KR101995418B1

KR101995418B1 - 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템

Info

Publication number: KR101995418B1
Application number: KR1020180154412A
Authority: KR
Inventors: 조재동; 임정식; 서종덕
Original assignee: 주식회사 신영
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2019-07-02

Abstract

본 발명은 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템에 관한 것이다. 시스템 제어기는 로봇 암의 동작을 제어해서 로봇 암을 검사 위치로 이동시킨 상태로 카메라로부터 용접부 위치를 검출하고, 커플런트 토출기를 제어해서 용접부로 커플런트를 토출하며, 하중 센서로부터 측정된 정보를 기초로 로봇 암의 동작을 제어해서 초음파 탐촉자를 용접부에 목표 하중으로 가압한 상태로 용접부 상태를 측정한다. 용접 품질 평가장치는 초음파 탐촉자로부터 측정된 용접부 상태 데이터를 시스템 제어기를 통해 제공받아 평가 기준 데이터와 비교하여 용접부의 용접 품질을 평가하고 평가 결과를 표시한다.

Description

용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템{Automatic system for nondestructive inspection of weld zone}

본 발명은 저항용접 또는 마찰교반점접합(FSSW; Friction Stir Spot Welding) 등에 의해 생성된 용접부를 비파괴 검사하는 기술과 관련된다.

차체 부품의 용접 품질을 평가하는 방법에는, 용접부 사이에 정을 넣어 망치로 치는 방식의 드라이버 체크 등과 같은 물리적인 파괴 검사와, 초음파 신호를 조사하여 반향되는 파형을 분석하는 비파괴 검사가 있다. 파괴 검사는 전수 검사가 어려우며, 검사 후 부품의 재활용이 어려워 제조사의 부담으로 작용되고 있다.

비파괴 검사는 기존 파괴 검사 대비, 검사 시간의 단축 및 비용 절감 등의 장점이 있으나, 현장에서 이루어지는 인력에 의존하여 검사하는 것이 일반적이기 때문에, 측정 자세 및 가압력 등 측정자의 재량에 따라 편차가 발생하는 문제점이 있다. 이로 인해, 측정 데이터의 신뢰성을 확보하기 어려운 점이 있다.

공개특허공보 제10-2007-0044647호(2007.04.30. 공개)

본 발명의 과제는 용접부의 용접 상태에 대한 측정 및 평가를 자동화하여 편의성을 증대시킬 뿐 아니라, 측정 및 평가 데이터의 신뢰성을 확보할 수 있는 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템을 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템은 로봇과, 카메라와, 커플런트 토출기와, 초음파 탐촉자와, 하중 센서와, 시스템 제어기, 및 용접 품질 평가장치를 포함한다. 로봇은 다자유도로 동작 가능한 로봇 암을 구비한다. 카메라는 로봇 암의 동작에 따라 검사 위치로 이동하여 측정대상의 용접부 위치를 검출한다. 커플런트 토출기는 카메라에 의해 위치 검출된 용접부로 커플런트를 토출한다. 초음파 탐촉자는 커플런트 토출기에 의해 커플런트가 토출된 용접부에 로봇 암의 동작에 따라 접촉된 상태로 초음파를 조사하여 용접부 상태를 비파괴적으로 측정한다. 하중 센서는 용접부에 가압되는 초음파 탐촉자의 하중을 측정한다. 시스템 제어기는 로봇 암의 동작을 제어해서 로봇 암을 검사 위치로 이동시킨 상태로 카메라로부터 용접부 위치를 검출하고, 커플런트 토출기를 제어해서 용접부로 커플런트를 토출하며, 하중 센서로부터 측정된 정보를 기초로 로봇 암의 동작을 제어해서 초음파 탐촉자를 용접부에 목표 하중으로 가압한 상태로 용접부 상태를 측정한다. 용접 품질 평가장치는 초음파 탐촉자로부터 측정된 용접부 상태 데이터를 시스템 제어기를 통해 제공받아 평가 기준 데이터와 비교하여 용접부의 용접 품질을 평가하고 평가 결과를 표시한다.

본 발명에 따르면, 초음파 탐촉자가 용접부마다 일정 하중으로 가압한 상태로 용접부의 용접 상태를 측정해서 평가할 수 있으므로, 초음파 탐촉자의 가압 조건을 일반화할 수 있고, 재현성을 확립할 수 있다. 따라서, 용접부의 용접 상태에 대한 측정 및 평가가 자동화되어 편의성이 증대될 뿐 아니라, 측정 및 평가 데이터의 신뢰성이 확보될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템에 의하면, 비숙련된 사용자에 의해서도 용접 상태를 측정해서 평가할 수 있으므로, 사용자를 훈련시키기 위한 교육 비용 및 시간을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템에 대한 구성도이다.
도 2는 카메라와 커플런트 토출기와 초음파 탐촉자 및 하중 센서가 장착대를 매개로 로봇에 장착된 상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 있어서, 장착대 쪽을 발췌하여 도시한 사시도이다.
도 4는 용접부에 커플런트가 토출된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 용접 품질 평가장치에 대한 구성도이다.
도 6은 기계학습 기반 특징 추출 및 용접 품질 판별을 위한 신경망을 도시한 참조도이다.
도 7은 용접 품질 평가장치의 프로세서에 대한 세부 구성도이다.
도 8은 용접 품질 평가장치에서 평가 결과를 보여주는 화면을 나타낸 도면이다.

본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템에 대한 구성도이다. 도 2는 카메라와 커플런트 토출기와 초음파 탐촉자 및 하중 센서가 장착대를 매개로 로봇에 장착된 상태를 도시한 사시도이다. 도 3은 도 2에 있어서, 장착대 쪽을 발췌하여 도시한 사시도이다. 도 4는 용접부에 커플런트가 토출된 상태를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템(100)은 로봇(110)과, 카메라(120)와, 커플런트 토출기(130)와, 초음파 탐촉자(140)와, 하중 센서(150)와, 시스템 제어기(160), 및 용접 품질 평가장치(170)를 포함한다.

로봇(110)은 다자유도로 동작 가능한 로봇 암(111)을 구한다. 로봇 암(111)은 측정대상(10)의 검사 위치로 카메라(120)를 이동시키고 커플런트 토출기(130)를 용접부(11, 도 4 참조)에 위치시키며 초음파 탐촉자(140)를 측정대상(10)의 용접부(11)에 위치시켜 가압하는 일련의 동작을 취하도록 다관절로 구성될 수 있다. 여기서, 측정대상(10)은 차체부품 등에 해당하며, 용접부(11)는 저항용접 또는 마찰교반점접합 등에 의해 생성된 용접부에 해당할 수 있다. 측정대상(10)은 복수의 용접부들을 가질 수 있다. 로봇(110)은 로봇 암(111)을 용접부(11)들의 각 검사 위치로 순차적으로 이동시키도록 시스템 제어기(160)를 통해 교시(teaching)를 받을 수 있다.

로봇 암(111)은 말단에 장착대(101)를 매개로 카메라(120)와 커플런트 토출기(130)와 초음파 탐촉자(140) 및 하중 센서(150)를 장착할 수 있다. 장착대(101)는 장착 블록(102)과, 제1 장착판(103)과, 제2 장착판(104), 및 제3 장착판(105)을 포함할 수 있다. 장착 블록(102)은 로봇 암(111)의 말단에 장착된다. 장착 블록(102)은 로봇 암(111)의 말단에 착탈 가능하도록 볼팅 결합될 수 있다.

제1 장착판(103)은 상단이 장착 블록(102)의 하단 가장자리에 고정된다. 제2 장착판(104)은 제1 장착판(103)의 한쪽 옆에 직각을 이루게 연결된 상태로 상단이 장착 블록(102)의 하단 가장자리에 고정된다. 제3 장착판(105)은 제1 장착판(103)의 다른쪽 옆에 직각을 이루게 연결된 상태로 상단이 장착 블록(102)의 하단 가장자리에 고정된다. 즉, 제1,2,3 장착판(103, 104, 105)은 수평면 상에 'ㄷ'자 형태로 배열되어 가장자리끼리 연결되며, 각 상단이 장착 블록(102)의 하단 가장자리에 고정될 수 있다.

제1 장착판(103)은 제2,3 장착판(104, 105)과의 사이에 한정된 공간에 카메라(120)를 수용하며, 안쪽 면에 카메라(120)를 장착한다. 카메라(120)는 촬상 부위 중심이 로봇 암(111)의 말단 중심에 일치하도록 배치되어 제1 장착판(103)에 지지될 수 있다. 제2 장착판(104)은 바깥쪽 면에 커플런트 토출기(130)를 장착한다. 커플런트 토출기(130)는 노즐(133)의 분사구가 하측을 향하도록 배치되어 제2 장착판(104)에 지지될 수 있다.

제3 장착판(105)은 바깥쪽 면에 초음파 탐촉자(140)와 하중 센서(150)를 장착한다. 초음파 탐촉자(140)와 하중 센서(150)는 각 측정 부위가 하측을 향하도록 배치되어 제3 장착판(105)에 지지될 수 있다. 초음파 탐촉자(140)와 하중 센서(150)는 높이 조절기구(106)에 의해 제3 장착판(105)에 대해 높이 조절될 수 있다.

높이 조절기구(106)는 초음파 탐촉자(140)와 하중 센서(150)를 함께 고정한 상태로 승강 동작하는 승강 블록(106a)과, 승강 블록(106a)의 승강을 안내하도록 제3 장착판(105)에 고정된 승강 가이드(106b)를 포함할 수 있다.

승강 가이드(106b)는 승강 블록(106a)에 고정된 슬라이더와, 슬라이더를 끼워서 슬라이더의 승강을 안내하도록 제3 장착판(105)에 고정된 레일을 포함할 수 있다. 승강 블록(106a)은 고정부재에 의해 승강 가이드(106b)에 대해 고정되거나 해제될 수 있다. 고정부재는 레일에 나사 결합되어 슬라이더를 가압하거나 해제함에 따라 승강 블록(106a)을 승강 가이드(106b)에 고정하거나 해제할 수 있다.

제3 장착판(105)은 함체(107)를 장착할 수 있다. 함체(107)는 탐촉자 제어기(164)와 센서 드라이버(165)를 수용해서 장착한다. 함체(107)는 초음파 탐촉자(140)보다 상측에 배치되어 제3 장착판(105)에 장착될 수 있다.

로봇(110)은 용접부 검사를 전용으로 수행하는 로봇으로 이루어질 수 있다. 다른 예로, 로봇(110)은 용접과 용접부 검사를 공용으로 수행하는 로봇으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 장착대(101)는 로봇 암(111)의 말단에 착탈 가능하게 구성될 수 있으며, 로봇(110)에 교시된 용접 위치가 용접부(11)의 검사 위치로 사용될 수 있다.

카메라(120)는 로봇 암(111)의 동작에 따라 검사 위치로 이동하여 측정대상(10)의 용접부(11) 위치를 검출한다. 카메라(120)는 장착대(101)를 매개로 로봇 암(111)의 말단에 장착되어 로봇 암(111)과 함께 검사 위치로 이동할 수 있다. 카메라(120)는 검사 위치에서 용접부(11)를 촬상해서 시스템 제어기(160)로 제공할 수 있다. 그러면, 시스템 제어기(160)는 카메라(120)에 의해 획득된 이미지로부터 용접부(11)의 패턴을 분석해서 용접부(11)의 위치 정보를 추출한 후, 이를 기초로 커플런트 토출기(130)와 초음파 탐촉자(140)를 용접부(11)에 위치시키도록 로봇 암(111)을 동작시킬 수 있다.

구체적으로, 카메라(120)는 측정대상(10)의 검사 전에 용접부(11)들을 촬상해서 시스템 제어기(160)로 제공할 수 있다. 로봇(110)이 로봇 암(111)을 용접부(11)들의 각 검사 위치로 이동시키도록 교시를 받는 과정에서, 카메라(120)는 용접부(11)들에 각각 위치해서 용접부(11)들에 대해 촬상할 수 있다. 그러면, 시스템 제어기(160)는 측정대상(10)의 검사 전에 카메라(120)에 의해 획득된 이미지를 분석해서 용접부(11)의 위치를 미리 기록할 수 있다.

이 상태에서, 카메라(120)는 측정대상(10)의 검사시 미리 기록된 용접부(11)의 위치로 이동한 후 용접부(11)를 촬상해서 시스템 제어기(160)로 제공할 수 있다. 그러면, 시스템 제어기(160)는 측정대상(10)의 검사시 카메라(120)에 의해 획득된 이미지를 분석해서 용접부(11)의 위치를 추출하며, 추출된 용접부(11)의 위치를 미리 기록된 용접부(11)의 위치와 비교하여 오차 데이터를 산출한다. 그리고, 시스템 제어기(160)는 오차 데이터를 기초로 커플런트 토출기(130)와 초음파 탐촉자(140)를 용접부(11)에 정확히 위치시키도록 로봇 암(111)을 동작시킬 수 있다.

카메라(120)는 촬상시 용접부(11)들의 일정 명암을 유지하기 위하여 인공 광원을 포함할 수 있다. 시스템 제어기(160)는 저항용접에 의한 용접부(11)인지 혹은 마찰교반점접합에 의한 용접부(11)인지 인식하는 알고리즘을 포함할 수 있다.

커플런트 토출기(130)는 카메라(120)에 의해 위치 검출된 용접부(11)로 커플런트(C)를 토출한다. 커플런트(131)는 초음파의 전달 효율을 향상시키기 위해 초음파 탐촉자(140)와 용접부(11) 사이에 도출되는 접촉 매질이다. 커플런트(C)는 글리세린을 주성분으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 성분으로 이루어질 수 있다.

커플런트 토출기(130)는 장착대(101)를 매개로 로봇 암(111)의 말단에 장착되어, 로봇 암(111)의 동작에 따라 용접부(11)의 위치로 이동할 수 있다. 커플런트 토출기(130)는 저장용기(131)와, 밸브(132), 및 노즐(133)을 포함하여 구성될 수 있다. 저장용기(131)는 내부에 커플런트(C)를 저장하며, 내부의 커플런트(C)를 토출하는 토출구를 갖는다. 저장용기(131)는 토출구가 폐쇄된 상태에서 내부에 공압이 가해져 일정 압력이 유지됨으로써, 토출구의 개방시 저장용기(131) 내의 커플런트(C)가 토출될 수 있다.

밸브(132)는 토출구에 장착된다. 밸브(132)는 시스템 제어기(160)에 의해 토출구를 개폐하도록 제어된다. 밸브(132)는 저장용기(131)의 토출구를 폐쇄한 상태에서 개방시킴에 따라 저장용기(131) 내의 커플런트(C)가 토출될 수 있게 한다. 밸브(132)는 개방 시간에 따라 커플런트(C)의 토출량을 조절할 수 있다. 따라서, 사용자가 시스템 제어기(160)를 통해 커플런트(C)의 토출량을 설정 값으로 미리 입력해 두면, 밸브(132)는 커플런트(C)의 토출량에 상응하는 개방 시간으로 토출구를 개방시킴으로써, 커플런트(C)를 설정 값으로 토출할 수 있다. 노즐(133)은 토출구에 장착된다. 노즐(133)은 토출구를 통해 토출되는 커플런트(C)를 용접부(11)로 분사시킨다.

초음파 탐촉자(140)는 커플런트 토출기(130)에 의해 커플런트(C)가 토출된 용접부(11)에 로봇 암(111)의 동작에 따라 접촉된 상태로 초음파를 조사하여 용접부(11) 상태를 비파괴적으로 측정한다. 초음파 탐촉자(140)는 장착대(101)를 매개로 로봇 암(111)의 말단에 장착되어, 로봇 암(111)의 동작에 따라 용접부(11)에 목표 하중으로 가압된 상태로 접촉할 수 있다.

초음파 탐촉자(140)는 용접부(11)에 접촉된 상태로 용접부(11)의 내부 조직에 초음파를 송신한 후, 음향 임피던스(acoustic impedance)가 다른 조직 경계로부터 반사된 초음파 신호를 수신하여, 용접부(11)의 내부 조직에 대해 영상 정보를 획득할 수 있다. 따라서, 초음파 탐촉자(140)는 용접부(11)의 내부 조직에 대한 영상화를 통해 용접 상태를 비파괴적으로 측정할 수 있다.

초음파 탐촉자(140)는 52 채널 이상의 프로브를 포함할 수 있다. 이를 위해, 프로브는 다수의 엘리먼트들을 갖는 어레이 엘리먼트로 구성될 수 있다. 엘리먼트들은 각각 독립적으로 구동신호가 인가되면 초음파를 발생할 수 있고 각각의 엘리먼트 별로 초음파를 수신할 수 있다. 구체적으로, 각 엘리먼트가 전기적으로 자극되면 전기신호가 초음파로 변환되어 용접부(11)로 송신되고, 용접부에 송신된 초음파는 용접부(11)의 경계에서 반사되며, 경계로부터 각 엘리먼트에 수신되는 초음파는 수신신호인 전기적 신호로 변환된다. 초음파 탐촉자(140)는 측정대상(10)인 차체부품의 두께 측정에 용이하도록 15㎒의 주파수 대역을 이용할 수 있다.

초음파 탐촉자(140)는 시스템 제어기(160)와 유선으로 통신하거나, 무선으로 통신할 수 있다. 초음파 탐촉자(140)와 시스템 제어기(160) 간의 무선 통신은 Wi-Fi, LTE, Bluetooth, NFC 등 다양한 형태가 가능하다. 초음파 탐촉자(140)가 시스템 제어기(160)와 무선으로 통신하는 경우, 초음파 탐촉자(140)는 배터리를 장착해서 배터리로부터 전원을 공급받을 수 있다.

시스템 제어기(160)는 프로브를 구동하기 위한 신호를 발생하는 송신 구동부와, 용접부(11)로부터 반사되는 에코 초음파를 수신하는 수신부를 포함할 수 있다. 시스템 제어기(160)는 수신부로부터 수신된 신호를 용접 품질 평가장치(170)로 전달한다. 이때, 전달하는 신호는 매우 미세하기 때문에 증폭 회로를 통해 증폭시킨 후, 용접 품질 평가장치(170)로 전달할 수 있다.

또한, 시스템 제어기(160)는 타이밍 회로(Timing Logic Circuits)를 포함하여, 송신 및 수신의 일련의 과정을 동기화시켜 용접부(11) 내의 초음파 진행 시간을 정확히 산출할 수 있다. 즉, 측정된 시간과 메모리에 저장되어 있는 용접부(11)의 음속 값 및 초기 펄스 지연 값을 이용하여 에코 초음파의 전달시간 측정을 수행할 수 있다.

하중 센서(150)는 용접부(11)에 가압되는 초음파 탐촉자(140)의 하중을 측정한다. 하중 센서(150)는 초음파 탐촉자(140)의 한쪽 옆에 배치되어 장착대(101)에 장착될 수 있다. 하중 센서(150)는 로드 셀 등과 같이 하중을 측정하기 위한 다양한 센서로 구성될 수 있다.

하중 센서(150)는 측정된 하중 정보를 시스템 제어기(160)에 제공할 수 있다. 하중 센서(150)는 시스템 제어기(160)에 유선 등으로 연결될 수 있다. 시스템 제어기(160)는 하중 센서(150)로부터 제공된 하중을 기초로 초음파 탐촉자(140)가 용접부(11)를 목표 하중으로 가압한다고 판단되면, 로봇 암(111)의 이동을 종료시킨다. 그리고, 시스템 제어기(160)는 초음파 탐촉자(140)가 용접부(11)를 목표 하중으로 가압한 상태로 미리 설정된 가압 유지시간 동안 유지시킬 수 있다.

시스템 제어기(160)는 로봇 암(111)의 동작을 제어해서 로봇 암(111)을 검사 위치로 이동시킨 상태로 카메라(120)로부터 용접부(11) 위치를 검출하고, 커플런트 토출기(130)를 제어해서 용접부(11)로 커플런트(C)를 토출하며, 하중 센서(150)로부터 측정된 정보를 기초로 로봇 암(111)의 동작을 제어해서 초음파 탐촉자(140)를 용접부(11)에 목표 하중으로 가압한 상태로 용접부(11) 상태를 측정한다.

예컨대, 시스템 제어기(160)는 로봇 제어기(161)와, 카메라 제어기(162)와, 토출 제어기(163)와, 탐촉자 제어기(164)와, 센서 드라이버(165), 및 통합 제어기(166)를 포함할 수 있다.

로봇 제어기(161)는 로봇 암(111)의 동작을 제어한다. 로봇 제어기(161)는 측정대상(10)의 용접부(11) 위치 데이터 또는 사용자의 명령을 입력 받아 로봇 암(111)을 용접부(11)들의 각 검사 위치로 순차적으로 이동시키도록 로봇(110)을 교시할 수 있다. 또한, 로봇 제어기(161)는 통합 제어기(166)를 통해 로봇 암(111)을 제어해서, 측정대상(10)의 검사 위치로 카메라(120)를 이동시키고 커플런트 토출기(130)를 용접부(11)에 위치시키며 초음파 탐촉자(140)를 용접부(11)에 위치시켜 가압시킨다.

카메라 제어기(162)는 카메라(120)를 제어해서 카메라(120)에 의해 획득된 이미지를 처리해서 용접부(11) 위치를 검출한 후 통합 제어기(166)로 제공한다. 카메라 제어기(162)는 카메라(120)에 의해 획득된 이미지를 분석해서 용접부(11)의 위치를 추출하며, 추출된 용접부(11)의 위치를 미리 기록된 용접부(11)의 위치와 비교하여 오차 데이터를 산출한 후 통합 제어기(166)로 제공한다. 그러면, 통합 제어기(166)는 오차 데이터를 기초로 로봇 제어기(161)를 통해 로봇 암(111)을 동작시켜 초음파 탐촉자(140)를 용접부(11)에 정확히 위치시킨다.

토출 제어기(163)는 통합 제어기(166)를 통해 커플런트 토출기(130)를 제어해서, 용접부(11)에 커플런트(C)를 토출한다. 토출 제어기(163)는 사용자로부터 입력되는 커플런트(C)의 토출량에 따라 밸브(132)를 제어해서 커플런트(C)를 입력 값으로 토출할 수 있다.

탐촉자 제어기(164)는 통합 제어기(166)를 통해 초음파 탐촉자(140)를 제어해서, 초음파 탐촉자(140)로부터 획득된 신호로부터 용접부(11) 상태를 비파괴적으로 측정한다. 탐촉자 제어기(164)는 초음파 탐촉자(140)의 프로브를 구동하기 위한 신호를 발생하는 송신 구동부와, 용접부(11)로부터 반사되는 에코 초음파를 수신하는 수신부를 포함할 수 있다.

센서 드라이버(165)는 통합 제어기(166)를 통해 하중 센서(150)를 제어해서, 하중 센서(150)에 의해 획득된 신호로부터 용접부(11)에 가압되는 초음파 탐촉자(140)의 하중을 측정한다. 센서 드라이버(165)는 하중 센서(150)를 구동시키며, 하중 센서(150)로부터 획득된 신호를 처리해서 초음파 탐촉자(140)의 가압 하중을 측정한 후, 통합 제어기(166)로 제공한다.

통합 제어기(166)는 로봇 제어기(161)와 카메라 제어기(162)와 토출 제어기(163)와 탐촉자 제어기(164) 및 센서 드라이버(165)를 통합하여 제어한다. 통합 제어기(166)는 검사 명령 입력에 따라 로봇 암(111)을 검사 위치로 이동시키고, 검사 위치에서 카메라 제어기(162)를 통해 수신되는 용접부(11) 위치 정보를 기초로 용접부(11)에 커플런트(C)를 토출하며, 커플런트(C)가 토출된 용접부(11)에 로봇 암(111)을 동작시켜 초음파 탐촉자(140)를 접촉시키며, 센서 드라이버(165)를 통해 수신되는 하중 정보를 기초로 로봇 암(111)을 동작시켜 초음파 탐촉자(140)를 용접부(11)에 목표 하중으로 가압한 상태로 용접부(11) 상태를 측정한다.

통합 제어기(166)는 로봇(110)과 카메라(120)와 커플런트 토출기(130)와 초음파 탐촉자(140) 및 하중 센서(150)를 초기화하고 에러 유무를 점검할 수 있다. 통합 제어기(166)는 용접 품질 평가장치(170)를 통해 입력되는 측정 명령을 전달받아 로봇 제어기(161)와 카메라 제어기(162)와 토출 제어기(163)와 탐촉자 제어기(164) 및 센서 드라이버(165)를 제어해서 탐촉자 제어기(164)로부터 수신된 신호를 용접 품질 평가장치(170)로 전달한다. 통합 제어기(166)는 용접 품질 평가장치(170)에 통합되어 운영될 수도 있다.

용접 품질 평가장치(170)는 초음파 탐촉자(140)로부터 측정된 용접부(11) 상태 데이터를 시스템 제어기(160)를 통해 제공받아 평가 기준 데이터와 비교하여 용접부(11)의 용접 품질을 평가하고 평가 결과를 표시한다.

용접 품질 평가장치(170)는 자동 평가 애플리케이션을 탑재하며, 자동 평가 애플리케이션을 통해 데이터를 분석하여 용접부(11)의 용접 품질을 평가할 수 있다. 자동 평가 애플리케이션에는 용접품질 판단 알고리즘이 제공된다.

용접품질 판단 알고리즘은 다양한 품질 상태에 따라 분류된 다수의 기준신호를 초음파 탐촉자(140)를 통해 실시간으로 획득된 수신신호와 비교하여, 수신신호와 대응되는 기준신호를 검색하고 검색된 기준신호에 상응하는 품질 상태를 판단하고, 판단한 결과를 통해 이미지 컬러화 등에 의해 시각적으로 화면에 표시한다. 용접품질 판단 알고리즘에 의하면, 수신신호의 파형을 보고 사용자가 직접 판단하는 것이 아니라, 자동으로 편리하게 품질 판단이 가능하다.

예컨대, 용입량이 과다한 용접부의 경우, 수신신호의 에코 시퀀스(echo sequence)는 40dB 정도로 크며, 피크가 2개만을 나타내는 것이 특징이다. 용입량이 적은 용접부인 경우, 적정 용입량에 비해 에코 시퀀스의 감쇠 폭이 작으며, 감지되는 피크의 수가 많다.

용접 품질 평가장치(170)는 피크의 수, 감쇠 폭 등의 특징 인자를 근거로 하여, 초음파 탐촉자(140)로부터 획득된 에코 시퀀스가 크고, 피크가 두 개만 나타날 경우에는 용입량이 과다한 용접부로 품질을 판단한다.

이때, 적정하지 않은 용접부의 용입량에 대해, 에코 시퀀스의 크기가 적정 용입량을 가지는 용접부에서 용입량이 과다한 경우, 스패터(spatter) 발생으로 인하여 용접 표면품질의 저하 및 작업환경 오염 등의 문제가 발생한다. 반면에 용입량이 적을 경우, 차량의 충돌 사고시 쉽게 용접부가 분리되어 차량의 차체가 분해되므로 더 큰 인명피해가 우려될 수 있다는 정보를 함께 출력할 수도 있다.

한편, 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템(100)은 관리 서버(180)를 포함할 수 있다. 관리 서버(180)는 평가 기준 데이터를 저장하고 용접 품질 평가장치(170)에 의해 평가된 결과 데이터를 저장한다. 관리 서버(180)는 용접 품질 평가장치(170)와 네트워크를 통해 연결되어 데이터를 송수신한다. 관리 서버(180)는 용접 품질 평가장치(170)를 모니터링 및 제어할 수 있다. 네트워크는 용접 품질 평가장치(170)와 관리 서버(180) 간에 데이터의 송수신이 가능한 유무선 네트워크이다.

관리 서버(180)의 데이터베이스는 다양한 품질 상태의 기준신호들을 저장할 수 있다. 예컨대, 데이터베이스는 품질 상태에 따라 서로 상이한 특징 인자들을 가진 다수의 기준신호를 저장한다. 특징 인자는 신호 파형의 피크의 수, 감쇠 폭, 동적 저항(dynamic resistance)에 따른 출력 강도(strength), 너깃 지름(nugget diameter) 등일 수 있다. 또한, 데이터베이스는 측정대상(10)의 용접부(11) 규격이 기재된 도면을 저장할 수도 있다. 관리 서버(180)는 접속된 용접 품질 평가장치(170)의 요청 시에, 데이터베이스로부터 기준신호와 도면을 읽어 들여 네트워크를 통해 용접 품질 평가장치(170)에 전송할 수 있다.

그리고, 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템(100)은 모바일 기기(190)를 포함할 수 있다. 모바일 기기(190)는 용접 품질 평가장치(170)의 평가에 따른 용접부(11)의 불량 발생시 관리 서버(180)를 통해 용접부(11) 불량 정보를 수신해서 경보한다. 모바일 기기(190)는 경보 애플리케이션을 탑재하며, 관리 서버(180)와 통신해서 화면에 용접부(11) 불량 상태를 표시하고 알람으로 경고할 수 있다. 모바일 기기(190)는 스마트폰, 스마트 패드 등과 같이, 사용자가 일상에서 휴대할 수 있는 기기일 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 용접 품질 평가장치(170)는 통신부(171)와, 메모리(172)와, 프로세서(173)와, 장치 입력부(174), 및 장치 출력부(175)를 포함할 수 있다.

통신부(171)는 시스템 제어기(160)의 통합 제어기(166)와 통신한다. 통신부(171)는 초음파 탐촉자(140)를 통해 용접부(11)로부터 반사되는 에코 초음파를 수신한다. 또한, 통신부(171)는 관리 서버(180)와 통신한다. 통신부(171)는 관리 서버(180)로부터 용접품질 상태에 따라 서로 상이한 특징 인자를 가진 다수의 기준신호를 수신한다.

메모리(172)에는 용접 품질 평가장치(170)의 동작 수행을 위한 정보가 저장된다. 예를 들어, 제어 명령과 관리 서버(180)로부터 획득된 매칭 정보가 저장되며, 매칭 정보는 다수의 기준신호와 각 기준신호와 대응되는 품질 상태 정보가 매칭되어 있다.

기준신호는 품질 상태에 따른 다양한 특징 인자를 가진다. 품질 상태 정보는 "합격(OK)", "불합격"으로 분류될 수 있고, "불합격"인 경우 "불합격"에 대한 사유가 추가로 포함될 수 있다. 예컨대, Bad through welding, Small nugget, Stick weld, Loose, Burnt 등일 수 있다. 메모리(172)에는 기계학습을 위한 명령어가 저장될 수 있다.

프로세서(173)는 통신부(171)를 통해 관리 서버(180)에 접속하여 미리 데이터베이스화되어 있는 매칭 정보를 수신하고, 이를 메모리(172)에 저장한다. 매칭 정보에는 다양한 품질 상태에서의 기준신호와 각 기준신호에 상응하는 품질 상태 정보가 매칭되어 있다. 프로세서(173)는 용접품질 판단 알고리즘을 이용하여 용접부(11)의 용접품질을 자동 평가한다.

구체적으로, 프로세서(173)는 초음파 탐촉자(140)를 통해 실시간으로 획득된 수신신호를 메모리(172)에 저장된 기준신호들과 비교하여, 메모리(172)의 기준신호들 중에서 수신신호와 유사성을 가진 기준신호를 검색한다. 또한, 프로세서(173)는 검색된 기준신호와 매칭되는 용접품질 상태를 메모리에서 검색하여 품질 상태를 판단한다. 이어서, 용접품질 판단 결과를 사용자가 인지할 수 있도록 장치 출력부(175)에 제공한다.

예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이, 프로세서(173)는 입력 데이터에 대해 기계학습을 수행하여 특징을 추출하고 추출된 특징을 기반으로 용접품질 상태를 판별할 수 있다. 기계학습 방식은 인공지능의 한 분야로, 음성과 영상 등에서 사용되고 있으며, 특히 이미지 분류 및 대조, 비교분석 등에 많이 사용되고 있다.

대상 데이터가 이미지일 경우 처리 방식은 이미지 라이브러리 등을 확보하고 이를 카테고리화 한 후 콘볼루션 신경망(Convolutional Neural Network: CNN, 이하, 'CNN'이라 칭함)과 같은 인공신경망으로 특징을 추출하고 이를 학습시킴으로써 정확도를 높여가는 방식을 사용한다.

CNN은 특징 추출(feature extraction) 단계와 분류(classification) 단계로 이루어진다. 특징 추출 단계는 입력 데이터(Input layer)로부터 특징을 추출하는 단계로, 다수의 히든 계층(hidden layer)을 포함한다. 분류 단계에서는 추출된 특징들을 이용하여 결과치(출력 데이터)를 내는 출력 계층(Output layer)을 포함한다. 이때, 입력 데이터는 동적 저항이고, 출력 데이터는 출력 강도 또는 너깃 지름일 수 있다. 너깃 지름은 점 용접에서 용접부의 지름을 말한다.

프로세서(173)는 기준 신호와 수신신호 간에 디컨볼루션(deconvolution)을 취한 후 유사함수를 이용하여 용접 품질을 판단할 수 있다. 이를 위해, 도 7에 도시된 바와 같이, 프로세서(173)는 신호 검출부(173a), 영상 구성부(173b), 노이즈 제거부(173c), 특징 추출부(173d), 신호 식별부(173e) 및 경고 처리부(173f)를 포함한다.

신호 검출부(173a)는 수신신호와 메모리(172)에 저장된 기준신호를 검출한다. 영상 구성부(173b)는 신호 검출부(173a)를 통해 검출된 수신신호와 기준신호를 가지고 디컨볼루션을 수행하여 디컨볼루션 파형을 획득한다. 노이즈 제거부(173c)는 디컨볼루션 파형의 노이즈를 제거한다. 특징 추출부(173d)는 노이즈가 제거된 디컨볼루션 파형의 형태로부터 특징을 추출한다.

신호 식별부(173e)는 특징 추출부(173d)를 통해 추출된 특징을 기초로 하여 용접품질 상태를 판별한다. 기준신호와 수신신호가 유사성을 가지면, 디컨볼루션 결과는 뾰족하고 임펄스한 형태가 나타나고, 그렇지 않은 경우에는 넓게 퍼지는 형태를 가진다. 이와 같이 디컨볼루션 형태로부터 용접 품질을 결정하는 것이 가능하다. 경고 처리부(173f)는 신호 식별부(173e)의 용접 품질 판단 결과에 따라 용접 품질에 이상이 검출되면 경고신호를 생성하고 생성된 경고신호를 장치 출력부(175)에 제공한다.

장치 입력부(174)는 사용자로부터 측정 명령 등과 같은 각종 명령을 입력 받는다. 장치 출력부(175)는 시스템 제어기(160)를 통해 전달된 수신신호를 출력할 수 있다. 또한, 프로세서(173)의 용접품질 상태 판단 결과를 출력한다. 이때, 비숙련된 사용자도 해석이 가능하도록 결과가 출력된다.

장치 출력부(175)는 초음파 탐촉자(140)로부터 획득된 수신신호를 C-스캔(C-SCAN) 방식으로 표시할 수 있다. C-스캔 방식은 측정 대상(10)과 측정 대상(11) 내에 있는 불연속을 평면도로 나타내는 초음파 데이터 표시방식이다. 주사된 프로브의 위치와 대응하여 미리 설정된 진폭 또는 빔 경로 길이의 범위 내에 나타나는 에코 초음파들을 2차원 평면 형태로 표시할 수 있다.

장치 출력부(175)는 용접품질 평가를 위해 필요한 정보와 용접품질 평가를 통해 생성되는 정보를 화면에 출력한다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, "설정", "신규검사", "검사 열기", "다음", "이전", "측정" 등과 같은 그래픽 사용자 인터페이스가 화면에 표시될 수 있다. 장치 출력부(175)는 용접부(11)의 위치를 보여줄 수 있는데, 미리 데이터베이스화된 도면 상에서 용접부(11)의 위치를 보여줄 수 있다.

예를 들어, 수신신호의 파형을 출력할 수 있고, 수신신호를 패턴화하여 신호 패턴을 출력할 수도 있다. 신호 파형은 신호의 변화를 보여주는 그래프이고, 신호 패턴은 패턴인식을 위하여 수신신호의 변화를 벡터값으로 변환한 것이다. 백터값으로의 변환을 위해 기계학습의 신경 회로망을 이용할 수 있다.

장치 출력부(175)는 용접품질 판단 알고리즘에 의해 판단된 용접부(11)의 용접품질 판단 결과를 화면에 출력할 수 있다. 예를 들어, "합격", "불합격" 여부를 표시할 수 있다. "불합격"의 경우 불합격의 사유를 함께 출력할 수 있다. 또한, B-scan, C-scan을 이용하여 기하학적 형상과 결함을 분리하여 2D 형태로 출력할 수 있다.

전술한 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템(100)에 의하면, 초음파 탐촉자(140)가 용접부(11)마다 일정 하중으로 가압한 상태로 용접부(11)의 용접 상태를 측정해서 평가할 수 있으므로, 초음파 탐촉자(140)의 가압 조건을 일반화할 수 있고, 재현성을 확립할 수 있다. 따라서, 용접부(11)의 용접 상태에 대한 측정 및 평가가 자동화되어 편의성이 증대될 뿐 아니라, 측정 및 평가 데이터의 신뢰성이 확보될 수 있다. 또한, 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템(100)에 의하면, 비숙련된 사용자에 의해서도 용접 상태를 측정해서 평가할 수 있으므로, 사용자를 훈련시키기 위한 교육 비용 및 시간을 절감할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10..측정 대상
11..용접부
100..용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템
110..로봇
111..로봇 암
120..카메라
130..커플런트 토출기
140..초음파 탐촉자
150..하중 센서
160..시스템 제어기
161..로봇 제어기
162..카메라 제어기
163..토출 제어기
164..탐촉자 제어기
165..센서 드라이버
166..통합 제어기
170..용접 품질 평가장치
171..통신부
172..메모리
173..프로세서
174..장치 입력부
175..장치 출력부
180..관리 서버
190..모바일 기기

Claims

다자유도로 동작 가능한 로봇 암을 구비하는 로봇;
상기 로봇 암의 동작에 따라 검사 위치로 이동하여 측정대상의 용접부 위치를 검출하는 카메라;
상기 카메라에 의해 위치 검출된 용접부로 커플런트를 토출하는 커플런트 토출기;
상기 커플런트 토출기에 의해 커플런트가 토출된 용접부에 상기 로봇 암의 동작에 따라 접촉된 상태로 초음파를 조사하여 용접부 상태를 비파괴적으로 측정하는 초음파 탐촉자;
용접부에 가압되는 상기 초음파 탐촉자의 하중을 측정하는 하중 센서; 및
상기 로봇 암의 동작을 제어해서 상기 로봇 암을 검사 위치로 이동시킨 상태로 상기 카메라로부터 용접부 위치를 검출하고, 상기 커플런트 토출기를 제어해서 용접부로 커플런트를 토출하며, 상기 하중 센서로부터 측정된 정보를 기초로 상기 로봇 암의 동작을 제어해서 상기 초음파 탐촉자를 용접부에 목표 하중으로 가압한 상태로 용접부 상태를 측정하는 시스템 제어기; 및
상기 초음파 탐촉자로부터 측정된 용접부 상태 데이터를 상기 시스템 제어기를 통해 제공받아 평가 기준 데이터와 비교하여 용접부의 용접 품질을 평가하고 평가 결과를 표시하는 용접 품질 평가장치;를 포함하며,
상기 로봇 암은 말단에 장착대를 매개로 상기 카메라와 커플런트 토출기와 초음파 탐촉자 및 하중 센서를 장착하며;
상기 장착대는,
상기 로봇 암의 말단에 착탈 가능하게 된 장착 블록과,
상단이 상기 장착 블록의 하단 가장자리에 고정되는 제1 장착판과,
상기 제1 장착판의 한쪽 옆에 직각을 이루게 연결된 상태로 상단이 상기 장착 블록의 하단 가장자리에 고정되는 제2 장착판, 및
상기 제1 장착판의 다른쪽 옆에 직각을 이루게 연결된 상태로 상단이 상기 장착 블록의 하단 가장자리에 고정되어 상기 제2 장착판과 마주하는 제3 장착판을 포함하며,
상기 제1 장착판은 상기 제2,3 장착판과의 사이에 한정된 공간에 상기 카메라를 수용해서 안쪽 면에 장착하며,
상기 제2 장착판은 바깥쪽 면에 상기 커플런트 토출기를 장착하며,
상기 제3 장착판은 바깥쪽 면에 상기 초음파 탐촉자와 하중 센서를 장착하며;
상기 초음파 탐촉자와 하중 센서는 높이 조절기구에 의해 상기 제3 장착판에 대해 높이 조절되며;
상기 높이 조절기구는,
상기 초음파 탐촉자와 하중 센서를 함께 고정한 상태로 승강 동작하는 승강 블록과,
상기 승강 블록에 고정된 슬라이더와 상기 슬라이더를 끼워서 상기 슬라이더의 승강을 안내하도록 상기 제3 장착판에 고정된 레일을 구비하여 상기 승강 블록의 승강을 안내하는 승강 가이드, 및
상기 레일에 나사 결합되어 상기 슬라이더를 가압하거나 해제함에 따라 상기 승강 블록을 상기 승강 가이드에 고정하거나 해제하는 고정부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템.
제1항에 있어서,
평가 기준 데이터를 저장하고 상기 용접 품질 평가장치에 의해 평가된 결과 데이터를 저장하는 관리 서버, 및
상기 용접 품질 평가장치의 평가에 따른 용접부의 불량 발생시 상기 관리 서버를 통해 용접부 불량 정보를 수신해서 경보하는 모바일 기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템.
제1항에 있어서,
상기 시스템 제어기는,
상기 로봇 암의 동작을 제어하는 로봇 제어기;
상기 카메라를 제어해서 상기 카메라에 의해 획득된 이미지로부터 용접부 위치를 검출하는 카메라 제어기;
상기 커플런트 토출기를 제어해서 용접부에 커플런트를 토출하는 토출 제어기;
상기 초음파 탐촉자를 제어해서 상기 초음파 탐촉자로부터 획득된 신호로부터 용접부 상태를 비파괴적으로 측정하는 탐촉자 제어기;
상기 하중 센서를 제어해서 상기 하중 센서에 의해 획득된 신호로부터 용접부에 가압되는 상기 초음파 탐촉자의 하중을 측정하는 센서 드라이버; 및
상기 로봇 제어기와 카메라 제어기와 토출 제어기와 탐촉자 제어기 및 센서 드라이버를 통합하여 제어하는 것으로, 검사 명령 입력에 따라 상기 로봇 암을 검사 위치로 이동시키고, 검사 위치에서 상기 카메라 제어기를 통해 수신되는 용접부 위치 정보를 기초로 용접부에 커플런트를 토출하며, 커플런트가 토출된 용접부에 상기 로봇 암을 동작시켜 상기 초음파 탐촉자를 접촉시키며, 상기 센서 드라이버를 통해 수신되는 하중 정보를 기초로 상기 로봇 암을 동작시켜 상기 초음파 탐촉자를 용접부에 목표 하중으로 가압한 상태로 용접부 상태를 측정하는 통합 제어기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접부의 비파괴 검사 자동화 시스템.