KR101997970B1 - 금속 파이프 브레이징 접합장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 금속 파이프 브레이징 접합장치는 다축 로봇 암; 다축 로봇 암의 종단에 결합된 접합 하우징; 접합 헤드의 일단에 돌출 형성되고 금속 파이프를 클램핑하고, 클램핑된 금속 파이프를 브레이징 온도로 가열하기 위한 저항 발열 전극이 형성된 클램핑 수단; 접합 헤드에 설치되고 금속 파이프의 접합부위의 온도를 센싱하기 위한 온도센서; 접합 헤드에 설치되고 금속 파이프의 접합부위의 위치를 검출하기 위한 비젼센서; 접합 헤드에 설치되고 금속 파이프의 접합부위의 위치에 용가재를 공급하기 위한 용가재 공급수단; 및 제어수단을 구비한다. 여기서 제어수단은 금속 파이프 브레이징 접합 제어프로그램을 수행한다. 따라서 로봇 암에 동관 브레이징 접합 헤드를 결합하여 동관의 브레이징 접합 작업을 자동화함으로써 생산성 향상을 기대할 수 있다.

Description

금속 파이프 브레이징 접합장치 및 방법{Brazing Joint Apparatus for Metal Pipes and Method thereof}

본 발명은 금속 파이프 브레이징 접합장치에 관한 것으로, 특히 에어컨디셔너 또는 냉장고 등의 냉각 시스템의 냉매관을 자동으로 접합하는 브레이징 장치를 로봇 시스템으로 구성하여 자동화함으로써 접합 품질을 향상하고 생산성을 향상시킬 수 있는 금속 파이프 브레이징 접합장치에 관한 것이다.

냉장고, 에어컨디셔너 등과 같은 제품에서는 냉각시스템의 냉매 순환통로로 주로 동 파이프를 사용한다. 사용된 동 파이프는 냉매 순환 통로를 형성하는 과정에서 원하는 길이로 동 파이프들을 브레이징 방식으로 연결하여 사용한다.

따라서 본 출원인은 화재 위험성이 없고 사용이 편리한 “카본 발열체를 이용한 동 파이프 브레이징 장치(특허등록번호 제10-0829546호)”를 특허 등록받은 바 있다.

상기 등록특허는 현장에서 작업자들이 휴대하기 간편한 클램프 타입으로 제작된 것이므로 현장 작업시 매유 편리하고 미숙련자도 손쉽게 사용이 가능하였다.

그러나 냉장고, 에어컨디셔너의 생산라인은 생산성 향상을 위하여 자동화가 요구되었으나 냉매관 접합만은 여전히 자동화 되지 못하고 작업자가 수동으로 처리 하기 때문에 생산성 향상에 한계가 있었다.

등록특허 10-0001838 등록특허 10-1609160 등록특허 10-1412650 등록특허 10-1265552 등록특허 10-0969007 등록특허 10-0704809

본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 냉장고, 에어컨디셔너와 같은 냉각 시스템의 냉매관을 자동으로 접합함으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 금속 파이프 브레이징 접합장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 금속 파이프 브레이징 접합장치는 다축 로봇 암; 다축 로봇 암의 종단에 결합된 접합 헤드; 접합 헤드의 일단에 돌출 형성되고 금속 파이프를 클램핑하고, 클램핑된 금속 파이프를 브레이징 온도로 가열하기 위한 저항 발열 전극이 형성된 클램핑 수단; 접합 헤드에 내장되고 상기 클램핑 수단의 전극에 전기에너지를 공급하기 위한 전원 공급수단; 접합 헤드에 설치되고 금속 파이프의 접합부위의 온도를 센싱하기 위한 온도센서; 접합 헤드에 설치되고 금속 파이프의 접합부위의 위치를 검출하기 위한 비젼센서; 접합 헤드에 설치되고 금속 파이프의 접합부위의 위치에 용가재를 공급하기 위한 용가재 공급수단; 및 제어수단을 구비한다. 여기서 제어수단은 금속 파이프 브레이징 접합 제어프로그램을 수행한다.

금속 파이프 브레이징 접합 제어프로그램은 다축 로봇 암을 제어하여 검출된 금속 파이프의 연결부위 근처로 접합 헤드를 이동시키고, 비젼센서를 통하여 금속 파이프의 연결부위를 검출하고, 클램프 수단을 제어하여 금속 파이프의 연결부위를 클램핑하고, 전극을 통하여 클램핑된 금속 파이프에 전류를 통전시켜 연결부위를 가열하고, 온도센서를 통해 연결부위의 온도를 검출하고, 검출된 온도가 브레이징 온도에 도달되면 용가재 공급수단을 제어하여 연결부위에 용가재를 접촉시켜서 용융시키고, 비젼센서를 통하여 연결부위의 접합상태를 검출하고, 접합이 완료되면 전극에 전류공급을 차단하는 동작을 구비한다. 따라서 로봇 암에 동관 브레이징 접합 헤드를 결합하여 동관의 브레이징 접합 작업을 자동화함으로써 생산성 향상을 기대할 수 있다.

본 발명에서 클램프 수단에 설치된 전극은 텅스텐 전극으로 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에서 용가재(필러) 공급수단은 비젼센서를 중심으로 좌우에 각각 설치되어, 금속 파이프의 접합부위의 양측에 동시에 은납 와이어를 각각 공급하는 것이 브레이징 작업 속도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 장치는 접합 하우징에 설치되고 금속 파이프의 연결부위에 플럭스를 분사하는 플럭스 분사수단을 더 포함한다. 여기서 제어수단은 전극에 전류를 통전시키기 전에 플럭스 분사수단을 제어하여 금속 파이프의 연결부위에 플럭스를 분사하는 동작을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 금속 파이프 브레이징 접합방법은 다축 로봇 암을 제어하여 검출된 금속 파이프의 연결부위 근처로 접합 헤드를 이동시키는 딘계; 비젼 센서를 통하여 금속 파이프의 연결부위를 검출하는 단계; 연결부위가 검출되면 클램프 수단을 제어하여 검출된 금속 파이프의 연결부위를 클램핑하는 단계; 클램핑 수단에 설치된 전극을 통하여 클램핑된 금속 파이프에 전류를 통전시켜 저항발열에 의해 금속 파이프의 연결부위를 가열하는 단계; 온도 센서를 통해 금속 파이프의 연결부위의 온도를 검출하는 단계; 검출된 온도가 브레이징 온도에 도달되면 용가재 공급수단을 제어하여 금속 파이프의 결부위에 용가재를 접촉시켜서 용융시키는 단계; 비젼 센서를 통하여 금속 파이프의 연결부위의 접합상태를 검출하는 단계; 접합이 완료되면 전극에 전류공급을 차단하는 단계를 구비한다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 냉각 시스템의 냉매동관의 브레이징 접합 작업을 로봇 암을 이용하여 자동화함으로써 생산성 향상을 기대할 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급된 효과로 제한되는 것은 아니며, 상기에서 언급되지 않은 다른 효과들은 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 로봇 암 형태의 금속 파이프 브레이징 접합 장치의 바람직한 일실시예를 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1의 로봇 암 형태의 금속 파이프 브레이징 접합 장치의 바람직한 일실시예의 블록도.
도 3은 도 1의 브레이징 접합 헤드의 정면도,
도 4는 도 1의 브레이징 접합 헤드의 우측면도.
도 5는 도 3의 A 부분 확대도.
도 6은 도 5의 A-A 선 단면도.
도 7은 본 발명에 의한 로봇 암 형태의 금속 파이프 브레이징 접합 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도.
도 8은 비젼 센서에 의해 픽업된 파이프 클램프 위치를 나타낸 화면 상태도.
도 9는 비젼 센서에 의해 픽업된 브레이징 접합 작업 전의 화면 상태도.
도 10은 비젼 센서에 의해 픽업된 브레이징 접합 작업 후의 화면 상태도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하고자 한다. 이 실시예는 이 기술에 숙련된 자들이 본 발명을 실시할 수 있게 충분히 상세하게 기술한다.

도 1은 본 발명에 의한 로봇 암 형태의 금속 파이프 브레이징 접합 장치의 바람직한 일실시예를 나타내고, 도 2는 도 1의 로봇 암 형태의 금속 파이프 브레이징 접합 장치의 바람직한 일실시예의 블록도를 나탄낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 금속 파이프 브레이징 접합 장치(10)는 다축 로봇 암(110)의 종단에 브레이징 접합 헤드(120)가 설치된 다축 로봇(100)과 이동식 제어반(200)을 포함한다. 제어반(200)은 모니터와 같은 표시수단(210), 키보드 및 마우스와 같은 입력수단(220) 및 컴퓨터와 같은 제어수단(230)을 포함한다.

도 2를 참조하면, 브레이징 접합 헤드(120)는 클램프 수단(120a), 용가재 공급수단(120b, 120c), 비젼 센서(129d), 온도 센서(120e) 및 플럭스 분사수단(120g)을 포함한다.

도 3은 도 1의 브레이징 접합 헤드의 정면도이고, 도 4는 도 1의 브레이징 접합 헤드의 우측면도이고, 도 5는 도 3의 A 부분 확대도이고, 도 6는 도 5의 A-A 선 단면도이다.

도면을 참조하면, 브레이징 접합 헤드(120)는 하우징(122)의 일단에 로봇 암(110)에 체결하기 위한 체결 플랜지(124)가 형성되고 타단에 클램프 수단(120a)이 결합되어 있다. 따라서 브레이징 접합 헤드(120)는 체결 플랜지(124)를 통해 로봇 암(110)의 종단에 나사 결합된다. 클램프 수단(120a)은 “ㄱ”자형 고정부재(C1)와 가동부재(C2)를 포함한다. 고정부재(C1)의 수직부(C1a) 일단은 하우징(122)의 타단에 고정되고, 하우징(122) 내에는 에어실린더(C3)가 설치된다. 에어실린더(C3)의 로드(C4)는 에어실린더(C3)로부터 고정부재(C1)의 수평부(C1b)를 향하여 돌출된다. 고정부재(C1)의 수직부(C1a)에는 가이드 홈(C1c)이 형성된다. 가이드 홈(C1c)에는 가동부재(C2)의 가이드 레일(C2a)이 삽입되어 가이드된다. 가동부재(C2)는 고정부재(C1)의 수평부(C1b) 내측면과 마주보는 전면을 가진다. 가동부재(C2)의 후면은 에어 실린더(C3)의 로드(C4) 종단에 결합된다. 따라서 가동부재(C2)는 에어실린더(C3)의 로드(C4)의 왕복운동에 의해 가이드 홈(C1c)을 따라 전후로 이동된다. 여기서 가동부재(C2)의 구동수단은 에어실린더 및 로드 구조로 설명하였으나 이에 국한되는 것은 아니고 서버 모터 또는 리니어 모터 등을 사용할 수 있다.

고정부재(C1)의 수평부(C1b) 내측면에는 가동부재(C2)를 향하여 돌출되게 제1전극(E1)이 나사 결합된다. 가동부재(C2)의 전면에는 고정부재(C1)의 제1전극(E1)을 향하여 돌출되게 제2전극(E2)이 나사 결합된다. 전극들(E1, E2)의 마주보는 면에는 요홈(E1a, E2a)이 각각 형성된다. 요홈((E1a, E2a)은 서로 겹쳐저서 접합하고자 하는 대구경 동 파이프(P1)의 외측면에 외접하는 곡률반경을 가진다. 전극들(E1, E2)은 텅스텐 재질로 구성된다.

고정부재(C1)의 수직부(C1a) 일측면에 용가재 공급수단(120b, 120c), 비젼 센서(120d), 온도 센서(120e) 및 플럭스 분사수단(120g)이 설치된다. 도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에서는 양 전극(E1, E2)의 마주보는 클램프 공간의 중심선상에 비젼 센서(120d)가 배치되고 좌우로 용가재 공급수단(120b, 120c)이 각각 배치된다. 온도 센서(120e)는 도 6에 도시한 바와 같이 비젼 센서와 동일한 위치에서 높이가 다른 위치에 배치된다. 플럭스 분사수단(120g)은 비젼 센서(120d)와 용가재 공급수단(120c)의 사이에 배치된다.

용가재 공급수단(120b, 120c)은 각각 통상의 와이어 릴 통과 와이어 공급 구동박스로 구성한다. 용가재 공급수단(120b, 120c)은 공급된 은납 와이어(AW1, AW2)의 종단이 대구경 파이프(P1)과 소구경 파이프(P2)의 겹친 부위의 틈새에서 대구경 파이프(P1)의 종단 상에 위치하도록 방위각 조정이 가능하다. 도 5에 도시한 바와 같이 은납 와이어(AW1, AW2)의 종단이 대구경 파이프(P1)의 일단에 접촉되어 가열된 대구경 파이프(P1)으로부터 전달된 열에 의해 용융되도록 공급된다. 본 발명에서 용가재 공급수단(120b, 120c)은 파이프의 양측에서 은납 와이어(AW1, AW2)가 동시에 접촉되어 용융되므로 파이프 틈새가 빠르게 채워지게 되므로 작업속도를 높일 수 있다. 용융된 용가재 용액은 표면장력에 의한 모세관 현상에 의해 파이프 틈새에 젖어들게 되고 냉각되면 응고되어 파이프 틈새를 기밀하게 접합할 수 있다.

비젼 센서(120d)는 고체촬상소자로 구성된 소형 카메라로 구성되고 해상도는 HD급 이상으로 구성한다. 비젼 센서(120d)는 줌밍 기능을 포함하는 것이 좋다. 클램핑 동작시에는 무한대로 하여 클램핑할 파이프 연결부위를 검출한다. 접합상태를 검출하기 위해서는 파이프의 접합부위를 줌밍하여 은납의 접합상태 이미지를 촬영한다.

온도 센서(120e)는 도 6에 도시한 바와 같이 대구경 파이프(P1)의 외부표면 온도를 측정하기 위하여 비접촉방식인 적외선 온도센서로 구성한다.

플럭스 분사수단(120g)은 파이프 연결 틈새에 플럭스를 분사하여 접착부위에 플럭스를 도포한다. 은납 와이어에 플럭스가 혼합된 경우에는 플럭스 분사수단을 제거할 수 있다.

이와 같이 구성한 본 발명의 작용효과는 아래와 같다.

도 7은 본 발명에 의한 로봇 암 형태의 금속 파이프 브레이징 접합 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 8은 비젼 센서에 의해 픽업된 파이프 클램프 위치를 나타낸 화면 상태도이고, 도 9는 비젼 센서에 의해 픽업된 브레이징 접합 작업 전의 화면 상태도이고, 도 10은 비젼 센서에 의해 픽업된 브레이징 접합 작업 후의 화면 상태도이다.

도 7을 참조하면, 제어수단(230)은 접합 작업 명령이 접수되면 금속 파이프 브레이징 접합 제어 프로그램를 실행한다. 먼저 제어수단(230)은 다축 로봇 암(110)을 제어하여 파이프를 비젼 센서(120d)로 스캔하면서 파이프의 연결부위를 검출한다(S10). 파이프 연결부위는 파이프(P1, P2)구경차로 인한 단차가 형성되어 있으므로 이미지 분석 알고리즘(윤관선 추출 알고리즘)을 통하여 쉽게 검출이 가능하다. 비젼 센서(120d)로 검출된 연결부위는 도 8에 도시한 바와 같이 단차가 존재한 부위로 판단된다.

이어서 제어수단(230)은 다축 로봇 암(110)을 미세 조작하여 연결부위의 클램프 위치로 접합 헤드(120)를 이동시킨다(S12). 도 8에 도시한 바와 같이 표시수단(210)의 스크린 상에는 클램프 렉티클이 표시되어 접합 헤드(120)의 연결부위 접근 제어를 처리한다.

이어서 제어수단(230) 연결부위에 접근되면 클램프 수단(120a)의 고정부재(C1)와 가동부재(C2) 사이에 파이프가 위치하도록 한 다음에 클램프 수단(120a)의 가동부재(C2)를 밀어 올려서 파이프를 두 전극들(E1, E2) 사이에 클램핑한다(S14). 클램핑 완료는 정해진 렉티클에 전극 이미지 패턴이 일치되는 순간으로 판단한다.

이와 같이 로봇 암(110) 및 클램프 수단(120a)을 통하여 연결부위의 클램핑 동작이 완료되면 제어수단(230)은 플럭스 분사수단(120g)을 제어하여 연결부위에 플럭스를 분사하여 플럭스를 도포한다(S16).

이어서 클램프 수단(120a)의 두 전극(E1, E2)에 전류를 통전시킨다(S18). 전류가 통전되면 파이프와 전극(E1, E2) 사이의 접촉 표면의 저항에 의해 저항발열이 생기고 이 발열에 의해 파이프의 표면온도가 상승하게 된다. 제어수단(230)은 온도센서(120e)를 통하여 파이프의 온도가 400℃ 이상의 브레이징 온도로 가열되는 것을 검출한다(S20).

제어수단(230)은 충분한 브레이징 온도로 가열된 상태가 되면 용가재 공급수단(120b, 120c)을 통하여 은납 와이어(AW1, AW2)를 가열된 파이프로 공급한다. 도 9는 공급된 은납 와이어(AW1, AW2)가 가열된 파이프에 접촉되는 상태의 이미지를 나타낸다. 따라서 제어수단(230)은 도 9의 화면 이미지를 분석하여 용가재 공급수단(120b, 120c)을 제어한다.

공급된 은납 와이어(AW1, AW2)는 파이프에 접촉되면 전도된 열에 의해 용융된다.

용융된 용가재는 파이프 틈새를 타고 표면장력 및 모세관 현상에 의해 파이프 틈새에 젖어들게 된다. 그러므로 두 동 파이프(P1, P2)의 접합부 사이가 확실하고 견고하게 밀봉 접합된다(S22).

제어수단(230)은 도 10의 이미지분석을 통하여 은납이 젖어 들어간 프로파일 상태를 검출한다(S24). 이 검출에 의해 용가재의 파이프 틈새 충진이 완료되면 제어수단은 전극(E1, E2)에 인가된 전류를 차단하고 용가재 공급수단(120b, 120c)을 통한 용가재의 공급을 중단하여 브레이징 접합 작업을 종료한다(S26).

제어수단(230)은 접합 작업이 종료되면 접합부위의 이미지 프로파일을 분석하여 접합상태의 불량여부를 분석한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 클램프 수단은 집게 형상으로 구성하는 것도 가능하다.

100 : 다축 로봇
110 : 로봇 암
120 : 접합 헤드
120a : 클램프 수단
120b, 120c : 용가재 공급수단
120d : 비젼 센서
120e : 온도 센서
200 : 제어반
210 : 표시수단
220 : 입력수단
230 : 제어수단

Claims (6)

1. 금속 파이프들을 겹치기 접합시키기 위한 금속 파이프 브레이징 접합장치에 있어서,
   다축 로봇 암(110); 상기 다축 로봇 암(110)의 종단에 결합된 접합 헤드(120); 상기 접합 헤드(120)의 일단에 돌출 형성되고 금속 파이프를 클램핑하고, 클램핑된 금속 파이프를 브레이징 온도로 가열하기 위한 저항 발열 전극이 형성된 클램프 수단(120a); 상기 접합 헤드(120)에 설치되고 상기 금속 파이프의 접합부위의 온도를 센싱하기 위한 온도센서(120e); 상기 접합 헤드(120)에 설치되고 상기 금속 파이프의 접합부위의 위치를 검출하기 위한 비젼 센서(120d); 상기 접합 헤드(120)에 설치되고 상기 금속 파이프의 접합부위의 위치에 용가재를 공급하기 위한 용가재 공급수단(120b, 120c) 및 제어수단(230)을 구비하고,
   상기 제어수단(230)은 금속 파이프 브레이징 접합 제어프로그램을 수행하고,
   상기 금속 파이프 브레이징 접합 제어프로그램은
   상기 다축 로봇 암(110)을 제어하여 검출된 금속 파이프의 연결부위 근처로 상기 접합 헤드(120)를 이동시키고, 상기 비젼 센서(120d)를 통하여 금속 파이프의 연결부위를 검출하고, 상기 클램프 수단(120a)을 제어하여 금속 파이프를 클램핑하고, 상기 전극을 통하여 클램핑된 금속 파이프에 전류를 통전시켜 연결부위를 가열하고, 상기 온도센서(120e)를 통해 연결부위의 온도를 검출하고, 검출된 온도가 브레이징 온도에 도달되면 상기 용가재 공급수단(120b, 120c)을 제어하여 상기 연결부위에 용가재를 접촉시켜서 용융시키고, 상기 비젼 센서(120d)를 통하여 연결부위의 접합상태를 검출하고, 접합이 완료되면 전극에 전류공급을 차단하는 동작을 구비한 금속 파이프 브레이징 접합장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 클램프 수단(120a)에 설치된 전극은 텅스텐 전극으로 형성된 금속 파이프 브레이징 접합장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 용가재 공급수단(120b, 120c)은
   상기 비젼 센서(120d)를 중심으로 좌우에 각각 설치되어, 금속 파이프의 접합부위의 양측에 동시에 은납 와이어를 각각 공급하는 금속 파이프 브레이징 접합장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 장치는
   상기 접합 헤드에 설치되고 금속 파이프의 연결부위에 플럭스를 분사하는 플럭스 분사수단(120g)을 더 포함하고,
   상기 제어수단(230)은 전극에 전류를 통전시키기 전에 상기 플럭스 분사수단(120g)을 제어하여 금속 파이프의 연결부위에 플럭스를 분사하는 동작을 더 포함하는 금속 파이프 브레이징 접합장치.
5. 금속 파이프들을 겹치기 접합시키기 위한 금속 파이프 브레이징 접합방법에 있어서,
   다축 로봇 암(110)을 제어하여 검출된 금속 파이프의 연결부위 근처로 접합 헤드(120)를 이동시키는 딘계;
   비젼 센서(120d)를 통하여 금속 파이프의 연결부위를 검출하는 단계;
   연결부위가 검출되면 클램프 수단(120a)을 제어하여 검출된 금속 파이프의 연결부위를 클램핑하는 단계;
   상기 클램프 수단(120a)에 설치된 전극을 통하여 클램핑된 금속 파이프에 전류를 통전시켜 저항발열에 의해 금속 파이프의 연결부위를 가열하는 단계;
   온도 센서(120e)를 통해 금속 파이프의 연결부위의 온도를 검출하는 단계;
   검출된 온도가 브레이징 온도에 도달되면 용가재 공급수단(120b, 120c)을 제어하여 금속 파이프의 결부위에 용가재를 접촉시켜서 용융시키는 단계;
   비젼 센서(120d)를 통하여 금속 파이프의 연결부위의 접합상태를 검출하는 단계; 및
   접합이 완료되면 전극에 전류공급을 차단하는 단계를 구비한 금속 파이프 브레이징 접합방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 전극에 전류를 통전시키기 전에 플럭스 분사수단(120g)을 제어하여 금속 파이프의 연결부위에 플럭스를 분사하는 단계를 더 포함하는 금속 파이프 브레이징 접합방법.

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