4 특집 : 용접자동화기술 조선에서의이중선체조립을위한소형용접로봇개발및적용 Developmen and Applicaion of mall ized Welding Robo for Double Hull hip rucure in hipbuilding Ji-Hyoung Lee Jae-Gwon Kim Jong-Jun Kim and Jong-Ryon Park 1. 서론 조선에서는선체블록조립을위한용접공정이많은부분을차지하고있으며시간과비용이많이투입되는중요한공정중의하나이다. 그러나용접작업이대부분대형블록속의밀폐공간이나협소한장소에서이루어질뿐만아니라 용접중에흄과스패터 분진등의발생으로인하여작업환경은열악하다. 그리고최근조선산업은작업자의고령화와숙련용접사의부족등에직면해있고각국조선사들과의경쟁이치열하게가속화되고있는실정이다. 이러한상황을극복하기위한방편으로써일반용접로봇이블록조립용으로많이사용되고있으나 주로오픈패널블록조립이나소조립분야에국한되어있다 3467). 특히이중선체블록조립에서는여태까지소개되어진용접로봇형태로서는적용이힘들다 15). 왜냐하면대형블록속으로용접로봇을투입하기힘들뿐만아니라 용접로봇은한정된동작범위내에서만움직이기때문이다. 이로인해이중선체블록내부에서자유롭게핸들링할수없고설치가어려운단점이있다. 이러한이유로로봇을대신할수있는고기능용접캐리지의적용은또하나의해법이될수있는데 2) 용접캐리지의이동성은용접로봇이제한된작업범위를가지는단점을극복할수있고 핸들링의편의성은대형블록속으로의투입을원활하게하고 또한고기능화는작업자의노고를덜어주는발판이될수있기때문이다. 본연구에서는조선에서의이중선체구조를가진블록내부에서작업자가쉽게로봇을이동할수있고 이중선체구조의특징인수평과수직용접부위를동시에용접할수있는캐리지형태의소형용접로봇 ( 이하 격자용접로봇 ) 을개발하였다. 제 2장에서는격자용접로봇의기구부설계와제어시스템을소개하고 제 3장에서는로봇용작업프로그램을자동으로생성하고 실시간으로로봇을제어할수있는운영소프트웨어를언급하고 제 4장에서는개발된시스템을실험을통하여성능을검증하고실블록의적용사례를소개한다. 2. 격자용접로봇의개발 2.1 이중선체블록 격자용접로봇이적용될작업부재는다음 Fig. 1과같이하나의큰블록 (block) 이며크기가 20m 20m 정도이다. 이블록의내부에는 Fig. 2와같이무수히많은셀 (cell) 로구성되어있으며 하나의셀에는용접부위가수직과수평으로이루어져있는것이특징이다. Fig. 3은여러가지형태의셀중에서대표적인것으로 종방향보강재 (longiudinal siffener) 의폭이 700-1100mm 정도이며 높이가 700-850mm 정도이다. 대부분하나의셀은수직필릿용접과수평필릿용접으로구성되어있다. 이러한셀은한블록당 120-160 개정도가있으며 오픈블록인경우에는갠트리에매달려있는용접로봇이단위셀내로투입되어용접을자동으로수행할수있다. 하지만 이중선체조립인 Fig. 1 Acual block of double hull srucure 436 Journal of KWJ Vol. 26 No. 5 Ocober 2008
조선에서의이중선체조립을위한소형용접로봇개발및적용 5 700 ~850mm Fig. 2 Inside cells of he block Weld linesz 개의직선운동과두개의회전운동축으로구성되어총 5축으로주행축 (ex0-axis) 회전축 (r1-axis;yaw) 전후진축 (d2-axis) 업다운축 (z3-axis) 그리고틸팅축 (4-axis;pich) 으로구성되어있다. 주행축을제외한모든축은단위셀에서의좌우측의수직용접부위를용접할수있도록동작범위가정해졌다. 주행축은베이스좌표계의 축과나란하게동작되어하나의여유축으로간주되고 이주행축은종방향보강재의폭이넓은경우에더욱효과적으로사용될수있다. 즉 주행축을제외한격자용접로봇의작업반경으로는셀의모든용접부위를감당할수없으므로 종방향보강재의폭이넓은경우및좌측수직용접부위에서우측수직용접부위로이동할때사용될수있도록주행축을구성하였다. 따라서하나의셀에격자용접로봇을한번셋팅으로좌우측두군데의수직용접과하나의수평용접을연속적으로용접할수있도록설계하였다. Table 1은격자용접로봇의구동방식과최대속 r1-axis 700~1100mm Fig. 3 Cell dimensions 경우에는이러한용접로봇을단위셀내부로투입할수없기때문에오픈블록과같은용접자동화를실현하기가어렵다. Fig. 4는대표적인셀의형태를나타낸다. 종방향부재에스캘럽 (scallop) 이있는경우와없는경우 그리고슬릿 (sli) 또는슬롯 (slo) 형태로구성된다. 따라서이러한부분에대해서로봇작업프로그램생성시에반드시고려되도록준비되어야한다. 그리고수직과수평용접은용접의각장 (leg lengh) 이다른경우도있다. 2.2 격자용접로봇의기구부개발된캐리지형태의용접로봇은 Fig. 5와같이세 Fig. 4 Typical cell ypes z3 -axis d2 -axis 4 -axis Z (Z) O A ex0 -axis Fig. 5 Concep of he robo and is coordinaes Table 1 Mechanical specificaion of he robo Iems Deail pecificaions Moor 200W 3000rpm ex0 axis peed 82466mm/min roke 2000mm Moor 100W 3000rpm r1 axis peed 10rpm(2Hz) roke 360deg. Moor 50W 3000rpm d2 axis peed 3000mm/min roke 160mm Moor 50W 3000rpm z3 axis peed 300rpm roke 490mm Moor 100W 3000rpm 4 axis peed 12.5rpm(2Hz) roke 360deg. Dimension mm 400(L) 220(W) 780(H) Weigh Toal 23kgf 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號 2008 年 10 月 437
6 도 그리고유효이동거리 (sroke) 를나타낸다. 격자용접로봇은전장이약 400mm 전폭이 220mm 높이는 780mm 가되도록설계하였다. 이러한치수는로봇몸체가셀내부에놓였을때 수직부및수평부의용접선에토치끝단이접근할수있는동작영역을고려하여선정하였다. 또한주행시에주판상에있을용접비드를넘어갈수있도록주행바퀴의반경을고려하였다. 2.3 제어시스템의구성격자용접로봇의제어시스템은크게전체시스템을관리하고모든시퀀스및모션계획을담당하는산업용컴퓨터 모터구동을위한서보드라이브 (servo drive) 로봇을조작하기위한교시조작반 (each pendan) 각종정보를표시하기위한 LCD 모니터 그외에용접기 터치센서 주변장치와의인터페이스장치로구성되어있다. 주제어기인산업용컴퓨터에는 5축의모션을제어하기위한모션보드 용접조건설정을위해용접기와의인터페이스를담당하는아날로그입출력보드 그리고각종디지털신호를처리하기위한디지털입출력보드로구성되어있다 (Fig. 6). 작업자가쉽게교시조 작반을핸들링할수있도록제어기와조작반사이에서정보교환은 CAN(conroller area nework) 통신을수행하여케이블수를줄였다. 그리고전원을껐다켰을때도로봇의축좌표를알수있도록절대치엔코더 (absolue encoder) 를사용하였다. 2.4 격자로봇의정 / 역기구학 로봇의끝단 (end effecor) 이이동해야할위치와자세는로봇작업프로그램 (job program) 에서주어진다. 이러한위치와자세로부터로봇의각축이구동되어야할값을찾는과정이역기구학 (inverse Kinemaics) 이다. 이와는반대의과정이정기구학 (forward Kinemaics) 이다. 각각의해는식 (1) 식 (2) 와같다. r1 = an d 2 = 1 z3 = Z + L sin( B) Z 4 = A ( ) 2 + 2 + L cos( B) + 여기서 는토치의길이를나타낸다. (1) Moion Board (5-axis) ------------ ync. Moion: 4 axes Ex. Moion: 1 axes PC-based Conroller(P4 1.7GHz) UB/CAN AD/DA Board DIO Board ------------- ------------- CAN Communicaion DA: 2 chs. AD: 1 chs. = ( d2 + L cos( 4) + = ( d2 + L cos( 4) + Z = z3 + L sin( 4) + Z A = 4. )sin( r1)) )cos( r1) (2) 3. 운용소프트웨어 Inelligen Welding Carriage -ype Robo Teach Pendan Welding Machine Touch ensing Uni 3.1 로봇명령어 Fig. 6 Configuraion of he conrol sysem 단위셀을용접하기위한작업프로그램은로봇명령 Table 2 Robo commands and is examples COMMAND M8[MOVE] : Absolue move M9[EN] : Touch sensing M10[WELD] : Absolue move & welding M60(MOVE) : Exernal axis move M72(WEAV) : Weaving mode UAGE M8[Targe coord][]z[]a[]b[]t[]f[speed] ex) M81020Z30A10B0T10F100 M9[]T[sorage able no]f[sensing speed] ex) M9036T99F100 M10[arge coord][]z[]a[]b[]t[]w[wp][sp]e[ep] F[welding speed] ex) M10100200Z300A45B 25W1010E10F350 M60[U axis arge coord]w[wp][sp]e[ep]f[welding speed] M72[] : 0 lef verical 1 horizonal 2 righ verical welding 438 Journal of KWJ Vol. 26 No. 5 Ocober 2008
조선에서의이중선체조립을위한소형용접로봇개발및적용 7 어의집합으로구성되어있다. Table 2는격자로봇의주요명령어와예를나타낸다. 3.2 작업프로그램생성용소프트웨어 [LV] [RV] 하나의로봇작업프로그램이만들어지는과정을 Fig. 7에서나타내고있다. 먼저작업하고자하는셀형태 (cell ype) 가정해지고나면 그셀에해당하는매크로형태 (MACRO TPE) 를간단하게정의한다. 원매크로정의 (primiive MACRO definiion) 에는셀의형태에따라다르게설정될수있도록매개변수 (parameer) 가내재되어있다. 그래서그셀에해당하는주요치수가입력되고나면 매크로내의변수에할당되어최종적으로하나의셀에대한로봇의작업프로그램이완성되게된다. Fig. 8은하나의셀형태 (cell ype) 에따른매크로를나타낸다. 그셀에해당하는매크로는스캘럽이있는경우와없는경우에따라서터치센서를이용한센싱방법이달라지고터치센싱완료후로봇좌표값이저장되는테이블 (TB) 번호도달라진다. 그리고같은수직상향용접이더라도각장에따라서그용접조건과위빙패턴이다르기때문에이것에대한정의가필요하다. 작업자가손쉽게로봇작업프로그램을생성할수있도록 GUI(graphic user inerface) 소프트웨어를개발하였다. Fig. 9에서나타낸봐와같이해당셀에대해서주요치수정보를입력하고작업프로그램생성버튼만클릭하면최종작업프로그램이생성될수있도록하였다. TB10 [TART] [L_READ] [L_EN] [LV] [L_READ] [LH] [CH] [RH] [R_READ] [R_EN] [RV] [R_READ] [END] [L_EN] [LH] [CH] [LV][RV] LL 7 9 11 [LH][CH][RH] LL 7 9 11 [R_EN] 10 20 30 LH 50 60 70 [RH] WP(AP) 번호 M 11 21 31 WP(AP) 번호 CH 51 61 71 TB20 12 22 32 RH Fig. 8 An example of MACRO and Paern number definiion Fig. 9 Developed sofware for auomaic job program generaion 52 62 72 Fig. 7 eps for robo s job program generaion 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號 2008 年 10 月 439
8 3.3 실시간작업처리및관리소프트웨어 격자로봇의운전은크게수동모드와자동모드로나누어진다. 수동운전모드에서는단순히조인트좌표계또는직교좌표계에서의조그동작과용접과관련된용접와이어송급동작을수행한다. 그러나자동모드에서는 Fig. 10에서와같이실시간작업모듈이실행된다. 즉 로봇의작업프로그램을읽어들여해석하는모듈 경로계획모듈 터치센싱처리모듈 그리고아크센싱처리모듈등이실시간으로처리된다. 작업프로그램해석기 (job program inerpreer) 는로봇의이동명령해석뿐만아니라위빙패턴 용접조건등을포함하는패턴파일 (paern files) 을읽고 구문해석을통하여각조건에알맞게설정한다. 터치센싱모듈 (ouch sensing module) 은용접선의특징점 ( 주로 용접시작점 ) 의실제부재위치정보와로봇작업프로그램이가지고있는위치정보의오차를보상해주는역할을수행하고 아크센싱모듈 (arc sensing module) 은용접중의용접선을정확히추적하기위해수행된다. Fig. 11은로봇제어를위한실시간처리를수행하 Fig. 10 Task modules for realime processing 고 로봇을쉽게운용하기위한운용소프트웨어로서 로봇의좌표값과각종디지털입출력신호모니터링 그리고작업프로그램의현재실행단계와실제용접전류모니터링을할수있다. 그리고이운용소프트웨어는앞에서기술된로봇의작업처리모듈을실시간으로처리하기위해 Windows P 의최상위우선순위 (prioriy) 를가지도록하였으며 샘플링시간 (sampling ime) 은 20msec이다. 4. 결과및고찰 Fig. 12는개발된컴퓨터기반제어기 교시조작반과용접기등을보여주고있다. 4.1 기능시험격자용접로봇의다양한기능을검증하기위해실제의시험블록을이용하였으며 검증된주요기능들은아래와같고결과는양호하였다. [ 수동 ] 로봇구동테스트실시 [ 수동 ] 로봇조그모션테스트실시 : 직교이동 / 조인트이동 [ 수동 ] 와이어인칭정 / 역테스트실시 [ 자동 ] 작업프로그램번역및구문체크기능 [ 자동 ] 용접조건자동설정기능 [ 자동 ] 경로계획및연동제어 [ 자동 ] 위빙및아크센서에의한경로수정기능 [ 자동 ] 터치센서기능 [ 자동 ] 아크센서기능 [ 자동 ] 끝단검출기능 [ 자동 ] 용접기캘리브레이션기능 : 용접조건설정과출력이동일함 [ 자동 ] 실제용접전류모니터링기능 4.2 용접선추적시험 본블록용접에앞서우선필릿조인터를가지는시험편에대해서용접선추적을위한아크센서성능테스 Fig. 11 Robo operaing sofware Fig. 12 Developed small sized robo is conroller and each pendan 440 Journal of KWJ Vol. 26 No. 5 Ocober 2008
조선에서의이중선체조립을위한소형용접로봇개발및적용 9 트를실시하였다. Fig. 13은수직상향용접시의추적결과를나타내고있다. 길이약 120mm에대해서시작부 () 에대해끝단부 (E) 의오프셋량을 축으로 10mm 축으로 -10mm 로두어추적시험을하였다. 그래프에서알수있듯이끝단부에서 축으로 -8mm 축으로 8mm 정도로추적성능이안전한범위에있음을알수있다. 수평하향필릿용접에대해서는 Fig. 14에보이는것과같은시험편에대해서길이약 200mm 에대해서시작부 () 에대해끝단부 (E) 의오프셋량을 축으로 - 10mm Z축으로 10mm로두어추적시험을하였다. 추적결과의그래프에서알수있듯이 끝단부에서 축으로 12mm Z축으로 -13mm 정도로양호한결과를나타내었다. Fig. 15 Phoography afer applicaion ino acual block 4.3 현장적용 Fig. 15는개발된소형용접로봇을생산현장에적용한예를나타내고있다. Fig. 16은용접후의용접비드외관사진을나타내고있다. 사진에서보는것과같이용접결과는외관상으로결함은나타나지않고양호하였다. Correcion amoun(mm) 12 8 4 0-4 -8 5. 결론 본논문에서는조선에서의이중선체구조를가진블록내부에서작업자가쉽게로봇을이동할수있고 이 Tracking es(verical welding:10-10) -12 50 60 69 78 87 97 106 115 125 134 143 152 162 171 Disance(mm Z-direcion) -direcion -direcion Fig. 13 Tracking resul in he verical welding Z O E Fig. 16 Weld appearance 중선체구조의특징인수평과수직용접부위를동시에용접할수있는격자용접로봇을개발하였으며 주요개발항목을요약하면다음과같다. 1) 로봇작업프로그램을주어진셀에대해주요치수만입력하면자동으로생성할수있는소프트웨어를개발하였으며 다양한셀의형태에대응할수있었다. 2) 개발된제어기는터치센서 아크센서등을탑재하여실제용접블록과작업프로그램의위치정보가다르더라도오차를보상하여우수한용접결과를얻었다. 3) 윈도우 P 기반에서최상위우선순위를갖는로봇관리소프트웨어를개발하여실시간작업들을원활하게처리하여여러가지기능들을문제없이잘처리하였다. 4) 개발된소형용접로봇은상업용용접로봇 ( 보통 100kgf 이상 ) 보다훨씬가볍고이동성이뛰어나현장적용에있어서우수한결과를얻었다. 참고문헌 Correcion amoun(mm) 15 10 5 0-5 -10 Tracking es(horizonal welding:-10z10) -15-100-84-68 -52-36 -20-4 12 28 43 59 75 91 Disance(mm -direcion) -direcion Z-direcion Fig. 14 Tracking resul in he horizonal welding Z O E 1. J.W. Kim e. al. Rail running mobile welding robo RR3 for double hull ship srucure Proc. of IFAC 08 July Korea (2008) 2.J.H. Lee J.C. Kim J.R. Park and J.G. Kim Technical rend of auomaic welding carriage buil by high echnology funcions HHI Engineering Review 27 (2) (2007) 82-89 (in Korean) 3..H. Kim e. al. A robo conroller developmen of a large-scale sysem for shipbuilding ICCA2005 June Korea (2005) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 5 號 2008 年 10 月 441
10 4. J.H. Lee C.. Kim and K.. Hong Off-line programming in he shipbuilding indusry: open archiecure and semi-auomaic approach In. J. of Conrol Auomaion and ysems 3 (1) (2005) 32-42 5. T. Miyazaki e. al. NC paining robo for shipbuilding Proc. Of ICCA 99 (1999) 6. T. Ogasawara K. Hashimoo M. Tabaa M. Komasu T. Hara and. Kanjo Applicaion of muli-robos conrol echnology o shipbuilding panels Journal of he Roboics ociey of Japan 16 (1) (1998) 46-47 7.. Okumoo Advanced welding robo sysem o ship hull assembly Journal of hip Producion 13 (2) (1997) 101-110 이지형 1968년생 용접로봇및센서시스템개발 e-mail : jihylee@hhi.co.kr 김재권 1969년생 용접자동화및제어시스템설계 e-mail : kim@hhi.co.kr 김종준 1971년생 용접자동화및제품설계 e-mail : jjkim@hhi.co.kr 박종연 1968년생 용접자동화및용접엔지니어링 e-mail : pakim@hhi.co.kr 442 Journal of KWJ Vol. 26 No. 5 Ocober 2008