KR20180124409A

KR20180124409A - 맞대기 용접 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20180124409A
Application number: KR1020170058864A
Authority: KR
Inventors: 김민호; 박병학
Original assignee: 주식회사 성우하이텍
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-11-21

Abstract

맞대기 용접 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 양측에 각각 모재가 안착되는 스테이지와, 각 스테이지에 모재를 고정하는 그립이 구비되어 두 모재를 서로 맞대어 용접하는 맞대기 용접 장치는, 상기 스테이지에 각각 고정된 제1 모재 및 제2 모재와의 수직거리를 측정하는 레이저 센서부, 슬라이드 바를 통해 모재를 하부로부터 밀어 올려 높이를 조절하는 높이 조절기 및 상기 제1 모재 및 제2 모재와의 거리 측정에 따른 단차를 보정하기 위하여 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위를 제어하고 상기 용접기를 통한 맞대기 용접을 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

맞대기 용접 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BUTT WELDING}

본 발명은 맞대기 용접 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스테이지 상에 정렬된 두 강판의 단면을 접합하기 위한 맞대기 용접 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 압연을 통해 금속을 가공하여 스트립(Strip)을 코일(Coil) 형태로 생산하거나 생산된 코일을 이용하여 자동차의 강판과 같은 제품을 생산하는 연속라인에서는 두 개의 강판 소재(이하, 모재라 명명함)를 서로 접합(연결)하기 위한 맞대기 용접 장치를 사용하고 있다.

예컨대, 도 1 및 도 2는 종래 용접 공정에서의 맞대기 용접 시 발생되는 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.

첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 종래에는 맞대기 용접을 위한 모재1과 모재2가 용접 스테이지에 안착되면, 공압 그립을 통해 각 모재가 움직이지 않도록 고정한 후 용접기를 이용하여 용접을 수행하고 있다.

그러나, 그립에 의한 모재의 고정만으로는 실제 용접이 실시되는 두 모재간 맞닿는 면의 높이 단차를 정확하게 맞추지 못하여 모재간의 단차가 발생된 상태에서의 용접이 이루어지는 것이 용접불량의 원인으로 지적되고 있다.

예컨대, 도 1은 레이저 용접 공정 이전에 코일에서 제품의 블랭킹 성형공정을 위해 최적화된 사이즈의 시트로 기계전단가공(Shearing/Slitting Machine)시 가공된 절단면의 형상이 불규칙하여 모재간 높이의 매칭 불량을 유발할 수 있다.

또한, 도 2와 같이 서로 다른 두께의 모재를 용접하는 경우 서로 맞닿는 절단면의 높이 차이로 인하여 두 모재가 서로 어긋난 상태로 용접됨으로써 용입 깊이가 기준에 미치지 못하는 용접불량이 발생한다.

한편, 도 3은 종래의 맞대기 용접이 양호한 상태와 불량인 상태를 비교하여 나타낸다.

첨부된 도 3을 참조하면, 도 3(A)에 나타낸 용접 양호의 경우 두 모재간의 맞닿는 면에 충분한 용입이 이루어져 있는 반면, 도 3(B)에는 두 모재의 높이가 서로 어긋난 상태로 용접 불량이 발생된 예시를 나타낸다.

이처럼 종래의 용접 장치는 두 모재 간의 맞닿는 면적이 작아지는 경우 용접부의 용입량이 작아져 용접부 강도가 저하되는 용접불량이 발생되는 문제점이 있으며, 이는 양산제품의 불량으로 이어질 수 있는 문제점이 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 스테이지 상에 위치하는 두 모재간의 맞닿는 면적이 최대가 되도록 모재 간의 단차를 보정하여 용접불량을 방지하는 맞대기 용접 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 양측에 각각 모재가 안착되는 스테이지와, 각 스테이지에 모재를 고정하는 그립이 구비되어 두 모재를 서로 맞대어 용접하는 맞대기 용접 장치는, 상기 스테이지에 각각 고정된 제1 모재 및 제2 모재와의 수직거리를 측정하는 레이저 센서부; 슬라이드 바를 통해 모재를 하부로부터 밀어 올려 높이를 조절하는 높이 조절기; 및 상기 제1 모재 및 제2 모재와의 거리 측정에 따른 단차를 보정하기 위하여 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위를 제어하고 상기 용접기를 통한 맞대기 용접을 제어하는 제어기를 포함한다.

또한, 상기 레이저 센서부는 레이저를 모재의 상면에 조사하여 반사되는 신호를 검출함으로써 각 모재와의 거리를 측정하는 제1 레이저 센서 및 제2 레이저 센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 레이저 센서 및 제2 레이저 센서는 상기 용접라인을 따라 이동되는 상기 용접기의 양 측면에 일정 간격을 두고 나란히 설치될 수 있다.

또한, 상기 높이 조절기는 상기 슬라이드 바; 상기 슬라이드 바의 하부에 형성된 래크에 피니언을 통해 회전력을 가하는 모터; 및 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위를 측정하는 변위 센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 슬라이드 바는 상기 용접라인에 인접한 위치에 형성된 상기 스테이지 상의 슬롯을 하부로부터 관통하여 상기 모재를 밀어 올리는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변위 센서는 레이저를 통해 측정되는 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위를 상기 제어기로 전달할 수 있다.

또한, 상기 제어기는 용접라인에 인접한 상기 제1 모재 및 제2 모재와의 수직거리에 기초한 각 모재의 평균수직거리를 계산할 수 있다.

또한, 상기 제어기는 상기 평균수직거리가 상대적으로 먼 모재의 상승을 위한 단차 보정량을 계산하여 상기 모터를 구동하고, 상기 변위센서에서 측정된 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위가 상기 단차 보정량에 도달하면 상기 모터를 정지시킬 수 있다.

또한, 상기 단차 보정량은 상기 상대적으로 먼 모재의 평균거리가 상기 제1 모재 및 제2 모재의 두께 차이 및 굽어 있는 상태를 고려한 두 모재의 조합으로 설정되는 단차범위 내 허용거리에 위치하도록 계산될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 양측에 각각 모재가 안착되는 스테이지와, 각 스테이지에 모재를 고정하는 그립이 구비되어 두 모재를 서로 맞대어 용접하는 맞대기 용접 장치의 맞대기 용접 방법은, a) 레이저 센서부를 통해 스테이지에 안착된 제1 모재 및 제2 모재의 상면으로부터의 수직거리를 각각 측정하는 단계; b) 측정된 상기 수직거리를 토대로 모재별 전체 폭 길이에 대한 평균수직거리를 계산하여 상대적으로 평균수직거리가 먼 상기 제2 모재를 높이 조절 대상으로 판단하는 단계; c) 상기 모재별 두께와 두께 차이를 고려하여 두 모재의 절단면이 맞닿는 단차범위 내 허용거리를 설정하는 단계; 및 d) 상기 제2 모재의 평균수직거리가 상기 허용거리 내에 존재하지 않으면, 상기 제2 모재를 하부로부터 밀어 올리는 슬라이드 바의 수직 이동변위를 제어하여 상기 제2 모재의 평균수직거리가 상기 허용거리 내에 위치하도록 보정하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 a) 단계는 상기 용접기에 장착된 상기 레이저 센서부가 용접라인을 따라 이동하면서 상기 수직거리를 각각 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 c) 단계는 적어도 하나의 모재가 굽어있는 상태에 따라 증감되는 상기 평균수직거리를 더 고려하여 상기 단차범위 내 허용거리를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계는 상기 제2 모재의 평균수직거리가 상기 허용거리의 중간 값에 위치하도록 상승 시키기 위한 상기 슬라이드 바의 단차 보정량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계는 상기 슬라이드 바의 상승을 위해 모터를 구동하고, 변위 센서를 통해 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계는 상기 수직 이동변위가 상기 단차 보정량에 도달하면 상기 모터의 구동을 정지하고, 용접 제어 신호를 용접기로 전달하여 용접을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 스테이지 상에 고정되는 두 모재간의 맞닿는 면적이 최대가 되도록 단차를 보정하여 용접면에 충분한 용입이 이루어지도록 함으로써 맞대기 용접시의 용접불량을 방지할 수 있다.

또한, 레이저 센서를 통해 두께가 다르거나 굽어 있는 서로 다른 상태의 모재 조합별 단차범위 내 허용거리를 계산하고 이를 기준으로 모재간의 단차를 보정함으로써 다양한 모재 환경에 대응하여 최적의 용접을 수행할 수 있다.

그리고, 모재별 전체 폭 길이의 평균수직거리에 기초한 모재간의 단차 보정량을 계산하여 모재의 폭 방향에서의 높이 편차가 발생하더라도 두 모재별 조합의 허용범위 내에서 최적의 용접을 수행함으로써 모재의 손실을 줄이고 양산제품의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 용접 공정에서의 맞대기 용접 시 발생되는 문제점을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 종래의 맞대기 용접이 양호한 상태와 불량인 상태를 비교하여 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 맞대기 용접 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 센서부를 통한 각 모재별 수직거리 측정 상태를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 높이 조절기를 통해 모재의 높이를 조절한 상태를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 CASE#1로 두 모재의 수직거리가 허용거리 내에 있어 높이 조절이 필요 없는 상태를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 CASE#2로 두 모재의 수직거리가 허용거리를 초과하여 높이 조절이 필요한 상태를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 맞대기 용접 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 맞대기 용접 장치 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 맞대기 용접 장치의 구성을 개략적으로 나타낸다.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 맞대기 용접 장치(100)는 양측에 각각 모재(10)가 안착되는 스테이지(20), 스테이지(20)에 안착된 모재(10)를 고정하는 그립(30)이 구비되어 두 모재를 서로 맞대여 용접하며, 마주하는 제1 모재(10-1)와 제2 모재(10-2)가 용접라인을 기준으로 좌우대칭으로 형성된다. 여기서, 상기 용접라인(Weld line)은 우측의 제1 모재(10-1)와 좌측의 제2 모재(10-2)의 맞대기 용접을 위한 이음부로써, 용접기(140)의 용접경로를 의미한다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 맞대기 용접 장치(100)를 설명함에 있어서, 상기 용접라인을 기준으로 좌우대칭으로 구성되는 용어는 이들을 구별하기 위하여, 우측 및 좌측에 구성된 용어에 제1 및 제2 를 붙여 지칭한다. 그리고, 설명에 좌우의 구별이 필요 없거나 공통된 설명의 경우 상기 제2 및 제2를 용어에서 생략할 수 있다.

제1 모재(10-1)와 제2 모재(10-2)는 두께(절단면 높이)와 모재가 동일하거나 서로 다를 수 있다.

스테이지(20)는 연속공정의 코일이송라인에 설치될 수 있으며, 롤러(미도시)를 통해 이송되는 선행 코일의 후단부인 제1 모재(10-1)와 후행 코일의 선단부인 제2 모재(10-2)가 나란히 정렬될 수 있다. 스테이지(20)는 연속공정에 적용되는 것에 한정되지 않으며, 모재와 모재를 용접하기 위한 모든 작업대를 지칭할 수 있다.

그립(30)은 하강하여 모재(10)를 스테이지(20)상에 고정하거나 상승하여 모재의 고정을 해제한다. 그립(30)은 공압으로 모재(10)의 상부에 압력을 가하는 공압 그립으로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않으며 액추에이터 등을 통해 압력을 가하는 클램프로 구성될 수 있다.

또한, 맞대기 용접 장치(100)는 좌우의 각 스테이지(20)에 고정된 모재(10-1, 10-2)와의 수직거리를 측정하는 레이저 센서부(110), 슬라이드 바(121)를 통해 각 모재(10-1, 10-2)를 하부로부터 밀어 올려 높이를 조절하는 높이 조절기(120) 및 제1 모재(10-1)와 제2 모재(10-2)의 측정 높이에 따른 단차를 보정하기 위하여 상기 슬라이드 바(121)의 이동변위를 제어하고, 용접기(140)를 통한 맞대기 용접을 제어하는 제어기(150)를 포함한다.

여기서, 용접기(140)는 연속 라인에서의 모재와 모재간의 용접은 일정한 품질로 정밀하게 진행되어야 하므로 레이저 용접기(Laser Welding Machine)로 구성할 수 있다.

또한, 용접기(140)는 이에 한정되지 않고 와이어를 공급하면서 용접 토치와 코일 용접라인 사이에 강한 전류를 형성하여 와이어 및 코일을 순간적으로 녹여 융착시키는 아크 용접기로 구성될 수도 있다.

이러한, 용접기(140)는 도면에는 생략되었으나 상하좌우로 이동하는 이송체에 장착되어 두 모재(10-1, 10-2) 사이의 용접라인을 따라 이동하면서 맞대기 용접을 수행할 수 있다.

레이저 센서부(110)는 용접라인의 상부에 일정 간격을 두고 나란히 설치되는 제1 레이저 센서(110-1) 및 제2 레이저 센서(110-2)를 포함하며, 레이저를 각 모재(10-1, 10-2)의 상면에 조사하여 반사되는 신호를 검출함으로써 각각 모재와의 수직거리(distance)를 측정한다.

레이저 센서부(110)는 모재의 절단된 전체 길이(폭) 방향을 따라서 복수 지점의 수직거리(d)를 측정할 수 있으며, 이를 위해 용접라인을 따라 이동되는 용접기(140)의 양측면에 제1 레이저 센서(110-1) 및 제2 레이저 센서(110-2)가 나란히 설치될 수 있다. 제1 레이저 센서(110-1) 및 제2 레이저 센서(110-2)는 용접을 개시하기 전에 용접기(140)의 상기 용접라인 이동에 따른 상기 복수 지점의 수직거리(d)를 측 할 수 있다.

레이저 센서부(110)에서 측정되는 각 모재(10-1, 10-2)와의 수직거리 정보는 모재의 두께 및 모재가 굽어있는 상태(정도)에 따라 달라질 수 있으며, 이는 추후 맞대기 용접을 위해 모재의 높이를 조절하는 지표로 사용된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 센서부를 통한 각 모재별 수직거리 측정 상태를 나타낸다.

첨부된 도 5를 참조하면, 레이저 센서부(110)에는 레이저를 통해 제1 모재(10-1)의 상면과의 수직거리(d1)를 측정하는 제1 레이저 센서(110-1) 및 제2 모재(10-2)이 상면과의 수직거리(d2)를 측정하는 제2 레이저 센서(110-1)가 각각 구성된다.

이하 설명에서 레이저 센서와 모재의 수직거리가 다른 레이저 센서와 모재의 수직거리에 비해 상대적으로 멀거나 가까운 것은 해당 모재의 상면 높이가 상기 다른 모재에 비에 낮거나 높게 위치하고 있는 것을 의미한다.

그리고, 모재의 높이 조절 시 상기 레이저 센서와 모재의 수직거리(d)가 점차 줄어들면 상기 모재의 상면 높이가 점차 레이저 센서가 위치한 방향으로 상승하고 있는 것을 의미한다.

제1 레이저 센서(110-1)와 제2 레이저 센서(110-2)는 동일한 높이에 수평으로 설치되며, 각자 대응되는 모재와의 수직거리 정보(d1, d2)를 측정하여 제어기(150)로 전달한다.

예컨대, 도 5에서의 제1 모재(10-1)는 제2 모재(10-2)에 비해 상대적으로 두께(thickness)가 두껍고 수평인 반면에, 제2 모재(10-2)는 제1 모재(10-1)에 비해 얇고 하측으로 굽어 있는 상태이며 절단 면적도 상이하여 모재간의 수직거리 정보가 서로 상이하게 나타난다(예; d1 < d2).

종래에는 이처럼 각 모재의 수직거리 정보가 서로 상이하여 모재 간의 맞닿는 면적이 작아진 상태에서 용접을 실시함으로써 용접부의 용입량이 작아져 용접부 강도가 저하되는 용접불량의 문제가 존재하였다.

이에 본원발명의 실시 예에 따른 맞대기 용접 장치(100)는 높이 조절기(120)를 통해 두 모재(10)가 서로 맞닿는 절단면(Edge)과 인접한 위치에서 슬라이드 바(121)를 상승시켜 높이가 낮은 모재(10)를 하부로부터 밀어 올림으로써 서로 맞닿는 면적을 최대화 하는 것을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 높이 조절기를 통해 모재의 높이를 조절한 상태를 나타낸다.

첨부된 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제2 슬라이드 바(121-2)는 용접라인에 인접한 위치에 형성된 스테이지(20)의 슬롯(S)을 관통하여 그 상부에 고정된 제2 모재(10-2)를 밀어올림으로써 제2 모재(10-2)의 절단면 높이를 제1 모재(10-1)의 높이에 맞게 조절할 수 있다. 상기 슬롯(S)은 스테이지(20) 내에 각 모재의 절단면 방향으로 길게 형성될 수 있다.

이때, 제2 슬라이드 바(121-2)는 제2 모터(122-2)의 구동으로 상승할 수 있으며 이를 통해 스테이지(20) 상에 고정된 제2 모재(10-2)의 절단면 높이를 조절할 수 있다.

예컨대, 제2 슬라이드 바(121-2)는 하부에 수직길이방향으로 래크(rack)를 형성하고, 제2 모터(122-2)에 의해 회전하는 적어도 하나의 제2 피니언(123-2)이 상기 래크에 회전력을 전달하여 상하로 이동할 수 있다.

이때, 제2 모터(122-2)는 양방향 모터로 구성될 수 있다.

즉, 제2 모터(122-2)는 상기 제어신호에 따라 일측 방향으로 회전하여 제2 슬라이드 바(121-2)를 상승시키거나 타측 방향으로 회전하여 제2 슬라이드 바(121-2)를 하강시킬 수 있다.

또한, 제2 슬라이드 바(121-2)의 하부에는 상기 래크(즉, 슬라이드 바)의 수직 이동변위를 측정하는 제2 변위 센서(130-2)가 구성된다.

제2 변위 센서(130-2)는 제2 슬라이드 바(121-2)의 상승 또는 하강에 따른 수직 이동변위를 측정하여 제어기(150)로 전달할 수 있다.

제2 변위 센서(130-2)는 레이저 변위 센서로 구성하여 제2 슬라이드 바(121-2)의 수직 이동변위를 측정할 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 직선변위를 측정하는 공지된 다양한 센서의 적용이 가능하다.

이상의 설명에서는 제2 모재(10-2)의 높이를 조절하는 것을 가정하여 설명하였으나 이와 대칭되는 제1 모재(10-1)의 높이를 변경해야 하는 경우에도 서로 대칭된 동일한 구성을 통해 높이를 조절할 수 있으며 중복되는 설명은 생략한다.

한편, 제어기(150)는 본 발명의 실시 예에 따른 모재간의 맞대기 용접을 위한 전반적인 동작을 제어하며, 이를 위한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터나 그에 준한 전자장비로 구성될 수 있다.

제어기(150)는 스테이지(20)에 맞대기 용접을 위한 모재(10)가 안착 및 고정되면, 레이저 센서부(110)로부터 측정된 각 모재(10-1, 10-2)와의 수직거리 정보(d1, d2)를 수집한다.

제어기(150)는 레이저 센서부(110)에서 수집된 수직거리 정보(d1, d2)를 토대로 각 모재의 전체 길이(폭)의 평균 값을 계산하고, 두 모재의 조합별로 정해진 단차범위 내 허용거리를 유지할 수 있도록 슬라이드 바(121)를 상승하여 단차를 보정 한 후 용접을 실시 한다.

이때, 제어기(150)는 각 모재의 두께와 두께 차이를 계산할 수 있으며, 상기 두께 차이를 고려하여 조합된 두 모재의 높이 조절을 위한 상기 단차범위 내 허용거리를 계산할 수 있다.

또한, 제어기(150)는 굽어있는 상태에 따라 증감되는 모재 상면의 변위를 더 고려하여 슬라이드 바(121)의 상승을 위한 단차 보정량을 계산할

즉, 제어기(150)는 레이저 센서부(110)에서 수집된 수직거리 정보(d1, d2)를 토대로 서로 마주하는 두 모재간의 상면 높이 단차를 계산하고, 상기 높이 단차가 두 모재(10)의 조합에 따른 두께 차이로 계산되는 단차범위 내 허용거리를 벗어나면 단차 보정이 필요한 것으로 판단한다.

그리고, 제어기(150)는 상기 단차를 보정하기 위해 두 모재 중 상대적으로 수직거리가 먼(즉, 높이가 낮은) 모재(10)의 해당 슬라이드 바(121)의 이동변위를 계산한다.

여기서, 상기 해상 슬라이드 바(121)는 상대적으로 레이저 센서부(110)로부터 수직거리가 먼 모재(10)에 해당하는 슬라이드 바(121)를 의미하는 것으로써, 가령 상기 도 5 및 도 6을 참조할 때 상대적으로 수직거리가 더 먼(d1 < d2) 제2 슬라이드 바(121-2)를 의미한다.

예컨대, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 CASE#1로 두 모재의 수직거리가 허용거리 내에 있어 높이 조절이 필요 없는 상태를 나타낸다.

첨부된 도 7을 참조하면, 두께가 서로 다른 제1 모재(10-1)와 제2 모재(10-2)가 각자 스테이지(20) 상에 수평하게 위치한 상태를 보여준다.

먼저, 제어기(150)는 각 레이저 센서(110-1, 110-2)로부터 스테이지(20) 상면까지의 전체 수직거리(20mm)로부터 각각 제1 모재(10-1) 및 제2 모재(10-2)의 두께(1.2mm, 0.7mm)를 뺀 값(18.8mm, 19.3mm)이 상기 각 레이저 센서(110-1, 110-2)로부터 각 모재 상면의 수직거리(d1, d2)와 일치하므로 두 모재(10)의 상면이 모두 스테이지(20)상에 평행하게 정렬된 것으로 판단할 수 있다.

또한, 제어기(150)는 상기 d1(18.8mm)에 비해 d2(19.3mm)의 수직거리가 더 멀기 때문에 상대적으로 낮은 높이의 제2 모재(10-2)를 높이 조절 대상으로 판단하고, 두 모재의 조합에 따른 두께 차이(0.5mm)만큼의 높이 조절 가능한 단차범위 내 허용거리(18.8 ~ 19.3mm)를 설정할 수 있다.

이때, 제어기(150)는 제2 모재(10-2)의 d2(19.3mm)가 상기 단차범위 내 허용거리(18.8 ~ 19.3mm)에 존재하므로 해당 제2 슬라이드 바(121-2)의 높이조절이 불필요한 것으로 판단한 후 용접을 개시할 수 있다.

반면, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 CASE#2로 두 모재의 수직거리가 허용거리를 초과하여 높이 조절이 필요한 상태를 나타낸다.

첨부된 도 8을 참조하면, 상기 도 7과 동일한 조건에서의 제1 모재(10-1)와 제2 모재(10-2)가 평행하지 않고 서로 엇갈린 상태를 보여준다.

먼저, 제어기(150)는 제1 레이저 센서(110-1)로부터 스테이지(20)의 상면까지 수직거리 20mm로부터 제1 모재(10-1)의 두께 1.2mm를 뺀 값이 18.8mm인 반면에, 측정된 d1 값이 18.5mm로써, 제1 모재(10-1) 상면의 수직거리가 해당 모재 두께인 1.2mm 보다 0.3mm 감소된 것으로 계산한다.

또한, 제어기(150)는 제2 레이저 센서(110-2)로부터 스테이지(20)의 상면까지 수직거리 20mm로부터 제2 모재(10-2)의 두께 0.7mm를 뺀 값이 19.3mm인 반면에, 측정된 제2 모재(10-2) 상면의 수직거리(d2)가 19.6mm로써, 상기 d2 값이 해당 모재 두께인 0.7mm 보다 0.3mm 증가된 것으로 계산한다.

이때, 제어기(150)는 레이저 센서로부터 모재와의 수직거리와 모재의 두께를 고려한 d1 및 d2 값이 감소하거나 증가된 값을 토대로 각 모재가 위로 굽어있거나 아래로 굽어있는 상태와 그 정도를 파악할 수 있다.

또한, 제어기(150)는 상기 d1(18.5mm)에 비해 d2(19.6mm)의 수직거리가 더 멀기 때문에 상대적으로 상면이 낮은 높이에 있는 제2 모재(10-2)를 높이 조절 가능한 대상으로 판단한다.

또한, 제어기(150)는 두 모재의 두께 차이(0.5mm)를 고려하여 제2 모재(10-2)의 높이 조절이 가능한 허용거리를 19.0mm ~ 18.5mm로 계산한다.

구체적으로, 제어기(150)는 제2 모재(10-2)의 d2(19.6mm)에서 상기 d1의 수직거리 감소분(0.3mm) 및 d2의 수직거리 증가분(0.3mm)을 뺀 19.0mm를 제2 모재(10-2)의 최저 허용거리로 설정하고, 여기에 두 모재(10-1, 10-2)의 두께 차이인 0.5mm만큼의 범위를 적용하여 최대 허용거리를 18.5mm까지 조절 가능한 것으로 설정할 수 있다.

이때, 제어기(150)는 높이 조절 대상인 제2 모재(10-2)의 수직거리가 19.6mm로 상기 계산된 허용거리(18.5 ~ 19.0mm) 범위에 존재하지 않으므로 두 모재의 절단면이 닿는 면적에 단차가 발생된 것으로 판단하고 제2 모재(10-2)의 상승을 위한 단차 보정량을 계산할 수 있다.

제어기(150)는 상기 단차 보정량을 통해 제2 모재(10-2)에 해당하는 제2 슬라이드 바(121-2)의 높이를 상승시켜 제2 모재(10-2)의 높이를 상기 허용거리(18.5 ~ 19.0)의 범위 이내로 조절한다.

예컨대, 제어기(150)는 제2 슬라이드 바(121-2)의 높이 보정량을 상기 d2의 19.6mm에서 상기 d1의 감소분과 d2의 증가분을 더한 0.6mm와 상기 두께 차이의 중간 값인 0.25mm를 합하여 0.85mm 상승하도록 조절할 수 있다.

한편, 전술한 맞대기 용접 장치(100)의 구성을 바탕으로 하는, 본 발명의 실시 예에 따른 맞대기 용접 방법을 다음의 도 9를 통해 설명한다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 맞대기 용접 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

첨부된 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 용접 장치(100)는 용접라인을 중심으로 좌우에 형성된 스테이지(20)에 제1 모재(10-1)와 제2 모재(10-2)가 이송되면, 각각 그립을 통해 고정한다(S101).

용접 장치(100)는 각 모재의 상부에 각각 배치된 레이저 센서(110-1, 110-2)를 통해 제1 모재(10-1) 상면 수직거리(d1) 및 제2 모재(110-2)의 상면으로부터의 수직거리(d2)를 측정한다(S102). 이때, 레이저 센서(110-1, 110-2)는 용접기(140)에 장착되어 용접을 개시하기 전에 미리 용접라인(용접경로)을 따라 이동하면서 상기 d1 및 d2를 측정할 수 있다.

용접 장치(100)는 측정된 상기 d1 및 d2를 토대로 각 모재별 전체 폭 길이에 대한 평균수직거리를 계산한다(S103). 이때, 용접 장치(100)는 상기 d1 및 d2에 기초한 평균수직거리를 비교하여 상대적으로 평균수직거리가 멀어서 낮은 위치에 존재하는 모재를 높이 조절 가능한 대상으로 판단할 수 있다.

용접 장치(100)는 조합되는 모재별 두께와 두께 차이를 고려하여 두 모재의 절단면이 최대한 맞닿을 수 있게 높이 조절 가능한 상기 단차범위 내 허용거리를 계산하여 설정한다(S104). 이때, 용접 장치(100)는 적어도 하나의 모재가 굽어있는 상태에 따라 증감되는 모재 상면의 변위를 더 고려하여 상기 단차범위 내 허용거리를 계산할 수 있다.

용접 장치(100)는 상대적으로 낮은 위치에 있는 모재의 평균수직거리가 상기 설정된 허용거리 내에 존재하지 않으면 두 모재의 절단면이 닿는 면적에 단차가 발생된 것으로 판단한다(S105; 아니오).

용접 장치(100)는 상대적으로 낮은 위치에 있는 모재의 상면을 상기 허용거리 내로 상승 시키기 위한 슬라이드 바(121)의 단차 보정량을 계산한다(S106). 이때, 상기 단차 보정량은 상기 모재의 상면이 상기 허용거리의 중간 값에 위치하도록 계산할 수 있다.

용접 장치(100)는 상기 슬라이드 바(121)의 상승을 위해 모터(122)를 구동하고, 변위 센서(130)를 통해 상기 슬라이드 바(121)의 수직 이동변위를 측정한다(S107).

용접 장치(100)는 측정되는 상기 수직 이동변위가 상기 단차 보정량에 도달하면 모터(122)의 구동을 정지하고(S108), 용접 제어 신호를 용접기(140)로 전달하여 용접을 실시 한다(S109).

한편, 상기 S105 단계에서, 용접 장치(100)는 상대적으로 낮은 위치에 있는 모재의 평균수직거리가 상기 단차범위 내 허용거리 내에 존재하면(S105; 예), 두 모재의 절단면이 닿는 면적이 최적화된 상태로 판단하여 바로 용접을 개시할 수 있다(S109).

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 스테이지 상에 고정되는 두 모재간의 맞닿는 면적이 최대가 되도록 모재 간의 단차를 보정하고 용접면에 충분한 용입이 이루어지도록 함으로써 맞대기 용접시의 용접불량을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 레이저 센서를 통해 두께가 서로 다르거나 굽어 있는 상태가 서로 다른 모재별 조합에 따른 단차범위 내 허용거리를 계산하고 이를 기준으로 모재간의 단차를 보정함으로써 다양한 모재 환경에 대해서도 용접불량을 줄일 수 있으며 그로 인한 모재의 손실을 줄이고 양산제품의 성능을 향상시킬 수 있다.

그리고, 모재의 전체 폭 길이를 고려한 평균수직거리에 기초하여 모재간의 단차 보정량을 계산함으로써 모재의 폭 방향의 길이의 높이 편차가 발생하더라도 허용범위 내에서 단차를 최소화한 용접을 수행할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 모재 20: 스테이지
30: 그립 100: 용접 장치
110: 레이저 센서부 120: 높이 조절기
121: 슬라이드바 122: 모터
123: 피니언 130: 변위 센서
140: 용접기 150: 제어기

Claims

양측에 각각 모재가 안착되는 스테이지와, 각 스테이지에 모재를 고정하는 그립이 구비되어 두 모재를 서로 맞대어 용접하는 맞대기 용접 장치에 있어서,
상기 스테이지에 각각 고정된 제1 모재 및 제2 모재와의 수직거리를 측정하는 레이저 센서부;
슬라이드 바를 통해 모재를 하부로부터 밀어 올려 높이를 조절하는 높이 조절기; 및
상기 제1 모재 및 제2 모재와의 거리 측정에 따른 단차를 보정하기 위하여 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위를 제어하고 용접기를 통한 맞대기 용접을 제어하는 제어기;
를 포함하는 맞대기 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 레이저 센서부는
레이저를 모재의 상면에 조사하여 반사되는 신호를 검출함으로써 각 모재와의 거리를 측정하는 제1 레이저 센서 및 제2 레이저 센서를 포함하는 맞대기 용접 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 레이저 센서 및 제2 레이저 센서는
용접라인을 따라 이동되는 상기 용접기의 양 측면에 일정 간격을 두고 나란히 설치되는 맞대기 용접 장치.
제1항에 있어서,
상기 높이 조절기는
상기 슬라이드 바;
상기 슬라이드 바의 하부에 형성된 래크에 피니언을 통해 회전력을 가하는 모터; 및
상기 슬라이드 바의 수직 이동변위를 측정하는 변위 센서;
를 포함하는 맞대기 용접 장치.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 슬라이드 바는
용접라인에 인접한 위치에 형성된 상기 스테이지 상의 슬롯을 하부로부터 관통하여 상기 모재를 밀어 올리는 맞대기 용접 장치.
제4항에 있어서,
상기 변위 센서는
레이저를 통해 측정되는 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위를 상기 제어기로 전달하는 맞대기 용접 장치.
제4항에 있어서,
상기 제어기는
용접라인에 인접한 상기 제1 모재 및 제2 모재와의 수직거리에 기초한 각 모재의 평균수직거리를 계산하는 맞대기 용접 장치.
제7항에 있어서,
상기 제어기는
상기 평균수직거리가 상대적으로 먼 모재의 상승을 위한 단차 보정량을 계산하여 상기 모터를 구동하고, 상기 변위센서에서 측정된 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위가 상기 단차 보정량에 도달하면 상기 모터를 정지시키는 맞대기 용접 장치.
제8항에 있어서,
상기 단차 보정량은
상기 상대적으로 먼 모재의 평균거리가 상기 제1 모재 및 제2 모재의 두께 차이 및 굽어 있는 상태를 고려한 두 모재의 조합으로 설정되는 단차범위 내 허용거리에 위치하도록 계산되는 맞대기 용접 장치.
양측에 각각 모재가 안착되는 스테이지와, 각 스테이지에 모재를 고정하는 그립이 구비되어 두 모재를 서로 맞대어 용접하는 맞대기 용접 장치의 맞대기 용접 방법에 있어서,
a) 레이저 센서부를 통해 스테이지에 안착된 제1 모재 및 제2 모재의 상면으로부터의 수직거리를 각각 측정하는 단계;
b) 측정된 상기 수직거리를 토대로 모재별 전체 폭 길이에 대한 평균수직거리를 계산하여 상대적으로 평균수직거리가 먼 상기 제2 모재를 높이 조절 대상으로 판단하는 단계;
c) 상기 모재별 두께와 두께 차이를 고려하여 두 모재의 절단면이 맞닿는 단차범위 내 허용거리를 설정하는 단계; 및
d) 상기 제2 모재의 평균수직거리가 상기 허용거리 내에 존재하지 않으면, 상기 제2 모재를 하부로부터 밀어 올리는 슬라이드 바의 수직 이동변위를 제어하여 상기 제2 모재의 평균수직거리가 상기 허용거리 내에 위치하도록 보정하는 단계;
를 포함하는 맞대기 용접 방법.
제10항에 있어서,
상기 a) 단계는
용접기에 장착된 상기 레이저 센서부가 용접라인을 따라 이동하면서 상기 수직거리를 각각 측정하는 단계를 포함하는 맞대기 용접 방법.
제10항에 있어서,
상기 c) 단계는
적어도 하나의 모재가 굽어있는 상태에 따라 증감되는 상기 평균수직거리를 더 고려하여 상기 단차범위 내 허용거리를 계산하는 단계를 포함하는 맞대기 용접 방법.
제10항에 있어서,
상기 d) 단계는
상기 제2 모재의 평균수직거리가 상기 허용거리의 중간 값에 위치하도록 상승 시키기 위한 상기 슬라이드 바의 단차 보정량을 계산하는 단계를 포함하는 맞대기 용접 방법.
제13항에 있어서,
상기 d) 단계는
상기 슬라이드 바의 상승을 위해 모터를 구동하고, 변위 센서를 통해 상기 슬라이드 바의 수직 이동변위를 측정하는 단계를 포함하는 맞대기 용접 방법.
제14항에 있어서,
상기 d) 단계는
상기 수직 이동변위가 상기 단차 보정량에 도달하면 상기 모터의 구동을 정지하고, 용접 제어 신호를 용접기로 전달하여 용접을 개시하는 단계를 포함하는 맞대기 용접 방법.