KR101015980B1

KR101015980B1 - 마그네토스트릭티브 센서 및 이를 이용한 용접품질 검사장치

Info

Publication number: KR101015980B1
Application number: KR1020080119521A
Authority: KR
Inventors: 이병태
Original assignee: 브이제트에이영원주식회사
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2011-02-23
Also published as: KR20100060781A

Abstract

본 발명은 마그네토스트릭티브 센서 및 이를 이용한 용접품질 검사 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 향상된 민감도를 갖는 마그네토스트릭티브 센서와, 이 센서를 이용하여 용접부의 결함을 실시간으로 측정할 수 있는 용접품질 검사장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 산화철 50%과 무기재료를 50% 정도 혼합해 프레스로 가압한 후 소결시킨 것으로서, 전기적 저항이 106~109Ω인 부도체적인 성격을 갖는 페라이트 코어와; 상기 페라이트 코어에 감기는 코일과; 초음파를 탐촉자에 가해주기 위한 센서 송신부 및 반사된 초음파신호를 증폭과 필터링을 거쳐 저장하는 동시에 저장된 신호를 처리하는 센서 수신부로 구성되는 센서 송수신 모듈; 을 포함하여 구성하되, 상기 페라이트 코어의 외경은 25mm, 내경은 12mm로 채택하고, 상기 코일은 임피던스값이 작은 0.1mm 직경의 구리선을 채택하여, 상기 코일의 권수비를 150턴(turn)으로 설정하면서 총 130 레이어(layer)가 되도록 제작된 것을 특징으로 하는 마그네토스트릭티브 센서; 및

센서부의 좌우방향 이송을 위한 구동수단인 액튜에이터부를 지지하는 X축 프레임부와; 상기 X축 프레임부에 좌우 이송 가능하게 결합되어, 상기 액튜에이터의 동력을 받으면서 센서부를 검사위치까지 좌우방향(X축 방향)으로 이송시켜주는 이동플레이트부와; 상기 이동플레이트부에 전후진 이동 가능하게 결합되어, 센서부의 전후방향(Y축 방향) 위치를 조절하는 Y축 프레임부와; 상기 Y축 프레임부에 결합되 어, 센서부에 대한 상하방향(Z축 방향) 높이 조절을 하는 센서 높이 조절부; 상기 센서 높이 조절부의 하단부에 조립되며, 마그네틱 스트릭티브 센서가 내설된 센서 하우징을 포함하는 센서부와; 상기 센서부와 원격으로 연결되는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용접품질 검사장치를 제공한다.

마그네토스트릭티브 센서, 용접품질 검사장치, X축 프레임부, 이동플레이트부, Y축 프레임부, 센서 높이 조절부, 센서부와, 제어부

Description

마그네토스트릭티브 센서 및 이를 이용한 용접품질 검사장치{Magnetostrictive sensor and Device for detecting welding quality using the same}

본 발명은 마그네토스트릭티브 센서 및 이를 이용한 용접품질 검사 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 향상된 민감도를 갖는 마그네토스트릭티브(magnetostrictive) 센서와, 이 센서를 이용하여 용접부의 결함을 실시간으로 측정할 수 있는 용접품질 검사장치에 관한 것이다.

통상적으로, 용접기술은 최근 수년간 급속히 발전하였으며 해협에 놓여 있는 대형교량, 대형 선박, 자동차, 초고층빌딩이나 대형탱크, 원자로, 우주항공, 집적회로의 리드 와이어에 이르기까지 적용범위가 증가하고 있다.

또한, 많은 제조업체가 생산성 향상을 위하여 용접공정의 자동화에 주력하고 있는 바, 이는 용접속도의 향상을 통하여 생산성은 향상시킬 수 있지만, 용접 품질면에서 한계가 있으며, 이에 용접 불량 감소를 통한 생산성을 항상시키기 위하여 용접품질 검사기술에 관심이 집중되고 있다.

즉, 용접품질을 저해하는 균열(crack), 슬래그 혼입(slag inclusion), 기공(porosity) 등의 결함은 부품의 수명을 급속히 단축시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 용접부에 존재하는 결함을 검출하고 그 영향을 정량적으로 평가하는 것이 설비나 부품의 기계적 성능 보장을 위해 필수적인 단계로 인식되고 있다.

이러한 용접품질 평가를 위하여 외부인자를 이용한 간접적 검사, 파괴검사 그리고 비파괴검사 등의 다양한 방법이 이용되고 있다.

상기 간접적 검사는 용접공정 중 측정되는 인자를 이용하여 용접품질을 모니터링하는 방법으로서 용접품질을 직접적으로 측정할 수 없기 때문에 신뢰성 확보에는 한계가 있고, 상기 파괴검사는 가장 확실한 용접품질 평가 방법이지만 용접품질 검사를 위하여 제품을 파괴해야만 하는 단점을 갖고 있는 바, 이에 용접구조물에 손상을 가하지 않으면서 직접적으로 용접품질을 측정할 수 있는 비파괴 검사법이 바람직하다 할 것이다.

상기 비파괴검사법은 신뢰성이 중요시되는 원자력설비, 항공기, 철도차량, 압력용기 그리고 방위산업 등에서 많이 이용되고 있고, 또한 생산공정에서 미리 재료를 검사하여 결함이 있는 재료가 가공된 후에 수정이 들어가는 것을 사전에 방지하고, 가공공정에서 발생된 결함이 제품을 완성한 후 수정 및 보완되는 경우를 제거함으로써, 결함 부위의 수정과 재가공에 따른 많은 비용, 인력 및 시간을 절감하는 공정의 합리화와 품질관리 측면에서 많이 이용하고 있다.

그러나, 상기 비파괴 검사법 중 많이 이용되고 있는 초음파 탐상시험은 작업 자가 초음파 탐상기를 이용하여 직접 피검체를 검사하는 재래식의 직접검사법으로서, 검사자의 경험과 지식, 작업환경이나 장비의 설정 등에 따라 그 결과가 변화할 수 있으며, 피검체 형상이 복잡성이나 피검체 재질의 변화 등으로 인하여 반사신호의 변화가 많으며, 또한 모재의 표면에 접촉매질과 함께 탐촉자를 밀착시키는 접촉식 방법을 사용하고 있어서 형상이 일정하지 않을 경우 자동화가 어렵고 많은 검사시간을 요구할 뿐만 아니라 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, 넓은 주파수범위에서 전체적으로 성능이 우수할 뿐만 아니라 안정된 전압파형을 얻을 수 있으며 자기적 성질이 보존되는 장점을 갖는 마그네토스트릭티브 센서를 제공함과 더불어, 이 마그네토스트릭티브 센서를 이용하여 용접부의 결함을 실시간으로 측정할 수 있는 용접품질 검사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는 마그네토스트릭티브 센서에 있어서, 산화철 50%과 무기재료를 50% 정도 혼합해 프레스로 가압한 후 소결시킨 것으로서, 전기적 저항이 106~109Ω인 부도체적인 성격을 갖는 페라이트 코어와; 상기 페라이트 코어에 감기는 코일과; 초음파를 탐촉자에 가해주기 위한 센서 송신부 및 반사된 초음파신호를 증폭과 필터링을 거쳐 저장하는 동시에 저장된 신호를 처리하는 센서 수신부로 구성되는 센서 송수신 모듈; 을 포함하여 구성하되,

상기 페라이트 코어의 외경은 25mm, 내경은 12mm로 채택하고, 상기 코일은 임피던스값이 작은 0.1mm 직경의 구리선을 채택하여, 상기 코일의 권수비를 150턴(turn)으로 설정하면서 총 130 레이어(layer)가 되도록 제작된 것을 특징으로 하는 마그네토스트릭티브 센서를 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 센서 송신부는: 220V의 입력전원을 DC 600V로 변환하는 고전압발생장치와; 10KHz~5MHz의 신호를 생성하는 사인파 발진부와; 안정된 교류 ±5V의 sin파로 세팅하여 파형을 제어하는 초음파 송신부와; 상기 초음파 송신부로부터의 신호를 증폭시키는 동시에 증폭된 교류전압 신호를 출력하는 파워 앰프; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 센서 수신부는: 측정재료에서 반사된 초음파 수신신호를 안정된 직류성분으로 나타내는 고전압제거 회로부와; 상기 고전압제거 회로부를 거쳐 들어오는 미약한 신호를 보다 안정된 직류성분으로 만들어주는 동시에 미약한 신호에 90~100dB정도로 신호를 충분히 증폭시키는 1차 신호증폭부와; 상기 1차 신호증폭부로부터의 신호에 불필요한 노이즈를 제거하는 필터와; 필터링된 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하는 A/D 변환기와; 디지털 값으로 변환된 신호를 데이터로 저장하는 FIFO 메모리와; 상기 데이터를 모니터링하기 위한 컴퓨터; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 센서부의 좌우방향 이송을 위한 구동수단인 액튜에이터부를 지지하는 X축 프레임부와; 상기 X축 프레임부에 좌우 이송 가능하게 결합되어, 상기 액튜에이터의 동력을 받으면서 센서부를 검사위치까지 좌우방향(X축 방향)으로 이송시켜주는 이동플레이트부와; 상기 이동플레이트부에 전후진 이동 가능하게 결합되어, 센서부의 전후방향(Y축 방향) 위치를 조절하는 Y축 프레임부와; 상기 Y축 프레임부에 결합되어, 센서부에 대한 상하방향(Z축 방향) 높이 조절을 하는 센서 높이 조절부; 상기 센서 높이 조절부의 하단부에 조립되며, 마그네틱 스트릭티브 센서가 내설된 센서 하우징을 포함하는 센서부와; 상기 센서부와 원격으로 연결되는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용접품질 검사장치를 제공한다.

본 발명의 다른 구현예는, 상기 센서부에 의한 용접품질 검사가 이루어지는 검사체가 놓이며, 매질인 물을 받아낼 수 있는 구조의 물탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 센서 높이 조절부는: 상부 베이스판과, 중간플레이트와, 하부 베이스판이 차례로 고정되는 메인 베이스판과; 상기 상부 베이스판과 중간플레이트와 하부 베이스판의 각 상단부에 관통 체결되는 서포트 바와; 상기 상부 베이스판과 중간플레이트와 하부 베이스판의 각 하단부 양측 위치에 관통 체결되는 가이드바와; 상기 상부 베이스판과 중간플레이트와 하부 베이스판의 각 하단부 중앙 위치에 관통 체결되는 스크류바와; 상기 스크류바의 전단부에 볼베어링을 매개로 장착된 핸들; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 베이스판와 중간플레이트와 하부 베이스판의 서포트 바가 관통되는 부분, 및 가이드바가 관통되는 부분에는 리니어 부시가 내설된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 서포트 바의 하단부에는 마그네틱 스트릭티브 센서가 내설된 센서 하우징이 장착된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 Y축 프레임부는: 상기 센서 높이 조절부와 조립되는 제1베이스판과; 상기 이동플레이트부와 조립되는 제2베이스판과; 외측단은 제1 및 제2베이스판에 힌지 체결되고, 내측단은 제1 및 제2스크류 가이드체의 양측부에 힌지 체결되는 링크; 상기 제1 및 제2스크류 가이드체에 삽입 체결되는 스크류 샤프트; 상기 스크류 샤프트의 일끝단에 회전 조작 가능하게 장착되는 핸들; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 센서부는 마그네틱 스트릭티브 센서가 내설된 센서 하우징과, 상기 센서 하우징의 하단에 조립되는 하우징 커버 및 센서 슬리브로 구성되고, 상기 센서 하우징에는 매질인 물의 공급관 결합을 위한 홀이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

1) 넓은 주파수범위에서 전체적으로 성능이 우수할 뿐만 아니라 안정된 전압파형을 얻을 수 있으며 자기적 성질이 보존되는 장점을 갖는 마그네토스트릭티브 센서를 제공할 수 있다.

2) 용접품질 검사체를 향하여 센서부를 X축, Y축, Z축 등으로 정밀하게 이송시키면서 원거리에서도 검사체에 대한 용접품질 평가를 수행할 수 있다.

3) 용접품질 검사를 위한 모재 표면과의 거리 및 높이를 정밀하게 조절하면서 마그네토스트릭티브 센서에 의한 센싱 데이터를 저장시키는 동시에 모니터링함으로써, 원거리에서도 용이하게 용접품질 검사를 수행할 수 있다.

4) 용접품질 검사를 위한 모재의 형상이 일정하지 않을 경우에도 센서부를 X축, Y축, Z축 등으로 정밀하게 이송시켜 용접품질을 용이하게 검사할 수 있고, 검사시간이 단축되어 검사를 위한 효율성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여, 마그네토스트릭티브(magnetostrictive) 센서에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다.

자왜현상은 일반적으로 주울(Joule)효과와 빌라리(Villari)효과를 동시에 일컫는 것으로, 상기 주울효과는 자성체 주변에 설치된 코일에 전류펄스를 흘려주면 코일의 주변에 발생하는 자기장의 변화에 의해 자성체의 물리적 변형(길이, 부피변화)이 유도되는 현상을 의미하고, 상기 빌라리효과는 자성체에 탄성파(탄성 응력파) 등에 의해 자성체 내부에 기계적 변형이 발생되면 이것이 자성체의 유도자기장의 변화를 일으키는 현상으로 자성체 주변에 코일을 설치하면 이 자기장의 변화를 전압의 변화로 측정할 수 있게 된다.

따라서, 코일에서 발생되는 전압의 변화를 측정하면 탄성파의 정보를 계측할 수 있게 되는데, 이러한 원리에 의한 센서를 통상 마그네토스트릭티브 센서라고 부른다.

상기 마그네토스트릭티브 센서는 코일의 굵기를 어떻게 선정하느냐 또는 코일을 감는 방법에 따라 성능이 달라지며, 특히, 전기적신호(고주파 펄스)를 역학적 신호(초음파)로 잘 변환시켜주고, 또한 역학적 신호를 전기적 신호로 잘 변환시켜주기 위하여 전기저항과 민감도 등을 고려하여 적정한 굵기의 코일을 선정이 요구된다.

여기서, 본 발명에 따른 마그네토스트릭티브 센서를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 마그네토스트릭티브 센서의 구조도이다.

본 발명에 따른 마그네토스트릭티브 센서의 민감도를 높이기 위해 일반적인 연철에 비해 투자율이 우수한 페라이트 코어를 선정하는 바, 이 페라이트 코어는 산화철 50%, 그 밖의 무기재료를 50% 정도 혼합해 프레스로 가압한 후 소결시켜 만든 재료로 전기적으로 저항이 106~109Ω 정도로 부도체적인 성격을 가지고 있고, 넓은 주파수범위에서 전체적으로 성능이 우수할 뿐만 아니라 안정된 전압파형을 얻을 수 있으며 자기적 성질이 보존되는 장점을 갖고 있다.

본 발명의 마그네토스트릭티브 센서(10)에 있어서, 자왜 탐촉자의 펄스 간격과 형상은 펄스 자기장에 결합된 자왜선의 길이를 최소화하기 위한 방법으로 첨부한 도 1의 구조도에 도시된 바와 같이, 폭 14mm의 페라이트 코어(12)에 코일(14)을 감아주고, 이때 코일(12)은 펄스주기를 최적화하기 위해 임피던스 값이 작은 Delrin R사의 코일(0.1mm 직경, #44구리선)을 사용하며, 상기 페라이트 코어(12)의 외경은 25mm, 내경은 12mm로 설정하는 동시에 코일의 권수비는 150턴(turn)으로 총 130 레이어(layer)가 되도록 제작된다.

본 발명의 마그네토스트릭티브 센서(10)에는 송수신 모듈이 포함되는 바, 이 송수신부 모듈은 초음파를 탐촉자에 가해주기 위한 센서 송신부(20)와, 반사된 초음파신호를 증폭하고 필터링하여 수신된 신호를 저장하고 저장된 신호를 처리하는 센서 수신부(30)로 크게 나누어지며, 상기 마그네토스트릭티브 센서에서 신호를 검출하고 검출된 신호 데이터를 전송하여 이루어지는 송수신 모듈의 구성 및 그 신호 흐름은 첨부한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같다.

여기서, 상기 센서 송신부의 구성 및 동작 흐름을 첨부한 도 2를 참조로 설명하면 다음과 같다.

상기 마그네토스트릭티브 센서는 강자성체의 자구(magnetic domain)가 교류자장에 의해 진동할 때 발생하는 변위에 의해 초음파가 발생하는 원리인데 발생되는 전압의 변화는 매우 미약한 값일 뿐만 아니라 낮은 전류의 형태를 취하고 있고 실제로 자구의 진동이 빠르지 못하므로 비교적 낮은 주파수에서 사용하는 것이 일반적이지만, 마그네토스트릭티브 현상에 의해 발생하는 초음파는 효율이 매우 낮으므로 파워 앰프(Power AMP) 및 그 밖의 수동소자들을 조합해 센서 송신부를 구성하게 된다.

즉, 상기 센서 송신부(20)는 고전압발생장치(22)와, 사인파 발진부(24)와, 초음파 송신부(26)와, 파워 앰프(28) 등을 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 고전압발생장치(22)에서 220V의 입력전원을 DC 600V로 변환하고, 동시에 10KHz~5MHz의 신호를 사인파 발진부에서 생성하면, 상기 초음파 송신부(26)에서는 안정된 교류 ±5V의 sin파로 세팅하여 파형을 제어함과 함께 상기 파워 앰프(28)를 통하여 교류전압의 증폭된 신호가 마그네토스트릭티브 센서(10)로 출력된다.

여기서, 상기 센서 수신부의 구성 및 동작 흐름을 첨부한 도 3을 참조로 설명하면 다음과 같다.

상기 마그네토스트릭티브 센서(10)에서 발생된 초음파는 측정재료로 전달되어 내부결함 위치에 따라 초음파가 반사되고, 결함의 크기에 따라 반사량이 결정되며, 이러한 반사파는 센서(10)에 포함된 수신용 프로브(미도시됨)에 전달된다.

이에, 상기 수신용 프로브(probe)에는 처음 초음파가 발생되고 나서 결함위치에 따라 반사파가 시간 지연(Time delay)된 후 감지되며, 결함의 크기에 따라 수신 감도가 달라진다.

그러나, 상기 수신용 프로브(probe)에 감지된 초음파 반사파 출력은 매우 작고, 노이즈 성분이 많아 직접 측정이 불가능하므로, 이에 수신된 신호는 수백 mV정도로 매우 미약한 신호이기 때문에 신호증폭부 및 노이즈제거 필터를 조합해 센서 수신부를 제작하게 된다.

즉, 상기 센서 수신부(30)는 고전압제거 회로부(31)와, 1차 신호증폭부(32)와, 필터(33)와, 2차 신호증폭부(34)와, A/D 변환기(35)와, FIFO 메모리(36) 및 컴 퓨터(37)를 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 마그네토스트릭티브 센서(10)에서 측정재료로 전달되어 내부결함 위치에 따라 반사된 초음파 수신신호는 상기 고전압제거 회로부(31)를 통해 안정된 직류성분으로 나타날 수 있고, 연이어 상기 1차 신호증폭부(32)에서는 고전압제거 회로부(31)를 거쳐 들어오는 미약한 신호를 보다 안정된 직류성분으로 만들어주는 동시에 미약한 신호에 90~100dB정도로 신호를 충분히 증폭시키게 된다.

이어서, 상기와 같이 증폭된 신호를 필터(33) 즉, 저대역 필터(Low-Pass Filter)와 고대역 필터(Hi-Pass Filter)를 차례로 통과시켜 신호의 불필요한 노이즈가 제거되도록 한 후, 상기 A/D 변환기(35)에서 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하고, 디지털 값으로 변환된 신호는 상기 FIFO 메모리(36)에 저장되어 데이터화됨과 함께 컴퓨터(37)를 통해 모니터링 가능한 상태가 된다.

이하, 상기와 같은 구성 및 동작 흐름을 갖는 본 발명의 마그네토스트릭티브 센서를 이용한 용접품질 검사 장치 및 방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 용접품질 검사장치는 첨부한 도 4의 개략적 구성도에서 보는 바와 같이, 크게 마그네토스트릭티브 센서가 장착되는 센서부와, 검사하고자 하는 위치로 센서를 정확히 이송시키기 위하여 y축 프레임과 이동 플레이트 등을 갖는 센서 위치제어부를 갖도록 설계된다.

이러한 구성 설계를 기반으로 하는 본 발명의 용접품질 검사장치에 대한 전체적인 외관은 첨부한 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같다.

도 5 및 도 9를 참조하면, 상기 용접품질 검사장치(40)는 센서부(47)에 공급 되는 매질인 물을 받아내기 위한 물탱크(43)와, 상기 물탱크(43)의 양측쪽에 수직으로 세워진 지지프레임의 상단간을 연결하여 센서부(47)의 좌우방향 이송을 위한 구동수단인 액튜에이터부(46)를 지지하는 X축 프레임부(41)와. 상기 X축 프레임부(41)에 좌우 이송 가능하게 결합되어 상기 액튜에이터의 동력을 받으면서 센서부(47)를 검사위치까지 좌우방향(X축 방향)으로 이송시켜주는 이동플레이트부(42)와, 상기 이동플레이트부(42)에 전후진 이동 가능하게 결합되어 센서부(47)의 전후방향(Y축 방향) 위치를 조절하는 Y축 프레임부(45)와, 상기 Y축 프레임부(45)에 결합되어 센서부(47)에 대한 상하방향(Z축 방향) 높이 조절을 하는 센서 높이 조절부(44)와, 상기 센서 높이 조절부(44)의 하단부에 조립되며 마그네틱 스트릭티브 센서(10)가 내설된 센서 하우징(72)을 포함하는 센서부(47), 및 센서부 이송에 필요한 동력을 전달한 액튜에이터부(46)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 액튜에이터부(46)의 구동동력으로 1kW AC 서보모터를 사용하고, 또한 오작동을 방지하기 위한 리미트(limit) 센서(미도시됨)가 상기 X축 프레임부(41) 하면에 부착된다.

여기서, 상기 센서 높이 조절부의 구성을 첨부한 도 6을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 센서 높이 조절부(44)는 센서부(47)에 대한 상하방향(Z축 방향) 높이 조절을 하는 역할을 하는 바, 그 일 구성인 소정 면적을 갖는 직사각판의 메인 베이스판(61)의 양측부 상면에 상부 베이스판(62) 및 하부 베이스판(63)이 장착되고, 상기 메인 베이스판(61)의 중간부분 상면에는 중간플레이트(64)가 장착된다.

또한, 상기 상부 베이스판(62)과 중간플레이트(64)와 하부 베이스판(63)의 각 상단부에는 서포트 바(65)가 관통 체결되고, 상기 상부 베이스판(62)과 중간플레이트(64)와 하부 베이스판(63)의 각 하단부 양측 위치에는 가이드바(66)가 관통 체결되며, 특히 상기 상부 베이스판(62)과 중간플레이트(64)와 하부 베이스판(63)의 각 하단부 중앙 위치에는 스크류바(68)가 관통 체결된다.

이때, 상기 스크류바(68)의 전단부 즉, 상기 상부 베이스판(62)의 앞쪽으로 돌출되는 상기 스크류바(68)의 전단부에는 핸들(67)이 볼베어링(70)을 매개로 조립된다.

또한, 상기 상부 베이스판(62)과 중간플레이트(64)와 하부 베이스판(63)의 서포트 바(65)가 관통되는 부분, 그리고 가이드바(66)가 관통되는 부분에는 리니어 부시(69)가 내설된다.

특히, 상기 서포트 바(65)의 하단부에는 상기한 본 발명의 마그네틱 스트릭티브 센서(10)가 조립되는 센서 하우징(72)이 일체로 장착된다.

이렇게 상기 센서 높이 조절부(44)에 센서부(47)의 센서 하우징(72)이 상하방향(Z축 방향)을 따라 승하강 가능하게 조립되고, 상기 센서 높이 조절부(44)는 상기 Y축 프레임부(45)에 전후진(Y축 방향) 가능하게 조립되며, 상기 Y축 프레임부(45)는 X축 프레임부에 좌우방향(X축 방향)을 따라 이송 가능하게 장착된 상기 이동플레이트부(42)에 조립된다.

이와 같이, 용접품질 검사체의 형상이 클 경우, 센서부(센서가 장착된 센서 하우징부)와 검사체와의 간격을 제어하기 위하여 상기와 같은 센서 높이 제어 부(44)를 구비한 것으로서, 상기 핸들(67)을 조작하여 센서 하우징(72)를 포함하는 센서부(47)의 상하 스트로크를 106mm 범위로 조정할 수 있다.

여기서, 상기 Y축 프레임부의 구성을 첨부한 도 7을 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 Y축 프레임부(45)는 센서부(47)의 전후방향(Y축 방향) 위치를 조절하는 역할을 하는 것으로서, 볼트 모양의 핸들을 포함하고, 스케일(scale)을 부착하여 센서부 즉, 센서 하우징(72)의 위치를 전후방향(Y축 방향)으로 보다 정밀하게 제어하고자 한 것이다.

먼저, 상기 센서 높이 조절부(44)와 조립되는 제1베이스판(81)과, 상기 이동플레이트부(42)와 조립되는 제2베이스판(82)이 서로 마주보며 배치된다.

특히, 상기 제1 및 제2베이스판(81,82)은 마름모꼴을 이루는 총 4쌍의 링크(83,84,85,86)에 의하여 벌어짐 내지 오무림 가능하게 연결된다.

즉, 상기 총 4쌍의 링크(83,84,85,86)의 각 외측단은 제1 및 제2베이스판(81,82)에 힌지 체결되고, 각 내측단은 제1 및 제2스크류 가이드체(87,88)의 양측부에 힌지 체결되며, 상기 제1 및 제2스크류 가이드체(87,88)의 전후면에는 스크류 샤프트가 삽입 체결된다.

이때, 상기 스크류 샤프트의 일끝단에는 회전 조작을 위한 핸들(89)이 일체로 장착된다.

또한, 상기 제1 및 제2베이스판(81,82)의 각 내면에서 네 코너 위치가 안내바(90) 및 리니어 부시(91)에 의하여 연결된다.

여기서, 상기 센서 하우징부의 구성을 첨부한 도 8을 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

상기 센서 하우징부는 마그네토스트릭티브 센서(10)를 보호하기 위한 원통형의 센서 하우징(72)과, 이 센서 하우징의 하단에 조립되는 하우징 커버(74)와, 센서 슬리브(75)로 구성되며, 특히 상기 센서 하우징(72)에는 매질인 물을 물탱크(43)로 공급하기 위한 공급관 결합용 직경 4mm의 홀(76)이 형성된다.

또한, 상기 서포트 바(65)를 관통하여 센서 하우징(72)내까지 연장되는 센서 연결 케이블에 물이 접촉하지 않도록 센서 하우징(72)내에 몰딩처리된다.

여기서, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 용접품질 검사장치에 작동 관계를 설명하면 다음과 같다.

상기 센서부(47)에 공급된 매질인 물을 받아내기 위한 물탱크(43)내에 용접품질 검사를 위한 검사체(도 9에서 48로 지시됨)를 배열하고, 센서를 갖는 센서 하우징(72)를 상하 및 전후 이송시켜 검사체와 센서간의 간격을 조절한다.

일단, 센서부 이송에 필요한 동력이 액튜에이터부(46)의 구동으로 생성되면, 상기 X축 프레임부(41)를 따라 액튜에이터부(46)와 연계된 이동플레이트(42)가 좌우방향(X축 방향)을 따라 이송하게 되고, 상기 이동플레이트(42)와 조립된 Y축 프레임부(45) 및 이 Y축 프레임부(45)에 조립된 센서 높이 조절부(44)도 동시에 좌우방향으로 이동하게 되어, 센서 높이 조절부(44)의 서포트 바에 조립된 센서 하우징(72)내의 센서가 상기 검사체상에 인접되며 위치된다.

이때, 상기 센서 높이 조절부(44)의 핸들(67)을 회전 조작하는 동시에 핸 들(67)과 연결된 스크류바(68)가 회전을 하게 되면, 상기 메인 베이스판(61)을 비롯하여 상부 베이스판(62)과 하부 베이스판(63)과 중간플레이트(64), 그리고 서포트 바(65), 및 본 발명의 마그네틱 스트릭티브 센서(10)가 조립되는 센서 하우징(72) 등을 포함하는 센서부(47) 전체가 상하방향(Z방향)을 따라 승강 또는 하강을 하게 되어, 결국 상기 센서 하우징(72)의 센서와 상기 검사체(48)간의 높이가 정밀하게 조절된다.

또한, 상기 Y축 프레임부(45)의 핸들(89)을 회전 조작함과 함께 스크류 샤프트(92)가 제자리 회전함으로써, 상기 제1 및 제2스크류 가이드체(87,88)가 외측 또는 내측으로 이동을 하게 되고, 연이어 상기 제1 및 제2베이스판(81,82)과 상기 제1 및 제2스크류 가이드체(87,88)에 힌지 체결된 총 4쌍의 링크(83,84,85,86)가 전후진방향(Y축 방향)으로 벌어짐 또는 오무림 운동을 하는 동시에 상기 제1 및 제2베이스판(81,82)도 벌어짐 또는 오무림 운동을 하게 된다.

따라서, 상기 제1베이스판(81)과 조립된 상기 센서 높이 조절부(44)도 전후진 방향으로 이송을 하게 되어, 결국 상기 센서 높이 조절부(44)의 서포트 바(65)와 연결된 센서 하우징(72)의 센서와 상기 검사체간의 전후방향 위치 조절이 정밀하게 조절된다.

이와 같이, 검사체에 대한 센서 위치를 X축,Y축,Z축 방향으로 조절하면서 검사체와 센서간의 거리가 최적 검출이 가능한 수준으로 정밀 조절될 수 있다.

한편, 상기와 같은 용접품질 검사장치는 구동에 필요한 작업조건 제어를 위한 제어부를 포함하는 바, 상기 제어부는 센서부 이송에 필요한 동력을 전달한 액 튜에이터부(46)인 서보모터에 대한 구동 제어, 전류 및 전압 데이터 수치의 제어, 통신 및 설정값의 입출력값 제어를 수행하도록 서보모터 컨트롤러와, 용접품질 검사장치를 구동하는데 필요한 간접변수인 주행속도, 검사장치와의 센서간의 데이터 통신제어를 하는 서보모터 드라이브로 구성된다.

또한 본 발명에 따른 용접품질 검사장치는 인터페이스, 신호처리 및 위치제어를 PC를 통한 통합관리 시스템으로 운용될 수 있으며, 첨부한 도 10은 용접품질 검사장치를 원격으로 운용할 수 있는 통합관리 시스템에 대한 순서도이고, 도 11은 통합관리 시스템 운용을 위한 컴퓨터 모니터상의 프로그램 초기화면이다.

따라서, 도 10에 도시된 바와 같이 컴퓨터의 프로그램을 초기화한 후, 용접품질검사장치와의 통신에 의거, 센서의 위치와 방향정보 및 동작의 제어, 센서부로부터 수신된 신호의 크기 제어 및 센서로부터 수신된 신호의 정보를 출력 등을 조절할 수 있다.

즉, 컴퓨터에서 실행파일을 통한 시스템 실행 후, 검사전 센서부를 원점복귀 이송 및 정지, 소정 범위 내에서 임의의 위치로의 이송 등을 입력하여 현재 위치를 모니터링 하는 과정(도 12 참조), 센서부의 이송속도 및 신호데이터의 저장 시간간격을 설정하는 과정(도 13참조), 센서부의 신호에 대한 필터링 주파주 조절 과정(도 14 참조), 용접품질 검사가 이루어짐에 따른 센서의 신호정보 확인 과정(도 15 참조), 센서 신호의 모니터링 및 데이터의 저장 과정(도 16 참조) 등을 통하여 용접품질 검사장치를 원격에 의한 통합관리를 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마그네토스트릭티브 센서의 구조도,

도 2는 마그네토스트릭티브 센서와 연계되는 센서 송신부의 구성 및 동작 흐름을 나타내는 제어 흐름도,

도 3은 마그네토스트릭티브 센서와 연계되는 센서 수신부의 구성 및 동작 흐름을 나타내는 제어 흐름도,

도 4는 본 발명에 따른 용접품질 검사장치에 대한 개략적 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 용접품질 검사장치의 전체 외관을 나타내는 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 용접품질 검사장치의 센서 높이 조절부를 나타내는 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 용접품질 검사장치의 Y축 프레임부를 나타내는 분리 사시도,

도 8은 본 발명에 따른 용접품질 검사장치의 센서부 구성을 나타내는 사시도,

도 9는 본 발명에 따른 용접품질 검사장치의 전체 외관을 나타내는 사진,

도 10은 본 발명의 용접품질 검사장치를 원격으로 운용할 수 있는 통합관리 시스템에 대한 순서도,

도 11은 통합관리 시스템 운용을 위한 컴퓨터 모니터상의 프로그램 초기화면,

도 12 내지 도 16은 본 발명의 용접품질 검사장치에 대한 통합관리 시스템 운용을 하는 컴퓨터의 프로그램의 조작화면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 마그네토스트릭티브 센서 12 : 페라이트 코어

14 : 코일 20 : 센서 송신부

30 : 센서 수신부 22 : 고전압발생장치

24 : 사인파 발진부 26 : 초음파 송신부

28 : 파워 앰프 30 : 센서 수신부

31 : 고전압제거 회로부 32 : 1차 신호증폭부

33 : 필터 34 : 2차 신호증폭부

35 : A/D 변환기 36 : FIFO 메모리

37 : 컴퓨터 40 : 용접품질 검사장치

41 : X축 프레임부 42 : 이동플레이트부

43 : 물탱크 44 : 센서 높이 조절부

45 : Y축 프레임부 46 : 액튜에이터부

47 : 센서부 48 : 용접품질 검사체

61 : 메인 베이스판 62 : 상부 베이스판

63 : 하부 베이스판 64 : 중간플레이트

65 : 서포트 바 66 : 가이드바

67 : 핸들 68 : 스크류바

69 : 리니어 부시 70 : 볼베어링

72 : 센서 하우징 74 : 하우징 커버

75 : 센서 슬리브 76 : 홀

81 : 제1베이스판 82 : 제2베이스판

83,84,85,86 : 링크 87 : 제1스크류 가이드체

88 : 제2스크류 가이드체 89 : 핸들

90 : 안내바 91 : 리니어 부시

Claims

마그네토스트릭티브 센서에 있어서,

산화철 50%과 무기재료를 50% 정도 혼합해 프레스로 가압한 후 소결시킨 것으로서, 전기적 저항이 106~109Ω인 부도체적인 성격을 갖는 페라이트 코어(12)와;

상기 페라이트 코어(12)에 감기는 코일(14)과;

초음파를 탐촉자에 가해주기 위한 센서 송신부(20) 및 반사된 초음파신호를 증폭과 필터링을 거쳐 저장하는 동시에 저장된 신호를 처리하는 센서 수신부(30)로 구성되는 센서 송수신 모듈;

을 포함하여 구성하되,

상기 페라이트 코어(12)의 외경은 25mm, 내경은 12mm로 채택하고, 상기 코일은 임피던스값이 작은 0.1mm 직경의 구리선을 채택하여, 상기 코일의 권수비를 150턴(turn)으로 설정하면서 총 130 레이어(layer)가 되도록 제작된 것을 특징으로 하는 마그네토스트릭티브 센서.
청구항 1에 있어서,

상기 센서 송신부(20)는:

220V의 입력전원을 DC 600V로 변환하는 고전압발생장치(22)와;

10KHz~5MHz의 신호를 생성하는 사인파 발진부(24)와;

안정된 교류 ±5V의 sin파로 세팅하여 파형을 제어하는 초음파 송신부(26)와;

상기 초음파 송신부(26)로부터의 신호를 증폭시키는 동시에 증폭된 교류전압 신호를 출력하는 파워 앰프(28);

로 구성된 것을 특징으로 하는 마그네토스트릭티브 센서.
청구항 1에 있어서,

상기 센서 수신부(30)는:

측정재료에서 반사된 초음파 수신신호를 안정된 직류성분으로 나타내는 고전압제거 회로부(31)와;

상기 고전압제거 회로부(31)를 거쳐 들어오는 미약한 신호를 보다 안정된 직류성분으로 만들어주는 동시에 미약한 신호에 90~100dB정도로 신호를 충분히 증폭시키는 1차 신호증폭부(32)와;

상기 1차 신호증폭부(32)로부터의 신호에 불필요한 노이즈를 제거하는 필터(33)와;

필터링된 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환하는 A/D 변환기(35)와;

디지털 값으로 변환된 신호를 데이터로 저장하는 FIFO 메모리(36)와;

상기 데이터를 모니터링하기 위한 컴퓨터(37);

로 구성된 것을 특징으로 하는 마그네토스트릭티브 센서.
센서부(47)의 좌우방향 이송을 위한 구동수단인 액튜에이터부(46)를 지지하는 X축 프레임부(41)와;

상기 X축 프레임부(41)에 좌우 이송 가능하게 결합되어, 상기 액튜에이터의 동력을 받으면서 센서부(47)를 검사위치까지 좌우방향(X축 방향)으로 이송시켜주는 이동플레이트부(42)와;

상기 이동플레이트부(42)에 전후진 이동 가능하게 결합되어, 센서부(47)의 전후방향(Y축 방향) 위치를 조절하는 Y축 프레임부(45)와;

상기 Y축 프레임부(45)에 결합되어, 센서부(47)에 대한 상하방향(Z축 방향) 높이 조절을 하는 센서 높이 조절부(44);

상기 센서 높이 조절부(44)의 하단부에 조립되며, 마그네틱 스트릭티브 센서(10)가 내설된 센서 하우징(72)을 포함하는 센서부(47)와;

상기 센서부(47)와 원격으로 연결되는 제어부;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용접품질 검사장치.
청구항 4에 있어서,

상기 센서부(47)에 의한 용접품질 검사가 이루어지는 검사체가 놓이며, 매질인 물을 받아낼 수 있는 구조의 물탱크(43)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용 접품질 검사장치.
청구항 4에 있어서,

상기 센서 높이 조절부(44)는:

상부 베이스판(62)과, 중간플레이트(64)와, 하부 베이스판(63)이 차례로 고정되는 메인 베이스판(61)과;

상기 상부 베이스판(62)과 중간플레이트(64)와 하부 베이스판(63)의 각 상단부에 관통 체결되는 서포트 바(65)와;

상기 상부 베이스판(62)과 중간플레이트(64)와 하부 베이스판(63)의 각 하단부 양측 위치에 관통 체결되는 가이드바(66)와;

상기 상부 베이스판(62)과 중간플레이트(64)와 하부 베이스판(63)의 각 하단부 중앙 위치에 관통 체결되는 스크류바(68)와;

상기 스크류바(68)의 전단부에 볼베어링(70)을 매개로 장착된 핸들(67);

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 용접품질 검사장치.
청구항 6에 있어서,

상기 상부 베이스판(62)와 중간플레이트(64)와 하부 베이스판(63)의 서포트 바(65)가 관통되는 부분, 및 가이드바(66)가 관통되는 부분에는 리니어 부시(69)가 내설된 것을 특징으로 하는 용접품질 검사장치.
청구항 6에 있어서,

상기 서포트 바(65)의 하단부에는 마그네틱 스트릭티브 센서(10)가 내설된 센서 하우징(72)이 장착된 것을 특징으로 하는 용접품질 검사장치.
청구항 4에 있어서,

상기 Y축 프레임부(45)는:

상기 센서 높이 조절부(44)와 조립되는 제1베이스판(81)과;

상기 이동플레이트부(42)와 조립되는 제2베이스판(82)과;

외측단은 제1 및 제2베이스판(81,82)에 힌지 체결되고, 내측단은 제1 및 제2스크류 가이드체(87,88)의 양측부에 힌지 체결되는 링크(83,84,85,86);

상기 제1 및 제2스크류 가이드체(87,88)에 삽입 체결되는 스크류 샤프트와;

상기 스크류 샤프트의 일끝단에 회전 조작 가능하게 장착되는 핸들(89);

로 구성된 것을 특징으로 하는 용접품질 검사장치.
청구항 4 또는 청구항 8에 있어서,

상기 센서부(47)는 마그네틱 스트릭티브 센서(10)가 내설된 센서 하우징(72)과, 상기 센서 하우징의 하단에 조립되는 하우징 커버(74) 및 센서 슬리브(75)로 구성되고, 상기 센서 하우징에는 매질인 물의 공급관 결합을 위한 홀(76)이 형성된 것을 특징으로 하는 용접품질 검사장치.