2010 년도한국해양과학기술협의회공동학술대회 6 월 3 일 ( 목 )~4 일 ( 금 ) 제주국제컨벤션센터 선박블록의판접위치획득및조립제어를위한시스템개발 전정익 *, 이장현 ** 인하대학교대학원조선해양공학과 * 인하대학교기계공학부조선해양공학과 ** Abstract Alignment of the main plates during the tack welding is essential since the most of the curved blocks and outfitting parts are assembled on the jigs and fixtures. Tact welding of main plates is the initial process of the curved hull block assembly. Due to the heavy weight of the main plates it is difficult to locate the plate to the accurate position of the jig and fixtures before welding. The conventional masonry process requires much time and manual work in order to achieve the accurate alignment. This labour-intensive process results in relatively high errors and correction works. Due to their larger dimensions and heavier weights, these hull blocks are not ergonomically desirable and, therefore, various mechanical aid devices such as hydraulic balancers or hydraulic jigs are used for the plate alignment. In this study, The position-sensing scheme implemented by sensors is presented in order to align the main plates on the accurate position during the hull block assembly works. Integrating the Infra Red photo sensors and BRP sensors, a small scaled prototype of the position-sensing is developed to get the sophisticated control for alignments of the main plates. Keywords: Tack Welding, Infra red photo sensor, BRP sensor, Hull Block Assembly
1. 서론 조선소에서건조되고있는대부분의선박및해양구조물의선체는블록건조공법 (HBCM : Hull Block Cunstruction Method) 에의해생산되고있다.( 김수영 2009) 하지만최근조선산업은작업자의고령화와숙련작업자의부족등에직면해있고각국조선사들과의경쟁이치열하게가속화되고있는실정이다. ( 장태원 2004) 용접자동화로봇이블록조립용으로많이사용되어있으나, 주로오픈패널블록조립이나소조립분야에국한되어있다. ( 한용섭 ) 왜냐하면대형블록내부로용접로봇들을투입하기힘들뿐만아니라, 용접로봇은한정된동작범위내에서만움직이기때문이 다. ( 이지형 2008) 각조선소마다이들각공정의생산성을향상시키기위해조립공종인용접뿐만아니라여러자동화설비의효율성은각조 선소들이사용하고있는조립공법에따라차이를보이고있다.( 김정호 1996) 그러나선체블록조립및의장품조립에는중량물을정반및치공구상에정해진조립위치에정확하게일치시키기위한작업이필요하다. 이에따라선체블록생산의가장핵심작업공종인취부및취부를위한구조 부재의위치정렬은생산성향상뿐만아니라정확한품질의블록조립에핵심적인역할을하고있다. 곡외판을주어진곡면에따라높이를조절할수있는 Pipe 형태의 Pin Jig 위에서취부및용접이되는곡판판계는각작업블록마다곡면이다 르기때문에항상수작업에의해높이를조절하게되어있다. 블록조립과정에서주판위치정렬및부재블록의위치정렬은크레인등을이용하 여육안및중력추등을이용하여수행되고있으며정확한위치에부재를정렬시키는작업은현실적으로어렵다. 이러한이유로유압장비등을이용하여작업자가직접위치를정렬해야하므로그에따른작업의위험성, 작업시간증가등의문제를지니고있다. 특히선수, 선미블록은곡블록이주류를이루고있으며, 호퍼부분의취부도곡판조립으로시 작된다. 곡블록조립중, 중조립에서대조립으로작업이진행될때첫번째공정에주판의판계작업이있다. Fig. 1과같이곡블록대형조립을위해선밑판에대형주판을정렬하고그위에중조립공정에서조립된블록을접합하여대조립작업을진행한다. 이중작업의시간이오래걸리며난이도가높은작업이바로곡주판판계이다. 곡주판판계작업은고정정반위에올려진곡판을올린후판과판을정렬하고용접해하나의큰판으로 만들어나가는과정을말한다. Fig. 1 Schematic view of the curved block assembly on the pin jigs 곡주판의경우, 평판도마찬가지이지만, 운반이나기타외부충격에의해판이변형될수있으 며또한, 주판의생성시자체적으로오차가생길수있다. 이렇게벌어진판들을모아가접 (Tack welding) 을통해고정시켜야하는데, 이에필요한장비로탭피스가필요하다. 고정용구멍피스를비드를충분하게용착시키면서앞뒤로용접해준다. 그후고정을위한치공구인해치플러를핀지그와피스를결속함으로써주판의미끄러짐을방지해줘야한다. 이렇듯곡조판계작업의특징은시간이많이들고작업량이많은작업이며능숙한작업자가하지않으면매우위험한작업이다. 곡주판판계의작업순서는아래와같다.
1. 정반준비 (Jig Height) 작업 2. Ground Marking 작업 ( 좌표 ) 3. 주판올리기 Fig. 2 참조 4. 4 Corner부의중력추를사용, 좌표를정위치에맞춘다. 5. 판계작업 ( 판계위치에정렬 ) 6. 구속용치공구를이용한정밀판계. 7. 사상 Grinding작업 8. FAB (Flux Arc with Backing Material) 9. 내부재취부를위한 Marking Fig. 2 Curved plate arrangement. 판계작업순서중 4 번을보면네귀퉁이의부분에중력추를사용해 Ground Marking 이된부분에정위치를맞추는작업이있다. 이작업이수 행되기위해선 2ton 이상의레버블록이 3 개이상필요하다. 주판은약 2~3ton 의중량이므로, 각종공구를이용하여작업자가직접정렬을수행하고 있다. 이때문에정확한정렬이어렵고, 작업능률이낮은공정중하나로알려져있다. 기존의중력추를이용해정렬을하는방법을센서 Signal 로대체해네귀퉁이에센서가모두신호를받아작업자에게알려줘크레인으로주판의위치를제어하는방법이다. 위치가정렬되지않은주판을 미리조립하는것은그리어려운일이아니므로주판을먼저조립하고, 크레인인양을통해한번에위치를정렬하게되면레버블록을이용한위치를맞추는작업부분에서시간이단축되므로생산이효율적이게된다. Fig. 3 The existing plate assembly process Fig. 4 Plate assembly process used sensors 현재는중력추를이용하여정렬하고있으며육안관측에의존하여측정하기때문에정확한판계가어렵다. Fig. 5 은주판판계가이루어지기위 한업무의흐름도를나타낸다. 주판을조립한뒤에정렬한후수작업으로정확한위치로재정렬한다. 재정렬작업에는중력축을이용한다. Fig. 5 The existing plate assembly work flow Fig. 6 의흐름도에서알수있듯이추값정렬이된후에조립작업이진행된다. 따라서각주판의곡지점과정렬된위치를파악할수있는센서의정로를바탕으로 Crane 을이용한판계작업에정확한판계가이루어진다면효과적일수있다. Fig. 6 Plate assembly work supported by sensors.
중력추를대신하여일직선의신호를갖는센서를이용해위치를인식해알려준다면, 정렬오차가개선될수있다. 또한 SAW-FAB 를적용하여정렬작업이자동으로적용될수있을것으로생각된다. 이러한배경에서본연구에서는주판의정렬위치를판단할수있는센서 System 및 MCU(Micro Computer Unit) 을개발하였다. 점등되고부저가울리게되어주판의센서가설치된위치가정위치에정렬되었다는것을작업자가알수있게한다. 2. 센서를이용한개념정의 Fig. 7 The schematic configuration for sensors of 4 corners 조선블록의판계를위해우선판계장치를살펴보면 Fig.7 에도시된바와같이그구성은마킹된주판, 바닥을고정하기위해고정되어진핀지그, 주판을정렬하기위한크레인, 주판과바닥에부착되는센서이다. 여기서야드바닥에는설계도면에따라작업을하기위한주판의형태가마킹되고, 이렇게그라운드마킹된바닥의고정정반이정반 pin jig 배치도에따라높이가조절된다. 그리고크레인은센서를이용하여주판을바닥에마킹된위치와일치하도록정렬시키게된다. 센서는 Fig.8 에표현된것처럼광원을조사하는발광부와조사된광원을감지하는수광부로구성, 상기발광부와수광부는각각브라켓을구성하고있어주판이나바닥에고정가능하도록하였다. 수광부와발광부에는 LED 와부저가부착되어발광부에서받은신호를수광부에서감지하게되면 LED 가 Fig. 8 The concept of the sensors of 4 corners 3. Prototype 제작 앞장에서언급한구성에따라센서체계 Prototype 을직접제작하였다본절에서는 Prototype 의특징을설명하고자한다. 3.1 정렬위치파악법 크레인으로취부해야할주판이인양되어이동되고그라운드마킹되어위치가정해진센서가신호를기다리며대기한다. 센서와같이부착된 LCD 에는배의호선과블록넘버, 그리고생산공장의위치를표시한다. 1번부터 4번까지센서가입력신호를대기하고있으면판이그위치에서조정을기다린다. 각센서별로인식되어각각의 LED 에불이켜진다. 4개의센서에모든인식신호가들어가게되면 AND 논리에의해부저에서소리가나며 LED 는발광을하게되며작업자에게위
치정렬이되었음을알려준다. 작업자는이를인식하고주판을정반에안착한다. Fig. 9 Scenario of work flow supported by sensors 3.2 센서의선정 조선산업의특성상블록의크기가너무광범위하기때문에블록조립이나취부시정합의위치정보는광파기에의해획득하고있다. 또한광파기를이용하여위치를측정하는기본원리는레이저빛반사원리를활용한것으로서빛의직진성때문에지속적으로시야를확보할수있는경우에만선박조립과정에적용이가능하다. ( 이상돈 2009) 광파기에의한빛의직진성은블록조립의지연요인이되기도하지만센서에의한경우는다른요인이될수있다. 하지만수신호를받는센서는너무나도다양하고선정범위가광범위하다. 수신호의방식도다르고입력과출력을나타내는방식도다르기때문에이시스템에적용가능한센서를찾는것이중요했다. 수광발광을맞는센서는대게포토다이오드인 IR 센서를많이이용한다. 다양한전자제품에사용이이루어지는포토다이오드는빛을매개체로사용한다. 빛은전자파의일종인횡파이며파장 ( 주파수 ) 대역에있으며 IR 센서는장파장의영역인적외선의영역을이용한것이다. 모든물체는빛을받으면그빛을변화시키는반사, 산란, 투과현상을지니고있다. 즉, 투광기에서방사한적외선파장이물체에반사변화된파장을검출하여필요한신호로변화 시키는것이다. ( 이홍석 2007) 본연구에필요한센서는실과추를대신하여센서를이용하는것이기때문에직진성이강한신호를송출하는센서가필요하다. Fig.10 은 Sharp 사에서제공하는포토센서 PD410P1 이다. 검정이발광부이고빨강은수광부이다. PD410 시리즈는전자장비에선가장많이사용되는포토센서중하나로주로 TV 리모콘이나다른장치의원격조종을위해사용되는센서이다. 우측의그림은센서에반응하는공간을다이어그램으로표시한것이다. 시스템에필요한센서의신호특성은 Fig.11 와같다. Fig. 10 PD410P1 Sensors Appearance and receivable area diagram Fig. 11 The concept of sensor's signal Fig. 11 처럼중력추를이용한수동장비를센서장비로교체하는부분이기때문에신호는일직선상에가까워야한다. 하지만포토센서의반경범위는일직선이되지않고그림우측처럼타원형으로퍼져있다. 따라서일직선형신호를얻기위
하여실린더형금형을센서에부착하였다. Table 1 Specification of BRP200 전원전압 : 12~24V DC ±10% 소비전류 : 45mA 이하사용광원 : 적외 LED(850nm) 제어출력 : PNP 오픈보호회로 : 전원역접속보호회로 Fig. 12 The changed signal after equipped a cylinder 금형제작후적용결과신호의일직선성은타원형이라기보다는신호가절단된것을확인하였으나, 신호의인식범위가짧아지는단점이있기때문에적용할수는없었다. 그후적용한센서는 BRP200 포토센서이다. 센서의외형과반응범위의다이어그램은다음과같다. Fig. 13 BRP200 Sensors Appearance and receivable area diagram Fig. 14 BRP200's design drawing 타포토다이오드에비해센서의범위가직진화되어있다. 동작거리가 130mm 쯤될때에 l1의보폭이제일크긴하지만 5mm 가되지않는작은범위이기때문에실험에적합하다고판단했다. BRP200 의사양과형상은 Table 1 과 Fig. 14 에각각설명하였다.( 오토닉스 2008) 3.3 PCB(Printed Circuit Board) 의설계 Prototype 에적합한회로기판을만들기위한시스템구성요소를정의하여야한다. 앞서정의한작업시나리오에 LED 에점등이되고부저가울리는시스템을구성하기위한회로와 MCU 인 ATMega128 이운용하도록제작했다. ATMega128 은다양한응용회로를이용해원하는동작을명령하는 CPU 로서실시간위치피드백등에유용하게
사용하며다양한컨트롤시스템을통해널리이용되고있다. ATmega128 은프로그램메모리와내부데이터메모리를액세스하기위한버스를독립적으로사용하는하버드구조 (Harvard Achitecture) 와파이프라인처리방식을기반으로하는 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 언어기술을적용하여매우빠른명령처리속도를자랑한다. 또한 AVR 은플래시메모리기술을접목하여칩내에프로그램코드용플래시메모리를저장하고여기에사용자프로그램을다운로드할수있는 ISP(In_System Programing) 방식을적용하였다. 본 Prototype 제작에는메크로어셈블리어, C컴파일로는 Turbo C에서사용되는 WinAVR 을사용하였다. Fig. 15 Atmega128 CPU Board Fig. 16 PCB concept & Models DC어답터에 12V 의전원이공급되면파워스위치로전원의입출력을결정한다. 전원이들어오면 ATMEGA128이동작을하며 4개의 IR센서에명령을전달한다. MCU 의명령을받은센서들은신호에반응하기위해대기모드로감지물을측정한다. LCD 는해당하는배의호선과블록에들어가는블록넘버그리고조립이이루어지고있는공장위치를나타냄으로써작업자에게알려준다. 판이이동되어서모두인식이되면부저가울린다.
3.4 조립및제작 전체적인외관은 Fig. 17 과같이아크릴재료를사용했으며프로그램의경우는분할컴파일을사용함으로서 Prototype 의확장가능성을고려했다. 또한센서의교체가가능하도록센서의조인트부가들어갈수있는구멍을제작했다. Fig. 19 Sensor operation during alignment Fig. 17 Prototype Appearance Fig. 18 과같이 LCD 창에선호와블록명, 그리고생성되는장소의입력과센서의인식여부를컨트롤창에서확인할수있다. 주판으로정의한흰아크릴판이지나가면 Fig.19의그림과같이 LED 가불이켜지며동작신호를알려주며 4개가모두불이켜지면부저가동작해정렬을알려주도록했다. Control 을담당하는 Main CPU 와구성 kit 는 Fig. 20의 Function diagram 을따른다. Fig. 20 Main function of MCU 3.5 작동테스트및결과 Fig. 18 Appearance of Control box 3.5.1 센서부분이모두동작할경우 센서부분이모두동작할경우 LED 4개에모든전원이들어왔으며정해진신호에의해부저가울렸다. 센서내장에도 LED 가있긴하지만쉬운육안확인을위해겉부분에 LED 를 1개더추가시켰다. 내장 LED 와외장 LED 의점등신호차이가
좀있긴하지만정렬작동은이루어졌다. 을위해서는조립작업장의온도, 습도등환경을고려하여하드웨어를구성할필요는있을것이지만, 응용가능성은충분함을확인할수있었다. 후기 Fig. 21 Plate was arranged on position 3.5.2 센서부분이모두동작하지않을경우 주판이제위치에정렬하지않거나흔들릴경우센서의감지하지못하는부분이발생함으로써부저가울리지않는다. 그렇기때문에판계정렬이되었는지식별을할수없으므로다시맞춰줘야한다. 센서의인식거리는 15cm 로조정했으며이에벋어날경우도센서는동작하지않았다. Fig. 22 Plate wasn't arranged on position 본연구는과학재단특정기초연구 (R01-2009-0080880, 지능형 Data Interaction 정보를가진확장형선박 PALM 시스템 ) 의지원을받아수행된연구결과의일부이며, 연구지원에감사드립니다. 참고문헌 김근철, 권기대, 유병세, 정일구, 1987, 중소조선소선체조립부재및조립공정표준화연구 연구보고서, pp. 3-5 김수영, 신성철, 이동명, 박환석, 2009, 유전자알고리즘을이용한탑재블록위치제어에관한연구, 한국해양과학기술협의회공동학술대회, pp. 1532-1536 김정호, 유중돈, 김진오, 신정식, 김성권, 1996, 선박소조립공정용로봇자동교시시스템의구현, Journal of KWS, Vol.14, No. 2, pp.96-105 이상돈, 2009, 선박블록조립을위한센서기반원격모니터링, 한국콘텐츠학회논문지, Vol. 9, No. 1, pp.73-80 4. 결론 본연구에서는취부판계작업의정확성향상을위한센서를이용한판접위치확인시스템을제안하였다. MCU 의제어를통해조선소현장에서진행되는판계작업의적용가능성을실험하였으며, 위치인식의가능성을확인하였다. 실제적용 이지형, 김재권, 김종준, 박종연, 2008, 조선에서의이중선체조립을위한소형용접로봇개발및적용, Journal of KWJS, Vol. 26, No. 5, pp. 436-442 오토닉스 BR시리즈카달로그, 2008 이홍석, 이상준, 이모섭, 강원국, 2007 센서기술과인터페이스, pp. 12-14, 남두도서
장태원, 문종현, 윤동렬, 2004, 선박조립분야에있어고속용접현황및전망, Jounal of KWS, vol. 22, No. 6, pp. 14-18. 한용섭, 선체조립공법에따른용접자동화기술 ( 주 ) 대우중공업옥포조선소자동화연구실 pp. 45-60