KR100731903B1 - 래피어 직기용 정밀 위입 컨트롤 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컴퓨터에 의하여 제어되는 컨트롤러, 위사의 선단을 감지하고 위사를 절단하는 장치, 및 래피어 헤드의 움직임을 감지하는 장치를 포함하는 레피어 직기용 위입 컨트롤 장치, 및 이를 이용한 레피어 직기 위입 컨트롤 공정에 관한 것이다.

문양직물, 레피어 직기, 위입 컨트롤

Description

래피어 직기용 정밀 위입 컨트롤 장치 {Device for Controlling Weft Insertion of Rapier Weaving Machine}

도 1. 본 발명의 컨트롤 장치의 구조 사시도;

도 2. 컨트롤러의 구조도;

도 3. 컨트롤러의 외부 형상;

도 4a. 위사 절단 장치의 상면도;

도 4b. 위사 선단 감지 장치의 측면도;

도 5. 위사 선단 감지 및 위사 절단 장치의 외부 형상;

도 6. 래피어 헤드 움직임 감지 장치의 구조도;

도 7. 래피어 헤드 움직임 감지 장치의 외부 형상;

도 8. 컨트롤러 구동 소프트웨어 및 구성요소;

도 9. 레피어 직기 위입 컨트롤 공정 흐름도;

도 10. 위사 선단 감지 및 절단 기구의 작동;

도 11. 본 발명의 래피어 직기용 위입 컨트롤 장치에 의하여 제직된 문양직물의 예.

-도면의 주요 부호에 대한 설명-

1 CCD 카메라 6 광센서

2 DC 모터 7 스윙암 (swing arm)

3 전자석 8 기어 (gear)

4 래피어 헤드 9 원형컷터

5 위사 10 백색 스크린

대한민국 특허출원 제2004-0062676호에 개시된 문양직물 제조방법에 따르면, 직사(worven yarn)를 위사로 사용하여 일반 직기를 통해 컷파일 형태의 문양 평직물을 제조할 수 있다. 이 과정에서는 각각의 위사가 직물의 폭 만큼 절단되어 위사의 선단이 항상 일정한 위치에 놓이는 것이 제대로 된 문양을 얻기 위하여 매우 중요하다. 직사로 만든 위사는 보통 의류용 실에 비해 비교적 굵기 때문에 제직은 보통 래피어 직기로 행하게 되는데 종래의 래피어 직기로는 이처럼 위입 과정을 정밀하게 컨트롤 하는 것이 불가능 하기 때문에 종래에는 수작업을 통해서 이러한 문제를 해결하였다. 이와 같이 위입 컨트롤을 수작업으로 하기 위해서는 매번 위입할 때마다 직기를 정지시켜야 하므로 생산성이 낮아지며, 또 작업자가 항상 위입 과정을 관찰해야 하기 때문에 오류가 발생할 확률이 높다.

따라서 본 발명자들은 이러한 레피어 직기의 위입 과정을 정밀하게 컨트롤함으로써 문양직물 제조 공정을 자동화하고 생산성을 높일 수 있음을 발견하여 본 발 명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 레피어 직기용 위입 컨트롤 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 레피어 직기용 위입 컨트롤 장치를 이용한 레피어 직기 위입 컨트롤 공정을 제공하는 것이다.

상기 목적에 따라, 본 발명은 컴퓨터에 의하여 제어되는 컨트롤러, 위사의 선단을 감지하고 위사를 절단하는 장치, 및 래피어 헤드의 움직임을 감지하는 장치를 포함하는 레피어 직기용 위입 컨트롤 장치를 제공한다.

본 발명의 레피어 직기용 위입 컨트롤 장치는 도 1에 보는 바와 같이 구성되며, 이하에서 각 장치를 자세히 설명한다.

컴퓨터에 의하여 제어되는 컨트롤러의 구조는 도 2에 나타낸 바와 같고 그 외부 형상은 도 3와 같으며, 컨트롤러의 구성 부품의 규격 및 용도는 하기 표 1과 같다.

일반적으로 컴퓨터를 이용해서 외부 기기를 컨트롤하는 방법은 여러가지가 있으나, 본 발명에서는 시스템의 확장성 등을 고려하여 최근 자동제어의 추세를 이루고 있는 범용직렬통신포트(USB)를 통하여 컴퓨터와 통신하도록 하였으며 구체적으로 LabJack사의 U12 USB 데이터 입출력 장치가 사용되었다. 또한, 컨트롤러에 보내진 신호에 따른 작동을 위하여 디지털l I/O 보드 (16 채널 RB-16 릴레이보드)를 이용하였으며 릴레이 보드에는 각각 직기 운전 조절을 위한 전원 개폐용, 컷터 구동용 위한 전자석 전원 개폐용, 컷터 회전용 모터의 전원 개폐용, 및 발광다이오드(LED) 조명 전원 개폐용 4개의 무접점 릴레이를 구비하였다. 또한, 컷터 회전 모터용, 및 전자석 및 조명용 전원이 별도로 설치되었으며, U12 및 USB 타입 CCD 카메라를 컴퓨터에 접속하기 위하여 4 포트의 USB 허브(Hub)를 구비하였다.

연번	부품명	규격	용도
1	USB 데이터 입출력 장치	LabJack U12	USB 포트를 통해 컴퓨터와 통신
2	디지털I/O 보드	RB-16	16 채널 디지털 데이터 입출력 보드
3	무접점 릴레이	PDD0-103N	직기 운전 조절을 위한 전원 개폐
4	무접점 릴레이	PDD0-103N	컷터 구동용 위한 전자석 전원 개폐
5	무접점 릴레이	PDD0-103N	컷터 회전용 모터의 전원 개폐
6	무접점 릴레이	PDD0-103N	LED 조명용 전원 개폐
7	전원	5V, 0.3A	컷터 회전용 모터의 전원
8	전원	12V, 0.5A	전자석 및 조명용 전원
9	USB 허브(Hub)	4 Ports	U12 및 USB 카메라를 컴퓨터에 접속

위사 선단 감지 및 위사 절단 장치의 구조는 도 4a 및 4b, 그 외부 형상은 도 5에 나타낸 바와 같고, 위사 선단 감지 및 위사 절단 장치의 주요 부품 및 그 기능은 표 2에 기재된 바와 같다.

위사 선단은 CCD 카메라를 통하여 위사 이미지를 화상 분석함으로써 감지된다. 위사 선단 감지 장치에는 CCD 카메라 촬영시 백그라운드로서 스크린 및 CCD 카메라용 조명으로서 LED 조명이 구비된다.

위사의 선단이 일정한 위치에 도달하였음이 감지되면, 전자석이 작동하여 모터가 부착된 스윙암을 구동시키고 스윙암은 모터를 절단 위치로 이송시킨다. 이송된 모터는 원형 컷터의 구동 동력 제공하고 원형 컷터는 회전하면서 위사를 절단하게 된다. 원형 컷터의 회전 속도는 장착된 기어에 의하여 감속된다.

연번	부품명	규격	용도
1	전자석	12V 0.5A	모터가 부착된 스윙암의 구동
2	스윙암 (swing arm)	에폭시 수지	전자석에 의해 모터를 절단 위치로 이송
3	모터	3V DC	원형 컷터의 구동 동력 제공
4	기어	감속용	모터의 회전속도를 감속시킴
5	원형 컷터	25.4	위사 절단용 원형 컷터
6	스크린	흰색 코팅지	CCD 카메라 촬영시 백그라운드
7	CCD 카메라	30만 화소	화상 분석용 위사 이미지 촬영
8	LED 조명	12V 백색광	CCD 카메라용 조명

레피어 헤드 움직임 감지 장치의 구조는 도 6에 그 외부 형상은 도 7에 나타내었으며, 레피어 헤드 움직임 감지 장치의 주요 부품 및 그 용도는 표 3과 같다.

레피어 헤드 움직임 감지 장치는 수광부와 투광부로 구성되는 광센서 장치로서, 투광부에서 적외선을 발사하여 수광부가 이를 수신하면 센서 사이에 물체가 없는 것으로 판정하게 된다.

연번	부품명	규격	용도
1	수광부 광센서	BPS3M-TDT2	래피어 헤드 검출용 광센서 수광부 모듈
2	투광부 광센서	BPS3M-TDT1	래피어 헤드 검출용 광센서 투광부 모듈

또한, 본 발명은 상기 컨트롤러를 구동시키기 위한 소프트웨어를 제공한다. 소프트웨어는 C++ 언어로 작성되었으며 마이크로소프트사의 윈도우즈 환경에서 작동한다. 소프트웨어의 구성요소는 도 8의 설정화면에 나타난 바와 같으며 사용자는 설정화면에서 각 구성요소들을 정의할 수 있으며 각 내용은 다음과 같다.

① CCD 화면에는 카메라로 촬영된 위사의 화면이 표시된다.

② 분석영역 설정 기준선의 빨간색 선과 파란색 선을 마우스로 클릭하여 이동하면 사각형 관심영역을 정의할 수 있으며 화상 분석은 이 부분에 대해서만 이루어지므로 데이터 처리속도를 높일 수 있다.

③ 미리보기 선택버튼의 체크 버튼을 선택하면 카메라 영상이 실시간으로 갱신되며, 선택하지 않으면 갱신되지 않는다.

④ 컬러/흑백 선택버튼은 영상을 컬러나 흑백으로 보고자 할 때 선택하는 것으로, 흑백 상태에서 오른쪽의 슬라이더(slider)를 움직여 흑백 영상을 조절할 수 있다. 흑백 영상에서 흑색으로 나오는 부분만을 위사로 간주하게 된다.

⑤ 제직 시작버튼을 누르면 제직 공정이 시작되고, 제직 중에 ESC 키를 누르면 제직이 중단된다.

⑥ 제직 공정 컨트롤 변수 설정 메뉴에서 초기비주(飛走)시간(Duration of initial run)은 초기에 래피어가 위사를 파지하고 직물 폭만큼 진행하는 시간으로 설정된다. 미소(微小)진행시간(Duration of single pulse)는 래피어의 미소 진행을 위해 직기를 간헐적으로 구동하는 최소 시간 간격으로 설정되며 후기비주시간(Duration of final run)은 위사 절단 후 래피어가 위입 종료 위치까지 진행하는 시간으로 설정된다. 각 진행시간은 밀리세컨드(1/1000 second) 단위로 정의되며 각 단계는 'Test' 버튼을 눌러서 테스트해 볼 수 있다.

⑦ 위사 선단 검출 기준 설정 메뉴를 통해 검출하고자 하는 위사 선단 이미지가 촬영되었을 때 'Set Target' 버튼을 누르면 해당 영상을 위사 선단 영상으로 설정할 수 있다. 'Max. Tolerance'는 위사 색상 (hue)의 오차 허용값이다.

⑧ 컷터 테스트 버튼으로 컷터의 작동을 테스트해볼 수 있다. 컷터의 작동시간은 밀리세컨드 단위로 지정된다.

⑨ 위사 선단 검출 테스트 버튼은 위사 선단의 검출이 잘 되는지 테스트할 때 사용되며 오른쪽의 원형신호등이 초록색이 되면 검출이 된 것을 의미한다.

⑩ 레피어 헤드 검출 테스트 버튼은 래피어 헤드가 종료위치에 와 있는지 테스트할 때 사용되며 오른쪽의 원형신호등이 붉은색이 되면 종료위치에 도달한 것을 의미한다.

또한, 본 발명의 다른 목적에 따라, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 본 발명의 정밀 위입 컨트롤 장치를 이용한 레피어 직기 위입 컨트롤 공정을 제공한다:

(1) 레피어 직기 가동 파라미터 설정하는 단계;

(2) 위사를 파지한 레피어 헤드가 직물의 폭만큼 이동하는 단계;

(3) 위사 선단 검지 및 위사를 절단하는단계; 및

(4) 레피어 헤드가 종료위치로 이동하는 단계.

본 발명의 레피어 직기 위입 컨트롤 공정의 흐름도를 도 9에 나타내었다. 본 발명의 레피어 직기 위입 컨트롤 공정은 본 발명의 레피어 직기 위입 컨트롤 장치를 구동시키는 소프트웨어를 통하여 수행되는 것이 바람직하다. 이하에서 각 단계를 구체적으로 설명한다.

(1) 먼저 직기의 시험운전을 통하여 레피어 헤드의 초기비주시간, 미소진행시간, 후기비주시간을 각각 결정한다.

또한, 위사의 시험 촬영을 통하여 위사 선단 감지 기준을 설정한다. 직사를 제작할 때 이미 위사의 선단 부분에는 문양에 포함되지 않는 특이한 색상의 실을 삽입해두면, CCD 카메라로 위사를 관찰하다가 이 색상이 발견되는 시점을 위사 선단으로 간주할 수 있다. CCD 카메라에 의해 얻어지는 화상은 1670만 컬러의 320x240 픽셀 크기의 이미지이다. 이를 회색화(gray scale) 하여 먼저 256 단계의 명도를 갖는 회색화 이미지로 전환한 다음 사용자가 지정한 특정값 (소프트웨어 상에서 'binary' 버튼 옆에 위치한 슬라이더를 움직여서 0~255 값으로 조절할 수 있음)을 기준으로 하는 백색과 흑색만을 갖는 이진(binary) 이미지로 전환한다. 이와 같은 과정을 거치면, 원래의 컬러 이미지를 구성하는 픽셀 중, 이진 이미지 상에서 흑색으로 변한 점들만이 위사를 구성하는 점들이라 생각할 수 있으며, 이 점들의 색상이 위사의 위치 검색에 된다.

CCD 카메라에 의해 얻어진 화상은 적녹청 (RGB-Red, Green, Blue)색상 공간에서 정의되는데, 이를 색상-채도-명도 (HSI, hue-saturation-intensity) 색상 공간으로 변형하면 위사를 구성하는 실들의 색상을 인식할 수 있다. 따라서, 특정한 이미지를 한번 위사의 선단으로 인식시켜 두면 나중에는 촬영된 이미지의 관심영역 내에 존재하는 가장 지배적인 색상을 추출해내어 인식시켜둔 값과 비교함으로써 해당 이미지가 위사의 선단을 촬영한 것인지 아닌지를 결정할 수 있게 된다. 이때, CCD 카메라에 도입되는 전기적 잡음 등의 영향이 발생할 수 있기 때문에 'max. tolerance' 값만큼의 오차를 허용하면서 색상을 비교하도록 한다.

추가로 원형 컷터를 시험 작동시켜 위사 절단을 위한 원형 컷터 작동시간을 설정하고 위사 선단 감지 장치 및 레피어 헤드 감지 장치의 기능을 테스트해 본다.

(2) 결정된 파라미터를 본 발명의 소프트웨어의 설정 화면에 입력한 후 프로그램을 구동시키면 위사의 위입이 시작된다. 설정된 초기비주시간 동안 레피어 헤드가 위사를 파지한 후 직물의 폭만큼 이동하고, 한 스텝마다 정의된 미소진행시간(duration of single pulse) 시간에 따라 직기가 간헐적으로 작동한다.

(3) CCD 카메라(1)에 의한 화상분석에 의하여, 설정된 위사 선단의 감지 기준에 따라 위사의 선단이 일정한 위치에 도달했음을 감지하면 소프트웨어는 전자석(3)과 모터(2)를 구동시킨다. 위사 선단 감지 및 위사 절단의 과정은 도 10에 나타낸 바와 같다. 전자석(3)이 작동하면 스윙암(swing arm, 7)이 지지점을 중심으로 회전하여 모터(2)와, 모터에 연결된 원형 컷터(9)를 절단 위치로 이송시킨다. 모터 또한 전원이 공급되면 회전하면서 원형 컷터(9)를 회전시켜 위사(5)를 절단하게 된다. 위사를 절단하는데 필요한 시간은 단계 (1)에서 시험을 통하여 설정되어 이미 입력되어 있다.

(4) 위사가 절단되고 나면, 설정된 후기비주시간(duration of final run) 동안 레피어 헤드가 종료 위치로 이동하면서 직기가 정의된 미소진행시간(duration of single pulse)에 따라 간헐적으로 작동한다. 레피어 헤드가 종료위치에 도달하였음이 레피어 헤드 감지 장치에 의하여 감지되면 (2) 단계부터 반복함으로써 문양직물을 제조한다.

래피어 헤드를 감지하는 데는 한 쌍의 광센서가 사용된다. 레피어 헤드 감지 장치는 투광부와 수광부로 구성되는데, 투광부에서 적외선을 발사하여 수광부가 이를 수신하면 센서 사이에 물체가 없는 것으로 판정하게 되는 것을 원리로 한다. 따라서, 센서를 래피어 종료 위치 직전에 부착시켜 두면, 래피어가 종료위치에 도착하기 전에는 항상 센서 사이에 래페어가 존재하므로 수광부는 신호를 수신할 수 없게 되어 래피어가 종료하지 않았음을 소프트웨어에 알릴 수 있다. 반면, 래피어 헤드가 종료 위치에 도착한 뒤에는 수광부가 적외선 신호를 수신할 수 있으므로 래피어가 종료 위치에 도달했음을 소프트웨어에 알릴 수 있다.

실시예 1: 본 발명의 컨트롤러를 이용한 문양직물 제직 위입 컨트롤

정경과 위사 준비가 끝난 상태의 래피어 직기에 본 발명의 컨트롤러를 설치한 뒤, 컨트롤러와 컴퓨터를 연결하고, 소프트웨어를 구동시키고 다음 단계에 따라 문양직물을 제직하였다.

① 직기 운전 실험에 의한 파라미터의 설정

래피어 직기는 전기 신호에 의해서 직기의 운전을 제어할 수 있는 인칭(inching) 기능이 있는 것으로 사용하였다. 이 레피어 직기는 인칭 스위치를 눌러줌에 따라서 간헐적으로 직기를 운전할 수 있으므로, 본 발명에서는 이 스위치를 우회시켜 컨트롤러의 릴레이에 연결시켜 직기를 짧은 시간 간격으로 간헐적으로 운전할 수 있도록 하였다. 그러므로 초기비주시간, 미소진행시간, 후기비주시간을 바꿔가면서 실험을 하여, 직기 속도가 약 100 RPM 일 때 각각 필요한 시간 간격을 표 4와 같이 얻을 수 있었다. 이 시간은 직기의 RPM 에 따라 변화된다.

초기 비주시간	1000 ms
미소 진행시간	2 ms
후기 비주시간	50 ms

② 위사 선단 감지 및 위사 절단

위사 선단 감지를 위한 기준 설정은 직사의 제직 상태에 따라서 달라진다. 즉, 문양 부분과 문양이 아닌 부분의 경계에 사용한 실의 색상에 따라 달라지는 것으로, 제직에 쓰이는 위사를 이용해서 제직시 매번 새로 설정할 수 있다. 위사 절단기 작동 시간은 대략 1000 ms 정도면 적당한 것으로 나타났다.

③ 래피어 헤드 감지

래피어 헤드의 종료 위치에 설치된 광센서는 래피어가 비주하는 동안에는 ON 상태이며 래피어가 완전히 종료위치에 도달하면 OFF 상태가 되므로 소프트웨어상에서 이를 감지하여 래피어의 상태를 알 수 있게 된다.

제직된 직물의 예는 도 11에 보인 바와 같다

문양직물의 제직에 있어 가장 중요한 공정이라 할 수 있는 정밀 위입 공정을 수작업으로 하는 것에 비해 본 발명의 컨트롤 장치를 사용할 경우 문양직물의 생산성 및 정확도를 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 컴퓨터에 의하여 제어되는 컨트롤러, 위사의 선단을 감지하고 위사를 절단하는 장치, 및 래피어 헤드의 움직임을 감지하는 장치를 포함하는 레피어 직기용 위입 컨트롤 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 위사의 선단을 감지하는 장치가 CCD 카메라를 통하여 위사 이미지를 화상 분석함으로써 위사의 선단을 감지하는 것을 특징으로 하는 레피어 직기용 위입 컨트롤 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 래피어 헤드의 움직임을 감지하는 장치가 수광부와 투광부로 구성되는 광센서 장치인 것을 특징으로 하는 레피어 직기용 위입 컨트롤 장치.
4. (1) 레피어 직기 가동 파라미터를 설정하는 단계;

   (2) 위사를 파지한 레피어 헤드가 직물의 폭만큼 이동하는 단계;

   (3) 위사 선단 감지 및 위사를 절단하는 단계; 및

   (4) 레피어 헤드가 종료 위치로 이동하는 단계를 포함하는, 제 1항의 레피어 직기용 위입 컨트롤 장치를 이용한 레피어 직기 위입 컨트롤 공정.
5. 제 4항에 있어서,

   단계 (1) 의 파라미터가 초기비주시간, 미소진행시간, 후기비주시간, 위사 선단 감지 기준, 및 원형 컷터 작동시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 레피어 직기 위입 컨트롤 공정.
6. 제 5항에 있어서, 위사 선단 감지 기준을 설정하는 데 있어서, CCD 카메라에 의해 얻어지는 위사의 화상을 특정 값을 기준으로 하는 이진(binary) 이미지로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레피어 직기 위입 컨트롤 공정.
7. 제 4항에 있어서, 단계 (4)가 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레피어 직기 위입 컨트롤 공정:

   (4a) 레피어 헤드가 종료 위치로 이동하는 단계; 및

   (4b) 레피어 헤드 감지 장치가 레피어 헤드가 종료위치에 도달하였음을 감지하는 단계.
8. 제 7항에 있어서, 단계 (4b)에서 상기 레피어 헤드 감지 장치의 투광부에서 적외선을 발사하여 수광부가 이를 수신하면 센서 사이에 물체가 없는 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는 레피어 직기 위입 컨트롤 공정.
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