KR100908277B1 - 서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SAW 자동 용접 로봇에 관한 것으로서, 용접토치에 와이어와 플럭스를 공급하여 SAW용접을 수행하는 용접 로봇에 있어서, 4륜 구동을 위한 주행장치와, 전륜과 후륜을 각각 조향하기 위한 전륜 및 후륜 조향장치와, 용접 토치를 작업 진행 방향에 대해 X,Y축 방향으로 회전시키기 위한 X,Y축 슬라이드 장치와, 용접 토치를 용접 진행각과 작업각에 대해 회전시키기 위한 진행각 및 작업각 엑츄에이터와, 용접선의 그루브에 접촉하여 용접 작업선 정보를 검출하는 터치센서와, 종경사 및 횡경사 각도를 측정하는 경사각 센서와, 상기 터치센서와 경사각 센서로부터 용접 작업선 정보 및 경사 정보에 의거하여 상기 주행장치, 조향장치, 슬라이드 장치 및 엑츄에이터들을 제어하여 자동으로 작업선을 추종하면서 용접 진행을 수행함과 아울러 곡면 형상정보를 추출하여 용접 조건을 변경 제어하여 곡면형상에 대해서도 자동용접을 수행하도록 제어하는 콘트롤장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
용접로봇, SAW, 곡면, 자가주행, 조향장치, 터치센서, 경사각 센서, 용접조건변경, 용접선 추적

Description

서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇{Automatic Welding Robot for Submerged Arc welding}
본 발명은 서브머지드 아크 용접(SAW)용 용접 로봇에 관한 것으로서, 특히 용접 작업선을 자동 추적하면서 용접 토치의 방향과 경사각도를 자동 조절함과 아울러 곡면 형상에 대해 용접 조건을 자동 변경하여 서브머지드 아크 용접(SAW)을 수행하는 서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇에 관한 것이다.
일반적으로 조선소에서 건조 중인 선박들은 선주의 요구 사항에 맞는 화물을 싣기 위한 카고 볼륨(Cargo Volume)과 선박속도를 동시에 만족하기 위해 유선형의 구조를 갖는다. 즉, 선박의 선수 및 선미 부위의 선체 패널은 곡(Curve) 형상을 갖는 선체 외판의 특성상 횡곡과 종곡이 동시에 발생하여 판의 경계면에 횡방향의 경사 및 종방향의 경사가 다양하게 형성된다.
이와 같이 선박의 선수 및 선미의 형상은 곡형상을 지니고 있으며, 이 부분의 외판을 용접하기 위해 곡외판 선판계 공정이 존재한다. 곡외판 선판계 공정에는 CO2 용접 또는 서브머지드 아크 용접(SAW;Submerged Arc Welding)으로 판과 판을 맞 대기(Butt)용접하고 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 곡외판 선판계 공정의 개념 설명도이다.
이에 도시된 바와 같이, 복수의 핀지그에 의해 가공대상물을 올려놓고, 종경사 9도 횡경사 6도를 초과하는 부분은 수동용접 공정으로서 CO2 용접을 하게 되고, 종경사 9도 횡경사 6도 이하인 부분은 자동용접공정으로 서브머지드 아크 용접(SAW)을 수행하게 된다.
상기와 같이 서브머지드 아크 용접(SAW)을 적용하기 위해서는 일반적으로 종경사각 9도, 횡경사각 6도 이내의 맞대기 용접부여야 한다. 그 이유는 먼저 용접 장치의 특성상 주행 레일을 설치해야 하는데, 이 레일이 9도 이상으로 휘어지면 그 위를 주행할 용접 케리지가 정상 주행이 불가능해져서 용접선(Seam)을 따라가기가 어려울 뿐만 아니라 미끄러짐 현상이 발생하여 용접 불량 및 작업자의 안전에 위험이 따르기 때문이다.
두번째로 서브머지드 아크 용접(SAW) 기법 특성상 대입열 용접이 이루어지는데 이로 인하여 용융금속의 양이 많아져 경사각이 높을 경우 용융금속이 흘러내림에 의해 언더컷이나 언더필과 같은 용접결함이 발생하기 쉬어진다.
따라서, 상기의 경사각 범위를 벗어나는 용접부에는 1-패스(1-pass)로 용접을 끝낼 수 있는 서브머지드 아크용접(SAW) 대신에 멀티패스(Multi-pass)로 이루어지는 CO2용접을 용접사가 수작업으로 행해야 하며, 이로 인해 작업시수가 증가하고, 멀티패스(Muli-pass)로 인한 슬래그 혼입과 같은 용접결함이 발생하며, 불안정한 자세로 장시간 용접해야 하는 작업자의 근골격계 질환이 우려되고 있는 실정이다.
또한, 통상의 SAW용접을 수행할 때 용접 로봇을 대차에 탑재하여 레일위로 진행하면서 SAW용접을 진행하고 있으므로, 곡형상 및 경사에 대해서 모두 수용하지 못하는 단점이 있었고, 곡면 형상등 작업 조건이 변경되면 자동으로 용접 조건을 변경시키지 못하고 작업자가 수동조작으로 용접 조건을 설정해야하는 등 불편함이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 레일을 사용하지 않고, 자가 주행이 가능하면서도 전륜 및 후륜 조향 제어가 가능하도록 한 자가 주행이 가능한 서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 자가 주행이 가능하고 전/후륜 조향이 가능하도록 한 용접로봇에서 용접 토치를 전후좌우 방향으로 회동이 가능하게 함과 아울러 용접선을 추적하는 센서를 설치하여 자동으로 용접선을 추적하면서 용접이 가능하도록 한 용접선 자동 추적이 가능한 용접 로봇을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 용접 토치의 진행각 및 작업각을 자동으로 조절할 수 있도록 구성하여 곡면 용접이 가능하도록 한 용접 로봇을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 일반 CO2 용접이 아닌 서브머지드 아크용접(SAW)를 사용하고, 경사각 센서에 의해 토치의 진행각 및 작업각 제어를 실시하며, 용접선 추적을 행하는 곡면용접이 가능한 전자동 서브머지드 아크용접 로봇을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 용접로봇에 있어서,
용접 로봇 바디에 설치되는 4륜 구동을 위한 주행장치와;
상기 주행장치의 전륜 및 후륜을 각각 조향시키기 위한 전륜 및 후륜 조향장치와;
상기 용접 로봇 바디의 상부에 설치되어 슬라이드 테이블을 X,Y축 방향으로 슬라이드 시키기 위한 X, Y축 슬라이드 장치와;
상기 Y축 슬라이더의 슬라이드 테이블에 장착되어 용접 진행 각에 대해 회전 브라켓을 회전시키기 위한 진행각 엑츄에이터와;
상기 진행각 엑츄에이터의 회전 브라켓에 장착되어 용접 작업각에 대해 토치 고정브라켓을 회전시키기 위한 작업각 엑츄에이터와;
상기 작업각 엑츄에이터의 고정 브라켓에 장착되는 용접 토치와;
상기 용접 로봇 바디 상부에 탑재되고, 상기 용접 토치에 용접 와이어를 공급하기 위한 용접 와이어 공급장치와;
플럭스를 저장하여 두고 상기 용접 토치에 플럭스를 공급하고 용접 토치 후방에서 플럭스를 회수하기 위한 플럭스 공급 및 회수장치와;
상기 용접 토치에 고정설치되고 센서 프로브가 용접 그루브에 접촉되어 용접선 추적 센싱을 하는 터치센서와;
상기 용접 로봇 바디에 탑재되어 용접로봇 자체의 종/횡 경사각도를 검출하는 경사각 센서와;
상기 경사각 센서 및 터치센서의 검출정보에 의거하여 상기 주행장치와, 전륜 및 후륜 조향장치와, X,Y축 슬라이더를 제어하여 자동 용접선 추적 제어를 하면서, 상기 용접 와이어 공급장치와 상기 플럭스 공급 및 회수장치를 제어하고 상기 용접 토치를 제어하여 자동용접을 제어하는 콘트롤 장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 주행장치는,
용접 로봇 바디에 설치되는 4개의 바퀴와; 상기 4개의 바퀴를 구동시키기 위한 하나의 주행모터와, 상기 주행모터의 동력을 전륜측과 후륜측으로 주축을 통해 전달하는 주행 기어부와; 상기 주축에 의해 전달되는 동력을 전륜측 및 후륜측에서 각각 베벨기어를 통해 전달받아 양측의 바퀴에 전달하는 전륜측 및 후륜측 유니버셜 조인트와; 상기 주축의 동력을 연결 및 차단하는 클러치로 구성된다.
상기 전륜측 2개의 바퀴와 후륜측 2개의 바퀴를 각각 조향하기 위한 전륜 조향장치 및 후륜 조향장치는, 동일한 구성으로서, 조향 모터와; 조향 모터의 동력을 전달하는 조향 기어부와; 양측의 바퀴의 휠축에 각각 고정 설치되고 회동축을 중심으로 틸팅되어 바퀴를 조향시키는 제1,제2틸팅링크와; 상기 조향 기어부에 일측 단부가 연결된 상기 제1틸팅 링크의 타측단부와 상기 제2틸팅 링크의 일측단부 사이를 연결하여 상기 조향기어부의 틸팅 동력을 타측 바퀴에 전달시키는 조향 링크와, 상기 제2 틸팅 링크의 타측 단부에 설치되어 발란스를 유지시켜주는 발란스 유닛을 포함하여 구성됨에 특징이 있다.
상기 조향 기어부는, 조향모터의 회전력을 감속시키는 감속기어와 감속기를 통해 회전되는 피니언 기어와 피니어 기어에 의해 직선 운동하고 이동단부가 상기 틸팅 링크의 일측 단부에 회전핀으로 결합되는 래크기어로 이루진다. 상기 주축의 주행기어부는, 웜기어를 사용함에 특징이 있다.
상기 X,Y축 슬라이드 장치는, X축 슬라이드 장치의 슬라이드 테이블 상면에 Y축 슬라이드 장치가 장착되고, X,Y축 슬라이드 장치는 동일 구성으로서, 슬라이드 장치 브라켓과, 상기 브라켓의 내측에 소정의 간격으로 2라인으로 설치되는 2개의 슬라이드 바와; 상기 2개의 슬라이드 바의 사이로 설치되는 스크류바와; 상기 스크류바에 장착되어 스크류바의 회전에 의해 슬라이드 되고 상기 2개의 슬라이드 바에 복수의 위치에서 슬라이드 가능하게 지지되는 슬라이드 테이블과, 상기 브라켓의 외측에 설치되어 슬라이드 동력을 발생하는 슬라이드 모터와, 상기 슬라이드 모터의 회전력을 감속시켜 상기 스크류바를 회전시키기 위한 슬라이드 기어부와, 상기 브라켓에 고정 설치되어 상기 슬라이드 테이블의 슬라이드 위치를 검출하는 슬라이드 위치 검출용 포텐셜 메타로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 4륜 구동을 위한 주행장치와, 전륜 및 후륜 조향장치를 기존의 용접로봇에 설치하여 자가 주행장치로서 구성할 수 있으며, 기존의 주행장치와는 다르게 본 발명에서는 전륜 조향장치와, 후륜 조행장치가 각각 독립 구성되어 전륜 조향 및 후륜 조향을 독립 제어하여 용접 레일 없이 무레일 자가 주행이 가능함에 특징이 있다.
또한, 본 발명은 4륜 구동을 위한 주행장치, 전륜/후륜 조향장치와, X,Y축 슬라이드 장치와, 터치센서 및 경사각 센서를 포함하여 구성될 수 있으며, 이 경우 자동 용접선 추적이 가능해진다. 이는 기존의 용접로봇과 비교할 때, 전륜/후륜을 각각 조향 시킬 수 있고, 아울러 X,Y축 슬라이드 장치를 이용하여 용접토치를 용접 진행방향에 대해 X,Y축 이동이 가능하므로 조향제어와 함께 용접 토치 자체를 이동시켜 경사진 용접선에 대해서 용이하게 용접선 추적이 이루어진다.
또한, 본 발명은, 진행각 엑츄에이터 및 작업각 엑츄에이터를 더 포함하고, 경사각 센서와 터치센서에 의해 검출된 정보에 의해 곡면 형상정보를 자동 추출함과 아울러 미리 저장된 용접 조건 데이터 베이스에서 상기 자동 추출된 곡면 형상 정보에 해당되는 용접 조건을 추출하여 자동 용접 제어하도록 콘트롤 장치에 프로그램 모듈을 포함시켜 구성함에 특징이 있다. 이에 따라 작업 대상물이 곡형상을 이루는 경우 곡면에 대해서도 자동 용접선 추적 및 자동용접이 가능해진다.
이와 같은 본 발명은, 전륜 및 후륜 조향장치를 구비한 주행장치를 통해서 레일이 없는 곳에서 자유롭게 위치를 이동할 수 있고, 터치센서와 경사각 센서를 이용하여 측정된 정보에 의거하여 용접 토치의 작업선 추적이 가능하고, 전륜과 후륜을 상대적으로 자동 제어하여 조향시킴과 아울러 용접 토치를 슬라이드 장치 및 엑츄에이터를 이용하여 용접 모재에 대해 수평 유지가 가능하며, 곡형상 정보를 추출하여 용접 조건을 자동 변경하여 곡면 용접에서도 자동 용접이 가능한 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 용접 로봇의 일부 구성을 보인 측면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 용접 로봇의 주행장치 및 조향장치의 구성을 보인 평면도이며, 도 4는 본 발명에 의한 용접 로봇의 슬라이드 장치와 진행각 및 작업각 엑츄에이터를 보인 평면도이며, 도 5는 본 발명에 의한 슬라이드 장치의 구성을 보인 평면 및 측면도이고, 도 6은 본 발명에 의한 용접 로봇의 전체 구성을 보인 측면도이고, 도 7은 본 발명에 의한 용접 로봇의 전체 구성을 보인 정면도이다.
도면에 도시된 바와 같이,
용접 로봇 바디(101)에 설치되는 4개의 바퀴를 구동시키는 주행장치(110)와;
상기 주행장치(110)의 전륜 및 후륜을 각각 조향시키기 위한 전륜조향장치(120') 및 후륜조향장치(120)와;
상기 용접 로봇 바디(101)의 상부에 설치되어 슬라이드 테이블을 X,Y축 방향으로 슬라이드 시키기 위한 X, Y축 슬라이드 장치(130, 140)와;
상기 Y축 슬라이드 장치(140)의 슬라이드 테이블에 장착되어 용접 진행 각에 대해 회전 브라켓(152)을 회전시키기 위한 진행각 엑츄에이터(150)와;
상기 진행각 엑츄에이터(150)의 회전 브라켓(152)에 장착되어 용접 작업각에 대해 토치 고정브라켓(162)을 회전시키기 위한 작업각 엑츄에이터(160)와;
상기 작업각 엑츄에이터(160)의 토치 고정 브라켓(162)에 장착되는 용접 토치(190)와;
상기 용접 로봇 바디(101) 상부에 탑재되고, 상기 용접 토치(190)에 용접 와이어를 공급하기 위한 용접 와이어 공급장치(180)와;
플럭스를 저장하여 두고 상기 용접 토치(190)에 플럭스를 공급하고 용접 토치(190) 후방에서 플럭스를 회수하기 위한 플럭스 공급 및 회수장치(210)와;
상기 용접 토치(190)와 함께 상기 작업각 엑츄에이터(160)의 센서 브라켓(163)에 고정설치되고 센서 프로브가 용접 그루브에 접촉되어 용접선 추적 센싱을 하는 터치센서(170)와;
상기 용접 로봇 바디(101)에 탑재되어 용접로봇 자체의 종/횡 경사각도를 검출하는 경사각 센서(200)와;
상기 경사각 센서(200) 및 터치센서(170)의 검출정보에 의거하여 상기 주행장치(110)와 전륜 및 후륜조향장치((120', 120) 및 X,Y축 슬라이드 장치(130, 140)를 제어하여 자동 용접선 추적을 제어하면서, 상기 용접 와이어 공급장치(180)와 상기 플럭스 공급 및 회수장치(210)를 제어하고 상기 용접 토치(190)를 제어하여 자동용접을 제어하는 콘트롤 장치(220)를 포함하여 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 주행장치(110)는, 용접 로봇 바디(101)에 설치되는 4개의 바퀴(102)와; 상기 4개의 바퀴(102)를 구동시키기 위한 하나의 주행모터(111)와, 상기 주행모터(111)의 동력을 전륜측과 후륜측으로 주축(113)을 통해 전달하는 주행 기어부(112)와; 상기 주축(113)에 의해 전달되는 동력을 전륜측 및 후륜측 베벨기어(114')(114)를 통해 전달받아 양측의 바퀴(102)에 전달하는 전륜측 및 후륜측 유니버셜 조인트(115')(115)와; 상기 주축(113)의 동력을 연결 및 차단하는 클러치(116)로 구성된다. 상기 주축(113)의 주행기어부(112)는, 웜기어를 사용한다. 상기 메인 포스트(103)의 상단부에는 웨이트 발란서(104)와, 러그(105)가 설치되어 용접 로봇 전체를 크레인등으로 들어올려 이동시킬 수 있도록 구성된다. 그리고, 용접 로봇 바디(101)의 앞뒤에는 각각 손잡이(101a)가 설치되어 구성된다.
상기 전륜측 2개의 바퀴와 후륜측 2개의 바퀴를 각각 조향하기 위한 전륜 조향장치(120') 및 후륜 조향장치(120)는, 상호 동일 구성으로서, 후륜 조향장치(120)의 도면 부호를 참조하여 설명한다. 조향 모터(121)와; 조향 모터(121)의 동력을 전달하는 조향 기어부(122)와; 양측의 바퀴(102)의 휠축에 각각 고정 설치되고 회동축을 중심으로 틸팅되어 바퀴(102)를 조향시키는 제1,제2틸팅링크(123a)(123b)와; 상기 조향 기어부(122)에 일측 단부가 연결된 상기 제1틸팅 링크(123a)의 타측단부와 상기 제2틸팅 링크(123b)의 일측단부 사이를 연결하여 상기 조향기어부(122)의 틸팅 동력을 타측 바퀴에 전달시키는 조향 링크(124)와, 상기 제2 틸팅 링크(123b)의 타측 단부에 설치되어 발란스를 유지시켜주는 발란스 유닛(125)과, 상기 조향기어부(122)의 조향 위치를 검출하기 위한 조향 위치 검출용 포텐셜 메터(126)를 포함하여 구성된다.
상기 조향 기어부(122)는, 조향모터(121)의 회전력을 감속시키는 감속기어와 감속기를 통해 회전되는 피니언 기어와 피니어 기어에 의해 직선 운동하고 이동단부가 상기 제1틸팅링크(123a)의 일측 단부에 회전핀으로 결합되는 래크기어로 이루진다.
이와 같이 구성된 본 발명의 용접 로봇의 자가 주행장치는, 용접 로봇 바디(101)에 4륜 구동을 위한 주행장치(110)가 설치된다. 4륜 구동을 위한 주행장치(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 주행모터(111)를 구동시키면, 주행기어부(112)를 통해서 감속 및 동력전달이 이루어져 주축(113)을 회전시키게 된다. 이때 주행 기어부(112)는 모터의 감속기어에 베벨기어가 설치되어 동력을 전달하고, 베벨기어는 웜기어에 동력을 전달하여 웜기어에 의해 주축(113)을 회전시키는 구조이다.
이때 주축(113)에는 클러치 장치(116)가 설치되며, 클러치 레버(116a)를 회동시켜 주축(113)으로의 동력을 전달/차단시킬 수 있게 된다. 상기 주축(113)의 동력이 전륜측 및 후륜측으로 전달되어 각각 베벨기어(114')(114)에 의해 바퀴축(휠축)으로 동력을 전달하도록 하되, 베벨기어(114')(114)와 바퀴축 사이에 유니버셜 조인트(115')(115)를 설치하여 조향제어에 의한 바퀴의 방향전환시에도 동력전달이 원활하게 이루어지도록 구성된다.
또한, 상기 주행장치(110)는 전륜 및 후륜 바퀴 각 2개씩과, 주행축 1개, 조향장치 2개에 의한 4륜 구동을 위한 주행장치로 이루어지고, 각각의 바퀴(102)에는 고무재질의 타이어가 장착되어 구동됨으로써 기존에 레일을 따라 움직이는 대차에 비해 자유 곡면을 쉽게 주행할 수 있다. 기존에는 곡이 심할 경우 레일의 강성에 의해 곡을 따라 설치되지 않았었다.
그리고, 조향장치는 전륜과 후륜에 각각 하나씩의 조향장치를 설치하여 전륜 조향장치(120') 및 후륜 조향장치(120)가 구성되어 전륜 조향 및 후륜 조향이 가능하도록 구성된다.
전륜 조향장치(120')와 후륜 조향장치(120)는, 동일한 구성으로서, 후륜조향장치(120)의 도면부호를 참조하여 설명한다. 조향모터(121)의 회전력을 조향 기어부(122)에서 감속 및 직선운동으로 변환시킨다. 상기 조향 기어부(122)에서 직선운동으로 변환된 조향 동력은 제1틸팅링크(123a)를 회동축을 중심으로 틸팅시킨다. 이에 따라 제1틸팅링크(123a)에 고정설치된 휠축이 조향되면서 바퀴를 조향시키는 것이다. 이때 상기 제1틸팅링크(123a)의 타측 단부에는 회동핀에 의해 조향 링크(124)가 연결되고 그 조향링크(124)의 타측 단부에는 타측 휠축에 고정설치되는 제2틸팅링크(123b)가 연결되어 양측의 휠축이 동시에 조향된다. 그리고, 상기 제2틸팅링크(123b)의 조향링크(124)가 연결된 단부와 대응된 타측 단부에는 발란스 유닛(125)이 설치된다. 발란스 유닛(125)은 스프링을 설치하여 상기 제2틸팅링크(123b)를 탄력 지지함으로써 발란스를 맞추어주도록 하는 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 용접 로봇 바디(101)의 상부에는 메인 포스트(103)와, 와이어릴 포스트(106)가 설치되며, 상기 메인 포스트(103)에는 고정 브라켓을 통해서 X축 슬라이드 장치(130)가 고정 설치된다. 상기 X축 슬라이드 장치(130)의 슬라이드 테이블에는 Y축 슬라이드 장치(140)가 고정설치되고, 상기 Y축 슬라이드 장치(140)의 슬라이드 테이블에는 고정 브라켓(141)이 설치되어 그 고정 브라켓(141)에 진행각 엑츄에이터(150)가 고정설치된다.
상기 진행각 엑츄에이터(150)는 엑츄에이터 바디(151)가 상기 고정 브라켓(141)에 고정되고, 상기 엑츄에이터 바디(151) 내측에 모터가 설치된다. 상기 엑츄에이터 모터의 회전력을 전달하는 엑츄에이터 기어부에 회전 브라켓(152)이 고정설치되며, 회전 브라켓(152)은 2단 절곡구조로 결합 구성된다.
상기 회전 브라켓(152)에는 작업각 엑츄에이터(160)가 설치되며, 작업각 엑츄에이터(160)도 엑츄에이터 바디(161)가 상기 회전 브라켓(152)에 고정되고 내측에 모터가 설치되며, 엑츄에이터 기어부에 토치 고정 브라켓(162)과, 센서 고정 브라켓(163)이 작업각에 대해 회전 가능하게 설치되어 구성된다. 상기 토치 고정 브라켓(162)에는 토치 센터가 형성되어 토치의 센터를 X,Y축 슬라이드장치(130)(140), 진행각 엑츄에이터(150) 및 작업각 엑츄에이터(160)에 의해 이동 및 회전가능하게 구성되며, 터치 센서(170)도 상기 용접 토치(190)와 함께 고정설치되어 용접토치(190)의 이동 및 회전과 동일하게 제어되게 설치된다.
한편, 상기 와이어릴 포스트(106)에는 와이어 릴 샤프트(182)에 와이어릴(181)이 장착되어 상기 용접 토치(190)에 용접 와이어를 공급하는 용접 와이어 공급장치(180)가 설치된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 X,Y축 슬라이드 장치(130, 140)는, X축 슬라이드 장치(130)의 슬라이드 테이블 상면에 Y축 슬라이드 장치(140)가 장착되고, X,Y축 슬라이드 장치는 동일 구성으로서, 슬라이드 장치 브라켓(131)과, 상기 슬라이드 장치 브라켓(131)의 내측에 소정의 간격으로 2라인으로 설치되는 2개의 슬라이드 바(132)와; 상기 2개의 슬라이드 바(132)의 사이로 설치되는 스크류바(133)와; 상기 스크류바(133)에 장착되어 스크류바(133)의 회전에 의해 슬라이드 되고 상기 2개의 슬라이드 바(132)에 복수의 위치에서 슬라이드 가능하게 지지되는 슬라이드 테이블(134)과, 상기 슬라이드 장치 브라켓(131)의 외측에 설치되어 슬라이드 동력을 발생하는 슬라이드 모터(135)와, 상기 슬라이드 모터(135)의 회전력을 감속시켜 상기 스크류바(133)를 회전시키기 위한 슬라이드 기어부(136)와, 상기 슬라이드 장치 브라켓(131)에 고정 설치되어 상기 슬라이드 테이블(134)의 슬라이드 위치를 검출하는 슬라이드 위치 검출용 포텐셜 메타(137)로 구성된다. 여기서 도면의 미설명부호 132a는 슬라이드 바(132)에 장착되는 선형이동 가이드(Leaner Motion Guide)이고, 134a는 스크류바(133)에 결합되어 스크류바의 회전에 의해 슬라이드 되는 슬라이드 이동자이며, 상기 복수의 선형이동 가이드(132a)와 상기 슬라이드 이동자(134a)의 상면에 슬라이드 테이블(134)이 장착된다.
상기 X,Y축 슬라이드 장치(130)(140)는, 용접토치(190)를 진행방향에 대해 X축, Y축 방향으로 이동시키기 위한 장치로서, 용접선 추적을 위하여 구동된다. 슬라이드 모터(135)의 구동 동력은 슬라이드 기어부(136)를 통해서 스크류바(133)로 전달된다. 슬라이드 기어부(136)는 웜기어를 사용하여 모터 정지시 스크류바(133)가 외부 중량에 의해 회전되는 것을 방지할 수 있다. 상기 스크류바(133)가 회전되면, 슬라이드 이동자(134a)가 스크류바(133)의 회전량에 따라 직선 이동하게 된다. 이에 따라 슬라이드 이동자(134a)의 상면에 부착 고정되는 슬라이드 테이블(134)가 직선이동되어 슬라이드 된다. 이때 상기 슬라이드 테이블(134)은 슬라이드바(132)에 설치된 선형 이동 가이드(132a)에 각각 고정되어 지지 되므로, 안정된 슬라이드가 이루어진다.
X축 슬라이드 장치(130)의 슬라이드 테이블에 Y축 슬라이드 장치(140)가 장착되어 제어되므로, X,Y축 슬라이드 장치(130)(140)에 의해 용접 토치(190)를 진행방향의 X축, Y축 방향으로 이동이 가능하게 된다.
상기 Y축 슬라이드 장치(140)의 슬라이드 테이블에는 엑츄에이터 고정 브라켓(141)이 설치되고, 그 엑츄에이터 고정브라켓(141)에 진행각 엑츄에이터(150)가 고정설치된다.
상기 진행각 엑츄에이터(150)는 모터의 회전력을 감속기어를 통해 회전 브라켓(152)에 전달한다. 회전 브라켓(152)에는 작업각 엑츄에이터(160)가 장착된다. 즉, 진행각 엑츄에이터(150)가 구동되어 회전브라켓(152)이 용접 진행 각도를 조절하도록 회전되면, 작업각 엑츄에이터(160)와 그에 연결되는 용접 토치(190) 및 터치 센서(170)가 함께 회전되는 것이다. 상기 작업각 엑츄에이터(160)는 감속기어를 통해서 용접토치 고정브라켓(162)을 작업각에 대한 방향으로 회전시키게 되며, 이에따라 용접 토치(190)가 작업각 방향의 회전이 이루어지며, 아울러 센서 고정브라켓(163)에 설치되는 터치 센서(170)도 동일한 작업각도로 회전된다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 용접 로봇 바디(101)의 상부에는 메인 포스트(103)의 상단부에 고정설치되는 플럭스 공급 및 회수장치(210)가 설치되며, 용접 로봇 바디(101)의 상부 일측에는 로봇 조작반(221)과 용접기 조작반(222)으로 이루어지는 콘트롤장치(220)가 탑재되어 구성된다. 상기 플럭스 공급 및 회수장치(210)는, 상기 용접 토치(190)에 플럭스를 공급하는 플럭스 공급장치(211)와, 상기 플러스 공급장치(211)의 상부에 설치되고 회수관을 통해 용접토치(190)의 후방에서 플럭스를 회수하는 플럭스 회수장치(212)가 설치되어 구성된다. 또한, 종/횡 경사 각도를 감지하는 경사각 센서(200)가 용접 로봇 바디(101)에 설치되어 용접 로봇 자체의 종/횡 경사 각도를 측정하게 된다.
상기 콘트롤장치(220)는, 자동 용접선 추적을 제어한다. 용접부가 직선이 아닌 곡선일 경우 자동 용접 추적 제어에 의해 자동으로 용접부를 추적하여 정상적인 용접을 수행할 수 있게 된다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명을 설명하기 위한 터치 센서의 용접선 감지 설명도이다. 이에 도시된 바와 같이, 터치 센서(170)는 용접 그루브에 센서 프로브가 접촉되도록 제어되며, 2축 터치센서가 사용된다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 용접선(1)이 곡선 또는 경사각으로 바뀔 경우 터치 센서(170)의 프루브(171)는 용접 그루브(2)의 양 벽면 또는 밑바닥 면에 접촉된다. 즉, 항상 일정한 토치 높이를 유지시키기 위해 터치 센서(170)가 밑바닥 면에 접촉할 때까지 X, Y축 슬라이드 장치(130)(140)를 이용하여 용접 토치(190) 및 터치센서(170)를 하강시켜 용접선(1)에 일치시킨다.
도 8b에 도시된 바와 같이 프루브(171)가 접촉되어 꺽여진 양만큼 X축 슬라이드장치(130)를 접촉면의 반대방향으로 이동하여 원점 회복시키고, X축 슬라이드 장치(130)의 이동 변위가 일정 수준 이상되면 전륜 조향장치(120')를 X축 슬라이드 장치(130)의 이동방향으로 회전하여 원점 회복시킨다.
아울러 전륜 조향 시 후륜 조향을 전륜의 반대 방향으로 조향하여 신속한 원점 회복 유도 및 곡선에 대하여 항상 일정한 수평 자세를 유지토록 한다. 이는 용접 토치(190)가 용접 모재에 수직이 아닌 경우 수평자세 유지가 매우 중요한데, 수평이 아닌 경우 터치 센서(170)는 중심에 존재하지만 용접 아크의 방향이 개선 면을 벗어나 요구하는 용입 깊이를 얻기가 어려워진다. 따라서 전륜 및 후륜 조향을 함께 제어하여 용접선에 대해 토치가 항상 일정한 수평자세를 유지하게 제어한다.
또한, 본 발명은 상기 콘트롤장치(220)가 곡 형상 정보를 자동 추출하여 이에 대응되게 조향 및 토치의 위치와 경사각도를 조절하도록 한다. 곡형상 정보는 종경사각 센서와 횡경사각 센서가 설치된 경사각 센서(200)와, 터치 센서(170)를 구비하여 현재의 곡면형상에 대한 정보를 획득한다. 이러한 정보를 이용하여 콘트롤장치(220)에서 곡면 형상에 대한 용접 조건을 분석하여 용접 조건 자동 변경 제어를 수행한다. 또한 경사각 센서(200)가 위치한 지점에서의 곡면 형상과 실제 용접부에서의 곡면 형상의 차이를 보상하기 위해 터치 센서(170)의 접촉 방향 및 변위량을 계산하며, 경사각 센서(200)에서 지시하는 경사 방향과 터치 센서(170)에서 접촉되는 접촉 방향을 비교 평가하여 계산한다.
도 8c에 도시된 바와 같이 종경사각과 횡경사각 주행 시 터치센서(170)의 변위량이 0이면 일정한 경사이고, 경사각 센서(200)에서 측정한 일정 경사각에서 "-"변위량이 터치 센서(170)에서 발생하면 경사각 센서(200)의 위치에서 반대 방향의 경사가 발생한 것으로 인지하여 발생한 변위량 만큼 일정 각도를 보상한다. 반대로, "+"변위량이 터치 센서(170)에서 발생하면 경사각 센서(200)의 위치보다 동일 경사방향으로 더 급격한 경사가 발생한 것으로 인지하여 발생한 변위량 만큼 일정 각도를 보상한다.
상기 콘트롤장치(220)는 상기 경사각 센서(200)와 터치센서(170)에 의해 검출되는 방향 및 경사 각도에 의거하여 용접조건을 자동 변경하여 제어한다. 경사각 센서(200) 및 터치 센서(170)에서 측정된 값을 콘트롤장치(220)에서 전송받아 현재의 곡면 상태를 판단하고, 판단된 곡면에 따라 사전에 입력된 곡면 상태에 따른 용접 조건 데이터베이스를 자동 탐색하여 해당 용접 조건을 출력한다.
이때 용접 조건은 용접속도, 용접전류, 용접전압, 용접토치의 진행각, 용접토치의 작업각을 포함하며, 종경사각이 "+"방향으로 증가할수록, 용접속도, 용접전류, 용접전압의 점진적 감소가 발생하고 용접토치의 진행각은 점진적인 전진각이 발생한다. 횡경사각이 "+"방향으로 증가할 경우 용접토치의 작업각은 점진적인 "-"작업각을 형성한다.
본 발명의 SAW 용접 로봇에서 수행하는 SAW(Surbmerged Arc Welding)은 일반 CO2용접과는 달리 대입열용 용접 기법으로써, 용접 시 아크 안정제, 탈산제, 기계적 성질 향상을 위한 성분이 포함된 플럭스를 사전에 용접부에 투입한 후 용접을 실시한다.
용접시 플럭스는 용접 와이어와 같이 용융하여 용착금속 및 슬래그로 형성되고, 남은 플럭스는 플럭스 회수 장치에 의해 재사용된다. 대입열 용접을 하므로써 용융금속의 양이 많아져 경사각을 용접할 시 용융금속의 흘러내림이 우려되기 때문에, 본 발명에서는 이를 방지하기 위하여 종경사각일 경우 진행각 엑츄에이터를 사용하여 토치의 진행각을 도 8c의 전진각/후진각으로 변환시킨다. 전진각으로 변환될 경우 와이어의 돌출길이가 길어지므로 와이어 돌출길이를 조절한다. 마찬가지로 횡경사각일 경우 작업각 회전축을 이용하여 도 8c와 같이 +/- 작업각으로 조절한다.
따라서, 본 발명에 의한 용접 로봇은 주행장치 및 조향장치와 슬라이드 장치 및 진행각과 방향각 엑츄에이터를 구동시켜 용접선 추적을 함과 아울러 곡면 형상 정보를 추출하고, 곡면형상 정보에 의거하여 구동 조건들을 제어함과 아울러 용접 조건 변환을 제어하여 모든 곡면에 대한 SAW가 자동으로 이루어지게 할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 곡외판 선판계 공정의 개념 설명도
도 2는 본 발명에 의한 용접 로봇의 일부 구성을 보인 측면도.
도 3은 본 발명에 의한 용접 로봇의 주행장치 및 조향장치의 구성을 보인 평면도.
도 4는 본 발명에 의한 용접 로봇의 슬라이드 장치와 진행각 및 작업각 엑츄에이터를 보인 평면도.
도 5는 본 발명에 의한 슬라이드 장치의 구성을 보인 평면 및 측면도.
도 6은 본 발명에 의한 용접 로봇의 전체 구성을 보인 측면도.
도 7은 본 발명에 의한 용접 로봇의 전체 구성을 보인 정면도.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명을 설명하기 위한 터치 센서의 용접선 감지 설명도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101 : 용접 로봇 바디 102 : 바퀴(휠)
103 : 메인 포스트 104 : 웨이트 발란서
105 : 러그 106 : 와이어릴 포스트
110 : 주행장치 111 : 주행모터
112 : 주행 기어부 113 : 주축
114', 114 : 베벨기어 115', 115 : 유니버셜 조인트
116 : 클러치 116a : 클러치 레버
120 : 조향장치 121 : 조향 모터
122 : 조향 기어부 123a, 123b : 제1,제2 틸팅 링크
124 : 조향 링크 125 : 발란스 유닛
125 : 조향 포텐셜 메타 130, 140 : X,Y축 슬라이드 장치
131 : 슬라이드 장치 브라켓 132 : 슬라이드 바
132a : 선형 이동 가이드 133 : 스크류 바
134 : 슬라이드 테이블 134a : 슬라이드 이동자
135 : 슬라이드 모터 136 : 슬라이드 기어부
137 : 슬라이드 포텐셜 메타 141 : 엑츄에이터 고정 브라켓
150 : 진행각 엑츄에이터 151 : 진행각 엑츄에이터 바디
152 : 회전 브라켓 160 : 작업각 엑츄에이터
161 : 작업각 엑츄에이터 바디 162 : 용접 토치 고정 브라켓
163 : 터치 센서 고정브라켓 170 : 터치 센서
171 : 센서 프로브 180 : 용접 와이어 공급 장치
181 : 와이어 릴 182 : 와이어릴 샤프트
190 : 용접 토치 200 : 경사각 센서
210 : 플럭스 공급 및 회수장치 211 : 플럭스 공급장치
212 : 플럭스 회수 장치 220 : 콘트롤 장치
221 : 로봇 조작반 222 : 용접기 조작반

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 용접 와이어와 플럭스를 용접 토치에 공급하여 용접하는 SAW용 용접 로봇에 있어서,
    용접 로봇 바디(101)에 설치되는 전륜 및 후륜을 구동하기 위한 주행장치(110)와;
    상기 주행장치(110)의 전륜 및 후륜을 각각 조향시키기 위한 전륜조향장치(102') 및 후륜 조향장치(120)와;
    상기 용접 로봇 바디(101)의 상부에 설치되어 X축 방향으로 X축 슬라이드 장치의 슬라이드 테이블을 슬라이드 시키기 위한 X축 슬라이드 장치(130)와;
    상기 X축 슬라이드 장치(130)의 슬라이드 테이블에 장착되어 Y축 방향으로 Y축 슬라이드 장치의 슬라이드 테이블을 슬라이드 시키기 위한 Y축 슬라이드 장치(140)와;
    상기 Y축 슬라이드 장치(140)의 슬라이드 테이블에 장착되어 용접 진행 방향에 대해 X,Y축 방향으로 슬라이드 이동되는 용접 토치(190)와;
    상기 용접 토치와 함께 상기 Y축 슬라이드 테이블에 장착되어 용접 토치(190)가 용접해야할 용접 작업선에 접촉되어 이동되면서 용접선 추종 변위를 검출하는 터치센서(170)와;
    상기 용접 로봇 바디(101)에 설치되어 용접로봇 자체의 종/횡 경사각도를 검출하는 경사각 센서(200)와;
    상기 경사각 센서(200) 및 터치센서(170)의 검출정보에 의거하여 상기 주행장치(110)와 전륜 및 후륜 조향장치(120')(120) 및 X,Y축 슬라이드 장치(130, 140)를 제어하여 자동 용접선 추적 제어를 하면서, 상기 경사각 센서(200) 및 터치센서(170)의 정보에 의거하여 작업 대상물의 곡형상 정보를 추출하고 곡형상 정보에 의거하여 상기 용접 토치(190)의 용접 조건을 변경하여 제어하는 콘트롤 장치(220)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇.
  6. 용접 와이어와 플럭스를 용접 토치에 공급하여 용접하는 SAW용 용접 로봇에 있어서,
    용접 로봇 바디(101)에 설치되는 전륜 및 후륜을 구동하기 위한 주행장치(110)와;
    상기 주행장치(110)의 전륜 및 후륜을 각각 조향시키기 위한 전륜조향장치(102') 및 후륜 조향장치(120)와;
    상기 용접 로봇 바디(101)의 상부에 설치되어 용접토치(190)를 X,Y축 방향으로 슬라이드 시키기 위한 X, Y축 슬라이드 장치(130),(140)와;
    상기 Y축 슬라이드 장치(140)의 슬라이드 테이블에 장착되어 용접 진행 각에 대해 회전 브라켓(152)을 회전시키기 위한 진행각 엑츄에이터(150)와;
    상기 진행각 엑츄에이터(150)의 회전 브라켓(152)에 장착되어 용접 작업각에 대해 토치 고정브라켓(162)을 회전시키기 위한 작업각 엑츄에이터(160)와;
    상기 작업각 엑츄에이터(160)의 토치 고정 브라켓(162)에 장착되는 용접 토치(190)와;
    상기 용접 로봇 바디(101) 상부에 탑재되고, 상기 용접 토치(190)에 용접 와이어를 공급하기 위한 용접 와이어 공급장치(180)와;
    플럭스를 저장하여 두고 상기 용접 토치(190)에 플럭스를 공급하고 용접 토치(190) 후방에서 플럭스를 회수하기 위한 플럭스 공급 및 회수장치(210)와;
    상기 용접 토치(190)와 함께 상기 작업각 엑츄에이터(160)의 센서 브라켓(163)에 고정설치되고 센서 프로브가 용접 그루브에 접촉되어 용접선 추적 센싱을 하는 터치센서(170)와;
    상기 용접 로봇 바디(101)에 설치되어 용접로봇 자체의 종/횡 경사각도를 검출하는 경사각 센서(200)와;
    상기 경사각 센서(200) 및 터치센서(170)의 검출정보에 의거하여 상기 주행장치(110)와 전륜 및 후륜 조향장치(120')(120) 및 X,Y축 슬라이드 장치(130, 140)를 제어하여 자동 용접선 추적 제어를 하면서, 상기 경사각 센서(200) 및 터치센서(170)의 정보에 의거하여 작업 대상물의 곡형상 정보를 추출하고 곡형상 정보에 의거하여 상기 용접 토치(190)의 용접 조건을 변경하여 제어하는 콘트롤 장치(220)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 주행장치(110)는,
    용접 로봇 바디(101)에 설치되는 4개의 바퀴(102)과;
    상기 4개의 바퀴(102)를 구동시키기 위한 하나의 주행모터(111)와;
    상기 주행모터(111)의 동력을 전륜측과 후륜측으로 주축(113)을 통해 전달하는 주행 기어부(112)와;
    상기 주축(113)에 의해 전달되는 동력을 각각 전륜측과 후륜측에서 베벨기어(114')(114)를 통해 전달받아 바퀴(10)의 휠축에 전달하는 유니버셜 조인트(115')(115)와;
    상기 주축(113)의 동력을 연결 및 차단하는 클러치(116)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇.
  8. 제 6 항에 있어서, 전륜 조향장치(120') 및 후륜 조향장치(120)는,
    전륜측 2개의 바퀴를 조향하기 위한 전륜 조향장치(120')와, 후륜측 2개의 바퀴를 조향하기 위한 후륜 조향장치(120)가 각각 독립되어 동일한 구성으로 설치되되,
    조향 모터(121)와;
    상기 조향 모터(121)의 동력을 직선운동으로 전달하는 조향 기어부(122)와;
    양측의 바퀴(102)의 휠축에 각각 고정 설치되고 회동축을 중심으로 틸팅되어 바퀴(102)를 조향시키는 제1,제2틸팅링크(123a)(123b)와;
    상기 조향 기어부(122)에 일측 단부가 연결된 상기 제1틸팅 링크(123a)의 타측단부와 상기 제2틸팅 링크(123b)의 일측단부 사이를 연결하여 상기 조향기어부(122)의 틸팅 동력을 타측 바퀴에 전달시키는 조향 링크(124)와;
    상기 제2 틸팅 링크(123b)의 타측 단부에 설치되어 발란스를 유지시켜주는 발란스 유닛(125)과;
    상기 조향기어부(122)의 조향 위치를 검출하기 위한 조향 위치 검출용 포텐셜 메터(126)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 X,Y축 슬라이드 장치(130)(140)는,
    X축 슬라이드 장치(130)의 슬라이드 테이블 상면에 Y축 슬라이드 장치(140)가 장착되고, X,Y축 슬라이드 장치는 동일 구성으로서,
    슬라이드 장치 브라켓(131)과;
    상기 슬라이드 장치 브라켓(131)의 내측에 소정의 간격으로 2라인으로 설치되는 2개의 슬라이드 바(132)와;
    상기 2개의 슬라이드 바(132)의 사이로 설치되는 스크류바(133)와;
    상기 스크류바(133)에 장착되어 스크류바(133)의 회전에 의해 슬라이드 되고 상기 2개의 슬라이드 바(132)에 복수의 위치에서 슬라이드 가능하게 지지되는 슬라이드 테이블(134)과;
    상기 슬라이드 장치 브라켓(131)의 외측에 설치되어 슬라이드 동력을 발생하는 슬라이드 모터(135)와;
    상기 슬라이드 모터(135)의 회전력을 감속시켜 상기 스크류바(133)를 회전시키기 위한 슬라이드 기어부(136)와;
    상기 슬라이드 장치 브라켓(131)에 고정 설치되어 상기 슬라이드 테이블(134)의 슬라이드 위치를 검출하는 슬라이드 위치 검출용 포텐셜 메타(137)로 구성된 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 진행각 엑츄에이터(150) 및 작업각 엑츄에이터(160)는,
    상기 진행각 엑츄에이터(150)의 진행각 엑츄에이터 바디(151)가 상기 Y축 슬라이드 장치(140)의 슬라이드 테이블에 고정설치된 엑츄에이터 고정 브라켓(141)에 고정설치되고, 상기 진행각 엑츄에이터 바디(151) 내측에 모터가 설치되어 그 모터의 회전력을 전달하는 엑츄에이터 기어부에 회전 브라켓(152)이 고정설치되고,
    상기 회전 브라켓(152)에는 상기 작업각 엑츄에이터(160)의 작업각 엑츄에이터 바디(161)가 고정설치되고, 상기 작업각 엑츄에이터 바디(161) 내측에 모터가 설치되어 그 모터의 회전력을 전달하는 엑츄에이터 기어부에 토치 고정 브라켓(162)과, 센서 고정 브라켓(163)이 작업각에 대해 회전 가능하게 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 서브머지드 아크 용접용 전자동 용접 로봇.
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