자동용접로봇(250)의 구체적인 용접 제어 방법에 대해서는 아래에서 자세히 설명한다.
다음, 상기에 설명한 바와 같은 강관 외면 자동용접장치와는 별도로, 장비를 지원하기 위한 각종 부대 장비(270)가 추가로 구비된다.
본 발명에 따른 강관 외면 자동용접장치의 부대 장비는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 다관절 자동용접로봇(250)의 제어 작동을 구현하는 로봇제어 콘트롤박스(273)와, 용접 토치(260) 및 용접 토치 주변에 설치된 송급 와이어, 용접 가스, 냉각 유체, 용접 전원 등을 제어하는 용접제어 콘트롤러(274)와, 용접 토치(260)에 냉각수를 제공하는 냉각유닛(275)과, 파지 장치(210)에 구비된 유압 작동 요소에 압유를 제공하는 유압장치(276)와, 다관절 자동용접로봇(250) 등에 제공되는 전원 및 각종 제어 요소의 구동을 위한 제어하는 메인파워 구동유닛(272) 등이 구비된다.
이러한 로봇제어 콘트롤박스(273), 용접제어 콘트롤러(274), 냉각유닛(275), 유압장치(276), 메인파워 구동유닛(272) 등은 별도의 부대 장비 탑재 기구에 탑재되어 함께 구성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 로봇제어 콘트롤박스(273), 용접제어 콘트롤러(274), 메인파워 구동유닛(272) 등 본 발명의 장치를 제어하는 모든 구성 요소를 무선 시스템으로 제어할 수 있도록 무선 리모콘이 구비되는 것이 바람직하다. 물론, 무선 시스템에 한정되지 않고 유선 리모콘 방식으로 구현하는 것도 가능하다. 이하 무선 리모콘 또 는 유선 리모콘을 조작 단말기(279)로 통합하여 설명한다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치를 이용한 본 발명의 자동용접방법에 대하여 설명한다.
먼저, 강관 외면 자동용접장치를 이송하여, 정형이음장치 등을 이용하여 상호 연결된 강관(P) 둘레에 장착한다.
이때, 관로가 수평으로 연결된 구간에서는, 도 1에서와 같이 크레인 등의 인양 장비의 연결 부재(225)가 강관 외면 자동용접장치가 대략 수직으로 위치되도록 연결하고, 관로가 경사지게 연결된 구간에서는, 도 2에서와 같이 인양 장비의 연결 부재(225)가 강관 외면 자동용접장치의 센터에서 벗어난 위치에 연결되도록 함으로써 본 발명의 강관 외면 자동용접장치가 기울어진 상태 즉, 경사진 상태로 인양 및 이송되어 경사지게 배열된 강관 둘레에 장착될 수 있도록 한다.
다음, 상기와 같은 방법으로 강관 외면 자동용접장치를 한 쪽 강관의 둘레에 장착되면, 유압장치(276)로부터 유압 관로를 연결한 상태에서 잠금 장치(230)를 이용하여 파지 장치(210)를 강관 둘레면에 고정하고, 또 고정 장치(233)의 고정 실린더(234)를 작동하여 강관 외면 자동용접장치를 강관의 외면에 완전히 고정시킨다.
다음, 상기와 같이 하여, 파지 장치(210)가 한 쪽 강관 둘레에 완전히 고정되어 장비의 세팅이 완료되면, 전원 케이블, 용접 관련 선로 등을 다관절 자동용접로봇(250) 측에 연결하고, 메인파워 구동유닛(272)에 전원을 연결한다.
다음, 다관절 자동용접로봇(250) 등을 제어하는 조작 단말기(279)의 파워 스 위치를 조작하여 메인파워 구동유닛(272)에 전원을 투입한다.
다음, 로봇제어 콘트롤박스(273), 용접제어 콘트롤러(274) 등에도 전원을 투입하고, 강관 용접 조건에 따라 원하는 용접 작업 프로그램(JOB)을 선택한다. 즉, 도 7a, 도 7b, 도 7c에 순서대로 도시된 바와 같이, 조작 단말기(279)의 조작버튼 또는 터치화면에서 서보 온(Servo on) 버튼을 누르면 서보 전원이 유효해지고, 서보 전원이 인가되면 서보 온 레디(Servo on ready)가 점등한다. 이후 단말기의 버튼 또는 터치화면에서 강관의 관경 및 두께, 용접 횟수 등 용접할 강관의 용접 작업 조건에 따라 이미 등록(프로그래밍)되어 있는 프로그램(JOB) 중 하나를 선택한다.
도 7d는 선택된 프로그램(JOB), 예를 들면 2600mm - 오른쪽 - 1pass 용접에서 전류(A),전압(V), 위빙 조건 등이 디스플레이 된 상태를 보여준다.
다음, 다관절 자동용접로봇(250)을 구동하여 용접 토치(260)를 용접 작업을 실시할 강관 외면의 용접 포인트에 티칭 작업을 실시하여 용접 위치를 정확하게 입력한다. 이는 선택된 프로그램(JOB)에 이미 입력되어 있는 강관의 진원도와 실제 강관 연결부 외면 진원도가 반드시 일치한다고 볼 수 없기 때문에 용접 기준점을 적절하게 설정(등록)하기 위해 용접 포인트 티칭을 실시한다. 이때 티칭 지점은 도 7e에 도시된 바와 같이 강관 용접부의 상, 하, 좌, 우 포인트를 티칭하는 것이 바람직하다.
포인트 티칭 방법은 용접 토치(260)를 강관의 외면에 근접시킨 상태에서 아크를 발생시키면, 용접 토치(260)에 함께 구비된 아크 센서에 의해 아크 발생 상태 를 측정하고, 이때 다관절 자동용접로봇(250)의 위치 인식을 통해 용접 포인트를 인식하는 방법을 이용할 수 있다.
다음, 상기와 같이 하여 다수의 용접 포인트에 티칭 작업이 완료되면, 프리 마스터(Pre master)를 실행시켜, 티칭 위치를 용접 기준점으로 인식시킨다.
도 7f에서는 프리 마스터 실행으로 상,하,좌,우의 4포인트(UP, DOWN, LEFT, RIGHT)를 기준점으로 인식한 상태를 보여준다.
다음, 조작 단말기(279)에서 플레이 버튼을 누르면 다관절 자동용접로봇(250) 및 용접 토치(260) 등이 로봇제어 콘트롤박스, 용접제어 콘트롤러 등의 제어 작동에 의해 좌우 180° 구간을 차례로 이동하면서 자동으로 강관 외면 연결부에 용접을 실시한다.
이때 용접 방향은, 도 7g에 도시된 바와 같이 강관의 최저점인 하 위치(DOWN POSITION)를 중심으로 좌우 방향 상측으로 각각 180°구간을 순서대로 용접한다. 도 7g에서는 2600A*19T 규격의 강관 용접 상태를 보여주는 것으로서, 좌 1pass, 우 1pass, 좌 2pass, 우 2pass, 좌 3pass, 우 3pass 순으로 전체적으로 3 Pass 용접시 용접 순서 및 방향을 예시한 도면이다.
도면에서 용접 방향은 상진 용접 방법을 중심으로 설명하였으나, 실시 조건에 따라서는 하진 용접 방법으로 실시하는 것도 가능하다. 하진 용접시에는 강관의 최상부를 중심으로 좌우 방향 양측으로 각각 180°구간을 순서대로 용접한다.
여기서 용접 품질을 높이기 위해 도 7g에 예시된 바와 같은 상진 용접시에는 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 용접 방법을 이용하여 것이 바람직하고, 보다 신속 한 용접을 위하여 하진 용접시에는 GMAW(Gas Metal Arc Welding) 용접 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명은 다관절 자동용접로봇을 이용하게 되므로, 하진 용접시에도 종래에 사용한 용접 방법보다 우수한 용접 품질을 확보할 수 있게 된다.
다음, 상기와 같은 과정으로 자동 용접을 실시한 후에, 용접 작동이 완료되면, 용접 프로그램에 의해 자동으로 용접 작동이 정지된다.
이후, 상기와 같은 과정을 통해 하나의 강관 연결부의 용접 작업이 완료되면, 다음 강관 연결부의 용접 위치로 차체를 이동시킨 후, 위치를 고정시키고, 도 7h에서와 같이 티칭 작업 없이 바로 조작 단말기(279)에서 오토 마스터(AUTO MASTER)를 실행시키면 상기 프리 마스터 실행으로 인식한 4포인트에 근거하여 전 용접 포인트와의 위치를 계산하여 자동으로 용접 포인트를 계산하여 도 7g에 도시된 바와 같은 순서로 자동 용접을 실시한다.
여기서 티칭 작업을 생략하는 이유는 위에서 실시한 티칭 작업으로 실제 강관의 용접 기준점을 설정하였으므로, 동일 규격의 연속된 강관 내에서는 티칭 작업을 생략하고, 초기 티칭 작업하여 인식한 용접 포인트에 근거하여 용접을 실시하는 것이다. 물론, 추가 티칭 작업을 실시한 후에 용접 기준점을 재확인 또는 재설정하고 상기한 바와 같은 순서로 용접 작업을 진행하는 것도 가능하다.
한편, 강관 외면 자동용접장치를 이용하여 보다 신속하게 용작 작업을 진행하기 위해서는, 도 8에 도시된 바와 같이 하나의 파지 장치(210) 및 주행 레 일(240)에 두 개의 다관절 자동용접로봇(250A)(250B)을 장착하여 동시에 용접할 수 있다. 즉, 주행 레일(240)에 두 개의 다관절 자동용접로봇(250A)(250B)을 장착한 상태에서 한 쪽 다관절 자동용접로봇(250A)으로 강관 연결부의 한 쪽 반원 구간(180° 구간)을 용접하고, 다른 쪽 다관절 자동용접로봇(250B)으로 강관 연결부의 다른 쪽 반원 구간(180° 구간)을 동시에 용접하는 것이다. 이때, 두 다관절 자동용접로봇(250A)(250B)의 간섭을 방지하기 위해, 상진 용접을 실시할 경우에, 한 쪽 다관절 자동용접로봇(250A)을 이용하여 강관의 최저점으로부터 한 쪽(도면에서 좌측) 상측 방향(①)으로 먼저 용접을 시작한 후 일정 정도 이동하면, 이어서 다른 쪽 다관절 자동용접로봇(250B)을 이용하여 강관의 최저점으로부터 다른 쪽(도면에서 우측) 상측 방향(②)으로 이동시키면서 용접을 실시한다.
마지막에는, 양쪽 구간에서 각각 용접하여 만나는 부분을 한 쪽 다관절 자동용접로봇(250)을 이용하여, 마무리 용접하여 처리한다.
이와 같이 두 개의 다관절 자동용접로봇(250A)(250B)을 이용한 용접은 상기와 같이 방법으로 양쪽을 나누어서 용접함으로써, 1패스 용접은 물론, 2패스, 3패스 용접 등도 연속적으로 진행할 수 있게 되어, 강관 연결부의 용접 작업을 보다 신속하게 완료할 수 있게 된다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것 에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치가 도시된 측면도,
도 2는 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치의 경사 인양 및 장착 상태를 보여주는 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치가 도시된 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치에서 다관절 자동용접로봇의 측면 상세도,
도 5는 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치에서 다관절 자동용접로봇의 정면 상세도,
도 6은 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치에 구비되는 외부 부대 장비를 도시한 도면,
도 7a 내지 도 7h는 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치를 이용한 자동용접방법을 예시한 순서 도면들이다.
도 8은 본 발명에 따른 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치를 이용한 자동용접방법의 다른 실시예를 예시한 도면이다.

Claims (10)

  1. 강관의 둘레에 장착될 수 있도록 폐쇄시 원형 구조를 갖는 파지 장치와;
    상기 파지 장치의 한쪽 측면에 원통형 구조로 돌출되게 구비된 주행 레일과;
    다관절 구조를 갖는 로봇암들이 연속적으로 연결되고, 상기 주행 레일을 따라 강관의 둘레를 이동하면서 강관 연결부 외면을 자동으로 원주 용접하는 다관절 자동용접로봇을 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파지 장치는, 그 상단부에 인양 장비를 이용하여 강관 외면 자동용접장치를 인양하거나 이동시킬 수 있도록 연결 장치가 구비되되,
    상기 연결 장치는 경사 구간의 관로 시공시에 경사 구간에 배치된 강관의 경사도에 따라 상기 파지 장치를 경사지게 위치시킨 상태에서 강관의 둘레에 장착할 수 있도록, 강관의 경사도에 따라 인양 장비와 연결되는 부분의 위치를 변화시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 연결 장치는, 상기 파지 장치의 상부에 구비되는 고정 플레이트와, 상기 고정 플레이트의 상부에 수직 방향으로 세워지고 강관의 길이 방향으로 길게 연장되어 인양 장비와 연결되는 다수의 연결홀들이 형성된 연결 플레이트를 포함한 것을 특징으로 하는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다관절 자동용접로봇은 연속된 6관절 로봇암을 이용하여 강관 외면의 자동 원주 용접이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 다관절 자동용접로봇은 상기 주행 레일을 따라 이동할 수 있도록 설치된 주행 바디와, 상기 주행 바디가 주행 레일을 따라 이동하도록 구동력을 제공하는 구동부와, 상기 주행 바디에 지지되고 다관절 구조를 갖는 로봇암들로 구성되는 다관절 로봇과, 상기 다관절 로봇의 끝단부에 구비되어 용접 토치가 장착되는 토치 클램프를 포함한 것을 특징으로 하는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 다관절 로봇은, 상기 주행 바디에 수직으로 세워진 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트의 전면에 지지된 로봇 베이스와, 상기 로봇 베이스의 전방에 제1축으로 수평 방향으로 연결된 제1암과, 제1암의 측면에서 제2축으로 연결된 제2암과, 제2암의 끝단부에 측면 방향으로 제3축으로 연결된 제3암과, 제3암에 제4축으로 회전 가능하게 연결된 제4암과, 제4암의 끝단에서 제5축으로 연결된 제5암과, 제5암의 끝단부에 제6축으로 회전 가능하게 연결되어 끝단부에 토치 클램프가 장착되는 제6암을 포함하고,
    상기 각각의 축에는 모터가 연결되어 각각의 로봇암들을 회전 작동시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 강관 외면 자동용접장치를 이용한 자동용접방법으로서,
    강관 외면 자동용접장치를 이송하여 상호 연결된 강관 둘레에 장착하는 제1단계와;
    제1단계 후에, 조작 단말기를 이용하여 강관의 용접 작업 조건에 따라 제어 유닛에 이미 등록되어 있는 프로그램 중 하나를 선택하는 제2단계와;
    제2단계 후에, 다관절 자동용접로봇을 강관의 둘레를 따라 이동시키면서 용접 토치를 이용하여 강관 외면의 다수의 용접 포인트에 티칭 작업을 실시하여 용접 위치를 정확하게 입력하는 제3단계와;
    제3단계에서 입력된 티칭 작업에 따른 용접 위치를 용접 기준점으로 인식시키는 프리 마스터를 실행하는 제4단계와;
    제4단계에서 인식된 용접 기준점을 중심으로 제2단계에서 선택된 프로그램에 따라 다관절 자동용접로봇이 강관 둘레를 따라 이동하면서 강관 외면 연결부를 자동 용접하는 제5단계를 포함한 것을 특징으로 하는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치를 이용한 자동용접방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1단계에서, 인양 장비를 이용하여 강관 외면 자동용접장치를 이송할 때, 관로 시공 구간에 배열된 강관의 경사도에 따라 파지 장치의 경사도를 조절한 상태에서 이송한 후에 강관의 둘레에 장착하는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치를 이용한 자동용접방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제5단계에서, 강관의 최저점을 중심으로 좌우 방향 상측으로 각각 180°구간을 순서대로 용접하는 것을 특징으로 하는 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치를 이용한 자동용접방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 지능형 로봇장치를 이용한 강관 외면 자동용접장치를 이용한 자동용접방법은, 상기 강관 연결부를 좌우 양측 180° 구간으로 나누어 용접할 때, 상기 주행 레일에 두 개의 다관절 자동용접로봇을 장착하여 좌우 양측 180° 구간을 각각 용접하는 것을 특징으로 하는 지능형 자동용접로봇을 이용한 강관 현장시공 연결방법.
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