KR102133657B1 - Welding temperature field control system and method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용접 온도 필드 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, Dahlin 제어기의 출력은 용접기 시스템의 용접 전원과 연결되고, 용융 풀 온도 측정 유닛은 검출된 용융 풀 데이터를 Dahlin 제어기의 수집 신호 입력단으로 보낸다. 이 방법은 용접 이음부와 열 영향 영역을 고온, 중온 및 저온의 3 개의 용접 영역으로 분할하는 단계; 용융 풀 온도 측정 유닛이, CCD 카메라를 통해, 용접 영역 배면에서 2 개 대역의 열 방사선 필드의 이미지를 얻는 단계; 수집한 열 방사선 필드의 이미지에 대해 필터링 처리하여, 그레이 스케일 값과 온도의 대응 관계를 얻고, 대응 관계를 이용하여 전체 용접 온도 필드의 분포를 구하고; 등온선의 너비를 산출하고, Dahlin 제어기로부터 용접기 시스템의 용접 전원으로 제어 값을 출력한다. 본 발명은 용접 이음부 및 열 영향 영역 배면 등온선의 너비의 폐 루프 제어를 실현하고, 자동 용접 대상의 오차를 없애고, 생산 효율을 개선하고, 비용을 절감하며, 검출, 품질 관리를 빠르고 정확하고 편리하게 실현한다.The present invention relates to a welding temperature field control system and a method thereof, wherein the output of the Dahlin controller is connected to the welding power supply of the welding machine system, and the melting pool temperature measuring unit sends the detected molten pool data to the input of the collecting signal of the Dahlin controller. The method comprises the steps of dividing the weld joint and the heat-affected zone into three weld zones of high temperature, medium temperature and low temperature; A melting pool temperature measuring unit, through a CCD camera, obtaining an image of two bands of thermal radiation fields at the back of the welding area; Filtering the collected image of the thermal radiation field to obtain a correspondence between the gray scale value and temperature, and using the correspondence to obtain a distribution of the entire welding temperature field; The width of the isotherm is calculated, and the control value is output from the Dahlin controller to the welding power supply of the welding system. The present invention realizes closed-loop control of the width of the weld seam and the back isotherm of the heat-affected zone, eliminates errors in automatic welding objects, improves production efficiency, reduces costs, and makes detection, quality control fast, accurate and convenient. To realize.
Description
본 발명은 용접 품질 제어의 기술분야에 관한 것이며, 구체적으로는 용접 온도 필드 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the technical field of welding quality control, and specifically to a welding temperature field control system and method.
용접 공정에 대한 연구는 거시적(macro)인 공정 제어에서 용접 미시(micro) 품질 제어에 이르기까지 이루어졌으며, 용접의 거시적 품질 관리와 동일하게, 미시 품질 제어의 주요한 어려움은 이러한 미시 품질 특징을 나타내는 감지기술을 습득하는 것이다.Research on the welding process has been conducted from macro process control to welding micro quality control, and as with the macro quality control of welding, the main difficulty of micro quality control is the detection of these micro quality characteristics. It is to acquire skills.
용접 온도 필드의 분포는 용접의 열순환을 결정하므로, 용접 미시 조직 및 그 변화도 결정하며, 용접 이음부 및 열 영향 영역의 거시적인 성능을 결정하고, 이 때문에, 용접 온도 필드의 실시간 감지 및 열 순환 파라미터의 추출은 용접 미시 품질 제어를 달성하는 데 있어 중요한 의의를 갖는다. 용접 온도 필드는 용접 열 과정의 기본적인 특징으로, 그것의 분포는 용접 이음부의 용접 깊이 및 용접 너비에 직접적인 영향을 미치고, 이에 따라 용접 온도 필드는 용접 품질과 밀접한 관련이 있다고 볼 수 있다. 용접 온도 필드에 대한 실시간 검출 및 제어를 통해, 용접 이음부의 성형을 더 제어하고, 용접 품질을 제고하는 것은 현재 용접 공정 자동화의 중요한 연구 내용이다.Since the distribution of the welding temperature field determines the heat cycle of the welding, it also determines the microscopic structure of the weld and its variations, and determines the macroscopic performance of the weld joint and the heat-affected zone, thereby real-time detection and heat of the welding temperature field. Extraction of circulating parameters has important significance in achieving weld micro quality control. The welding temperature field is a basic characteristic of the welding heat process, and its distribution directly affects the welding depth and the welding width of the weld seam, and thus the welding temperature field is closely related to the welding quality. Through the real-time detection and control of the welding temperature field, further control of the forming of the weld joint and improving the welding quality are important research contents of the current welding process automation.
용접 공정의 자동화 제어는 용접 품질을 보장하는 핵심 요소이다.Automated control of the welding process is a key factor in ensuring welding quality.
실제 용접 공정에서, 작업물의 모양 및 크기, 조립 간극, 용접 이음부의 기하학적 형상 및 용접 위치의 무작위 영향으로 인해 용접 표준의 안정성에 의해서만 용접 이음부의 관통 침투를 보장하는 것은 매우 어렵다.In the actual welding process, it is very difficult to ensure penetration penetration of the weld joint only by the stability of the welding standard due to the shape and size of the workpiece, the assembly gap, the geometry of the weld joint and the random influence of the welding position.
따라서, 용접 이음부 관통 침투의 셀프 적응 제어를 실시하는 것은, 용접 품질을 보장하는 관건이고, 용접 기술분야에서 매우 주목하고 있는 과제이다.Therefore, performing self-adaptive control of the penetration through the weld joint is a key to guaranteeing the welding quality, and is a very focused subject in the welding technology field.
선행 기술에서, 용접 공정이 용접 표준의 안정성에만 의존하여, 용접 이음부 관통 침투의 일치성을 보장하는 것은 매우 어렵다는 문제가 있고, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 응답 속도가 빠르고, 용접 온도 필드 및 용접 품질의 실시간 검출 및 제어가 가능한 용접 온도 필드 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.In the prior art, there is a problem that it is very difficult to ensure the consistency of the penetration through the weld seam, because the welding process relies only on the stability of the welding standard, and the technical problem to be solved by the present invention is a high response speed and a welding temperature field. And a welding temperature field control system and method capable of real-time detection and control of welding quality.
상기 기술적 문제를 해결하기 위해, 본 발명이 채택한 기술적 해결책은 다음과 같다.In order to solve the above technical problem, the technical solution adopted by the present invention is as follows.
용접 온도 필드 제어 시스템에있어서, 용접기 시스템, 용융 풀 온도 측정 유닛 및 Dahlin 제어기를 포함하고, 그 중 Dahlin 제어기의 출력단은 용접기 시스템의 용접 전원과 연결되고, 용융 풀 온도 측정 유닛은 검출된 용융 풀 데이터를 Dahlin 제어기의 수집 신호 입력단까지 전송하는 것을 특징으로 하는 용접 온도 필드 제어 시스템을 제공할 수 있다.In the welding temperature field control system, it includes a welding machine system, a melt pool temperature measuring unit and a Dahlin controller, of which the output end of the Dahlin controller is connected to the welding power supply of the welding machine system, and the melting pool temperature measuring unit detects the molten pool data It is possible to provide a welding temperature field control system characterized in that it transmits to the input of the acquisition signal of the Dahlin controller.
또한, 상기 용융 풀 온도 측정 유닛은 CCD 카메라, 데이터 수집 카드 및 분석 표시 장치를 포함하고, 그중, CCD 카메라는 용접 배면 바로 아래에 설치되어 용접 용융 풀 이미지를 촬영하여 분석 표시 장치까지 입력하고, 데이터 수집 카드는 수집된 데이터를 분석 표시 장치까지 전송하는 것을 특징으로 하는 용접 온도 필드 제어 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the melt pool temperature measurement unit includes a CCD camera, a data collection card, and an analysis display device, wherein the CCD camera is installed directly under the welding back surface to capture the welding melt pool image and input it to the analysis display device, and data The collection card can provide a welding temperature field control system characterized in that the collected data is transmitted to an analysis display device.
또한, 용접 온도 필드 제어 방법에 있어서, 우선 용접 이음부와 열 영향 영역을 고온, 중온 및 저온의 3 개의 용접 영역으로 나누어 서로 다른 샘플링 노출시간과 대응시키는 단계, 용융 풀 온도 측정 유닛은, CCD 카메라를 통해, 용접 영역 배면에서 두 개 대역의 열 방사선 필드의 이미지를 획득하는 단계, 수집된 열 방사선 필드의 이미지를 필터링하고, 동일한 위치의 그레이 스케일을 처리한 후에 비율 처리를 수행하고, 그레이 스케일 값과 온도 간의 대응 관계를 얻는 단계, 그레이 스케일 값과 온도 사이의 대응관계를 이용하여 전체 용접 온도 필드의 분포를 얻는 단계, 등온선의 너비을 계산하고 Dahlin 알고리즘을 통해 조정량을 계산하고, Dahlin 제어기에서 용접기 시스템의 용접 전원으로 제어 값을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 온도 필드 제어 방법을 제공할 수 있다.In addition, in the welding temperature field control method, first, the welding joint and the heat-affected zone are divided into three welding zones of high temperature, medium temperature, and low temperature to correspond to different sampling exposure times, and the melt pool temperature measurement unit is a CCD camera. Through, acquiring an image of two bands of thermal radiation fields on the back of the welding area, filtering the image of the collected thermal radiation field, processing the gray scale at the same location, and then performing ratio processing, and the gray scale value Obtaining the correspondence between and temperature, obtaining the distribution of the entire welding temperature field using the correspondence between the gray scale value and temperature, calculating the width of the isotherm, calculating the adjustment amount through the Dahlin algorithm, and welding machine in the Dahlin controller It is possible to provide a welding temperature field control method comprising the step of outputting a control value to the welding power supply of the system.
또한, 동일한 위치의 그레이 스케일을 처리하는 단계는, 수집된 이미지를 3 바이트로 표현하고, 각 바이트는 R, G, B 성분의 밝기와 대응되고, 변환된 흑백 이미지의 한 픽셀은 1 바이트를 이용하여 그 지점의 그레이 스케일 값을 나타내고, 변환관계는 하기와 같은 것을 특징으로 하는 용접 온도 필드 제어 방법을 제공할 수 있다.In addition, the step of processing the gray scale of the same position expresses the collected image in 3 bytes, each byte corresponds to the brightness of the R, G, and B components, and one pixel of the converted black and white image uses 1 byte Thus, it is possible to provide a welding temperature field control method characterized in that the gray scale value at that point is represented and the conversion relationship is as follows.
그중, 
또한, 용접 온도 필드 제어 방법은, 용접 및 열 영향 영역은 하기와 같이 고온, 중온, 저온의 세 영역으로 나누어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the welding temperature field control method is characterized in that the welding and heat-affected regions are divided into three regions of high temperature, medium temperature, and low temperature as follows.
용접할 금속의 융점이 A ℃ 라고 가정하면 시험 온도 범위 (A-200) ° C에서 (A + 200) ° C, 저온 영역 : (A-200) ℃ ~ (A-50) ℃, 중온 영역 : (A-50) ℃ ~ (A + 50) ℃, 고온 영역 : (A + 50) ℃ ~ (A + 200) ℃.Assuming that the melting point of the metal to be welded is A °C, test temperature range (A-200) °C to (A + 200) °C, low temperature region: (A-200) °C to (A-50) °C, medium temperature region: (A-50) ℃ ~ (A + 50) ℃, high temperature range: (A + 50) ℃ ~ (A + 200) ℃.
또한, 고온, 중온 및 저온 3개 영역의 노출 시간은 각각 1.5 ± 0.3ms, 300 ± 60ms 및 50 ± 10ms 인 것을 특징으로 하는 용접 온도 필드 제어 방법을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a welding temperature field control method characterized in that the exposure times of the three regions of high temperature, medium temperature and low temperature are 1.5±0.3 ms, 300±60 ms and 50±10 ms, respectively.
또한, 등온선 너비을 계산하는 단계는, 그레이 스케일 값 T0 에 해당하는 온도 값을 설정하는 단계, 등온선 경계 지점을 검색하되, 이미지의 왼쪽 상단부터 시작하여 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래의 순서로 지점을 비교하여 상단 경계까지 검색하는 단계, 이미지의 오른쪽 하단에서 시작하여 오른쪽에서 왼쪽으로, 아래에서 위의 순서로 지점을 비교하여, 등온선의 하단 경계를 검색하는 단계;를 포함하고, 특정 지점의 그레이 스케일 값이 처음으로 T0 보다 큰 것으로 판명될 때, 상기 지점은 등온선의 경계 지점인 것을 특징으로 하는 용접 온도 필드 제어 방법을 제공할 수 있다.In addition, the step of calculating the isotherm width is a step of setting a temperature value corresponding to the gray scale value T0, searching for an isothermal boundary point, and comparing the points in the order from top to bottom, starting from the top left of the image. Searching to the upper boundary, comparing the points in the order from right to left and from bottom to top, starting at the bottom right of the image, and searching for the bottom boundary of the isotherm; including, the grayscale value of a specific point When it is found that this is greater than T0 for the first time, it is possible to provide a method for controlling a welding temperature field, characterized in that the spot is a boundary point of an isotherm.
또한, 상기 등온선의 경계 지점을 탐색하는 단계는 전체 이미지를 일정한 크기의 그리드로 분할하고, 인터레이스 그리드에 대해 지점 비교를 수행하고, 초기 경계 지점을 얻는 단계, 그런 다음 하나의 나중 온도 필드 이미지에서 하나의 이전 이미지의 등온선 경계 지점에서 시작하여 등온선 경계 지점이 안쪽으로 이동할 경우, 즉 안쪽으로 검색할 경우, 요구 사항을 만족하는 첫 번째 지점을 검색해 낼 때까지 안쪽을 검색하여, 새로운 경계 지점을 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 온도 필드 제어 방법을 제공할 수 있다.Further, the step of searching for the boundary point of the isotherm divides the entire image into a grid of a constant size, performs point comparison on the interlaced grid, and obtains an initial boundary point, and then one from one later temperature field image. Starting from the isotherm boundary point of the previous image of, if the isotherm boundary point moves inward, i.e., searches inward, it searches the inside until it finds the first point that satisfies the requirement, and contains the new boundary point. It can provide a welding temperature field control method characterized in that.
또한, 등온선 경계 지점이 안쪽으로 이동하지 않으면, 즉 반대로 바깥 방향으로 검색할 때, 요구 사항을 충족시키지 않는 첫 번째 지점의 위치까지 검색하고, 검색된, 마지막으로 요구사항을 만족하는 지점이 새로운 경계 지점이 되는 것을 특징으로 하는 용접 온도 필드 제어 방법을 제공할 수 있다.In addition, if the isotherm boundary point does not move inward, that is, when searching in the opposite direction, it searches for the position of the first point that does not meet the requirements, and the new boundary point where the searched and finally satisfying the requirements It can provide a welding temperature field control method characterized in that this.
본 발명은 다음과 같은 유익한 효과 및 이점을 갖는다;The present invention has the following beneficial effects and advantages;
1. 본 발명은 용접 공정에서 용접 온도 필드의 실시간 검출에 대한 용접 열 사이클 파라미터를 획득하고, 용접 이음부 및 열 영향 영역의 배면 등온선 너비의 폐 루프 제어를 실현 할 수 있다; 용접 공정에 대한 것이 시스템을 지연시키는 상황일 경우, Dahlin 알고리즘을 기반으로 용융점 또는 용융 온도에 가까운 등온선 너비를 선택하여 제어함으로써, 관통 침투 제어의 목적을 달성할 수 있다.1. The present invention can obtain the welding heat cycle parameters for real-time detection of the welding temperature field in the welding process, and realize closed loop control of the width of the back isotherm of the weld seam and heat-affected zone; When the welding process is a system delay, the purpose of through penetration control can be achieved by selecting and controlling a melting point or an isothermal width close to the melting temperature based on the Dahlin algorithm.
2. 본 발명은 Dahlin 알고리즘을 이용하여 용접 전원을 제어하고, 자동 용접 대상 중의 잔류 오차를 제거하고, 용접 대상물에 대한 지연 보상(leg compensation)을 수행하고, 응답 속도가 QK르고, 용접 온도 필드 및 용접 품질을 실시간 검출 및 제어가 가능하여 작업 효율 및 품질을 향상시킬 수 있다.2. The present invention controls the welding power using the Dahlin algorithm, removes residual errors in the automatic welding target, performs delay compensation for the welding target, has a fast response speed of QK, a welding temperature field, and It is possible to detect and control welding quality in real time, thereby improving work efficiency and quality.
3. 본 발명의 방법은 실시간으로 검출된 용융 풀의 온도 필드로부터 용접 영역 내의 임의의 영역의 열 사이클 파라미터를 얻음으로써 용접 품질 제어를 위한 기초를 제공할 수 있다; 용접 공정에 대한 것이 시스템을 지연시키는 상황인 경우, Dahlin 알고리즘을 기반으로 그것에 대해 제어를 수행하고, 생산 효율을 높이고 비용을 절감하며 빠르고 정확하고 편리한 감지 및 품질 관리를 달성한다.3. The method of the present invention can provide a basis for welding quality control by obtaining thermal cycle parameters of any region in the welding region from the temperature field of the molten pool detected in real time; If it is a situation that delays the system for the welding process, it will perform control on it based on the Dahlin algorithm, increase production efficiency, reduce cost, and achieve fast, accurate and convenient detection and quality control.
도 1 은 본원 발명의 등온선 너비 제어 시스템의 흐름도이다.
도 2 는 본원 발명의 용접 온도 측정 유닛의 블록도이다.
도 3 은 본원 발명의 1 차 지연 단일 루프 관성 시스템의 블록도이다.
도 4 는 본원 발명의 시스템 제어 대상의 응답 곡선이다.
도 5 는 본원 발명의 무간섭 스텝 응답 시뮬레이션 곡선의 비교도이다.
도 6 은 본원 발명의 유간섭 스텝 응답 시뮬레이션 곡선의 비교도이다.
도 7 은 제어기 작동 블록도이다.1 is a flowchart of an isothermal width control system of the present invention.
2 is a block diagram of a welding temperature measuring unit of the present invention.
3 is a block diagram of a primary delay single loop inertial system of the present invention.
4 is a response curve of the system control object of the present invention.
5 is a comparative diagram of the interference-free step response simulation curve of the present invention.
6 is a comparative diagram of a coherent step response simulation curve of the present invention.
7 is a controller operation block diagram.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더 설명될 것이다.The present invention will be further described with reference to the accompanying drawings.
도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 용접 온도 제어 시스템은 용접기 시스템, 용융 풀 온도 측정 유닛 및 Dahlin 제어기를 포함하고, 그중 Dahlin 제어기의 출력단은 용접기 시스템의 용접 전원과 연결되고, 용융 풀 온도 측정 유닛은 ㄱ거검출한 용융 풀 데이터를 Dahlin 제어기의 수집 신호 입력단까지 전송한다.As shown in Figure 1, the welding temperature control system of the present invention includes a welding system, a melt pool temperature measuring unit and a Dahlin controller, of which the output end of the Dahlin controller is connected to the welding power supply of the welding system, and the melt pool temperature measurement The unit transmits the detected molten pool data to the input of the acquisition signal of the Dahlin controller.
도 2 에 도시된 바와 같이, 상기 용융 풀 온도 측정 유닛은 CCD 카메라, 데이터 수집 카드 및 분석 표시 장치를 포함하고, 그중 CCD 카메라는 용접 배면 정하방(바로 아래)에 설치되어 용접 용융 풀 이미지를 촬영하여 분석 표시 장치까지 입력하고, 데이터 수집 카드는 수집된 데이터를 분석 표시 장치까지 전송한다.As shown in Fig. 2, the melt pool temperature measurement unit includes a CCD camera, a data collection card and an analytical display device, of which a CCD camera is installed at the bottom of the welding back (directly below) to take a weld melt pool image. Input to the analysis display device, and the data collection card transmits the collected data to the analysis display device.
본 발명에서는, 용접기 시스템은 용접 토치, 용접 전원 및 와이어 피더를 포함할 수 있고, 용융 풀 온도 측정 시스템에는 CCD 카메라, 데이터 수집 카드 및 분석 표시 시스템이 포함될 수 있다.In the present invention, the welding machine system may include a welding torch, a welding power source, and a wire feeder, and the melt pool temperature measurement system may include a CCD camera, a data collection card, and an analysis display system.
Dahlin 제어기의 출력단은 용접 전원에 연결되어, 그것의 용접 전류를 조정한다.The output terminal of the Dahlin controller is connected to the welding power supply, and adjusts its welding current.
본 발명은 Dahlin 알고리즘을 이용하여 용접 전원을 제어하고, 자동 용접 대상물의 잔류 오차를 제거하며, 용접 대상물에 지연 보상을 수행한다.The present invention controls the welding power source using the Dahlin algorithm, removes residual errors of an automatic welding object, and performs delay compensation on the welding object.
본 발명의 용접 온도 필드 제어 방법은, 우선 용접 이음부와 열 영향 영역을 고온, 중온 및 저온의 3 개의 용접 영역으로 나누어 서로 다른 샘플링 노출시간과 대응시키는 단계, 용융 풀 온도 측정 유닛은, CCD 카메라를 통해, 용접 영역 배면에서 두 개 대역의 열 방사선 필드의 이미지를 획득하는 단계, 수집된 열 방사선 필드의 이미지를 필터링하고, 동일한 위치의 그레이 스케일을 처리한 후에 비율 처리를 수행하고, 그레이 스케일 값과 온도 간의 대응 관계를 얻는 단계, 그레이 스케일 값과 온도 사이의 대응관계를 이용하여, 전체 용접 온도 필드의 분포를 얻는 단계 및 등온선의 너비를 계산하고 Dahlin 알고리즘을 통해 조정량을 계산하고, Dahlin 제어기에서 용접기 시스템의 용접 전원으로 제어 값을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.In the welding temperature field control method of the present invention, first, the welding joint and the heat-affected zone are divided into three welding zones of high temperature, medium temperature, and low temperature to correspond to different sampling exposure times, and the melt pool temperature measurement unit is a CCD camera. Through, acquiring an image of two bands of thermal radiation fields on the back of the welding area, filtering the image of the collected thermal radiation field, processing the gray scale at the same location, and then performing ratio processing, and the gray scale value Obtaining the correspondence between and temperature, obtaining the distribution of the entire welding temperature field, using the correspondence between the gray scale value and temperature, calculating the width of the isotherm, calculating the adjustment amount through the Dahlin algorithm, and the Dahlin controller It may include the step of outputting a control value to the welding power supply of the welding system.
본 실시예에 있어서, 용접 이음부 및 열 영향 영역은 하기와 같이 고온, 중온, 저온의 세 영역으로 나누어 구분할 수 있다.In the present embodiment, the weld joint and the heat-affected region can be divided into three regions: high temperature, medium temperature, and low temperature as follows.
용접할 금속의 융점이 A ℃ 라고 가정하면 시험 온도 범위 (A-200) ° C에서 (A + 200) ° C, 저온 영역 : (A-200) ℃ ~ (A-50) ℃, 중온 영역 : (A-50) ℃ ~ (A + 50) ℃, 고온 영역 : (A + 50) ℃ ~ (A + 200) ℃ 이고,Assuming that the melting point of the metal to be welded is A °C, test temperature range (A-200) °C to (A + 200) °C, low temperature region: (A-200) °C to (A-50) °C, medium temperature region: (A-50) ℃ ~ (A + 50) ℃, high temperature range: (A + 50) ℃ ~ (A + 200) ℃,
고온, 중온 및 저온 3개 영역의 노출 시간은 각각 1.5 ± 0.3ms, 300 ± 60ms 및 50 ± 10ms 로 구분될 수 있다.The exposure time of the three regions of high temperature, medium temperature and low temperature can be divided into 1.5 ± 0.3 ms, 300 ± 60 ms, and 50 ± 10 ms, respectively.
수집된 이미지는 필터링되고, 상이한 그레이 스케일 값과 온도는 대응관계를 가지기 때문에, 동일한 위치의 그레이 스케일에 대해 비율 처리를 하고, 그레이 스케일 값과 온도 사이의 대응관계를 이용하여 전체 용접 온도 필드의 분포를 얻을 수 있다.Since the collected images are filtered and different gray scale values and temperatures have a correspondence, ratio processing is performed on the gray scales at the same location, and the distribution of the entire welding temperature field is used using the correspondence between the gray scale values and the temperatures. Can get
본원 발명의 용접 온도 필드의 제어 방법에 있어서, 동일한 위치에서의 그레이 스케일의 처리 단계는 아래와 같다.In the method for controlling the welding temperature field of the present invention, the steps of processing the gray scale at the same position are as follows.
수집된 이미지를 3 바이트로 표현하고, 각 바이트는 R, G, B 성분의 밝기와 대응되고, 변환된 흑백 이미지의 한 픽셀은 1 바이트를 이용하여 그 지점의 그레이 스케일 값을 나타내고,The collected image is represented by 3 bytes, each byte corresponds to the brightness of the R, G, and B components, and one pixel of the converted black and white image represents the gray scale value at that point using 1 byte,
변환관계는 하기와 같다.The conversion relationship is as follows.
그중, 
등온선 너비 계산에는 다음 단계가 포함된다.The calculation of the isotherm width involves the following steps.
회색 값 T0 에 해당하는 온도 값을 설정하는 단계;Setting a temperature value corresponding to the gray value T0;
등온선 경계 지점을 검색하되, 이미지의 왼쪽 상단부터 시작하여 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래의 순서로 지점을 비교하여 상단 경계까지 검색해내는 단계;Searching for an isothermal boundary point, comparing the points in the order from top to bottom, starting from the top left of the image and searching up to the top boundary;
이미지의 오른쪽 하단에서 시작하여 오른쪽에서 왼쪽으로, 아래에서 위의 순서로 지점을 비교하여 등온선의 하단 경계를 검색하는 단계;를 포함하고,It includes the steps of searching for the lower boundary of the isotherm by comparing the points in the order from right to left and from bottom to top, starting from the bottom right of the image; and
특정 지점의 그레이 스케일 값이 처음으로 T0 보다 큰 것으로 판명될 때, 상기 지점은 등온선의 경계 지점일 수 있다.When the gray scale value of a specific point is first found to be greater than T0, the point may be an isothermal boundary point.
등온선의 경계 지점을 탐색하는 방법은 다음 단계가 포함된다.The method of searching for the boundary point of an isotherm includes the following steps.
전체 이미지를 일정한 크기의 그리드로 분할하고, 인터레이스 그리드에 대해 지점 비교를 수행하고, 초기 경계 지점을 얻는 단계;Dividing the entire image into a grid of a constant size, performing point comparison on the interlaced grid, and obtaining an initial boundary point;
그런 다음 하나의 나중 온도 필드 이미지에서, 하나의 이전 이미지의 등온선 경계 지점에서 시작하여, 우선 등온선 경계 지점이 안쪽으로 이동하는지 판단하고; 등온선 경계 지점이 안쪽으로 이동할 경우, 즉 안쪽으로 검색할 경우, 요구 사항을 만족하는 첫 번째 지점을 검색해 내면, 그 지점이 새로운 경계 지점이 된다.Then in one later temperature field image, starting at the isothermal boundary point of one previous image, first determine whether the isothermal boundary point moves inward; If the isotherm boundary point moves inward, i.e., searches inward, then the first point that satisfies the requirement is found, and that point becomes the new boundary point.
등온선 경계 지점이 안쪽으로 이동하지 않으면, 즉 반대로 바깥 방향으로 검색할 때, 요구 사항을 충족시키지 않는 첫 번째 지점의 위치까지 검색하고, 검색된, 마지막으로 요구 사항을 만족하는 지점이 새로운 경계 지점이 될 수 있다.If the isotherm boundary point does not move inward, ie when searching outwards, it will search to the position of the first point that does not meet the requirements, and the point where the searched and finally meets the requirements will be the new boundary point. Can be.
본 발명은 제어 대상의 입력량을 용접 전류로 선택하고, 출력량은 용접 온도 필드일 수 있다.In the present invention, the input amount to be controlled is selected as the welding current, and the output amount may be a welding temperature field.
대상(object)은 도 3 에 도시된 바와 같이 1 차 지연 단일 루프 관성 시스템의 블록도로 근사될 수 있다.The object may be approximated as a block diagram of a first order delay single loop inertial system as shown in FIG. 3.
식 중에서 s 는 라플라시안(Laplacian) 연산자이고, 
폐 루프 시스템 전달 함수 
수학식 (2) 로부터 디지털 제어기를 도출할 수 있다.A digital controller can be derived from Equation (2).
75mm × 200mm × 1mm 연강을 예로 들면, 플라즈마 용접법을 사용하였으며, 시스템 대상의 응답 곡선은 도 4 에 도시된 바와 같이, As an example of 75 mm × 200 mm × 1 mm mild steel, a plasma welding method was used, and the response curve of the system object is shown in FIG. 4,
도 4의 용접 전류는 10s에서 분석 표시 시스템에 의해 제어되는 용접 전류가 60A 에서 70A 로 변화하고, 용접 전류는 20s 에서 60A 로 다시 회귀하는데, 도 4에서 온도 필드 1200 ℃ 등온선 너비는, 전류 시간의 응답에 따라 변한다.In the welding current of FIG. 4, the welding current controlled by the analytical display system changes from 60 A to 70 A at 10 s, and the welding current returns again from 20 s to 60 A. In FIG. 4, the temperature field 1200° C. isotherm width is the current time. It depends on the response.
전달 함수 도출 : 1 차 관성 지연 시스템의 스텝 응답은 지연 시간의 지수 상승 곡선으로, 다음과 같이 표현 될 수 있다.Derivation of transfer function: The step response of the first-order inertial delay system is an exponential rising curve of the delay time, and can be expressed as follows.
여기서 A는 너비 값, α는 지수 계수, t0 는 지연 상수, t 는 시간, U 는 입력 신호이며, 그것에 대해 라플라스(Laplace) 변환이 수행된다.Here, A is a width value, α is an exponential coefficient, t 0 is a delay constant, t is a time, U is an input signal, and a Laplace transform is performed on it.
전달함수는 다음과 같다.The transfer function is as follows.
여기서 
도 4 와 수학식 (4), (5), (6) 을 결합하면 자동 제어 이론에 따라 전달 함수를 도출하는 방법은, 제어 대상 전달 함수 (수학식 1) 를 도출해낼 수 있고, 이에 대해서는 중복하여 설명하지 않는데, 본 실시예 중;Combining Figures 4 and Equations (4), (5), and (6), a method for deriving a transfer function according to the automatic control theory can derive a control transfer function (Equation 1), which is redundant. It is not described, but in this embodiment;
Dahlin의 알고리즘에 따르면 원하는 폐 루프 제어 시스템 전달 함수는 다음과 같다.According to Dahlin's algorithm, the desired closed loop control system transfer function is:
TC 는 원하는 폐 루프 제어 시스템의 관성 시간 상수이다. T C is the desired inertia time constant of the closed loop control system.
경험에 따르면, 일반적인 환경하에서 T는 약 0.9τ와 같고, TC 는 0.3τ 내지 0.5TD 와 거의 동일하며, 이 실시 예에서 T = 0.2s, TC = 0.233 이다.Empirically, under normal circumstances, T is equal to about 0.9τ, T C is approximately equal to 0.3τ to 0.5T D , in this example T = 0.2s, T C = 0.233.
그리고, 디지털 제어기 
도 5 와 도 6 은 각각 무교란 시 시스템 스텝 응답 및 유교란 시 시스템 스텝 응답의, 기존의 PID 알고리즘 및 Dahlin 알고리즘의 시뮬레이션 비교도로, ㄷ도도면을 통해 Dahlin 알고리즘의 동적 응답은 기존의 PID 알고리즘보다 약간 빠르다는 것을 알 수 있다. 5 and 6 are simulation comparison diagrams of the existing PID algorithm and the Dahlin algorithm, respectively, of the system step response in the case of a disturbance and the system step response in case of confusion, and the dynamic response of the Dahlin algorithm through the C diagram is higher than the conventional PID algorithm You can see that it is a bit fast.
시스템이 안정되기 전에 Dahlin의 알고리즘에는 오버 슛이 없으며, 교란이 추가되면 Dahlin 알고리즘의 오버 슛은 기존의 PID 알고리즘보다 작다.Before the system stabilizes, Dahlin's algorithm has no overshoot, and if disturbances are added, the Dahlin algorithm's overshoot is smaller than the existing PID algorithm.
제어기 프로그래밍:Controller programming:
여기서 
여기서 
여기서 k 는 샘플링의 횟수이다.Where k is the number of sampling.
u(k)를 도출해낸 후, 도 7 의 제어기 동작 흐름도에서 도시된 것과 같이 동작 절차를 수행하고, 먼저 메모리 셀과 계수를 초기화 한 다음, 이미지 정보를 수집하고, 처리하기 시작한다.After deriving u(k), an operation procedure is performed as illustrated in the controller operation flow chart of FIG. 7, first memory cells and coefficients are initialized, and then image information is collected and processed.
Dahlin 알고리즘은 출력을 계산하고, 제어기가 용접 전원에 출력하고, 마지막으로 이 프로세스를 반복한다.The Dahlin algorithm calculates the output, the controller outputs it to the welding power source, and finally repeats this process.
Claims (9)
우선 용접 이음부와 열 영향 영역을 고온, 중온 및 저온의 3 개의 용접 영역으로 나누어 서로 다른 샘플링 노출시간과 대응시키는 단계;
용융 풀 온도 측정 유닛은, CCD 카메라를 통해, 용접 영역 배면에서 두 개 대역(band)의 열 방사선 필드의 이미지를 얻는 단계;
수집된 열 방사선 필드의 이미지를 필터링하고, 동일한 위치의 그레이 스케일을 처리한 후에 비율 처리를 수행하고, 그레이 스케일 값과 온도 간의 대응 관계를 얻는 단계;
그레이 스케일 값과 온도 사이의 대응관계를 이용하여, 전체 용접 온도 필드의 분포를 얻는 단계;
등온선의 너비를 계산하고 Dahlin 알고리즘을 통해 조정량을 계산하고, Dahlin 제어기에서 용접기 시스템의 용접 전원으로 제어 값을 출력하는 단계;를 포함하고,
동일한 위치의 그레이 스케일을 처리하는 단계는,
수집된 이미지를 3 바이트로 표현하고, 각 바이트는 R, G, B 성분의 밝기와 대응되고, 변환된 흑백 이미지의 한 픽셀은 1 바이트를 이용하여 그 지점의 그레이 스케일 값을 나타내고,
변환관계는 하기와 같고,
(그중,
용접 및 열 영향 영역은 하기와 같이 고온, 중온, 저온의 세 영역으로 나누어지고, 이는 각각:
용접할 금속의 융점이 A ℃ 라고 가정하면 시험 온도 범위 (A-200) ° C에서 (A + 200) ° C, 저온 영역 : (A-200) ℃ ~ (A-50) ℃, 중온 영역 : (A-50) ℃ ~ (A + 50) ℃, 고온 영역 : (A + 50) ℃ ~ (A + 200) ℃이고,
고온, 중온 및 저온 3개 영역의 노출 시간은 각각 1.5 ± 0.3ms, 300 ± 60ms 및 50 ± 10ms 이고,
등온선 너비를 계산하는 단계는,
그레이 스케일 값 T0 에 해당하는 온도 값을 설정하는 단계;
등온선 경계 지점을 검색하되, 이미지의 왼쪽 상단부터 시작하여 왼쪽에서 오른쪽으로, 위에서 아래의 순서로 지점을 비교하여 상단 경계까지 검색해내는 단계;
이미지의 오른쪽 하단에서 시작하여 오른쪽에서 왼쪽으로, 아래에서 위의 순서로 지점을 비교하여, 등온선의 하단 경계를 검색하는 단계;를 포함하고,
특정 지점의 그레이 스케일 값이 처음으로 T0 보다 큰 것으로 판명될 때, 상기 지점은 등온선의 경계 지점이고,
상기 등온선의 경계 지점을 검색하는 단계는,
전체 이미지를 일정한 크기의 그리드로 분할하고, 인터레이스(Interlace) 그리드에 대해 지점 비교를 수행하고, 초기 경계 지점을 얻는 단계;
그런 다음 하나의 나중 온도 필드 이미지에서, 하나의 이전 이미지의 등온선 경계 지점에서 시작하여, 등온선 경계 지점이 안쪽으로 이동할 경우, 즉 안쪽으로 검색할 경우, 요구 사항을 만족하는 첫 번째 지점을 검색해 내면, 그 지점을 새로운 경계 지점으로 하는 단계를 포함하고,
등온선 경계 지점이 안쪽으로 이동하지 않으면, 즉 반대로 바깥 방향으로 검색할 때, 요구 사항을 충족시키지 않는 첫 번째 지점의 위치까지 검색하고, 검색된, 마지막으로 요구 사항을 만족하는 지점이 새로운 경계 지점이 되고,
상기 Dahlin 알고리즘은 용접 전원을 제어하고, 자동 용접 대상물의 잔류 오차를 제거하며, 용접 대상물의 지연 보상을 수행하고,
상기 Dahlin 알고리즘에 따른 폐 루프 제어 시스템 전달 함수는 다음과 같고,
(수학식 11)
여기에서, TC 는 원하는 폐 루프 제어 시스템의 관성 시간 상수이고, 일반적인 환경하에서 T는 0.9τ이고, TC 는 0.3τ 내지 0.5TD 이며, T = 0.2s, TC = 0.233 인 것을 특징으로 하는 용접 온도 필드 제어 방법.In the welding temperature field control method,
First, dividing the welding joint and the heat-affected zone into three welding zones of high temperature, medium temperature, and low temperature to correspond to different sampling exposure times;
The melt pool temperature measurement unit includes, through a CCD camera, obtaining an image of two bands of thermal radiation fields at the back of the welding area;
Filtering an image of the collected thermal radiation field, processing the gray scale at the same location, then performing ratio processing, and obtaining a correspondence between the gray scale value and temperature;
Obtaining a distribution of the total welding temperature field using the correspondence between the gray scale value and temperature;
Comprising the step of calculating the width of the isotherm, calculating the adjustment amount through the Dahlin algorithm, and outputting a control value from the Dahlin controller to the welding power of the welding system.
The step of processing the gray scale of the same location,
The collected image is represented by 3 bytes, each byte corresponds to the brightness of the R, G, and B components, and one pixel of the converted black and white image represents the gray scale value at that point using 1 byte,
The conversion relationship is as follows,
(among them,
The welding and heat-affected zones are divided into three regions: high temperature, medium temperature, and low temperature, as follows:
Assuming that the melting point of the metal to be welded is A °C, test temperature range (A-200) °C to (A + 200) °C, low temperature region: (A-200) °C to (A-50) °C, medium temperature region: (A-50) ℃ ~ (A + 50) ℃, high temperature range: (A + 50) ℃ ~ (A + 200) ℃,
The exposure times of the three regions of high temperature, medium temperature and low temperature are 1.5±0.3 ms, 300±60 ms and 50±10 ms, respectively.
The step of calculating the isotherm width is:
Setting a temperature value corresponding to the gray scale value T0;
Searching for an isothermal boundary point, comparing the points in the order from top to bottom, starting from the top left of the image and searching up to the top boundary;
Including the steps of starting from the bottom right of the image and comparing the points from right to left and from bottom to top, searching for the bottom boundary of the isotherm; and
When the gray scale value of a specific point is first found to be greater than T0, the point is the boundary point of the isotherm,
Searching the boundary point of the isotherm,
Dividing the entire image into a grid of a constant size, performing point comparison on an interlace grid, and obtaining an initial boundary point;
Then, in one later temperature field image, starting at the isotherm boundary point of one previous image, if the isotherm boundary point moves inward, i.e., searches inward, then finds the first point that satisfies the requirement, Including making the point a new boundary point,
If the isotherm boundary point does not move inward, ie when searching outwards, it searches for the position of the first point that does not meet the requirements, and the point where the searched and finally meets the requirements becomes the new boundary point. ,
The Dahlin algorithm controls the welding power source, removes residual errors of the automatic welding object, performs delay compensation of the welding object,
The closed loop control system transfer function according to the Dahlin algorithm is as follows,
(Equation 11)
Here, T C is the inertia time constant of the desired closed-loop control system, T is 0.9τ under normal circumstances, T C is 0.3τ to 0.5T D , and T = 0.2s, T C = 0.233 Welding temperature field control method.
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