KR100200440B1

KR100200440B1 - 버트 용접 작업부재용 용접기 자동 정렬장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100200440B1
Application number: KR1019910005908A
Authority: KR
Inventors: 다불류 네이글 윌리엄; 제이 져스티스 로버트; 아아르 후우버 브래들리; 헤이셀 게리엘네이
Original assignee: 카를로스 엠. 헤르난데즈; 암코 인코포레이팃드
Priority date: 1990-04-12
Filing date: 1991-04-12
Publication date: 1999-06-15
Also published as: EP0452138A2; ZA912697B; DE69127121T3; DE69127121T2; EP0452138B2; DE69127121D1; ATE156402T1; US5045668A; AU647095B2; CA2040166A1; KR910018115A; EP0452138B1; BR9101485A; AR247126A1; FI911787A; ES2104662T3; FI911787A0; AU7427691A; EP0452138A3; CA2040166C

Abstract

접합되어질 적어도 두 개의 가공부재들의 대향하는 연부들에 의해 형성된 틈의 중심을 따라 용접 장치를 정렬하는 장치 및 방법으로서, 용접 장치와 가공부재 틈 사이의 상대적인 운동이 그 틈에 거의 평행한 길이방향 축선을 따라 발생함으로써 상대 운동중에 틈을 따라 용접 시임을 형성함에 의해 가공부재들의 대향 연부들이 접합될 수 있다. 그 장치는 가시영역의 화성을 용접 영역의 하방으로 틈을 따라 감시함에 의해 소정의 2차원 좌표 시스템에 대해 틈 중심의 위치를 결정하기 위한 화상 시스템을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 화상 시스템은 고배율 광학 시스템 측판 구조물, 독자적인 광원, 및 용접 영역에서 효과적으로 분리된다.

Description

버트 용접 작업부재용 용접기 자동 정렬 장치 및 그 방법

제1도는 레이저 용접기와 관련하여 나타낸 자동 정렬 장치를 부분 절단한 여 개략적으로 도시한 도면.

제2도는 레이저 용접 설비와 관련하여 설명을 목적으로, 제1도의 자동 정렬 장치의 바람직한 실시예를 나타낸 도면.

제3도는 갠트리의 후방 커버, 시각 시스템 및 레이저 포커싱 광학체를 설명의 명확성을 기하기 위해 제거되어진, 제2도에 나타낸 갠트리의 부분 배면도.

제4도는 제3도의 4-4선을 따라 절취된 단면도.

제5도는 제2도에 나타낸 자동 정렬 장치의 부분 측면도.

제6도는 본 발명의 자동 정렬 장치의 제어 시스템에 의해 수시되어지는 아날로그 형태의 전형적인 출력 신호를 나타낸 그래프.

제7도는 디지털 형태로 변환된 이후의 제4도의 전형적인 출력신호를 나타내는 그래프.

제8도는 본 발명의 자동 정렬 장치용 제어 시스템의 블록 다이어그램.

제9도는 작업부재 사이에 간극이 후광을 받는 자동 정렬 장치의 부분 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 정렬 장치 15 : 작업대

18 : 갠트리 22 : 횡단 부재

23 : 운반대 29 : 반사경

30 : 레이저 31 : 하이 파워 빔

35 : 레이저 포커싱 광학체 38 : 초점 렌즈

41 : 초점 렌즈 하우징 42,175 : 노즐

50,52 : 병진대 55,56 : 작업부재

60 : 전자기 고정 장치 68 : 용접 지대(지점)

72,73 : 모터 75 : 시각적 화상 시스템

77 : 라인 스캔 카메라 78 : 시각 영역

82 : 고 배율 광학 시스템 83,85 : 렌즈

84,95 : 광원 90 : 컨트롤러

100 : 오실로스코프 105 : 역치 전압

140 : 컴퓨터 141,142 : 드라이브 보드

160 : 분사 165 : 공급라인

200 : 전기 모터

[기술분야]

본 발명은 버트(butt)용접되는 2개 이상의 작업부재의 대응하는 인접 모서리(confronting edges)사이에 형성된 간극을 따라 융접기를 정렬 배치시키는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 융접 장치와 작업부재가 상대적으로 움직이는 동안 용접 장치의 중심을 2개 이상의 연결되어지는 작업부재의 인접 모서리 사이에 간극 중심에 자동적으로 정렬 배치시키는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본원의 장치는 용접 지점과 용접작업에 의해 발생되는 영향으로부터 양호하게 격리되는 시각 화상 시스템(vision imaging system)을 포함하는 것이다.

[배경 기술]

산업적으로, 다양한 강(steel)처리 및 제조 시에, 강 또는 합금류 물질로 이루어진 판 금속을 용접과 같은 작업으로 양 금속을 함께 연결할 필요성이 흔하게 발생한다. 이러한 작업은 주문에 맞추어 이종 재로 또는 두께로 이루어진 금속판을 연결하는 작업을 포함하며, 그같은 연결 작업은 일반적인 시임(seam)용접기, 아크(arc)용접기, 고 에너지 레이저, 전자 빔 또는 플라즈마(plasma)아크 용접기에 의해 주로 이루어지는 것이다.

시임 용접의 질(quality)은 적어도 기초 금속의 기계적 및 마이크로 조직 특성과 동일하게 이루어져야 하기 때문에, 기본적으로 오늘날 많은 진보된 기술이 적용되어서 최적한 용접의 질이 이루려는 노력이 행해지고 있다. 특히, 용접의 질은 전반적인 마이크로 구조, 마이크로 경도, 장력 특성, 성형성, 피로 강도 및 파괴인성에 영향을 끼칠 수 있으며, 그러한 것은 모두 연결 공정의 전체적 가치와 그결과 만들어지는 연결된 작업부재의 특성에 직접적으로 영향을 미치는 것들이다. 또한, 연결되어지는 두 개의 인접 금속판 사이에 간극을 정확하게 추적하는 용접 장치의 능력은, 용접 지점이 지속적으로 간극 중심에 근접한 정렬로 유지되어야 하는 정확하게 접속된 에너지 빔을 사용하는 고속 용접 적용에서 특히, 최적한 용접을 보장하는 부분에서 주요한 것이 된다.

대부분 부품에서의 균일한 용접 프로필은, 연결되는 대향 인접된 개체의 모서리를 일치시키는 것에서만 아니라, 병진(竝進)운동을 감지하는 두 개의 인접 작업부재 사이에 간극의 잘못된 위치설정을 교정하는 추적 시스템의 능력에 의해서도 결정되어 진다. 따라서, 용접 개체에, 사용에 실용적이며 신뢰성 있는 시임 추적 시스템을 개발하려는 노력이 있어 왔다.

용접을 받게 되는 개체사이에 간극을 추적하는 한 방법에는 접촉 탐침을 사용하는 것이 있다. 시스템을 일반적으로 용접 헤드가 연결되는 슬라이딩 또는 롤링 메카니즘용 기계적 안내부이며, 용접을 받는 물질의 물리적 특성 및 그 인접 간극의 정보를 사용한다. 이러하게 설계된 추적 시스템은 용접 헤드 앞에 있거나 또는 그 측 방향으로 이격져 있으며, 그리고 용접 지점(또는 용접 지대)부근에 인접 배치되어서 상당한 량의 물리적 용량을 점유하는 것이다. 접촉 시스템의 이행은, 작업부재에 의한 전진 이동이 용접 헤드 운반대에서 정렬된 횡 방향 힘을 발생하는 간단한 구조로부터, 탐침에 가해지는 힘이 전기적으로 감지되어 구동 모터를 작동시키는데 활용되는 컴퓨터 제어식 전자-기계 시스템으로 변경되어지는 것이다. 그러나, 상기 시스템은 종종 연결부와의 접촉을 이루지 못해서, 추적 장치의 동작을 중지시키며 용접의 질을 손상시키는 단점이 있는 것이다. 또한, 상기 시스템은 일반적으로 느린 용접 속도 및 특정한 적용물(예, 연결되는 작업부재와 그 인접 간극의 물리적 특성이 미리 결정되어져 있거나 또는 제어를 받는 경우)로 한정되며, 그리고 열, 마모 및 다른 오용으로 인한 손상과 같이 불안정한 감지를 받게 되는 것이다.

따라서, 상술된 문제를 처리하면서 용접 연결부(특히, 모서리 상태)에 대한 더 많은 정보를 제공하는 다양한 비접촉 탐침을 사용하는 용접이 제안되어져 있다. 접촉 탐침 시스템은 간극을 따라 미리 설정된 수의 지점(예, 1개 또는 2개)만을 감지할 수 있을 것이며, 비접촉 감지기는 간극 형상을 나타내는 유효한 지도(an effective map of the gap geometry)를 제공하도록 용접을 받는 간극을 가로질러 반복해서 주사(scan)할 수 있을 것이다. 자기학(magnetics) 및 전자기학(electro-magnetics)(자기저항 및 와전류형), 유체소자학(fluidics) 및 공기학(pneumatics), 음파 전달 및 적외선 시각 화상을 사용하는 것을 포함하는, 많은 비접촉 감지 매체가 연구되어져 있다. 본 발명의 분야에서는, 시각 화상(visible imaging)과 아크 감지를 사용하는 것이 근래에 상당한 관심을 받고 있다.

앱쉐어(Abshire, et al.)의 미국 특허 제4,806,732호에 기술된 바와 같이 아크 감지(arc sensing)는, 아크의 전기적 특성이 용접 헤드와 개체와의 사이에 거리에 따르는 관계에 기본하는 것이다. 그러므로, 간극을 가로지르는 용접헤드의 전후 이동으로 상세하게 간극에 대한 상태가 인식되도록 전기적으로 분석되는 가변적인 전기 반응(아크 전압 및/또는 전류)이 발생하는 것이다. 이것은 용접 헤드를 방해할 정도의 크기를 지니는 감지기가 없으며, 감지 동작은 용접 작업 지대에서 수행되기 때문에 유리한 것이다. 반면에, 아크 감지 시스템에서는, 용접 헤드 또는 아크가 간극 또는 연결부를 횡단하여 진동되어야 하고 그리고 작은 전기적 변화가 아크의 고유한 변동 특성을 검출하여 구별하기가 곤란한 것이다. 또한, 연결부는 토치를 예비 위치설정시키기 위해서 아크를 개시하기 전(前)에 감지될 수 없으며(용접 헤드가 작업부재 사이에 있을 때까지 아크의 전기 특성이 감지될 수 없기 때문에)그리고 시스템의 차원 해상도(dimensional resolution)도 제한을 받게 된다.

다양한 추적 시스템에는 또한 시각 화상 시스템이 사용되어져 왔다. 그러한 시스템중의 하나에는 일반적으로 비구성적 광 시스템(non-structured light system)으로 언급되어지는 것이 있으며, 여기서 화상 장치는 용접 아크 또는 고 휘도의 보조 광원에 의해 제공되는 것과 같은 일반적인 조도(照度)로 용접 지대(일반적으로 용접 지점에 앞서는 연결부)를 관측하는 것이다. 화상은 연결 개체를 나타내는 특성으로 관측된 조도의 가변 레베(varying levels of illumination)에 따라서 분석되는 것이다. 이러한 유형의 시각 화상 시스템은 특히 인접된 평평한 작업부재 사이에 선명한 조인트 간극사이를 버트식 연결 용접(the welding of butt joints)으로 작업하는 곳에서는 대단히 성공적인 것이다. 상기 시스템은 비접촉으로 동작하는 것이기는 하지만, 화상 시스템이 일반적으로 용접 지점 앞에 영역으로 향해져 있고, 따라서 용접 지대에 유익하며 방향성이 높은 것을 판단될 수 있는 것이다.

시각 화상은 특정한 패턴의 광 투사부를 가진 광 시스템이 설치된 추적 시스템에도 사용되어지는 것이다. 이러한 시스템에서 광은 포커스 빔(focused beam)또는 화상 시스템에 대해 각이 지게 투사된 하나 이상의 평면 광(a plane or multiple planes of light)일 것이다. 특정한 광 파장의 인식은 작업부재로부터 반사되는 광의 패턴을 감지할 수 있으며, 이러한 사실이 작업부재에 용접 지점(들)의 배치를 위한 광학적 삼각연산(optical triangulation calculation)을 수행할 수 있게 하는 것이다. 이것은 또한 연결 영역 외형상용 해상도의 변화 범위가 투사 및 화상 시스템에 의해 분석될 수 있게 하는 것이다. 일반적으로, 광 투사기(light projection device)는 아크 존재시에도 식별되는 휘도 또는 선명한 파장을 지니는 고휘도 스트로브 램프 또는 레이저이다. 또한, 광 시스템은 일반적으로 용접 지대 앞에 이격진 영역을 감지하며, 비접촉 동작이면서도, 용접 지대에 관입(貫入)하고 방향을 판단할 수도 있는 것이다. 부가적으로, 상기 시스템은 삼각 연산에 사용되는 연산(演算)수행용의 추가적인 컴퓨터 메모리와 소프트웨어를 필요로하여 복잡하게 된다.

상기 구성으로 이루어진 광 시스템의 예는 미국의 올델프트 회사(Oldelft Corporation)에서 제조된 시임파이로트 광학 프로필 감지 시스템(Seampilot Optical Proflie Sensor System)이 있다. 삼각법을 이용하는 것 외에, 시임파이로트 시스템은 모니터된 반사 광에 대한 카메라 판독사항을 컴퓨터에 저장된 프로그램 형판(型板) 또는 미리 결정된 반사 패턴과 비교하여, 용접 장치의 위치를 설정하는 정보가 저장된 형판 패턴과 일치하도록 카메라 핀독사항을 보정(補整)하여 정정하는 것이다. 그러므로, 시임파이로트 시스템은 미리 결정된 형판 패턴(때로는 폐쇄 루프 디자인으로 언급됨)가 대비되어 반응할때만 용접 장치의 위치를 조정하게 된다. 따라서 상술된 시스템의 다른 불완전함에 더하여, 상기 시스템의 정확성은 대비를 위해 이용가능한 프로그램 형판의 정확성에 의해 제한을 받게 되며, 신규 개체에 상기 시스템을 채택하기는 그 기본적 성질 때문에 불가한 것이다.

당 업계에서 이용하고 있는 다른 시스템에는, 알. 더블유. 리챠드슨(R.W. Richardson), 디. 에이 구토우(D.A. Gutow), 알. 에이. 앤더슨(R. A. Anderson) 및 디. 에프. 파우센(D. F. Fausen)이 발표한 명칭Coaxial Arc Weld Pool Viewing For Process Monitoring Control(1984년 3월호 Welding Journal의 43-50쪽)의 논문에 기술된 것으로서, 용접 지대와 동축 시각 시스템이 포함되어진다. 특히, 이러한 설계로 이루어진 화상 시스템은 자체가 용접 토치기(welding torch device)에 일체로 형성되어진 것이다. 따라서, 이러한 구조는, 용접 토치 축에 대해 일정각도의 경사각으로 분리 장착되고 상기 경사각을 향하는 방향으로 있는 용접 토치 외부에 화상 시스템과는 상이한 것이다. 그리고, 종래 기술의 모든 시각 시스템과 마찬가지로, 이러한 동축 시스템의 화상 및 표시 능력은 그 기본적 성질 때문에 용접 지대에 매우 인접하여 있는 스모그, 스패터(spatter) 및 다른 용접 잔해에 대한 제어 부족으로 상당히 손상을 받고 있는 실정이다.

[발명의 개요]

본 발명의 목적은 적어도 두 개의 용접 대상개체인 작업부재 간의 인접 모서리 간의 사이에 있는 간극 중앙을 따라서 용접 장치를 정렬 배치시키는 장치를 제공하는 것이며, 장치는 당 분야에서 사용 가능한 정렬 장치와 시각 시스템에 존재하는 문제를 해소시킨 시각적 화상 시스템을 사용하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 적어도 두 개의 용접되는 작업부재 간의 인접 모서리 사이에 형성되는 간극 중앙을 따라 용접 장치를 정렬 배치시키는, 부품 당 용접 단가가 최소화되도록 용접 속도를 높일 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 작업부재 간의 인접 모서리 사이에 간극 중앙을 따라서 용접장치의 정렬 배치가 유지되도록 병진 운동 감지부에서 용접 장치 및/또는 작업부재를 조정하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 적어도 두 개의 연결되는 작업부재 간의 인접 모서리로 한정되는 간극의 중앙을 따라서 용접 장치를 정렬 배치시키는, 간단하고, 신뢰성 있고, 저가이면서 고 효율성인 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의거, 적어도 두 개의 연결되는 작업부재의 인접 모서리 사이에서 한정되는 간극의 중앙을 따라서 용접 장치가 정렬 배치되는 장치에서, 용접 장치와 작업부재의 간극과의 사이에서의 상대적 운동이 상기 간극에 대해 평행한 종축을 따라 발생되어서, 용접 시임 형성작업에 의한 상대적 운동 동안에 상기 간극을 따라 작업부재의 인접 모서리가 연결되는 것이다 상기 장치는 용접 지대의 간극부하류를 따라 시각 영역의 화상을 모니터링 하여 예비 결정된 2차원 좌표 시스템에 대한 간극 중심의 구역을 결정하는 화상 시스템을 포함하는 것이다. 다음, 이러한 화상은, 피드백 제어 시스템과 상호 동작하여 용접 장치와 간극 중앙이 항상 적절하게 정렬되도록 용접 장치 및/또는 작업부재 간극의 위치설정이 병진 조정되는 출력신호로 변형되는 것이다. 또한, 화상 시스템은, 고배율 광학 시스템, 측판(側板)구조, 독립광원, 및 시각 지대로부터의 스모그, 스패터 및 다른 용접 파편을 우회하는 방향으로의 분사(jet)형태로 용접 지대에 공급되는 불활성 가스 흐름의 사용을 통하여 용접 지대로부터 유효하게 분리되어 있으며, 그리고 용접 중에 용접 프럼(plume)에 의해 발생된 빛을 소거시킨다.

[발명의 상세한 설명]

첨부 도면을 참조하여 발명을 실시예를 통해서 이하에 설명한다.

본 발명의 정렬장치는 적어도 두 개의 작업부재 간의 인접 모서리를 연결시키는 역할을 하는 용접 장치(예, 종래의 시임 용접기, 버트 용접기, 아크 용접기, 또는 전자 빔 혹은 플라즈마 아크 용접기)에 사용될 수 있는 것이며, 본 명세서에서는 레이저 용접기에 적용하여 설명한다.

도면에서, 동일 번호는 동일 부분을 나타낸다. 제1도는 레이저 용접에 적용된 본 발명에 따라 제조된 정렬장치(10)를 개략적으로 예시한 도면이다. 또한 제2도는 그와 같은 레이저 용접기와 관련된 정렬장치(10)의 양호한 정열 배치물에 대한 부가 내역을 설명하는 도면이며, 도시된 바와 같이 정렬장치(10)는 그 위에 배치된 갠트리(gantry)(18)가 있는 작업대(15)를 구비하는 것이다. 갠트리(18)는 중공 횡단부재(22)와, 볼나사 장치에 의해 횡단부재(22)를 따라 이동 가능하게 배치된 기계적 구성의 운반대(23)를 구비하는 것이다.

특히, 운반대(23)는 트랙(25)위에 파지부(24)에 의해 횡단부재(22)를 따라서 안내를 받게된다. 모터(26)는, 운반대(23)에 역나선부(reverse threads)와 결합하여 볼 나사(27)의 회전에 따라서 운반대(23)를 선형이동시키는 나선부가 있는 볼 나사(27)를 구동시키는 기능을 한다. 또한 제3도에서, 반사경(36)은, 운반대(23)에 의한 이동과는 관계없이 항상 반사경(29)과의 정렬이 유지되도록 운반대(23)에 의한 이동과는 관게없이 항상 반사경(29)과의 정렬이 유지되도록 운반대(23)의 정상부에 배치되는 것이다. 물론, 다른 비슷한 왕복/지지 레일 장치가 필요에 응하여 운반대(23)와 관련하여 사용될 수 있을 것이다. 부가하여, 갠트리(18)와 이동식 운반대(23)가 작업대(15)를 가로지르는 용접 또는 절단 장치의 횡방향으로의 이동이 가능하도록 제공될 수도 있다.

레이저(30)(예, 2.5Kw의 고속 축 흐름 CO₂레이저인 코히어런트 제네널(Coherent General)에서 활용 가능한 레이저 모델 EFA53)는, 하이 파워 빔(31)이 제2반사경(29)쪽으로 상 방향으로 반사되어 횡단 부재(22)의 중공 안으로 비스듬한 방향으로 반사가 이루어지는 반사경(28)에, 하이 파워 빔(31)을 제공하는 것이다. 안전을 위해서, 빔(31)을 둘러싸도록 도관(33)이 반사경(29)과 횡단 부재(22)사이에 제공될 수 있다.

광축을 포함하는 레이저 포커싱 광학체(35)가 운반대(23)와 상관적으로 설치되며, 하이 파워 빔(31)을 수신하는 위치에 배치되어 그 밑에 용접 지대를 향하도록 방향을 전환시키는 제3반사경(36)이 정렬 배치되어진다. 이용 가능한 일반적인 레이저 포커싱 메카니즘용의 일체형 시스템의 예로는 미국 미시간 사우스필드에 소재하는 레이저 메카닉스(Laser Mechanics)사의 모델 이름 Accucutter System 이 있다. 특정하게는, 레이저 포커싱 메카니즘으로 이루어진 광학체(35)는, 하이 파워 레이저 빔(31)이 그를 통해서 작업대(15)를 향하는 방향으로 하 방향으로 향하게 하는 초점 렌즈(38)를 포함한다. 제1도에 도시한 바와 같이, 초점 렌즈(38)는 렌즈 장착부(40)로 유지되며, 렌즈 장착부(40)의 적어도 일부분은 사용시 초점 렌즈(38)의 과열 방지를 위해 수냉 되어 진다. 또한, 양질의 레이저 용접 및/또는 절단 특성이 발휘되도록 임의 개수로 이루어진 다른 직경과 초점 길이의 다른 렌즈를 사용할 수도 있다. 본 발명의 실험에서는 10인치(254mm) 및 5인치(127mm)의 초점 길이를 가진 초점 렌즈를 사용하였다.

다르게는, 당 분야의 기술인이라면 축 이탈 포물경 반사 유니트(off-axis parabolic mirror reflector unit)가 레이저 포커싱 광학체(35)를 대신할 수 있는 것임을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 반사 유니트(예, 미국 미시간주 플리마우쓰에 소재하는 로픽 사이나스(Rofic Sinas)사의 모델 486-1000-X Mirror Focus Unit)는 하이 파워 레이저 빔(31)을 용접 지대 쪽으로 집중시키는데 유용하게 사용할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명이 용접되는 작업부재용 정렬장치로서 설명되고 도시되어 있지만, 절단로(cut path)가 작업부재에 미리 표시되어 있는 작업부재 레이저 절단용으로도 채택할 수 있는 것이다. 레이저 절단작업 및 레이저 용접작업은 공지된 바와 같이, 하나의 레이저 장치를 사용하여 보조 가스와 압력을 간단하게 조절하여 이루어지는 것이다. 또한, 본 발명은 모든 종류의 용접 적용물에 동일하게 적용 가능한 것이며, 상기 레이저 장치로 제한되는 것은 아니다.

제5도에 도시된 바로서, 레이저 포커싱 광학체(35)는 그 최저부에 동축 노즐(42)을 부착시키는 수단(예, 나사)을 지니는 초점 렌즈 하우징(41)을 포함하는 것이다. 또한, 초점 렌즈 하우징(41) 및/또는 노들(42)은 필요에 따르는 보조 가스를 유입하는 포트(도시 않음)를 내부에 포함할 수 있는 것이다. 그리고, 분배팁(45)이 용접/절단 영역으로 보다 정확하게 보조가스를 제어하고 집중시키기 위해 노즐(42)의 말단부에 제공될 수 있는 것이다. 분배 팁(45)은, 특히 비활성 가스(예, 헬륨, 아르곤, 등)가 제공되는 상당히 낮은 팁 압력이 설정될 때에, 얇은 게이지 재료(예, 두께가 2.5mm이하인 것)를 용접하는데 바람직 한 것이다.

제1도와 제2도를 참조로, 작업대(15)는 제1도의 횡축(예, 화살표로 지시된 Y축)을 따라 왕복 이동하도록 장착된 제1병진대(50)를 포함하는 것이며, 제2병진대(52)는 횡축(Y)에 수직한 종축(예, X축을 따라)으로 왕복 운동하도록 제1병진대(50)위에 배치된다. 상기 병진대와 그의 이동은 이후 상세히 설명될 것이다.

제 1 및 제 2 작업부재(55, 56)는 전자기 고정장치(electromagnetic hold-down device)(60)와 보조 고정자석(auxiliary hold-down magnets)(62)에 의해 거의 평평하게 지지를 받고 있으며, 이러한 사실은 제2도에 도시되어 있는 것으로서, 상기 전자기 고정장치(60)와 보조 고정 자석(62)은 게리 엘. 나이히셀(Gary L. Neihisel)등의 이름으로 출원되어진 명세서 버트 용접을 받는 시트의 중앙 모서리를 자동 정렬하는 장치 및 방법에 설명되어 있는 것으로서 그 상세한 설명은 본 발명을 형성하는 것이 아니기 때문에 설명하지 않는다. 또한, 멈춤부(63)가 작업부재(55, 56)를 우선적으로 정렬하도록 제공되는데, 먼저 작업부재(56)가 멈춤부(63)에 대하여 맞닿도록 고정장치(60)와 보조 고정 자석(62)에 놓여진다. 다음, 작업부재(55, 56)는 작업부재(55, 56)의 인접모서리가 고정 장치(60)위에어 접해지도록 보조고정 자석(62)에 놓여지게 된다.

전자기 고정장치(60), 보조 고정 장치(62) 및 멈춤부(63)는, 지지된 작업부재(55, 56)의 위치가 병진대(50 또는 52)의 이동에 의해 수정될 수 있도록 제2병진대(52)의 상부 표면에서 인접하게 고정 부착되는 것이다. 또한, 상기 전자가 고정장치는 기계식 클램프 등에 관련되는 방해 부품을 최소화하는 것이며, 작업부재를 맞닿는 관계로 유지시키는 임의적 수단으로의 대체가 가능한 것이다.

제1도에 도시한 바와 같이, 작업부재(55, 56)는 상호 대체로 평평한 관계로 있도록 배치되고, 여기서 간극(G)는 작업부재(55,56)의 인접모서리(65, 66)사이에 형성된 것이다. 인접한 작업부재가 본 발명의 적용을 위해 평면 방향으로 있을 필요는 없지만(예, 작업부재의 용접이 실린더와 같은 비평면 객체를 형서아는 구조로 되거나 또는 서로 수직인 위치일 수 있음). 대부분의 레이저 용접 및 절단 작업은 보통 그 위치가 대체로 레이저 빔에 대해 평면이고 수직인 위치에서 유지되는 작업부재의 모서리에서 수행되는 것이다. 또한, 간극(G)이 그 길이방향 길이(L)를 따라 균일하더라도 인접 모서리(65, 66)는, 특히 작업부재(55, 56)가 종래의 전단 기술에 의해 손질을 받을 때 발생되어진 어느 정도의 불규칙성을 갖고 있을 것이다.

상술된 바로서, 빔(31)은 노즐(42) 및 분배 팁(45)을 통해 동축으로 있는 초점 렌즈(38)를 통하는 방향이다. 따라서, 작업부재(55, 56)는, 간극(G)의 중앙(C)이 하이 파워 빔(31)의 투사점에 정렬되도록 배치되어야 한다. 이러한 투사점(제1도)은 용접 지점(68)으로 언급되는 것이다. 도면에서는 중앙(C)이 간략하게 선으로 도시되어 있지만, 간극(G)의 중앙선은 국부적인 불규칙성으로 인해 길이방향 길이(L)를 따라 횡방향으로 이동하는 것이다. 길이(L)를 따르는 간극(G)의 중심점은 중앙선(C)을 형성한다. 용접이 일반적으로 하나 이상의 지점에서 이루어지기 때문에 용접 지점은 용접 지대로 지칭되는 것이 보다 바람직할 것으로 이해되며, 여기에서는 기술적으로도 그 같이 구성되는 것이다.

먼저, X방향으로의 병진대(52)의 이동에 중앙선(C)을 정렬하는 것은, 설정동안에 간극(G)의 시작과 끝 부분에 하이 파워 빔(31)을 가하고, 시작점 및 끝점 사이를 이은 가상 직선을 병진대(52)의 이동 방향에 비교하여 이 사이의 오정렬을 교정함으로써 이루어진다. 상기 교정은 병진대(50)를 Y방향으로 조정하여 이루어진다. 바람직하게, 오정렬 교정은 용접 시임에 대한 마지막 펄스의 좌표가 컴퓨터(이후 논의됨)에 기입되어지면, 수정을 이행하는 모터(72, 73)를 활성화시키는 프로그램 컨트롤러에 의해 자동적으로 이루어지는 것이다.

작업부재(55, 56) 사이에 간극(G)의 길이(L)를 따라 최적한 용접 시임이 이루어지도록, 중앙선(C), 간극(G) 및 축선(X)에는 대체로 평행한 길이 방향 축을 따라 작업부재(55, 56)와 용접 지점 또는 용접 지대(68)사이에 상대적인 이동이 제공되어 진다. 중앙선(C)을 따라서 빔과 용접 지점(68)이 이동되는 상대적 운동이 되어진다. 중앙선(C)을 따라서 빔과 용접 지점(68)이 이동되는 상대적 운동이 제공되는 동안에, 작업대(15)를 따라서 반사경(36)의 정교한 회전이나 캔트리(18)의 이동이 동반될 수 있는데, 그 어느 것도 바람직한 것이 아니다. X방향으로 빔(31)의 운동성을 제공한다는 것은 정렬장치(10)에 대한 불필요한 복잡하고 비용이 소요되는 주사를 이루게 하여, 안정성과 같은 신뢰도를 손상할 수 있는 것이다. 특히, 빔(31)은 반사경(36)이 어느 정도 회전하는 동안에 클리어하게 사용 가능한 렌즈(38)구멍내에서 유지되어야 하며, 렌즈(38)는 고정 위치에서 유지되어 있는 것이다. 또한, 만일 빔(31)이 그 밑에 용접 지대가 이동되도록 렌즈(38)의 중앙으로부터 상당히 원거리로 이동되면, 광행차(光行差)가 빔(31)에 유도되어 그 충돌점은 더 큰 크기가 될 것이다. 순차적으로, 용접 지대(68)에서의 빔(31)의 파워 밀도의 저하가 발생하고, 그리고 불완전한 작업부재(55, 56)의 용접을 초래할 수 있을 것이다.

양호한 실시예에서, 제2병진대(52)는, 작업부재(55, 56)가 중앙선(C) 및 간극(G)의 종축에 평행한 방향으로 용접 지점(68)아래로 전진하도록 종 방향으로 이동된다. 또한, 균일한 용접 시임과 같이, 고속도 용접(즉, 간극(G)과 레이저 포커싱 광학체(35)사이에 상대적 운동)이 필요하다는 것에 주의한다. 본 발명의 정렬장치는 X 및 Y방향으로 15m/분에 이를 때가지 동작하면서 간극(G)의 중앙선(C)과 용접 지점(68)사이에 정렬을 지속적으로 유지함으로써 상기 2가지 모두를 제공하는 것이다. 물론, 보다 빠른 용접속도는, 보다 높은 레이저 파워가 사용되는 것 또는 보다 얇은 게이지 물질이 용접되는 것을 가능하게 한다. 그런데, 15m/분 보다 빠른 속도용으로 정확하고 신뢰할 수 있는 동작 시스템을 획득하기는 실질적으로 곤란할 것이며 그에 따라서 이를 제조하는 데에는 상당한 비용이 소요될 것이다. 모터(72, 73)(예, 스텝핑 모터)는 각각 제1, 제2병진대(50, 52)와 간극(G)의 길이(L)를 따라 형성된 작업부재(55, 56)에 운동을 제공하는데 사용되는 것이다.

제2도에 도시된 시각적 화상 시스템(75)은 간극(G)의 중앙선(C)을 배치시키는데 이용되는 것이다. 제1도에 도시된 바와 같이, 시각적 화상 시스템(75)은 한정된 시각 영역(78)에서 반사광을 수용하는 수단으로서 라인 스캔 카메라(77)(미국 캘리포니아 서니베일에 소재하는 EG ＆ G Reticon에서 생산하는, 예를 들어 2048소자와 그 어레이에서 인접 소자간 간격이 13미크론을 가짐)을 구비하며, 간극(G)의 화상은 카메라(77)내에 개별 소자 또는 픽셀의 선형 어레이(80)에 형성된다.

용접작업을 적용하는 시각 시스템에 라인 스캔 카메라의 일반적인 사용이 그 자체로서 신규한 것은 아니지만, 지금까지 그 같은 시스템은 용접 지점에 매우 근접하게 배치되어졌으므로 인해서, 스모그, 스패터, 용접 파편 및 용접 플럼(plume)으로부터의 빛(glare)같은 용접 지대에 인접하여 형성된 해로운 환경으로 인해 부정확하게 뷰(view)를 제공하였다. 본 발명의 시각 시스템(75)은 라인 스캔 카메라(77)와 관련하여 고 배율 광학 시스템(82)(미국 뉴욕주 버팔로에 소재하는 타이탄툴 서플라이 캄파니(Titan Tool Supply Company)에서 생산하는 예를 들어 원거리 작업 망원경과 동일한 방법으로 동작하는 효과적인 2렌즈 시스템을 가진 줌 대물렌즈를 구비하는 것)을 활용하는 것이다. 특히, 고배율 광학 시스템(82)은 대물렌즈(83)와 접안 렌즈(85)를 포함한다. 제1도에 도시된 바와 같이, 시각 영역(78)에 있는 용접 시임[간극(G)과 작업 부재(55,56)의 일부를 포함하는]은 대물렌즈(83)의 객체이고, 용접 시임의 실 화상(real image)(87)은 대물렌즈(83)와 접안렌즈(85)사이에 제공된다. 상기 실 화상은 접안 렌즈(85)의 객체이고, 선형 어레이(80)에 의해 접수되어 라인 스캔 카메라(77)의 감지회로(89)에 의해 분석된다. 명료하게 나타낼 목적으로, 용접 시임용 선형 어레이(linear array)의 화상(91)이 시각 영역(78)안으로 역 투영(投影)된다. 그러므로 종래 기술에서 실시되는 다수의 독립렌즈가 대물렌즈(83)와 접안 렌즈(85)로서의 기능으로 결합될 수 있는 것이다. 따라서 전술된 바와 같은 임의적인 경우에, 이러한 시스템은 2개의 렌즈를 지니는 효과적인 원거리 작업 망원경 시스템으로 동작한다.

작업부재(55, 56)와 레이저 포커싱 광학체(35)에 대한 시각적 화상 시스템(75)의 각 동작(angling)과 같이, 고 배율 광학 시스템(82)은 시각 영역(78)을 시각적 화상 시스템(75)과 레이저 포커싱 광학체(35)와의 사이에 물리적인 방해 없이 용접 지대(68)에 보다 인접하여 배치하는 것을 돕는다.

동시에, 라인 스캔 카메라(77)용으로 더 큰 고립 거리(또는 용접 지대(68)로부터의 거리)도 고 배율 광학 시스템(82)의 사용을 통하여 가능하게 되었다.

또한, 시각 영역 조명용으로 하이 파워 레이저 빔(31)의 용접 플럼으로부터의 광에 의지하기보다는, 독립광원(84)을 제공하는 것이다. 광원(84)은 시각적 화상 시스템(75)용 광을 공급한다. 양호한 실시예에서는, 광원 (84)은 고 배율 광학 시스템(82)에 있는 간극(G)을 보기 위하여 간섭 파이버 옵틱 번들(coherent fiber optic buandle)(86)과 고배율 광학 시스템(82)의 하단부 주위에 장착된 파이버 옵틱 링 일루미네이터(fiber optic ring illuminator)(88)를 사용하여 빛을 공급한다. 이러한 설비는 일관된 균일한 조도를 시각 영역(78)에 동축으로 제공하며, 동시에 그 시각 영역(78)내에 그 같은 균일한 광 반사의 선명한 관측(clear view)이 라인 스캔 카메라(77)에 의해 용이하게 이루어진다. 동축 빛을 시각 영역(78)에 미리, 균일하게 보장하고, 라인 스캔 카메라(77)를 사용하여 상기 시각 영역이 방해받지 않는 관측(view)을 하여, 확산 산재된 광으로부터의 더욱 정확하고 신뢰성 있는 화상이 형성되고 모니터 되는 것이다.

광원(84)은 특정한 단색 파장의 레이저(예, 6828Å 파장의 헬륨 네온 레이저)로 한다. 그리고, 시각적 화상 시스템(75)에는 당분야의 기술인에게 공지된 바로서, 조명 레이저 파장에서 전환되는 협대역 필터(narrow band filter)가 설치된다. 이러한 방식에서는, 필요한 조명 파장의 빛만이 어레이(80)에 집속되며, 외부 광으로부터의 어느 정도의 간섭(용접 플럼에 의한 방사 같은)을 감소시킬 수 있게 된다.

선택적으로, 광원(95)은 작업부재(55, 56)아래로부터 간극(G)을 통하는 것처럼(제9도에 도시)시각 영역(78)이 후광을 받도록 배치될 수 있다. 제9도에 도시된 바와 같이, 광원(95)은 영역(97)으로부터 만의 조명을 허용하는 피복부(96)를 가진 전자기 고정장치(60)내에 있는 형광 전구이다. 영역(97)에는 조명이 보조 고정 자석(62)사이로부터 상 방향으로 그리고 작업부재(55, 56)사이에 간극(G)을 향하는 방향으로 제공되게 하는 간극 폭(98)이 설치된다. 광원(95)은 이러한 실시예에서 간극(G)의 전체 종방향 길이를 따라 양호하게 연장하지만, 광원(95)이 라인스캔 카메라(77)용 시각 영역(78)조명과 같은 길이로 간극(G)을 따라 이동되고 보다 짧은 길이로 될 수도 있다.

일부 적용물에서는, 작업부재(55, 56)의 인접 모서리(65, 66)의 상부 면이 무딘 전단 브레이드(blades)로 인해 바닥 면 프로필에 대해 어느 정도 라운드질 때와 같이, 후광 장치는 시각적 화상 시스템(75)이 시각 영역(78)을 보다 정확하게 모니터할 수 있게 한다. 라운드 모서리는 실제 간극 폭이 과대 평가되어 그 같은 작업부재 사이에 간극의 실제 분포 상태를 구별하고 결정하는 상기 장치의 성질을 감소시키는 방식으로 충돌 광을 분산시키는 성질이 있다. 후광은 상당한 량의 광이 라인 스캔 카메라(77)와 같은 관측 작업(viewign)수단에 의해 간극(G)을 통해 직접적으로 수용되어, 기부 모서리의 위치를 더욱 명확하게 평가하게 한다.

라인 스캔 카메라(77)가 시각 영역(78)내에 용접 시임의 선형 어레이(80)에 상을 형성하면, 라인 스캔 카메라(77)는 제1도에 도시된 바와 같이 컨트롤러(90)에 비디오 신호를 제공할 수 있는 것이다. 컨트롤러(90)는 카메라 도는 유사한 관측작업 수단으로부터의 비디오 또는 시각 신호를 수용하여, 상기 비디오 신호를 간극(G)의 상대적인 위치와 폭(W)을 결정하는데 사용되는 출력신호로 변환시키는 전자 장치(예, Videx Model 120)이다. 특히, 컨트롤러(90)는 시각 영역(78)의 선형어레이(80)로부터의 데이터(화소위치)를 출력 전압 또는 디지털 데이터 스트림으로 전환시키도록 동작한다. 제8도의 블록 다이어그램에 도시된 바와 같이, 오실로스코프(100)가 컨트롤러(90) 또는 카메라(77)로부터의 비디오 신호를 샘플링 하여 비디오 신호를 모니터 하는데 사용된다. 본 발명의 정렬장치는 완전 자동인 것이기 때문에, 데이터 취득 또는 사용 절차에서 오실로스코프 또는 비슷한 출력 신호 모니터를 포함할 것을 요구하지 않는 것이다. 그러나, 오실로코프(100)는 동작 시에 시스템을 간단하게 관리하는 잔단 공구로서 양호한 것이다. 특히, 도시된 바와 같이, 오실로tm코프 또는 유사한 데이터 판독 장치의 사용을 통한 적절한 모니터링은, 사용자가 정렬장치가 올바르게 동작하는지를 판단할 수 있게 한다.

제6도는 오실로스코프(100)에 나타나는 전형적인 아날로그 비디오 신호(99)의 예를 나타낸 도면이다. 상술한 바와 같이, 피크[출력 전압(V)의 하이 레벨](101, 102)는 각각 시각 영역(78)내에 작업부재(55, 56)로부터 반사되는 분산된 광의 세기를 의미한다. 광은 개별적으로 인접하는 모서리(65, 66)에 바로 인접한 작업부재(55, 56)의 미리 결정된 부분으로 형성되는 시각 영역(78)내에 집중된다.

특히, 본원에 기술된 광학 렌즈로서 대략 1/4인치(6mm) 스트립의 관측 또는 시각 영역의 필드에서는 대략 0.0001-0.0002인치(0.0025-0.005mm)의 해상도(즉, 대략 1 내지 2화소)를 획득할 수 있는 것으로 알려져 있다. 제조시에 보다 약하고 보다 저렴한 가격의 광원의 사용을 허용하는데 사용되는 30스캔/초 의 주사 비율이 사용되리라고 예상되지만, 라인 스캔 카메라(77)는 1000스캔/초 정도의 고 비율로 시각 영역(78)에 주사한다. 특정한 적용물용으로 선택된 관측 과 주사 비율은 변경될 수 있는 것이며, 필요한 예상되는 작동 속도, 간극(G)에서의 부트 인접 모서리의 전체 질(quality), 필요한 해상도, 라인 스캔 어레이 요구 및 용량, 작업부재면의 반사율과 산란 특성, 광원 세기 등에 기본 된다.

조명을 미리 결정된 지역에 집중시킴에 의해, 다른 광원과 무관하고 우발적인 빛의 영향을 최소로 받게 한다. 더욱이, 가장 균일한 조도와 간극(G)이 라인 스캔 카메라(77)의 전체 시각 필드(79)(제6도에 도시)내에 배치되는 장소에 기본하여, 라인 스캔 카메라(77)가 조정 가능한 활성 시각 필드를 가진다. 예를 들면, 라인 스캔 카메라(77)용 시각의 활성 필드(active field)는 간극(G)(제6도 및 7도에서 선(108, 109)의 경계내의 영역(windowing)을 나타냄)보다 약간 큰 것이 바람직하다. 선(108, 109)의 영역(windowing)을 나타냄)보다 약간 큰 것이 바람직하다. 선(108, 109)의 영역에 의해 정해진 화소는 데이터가 그로부터 부가적인 처리를 받게 되는 활성이 있는 어레이(80) 영역(그리고 그에 따라서 활성이 있는 관측 필드 영역)을 형성한다. 상기 활성 화소 한계 또는 선(108,109)의 영역은 컨트롤러(90)에서 설정된다.

제6도에 도시된 바와 같이, 선(105)은 간극 중앙선(C)과 하이 파워 레이저 빔(31)의 정렬 교정을 개시하기 전에 역치 전압(threshold voltage)(조도 레벨이 그 밑으로 강하되는 최소 조도에 대응)을 나타낸다. 예를 들면, 작업부재(55, 56)로부터의 반사 조명의 레벨이 전체 활성 영역용의 역치 전압(105)이하이면, 이것은 광원(84)이 전소되었거나, 또는 광이 필요한 레벨을 제공할 수 없거나, 또는 라인 스캔 케메라(77)의 관측 필드(field of view)가 작업부재의 단부에서 벗어나 있음을 나타내는 것이다.

제7도는 컨트롤러(90)에 의해 처리전의 아날로그 비디오 입력으로부터 제공된 디지털 변환 또는 디지털 데이터 스트림을 그래프로 나타낸 도면이다. 그래프는 처리 전의 비디오 신호(99)를 역치 전압(105)(제6도)에 비교한 결과이다. 비디오 신호(99)의 간극 부분과 역치 전압(105)에 대한 간극 부분의 관계는 임의 경우에서 요구되는, 정렬 조정을 결정하기 위해 모니터 된다. 처리전 아날로그 비디오와 변환된 디지털 스트림은 오실로스코프(100)에 동시적으로 디스플레이 된다.

제6도에 영역(110)으로 도시된 바와 같이, 작업부재(55, 56)사이(영역 101, 102)사이)에 과측 조도 레벨은 지극히 낮으며, 그 사이에 간극(G)이 존재하는 증거가 된다. 간극(G)이 그 위에 비쳐지는 조명에 대해 양호한 흡수기로서 작용하기 때문에, 어레이(80)에 의해 수용되는 분산 광 레벨이 간극(G)에서는 낮다. 영역(11)의 폭(W)은 중앙선(C)이 배치되도록 간극(G)의 폭을 결정한다. 특히, 간극(G)의 중앙선(C)은 제6도의 선(C)과 제7도의 점(C)으로 나타낸다. 시각 영역(78)의 둘레에 인접한 카메라 제어 신호(99)의 점(106,107)에서와 같이, 출력 전압의 다른 레벨은 반사된 로우 레벨 또는 Y축을 따라 필연적으로 발생하는 외측 광을 나타내는 것이다. 역치 전압 레벨(105)을 확립함으로써, 시스템은 파이버 옵틱일루미네이터(88)의의해 시각 영역(78)에서 동축으로 방향을 향하는 집중 광 과, 라인 스캔 카메라(77)의 시각 필드 내에 작업부재(55, 56)로부터의 중요하지 않은 반사광과의 차이를 구별할 수 있다.

컨트롤러(90)로부터의 출력전압 신호(제7도에 도시)가 수신될 때, 간극(G)의 중앙선(C)(즉, 제7도의 점(e, e')사이의 중간)의 상대적인 위치가 최종으로 표시된 위치에서 이동되었다면, 라인 스캔 카메라(77)의 시각 필드(79)에서의 신호는 간극 중앙선(C)의 중간 위치임을 나타낸다. 컨트롤러(90)(영역(110)을 모니터)는 컴퓨터(140)(또는, 미국 매사추세츠주 타운톤시에 소재하는 매트라바이트사(Metrabyte Corporation)에서 제조된 모델명 DAS-16 및 DAS-16F 인터페이스와 같은 단일 인터페이스 보드)로 신호를 보내고, 그 다음에 모터(73)에 신호를 보내도록 Y드라이브 보드(142)를 동작시켜서 제1병진대(50) 및/또는 기계적인 운반대(23)를 조정하기 위한 간극(G)의 이동에 비례하여 이동시킴으로써, 하이 파워 레이저 빔(31)에 중앙선(C)의 정렬을 유지시킨다. 중앙선(C)의 상대적인 위치 조정은, 정렬 장치(10)와 간극(G)사이에 상대적인 운동 중에 이루어지거나, (인접 모서리가 종래 갈퀴 전단식 또는 다른 조악한 절단 기술에 의한 절단이 이루어진 뒤에 생성될 수 있는)간극(G)의 변경 위치 또는 형태의 결과로서 용접 또는 절단중에 이루어지거나, 또는 작업부재(55, 56)사이에 버트 시임 선이 그 종 방향 길이(L)를 따라 꿰어지는 동안에 이루어지는 것이다.

본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 컴퓨터(140)는 병진대(52)를 x축을 따라 이동시키는 X드라이브 보드(141)와 제1병진대(50)를 Y방향(제1도 및 제2도에 도시)으로 조정하도록 카메라 컨트롤러(90)로부터의 신호를 수신하는 Y드라이브 보드(142)를 포함한다. 제1 및 제2병진대(50, 52)의 병진축이 서로 X-Y좌표 형태의 수직방향인 것이므로, 병진대(50)를 이동하면 작업부재(55, 56)의 위치에서 직접적인 변화가 발생하며, 그리고 결과적으로 간극(G)의 중앙선(C)이 간극(G)의 종축에 대해 수직하는 것이다. 작업부재(55, 56)와 용접 지점(68)의 간극(G)이 간극(G)을 따라서 용접이 이루어지도록 서로에 대해 이동함으로써, 병진대(50, 52)는 컴퓨터(40)와 Y드라이브 보드(142)로부터의 명령에 반응하여 용접 지점(68)과 간극 중앙선(C)의 상대적인 위치를 광학적으로 정렬시키도록 자동적으로 연속 조정되는 것이다. 따라서, 정렬 장치(10)는, 시각적 화상 시스템(75)이 프로그램 주형(template) 또는 그 유사물과 신호를 비교하도록 프로그램 되어 있지 않음을 의미하는 활성 장치이다. 오히려, 상기 시스템은 인공지능과 유사한 방식으로 각 적용물에 반작용하는 라이브 시스템이다.

컴퓨터(140)(기라드 일렉트로릭스(Girard Electronics)에서 제조한 모델명 VB2100 인터페이스 보드 및 IBM PC AT)는 하이 파워 레이저 빔(31)의 개시동작 또는 마감동작, 또는 간극(G)에 직접 따르는 라인 스캔 카메라(77)의 개시적 집속(focusing)에서의 고유성질 지연(inherent delays)을 보정하도록 프로그램 된다. 고 배율 광학 시스템(82)이 용접 지점(68)에 대해 경사진 각으로 배치되고 그리고 시각 영역(78)이 용접 지점(68)에서 중앙선(C)을 따라 종방향 다운 스트림으로 이격지기 때문에, 용접 장치와 간극(G)간의 상대적인 이동과 특정 지점에서 요구되는 교정사이에 고유의 시간 지연 및 실질적인 이격동작을 위한 보정도 컴퓨터(140)에 적절한 연산으로 어드레스 되어진다.

본 발명에 이용된 연산은 Y-축을 따르는(즉, 간극(G)의 종축에 대해 수직하는)속도 변화를 포함하는 것이다. 이러한 속도 또는 비율 연산은 작업부재(55, 56)와 용접 지점(68)사이에 상대적인 운동중에 용접 지대(68)와 관련된 관측 필드(79)(제6도에 도시됨)를 따라 시각 영역(78)의 위치를 지속적으로 샘플링 하는 것을 포함한다.

시각 필드(78)와 용접 지점(68)이 간극(G)에 중앙 위치되어진 다음에, 시각 시스템(75)과 레이저 포커싱 광학체(35)가 작업부재(55, 56)에 대해 배치됨으로써 시각 영역(78)은 종방향 시작점에서 간극(G)의 길이부를 따라서 있다.(고속 용접율이 필요한 경우에는, 작업부재(55, 56)의 가속이 거리(d)에서 필요한 속도에 도달할 수 없으므로, 시각적 화상 시스템(75)과 레이저 포커싱 광학체(35)가 간극(G)에서의 출발을 위해 작업부재(55, 56)에 대하여 배치될 수 있을 것이다.) 간극(G)의 개시 동작이 용접 지대(68)에 도달하면, 용접작업이 개시되고 그리고 병진대(50)를 경유하여 Y축을 따른는 작업부재(55, 56)의 속도는 다음과 같이 계산된다 :

여기에서, p26는 초기에 중앙 지점과 시각적 화상 시스템(75)에 의해 다음에 보여지는 지점과의 사이에서 Y-축을 따른 위치의 변화치이다.

Vx는 X-축을 따라서 용접 지점(68)을 향하는 작업부재(55, 56)의 속도이고 d는 시각적 화상 영역(78)과 용접 지점(68)(제5도에 도시)과의 사이의 거리이다. 컴퓨터(140)는 프로그램된 V_x와 d의 값을 가지고 있는 것이다. 그후, 작업부재(55, 56)의 속도는 Y축을 따라 변화하며, 그 속도 변화는 다음과 같이 계산된다:

그러므로, 이러한 연산식은 작업부재(55, 56)의 Y-축을 따른 속도를 적절하게 계산할 수 있고, 이러한 사실은 작업부재(55, 56)가 적절한 시간으로 조정됨으로써 용접지대(68)가 항상 중앙선(C)과 일치되게 하는 것이다. 레이저 포커싱 광학체(35)(즉, 빔(31)의 위치)는 이러한 정렬 상태를 유지하도록 운반대(23)에 의해 조정되거나, 또는 그에 더하여 병진대(50, 52)에 의해서도 조정될 수 있는 것이다. 시각 영역(78)은 일반적으로 대략 1.25인치(31.75mm)용접지점(68)이내에 배치되는 것으로 알려져 있다. 보다 정확한 교정을 이루기 위해서는, 시각 영역(78)을 용접 지대(68)에 가능한 근접 배치시키어야 하지만, 시각 영역(78)을 용접 지대(68)에 근접시킬수록, 용접 스모그, 스패터(spatter) 및 외부 광이 시각 시스템(75)에 의한 선명한 관측 장애를 더 커지게 한다는 사실을 인식해야 한다.

또한, 정렬장치(10)는 래칭장치를 포함하여, 이격된 시각 영역(78)이 간극(G)의 말단부를 통과하면 용접 끝에서 지속적인 정렬 배치가 이어지도록 간극 중앙선(C)에 수직한 작업부재(55, 56)에 적합한 일정한 변화율(또는 조정 방향)을 유지하게 된다. 예를 들면, 래칭 장치는 컴퓨터(140)에 입력되어 있는 연산으로 간극(G)에 적합한 최근의 조정 변수를 그 영역내에서 유지시킬 수 있는 것이다.

간극(G)의 종축에 수직한(즉, Y-축을 따르는) 상대적인 운동을 제공하는데 제1병진대(50)를 이용하지 않고, 레이저 포커싱 광학체(35)에 설치된 초점 렌즈(38)를 조정하도록 운반대(23)가 이동되는 것이다. 또한, 시각 시스템(75)이 운반대(23)에 연결됨으로써(제2도에 도시)그 시스템은 레이저 포커싱 광학체(35)와 동일하게 이동될 수 있는 것이다. 실시예에서, 카메라 컨트롤러(90)는 컴퓨터(140)에 신호를 보낸 다음에, 운반대(23)를 조정하도록 Y-드라이브 보드(142)에 신호를 보낸다. 공지된 바로서, 하이 파워 레이저 빔(31)을 이동시키는 것은 바람직하지 않으며, 그 이유는 초점 렌즈(38)의 구멍과 하이 파워 레이저 빔(31)을 정렬시켜야 하는 문제를 발생시키며, 전체 시스템이 복잡해지고 비용을 증가시키기 때문이다. 미러 서보(mirror servo) 또는 피에조 전기 모터(200)를 설치하여(제1도에 도시), 하이 파워 빔(31)과 초점 렌즈(38)의 적절한 정렬 상태의 유지를 위해서 반사경(36)의 방향 내에서 약간의 조정을 할 수 있다.

본 발명에 따라 만들어진 정렬장치의 다른 실시예는 레이저 포커싱 광학체(35)와 병진대(50)를 조합하여 정렬 상태를 조정할 수 있으며, 간극 중앙선(C)과 용접 지점(68)을 잘못 배치한 것에 대한 교정 부분은 레이저 포커싱 광학체(35)와 용접 지점(68)을 조정하도록 운반대(23)를 이동시켜서 이룰 수 있으며, 임의적으로 달성할 수 있는 것이다. 이러한 정렬 배치상태에서는 컴퓨터(140)에서의 신호에 반응하도록 컴퓨터(140)내측에 두 개의 Y-드라이브 보드를 필요로 한다.

또한, 시각 영역(78)으로의 조명 집중을 위해서, 그 영역(78)에 최근접하여 있는 고배율 광학 시스템(82)의 최저 단부에는 측판(150, shround)이 연결된다. 또한, 상기 측판(150)은 용접 파편과 그 유사물로부터 광학체 요소를 격리시키어 광학 시스템(82)을 보호하는 작용도 한다. 측판(150)은 일반적으로 절두 원추형이고 링 클램프 또는 그 유사물에 의해 광학 시스템(82)에 연결되는 것이다. 광택알루미늄, 또는 알루미윰 포일과 같이 얇은 층으로 이루어진 고 반사성 재료와 같은 여러 가지 재료가 측판(150)용으로 이용될 수 있는 것이며, 시각 영역(78)에 광을 집중시킬 수 있는 것이면 바람직한 것이다.

전술한 바와 같이, 용접 장치를 용접되어질 두 개 이상의 작업부재 사이에 간극이 중앙선 상에서 가장 정확하고 빠르게 정렬이 이루어지도록 조정 시스템의 시각 영역을 가능한 한 용접 지대에 근접 배치시키는 것이 바람직하다. 다른 한편으로, 용접 지대에 근접 배치되는 고감도가 되며, 용접 작업이 진행되는 동안에 고가의 광학 장비가 용접작업에 따라 형성되는 조악한 분위기에 놓여지는 단점이 있다. 지금까지는, 일반적으로 용접 지대에서 안전한 거리만큼 떨어진 곳에 시각 영역이 배치되었으며, 이러한 사실은 광학물에 대한 안전/보호 특성이 증가하는 경우에 정확도가 감소되는 반비례 관계의 존재를 인정하여야 했다. 그러나, 본 발명의 조정 장치의 독특한 구조로서, 최고의 안전도와 보호 특성이 발휘되면서 시각 영역(78)과 용접 지대(68)사이의 공간의 최소화도 기할 수 있게 되었다.

특히, 시각 영역(78)을 용접 지대(68)로부터의 안전거리로 효율적으로 이격시키어, 중앙선(C)에 거의 평행하고 시각 영역(78)에서 멀어지는 방향으로 용접지대 또는 지점(68)에 인접하게 비활성 가스의 분사(160)가 가장 효과적으로 행하여진다. 또한, 비활성 가스의 분사(160)는 양호하게 용접 에너지를 가하는 방법에 거의 수직(즉, 레이저 빔 또는 플라즈마 아크의 방향에 수직)으로 행하여지는 지는 것이다. 분사(160)를 제공하는 하나 이상의 노즐의 정확한 위치와 방향은, 생성되는 분사(160)방향의 용접 지대를 통과하고 시각 영역(78)에서 멀어지는 방향이며 용접 지대(68)에서의 빔(31)에 의한 충돌 방향과 대체로 교차하여 안전한 것이다. 분사(160)에 의해, 용접 플룸(plume), 스모그, 스패터 및 용접 파편을 시각 영역(78)으로부터 원격지게 하여서 라인 스캔 카메라(77)로서 더욱 정확하게 관측될 수 있는 것이다. 이와 같이 함으로써, 분사(160)로서 용접 지대(68)에서 효율적으로 이격시킨 시각 영역(78)이 보호를 받으며, 그 사이에 물리적 간격이 실질적으로 필요하지 않게 되었다.

제1도에 도시된 바와 같이, 공급 라인(165)을 통한 비활성 가스 공급원(도시되지 않음)으로부터의 압축 조절된 비활성 가스의 제공이 이루어진다. 공급라인(165)에서의 비활성 가스의 일층 향상된 적용에 의해 비활성 가스가 방향이 있는 분사를 이루도록, 노즐(175)은 공급 라인(165)의 유출구에서, 바람직하게는 용접 지대(68)와 시각 영역(78)에서, 어느 정도 이격진 위치에 설치된다. 공급 라인(165)이 고 배율 광학 시스템(82)에 연결됨으로써, 노즐(175)은 제2도에 도시된 바와 같은 간극(G)에 인접하게 배치된다. 본 발명에 성공적으로 사용된 비활성 가스의 예로는 헬륨과 아르곤이 있다.

또한, 분사(160)는 용접 지점(68)을 향하는 방향으로 간극(G)을 따라 직접 시각 영역(78)위를 통과함과 동시에 시각 영역(78)이 간극(G)의 최적한 관측을 해칠 수 있는 먼지 또는 다른 이물질로부터 영향을 거의 받지 않게 되도록 제공되는 것이 바람직하다. 공급되는 비활성 가스의 방향을 전환시키면 시각 영역(78)의 시계성(visibility)을 개선하도록 연기와 다른 용접 파편을 고 배율 광학 시스템(82)으로부터 원격지게 할 뿐만 아니라, 용접 지점(68)에서의 용접 플룸을 감소시킴으로써(헬륨이 용접 플룸을 감소시키는데 특히 효과적임)라인 스캔 카메라(77)로 향하는 섬광을 제거한다.

또한, 용접 지점(68)에 비활성 가스를 가함에 따른 잇점은 용접으로부터의 위장 방사(spurious radiation)를 제거할 목적으로 시각적 화상 시스템에서 흔하게 사용되는 고가의 복잡한 필터의 필요성을 극소화시킨 것이다. 이러한 방식으로 비활성 가스를 분사시킴으로써, 용접 장치에 커버 가스를 제공할 필요성도 없어진다. 분사(160)는 공급원과 측판(150)하류에 배치된 한개의 노즐에 의해 공급되는 것으로 도시되었지만, 임의 개수의 분사 스트림 및/또는 노즐은, 시각 영역(78)으로부터 용접 플룸, 스모그 및 다른 파편이 원격지는 방향이 되도록 용접 지대(68)로부터 효율적으로 이격지는 시각 지역(78)을 이루는데 동일하게 이용될 수 있는 것이다.

Claims

레이저 빔(31)과 작업부재(55,56) 사이에 상대적 운동이 상기 간극(G)과 평행한 종축선(X)을 따라 발생되어, 레이저 빔(31)과 작업부재(55,56)의 용접 또는 절단작업을 수행하는, 2개 이상의 작업부재(55,56)의 대향하는 인접 모서리에 의해 형성되는 연속된 간극(G)의 중심(C)을 따라서 레이저 빔(31)이 자동적이고 연속적으로 정렬 배치되는 정렬 장치(10)에 있어서, 상기 정렬 장치(10)는: ⓐ미리 결정된 2차원 좌표 시스템(X-Y)과 관련하여 상기 중심(C) 구역을 결정하는 시각적 화상 시스템(75)과; ⓑ화상(image)을 수신하여, 상기 레이저 빔(31)과 관련하여 상기 간극 중심(C) 구역을 한정하는 출력 신호로 변환시키는 컨트롤러(90)와; ⓒ작업부재(55,56)가 병진대와 함께 이동하도록 그에 고정되어 있는, 레이저 빔(31)과 작업부재(55,56) 사이에 상대적 운동을 제공하는 종축(X)에 대해 평행하게 이동 가능한 병진대(52)와; ⓓ레이저 빔(31)과 간극 중심(C)이 지속적으로 정렬상태를 유지하도록 출력신호에 반응하여 간극 중심(C)과 레이저 빔(31)의 상대적 위치를 자동적으로 조정하는 조정수단(140,73,50)을 포함하며; 상기 화상 시스템은: ㉠시각 영역(78)이, 간극(G)이 걸치어지고 그리고 작업부재(55,56)의 인접 모서리(65,66)를 가지도록 설계되며, 종축(X)을 따라서 레이저 빔(31)의 하류방향으로 이격진 시각 영역(78)의 화상을 생성하는 라인 스캔 카메라(77)와; ㉡상기 라인 스캔 카메라(77)는 시각 영역(78)의 수용을 유지하면서 시각 영역(78)으로부터 이격지며, 라인 스캔 카메라(77)에 동작 가능하게 부착된 광학 시스템(82)과; ㉢상기 광학 시스템(82)의 최저부에 연결된 파이버 옵틱 일루미네이터(88)와; 그리고 ㉣조명은 광학 시스템(82)에 동축으로 시각 영역(78)에 공급되며, 간섭 파이버 옵틱 번들(86)에 의해 상기 파이버 옵틱 일루미네이터(88)에 접속되는 독립적인 광원(84)을 구비하는 것을 특징으로 하는 정렬 장치.
제1항에 있어서, 상기 라인 스캔 카메라(77)는 상기 화상(91)의 미리 결정된 부분만을 출력 신호로 선택적으로 변환시킬 수 있는 조정 가능한 관측필드(adjustable field of view)를 가지는 것을 특징으로 하는 정렬 장치.
제1항에 있어서, 상기 조정 수단은 출력신호로부터 파생되는 제어 신호에 응답하여 종축(X)에 대해 수직적으로 이동 가능한 병진대(50)를 부가로 포함하며; 상기 병진대(50)는 상기 병진대(52)와 관련하여 이동 가능한 것이고; 상기 작업부재(55,56)는 작업부재(55,56)가 병진대(52,50)에 따라서 운동하도록 상기 병진대(52)에 고정되는 것을 특징으로 하느 정렬 장치.
제1항에 있어서, 상기 종축(X)을 따라서, 용접 지점(68)으로 레이저 빔을 향하세 하는 방향 수단을 부가로 포함하고; 상기 방향 수단은, 레이저 초점 렌즈(38)을 통해서 용접 지점(68)으로 레이저 빔(31)을 반사시키는 한 개 이상의 반사경(36)과, 반사경(36)에 작동 가능하게 접속된 모터(200)를 구비하며; 상기 반사경(36)은 레이저 빔(31)의 방향의 미세한 조정이 이루어지도록 회전 될 수 있는 것을 특징으로 하는 정렬 장치.
제1항에 있어서, 상기 출력 신호를 모니터링 하는 수단을 구비하며, 상기 조정 수단인 모터(200)는 미리 결정된 역치 레벨 밑에 출력 신호에 반응하지 않는 것을 특징으로 하는 정렬 장치.
제1항에 있어서, 상기 작업부재(55,56) 밑으로부터 간극(G)을 조명하는 광원(95)을 구비하는 것을 특징으로 하는 정렬 장치.
제 4항에 있어서, 조정 수단은 상기 병진대(50) 조정의 속도를 자동적으로 조정하는 컴퓨터(140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 장치.
간극(G)에 대해 평행한 종축(X)을 따라서 작업부재(55,56)와 용접기 사이에 상관 운동으로 용접기에 의한 작업부재(55,56)의 인접 모서리(65,66)의 연결을 이루고, 연결되어지는 2개 이상의 작업부재(55,56)의 대향하는 인접 모서리(65,66)에 의해 형성된 연속적 간극(G)의 중앙선을 따라 용접기를 자동적이고 연속적으로 정렬하는 방법에 있어서, 상기 방법은: ⓐ상대적 운동 중에 종축(X)을 따라 간극(G)의 중심(C)의 위치 결정을 위해서, 상기 종축을 따라 용접기의 레이저 빔(31)의 하류에 이격진 시각 영역(78) 내에 상기 간극을 모니터링 하는 시각적 화상 시스템(75)을 제공하는 단계와; ⓑ상기 용접기의 레이저 빔(31)과 상기 간극 중심(C)이 정렬상태를 유지하도록 상기 간극(G)의 중심(C)과 용접기의 레이저 빔(31)의 상관 위치를 자동적으로 조정하는 단계와; ⓒ연결 과정에서, 상기 용접기의 레이저 빔(31)이 간극(G)을 따라 용접 에너지를 가하는 용접 지점(68)에 근처에, 그 합성 방향이 용접 지점(68)을 통하고 시각 영역(78)로부터 원격지는 방향으로 방향지도록 비활성 가스를 분사(160)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 방법.
제8항에 있어서, 상기 시각 영역(78)이 상기 간극(G)의 말단부를 통과하면, 상기 간극(G)의 끝에서 상기 간극 중심(C)과 상기 하이 파워 빔(31)의 상관 위치의 조정이 일정 비율로 유지시키는 단계를 부가로 포함하고, 상기 일정 비율은 시각 영역(78)이 상기 간극(G)의 끝을 통과하면 정렬을 유지시키는 컨트롤러에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 정렬 방법.
제8항에 있어서, 개시적으로, 상기 용접기의 레이저(30)와 상기 작업부재(55,56) 사이에 상대적인 운동방향과 상기 간극 중심(C)을 정렬하는 단계를 부가로 포함하고, 상기 개시적 정렬 단계는: ⓐ용접기의 레이저(30)를 상기 간극(G)의 종축(X)을 따라 다수의 미리 결정된 지점에서 펄스시키고; ⓑ상기 지점을 연결하는 선을 설정하고; ⓒ현재의 상대적 운동방향과 상기 선을 비교하고; 그리고 ⓓ상기 선 과 현재의 상대적 운동방향 사이에 임의적 오정렬을 교정하는 것을 특징으로 하는 정렬 방법.