KR100488692B1 - 레이저 용접의 품질 검사방법 및 그 시스템 - Google Patents

Abstract

레이저 용접중, 용접부에서 발생하여 광 케이블을 따라 역류되는 특정 파장 대역의 레이저 빔 반사파를 검출하여 그 신호양상과 용접결함과의 상관관계를 설정함으로서 레이저 용접의 실시간 품질 검사를 구현할 수 있도록,

레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔을 광 케이블을 통하여 전송받아 작업로봇에 의해 용접부을 따라 이동하는 옵틱헤드를 통하여 용접부에 발사하여 용접물을 용접하는 레이저 용접장비를 통하여 레이저 용접시, 상기 용접부에서 발생하는 반사파를 작업로봇에 취부된 옵틱헤드 및 광 케이블을 통하여 레이저 발진기 내의 투과필터를 거쳐 수광센서에서 수광하고, 다시 신호처리회로를 통해 A/D 변환 및 필터링을 통해 분석 가능한 신호로 변조한 후, 품질 검사용 연산기를 통하여 기 설정된 품질 검사 기준신호의 범위 내에 있는가를 판단하여 용접 품질을 판정하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접의 품질 검사방법 및 그 시스템을 제공한다.

Description

레이저 용접의 품질 검사방법 및 그 시스템 {A METHOD FOR CHECKING QUALITY OF LASER WELDING AND SYSTEM THEREOF}

본 발명은 레이저 용접의 품질 검사방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 용접중, 용접부에서 발생하는 특정 파장 대역의 레이저 빔 반사파를 검출하여 그 신호양상과 용접결함과의 상관관계를 설정함으로서 레이저 용접의 실시간 품질 검사를 구현하는 레이저 용접의 품질 검사방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차체 조립 공정 중, 2장의 패널을 용착시키는 방법으로는 스폿 저항 용접이 많이 사용되었으나, 스폿 저항 용접은 차체 패널 표면에 가압력을 가하면서 접촉하는 방식이고 과도한 용접 흔적을 남기게 되므로, 최근에는 용접 모재와 접촉하지 아니하고 용접하는 레이저 용접이 일반적으로 사용되고 있다.

이와 같은 레이저 용접은 그 품질면에 있어서, 용접부 함몰, 내부 기공, 용접누락 등의 다양한 양상의 용접불량의 요인을 나타내며, 이런 용접불량의 요인들은 용접부의 강도저하 및 외관품질의 저하를 유발하여 제품결함으로 귀결된다.

이에 종래에는, 도 4에서 도시한 바와 같이, 레이저 용접시, 발생되는 플라즈마(Plasma) 및 스패터(Spatter)를 감지할 수 있는 특정 파장의 포토 다이오드 센서(101,103)를 용접헤드(105)의 외부에 부착하여 감지된 신호를 분석함으로서 용접품질을 평가하는 레이저 용접의 품질 검사법을 적용하거나, 도 5에서 도시한 바와 같이, 용접 후, 용접선을 따라 추종하는 CCD카메라(107) 및 레이저 슬릿빔 센서(109)에 의한 비이드(111) 상태의 감지로 용접품질을 평가하는 레이저 용접의 품질 검사법을 적용하여 레이저 용접의 품질을 개선하는 자료로 사용하여 왔다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 레이저 용접의 품질 검사법 중, 포토 다이오드 센서를 이용하는 방법은 용접시 발생하는 고열 및 스패터(Spatter)에 의해 상기 센서의 오염 및 손상의 가능성이 높고, 상기 센서의 교체 작업시, 위치오차 발생으로 센서신호에 대한 재 설정이 필요하며, 주변기기와의 간섭을 고려하여야 하며, 작업장내의 진동, 전기 등의 노이즈에 노출되어 전송오류의 가능성이 다분하다는 문제점을 내포하고 있다.

또한, 상기 CCD카메라 및 레이저 슬릿빔을 이용하는 방법은 비이드의 외관검사로서 용접부 내부 결함에 대한 확인이 불가능하며, 센싱신호에 대한 신호처리 연산시간이 과다하여 고속용접에서는 적용이 불가하다는 등의 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 용접중, 용접부에서 발생하여 광 케이블을 따라 역류되는 특정 파장 대역의 레이저 빔 반사파를 검출하여 그 신호양상과 용접결함과의 상관관계를 설정함으로서 레이저 용접의 실시간 품질 검사를 구현할 수 있도록 하는 레이저 용접의 품질 검사방법 및 그 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 레이저 용접의 품질 검사방법은 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔을 광 케이블을 통하여 전송받아 작업로봇에 의해 용접부을 따라 이동하는 옵틱헤드를 통하여 용접부에 발사하여 용접물을 용접하는 레이저 용접장비의 로봇 제어기와 연결되어 용접품질을 검사하는 품질 검사용 연산기가 상기 로봇 제어기로부터 용접부의 위치신호를 수신하는 제1단계와; 상기 레이저 용접장비에 적용되는 해당 용접물에 대한 용접품질 기준신호의 상한 설정값과 하한 설정값을 설정하는 제2단계와; 상기 제2단계에 이어, 상기 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔을 통하여 용접물을 용접함과 동시에, 상기 용접부에서 발생하여 광 케이블을 따라 역류되는 특정 파장 대역의 레이저 빔 반사파를 수광하여 검출하는 제3단계와; 상기 제3단계에서 검출되는 반사파 수광신호를 신호처리를 통하여 A/D 변환 및 필터링을 통하여 분석 가능한 전압신호로 변조하는 제4단계와; 상기 제4단계에서 변조된 반사파 검출신호를 상기 용접품질 기준신호인 상한 설정값과 하한 설정값 사이의 범위 내에 있는가를 판단하는 제5단계와; 상기 제5단계에서, 반사파 검출신호가 상기 용접품질 기준신호의 범위 내에 있으면, 상기 로봇 제어기로부터 수신된 해당 용접부의 품질양호 신호를 출력하는 제6단계와; 상기 제5단계에서, 반사파 검출신호가 상기 용접품질 기준신호의 범위 내에 있지 않으면, 상기 로봇 제어기로부터 수신된 해당 용접부의 품질불량 신호를 출력하는 제7단계를 포함한다.

그리고 상기한 바와 같은 레이저 용접의 품질 검사방법을 수행하기 위한 본 발명에 따른 레이저 용접의 품질 검사 시스템은 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔을 광 케이블을 통하여 전송받아 작업로봇에 의해 용접부을 따라 이동하는 옵틱헤드를 통하여 용접부에 발사하여 용접물을 용접하는 레이저 용접장비에서,

상기 레이저 발진기 내부 일측에서 상기 광 케이블과 연결되는 레이저 캐비티 내부에 상기 용접부에서 레이저 용접시 발생되어 상기 광 케이블을 통하여 역류되는 특정 파장 대역의 반사파를 필터링하여 투과시키는 투과필터와; 상기 투과필터의 일측에서 투과되는 특정 파장 대역의 반사파를 수광하는 수광센서와; 상기 수광센서로부터 수광되어 전송되는 검출신호를 A/D 변환 및 필터링을 통하여 분석 가능한 전압신호로 변조하는 신호처리회로와; 상기 신호처리회로로부터 변조된 전압신호를 레이저 용접품질 기준신호와 비교하여 용접 품질의 검사를 위한 비교연산을 수행하는 품질 검사용 연산기를 포함한다.

이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명이 적용되는 레이저 용접 품질 검사 시스템의 개략적인 구성도로서, 먼저 본 발명의 레이저 용접의 품질 검사를 위한 구성을 살펴보면, 본 발명의 레이저 용접의 품질 검사 시스템은 레이저 발진기(1)로부터 발진되는 레이저 빔을 광 케이블(3)을 통하여 전송받아 작업로봇(5)에 의해 용접물(7)의 용접부(9)을 따라 이동하는 옵틱헤드(11)를 통하여 용접부(9)에 발사하여 용접물(7)을 용접하는 레이저 용접장비에서, 상기 레이저 발진기(1) 내부 일측에 상기 광 케이블(3)과 연결되는 레이저 캐비티(13) 내부에 투과필터(15)를 구비한다.

상기 투과필터(15)는 상기 용접부(9)에서 레이저 용접시 발생되는 반사파가 상기 광 케이블(3)을 통하여 역류되는 과정에서, 600㎚~1200㎚ 범위 내의 특정 파장 대역의 신호만을 필터링하여 투과하는 광학필터로 이루어진다.

그리고 상기 투과필터(15)의 일측에는 이를 투과하는 특정 파장 대역의 반사파를 수광하는 수광센서(17)를 구비하는데, 상기 수광센서(17)는 상기 투과필터 (15)를 통하여 투과되는 600㎚~1200㎚ 범위 내의 파장 대역의 반사파를 수광하는 포토 다이오드로 이루어진다.

또한, 상기 수광센서(17)로부터 수광되어 전송되는 검출신호를 A/D 변환 및 필터링을 통하여 분석 가능한 전압신호로 변조하는 신호처리회로(19)를 구비하며, 상기 신호처리회로(19)로부터 변조된 전압신호를 레이저 용접품질 기준신호와 비교하여 용접 품질의 검사를 위한 비교연산을 수행하는 품질 검사용 연산기(21)를 상기 로봇 제어기(23)와 연결하여 구비한다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 레이저 용접의 품질 검사 시스템을 통한 레이저 용접의 품질 검사방법은 레이저 용접시, 상기 용접부(9)에서 발생하는 반사파를 작업로봇(5)에 취부된 옵틱헤드(11) 및 광 케이블(3)을 통하여 레이저 캐비티(13) 내의 투과필터(15)를 거쳐 수광센서(17)에서 수광하고, 다시 신호처리회로(19)를 통해 A/D 변환 및 필터링을 통해 분석 가능한 신호로 변조한 후, 변조된 반사파 검출신호가 품질 검사용 연산기(21)를 통하여 기 설정된 품질 검사 기준신호의 범위 내에 있는가를 판단하여 용접 품질을 판정하는 것으로, 그 구체적인 레이저 용접의 품질 검사방법을 도 2와 도 3을 통하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 로봇 제어기(23)와 연결되어 용접품질을 검사하는 품질 검사용 연산기(21)가 상기 로봇 제어기(23)로부터 용접부(9)의 위치신호를 수신하게 된다.(S10)

이어서, 상기 품질 검사용 연산기(21)에 상기 레이저 용접장비에 적용되는 해당 용접물(7)에 대한 용접품질 기준신호의 상한 설정값(St)과 하한 설정값(Sb)을, 도 3에서와 같이, 설정하게 된다.(S20)

상기 용접품질 기준신호의 상한 설정값(St)과 하한 설정값(Sb)은 상기 투과필터(15)를 통하여 투과되는 600㎚~1200㎚ 범위 내의 반사파 파장 대역 내에서 설정되며, 동일 용접 조건에 대하여 발생하는 용접품질의 양호 및 불량 조건을, 적어도 100회 이상의 신호상태를 검출하고 이에 대한 평균 레벨로서 표시된다.

이를 이용하여 실제 용접시 품질판정은 상기 기준신호에 대해 ±20% 레벨로 상기의 상한 설정값(St)과 하한 설정값(Sb)을 설정하고, 실제 신호가 상기 범위내에 존재하는지의 유무로서 판정하게 된다.

상기 단계(S20)에 이어, 상기 레이저 발진기(1)로부터 발진되는 레이저 빔을 통하여 용접물(7)을 용접함과 동시에, 상기 수광센서(17)에서는 상기 용접부(9)에서 발생하여 광 케이블(3)을 따라 역류되는 600㎚~1200㎚ 범위 내의 파장 대역의 레이저 빔 반사파를 수광하여 검출하게 되며,(S30) 상기 단계(S30)에서 검출되는 반사파 수광신호는 신호처리회로(19)를 통하여 A/D 변환 및 필터링을 통하여 분석 가능한 전압신호로 변조된다.(S40)

이어서, 상기 품질 검사용 연산기(21)는 상기 단계(S40)에서 변조된 반사파 검출신호를 수신하여 이 반사파 검출신호가 상기 용접품질 기준신호인 상한 설정값(St)과 하한 설정값(Sb) 사이의 범위 내에 있는가를 판단하게 되는데,(S50) 상기 단계(S50)에서, 상기 반사파 검출신호가 상기 용접품질 기준신호의 범위 내에 있으면, 상기 품질 검사용 연산기(21)는 상기 로봇 제어기(23)로부터 수신된 해당 용접부의 품질양호 신호를 출력하게 되며,(S60) 상기 단계(S50)에서, 상기 반사파 검출신호가 상기 용접품질 기준신호의 범위 내에 있지 않으면, 상기 품질 검사용 연산기(21)는 상기 로봇 제어기(23)로부터 수신된 해당 용접부의 품질불량 신호를 출력하게 되는 것이다.(S70)

여기서, 상기 해당 용접부(9)의 품질양호 신호는, 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기 반사파 검출신호가 상기 용접품질 기준신호인 상한 설정값(St)과 하한 설정값(Sb) 사이의 범위 내에서 진행되는 것을 의미하며, A 경우와 같이, 용접부(9)의 용접상태가 양호한 상태를 보이게 된다.

그리고 상기 해당 용접부(9)의 품질불량 신호는 상기 반사파 검출신호가 상기 용접품질 기준신호인 상한 설정값(St)과 하한 설정값(Sb) 사이의 범위를 벗어나 진행되는 것을 의미하며, B 경우는 용접부(9)의 용접상태가 함몰현상이 일어난 상태를 보이며, C 경우는 용접부(9)에 기공이 발생한 상태를 보이고 있다.

따라서, 본 발명에 의한 레이저 용접의 품질 검사방법 및 그 시스템에 의하면, 레이저 용접 중, 용접부(9)에서 발생하는 레이저 빔 반사파의 특정 파장 대역은 가공 레이저 빔을 전송하는 광 케이블(3)을 타고 역방향으로 전송된다는데 착안하여, 레이저 빔 발생장치인 레이저 발진기(1) 내에 특정 반사 파장 대역을 감지할 수 있는 수광센서(17)를 고정단에 설치하여 반사파를 검출한 후, 신호양상과 용접결함과의 관계를 설정할 수 있는 분석 소프트웨어를 통해 레이저 용접시, 실시간으로 품질 검사를 이루게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 용접의 품질 검사방법 및 그 시스템에 의하면, 레이저 용접중, 용접부에서 발생하여 광 케이블을 따라 역류되는 특정 파장 대역의 레이저 빔 반사파를 검출하여 그 신호양상과 용접결함과의 상관관계를 설정함으로서 레이저 용접의 실시간 품질 검사를 구현하는 것으로, 종래 용접 가공부에서 센서를 통하여 용접품질의 직접적인 센싱을 배제함으로서, 센서 파손 등의 내구성 저하의 요인을 배제하며, 센싱위치 조정이 불필요하게 되는 효과가 있다.

또한, 신호 전송 루트의 단순화, 안전화 즉, 외부충격 및 노이즈 차단으로 전송률을 보장할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 레이저 용접 품질 검사 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 레이저 용접의 품질 검사방법에 의한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 레이저 용접의 품질 검사방법에 의한 용접 품질 기준의 분석 선도이다.

도 4는 종래에 적용되던 제1실시예에 의한 레이저 용접의 품질 검사법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 종래에 적용되던 제2실시예에 의한 레이저 용접의 품질 검사법을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (8)

1. 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔을 광 케이블을 통하여 전송받아 작업로봇에 의해 용접부을 따라 이동하는 옵틱헤드를 통하여 용접부에 발사하여 용접물을 용접하는 레이저 용접장비의 로봇 제어기와 연결되어 용접품질을 검사하는 품질 검사용 연산기가 상기 로봇 제어기로부터 용접부의 위치신호를 수신하는 제1단계와;

   상기 레이저 용접장비에 적용되는 해당 용접물에 대한 용접품질 기준신호의 상한 설정값과 하한 설정값을 설정하는 제2단계와;

   상기 제2단계에 이어, 상기 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔을 통하여 용접물을 용접함과 동시에, 상기 용접부에서 발생하여 광 케이블을 따라 역류되는 특정 파장 대역의 레이저 빔 반사파를 수광하여 검출하는 제3단계와;

   상기 제3단계에서 검출되는 반사파 수광신호를 신호처리를 통하여 A/D 변환 및 필터링을 통하여 분석 가능한 전압신호로 변조하는 제4단계와;

   상기 제4단계에서 변조된 반사파 검출신호를 상기 용접품질 기준신호인 상한 설정값과 하한 설정값 사이의 범위 내에 있는가를 판단하는 제5단계와;

   상기 제5단계에서, 반사파 검출신호가 상기 용접품질 기준신호의 범위 내에 있으면, 상기 로봇 제어기로부터 수신된 해당 용접부의 품질양호 신호를 출력하는 제6단계와;

   상기 제5단계에서, 반사파 검출신호가 상기 용접품질 기준신호의 범위 내에 있지 않으면, 상기 로봇 제어기로부터 수신된 해당 용접부의 품질불량 신호를 출력하는 제7단계와;

   를 포함하는 레이저 용접의 품질 검사방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 특정 파장 대역은

   600㎚~1200㎚ 범위 내의 대역인 것을 특징으로 하는 레이저 용접의 품질 검사방법.
3. 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔을 광 케이블을 통하여 전송받아 작업로봇에 의해 용접부을 따라 이동하는 옵틱헤드를 통하여 용접부에 발사하여 용접물을 용접하는 레이저 용접장비를 통하여 레이저 용접시, 상기 용접부에서 발생하는 반사파를 작업로봇에 취부된 옵틱헤드 및 광 케이블을 통하여 레이저 캐비티 내의 투과필터를 거쳐 수광센서에서 수광하고, 다시 신호처리회로를 통해 A/D 변환 및 필터링을 통해 분석 가능한 신호로 변조한 후, 품질 검사용 연산기를 통하여 기 설정된 품질 검사 기준신호의 범위 내에 있는가를 판단하여 용접 품질을 판정하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접의 품질 검사방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 투과필터는

   600㎚~1200㎚ 범위 내의 파장 대역의 신호만을 투과하는 광학필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접의 품질 검사 방법.
5. 청구항 3에 있어서, 상기 수광센서는

   상기 투과필터를 통하여 투과되는 600㎚~1200㎚ 범위 내의 파장 대역의 반사파를 수광하는 포토 다이오드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접의 품질 검사방법.
6. 레이저 발진기로부터 발진되는 레이저 빔을 광 케이블을 통하여 전송받아 작업로봇에 의해 용접부을 따라 이동하는 옵틱헤드를 통하여 용접부에 발사하여 용접물을 용접하는 레이저 용접장비에서,

   상기 레이저 발진기 내부의 레이저 캐비티 내에 상기 용접부에서 레이저 용접시 발생되어 상기 광 케이블을 통하여 역류되는 특정 파장 대역의 반사파를 필터링하여 투과시키는 투과필터와;

   상기 투과필터의 일측에서 투과되는 특정 파장 대역의 반사파를 수광하는 수광센서와;

   상기 수광센서로부터 수광되어 전송되는 검출신호를 A/D 변환 및 필터링을 통하여 분석 가능한 전압신호로 변조하는 신호처리회로와;

   상기 신호처리회로로부터 변조된 전압신호를 레이저 용접품질 기준신호와 비교하여 용접 품질의 검사를 위한 비교연산을 수행하는 품질 검사용 연산기와;

   를 포함하는 레이저 용접의 품질 검사 시스템.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 투과필터는

   600㎚~1200㎚ 범위 내의 파장 대역의 신호만을 투과하는 광학필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접의 품질 검사 시스템.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 수광센서는

   상기 투과필터를 통하여 투과되는 600㎚~1200㎚ 범위 내의 파장 대역의 반사파를 수광하는 포토 다이오드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접의 품질 검사 시스템.