KR102357042B1 - 선박 용접 장치용 카메라 모듈 및 용접 방법 - Google Patents

Abstract

선박 용접 장치용 카메라 모듈 및 용접 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 용접 장치용 카메라 모듈은, 용접 전 상태를 촬영하는 제1 카메라부; 용접 중 용융풀을 관찰하는 제2 카메라부; 전면이 개구되고 내부가 빈 프레임 구조를 가져 상기 제1 카메라부 및 상기 제2 카메라부가 상기 전면으로 렌즈가 향하도록 장착되는 카메라 케이스; 및 상기 카메라 케이스의 전면에 설치되며, 개구부에는 보호유리가 설치되고, 용접 중에 상기 보호유리를 보호하는 보호가스를 분사하는 가스 분사 브라켓을 포함하되, 상기 가스 분사 브라켓에는 상기 제2 카메라부에 상응하여 상기 보호유리의 후면에 차광유리가 설치될 수 있다.

Description

선박 용접 장치용 카메라 모듈 및 용접 방법{Camera module for vessel welding device and welding method}

본 발명은 선박 용접 장치용 카메라 모듈 및 용접 방법에 관한 것이다.

조선, 해양플랜트와 같은 해양구조물의 건조에는 용접 작업이 필수적이다. 용접 작업을 위해 용접 캐리지 혹은 용접 로봇이 이용된다.

용접 중에는 작업자가 용융풀(molten pool)을 보고 용접 와이어 위치를 맞춰주게 된다. 이러한 작업을 자동 장비에 적용하기 위해서는 용융풀 카메라를 장착한다.

이 때 용접으로 인해 발생되는 흄이나 용접 환경의 분진, 먼지 등이 용융풀 카메라에 부착되며, 이를 방지하기 위해서는 별도의 보호 커버 장치가 필요한 실정이다.

한국공개특허 제10-2013-0084075호 (2013.07.24. 공개) - 예열장치를 탑재한 용접 캐리지

본 발명은 용접시 보호가스를 이용하여 카메라를 보호하고 용융풀을 관찰할 수 있는 선박 용접 장치용 카메라 모듈 및 용접 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 선박 용접(예컨대, FCAW 용접) 시 2개의 카메라를 이용하되, 용접 중에도 용접선을 확인할 수 있어 용접 작업의 정밀도를 높일 수 있는 선박 용접 장치용 카메라 모듈 및 용접 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박 용접 장치에 설치되는 카메라 모듈로서, 용접 전 상태를 촬영하는 제1 카메라부; 용접 중 용융풀을 관찰하는 제2 카메라부; 전면이 개구되고 내부가 빈 프레임 구조를 가져 상기 제1 카메라부 및 상기 제2 카메라부가 상기 전면으로 렌즈가 향하도록 장착되는 카메라 케이스; 및 상기 카메라 케이스의 전면에 설치되며, 개구부에는 보호유리가 설치되고, 용접 중에 상기 보호유리를 보호하는 보호가스를 분사하는 가스 분사 브라켓을 포함하되, 상기 가스 분사 브라켓에는 상기 제2 카메라부에 상응하여 상기 보호유리의 후면에 차광유리가 설치되는, 선박 용접 장치용 카메라 모듈이 제공된다.

상기 가스 분사 브라켓은 보호가스 라인이 연결되어 상기 보호가스를 분사하는 에어노즐부를 포함하며, 상기 에어노즐부는 상기 상기 가스 분사 브라켓의 개구부의 하부 전방에 배치되며, 측면에는 가스주입부가 마련되어 상기 보호가스 라인이 연결되고, 내부에는 길이방향으로 가스배관이 형성되고, 상기 가스배관에는 상방으로 복수의 배출홀이 연통되어 있어 상기 보호유리의 전면으로 상기 보호가스를 분사할 수 있다.

상기 카메라 케이스의 상면에는 상기 제1 카메라부 및 상기 제2 카메라부의 위치를 조정하는 장공 구조의 위치 조정공이 관통 형성되며, 상기 제1 카메라부를 고정시키기 위한 제1 위치 조정공 세트와 상기 제2 카메라부를 고정시키기 위한 제2 위치 조정공 세트는 서로 경사지게 배치되어 용접지점에서 뷰가 일치하게 할 수 있다.

한편 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 선박 용접 토치용 카메라 모듈을 이용한 용접 방법으로서, 용접할 영역의 용접 시작점에서 용접 종료점까지 용접 로봇을 이동시키면서 제1 카메라부를 이용하여 제1 카메라 영상을 촬영하는 단계; 상기 제1 카메라 영상을 분석하여 용접선을 추출하는 단계; 다시 용접 시작점으로 원위치한 후, 용접 시작점에서 용접 종료점까지 용접을 수행하는 단계; 및 제2 카메라부를 활성화시켜 용접중 용융풀을 관찰하는 단계를 포함하되, 상기 제2 카메라부에서 촬영하는 제2 카메라 영상에 상기 제1 카메라 영상에서 추출한 상기 용접선을 중첩 표시시키는 단계를 더 포함하는 선박 용접 토치용 카메라 모듈을 이용한 용접 방법이 제공된다.

상기 용접선은 상기 용접 로봇의 위치와 연관되어 추출되며, 상기 제2 카메라 영상에 상기 용접선을 표시할 때 상기 용접 로봇의 현재 위치에 상응하는 위치에서 촬영된 상기 제1 카메라 영상에서 추출된 용접선을 이용할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 용접시 보호가스를 이용하여 카메라를 보호하고 용융풀을 관찰할 수 있는 효과가 있다.

또한, 선박 용접 시 2개의 카메라를 이용하되, 용접 중에도 용접선을 확인할 수 있어 용접 작업의 정밀도를 높일 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 모듈이 적용된 선박 용접 장치를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 용접 장치 중 용접 토치에 장착된 카메라 모듈을 나타낸 도면,
도 3은 카메라 모듈의 사시도,
도 4는 카메라 모듈의 전면에 대한 확대도,
도 5는 가스 분사 브라켓의 사시도,
도 6은 가스 분사 브라켓에서의 가스 분사 모습을 나타낸 도면,
도 7은 카메라부의 구조를 나타낸 도면,
도 8은 카메라부가 카메라 케이스에 조립된 모습을 나타낸 도면,
도 9는 2개의 카메라부의 카메라 뷰 일치 모습을 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 용접 토치용 카메라 모듈을 활용한 용접 방법의 순서도,
도 11은 카메라 화면을 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 모듈이 적용된 선박 용접 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 용접 장치 중 용접 토치에 장착된 카메라 모듈을 나타낸 도면이며, 도 3은 카메라 모듈의 사시도이고, 도 4는 카메라 모듈의 전면에 대한 확대도이며, 도 5는 가스 분사 브라켓의 사시도이고, 도 6은 가스 분사 브라켓에서의 가스 분사 모습을 나타낸 도면이며, 도 7은 카메라부의 구조를 나타낸 도면이고, 도 8은 카메라부가 카메라 케이스에 조립된 모습을 나타낸 도면이며, 도 9는 2개의 카메라부의 카메라 뷰 일치 모습을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 선박 건조 과정에서 용접 작업 시 이용되는 선박 용접 장치(10)가 도시되어 있다. 선박 용접 장치(10)는 용접 캐리지 혹은 용접 로봇의 조작부(매니퓰레이터) 끝단에 용접 토치(20)가 설치된 구조를 가진다. 용접 토치(20)는 보호가스(예. CO₂)로 아크 및 용착 금속을 대기로부터 차폐하면서 아크 용접을 수행할 수 있다.

용접 토치(20)에 의한 용접 과정에서 용접 주변 모니터링 및 용융풀 관찰을 위한 카메라 모듈(100)이 용접 토치 홀더(30)에 의해 용접 토치(20)에 장착될 수 있다.

카메라 모듈(100)은 카메라 케이스(110)에 나란히 배치되는 2개의 카메라부(120/122)를 포함하고 있다. 용접 전 상태(예를 들어, 주변환경)를 확인(혹은 관찰)하기 위한 제1 카메라부(120)와, 용접 중에 용융풀을 관찰하기 위한 제2 카메라부(122)를 포함한다.

카메라 케이스(110)는 내부가 비어 2개의 카메라부(120/122)를 장착할 수 있는 프레임 구조를 가진다. 카메라 케이스(110)에는 각도 조정 브라켓(111)이 연결되어, 용접 토치 홀더(30)에 의해 고정된 카메라 모듈(100)이 바라보는 각도(뷰(view) 각도)를 조정할 수 있다.

카메라 케이스(110)의 전면은 개구되어 있으며, 가스 분사 브라켓(112)이 설치될 수 있다. 가스 분사 브라켓(112)에는 전후 방향으로 2개의 카메라부(120/122)에 상응하는 개구부가 관통 형성되어 있어, 카메라 촬영 시 브라켓에 의한 간섭을 배제할 수 있다.

또한, 가스 분사 브라켓(112)의 개구부에는 보호유리(115)가 설치된다. 보호유리(115)는 용접지점 주변에 대한 모니터링이 가능하도록 하는 부분으로, 투명 유리일 수 있다. 보호유리(115)는 가스 분사 브라켓(112)의 개구부를 완전 차단함으로써 후방에 배치되는 카메라부(120/122)로 이물질(예를 들어, 흄 혹은 먼지)이 유입되는 것을 방지하는 보호커버로서 기능한다.

그리고 제2 카메라부(122)의 전방에는 차광유리(116)가 추가적으로 설치될 수 있다. 차광유리(116)는 용접 중 용융풀을 관찰할 때 빛이 들어오지 않도록 필터링하는 부분으로, 흑색 유리일 수 있다.

가스 분사 브라켓(112)에는 보호가스 라인(미도시)이 연결되어 보호유리(115)의 전면으로 보호가스를 분사하는 에어노즐부(113)가 마련된다. 에어노즐부(113)는 가스 분사 브라켓(112)의 전면, 특히 개구부의 하부 전방에 배치되어 보호유리(115)의 전면으로 보호가스를 분사하게 된다.

에어노즐부(113)의 측면에는 가스주입부(114)가 마련되며, 가스주입부(114)에 보호가스 라인이 연결되어 보호가스가 에어노즐부(113)로 유입되게 할 수 있다. 에어노즐부(113) 내에는 길이 방향으로 가스배관(1141)이 형성되고, 가스배관(1141)에는 상방으로 다수의 배출홀(1131)이 연통되어 있다. 따라서, 가스주입부(114)를 통해 주입된 가스는 가스배관(1141)을 통해 이동하고 배출홀(1131)을 통해 상방으로 배출되는 구조를 가진다(도 6 참조).

에어노즐부(113)에 주입되는 보호가스는 용접에 이용되는 보호가스로서, 용접 시작 시 용접 토치(20)의 끝단에 분사되는 보호가스를 이용하여 보호유리(115)를 흄이나 먼지로부터 보호할 수 있게 된다.

제1 카메라부(120) 및 제2 카메라부(122)는 독립된 카메라 장치로서, 도 7에 도시된 것과 같이 카메라(132)의 전방에 렌즈(130)가 배치된 구조를 가진다. 렌즈(130)는 나사산 결합(B 참조)을 통해 카메라부 케이스에 체결되어 있어, 렌즈(130)를 회전시키는 간단한 조작으로 초점을 조절할 수 있다. 렌즈(130)를 회전시켜 그 위치를 결정한 이후에는 카메라부 케이스에 형성된 체결홀을 통해 고정수단(예를 들어, 무두볼트)으로 고정시킴(A 참조)으로써, 추후 외력 등에 의해 렌즈(130) 위치가 변경되는 것을 방지할 수 있다.

도 8을 참조하면, 제1 카메라부(120) 및 제2 카메라부(122)를 카메라 케이스(110)에 조립하는 과정이 도시되어 있다.

카메라 케이스(110)의 상면에는 카메라부 케이스에 형성된 체결홀에 상응하는 위치조정공(117)이 형성된다. 위치조정공(117)은 소정 길이를 가지는 장공으로, 도 8의 상단에 도시된 것과 같이 제1 카메라부(120) 및 제2 카메라부(122)가 후방에 배치되게 할 수도 있고, 도 8의 하단에 도시된 것과 같이 제1 카메라부(120) 및 제2 카메라부(122)가 전방에 배치되게 할 수도 있다(C 참조). 즉, 제1 카메라부(120) 및 제2 카메라부(122)는 위치조정공(117)의 길이만큼 전후 방향으로 위치 조정이 가능하게 된다.

카메라 케이스(110)에 형성된 위치조정공(117)은 제1 카메라부(120) 고정을 위한 제1 위치 조정공 세트(117A)와, 제2 카메라부(122) 고정을 위한 제2 위치 조정공 세트(117B)로 구분된다. 이 때 제1 위치 조정공 세트(117A)와 제2 위치 조정공 세트(117B)는 서로 평행하지 않고, 상호 경사지게 배치될 수 있다. 이는 도 9에 도시된 것과 같이 제1 카메라부(120)의 뷰(view 1)와 제2 카메라부(122)의 뷰(view 2)가 전방의 일 지점(즉, 용접지점)에서 만나(VIEW 0) 일치하도록 하게 하기 위함이다. 이 때 두 카메라부(120/122)의 뷰가 일치하는 지점은 용접 토치(20)에 의해 용접이 수행되는 용접 작업 평면일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 선박 용접(예를 들어, FCAW 용접) 시작 전 발생되는 CO2 보호가스가 애어노즐 방식으로 분사될 수 있어, 용접 시작과 동시에 에어노즐로 분사된 보호가스가 에어커튼 효과로 용접 흄이나 주변 먼지로부터 카메라 모듈을 보호할 수 있다.

또한, 용융풀 관찰 카메라(제2 카메라부(122))에는 보호가스, 보호유리, 차광유리로 다중 보호가 이루어질 수 있다. 보호유리 및/또는 차광유리는 가스 분사 브라켓에 끼움 결합하는 구조를 가지고 있어 오염 시 그 교체가 용이하게 할 수 있다.

또한, 각 카메라부에 포함되는 카메라와 렌즈는 거리 조정이 가능하게 구성되어 있고, 각 카메라부는 카메라 케이스에 대해 일정 각도를 유지하고 거리 조정이 가능하게 결합될 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 용접 토치용 카메라 모듈을 활용한 용접 방법의 순서도이고, 도 11은 카메라 화면을 나타낸 도면이다.

본 실시예서는 선박 용접 장치(10)가 용접 로봇의 조작부인 것으로 가정하여 설명한다.

우선 용접할 영역으로 용접 로봇을 이동시킨다(단계 S300). 용접 시작점을 WS(Welding Start) 위치로 지정한다.

그리고 용접이 요구되는 용접선을 따라 용접 로봇을 이동시킨다(단계 S310). 즉, 용접 시작점(WS)에서 용접 종료점(WE, Welding End)으로 이동한다. 이 때 제1 카메라부(120)로 용접 전 주변 환경을 촬영한다.

제1 카메라부(120)에 의해 촬영된 영상을 분석하여 주변 환경을 인식하고(단계 S320), 용접선을 추출하고, 그 위치 정보를 획득한다(단계 S330). 도 11의 좌측 상단에는 용접선이 포함된 제1 카메라 영상이 예시되어 있다. 여기서, 영상 분석 알고리즘은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에게 자명한 기술 사항인 바 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이후 용접 로봇은 용접을 위해 용접 시작점(WS)으로 원위치한다(단계 S340).

용접 로봇은 용접 시작점(WS)에서부터 용접 종료점(WE)까지 용접을 시작한다(단계 S350).

이 경우 제2 카메라부(122)가 활성화되어 용접중 상태를 촬영한다(단계 S360, 도 11의 우측 상단 참조). 이 때 제1 카메라부(120)를 동작시켜 단계 S330에서 추출한 용접선이 제2 카메라부(122)에서 촬영하는 제2 카메라 영상에 중첩 표시되게 한다. 여기서, 현재 용접 로봇의 위치에 따라 사전 촬영된 제1 카메라 영상 중 해당 위치에서 촬영한 영상에 기초하여 용접선을 추출하여 중첩 표시시킴으로써 제1 카메라 영상과 제2 카메라 영상을 서로 동기화시킬 수 있다.

용융풀 관찰 시 용접에 의해 발생되는 빛으로 인해 용접 환경 관찰이 어려우며, 용접선에 대한 관찰도 어렵다. 이로 인해 현재 진행중인 용접이 용접선을 따라 제대로 이루어지고 있는지 파악하기가 쉽지 않다. 하지만, 본 실시예에서는 제2 카메라 영상에 사전 촬영한 제1 카메라 영상에서 추출한 용접선을 중첩 표시함으로써, 현재 용접이 용접선을 따라 제대로 수행되고 있는지에 대한 검증이 가능하게 된다.

용접 로봇은 용접선이 중첩 표시된 제2 카메라 영상을 확인하면서 용접을 수행한다(단계 S370). 용접팁이 용접선을 이탈하는 등 필요 시에는 용접 로봇 위치(혹은 조작부의 끝단 위치)를 조정할 수 있다.

용접 종료점에 도달하면 용접이 완료된다(단계 S380).

본 실시예에 따르면, 선박 용접(예컨대, FCAW 용접) 시 2개의 카메라를 이용하되, 용접 중에도 용접선을 확인할 수 있어 용접 작업의 정밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 용접 장치 20: 용접 토치
30: 용접 토치 홀더 100: 카메라 모듈
110: 카메라 케이스 111: 각도 조정 브라켓
112: 가스 분사 브라켓 113: 에어노즐부
1131: 배출홀 114: 가스주입부
1141: 가스배관 115: 보호유리
116: 차광유리 117: 위치조정공
120: 제1 카메라부 122: 제2 카메라부
130: 렌즈 132: 카메라

Claims (5)

1. 선박 용접 장치에 설치되는 카메라 모듈로서,
   용접 전 상태를 촬영하는 제1 카메라부;
   용접 중 용융풀을 관찰하는 제2 카메라부;
   전면이 개구되고 내부가 빈 프레임 구조를 가져 상기 제1 카메라부 및 상기 제2 카메라부가 상기 전면으로 렌즈가 향하도록 장착되는 카메라 케이스; 및
   상기 카메라 케이스의 전면에 설치되며, 개구부에는 보호유리가 설치되고, 용접 중에 상기 보호유리를 보호하는 보호가스를 분사하는 가스 분사 브라켓을 포함하되,
   상기 가스 분사 브라켓에는 상기 제2 카메라부에 상응하여 상기 보호유리의 후면에 차광유리가 설치되는, 선박 용접 장치용 카메라 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스 분사 브라켓은 보호가스 라인이 연결되어 상기 보호가스를 분사하는 에어노즐부를 포함하며,
   상기 에어노즐부는 상기 상기 가스 분사 브라켓의 개구부의 하부 전방에 배치되며, 측면에는 가스주입부가 마련되어 상기 보호가스 라인이 연결되고, 내부에는 길이방향으로 가스배관이 형성되고, 상기 가스배관에는 상방으로 복수의 배출홀이 연통되어 있어 상기 보호유리의 전면으로 상기 보호가스를 분사하는, 선박 용접 장치용 카메라 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 카메라 케이스의 상면에는 상기 제1 카메라부 및 상기 제2 카메라부의 위치를 조정하는 장공 구조의 위치 조정공이 관통 형성되며,
   상기 제1 카메라부를 고정시키기 위한 제1 위치 조정공 세트와 상기 제2 카메라부를 고정시키기 위한 제2 위치 조정공 세트는 서로 경사지게 배치되어 용접지점에서 뷰가 일치하게 하는, 선박 용접 장치용 카메라 모듈.
4. 선박 용접 토치용 카메라 모듈을 이용한 용접 방법으로서,
   용접할 영역의 용접 시작점에서 용접 종료점까지 용접 로봇을 이동시키면서 제1 카메라부를 이용하여 제1 카메라 영상을 촬영하는 단계;
   상기 제1 카메라 영상을 분석하여 용접선을 추출하는 단계;
   다시 용접 시작점으로 원위치한 후, 용접 시작점에서 용접 종료점까지 용접을 수행하는 단계; 및
   제2 카메라부를 활성화시켜 용접중 용융풀을 관찰하는 단계를 포함하되,
   상기 제2 카메라부에서 촬영하는 제2 카메라 영상에 상기 제1 카메라 영상에서 추출한 상기 용접선을 중첩 표시시키는 단계를 더 포함하는 선박 용접 토치용 카메라 모듈을 이용한 용접 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 용접선은 상기 용접 로봇의 위치와 연관되어 추출되며,
   상기 제2 카메라 영상에 상기 용접선을 표시할 때 상기 용접 로봇의 현재 위치에 상응하는 위치에서 촬영된 상기 제1 카메라 영상에서 추출된 용접선을 이용하는, 선박 용접 토치용 카메라 모듈을 이용한 용접 방법.

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