KR20120067527A - 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치 - Google Patents

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Abstract

자동으로 수평 맞대기 용접을 수행하도록 구성되며 각 노드에서 필요한 용접 조건을 실시간으로 변경 적용하도록 구현된 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치가 개시된다. 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 수평 맞대기 용접을 수행하는 위빙 용접 장치에 있어서, 용접 토치를 결합시키는 용접 캐리지 및 상기 용접 캐리지를 주행 가능하도록 연결시키는 주행 레일을 포함하며, 상기 용접 캐리지는 상기 용접 토치를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 구동하도록 구성된다. 따라서, 자동으로 주행하면서 용접을 수행함과 아울러, 일정한 품질로 안정적인 용접이 가능하며, 편리성과 안전성이 향상된다.

Description

수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치{APPARATUS FOR THREE DIMENSIONS WEAVING WELDING OF HORIZONTAL BUTT}
본 발명은 위빙 용접 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수평 맞대기 이음부를 용접 시 용융풀이 흘러내리지 않도록 실시간 3차원 모션 제어를 수행하도록 구현된 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 수평 맞대기 용접은 용접사들이 어려워하는 용접 대상 중의 하나이다. 즉, 수평 맞대기 용접을 수행 시 용융풀이 아래로 흘러내려 용접성이 어려울 뿐만 아니라, 용접 결함도 발생하기 쉬워 극도로 신경을 곤두세우고 정밀하게 용접을 수행해야만 한다.
종래에는, 수평 맞대기 용접을 수행하기 위해 작업자가 수작업으로 용접을 수행하는 것이었으며, 이 경우 용접 조건은 일정하게 하여 작업자의 움직임으로 용접 조건을 제어하게 된다. 아울러, 종래에는 수평 맞대기 용접을 수행하기 위해, SCR 아날로그 용접기 및 수동 토치를 사용하였다.
이러한 종래의 수평 맞대기 용접 방법은 용융풀이 흘러 내리고 결함이 발생하는 것을 방지하기 위해 작업자가 신경을 곤두세우고 힘들게 용접을 수행하기 때문에, 작업이 어려울 뿐만 아니라 용접 자세가 불편하고 용접 횟수도 많아 작업자들이 기피하는 작업이다.
또한, 종래의 수평 맞대기 용접 방법은 작업자의 기량에 따라 용접 품질의 차이가 발생하고 용접성이 안정적이지 못한 문제점이 있다.
이와 더불어, 종래의 수평 맞대기 용접 방법은 작업자가 열악한 환경에서 장시간 고정된 용접 자세로 작업을 수행하기 때문에, 작업자의 안전 문제 및 건강 문제 등의 위험성을 안고 있는 실정이다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 자동으로 수평 맞대기 용접을 수행하도록 구성되며 각 노드에서 필요한 용접 조건을 실시간으로 변경 적용하도록 구현된 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 수평 맞대기 용접을 수행하는 위빙 용접 장치에 있어서, 용접 토치를 결합시키는 용접 캐리지 및 상기 용접 캐리지를 주행 가능하도록 연결시키는 주행 레일을 포함하며, 상기 용접 캐리지는 상기 용접 토치를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 구동하도록 구성된다.
이 경우, 상기 용접 캐리지는 상기 용접 토치를 고정하기 위한 토치 클램프와, 상기 토치 클램프를 X축으로 구동시키기 위한 X축 모터와, 상기 토치 클램프를 Y축으로 구동시키기 위한 Y축 모터와, 상기 토치 클램프를 Z축으로 구동시키기 위한 Z축 모터와, 상기 주행 레일에 연결되는 주행축 및 상기 주행축을 회전시키는 주행 모터를 포함한다.
또한, 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 상기 용접 토치의 각 모션 노드에서 용접 작업에 맞는 용접 조건을 실시간으로 변화시키면서 용접을 수행하도록 구성된다.
이 경우, 용접 캐리지는 상기 용접 조건을 입력 및 디스플레이하기 위한 조작 판넬을 구비한다.
이 경우, 상기 조작 판넬을 통해 설정되는 용접 조건은 상기 용접 캐리지의 작동, 주행 방향, 모드, 모재의 두께, 모재의 패스, 모재의 갭, 축 방향 평행이동 값, 위빙 속도, 주행 속도, 지연시간, 배율 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 상기 용접 토치의 모션 궤적은 다수개의 노드로 구성되며, 용접 조건에 맞는 모션을 프로그래밍을 통해 재설정 가능하다.
또한, 상기 용접 캐리지는 상기 용접 조건을 제어하기 위한 제어박스를 포함한다.
본 발명에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 자동으로 주행하면서 용접을 수행함과 아울러, 일정한 품질로 안정적인 용접이 가능하며, 편리성과 안전성이 향상되는 매우 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접의 시스템을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접 캐리지의 분해 사시도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접 캐리지의 평면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접 캐리지의 정면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 조작 판넬의 구성도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 3차원 위빙 궤적으로 도시한 것이며,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 3차원 위빙 모션을 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 3차원 위빙을 도시한 것이며,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 각 절점에서의 용접 조건 설정을 도시한 것이고,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 위빙 모션 스케일링을 도시한 것이며,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접기와 캐리지 간의 용접 조건 설정 통신을 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접의 시스템을 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 수평 맞대기 용접을 수행하는 것으로서, 용접기(90)와, 용접 캐리지(20) 및 주행 레일(30)을 포함한다.
용접기(90)는 디지털 인버터 용접기로 구현되는 것이 바람직하다.
용접 캐리지(20)는 용접 토치(10)를 결합시킨다. 용접 토치(10)는 모재(99)에 용접을 수행한다. 이 경우, 용접 캐리지(20)는 3자유도를 갖는 3차원 위빙 동작을 수행하며 1자유도의 1축 주행이 가능하도록 구현된다.
즉, 상기 용접 캐리지(20)는 상기 용접 토치(10)를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 구동하도록 구성된다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 자동으로 주행하면서 용접을 수행하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접 캐리지의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접 캐리지의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접 캐리지의 정면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 용접 캐리지(20)는 토치 클램프(21)와, X축 모터(22)와, Y축 모터(23)와, Z축 모터(24)와, 주행축(25) 및 주행 모터(26)를 포함한다.
토치 클램프(21)는 상기 용접 토치(10)를 고정하기 위한 것이다. X축 모터(22)는 상기 토치 클램프(21)를 X축으로 구동시키기 위한 것이고, Y축 모터(23)는 상기 토치 클램프(21)를 Y축으로 구동시키기 위한 것이며, Z축 모터(24)는 상기 토치 클램프(21)를 Z축으로 구동시키기 위한 것이다.
주행축(25)은 상기 주행 레일(30)에 연결되는 것으로, 토글 클램프(27)를 돌려 상기 주행축(25)을 주행 레일(30)의 톱니에 결합시킬 수 있다. 주행 모터(26)는 상기 주행축(25)을 회전시키는 구동력을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 상기 용접 토치(10)의 각 모션 노드에서 용접 작업에 맞는 용접 조건을 실시간으로 변화시키면서 용접을 수행하도록 구성된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 용접 횟수를 줄이고 작업자의 용접 모션에 가깝도록 3축의 서보 제어와 1축의 주행 구조를 가짐으로써, 실시간 3차원 위빙 모션이 가능하다.
미설명된 부호 29는 캐리지 손잡이이고, 80은 자석이며, 81은 레일 조임쇠이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 조작 판넬의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 조작 판넬(40)을 구비한다. 조작 판넬(40)은 상기 용접 조건을 입력 및 디스플레이하는 기능을 수행한다.
상기 조작 판넬(40)을 통해 설정되는 용접 조건은 상기 용접 캐리지(20)의 작동, 주행 방향, 모드, 모재의 두께, 모재의 패스, 모재의 갭, 축 방향 평행이동 값, 위빙 속도, 주행 속도, 지연시간, 배율 중 적어도 하나이다.
또한, 상기 용접 토치(10)의 모션 궤적은 다수개의 노드로 구성되며, 용접 조건에 맞는 모션을 프로그래밍을 통해 재설정 가능하다.
아울러, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 제어박스(50)를 포함한다. 제어박스(50)는 상기 용접 조건을 제어하는 기능을 수행한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 3차원 위빙 궤적으로 도시한 것이며, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 3차원 위빙 모션을 도시한 것이고, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 3차원 위빙을 도시한 것이다.
또한, 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 각 절점에서의 용접 조건 설정을 도시한 것이고, 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치의 위빙 모션 스케일링을 도시한 것이며, 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접기와 캐리지 간의 용접 조건 설정 통신을 도시한 것이다.
도 6 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 수평 맞대기 이음부에 대한 자동화 장치로서, 용접을 수행함에 있어 주행 1축과 X, Y 및 Z축의 3축이 실시간으로 용접 모션을 만들고 동시에 이동 용접 절점마다 이동 궤적에 대한 용접 방식, 전류, 전압, 위빙 속도를 사용자에 의해 미리 선택된 조건에 따라 불러들여 용접에 적용한다.
용접 중에 3차원으로 구성된 궤적을 일정한 배율에 따라 3차원 증감시킬 수 있고, X, Y 및 Z축에 대한 위치 오차도 조절할 수 있으며, 위빙속도와 주행속도 및 각 절점에서의 멈춤시간을 지정할 수 있다.
사용자에 의해 미리 선택될 수 있는 조건은 용접방법(GMAW, CMT), 모재의 두께와 현재 진행되는 용접 횟수, 수평 맞대기의 갭, 정방향, 역방향이다.
용접 조건 설정은 도 11에 도시된 것처럼, 작업자의 선택에 의해 용접 캐리지(20)와 용접기(90) 간의 실시간 RS485 통신 및 8bit 접점 신호를 통해 이루어진다.
주행 1축 및 직교 3축은 서보 모터를 사용하여 PID를 통한 실시간 제어를 수행하며, 모션 궤적을 PVT(Position, Velocity, Time) 변수 입력을 통해 연속적이고 부드러운 모션을 구현한다.
이에 따라, 3차원 위빙으로 용접을 하면서 용접 조건을 바꾸게 되면, 용접 결함을 없애고 용접 횟수를 줄이며 용융풀이 흘러내리는 것을 방지할 수 있다.
3차원 용접 모션은 임의의 N Point(X,Y,Z) 위치점으로 구성될 수 있으며, 각 Point에서는 다음 이동 궤적에 대한 용접 조건을 설정할 수 있다. N Point 구성은 PC에서 각각의 위치점을 통신으로 용접 캐리지(20)에 입력함으로 완료된다.
아울러, 도 10에 도시된 것처럼, 용접 중 배율 로터리 스위치(Knob)를 이용해 위빙 모션을 시작점을 기준으로 3차원으로 증감시킬 수 있다.
정리하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 수평 맞대기 이음부를 자동으로 용접하는 자동 용접 캐리지로서 4축의 서보 제어를 통해 3차원 실시간 모션을 구현하고 각 모션 노드별 용접 조건을 제어하여 최적의 용접 품질과 결함 방지를 위한 용접 성능을 발휘한다.
각 모션 궤적은 임의의 N개의 노드로 구성 될 수 있으며, 캐리지의 3차원 워크스페이스(WorkSpace) 내에서 임의의 모션을 구현할 수 있다. 각 노드별 용접 조건을 변경함으로서 용접 대상에 따른 위빙 모션을 최적으로 구현할 수 있으며, 용접 중 변화하는 조건에 따라서도 실시간 대응이 가능하다. 4개의 축은 서로 독립적으로 또는 동기적으로 동작할 수 있으며, 용접 조건에 따라 속도 및 궤적을 바꿀 수 있다.
이제, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치를 이용한 용접 순서를 간략히 설명하기로 한다.
우선, 캐리지 손잡이(29)를 잡고 용접 캐리지(20)를 주행 레일(30)에 장착한다. 다음으로, 주행축(25)을 연결하기 위해 토글 클램프(27)를 내리고 용접 캐리지(20)의 고정을 위해 레일 조임쇠(81)를 조이고 용접 토치(10를 모재(99) 시작점에 위치시킨다.
이후에, 조작 판넬(40)에서 용접 방법을 선택하기 위해 모드를 결정하고 모재(99)의 두께 및 갭 그리고 현재 진행하고 있는 용접 횟수를 선택한다. 아울러, 조작 판넬(40)에서 용접 조건을 설정하면 이에 맞는 용접 조건이 디스플레이되며, 이 경우 정방향/역방향을 선택한 후 용접 시작 스위치를 올린다.
그리고, 용접 중에 X, Y 및 Z의 위치 값이 맞지 않을 경우, X, Y 및 Z 로터리 스위치를 이용해 각 축 방향으로 offset 값을 지정한다. 용접 중 모재의 용접 면적 및 넓이가 넓어질 때, 배율 로터리 스위치를 이용해 위빙 모션의 전체 3차원 스케일링을 시도한다.
아울러, 모션 중 위빙하는 속도의 조절이 필요할 때, 위빙 속도 로터리 스위치를 이용해 전체 위빙 속도를 조절할 수 있다. 또한, 주행 속도 및 각 절점에서의 지연시간이 필요할 때, 로터리 스위치를 돌려 조절할 수 있다.
결국, 작업자와 같이 용접 중, 용융풀이 흘러내리지 않도록 실시간 3차원 위빙과 용접 조건 변경 적용으로 안정적이고 품질 좋은 용접을 수행할 수 있으며, 열악한 환경에서 자동으로 지속적인 작업을 진행할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 용접 토치 20 : 용접 캐리지
21 : 토치 클램프 22 : X축 모터
23 : Y축 모터 24 : Z축 모터
25 : 주행축 26 : 주행 모터
27 : 토글 클램프 30 : 주행 레일
40 : 조작 판넬 50 : 제어박스
90 : 용접기

Claims (7)

  1. 수평 맞대기 용접을 수행하는 위빙 용접 장치에 있어서,
    용접 토치(10)를 결합시키는 용접 캐리지(20); 및
    상기 용접 캐리지(20)를 주행 가능하도록 연결시키는 주행 레일(30)을 포함하며, 상기 용접 캐리지(20)는 상기 용접 토치(10)를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 구동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 캐리지(20)는:
    상기 용접 토치(10)를 고정하기 위한 토치 클램프(21);
    상기 토치 클램프(21)를 X축으로 구동시키기 위한 X축 모터(22);
    상기 토치 클램프(21)를 Y축으로 구동시키기 위한 Y축 모터(23);
    상기 토치 클램프(21)를 Z축으로 구동시키기 위한 Z축 모터(24);
    상기 주행 레일(30)에 연결되는 주행축(25); 및
    상기 주행축(25)을 회전시키는 주행 모터(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 토치(10)의 각 모션 노드에서 용접 작업에 맞는 용접 조건을 실시간으로 변화시키면서 용접을 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 용접 캐리지(20)는 상기 용접 조건을 입력 및 디스플레이하기 위한 조작 판넬(40)을 구비하는 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 조작 판넬(40)을 통해 설정되는 용접 조건은 상기 용접 캐리지(20)의 작동, 주행 방향, 모드, 모재의 두께, 모재의 패스, 모재의 갭, 축 방향 평행이동 값, 위빙 속도, 주행 속도, 지연시간, 배율 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접 토치(10)의 모션 궤적은 다수개의 노드로 구성되며, 용접 조건에 맞는 모션을 프로그래밍을 통해 재설정 가능한 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치.
  7. 청구항 3 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 용접 캐리지(20)는 상기 용접 조건을 제어하기 위한 제어박스(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평 맞대기 3차원 위빙 용접 장치.
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