KR20170090048A - 하이브리드 용접장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇암에 장착되고 용접방향 전/후방에 용접선 추적과 용접부 모니터링 영상작업을 수행하는 비전모듈이 설치되며 용접작업중 발생하는 고휘도의 빛, 스패터 및 연기가 비전모듈의 영상작업을 방해하는 것을 방지하는 하이브리드 용접장치에 관한 것으로서, 로봇암의 단부에 설치되는 케이스, 상기 케이스에 구비되고 헤드부가 케이스의 밑면에 배치되는 레이저 용접유닛과, 상기 케이스에 구비되되 상기 레이저 용접유닛의 후방에 배치되고 토치가 케이스의 밑면에 배치되는 아크 용접유닛으로 이루어지는 용접수행부; 상기 케이스의 전방 측벽에 설치되어 용접할 부위의 영상정보를 수집하는 제1비전모듈과, 케이스의 후방 측벽에 설치되어 용접완료 부위의 영상정보를 수집하는 제2비전모듈로 이루어지는 영상수집부; 및 상기 케이스의 밑면 전/후방에 각각 구비되는 전방커버와 후방커버로 이루어지는 커버부;를 포함하며, 상기 레이저 용접유닛을 공냉시킨 후 고온이 된 에어를 상기 후방커버의 내측공간에 분사되는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 용접장치 {Hybrid Welding Apparatus}

본 발명은 하이브리드 용접장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로봇암에 장착되고 용접방향 전/후방에 용접선 추적과 용접부 모니터링 영상작업을 수행하는 비전모듈이 설치되며 용접작업중 발생하는 고휘도의 빛, 스패터 및 연기가 비전모듈의 영상작업을 방해하는 것을 방지하는 하이브리드 용접장치에 관한 것이다.

레이저 용접과 아크 용접을 접목한 하이브리드 용접법은 각 용접이 갖는 장점은 극대화하고 단점은 서로가 보완하는 용접법이다. 깊은 용입이라는 장점을 갖고, 용접부 변형이 상대적으로 적으며, 모재의 갭(gap)에 대한 민감도를 극복할 수 있는 용접 기술로서, 용접선 추적(seam tracking)을 통한 위치검출 방법이 적용되어 다양한 조립공정에 적용되고 있다.

용접선 추적을 위한 위치검출 방법으로는 접촉식과 비접촉식 방법이 채용되고 있으며, 여기에는 용접의 적응제어 능력이 탁월한 레이저 비전센서를 주로 이용하고 있다. 레이저 비전센서는 광원에 따라 점센서, 선형센서, 면적센서로 분류되며 광학삼각법에 의한 부재검출, 조인트 타입확인, 용접선 추적위치 검출 등에 이용된다.

한편, 후판 강재를 용접하기 위해 오래전부터 사용되고 있는 아크 용접은 용입 깊이가 깊지 못하기 때문에 다층 용접을 수행하여야 하고, 이로 인해 생산성이 저하되며 생산성 향상을 위해 용접 입열량을 높인다 해도 용접부 물성의 저하 및 열변형이 발생하는 문제가 있다.

최근에는 상기와 같은 아크 용접의 문제점을 해결하기 위하여 다양한 후판 및 차량, 선발 부품 등에 레이저 용접을 이용하는 사례가 증가하고 있으나, 레이저 빔은 용접열이 용접 이음부에 집중되기 때문에 용입이 깊으나 빔의 직경이 작아 용접 이음부의 갭이 매우 작아야 한다.

이로 인해, 용접 이음부에 대한 전처리 작업이 요구되어 용접 생산성이 저하되고, 레이저와 아크를 함께 사용함으로써 용접을 제어하기 위한 변수가 많아지게 되어 용접시 제어가 어려워지는 문제가 있으며, 이러한 변수 설정을 위해서는 실시간으로 용접 품질을 모니터링 할 수 있는 모니터링 기술이 적용되어야 하나, 그에 대한 종합적인 기술이나 방법이 부족한 실정이다.

KR 10-1529053 B1 2015.06.10.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 용접선 추적과 용접부 모니터링 영상작업을 수행할 수 있으며, 용접작업중 발생하는 고휘도의 빛, 스패터 및 연기가 영상작업을 방해하는 것을 방지하는 하이브리드 용접장치를 제공하는 데에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하이브리드 용접장치는, 로봇암의 단부에 설치되는 케이스, 상기 케이스에 구비되고 헤드부가 케이스의 밑면에 배치되는 레이저 용접유닛과, 상기 케이스에 구비되되 상기 레이저 용접유닛의 후방에 배치되고 토치가 케이스의 밑면에 배치되는 아크 용접유닛으로 이루어지는 용접수행부; 상기 케이스의 전방 측벽에 설치되어 용접할 부위의 영상정보를 수집하는 제1비전모듈과, 케이스의 후방 측벽에 설치되어 용접완료 부위의 영상정보를 수집하는 제2비전모듈로 이루어지는 영상수집부; 및 상기 케이스의 밑면 전/후방에 각각 구비되는 전방커버와 후방커버로 이루어지는 커버부;를 포함하며, 상기 레이저 용접유닛을 공냉시킨 후 고온이 된 에어를 상기 후방커버의 내측공간에 분사하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 하이브리드 용접장치는, 상기 전방커버와 후방커버가 폭 중앙에 절곡부를 갖는 V자 형을 이루고, 내측공간이 상호 대응되게 케이스의 밑면에 설치되되 상기 절곡부가 케이스의 밑면에 대해 예각을 이루며 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 하이브리드 용접장치는, 상기 후방커버의 하단에 에어의 직하방 유동을 제한하는 보조커버가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 하이브리드 용접장치는, 상기 전방커버와 후방커버가 상하 2단의 겹침구조로 이루어지고, 그 하부커버는 상하 이동가능하게 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하이브리드 용접장치에 의하면, 케이스의 전/후방에 배치되는 제1비전모듈과 제2비전모듈을 통해 용접선 추적과 용접부 모니터링 영상작업을 수행할 수 있으며, 케이스의 밑면 전/후방에 구비되는 전방커버와 후방커버 및 후방커버에 분사되는 에어를 통해 용접작업중 발생하는 고휘도의 빛, 스패터 및 연기가 영상작업을 방해하는 것을 방지할 수 있으므로 용접 작업성이 향상된다.

또한, 본 발명의 하이브리드 용접장치에 의하면, 후방커버의 하단에 구비되는 보조커버와 레이저 용접유닛의 공냉에 사용된 고온의 에어를 후방커버에 분사하는 과정을 통해 용접완료 부위의 급냉을 방지하므로 용접품질이 향상된다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치를 도시한 정면도.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치를 도시한 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치의 실시 상태를 예시한 정면도.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치의 레이저 용접유닛을 도시한 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치의 실시 상태를 예시한 평면도.
도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치의 다른 실시예로서 상하 2단 구조를 갖는 커버를 도시한 사시도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치를 도시한 정면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 용접수행부(10), 상기 용접수행부(10)의 양측벽에 설치되는 영상수집부(20) 및 상기 용접수행부(10)의 하부에 구비되는 커버부(30)로 이루어지고, 상기 영상수집부(20)는 용접수행부(10)의 전방(용접이 진행되는 방향)(x)과 후방(x')에 용접선 추적과 용접부 모니터링을 위한 영상정보 수집작업을 수행하는 비전모듈이 각각 설치되며, 상기 커버부(30)는 용접작업중 발생하는 고휘도의 빛, 스패터 및 연기가 상기 비전모듈의 영상작업영역(S, S')에 진입하여 영상정보 수집작업을 방해하는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기 구성 요소들을 중심으로 본 발명의 구체적인 내용을 설명하면, 먼저 상기 용접수행부(10)는 용접작업을 수행하는 구성으로서, 로봇암의 단부에 설치되고 외형이 블록형인 케이스(11), 상기 케이스(11)에 구비되되 헤드부(13a)는 케이스(11)의 밑면으로부터 돌출되어 배치되는 레이저 용접유닛(13) 및 상기 케이스(11)에 구비되되 상기 레이저 용접유닛(13)의 후방에 배치되며 토치(15a)가 케이스(11)의 밑면으로부터 돌출되어 배치되는 아크 용접유닛(15)으로 이루어진다.

상기 레이저 용접유닛(13)은 용접작업중 헤드부(13a)와 모재간의 거리변동에도 렌즈 촛점의 보정에 의해 적정 레이저빔이 투사될 수 있도록 상하로 미세 이동가능하게 케이스(11)에 설치되며, 상기 아크 용접유닛(15)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 토치(15a)가 상기 헤드부(13a)를 향하도록 절곡되어 구비되게 된다.

상기 영상수집부(20)는 전술한 바와 같이 용접선 추적작업 및 용접부 모니터링 작업을 수행하는 구성으로서, 상기 케이스(11)의 전방 측벽에 설치되는 제1비전모듈(21) 및 케이스(11)의 후방 측벽에 설치되는 제2비전모듈(23)로 이루어진다.

상기 제1비전모듈(21)은 용접선 추적을 위한 심 트랙킹 모듈(seam tracking module)로서, 선형 레이저를 이용한 발광부와 CCD 카메라 (charge-coupled device camera)를 이용한 수광부로 이루어진다.

상기 발광부는 선형 레이저 빔을 실린더 렌즈를 통해 모재에 투사하며, 경사지게 설치된 상기 CCD 카메라의 수광 렌즈가 모재에 투사된 후 반사되어 나오는 상기 선형 레이저 빔을 수용하게 된다.

상기 수광부는 2D의 CCD 카메라를 채용, 상기 카메라로 획득된 영상 정보를 외부 PC에 내장된 제어부로 송출하며, 상기 제어부는 상기 영상 정보에 대한 영역분할을 실시하여 각 분할점의 위치를 계산한 후, 용접 이음부의 형상과 상기 헤드부(13a) 및 토치(15a)의 상대적 위치를 정한 다음, 로봇암에 명령하여 용접작업이 수행되도록 한다.

상기 제2비전모듈(23)은 불량 용접물을 선별할 수 있도록 케이스(11)의 후방(x')에 노출되는 용접 완성부위를 촬영하여 그 영상정보를 제어부에 제공하는데, 여기에는 통상 CCD 카메라 (charge-coupled device camera)가 채용된다.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치를 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치의 실시 상태를 예시한 정면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치의 레이저 용접유닛을 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 용접장치의 실시 상태를 예시한 평면도이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 상기 커버부(30)는 용접작업 과정에서 발생하는 고휘도의 빛과 함께 스패터와 연기가 상기 제1비전모듈(21)과 제2비전모듈(23)의 영상정보 수집작업을 방해하지 않도록 하는 구성으로서, 케이스(11)의 밑면 전/후방에 각각 구비되는 전방커버(31)와 후방커버(33)로 이루어진다.

고휘도의 빛, 스패터 및 연기를 효과적으로 차단하기 위해서는 한 쌍의 커버가 각 비전모듈에 직접 설치할 수도 있으나, 본 발명은 다양한 형상의 용접작업을 수행하기 위해 로봇암에 장착되어 자유이동되는 특성상, 전/후 커버간 거리가 증가할수록 자유이동에 제약이 증가할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 커버에 의한 자유이동의 제약을 최소화하는 차원에서 전방커버(31)와 후방커버(33)를 케이스(11)의 밑면에 설치한다.

전방커버(31)와 후방커버(33)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 평면상에서 볼 때 폭 중앙에 절곡부(f)를 갖는 V자 형의 판재로서 내측공간(s, s')이 상호 대응되게 케이스(11)의 밑면에 설치되되, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 절곡부(f)가 케이스(11)의 밑면에 대해 예각(θ)을 이루며 설치됨으로써 후술할 튜브(B, B')에 의해 불활성가스의 안정적 투입과 연기의 효과적 배제가 이루어지도록 한다.

상기 전방커버(31)는 용접작업중 발생하는 고휘도 빛 차단과 함께 스패터가 제1비전모듈(21)의 영상작업영역(S)에 비산되는 것을 방지하는 기능을 하는 한편, 불활성가스가 외기에 의해 분산됨이 없이 레이저 빔과 아크가 중첩되는 곳{이하 웰딩스팟(W)이라 한다}에 안정적으로 투입될 수 있도록 전방커버(31)의 내벽 하부에 헤드부(13a)와 토치(15a)가 인접되도록 설치한다.

또한, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 레이저 용접유닛(13)의 몸체에는 용접과정에서 발생하는 열을 공냉시키기 위한 에어 유입부(미도시) 및 에어 토출부(13b), 및 웰딩스팟(W)에 불활성가스를 투입하는 가스노즐(13c)이 구비되는데, 상기 가스노즐(13c)에 가스투입튜브(B)를 연결, 그 토출구가 웰딩스팟(W)과 전방커버(31)의 하부 내벽 사이에 배치되도록 하면, 용접진행에 따라 전방커버(31)의 하부가 웰딩스팟(W)을 실드하여 불활성가스가 외기에 의해 분산됨이 없이 웰딩스팟(W)에 안정적으로 투입될 수 있으며, V자 형상의 내측공간(s)에 의해 안정적인 투입이 배가될 수 있다.

상기 후방커버(33)는 빛 차단과 함께 스패터가 제2비전모듈(23)의 영상작업영역(S')에 비산되는 것을 방지하는 기능 외에도, 용접작업의 진행방향 배후에 배치되는 영상작업영역(S')에 연기가 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 다만, 연기의 경우 비산하는 스패터와 달리 유체거동을 하여 후방커버(33)에 박리된 후 와류를 형성하며 영상작업영역(S')에 유입됨으로써 제2비전모듈(23)의 모니터링 작업을 방해할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 에어 토출부(13b)에 연결된 에어투입튜브(B')를 통해 에어(A)가 후방커버(33)의 내측공간(s')에 투입되도록 하면, 투명한 에어(A)의 와류(T)가 영상작업영역(S')에 진입하게 되어 연기(G)의 영상작업영역(S') 진입을 배제할 수 있다.

다만, 에어(A)의 일부가 용접직후 고온상태에 있는 용접완료부위를 급냉시켜 기계적 물성치를 저하시킬 수 있는바, 후방커버(33)의 하단에는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 에어(A)의 직하방 유동을 제한하는 보조커버(35)가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 에어투입튜브(B')를 에어 토출부(13b)에 연결하면, 공냉과정으로 인해 고온상태가 된 에어(A)를 활용할 수 있고, 이에 따라 후방커버(33)의 내측공간(s')에 분사된 에어(A)의 일부가 용접완료부위에 접촉하더라도 고온상태의 에어(A)로 인하여 용접완료부위의 급냉에 따른 기계적 물성치 저하를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 용접선 선상의 모재에 돌출부 또는 오목부가 있는 경우에는 커버(31, 33)의 단부가 작업에 방해가 될 수 있는바, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 각 커버(31, 33)를 상하 2단의 겹침구조로 하고, 그 하부커버(31a, 33a)는 상하 이동가능하게 구비되는 구성으로 실시될 수 있다.

이 경우, 상기 하부커버(31a, 33a)의 상하 이동은 절곡부(f)에 구비된 이송나사(미도시)를 통해 구현되며, 상기 이송나사는 모터(미도시) 및 제어부와 전기적으로 연결되어 상기 제어부의 명령신호에 의해 상하 이동이 이루어지도록 한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.

10: 용접부
11: 케이스 13: 레이저 용접유닛
15: 아크 용접유닛
20: 영상수집부
21: 전방카메라 23: 후방카메라
30: 커버부
31: 전방커버 33: 후방커버
35: 보조커버

Claims (4)

1. 로봇암의 단부에 설치되는 케이스(11), 상기 케이스(11)에 구비되고 헤드부(13a)가 케이스(11)의 밑면에 배치되는 레이저 용접유닛(13)과, 상기 케이스(11)에 구비되되 상기 레이저 용접유닛(13)의 후방에 배치되고 토치(15a)가 케이스(11)의 밑면에 배치되는 아크 용접유닛(15)으로 이루어지는 용접수행부(10);
   상기 케이스(11)의 전방 측벽에 설치되어 용접할 부위의 영상정보를 수집하는 제1비전모듈(21)과, 케이스의 후방 측벽에 설치되어 용접완료 부위의 영상정보를 수집하는 제2비전모듈(23)로 이루어지는 영상수집부(20); 및
   상기 케이스(11)의 밑면 전/후방에 각각 구비되는 전방커버(31)와 후방커버(33)로 이루어지는 커버부(30);
   를 포함하며,
   상기 레이저 용접유닛(13)을 공냉시킨 후 고온이 된 에어(A)를 상기 후방커버(33)의 내측공간(s')에 분사하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 용접장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전방커버(31)와 후방커버(33)는 폭 중앙에 절곡부(f)를 갖는 V자 형을 이루고, 내측공간(s, s')이 상호 대응되게 케이스(11)의 밑면에 설치되되 상기 절곡부(f)가 케이스(11)의 밑면에 대해 예각(θ)을 이루며 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 용접장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 후방커버(33)의 하단에는 에어(A)의 직하방 유동을 제한하는 보조커버(35)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 용접장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 전방커버(31)와 후방커버(33)는 상하 2단의 겹침구조로 이루어지고, 그 하부커버(31a, 33a)는 상하 이동가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 용접장치.
   

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