KR101724424B1

KR101724424B1 - 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치 및 그 운용 방법

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Publication number: KR101724424B1
Application number: KR1020150169726A
Authority: KR
Inventors: 이정형; 박희환; 강성원; 이종건; 이재승; 추길환
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2017-04-10

Abstract

본 발명은 선박의 곡블록 내부재 용접을 자동으로 수행하기 위한 장치(100)에 관한 것으로서, 작업 대상물의 바닥면에 고정되어 장치가 용접을 수행할 수 있도록 해주는 베이스 플랫폼(110)과; 작업 구간 내 용접을 위한 각 부재들의 기울기 및 배치 상태를 계측할 수 있는 센서부(120)와; 상기 베이스 플랫폼(110)에 장착되어 장치 측방에 위치한 각 부재들과 로봇(150) 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부(120)에서 계측된 장치 측방에 위치한 각 부재들의 기울기에 상응하여 로봇(150)의 자세를 조정할 수 있는 틸팅 프레임부(130)와; 상기 틸팅 프레임부(130)에 장착되어 장치 전방에 위치한 각 부재들과 로봇(150) 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부(120)에서 계측된 장치 전방에 위치한 각 부재들의 배치 상태에 상응하여 각 부재의 수직/수평 기울기가 서로 다른 적용 구간에 따른 로봇(150)의 작업 반경을 보정할 수 있는 수평 구동부(140)와; 상기 수평 구동부(140)에 장착되어 용접을 수행하는 로봇(150)을 포함하는 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치. 본 발명에 따르면, 다양하고 복잡한 곡블록 U-cell 구간 내부재의 기울기 및 배치 상태를 계측하고 이에 기초하여 자동으로 용접을 수행함으로써 용접 작업 생산성 및 작업 여건을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치 및 그 운용 방법{THE AUTOMATIC EQUIPMENT FOR WELDING SHIP'S CURVE BLOCK AND METHOD OF OPERATING THE SAME}

본 발명은 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치 및 그 운용 방법에 관한 것으로서, 특히 선박의 곡블록 내부 U-cell이라 불리는 구간에 대한 내부재 용접을 자동으로 수행하기 위한 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치 및 그 운용 방법에 관한 것이다.

평블록은 작업 대상물과 각 T-bar 론지, 프레임들이 수직으로 배치되어 있기 때문에 작업 영역에 대한 설계 데이터 기반으로 다축 로봇 혹은 캐리지 형태의 단순 용접 장치 적용이 비교적 쉽다. 이와 달리, 곡블록의 경우 선박 형상에 따라 해당 블록의 작업 대상물 곡면 형상이 달라지게 되고, 이에 따라 각각의 블록 형상도 제각기 달라지게 된다. 더욱이 하나의 곡블록에서조차도 각각의 U-cell 구간마다 T-bar 론지, 프레임들이 서로 다른 기울기를 갖고 배치가 된다. 따라서, 평블록에 적용되는 장치는 곡블록의 다양한 형상 변화에 대응하지 못해 적용이 불가능한 실정이다.

용접 여건 측면에서도 평블록의 경우 단순한 수평/수직 용접만 존재하여 작업자가 상대적으로 쉽게 용접할 수 있는 반면, 곡블록의 경우 각 부재들 간 다양한 배치 상태 및 비좁은 공간에서의 용접 작업으로 인해 용접 환경도 열악하기 때문에 작업 생산성도 높이고 작업 환경도 개선할 수 있는 용접 자동화 장치의 개발이 절실히 필요한 상황이다.

도 1은 곡블록 U-cell 용접 구간을 보여주는 사진, 도 2는 곡블록 U-cell 구간 수동 용접을 보여주는 사진, 도 3은 평블록 U-cell 구간 자동 용접을 보여주는 사진이다. 도 1에서 α는 작업 대상물 기준 T-bar 론지 수직 기울기, β는 T-bar 론지 기준 프레임 수평 기울기, γ는 작업 대상물 기준 프레임 수직 기울기를 나타낸다.

한편, 해외 조선소에서 적용된 평블록 U-cell 구간 자동 용접 장치의 경우, 레일부에 부착된 다축 로봇이 1차원 레이저 센서를 이용하여 작업 부재 티칭을 수행한 후 용접을 수행할 수 있도록 구성되어 있다. 하지만, 각 부재들이 작업 대상물에 대해 수직으로 배치된 상태에서만 가능하며, T-bar 론지가 기울어진 상태로 배치된 곡블록의 경우에는 로봇 기구부와의 충돌 문제가 발생한다. 더욱이, 1차원 레이저 센서를 이용하여 작업 부재에 대한 인식을 수행하므로, 티칭 시간이 오래 걸리며 부재 간 갭(gap) 및 개선(모따기) 처리 여부를 인식할 수 없다. 또한, 프레임 부재가 기울어진 채 배치되어 있는 경우에도 로봇의 작업 반경을 초과하는 문제에 대한 대응이 불가능하다. 즉, 곡블록의 다양한 부재 배치에 대응 가능한 추가적인 기능들이 있어야만 한다.

참고적으로, 일반적인 작업 부재 형상 인식은 토치 끝단부의 용접 와이어가 작업 부재를 일일이 접촉하면서 발생하는 아크를 감지하여 작업 부재의 형상 인식을 수행하는 방식이 적용된다. 또한, 터치 센서와 더불어 로봇 끝단부에 1차원 변위 센서를 적용하여 비접촉식으로 작업 대상 부재를 인식하는 방법이 적용되어, 터치 센서만 적용한 경우보다 좀 더 빠르게 형상 인식이 가능하도록 구성할 수도 있다. 평블록 부재와 같이 모든 부재들이 거의 동일하게 작업 대상물에 수직으로 취부된 상태로 되어 있는 경우에는 미리 저장된 설계 데이터 기반으로 상기 언급한 터치센서 및 1차원 변위 센서로의 티칭이 가능하다. 즉, 작업자가 collar plate, scallop, slot hole 등의 배치 및 부재 두께 등과 같이 작업 부재에 대한 일반적인 정보를 입력해 주면 용접 로봇이 입력 정보를 기반으로 형성된 용접 라인 정보를 이용하여 작업 대상물과 T-bar 론지, 프레임 부재 등의 교차점 및 용접 라인을 차례로 인식하는 것이 가능하다.

하지만, 곡블록의 경우 모든 작업 구간마다 작업 부재들의 취부 상태가 다르기 때문에, 설계 데이터를 해당 작업 구간에 매칭시키는 것이 불가능하므로 각 부재들의 배치 형태에 대한 실시간 형상 인식 작업이 필요하다. 즉, 용접 장치가 곡블록 내부재를 용접하기 위해서는 1차적으로 용접할 용접 구간에서 부재들의 두께 및 이격 거리 정보, Collar plate 및 scallop, slot hole 등의 배치가 어떻게 구성되어 있는지를 알아야만 한다. 또한, 용접 장치 기준으로 T-bar 론지 부재의 수직/수평 기울기, 프레임 부재의 수직/수평 기울기 및 장치와의 이격 거리 등에 대한 정보가 필요하다. 더욱이, 곡블록 특성 상 용접 부위의 갭 정도 및 개선 처리 여부도 파악이 되어야만 불량 없이 용접이 가능하다.

종래 관련 분야 특허 기술로서, 필렛용접부를 따라 종방향 또는 횡방향으로 구동되는 캐리지; 수직피용접물에 접촉되는 접촉감지부 또는 상기 수직피용접물과의 횡방향 이격거리를 측정하는 근접감지부를 구비하여 상기 수직피용접물 상측에 설치되는 변위센서; 및 상기 변위센서에 의해 횡방향 변위측정이 이루어지는 수직피용접물상의 변위센서 측정지점과 기준지점을 통과하는 수직선간의 횡방향 이격거리로부터 상기 수직피용접물의 기울기를 도출하고, 상기 수직피용접물의 기울기로부터 상기 기준지점을 통과하는 수직선에 대한 상기 필렛용접부의 횡방향 변위를 추적하며, 상기 필렛용접부와 설정 이격거리를 유지하도록 상기 용접토치의 위치나 각도를 제어, 조정하는 토치컨트롤러;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 필렛용접용 캐리지장치 및 그 운용방법이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).

국내공개특허 제10-2010-0056069호

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 곡블록 U-cell 구간에 대한 용접 자동화를 통해 용접 작업 생산성 및 작업 여건을 개선할 수 있는 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치 및 그 운용 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치는, 선박의 곡블록 내부재 용접을 자동으로 수행하기 위한 장치로서, 작업 대상물의 바닥면에 고정되어 장치가 용접을 수행할 수 있도록 해주는 베이스 플랫폼과; 작업 구간 내 용접을 위한 각 부재들의 기울기 및 배치 상태를 계측할 수 있는 센서부와; 상기 베이스 플랫폼에 장착되어 장치 측방에 위치한 각 부재들과 로봇 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부에서 계측된 장치 측방에 위치한 각 부재들의 기울기에 상응하여 로봇의 자세를 조정할 수 있는 틸팅 프레임부와; 상기 틸팅 프레임부에 장착되어 장치 전방에 위치한 각 부재들과 로봇 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부에서 계측된 장치 전방에 위치한 각 부재들의 배치 상태에 상응하여 각 부재의 수직/수평 기울기가 서로 다른 적용 구간에 따른 로봇의 작업 반경을 보정할 수 있는 수평 구동부와; 상기 수평 구동부에 장착되어 용접을 수행하는 로봇을 포함하고, 상기 센서부는, 장치 측방에 위치한 각 부재의 기울기를 계측할 수 있도록 상기 베이스 플랫폼에 설치되는 기울기 센서와; 장치 전방에 위치한 각 부재의 수직/수평 기울기를 계측하여 부재의 배치 상태를 파악할 수 있도록 상기 베이스 플랫폼에 설치되는 다수의 거리 센서를 구비하고, 상기 거리 센서에 의해 계측된 부재의 배치 상태를 기반으로 파악된 부재의 기울기 관련 부재 배치 정보에 따라 베이스 플랫폼의 설치 위치를 표시해 주는 라인 레이저를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 베이스 플랫폼의 하부에는 온/오프 영구 자석이 설치될 수 있다.

또한, 상기 베이스 플랫폼을 장치 양측방에 위치한 각 부재의 중간 위치에 배치시킴과 아울러, 베이스 플랫폼과 각 부재 간 수평 기울기를 감지하여 상기 다수의 거리 센서에 의해 계측된 각 부재의 수직/수평 기울기와 연계하여 베이스 플랫폼과 각 부재 간 상대적인 위치 정보를 획득할 수 있도록 상기 틸팅 프레임부의 양측면에 각각 설치되는 한 쌍의 거리 센서를 더 구비할 수 있다.

삭제

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치는, 선박의 곡블록 내부재 용접을 자동으로 수행하기 위한 장치로서, 작업 대상물의 바닥면에 고정되어 장치가 용접을 수행할 수 있도록 해주는 베이스 플랫폼과; 작업 구간 내 용접을 위한 각 부재들의 기울기 및 배치 상태를 계측할 수 있는 센서부와; 상기 베이스 플랫폼에 장착되어 장치 측방에 위치한 각 부재들과 로봇 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부에서 계측된 장치 측방에 위치한 각 부재들의 기울기에 상응하여 로봇의 자세를 조정할 수 있는 틸팅 프레임부와; 상기 틸팅 프레임부에 장착되어 장치 전방에 위치한 각 부재들과 로봇 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부에서 계측된 장치 전방에 위치한 각 부재들의 배치 상태에 상응하여 각 부재의 수직/수평 기울기가 서로 다른 적용 구간에 따른 로봇의 작업 반경을 보정할 수 있는 수평 구동부와; 상기 수평 구동부에 장착되어 용접을 수행하는 로봇을 포함하고, 상기 로봇은 다자유도를 갖는 다축 로봇으로 구성되며, 끝단부에는 용접부 티칭 시간 감소를 위해 용접 라인 및 갭 정보를 포함한 작업 대상물의 상태를 신속하게 정밀 센싱할 수 있도록 2차원 센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 운용 방법은, 작업 대상물에 T-bar 론지 부재와 프레임 부재를 포함한 부재들을 용접하기 위한 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 운용 방법으로서, 작업 구간 내 용접을 위한 대상 부재들의 두께 및 이격 거리를 포함한 설계 정보를 입력하는 단계와; T-bar 론지 부재와 프레임 부재를 포함한 부재들의 수직/수평 기울기를 감지하는 단계와; 용접 자동화 장치와 부재들 간의 이격 거리를 감지하여 대상 부재 형상 정보를 획득하는 단계와; 2차원 센서를 이용하여 대상 부재 정밀 형상 정보를 획득하는 단계와; 정밀 형상 정보를 기반으로 용접 작업을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 용접 자동화 장치의 적용이 불가능했던 다양하고 복잡한 곡블록 U-cell 구간 내부재의 기울기 및 배치 상태를 빠르고 정밀하게 계측하고 이에 기초하여 자동으로 용접을 수행함으로써 용접 작업 생산성 및 작업 여건을 크게 향상시킬 수 있다.

도 1은 곡블록 U-cell 용접 구간을 보여주는 사진.
도 2는 곡블록 U-cell 구간 수동 용접을 보여주는 사진.
도 3은 평블록 U-cell 구간 자동 용접을 보여주는 사진.
도 4는 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 사용 상태도.
도 6~9는 본 발명에 따른 틸팅 프레임부의 사용 상태도.
도 10은 본 발명에 따른 베이스 플랫폼에 설치된 거리 센서의 사용 상태도.
도 11은 본 발명에 따른 라인 레이저의 사용 상태도.
도 12는 본 발명에 따른 틸팅 프레임부의 양측면에 설치된 거리 센서의 사용 상태도.
도 13~14는 본 발명에 따른 수평 구동부의 사용 상태도.
도 15는 본 발명에 따른 2차원 센서의 사용 상태도.
도 16은 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 운용 방법을 설명하는 흐름도.
도 17은 다수의 거리 센서를 이용하여 장치 전방에 위치한 프레임 부재의 수직/수평 기울기를 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 18은 한 쌍의 거리 센서를 이용하여 베이스 플랫폼 기준 T-bar 론지 부재의 수평 기울기를 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 개념도, 도 5~8은 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 사용 상태도, 도 9는 본 발명에 따른 틸팅 프레임부의 사용 상태도, 도 10은 본 발명에 따른 베이스 플랫폼에 설치된 거리 센서의 사용 상태도, 도 11은 본 발명에 따른 라인 레이저의 사용 상태도, 도 12는 본 발명에 따른 틸팅 프레임부의 양측면에 설치된 거리 센서의 사용 상태도, 도 13~14는 본 발명에 따른 수평 구동부의 사용 상태도, 도 15는 본 발명에 따른 2차원 센서의 사용 상태도이다.

본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치은 곡블록 U-cell 구간에 대한 용접 자동화를 통해 용접 작업 생산성 및 작업 여건을 크게 개선시킬 수 있도록 구성된 것을 그 기술적 요지로 한다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치 및 그 운용 방법(100)는, 선박의 곡블록 내부재에 대한 용접을 자동으로 수행하기 위한 장치로서, 크게 베이스 플랫폼(110), 센서부(120), 틸팅 프레임부(130), 수평 구동부(140) 및 로봇(150)을 포함하여 이루어진다.

상기 베이스 플랫폼(110)은 작업 대상물(10)의 바닥면에 고정되어 장치(100)가 용접을 원활하게 수행할 수 있도록 해주는 역할을 수행한다. 이때, 상기 베이스 플랫폼(110)의 하부에는 작업 대상물(10)의 바닥면에 보다 편리하게 고정시키거나 분리시키기 위하여 자력을 온/오프(ON/OFF)시킬 수 있는 영구 자석(111)이 설치될 수 있다.

상기 센서부(120)는 작업 구간 내 용접을 위한 각 부재들(20,30) 즉, 장치 측방에 위치하는 T-bar 론지 부재(20)나 장치 전방에 위치하는 프레임 부재(30) 등의 기울기 및 배치 상태를 계측한다.

구체적으로, 상기 센서부(120)는, 상기 베이스 플랫폼(110)에 설치되는 기울기 센서(121)와 다수의 거리 센서(122), 그리고 상기 틸팅 프레임부(130)의 양측면에 각각 설치되는 한 쌍의 거리 센서(123)를 구비할 수 있다.

상기 기울기 센서(121)는 장치 측방에 위치하는 부재인 T-bar 론지 부재(20)의 기울기를 계측한다.

상기 기울기 센서(121)의 작용을 설명하자면, 도 6-9에 도시한 바와 같이, 기울기 센서(121)가 T-bar 론지 부재(20)의 기울기를 계측하면 작업 대상물(10)의 바닥면 기준으로 T-bar 론지 부재(10)의 기울기만큼 틸팅 프레임부(130)의 구동부가 작동하여 T-bar 론지 부재(20)의 기울기에 따라 자동으로 로봇(150)의 자세를 바꿔주어 작업 구간으로의 장치 설치 시 및 작업 시 로봇(150)이 좌/우 T-bar 론지 부재(20)와 충돌 및 간섭이 발생하지 않도록 해주게 된다.

상기 다수의 거리 센서(122)는 상하 2쌍이 설치될 수 있는데 장치 전방에 위치하는 부재인 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기를 계측하여 부재의 배치 상태를 파악한다.

상기 다수의 거리 센서(122)의 작용을 설명하자면, 도 10에 도시한 바와 같이, 다수의 거리 센서(122)가 장치 전방에 위치하는 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기를 감지하여 부재의 배치 정보를 파악할 수 있으므로 각 작업 구간마다 배치가 다른 곡블록 형상에 따른 대처가 가능하다. 예를 들면, 다수의 거리 센서(122)가 상하 2쌍 설치된 경우 셋팅된 베이스 플랫폼(110) 기준으로 2쌍의 거리 센서(122)에 의해 장치 전방의 프레임 부재(30) 간 거리가 계측되어 2개의 직선이 도출되고, 이를 통해 3차원 면의 형상을 만들어 낼 수 있으므로, 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기 정보를 얻을 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 거리 센서(122)에 의해 계측된 부재의 배치 상태를 기반으로 파악된 부재의 기울기 관련 부재 배치 정보에 따라 베이스 플랫폼(110)의 설치 위치를 표시해 주는 라인 레이저(160)를 더 구비할 수 있다.

상기 라인 레이저(160)의 작용을 설명하자면, 도 11에 도시한 바와 같이, 라인 레이저 틸팅 구동부에 의해 자동으로 설치 위치를 표시해 주게 되어 작업자가 간편하게 장치를 지정된 위치로 이동시킬 수 있다.

상기 한 쌍의 거리 센서(123)는, 도 12에 도시한 바와 같이, 상기 베이스 플랫폼(110)을 장치 양측방에 위치한 각 부재인 T-bar 론지 부재(20)의 중간 위치에 배치시킴과 아울러, 베이스 플랫폼(110)과 각 부재 간 수평 기울기를 감지하여 상기 다수의 거리 센서(122)에 의해 계측된 각 부재의 수직/수평 기울기와 연계하여 베이스 플랫폼(110)과 주변 U-cell 부재인 각 부재 간 상대적인 위치 정보를 획득할 수 있다. 이를 통해 장치(100) 셋팅과 동시에 장치와 작업 대상물 간의 1차 티칭(형상 인식) 작업이 이루어지게 된다.

상기 틸팅 프레임부(130)는 상기 베이스 플랫폼(110)에 장착되는데, 장치(100)의 측방에 위치하는 각 부재들과 로봇(150) 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부(120)에서 계측된 장치 측방(100)에 위치하는 각 부재들(20,30)의 기울기에 상응하여 로봇(150)의 자세를 조정하는 역할을 수행한다.

상기 수평 구동부(140)는 상기 틸팅 프레임부(130)에 직교하여 작업 대상물(10)의 길이 방향으로 랙 & 피니언 구조로 구동하도록 장착되는데, 장치(100)의 전방에 위치하는 각 부재들(20,30)과 로봇(150) 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부(120)에서 계측된 장치(100)의 전방에 위치하는 각 부재들(20,30)의 배치 상태에 상응하여 각 부재의 수직/수평 기울기가 서로 다른 적용 구간에 따른 로봇(150)의 작업 반경을 보정하는 역할을 수행한다.

즉, 용접 라인이 길이 방향으로 같은 평블록과 달리 곡블록은 각 부재 간 기울기에 따라 장치(100)의 길이 방향으로 가까워질 수도 있고 멀어질 수도 있다. 이에 반해, 용접을 수행하는 로봇(150)은 양측의 T-bar 론지 부재(20) 사이에서 간섭 및 충돌없이 용접 작업을 수행함에 따라 소형화되어야 하기 때문에 작업 반경이 넓지 못하다. 따라서, 도 10에 도시한 바와 같이, 수평 구동부(140)가 로봇(150)과 연동되어 로봇(150)의 작업 반경을 확장시켜 주는 역할을 수행하게 되는 것이다.

상기 로봇(150)은 상기 수평 구동부(140)에 장착되어 용접을 수행하는데, 전 자세 용접이 가능해야 하므로 다자유도를 갖는 다축 로봇으로 구성될 수 있다. 이때, 상기 로봇(150)의 끝단부에는 용접부 티칭 시간 감소를 위해 용접 라인 및 갭 정보를 포함한 작업 대상물의 상태를 신속하게 정밀 센싱할 수 있도록 2차원 센서(151)가 설치될 수 있다.

즉, 베이스 플랫폼(110)의 셋팅 시 장치 전/후, 좌/우 방향에 구비된 거리 센서(122,123)에 의해 베이스 플랫폼(110) 기준으로 T-bar 론지 부재(20)의 기울기 및 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기, 그리고 거리 정보가 획득되므로, 도 15에 도시한 바와 같이, 이 정보를 기준으로 로봇(150)이 실제로 작업할 용접 라인과 어느 정도 이격된 상태로 용접 라인을 따라 1회 구동하게 되면 로봇(150)의 이동 위치와 함께 용접 라인의 각 부재간 개선각 및 갭과 같은 2D 센서의 2차원 정보가 실시간으로 조합되어 정밀한 형상 정보를 얻을 수 있게 된다. 따라서, 기존 터치 센서를 이용하여 부재 형상 부근에서 일일이 티칭하는 시간을 획기적으로 줄일 수 있게 되어 작업 효율성을 높일 수 있다.

도 16은 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 운용 방법을 설명하는 흐름도, 도 17은 다수의 거리 센서를 이용하여 장치 전방에 위치한 프레임 부재의 수직/수평 기울기를 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면, 도 18은 한 쌍의 거리 센서를 이용하여 베이스 플랫폼 기준 T-bar 론지 부재의 수평 기울기를 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 16~18을 참조하여 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 운용 방법을 설명하기로 한다.

참고적으로, 곡블록의 경우 모든 작업 구간마다 작업 부재들의 취부 상태가 다르기 때문에, 설계 데이터를 해당 작업 구간에 매칭시키는 것이 불가능하므로 각 부재들의 배치 형태에 대한 실시간 형상 인식 작업이 필요하다. 즉, 장치(100)가 곡블록 내부재를 용접하기 위해서는 1차적으로 용접할 용접 구간에서 부재들의 두께 및 이격 거리 정보, Collar plate 및 scallop, slot hole 등의 배치가 어떻게 구성되어 있는지를 알아야만 하는 것이다. 또한, 용접 장치(100) 기준으로 T-bar 론지 부재(20)의 수직/수평 기울기, 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기 및 장치와의 이격 거리 등에 대한 정보가 필요하다. 더욱이, 곡블록 특성 상 용접 부위의 갭 정도 및 개선 처리 여부도 파악이 되어야만 불량 없이 용접이 가능하다.

이러한 복잡한 형상 인식 과정을 빠르고 효율적으로 수행하기 위해서 본 발명에 따른 용접 자동화 장치의 운용 방법에서는 장치 설치 시에 1차 형상 인식 작업을 동시에 수행하고, 장치 설치 후 2차 정밀 형상 인식을 수행하는 방법을 제시한다.

도 16을 참조하면, 먼저 용접 자동화 장치(100)에 구비된 터치 패널 등의 입력 장치(미도시)를 이용하여 작업 구간 내 용접을 위한 대상 부재들 즉, 장치 측방에 위치하는 T-bar 론지 부재(20)나 장치 전방에 위치하는 프레임 부재(30) 등의 두께 및 이격 거리를 포함한 설계 정보를 입력한다(S110).

그 다음에, 베이스 플랫폼(110)을 T-bar 론지 부재(20)의 페이스부상에 올려놓은 후, 베이스 플랫폼(110)에 설치된 기울기 센서(121)를 이용하여 T-bar 론지 부재(20)의 수평 기울기를 감지한다(S120,S130).

그 다음에, 상기 감지된 T-bar 론지 부재(20)의 수평 기울기에 기초하여 장치 측방에 위치한 T-bar 론지 부재(20)에 간섭되거나 충돌되지 않도록 베이스 플랫폼(110)을 두개의 T-bar 론지 부재(20) 사이에 설치한다(S140).

그 다음에, 베이스 플랫폼(110)에 설치된 다수의 거리 센서(122)를 이용하여 장치 전방에 위치한 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기를 감지한다(S150).

그 다음에, 상기 감지된 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기에 따라 프레임 부재(30)에 간섭되거나 충돌되지 않도록 하기 위해 프레임 부재(30)의 배치 상태를 기반으로 라인 레이저(160)에서 표시한 위치에 베이스 플랫폼(110)을 설치한다(S160).

그 다음에, 기울기 센서(121), 거리 센서(122,123)을 이용하여 T-bar 론지 부재(20)의 수평 기울기, T-bar 론지 부재(20)와 장치간 이격 거리, 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기, 프레임 부재(30)와 장치간 이격 거리를 감지하여 대상 부재 형상 정보를 획득한다(S170). 이 단계는 1차로 대상 부재 형상 정보를 인식하는 1차 티칭 단계로서 용접 장치 기준으로 T-bar 론지 부재(20)의 수평 기울기, T-bar 론지 부재(20)와의 이격 거리, 프레임 부재(30)와의 거리 및 수직/수평 기울기에 대한 정보가 조합되어 3차원 형상 정보를 획득하는 단계이다.

부연 설명하자면, 우선, 베이스 플랫폼(110)을 작업 대상물(10)에 설치 시 T-bar 론지 부재(20)의 기울기로 인해 장치(100)가 간섭이 발생할 수 있으므로, 베이스 플랫폼(110)을 T-bar 론지 부재(20)의 페이스부에 올려놓는 방법으로 베이스 플랫폼(110)의 후면부에 구비된 기울기 센서(121)를 통해 T-bar 론지 부재(20)의 기울기 정보를 간단히 획득할 수 있으며, 이를 통해 틸팅 프레임부(130)가 자동으로 틸팅되므로 베이스 플랫폼(110)을 2개의 T-bar 론지 부재(20) 사이에 설치하는 것이 간편해진다.

그리고, 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기는 장치(100)의 작업 영역(workspace)에 직접적인 영향을 주는 요소로, 프레임 부재(30)의 기울기에 따라 베이스 플랫폼(110)의 설치 위치를 적정하게 맞춰주는 작업이 필요하다. 이는 베이스 플랫폼(110)의 전면부에 설치된 다수 개의 센서(122)로 감지가 가능하다. 즉, 변위 센서인 다수 개의 센서(122)를 통해 프레임 부재(30) 간 거리가 산출되어 다수개의 3차원 좌표점이 생성되고, 이를 통해 최소 2개 이상의 직선이 도출된다.

따라서, 이 직선들간의 기울기를 통해 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기가 산출이 가능하다. 도 17을 참조하여 설명하면, 4개의 센서(122)에 의해 프레임 부재 상에 P₁~P₄의 좌표 데이터가 형성되고, L₁~L₄로 명시된 직선이 3차원 공간상으로 도출된다. L₃ 혹은 L₄로 명시된 직선의 수직 기울기가 프레임 부재(30)의 수직 기울기가 되며, L₁ 혹은 L₂로 명시된 직선의 수평 기울기가 프레임 부재(30)의 수평 기울기가 되는 것이다.

프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기를 기반으로 베이스 플랫폼(110)의 전면부에 구비된 라인 레이저(160)가 자동으로 설치 위치를 표시해 주게 되고, 작업자가 표시된 위치 근방으로 베이스 플랫폼(110)을 이동시켜주면 된다.

베이스 플랫폼(110)의 이동이 완료되면, 이동된 최종 위치를 기준으로 틸팅 프레임부(130)에 설치된 변위 센서인 2쌍의 거리 센서(123) 및 베이스 플랫폼(110)에 설치된 거리 센서들(122)에 의해 개략적인 3차원 형상 정보를 획득할 수 있다. 즉, 틸팅 프레임부(130)에 구비된 2쌍의 거리 센서(123)는 장치와 장치 좌/우의 T-bar 론지 부재(20) 간 변위를 각각 감지하여 1개씩의 직선이 산출되고, 이 직선의 기울기로 장치와 T-bar 론지 부재(20) 간 수평 기울기가 산출된다. 또한, 2쌍의 거리 센서(123)에 의해 장치(100)가 T-bar 론지 부재(20) 사이의 어느 위치에 설치되어 있는지도 감지할 수 있게 된다.

도 18을 참조하여 설명하면, 틸팅 프레임부(130)의 좌/우 양측에 있는 거리 센서(123)에 의해 T-bar 론지 부재(20)에 각각 P₅~P₈의 좌표점이 생기고, 이들은 각각 L₅, L₆으로 명시된 직선을 만들어내게 된다. 따라서, L₅ 및 L₆ 직선의 수평 기울기가 베이스 플랫폼(110) 기준 T-bar 론지 부재(20)의 수평 기울기가 되는 것이다.

베이스 플랫폼(110)의 전면부에 설치된 다수개의 거리 센서(122)는 베이스 플랫폼(110)의 설치를 위해 수행되었던 방법과 동일하게 프레임 부재(30)의 수직/수평 기울기 및 이격 거리를 다시 한번 계측하여 장치(100)의 최종 위치에서의 각 부재 간 정보를 업데이트하게 된다.

이들 센서(122,123)들을 통해 작업 대상 부재(20,30)들의 3차원 형상을 장치 설치 시 인식할 수 있게 된다. 특히, 2차 정밀 티칭 작업을 수행하므로, 1차 티칭 단계에서는 정밀한 부재 형상 정보를 획득할 필요 없이, 약간의 오차가 있는 개략적인 형상 정보만을 획득해도 되므로, 장치 설치 시간을 줄이면서도 장치 설치와 동시에 작업 부재에 대한 3차원 형상 정보도 획득할 수 있게 된다.

이후, 베이스 플랫폼(110)의 설치가 완료되면 수평 구동부(140)에 실제 용접 작업을 수행하는 로봇(150)을 탑재한다(S180).

그 다음에, 로봇(150)에 설치된 2차원 센서(151)를 이용하여 대상 부재 정밀 형상 정보를 획득한 후, 획득한 정밀 형상 정보를 기반으로 용접 작업을 수행한다(S190,S200).

부연 설명하자면, 베이스 플랫폼(110)의 설치가 완료되면, 실제 작업을 수행할 용접 로봇(150)이 탑재되며, 용접 로봇(150)의 끝단부에 구비된 변위 센서인 2차원 센서(151)에 의해 2차 정밀 티칭이 수행된다. 2차 정밀 티칭은 작업자가 터치 패널상의 아이콘 중에서 미리 선택한 collar plate, slot hole, scallop의 배치 방식 및 작업 부재의 두께 정보 및 1차 티칭에 의해 획득된 3차원 부재 정보를 기반으로 산출된 실제 용접 라인을 기준으로 빠르고 간단하게 수행된다.

즉, 용접 로봇(150)의 끝단부에 설치된 2차원 센서(151)는 접촉식이 아니라 대상체에 일정 거리 이격된 거리에서 2차원 정보를 획득할 수 있는 형태이기 때문에, 3차원 형상 정보가 어느 정도 오차가 있더라도 로봇 끝단부 기준으로 부재 형태 및 부재간 갭 상태를 더욱 더 정밀하게 인식할 수 있게 된다. 또한, 작업 부재를 일일이 인식할 필요 없이, 실제 용접할 용접 라인만 따라서 용접 로봇(150)이 이동하면서 2차원 형상 정보를 획득하기 때문에 티칭 시간이 기존 1차원 변위 센서 및 터치 센서에 비해 훨씬 빠르고 정밀하게 인식이 가능해진다.

이를 통해, 용접 로봇(150)이 이동한 로봇의 끝단부 위치 데이터와 2차원 센서(151)에서 획득한 2차원 형상 정보가 실시간으로 매칭되어 더욱 더 정밀한 작업 대상 부재의 3차원 형상 및 갭 정보를 획득할 수 있게 되며, 용접 로봇(150)은 획득한 정밀 형상 정보를 기반으로 자동으로 용접 작업을 수행할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치 및 그 운용 방법을 적용하게 되면, 다양하고 복잡한 곡블록 U-cell 구간 내부재의 기울기 및 배치 상태를 센싱하고, 이에 기초하여 각 부재들과의 간섭이나 충돌없이 자동으로 용접을 수행함으로써 용접 작업 생산성 및 작업 여건을 크게 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치 및 그 운용 방법을 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다

100 : 용접 자동화 장치 110 : 베이스 플랫폼
111 : 영구 자석 120 : 센서부
121 : 기울기 센서 122,123 : 거리 센서
130 : 틸팅 프레임부 131 : 틸팅 프레임 구동 모터
132 : 타이밍 벨트 & 풀리 133 : 틸팅 프레임 구동 샤프트
140 : 수평 구동부 141 : 수평 구동부 프레임
142 : 로봇 연결 브래킷 150 : 로봇
151 : 2차원 센서 160 : 라인 레이저
161 : 라인 레이저 틸팅 구동부

Claims

선박의 곡블록 내부재 용접을 자동으로 수행하기 위한 장치(100)로서,
작업 대상물의 바닥면에 고정되어 장치가 용접을 수행할 수 있도록 해주는 베이스 플랫폼(110)과;
작업 구간 내 용접을 위한 각 부재들의 기울기 및 배치 상태를 계측할 수 있는 센서부(120)와;
상기 베이스 플랫폼(110)에 장착되어 장치 측방에 위치한 각 부재들과 로봇(150) 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부(120)에서 계측된 장치 측방에 위치한 각 부재들의 기울기에 상응하여 로봇(150)의 자세를 조정할 수 있는 틸팅 프레임부(130)와;
상기 틸팅 프레임부(130)에 장착되어 장치 전방에 위치한 각 부재들과 로봇(150) 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부(120)에서 계측된 장치 전방에 위치한 각 부재들의 배치 상태에 상응하여 각 부재의 수직/수평 기울기가 서로 다른 적용 구간에 따른 로봇(150)의 작업 반경을 보정할 수 있는 수평 구동부(140)와;
상기 수평 구동부(140)에 장착되어 용접을 수행하는 로봇(150)을 포함하고,
상기 센서부(120)는,
장치 측방에 위치한 각 부재의 기울기를 계측할 수 있도록 상기 베이스 플랫폼(110)에 설치되는 기울기 센서(121)와;
장치 전방에 위치한 각 부재의 수직/수평 기울기를 계측하여 부재의 배치 상태를 파악할 수 있도록 상기 베이스 플랫폼(110)에 설치되는 다수의 거리 센서(122)를 구비하고,
상기 거리 센서(122)에 의해 계측된 부재의 배치 상태를 기반으로 파악된 부재의 기울기 관련 부재 배치 정보에 따라 베이스 플랫폼(110)의 설치 위치를 표시해 주는 라인 레이저(160)를 구비한 것을 특징으로 하는 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 베이스 플랫폼(110)의 하부에는 온/오프 영구 자석(111)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 베이스 플랫폼(110)을 장치 양측방에 위치한 각 부재의 중간 위치에 배치시킴과 아울러, 베이스 플랫폼(110)과 각 부재 간 수평 기울기를 감지하여 상기 다수의 거리 센서(122)에 의해 계측된 각 부재의 수직/수평 기울기와 연계하여 베이스 플랫폼(110)과 각 부재 간 상대적인 위치 정보를 획득할 수 있도록 상기 틸팅 프레임부(130)의 양측면에 각각 설치되는 한 쌍의 거리 센서(123)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치.
선박의 곡블록 내부재 용접을 자동으로 수행하기 위한 장치(100)로서,
작업 대상물의 바닥면에 고정되어 장치가 용접을 수행할 수 있도록 해주는 베이스 플랫폼(110)과;
작업 구간 내 용접을 위한 각 부재들의 기울기 및 배치 상태를 계측할 수 있는 센서부(120)와;
상기 베이스 플랫폼(110)에 장착되어 장치 측방에 위치한 각 부재들과 로봇(150) 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부(120)에서 계측된 장치 측방에 위치한 각 부재들의 기울기에 상응하여 로봇(150)의 자세를 조정할 수 있는 틸팅 프레임부(130)와;
상기 틸팅 프레임부(130)에 장착되어 장치 전방에 위치한 각 부재들과 로봇(150) 간의 간섭 및 충돌을 방지할 수 있도록 상기 센서부(120)에서 계측된 장치 전방에 위치한 각 부재들의 배치 상태에 상응하여 각 부재의 수직/수평 기울기가 서로 다른 적용 구간에 따른 로봇(150)의 작업 반경을 보정할 수 있는 수평 구동부(140)와;
상기 수평 구동부(140)에 장착되어 용접을 수행하는 로봇(150)을 포함하고,
상기 로봇(150)은 다자유도를 갖는 다축 로봇으로 구성되며,
끝단부에는 용접부 티칭 시간 감소를 위해 용접 라인 및 갭 정보를 포함한 작업 대상물의 상태를 신속하게 정밀 센싱할 수 있도록 2차원 센서(151)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치.
작업 대상물(10)에 T-bar 론지 부재(20)와 프레임 부재(30)를 포함한 부재들을 용접하기 위한 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치(100)의 운용 방법으로서,
작업 구간 내 용접을 위한 대상 부재들의 두께 및 이격 거리를 포함한 설계 정보를 입력하는 단계와;
T-bar 론지 부재(20)와 프레임 부재(30)를 포함한 부재들의 수직/수평 기울기를 감지하는 단계와;
용접 자동화 장치(100)와 부재들 간의 이격 거리를 감지하여 대상 부재 형상 정보를 획득하는 단계와;
2차원 센서(151)를 이용하여 대상 부재 정밀 형상 정보를 획득하는 단계와;
정밀 형상 정보를 기반으로 용접 작업을 수행하는 단계를 포함하는 선박의 곡블록 내부재 용접 자동화 장치의 운용 방법.