KR100230060B1 - 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파 전기 저항 용접 장치를 이용하여 전봉관을 제조할 때 용접 부위를 영상 데이터로 처리하여 용접 상태를 최적의 상태로 유지해 주는 용접 제어 방법에 관한 것으로, 피용접물의 용접 부위를 촬영한 영상 데이터를 그레이 레벨로 변환시키는 단계와; 상기한 단계에서 그레이 레벨로 변환된 영상 신호를 입력받아 역상의 그레이 레벨로 변환시키는 단계와; 상기한 단계에서 역상의 그레이 레벨로 변환된 영상 데이터로부터 비드 부분과 배경 부분을 분리하기 위하여 소정의 2값화 처리 과정을 수행하는 과정과; 상기한 단계에서 비드 부분과 배경 부분으로 2값화 처리된 영상 데이터에 포함된 잡음 신호를 제거하는 단계와; 상기한 단계에서 잡음이 제거된 영상 데이터로부터 비드 부분의 에지를 검출하는 단계와; 상기한 단계에서 검출된 에지를 토대로 용접점의 위치, 용접점 전의 비드 면적, 용접점의 결합 각도 등을 구하는 과정과; 상기한 과정에서 구해진 제어 변수를 이용하여 최적의 용접이 이루어지도록 용접 입열량을 제어하는 과정으로 이루어진다.

Description

영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법

본 발명은 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고주파 전기 저항 용접 장치를 이용하여 전봉관을 제조할 때 용접 부위를 영상 데이터로 처리하여 용접 상태를 최적의 상태로 유지해 주는 용접 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속의 용접 부위를 전기 저항열로써 용융시켜 용접하는 전기 저항 용접에는 용접 부위를 서로 겹쳐서 용접하는 점 용접기(spot welding), 프로젝션 용접기(projection welding), 시임 용접기(seam welding), 그리고 용접 부위를 서로 마주보게 하여 용접하는 벗트 용접기(butt welding), 후레쉬 벗트 용접기(flash butt welding), 벗트 시임 용접기(hutt seam welding), 퍼카션 용접기(percussion welding), 금속을 직접 용융시켜 용접하는 납땜기 등이 있다. 이러한 분류는 편의상 용접 방식에 의한 것이며, 용접기에 공급되는 전력의 공급 방식에 의하여 분류하면 일반 교류 단상식, 저 리액턴스식, 축열식 등이 있으며, 용접 부위에 가해지는 압력을 공급하는 방식에 의하여 분류하면 인력 가압식, 전동력 가압식, 공기 가압식, 유압 가압식, 전자력 가압식 등이 있다. 그리고, 제어 방식에 의하여 분류하면 비동기 제어식, 준동기 제어식, 동기 제어식, 컴퓨터 제어식 등이 있으며, 이 중에서 컴퓨터 제어식에는 입력 전압 제어, 용접 변압기 입력 전류 제어, 용접 전류 제어, 나게트 전압 제어, 용접 전력 제어, 가압력과 전력 제어, 용접 조건 선택 제어, 나게트 제어 방식 등으로 구별할 수 있다.

이러한 여러 종류의 전기 저항 용접기들은 모두 피용접물간의 접촉 부위에 발생하는 전기 저항을 이용하여 대전류를 공급함으로써 발생하는 저항열로 피용접물을 용접하는 것으로, 용접 원리를 설명하면 다음과 같다.

전기 저항에 의하여 발생하는 저항열(Q)은 0.24I²Rt(cal)이며, 저항열은 저항(R)과 전류(I)의 제곱에 비례하여 발생한다. 따라서, 피용접물에 공급되는 전류량을 크게 해야 하며, 그렇게 하기 위해서는 낮은 전압으로 강하시켜 공급해야만 적은 전력량(VA)으로써 대전류를 공급할 수 있다.

한편, 2장의 피용접물을 서로 겹치게 해놓고 서로 대응되는 위치에 전극팁을 접촉시켜 놓고 전류를 공급하면, 피용접물이 서로 접촉되는 부위의 저항이 가장 크며, 그 다음으로 피용접물과 전극팁이 접촉되는 부위가 그 다음으로 크며, 피용접물의 벌크 부분이 가장 낮은 저항을 갖는다. 따라서, 전극팁으로 전류를 공급하면, 피용접물간의 접촉 부위에 가장 많은 열이 발생하며, 그 다음으로 전극팁과 피용접물이 접촉되는 부위, 피용접물의 벌크 부분 순서로 열이 많이 발생하게 된다.

한편, 피용접물에 열을 발생시켜 서로를 용융 접합하기 위해서는 피용접물에 적당한 힘을 가압할 필요가 있으며, 피용접물의 금속적 특성에 따라 공급되는 전류의 크기, 지속 시간 등을 적절하게 조절해야만 용접 품질을 좋게 유지할 수 있는 것이다.

이러한 일반적인 특성을 갖고 있는 전기 저항 용접법 중에서 본 발명과 관련이 있는 고주파 전기 저항 용접기는 용접 부위에 고주파 전류를 공급함으로써 유도 전류에 의한 유도 가열을 발생시켜 피용접물을 용융시켜 용접하는 방법으로, 공급되는 전류의 주파수는 300~1000kHz의 고주파로써 피용접물에 접촉자를 접촉시켜 전류를 공급하면 접촉자를 중심으로 최단 거리를 형성하는 폐회로가 형성되어 그 부분에서 유도 가열 현상이 발생하여 피용접물을 용융시키게 된다.

이러한 고주파 전기 저항 용접은 용접 속도가 매우 빠르고, 용접 결함의 발생빈도가 낮기 때문에 전봉관을 제조하는데 많이 이용되고 있다. 특히, 고주파 전기 저항 용접은 경제성이 뛰어나고, 용접 품질이 우수하여 석유 및 가스 송유관, 유정관, 기계 구조용 강관 등의 고도의 품질을 요구하는 부분에 많이 적용되고 있다. 따라서, 이렇게 중요한 용도에 사용되는 전봉관은 그의 용접부위의 결함이 엄격하게 관리되어야 하는 것이다.

현재 고주파 전기 저항 용접법으로 제조되는 강관의 용접부 결함의 발생 빈도를 최소화하기 위하여 자동적으로 입열량(入熱量)을 조절해 주는 자동 입열 제어 장치가 개발되어 사용되고 있으며, 이 자동 입열 제어 장치는 용접 품질에 영향을 미치는 용접 속도, 대강의 두께 등 주요 용접 변수의 변수를 감지하여 적정한 용접 조건이 유지되도록 용접 입열량을 자동으로 조절하는 것이다.

고주파 전기 저항 용접법의 자동 입열 제어 장치는 이용되는 피드백(feedback) 신호의 종류에 따라서, 발진 주파수의 변화를 이용하는 방법, 비드(BEAD)의 형상을 이용하는 방법, 용접 온도 또는 그의 분포를 이용하는 방법 등이 이용되고 있으며, 특히, 신일본 제철에서 개발하여 사용하고 있는 발진 주파수를 이용하는 방법(일본 특허, 평3-34432, 소52-111851)은 발진 주파수의 변화를 피드백 신호로 이용하여 용접 입열량을 자동으로 조절하고 있다. 즉, 용접 입열량이 증가함에 따라서 발진 주파수의 변동폭이 점차 증가하여 최대에 이르고, 용접 입열량을 더욱 증가시키게 되면 발진 주파수의 변동폭이 다시 감소하는 원리를 이용한 것이다. 따라서, 용접 입열량을 발진 주파수의 변화가 가장 큰 제2종 용접 구역에 유지시켜 적정 용접 조간을 자동으로 유지하는 방법인 것이다.

그러나, 이 방법은 용접 작업을 개시할 때 용접 입열량을 최소에서 최대까지 변화시켜 가면서 용접되는 재료의 두께 및 용접 속도에 대하여 적정 용접 범위를 일일이 설정해 주어야 하기 때문에 숙련된 기술을 요구하는 단점과 번거로운 과정으로 인하여 생산성이 저하되는 문제점이 있었던 것이다.

한편, 1980년 이후로 고주파 전기 저항 용접에 관한 연구는 일본을 중심으로 주로 용접 메카니즘(welding mechanism)의 규명과 용접 입열량 제어기 구성에 관하여 이루어졌다.

하가(H. Haga)는 용접 현상을 1종, 2종 및 3종으로 구분하고, 용접 현상의 주기성을 용접 변수들과 관련지어 설명했으며(Haga K. Adki T. Sato "Welding Phenomena and Welding Mechanism in High Frequency Electric Resistance Welding-1st Report" Welding Journal, Vol. 59(208s~216s), 1980.), 또한 ERW(Electric Resistance Welding) 방식으로 제조된 강관의 용접 결함 형성의 메카니즘을 연구 발표했다. 여기에서 그는 용접 결함의 종류 및 생성 요인을 위 논문에서 언급된 용접 현상과 연관시켜서 설명했다(Haga K. Adki T. Sato "The Mechanism of Formation of Weld Defects in High-frequency Electric Resistance Welding" Welding Journal, Vol. 60(104s~109s), 1981.). 이치하라(Ichihara) 등은 ERW 방식으로 제조되는 합금 강관의 제조 공정을 연구하고, 용접 속도, 용접 전류, 용접 온도를 이용한 제어 방식을 제안했다(Hirohisa Ichihara, Daigo Sumimoto Tsurugi Kimura, Yasuo Kimiya, and MItsuo Yoshizawa, "Manufacture of Alloy Steel Tube by High Frequency Electric Resistance Welding", Transactions ISIJ, Vol. 26(468~475), 1986.). 와타나베(Watanabe)는 강판 두께와 용접 속도에 따라 파워 입력을 제어하고, 용접 현상을 전기적으로 관찰해서 최적 조건을 유지시키는 방식을 제안했다(Nobuo Watanabe, Masaakin Funaki, Seietsu Sanmiya, Noriyuki Kosuge, Hiroyo Haga, and Nobuo Mizuhashi, "Am Automatic Power Input Control System in High Frequency Electric Resistance Welding", Transactions ISIJ, Vol. 26(453~4460), 1986.). 사이토(Saito) 등은 최적 용접 상태를 유지하기 위하여 용접부의 온도 분포를 자동으로 조절하는 제어 방식을 제안하고, 비드(bead, 금속의 용융된 부분) 형상을 모니터해서 그로부터 용접 상태를 대변할 수 있는 대표값을 추출해서 감시하는 방식을 제안했다. 이 용접 제어 방식의 제어 변수는 용접 부위의 온도 분포이며, 비드 형상은 단지 온도 분포의 비선형성을 보상한다(Michio Saito, Hiroji Kasahara Tominaga, and Shuzo Watanabe, "Theoretical Analysis of Current Distribution in Transactions Electric Resistance Welding", ISIJ, Vol. 26(461~467), 1986.).

강관 업계에서는 주로 용접 자동화의 실현을 위한 연구에 많은 투자를 하였다. 신일본 제철의 경우에 대강의 두께, 용접 속도, 컨택트 팁(contact tip)과 용접점(apex)과의 거리, 스퀴즈 토출량(squeeze-out), 용접 개시 시간, 임피더 코어(impeder core)의 온도, 메탈 플로우(metal flow) 각도 등의 변수들이 고주파 전기 저항 용접에 미치는 영향에 대한 연구를 하기 시작하였다. 이 연구를 시작으로 용접부의 품질을 나타내는 변수를 가려내기 위한 연구가 진행되었다. 그 결과, 그들은 고주파 전기 저항 용접을 세 가지 특징적인 용접 현상으로 분류할 수 있음을 발견하고, 이 현상들을 제1종, 제2종 및 제3종 용접 현상으로 구분하여 칭하였다. 이러한 기초 연구 결과를 바탕으로 각 용접 현상에 발생하는 V 근접점(V-convergency point)의 위치 변화 주기를 모니터하여 입열량을 제어하는 방법을 제안했으나, 측정할 때 발생하는 고주파 노이즈(noise)의 영향으로 V-근접점의 위치 변화 측정에 어려움이 있었다. 이러한 노이즈 제거 문제는 아직도 해결해야 할 문제이다. 그 후 개발된 방법은 용접 전류 및 전압을 모니터하여 입열량을 조절하는 장치였다. 그러나, 이 방법 또한 용접할 때 모재(피용접물)에 흐르는 전류와 전압을 정확하게 측정할 수 없다는 문제점이 있었다(Hisashi, Gondo, et al., "Welding Mechanisms in High-frequency Electric Resistance Welding", Nippon Steel Technical Report, No. 14, 1979.). 주우 금속의 경우에는 컨택트 팁과 대강 에지(edge) 사이에 온도 분포 패턴과 용접부의 관련성을 연구하였다. 그러나, 측정되는 온도가 재료의 두께 및 용접 속도 등의 용접 조건의 변화에 민감하지 않아서 용접의 품질을 감시하는 변수로 사용하는데 어려움이 있었다(Tetsuo Kyogoku, et. al., "Automatic Welding Control System for Electric Resistance Weld Tube Mill", Sumimoto Technical Report, 1983.).

일본 강관의 경우에는 대부분의 현장 작업자가 용접할 때 절삭된 비드의 형태를 관찰하여 입열량을 조절한다는 점에 착안하여 구조화 직선 빔을 비드의 면에 비추고, 이 때 발생한 직선 빔의 변형을 온-라인(on-line) 상에서 CCD(Charge Coupled Device) 카메라를 이용하여 비드의 단면 형상을 구하고, 이 정보를 이용하여 입열량을 자동으로 제어하는 장치를 개발하였다. 비드의 영상 데이터에서 비드의 높이, 폭 등을 계산하여 발진 튜브의 플레이트 전압과의 상관 관계를 폴이노미얼(polynomial) 식의 형태로 나타낸 다음, 이를 이용하여 입열량을 제어하였다(Yudaka Mihara, Koji Suzuki, Toshio Ohkawa, Naoki Harada, Isamu Komine, and Saburou Ishiro, "A New Automatic Heat Input Control for Production of Electric Resistance Welded Pipe", Tranjaction ISIJ, Vol. 26(476~483), 1986.).

고주파 저항 용접 공정을 자동화하여 보다 양질의 강관을 생산하기 위해서는 기본적으로 용접 부위의 접착력 내지는 강도를 높이기 위한 방향으로 연구가 수행되어야만 한다.

용접 공정에서 용접부의 품질을 결정하는 것은 용접부에 가해지는 열량과 압착력이라고 볼 수 있다. 이들 용접 조건들의 가능한 조합은 무수히 많다고 볼 수 있지만, 효율적인 자동화 시스템을 꾸미기 위해서는 압착력의 수준을 일정하게 맞추어 놓고 입열량을 조절하는 것이 보다 바람직한 것으로 여겨진다.

용접 입열량을 제어하기 위해서는 용접기가 주어진 입열량을 정확하게 용접 부위에 전달하는지를 알아야 하고, 주어진 입열량이 제대로 된 것인지도 알아야 한다. 전자의 경우는 속도 파워 제어로써 가능하고, 후자의 경우는 용접 품질에 대한 신뢰성 있는 변수를 선택하여야 한다.

완전한 용접 입열 제어기를 꾸미기 위해서는 속도 파워 제어기를 먼저 구성한 후에 용접 품질 제어가 가능한 것이다.

그러나, 종래의 용접 시스템에서는 작업자가 비드의 형상을 보면서 용접 속도와 파워를 동시에 제어해야 하므로 작업이 불편한 것은 물론이고, 생산성이 저하되고, 용접 품질이 균일하지 못한 문제점이 있었던 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 용접 부위에서 발생하는 비드(bead)의 형상을 영상 데이터로 변환하여 용접 품질에 영향을 미치는 변수를 추출하여 용접 속도와 파워를 자동으로 제어하여 생산성을 향상시켜 주고, 용접 품질을 균일하게 유지할 수 있게 하여 제품의 질을 높여 주는 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법을 제공한다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 피용접물의 용접되는 부분의 영상을 촬영하여 영상 신호를 출력해 주는 카메라 및 영상 신호 처리부와; 용접기의 파워 출력을 조절해 주는 용접기 컨트롤러와; 피용접물을 이동시켜 주는 모터의 속도를 조절해 주는 모터 컨트롤러와; 영상 처리부를 통해 입력된 영상 데이터를 이용하여 용접 상태를 파악하여 용접기 컨트롤러와 모터 컨트롤러를 통하여 용접기와 모터를 제어해 주는 주 제어부로 구성되는 고주파 전기 저항 용접 장치의 용접 입열량 제어 방법에 있어서, 피용접물의 용접 부위를 촬영한 영상 데이터를 그레이 레벨로 변환시키는 단계와; 상기한 단계에서 그레이 레벨로 변환된 영상 신호를 입력받아 역상의 그레이 레벨로 변환시키는 단계와; 상기한 단계에서 역상의 그레이 레벨로 변환된 영상 데이터로부터 비드 부분과 배경 부분을 분리하기 위하여 소정의 2값화 처리 과정을 수행하는 과정과; 상기한 단계에서 비드 부분과 배경 부분으로 2값화 처리된 영상 데이터에 포함된 잡음 신호를 제거하는 단계와; 상기한 단계에서 잡음이 제거된 영상 데이터로부터 비드 부분의 에지를 검출하는 단계와; 상기한 단계에서 검출된 에지를 토대로 용접점의 위치, 용접점 전의 비드 면적, 용접점의 결합 각도 등을 구하는 과정과; 상기한 과정에서 구해진 제어 변수를 이용하여 최적의 용접이 이루어지도록 용접 입열량을 제어하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법을 제공한다.

제1도는 본 발명에 따른 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도.

제2도는 본 발명에 따른 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법에 따른 영상 처리 과정을 순서적으로 나타낸 상태도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : CCD 카메라 12 : 영상 처리부

13 : 주 제어부 14 : ADC

15 : DAC 16 : 용접기 컨트롤러

17 : 모터 컨트롤러

본 발명에 따른 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법의 구성 및 작용을 본 발명의 일 실시예를 통하여 상세하게 설명한다.

첨부한 도면, 제1도는 본 발명에 따른 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이고, 제2도는 본 발명에 따른 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법에 따른 영상 처리 과정을 순서적으로 나타낸 상태도이다.

먼저, 본 발명에 이용되는 용접 입열량 제어 장치의 구성을 설명하면, 제1도에 도시한 바와 같이, 피용접물의 용접되는 부분의 영상을 촬영하여 영상 신호를 출력해 주는 CCD 카메라(Charge Coupled Device Camera, 11)와; 상기한 CCD 카메라(11)의 컬러 영상 신호를 입력받아 그레이 레벨의 영상 신호로 변환하여 출력해 주는 영상 신호 처리부(12)와; 피용접물을 용접하기 위한 파워를 발생시켜 주는 용접기에 연결되어 용접기의 파워를 조절해 주는 용접기 컨트롤러(16)와; 피용접물을 상기한 용접기에 소정의 속도로 이동시켜 공급해 주는 모터의 속도를 조절해 주는 모터 컨트롤러(17)와; 상기한 영상 처리부(12)를 통하여 입력된 용접 부위의 영상을 입력받아 용접 부위의 용접점 및 용접점의 결합 각도와 용접 면적 등을 계산하고, 피용접물의 특성 및 이동 속도와, 용접기를 통하여 공급되는 전류 및 전압 등을 참조하여 피용접물의 용접 상태가 최적의 상태를 유지하도록 상기한 용접기 컨트롤러(16)와 모터 컨트롤러(17)를 통하여 용접기와 모터를 제어해 주는 주 제어부(13)로 이루어진다.

그리고, 상기하 주 제어부(13)에는 피용접물의 두께(t)와 출력 전압(Ep), 전류(Ip), 그리고 피용접물의 이동 속도(V) 등을 입력시키면 이를 디지털 데이터로 변환시켜 주는 ADC(14)가 부가되며, 상기한 주 제어부(13)와 용접기 컨트롤러(16) 및 모터 컨트롤러(17) 사이에는 디지털 데이터를 아날로그 데이터로 변환시켜 주는 DAC(15)가 연결된다.

상기한 바와 같이 구성된 용접 입열량 제어 장치를 이용한 본 발명에 따른 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법은 다음과 같은 과정으로 이루어지며, 그 과정을 제2도의(a~h)에 도시하였다.

피용접물의 용접 부위를 CCD 카메라(11)를 이용하여 촬영한 영상 데이터(a)를 영상 처리부(12)를 통하여 소정의 그레이 레벨로 변환시킨다(b).

이렇게 그레이 레벨로 변환된 영상 신호(b)는 주 제어부(13)로 입력되어 1차적으로 역상의 그레이 레벨로 변환된다(c).

역상의 그레이 레벨로 변환된 영상 데이터를 이용하여 비드의 특성을 구하는데, 그렇게 하기 전에 영상 데이터에 포함되어 있는 잡음 신호를 제거하여야 한다. 즉, 영상 신호에 포함되어 있는 잡음 신호를 효율적으로 제거해야만 보다 선명하고 정확한 비드 영상을 얻을 수 있게 된다.

먼저, 영상 신호에 영향을 끼치는 잡음 신호는 용접기의 냉각을 위하여 사용되는 냉각수나 수증기가 CCD 카메라(11)에 포착되어 나타나거나, 유도 코일, 용접기 등에서 발생하는 전자기적인 잡음으로, 이 잡음 신호는 영상 신호에 영향을 끼쳐 비드의 영상 데이터 처리에 잡음으로 작용하게 되는 것이다.

그리고, 잡음이 발생하는 원인이 명확하게 밝혀지면 그에 따른 필터를 설계하여 잡음을 제거할 수 있지만 고주파 전기 저항 용접 시스템의 경우에는 잡음이 발생하는 메커니즘을 알 수 없고, 그 것을 수식으로 모델 화하여 해결하는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 잡음이 갖고 있는 일반적 성질을 의거해서 잡음을 제거하는 평활화 수법을 이용하여 잡음을 제거한다.

이러한 잡음 신호를 제거하는 방법으로는 아래와 같은 방법 등이 있다.

1. 이동 평균 필터(moving average filter)

분산이 σ²의 분포에서 독립으로 취해진 n개의 샘플에 대한 분산값은 σ²/n이 된다. 따라서, 입력 화상에서의 점(i, j) 근방의 평균 농도를 출력 화상의 점(i, j)의 값으로 하여 화상 중의 잡음에 의한 농도의 분산을 저하시킬 수 있다. 다른 방법으로 보면, 이러한 조작은 요소가 모두 1n²인 가중 매트릭스에 의한 공간 피터링이라고 할 수 있다. 이 방법에서는 농도의 평균을 구하는 근방을 너무 크게 하거나, 조작을 몇 번이고 반복하면 화상에 흐려져서 오히려 화질이 떨어지는 특성이 있다.

2. 메디안(중앙값) 필터(median filter)

이동 평균법에서는 국소 영역에서 농도의 평균값을 영역 중앙 화소의 출력 농도로 했다. 메디안 필터에서는 국소 영역 중의 농도의 중앙값을 출력 농도로써 준다. 이 비선형적인 필터에서는 이동 평균법에 비해서 에지가 상당히 흐려지는 것을 방지할 수 있다.

3. 선택적 국소 평균화

이동 평균법에서는 에지가 흐려지는 것은 국소 영역 내에 에지가 존재하느냐 하지 않느냐에 관계없이 똑같이 농도의 평균값을 구하기 때문이다. 따라서, 각 화소 주위에서 에지를 포함하지 않는 국소 영역을 찾아서 그 영역의 평균 농도를 그 화소의 위치에서의 출력 농도라고 하면, 에지를 흐리게 하는 일없이 잡음 제거를 할 수 있다. 이와 같은 방법은 일반적으로 선택적 국소 평균화(selective local average)라고 한다.

4. 고립 잡음의 제거

잡음이 규칙적인 것이나 주위와의 농도차가 상당히 큰 고립 점으로 되어 있을 때에는 그와 같은 잡음의 성질을 이용하여 능숙하게 잡음을 제거할 수 있다. 즉, 비드 화상에 나타나는 냉각수에 의한 깨소금 모양의 잡음을 제거하려면 각 화소에 있어서 그 화소의 농도 값과 주위 화소의 농도 값을 각각 비교해서 유사한 농도를 가진 화소의 수가 적을 때는 잡음이라고 판단하고, 주위 화소의 평균 농도로 농도 값을 바꾸어 놓는다.

이러한 방법 중에서 본 발명에서는 메디안 필터법을 이용하여 잡음을 제거하였으며, 이렇게 잡음이 제거된 영상(d)을 기반으로 하여 비드 부분과 배경 부분을 분리하기 위하여 소정의 2값화 처리 과정을 수행한다.

이 2값화 처리 과정은 다음과 같은 처리 과정을 거친다. 비드 화상의 특징을 해석하려면 영상에서 대상물을 잘라내고, 비드와 배경을 분해한 2값 화상으로 영상을 취급해야 한다. 화상의 2값화는 다음 수학식 1에 나타낸 바와 같은 역치 처리(thresholding)에 의해서 처리된다.

[수학식 1]

위와 같은 수학식 1에 의하여 나타낸 결과의 2값화 처리 과정을 거치면, 보통 '1'의 부분은 비드를, '0'의 부분은 배경을 나타낸다. 그런데, 여기서 문제가 되는 것은 역치 t의 결정법이다. t를 결정하는 방법은 역치 선택(threshold selection)이라 부른다. 주로 다음과 같은 방법이 사용된다.

먼저, p-타일법으로, 이 방법은 도면이나 문서 화상 등 잘라내야 할 대상 도형의 면적이 어느 정도 추정될 수 있는 경우에 사용되는 방법으로, 제3도에 도시한 바와 같이, 농도값의 중간 부분을 기준(t)으로 하여 그 이상은 '1'로, 그 이하는 '0'으로 환산하는 방법을 나타낸다. 그리고, 모드법은 제4도에 도시한 바와 같이, 화상 중의 대상 도형과 배경의 농도 값의 차가 클 때에는 히스토그램에 명확한 골이 형성되므로, 이 골의 값을 역치(t)로 기준으로 하여 2값화 처리한다. 그 밖에도, 미분 히스토그램법, 판별 분석법, 가변 역치법 등이 이용된다.

이러한 2값화 처리 방법 중에서, 비드 화상은 용융된 비드 부분과 배경 부분이 명료하게 구별되어 히스토그램이 명확하게 나타나므로 모드법을 이용하여 2값화 처리를 한다.

상기한 바와 같이, 비드 부분과 배경 부분으로 2값화 처리된 영상 데이터(e, f)를 이용하여 비드 부분의 에지를 검출하는 단계 즉, 비드의 화상을 해석하는 과정을 수행하는데 그 과정은 다음과 같다.

1. 비드의 화상 특징으로부터 비를 형성하는 부분의 화상 특징을 추출한다.

2. 추출된 화상 특징의 속성이나 그들 사이의 관계를 구한다.

3. 위에서 구한 정보를 이용하여 어떤 화상 특징이 어떤 용접 변수의 어떤 부분에 대응하는가를 결정한다.

화상 해석의 1단계 처리는 화상의 분할(segmentation)이라 불리는데, 그 것에서 추출되는 화상 특징으로는 에지(edge)와 영역(region)이 있다. 에지 검출과 영역 분할은 서로 상보적인 특징을 갖고 있으며, 모두 화소 중의 대상물에 대응하는 부분에서는 특징이 똑같고, 다른 대상물 혹은 대상물의 부분간에는 급격히 변화하고 있다. 즉, 에지 검출에서는 특징인 불연속 부분을 추출해서 닫힌 에지에 의하여 영역이 구해지고, 영역 분할에서는 특징이 똑같은 연결 영역으로 화상을 분할하여 영역간의 경계로써 에지가 정의된다.

일반적으로 참 에지를 과부족 없이 꺼내는 역치를 발견하는 것은 어려운 이로, 역치를 크게 하면 에지가 도중에서 끊어지고, 반대로 작게 하면 잡음이 추출된다. 이 때문에 미분 화상에서 연속된 경계선을 추출하려면 선 추출법을 사용해야 한다(g).

위와 같은 방법으로 검출된 에지를 토대로 용접점의 위치, 용접점 전의 비드 면적, 용접점의 결합 각도(Vee) 등을 구하며, 이렇게 구해진 각종 데이터를 토대로 최적의 용접이 이루어지도록 용접 입열량을 제어하게 된다(h).

물론, 이러한 제어를 하기 위해서는 미리 최적화된 데이터를 여러 번의 실험을 통하여 결정해야 하며, 이렇게 최적화된 데이터는 용접을 하는 동안에도 피드백되어 현재의 용접 상황에 맞는 최적의 제어를 수행하여 용접 품질을 높이게 한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 장치 및 그 제어 방법은 용접 부위에서 발생하는 비드(bead)의 형상을 영상 데이터로 변환하여 용접 품질에 영향을 미치는 변수를 추출하여 용접 속도와 파워를 자동으로 제어하여 생산성을 향상시켜 주고, 용접 품질을 균일하게 유지할 수 있게 하여 제품의 질을 높여 주는 효과를 제공한다.

지금까지 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖은 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (1)

1. 피용접물의 용접되는 부분의 영상을 촬영하여 영상 신호를 출력해 주는 카메라(11) 및 영상 신호 처리부(12)와; 용접기의 파워 출력을 조절해 주는 용접기 컨트롤러(16)와; 피용접물을 이동시켜 주는 모터의 속도를 조절해 주는 모터 컨트롤러(17)와; 영상 처리부(16)를 통해 입력된 영상 데이터를 이용하여 용접 상태를 파악하여 용접기 컨트롤러(16)와 모터 컨트롤러(17)를 통하여 용접기와 모터를 제어해 주는 주 제어부(13)로 구성되는 고주파 전기 저항 용접 장치의 용접 입열량 제어 방법에 있어서, 피용접물의 용접 부위를 촬영한 영상 데이터를 그레이 레벨로 변환시키는 단계와; 상기한 단계에서 그레이 레벨로 변환된 영상 신호를 입력받아 역상의 그레이 레벨로 변환시키는 단계와; 상기한 단계에서 역상의 그레이 레벨로 변환된 영상 데이터로부터 비드 부분과 배경 부분을 분리하기 위하여 소정의 2값화 처리 과정을 수행하는 과정과; 상기한 단계에서 비드 부분과 배경 부분으로 2값화 처리된 영상 데이터에 포함된 잡음 신호를 제거하는 단계와; 상기한 단계에서 잡음이 제거된 영상 데이터로부터 비드 부분의 에지를 검출하는 단계와; 상기한 단계에서 검출된 에지를 토대로 용접점의 위치, 용접점 전의 비드 면적, 용접점의 결합 각도 등을 구하는 과정과; 상기한 과정에서 구해진 제어 변수를 이용하여 최적의 용접이 이루어지도록 용접 입열량을 제어하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상 정보를 이용한 용접 입열량 제어 방법.

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