KR100671019B1 - 용접선 추적용 레이저 비전 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접선 추적용 레이저 비전(LVS: Laser Vision Sensor) 센서에 관한 것으로, 특히 토치로부터 용접방향으로 이격되어 용접선을 기준으로 양측에 위치하는 두 개의 광 발생기와; 상기 광 발생기로부터 용접방향으로 이격 되어 위치하는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접선 추적용 레이저 비전 센서를 제공한다.

본 발명에 의하면 용접선 추적용 레이저 비전 센서에 두 개의 광 발생기를 배치함으로써, 상기 액화 천연가스 파이프의 용접 와이어 주입기를 이용한 티그(TIG) 용접시 용접 와이어의 간섭으로 인하여 실제 용접하는 부위와 용접선을 센싱하는 부위가 멀어서 실시간에 가까운 용접선 추적이 어려웠던 점을 해결할 수 있다.

레이저 비전 센서(Laser Vision Sensor), 파이프 용접, 광 발생기

Description

용접선 추적용 레이저 비전 센서{Laser Vision Sensor tracking welding line}

도 1은 종래의 용접선 추적용 레이저 비전 센서의 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 용접선 추적용 레이저 비전 센서의 일 실시예를 도시한 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 실시예를 도시한 측면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 레이저 비전 센서을 사용한 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 카메라 102 : 광학 미러

104 : 보호유리 110 : 용접 토치

120 : 레이저 다이오드 122 : 레이저 스트라이프(Laser Stripe)

130 : 용접 와이어 140 : 파이프

본 발명은 용접선 추적용 레이저 비전 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화 천연가스 파이프의 티그(TIG) 용접 시에 용접 와이어의 간섭으로부터 회피할 수 있는 용접선 추적용 레이저 비전 센서에 관한 것이다.

산업 기술의 고도한 발전과 함께 근로환경 또한 많은 개선이 이루어짐으로 인해, 용접과 같은 열악한 환경하의 작업을 기피하는 현상이 만연하였다.

이러한 이유로 열악한 환경하에서는 사람을 대신하여 로봇이 작업을 할 수 있도록 하는 여러 가지 자동화 장비가 출현 되고 있다.

특히, 조선산업에 있어서 용접은 융착하고자 하는 위치가 위험하고, 환경 또한 열악하여, 자동화의 실현이 더욱 많이 요구되고 있다.

따라서, 선박의 선체 조립공정의 자동화를 위하여 용접선을 자동으로 추적하는 기능은 필수적으로 구비되어야 하며, 이러한 기능에 의하여 용접 토치는 용접선에 정확하게 위치하여 양호한 용접품질을 얻을 수 있게 되었다.

일반적으로 용접선 추적 센서는 용접 토치의 전단에 장착되며, 접촉식과 비접촉식으로 나누어진다. 이 중 비접촉식 용접선 추적 센서로 레이저 비전 센서가 보편적으로 이용된다.

상기 레이저 비전 센서는 통상 레이저를 발사하는 레이저 다이오드와 상기 발사된 레이저가 피용접물에 반사되고 돌아오는 것을 받아들여 용접선을 감지하는 카메라로 구성되어 있다.

도 1은 종래의 액화 천연가스 운반선의 파이프용 용접선 추적 센서를 보여주는 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이 종래의 레이저 비전 센서는 용접 토치(20)의 전면에서 용접 와이어(50)가 주입되고, 상기 용접 토치(20)와 상기 용접 와이어(50)와 의 일직선상에 전방으로 소정의 거리만큼 이격되어 레이저 광을 방출하는 레이저 다이오드(30)가 장착되어 있다.

상기 레이저 다이오드(30)의 전방에는 일정한 경사를 가지는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라(10)가 장착되어 있다.

상기 레이저 다이오드(30)에서 용접선(60) 방향으로 레이저 광(40)을 주사하고, 상기 용접선(60)에 반사된 후 다시 카메라(10)로 촬영된다.

액화 천연가스 파이프는 재질이 스테인리스 강이므로 대부분 티그(TIG) 용접을 이용한다. 티그(TIG) 용접이란 텅스텐 불활성 가스 용접으로, 용융점이 가장 높은 텅스텐 전극과 모재 사이에 아크를 일으키고, 용접 중 산화, 질화를 막기 위해 아르곤 가스로 용접부를 보호하는 용접이다.

특히 이번 개발에 사용될 용접기는 용접 와이어 주입기를 이용한 티그 용접기이며, 상기 용접기의 경우 외부에서 용접 와이어(50)를 주입해야만 하는 구조적인 특징을 가지고 있다.

그러나 이와 같이 용접 와이어 주입기를 이용한 티그 용접에서는 용접 와이어의 간섭으로 인해 용접 토치와 레이저 비전 센서의 이격이 크므로 실시간에 가까운 용접선 추적이 불가능하며 용접불량의 우려가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 용접 와이어 주입기를 이용한 티그 용접에서 실시간에 가까운 용접선 추적을 위해 용접 토치와 레이저 다이오드의 이격을 줄이고, 이에 의해 발생하는 용접 와이어의 간섭을 회피할 수 있는 레이저 비전 센서의 제공을 기술적 과제로 삼는다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명인 용접선 추적용 레이저 비전 센서에 있어서, 토치로부터 용접방향으로 이격되어 용접선을 기준으로 양측에 위치하는 두 개의 광 발생기; 상기 광 발생기로부터 용접방향으로 이격되어 위치하는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접선 추적용 레이저 비전 센서를 제공한다.

바람직하게는, 상기 카메라는 상기 토치와 평행하게 위치하고, 상기 카메라의 하부에 경사지게 위치하는 광학 미러를 더 포함할 수 있다.

이는 분리각을 키우기 위한 바람직한 형태이다. 분리각은 레이저와 카메라 사이의 각도를 말하며, 분리각이 클수록 그루브(Groove)의 형상이 뚜렷하게 나타나 카메라의 영상처리가 좋아진다.

광학 미러가 없이 분리각을 키우기 위해선 상기 카메라의 설치 각도를 키워야 하는데, 이로 인해 레이저 비전 센서의 크기 또한 커지게 되며, 이를 피하기 위해서 직립 카메라와 광학 미러를 이용하는 것이다.

바람직하게는, 상기 광학 미러의 하단부에 보호유리를 더 포함할 수 있다.

이로 인하여 용접 중 발생하는 먼지, 용접 가스 등으로부터 상기 카메라의 렌즈와 상기 광학 미러를 보호할 수 있다.

바람직하게는, 상기 토치를 기준으로 상기 레이저 비전 센서의 반대편에 또 하나의 레이저 비전 센서가 위치할 수 있다.

이는 액화 천연가스 파이프의 용접 경로와 관련이 있는데, 상기 용접기는 파이프의 최하단점에서 최상단점까지 반원을 그리며 용접하고, 그 이후 다시 최하단점까지 이동하여 반대편으로 반원을 그리며 최상단점까지 용접하는 용접 경로를 가진다. 이는 위에서 아래로 용접할 경우 용재가 흘러내려 용접 불량이 발생할 가능성이 크므로, 이를 배제하기 위한 것이다.

이러한 까닭으로, 상기 토치를 기준으로 반대편에 또 하나의 레이저 비전 센서을 장착하여, 시계 방향 혹은 반 시계 방향의 이중의 경로로 용접할 수 있도록 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 용접선 추적용 레이저 비전 센서의 일 실시예를 도시한 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 토치(110)로부터 용접방향으로 이격되어 용접선(142)을 기준으로 양측에 두 개의 광 발생기(120)가 위치한다.

이때 광 발생기(120)로는 레이저 다이오드를 사용한다.

상기 레이저 다이오드에서 출력되는 빛은 자체의 발산(Divergence)을 가지고 있어서 직접 사용하기 어렵다. 이러한 이유로 비구면 렌즈와 여러 가지 렌즈를 사용하여 시준광(Collimate Beam)을 만들고, 이를 이용하여 선광(Line Beam)을 만들어 내어 사용한다.

상기 두 개의 레이저 다이오드(120)는 피용접물인 파이프(140)에 레이저 광 (122)을 주사한다.

이때 두 레이저 광(122)은 용접선(142)을 따라 주입되는 용접 와이어(130)를 중심으로 중첩되는 부분을 가진다. 이로 인하여 단일 광원에서 용접 와이어에 의한 간섭이 생기던 것을 회피할 수 있게 되는 것이다.

상기 카메라(100)는 두 개의 레이저 다이오드(120)로부터 용접방향으로 이격되며, 상기 토치(110)와 평행하게 위치한다. 그리고 상기 카메라(100)의 하부에는 광학 미러(102)가 경사지게 장착된다. 또 다른 실시예로 카메라를 경사지게 장착하여도 무방하다.

분리각은 레이저와 카메라(100) 사이의 각도를 말하며, 분리각이 클수록 그루브(Groove)의 형상이 뚜렷하게 나타나 카메라(100)의 영상 처리가 좋아진다.

다만, 광학 미러(102) 없이 분리각을 키우기 위해선 상기 카메라(100)의 설치 각도를 키워서 가능해진다. 그러나 이로 인해 상기 레이저 비전 센서의 크기가 증가하므로 카메라(100)의 수직형 설치와 입사각의 변화를 주기 위한 광학 미러(102)를 이용하는 것이 효과적이다.

이때 광학 미러(102)의 경사는 분리각을 크게 한다(예컨대 60도).

큰 분리각으로 인하여 그루브의 형상을 확실히 볼 수 있으며, 영상처리가 좋아지기 때문이다.

상기 광학 미러(102)의 전면에는 보호유리(104)가 장착된다. 이는 상기 광학 미러(102))나 상기 카메라(100)의 렌즈가 용접시 손상되는 것을 막아주는 역할을 하며, 상기 레이저 광이 투과할 수 있는 보통의 투명 유리를 사용하는데, 투명의 열강화 플라스틱을 사용하여도 무방하다.

도 3은 도 2에 도시된 실시예를 도시한 측면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 토치(110)를 기준으로 상기 레이저 비전 센서는 대칭적으로 반대편에 또 하나가 설치된다.

원형의 액화 천연가스 파이프(140)를 용접하기 위해서 용접기의 용접 경로는 한 방향으로의 단 한 번의 회전으로만 이루어지는 것이 아니다.

용접의 품질 향상을 위해서 아래에서 위로 이동하면서 용접을 하는 것이 권장되고 있다. 왜냐하면, 위에서 아래로 이동하며 용접을 하는 경우, 고온에 녹은 용재가 아래로 흘러 내려 비드의 불량이 생길 가능성이 높기 때문이다.

이러한 이유로 아래에서 위로 이동하며 용접을 하는데, 상기와 같은 원형 파이프(140)에서는 1회전만으로 용접이 끝나지지 않는 것이다.

즉, 원형 파이프(140)에서는 최하단점과 최상단점으로 이분해서 먼저 시계방향으로 최하단점에서 최상단점까지 반원을 이동하며 용접을 하고, 다시 반 시계방향으로 이동하여 최하단점으로 복귀한다.

그리고 난 다음에는 반 시계 방향으로 최하단점에서 최상단점까지 반원을 이동하며 용접을 하고, 다시 시계방향으로 이동하여 최하단점으로 복귀하는 용접 경로를 가지는 것이다. 또 다른 실시 예로서 상기와 역순으로 용접이 이루어져도 무방하다.

상기와 같은 용접 경로를 가지기 위해서는, 양방향 중 임의의 방향으로 이동할 경우에도 용접선을 센싱할 수 있도록, 상기 토치(110)의 양방향에 레이저 비전 센서가 두 개가 장착된다.

그리고 상기 레이저 비전 센서는 수동으로 1Pass를 용접한 후 1Pass의 그루브 형상만을 이용하여 용접선 추적을 수행하며 파이프 용접 특성상 multi-pass을 기본으로 하므로 2Pass이후는 1Pass의 용접선 추적 데이터를 이용하여 추적을 수행한다.

도 4는 도 2에 도시된 레이저 비전 센서을 사용한 사진이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 피용접물인 액화 천연가스 파이프(140)와 중심부에 세로방향으로 위치한 용접선(142), 이와 직교하며 횡 방향으로 레이저 광(122)이 주사되어 있다.

이때, 용접 와이어에 의한 간섭으로 발생하는 센싱 불능 부분은 나타나지 않았다.

또한, 광학 미러를 추가하여 분리각을 키워서(예컨대 60도) 그루브의 영상이 선명하게 나타난다.

본 발명에 의하면 용접 와이어 주입기를 이용한 티그 용접에서 실시간에 가까운 용접선 추적을 가능하게 하는 레이저 비전 센서를 구성하는 데 있어, 두 개의 광 발생기를 이용하여 용접와이어로 인한 간섭을 회피하였으며, 이로 인하여 용접선 추적을 보다 실시간에 가깝게 측정할 수 있다.

Claims (4)

1. 토치로부터 용접방향으로 이격되어 용접선을 기준으로 양측에 위치하는 두 개의 광 발생기와;

   상기 광 발생기로부터 용접방향으로 이격되어 위치하는 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접선 추적용 레이저 비전 센서.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 카메라는 상기 토치와 평행하게 위치하고, 상기 카메라의 하부에 경사지게 위치하는 광학 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접선 추적용 레이저 비전 센서.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 광학 미러의 하단부에 보호유리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접선 추적용 레이저 비전 센서.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 토치를 기준으로 용접방향 전후방에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 용접선 추적용 레이저 비전 센서.

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