KR20220010677A - 자동 용접 장치 및 이를 이용한 용접 방법 - Google Patents

Abstract

자동 용접 장치 및 이를 이용한 용접 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 자동 용접 장치는 용접을 위한 각장 라인을 레이저로 마킹하는 마킹 유닛과, 마킹된 레이저 각장 라인을 인식하기 위한 카메라와, 카메라로 인식된 레이저 각장 라인을 따라 용접 토치로 용접을 수행하는 용접 유닛을 포함하여, 용접 작업 공간의 일벽면에 부착된 마킹 유닛으로 용접 구간에 대한 레이저 각장 라인을 설정하고, 카메라로 레이저 각장 라인을 촬영하여 인식하며, 인식된 레이저 각장 라인을 따라 주행대차를 이동시키면서 용접 토치로 용접을 수행할 수 있다.

Description

자동 용접 장치 및 이를 이용한 용접 방법{Automatic Welding Machine and Method using it}

본 발명은 자동 용접 장치 및 이를 이용한 용접 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 각장 라인을 따라 용접을 수행하는 자동 용접 장치 및 이를 이용한 용접 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 조선 분야에서 생산의 대부분을 차지하는 용접 작업은 주로 직선 위주의 용접 구간으로 이루어진다. 최근 선체 구조가 대형화되고 복잡해지면서 용접 작업의 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 이러한 용접 작업을 자동으로 수행하기 위한 기술들이 속속 개발되고 있다.

일례로, 로봇을 이용한 자동 용접 장치가 있다. 종래의 조선용 용접 로봇들은 고정식 또는 이동식이 있으며, 작업을 위해서는 서버로부터 도면 정보를 전송받거나 교시 조작기를 통하여 용접 대상물의 형상 정보를 입력하여야만 용접선 인식이 가능하다.

하지만, 선박은 대부분 철재로 구성되어 있어 전파 수신이 용이하지 않으며, 선체 구조 상 철판의 두께 및 접합 방향 등 규정에 맞는 용접을 수행하는데 요구되는 작업 환경이 매우 다양하기 때문에, 이를 일일이 지시하고 조작하기에는 조선소의 업무 환경이 용이하지 않다.

한국 공개특허 제10-2017-0141793호(2017.12.26)

본 발명의 실시 예에 따른 용접 장치 및 이를 이용한 용접 방법은 다양한 용접 환경에 적용이 용이하며 용접을 자동으로 수행할 있도록 하고자 한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 용접을 위한 각장 라인을 레이저로 마킹하는 마킹 유닛과, 마킹된 레이저 각장 라인을 인식하기 위한 카메라와, 주행대차로 카메라로 인식된 레이저 각장 라인을 따라 이동하며 용접 토치로 용접을 수행하는 용접 유닛을 포함하는 자동 용접 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 마킹 유닛은 레이저 모듈과; 고정브라켓과, 고정브라켓으로부터 연장 마련되며 상기 레이저 모듈이 설치되어 있는 로드와, 로드에 마련되는 케이싱을 구비하는 본체 프레임;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 용접 유닛은 용접 구간을 따라 이동 가능하고 상기 카메라가 마련된 주행대차에 구비되어 용접 토치의 위치를 조절하는 토치부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 주행대차는 용접 방향을 따라 이동할 수 있도록 사륜의 주행휠 및 주행휠을 구동 제어하기 위한 주행모터와, 상기 주행휠의 이동 방향에 대해 수직한 방향으로 연장되어 용접부재에 접촉하도록 마련되는 가이드롤러를 포함할 수 있다.

또한, 상기 가이드롤러와 용접 토치는 주행대차에 대해 동일한 방향에 마련될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 레이저 마킹 유닛과, 레이저를 인식하기 위한 카메라와 주행대차와 용접 토치를 구비하는 용접 유닛을 포함하는 자동 용접 장치를 포함하여, 용접 작업 공간의 일벽면에 부착된 상기 마킹 유닛으로 용접 구간에 대한 레이저 각장 라인을 설정하고, 상기 카메라로 레이저 각장 라인을 촬영하여 인식하며, 인식된 레이저 각장 라인을 따라 주행대차를 이동시키면서 용접 토치로 용접을 수행하는 자동 용접 장치를 이용한 용접 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 용접을 수행하는 과정은 용접 시 발생하는 용접 비드를 상기 카메라로 인식하여, 상기 용접 비드가 상기 레이저 각장 라인을 넘지 않도록 할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 용접 장치 및 이를 이용한 용접 방법은 마킹 유닛을 이용하여 용접할 부재에 각장 라인을 레이저로 마킹하고, 용접 유닛의 카메라로 마킹된 레이저 라인을 인식하면서 주행대차로 이동하는 동시에 용접 토치로 용접 구간을 용접할 수 있기 때문에 용접을 자동 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 용접 장치 및 이를 이용한 용접 방법에 있어서 마킹 유닛은 자석으로 벽면에 용이하게 고정시킬 수 있으며 마킹할 각장 라인을 작업 환경에 따라 현장에서 손쉽게 설정 및 조정할 수 있다. 또한, 용접 유닛은 카메라로 레이저 라인과 용접 비드를 인식하면서 주행대차 이동 중 토치로 용접을 수행하기 때문에 신속하고 정확하게 용접 작업을 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접 장치의 마킹 유닛을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접 장치의 마킹 유닛을 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접 장치의 용접 유닛을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접 장치의 용접 유닛을 다른 측면에서 본 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접 장치의 용접 유닛을 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접 장치를 이용한 용접 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 용접 장치를 도시한 도면으로, 도시한 바와 같이 본 실시 예에 따른 자동 용접 장치는 두 개의 부재(W1, W2)를 용접하기 위한 각장 라인(L)을 레이저로 마킹 표시하는 마킹 유닛(100)과, 레이저 마킹된 각장 라인을 인식하기 위한 카메라를 포함하고 이 카메라를 통해 인식된 각장 라인을 따라 이동하면서 용접을 수행하는 용접 유닛(200)을 포함할 수 있다.

도 2는 본 실시 예에 따른 마킹 유닛을 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 마킹 유닛의 평면도이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 자동 용접 장치의 마킹 유닛(100)은 본체 프레임(110)와, 본체 프레임(110)에 마련되는 레이저 모듈(120)을 포함할 수 있다.

본체 프레임(110)은 플레이트 형상의 고정브라켓(111)과, 고정브라켓(111)으로부터 연장 마련되며 레이저 모듈(120)이 설치되어 있는 로드(113)와, 로드(113)에 마련되는 케이싱(115)을 포함한다.

고정브라켓(111)은 마킹 유닛(100)의 본체 프레임(110)을 선박과 같은 금속재의 용접 대상물에 고정하기 위한 것으로, 이동 및 탈부착이 용이하도록 자석부재(미도시)를 포함할 수 있다. 고정브라켓(111)은 좌우 한 쌍으로 상호 이격 마련되며, 용접 대상물과 안정적인 탈부착을 위해 상대적으로 넓은 장방형의 바닥면이 용접 대상물의 벽면에 밀착 가능하게 마련된다.

로드(113)는 고정브라켓(111)으로부터 수평 방향, 구체적으로는 고정브라켓(111)의 두께 방향을 따라 길게 연장 마련되며, 이 로드(113)의 끝단에는 케이싱(115)이 마련된다. 도시한 바와 같이 로드(113)는 인접한 한 쌍의 고정브라켓(111)의 대향하는 내측면으로부터 각각 연장된 한 쌍의 판부재로 이루어지며, 그 중간에는 길이 방향을 따라 슬롯(114)이 마련되어 있다. 슬롯(114)은 레이저 모듈(120)을 이동 가능하게 설치하기 위한 것으로, 자세한 것은 후술한다.

케이싱(115)은 레이저 모듈(120)을 구동 및 제어하기 위한 것으로, 그 내부에는 전원 공급용 배터리(116)와, 배터리(116)로부터 공급된 전력을 레이저 모듈(120)에 인가하고 제어하는 On/Off 스위치(미도시) 및 컨트롤러(117)를 포함할 수 있다. 본 실시 예에서는 마킹 유닛(100)의 사용 편의를 위해 배터리를 전원 공급 장치의 일례로 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 연장 케이블을 이용하여 외부 전원 공급장치와 연결할 수도 있다.

레이저 모듈(120)은 상술한 로드(113)에 마련된다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 모듈(120)은 모듈 블록(121) 상에 고정 볼트(122)로 탈착 가능하게 조립될 수 있으며, 이러한 모듈 블록(121)은 로드(113)에 길이방향으로 이동 가능하게 마련된다. 또한, 모듈 블록(121)은 로드(113)의 내측벽과 대면하는 양측벽 중 적어도 일측벽에 노브(123)를 마련하여 그 위치를 조정하거나 고정할 수 있다. 일례로, 노브(123)를 시계 방향으로 돌리면 로드(113) 상의 모듈 블록(121) 위치가 고정되고, 반시계 방향으로 돌리면 로드(113) 상의 모듈 블록(121)을 이동시킬 수 있다. 도 3은 레이저 모듈(120)의 위치 설정에 대한 일례를 도시한 것이다. 도 3에서 점선은 레이저로 마킹되는 각장 라인(L)을 나타낸 것으로, 레이저 빔은 모듈 블록(121)의 하면으로부터 출사된다. 미설명된 참조부호 125는 각장의 크기(폭) 조절을 용이하기 하기 위한 눈금이다.

한편, 도 4는 본 실시 예에 따른 자동 용접 장치의 용접 유닛을 도시한 사시도이고, 도 5는 본 실시 예에 따른 자동 용접 장치의 용접 유닛을 다른 측면에서 본 사시도이며, 도 6은 본 실시 예에 따른 자동 용접 장치의 용접 유닛의 평면도이다.

도면들을 참조하면, 본 실시 예에 따른 용접 유닛(200)은 용접 구간을 따라 이동 가능하도록 마련되는 주행대차(210)와, 주행대차(210)에 마련된 카메라(230)와, 주행대차(210)에 마련되며 용접 토치(201)의 전후좌우 위치를 조절하기 위한 토치부(240)를 포함한다.

주행대차(210)는 적어도 두 개의 용접부재가 형성하는 선형의 용접 구간을 따라 이동할 수 있도록 마련된다. 이를 위해, 주행대차(210)는 용접 방향을 따라 이동할 수 있도록 사륜의 주행휠(211) 및 주행휠(211)을 구동 제어하기 위한 주행모터(212)를 구비한다. 본 실시 예에서는 설명의 편의를 위해, 도 4에 도시한 바와 같이 주행대차(210)의 주행휠(211)이 이동하는 방향을 X 방향이라 하며, X 방향에 직교하는 Y 방향에 토치부(240)가 위치한다. 따라서, 용접 토치(201)는 주행대차(210)의 측면에 위치하므로, 주행대차(210)가 X 방향으로 이동하면 토치부(240)가 레이저 각장 라인을 따라 용접을 수행할 수 있다.

또한, 주행대차(210)는 전후방에 근접센서(213)를 마련하여, 주행대차(210)의 이동 시 주변 장애물의 근접 여부를 감지한다. 예를 들면, 용접 중 주행 방향 전방에 있는 장애물(벽면이나 용접완료표시물 등)에 주행대차(210)가 도달할 경우 근접센서(213)가 이를 인식하고 주행대차(210)를 정지시키게 된다.

또한, 주행대차(210)는 주행 방향에 대해 수직한 방향으로 연장된 가이드롤러(222)를 더 포함할 수 있다. 즉, 가이드롤러(222)의 위치는 용접 토치(201)의 배치 방향과 동일할 수 있다.

가이드롤러(222)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 주행대차(210)의 측면으로부터 연장된 가이드바(224)의 끝단에 마련되어 용접부재와 접촉하여 회전하면서 주행대차(210)의 측방향 이동(주행 방향)을 가이드할 수 있다. 즉, 주행대차(210)는 이 가이드롤러(222)를 이용하여 용접부재를 따라 일정하게 이동할 수 있다.

또한, 자세히 도시하지는 않았지만 주행대차(210)와 가이드바(224)는 가이드바(224)에 길이방향으로 마련되는 장공(225)에 의해 상대적으로 위치를 조절하거나 고정할 수 있다. 다시 말해, 주행대차(210)와 가이드바(224)의 끝단에 마련된 가이드롤러(222) 사이의 거리는 조절될 수 있으며, 이를 통해 주행대차(210)의 위치 및 토치부(240)의 용접 각도를 조절할 수 있다.

한편, 카메라(230)는 감지 범위가 가려지지 않는 한 주행대차(210)의 어느 위치에도 설치 가능하지만, 본 실시 예에서는 주행대차의 주동 방향 전방에 위치하는 주행모터(212)의 외벽에 마련된다. 따라서, 카메라(230)는 토치부(240)의 용접 토치(201)에 앞서 마킹 유닛(100)의 마킹된 레이저 각인 라인을 감지하고, 이를 통해 주행대차(200)가 용접 구간을 이동할 수 있도록 한다.

여기서, 본 실시 예에서는 카메라(230)가 레이저 각인 라인(L)을 인식하는 것으로 예시하였으나, 구체적으로는 주행대차(210)에 마련된 제어부(미도시)가 카메라(230)에서 촬영된 영상 신호를 분석하여 주행모터(212) 및 토치부(240)를 제어하는 것이며, 이때 카메라(230)도 경우에 따라 조사 각도를 조절할 수도 있음은 물론이다. 또한, 카메라(230)는 레이저 각인 라인(L)과 마찬가지로 용접 시 형성되는 용접 비드도 인식할 수 있다. 즉, 제어부는 카메라(230)로 촬영된 레이저 각인 라인(L)과 용접 비드(미도시)를 이용하여 용접 비드가 규정된 레이저 각장 라인(L)을 넘지 않도록 용접 과정을 컨트롤할 수 있다.

이웃하는 두 개의 용접부재를 용접할 때 두 개의 용접부재는 다양한 각도를 갖게 된다. 효율적인 용접을 하기 위해서는 용접 토치(201)가 용접 부위의 중앙부를 향하는 것이 좋기 때문에, 용접 환경에 맞도록 토치(201)의 배치 각도는 다양하게 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 토치부(240)는 용접 토치(201)를 클램핑하고 있는 클리퍼(241)와, 클리퍼(241)가 회전 가능하게 결합되어 있는 위빙바디(242)를 포함한다. 클리퍼(241)는 조절 나사(241a)를 이용하여 토치(201)를 클램핑하거나 해제할 수 있으며, 이때 용접할 지점과 토치(201) 사이의 길이도 조절할 수 있다.

위빙바디(242)는 아암(244)을 통해 주행대차(210)에 설치된다. 위빙바디(242)의 내부에는 일례로 웜휠(미도시)과 웜휠모터(미도시)가 마련되어 토치(201)의 용접 부위를 향한 각도를 미세하게 조정하고 또한 고정할 수 있다.

한편, 주행대차(210)의 대차바디 상부에는 슬라이딩 가능하게 슬라이더(246)가 마련되어 있다. 슬라이더(246)는 도시된 바와 같이, 주행휠(211)과 직각 방향 즉, Y 방향으로 가이드롤러(222)를 향해 대차바디로부터 상대적으로 진퇴 가능하게 마련된다. 슬라이더(246)에는 상술한 아암(244)의 일단이 회전 가능하게 연결되고, 아암(244)의 타단은 위빙바디(242)에 고정되어 있다. 슬라이더(246)는 일례로 랙피니언(미도시)을 이용하여 주행대차(210)와 연결되어 있어서, 슬라이더노브(246a)의 회전 운동 시 주행대차(210)에 대해 직선 왕복 운동을 한다.

따라서, 토치부(240)는 주행대차(210)의 슬라이더(246)와, 아암(244)과, 위빙바디(242)와, 클리퍼(241)에 의해 용접 지점(또는 구간)에 대한 토치(201)의 위치 및 용접 각도를 적절하게 세팅할 수 있다. 이러한 토치부(201)의 배치는 수동으로 조절되거나 또는 상술한 제어부에 의해 자동 컨트롤될 수 있다.

그러면, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 자동 용접 장치의 동작에 대해 살펴보기로 한다.

도 7을 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 용접 장치를 이용한 용접 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 8 및 도 9는 용접을 수행하는 자동 용접 장치를 도시한 도면이다.

먼저, 도 8에 도시된 바와 같이 수평과 수직으로 배치된 두 개의 용접부재(W1, W2)를 용접할 경우, 작업자는 먼저, 마킹 유닛(100)을 작업 공간의 벽면에 부착시킨 후 레이저 각장 라인(L)을 설정한다. 각장은 용접 조건 일례로, 용접부재의 두께에 따라 달라질 수 있으므로, 이를 사전에 숙지하고 규정된 각장으로 레이저 라인을 세팅한 후 마킹 유닛(100)을 구동시킨다(S 10).

이어서, 주행대차(210)를 이동시켜 주행휠(211)이 수직 용접부재(W2)와 나란하도록 배치하는 동시에, 가이드롤러(222)를 수직 용접부재(W2)에 접하도록 배치한다(도 8 참조). 그리고, 주행대차(210)와 토치부(240)의 슬라이더(246), 아암(244), 위빙바디(242), 클리퍼(241)를 각각 조정하여 용접 토치(201)의 방향과 각도를 조절하여 용접 준비를 한다.

이어서, 카메라(230)로 마킹 유닛(100)의 레이저 라인(L)을 촬영하여 인식한다(S 20).

레이저 라인(L)이 인식되면, 도 9에 도시된 바와 같이 제어부는 주행대차(210)를 이동시키면서 토치부(240)로 용접을 수행한다(S 30). 구체적으로 기재하지 않았지만 용접 유닛(200)의 주행대차(210)는 주행모터(212)로 정속 구동되는 주행휠(211)에 의해 천천히 이동하고, 이때 토치부(240)가 레이저 라인(L)을 따라 용접을 수행한다. 제어부는 카메라(230)로 레이저 라인을 인식하는 동시에, 용접 시 발생되는 비드도 인식하여 용접 시 비드가 각장 라인을 넘지 않도록 컨트롤한다.

자동 용접 장치는 용접 구간이 종료될 때까지 용접 작업을 지속하고(S 40), 작업 종료 시 유무선 신호를 통해 작업자에게 통보하고 정지한다.

한편, 상술한 실시 예에서는 수직과 수평으로 배치된 두 개의 용접부재(W1, W2)를 일례로 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 수평으로 배치된 두 개의 용접부재를 용접하거나 또는 수직으로 배치된 두 개의 용접부재를 용접할 경우에도 상기와 마찬가지로 용접 작업을 수행할 수 있음은 물론이다.

100..마킹 유닛 110..본체 프레임
111.고정브라켓 113..로드
115..케이싱 120..레이저 모듈
200..용접 유닛 201..용접 토치
210..주행대차 211..주행휠
222..가이드롤러 230..카메라
240..토치부 246..슬라이더

Claims (7)

1. 용접을 위한 각장 라인을 레이저로 마킹하는 마킹 유닛과,
   상기 마킹된 레이저 각장 라인을 인식하기 위한 카메라와,
   주행대차로 상기 카메라로 인식된 레이저 각장 라인을 따라 이동하며 용접 토치로 용접을 수행하는 용접 유닛을 포함하는 자동 용접 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 마킹 유닛은
   레이저 모듈과;
   고정브라켓과, 고정브라켓으로부터 연장 마련되며 상기 레이저 모듈이 설치되어 있는 로드와, 로드에 마련되는 케이싱을 포함하는 본체 프레임;으로 구성되는 자동 용접 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 용접 유닛은 용접 구간을 따라 이동 가능하며 상기 카메라가 마련된 주행대차에 구비되어 용접 토치의 위치를 조절하는 토치부를 더 포함하는 자동 용접 장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 주행대차는
   용접 방향을 따라 이동할 수 있도록 사륜의 주행휠 및 주행휠을 구동 제어하기 위한 주행모터와,
   상기 주행휠의 이동 방향에 대해 수직한 방향으로 연장되어 용접부재에 접촉하도록 마련되는 가이드롤러를 포함하는 자동 용접 장치.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 가이드롤러와 용접 토치는 주행대차에 대해 동일한 방향에 마련되는 자동 용접 장치.
6. 레이저 마킹 유닛과, 레이저를 인식하기 위한 카메라와 주행대차와 용접 토치를 구비하는 용접 유닛을 포함하는 자동 용접 장치를 포함하여,
   용접 작업 공간의 일벽면에 부착된 상기 마킹 유닛으로 용접 구간에 대한 레이저 각장 라인을 설정하고,
   상기 카메라로 레이저 각장 라인을 촬영하여 인식하며,
   인식된 레이저 각장 라인을 따라 주행대차를 이동시키면서 용접 토치로 용접을 수행하는 자동 용접 장치를 이용한 용접 방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 용접을 수행하는 과정은
   용접 시 발생하는 용접 비드를 상기 카메라로 인식하여, 상기 용접 비드가 상기 레이저 각장 라인을 넘지 않도록 하는 자동 용접 장치를 이용한 용접 방법.

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