Ⅱ. 철골용접 로봇시스템

1. 서 론

용접로봇은 현대의 건축철골 제작에서 필수적인 생산기술로 자리 잡고 있으며, 철골용접 로봇시스템은 틸팅리스, 철골용접에 맞춘 간단한 조작, 다품종 소량생산 등의 특성을 갖고 있다.

여기에 철골생산성의 향상과 용접부의 품질을 확보하는 것이 매우 중요하다.

철골용접 로봇시스템에서 로봇화가 진전을 보이는 이유는 철골용접에 관한 정보를 충분하게 활용하고 있는 철골전용의 소프트웨어가 중요한 역할을 완수하고 있기 때문이다.

2. 건축철골용접의 로봇시스템

가. 건축철골 용접의 개요

공장에서 제작하는 건축철골의 기둥에 대한 용접작업은 코아용접, 이음매용접, 기둥용접의 순서로 진행된다.

용접로봇은 기둥용접을 중심으로 이용되며, 용접부의 이음형상은 35° 베벨형 개선, 용접자세는 하향용접이다. CO2 가스 아크용접이 많이 사용되며, 용접재료는 JIS Z 3312 등을 사용한다.

또한 일본로봇공업회에서는 JARAS 1012(WES 8703) ‘건축철골용접로봇의 형식인증에 대한 시험방법 및 판정기준’ 및 JARAS 1013(WES 8704) ‘건축철골용접로봇의 형식인증기준’을 토대로 하여 인증시험을 실시한다.

그리고 철골용접 로봇시스템에서는 CAM 시스템의 일종인 용접로봇의 틸팅프로그램을 작성할 수 있다. 이 소프트웨어는 철골의 조립방법과 오차 등을 고려하여 그것을 보정하기 위한 로봇동작을 행하는 기능을 갖추고 있다.

최신의 철골 소프트웨어에서는 용접로봇의 운전을 제어할 수 있으며, 이를 위해 로봇 컨트롤러는 네트워크에 접속하여 대량의 데이터를 교환할 수 있어야 한다.

또한 로봇의 센싱 결과를 이용하여 동적인 용접 프로그램의 작성과 용접조건의 변환을 실시해야 한다.

3. 생산성 향상의 과제와 효율화의 실례

철골제작의 현장에 요구되는 납기의 단기화에 대응하기 위해서는 다음 세 가지 사항의 효율화가 필요하다.

바로 첫째 작업 절차, 둘째 용접 시간, 셋째 로봇 운용범위의 확대이다.

첫째 작업 절차는 용접대상물의 교환과 조작의 간편화, 둘째 용접 시간에서는 능률, 부품교환의 관리, 마지막으로 로봇 운용범위의 확대에서는 가동률의 향상이란 부분에 대한 효율성을 고려해야한다.

가. 작업 절차의 효율화

용접대상물이 작을수록 용접 시간에 대한 로봇의 정지시간 비율이 높게 되어 생산성이 저하된다.

따라서 용접이 완료된 대상물을 교환하지 않고, 용접 중에 다음번 대상물의 코어를 세팅하는 시스템 등을 활용하여 이와 같은 문제점을 개선하였다.

나. 진척상황의 파악에 따른 작업의 효율화

공정 상태를 파악하고 그 정보를 활용하여, 원래의 작업 절차와 공정의 흐름을 개선시킨다.

이는 철골 소프트웨어에서는 이음 전체의 패스 수에 대하여, 용접이 완료된 패스 수를 표시하여 작업의 진척도를 파악할 수 있으며 종료 예상시각을 표시해준다.

따라서 그만큼 진척상황의 파악으로 작업의 효율화가 높아지는 것이다.

다. 2 아크용접에 의한 고능률화

철골제작의 비용절감과 납기 단축을 위해 2개의 용접토치를 사용하여 두 곳의 이음부를 동시에 용접하는 기술이다.

코너부의 동시 용접에서 용접이음부의 그루브 간격 차이가 큰 경우, 종전에는 다층 오버레이 용접법을 이용하여 목 두께를 맞추었으나, 현재는 알고리즘을 개량하여 이 문제를 해결하였다.

라. 슬래그 제거의 자동화

다층용접 시, 용접비드에 쌓이는 슬래그를 제거하기 위해 종전에는 로봇의 가동을 정지하여 용접작업이 중단되었지만, 현재는 로봇에 용접토치와 슬라그 제거용 정을 부착하여 로봇의 가동을 계속 유지시킬 수 있다.

선행 비드에 대한 아크센서와 접촉 센싱으로 용접궤적을 보정하고 그 데이터를 토대로 하여 슬래그 제거 프로그램을 작성하기 때문에 용접중의 열변형률에 의한 변형에도 뒤따라 할 수 있다.

4. 결 론

철골기둥의 대조립에 ‘2 아크 용접기술’을 적용하여 철골제작의 생산성을 향상시키기 위해서는 용접시간뿐만 아니라, 용접전후 공정의 효율을 높이는 것도 중요하다.

향후 중핵부분에 용접로봇을 보급하는 데 있어서 철골용접의 공정 전체를 효율화하기 위해서는 신기술과 로봇의 적용범위를 확대하는 새로운 시스템의 개발이 이어져야 할 것이다.

5. 철골용접 로봇시스템에 대한 제언

철골제작 공장에서 로봇 용접이 차지하는 비중이 매우 높아서 용접공정이 전체의 40~90%를 차지하고 있으며, 철골용접 로봇의 고능률화는 용접시간의 단축에 달려있다.

이와 같이 철골의 제작에서 용접기술의 역할은 매우 중요하며 철골구조물의 품질과 성능, 안전성을 확보하고 생산성을 높이기 위해서는 용접공정과 시공기술의 개발이 필수적이다.

복수의 토치를 사용하여 두 곳의 이음부를 용접하면 작업시간이 단축되고 서로 다른 장소에서 입열량의 제한을 받지 않으면서 적정한 용착량의 범위 내에서 동시에 용접을 할 수 있어서 두 배의 능률을 얻을 수 있다.

복수의 토치를 사용하는 2 아크 용접시스템을 운용하는 경우에는 일층비드 용접에서 루트 간격이 변동하면 위빙 폭의 목표위치와 용접속도가 변하며, 또한 용접부의 단면적도 크게 바뀌어 용접전류도 크게 변한다.

따라서 루트간격의 분산에 대한 철저한 기술적 검토와 대비가 필요하다.

고능률 용접시공의 관점에서 CO2 가스 아크용접과 ArCO2 혼합가스 아크용접을 비교하면, ArCO2 혼합가스 아크용접은 용접와이어의 송급 속도에 대한 용접전류가 높기 때문에 용접입열량의 제한을 받는 철골용접에서는 CO2 가스 아크용접에 비해 용착속도가 낮다.

따라서 철골구조물의 로봇용접시스템에서는 CO2 가스 아크용접시공이 유리하다.

최근 들어 초대형 철골건축물의 건설이 증가하고 있는 우리나라는 이 분야에서 국제경쟁력을 확보할 수 있도록 철골구조물의 생산성을 높이기 위한 용접기술의 개발과 확보에 노력해야 한다.

또한 철골제작회사와 설계자, 건축건설 현장 시공자 등 관련 기술자들은 제작관리, 시공관리, 그리고 공사감리를 효율적으로 수행할 수 있도록 건축구조물의 용접제작과 검사기술을 고급 수준으로 개발하는 데 노력을 기울여야 한다.

본 내용에서 제공하는 철골용접 로봇시스템에 관한 기술정보는 향후 건축용 철골조의 생산성 향상을 위한 용접기술을 확립하는 데 좋은 참고자료로 활용될 것이다.

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