KR20240068455A - 협동로봇 기반의 강관용접 자동화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 협동로봇을 기반으로 강관의 용접을 자동화하는 시스템에 있어서: 상기 강관을 로테이터(21) 상에 회전 가능하게 지지하고, 구동유니트(25)로 강관의 회전과 틸팅을 유발하는 지지부재(20); 상기 지지부재(20)와 인접한 협동로봇(35)으로 강관의 용접부에 토치(37)를 설정된 자세로 유지하는 작업부재(30); 및 상기 지지부재(20)와 작업부재(30)를 설정된 알고리즘으로 제어하도록 구비되는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 대형 강관의 플랜지를 접합하는 외에 다양한 작업을 처리하는 과정에서 자세의 변동과 용접 진행을 연동하는 공정 생력화로 생산성 향상과 더불어 근골격계 질환 예방의 실효성을 높이는 효과가 있다

Description

협동로봇 기반의 강관용접 자동화 시스템 {Automation system for welding steel pipe based on collaborative robot}

본 발명은 강관용접 자동화 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 강관의 단부에 플랜지를 접합하는 공정을 생력화하기 위한 협동로봇 기반의 강관용접 자동화 시스템에 관한 것이다.

선박에 탑재되는 대형(900A~1300A) 규격의 강관 구성품을 접합하는 공정은 작업자가 중량물을 수동 거치대에 상으로 운반/이동한 후에 CO₂ 용접을 수행하므로 근골격계 질환의 우려가 높다. 이에 대한 개선책으로 협동로봇을 투입하여 부분적인 공정 자동화를 시도하지만 아직 상당한 부분을 작업자의 수동에 의존해야 하므로 미흡한 실정이다. 특히 강관의 단부에 플랜지를 접합하는 공정과 같이 다양한 자세로 변경하는 작업의 자동화가 용이하지 않다.

이와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제2387149호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1982433호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 이동대차부에 그리퍼를 가지는 로봇부가 일체로 마련된 이동식 협동로봇을 통해 스폿용접기에 장착되며, 근접센서가 용접부품의 체결구멍에 너트가 공급되었는지를 감지하여 제어유니트에 감지신호를 전송하고, 제어유니트는 스폿용접이 진행되도록 한다. 이에, 용접부품을 안정적으로 지지하여 품질과 생산성을 향상하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 레이저 스캐닝 결과에 의거하여 위치결정 모듈로 관공 중심 좌표를 취득하고 초기 용접위치 식별 및 자동 안내를 실현하며, 중앙제어 모듈로 제어하는 산업용 로봇과 그에 대응한 용접토치를 이용하여 모든 배관-관판 용접이음에 대해 용접을 진행한다. 이에, 용접효율을 향상시키고 용접이음의 품질 안정성을 보장하는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 대형 규격의 강관 구성품에 적용하기에 한계성을 드러내어 실효성을 기대하기 미흡하다.

한국 등록특허공보 제2387149호 "이동식 협동로봇을 적용한 스폿용접의 용접부품 안착지그" (공개일자 : 2022.04.15.) 한국 등록특허공보 제1982433호 "로봇 용접 시스템 및 그 용접방법" (공개일자 : 2017.12.26.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 대형 강관의 단부에 플랜지를 접합하는 외에 다양한 작업을 처리하도록 자세의 변동과 용접 진행을 연동하여 공정 생력화를 도모하기 위한 협동로봇 기반의 강관용접 자동화 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 협동로봇을 기반으로 강관의 용접을 자동화하는 시스템에 있어서: 상기 강관을 로테이터 상에 회전 가능하게 지지하고, 구동유니트로 강관의 회전과 틸팅을 유발하는 지지부재; 상기 지지부재와 인접한 협동로봇으로 강관의 용접부에 토치를 설정된 자세로 유지하는 작업부재; 및 상기 지지부재와 작업부재를 설정된 알고리즘으로 제어하도록 구비되는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 지지부재는 하부지지대에 2개의 롤러를 간격변동 가능하게 지지하고, 상부지지대에 1개의 롤러를 상하운동 가능하게 지지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 작업부재는 컬럼을 이용하여 상기 지지부재의 대략 중간 높이로 협동로봇의 베이스를 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어수단은 제어기를 기반으로 강관의 크기와 모션을 검출하는 위치검출기, 강관의 지지를 위한 가압력을 검출하는 압력검출기, 협동로봇의 충돌을 검출하는 충돌검출기의 신호를 입력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어기는 강관의 자세 변동에 대응하여 협동로봇의 모션을 연동시키는 과정에서 조작기를 통한 작업자의 수동 입력을 우선적으로 처리하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 대형 강관의 플랜지를 접합하는 외에 다양한 작업을 처리하는 과정에서 자세의 변동과 용접 진행을 연동하는 공정 생력화로 생산성 향상과 더불어 근골격계 질환 예방의 실효성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템을 전체적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 지지부재를 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 제어수단을 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 작동예를 나타내는 순서도

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

본 발명은 협동로봇을 기반으로 강관의 용접을 자동화하는 시스템에 관하여 제안한다. 대형 규격(900A~1300A)을 지닌 강관 구성품의 용접 자동화 시스템을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 강관 구성품의 용접 작업은 직관, 엘보관, 조정관 등을 연결하거나 그 일단 또는 양단에 플랜지를 연결하는 공정을 포함한다.

본 발명에 따르면 상기 강관을 로테이터(21) 상에 회전 가능하게 지지하는 지지부재(20)가 구동유니트(25)로 강관의 회전과 틸팅을 유발하는 구조를 이루고 있다.

도 1을 참조하면, 지지부재(20)를 구성하는 로테이터(21), 구동유니트(25) 등이 나타난다. 로테이터(21)는 대형 규격의 강관을 하부지지대(22)와 상부지지대(23) 사이에 지지한 상태로 모션을 유발한다. 로테이터(21)는 지지된 강관의 회전과 틸팅을 유발하도록 구동유니트(25)를 갖춘다. '회전'은 강관의 중심축을 기준으로 운동하는 모션이고, '틸팅'은 강관의 반경 방향의 축을 기준으로 운동하는 모션이다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 지지부재(20)는 하부지지대(22)에 2개의 롤러를 간격변동 가능하게 지지하고, 상부지지대(23)에 1개의 롤러를 상하운동 가능하게 지지하는 것을 특징으로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 지지부재(20)를 구성하는 하부지지대(22)와 상부지지대(23)가 나타난다. 하부지지대(22)는 2개의 롤러로 강관의 대략 저면을 2점 지지한다. 하부지지대(22)는 적어도 하나의 롤러를 수평으로 이동하여 강관의 규격에 대응한 롤러의 간격 조절을 유발한다. 상부지지대(23)는 1개의 롤러로 강관의 상단을 가압 지지한다. 하부지지대(22)와 상부지지대(23)의 롤러는 강관과 더불어 이에 결합되는 플랜지도 파지할 수 있다. 구동유니트(25)는 3개의 롤러 중의 적어도 하나의 회전을 유발할 수 있고, 하부지지대(22)와 상부지지대(23)를 동시에 회전시켜 강관의 틸팅을 유발할 수 있다.

도 2에서 강관(10)의 단부에 플랜지(12)를 연결하는 용접부(15)를 형성하거나 직관과 엘보관을 연결하는 용접부(15)를 형성하는 자세를 나타낸다. 도 2(a)처럼 강관(10)을 시계 방향으로 틸팅하고 회전시키면 내부의 용접부(15)를 형성할 수 있다. 도 2(b)처럼 강관(10)을 반시계 방향으로 틸팅하고 회전시키면 외부의 용접부(15)를 형성할 수 있다. 도 2(c)처럼 강관(10)의 틸팅 없이 회전만 수행하여 용접부(15)를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 작업부재(30)가 상기 지지부재(20)와 인접한 협동로봇(35)으로 강관의 용접부에 토치(37)를 설정된 자세로 유지하는 구조를 이루고 있다.

도 1에서, 작업부재(30)를 구성하는 크레인(33), 협동로봇(35), 토치(37) 등이 나타난다. 크레인(33)은 중량물인 강관(10)을 로테이터(21)에 로딩ㆍ언로딩하는 과정에서 활용된다. 협동로봇(35)은 말단에 토치(37)를 탑재하고 강관 구성품에 대한 용접을 수행한다. 지지부재(20), 크레인(33), 협동로봇(35)은 동일 공간에 인접하게 배치된다. 협동로봇(35)은 작업자와 같은 공간에 작업을 수행하면서 충돌에 대한 대비수단을 갖춘다. 이는 충돌을 회피하는 S/W(알고리즘) 외에 실제로 충돌시 완충하는 H/W(완충재)도 포함한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 작업부재(30)는 컬럼(31)을 이용하여 상기 지지부재(20)의 대략 중간 높이로 협동로봇(35)의 베이스를 유지하는 것을 특징으로 한다.

도 1에서, 지지부재(20)의 일측으로 컬럼(31)과 협동로봇(35)이 배치된 상태를 나타낸다. 협동로봇(35)은 다관절 방식으로 적용되며 컬럼(31)을 개재하여 적절한 높이에 배치한다. 협동로봇(35)의 베이스를 하부지지대(22)와 상부지지대(23) 사이의 높이로 배치하는 것이 협동로봇(35)의 안정적 모션과 충돌 회피의 측면에서 유리하다. 토치(37)가 로테이터(21)에 로딩된 강관의 상단으로 접근하여 용접하는 동안 협동로봇(35)은 전체적으로 대략 역U자 형태를 이룬다.

또한, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 지지부재(20)와 작업부재(30)를 설정된 알고리즘으로 제어하도록 구비되는 구조를 이루고 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 제어수단(40)이 지지부재(20)와 작업부재(30)에 연계되는 상태를 나타낸다. 제어수단(40)은 용접 자동화와 관련되는 제반 알고리즘을 수행하기 위한 하드웨어를 포함한다. 제어수단(40)의 하드웨어는 지지부재(20)와 작업부재(30)에 산재한다.

한편, 제어수단(40)은 작업 대상 강관(10)에 대한 설계치수를 활용하기 위한 외부의 서버를 포함할 수 있다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어수단(40)은 제어기(41)를 기반으로 강관의 크기와 모션을 검출하는 위치검출기(45), 강관의 지지를 위한 가압력을 검출하는 압력검출기(46), 협동로봇(35)의 충돌을 검출하는 충돌검출기(47)의 신호를 입력하는 것을 특징으로 한다.

도 1 및 도 2에서, 제어수단(40)을 구성하는 제어기(41), 영상처리기(43), 위치검출기(45), 압력검출기(46), 충돌검출기(47) 등이 나타난다. 제어기(41)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 마이컴 회로로 구성한다. 제어기(41)는 허용된 작업자를 식별하기 위한 RFID인식부(42)를 구비할 수 있다. 영상처리기(43)는 전면에 교체형 렌즈를 탑재한 CO₂ 용접용 카메라와 더불어 모니터를 포함한다. 위치검출기(45)는 로테이터(21)의 승강ㆍ간격조절ㆍ회전ㆍ틸팅 모션을 검출하도록 설치된다. 압력검출기(46)는 상부지지대(23)의 롤러에 연결되어 강관과 접촉하는 압력을 검출한다. 충돌검출기(47)는 협동로봇(35)의 말단에서 물체나 작업자의 접근을 검출하는 외에 로테이터(21)와 컬럼(31) 사이에 작업자의 접근을 검출하도록 설치된다.

도 4를 참조하면, 제어기(41)를 기반으로 대상물인 강관(10)과 플랜지(12)를 접합하는 자동화 알고리즘을 예시한다. 제어기(41)의 RFID인식부(42)에 투입된 카드를 확인하여 전원이 온되면 제어기(41)의 알고리즘에 의하여 순차적인 로직제어가 수행된다. 크레인(33)을 이용하여 강관이 로테이터(21)에 로딩된 후에 상부지지대(23)가 하강하여 설정된 압력으로 강관에 접촉하는 순간의 높이로 강관의 크기를 판단하여 하부지지대(22)의 롤러 간격을 조절한다. 롤러의 가압력은 대상물의 손상 및 이탈 방지에 중요하다. 도 4(a)와 같이 용접 준비가 완료되면 도 4(b)처럼 강관을 일측으로 틸팅하여 용접하고 도 4(c)처럼 강관을 타측으로 틸팅하여 용접한다. 이후 도 4(d)처럼 협동로봇(35)과 강관을 각각 초기 위치로 복귀시킨 다음 크레인(33)을 이용하여 완성품을 탈거한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제어기(41)는 강관의 자세 변동에 대응하여 협동로봇(35)의 모션을 연동시키는 과정에서 조작기(48)를 통한 작업자의 수동 입력을 우선적으로 처리하는 것을 특징으로 한다.

도 4(a) 내지 도 4(d)의 과정은 제어기(41)의 마이크로프로세서가 메모리에 저장된 프로그램을 실행하여 처리되지만 작업자가 영상처리기(43)의 모니터로 관찰하는 도중에 조작기(48)로 변경 또는 비상정지 가능하다. 조작기(48)의 입력은 마이크로프로세서에 인터럽트 신호를 발생하여 대상물의 회전ㆍ틸팅, 토치(37)의 용접전류, 협동로봇(35)의 모션 속도 등을 수동으로 변동할 수 있다. 조작기(48)는 신속한 모션 입력을 위해 조이스틱을 탑재할 수 있다. 물론 제어기(41)가 영상처리기(43), 위치검출기(45), 압력검출기(46), 충돌검출기(47)의 신호를 기반으로 판하여 비상정지를 처리할 수도 있다.

도시에는 생략하나, 선박의 배관 경로 상에서 현장맞춤으로 설치되어야 하는 조정관은 강관과 플랜지가 비대칭적으로 결합될 수 있다. 본 발명은 로테이터(21), 협동로봇(35), 제어기(41) 등의 연계로 조정관의 자동화 용접이 가능하며 경우에 따라 위빙 모션을 부가할 수도 있다. 조정관의 용접에 있어서 조작기(48)를 통한 수동 조작의 필요성이 증가된다.

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: 강관 12: 플랜지
20: 지지부재 21: 로테이터
22: 하부지지대 23: 상부지지대
25: 구동유니트 30: 작업부재
31: 컬럼 33: 크레인
35: 협동로봇 37: 토치
40: 제어수단 41: 제어기
42: RFID인식부 43: 영상처리기
45: 위치검출기 46: 압력검출기
47: 충돌검출기 48: 조작기

Claims (5)

1. 협동로봇을 기반으로 강관의 용접을 자동화하는 시스템에 있어서:
   상기 강관을 로테이터(21) 상에 회전 가능하게 지지하고, 구동유니트(25)로 강관의 회전과 틸팅을 유발하는 지지부재(20);
   상기 지지부재(20)와 인접한 협동로봇(35)으로 강관의 용접부에 토치(37)를 설정된 자세로 유지하는 작업부재(30); 및
   상기 지지부재(20)와 작업부재(30)를 설정된 알고리즘으로 제어하도록 구비되는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 협동로봇 기반의 강관용접 자동화 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 지지부재(20)는 하부지지대(22)에 2개의 롤러를 간격변동 가능하게 지지하고, 상부지지대(23)에 1개의 롤러를 상하운동 가능하게 지지하는 것을 특징으로 하는 협동로봇 기반의 강관용접 자동화 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 작업부재(30)는 컬럼(31)을 이용하여 상기 지지부재(20)의 대략 중간 높이로 협동로봇(35)의 베이스를 유지하는 것을 특징으로 하는 협동로봇 기반의 강관용접 자동화 시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어수단(40)은 제어기(41)를 기반으로 강관의 크기와 모션을 검출하는 위치검출기(45), 강관의 지지를 위한 가압력을 검출하는 압력검출기(46), 협동로봇(35)의 충돌을 검출하는 충돌검출기(47)의 신호를 입력하는 것을 특징으로 하는 협동로봇 기반의 강관용접 자동화 시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제어기(41)는 강관의 자세 변동에 대응하여 협동로봇(35)의 모션을 연동시키는 과정에서 조작기(48)를 통한 작업자의 수동 입력을 우선적으로 처리하는 것을 특징으로 하는 협동로봇 기반의 강관용접 자동화 시스템.

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