KR100351670B1 - Measurement system of three dimensional shape of weld area - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용접부를 3차원적으로 측정하는 시스템에 있어서, 용접부를 측정하여 용접부의 품질과 생산성을 향상시키며, 간단한 구조를 가지는 3차원 용접부 형상 측정시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a three-dimensional weld shape measurement system having a simple structure in a system for measuring welds three-dimensionally to improve weld quality and productivity by measuring welds.
본 발명에 따르면, 용접부의 형상을 측정하는 용접부 형상 측정시스템에 있어서, 용접토치(1)의 둘레에 고정되는 지지대(10)와, 지지대(10)의 단부에 설치되어 회전 가능한 회전판(20)과, 회전판(20)에 고정되어 실시간 촬상하는 카메라(30)와, 카메라(30)의 렌즈의 전방에 설치되는 광학필터(31) 및, 광학필터(31)의 전방에 설치되는 바이프리즘(40)을 포함하는 용접부 형상 측정시스템이 제공된다.According to the present invention, in the weld shape measurement system for measuring the shape of the weld, the support 10 is fixed to the circumference of the welding torch 1, the rotary plate 20 is provided at the end of the support 10 and rotatable; , The camera 30 fixed to the rotating plate 20 for real-time imaging, the optical filter 31 provided in front of the lens of the camera 30, and the biprism 40 provided in front of the optical filter 31. Provided is a weld shape measurement system comprising a.
Description
본 발명은 용접부 형상 측정시스템에 관한 것이며, 특히, 구조가 간단하며 용접부의 형상을 3차원적으로 측정할 수 있는 3차원 용접부 형상 측정시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a weld shape measurement system, and more particularly, to a three-dimensional weld shape measurement system that is simple in structure and capable of three-dimensionally measuring the shape of a weld.
일반적으로 아크용접 공정에서 용접품질은 용접구조물의 치수오차 및 용접시의 입열로 인한 용접물의 열변형 등의 다양한 인자들에 의해 크게 영향을 받는다. 용접비드의 폭, 높이, 깊이 등의 용접부 형상은 용접부의 기계적 강도에 큰 영향을 미치므로 용접 품질의 평가에서 중요한 기준이 된다.In general, the welding quality in the arc welding process is greatly affected by various factors such as the dimensional error of the weld structure and the heat deformation of the weld due to the heat input during welding. The weld shape, such as the width, height, and depth of the weld bead has a great influence on the mechanical strength of the weld, which is an important criterion in the evaluation of weld quality.
그러므로, 용접비드가 적절한 형상을 가지도록 용접상태를 모니터링하고 용접변수를 제어하여야 한다. 이를 위해 용접 중에 용융지와 용접비드의 형상을 실시간으로 측정할 수 있는 센서가 요구되며, 이런 센서들 중에서 그 한 예로서 카메라를 이용하여 용접부의 형상을 측정한다.Therefore, welding condition should be monitored and welding parameters should be controlled so that weld bead has proper shape. For this purpose, a sensor capable of measuring the shape of the molten paper and the weld bead in real time during the welding is required, and as one of such sensors, the shape of the weld is measured using a camera.
종래의 용접부 형상 측정시스템은 한 대의 CCD(Charge coupled device)카메라를 용접토치에 부착하여 얻은 화상으로부터 용융지의 폭을 측정하였다. 이러한 용접부 형상 측정시스템은 용접모재와 카메라의 상대적인 위치가 고정되어 있을 경우에만 용융지의 폭을 측정할 수 있다. 즉, 용접모재의 위치가 변하는 경우에 정확하게 용융지의 폭을 계산할 수 없으며, 폭 이외의 용융지 형상 또한 구하기 어렵다는 단점이 있다.The conventional weld shape measurement system measures the width of the molten paper from an image obtained by attaching one CCD (Charge coupled device) camera to the welding torch. This weld shape measurement system can measure the width of the molten pool only when the relative position of the welding base material and the camera is fixed. In other words, when the position of the welding base material changes, the width of the molten paper cannot be calculated accurately, and the shape of the molten paper other than the width is also difficult to obtain.
한편, 구조화된 레이저빔과 한 대의 CCD카메라로부터 용접비드의 형상을 측정하는 시스템은 점 또는 선 형상의 레이저를 용접부위에 조사하고 반사되는 레이저를 카메라로 감지하여 삼각법에 의하여 용융지의 높이를 계산함으로써, 용융지의형상을 측정한다. 그러나, 이런 레이저를 이용한 형상 측정시스템은 용융지의 전체 형상을 측정할 수 없고, 레이저를 구동시키기 위한 구동장치와 레이저를 이용하는데 필수적인 냉각시스템 등으로 인해 설치장비가 비대해지고 막대한 제작비용이 소요된다는 단점이 있다.On the other hand, the system for measuring the shape of the weld bead from the structured laser beam and one CCD camera by irradiating a spot or linear laser to the welding site and detecting the reflected laser with the camera to calculate the height of the molten paper by trigonometry, Measure the shape of the melt. However, the shape measurement system using such a laser cannot measure the overall shape of the molten paper, and the installation equipment is enlarged and enormous manufacturing costs are required due to the driving device for driving the laser and the cooling system necessary for using the laser. There is this.
일반적으로, 3차원 형상 정보를 얻으려면 2대의 카메라를 사용하는 스테레오 비젼 시스템을 적용해야 하지만, 가격과 시스템의 크기 및 보정(Calibration) 등의 문제점을 가지고 있어, 실제 현장에서는 사용되지 않고 있다.In general, in order to obtain three-dimensional shape information, it is necessary to apply a stereo vision system using two cameras, but there are problems such as price, system size, and calibration, which are not used in the actual field.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 구조가 간단하고 재질의 물리적인 특성을 이용하여 용접부의 형상을 3차원적으로 측정하는 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the object is to provide a system for measuring the shape of the weld three-dimensional by using a simple structure and the physical properties of the material.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 3차원 용접부 형상 측정시스템을 나타낸 개략도이고,1 is a schematic view showing a three-dimensional weld shape measurement system according to an embodiment of the present invention,
도 2는 도 1에 도시된 용접부 형상 측정시스템의 지지대의 평면도이며,Figure 2 is a plan view of the support of the weld shape measurement system shown in Figure 1,
도 3은 도 1에 도시된 용접부 형상 측정시스템의 CCD카메라와 회전판을 나타낸 정면도이다.3 is a front view showing a CCD camera and a rotating plate of the weld shape measurement system shown in FIG.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠
1 : 용접토치 8 : 용융지1: welding torch 8: molten paper
10 : 지지대 12 : 홀더10: support 12: holder
14 : 제 1 조임볼트 18 : 제 2 조임볼트14: 1st tightening bolt 18: 2nd tightening bolt
20 : 회전판 30 : CCD카메라20: rotating plate 30: CCD camera
31 : 광학필터 40 : 바이프리즘31: optical filter 40: biprism
45 : 보호유리45: protective glass
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 용접부의 형상을 측정하는 용접부 형상 측정시스템에 있어서, 용접토치의 둘레에 위치하여 상기 용접토치의 길이방향으로 상하 이동 및 상기 용접토치의 원주를 따라 회전 가능한 지지수단과, 상기 지지수단의 단부에 설치되어 용접부의 형상을 실시간 촬상하는 카메라와, 상기 카메라의 렌즈의 전방에 설치되는 광학필터 및, 상기 광학필터의 전방에 설치되는 바이프리즘을 포함하는 용접부 형상 측정시스템이 제공된다.According to the present invention for achieving the object as described above, in the weld shape measurement system for measuring the shape of the weld, located in the periphery of the welding torch to move up and down in the longitudinal direction of the welding torch and the circumference of the welding torch A rotatable support means, a camera installed at an end of the support means for real-time imaging of the shape of the weld, an optical filter installed in front of the lens of the camera, and a biprism provided in front of the optical filter. A weld shape measurement system is provided.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 광학필터는 레이저 라인 필터이다.In addition, according to the present invention, the optical filter is a laser line filter.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 지지수단은 일단부에 상기 용접토치의 둘레를감싸는 홀더가 설치되어 상기 홀더에 결합된 조임볼트를 조임에 따라 상기 용접토치의 둘레에 고정되는 지지대와, 상기 지지대의 타단부에 회전 가능하도록 연결되며 상기 카메라가 설치된 회전판을 포함한다.In addition, according to the present invention, the support means is provided with a holder for wrapping the circumference of the welding torch at one end is fixed to the circumference of the welding torch according to tightening the tightening bolt coupled to the holder, and the support It is rotatably connected to the other end and includes a rotating plate installed with the camera.
아래에서, 본 발명에 따른 3차원 용접부 형상 측정시스템의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the three-dimensional weld shape measurement system according to the present invention will be described in detail.
도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 3차원 용접부 형상 측정시스템을 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 용접부 형상 측정시스템의 지지대의 평면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 용접부 형상 측정시스템의 CCD카메라와 회전판을 나타낸 정면도이다.1 is a schematic view showing a three-dimensional weld shape measurement system according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a plan view of the support of the weld shape measurement system shown in Figure 1, Figure 3 is shown in Figure 1 View showing a CCD camera and a rotating plate of a welded shape measurement system.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 3차원 용접부 형상 측정시스템은 아크용접토치(1)에 설치되어 용접부를 촬상하는 CCD카메라(30)와, CCD카메라(30)의 전방에 위치한 바이프리즘(40) 및, CCD카메라(30)의 렌즈에 부착된 광학필터(31)를 포함한다.As shown in Figs. 1 to 3, the three-dimensional weld shape measurement system is installed in the arc welding torch (1) CCD camera 30 for imaging the weld, and the bi-prism (front) of the CCD camera 30 ( 40 and an optical filter 31 attached to the lens of the CCD camera 30.
용접토치(1)의 중간부에는 용접토치(1)의 직각방향으로 지지대(10)가 설치되며, 지지대(10)의 단부에는 회전판(20)이 체결된다. 회전판(20)의 선단부에는 바이프리즘(40)이 고정되어 있으며, CCD카메라(30)는 바이프리즘(40)의 후방, 회전판(20)의 저면에 고정된다. 또한, 바이프리즘(40)의 전방면에는 보호유리(45)가 바이프리즘(40)에 밀착되어 고정되고, CCD카메라(30)의 렌즈에는 광학필터(31)가 부착된다.The support 10 is installed in the middle portion of the welding torch 1 in the direction perpendicular to the welding torch 1, and the rotating plate 20 is fastened to the end of the support 10. The biprism 40 is fixed to the tip of the rotating plate 20, and the CCD camera 30 is fixed to the bottom of the rotating plate 20 behind the biprism 40. In addition, the protective glass 45 is fixed to the biprism 40 on the front surface of the biprism 40, and the optical filter 31 is attached to the lens of the CCD camera 30.
한편, 지지대(10)의 일단부에는 용접토치(1)를 수용하는 홀더(12)가 형성되어 있고 홀더(12)에 체결된 제 1 조임볼트(14)의 조임에 의해 지지대(10)는 용접토치(1)의 둘레에 고정된다. 또한, 제 1 조임볼트(14)를 풀면 홀더(12)는 느슨해져 지지대(10)는 용접토치(1)의 길이방향으로의 회전 및 상하이동이 가능하다. 그리고, 지지대(10)의 타단부에는 관통공(16)이 용접토치(1)의 수직방향으로 형성되어 있고, 이런 관통공(16)에는 제 2 조임볼트(18)가 삽입되어 있으며, 제 2 조임볼트(18)의 단부에는 회전판(20)이 체결되어 있다. 따라서, 제 2 조임볼트(18)를 조이게 되면 회전판(20)이 지지대(10)에 밀착되어 고정되며, 제 2 조임볼트(18)를 풀게 되면 회전판(20)은 제 2 조임볼트(18)를 중심으로 회전 가능하게 된다.Meanwhile, at one end of the support 10, a holder 12 for receiving the welding torch 1 is formed, and the support 10 is welded by tightening the first tightening bolt 14 fastened to the holder 12. It is fixed around the torch 1. In addition, when the first tightening bolt 14 is loosened, the holder 12 is loosened, and the support 10 may be rotated and moved in the longitudinal direction of the welding torch 1. In addition, a through hole 16 is formed at the other end of the support 10 in the vertical direction of the welding torch 1, and a second tightening bolt 18 is inserted into the through hole 16, and a second The rotating plate 20 is fastened to the end of the tightening bolt 18. Accordingly, when the second tightening bolt 18 is tightened, the rotating plate 20 is tightly fixed to the support 10, and when the second tightening bolt 18 is loosened, the rotating plate 20 loosens the second tightening bolt 18. It becomes rotatable about the center.
따라서, 제 1 조임볼트(14)를 조절하여 CCD카메라(30)와 용융지(8) 사이의 거리를 조절하고, 제 2 조임볼트(18)를 조절하여 CCD카메라(30)가 용융지(8)를 촬상할 수 있도록 각도를 조절한다. 그리고, 용접시에 발생하는 스패터(Spatter)와 강한 아크 빛을 차단하기 위하여 용접토치(1)의 측면에는 차단판(7)이 설치되며, 바이프리즘(40)의 전방에 위치한 보호유리(45)에 의해 스패터로부터 바이프리즘(40)을 보호한다.Therefore, the distance between the CCD camera 30 and the molten paper 8 is adjusted by adjusting the first tightening bolt 14, and the CCD camera 30 is adjusted by the molten paper 8 by adjusting the second tightening bolt 18. Adjust the angle so that you can take a picture. Then, in order to block the spatter generated during welding and strong arc light, a blocking plate 7 is installed on the side of the welding torch 1, and the protective glass 45 located in front of the biprism 40. Protect the bi-prism 40 from the spatter.
아크용접에서의 용융지(8)의 형상은 바이프리즘(40)에 의해 굴절되어 두 개의 영상으로 나누어지고, 이런 두 개의 용융지(8)의 영상은 광학필터(31)를 통과하여 CCD카메라(30)에 투영된다. 이런 두 개의 영상은 바이프리즘(40)의 물리적인 특성에 의해 CCD카메라(30)와 용융지(8)의 거리가 가까워지면 CCD카메라(30)에 투영된 두 개의 용융지(8) 영상에서 대응하는 점 사이의 거리가 작아진다. 이러한 영상에서의 대응점 사이의 거리와 카메라의 내부변수, 바이프리즘의 굴절각과 경사각,바이프리즘과 CCD 카메라의 상대위치를 이용하여 CCD 카메라에서 용융지 각 부분까지의 실제 길이를 계산할 수 있다. 즉, 카메라 좌표계에서의 용융지 3차원 형상을 알 수 있는 것이다. 좌표계를 카메라의 좌표계에서 용접 시편 좌표계로 변환하면 용융지 형상은 용융지의 폭과 길이 및 높이로 계산된다.The shape of the molten paper 8 in arc welding is refracted by the biprism 40 to be divided into two images. The images of the two molten papers 8 pass through the optical filter 31 to form a CCD camera. 30) is projected. These two images correspond to the images of the two melted papers 8 projected on the CCD camera 30 when the distance between the CCD camera 30 and the melted paper 8 becomes closer due to the physical characteristics of the biprism 40. The distance between the points becomes smaller. The actual length from the CCD camera to each part of the molten paper can be calculated using the distance between the corresponding points in the image, the internal variables of the camera, the angle of refraction and tilt of the biprism, and the relative positions of the biprism and the CCD camera. That is, the three-dimensional shape of the molten pool in the camera coordinate system can be known. When the coordinate system is converted from the camera coordinate system to the weld specimen coordinate system, the melt shape is calculated from the width, length, and height of the melt.
한편, 아크용접 공정에서 발생하는 빛의 파장 대역은 매우 넓으며 바이프리즘(40)은 파장에 따라 굴절률이 크게 달라지므로, 바이프리즘(40)에 의한 스테레오 CCD카메라 시스템은 넓은 파장 대역에서는 정확한 3차원 형상을 계산하기 어렵다. 그러므로, 광학필터(31)로서 레이저 라인필터를 CCD카메라(30)의 전방에 설치하여 바이프리즘(40)에 의한 굴절률이 거의 일정한 좁은 파장 대역의 빛만을 선택적으로 투영될 수 있도록 하여 선명한 용융지(8)의 형상을 얻는다.On the other hand, since the wavelength band of the light generated in the arc welding process is very wide and the refractive index of the biprism 40 varies greatly depending on the wavelength, the stereo CCD camera system by the biprism 40 is a three-dimensional accurate in a wide wavelength band Difficult to calculate shape Therefore, a laser line filter as the optical filter 31 is provided in front of the CCD camera 30 so that only light having a narrow wavelength band with a constant refractive index of the biprism 40 can be selectively projected, thereby providing a clear molten paper ( Obtain the shape of 8).
한편, 레이저 라인필터를 사용하지 않고 일반 ND(Neutral Density)필터를 사용할 경우에, 재질과 온도가 같은 점을 찾아 화상처리에서 유사한 파장을 갖는 점들에 대해서만 형상을 계산한다.On the other hand, in the case of using a general ND (Neutral Density) filter without using a laser line filter, the shape is calculated only for the points having similar wavelengths in image processing by finding the same material and temperature.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 3차원 용접부 형상 측정시스템은 바이프리즘과 한 대의 CCD카메라를 사용하여 두 대의 CCD카메라를 사용하는 스테레오 비전 시스템과 같은 효과를 얻을 수 있으며, 모재의 위치변화에 관계없이 용접비드와 용융지의 3차원 형상을 계산할 수 있으며, 설치규모가 작고 원가 절감의 효과가 있다.As described in detail above, the three-dimensional weld shape measurement system of the present invention can achieve the same effect as a stereo vision system using two CCD cameras using a biprism and one CCD camera, and is related to the positional change of the base metal. It is possible to calculate the three-dimensional shape of the weld bead and the molten paper without it, and the installation size is small and the cost reduction effect.
또한, 용융지 전체의 화상을 얻을 수 있으므로 용융지 전부분의 형상을 계산할 수 있고, CCD카메라가 모재면과 이루는 각도, 모재면으로부터 높이, 용접 진행 방향과 이루는 각도의 조절이 용이하다는 장점이 있다.In addition, it is possible to obtain an image of the entire molten paper, so that the shape of the entire molten paper can be calculated, and the CCD camera can easily adjust the angle formed from the base material surface, the height from the base material surface, and the welding progress direction and angle. .
이상에서 본 발명의 3차원 용접부 형상 측정시스템에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the technical idea of the three-dimensional welded shape measurement system of the present invention has been described above with the accompanying drawings, this is illustrative of the best embodiments of the present invention and is not intended to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20070731 Year of fee payment: 6 |
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