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주름판 용접 자동화를 위한 토치 회전기구의 개발에 관한 연구
A Study on Development of Torch Rotating Mechanism for Automation of Welding of Corrugated Membranes 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.32 no.3, 2015년, pp.243 - 251  

배강열 (경남과학기술대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to develop an automatic system for welding thin steel plates with curvature such as the corrugated membranes of an LNG storage tank, a rotating mechanism should be firstly designed for the torch to easily follow the weld seam with a constant distance and angle. In this study, a torch rotati...

주제어

#주름판   #용접선   #자동추적   #회전기구   #속력 제어  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 나아가 용접진행 방향에 직각인 좌우로의 용접위치 오차는 없다고 가정하여, 제안된 토치 회전기구를 탑재한 2축의 2차원 용접선 자동추적장치를 제안하고, 이를 동적 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 모델화하고 추적 시뮬레이션을 실시하였다. 또한 실물의 프로토타입 추적장치를 제작하고 추적시험을 실시하여 제안된 회전기구의 적용성을 검증하고자 하였다.
  • 복소벡터 해석을 통해, 입력변수 θ8의 한 주기 동안의 변화에 따라, 즉 수평 각 0°에서 반시계 방향으로 180°까지 회전하는 동안, 최종 출력변수인 토치 회전각이 입력변수에 동일하게 변화하고, 또 토치 끝이 일정한 위치에 고정되게 됨을 증명하고자 한다.
  • 본 연구에서는 주름판 구조물에서와 같이 높낮이 방향 위치변화와 각도의 변화가 급격한 용접공정에서, 토치의 회전시 토치의 끝단이 변화하지 않아 용접 토치와 용접선과의 거리를 일정하게 유지하고 용접 각도를 일정하게 유지하는 새로운 토치 회전기구를 제안하였다. 제안된 기구에서 동력원으로부터 전달된 운동에 의한 종속 링크의 동작 특성을 복소벡터 해석으로써 규명하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 주름판 구조물에서와 같이 높낮이 방향 위치변화와 각도의 변화가 급격한 용접공정에서, 토치의 회전시 토치의 끝단이 변화하지 않아 용접 토치와 용접선과의 거리를 일정하게 유지하고 용접 각도를 일정하게 유지하는 새로운 토치 회전기구를 제안하였다. 제안된 기구에서 동력원으로부터 전달된 운동에 의한 종속 링크의 동작 특성을 복소벡터 해석으로써 규명하고자 하였다. 나아가 용접진행 방향에 직각인 좌우로의 용접위치 오차는 없다고 가정하여, 제안된 토치 회전기구를 탑재한 2축의 2차원 용접선 자동추적장치를 제안하고, 이를 동적 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 모델화하고 추적 시뮬레이션을 실시하였다.

가설 설정

  • 5 제안된 내용으로는 회전 축의 회전기구에 대한 명확한 파악이 되지 않으나, 용접 위치가 고정된 상태로 토치를 회전하는 기구가 아니라, 토치 상부를 회전시키는 방식으로, 토치 끝이 용접선에 유지되기 위해서는 전체 축을 동시에 동작해야 하는 일반적인 다관절 기구로 판단할 수 있다.6 한편, 제안된 사례들에서는 공히, 주름판 소재는 박판의 레이저 가공면 등 절단면의 정도가 높아, 즉 용접선의 진직도가 매우 높아, 용접 진행 방향으로의 용접선 좌우 오차는 무시할 수 있다고 가정하고 있다.
  • 7 각 복소벡터(Ri)는 크기(ri)와 편각(θi)을 갖는다. 크기는 벡터의 길이이고, 편각은 각변위로, 수평에서 반시계 방향을 양으로 가정한다. 강체로 가정된 모든 링크 길이와 형상은 동작 중 일정하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
LNG 저장탱크의 특징은? LNG (Liquefied Natural Gas) 저장탱크는 탱크 내벽을 스테인리스강 소재의 주름판 (corrugated membrane)으로써 제작하여, 동작 중에 발생하는 큰 열팽창과 수축에 대응하게 된다.1 성형된 주름판은 단면이 직선부와 곡선부가 일정한 간격으로 반복되는 형상을 가지며, 이와 같은 주름 구조는 질량관성모멘트를 증가시켜 박판의 굽힘 강성을 확보하게 된다.
주름판과 주름판을 용접 이음으로 결합하기 위해서는 무엇이 요구되나? 탱크의 내벽은 주름판 소재의 측면을 연속적으로 결합하여 제작하게 되며, 결합에는 용접공정이 적용된다. 주름판과 주름판을 용접 이음으로 결합하기 위해서는 작업부재와 용접토치 간의 간격 유지, 토치 각도의 조절 등 용접기술의 정밀성이 요구되는 바, 주로 숙련된 작업자가 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접을 이용하여 수작업으로 수행되고 있다. 한편, 이와 같은 공정은 제작의 생산성이 낮고 제품의 품질이 균일하지 못한 문제점을 가지고 있어, 품질과 생산성 향성을 위해서는 해당 공정을 자동화할 수 있는 자동용접장치의 개발과 적용을 필요로 하고 있다.
LNG 탱크의 내벽 제작 시 요구되는 것은? 탱크의 내벽은 주름판 소재의 측면을 연속적으로 결합하여 제작하게 되며, 결합에는 용접공정이 적용된다. 주름판과 주름판을 용접 이음으로 결합하기 위해서는 작업부재와 용접토치 간의 간격 유지, 토치 각도의 조절 등 용접기술의 정밀성이 요구되는 바, 주로 숙련된 작업자가 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접을 이용하여 수작업으로 수행되고 있다. 한편, 이와 같은 공정은 제작의 생산성이 낮고 제품의 품질이 균일하지 못한 문제점을 가지고 있어, 품질과 생산성 향성을 위해서는 해당 공정을 자동화할 수 있는 자동용접장치의 개발과 적용을 필요로 하고 있다.
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참고문헌 (9)

  1. Kim, S. W., Lee, S. W., and Lee, J. N., "Finite Element Analysis of the Corrugated Membrane of LNG Storage Tank for its Geometric Design," Proc. of the KSPE Autumn Conference, pp. 620-624, 1997. 

  2. Wilson, C. E. and Sadler, J. P., "Kinematics and Dynamics of Machinery," Prentice Hall, 3rd Ed., pp. 27-82, 2003. 

  3. Erdman, A. G., Sandor, G. N., and Kota, S., "Mechanism Design: Analysis and Synthesis, Vol. 1," Prentice Hall, pp. 588-632, 2002. 

  4. Yu, J. Y., You, W. S., Na, S. J., Kang, G. H., and Han, Y. S., "A Study on Development of Automatic Welding System for Corrugated Membranes of the LNG tank," J. of Korean Welding Soc., Vol. 14, No. 1, pp. 99-106, 1996. 

  5. Kim, J. J. and Kim, H. S., "Automatic System for Plasma Welding of Corrugated Membranes," KOR Patent, No. 20-0300236, 2002. 

  6. Asfahl, C. R., "Robots and Manufacturing Automation," John Wiley & Sons, Inc., 2nd Ed., pp. 133-144, 1992. 

  7. Cleghorn, W. L., "Mechanics of Machines," Oxford University Press, pp. 149-173, 2005. 

  8. Knowledge Revolution, "Working $Model^{(R)}$ 2D, Ver. 4.0," 1996. 

  9. Yu, J.-Y., "A Study on the Vision Sensor for Automatic Welding of Height-Varying Weldments," Ph.D. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 1998. 

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