KR20170129167A

KR20170129167A - 제1튜브 부재와 제2부재를 영구 접합하기 위한 용접 어셈블리

Info

Publication number: KR20170129167A
Application number: KR1020177027444A
Authority: KR
Inventors: 마틴 크리스토프 워너; 슈테펜 드라이바; 뵨 바이데만; 안드레 하멜
Original assignee: 프라운호퍼 게젤샤프트 쭈르 푀르데룽 데어 안겐반텐 포르슝 에. 베.; 우니베르지태트 로스톡
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: DK3277457T3; HRP20191595T1; KR102375359B1; EP3277457B1; PT3277457T; EP3277457A1; JP6698688B2; WO2016156039A1; ES2740149T3; CN107466260B; US10646967B2; US20180117717A1; CN107466260A; JP2018512283A; DE102015206044A1

Abstract

본 발명은 제1튜브 부재와 제2부재가 접촉하고 있는 2차원 또는 3차원 교차 곡선을 따라 이들 두 부재를 영구 접합하기 위한 용접 어셈블리에 관한 것으로, 상기 어셈블리는 교차 곡선으로부터 대향 이격된 제1부재의 튜브 단부 상에 착탈식으로 견고하게 결합되는 고정 어셈블리; 및 제1부재에 제공된 튜브의 종축선을 중심으로 피봇 가능하도록 고정 어셈블리에 간접 또는 직접 장착되고 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터 단부를 갖는 매니퓰레이터 유닛; 및 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터 단부에 부착되는 용접 툴을 포함하고, 고정 어셈블리는 그 단부가 제1부재의 튜브 단부 안으로 적어도 부분적으로 및 축선 방향으로 삽입될 수 있는 클램핑 모듈을 포함하며, 클램핑 모듈은 제1튜브 부재에 제공된 튜브 내벽뿐만 아니라 클램핑 모듈에 회전 가능하게 부착되는 캐리어 링 모듈에 착탈 가능하게 결합되도록 디자인되고, 클램핑 모듈이 결합된 상태에서 제1부재의 튜브 단부를 넘어서 축선 방향으로 연장되도록 구성되며, 캐리어 링 모듈이 튜브 종축선을 중심으로 회전 구동할 수 있도록 서보 모터와 작동 연결됨으로써 캐리어 링 모듈이 튜브 종축선을 중심으로 연속적으로 회전하도록 장착된다. 적어도 하나의 선형 프레임이 캐리어 링 모듈에 부착되며, 프레임은 액츄에이터에 의해 튜브 종축선에 대해 양방향으로 및 평행하게 이동될 수 있도록 장착된다. 매니퓰레이터 유닛은 수직 다관절 로봇 형태의 6축 개방형 기구학적 체인이며, 프레임의 일 단부에 부착되고, 제어 유닛, 전기 에너지 공급 유닛, 용접 와이어 및 프로세스 가스를 포함하는 용접 프로세스와 관련된 재료를 위한 적어도 하나의 저장 유닛 중 적어도 하나의 부재가 부착된 공급 모듈이 제공된다. 또한, 적어도 하나의 부재는 연결 라인을 통해 용접 툴에 연결되며, 공급 모듈은 튜브 종축선에 대한 용접 툴의 이동과 동시에 회전 운동을 수행하도록 회전 가능하게 장착되고, 이에 의해 튜브 종축선에 대해 용접 툴의 무한 회전을 허용하도록 구성된다. 공급 모듈은 용접 어셈블리와 개별적으로 형성된 지지 구조체 상의 캐리어 링 모듈과, 회전 고정된 방식으로 및 평면을 따라 자유롭게 위치설정 가능한 방식으로 연결된다.

Description

제1튜브 부재와 제2부재를 영구 접합하기 위한 용접 어셈블리

본 발명은 제1튜브 부재와 제2부재가 접촉하고 있는 2차원 또는 3차원 교차 곡선을 따라 이들 두 부재를 영구 접합하기 위한 용접 어셈블리에 관한 것으로, 상기 어셈블리는 교차 곡선으로부터 대향 이격된 제1부재의 튜브 단부 상에 착탈식으로 견고하게 결합되는 고정 어셈블리; 및 제1부재에 제공된 튜브의 종축선을 중심으로 피봇(pivot) 가능하도록 고정 어셈블리에 간접 또는 직접 장착되는 매니퓰레이터 유닛;을 포함하고, 상기 매니퓰레이터 유닛은 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터 단부 및 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터 단부에 부착되는 용접 툴을 구비한다.

재생 가능한 에너지원의 개발은 해상 풍력 터빈(offshore wind turbine)에 대한 필요성을 증가시켰으며, 이들은 자켓(jacket), 트리플(triples) 또는 삼각대(tripod)의 형태로 구성된 자원 절약형 기초 구조물에 의해 해저에 견고하게 접지되어야 하는데, 이들 모두는 구조용 스틸 재질식 연결 부재와 같은 교차형 튜브로 구성된 튜브 조인트(tube joint)를 구비한 구조용 스틸 재질식 튜브형 구조물인 것을 특징으로 한다. 다양한 기초 구조물의 유형에 따라 X, Y, K 및 이중-K 식의 다양한 튜브 조인트가 사용된다. 이러한 디자인에서, 튜브 조인트 커넥터(tube joint connector)는 연결 각도, 튜브 커넥터의 위치, 구조용 스틸 재질식 튜브의 두께 및 직경과 관련하여 매우 다양하게 구성되므로, 동일한 골조 구조 하에서도 매우 많은 수의 상이한 조인트 유형들이 사용될 수 있다 .

2개의 구조용 스틸 재질식 튜브를 연결할 때, 일반적으로 더 큰 직경을 가진 베이스 튜브(base tube)에 튜브 커넥터를 연결하도록 구성되는데, 중요한 부위에 대해서는 일반적으로 용접에 의해 접합이 수행되도록 구성된다. 이와 관련하여 용접 시임의 품질과 치수 공차에 있어서, 용접 시임(weld seam)을 정확하게 준비하는 한편, 2개의 부재를 2개의 부재가 서로 접촉하고 있는 3차원 교차 곡선을 따라 가능한 한 정확하게 접합하는 것이 매우 중요하다.

접합할 부재들의 크기와 무게가 크기 때문에, 용접 시임의 준비와 더불어 용접에 의해 튜브 조인트 커넥터를 결합하는 공정은 대부분 수동으로 수행되므로, 따라서 제조 기간이 길고 비효율적이며 소요 비용이 비싸다. 이러한 종류의 튜브 조인트를 제조하기 위해, 용접 로봇을 사용하는 것은 많은 수의 상이한 튜브 연결부들로 인해 의해 제약을 받는데, 이전에는 단일화된 범용의 자동 용접 어셈블리로는 이러한 작업을 수행할 수 없었기 때문이다.

이와 관련하여, 독일 특허 공개번호 DE 33 13 230 A1은 튜브 커넥터를 보다 큰 베이스 튜브 부재에 자동 용접하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있으며, 이때 베이스 튜브 부재는 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 한다. 튜브 부재를 베이스 튜브에 접합할 때, 튜브 커넥터의 종축선을 중심으로 회전 가능하도록 관절식으로 연결된 용접 아암 어셈블리를 구비한 고정 어셈블리가 튜브 커넥터에 부착되며, 이때 용접 아암 어셈블리도 양방향은 물론 튜브의 종축선을 중심으로 한 회전 방향으로 축선 방향 변위가 가능함으로써, 용접 툴이 3차원 교차 곡선을 따라 정확히 이동될 수 있도록 구성된다. 그러나, 공지된 소정 크기의 튜브 커넥터 부착용 용접 어셈블리가 제공되는 경우에는, 튜브 커넥터의 접합에 있어 제한을 받는데, 즉 베이스 튜브 부재에 튜브 커넥터를 접합시 양 부재의 튜브 축선이 서로에 대해 직각으로 배향되어야만 사용에 적합하다.

상기 공지된 장치는, 회전 가능하게 배치된 베이스 튜브 부재에 의해, 용접 공정이 항상 "하향 위치"에서 수행됨으로써, 가능한 가장 빠른 용접 속도 및 매우 높은 용접 품질이 달성될 수 있다는 장점을 갖는 반면, 단점으로는 접합할 튜브 부재의 취급시 부재의 크기와 중량에 의한 제한을 받는다는 것으로, 특히 해양 플랫폼의 제조시 취급되는 튜브 조인트들의 총중량이 30톤 이상인 경우, 튜브의 크기는 일반적으로 1 내지 3미터의 직경과 더불어 10미터의 길이를 갖도록 제한된다. 또한, 튜브 커넥터의 튜브 종축선이 베이스 튜브의 튜브 종축선에 대해 90°미만, 바람직하게는 45°미만의 각도로 정렬되는 튜브 각도 배열을 갖는 튜브 조인트의 경우에는 공간적 제약을 받는데, 왜냐하면 용접 툴은 반경 방향으로 돌출된 구조로 인해 용접할 튜브 커넥터의 튜브 종축선을 중심으로 360°회전할 수 없기 때문이다.

튜브의 종축선이 서로에 대해 직각으로 배향된 2개의 튜브 부재를 접합하기 위한 매우 유사한 용접 어셈블리가 다음의 문헌, 즉 EP 0060382 A1, EP 181 1047 A1, JP 60203370 A, DE 10 2009 043 021 B3, DE 30 05 153 A1 및 EP 013341 A1에 개시되어 있다.

독일 특허 공개번호 DE 10 2011 118 615 A1에는 베이스 튜브 부재를 따라 튜브 커넥터를 용접하기 위한 장치가 개시되어 있는데, 여기서는 튜브의 축선이 예각을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다. 양쪽의 튜브 부재를 3차원 교차 곡선을 따라 용접하기 위해, 선형 축상에서 양방향으로 변위 가능한 용접 로봇이 장착되어 있으나, 이 로봇은 교차 곡선의 부분적인 영역만 작업 가능하도록 구성된다. 따라서 용접이 완료되도록 하기 위해서는, 적어도 2개, 바람직하게는 3개의 용접 로봇이 서로 접합할 튜브 부재들 주위에 배치되어야 한다.

유럽 특허 공개번호 EP 2 311 595 A1에는 공통의 교차 곡선을 따라 2개의 작업물을 결합하기 위한 서브머지드 아크 용접 장치가 개시되어 있는데, 여기서는 용접 와이어 공급장치 및 제어기와 같은 용접 프로세스에 필요한 구성요소들을 함께 구비한 용접 장치가 플랫폼 상에 장착되며, 이 장치는 용접 툴이 회전하는 축선을 중심으로 용접 툴과 함께 회전 가능하게 배치됨으로써, 용접 시임의 전체 구간을 따라 용접을 완수할 수 있도록 구성된다. 그러나 이 장치는 튜브의 종축선이 서로 수직으로 배향된 두개의 튜브 부재를 용접하는데에만 적합하다.

전술한 용접 어셈블리와 유사한 용접 어셈블리가 유럽 특허 공개번호 EP 0 049 037 A1에 개시되어 있는데, 여기서는 튜브의 종축선이 서로 직교하는 두개의 튜브 부재 사이를 용접 결합할 수 있도록 구성된다. 상기 용접 어셈블리는 더 큰 직경을 갖는 튜브 부재에 대해 수직으로 배향된 더 작은 튜브 부재 상에 착탈 가능하게 고정 장착되고 튜브의 종축선을 중심으로 회전할 수 있게 구성된 한편, 수직으로 하강 가능한 용접 노즐이 두개의 튜브 부재 사이의 갭을 메울 수 있도록 용접 공정의 일부를 구성한다. 이 경우에도, 용접 공정을 수행하는데 필요한 모든 구성 요소들이 회전 가능하게 장착된 용접 어셈블리에 배치되도록 구성된다.

일본 특허 공개번호 JP 57195583A에는 수평 축선을 중심으로 회전 가능하게 장착된 메인 튜브에 튜브 커넥터를 용접하기 위한 용접 어셈블리가 개시되어 있다. 상기 용접 어셈블리는 튜브 커넥터의 단부에 고정되고 튜브 커넥터의 종축선을 중심으로 회전 가능하게 배치 가능한 용접 툴을 포함하는데, 이들은 용접 시임을 따라 용접 부위 위쪽의 수직 방향 위치에 영구적으로 유지되는 한편, 메인 튜브는 수평으로 정렬된 튜브의 종축선을 중심으로 회전하도록 구성된다.

본 발명의 목적은 제1튜브 부재와 제2튜브 부재가 접촉하고 있는 2차원 또는 3차원 교차 곡선을 따라 이들 두 부재를 영구 접합하기 위한 용접 어셈블리를 제공하는 것으로, 상기 어셈블리는 교차 곡선으로부터 대향 이격된 제1부재의 튜브 단부 상에 착탈식으로 견고하게 결합되는 고정 어셈블리; 및 제1부재에 제공된 튜브의 종축선을 중심으로 피봇(pivot) 가능하도록 고정 어셈블리에 간접 또는 직접 장착되는 매니퓰레이터 유닛;을 포함하고, 상기 매니퓰레이터 유닛은 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터 단부 및 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터 단부에 부착되는 용접 툴을 구비함으로써, 용접 어셈블리가 가능한 한 유연하고 컴팩트하며 가벼운 특성을 갖는 한편, 특히 접합할 부재들에 대해 별도의 지지체가 제공되지 않아도 현장에서 튜브 조인트를 제조하기 위한 용접 작업을 수행할 수 있도록 구성된다. 특히, 적어도 하나의 튜브 커넥터를 갖는 한편, 튜브 커넥터의 튜브의 종축선이 베이스 튜브 섹션의 튜브 종축선과 45°이하의 예각을 형성하고 있는 임의의 모든 종류의 튜브 조인트 배치에 대해서도 용접 가능해야 한다. 또한, 용접 어셈블리는 적어도 하나의 용접 툴이 튜브 커넥터의 튜브 종축선을 중심으로 적어도 360°회전 가능하도록 구성되어야 하며, 바람직하게는 튜브 종축선에 대해 무제한 회전 가능하도록 함으로써, 이에 따라 주변의 튜브 벽 영역과 충돌할 위험 없이 교차 곡선을 따라 중단되지 않으면서도 균질하고 완벽한 품질을 갖는 적어도 하나의 용접 시임을 생성할 수 있도록 구성된다. 또한, 튜브의 종축선에 대해 용접 툴을 무제한 회전시킴으로써, 수 센티미터까지의 두꺼운 두께를 갖는 한편, 이에 따라 큰 용접 시임 충전부(weld seam filling volume)를 갖는 벽까지도 용접 가능하도록 구성되어야 한다. 이와 관련하여, 용접 시임 충전부는 용접 시임으로부터 여러개의 단일 "용접 비드"로 완전히 채워져야 하며, 용접 시임을 지나가는 숫자에는 제한이 없다. 또한, 용접 어셈블리는 상이한 튜브 직경을 갖는 튜브 커넥터에 추가로 설치하지 않고도 착탈 가능하게 견고하게 부착될 수 있도록 구성되어야 한다.

본 발명의 목적에 대한 해결책은 청구항 제1항에 정의된다. 추가의 상세한 내용들은 도면을 참조하여 각각의 하위 청구항 및 상세한 설명란에 기재된다.

본 발명에 따른 청구항 제1항의 전제부에 기재된, 제1튜브 부재와 제2부재가 접촉하고 있는 2차원 또는 3차원 교차 곡선을 따라 이들 두 부재를 영구 접합하기 위한 용접 어셈블리는, 매니퓰레이터 유닛이 수직 다관절 로봇 형태의 6축 개방식 기구학적 체인(6-axis open kinematic chain)이고 프레임의 단부에 부착되는 것을 특징으로 한다. 또한 다음 구성 요소들, 즉 제어 유닛, 전기 에너지 공급 유닛, 용접 와이어 및 프로세스용 가스를 포함하는 용접 공정과 관련된 재료를 위한 적어도 하나의 저장 유닛 중 적어도 하나가 부착된 공급 모듈이 제공된다. 상술된 구성 요소들 중 적어도 하나는 연결 라인을 통해 용접 툴에 연결되고, 공급 모듈은 튜브 종축선을 중심으로 용접 툴의 이동과 동시에 회전 운동을 수행할 수 있도록 회전 가능하게 장착됨으로써, 튜브 종축선을 중심으로 용접 툴의 무한 회전을 허용하도록 구성된다. 공급 모듈은 적어도 하나의 평면을 따라 자유롭게 위치설정 가능하도록 다관절식으로, 용접 어셈블리와 별도로 구성된 지지 구조체에 부착되거나, 또는 캐리어 링 모듈(carrier ring module)에 연결되도록 구성될 수 있다.

"매니퓰레이터 유닛(manipulator unit)"이라는 용어는 관절들로 연결된 강체로 구성된 시스템을 제공하는 기구학적 체인을 의미하는 것으로 이해된다. 관절들은 상이한 자유도를 갖도록 구성될 수 있다. 관절들은 적어도 하나의 회전축을 갖는 회전운동식 관절로 구성되거나 또는 왕복운동식 관절로 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 용접 어셈블리의 기구학적 체인은 수직 다관절 로봇 형태의 6축 개방식 기구학적 체인으로 구현된다.

용접 어셈블리의 고정 어셈블리는 제1튜브 부재 상에서 전적으로 지지되도록 구성된다. 이 목적을 위해, 고정 어셈블리에 포함된 클램핑 모듈(clamping module)의 정면이 일측부가 개방된 제1튜브 부재에 축선 방향으로 삽입된다. 클램핑 모듈이 추후에 반경 방향으로 확대될 때, 고정 어셈블리는 축선 방향으로 회전에 의해 고정되는 비적극적 마찰식 잠김 연결부를 튜브 내벽에 형성한다. 따라서, 클램핑 모듈은 반경 방향으로 변위 가능한 마찰 부재들을 통해 제1튜브 부재의 튜브 내벽과 작동식으로 연결되며, 이때 개별 마찰 부재의 반경 방향 연장 이동은 다양하게 수행됨으로써, 마찰 부재들을 반경 방향으로 연장시키는 액추에이터에 의해 구동되는 레버 기구의 설계 및 치수에 따라 최대 1미터까지 서로 상이할 수 있는 튜브 내경을 갖는 튜브 부재들 상에 동일한 클램핑 모듈을 사용하여 고정시킬 수 있도록 구성된다.

바람직한 실시예에서, 고정 어셈블리는 기계적 에너지 저장 유닛을 구비하며, 이러한 저장 유닛은 액츄에이터 구동식 레버 기구에 의해 발생되는 반경 방향 작용 클램핑력을 생성하고, 긴 용접 공정 중에 발생할 수 있는 바와 같이 제1튜브 부재가 발열에 의해 반경 방향으로 팽창하는 경우, 마찰 부재들에는 반경 방향 클램핑력을 유지하기 위한 힘의 작용이 함께 동반됨으로써, 용접 어셈블리가 제1튜브 부재에 대하여 어떠한 경우라도 항상 견고하게 고정되도록 구성된다.

클램핑 모듈은 또한 지지 플랫폼(support platform)과 연결되고, 이들은 제1부재의 축선 방향 전방 튜브 단부 상에 직접 또는 간접적으로 지지되어 이동 가능하며, 제1부재에 대한 고정 어셈블리의 축선 방향 보강 구조를 제공하도록 구성된다. 지지 플랫폼은 또한 캐리어 링 모듈을 지지하는 역할을 하며, 이들은 지지 플랫폼에 대해 축선 방향으로 고정되는 한편 회전축을 중심으로 회전 가능하게 장착되는데, 이러한 회전축은 클램핑 모듈이 결합 상태에 있을 때 제1튜브 부재 내의 튜브 종축선과 일치하도록 구성된다.

캐리어 링 모듈이 지지 플랫폼에 대해 회전 가능하게 장착될 수 있게 하기 위해 캐리어 링 모듈은 바람직하게는, 축선 방향 회전에 의해 고정되도록 지지 플랫폼에 착탈식으로 견고하게 연결되고 캐리어 링에 대해 회전 가능하게 배치된 링 세그먼트(ring segment)를 갖는 적어도 하나의 캐리어 링(carrier ring)을 포함한다.구동 모터의 사용에 의해, 적어도 하나의 캐리어 링이 지지 플랫폼에 고정 연결된 링 세그먼트에 대해 회전 이동하는 것을 보장하는데, 이들 구동 모터는 캐리어 링에 고정 연결되고 기어 박스 기구를 통해 링 세그먼트와 결합되도록 구성된다.

캐리어 링 모듈의 적어도 하나의 캐리어 링은 모터에 의해 클램핑 모듈에 대해 회전 가능하도록 배치되고, 바람직하게는 원형 주변 림(circular peripheral rim)을 가지며, 이들 림에는 적어도 하나의 유지 장치가 부착되는 한편 선형 프레임과 결합됨으로써, 선형 프레임(linear frame)이 액추에이터에 의해 유지 장치에 대해 선형 축선을 따라 양방향으로 변위될 수 있도록 구성된다. 클램핑 모듈이 제1튜브 부재에 삽입된 경우, 선형 프레임의 선형 축선은 제1튜브 부재의 튜브 종축선에 평행하게 연장되며, 이 때 선형 프레임은 제1튜브 부재의 외벽으로부터 가능한 한 가장 작게 반경 방향으로 분리되도록 배치되는 것을 특징으로 한다. 이하에 설명되는 바와 같이, 선형 프레임의 액추에이터 구동은 운반된 모듈에 부착된 유지 장치와 결합된 전동식 스핀들 장치에 의해 보장되며, 이에 의해 선형 프레임의 양방향 변위를 제어된 방식으로 제공하도록 구성된다. 선형 프레임은 바람직하게는 트러스형 보강 구조를 가짐으로써, 매우 단단하며 따라서 매우 낮은 정적 처짐을 갖도록 구성된다. 선형 프레임은 길이가 최대 4미터일 수 있고, 그 일 단부상에 기구학적 체인 형태의, 특히 6축 수직 다관절 로봇 형태의 매니퓰레이터 유닛이 배치됨으로써, 기구학적 체인의 자유 단부에 부착된 용접 툴도 공간적 위치설정이 가능하도록 구성된다. 공간적으로 콤팩트한 구성을 갖는 다관절 로봇은 100kg 미만, 바람직하게는 약 60kg 미만의 자중을 가지며, 따라서 자유롭게 피봇 가능하고 공간적으로 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 다관절 로봇 및 여기에 부착된 용접 툴은 전부 튜브 커넥터 주위에서 튜브 커넥터의 외벽에 가능한 한 근접한 상태에서 완전 피봇될 수 있으며, 이들은 주위의 벽 부위과 충돌하지 않고 접합 동선을 따라 연속적인 용접 시임을 생성할 수 있도록 구성된다.

우선적으로, 용접 툴이 튜브 커넥터 내부에 고정적으로 부착된 클램핑 모듈을 중심으로 회전 가능하게 지지되도록 보장하고, 용접 툴이 튜브 커넥터의 튜브 축선을 중심으로 균일한 방향으로 여러번 회전함으로써 완전히 둘러싸인 용접 시임(다수의 용접 층으로 구성될 수 있음)을 중단 없이 생성하도록 하기 위해서는, 용접 툴 및 매니퓰레이터 유닛에 에너지와 재료를 지속적으로 공급하는 것이 중요하다. 이를 위해, 바람직한 실시예에서는 구조적으로 분리된 유닛의 형태로 공급 모듈을 제공한다. 이를 위해, 공급 모듈에는 예컨대, 용접 툴을 작동시키기 위한 제어 유닛, 전기 에너지 공급 유닛 및 용접 와이어와 프로세스용 가스를 포함하는 용접 공정에 필요한 재료를 위한 적어도 하나의 저장 유닛을 포함하는, 용접 툴용 모든 공급 유닛이 장착되는 모듈 지지체가 장착된다.

개별 공급 장치는 해당 연결 라인들을 거쳐 용접 툴에 연결된다. 회전으로 인해 연결 라인들을 따라 복잡한 문제가 발생하지 않도록 하기 위해서는, 공급 유닛의 회전과 용접 툴의 회전이 동기화되어야 한다.

본 발명에 따른 바람직한 변형 예에서, 공급 모듈은 용접 어셈블리에 연결되지 않은 별도의 지지 구조체 상에 회전 가능하게 장착된다. 지지 구조체는 바람직하게는 용접할 튜브 부재의 위쪽으로 돌출되고, 이에 따라 공급 모듈이 지지 구조체 상에 고정됨으로써 공간적 이동 및 회전이 가능하도록 구성된다. 또한, 공급 모듈이 부착된 지지 구조체는 바람직하게는, 용접 어셈블리를 튜브 커넥터 상에 장착하고 탈착하는 데 사용될 수 있다.

대안적으로, 공급 모듈을 용접 어셈블리의 캐리어 링 모듈과 기계적으로 결합시키는 것이 가능하도록 구성됨으로써, 2개의 모듈이 회전 불가능한 방식으로 상호 연결되도록 보장한다.

본 발명에 따라 설계된 용접 어셈블리는, 실질적으로 임의의 직경을 가진 튜브 커넥터를 베이스 튜브에 용접하는 "튜브 조인트"를 생성하는 바람직한 방법을 제공하며, 이때 튜브 커넥터는 베이스 튜브의 튜브 종축선에 대해 실질적으로 임의의 각도로 배치될 수 있도록 구성된다. 용접 어셈블리는 작은 치수의 소형 구조물로 구성되기 때문에, 용접 어셈블리와 튜브 커넥터 사이의 충돌에 관한 가능한 문제점이 제거될 수 있다. 본 발명에 따른 용접 어셈블리의 모듈식 구성은, 매니퓰레이터 유닛 및 여기에 부착된 용접 유닛이 각각 2개, 3개 또는 그 이상의 선형 프레임에 장착될 수 있고 캐리어 링 모듈에 고정될 수 있음을 의미하며, 이에 따라 튜브 커넥터를 베이스 튜브에 완전히 용접하는데 필요한 용접 시간을 상당히 감소시킬 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예들 및 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명에 기술되며, 이들은 단지 예로서 제시되는 것으로 본 발명의 사상을 제한하지 않도록 의도된다.
도 1은 본 발명에 따라 설계된 용접 어셈블리의 전체 투시도이다.
도 2a는 용접 어셈블리가 소구경을 가진 튜브 조인트 내에 배치된 모습을 도시한다.
도 2b는 용접 어셈블리가 대구경을 가진 튜브 조인트 내에 배치된 모습을 도시한다.
도 3a는 클램핑 모듈이 튜브 내벽과 해제 위치에 있는 모습을 도시한다.
도 3b는 클램핑 모듈이 튜브 내벽과 결합 위치에 있는 모습을 도시한다.
도 4a는 클램핑 모듈의 상세도를 도시하며, 지지 플랫폼의 하부에 대한 사시도이다.
도 4b는 클램핑 모듈의 지지 플랫폼에 대한 부분 종단면도이다.
도 4c는 클램핑 모듈의 지지 플랫폼에 대한 사시도이다.
도 4d는 클램핑 모듈의 지지 플랫폼에 대한 보다 상세한 부분 종단면도이다.
도 5a는 클램핑 모듈에 대한 정면도를 도시한다.
도 5b는 클램핑 모듈의 부분 확대 사시도이다.
도 6은 캐리어 링 모듈을 도시한다.
도 7a는 선형 프레임을 도시한다.
도 7b는 유지 장치를 도시한다.
도7c는 프레임을 구비한 유지 장치에 대한 단면도이다.
도 8은 지지 구조체 상에 공급 모듈이 장착된 상태의 용접 어셈블리를 도시한다.

도 1은 제1튜브 부재(1)로 식별되는 튜브 커넥터를 갖는 튜브 조인트의 개략도로서, 제1부재의 정면은 이하에 베이스 튜브로 부르는 제2튜브 부재(2)에 3차원 교차 곡선을 따라 용접 기술에 의해 연결되도록 구성된다. 베이스 튜브(2)는 튜브 커넥터(1)보다 큰 튜브 직경을 갖는다. 물론, 튜브 커넥터와 베이스 튜브는 동일한 치수의 직경을 가질 수도 있다. 도 1에 도시된 튜브 커넥터(1)는 베이스 튜브(2)의 튜브 종축선(2R)에 대해 90°미만, 바람직하게는 45°이하의 각도로 정렬된 튜브 종축선(1R)을 갖는다.

튜브 커넥터(1)와 베이스 튜브(2)를 용접에 의해 결합시키는 접합 공정은 용접 어셈블리(4)의 도움으로 수행되며, 이러한 용접 어셈블리는 튜브 커넥터(1)에만 단독으로 부착되는데, 즉, 용접 작업을 수행하는데 있어 베이스 튜브(2)를 위한 별도의 지지체는 필요치 않도록 구성된다. 용접 어셈블리(4)는 튜브 커넥터(1)에 대해 배타적으로 지지됨으로써, 용접 툴(6)이 튜브 커넥터(1) 주위의 매우 근접한 위치에서 3차원 교차 곡선(3)을 따라 공간적으로 위치설정되고 안내되도록 구성된다. 이 목적을 위해, 용접 툴(6)은 바람직하게는 다관절식 로봇 암, 바람직하게는 6축의 수직형 다관절 로봇 암의 형태를 갖는 매니퓰레이터 유닛(7)의 기구학적 단부에 부착된다. 매니퓰레이터 유닛(7)은 적어도 6개의 축을 따라 및 그 주위에서 용접 툴(6)이 공간적으로 정확하게 위치설정되도록 하는 역할을 한다. 매니퓰레이터 유닛(7)은 일 단부가 선형 프레임(8)에 자체적으로 고정되며, 선형 프레임은 유지 장치(9)를 통해 고정 어셈블리(5)와 연결된다. 선형 프레임(8)은 모터 구동식으로 유지 장치(9)에 대해 그 종방향 연장부를 따라 양방향으로 변위 가능하도록 장착된다.

고정 어셈블리(5)는, 전체 용접 어셈블리를 신뢰성 있고 착탈 가능하게 고정 부착하기 위한 수단을 튜브 커넥터(1)에만 제공한다. 이를 위해, 고정 어셈블리(5)는 전동 수단에 의해 회전식으로 이동 가능한 캐리어 링 모듈(5.1)을 포함함으로써, 용접 툴(6)이 튜브 커넥터(1)의 튜브 축선(1R) 주위 및 3차원 교차 곡선(3)의 전체 길이를 따라 완전하게 회전할 수 있도록 구성된다. 캐리어 링 모듈(5.1)은 클램핑 모듈(5.2, 도 1에 도시되지 않음)에 연결됨으로써, 전개식 구조(spreading mechanism)에 의해 튜브 커넥터(1)의 내벽에 착탈식으로 단단히 고정되는 한편, 튜브 커넥터(1)에서 전체 용접 어셈블리가 지지되도록 구성된다. 본 발명에 따른 용접 어셈블리(4)는 튜브 커넥터(1)에 밀접하게 배치됨으로써, 제한된 공간을 갖는 접합 영역에서도 용접 툴(6)의 공간적 위치설정이 가능하도록 구성된 콤팩트한 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 완전성을 위해, 도 1에 도시된 튜브 조인트(2)는 추가의 튜브 커넥터들(1', 1")을 구비하며, 한쪽 튜브 커넥터(1')는 튜브 축선(2R)에 대해 직교하는 축선 정렬을 갖고, 다른쪽 튜브 커넥터(1")는 예각의 튜브 축선 정렬을 갖고 있다. 본 발명에 따른 용접 어셈블리의 콤팩트한 모듈식 구조에 의해, 튜브 커넥터를 제2부재, 바람직하게는 튜브 부재로 지칭되는 결합용 본체에 거의 모든 각도의 경사 및 거의 모든 크기로 용접하는 것을 가능하게 할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 상이한 튜브 내경을 갖는 튜브 커넥터(1) 상에서 본 발명에 따른 단일 용접 어셈블리(4)가 어느 정도의 유용성을 갖는지 그 범위를 각각 도시한다. 반복을 피하기 위해 이전의 설명에서 인용된 참조 기호로 식별되는 전술한 용접 어셈블리(4)의 구성 요소들 외에, 이들 도면들에서는 클램핑 모듈(5.2)을 추가로 도시하며, 이러한 클램핑 모듈은 전동식 레버 기구에 의해 각 튜브 커넥터(1)의 튜브 내벽에 축선 방향으로 비틀려 고정 결합되도록 구성된다. 클램핑 모듈(5.2) 상에 제공된 마찰 부재(10)의 연속적인 반경 방향 확산 전개로 인해, 클램핑 모듈(5.2)은 튜브 내경(RD)이 1.00m(도 2a 참조)와 1.50m(도 2b 참조)인 튜브 커넥터에 각각 착탈식으로 단단히 고정 체결된다.

도 3a는 클램핑 모듈이 커넥터 튜브(1) 내에 분리된 상태를 도시하는 부분 종단면이다. 도 3b는 클램핑 모듈(5.2)이 결합된 상태를 도시하는 부분 종단면도로서, 여기서는 마찰 부재(1O0)에 힘이 인가됨으로써 이들이 튜브 내벽(1i)과 반경 방향으로 결합되도록 구성된다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 클램핑 모듈(5.2)은 튜브 커넥터(1)의 전방 단부를 통해 튜브 커넥터(1)의 내부에 삽입될 수 있으며, 이때 클램핑 모듈(5.2)은 가이드 롤러(11)의 도움으로 보다 쉽게 튜브 커넥터(1) 내에 고정되도록 구성된다. 클램핑 모듈(5.2)을 튜브 커넥터(1)의 전방 단부 상에서 축선 방향으로 지지시키기 위해, 클램핑 모듈(5.2)은 환형 플레이트 형태의 지지 플랫폼(12) 및 튜브 커넥터(1)와 대향하는 하부(13)를 가지며, 하부에는 완충 부재(14)가 링의 원주 주위에 일정 간격으로 이격 부착되고(도 4a, 4b 참조), 각 완충 부재들은 반경 방향 연장부를 갖되, 이들 연장부의 일부 섹션을 따라 전기 절연 부재(15)가 부착됨으로써, 클램핑 모듈(5.2)이 튜브 커넥터(1)로부터 열적으로 및 특히 전기적으로 절연되도록 보장하는 한편, 클램핑 모듈로부터 용접 전류를 절연시키는 역할을 한다.

따라서, 튜브 커넥터(1)의 전방 단부는 완충 부재(14)의 전기 절연 부재(15) 위에 지지되며, 이로써 지지 플랫폼(12)의 지지면(16)을 형성하도록 구성된다. 완충 부재(14)는 각각 반경 방향 연장부를 가지며, 이들 연장부의 크기는, 환형 지지 플랫폼(12)이 튜브 커넥터의 중심에 정렬될 때, 각각 상이한 치수의 튜브 내경 및 외경을 갖는 튜브 커넥터의 전방 단부들이 각각 완충 부재들(14) 상에 지지되도록 정해진다. 튜브의 크기에 따라 다양하게 반경 방향으로 배치될 수 있는 스페이서(17)가 각각의 개별 완충 부재(14)를 따라 반경 방향으로 제공됨으로써, 지지 플랫폼(12)을 튜브 커넥터(1)의 전방 단부 중심에 정렬하기 쉽도록 구성된다.

전술한 바와 같이, 가이드 롤러(11)는 지지 플랫폼(12) 상에 장착되고 지지 스트럿(18)에 의해 그로부터 축선 방향으로 분리되는데, 이 롤러는 클램핑 모듈을 각각의 튜브 커넥터에 삽입하는 공정을 단순화시키는 역할을 한다(이에 대해서는 후술됨). 본 실시예에서는, 4개의 가이드 롤러(11)가 제공되며, 지지 플랫폼(12)으로부터 고정된 소정의 거리에 위치한 공용 커넥터 플레이트(19)를 통해 서로 안정적으로 연결되도록 구성된다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 환형 지지 플랫폼(12)은 중앙 개구를 갖는데, 후술하는 바와 같이, 전동식 스핀들 기구가 이를 통해 돌출됨으로써 레버 기구(마찰 부재[10]를 반경 방향으로 변위시킴)를 구동시키도록 구성된다(도 4c, d 참조). 지지 플랫폼(12)의 외측 링 직경은 각 튜브 커넥터(1)의 튜브 외경보다 크며, 이에 따라 지지 플랫폼(12)의 하부(13)에 장착된 완충 부재들(14)은 각각의 경우에 결합되는 튜브 커넥터의 외경보다 큰 반경 방향 연장부를 갖도록 구성된다.

또한, 마찰 부재 어셈블리(20)는 환형 지지 플랫폼(12)의 각 두개의 완충 부재(14) 사이에서 원주 방향으로 부착되는데, 이들은 도 4에는 도시되지 않았지만, 명확성을 유지하기 위해 도 4c 및 도 4d에는 도시하였다. 마찰 부재 어셈블리(20)는 가이드 레일(21) 및 그 위에 양방향으로 변위 가능하게 장착되는 한편 마찰 부재(10)가 장착되는 캐리지(22)를 포함한다. 가이드 레일(21)은 마찰 부재들(14)과 유사하게 튜브 커넥터의 축선에 반경 방향으로 연장되며, 지지면(16)에 대해 소정의 각도를 갖고 지지 플랫폼(12) 상에 장착되도록 구성된다. 가이드 레일(21)은 바람직하게는 지지면(16)에 대해 소정의 각도(α)로 기울어지도록 구성되며, 이때 기울어지는 각도는 0°<α<10°, 바람직하게는 5°이다.

모든 마찰 부재 어셈블리(20)는 레버 기구의 형태로 액츄에이터 유닛과 연결 작동되며, 마찰 부재 어셈블리(20)는, 마찰 부재 어셈블리(20)가 튜브 커넥터의 내벽으로부터 일정 거리 떨어져 배치되는 제1위치로부터 마찰 부재 어셈블리가 제2거리(축선으로부터 제1거리보다 크도록 구성됨)에 각각 배치되는 제2위치로 시프트될 수 있으며, 이에 따라 각각의 마찰 부재 어셈블리(20)의 마찰 부재(10)는 튜브 내벽과 비적극적 마찰식 잠김 연결부를 형성한다. 전술한 지지면(16)에 대한 가이드 레일(21)의 경사 때문에, 튜브 내벽과 비적극적 마찰식 잠김 연결부를 형성하는 마찰 부재(10)는 반경 방향으로 작용하는 유지력;과 클램핑 모듈(5.2)을 튜브 커넥터(1) 내 축선 방향으로 당기는 축선 방향 작용 인장력; 모두를 발휘하도록 구성된다.

튜브 내벽(1i)과 접촉하는 마찰 부재(10)는 각 튜브 커넥터(1)의 내경에 보다 잘 들어맞는 부재들로 대체될 수 있다. 마찰 부재들(10)은 완충 부재들(14)을 따라 절연 부재들(15)과 동일한 절연 재료로 제조되는 것이 바람직하다.

캐리지(22)의 크기는, 튜브 내벽(1i)과 접촉하는 마찰 부재들(10)이 가이드 레일(21)로부터 소정의 축선 방향 거리에 배치되는 한편, 결합 상태에서 튜브 커넥터의 개방된 전방 단부로부터도 또한 소정의 축선 방향 거리에 있도록, 정해지고 제조되는 것이 바람직하다.

레버 기구를 통해 마찰 부재 어셈블리(20)와 작동 연결되는 공통 액추에이터 유닛은 각각 마찰 부재 어셈블리(20)를 반경 방향으로 변위시키는 역할을 한다. 선형 액추에이터로 설계된 공통 액츄에이터 유닛을 설명하기 위해, 도 5a, 5b를 참조한다. 도 5a는 튜브 커넥터에 삽입된 클램핑 모듈(5.2)의 종단면을 도시한다. 도 5b는 자체적으로 레버 기구를 보유한 공통 액추에이터 유닛을 도시한다. 다음의 설명은 두 도면 모두에 동일하게 적용된다. 따라서, 각 마찰 부재 어셈블리(20)의 캐리지(22)는 연결 링크(23)(도 4c 및 5b 참조)의 한쪽에 관절식으로 연결되고, 그 다른쪽은 스핀들 너트(24)에 관절식으로 연결됨으로써, 스핀들(25)을 따라 가이드되도록 구성된다. 스핀들(25)의 상단부는 구동 모터(26)와 연결된다. 모터(26)는 유지 프레임(27')을 통해 모터 플레이트(27)에 고정적으로 연결되며, 네개의 가이드 로드(guide rod, 28)가 모터 플레이트를 관통하여 슬라이딩 마운트 상에 돌출되도록 구성된다. 각 가이드 로드(28)의 슬라이딩 마운트는 모터 플레이트(27)에 통합된 볼 부싱(ball bushing, 27")에 의해 형성된다. 가이드 로드(28)의 로드 단부들은 커넥터 플레이트(19)에 고정적으로 연결된다. 플레이트 스프링 어셈블리의 형태로 된 스프링 부재(30)는 바람직하게는 모터 플레이트(27)와 베이스 플레이트(29)와의 사이에 개재되도록 구성되며, 베이스 플레이트는 지지 플랫폼(12) 및 브레이스 모터(26)뿐만 아니라 유지 프레임(27') 및 모터 플레이트(27)와도 고정식으로 연결된다. 베이스 플레이트(29)를 지나 돌출된 가이드 로드(28)도 또한 슬라이딩 마운트 상에 배치된다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 스핀들(25)이 적절하게 회전하면 스핀들 너트(24)는 수직 상향 이동함으로써, 마찰 부재 어셈블리(20)의 캐리지(22)가 연결 링크(23)에 의해 반경 방향 외측으로 이동되어 튜브 내벽(1i)과 접촉하게 된다. 각 연결 링크(23)의 길이는 바람직하게는, 결합된 상태에서 연결 링크(23)가 스핀들의 종축선(25S)과 바람직하게는 80°내지 85°의 각도를 형성하도록 구성된다. 이 각도를 상이한 튜브 커넥터 내경에 대해 유지시키기 위해, 각 연결 링크(23)의 길이는 조정될 수 있다. 도 5b의 하단에 도시된 바와 같이, 연결 링크(23)를 구현하기위한 바람직한 변형예에서, 이들은 각각의 단부에 대향 관통하는 내부 나사산을 구비한 슬리브(23H)로 구성된다. 눈을 구비한 볼트 부재(23B1, 23B2)는 양단부의 이러한 내부 나사산에 나사 결합되며, 전체 결합 길이는 볼트가 나사 결합되는 내부의 깊이에 의해 결정된다.

각각의 개별 마찰 부재 어셈블리(20)의 가이드 레일(21)에 대한 경사 배치로 인해, 마찰 부재 어셈블리(20)의 마찰 부재(10)가 그들에 작용하는 힘에 의해 튜브 내벽(1i)에 대해 압력을 받는 즉시, 튜브 커넥터(1)의 안쪽을 향해 축선 방향으로 당기는 인장력을 생성하도록 구성된다. 이러한 인장력과 함께 유지 프레임(27') 및 모터 플레이트(28)를 구비한 모터(26)의 자체 중량에 의해 플레이트 스프링 어셈블리(30)를 압축하기에 충분한 힘이 확보된다. 이러한 방식으로, 기계적 인장 에너지가 플레이트 스프링 어셈블리(30)에 일시적으로 저장된다. 접합되는 각 튜브 커넥터(1)는 용접 공정 중에 도입되는 열로 인해 열팽창을 받기 쉽기 때문에, 마찰 부재 어셈블리(20)를 반경 방향으로 동반시킴으로써 이러한 팽창과 일치시키고 클램핑력을 유지시키도록 구성하는 것이 중요하다. 이에 대한 스핀들 구동 모터의 재작동을 피하기 위해, 플레이트 스프링 어셈블리(30)에 일시적으로 저장된 기계적 인장 에너지가 사용되며, 이에 따라 캐리지(22)로 하여금 튜브 커넥터 내벽에 대해 궤도 운동하게 하는 힘을 가함으로써 튜브 커넥터의 열팽창을 보상하도록 구성된다. 통상적으로 서보 모터로 설계되지 않은 구동 모터(26)의 작동을 위해, 근접 스위치 또는 리미트 스위치를 사용하는데, 이에 따라 모터는, 플레이트 스프링 어셈블리(30)가 동일한 정도로 클램핑될 때까지 정확히 동일한 거리를 이동할 수 있도록 구성된다. 따라서, 구동 모터는 신호를 수신하고 리미트 스위치가 트리거된 후에 정지된다.

구동 모터(26)가 서보 모터인 경우에는, 리미트 스위치가 생략됨으로써, 스핀들(25)이 위치 제어와 함께 모터에 의해 계속 구동되도록 구성될 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 캐리어 링 모듈(5.1)이 지지 플랫폼(12)의 상부 측면 상에 장착되는 것을 도시한다. 캐리어 링 모듈(5.1)이 튜브 커넥터의 종축선과 일치하는 회전축(D)을 중심으로 회전 가능하게 지지 플랫폼(12) 상에 장착되는 것을 보장하기 위해, 캐리어 링 모듈(5.1)은 지지 플랫폼(12)에 고정적으로 연결되는 링 세그먼트(31)를 가지며, 캐리어 링 모듈(5.1)은 바람직하게 롤러 베어링(W)을 통해 회전 가능한 방식으로 지지되도록 구성된다(도 4d 참조). 이와 관련한 추가의 설명은 캐리어 링 모듈(5.1)을 아래에서 본 사시도를 도시한 도 6에 도시된다. 링 세그먼트(31)의 내측에는 내부 기어 장치(보다 상세히 도시되지 않음)가 제공되며, 여기에는 캐리어 링 모듈(5.1)과 고정 연결된 서보 모터(32)의 구동휠(32')이 결합되도록 구성된다.

캐리어 링 모듈(5.1)은 두개의 캐리어 링 플레이트(34.1, 34.2)를 포함하고,이 캐리어 링 플레이트는 그 주변 림들 상에 각각 제공된 두개의 주위가 평평한 접촉부(35)와 스트럿 구조체(33)를 통해 고정적으로 연결되며, 이들은 두개의 캐리어 링 플레이트(34.1, 34.2)의 림 상에 서로 정반대로 위치하고, 이들 각각에는 유지 장치(9)(도 6에는 미도시, 도 2a 및 2b 참조)가 장착됨으로써 각각 선형 프레임(8)과 접근하도록 구성된다. 클램핑 모듈(5.2)에 대해 회전 가능하게 장착된 캐리어 링 모듈(5.1) 상에 두개의 선형 프레임(8) 및 그와 연결된 용접 툴이 제공됨으로써, 각 경우마다 하나의 용접 툴을 사용할 때 보다 상당히 더 짧은 시간 내에 용접 작업을 완료할 수 있도록 구성된다.

캐리어 링 모듈(5.1)의 직경은 튜브 커넥터 직경과 대략적으로 동일한 크기로 구성되어야 하며, 즉 적어도 그 직경을 약각만 더 크게 함으로써, 튜브 커넥터를 통한 반경 방향 팽창을 최소화해야 하는데, 이에 의해 튜브 커넥터 종축선이 메인 튜브 종축선과 45°미만의 각도로 결합하는 튜브 커넥터 배치도 용접 가능하도록 구성된다.

바람직한 실시예에서, 유지 장치(9)를 따라 양방향으로 변위되는 선형 프레임(8)(도 2a, 2b 및 도 7a, 7b, 7c 참조)은 3개의 평행한 종방향 스트럿(36)으로 이루어지며, 이들 각각은 수미터 길이, 즉 3 내지 5 미터 정도의 길이로 구성될 수 있다(도 2a, 2b 및 도 7a 참조). 도 7a는 선형 프레임(8) 전체를 도시하고, 도 7b는 유지 장치(9)의 개별 도면을 도시하며, 도 7c는 내부 가이드식 선형 프레임(8)을 갖는 보유 장치(9)의 단면을 도시한다

선형 프레임(8)의 3개의 종방향 스트럿(36)은 예컨대, 내부 트러스 구조(37)의 접착 결합에 의해 서로 고정적으로 연결됨으로써 견고한 프레임 구조를 형성하며, 이러한 구조에 의해 심각한 자가 변형없이 수직 및 수평 운동의 결합에 의한 하중을 견딜 수 있도록 구성된다. 또한, 서보 모터(38)에 의해 구동되고 스핀들 너트(39')와 결합되는 스핀들(39)은 종방향 스트럿(36)(도 7c 참조)에 평행하게 연장되고 유지 장치(9)에 고정적으로 연결된다. 종방향 스트럿(36)은 유지 장치(9)를 따라 슬라이딩 방식으로 가이드됨으로써, 전체 선형 프레임(8)이 전술한 스핀들 휠 구동에 의해 양방향으로 변위 가능하도록 구성되며, 즉 도 2a 및 도 2b에 도시된 상황의 목적을 위해 상승 또는 하강될 수 있다. 이를 위해, 가이드 레일로서 기능하는 3개의 종방향 스트럿(36)은 유지 장치(9)에 통합된 반-개방식 볼 부싱(40)을 동시에 통과함으로써, 경화 트러스 구조(37)가 충돌없이 유지 장치(9)를 향해 이동 가능하도록 구성된다. 이러한 구조는 매우 가벼우며, 또한 선형 프레임(8)의 보강 구조를 통해 케이블, 용접 와이어나 또는 다른 공급 라인(41)을 라우팅할 수 있도록 구성된다. 서보 모터(38)와 대향하는 하단부에는 전술한 매니퓰레이터 유닛(7)이 부착되며, 선형 프레임(8)에 부착된 공급 유닛(42)을 통해 용접 작업에 필수적인 에너지와 재료가 모두 공급되도록 구성된다. 도 2a, 2b에 도시된 실시예의 경우에는, 공급 유닛(42)이 선형 프레임(8)의 하단에 부착되며, 도 7a에 도시된 실시예의 경우에는 이들이 프레임(8)의 상단부에 부착된다. 매니퓰레이터 유닛(7)은 바람직하게는 6축 수직 다관절 로봇이며, 이 유닛은 여기에 장착된 용접 툴(6)을 적절한 센서 시스템을 사용하여 튜브 커넥터를 따라 3차원 교차 곡선(3)에 대해 정확하게 위치시키는 역할을 한다. 센서 유닛(54)은 바람직하게는 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터의 단부에 배치됨으로써, 용접에 의해 충진되어야 할 교차 곡선을 따라 중공층이나 또는 그루브와 같은 리세스의 형상 및/또는 크기를 비접촉식으로 검출하도록 구성된다. 센서 유닛(54)은 바람직하게는 라인 차단 센서(line interruption sensor)이며, 이에 의해 용접이 시작되기 전에 충진될 용접층의 실제 단면이 측정되도록 구성된다. 경로 계획과 더불어 다음 용접층이 해당 용접 시임의 단면에 어떻게 용착되는지가 이러한 정보를 기반으로 수행된다.

상당한 양의 에너지 및 재료를 소비하는 용접 공정에서, 용접 툴은 튜브 커넥터의 종축선 주위를 여러번 통과함으로써 용접 시임을 따라 다층의 용접 비드를 형성하도록 구성되는데, 이때 에너지 및 용접 재료는 외부로부터 선형 프레임(8) 상에 직접 장착된 공급 유닛(42)에 연속적으로 공급되어야 한다.

이를 위해, 바람직하게는 용접 어셈블리(4)와는 별도로 공급 모듈(43)의 형태로 제공되는 유닛이 필요하다. 도 8에는 용접 어셈블리(4) 및 공급 모듈(43)이 도식적으로 도시되어 있으며, 여기서는 용접 어셈블리(4)가 튜브 커넥터(1)의 전방에 고정되고, 그의 종축선은 베이스 튜브의 튜브 종축선에 대해 45°의 각도로 경사지도록 구성된다. 용접 어셈블리(4)에는 캐리어 링 모듈(5.1) 상에 장착되는 2개의 용접 툴(6)이 제공되며, 이들 각각은 캐리어 링 모듈(5.1)에 관절식으로 부착되는 한편 선형적으로 변위 가능한 선형 프레임(8)의 단부 상에 3차원 교차 곡선(3)과 대향하여 장착된다.

용접 툴(6)에는 전기 에너지와 함께 특히, 용접 와이어 및 프로세스 가스와 같은 용접 프로세스에 필요한 재료가 별도로 제공된 공급 모듈(43)을 통해 공급되며, 이들은 관절식으로 및 공간에서 크게 자유로이 위치설정 가능한 방식으로 별도의 지지 구조체(44)에 연결된다. 지지 구조체(44) 상에 공급 모듈(43)을 매달기 위한 서스펜션 시스템(52)은 공급 모듈(43)의 수직(z축) 및 수평(x, y축) 위치설정은 물론 수직축(z축)에 대한 회전까지 가능하게 하도록 구성된다.

공급 모듈(43)은 모듈 지지체(45)를 가지며, 모듈 지지체(45) 상에는 용접 공정에 필요한 모든 중요한 물류적 구성 요소가 수용되는데, 이들은 각 용접 툴용 제어 유닛(46.1, 46.2), 관련된 전동식 와이어 공급장치(47.1, 47.2)를 갖는 용접 와이어용 저장 공간에 관련된다. 에너지는 별도의 공급 모듈, 특히 바람직하게는 외부 케이블 공급장치(48)를 통해 제어 유닛(46.1 및 46.2)에 공급되고, 이들은 공급 모듈(43) 상의 중앙에 배치된 슬립 링 어셈블리(49, slip ring assembly)를 통해 결합된다. 필요시, 또 다른 외부 공급 라인(50)이 제공될 수 있으며, 이를 통해 프로세스 가스가 공급 모듈(43)에 공급될 수 있다. 프로세스 가스 공급 라인(50)은 또한, 유체 기밀식 슬립 링 어셈블리(49')를 통해 공급 모듈(43)에 연결된다. 이러한 방식으로, 외부 에너지원은 물론 가스 용기 형태의 가스 저장 유닛을 튜브 조인트와 가깝우면서도 쉽게 접근할 수 있는 위치에 제공함으로써, 필요할 때 사용 가능하도록 구성된다.

이에 따라, 공급 모듈(43)과 공급 유닛들(42) 사이에는 가요성 커넥터 라인들(51)이 제공되며, 이를 통해 용접 공정에 필수적인 에너지 및 재료가 용접 툴에 궁극적으로 공급된다.

용접 툴(6)이 튜브 커넥터(1)의 튜브 종축선에 대해 회전 가능하게 장착되는 캐리어 링 모듈(5.1)이 제공되는 배치라고 하는 것은, 공급 모듈(43)이 용접 툴(6)의 회전 운동과 동일한 경로에 따라 튜브 종축선을 중심으로 회전되어야만 커넥터 라인(51)이 꼬이지 않고 손상을 입지 않도록 보장한다는 것을 의미한다. 이를 위해, 공급 모듈(43)의 모듈 지지체(45)는 지지 구조체(44) 상에 공간적으로 자유롭게 위치설정 가능한 한편 특히 수직축(z)에 대해 안정적으로 회전 가능하게 장착되도록 고정되며, 이들은 예컨대 붐(boom) 형태 또는 삼각대 또는 4각형 구조로 설계되고, 접합될 튜브 커넥터와 함께 용접 어셈블리(4)의 위쪽으로 연장된다.

또한 안정적으로 하중을 지지하는 모듈 지지체(45)에 의해, 공급 모듈(43)은 일종의 크레인 부재로서의 기능도 하도록 구성되는데, 용접 어셈블리(4)는 완전한 조립체로서 공급 모듈에 탈착 가능하게 고정될 수 있다. 케이블이 통과하는 모듈 지지체(45) 상에 장착된 전동식 편향 롤러(53)의 도움으로, 용접 어셈블리(4)는 설치시 하강하고 제거시 상승하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 용접 어셈블리의 모듈식 디자인에 의해, 상이한 치수의 튜브 조인트 구조물들을 용접하는 것이 가능하다. 따라서, 용접 어셈블리의 시스템 서브 어셈블리를 현재의 용접 작업에 적합한 다른 치수의 용접 어셈블리로 대체하고 이들을 다른 그룹과 결합하는 것이 가능하다. 예컨대, 상이한 크기의 캐리어 링 모듈(5.1) 및 상이한 크기의 클램핑 모듈(5.2)이 제공될 수도 있고 이들을 서로 조합하는 것도 가능하다. 또한, 상이한 길이를 가진 선형 프레임(8)이 유지 장치(9)에 삽입될 수도 있다. 상이한 크기 및 강도를 갖는 매니퓰레이터 유닛(7)을 제공하는 것도 역시 가능하며, 이에 따라 특별히 선택된 용접 툴(6)을 정확하게 위치시킴으로써 소정의 용접 작업을 수행하도록 구성된다.

따라서 상술된 용접 어셈블리에 의해, 임의의 직경을 가진 튜브 커넥터를 베이스 튜브와 튜브 커넥터 사이에서 임의의 각도로 용접하는 것이 가능하다. 용접 매니퓰레이터와 커넥터 사이의 충돌 문제는 미미하거나 존재하지 않는다. 본 발명에 따른 새로운 용접 어셈블리는 갠트리 기반의 고정식 용접 시스템보다 상당히 저렴하며, 모듈식 설계로 인해 처리 시간에 맞게 용이한 확장이 가능하도록 구성된다. 따라서, 예컨대 2개, 3개 또는 그 이상의 용접 툴이 각각의 선형 프레임을 통해 캐리어 링 모듈에 고정될 수 있어, 필요한 용접 시간이 현저하게 감소될 수 있다. 또 다른 실질적인 이점은 용접 어셈블리의 콤팩트한 구조에 있다. 갠트리 기반의 종래 발명은 단일식 처리 위치에 고정되는 반면, 본 발명에 따른 용접 어셈블리는 튜브 조인트로 확장 가능하며, 이러한 조인트를 현장에서 용접 가능하도록 구성된다.

1 제1튜브 부재, 튜브 커넥터(tube connector)
2 제2부재, 베이스 튜브(base tube)
3 3차원 교차 곡선
4 용접 어셈블리(Welding assembly)
5 고정 어셈블리
5.1 캐리어 링 모듈(Carrier ring module)
5.2 클램핑 모듈(Clamping module)
6 용접 툴(Welding tool)
7 매니퓰레이터 유닛(Manipulator unit)
8 선형 프레임(Linear frame)
9 보유 장치
10 마찰 부재
11 가이드 롤러
12 지지 플랫폼
13 지지 플랫폼의 하부
14 완충 부재
15 절연 부재
16 지지면
17 스페이서(Spacer)
18 지지 스트럿(Supporting strut)
19 커넥터 플레이트
20 마찰 부재 어셈블리
21 가이드 레일
22 캐리지
23 연결 링크(Coupling link)
23H 슬리브(Sleeve)
23B1 눈을 가진 볼트(Bolt with eye)
23B2 눈을 가진 볼트
24 스핀들 너트(Spindle nut)
25 스핀들(Spindle)
26 구동 모터
27 모터 플레이트
27' 유지 프레임(Holding frame)
27" 볼 부싱(Ball bushing)
28 가이드 로드(Guide rod)
29 베이스 플레이트(base plate)
30 기계식 에너지 저장 장치, 플레이트 스프링 어셈블리(plate spring assembly)
31 링 세그먼트(Ring segment)
32 서보 모터
32' 구동휠(Drive wheel)
33 스트럿 구조체(Strut structure)
34.1,34.2 캐리어 링(Carrier ring)
35 접촉부
36 종방향 스트럿
37 트러스 구조(Truss structure)
38 액츄에이터(Actuator)
39 스핀들
39' 스핀들 너트
40 반-개방식 볼 부싱
41 공급 라인
42 공급 장치
43 공급 모듈
44 지지 구조체
45 모듈 지지체
46.1,46.2 제어 유닛
47.1, 47.2 저장 유닛, 용접 와이어 공급
48 외부 케이블 공급장치
49 슬립 링 어셈블리(Slip ring assembly)
50 프로세스 가스 공급장치
51 커넥터 라인
52 서스펜션 시스템
53 편향 롤러
54 센서 유닛
W 롤러 베어링
1i 튜브 내벽
1R 튜브 종축선
D 회전축
RD 튜브 커넥터 직경

Claims

제1튜브 부재(1)와 제2부재(2)가 접촉하고 있는 2차원 또는 3차원 교차 곡선(3)을 따라 이들 두 부재(1, 2)를 영구 접합하기 위한 용접 어셈블리에 있어서, 상기 어셈블리는:
교차 곡선(3)으로부터 대향 이격된 제1부재의 튜브 단부 상에 착탈식으로 견고하게 결합되는 고정 어셈블리(5); 및 제1부재(1)에 제공된 튜브의 종축선(1R)을 중심으로 피봇(pivot) 가능하도록 고정 어셈블리(5)에 간접 또는 직접 장착되고 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터 단부를 갖는 매니퓰레이터 유닛(7); 및 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터 단부에 부착되는 용접 툴(6)을 포함하고,
고정 어셈블리(5)는 그 단부가 제1부재(1)의 튜브 단부 안으로 적어도 부분적으로 및 축선 방향으로 삽입될 수 있는 클램핑 모듈(5.2)을 포함하며, 클램핑 모듈은 제1튜브 부재에 제공된 튜브 내벽(1i)뿐만 아니라 클램핑 모듈(5.2)에 회전 가능하게 부착되는 캐리어 링 모듈(5.1)에 착탈 가능하게 고정 결합되도록 디자인되고, 클램핑 모듈(5.2)이 결합된 상태에서 제1부재(1)의 튜브 단부를 넘어서 축선 방향으로 연장되도록 구성되며, 캐리어 링 모듈(5.1)이 튜브 종축선(1R)을 중심으로 회전 구동할 수 있도록 서보 모터(32)와 작동 연결됨으로써 캐리어 링 모듈(5.1)이 튜브 종축선(1R)을 중심으로 연속적으로 회전하도록 장착되고, 적어도 하나의 선형 프레임(8)이 캐리어 링 모듈(5.1)에 부착되며, 프레임은 액츄에이터(38)에 의해 튜브 종축선(1R)에 대해 양방향으로 및 평행하게 이동될 수 있도록 장착되고,
매니퓰레이터 유닛(7)은 수직 다관절 로봇 형태의 6축 개방형 기구학적 체인이고, 프레임(8)의 일 단부에 부착되며,
제어 유닛, 전기 에너지 공급 유닛, 용접 와이어 및 프로세스 가스를 포함하는 용접 프로세스와 관련된 재료를 위한 적어도 하나의 저장 유닛 중 적어도 하나의 부재가 부착된 공급 모듈이 제공되고,
적어도 하나의 부재는 연결 라인을 통해 용접 툴에 연결되며,
공급 모듈은 튜브 종축선에 대한 용접 툴의 이동과 동시에 회전 운동을 수행하도록 회전 가능하게 장착됨으로써 튜브 종축선에 대해 용접 툴의 무한 회전을 허용하도록 구성되며,
공급 모듈은 적어도 하나의 평면을 따라 용접 어셈블리와 별도로 구성된 지지 구조체에 자유롭게 위치설정 가능하도록 관절식으로 연결되거나, 또는 또는 공급 모듈은 회전 고정식으로 캐리어 링 모듈에 연결되는 용접 어셈블리.
제1항에 있어서,
클램핑 모듈(5.2)은 지지 플랫폼(12)에 제공된 지지면(16)을 따라 제1부재(1)의 축선 방향 전방 튜브 단부 상에 직접 또는 간접적으로 지지되는 지지 플랫폼(12)을 갖는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제1항에 있어서,
적어도 3개의 마찰 부재 어셈블리(20)가 지지 플랫폼(12) 상에 직접 또는 간접적으로 배치되고, 각 마찰 부재 어셈블리는 클램핑 모듈(5.2)이 결합된 상태에서, 지지면(16)에 직각으로 배향되고 제1부재(1)의 튜브 종축선(1R)과 일치하는 축선(A)에 대해 적어도 반경 방향으로 이동 가능하며, 상기 축선(A) 주위에 등거리로 배치되고, 액츄에이터에 의해 마찰 부재 어셈블리(20)가 각각 축선(A)으로부터 제1반경 방향 거리에 배치되는 제1위치로부터 마찰 부재 어셈블리(20)가 각각 상기 축선(A)으로부터 제1거리보다 큰 제2거리에 배치되는 제2위치로 변위됨으로써, 마찰 부재 어셈블리(20)가 각각 튜브 내 측벽(1i)과 비적극적 마찰식 잠김 연결부를 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제2항 또는 제3항에 있어서,
지지 플랫폼(12)은 회전 가능하고 제1부재(1)와 대향하는 하부를 가지며, 하부에는 적어도 3개의 완충 부재(14)가 축선(A)을 중심으로 등거리로 배열되고, 각 완충 부재는 적어도 일부 섹션을 따라 전기 절연 부재(15)가 부착되는 반경 방향 연장부를 가지며, 적어도 3개의 완충 부재(14)에 배치된 전기 절연 부재(15)는 지지면(16)을 신장시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제3항 또는 제4항에 있어서,
적어도 3개의 마찰 부재 어셈블리(20)는 각각 지지 플랫폼(12)에 직접 또는 간접적으로 부착된 선형 가이드 레일(21)을 가지며, 튜브 내벽(1i)과 결합 가능한 마찰 부재(10)를 갖는 적어도 하나의 캐리지(22)가 상기 레일을 따라 양방향으로 변위 가능하게 장착되고, 적어도 3개의 마찰 부재 어셈블리(20)의 캐리지(22)는 각각 연결 링크(23)를 통해 지지 플랫폼(12)에 보강된 공통 액츄에이터 유닛과 작동적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제5항에 있어서,
마찰 부재 어셈블리(20)의 가이드 레일(21)은 축선 방향으로 돌출된 축선(A)에 대해 반경 방향으로 지지 플랫폼(12) 쪽을 향해 배향되고 지지면(16)에 대해 경사지게 배치됨으로써, 클램핑 모듈(5.2)이 결합 상태에 있을 때 마찰 부재들(10)과 튜브 내벽(1i) 사이에서, 클램핑 모듈(5.2)을 축선 방향으로 고정하는 반경방향 작용 유지력 및 클램핑 모듈(5.2)을 제1부재(1) 쪽으로 잡아당기는 축선방향 작용 인장력이 모두 유효하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제6항에 있어서,
가이드 레일(21)은 지지면에 대해 소정의 각도(α)로 각각 경사지고, 이때 0°<α≤10°인 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제5항 내지 제7항에 있어서,
공통 액츄에이터 유닛은 축선(A)을 따라 배향된 효과적인 작동 방향을 갖는 선형 액추에이터이고, 이를 따라 양방향으로 변위 가능한 최종 제어 부재(24)가 제공되며, 제어 부재는 마찰 부재 어셈블리(20)의 연결 링크(23)와 작동적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제6항 및 제8항에 있어서,
기계적 에너지 저장 유닛(30)은 효과적인 작동 방향을 따라 선형 액추에이터와 작동적으로 연결되고, 클램핑 모듈(5.2)을 제1부재(1) 쪽을 향해 축선 방향으로 잡아당기는 축선 방향 작용 인장력을 지지하는 적어도 하나의 힘을 발휘할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제8항 또는 제9항에 있어서,
선형 액추에이터는 기계적 에너지 저장 유닛(30)을 통해 지지 플랫폼(12)과 작동적으로 연결되는 구동 모터(26)를 구비하고, 구동 모터(26)는 스핀들 너트(24)와 결합되고 축선(A)을 따라 배향된 스핀들(25)과 연결되며, 스핀들은 적어도 3개의 마찰 부재 어셈블리(20)의 연결 링크(23)와 연결되는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제10항에 있어서,
기계적 에너지 저장 유닛(30)은 구동 모터(26)와 지지 플랫폼(12) 사이에 배치된 스프링 어셈블리이고, 구동 모터(26)는 지지 플랫폼(12)에 대해 축선 방향으로 이동 가능하도록 장착됨으로써, 클램핑 모듈(5.2)이 결합 상태에 있을 때 스프링 어셈블리(30)가 액추에이터의 작동 방향으로 인장력을 발휘하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
클램핑 모듈(5.2)을 넘어 축선 방향으로 돌출하는 프레임 구조체가 지지 플랫폼(12) 상에 배치되고, 적어도 3개의 가이드 롤러(11)가 지지 플랫폼(12)에 대향하는 프레임 구조체의 단부에 부착되며, 상기 롤러는 클램핑 모듈(5.2)이 제1튜브 부재(1) 내로 신뢰성 있게 도입되도록 지지하는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제2항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
캐리어 링 모듈(5.1)은 지지 플랫폼(12)에 연결되고 축선(A)을 중심으로 회전할 수 없는 적어도 하나의 캐리어 링(34.2)을 가지며, 그 링 내측에 캐리어 링(34.2)에 대해 회전 가능하게 제공되고, 캐리어 링(34.2)에 고정 제공된 서보 모터(32)와 직접 또는 간접적으로 결합하는 내부 링(31)을 구비하는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 선형 프레임(8)은 캐리어 링 모듈(5.1)에 반경 방향 외측으로 부착되고, 캐리어 링 모듈과 함께 튜브 종축선(1R)을 중심으로 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
센서 유닛(54)이 매니퓰레이터 유닛(7)의 자유롭게 위치설정 가능한 매니퓰레이터 단부 상에 제공됨으로써, 용접에 의해 충진되어야 할 교차 곡선을 따라 중공층 또는 그루브형 리세스의 형상 및/또는 크기의 비접촉식 검출을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
용접 조립체와 별도로 제공된 공급 모듈은 서스펜션 시스템을 통해 관절식으로 개별 지지 구조체에 연결됨으로써, 공급 모듈의 수직 및 수평 위치 설정 뿐만 아니라 수직축에 대한 회전까지 가능한 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
슬립 링 커플링(slip ring coupling)이 용접 어셈블리와 별도로 제공된 공급 모듈 상에 제공됨으로써 에너지 공급을 보장하고, 외부 케이블 공급장치가 그와 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.
제17항에 있어서,
유체 기밀식 슬립 링 커플링이 용접 어셈블리와 별도로 제공된 공급 모듈 상에 제공되고, 외부 프로세스 가스 공급 장치가 그와 결합되는 것을 특징으로 하는 용접 어셈블리.