KR100922159B1 - 지지격자의 용접 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지지격자의 용접 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 용접 작업을 진행하는 중간에 용접점으로부터 이미지를 촬영하고 이를 이용하여 용접점의 정확한 위치를 파악하여 정밀한 용접을 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 레이저 용접장치는 펄스 레이저 발생부, 서보모터, 이미지센서 및 용접제어수단을 포함한다.

서보모터는 상기 펄스 레이저 발생부를 X-Y 평면상에서 이동시킨다.

이미지센서는 상기 펄스 레이저 발생부가 오프상태인 경우에 지지격자로부터 반사되는 빛을 입력받아 지지격자의 이미지를 감지 및 저장한다.

용접제어수단은 용접점에 대한 위치정보와 각 용접점에 대한 용접 순서가 저장되어 있고, 이미지센서가 지지격자의 이미지를 촬영하도록 제어하며, 상기 이미지센서로부터 이미지를 전송받아 다음 용접점의 정확한 위치를 산출하여 상기 용접점의 위치정보를 보정하고, 산출된 위치값을 이용하여 상기 펄스 레이저 발생부가 다음 용접점을 정확히 조준하도록 상기 서보모터를 제어한다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

본 발명에 의한 용접방법은 용접작업에 소요되는 초기시간을 단축시켜 작업 효율성을 향상시킨다.

또한 본 발명에 의한 용접방법은 용접작업 중간중간에 촬영된 이미지를 제공함으로써 용접상태를 즉각적으로 확인할 수 있도록 하여 사후적으로 용접상태를 확인하는 수고를 덜 수 있게 하여 전체적인 작업효율성을 향상시킨다.

본 발명은 지지격자의 용접 작업 중 핫스팟에 의한 이미지 왜곡 현상이 최소화되는 시기에 이미지를 촬영하고, 동시에 촬영된 이미지로부터 핫스팟에 의하여 이미지가 왜곡되는 현상을 최대한 제거하는 효과가 있다.

지지격자, 레이저 용접, 필터, 핫스팟, 펄스 레이저, 오프타임, 위치보정

Description

지지격자의 용접 장치 및 방법{apparatus and method for welding strips of spacer grid}

본 발명은 지지격자의 용접 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 용접 작업을 진행하는 중간에 용접점으로부터 이미지를 촬영하고 이를 이용하여 용접점의 정확한 위치를 파악하여 정밀한 용접을 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 핵연료의 지지 및 고정에 사용되는 지지격자는 대한민국 특허출원 제10-1983-0004399호에 개시된 것과 같이 주로 지르코늄으로 되어 있는 긴 판들을 종횡방향으로 서로 교차시킨 후 용접을 함으로써 격자모양으로 형성된다. 이를 상세하게 설명하면 각 판들에는 서로 직각으로 교차되는 판들을 수용하기 위한 홈들이 형성되어 있으며 이러한 홈들을 상호 결합하는 방식으로 고정한 뒤 직각으로 교차되는 판들의 교차점을 용접함으로써 지지격자를 형성하게 된다.

지지격자 제조상의 결함은 지지격자를 이루는 판들의 소재 불량, 용접 전 판들의 고정 불량, 용접 시 레이저 불량 및 용접 작업 시 지지격자를 이루는 판들을 고정하기 위한 리텐션 스트랩(retention strap)의 고정 불량 등의 여러 가지 원인이 복합적으로 발생한 경우 지지격자의 용접불량으로 나타나게 되는 것으로 알려져 있다.

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이러한 여러 원인에 따라 지지격자의 용접불량을 최소화하기 위한 방법들이 여라 가지가 있을 수 있으나 그 중에서도 사전적으로 용접 시 용접점이 되는 직교하는 판들의 교차점을 정확하게 찾아서 용접하고, 사후적으로 용접 후 용접 상태를 정확히 파악하여 제대로 용접이 되지 못한 부분을 다시 용접하도록 하는 것이 이러한 불량의 발생을 최소화하기 위하여 가장 중요하다. 특히 격자를 이루는 판들에 각각의 직교하는 판들을 삽입하기 위하여 형성된 홈은 서로 삽입되는 경우에도 약 간의 유격을 갖게 되어 전체 용접점들이 일정하게 규칙적으로 형성되지 못하고 약간의 오차를 갖게 되므로 용접점의 정확한 위치를 사전적으로 파악하는 것이 더욱 중요하다.

이러한 용접불량을 방지하기 위하여 근래에는 용접작업 전에 지지격자의 이미지를 촬영하여 미리 전체적인 용접점을 파악하여 용접작업을 실시하고 이후 수작업으로 용접상태를 확인하여 용접상태가 불량인 지지격자를 대상으로 다시 용접 작업을 하고 있다.

그러나 이러한 방법은 지지격자의 용접작업 전에 소요되는 시간이 길어질 뿐 아니라 발생한 용접상의 하자에 대해서도 즉각적으로 대처하지 못하여 작업효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

한편 지지격자는 일반 아크용접과는 달리 레이저를 이용하여 용접 작업을 하게 되므로 그 온도가 섭씨 3000도 이상으로 형성되어 아크용접에 비하여 매우 높다. 따라서 용접작업에 소요되는 시간을 줄이기 위하여 용접작업 도중 또는 직후에 지지격자의 이미지를 촬영하는 경우에는 이러한 높은 온도로 인하여 이미지가 간섭받는 핫스팟(Hot Spot)현상이 발생하게 되어 이미지의 판독을 어렵게 하므로 문제가 된다. 즉, 지지격자의 용접작업의 효율을 높이기 위한 전제로서 용접 중 또는 직후의 이미지로부터 핫스팟을 제거하거나 최소화 시키는 기술이 선행되어야 하는 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 과제는 용접 후의 상태를 즉각적으로 확인하여 재용접 여부를 확인할 수 있도록 용접작업과 병행하여 지지격자의 이미지를 획득하는 방법을 제공하는데 있다.

또한 본 발명의 과제는 용접작업과 병행하여 지지격자의 이미지를 촬영하더라도 핫스팟(Hot Spot)현상을 최소화 하도록 하는 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여,

본 발명에 의한 레이저 용접장치는 펄스 레이저 발생부, 서보모터, 이미지센서 및 용접제어수단을 포함한다.

서보모터는 상기 펄스 레이저 발생부를 X-Y 평면상에서 이동시킨다.

이미지센서는 상기 펄스 레이저 발생부가 오프상태인 경우에 지지격자로부터 반사되는 빛을 입력받아 지지격자의 이미지를 감지 및 저장한다.

용접제어수단은 용접점에 대한 위치정보와 각 용접점에 대한 용접 순서가 저 장되어 있고, 이미지센서가 지지격자의 이미지를 촬영하도록 제어하며, 상기 이미지센서로부터 이미지를 전송받아 다음 용접점의 정확한 위치를 산출하여 상기 용접점의 위치정보를 보정하고, 산출된 위치값을 이용하여 상기 펄스 레이저 발생부가 다음 용접점을 정확히 조준하도록 상기 서보모터를 제어한다.

또한, 본 발명에 의한 레이저 용접장치는 용접 상태판별수단을 더 포함할 수 있다. 용접상태판별수단은 상기 이미지센서로부터 전송된 지지격자의 이미지를 용접상태에 관한 화상분석 데이터베이스와 비교하여 용접된 부분의 용접상태를 판별한다.

또한 본 발명에 의한 레이저 용접장치의 용접제어수단은 상기 용접 상태판별수단으로부터 직전 용접 부위에 대하여 불량판정신호를 받는 경우 상기 용접점을 용접 작업 대상부분에 다시 포함시킨다.

또한 본 발명에 의한 레이저 용접장치는 감쇄필터를 더 구비할 수 있다. 감쇄필터는 지지격자로부터 반사되는 빛을 카메라가 인식할 수 있는 강도로 낮추어 투과시켜 이미지센서로 전달한다.

또한 본 발명에 의한 레이저 용접장치는 밴드패스필터를 더 구비할 수 있다. 밴드패스필터는 지지격자로부터 반사되는 빛을 770 내지 790 나노미터의 파장의 범위에서 선택적으로 투과시켜 이미지센서로 전달한다.

나아가 본 발명에 의한 레이저 용접장치의 이미지센서는 상기 펄스 레이저 발생부의 오프시간 중 저온구간에서만 지지격자의 용접부로부터 반사되는 빛을 입력받아 지지격자의 이미지를 감지 및 저장할 수 있다.

한편 본 발명에 의한 레이저 용접장치의 이미지센서는 펄스 레이저 발생부의 오프시간동안 연속적으로 촬영되는 프레임 중 핫스팟에 의한 왜곡 현상이 기준치 이하로 발생하는 경우에만 해당 프레임을 감지 및 저장할 수 있다.

상술한 본 발명의 구성상의 특징으로부터,

본 발명에 의한 용접방법은 용접작업에 소요되는 초기시간을 단축시켜 작업 효율성을 향상시킨다.

또한 본 발명에 의한 용접방법은 용접작업 중간중간에 촬영된 이미지를 제공함으로써 용접상태를 즉각적으로 확인할 수 있도록 하여 사후적으로 용접상태를 확인하는 수고를 덜 수 있게 하여 전체적인 작업효율성을 향상시킨다.

본 발명은 지지격자의 용접 작업 중 핫스팟에 의한 이미지 왜곡 현상이 최소화되는 시기에 이미지를 촬영하고, 동시에 촬영된 이미지로부터 핫스팟에 의하여 이미지가 왜곡되는 현상을 최대한 제거하는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

<실시예 1>

[도 1]을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 의한 레이저 용접장치는 크게 제어부(40)와 용접부(5)로 나누어질 수 있다.

먼저 [도 1] 및 [도 2]를 참조하여 용접부(5)에 대하여 설명한다.

용접부(5)는 서보모터, 펄스 레이저 발생부, 조준렌즈 및 초점렌즈로 구성되는 공지의 레이저 용접장치 외에 빔스플리터, 이미지센서, 감쇄필터 및 밴드패스 필터로 구성되어 있다.

서보모터는 종래에 알려진 바와 같이 용접부(5)를 X-Y평면상에서 이동시키는 역할을 한다.

한편, 지지격자의 용접에 있어서 레이저는 용접깊이를 충분히 확보하고, 용접불량을 방지하기 위하여 [도 4]에 도시된 바와 같이 온(on)상태와 오프(0ff)상태를 반복시키는 펄스형태의 레이저를 사용하게 된다. 본 실시예에서의 레이저는 일반적으로 지지격자의 용접에 사용되는 15Hz의 주파수를 갖는 펄스형태의 레이저를 사용하는 것으로 가정한다. 이때 펄스레이저의 주기는 약 70ms가 되는데, 펄스의 온타임(on-time)은 약 7ms 이고 오프타임(off-time)은 약 63ms이다.

펄스 레이저 발생부(10)에서 레이저를 발생시키면, 레이저는 광섬유(11), 조 준렌즈(30), 빔스플리터(32) 및 초점렌즈(31)를 통하여 용접점으로 조사된다.

이 때 빔스플리터(32)는 지지격자의 용접부로부터 반사되는 빛의 경로를 상기 펄스 레이저 발생부로부터 발생되는 레이저의 경로로부터 분리시킨다. 빔스플리터(32)로는 조사되는 레이저와 용접점에서 반사되는 빛의 경로를 분리하기 위하여 콜드미러나 핫미러를 사용할 수 있다. [도 2]의 경우에는 빔스플리터로서 콜드미러를 사용한 경우로서 콜드미러는 레이저를 통과시켜 직진하도록 하고 용접점에서 반사되어 온 빛은 반사시켜 후술할 이미지센서(20) 쪽으로 경로를 바꾸도록 하는 작용을 한다.

지지격자의 용접부로부터 반사되고 상술한 빔스플리터(32)로부터 경로가 분리된 빛은 먼저 필터층을 통과하게 되는데 본 실시예에 있어서의 필터층은 감쇄필터(21)와 밴드패스필터(22)로 구성되어 있다.

감쇄필터는 투과되는 빛의 강도를 전체적으로 낮춰주는 필터로서, 앞서 설명한 바와 같이 지지격자의 용접점에서의 온도가 매우 높아 그 강도가 매우 크므로 투과되는 빛의 강도를 후술할 이미지센서(20)가 인식할 수 있을 정도로 낮추는 역할을 한다.

한편, 지지격자의 이미지에 관한 정보를 담고 있으며 육안 또는 카메라에 의하여 인식할 수 있는 파장 범위는 가시광선과 적외선의 일부를 포함하는 약 500 내지 800 nm가 된다. [도 3]은 용접 작업시 또는 용접 작업 직후 용접점의 핫스팟으로부터 발생하는 스펙트럼을 파장별로 나타낸 그래프로서, 이를 참조하여 보면 약 780 나노미터 파장 부근에서 그 투과율이 가장 작게 나타난다. 이에 대한 정확한 수치는 용접 대상인 지지격자의 재질에 따라서 바뀔 수 있는데 최근 지지격자의 재료로서 주로 사용되는 지르칼로이 소재로 제작된 지지격자의 경우 레이저 용접시 최소 투과율을 보이는 파장이 780nm가 되는 것이다. 투과율이 높은 파장영역은 용접점의 핫스팟에서 나오는 신호가 크다는 뜻이다. 이는 핫스팟의 왜곡된 이미지의 크기를 나타내는 것으로 CCD 카메라가 왜곡된 이미지를 획득할 확률이 크게 된다. 따라서 투과율이 낮은 파장만을 본다면, 왜곡되지 않은 실제 형상과 가장 가까운 형상을 보게 될 것이다

즉 780 나노미터의 파장만을 선택적으로 보게 되면 용접 시 용접점에서 발생하는 적외선(Infra-red) 및 불필요한 노이즈를 가장 많이 제거하여 핫스팟(hot spot)에 의한 왜곡현상을 최소화한 실물에 가장 가까운 지지격자의 형상을 얻을 수 있게 된다. 이러한 목적에서 밴드패스필터(230)는 투과되는 빛을 770 내지 790 나노미터의 파장의 범위에서 선택적으로 투과 시킨다. 780 나노미터의 파장만을 통과시키는 것이 가장 바람직하지만 기계적인 구성 및 실제 구성에서의 오차 등을 고려한 것이다.

[도 2] 및 [도 5]를 참조하여 이미지센서(20)에 대하여 설명한다.

필터층을 통과한 빛은 이미지센서(20)에 도달한다. 이미지센서(20)는 앞서 설명한 펄스 레이저 발생부(10)의 오프타임([도 3]참조) 동안에 이미지센서(20)에 도달한 빛을 이미지로서 저장하게 된다. [도 5]에 도시된 바와 같이 지지격자의 온도는 펄스 레이저 발생부(10)가 온타임(on-time)이 되기 직전에 낮은 온도를 보여준다. 따라서 온타임(on-time) 직전에 이미지를 저장하는 것이 가장 바람직하지만 기계적인 반응속도 등을 고려하면 오프타임(off-time)의 끝 약 25%에 해당하는 17ms(이하 저온구간이라 정의한다.)동안 이미지를 저장한다.

[도 1]을 참조하여 제어부(40)에 대하여 설명한다.

제어부(40)는 용접제어수단(41)과 용접 용접 상태판별수단(42)으로 구성되어 있다. 제어부(40)는 아래에서 설명하는 기능을 수행하는 프로그램과 이러한 프로그램이 실행될 수 있는 일반적인 컴퓨터시스템이나 용접작업에 특화된 연산장치의 결합으로서 구현될 수 있다.

용접제어수단(41)은 한마디로 용접부(5)의 전체적인 진행을 총괄하는 부분이다. 즉 용접제어수단(41)은 용접점에 대한 위치정보와 각 용접점에 대한 용접 순서가 저장되어 있어 서보모터(9)를 제어하여 용접순서에 따라 용접부(5)를 이동시키며 레이저의 온 또는 오프 타이밍을 조절한다. 또한 이미지센서(20)가 레이저의 오프 타임 중 저온구간에서 지지격자의 이미지를 촬영하도록 제어한다.

용접작업 전에 용접제어수단(41)에 저장되어 있는 각 용접점의 위치(WP)는 [도 6]에 도시된 바와 같이 이론적으로 지지격자(1)를 구성하는 각 스트랩의 교차점에 정확히 형성되어야 한다. 그러나 지지격자(1)를 이루는 각 스트랩은 상호 교차하여 삽입하기 위하여 일정간격의 홈이 형성되는데 이들 홈의 유격과 기타 물리적 인 여러 원인으로 [도 7]에 도시된 바와 같이 실제 용접점에서 Y축으로 YG만큼 X축으로 XG만큼 오차가 생기게 된다.

이러한 실질적인 오차를 수정하기 위하여, 용접제어수단(41)은 이미지센서(20)로부터 촬영된 이미지를 전송받은 다음 용접점의 정확한 위치를 산출하여 용접제어수단(41)에 저장된 용접점의 위치정보를 보정하고, 보정된 위치값을 이용하여 용접부(5)를 제어하여 용접작업을 진행하게 된다.

한편, 용접제어수단(41)은 후술할 용접상태불량 신호가 전송되는 경우 해당 용접불량지점을 다시 용접하도록 용접대상리스트에 올리게 된다.

용접 상태판별수단(42)은 이미 용접된 부분의 용접상태를 확인하기 위한 것이다. 용접상태판별수단(42)은 이미지센서(20)로부터 전송된 지지격자의 이미지로부터 촬영 직전에 용접된 부분의 용접상태를 검사하게 된다. 용접상태판별수단(42)은 각 불량원인별 이미지 패턴에 관한 데이터를 저장하고 있는 데이터베이스를 구비하게 되고, 촬영된 이미지를 이 데이터베이스에 저장된 용접불량 패턴과 비교함으로써 용접상태를 판별하게 된다. 용접상태가 불량으로 판별되면 용접제어수단(41)으로 용접이 불량임을 알리는 신호를 전송하게 된다.

<실시예 2>

실시예 2는 실시예 1에 비하여 이미지센서(20)의 이미지취득 방법에서 차이가 있다.

실시예 1의 경우 바람직하게 저온구간(오프타임의 마지막 17ms 구간) 동안 이미지를 저장하게 되지만, 실시예 2에 있어서는 오프타임동안 연속적인 이미지를 촬영하고 핫스팟에 의한 이미지 왜곡현상을 감지하여 왜곡현상이 기준치이하가 되는 경우 해당 프레임을 이미지로 저장하게 되는 점에서 차이가 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 정확한 위치를 파악하여 정밀한 레이저 용접을 하는 장치 및 방법으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 레이저 용접장치의 전체적인 구성을 나타내기 위한 블록도이다.

도 2은 본 발명의 서보모터를 제외한 용접부를 나타내기 위한 개략도이다.

도 3는 핫스팟에서 발생되는 스펙트럼을 파장별로 나타낸 그래프이다.

도 4은 펄스 레이저의 진폭을 시간에 따라 나타낸 그래프이다.

도 5는 펄스 레이저에 따라 변동하는 용접점에서의 온도를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

5: 용접부 20: 이미지센서

21: 감쇄필터 22: 밴드패스필터

40: 제어부 41: 용접제어수단

42: 용접 상태판별수단

Claims (7)

1. 펄스 레이저 발생부를 구비하여 지지격자를 용접하는 레이저 용접장치에 있어서,

   상기 펄스 레이저 발생부를 X-Y 평면상에서 이동시키는 서보모터;

   상기 펄스 레이저 발생부가 오프상태인 경우에 지지격자로부터 반사되는 빛을 입력받아 지지격자의 이미지를 감지 및 저장하는 이미지센서;

   지지격자로부터 반사되는 빛을 770 내지 790 나노미터의 파장의 범위에서 선택적으로 투과시켜 이미지센서로 전달하는 밴드패스필터; 및

   용접점에 대한 위치정보와 각 용접점에 대한 용접 순서가 저장되어 있고, 이미지센서가 지지격자의 이미지를 촬영하도록 제어하며, 상기 이미지센서로부터 이미지를 전송받아 다음 용접점의 정확한 위치를 산출하여 상기 용접점의 위치정보를 보정하고, 산출된 위치값을 이용하여 상기 펄스 레이저 발생부가 다음 용접점을 정확히 조준하도록 상기 서보모터를 제어하는 용접제어수단:를 포함하는 지지격자 용접 장치.

   * 상기 지지격자로부터 반사되는 빛은 용접 플라즈마로부터 발생하는 광, 용접부 발열에 의한 광 및 배경 광 등이 포함되며, 용접부로부터 이미지 센서측으로 오는 일체의 광을 의미 함
2. 제1항에 있어서,

   상기 이미지센서로부터 전송된 지지격자의 이미지를 용접상태에 관한 화상분석 데이터베이스와 비교하여 용접된 부분의 용접상태를 판별하는 용접 상태판별수단:을 더 포함하는 지지격자 용접 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 용접제어수단은 상기 용접 상태판별수단으로부터 직전 용접 부위에 대하여 불량판정신호를 받는 경우 상기 용접점을 용접 작업 대상부분에 다시 포함시키는 지지격자 용접 장치.
4. 제1항에 있어서,

   지지격자로부터 반사되는 빛을 카메라가 인식할 수 있는 강도로 낮추어 투과시켜 이미지센서로 전달하는 감쇄필터:를 더 구비하는 지지격자 용접 장치.
5. 삭제
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이미지센서는 상기 펄스 레이저 발생부의 오프시간 중 저온구간에서만 지지격자의 용접부로부터 반사되는 빛을 입력받아 지지격자의 이미지를 감지 및 저장하는 지지격자 용접장치.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이미지센서는 펄스 레이저 발생부의 오프시간동안 연속적으로 촬영되는 프레임 중 핫스팟에 의한 왜곡 현상이 기준치 이하로 발생하는 경우에만 해당 프레임을 감지 및 저장하는 지지격자 용접장치.

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