KR20120133356A

KR20120133356A - 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치

Info

Publication number: KR20120133356A
Application number: KR1020110051995A
Authority: KR
Inventors: 성 최
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-10

Abstract

본 발명은 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치에 관한 것으로, 쉘과 튜브로 이루어진 형태의 열교환기에서, 튜브를 튜브시트에 용접하고, 용접된 튜브를 확관할 때 사용하는 장치에 있어서; 움직일 수 있는 본체; 본체에 설치되고, 제어기를 탑재한 제어박스; 본체에 세워설치된 수직가이드; 수직가이드의 상단에 설치되고, 튜브와 튜브시트를 향해 배치되며, 제어기와 통신하는 촬상부를 포함하는 카메라; 수직가이드를 따라 움직일 수 있는 수평가이드; 수평가이드를 따라 움직일 수 있는 유동블럭; 유동블럭에 고정된 장착대; 장착대에 고정되고, 튜브와 튜브시트를 향해 배열된 작업툴; 제어기를 구성하며, 마이크로프로세서인 제어부; 제어부의 제어하에 촬상부로부터 수신된 영상을 저장하는 메모리부; 저장된 영상정보로부터 튜브의 위치를 인식하는 위치인식부; 위치인식된 정보로부터 튜브의 패턴을 인식하는 패턴인식부; 인식된 위치와 패턴을 토대로 튜브맵을 생성하는 맵생성부;를 포함하고, 생성된 튜브맵을 통해 제어부가 작업파일을 생성하여 작업툴을 자동 제어하는 것을 특징으로 하는 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 쉘 및 판형 열교환기 제조시 튜브를 용접하거나 확관할 때 자동화 설비를 통해 작업함으로써 작업효율을 향상시키고, 작업시간을 단축하며, 균일하고 고른 품질의 제품을 생산할 수 있고, 이에 따라 생산성이 향상되며, 원가를 절감할 수 있어 제품의 가격 경쟁력을 확보하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치{AUTOMATIC APPARATUS FOR WELDING AND EXPANDING PIPE DIAMETER OF SHELL AND TUBE TYPE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쉘 및 튜브 타입 열교환기의 품질 균일성을 확보하고 생산성을 향상시킬 수 있도록 튜브시트 및 튜브를 용접하고 확관하는 작업을 자동화시킨 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치에 관한 것이다.

일반적으로, 열교환기는 온도가 서로 다른 유체를 직접 또는 간접으로 접촉시켜 열교환을 시키는 장치로써, 난방 또는 온방을 목적으로 자동차, 냉장고, 건축물, 공기조화기, 석유화학공업, 일반화학공업 및 파워 플랜트(Power Plant) 등에 널리 이용되고 있다.

이러한 열교환기는 열교환유로가 판에 의해 구획된 판 타입의 판형 열교환기와, 열교환유로가 쉘과 튜브에 의해 구획된 쉘 및 튜브 타입의 쉘 및 튜브형 열교환기로 대별된다.

판형 열교환기는 대략 사각형상의 열전도성 재질의 열교환판이 수 개 또는 수십 개가 인접 배치되되, 서로 다른 조건의 두 기류가 서로 다른 경로를 통해 교차 유동하면서 간접적으로 열교환되게 교차 유로 구조를 갖도록 조립되어 열교환을 행하도록 구성된다.

반면, 쉘 및 튜브형 열교환기는 하나의 기류가 흐르는 복수개의 튜브와, 다른 하나의 기류가 흐르도록 구성되고 복수개의 튜브를 감싸는 쉘을 포함하여 두 기류가 서로 섞이지 않으면서 기류 흐름에 따라 열교환을 행하도록 구성된다.

이와 같은 열교환기 중 특히 쉘 및 튜브형 열교환기는 고온, 고압에 강점을 가지고 있기 때문에 광범위하게 사용되고 있다.

그런데, 이러한 열교환기는 복수개의 튜브를 고정하기 위해 용접 과정을 거쳐야 하므로 거의 대부분이 수작업을 통해 제조하고 있으며, 그나마 선진 기술을 도입한 업체의 경우 부분적인 공정별로 간이 자동화 혹은 반자동화 설비를 채택하고 있을 정도로 작업성이 매우 열악한 것이 현실이다.

이는 복수개의 튜브를 정확하게 용접하기가 어렵기 때문인데, 사정이 이렇다보니 작업자들은 수십개의 튜브와 튜브시트 사이를 밀착시키고 용접한 다음 확관시키는 작업을 수업이 많이 반복하게 되어 집중력 저하, 생산성 하락, 균일하고 고르지 못한 품질 등 많은 단점들이 있어 왔다.

예컨대, 도 1에서와 같이, 튜브(10)를 튜브시트(20)에 용접할 경우에는 튜브시트(20)에 삽입된 튜브(10)의 선단 외주면과 튜브시트(20) 사이의 공간, 즉 용접부위(30)를 일일이 수작업을 통해 용접해야 하기 때문에 용접시간도 많이 걸리고, 작업자의 숙련도에 따라 용접 품질이 크게 차이가 나며, 수십개 수백개 많으면 수천개에 이르는 튜브(10)를 일일이 용접해야 하기 때문에 생산성 하락, 근골격계 질환 유발, 품질 불균일 등 많은 단점이 있었던 것이다.

또한, 도 2에서와 같이, 튜브(10)를 튜브시트(20)에 용접 고정한 후에는 튜브(10)의 선후단을 제외한 나머지 길이를 일정 반경이상 크게 하는 확관작업이 수행되는데, 이 경우에도 일일이 튜브(10) 하나씩 확관기(미도시)를 삽입하여 도 2의 화살표와 같이 확관시켜야 되기 때문에 작업시간이 너무 많이 걸리는 단점이 있었던 것이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 비전센서(Vision Sensor)를 이용하여 열교환기와 튜브를 인식하여 튜브의 위치 및 패턴을 획득하고, 이를 통해 튜브 맵(Map)을 생성한 다음 튜브 맵을 참고하여 용접과 확관 작업을 위한 작업파일을 생성하며, 이를 바탕으로 자동화장비를 제어하여 용접 및 확관케 함으로써 작업시간을 단축시키고, 열교환기의 품질을 고르고 균일하게 유지할 수 있도록 한 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 쉘과 튜브로 이루어진 형태의 열교환기에서, 튜브를 튜브시트에 용접하고, 용접된 튜브를 확관할 때 사용하는 장치에 있어서; 움직일 수 있는 본체; 본체에 설치되고, 제어기를 탑재한 제어박스; 본체에 세워설치된 수직가이드; 수직가이드의 상단에 설치되고, 튜브와 튜브시트를 향해 배치되며, 제어기와 통신하는 촬상부를 포함하는 카메라; 수직가이드를 따라 움직일 수 있는 수평가이드; 수평가이드를 따라 움직일 수 있는 유동블럭; 유동블럭에 고정된 장착대; 장착대에 고정되고, 튜브와 튜브시트를 향해 배열된 작업툴; 제어기를 구성하며, 마이크로프로세서인 제어부; 제어부의 제어하에 촬상부로부터 수신된 영상을 저장하는 메모리부; 저장된 영상정보로부터 튜브의 위치를 인식하는 위치인식부; 위치인식된 정보로부터 튜브의 패턴을 인식하는 패턴인식부; 인식된 위치와 패턴을 토대로 튜브맵을 생성하는 맵생성부;를 포함하고, 생성된 튜브맵을 통해 제어부가 작업파일을 생성하여 작업툴을 자동 제어하는 것을 특징으로 하는 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치를 제공한다.

이때, 상기 작업툴은 용접용 토치 또는 확관용 확관기이고, 이들은 교체 사용할 수 있도록 설치되는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 본체의 하면에는 4개의 바퀴가 설치되고, 상기 제어박스의 일측면에는 손잡이가 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

뿐만 아니라, 상기 수평가이드와 유동블럭은 래크와 피니언 혹은 볼스크류, 그리고 구동모터의 조합에 의해 움직일 수 있게 구성되는 것에도 그 특징이 있다.

나아가, 상기 위치인식부는 메모리부에 저장된 영상정보를 X-Y 좌표값으로 변환하여 튜브시트 상에서 튜브의 위치를 인식하는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 쉘 및 판형 열교환기 제조시 튜브를 용접하거나 확관할 때 자동화 설비를 통해 작업함으로써 작업효율을 향상시키고, 작업시간을 단축하며, 균일하고 고른 품질의 제품을 생산할 수 있고, 이에 따라 생산성이 향상되며, 원가를 절감할 수 있어 제품의 가격 경쟁력을 확보하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 쉘 및 튜브형 열교환기의 용접과정을 보인 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 쉘 및 튜브형 열교환기의 확관과정을 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 쉘 및 튜브형 열교환기의 용접 및 확관을 위해 사용되는 자동화장치의 사용예를 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 쉘 및 튜브형 열교환기의 용접 및 확관을 위한 자동화장치의 제어개념을 보인 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 자동화장치의 제어를 위한 작업처리부의 예시적인 구성블럭도이다.
도 6는 본 발명에 따른 자동화장치를 이용한 작업순서를 보인 플로우챠트이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 쉘 및 튜브형 열교환기의 용접 및 확관을 위해 사용되는 자동화장치의 사용예를 보인 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 쉘 및 튜브형 열교환기의 용접 및 확관을 위한 자동화장치의 제어개념을 보인 예시도이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치는 본체(100)를 포함한다.

상기 본체(100)는 사각판상의 부재로서, 하면에는 이동의 용이성을 위해 4개의 바퀴(110)가 부착된다.

아울러, 상기 본체(100)의 상면에는 제어박스(120)가 설치되고, 상기 제어박스(120)에는 후술할 제어기(210)가 탑재된다.

또한, 상기 제어박스(120)의 일측면에는 손잡이(130)가 설치되어 본체(100)를 쉽게 이동할 수 있도록 구성된다.

그리고, 상기 본체(100)의 상면 일부에는 수직가이드(140)가 세워 설치되고, 상기 수직가이드(140)의 상단에는 튜브(T)와 튜브시트(S)를 향해 카메라(200)가 설치된다.

뿐만 아니라, 상기 수직가이드(140)에는 이를 따라 상하이동가능하도록 수평가이드(150)가 장착되는데, 상기 수평가이드(150)는 공지된 구조의 기계요소, 이를 테면 래크와 피니언 혹은 볼스크류와 같은 가이드수단과, 이를 구동하기 위한 구동모터와 같은 동력원에 의해 수직가이드(140)를 따라 움직일 수 있도록 구성된다.

나아가, 상기 수평가이드(150)에는 이를 따라 수평방향으로 슬라이딩 가능한 유동블럭(160)이 설치되고, 상기 유동블럭(160)에는 장착대(170)가 마련되며, 상기 장착대(170)에는 작업툴(180)이 교체 가능하게 구비된다.

이 경우, 상기 유동블럭(160)은 상기 수평가이드(150)가 수직가이드(170)를 따라 움직이는 구조와 동일한 구조를 갖는 바, 이를 테면 래크와 피니언, 볼스크류와 같은 가이드수단과, 이를 구동하기 위한 구동모터와 같은 동력원에 의해 유동가능하게 설치되며, 구동관계는 상기 제어기(210)를 통해 제어된다.

또한, 상기 작업툴(180)은 용접공정에 사용되는 용접토치 혹은 확관을 위한 확관기 등이 될 수 있다.

특히, 본 발명에서는 상기 튜브(T)의 위치와 배열관계를 확인하기 위해 공지된 비젼센서(vision sensor)를 사용하게 되는데, 이 비젼센서는 일종의 광학계로서 LCD 등의 제조시 패턴확인이나 혹은 불량 검출을 위해 사용되는 공지된 촬상 및 분석시스템 중 하나이다.

본 발명에서는 이 시스템을 그냥 활용하는 정도에 불과하기 때문에 굳이 비젼센서(시스템)의 구체적인 구성에 대하여 상세하게 언급할 필요는 없으므로 세부적인 사항은 생략하며, 단지 이를 이용하기 위해 카메라(200)를 통해 튜브(210)의 위치와 배열관계(패턴)를 촬상하고 이를 영상분석하여 인식할 수 있을 정도면 족하다.

즉, 상기 카메라(200)는 촬상을 통해 튜브(T)의 위치 및 패턴 정보를 획득하고, 이를 제어기(210)로 전송하여 영상 분석이 가능하도록 하여 주며, 제어기(210)는 수신된 정보를 토대로 튜브맵(Tube Map)을 작성하고, 튜브맵에 따라 작업파일을 생성하여 작업을 제어하게 된다.

이를 위해, 상기 제어기(210)는 도 5에서와 같이, 마이크로프로세서의 일종인 제어부(212)와, 상기 제어부(212)에 연결되어 영상 분석시 데이터를 기록하고 저장하며 갱신할 수 있는 메모리부(214)와, 상기 제어부(212)와 연결되고 촬상된 영상을 비젼시스템을 통해 분석하여 튜브(T)의 위치를 X-Y 좌표값으로 인식하도록 처리하는 위치인식부(216)와, 상기 제어부(212)와 연결되고 위치인식된 정보를 토대로 패턴을 파악하는 패턴인식부(218)와, 인식된 위치와 패턴을 가지고 튜브맵을 작성하는 맵생성부(220)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 제어기(210)에 영상 정보를 제공하는 카메라(200)에는 촬상부(202)가 구비되고, 상기 촬상부(202)는 상기 제어부(212)와 통신 가능하게 연결된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같은 작동관계를 갖는다.

도 6에서와 같이, 먼저 열교환기 센싱과정(S100)이 수행된다.

상기 센싱과정(S100)은 카메라(200)를 통해 튜브(T)의 위치와 패턴을 인식하기 위해 영상을 촬상하는 과정으로서, 그 전에 본체(100)를 촬상하기 적합한 위치로 이동시키는 과정이 선행된다.

그런 다음, 제어박스(120)에 탑재된 제어기(210)의 제어부(212)가 센싱 개시신호를 송신하면, 카메라(200)의 촬상부(202)가 이를 수신한 다음 피사체를 포커싱한 상태에서 피사체인 튜브(T)가 설치된 튜브시트(S)를 촬상하게 된다.

이어, 촬상이 완료되면 촬상된 영상 정보는 메모리부(214)에 저장된다.

이후, 튜브인식(S110) 과정이 수행된다.

상기 튜브인식(S110) 과정은 촬상된 영상을 비젼시스템의 제어로직에 따라 분석하는 과정이며, 이 과정을 통해 인식된 튜브(T)를 X-Y 좌표계로 대응배치시키게 된다.

이때, 튜브시트(S)의 직경도 인식된다.

그런 다음, 제어부(212)는 위치인식부(216)를 통해 튜브(T)의 위치를 좌표값을 할당하여 기억하게 함으로써 튜브시트(S)에 맞는 튜브(T)의 위치를 정확하게 기록할 수 있게 되며, 이 과정이 튜브 위치정보 획득과정(S120)이 된다.

또한, 튜브(T)의 위치 인식이 이루어진 후 제어부(212)는 패턴인식부(218)를 통해 인식된 정보를 토대로 튜브(T)의 배열상태를 확인하여 튜브(T)의 배열패턴을 인식하는 튜브 배열패턴 획득과정(S130)이 수행된다.

이 상태에서, 제어부(212)는 튜브(T)의 위치정보와 패턴정보를 바탕으로 튜브맵을 작성하게 되는데, 이 과정이 튜브맵 작성과정(S140)이며, 작성된 튜브맵을 토대로 상기 제어부(212)는 용접과 확관에 대한 작업파일을 생성하고 메모리부(214)에 저장하는 작업파일 생성과정(S160)을 거친다.

이후, 생성된 작업파일에 따라 튜브(T)를 용접하는 과정, 용접된 튜브(T)의 길이 일부는 확관하는 과정이 순차로 수행되게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 튜브시트(S)에 삽입된 상태의 튜브(T) 위치와 배열패턴을 영상으로 획득한 다음 이 정보를 좌표화하여 튜브맵을 만들고, 튜브맵에 따라 작업순서를 정한 작업파일을 생성하고, 이 작업파일을 바탕으로 작업툴(180)이 자동으로 움직이면서 용접하고, 용접 완료 후에는 확관하기 때문에 작업자가 일일이 수작업을 할 필요가 없어 생산성이 향상된다.

뿐만 아니라, 정해진 작업순서에 따라 기계적으로 움직이면서 순차 작업하기 때문에 고르고 균일한 품질도 유지할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 자동화장치는 당해 분야에서 매우 유용하게 활용될 것으로 기대되며, 생산성 향상과 작업시간 단축, 작업자의 직업병 유발원인 차단 등 지대한 효과를 미칠 것으로 예측된다.

100 : 본체 110 : 바퀴
120 : 제어박스 130 : 손잡이
140 : 수직가이드 150 : 수평가이드
160 : 유동블럭 170 : 장착대
180 : 작업툴 200 : 카메라
210 : 제어기

Claims

쉘과 튜브로 이루어진 형태의 열교환기에서, 튜브를 튜브시트에 용접하고, 용접된 튜브를 확관할 때 사용하는 장치에 있어서;
움직일 수 있는 본체;
본체에 설치되고, 제어기를 탑재한 제어박스;
본체에 세워설치된 수직가이드;
수직가이드의 상단에 설치되고, 튜브와 튜브시트를 향해 배치되며, 제어기와 통신하는 촬상부를 포함하는 카메라;
수직가이드를 따라 움직일 수 있는 수평가이드;
수평가이드를 따라 움직일 수 있는 유동블럭;
유동블럭에 고정된 장착대;
장착대에 고정되고, 튜브와 튜브시트를 향해 배열된 작업툴;
제어기를 구성하며, 마이크로프로세서인 제어부;
제어부의 제어하에 촬상부로부터 수신된 영상을 저장하는 메모리부;
저장된 영상정보로부터 튜브의 위치를 인식하는 위치인식부;
위치인식된 정보로부터 튜브의 패턴을 인식하는 패턴인식부;
인식된 위치와 패턴을 토대로 튜브맵을 생성하는 맵생성부;를 포함하고, 생성된 튜브맵을 통해 제어부가 작업파일을 생성하여 작업툴을 자동 제어하는 것을 특징으로 하는 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치.
청구항 1에 있어서;
상기 작업툴은 용접용 토치 또는 확관용 확관기이고, 이들은 교체 사용할 수 있도록 설치되는 것을 특징으로 하는 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치.
청구항 1에 있어서;
상기 본체의 하면에는 4개의 바퀴가 설치되고, 상기 제어박스의 일측면에는 손잡이가 더 설치된 것을 특징으로 하는 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치.
청구항 1에 있어서;
상기 수평가이드와 유동블럭은 래크와 피니언 혹은 볼스크류, 그리고 구동모터의 조합에 의해 움직일 수 있게 구성되는 것을 특징으로 하는 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치.
청구항 1에 있어서;
상기 위치인식부는 메모리부에 저장된 영상정보를 X-Y 좌표값으로 변환하여 튜브시트 상에서 튜브의 위치를 인식하는 것을 특징으로 하는 쉘과 튜브 타입의 열교환기용 용접 및 확관 자동화장치.