KR101691820B1 - 관의 내부의 광학 측정 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 관(3)의 내부에서 레이저 빔(10)을 방출하는 센서 수단(9)을 포함하여, 압연을 통해 제조되는 이음매 없는 관, 또는 반쪽 쉘들로 성형되는 판금 플레이트로, 또는 성형된 판금 플레이트로, 또는 코일로부터 권출되는 금속 스트립으로 제조되어 길이방향 이음매로 용접된 관의 내부를 광학 측정하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 상기 방법 및 장치의 경우, 간단한 방식으로 스테이션에서 관(3)의 난형도 및 직진도가 정확하게 측정되어 모델링되게 하는, 이음매 없거나 길이방향 이음매로 용접된 관들의 내부 측정이 제공되어야 한다. 이를 위해, 센서 수단(9)은 관(3)을 통과하여 수평으로 이동되며, 그에 따라 이동 경로의 단부 상에 포지셔닝된 레이저 트래커(12)가 자신의 레이저 빔(13)으로 관(3)의 공간 내에서 센서 수단(9)의 각각의 위치를 추종하면서 직진도로부터 센서 수단(9)의 편차를 검출함으로써, 관(3)의 내부 윤곽(15)이 측정된다.

Description

관의 내부의 광학 측정 방법 및 그 장치{METHOD AND DEVICE FOR OPTICALLY MEASURING THE INTERIOR OF A PIPE}

본 발명은, 관의 내부에서 레이저 빔을 방출하는 센서 수단을 포함하여, 압연을 통해 제조되는 이음매 없는 관, 또는 반쪽 쉘들(half-shell)로 성형되는 판금 플레이트로, 또는 성형된 판금 플레이트로, 또는 코일로부터 권출되는 금속 스트립으로 제조되어 길이방향 이음매로 용접되는 관의 내부를 광학 측정하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

관의 직진도, 지름, 및 비원형도의 측정을 위해, 비접촉식 측정 장치들, 예컨대 외부에서부터, 정의된 이격 간격으로 이격되어 배치된 복수의 레이저(이 경우, 관의 길이에 걸쳐 분포되는 방식으로 10개 또는 그 이상의 레이저 센서가 이용된다)로 관을 측정하는 레이저 측정 시스템들을 이용하는 점은 공지되었다.

이를 위해 관은 회전 장치 상에서 선회되어야 한다. 직진도(straightness) 및 가능한 난형도(ovality)는 검출된 측정값들로부터 계산된다. 그에 따라, 많은 비용이 드는 복잡한 레이저 배터리들이 구성되어야 하거나 필요하다는 점을 제외하고도, 관 내부 윤곽과, 그리고 길이방향 이음매로 용접된 관의 경우에는 추가로 제공된 내부 용접 이음매가 전체 관 길이에 걸쳐 측정되어야 한다.

DE 10 2011 009 660 B4를 통해서는, 실질적으로 성형될 평판 제품(flat product)의 두께 및 그 재료 특성과 무관하게, 지속적인 검사와 종국에는 과정 자체의 자동화도 가능하게 하는, 평판 제품을 슬롯 관 또는 관 반제품으로 성형하기 위한 장치 및 그 방법이 제공된다.

이 경우, 광원 및 하나 이상의 수신기는, 적어도 하나의 내부 성형 금형과 연결되어, 슬롯 관 또는 관 반제품의 내부 윤곽의 측정을 위해 이용된다. 이 경우, 바람직하게는 레이저원 및 레이저 검출기가 이용된다.

따라서 정확하게 작동하는 수단들로 슬롯 관 횡단면의 내부 윤곽의 최종적인 검사에 이르기까지 각각의 성형 단계들의 정밀 검사를 허용하는 장치가 제공된다. 그 다음, 검출된 측정 결과들에 따라서, 각각의 국소적 단계별 성형 또는 전체 성형 공정이 바람직하게는 온라인으로, 그리고 자동화 방식으로 즉시 검사될 수 있으며, 경우에 따라 가공 기계의 설정 매개변수들의 재조정이 수행될 수 있다.

이런 레이저 지원 내부 측정에 의해, 단계별 성형 과정이 모니터링될 수 있으며, 다시 말하면 슬롯 관의 내면이 관 길이에 걸쳐 정해진 위치에서 측정될 수 있지만, 그러나 이는 평판 제품의 반경 방향 성형을 통해 슬롯 관이 제조되는 내부 금형을 포함하는 관 성형 프레스에서만 수행될 수 있다.

블룸(bloom)이 맨드릴 및/또는 평판 압연 다이를 통해 압연되는 조건에서 이음매 없는 관을 제조하는 경우, 또는 예컨대 판금 플레이트로 성형된 2개의 반쪽 쉘이 상호 간에 용접되면서 길이방향 이음매로 용접되는 관을 제조하는 경우, 공지된 레이저 지원 내부 측정은 이용될 수 없다.

왜냐하면, 한편으로 압연 공정 동안 제공되지 않는 자유 공간과 자연히 매우 높은 온도로 인해 지속적인 내부 측정이 불가능하기 때문이다. 다른 한편으로는 두 반쪽 쉘을 서로 맞대고 이어서 서로 용접할 때 내부 성형 금형은 이용되지 않는다.

그러므로 본 발명의 과제는, 이음매가 없거나 길이방향 이음매로 용접되는 관들의 내부 측정을 위한 최초에 언급한 유형의 방법 및 장치에 있어서, 간단한 방식으로 스테이션에서 관의 난형도 및 직진도가 정확하게 측정되어 모델링되게 하는 상기 방법 및 상기 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 과제는, 방법과 관련하여, 본 발명에 따라서, 센서 수단이 관을 통과하여 수평으로 이동되며, 그에 따라 이동 경로의 단부에 포지셔닝된 레이저 트래커(laser tracker)가 자신의 레이저 빔으로 관의 공간 내에서 센서 수단의 각각의 위치를 추종하면서 직진도로부터 센서 수단의 편차를 검출함으로써 관의 내부 윤곽이 측정되는 것을 통해 해결된다.

센서 수단, 바람직하게는 자기 축(own axis)을 중심으로 지속적으로 선회하거나 회전하는 센서 헤드는 레이저원과 레이저 검출기를 포함하며, 이 레이저원 및 레이저 검출기를 통해 관의 내부에서 센서 수단이 수평으로 전진 또는 후진 이동할 때 내부 윤곽이 단계별로 또는 연속해서도 검출되고, 그에 따라 관의 진원도 또는 난형도가 측정되며, 관 내부 윤곽은 삼각법(triangulation method) 또는 이동 시간법(transit time method)에 의해 검출될 수 있다.

레이저원 및 레이저 검출기를 장착한 센서 수단이 관을 통과하여 이동되면, 레이저 트래커의 레이저 빔은 자동으로 센서 수단의 각각의 실제 위치를 추종하고, 그에 반해 레이저 트래커의 배향은 회전 인코더들에 의해 2개의 각도에서 측정된다. 레이저 트래커는 항상 공간 내에서 센서 수단의 정확한 X-, Y-, Z-위치를 검출하여, 센서 수단의 중심이 어디에 위치하는지를 파악한다.

센서 수단까지 내부 벽부의 이격 간격이 변동되면, 예컨대 관의 원주와 관련된 난형도가 존재하거나, 또는 관 자신의 종축과 관련된 관의 곡률 내지 굴곡이 존재하거나, 또는 센서 수단이 자신의 이상적인 경로에서 이탈된다면, 상기 이격 간격 변화율은, 레이저 거리 측정과의 조합을 통해 레이저 트래커의 고정 위치와 관련된 센서 수단의 위치를 정확하게 검출하는 레이저 수단에 의해 측정된다.

따라서 측정 스테이션에서 관의 완벽한 3D 측정은 특히 대형 관의 전체 횡단면 및 길이방향 형태의 검출을 통해 달성된다.

앞서 기술한 방법에 의해, 관의 내부 기하구조의 정밀한 측정에 추가로, 바람직하게는 길이방향 이음매로 용접된 관의 내부 용접 이음매의 윤곽, 그리고 특히 그의 완전한 연속성도 검사될 수 있다.

본 발명의 기초가 되는 과제는, 센서 수단이 관을 통과하여 이동하는 이송 수단 상에 배치되고, 이송 수단의 인입 측에 대향하여 위치하는 관 단부면 상에는 레이저 트래커가 제공되며, 이 레이저 트래커의 레이저 빔은 센서 수단 상에 제공되는 반사판에 의해 그에 상응하게 왕복 반사되는 것을 특징으로 하는 장치에 의해 해결된다.

예컨대 캐리지 또는 슬라이드로서 형성되는 이송 수단은 바람직하게는 유압/공압으로 가압되는 실린더 또는 모터에 의해 작동될 수 있는 푸시 수단으로서의 푸시 로드를 통해 수평으로 측정할 관 안쪽으로 이동되며, 관은 관 지름에 대해 상보적인 베어링 블록들 상에 위치 고정 방식으로 안착된다. 센서 수단으로서는 본 발명에 따라 회전형 센서 헤드가 바람직하며, 선택에 따라 복수의 레이저 광 센서(laser light sensor)도 바람직하다.

센서 헤드를 장착한 이송 수단의 선형 전진 이송 이동 동안, 레이저원 및 레이저 검출기를 구비하여 형성된 센서 헤드는 자신의 자기 축을 중심으로 지속적으로 회전하며, 레이저원에 의해 방출된 레이저 빔들은 연속해서 관의 전체 내부 횡단면과 경우에 따른 존재하는 용접 이음매를 스쳐 지나간다. 레이저 빔은 계속해서 반사판의 위치를 추종한다. 따라서 관의 내부에서 센서 헤드의 좌표 위치 측정이 수행되며, 그럼으로써 한편으로 센서 헤드까지 내부 윤곽의 변동되는 이격 간격, 및 다른 한편으로는 이송 수단을 통해 수평 방향으로 전진 및 후진 이동되는 센서 헤드 내지 센서 수단과 레이저 트래커 사이의 변동되는 위치가 측정된다.

관의 내부 윤곽 및/또는 용접 이음매로부터 후방 산란되는 레이저 빔들의 검출 및 평가는 수신기를 통해, 그리고 바람직하게는 변환 유닛에 의해 수행되며, 그럼으로써 내부 윤곽이 모델링된다.

센서 수단을 이용한 레이저 측정과 레이저 트래커를 이용한 좌표 위치 측정의 조합을 통해 모니터 화면 상에 표시되는 관 내부 윤곽의 3D 측정이 달성된다.

본 발명의 추가 특징들 및 상세 내용들은, 특허청구범위에서, 그리고 단일의 도면에 개략적으로 도시된 본 발명의 실시예의 하기 기술 내용에서 제시된다.

도 1은 생산 라인의 하류에 연결되어 이음매 없이 압연되거나 길이방향 이음매로 용접된 관들의 내부를 측정하기 위한 측정 스테이션(1)이다.

측정 스테이션(1)은 2개의 베어링 블록(2)을 포함하며, 이들 베어링 블록의 수용부들은 그 위에 견고하게 안착되어 측정될 관(3)의 외경에 매칭된다.

관(3)의 우측 단부면(4) 상에는, 모터(6)에 의해 구동되는 푸시 로드(7)를 통해 수평 방향으로 이동될 수 있는 이송 캐리지(5)가 위치된다. 이송 캐리지(5) 상에는, 여기서는 자기 축을 중심으로 회전하는 센서 헤드(9)를 포함하는 레이저 측정 장치(8)가 배치된다. 회전형 센서 헤드(9)는 바람직하게는 레이저 광점 내지 레이저 광빔(10)을 방출하는 레이저 다이오드로 작동한다. 또한, 센서 헤드(9) 내에는 여기서는 미도시된 수신기가 통합되어 있다.

관(3)의 좌측 단부면(11) 상에는 높이 조정이 가능한 레이저 트래커(12)가 고정 배치되며, 이 레이저 트래커는 추종 간섭계(tracking interferometer)를 통해 레이저 빔(13)을 방출하며, 이 레이저 빔은, 화살표(16)를 통해 지시되는 것처럼, 센서 헤드(9) 상에 배치된 반사판(14)으로부터 다시 레이저 트래커(12) 쪽으로 반사된다.

관(3)의 내부 윤곽(15)의 비접촉식 광학 측정을 위해, 레이저 측정 장치(8)를 장착한 이송 캐리지(5)는 모터(6)에 의해 구동되는 푸시 로드(7)를 통해 수평 방향으로 관(3)의 안쪽으로 이동된다. 이에 수반되어, 센서 헤드(9)는 자신의 자기 축을 중심으로 회전하며, 레이저 다이오드로부터 방출된 레이저 광빔(10)은 연속해서, 또는 단계별로, 예컨대 길이방향 이음매로 용접된 관의 내부 용접 이음매의 스캐닝을 위해, 내부 윤곽(15)을 스쳐 지나간다. 내부 벽부로부터, 그에 따라 내부 윤곽(15)으로부터 반사된 레이저 광점 또는 레이저 광빔(10)은 센서 헤드(9) 내의 위치 검출기에 의해 수신되고 측정된다.

그 다음, 수신되고 측정된 레이저 광점 내지 레이저 광빔(10)은, 예컨대 광학 이미지 수집 유닛 상에서 모델링되며, 그럼으로써 관(3)의 내부 윤곽(15)의 표시가 가능해진다.

회전형 센서 헤드(9)의 연속적인 추종을 위해, 그리고 관(3)의 내부에서 센서 헤드의 좌표 위치 측정을 위해, 센서 헤드(9)에 대해 고정 위치에서 선형으로 대향하여 위치하는 레이저 트래커(12)가 제공되고, 이 레이저 트래커의 레이저 빔(13)은 센서 헤드(9)의 반사판(14)을 추종하며, 그럼으로써 직진도로부터 센서 헤드(9)의 편차가 검출된다.

센서 헤드(9)의 연속적인 목표 추종(target tracking), 그리고 레이저 트래커(12)에 상대적으로 연속되는 센서 헤드(9)의 이격 거리의 검출을 통해, 광학 이미지 수집 유닛 상에서 관(3)의 3차원 측정 및 표시가 가능해질 수 있으며, 이는 관(3)의 직진도 내지 곡률 및 진원도 내지 난형도에 대한 정보를 제공한다.

1 측정 스테이션
2 베어링 블록
3 관
4 우측 단부면
5 이송 수단 / 이송 캐리지, 또는 그와 같은 운송수단
6 모터
7 푸시 수단 / 푸시 로드
8 레이저 측정 장치
9 센서 수단 / 센서 헤드
10 레이저 광빔
11 좌측 단부면
12 레이저 트래커
13 레이저 빔
14 반사판
15 내부 윤곽
16 화살표

Claims (5)

1. 관(3)의 내부에서 레이저 빔(10)을 방출하는 센서 수단(9) 및 레이저 트래커(12)를 포함하여, 압연을 통해 제조되는 이음매 없는 관, 또는 반쪽 쉘들로 성형되는 판금 플레이트로, 또는 성형된 판금 플레이트로, 또는 코일로부터 권출되는 금속 스트립으로 제조되어 길이방향 이음매로 용접된 관의 내부를 광학 측정하기 위한 방법이며, 센서 수단(9)은 관(3)을 통과하여 수평으로 이동되는, 상기 방법에 있어서,
   이동 경로의 단부 상에, 고정 위치에서 상기 센서 수단(9)에 선형으로 대향하여 위치하는 방식으로 제공되는 레이저 트래커(12)가 자신의 레이저 빔(13)으로 상기 관(3)의 공간 내에서 상기 센서 수단(9)의 각각의 위치를 추종하면서 직진도로부터 상기 센서 수단(9)의 편차를 검출함으로써 상기 관(3)의 내부 윤곽(15)이 측정되며, 상기 레이저 빔(13)은 센서 수단(9) 상에 배치된 반사판(14)으로부터 다시 레이저 트래커(12) 쪽으로 반사되는 것을 특징으로 하는 관의 내부의 광학 측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 관(3)이 길이방향 이음매로 용접된 경우, 상기 이동 가능한 센서 수단(9)에 의해, 동시에 내부 용접 이음매의 윤곽도 측정되는 것을 특징으로 하는 관의 내부의 광학 측정 방법.
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