KR20210004527A - 조선 곡블록 용접로봇 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조선 공정에서 곡블록을 용접하기 위한 로봇 장치에 있어서: 이동대차(21) 상에 조인트(23)(24)를 개재하여 자세변동 가능한 주행휠(22)과 프레임(25)을 갖춘 본체(20); 상기 본체(20)에 탑재되어 용접토치(31)를 구동하는 6축로봇(30); 및 상기 본체(20)와 6축로봇(30)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 주행 가능한 구조에 6축 이상의 다관절을 접목하여 자세 변동의 정확성과 신속성을 확보하여 범용의 용접로봇 장치로는 적용이 어려운 선박의 선수선미부 곡블록의 자동용접이 가능한 효과가 있다.

Description

조선 곡블록 용접로봇 장치 {Welding robot apparatus for producing curved blocks of hull}

본 발명은 조선 분야의 용접에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 범용 용접로봇 장치로는 적용이 어려운 선박의 선수선미부 곡블록의 자동용접을 수행하기 위한 조선 곡블록 용접로봇 장치에 관한 것이다.

전통적으로 선박건조 분야에서 용접은 90% 이상을 차지하는 공정으로서 수주량 증가에 따라 설비 투자와 인력의 확보가 필요하지만 숙련된 작업자 부족으로 용접로봇에 대한 의존도가 높아지고 있다. 조선 분야의 자동화는 수동 작업의 치구화, 반자동 용접의 확대 적용, 단위 기계에 의한 용접자동화, 전용 용접설비에 의한 자동화 등으로 진행되고 있다.

다만, 선박의 선수선미부 곡블록의 론지 부재, 트랜스 부재는 경사각을 이루고 있으며, 바닥면 및 론지페이스의 경우 곡면으로 구성되어 있어 여전히 용접자동화가 어려운 실정이다.

이와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서, 한국 공개특허공보 제2014-0118151호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1724424호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

전자에 의하면, 용접장치의 용접부는 서로 일정간격을 두고 나란히 배열된 선행토치와 후행토치로 이루어지고, 상기 선행토치와 후행토치에는 선행토치와 후행토치를 각각 위빙(weaving) 작동하도록 한 위빙모터가 각각 연결되어 설치된 것이며, 한 번의 용접으로 규격에 맞는 비드를 형성하면서 평 및 곡블록의 맞대기 용접이 이루어지는 효과를 기대한다.

후자는 베이스 플랫폼; 각 부재들의 기울기 및 배치 상태를 계측하는 센서부; 베이스 플랫폼에 장착되어 간섭 및 충돌을 방지하도록 로봇의 자세를 조정하는 틸팅 프레임부; 적용 구간에 따른 로봇의 작업 반경을 보정하는 수평 구동부; 등으로 구성된다. 이에, 곡블록 U-cell 구간 내부재의 자동 용접으로 생산성 및 작업 여건을 향상시키는 효과를 기대한다.

그러나, 전자의 선행문헌은 곡블록보다는 평블록에 적합하여 활용성이 제한적이고, 후자의 선행문헌은 베이스가 자석을 이용하여 고정되므로 생산성 향상에 한계성을 드러낸다.

한국 공개특허공보 제2014-0118151호 "선박 평, 곡블록 전용 용접장치" (공개일자 : 2014.10.08.) 한국 등록특허공보 제1724424호 "선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치 및 그 운용 방법" (공개일자 : 2017.04.10.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 선박의 곡블록에 자동용접을 적용함에 있어서 주행 가능한 구조에 6축 이상의 다관절을 접목하여 자세 변동의 정확성과 신속성을 확보할 수 있는 조선 곡블록 용접로봇 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 조선 공정에서 곡블록을 용접하기 위한 로봇 장치에 있어서: 이동대차 상에 조인트를 개재하여 자세변동 가능한 주행휠과 프레임을 갖춘 본체; 상기 본체에 탑재되어 용접토치를 구동하는 6축로봇; 및 상기 본체와 6축로봇을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제1조인트는 제동 기능을 갖춘 수동회전조인트(Passive Revolute Joint) 구조를 적용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 본체의 프레임은 제2조인트의 일측과 타측에 연결된 전동실린더로 가동중 중심을 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 6축로봇은 프레임에 전후방으로 슬라이딩 가능하게 설치된 부가축을 개재하여 탑재되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어수단은 제어기, 피용접 부재를 검출하는 라이다, 중력 방향을 검출하는 기울기센서, 프레임의 자세변동을 검출하는 변위센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어기는 라이다의 피치/요 운동으로 피용접 부재의 형상을 인식하고, 용접중 기울기센서의 신호를 입력하여 용접조건에 반영하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 주행 가능한 구조에 6축 이상의 다관절을 접목하여 자세 변동의 정확성과 신속성을 확보하여 범용의 용접로봇 장치로는 적용이 어려운 선박의 선수선미부 곡블록의 자동용접이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치가 투입된 상태를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 가동 전후를 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치를 일부 분리하여 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 투입 과정을 나타내는 모식도
도 5는 본 발명에 따른 장치의 다른 사용예를 나타내는 구성도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 조선 공정에서 곡블록을 용접하기 위한 로봇 장치에 관하여 제안한다. 선박에서 곡면으로 구성되어 있어 용접자동화가 어려운 선수선미부 곡블록 용접을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 플로어(11), 론지(13), 트랜스(15) 등으로 구성되는 곡블록(10)의 U-cell에 로봇 장치가 투입된 상태를 예시한다. 론지(13)와 트랜스(15)는 경사각을 이루고 있으며, 플로어(11) 및 론지 페이스의 경우 곡면으로 형성된다.

본 발명에 따르면 본체(20)가 이동대차(21) 상에 조인트(23)(24)를 개재하여 자세변동 가능한 주행휠(22)과 프레임(25)을 갖춘 구조이다. 본체(20)는 하측의 이동대차(21)와 상측의 프레임(25)로 구성된다. 이동대차(21)는 4개의 메카넘 주행휠(22)을 장착하고 있고, 플로어(11)의 곡면에 대응하기 위하여 제1조인트(23)가 장착된다. 이동대차(21)의 상측으로 제2조인트(24)를 개재하여 프레임(25)이 설치된다. 프레임(25)은 주행방향으로 배치된 제2조인트(24)를 중심으로 좌우측으로 기울어지는 자세변동이 가능하다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제1조인트(23)는 제동 기능을 갖춘 수동회전조인트(Passive Revolute Joint) 구조를 적용한다.

하나의 블록에 탑재되는 2개의 후륜은 주행방향으로 배치된 제1조인트(23)를 중심으로 좌우로 기울어지는 자세변동으로 곡면주행시 4륜의 균일한 접촉 상태를 유지한다. 제동 기능은 수동회전조인트의 변동된 자세를 신속하게 구속 또는 해제하도록 전동 구조로 탑재된다.

이때, 이동대차(21)는 주행휠(22)의 적어도 일부에 구동모터를 연결하여 자율주행을 구현한다.

이와 같은 본체(20)를 갖춘 로봇을 곡블록(10)에 투입하기 위해 크레인이나 호이스트가 사용된다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 본체(20)의 프레임(25)은 제2조인트(24)의 일측과 타측에 연결된 전동실린더(35)로 가동중 중심을 유지하는 것을 특징으로 한다.

도 2를 참조하면, 이동대차(21) 상에서 제2조인트(24)의 양측으로 고정된 전동실린더(35)가 프레임(25)에 연결된 상태를 예시한다. 전동실린더(35)는 구성의 간편성 측면에서 전기식이 선호되지만 유공압 방식을 배제하는 것은 아니다. 장치의 가동은 주행과 용접 작업을 포함하는 의미이다. 제2조인트(24)와 전동실린더(35)는 플로어(11)의 곡면 상태에 따라 본체(20)의 자세가 불안정하거나 전도되는 현상을 방지한다. 즉, 이동대차(21)가 기울어도 프레임(25)이 대략 수직으로 복귀하여 무게중심을 유지한다.

또한, 본 발명에 따르면 6축로봇(30)이 상기 본체(20)에 탑재되어 용접토치(31)를 구동하는 구조를 이루고 있다. 곡블록(10)의 용접에 있어서 6축로봇(30)이 선호되지만 5축 이하의 구성을 배제하는 것은 아니다. 6축로봇(30)은 프레임(25)에 도립 상태로 설치되는 것이 바람직하다. 6축로봇(30)의 말단 축에는 용접토치(31)가 장착된다. 도 2(a)는 6축로봇(30)에 용접토치(31)가 밀착되어 투입 또는 주행하는 상태이고, 도 2(b)는 용접토치(31)가 프레임(25)의 전방으로 노출되어 용접작업을 수행하는 상태이다.

한편, 프레임(25)은 주행방향을 기준으로 후방에 핸들(28)을 구비하고, 내부에 와이어피더(26)를 비롯하여 용접에 소요되는 장비들을 탑재한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 6축로봇(30)은 프레임(25)에 전후방으로 슬라이딩 가능하게 설치된 부가축(33)을 개재하여 탑재되는 것을 특징으로 한다.

도 2(a)는 부가축(33)이 프레임(25)에 수용된 상태이고, 도 2(b)는 부가축(33)이 프레임(25)의 전방으로 노출된 상태이다. 부가축(33)은 별도의 전동실린더를 개재하여 주행방향으로 슬라이딩 가능하다. 6축로봇(30)은 부가축(33)의 저면에 도립 상태로 장착된다. 이에, 본체(20)의 4개의 주행휠(22)과 2개의 조인트(23)(24)는 매크로 6축 운동을 구현하고, 6축로봇(30)과 부가축(33)은 마이크로 7축 운동을 구현한다.

또한, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 본체(20)와 6축로봇(30)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 구조이다. 제어수단(40)은 본체(20)의 후방에서 핸들(28)에 인접한 위치를 중심으로 배치된다. 일고리즘은 로봇의 자동화를 위한 각종 메인/서브루틴 프로그램으로 구현된다. 제어수단(40)은 본체(20)에 의한 주행과 자세조절, 6축로봇(30)에 의한 용접 작업 등을 처리한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어수단(40)은 제어기(42), 피용접 부재를 검출하는 라이다(44), 중력 방향을 검출하는 기울기센서(45), 프레임(25)의 자세변동을 검출하는 변위센서(46)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 2 내지 도 4에서, 제어수단(40)은 제어기(42), 라이다(44), 기울기센서(45), 변위센서(46)를 포함하는 구성으로 예시하지만 이에 한정되지 않는다. 제어기(42)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스 등을 탑재한 마이컴 회로를 기반으로 한다. 라이다(44)(LiDAR)는 이동대차(21)의 전방으로 설치되고, 주변 물체를 감지하여 거리를 맵핑한다. 기울기센서(45)는 이동대차(21)의 대략 중심에 설치되고, 중력방향에 대응한 경사각을 검출한다. 변위센서(46)(LDS)는 이동대차(21)의 양측으로 설치되고, 플로어(11)와의 거리변동을 검출한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어기(42)는 라이다(44)의 피치/요 운동으로 피용접 부재의 형상을 인식하고, 용접중 기울기센서(45)의 신호를 입력하여 용접조건에 반영하는 것을 특징으로 한다.

도 3처럼, 라이다(44)가 수평축을 중심으로 피치운동과 수직축을 중심으로 요운동을 동시에 수행하면 피용접 부재의 정확한 형상을 인식하여 용접품질을 향상함은 물론 주변의 간섭 물체를 정확히 인식하여 충돌을 회피하기 유리하다. 제어기(42)는 용접토치(31)와 연계되는 터치센싱으로 피용접 부재의 정밀한 인식도 가능하다. 제어기(42)는 주행이나 용접작업 중에 기울기센서(45)의 신호를 입력하고 변동이 발생하면 설정된 서브루틴 프로그램에 따라 본체(20)나 6축로봇(30)에 대한 자세보정을 처리할 수 있다.

작동의 일예로서, 도 4(a)(b)(c)는 본 발명의 용접로봇이 크레인(호이스트)을 이용하여 곡블록(10)의 플로어(11)의 론지(13) 사이에 내려지는 투입 과정을 순차적으로 나타낸다. 제어기(42)는 양측 변위센서(46)의 신호를 입력하여 동일한 높이가 되도록 전동실린더(35)를 가동하여 이동대차(21)를 기울인다. 용접로봇의 정밀한 용접위치는 메카넘 구조의 주행휠(22)과 라이다(44) 등의 센서를 이용하여 이동하여 도달한다. 크레인의 체인은 용접로봇의 가동 과정에서 본체(20)에 느슨하게 결박된 상태를 유지할 수 있다.

또한, 바닥면이 기울어져 있는 경우 이동대차(21)의 전복방지를 위해 전동실린더(35)를 이용하여 프레임(25)의 수평자세로 조정할 수 있다. 용접로봇의 위치세팅이 완료되면 이동대차(21)에 설치된 라이다(44)를 이용하여 피 용접물인 U-cell의 형상과 크기를 인식한다. 정밀한 형상 및 크기 인식은 용접로봇의 터치센싱을 이용하여 수행할 수 있다. 용접로봇은 론지, 트랜스의 경사각에 의해 좁은 설치공간에서 비교적 긴 용접선에 대응할 수 있도록 부가축(33)을 활용한다. 센싱이 완료되면 용접로봇에 의한 자동화 용접작업이 수행된다. 이후 제어기(42)는 기울기센서(45)의 신호를 입력하여 자세보정 등의 방식으로 용접조건에 반영한다.

도 5를 참조하면, 작업자가 직접 본체(20)의 핸들(28)을 파지하고 일정 구간에서 수동적 주행과 용접을 수행할 수도 있다. 이 과정에서 제어기(42)는 조인트(23)(24)를 개재한 자세유지 등과 같은 최소한의 조력을 제공한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 곡블록 11: 플로어
20: 본체 21: 이동대차
22: 주행휠 23, 24: 조인트
25: 프레임 26: 와이어피더
28: 핸들 30: 6축로봇
31: 용접토치 33: 부가축
35: 전동실린더 40: 제어수단
42: 제어기 44: 라이다
45: 기울기센서 46: 변위센서(LDS)

Claims (6)

1. 조선 공정에서 곡블록을 용접하기 위한 로봇 장치에 있어서:
   이동대차(21) 상에 조인트(23)(24)를 개재하여 자세변동 가능한 주행휠(22)과 프레임(25)을 갖춘 본체(20);
   상기 본체(20)에 탑재되어 용접토치(31)를 구동하는 6축로봇(30); 및
   상기 본체(20)와 6축로봇(30)을 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 조선 곡블록 용접로봇 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1조인트(23)는 제동 기능을 갖춘 수동회전조인트(Passive Revolute Joint) 구조를 적용하는 것을 특징으로 하는 조선 곡블록 용접로봇 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 본체(20)의 프레임(25)은 제2조인트(24)의 일측과 타측에 연결된 전동실린더(35)로 가동중 중심을 유지하는 것을 특징으로 하는 조선 곡블록 용접로봇 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 6축로봇(30)은 프레임(25)에 전후방으로 슬라이딩 가능하게 설치된 부가축(33)을 개재하여 탑재되는 것을 특징으로 하는 조선 곡블록 용접로봇 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어수단(40)은 제어기(42), 피용접 부재를 검출하는 라이다(44), 중력 방향을 검출하는 기울기센서(45), 프레임(25)의 자세변동을 검출하는 변위센서(46)를 구비하는 것을 특징으로 하는 조선 곡블록 용접로봇 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어기(42)는 라이다(44)의 피치/요 운동으로 피용접 부재의 형상을 인식하고, 용접중 기울기센서(45)의 신호를 입력하여 용접조건에 반영하는 것을 특징으로 하는 조선 곡블록 용접로봇 장치.

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