KR20150062223A - 배관 자동용접 시스템 - Google Patents

Abstract

용접부 실시간 영상 촬영부를 포함하는 배관 자동용접 시스템이 개시된다. 배관 용접 작업을 자동으로 수행함에 있어 실시간으로 용접 품질 확인 및 용접 변수를 제어하여 우수한 용접품질을 확보할 수 있는 장치로서, 용접 대상물인 파이프의 용접 이음부를 평상시 또는 용접시 실시간으로 카메라 모듈을 이용하여 촬영하여 용접이 진행되고 있는 상황을 확인 및 용접이 완료된 용접 표면 비드를 검사할 수 있는 카메라 영상처리부; 촬영된 영상을 확인하면서 용접 변수를 제어하는 유선영상리모트컨트롤러; 배관자동용접장치의 각각의 구동부를 제어 및 용접 변수등을 통합 제어하는 통합제어기; 용접 대상물인 파이프의 사이즈에 맞추어 외면에 설치되어 용접진행 방향 및 주행 이동 방향에 대하여 가이드 역할을 하는 가이드 레일; 파이프 외면에 설치된 가이드 레일을 따라 주행 및 용접 작업을 수행하는 배관자동용접장치;로 구성되어 있다.

Description

배관 자동용접 시스템{AUTOMATIC PIPE WELDING SYSTEM}

본 발명은 용접부 실시간 영상 촬영부를 포함하는 배관 자동용접 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 파이프를 용접하여 파이프라인 설치에 있어서 파이프 용접 시 용접 부위를 카메라 모듈을 이용하여 실시간으로 촬영된 영상을 확인하면서 용접 위치 및 용접 조건을 제어함에 따라 용접 효율을 증대시키고 우수한 용접 품질을 확보할 수 있는 용접부 실시간 영상 촬영부를 포함하는 배관 자동용접 시스템에 관한 것이다.

석유와 가스의 경쟁력 있는 수송수단이라고 여겨지고 있는 가스 또는 원유 수송용 파이프라인 및 전력, 석유, 가스, 담수 등 제품을 생산할 수 있는 설비를 건설하는 플랜트 시공 시 배관 용접이 전체 공정 중 많은 비중을 차지하고 있다.

주로 배관 용접은 파이프 양끝 단부를 용접이 용의 하도록 가공하여 파이프와 파이프를 취부한 뒤 용접 자세 중 가장 어려운 5G 전자세 자세를 취하여 용접을 함으로 고 기량의 용접사가 수작업으로 용접작업을 수행한다.

배관 용접을 수작업으로 이루어지는 경우, 용접부가 균일하지 못하는 등의 용접 불량이 발생하거나 용접 시간이 증대될 수 있으며 각종 안전사고의 위험이 따를 수 있다.

최근 글로벌 에너지 수급환경과 가격이 급격히 변화하고 있는 상황 속에서 산업 기술의 고도한 발전과 함께 근로환경 또한 많은 개선이 이루어짐으로 인해, 용접과 같은 열악한 환경의 작업을 기피하는 현상이 만연하고 있으며 열악한 환경에서 사람을 대신하여 작업을 할 수 있도록 하는 자동화 장비가 출현되고 있으며 특히 배관 용접은 균일한 용접 품질을 확보하기 위하여 우수한 용접기술이 없으면 작업 자체가 불가능하며 작업 환경 또한 열악하여 배관 용접 자동화를 위한 기술들이 개발되고 있다.

배관 용접 공정 자동화를 위한 대표적인 기술에는 로봇을 이용한 자동용접 시스템을 들 수 있으며, 배관 용접 자동화를 위해서는 핵심적으로 취부한 파이프와 파이프의 접합부위인 용접 이음부를 정확히 측정함과 동시에 용접 개선면의 형상 및 용접 위치에 맞추어 적절한 용접 변수를 이용하여 용접을 하는 기술이 요구된다.

도 1은 기 출시되어 배관 용접 현장에 사용되고 있는 자동용접장치를 나타내고 있다.

첨부된 도면 1을 참조하면, 용접 대상물은 두 개의 파이프 양 끝단을 가공한 뒤 취부 완료된 파이프이며, 자동용접장치는 자동용접 토치, 장치의 이동을 위한 가이드레일(4) 및 레이저(비전) 센서를 포함한다.

이러한 종래의 배관 자동용접장치는 가이드레일(4)을 이용하여 용접장치가 파이프 외주면에 설치된 레일을 따라 주행하면서 레이저(비전) 센서에서 측정된 값을 기준으로 배관 용접 작업을 수행한다.

레이저(비전) 센서는 용접 이음부에 따라 자동용접 토치의 위치 및 자세가 우수한 용접 품질을 확보할 수 있도록 제어됨으로 용접품질을 좌우하는 중요한 역할을 한다. 그러나, 종래의 레이저(비전) 센서는 용접 시 발생되는 용접 빛의 영향으로 용접을 수행하는 용접부를 직접 확인이 불가능하여 용접부에서 빛의 영향을 줄임과 동시에 정확한 측정이 가능한 위치로 서로 거리를 두어야 하는 단점이 있다. 즉, 종래의 기술은 용접이 이루어지는 용접부와 레이저(비전) 센서가 측정하는 위치가 다르기 때문에 측정 위치오차가 발생함으로 용접품질 저하의 문제점이 발생된다.

위치 측정오차를 줄이기 위하여 레이저(비전) 센서를 이용하여 용접 개선면 형상 인식 및 측정하기 위하여 용접 전 우선적으로 용접 대상물의 용접 이음부를 따라 개선면 형상을 추출하는 공정이 추가됨으로 작업의 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한 레이저(비전) 센서는 작업 환경(온도, 습도, 분진 등)의 영향을 많이 받음으로 배관 용접을 하는 실외 현장에 적용하기에는 한계가 있다.

한국특허등록번호 10-0655721(공고일자 2006년12월11일) 한국특허등록번호 10-0544424(공고일자 2006년01월23일) 한국특허등록번호 10-1264935(공고일자 2013년05월15일)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은 용접토치의 양쪽 측면에 각각 카메라 모듈이 장착된 배관자동용접장치를 이용하여 배관 자동용접 중 실시간으로 용접부 영상을 유선영상리모트컨트롤러에 장착되어있는 터치스크린을 통하여 확인함과 동시에 유선영상리모트컨트롤러를 이용하여 배관자동용접장치를 제어함으로 용접 품질 및 작업의 효율을 향상시킬 수 있는 용접부 실시간 영상 촬영부를 포함하는 배관 자동용접 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 있어서, 첫 번째 과제해결수단은

용접토치의 위치를 제어하는 배관 자동 용접장치;

용접파이프의 외주면에 설치되어 용접 진행방향에 대하여 상기 배관 자동 용접장치의 주행을 안내하는 가이드레일;

상기 가이드레일을 따라 주행되는 상기 배관 자동 용접장치에 의해 용접되는 파이프의 용접이음부에 대한 실시간 용접영상 및 용접작업이 끝난 용접표면비드를 촬영하는 카메라 영상처리부;를 포함하는 배관 자동 용접시스템이다.

상기 카메라 영상처리부는 하나 이상의 카메라로 구성될 수 있다. 이때, 하나의 카메라인 경우 카메라의 위치와 각도를 용접작업 개시 전에, 또는 용접작업 개시 후 실시간으로 선택할 수 있는 실시예를 포함한다. 카메라가 둘 이상인 경우는 카메라의 위치를 고정형으로 할 수 있으며, 각도만을 선택적으로 조절할 수 있다. 카메라가 둘 이상인 경우라도 카메라의 위치와 각도를 모두 조절할 수 있는 경우를 배제하는 것이 아니며, 용접작업 중의 실시간 조절도 가능할 수 있다.

본 발명에서의 두 번째 과제해결수단은,상기 카메라 영상처리부가 상기 이음부에 대하여

용접작업이 이루어지는 용접 포인트를 촬영하는 용접포지션 카메라; 및

용접이 완료된 용접 표면 비드를 촬영하는 평시포지션 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템이다.

이때, 용접포지션카메라와 평시포지션카메라는 각각 하나 이상일 수 있다.

용접진행방향에 따라 기능이 바뀌게 되므로 시계방향으로의 용접과 반시계방향으로의 용접의 경우를 모두 대비하여 각 방향으로 각각 용접포지션카메라와 평시포지션카메라를 가질 수 있다.

본 발명의 세 번째 과제해결 수단은,

상기 배관 자동 용접장치의 전면부에 장착되며, 용접토치의 수직 방향을 기준으로 양쪽으로 확장된 양측면을 가지며, 하나 이상의 카메라를 포함하는 하나 이상의 카메라모듈이 설치되는 카메라서포트브라켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템이다.

카메라서포트브라켓과 카메라모듈이 결합되어 용접포인트를 촬영하는 구조에 대한 실시예로서, 상대위치조정이 필요한 경우 다음의 두 가지 방법을 적용할 수 있다. 카메라서포트브라켓을 촬영 각도에 적합하게 제작된 것으로 교체하거나, 카메라서포트브라켓 양측면에 자동으로 각도 이동이 가능한 구조를 설치하여 작업자가 원하는 위치의 영상을 촬영할 수 있도록 자동으로 카메라 모듈을 회전시켜 촬영 포인트를 변경할 수 있다. 본 발명의 권리범위는 이러한 형태의 다양한 카메라서포트브라켓을 모두 포함한다.

본 발명의 네 번째 과제해결 수단은,

용접진행 방향을 기준으로 상기 평시포지션 카메라 및 상기 용접포지션 카메라의 영상 신호를 촬영 용도에 맞추어 영상 신호를 자동으로 분배하는 영상신호 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템이다.

영상신호분배기는 어디에 위치하더라도 본 발명의 권리범위에 속한다. 즉, 배관용접장치 내부에 위치할 수 있으며, 또한 도시되지 아니한 제어기의 내부에 장착하여 사용하여도 영상신호 분배에 문제가 되지 않는다. 영상신호분배기를 제어기에 설치하는 경우 제어기와 배관용접장치와 거리가 가변되는 특성상, 카메라에서 나오는 영상신호 케이블 수가 많아짐으로 메인 데이터 케이블의 무게가 무거워지며 유지 보수에 용의하지 않게 되는 어려움을 덜기 위해 영상신호분배기를 배관 용접장치 내에 설치할 수 있다. 본 발명의 권리범위는 이러한 형태의 변형을 포함한다.

본 발명의 다섯 번째 과제해결 수단은,

상기 카메라 영상처리부에서 영상을 일정하게 촬영할 수 있도록 입력되는 전원을 일정하게 유지시킬 수 있는 전원보정장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템이다.

도면에 도시되지 않은 상기 전원보정장치는 카메라 영상처리부에 근접하여 설치되는 경우와 카메라 영상처리부와 떨어져 설치되는 경우 모두 본 발명의 권리범위에 속한다. 본 발명의 여섯 번째 과제해결수단은,상기 카메라 모듈은 카메라 커버 내부에 용접포지션 카메라와 평시포지션 카메라가 장착되며, 용접진행 방향을 기준으로 앞선 위치에 있는 카메라 모듈은 용접 포인트를 촬영하며, 뒤선 위치에 있는 카메라 모듈은 용접이 완료된 용접 표면 비드를 촬영하고,

용접진행 방향을 기준으로 앞선 위치에 있는 카메라모듈은 용접포지션 카메라를 선택하여 용접 포인트를 촬영하고,

뒤선 위치에 있는 카메라모듈은 평시포지션 카메라를 선택하여 용접이 완료된 용접 표면 비드를 촬영하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템이다.

상기 카메라모듈은 용접진행방향에 따라 용접포인트를 기준으로 용접이 진행되는 부분을 촬영하는 촬영하기 위한 위치에 있는 카메라모듈과 용접이 완료된 부분을 촬영하기 위한 위치에 있는 카메라모듈이 각각 설치되는 예이다. 이러한 각각의 위치는 사전에 결정된 각도에 따라 정해질 수 있으며, 또한 용접 진행 중에도 작업자의 필요에 의해 각도를 조절할 수도 있다.

본 발명의 일곱 번째 과제해결 수단은,

상기 카메라 영상처리부에서 촬영 포인트의 밝기에 따라 미리 설정되어 있는 조리개 및 셔터 스피드 속도와 감도를 자동 조절하여 빛의 노출 값을 변경함과 동시에 빛의 광량을 줄여주는 필터;와

자외선을 차단시키면서 영상이 흐려지는 현상 또는 촬영 영상이 겹쳐 보이는 현상을 제거해주는 필터;를 선택적으로 적용하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템.

이러한 카메라 영상처리부에 있어서, 필터의 선택적 적용이 용접포인트 촬영개시 전에 이루어지는 수동 또는 자동으로 경우, 용접방향이 결정되어 있다면 모듈별로 하나의 카메라로 시스템 구성이 가능해 진다.

필터의 선택적 적용이 자동으로 이루어지는 경우 용접포지션과 평시포지션을 모두 촬영가능한 멀티포지션 카메라를 포함할 수 있다.

필터의 선택적 적용이 자동으로 이루어진다는 의미는 촬영 포지션에 맞추어 2종류의 필터 중 1개의 필터를 선택하여 카메라 렌즈 앞에 수동 또는 자동으로 연결시켜 영상을 촬영한다는 뜻이다. 하나의 카메라를 이용하여 용접 및 평시 화면을 촬영할 수 있도록 용접 시에는 카메라 렌즈 앞에 빛의 광량을 줄여주는 필터가 연결되며 평시에는 자외선을 차단시키면서 영상이 흐려지는 현상 또는 촬영 영상이 겹쳐 보이는 현상을 제거해주는 필터가 연결되어 영상을 촬영하게 된다.

본 발명의 여덟 번째 과제해결 수단은,

상기 카메라 모듈이 용접시 발생되는 용접 스패터 및 분진을 차단시키는 보호유리; 카메라 모듈 내부를 밀폐시키고 영상의 왜곡 현상을 줄여주는 차광유리:촬영 포인트에서 받는 영상의 방향을 바꾸면서 일반반사거울대비 영상의 선명도 또는 명암비와 밝기를 향상시켜 카메라가 영상을 촬영할 수 있도록 하는 전면반사거울:상기 전면반사거울에서 반사된 영상을 촬영하는 평시포지션 카메라 또는 용접포지션 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템이다.

평시포지션카메라와 용접포지션카메라의 앞에 부착하는 각종 유리, 필터의 구성은 다음과 같다. 먼저 도17을 보면 카메라렌즈에 필터가 장착되어 있는 구조로서, 여기서의 필터는 도16의 11_다중코팅자외선차단필터와 14_그라데이션필터가 되며 평시포지션카메라에는 11_다중코팅자외선 차단필터가 장착되어 있으며 용접포지션카메라에는 14_그라데이션필터가 장착된다.

본 발명의 아홉 번째 과제해결 수단은, 배관용접장치의 구동 및 용접을 위한 용접제어변수가 각 구동부의 이동거리, 이동속도, 이동위치 및

용접을 위한 용접변수인 용접기 출력 전원, 용접 와이어 송급속도, 용접가스제어 중 하나 이상의 변수를 포함하여

용접 대상물에 맞추어 상기 용접제어변수를 미리 설정하여 용접 작업을 진행하는 통합제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템이다.

이러한 통합제어기 상에 “카메라 영상 설정 데이터(조리개 값, 셔터 스피드 속도, 감도)”가 미리 설정된다. 촬영(용접, 평시)포지션에 맞추어 카메라 선택 후 상기 카메라 영상 설정 데이터를 적용하여 촬영 포인트의 영상을 촬영하게 된다. 촬영된 영상은 터치스크린에 화면에 출력되어 작업자가 확인하게 되며, 이때 영상의 밝기를 소프트웨어적으로 조절 가능하다. 화면에 출력되어 지는 영상을 통하여 작업자의 판단에 따라 미리 설정되어 있는 용접제어변수를 기준으로 균일한 용접품질을 확보하기 위하여 실시간으로 용접제어변수를 터치스크린으로 제어한다.

본 발명의 열 번째 과제해결 수단은, 배관용접장치를 용접파이프에 설치 및 해체하기 위하여 용접 토치의 위치를 적합한 위치로 이동시킬 수 있도록 작업자가 각 구동부를 제어할 수 있는 무선리모트컨트롤러;와

용접 작업이 수행되는 용접 포인트의 실시간 영상을 확인하기 위한 영상표시장치를 포함하며, 용접제어변수를 제어할 수 있는 유선 영상 리모트컨트롤러;와

용접 작업이 수행되는 용접 포인트의 실시간 용접변수제어를 할 수 있는 유선리모트컨트롤러;를 더 포함하며,

상기 유선 영상 리모트컨트롤러와 상기 유선리모트컨트롤러를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템이다.

작업현장에서 카메라 모듈이 필요 없을 경우 카메라 모듈을 배관 자동용접 장치에서 제거할 수 있다. 그에 따라 유선 영상 리모트컨트롤러를 유선리모트컨트롤러로 교체하여 사용할 수 있다. 또한, 카메라 모듈을 그대로 둔 채로 유선 영상 리모트컨트롤러를 유선 영상 리모트컨트롤러로 교체하여 사용할 수 있다. 유선 영상 리모트컨트롤러는 영상을 확인할 수 있는 영상 표시장치(예: 터치스크린)이 포함되어있어 부피가 크며 무게 또한 많이 나가기 때문에 작업의 효율성을 위하여 교체되어 사용될 수 있다.

상기와 같은 구성과 작용을 갖는 본 발명에 따른 용접부 실시간 영상 촬영부를 포함하는 배관 자동용접 시스템은 자동용접장치를 이용하여 자동용접 시 용접토치의 좌우 측면에 장착되어 있는 카메라 모듈을 이용하여 영상 리모트 컨트롤러 전면부에 부착되어 있는 터치스크린에서 실시간으로 용접 영상을 확인 및 자동용접장치를 제어하여 균일한 용접품질을 확보할 수 있으며, 용접이 끝난 부위(용접 표면비드 검사)도 실시간 확인이 가능하다. 또한 협소한 공간에서 배관 용접작업을 하거나 대구경 사이즈의 파이프를 용접 시 작업자가 자세를 바꾸면서 발생할 수 있는 용접 결함을 제거함과 동시에 장시간 용접 시 작업자가 용접부를 직접 확인하지 않음으로 눈부심으로 인한 작업자의 피로도 증가 및 집중력 감소 등을 해소할 수 있고, 용접속도가 증가할 경우 작업자가 적절한 대응이 어려운 상황에서도 실시간으로 용접부를 확인하여 용접변수를 즉각 변경이 가능함으로 균일한 용접품질의 확보가 가능하다.

도 1은 종래의 자동용접장치
도 2는 배관과 결합된 본 발명의 배관 자동용접 시스템
도 3은 본 발명의 배관 자동용접장치
도 4는 상하이동부 후면
도 5는 상하이동부 전면
도 6은 상하이동부 측면
도 7은 각도이동부 및 진자위빙부
도 8은 각도이동부
도 9는 진자위빙부
도 10은 용접진행방향과 카메라모듈의 위치
도 11은 직선위빙부
도 12는 주행바디
도 13은 주행부
도 14는 클램핑부
도 15는 카메라모듈
도 16은 카메라모듈 내부
도 17은 카메라모듈에서의 영상확보
도 18은 가이드레일과 파이프
도 19는 가이드레일의 파이프결합구조
도 20은 가이드레일의 체결구조
도 21은 흐름도

본 발명의 일 측면을 따르면, 배관 용접 시 카메라 모듈을 이용하여 배관 용접부 영상을 실시간으로 확인함과 동시에 용접변수 제어를 통하여 배관을 자동으로 용접하는 장치로서, 파이프 양끝단부를 용접에 용의한 일정 각도로 가공 완료된 파이프를 서로 연결하여 생성되는 용접 이음부를 따라 용접 작업을 수행하는 배관자동용접장치; 용접 이음부내에 용접 작업이 수행되는 용접 포인트를 실시간 촬영 및 용접이 완료된 용접 표면 비드를 촬영하는 카메라 영상처리부; 카메라를 이용하여 촬영된 영상을 실시간으로 확인을 하면서 배관자동용접장치의 각각의 구동부 및 용접 관련 변수 제어가 가능한 유선영상리모트컨트롤러; 배관자동용접장치의 주행 및 용접 진행방향에 대하여 가이드 역할을 하는 파이프 외주면을 따라 설치되는 가이드 레일; 배관자동용접장치의 구동 및 용접 작업을 수행하기 위하여 통합 제어를 하는 통합 제어기를 포함하는 용접부 실시간 영상 촬영부를 포함하는 배관 자동용접 시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 배관 자동용접장치는, 용접장치의 주행 및 용접을 위한 이동을 위한 주행부; 파이프 길이 방향의 수직방향에 대한 상하 이동을 하는 상하이동부; 파이프 길이 방향의 각도방향에 대한 각도 이동을 하는 각도이동부; 파이프 길이 방향의 수평방향에 대한 좌우 왕복 운동을 하는 직선위빙부; 파이프 길이 방향의 수평방향에 대한 진자 왕복 운동을 하는 진자위빙부; 평상시 또는 용접시 실시간으로 용접 이음부를 촬영하는 카메라 영상처리부를 포함한다.

또한, 상기 카메라 영상처리부는, 평상시 용접 이음부를 촬영하여 용접이 완료된 용접 표면 비드의 형상 또는 품질을 확인할 수 있는 평시포지션 카메라; 용접시 용접 이음부를 촬영하여 용접이 진행되고 있는 상황을 실시간으로 촬영하여 용접품질을 직접적으로 확인할 수 있는 용접포지션 카메라로 구분되어 용도에 맞추어 선택적으로 사용될 수 있다.

또한, 상기 카메라 영상처리부는, 평상시 또는 용접시 용접 이음부를 통합적으로 촬영할 수 있도록 조리개, 셔터 스피드 및 감도를 자동제어 하여 이미지 밝기를 제어함과 동시에 빛의 광량조절 및 자외선을 차단시켜 주는 필터(19) 등을 자동적용 제어가 가능한 멀티카메라를 포함할 수 있다.

또한, 상기 가이드 레일은, 용접 대상물인 파이프의 사이즈에 따라 각각 제작되어 일정 사이즈 전용으로 사용될 수 있으며 파이프 사이즈에 따라 가이드 레일은 다수개의 레일이 조립되어 하나의 가이드 레일이 된다.

또한, 상기 통합 제어기는, 용접 대상물에 따라 미리 설정 및 저장되어 있는 용접 조건을 이용하여 배관 자동용접장치를 제어 및 자동용접작업을 수행할 수 있으며 용접작업을 수행함과 동시에 용접부를 카메라 영상처리부에서 실시간으로 촬영된 용접 영상 및 용접이 완료된 영상을 터치스크린을 통하여 확인함으로써 균일한 용접 품질을 확보할 수 있도록 용접 조건을 일정 범위 안에서 추가 제어가 가능하다.

또한, 상기 용접 조건은 용접 토치의 이동방향, 이동속도, 이동거리, 위빙방향, 위빙속도, 위빙거리, 배관 자동용접장치의 주행방향, 주행속도, 수행거리 및 용접 전류 또는 전압 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

도 1은 종래의 자동용접장치를 나타내며, 이와 대비하여 도 2는 배관과 결합된 본 발명의 배관 자동용접 시스템을 도시한다. 본 발명의 카메라 영상처리를 이용한 배관 자동용접 시스템은 용접파이프(3) 외주면에 설치되어 배관자동용접장치의 주행 및 용접 진행방향에 대하여 가이드 역할을 하는 가이드레일(4);

용접토치가 장착되어 자동용접작업을 수행할 수 있도록 용접토치의 위치제어 및 가이드레일(4)을 따라 정숙한 주행을 하는 배관 자동용접장치(5);

용접작업이 진행되는 용접포인트(2)의 실시간 영상 및 용접작업이 끝난 용접표면비드를 촬영하는 카메라모듈(1)을 포함한다.

본 발명의 배관 자동용접장치(도 3)는 용접품질을 확보하기 위하여 4축방향으로 용접토치의 위치를 변경시키는 상하이동부; 각도이동부; 직선위빙부; 진자위빙부;로 구성되어 있으며 파이프 외주면에 설치되는 가이드레일(4) 위에 배관용접장치를 장착하여 구속시키는 클램핑부;와 가이드레일(4) 표면에 위치하고 있는 랙기어를 따라 배관용접장치의 주행을 할 수 있도록 하는 주행부를 포함하고 있는 주행바디; 용접 작업 진행 시 실시간으로 용접포인트(2)의 영상을 촬영하는 카메라모듈(1);로 구성되어 있다.

배관 자동용접장치의 상부에 위치하고 있는 상하이동부(도 4)는 용접토치를 상하방향으로 이동시키는 상하이동모터; 배관 자동용접장치의 외부 충격을 보호하면서 작업자가 손쉽게 잡고 이동을 할 수 있는 가이드 핸들; 가이드 핸들을 상하이동부에 견고하게 결합시키는 가이드 핸들 블럭; 각각의 구동부 및 카메라 영상 데이터 신호를 제어기로 연결시켜 주는 데이터 커넥터; 각도이동 및 진자위빙 구동부의 제어 신호를 연결하는 서브 데이터 커넥터;를 포함하고 있다.

상하이동부(도 5)는 상하이동부 상부에 상하이동모터가 위치하고 있으며 상하이동모터와 서포트블럭 사이에 결합되어 회전운동을 하는 모터샤프트; 모터샤프트의 회전운동을 상하이동 운동으로 변경하는 상하이동볼스크류블럭; 상하이동볼스크류블럭이 상하이동운동을 하는 거리를 제약하면서 상하이동축의 부하를 줄이기 위하여 좌측 상단 및 하단에 위치하고 있는 상하이동리미트; 상하이동부 양 측면에 위치하고 있는 두 쌍의 LM레일을 따라 상하이동하는 LM블럭과 한쌍의 LM블럭에 결합되어 상하이동을 하는 LM블럭브라켓; 상하이동볼스크류블럭과 LM블럭브라켓에 결합되있는 상하이동 운동을 하는 직선위빙메인프레임; 상하이동부 우측 내부에 위치하여 각각의 카메라에서 촬영되어진 영상을 용접진행방향을 기준으로 선택적으로 사용될 수 있도록 영상신호를 배분해주는 영상신호 분배기;를 포함하고 있다.

도 6은 상하이동부의 구동 모션을 나타내고 있다.

도 7은 각도이동부 및 진자위빙부를 도시하고 있다. 각도이동부 및 진자위빙부는 배관 자동용접장치의 전면에 위치하고 있으며 각도이동부는 파이프 외면을 기준으로 용접토치를 각도이동시키며 각도이동부 양쪽 측면에 카메라모듈(1)이 장착되어 있다. 진자위빙부는 각도이동부 전면에 장착되어 파이프 길이 방향을 기준으로 용접토치를 진자위빙시키며 용접포인트(2)에 용접토치를 위치시킬 수 있도록 진자위빙부에 체결되어진다.

도 8은 각도이동부를 도시한다. 직선위빙부의 직선위빙브라켓에 체결되어 배관 자동용접장치의 전면에 위치하고 있는 각도이동부는 각도이동모터에 피니언 기어가 결합되어 피니언 기어가 회전하면 피니언 기어에 연결되어 있는 스퍼기어가 좌측 또는 우측으로 이동하면서 파이프 외면을 기준으로 용접토치의 각도이동 구동을 하게 된다. 용접토치의 각도이동 범위를 제약하기 위하여 스퍼기어 좌우측 끝단부에 위치하고 있는 스토퍼; 스퍼기어의 중심을 잡아주는 캠플로어베어링; 각도이동모터 전면부에 장착되어 카메라모듈(1)을 체결할 수 있도록 서포트 역할을 하는 카메라서포트브라켓; 용접시 발생되는 용접스패터를 차단시키기 위한 용접스패터보호프레임을 포함하고 있다. (b)는 각도이동부의 구동 모션을 나타내고 있다.

도 9는 진자위빙부를 도시한다. 각도이동부 전면에 장착되어지는 진자위빙부는 진자위빙모터는 진자위빙바디 상부에 고정되며 진자위빙모터에 연결되어 직선운동을 하는 진자위빙리드스크류; 진자위빙브라켓에 연결되어 진자위빙리드스크류의 회전운동을 직선운동으로 변경시키는 진자위빙너트; 고정된 위치에 있는 진자위빙바디 및 직선이동운동을 하는 진자위빙브라켓에 의하여 진자위빙운동을 하는 토치홀더; 토치홀더 내부에 위치하여 토치고정핸들을 조작함으로 용접토치를 고정 및 해체시키는 토치고정프레임을 포함하고 있다. (b)는 진자위빙부의 구동 모션을 나타내고 있다.

도 10은 용접진행방향과 카메라모듈의 위치를 도시한다. 용접토치를 정면으로 바라보는 경우 용접진행방향이 시계방향일 경우 우측카메라모듈 내부에 있는 용접포지션 카메라가 선택, 좌측카메라모듈 내부에 있는 평시포지션 카메라가 선택되어 용접포인트를 촬영하게 된다. 도 10은 도 15에서의 진행방향에 따라 2개의 카메라가 자동으로 선택된다는 의미를 그림으로 표현하였다.

도 11은 직선위빙부를 도시한다. 배관 자동용접장치의 내부에 위치하고 있는 직선위빙부는 상하이동축인 모터샤프트에 연결되어 상하이동운동을 하는 상하이동볼스크류블럭; 상하이동볼스크류블럭에 결합되어 직선위빙부을 상하이동시키는 직선위빙메인프레임; 직선위빙모터의 회전축에 커플러를 사용하여 체결된 모터샤프트; 직선위빙모터 구동 시 회전운동을 하는 모터샤프트에 연결되어 좌우이동 운동을 하는 볼스크류블럭; 직선위빙메인프레임에 체결되어 직선위빙방향에 대하여 가이드 역할을 하는 LM가이드와 LM가이드를 따라 이동을 하는 LM블럭; 직선위빙운동을 하는 볼스크류블럭 및 LM블럭에 체결되어 각도이동부를 직선위빙 운동을 시키는 직선위빙브라켓;을 포함하고 있다. (b)는 직선위빙부를 위에서 바라본 그림으로 직선위빙부의 구동 모션을 나타내고 있다.

도 12는 주행바디를 도시한다. 배관 자동용접장치의 해부에 위치하고 있는 주행바디는 크게 주행부에 클램핑부로 구분되며 주행바디의 좌우 측면에 장착되어 실시간 용접영상을 촬영하는 카메라모듈(1)의 영상신호를 전달해주는 커넥터를 연결하는 카메라커넥터; 상하이동부 내부에 장착되어 있는 영상신호 분배기를 통하여 영상신호 데이터를 통합제어기로 신호를 연결해주는 메인카메라커넥터; 용접 파이프에 설치된 가이드레일(4) 위에 체결되는 배관 자동용접장치의 현재 각도 데이터를 출력하여 실시간 위치를 파악할 수 있는 각도센서; 용접 작업 시 발생되는 용접 스패터를 차단시키는 스패터보호커버; 배관 자동용접장치를 가이드 레일 위에 장착하기 위하여 사용되는 클램핑레버;를 포함하고 있다.

도 13은 주행부를 도시한다. 주행부는 주행부 구동력을 제공하는 주행모터; 주행모터에 직동 연결되어 회전운동을 하는 주행모터풀리; 가이드레일(4)의 표면에 위치하고 있는 랙기어에 연결되어 구동되는 주행피니언기어가 중심에 위치하고 있는 메인주행샤프트기어; 배관 자동용접장치의 구동력을 높일 수 있도록 사용되는 보조주행샤프트기어; 메인주행샤프트 끝단부에 체결되는 타이밍풀리; 타이밍풀리와 주행모터풀리는 서로 V벨트로 연결되어 고속주행시 미끄럼을 최소화시키면서 구동력을 높일 수 있는 장력조절부; 배관 자동용접장치에서 통합제어기까지의 거리가 멀어짐으로 인하여 발생되는 전압강하에 따라 실시간 영상을 촬영하는 용접포지션카메라(13) 및 평시포지션카메라(9)의 입력 전원이 떨어져 균일한 품질의 영상 확보가 어려운 것을 해결하기 위하여 주행바디 내부에 장착되어 있는 전원보정장치;를 포함하고 있다.

도 14는 클램핑부를 도시한다. 배관 자동용접장치를 가이드레일(4)의 표면에 위치하고 있는 랙기어에 정확하게 체결하여 정숙한 주행력을 확보하기 위한 목적으로 사용되는 클램핑부는 배관 자동용접장치 뒷면 하단에 위치하고 있는 클램핑레버로 클램핑부를 수동 제어하며 조작 방법으로는 클램핑레버를 수평이 되도록 조작하면 체결, 클램핑레버를 수직이 되도록 조작하면 해지가 된다. 클램핑레버를 조작하면 연결되어 있는 클램핑바가 전/후진을 하면서 클램핑기어를 회전시킴과 동시에 클램핑기어의 회전에 따라 이동되는 상/하슬라이딩블럭은 클램핑기어의 회전 방향에 따라 서로 간격을 줄이거나 늘리게 된다. 각각의 슬라이딩블럭 끝단부에 캠서포터를 이용하여 체결되어 있는 캠팔로워가 위치하고 있으며 클램핑레버를 이용하여 배관 자동용접 장치를 가이드레일(4)에 장착시 가이드레일(4)의 좌우 측면에 캠팔로워가 밀착과 동시에 배관 자동용접장치를 구속함으로 견고하게 장착이 가능하다. 또한 캠팔로워는 배관 자동용접장치가 주행 또는 용접 시 구동되는 방향에 대하여 추가적인 가이드 역할을 한다.

도 15는 카메라모듈을 도시한다. 각도 이동부에 위치하고 있는 카메라서포트브라켓(6)의 양쪽 측면에 좌/우측카메라모듈(7)(1) 장착되어 용접포인트(2)를 촬영하게 된다. 용접이 진행되고 있는 방향에 따라 카메라모듈(1) 내부에 있는 2개의 카메라가 자동으로 선택되어 용접포인트(2)에 대한 필요한 영상을 촬영하게 된다[도 10 참조]. 본 발명의 배관 자동용접시스템은 상기 카메라 모듈에서 촬영되는 실시간 영상 데이터의 출력신호를 모니터링하고, 촬영 영상을 보정하며 카메라모듈을 제어를 하는 터치스크린을 포함할 수 있다.

도 16은 카메라모듈 내부를 도시한다. 카메라모듈(1)은 촬영대상(용접포인트(2))을 촬영하기 위하여 초점 및 조리개 값을 제어하는 카메라렌즈(10);와

카메라렌즈(10)에 결합되어 자외선을 차단함과 동시에 카메라 영상이 반사되어 들어오면서 발생되는 영상이 퍼지는 현상 및 다수개의 상이 맺히는 현상의 촬영 영상 왜곡현상을 제거하는 다층코팅자외선차단필터(11);가

체결되어 용접이 완료된 용접 표면 비드를 촬영하는 평시포지션카메라(9);와

용접포인트(2)를 촬영하기 위하여 촬영대상의 초점 및 조리개 값을 제어하는 카메라렌즈(10);와

카메라렌즈(10)에 결합되어 용접 시 발생되는 광량에 대하여 인위적으로 노출 값을 감소시키고, 용접부의 중심인 용접포인트(2)에서 발생되는 과다한 광량을 추가적으로 감소시킬 수 있는 차광필름이 용접포인트(2) 촬영 크기에 맞추어 부착되는 그라데이션필터(14);가

체결되어 용접 작업이 진행되고 있는 용접포인트(2)를 실시간으로 촬영하는 용접포지션카메라(13);를 포함하며,

상기 평시포지션카메라(9)와 용접포지션카메라(13)가 내부에 장착되어, 외부의 오염으로부터 보호해주는 카메라모듈케이스(21);로 이루어진다.

용접포인트(2)를 촬영하기 위하여 용접포지션카메라(13)를 기준으로 평시포지션카메라(9)가 일정각도로 이격되어 카메라모듈케이스(21) 내부에 설치되어 있다.

각각의 카메라 후면에는 카메라의 전원을 공급하는 카메라 전원케이블(15);과 촬영된 영상신호를 전달해주는 카메라 영상케이블(12)이 연결되어 있다.

상기 용접포지션카메라(13)는 용접 작업이 진행되고 있는 용접부 전체의 영상을 확보하여, 용접 작업을 진행하면서 실시간으로 용접영상을 육안으로 쉽게 상황을 파악할 수 있도록 한다.

도 17은 카메라모듈에서 영상이 확보되는 경로를 도시한다. 카메라 모듈(1)은

용접 시 용접포인트(2)에서 발생되는 스패터 및 외부 오염으로부터 카메라 모듈을 보호하는 보호유리(16);

촬영된 영상이 1차 영상 투과 및 3차 영상 반사 시 발생되는 촬영 영상 왜곡현상을 줄여주는 차광유리(17);

용접포인트(2)와 수직으로 설치된 카메라에 용접포인트(2)의 촬영 영상을 받아들일 수 있도록 영상을 반사시켜주는 전면반사거울(18);을 포함한다.

영상 데이터는

영상이 촬영되는 용접포인트(2)에서 시작되어

보호유리(16)에서 1차 영상 투과,

차광유리(17)에서 2차 영상 투과,

전면반사거울(18)에서 3차 영상 반사,

필터(19)를 통하여 4차 영상 투과,

카메라 렌즈(10)를 통하여 5차 영상 보정의 총 5단계를 통하여 카메라로 들어와 촬영된다.

도 18은 가이드레일과 파이프를 도시한다. 가이드레일은 용접파이프의 외면에 설치되어 배관 자동용접장치가 주행 또는 용접 시 주행방향에 대하여 가이드 역할을 한다.

도 19는 가이드레일의 파이프결합구조를 도시한다. 하나의 가이드레일은 용접 대상물인 용접 파이프의 사이즈에 맞추어 다수개의 가이드프레임을 조립하여 완성된다. 가이드프레임은 다수개의 가이드프레임을 서로 연결시켜 주는 연결경첩; 가이드프레임 외면에 위치하여 배관 자동용접장치가 가이드레일 표면에 장착되어 주행을 할 수 있도록 하는 랙기어; 가이드레일을 파이프 외면에 체결시키는 레일체결부; 가이드레일 체결시 파이프 외면에 직접 밀착되어 견고하게 가이드레일을 구속시키고 있는 판스프링; 판스프링을 가이드프레임 후면에 장착시키면서 판스프링의 높이를 변경할 수 있도록 하는 스페이서; 스페이서에 판스프링은 고정시키는 고정바;를 포함하고 있다.

도 20은 가이드레일의 체결구조를 도시한다. 가이드레일을 용접파이프 외면에 체결시켜주는 레일체결부는 가이드프레임 측면에 장착되어 있는 체결가이드블럭 및 가이드블럭을 서로 연결함으로 가이드레일 체결이 완료된다. 가이드블럭에 연결되어 있는 체결링크의 양 끝단부에 체결가이드블럭을 견고하게 잡아주는 체결블럭;과 체결블럭을 손 쉽게 수동으로 조작이 가능하도록 하는 체결핸들;을 포함하고 있다.

도 21에는 본 발명의 실시간 영상전송 및/또는 촬영이 진행되는 단계를 순차로 도시하였다.

1_카메라모듈 2_용접포인트
3_용접파이프 4_가이드레일
5_배관자동용접장치 6_카메라서포트브라켓
7_우측카메라모듈 8_좌측카메라모듈
10_카메라렌즈 11_다층코팅자외선차단필터
12_카메라영상케이블 13_용접포지션카메라
14_그라데이션필터 15_카메라전원케이블
16_보호유리 17_차광유리
18_전면반사거울 19_필터
20_카메라 21_카메라모듈케이스

Claims (10)

1. 용접토치의 위치를 제어하는 배관 자동 용접장치;
   용접파이프의 외주면에 설치되어 용접 진행방향에 대하여 상기 배관 자동 용접장치의 주행을 안내하는 가이드레일;
   상기 가이드레일을 따라 주행되는 상기 배관 자동 용접장치에 의해 용접되는 파이프의 용접이음부에 대한 실시간 용접영상 및 용접작업이 끝난 용접표면비드를 촬영하는 카메라 영상처리부;를 포함하는 배관 자동 용접시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 카메라 영상처리부는
   상기 이음부에 대하여
   용접작업이 이루어지는 용접 포인트를 촬영하는 용접포지션 카메라; 및
   용접이 완료된 용접 표면 비드를 촬영하는 평시포지션 카메라를
   포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동 용접시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 배관 자동 용접장치의 전면부에 장착되며, 용접토치의 수직 방향을 기준으로 양쪽으로 확장된 양측면을 가지며, 하나 이상의 카메라를 포함하는 하나 이상의 카메라모듈이 설치되는 카메라 서포트 브라켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동 용접시스템.
4. 제2항에 있어서,
   용접진행 방향을 기준으로 상기 평시포지션 카메라 및 상기 용접포지션 카메라의 영상신호를 촬영 용도에 맞추어 영상 신호를 자동으로 분배하는 영상신호분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 카메라 영상처리부에서 영상을 일정하게 촬영할 수 있도록 입력되는 전원을 일정하게 유지시킬 수 있는 전원보정장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템.
6. 제3항에 있어서,
   상기 카메라 모듈은 카메라 커버 내부에 용접포지션 카메라와 평시포지션 카메라가 장착되며, 용접진행 방향을 기준으로 앞선 위치에 있는 카메라 모듈은 용접 포인트를 촬영하며, 뒤선 위치에 있는 카메라 모듈은 용접이 완료된 용접 표면 비드를 촬영하고,
   용접진행 방향을 기준으로 앞선 위치에 있는 카메라모듈은 용접포지션 카메라를 선택하여 용접 포인트를 촬영하고,
   뒤선 위치에 있는 카메라모듈은 평시포지션 카메라를 선택하여 용접이 완료된 용접 표면 비드를 촬영하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 카메라 영상처리부는
   촬영 포인트의 밝기에 따라 미리 설정되어 있는 조리개 및 셔터 스피드 속도와 감도를 자동 조절하여 빛의 노출 값을 변경함과 동시에 빛의 광량을 줄여주는 필터;와
   자외선을 차단시키면서 영상이 흐려지는 현상 또는 촬영 영상이 겹쳐 보이는 현상을 제거해주는 필터;를 선택적으로 적용하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템.
8. 제3항에 있어서,
   상기 카메라 모듈은
   용접시 발생되는 용접 스패터 및 분진을 차단시키는 보호유리;
   카메라 모듈 내부를 밀폐시키고 영상의 왜곡 현상을 줄여주는 차광유리;
   촬영 포인트에서 받는 영상의 방향을 바꾸면서 일반반사거울대비 영상의 선명도 또는 명암비와 밝기를 향상시켜 카메라가 영상을 촬영할 수 있도록 하는 전면반사거울;
   상기 전면반사거울에서 반사된 영상을 촬영하는 평시포지션 카메라 또는 용접포지션 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   배관용접장치의 구동 및 용접을 위한 용접제어변수는
   각 구동부의 이동거리, 이동속도, 이동위치 및
   용접을 위한 용접변수인 용접기 출력 전원, 용접 와이어 송급속도, 용접가스제어 중 하나 이상의 변수를 포함하여
   용접 대상물에 맞추어 상기 용접제어변수를 미리 설정하여 용접 작업을 진행하는 통합제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    배관용접장치를 용접파이프에 설치 및 해체하기 위하여 용접 토치의 위치를 적합한 위치로 이동시킬 수 있도록 작업자가 각 구동부를 제어할 수 있는 무선리모트컨트롤러;와
    용접 작업이 수행되는 용접 포인트의 실시간 영상을 확인하기 위한 영상표시장치를 포함하며, 용접제어변수를 제어할 수 있는 유선 영상 리모트컨트롤러;와
    용접 작업이 수행되는 용접 포인트의 실시간 용접변수제어를 할 수 있는 유선리모트컨트롤러;를 더 포함하며,
    상기 유선 영상 리모트컨트롤러와 상기 유선 영상 리모트컨트롤러를 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 배관 자동용접 시스템.
    

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