로봇식 용접 포지셔너가 용접 품질과 출력 효율성을 향상시키는 방법

로봇식 용접 포지셔너 용접 로봇이 항상 최적의 평면 또는 수평 위치에서 작동할 수 있도록 작업물의 위치를 지속적으로 변경하여 용접 품질과 출력 효율성을 향상시키고, 관통 및 비드 일관성을 저하시키는 오버헤드 및 수직 패스를 제거합니다. 실제적으로 로봇 포지셔너를 통합한 제조업체는 수동 용접 작업의 2~5%에 비해 사이클 시간이 20~40% 단축되고 결함률이 0.1%로 낮다고 보고했습니다.

이 가이드에서는 로봇 용접 포지셔너의 작동 방식, 사용 가능한 유형, 올바른 구성을 선택하는 방법, 적절하게 통합된 시스템에서 기대할 수 있는 측정 가능한 결과를 다룹니다.

로봇식 용접 포지셔너 작동 방식

로봇식 용접 포지셔너는 용접 로봇의 조정 제어에 따라 작업물을 회전, 기울이기 또는 뒤집는 모터식 고정 장치로, 모든 용접 접합부가 증착에 이상적인 각도로 표시되도록 합니다. 로봇 팔이 도달하기 어려운 위치로 뒤틀릴 필요 없이 포지셔너는 관절을 로봇에 가져옵니다. 즉, 일관된 비드 형상으로 완전 관통 용접을 생성하는 평평하거나 약간 기울어진 방향을 유지합니다.

포지셔너는 공유 I/O 또는 필드버스 프로토콜(일반적으로 EtherCAT, DeviceNet 또는 PROFINET)을 통해 로봇 컨트롤러와 통신하여 모션을 완전히 동기화할 수 있습니다. 로봇이 한 면의 용접 패스를 완료하면 로봇이 토치를 재설정하는 동안 포지셔너에 부품을 다음 관절 위치로 인덱싱하라는 신호를 보냅니다. 이 조정된 핸드오프는 수동 재배치 시간을 완전히 없애줍니다.

가장 현대적인 로봇식 용접 포지셔너 로봇 컨트롤러에서는 외부 축으로 처리됩니다. 2축 포지셔너와 통합된 6축 로봇은 모든 축이 실시간으로 조정되는 8축 시스템이 됩니다. 이는 로봇과 포지셔너가 동시에 움직일 수 있다는 것을 의미합니다. 즉, 토치가 이동하는 동안 공작물이 회전하므로 고정 장치로는 기하학적으로 불가능했던 복잡한 나선형 및 연속 나선형 용접 경로가 가능합니다.

서보 모터는 일반적으로 ±0.01도까지 정확한 각도 피드백을 제공하는 정밀 인코더를 사용하여 포지셔너 회전 및 틸트 축을 구동합니다. 부하 용량 범위는 소형 부품 포지셔너의 경우 100kg 미만부터 조선 및 철도 차량 제조에 사용되는 무거운 구조 제작 시스템의 경우 30,000kg 이상입니다.

로봇식 용접 포지셔너의 유형

다섯 가지 기본 유형의 로봇 용접 포지셔너는 각각 고유한 공작물 형상 및 생산 시나리오를 다룹니다. — 애플리케이션에 잘못된 유형을 선택하는 것은 가장 흔하고 비용이 많이 드는 통합 실수 중 하나입니다.

1. 주축대-심압대(H/T) 포지셔너

주축대-심압대 포지셔너는 로봇 용접 셀에서 가장 널리 사용되는 유형으로, 긴 원통형 및 관형 구성 요소에 적합합니다. 공작물은 구동 헤드스톡과 패시브 또는 구동 심압대 사이에 고정되어 세로 축을 따라 연속 360도 회전이 가능합니다. 일반적인 응용 분야에는 압력 용기, 배기 매니폴드, 구조용 빔 및 파이프 조립품이 포함됩니다.

• 부하 용량: 500kg ~ 20,000kg(중심 정격)
• 회전 속도: 0.01~3RPM, 서보 제어
• 일반적인 용도: 파이프 스풀, 액슬 샤프트, 원통형 압력 용기
• 주요 이점: 지속적인 회전으로 중단 없이 전체 원주 용접이 가능합니다.

2. 턴테이블(단일축) 포지셔너

턴테이블 포지셔너는 단일 수평 또는 기울어진 평면에서 공작물을 회전시켜 로봇 용접 자동화를 위한 가장 간단하고 비용 효율적인 진입점이 됩니다. 평평한 면판은 부품을 회전시켜 다양한 용접 접합을 순차적으로 표시합니다. 이는 평판 제작, 브래킷 조립 및 대칭 용접에 매우 적합합니다. 기본 턴테이블 장치의 가격은 다축 시스템 비용보다 훨씬 낮은 $8,000~$15,000 정도입니다.

• 부하 용량: 50kg ~ 5,000kg
• 축: 1(회전)
• 일반적인 용도: 브래킷 어셈블리, 엔진 마운트, 평면 용접물
• 주요 이점: 저렴한 비용, 간단한 프로그래밍, 최소 설치 공간

3. 2축(틸트-회전) 포지셔너

2축 틸트-회전 포지셔너는 복잡한 3D 어셈블리의 로봇 용접을 위한 가장 다용도의 다목적 솔루션입니다. 완전한 360도 회전과 결합된 틸팅 헤드(일반적으로 0~135도)를 통해 사실상 모든 관절을 편평한 위치에 표시할 수 있습니다. 이러한 포지셔너는 가장 다양한 부품 형상과 함께 작동하며 다양한 부품군을 취급하는 작업장에 대한 기본 권장 사항입니다. 용량에 따라 $20,000~$60,000를 투자할 것으로 예상됩니다.

• 부하 용량: 250kg ~ 10,000kg
• 축: 2(틸트 회전)
• 일반적인 용도: 농업 장비, 건설 기계, 복잡한 구조 프레임
• 주요 이점: 단일 장치에서 가장 광범위한 부품 형태를 처리합니다.

4. 관람차(이중 스테이션) 포지셔너

대관람차 포지셔너는 로봇이 다른 스테이션에서 용접하는 동안 작업자가 한 스테이션을 로드 및 언로드할 수 있도록 하여 처리량을 극적으로 증가시킵니다. , 부품 교체로 인한 로봇 유휴 시간을 효과적으로 제거합니다. 두 스테이션은 중심 축을 중심으로 회전합니다. 스테이션 A에서 용접이 완료되면 포지셔너가 180도 인덱싱하여 스테이션 B를 로봇에 제공하고 운영자 서비스 스테이션 A를 제공합니다. 대량 생산에서 이 구성은 단일 스테이션 셀의 40~55%에 비해 로봇 아크 온 시간을 85% 이상으로 유지할 수 있습니다.

• 부하 용량: 스테이션 당 200kg ~ 3,000kg
• 축: 스테이션당 1개(인덱스) 최대 2개(틸트 회전)
• 일반적인 용도: 자동차 하위 어셈블리, 트레일러 히치, 대용량 반복 부품
• 주요 이점: 로봇 아크 온 시간을 극대화하여 대량 생산에 이상적

5. 스카이훅 및 트러니언 포지셔너

트러니언 포지셔너는 표준 포지셔너 설계가 질량 또는 무게 중심 오프셋을 처리할 수 없는 광산 장비 프레임, 풍력 터빈 구성 요소 및 철도 차량 본체와 같은 매우 크고 무거운 용접물을 위해 설계되었습니다. 부품은 반대편에 있는 두 개의 트러니언 지점에서 지지되어 5,000kg에서 30,000kg 이상의 하중을 회전할 수 있습니다. 스카이훅 변형은 부품을 머리 위에 매달아 로봇이 장애물 없이 모든 하부 표면에 접근할 수 있도록 합니다.

• 부하 용량: 5,000kg ~ 30,000kg
• 일반적인 용도: 광산 장비, 풍력 에너지 구조물, 무거운 철도 제작
• 주요 이점: 안정적인 무게 중심 제어로 극한의 탑재량을 처리합니다.

로봇식 용접 포지셔너 유형: 나란히 비교

아래 표에서는 로봇 용접 셀용 시스템을 지정할 때 가장 중요한 치수 전반에 걸쳐 5가지 포지셔너 유형을 모두 비교합니다.

표 1: 축, 부하 용량, 로봇 아크 온 시간, 비용 및 기본 응용 분야별 로봇 용접 포지셔너 유형 비교.

로봇식 용접 포지셔너의 주요 이점

로봇 용접 포지셔너 통합의 주요 이점은 측정 가능하고 정량화 가능한 용접 품질 개선과 총 사이클 시간 단축입니다. — 수동 작업에서는 자주 충돌하지만 로봇 포지셔너 시스템에서는 동시에 달성되는 두 가지 목표입니다.

일관된 플랫 포지션 용접

중력은 용접의 근본적인 문제입니다. 용융된 용접 풀 금속은 아래로 흐릅니다. 즉, 오버헤드(4G) 및 수직(3G) 위치에서는 처짐 및 언더필을 방지하기 위해 더 높은 용접 기술과 느린 이동 속도가 필요합니다. 로봇 포지셔너는 부품을 회전시켜 모든 조인트가 평평한(1G) 또는 수평 필렛(2F) 위치에 표시되도록 함으로써 이러한 위치를 완전히 제거합니다. 이 두 위치는 가장 빠른 이동 속도, 가장 깊은 침투 및 가장 일관된 비드 프로필을 허용하는 두 위치입니다. 실제적인 측면에서 플랫 포지션 GMAW 이동 속도는 분당 80~120인치에 도달할 수 있는 반면 위치를 벗어난 패스의 경우 20~40IPM에 달할 수 있습니다.

사이클 시간 단축

대부분의 서보 구동 포지셔너에서는 용접 접합부 사이의 자동 재배치에 인덱스당 3~8초가 소요됩니다. 고정 해제, 리프팅, 위치 조정 및 재클램핑을 포함하여 작업자가 수동으로 위치를 변경하는 작업은 일반적으로 작업당 45~120초가 소요되며 가변성이 발생합니다. 8번의 위치 변경이 필요한 부품의 경우 이 차이만으로 장치당 비아크 시간이 6~15분 절약됩니다. 교대조당 20개 부품을 사용하면 매일 2~5시간의 복구 용량을 나타냅니다.

불량률 및 재작업 비용 감소

조정된 포지셔너를 갖춘 로봇 용접 셀은 지속적으로 0.5% 미만의 결함률을 달성하며, 동급 최고의 운영에서는 0.05~0.1%의 결함률을 보고합니다. 이에 비해 유사한 응용 분야의 수동 용접 작업은 평균 2~5%의 결함률을 갖습니다. 용접 재작업 비용이 일반적으로 연삭, 재용접, 열 변형 교정 및 재검사로 인해 원래 용접 비용보다 5~10배 높다는 점을 감안할 때 연간 10,000개 생산 실행에서 결함률을 3%에서 0.2%로 줄이면 재작업 방지 비용이 $200,000~$800,000에 이를 수 있습니다.

확장된 로봇 도달 범위 및 액세스

로봇 팔에는 고정된 도달 범위가 있습니다. 복잡한 제작에서 일부 관절은 고정된 로봇 위치에서 기하학적으로 접근이 불가능할 수 있습니다. 포지셔너는 공작물을 회전하고 기울임으로써 로봇의 기능 범위를 효과적으로 확장합니다. 즉, 로봇 자체의 위치를 ​​바꾸지 않고도 로봇의 작업 영역 내에서 원격 관절을 가져올 수 있습니다. 이는 용접 이음매가 전체 부품 둘레를 감싸는 자동화된 파이프라인 용접 및 압력 용기 제조에 특히 유용합니다.

향상된 운전자 안전

무거운 용접물의 위치를 수동으로 조정하는 것은 심각한 근골격 부상 위험이 있습니다. 무게가 50~500kg인 구성품에는 오버헤드 크레인이나 여러 명의 작업자가 필요하며, 부적절한 리프트는 제조 공장에서 작업장 부상의 주요 원인입니다. 로봇 포지셔너는 용접 공정 중 모든 수동 조작을 제거합니다. 작업자는 적절한 리프팅 보조 장치를 사용하여 고정 장치를 로드 및 언로드하지만 용접 중 위치 조정은 전적으로 기계로 구동됩니다. 이는 근로자 보상 청구 감소와 OSHA 규정 준수 향상에 기여합니다.

올바른 로봇식 용접 포지셔너를 선택하는 방법

올바른 로봇 용접 포지셔너를 선택하려면 부품 중량 및 형상, 생산량, 로봇 호환성, 바닥 공간 및 예산 등 5가지 중요한 매개변수를 평가해야 합니다. 이러한 잘못된 것 중 하나라도 발생하면 설치 후 수정하는 데 비용이 많이 드는 문제가 발생합니다.

1단계 - 부품 봉투 및 중량 정의

단순 부품뿐만 아니라 고정 장치 및 툴링을 포함한 최대 공작물 중량을 계산합니다. 포지셔너 용량을 지정할 때 이 수치에 25~30%의 안전 여유를 추가하십시오. 예를 들어, 40kg 고정 장치가 포함된 300kg 무게의 부품은 최소 450kg 포지셔너로 평가되어야 합니다. 또한 회전 축에서 오프셋된 무게 중심을 계산합니다. 편심 하중에는 감소된 용량 또는 평형추가 필요하며 포지셔너 제조업체는 드라이브 시스템을 지정하기 전에 이를 평가해야 합니다.

2단계 - 부품 형상 및 조인트 접근성 평가

존재하는 용접 접합 수, 서로에 대한 방향, 단일 축 회전이 모든 접합을 평평한 위치에 표시하기에 충분한지 여부를 확인합니다. 여러 개의 수직면에 조인트가 있는 경우 2축 틸트-회전 포지셔너가 필요합니다. 조인트가 장축에서 원주형인 경우 주축대-심압대가 자연스러운 선택입니다. 포지셔너 유형을 선택하기 전에 CAD에서 부품을 스케치하거나 모델링하고 회전 순서를 시뮬레이션하십시오.

3단계 - 포지셔너를 로봇 컨트롤러에 일치

포지셔너의 구동 시스템이 로봇 컨트롤러의 외부 축 인터페이스와 호환되는지 확인하십시오. 대부분의 주요 로봇 OEM은 전용 축 보드 또는 필드버스 연결을 통해 외부 축 조정을 지원합니다. 프로젝트 초기에 포지셔너의 서보 드라이브 프로토콜 요구 사항을 지정합니다. 일치하지 않는 통신 프로토콜은 통합 지연의 일반적인 원인입니다. 컨트롤러가 지원하는 최대 조정 외부 축 수를 확인하세요(컨트롤러 세대에 따라 일반적으로 3~7개).

4단계 - 생산량 요구량 계산

부품 다양성이 높고 연간 부품 생산량이 5,000개 미만인 경우 단일 2축 틸트-회전 포지셔너가 일반적으로 최고의 수익을 제공합니다. 다양성이 제한되어 연간 부품 수가 20,000개를 초과하는 경우 대관람차 듀얼 스테이션 구성을 통해 셀 설치 공간 제곱미터당 처리량을 극대화할 수 있습니다. 소량, 고가치 구조 제작의 경우, 연간 생산량이 적더라도 더 높은 용량을 갖춘 주축대-심압대 또는 트러니언 포지셔너가 보장됩니다.

5단계 - 바닥 공간 및 안전 경계선 평가

포지셔너의 회전 범위는 로봇 셀의 안전 펜스 경계 내에 완전히 포함되어야 하며 모든 회전 각도에서 최대 부품 치수에 대한 적절한 여유 공간이 있어야 합니다. 주축대-심압대에서 회전하는 길이 1,200mm의 부품에는 회전축에서 주변 구조물까지 최소 700mm의 여유 반경이 필요합니다. 안전 라이트 커튼 또는 영역 스캐너는 로봇 팔과 회전 포지셔너 모두의 전체 동적 범위를 고려하여 배치되어야 합니다.

표 2: 생산 시나리오, 부품 중량, 부피 및 예상 투자 수익 기간에 따른 포지셔너 선택 가이드.

로봇 용접 셀과 통합

로봇식 용접 포지셔너를 성공적으로 통합하려면 셀 설계 초기 단계부터 기계 설계, 소프트웨어 프로그래밍, 안전 시스템 구성 전반에 걸쳐 조정된 계획이 필요합니다. — 포지셔너를 기존 셀에 개조하는 것은 가능하지만 처음부터 설계하는 것보다 지속적으로 더 많은 비용과 시간이 소요됩니다.

외부 축 조정 및 프로그래밍

로봇 포지셔너 시스템을 조정된 외부 축으로 프로그래밍한다는 것은 로봇 프로그램의 모든 학습 지점에 로봇 관절 위치와 포지셔너 각도가 동시에 포함된다는 의미입니다. 프로그램이 실행되면 컨트롤러는 모든 축을 실시간으로 보간합니다. 즉, 로봇이 토치를 이동하는 동안 포지셔너가 회전하여 와이어 팁과 용접 접합부 사이의 일정한 상대 위치를 유지합니다. 이러한 조화로운 동작은 나선형 용접, 원추형 이음매 및 순차적 인덱스 및 용접 접근 방식이 비드에 중지-시작 표시를 남기는 모든 형상에 필수적입니다.

고정 장치 및 툴링 설계

포지셔너의 페이스플레이트 또는 척 인터페이스는 툴링 설계와 일치해야 하며, 툴링은 0.5mm 이상으로 부품을 반복적으로 찾아야 합니다. 이는 솔기 추적 없이 일관되게 조인트 홈에 닿는 로봇 아크 용접 프로그램에 필요한 공차입니다. 1.5mm보다 큰 위치 오류가 발생하는 툴링에는 레이저 또는 아크 전압 솔기 추적 시스템을 추가하여 동적으로 보상해야 하며 셀 비용에 $8,000~$25,000가 추가됩니다.

안전 아키텍처

로봇 용접 포지셔너는 로봇 팔 단독의 위험 구역을 넘어서는 동적 위험 구역을 생성합니다. 회전하는 면판과 부품 자체는 회전 중에 클램프가 실패할 경우 끼임 지점, 압착 위험 및 발사체 위험을 구성합니다. 안전 등급 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)는 모든 포지셔너 축의 고정 클램프 상태, 토크 제한 및 속도 제한을 모니터링해야 합니다. 안전 시스템은 안전 입력이 충족되지 않는 경우 포지셔너를 정지 상태로 유지해야 하며, 비상 정지 시 자유 회전 관성 하강이 아닌 제동 유지 상태로 안전해야 합니다.

로봇식 용접 포지셔너를 사용하는 산업

로봇식 용접 포지셔너는 중공업 및 정밀 제조의 거의 모든 부문에 배치됩니다. , 소비재부터 중요한 항공우주 구조물까지.

• 자동차 및 Tier 1 공급업체: 배기 시스템, 섀시 서브프레임, 서스펜션 구성 요소 및 시트 프레임 - 일반적으로 높은 볼륨과 빠른 사이클 시간을 위해 관람차 셀을 사용합니다.
• 농업 장비: 로더 암, 붐 어셈블리 및 기구 프레임 - 용량이 1,000~5,000kg인 2축 틸트-회전 포지셔너의 이점을 활용하는 무겁고 비대칭 용접물
• 석유 및 가스: 압력 용기 셸, 파이프라인 스풀 조각 및 플랜지 하위 어셈블리 - 대부분의 구성품이 원통형 구조로 되어 있기 때문에 주축대-심압대 포지셔너가 이 부문을 지배합니다.
• 건설장비: 굴삭기 붐, 균형추, 버킷 연결 장치 및 크레인 구성 요소 - 종종 조선소 외부에서 가장 큰 로봇 용접 응용 분야에 사용되며 트러니언 또는 견고한 틸트-회전 포지셔너가 필요합니다.
• 항공우주 및 방위: 연료 탱크 섹션, 기체 구조 구성 요소 및 로켓 모터 케이싱 — 각도 정확도 요구 사항이 0.01도 이상인 고정밀 포지셔너를 사용하여 통제된 환경에서 용접됨
• 철도 및 교통: 보기 프레임, 커플러 어셈블리 및 철도 차량 차체 섹션 - 일반적으로 대형 트러니언 포지셔너와 함께 작동하는 로봇 갠트리 시스템과 용접됩니다.
• 재생 가능 에너지: 풍력 터빈 타워 섹션, 나셀 프레임 및 태양광 추적기 구조 - 맞춤형 엔지니어링 포지셔너 시스템이 필요한 매우 크고 무거운 구성 요소

로봇식 용접 포지셔너에 대해 자주 묻는 질문