KR20090081713A - 연료전지 스택 자동 적층 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택 자동 적층 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치의 MEA 및 분리판 공급상태를 감지하기 위해 MEA 및 분리판을 흡착 이동시키기 위한 흡착 장치에 초음파 센서를 설치하고, 또한 분리판 소재 공급장치에서 공급되는 분리판 및 간지의 적층 불량을 감지하기 위한 CCD 카메라를 분리판용 흡착 장치에 설치하여, MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치에서 서보모터를 통한 소재의 흡착위치 제어를 더욱 정확히 고속으로 수행할 수 있고, 소재 공급 불량상태를 정확히 검출할 수 있도록 한 연료전지 스택 자동 적층 장치에 관한 것이다.
연료전지, 스택, MEA, 분리판, 초음파 센서, CCD 카메라, 비전 시스템

Description

연료전지 스택 자동 적층 장치{Automatic stacking system for fuel cell stack}
본 발명은 연료전지 스택 자동 적층 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치의 MEA 및 분리판 공급상태를 감지하기 위해 MEA 및 분리판을 흡착 이동시키기 위한 흡착 장치에 초음파 센서를 설치하고, 또한 분리판 소재 공급장치에서 공급되는 분리판 및 간지의 적층 불량을 감지하기 위한 CCD 카메라를 분리판용 흡착 장치에 설치하여, MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치에서 서보모터를 통한 소재의 흡착위치 제어를 더욱 정확히 고속으로 수행할 수 있고, 소재 공급 불량상태를 정확히 검출할 수 있도록 한 연료전지 스택 자동 적층 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
상기 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급 시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열/물 관리 시스템으로 구성된다.
이러한 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
차량에 적용 가능한 연료전지는 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 MEA라 칭함)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓(Gasket) 및 체결기구와, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(Separator)으로 구성된 에너지 변환 장치로서, 수소와 산소(공기)를 주입할 때 전지반응에 의해 전류를 생성한다.
상기 고분자 고체 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, '연료극'이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, '공기극' 혹은 '산소극'이라고도 함)으로 공급된다.
양극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수 소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 음극으로 전달된다.
상기 음극에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 음극으로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
이러한 고분자 고체 전해질형 연료전지의 전극반응을 나타내면 아래의 반응식과 같다.
[연료극에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-
[공기극에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
[전체반응] 2H2 + O2 → 2H2O + 전기에너지 + 열에너지
한편, 연료전지 스택은 알려진 바와 같이 단위 셀을 반복적으로 적층하여 쌓은 전기에너지 발생 장치이며, 이때 단위 셀은 수소와 산소가 반응하여 전기에너지를 발생시키기 위한 최소한의 연료전지 구성요소이다.
이러한 단위 셀 구조는 분리판, 가스확산층(GDL), MEA가 적층된 구조이고, MEA와 양 분리판 사이의 가장자리 부분에 개재되는 가스켓을 구비하며, 상기 MEA와 가스켓이 접착제에 의하여 연결된다.
연료전지 스택을 제작하기 위해서는 MEA와 분리판 등 단위 셀의 구성요소들을 반복적으로 적층하는 과정이 필요하며, 종래에는 이러한 스택 적층 공정이 사람의 손에 의해 이루어졌다.
그러나, 이와 같이 인력으로 작업을 하는 경우에는 적층하는 사람에 따라 작업시간은 물론 연료전지 스택의 성능까지 달라지는 문제가 있으며, 과다한 인력 낭비, 비효율적인 생산, 대량 생산의 어려움 등 여러 문제가 있었다.
이에 따라 연료전지 스택 조립 자동화 장비가 개발된 바 있으며, 스택 조립 자동화 장비에서는 공정간에 분리판을 운반하기 위해 진공 흡착식 운반 장치를 사용하고 있다.
첨부한 도 1은 종래 연료전지 분리판용 진공 흡착식 운반 장치의 예시도이며, 도 2는 분리판 소재 공급장치에서 분리판이 적층되는 상태를 나타낸 도면이다.
분리판 소재 공급장치(미도시)(①위치에 배치)에서 공정에 투입될 분리판(1)을 상하로 적층시켜 놓게 되는데, 이때 투입될 분리판(1)의 표면에는 유체의 기밀 유지를 위한 고무소재의 가스켓(1a)이 접착되어 있다.
이로 인해 분리판 소재 공급장치에서 분리판(1)을 적층시킬 때 상하로 적층되는 두 분리판(1)의 가스켓(1a)이 서로 들러붙어 분리판(1)과 분리판 사이가 접착될 수 있으므로, 가스켓(1a)간의 들러붙음을 방지하기 위해 분리판(1)과 분리판 사이에는 간지(2)를 임시로 끼워넣게 된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 진공 흡착식 운반 장치는 분리판 소재 공급장치에서 적층된 상태로 공급되는 분리판(1)과 간지(2)를 흡착하기 위한 흡착 패드(113)를 포함하여 구성되는 흡착 장치(110)와, 상기 흡착 장치(110)의 상하 구동을 위한 에어 실린더(121)를 포함하여 구성되는 상하 구동 액추에이터(120)와, 상기 흡착 장치(110)와 상하 구동 액추에이터(120)의 수평방향 이동을 위해 슬라이더(151) 및 가이드 레일(152)을 포함하여 구성되는 수평 구동 액추에이터(150)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 수평 구동 액추에이터(150)는 분리판(1)을 최종적으로 스택 적층부(분리판이 MEA와 상하 적층되는 곳임)로 운반하기 위해 흡착 장치(110)를 횡축과 종축의 2방향(종, 횡의 직교 2방향 구동)으로 이동시킬 수 있는 액추에이터로 구비된다.
이러한 진공 흡착식 운반 장치에서는 흡착 장치(110)의 에어 튜브(111)를 통해 공기가 흡입되면, 흡착 패드(113)에 가공된 에어홀(113a)로 공기가 흡입되고, 에어 실린더(121)의 작동으로 플레이트(112) 및 흡착 패드(113)가 하강함에 따라 분리판(1) 1장과 간지(2) 1장을 동시에 흡착한다.
또한 흡착된 분리판(1)과 간지(2)는 슬라이더(152)가 가이드 레일(151)을 따라 횡축을 따라 수평 이동함으로써 ①위치에서 ②위치(미도시된 간지 저장 버켓의 위치)로 운반되고, 여기서 간지(2)만 간지 저장 버켓으로 버려진 뒤 분리판(1)은 MEA와 분리판이 적층되는 스택 적층부로 종축을 따라 수평 이동되며(흡착 장치 및 상하 구동 액추에이터(120)가 수평 구동 액추에이터(150)에 의해 횡방향 및 종방향 으로 이동 제어됨), 스택 적층부에서 분리판(1)이 흡착 패드(113)로부터 분리된 뒤 스택 적층부에 투입되고 나면 흡착 패드(113)는 다시 분리판 소재 공급장치의 위치(①위치)로 이동하여 분리판(1) 및 간지(2)를 운반하는 작업을 반복하게 된다.
덧붙여, ①위치에는 100 여장 정도의 분리판(100)이 공급되며, ②위치에서는 분리판(1)이 흡착 패드(113)에 부착된 상태에서 간지(2)만 하측으로 버려져야 하므로 흡착 패드에 구비된 푸셔(pusher)(미도시됨)가 간지(2)만을 하측으로 밀어 분리판으로부터 분리시켜 줌으로써 간지 저장 버켓에 분리된 간지가 넣어지도록 한다.
상기와 같이 이루어진 진공 흡착식 운반 장치에 대해 연료전지의 분리판용으로 설명하였으나, 연료전지 스택 자동 적층 장치에서 MEA를 운반하기 위한 장치 역시 동일한 형태의 진공 흡착식 운반 장치가 사용된다.
그러나, 이러한 일련의 공정에서는 분리판 및 간지의 흡착위치(흡착의 대상이 되는 분리판 및 간지의 높이)가 정확하지 않아 분리판 및 간지를 흡착하지 못하는 경우가 발생하는 문제점이 있다.
이를 첨부한 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
분리판 소재 공급장치에는 분리판(1) 및 간지(2)가 적층되는 가동 지지판(21)이 구비되며, 상기 가동 지지판(21)은 미도시된 서보모터 및 기어장치에 의해 단계적으로 상승하도록 되어 있는 바, 가동 지지판(21)이 상승하면서 분리판(1) 및 간지(2)가 상승하여 흡착위치로 공급되게 된다.
이때, 측방의 포토센서(22)를 이용해 초기 소재 흡착위치를 세팅한 상태에서 분리판(1) 1장 및 간지(2) 1장이 흡착 장치(110)의 흡착 패드(113)에 흡착되어 이 동되고 나면 상기 서보모터 및 기어장치의 작동에 의해 가동 지지판(21)이 상방으로 이동되면서 그 하측의 분리판 및 간지가 정확히 소재 흡착위치로 올라가게 된다. 이러한 분리판 소재 공급장치의 구성은 MEA 소재 공급장치에도 동일하게 적용된다.
여기서, 상측의 분리판(1) 및 간지(2)가 흡착된 상태로 외부로 이동되어 나가게 되면 이를 포토센서(22)가 감지하는 순간 서보모터 및 기어장치가 작동하고 다시 포토센서가 하측에서 상승한 분리판 및 간지를 감지하는 순간 서보모터 및 기어장치를 멈추도록 해야 하나, 서보모터의 엔코더를 이용해 일정 높이로 상승시킬 때 엔코더의 오동작이 발생하거나 서보모터의 회전운동을 가동 지지판의 상하 직선운동으로 바꿔주는 워엄/기어의 백래쉬가 발생하는 경우, 정확한 상승 위치 이동 및 제어가 불가능하다.
이를 해결하기 위해 리니어 모터를 적용할 수 있지만 비용 문제와 설치위치 공간 문제로 인해 이를 적용하기에는 어려움이 있다.
또한 비접촉식 센서인 포토센서의 온/오프 신호만을 이용하므로 고속동작에 따른 급가속/감속시 정확한 모터 제어가 곤란하며, 측방의 포토센서를 이용하므로 이물질 유입, 도 4에 나타낸 바와 같은 이물질 유입에 따른 분리판(1)과 간지(2) 사이의 공차 발생, 분리판의 적층시 기울어짐 발생 등을 발견하는 것이 불가능하다.
이와 같이 이물질 유입, 비접촉식 센서를 이용한 모터 제어의 불량, 기어장치의 백래쉬 등으로 인한 위치 공차 문제가 발생하여 스택 조립 자동화에 많은 어 려움이 있는 것이다.
그리고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 분리판 소재 공급장치에 분리판(1)과 분리판, 간지(2)와 간지 식으로 분리판이 연속 2장 적층되거나 간지가 연속 2장 적층되는 경우에는 이를 제어장치가 인식하지 못하고 그대로 동작을 해버리는 경우가 빈번히 발생한다.
포토센서를 이용하여 단순 구분시에 주변환경의 변화, 즉 주야간/날씨/계절에 따른 조도명암 변화와 아울러 이물질이 삽입될 때 판단을 할 수가 없다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치의 MEA 및 분리판 공급상태를 감지하기 위해 MEA 및 분리판을 흡착 이동시키기 위한 흡착 장치에 초음파 센서를 설치하고, 또한 분리판 소재 공급장치에서 공급되는 분리판 및 간지의 적층 불량을 감지하기 위한 CCD 카메라를 분리판용 흡착 장치에 설치하여, MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치에서 서보모터를 통한 소재의 흡착위치 제어를 더욱 정확히 고속으로 수행할 수 있고, 소재 공급 불량상태를 정확히 검출할 수 있도록 한 연료전지 스택 자동 적층 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치에서 적층된 상태로 공급되는 MEA와 분리판 및 간지를 흡착하기 위한 흡착 장치와, 상기 흡착 장치의 상하 구동을 위한 상하 구동 액추에이터와, 상기 흡착 장치 및 상하 구동 액추에이터의 수평방향 이동을 위한 수평 구동 액추에이터를 포함하는 진공 흡착식 운반 장치를 구비한 연료전지 스택 자동 적층 장치에 있어서,
MEA용 흡착 장치와 분리판용 흡착 장치에 각각 고정 설치되어, 상기 MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치에서 공급되는 MEA 소재와 분리판 소재에 초음파를 입사하고 소재에서 반사되는 초음파 에코 신호를 수신하는 초음파 센서와;
소재에서 반사된 초음파 에코 신호를 상기 각 초음파 센서로부터 전달받아 초음파 센서와 소재 간 거리를 계산한 뒤 소재의 위치값으로 변환하여 전달하는 신호처리부와;
상기 신호처리부로부터 전달되는 소재의 위치값을 토대로 MEA 소재 공급장치 및 분리판 소재 공급장치의 소재 공급용 서보모터를 피드백 제어하는 통합제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 신호처리부는 상기 각 초음파 센서로부터 전달되는 초음파 에코 신호의 주파수를 분석하여 소재의 기울어짐을 판단하고, 소재의 기울어짐을 판단한 경우 상기 신호처리부가 출력하는 신호에 따라 상기 통합제어부가 에러 메시지를 발생시켜 작업자에게 알려주도록 된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 분리판용 흡착 장치에 설치되어, 상기 분리판 소재 공급장치에서 공급되는 소재의 상면을 실시간으로 촬영하는 CCD 카메라를 더 포함하며,
이때 상기 신호처리부가 상기 CCD 카메라로부터 전달되는 영상정보 신호를 기초로 하여 분리판 소재 공급장치에서 공급되는 최상측의 소재가 분리판인지 간지인지를 판별한 뒤 그 분석된 결과 신호를 상기 통합제어부에 전달하도록 된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 통합제어부는 상기 신호처리부로부터 최상측에 간지가 있는 경우를 판단한 결과 신호를 전달받게 되면, 분리판용 흡착 장치, 상하 구동용 액추에이터, 수평 구동용 액추에이터를 제어하여, 분리판 소재 공급장치에서 최상측의 간지를 간지 저장 버켓으로 이동시켜 제거하도록 하도록 된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 신호처리부는 영상정보 신호에 대해 주파수 변환 과정을 거친 뒤 주변 노이즈 화소 제거 및 특정 화소 대역만 선택할 수 있는 필터를 사용하여 간지 및 분리판을 분리한 다음 주파수 역변환하여 데이터를 저장하고 화소의 값으로부터 색상을 판단하여 간지와 분리판을 판별하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 신호처리부는 영상정보 신호로부터 이물질을 판단하고, 상기 통합제어부가 상기 신호처리부의 이물질 검출신호를 전달받아 에러 메시지를 발생시켜 작업자에게 알려주도록 된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 연료전지 스택 자동 적층 장치에 의하면, MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치의 MEA 및 분리판 공급상태를 감지하기 위해 MEA 및 분리판을 흡착 이동시키기 위한 흡착 장치에 초음파 센서를 설치하고, 또한 분리판 소재 공급장치에서 공급되는 분리판 및 간지의 적층 불량을 감지하기 위한 CCD 카메라를 분리판용 흡착 장치에 설치하여, MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치에서 서보모터를 통한 소재의 흡착위치 제어를 더욱 정확히 고속으로 수행할 수 있고, 소재 공급 불량상태를 정확히 검출할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
종래의 분리판 소재 공급장치에서는, 서보모터를 제어하기 위해 모터의 엔코더를 사용할 경우에서 기어장치의 기구적인 백래쉬가 발생하고, 비접촉식 센서인 포토센서와 같은 PM 센서를 사용할 경우에서 소재의 허용위치 도달 여부를 온/오프 신호만으로 감지해야 하므로, 정확한 모터 위치 제어가 힘들게 된다. 이에 따라, 본 발명에서는 MEA 소재 공급장치와 분리판 소재 공급장치에서 초음파 센서를 이용하여 연속된 위치값을 피드백하여 서보모터의 정확한 고속 위치 제어가 가능하도록 한다.
또한 본 발명에서는 간지와 분리판의 색상이 다르므로 CCD 카메라를 포함하는 비전 시스템(vision system)을 이용해 분리판 소재 공급장치에서 분리판/간지의 공급상태를 판단하고 이를 통해 횡축 동작 스트로크 방향을 제어할 수 있는 시스템으로 구성한다.
첨부한 도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택 자동 적층 장치를 도시한 전체 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 연료전지 스택 자동 적층 장치에서 흡착 장치에 설치된 초음파 센서와 CCD 카메라의 설치상태를 나타낸 상세도이다.
또한 첨부한 도 8은 본 발명에 따른 연료전지 스택 자동 적층 장치에서 초음파 센서 및 CCD 카메라를 이용한 통합제어장치의 구성도이며, 도 9는 본 발명에 따른 센서 및 통합제어장치에 의한 연료전지 스택 자동 적층 장치의 동작 순서를 나타낸 순서도이다.
전술한 바와 같이, 분리판 소재 공급장치(20)에는 분리판(1) 및 간지(2)가 한 장씩 번갈아 적층된 상태에서 분리판 및 간지가 올려진 가동 지지판을 서보모터 및 기어장치에 의해 상방으로 단계적으로 올려주어 분리판 및 간지를 정해진 흡착위치로 공급해주게 되며, 분리판 소재 공급장치(20)와 마찬가지로 MEA 소재 공급장치(10)에서도 간지와 분리판이 MEA로 대체될 뿐 MEA(3)가 적층된 상태에서 서보모터 및 기어장치에 의해 상승하여 공급되는 것은 종래와 동일하다.
또한 도 6에서 진공 흡착식 운반 장치는 종래와 마찬가지로 MEA 소재 공급장치(10)와 분리판 소재 공급장치(20)에서 적층된 상태로 공급되는 MEA(3)와 분리판(1) 및 간지(2)를 흡착하기 위한 흡착 패드(113,133)를 포함하여 구성되는 흡착 장치(110,130)와, 상기 흡착 장치(110,130)의 상하 구동을 위한 에어 실린더를 포함하여 구성되는 상하 구동 액추에이터(120,140)와, 상기 흡착 장치(110,130)와 상하 구동 액추에이터(120,140)의 수평방향 이동을 위해 슬라이더(152) 및 가이드 레일(151)을 포함하여 구성되는 수평 구동 액추에이터(150)를 포함하여 구성된다.
여기서, 분리판용 흡착 장치(110)에는 분리판(1)과 간지(2)를 함께 흡착한 뒤 별도 구비된 간지 저장 버켓(미도시됨)에서 간지(2)만을 분리시켜야 하므로 분리판과 간지를 흡착하기 위한 진공식 흡착 패드(도 7에서 도면부호 113 : 분리판용 흡착 패드, 도면부호 114 : 간지용 흡착 패드) 외에 추가로 분리판(1)에서 간지(2)만을 하방으로 밀어주어 분리시키기 위한 푸셔(pusher)(115)가 구비된다(도 7은 분리판용 흡착 장치(110)를 도시한 예이나, MEA용 흡착 장치에서는 간지용 흡착 패드(114)와 푸셔(115)가 삭제되고, 후술하는 바와 같이 초음파 센서(도 8에서 도면부호 135로 표시함)는 동일하게 설치됨).
또한 상기 수평 구동 액추에이터(150)는 분리판을 최종적으로 스택 적층 부(160)로 운반하기 위해 흡착 장치를 횡축과 종축의 2방향(종, 횡의 직교 2방향 구동)으로 이동시킬 수 있는 액추에이터로 구비된다.
이와 같은 연료전지 스택 자동 적층 장치에서, MEA용 흡착 장치(130)와 분리판용 흡착 장치(110)가 동시에 하강하여, 각각 MEA 소재 공급장치(MEA가 적층된 상태로 공급)(10)와 분리판 소재 공급장치(분리판과 간지가 한 장씩 번갈아 적층된 상태로 공급)(10)에 적층되어 있는 MEA(3)와 분리판(1) 및 간지(2)를 흡착한다.
이후 분리판용 흡착 장치(110)는 간지 저장 버켓으로 이동하여 푸셔(115)를 이용해 간지(2)만을 분리하여 버린 뒤 분리판(1)만 흡착한 상태로 스택 적층부(160)로 이동하고, 스택 적층부(160)에서 분리판을 미리 적층된 MEA 소재 위에 적층시킨다.
또한 MEA용 흡착 장치(130)는 MEA(3)를 흡착한 상태로 스택 적층부(160)로 이동하여 분리판용 흡착 장치(110)에 의해 이동하여 적층된 분리판 위에 MEA를 적층하게 된다.
이와 같이 MEA용 흡착 장치(130)와 분리판용 흡착 장치(110)가 각각 MEA 소재 및 분리판 소재를 스택 적층부(160)로 이동시켜 MEA 소재와 분리판 소재를 적층시키게 되며, 이러한 적층 과정을 반복하여 목표 수량이 적층되면 작업을 완료하게 된다.
한편, 본 발명에서는 MEA 소재 공급장치(10)와 분리판 소재 공급장치(20)의 MEA(3) 및 분리판(1)의 공급상태를 감지하기 위해 MEA 및 분리판을 흡착 이동시키기 위한 흡착 장치(110,130)에 초음파 센서(115,135)를 설치하고, 또한 분리판 소 재 공급장치(20)에서 공급되는 분리판(1) 및 간지(2)의 적층 불량을 감지하기 위해 흡착 장치(110)에 설치된 CCD 카메라(116)를 포함한 비전 시스템을 사용하는데 주된 특징이 있는 것이다.
여기서, 초음파 센서(115)와 CCD 카메라(116)는 도 7에 나타낸 바와 같이 흡착 장치(110)의 흡착 패드(113) 하단부에 각각 고정 설치되는데, 초음파 센서(115)는 공지된 바와 같이 초음파를 발생시켜 하방의 소재 쪽으로 입사하는 초음파 발생부와 소재에서 반사된 초음파 에코 신호를 수신하여 전달하는 초음파 수신부를 포함하여 구성된다.
우선, 본 발명에서는 초음파 센서(115,135)를 통해 MEA 소재 공급장치(10)와 분리판 소재 공급장치(20)에 적층 공급되는 MEA 소재(3)와 분리판 소재(1)의 규정된 흡착위치 도달 여부를 감지하고, MEA(3) 및 분리판 소재(1)의 기울어짐 등 공급 불량상태를 감지하며, 또한 MEA 소재 공급장치(10)와 분리판 소재 공급장치(20)에 구비된 각 서보모터의 제어가 초음파 센서(115,135)의 검출신호를 기초로 하여 통합제어장치에 의해 제어된다.
이때, 상기 초음파 센서에는 신호처리부가 연결되어 구비되는데, 신호처리부에서 트리거 신호를 일정주기 간격으로 계속해서 발생시켜주면 이에 따라 초음파 센서의 초음파 발생기가 초음파를 발생시켜 소재 쪽으로 출력하게 되며, 소재에서 반사되어 돌아오는 초음파 에코 신호를 초음파 수신부가 입력받게 되면 이를 신호처리부(101)로 전달하여 초음파 신호의 처리 및 분석이 이루어지게 된다.
상기 신호처리부(101)에서는 초음파 수신부로부터 전달되는 초음파 에코 신 호를 바탕으로 소재와의 거리를 계산한 뒤 소재의 위치값으로 변환하여 상위 제어요소인 통합제어부(102)로 전달하는 바, 통합제어부(102)의 컴퓨터는 신호처리부(101)로부터 전달된 소재의 위치값을 토대로 MEA 소재 공급장치(10) 및 분리판 소재 공급장치(20)의 서보모터를 피드백 제어하게 된다.
즉, 초음파 센서(115,135)의 검출신호를 토대로 MEA 소재 공급장치(10)와 분리판 소재 공급장치(20)에서 MEA(3)와 분리판(1) 및 간지(2)의 소재 상승을 위한 정확한 모터 제어가 이루어지는 것이며, 초음파 센서를 통해 목표 흡착위치의 확인이 이루어지고 초음파 센서의 검출값을 토대로 서보모터를 통한 소재 흡착위치의 정확한 피드백 제어가 이루어지게 되는 것이다.
이와 같이 서보모터가 초음파 센서(115,135)에 의해 피드백 제어됨으로써 MEA(3)와 분리판(1)의 정확한 흡착위치가 제어될 수 있게 된다.
신호처리부(101)는 소재에서 반사되어오는 에코 신호를 상기 초음파 센서(115,135), 보다 명확히는 초음파 수신부로부터 입력받아서 초음파가 소재에서 반사되어 도달하기까지 걸린 지연시간을 카운터하여 측정한 뒤 위치값으로 변환하게 되는데, 아래 식(1)과 같이 소재와의 거리가 계산되게 된다.
d = v ×t
여기서, d는 왕복거리로서 소재와의 실제 거리(L)는 d/2가 되며, v는 초음파의 속도를, t는 지연시간을 나타낸다.
상기 신호처리부(101)로는 고속 DSP(Digital Signal Processing) 보드(고속 프로세싱용 클럭 2MHz 및 H/W 인터럽트 사용시 정밀도 1mm 이내)가 적용 가능하다.
또한 상기 신호처리부(101)는 초음파 센서(115,135)의 신호로부터 MEA 소재 공급장치(10)와 분리판 소재 공급장치(20)에서 중간에 이물질 혹은 잘못된 적재로 소재가 기울어져 있음을 판단할 수 있는데, 초음파 센서의 전면과 반사체(소재) 사이의 각(방위각)이 0이 아닐 경우 진행방향에 따른 주파수 편이가 발생하여 초음파 신호의 주파수 분석값을 통해 확인이 가능하며, 이를 통해 소재의 기울어진 각도를 추출하게 된다.
이와 같이 신호처리부(10)에 의해 분석된 결과가 통합제어부(102)로 전달되면 통합제어부는 신호처리부로부터 전달되는 소재 위치값을 토대로 공급 소재 상승을 위한 서보모터의 제어를 수행하며, 또한 소재의 기울어짐이 발생한 경우라면 에러 메시지를 발생시켜 작업자에게 알려주게 된다.
한편, 분리판용 흡착 장치(110)에 설치된 CCD 카메라(116)는 분리판 소재 공급장치(20)에 적층된 공급 소재의 상면을 실시간으로 촬영하여 그 촬영된 영상정보를 출력하게 되는데, 이 CCD 카메라(116)로부터 출력되는 영상정보 신호가 신호처리부로 전달되도록 되어 있다.
상기 CCD 카메라(116)는 분리판 소재 공급장치(20)에 적층된 소재, 즉 분리판(1) 및 간지(정상적인 공급상태에서 분리판을 통해 노출되는 간지 부분이 촬영됨)를 촬영하여 소재의 올바른 공급상태인지를 확인할 수 있도록 해주는 일종의 비전센서가 되며, 정상적인 공급상태에서는 분리판이 최상측에, 그리고 그 하측에 간지가 위치되고, 그 하측에서 분리판과 간지가 번갈아 한 장씩 적층되어 있게 되는 바, 본 발명에서는 CCD 카메라를 포함한 비전 시스템을 이용하여 최상측의 소재가 분리판인지 간지를 판별하고 또한 이물질 포함 여부를 확인하여 만약 간지가 최상측에 위치할 경우나 이물질이 포함되어 있다면 에러 메시지를 발생시켜 작업자에게 알려주게 된다.
즉, CCD 카메라(116)가 분리판 소재 공급장치(20)의 소재 공급상태를 촬영하여 신호처리부(101)로 전달하게 되면, 신호처리부(101)는 CCD 카메라(116)에 의해 촬영된 영상정보로부터 정상상태로 최상측에 분리판이 있고 그 하측에 간지가 있는지, 또는 도 5의 우측 도면에 나타낸 바와 같이 공급 소재에서 간지가 최상측에 있는 경우(분리판은 보이지 않음)인지를 구별하게 되고, 또한 소재에 붙어 있는 이물질을 검출하게 된다.
이때, 상기 신호처리부(101)는 최상측에 간지가 있는 경우를 판단하게 되면 이를 통합제어부(102)에 전달하여 통합제어부로 하여금 에러 메시지를 발생시키는 동시에 분리판용 흡착 장치(110)를 이용해 간지를 흡착한 뒤 간지 저장 버켓으로 이동시켜 제거하도록 하게 된다.
또한 이물질이 검출되면 신호처리부(101)의 이물질 검출신호를 전달받아 통합제어부(102)가 에러 메시지를 발생시켜 작업자에게 알려주며, 장치 작동을 중단시키도록 할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서 신호처리부(101)는 초음파 에코 신호를 처리하는 동시에 CCD 카메라(116)의 영상정보 신호를 실시간으로 처리하게 되며, 날씨 및 주변환경, 조명 등에 따른 변화를 감지하여 불량률을 막기 위한 지능형 알고리즘 처리를 위해 디지털 데이터 신호 처리를 하게 된다.
즉, 상기 신호처리부(101)는 불필요한 주변 노이즈 화소 제거 및 특정 색상(간지-회색/분리판-분홍색으로 처리) 구간만 선택할 수 있는 영상처리 및 실시간 데이터 프로세싱을 위한 고속 DSP 보드를 적용하며, DSP가 적용된 신호처리부의 영상처리 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 10은 본 발명에서 DSP가 적용된 신호처리부의 영상처리 과정의 일 예를 설명하는 도면으로서, CCD 카메라(116)에 의해 촬영되어 출력되는 아날로그 영상정보 신호가 신호처리부(101)에 입력되면, 영상정보 데이터가 AD 변환기 인터페이스를 통해 메모리에 저장되고, 이와 동시에 신호처리부(101) 내에서는 영상정보 데이터를 주파수 변환 과정을 거친 뒤 디지털 필터링 기법을 이용해 특정 화소 대역만 선택할 수 있는 대역폭(bandwidth) 필터를 사용하여 간지 및 분리판을 분리한 다음(주변의 조명에 따른 주파수 변화는 적응 필터(adaptive filter)를 사용하여 추종함), 주파수 역변환을 한 뒤 데이터를 저장하고 화소의 값으로 색상을 판단, 즉 간지와 분리판을 판단하게 된다.
또한 신호처리부(101)에서는 윤곽선 추출 처리 기법을 이용하여 영상정보 데이터에서 다각형 폐곡선으로 연속되는 부분이 있는 경우 이를 이물질로 판단하게 된다.
이와 같이 신호처리부(101)가 판단한 결과는 통합제어부(102)의 컴퓨터로 전달되고, 통합제어부(102)는 신호처리부(101)로부터 전달된 결과에 따라 전술한 바와 같이 분리판용 흡착 장치(110), 상하 구동 액추에이터(130), 수평 구동 액추에이터(150)의 구동을 적절히 제어하게 된다.
즉, 분리판 소재 공급장치(20)에서 간지가 최상측에 잘못 놓여 있음을 판단한 경우 분리판용 흡착 장치(110)와 상하 구동 액추에이터(120), 수평 구동 액추에이터(150)를 구동하여 간지만을 흡착한 뒤 간지 버켓 저장부로 이동시키는 제어를 수행하고, 분리판 소재 공급장치(20)의 정상적인 소재 공급상태를 판단하게 되면 도 9에 나타낸 바와 같이 분리판/간지를 정상적으로 흡착하여 이동시킨 뒤 스택 적층부에 적층시키기 위한 제어를 수행하게 된다.
최종적으로 스택 적층부에 MEA 및 분리판이 목표 개수만큼 적층되고 나면 작업을 완료하게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 MEA용 흡착 장치 및 분리판용 흡착 장치에 설치된 초음파 센서를 이용하여 서보모터를 통한 소재의 흡착위치 제어를 더욱 정확히 고속으로 수행할 수 있게 되고, 분리판 소재 공급장치에서 주로 발생하고 있는 분리판과 간지의 공차 문제와 이물질 혹은 작업자의 불량 적재에 의한 공급 소재의 기울어짐 등 소재 공급 불량상태를 정확히 검출하여 작업자에게 통보할 수 있게 된다. 결국, 초음파 센서를 활용하여 MEA 및 분리판 소재 공급 장치의 종래 위치 제어 문제를 해결함으로써 생산 증대 및 효율성 개선의 효과가 있게 된다.
또한 본 발명에서는 비전 카메라 센서(CCD 카메라)를 이용하여 치명적인 에러가 되는 분리판과 간지의 잘못된 배열을 확인할 수 있게 되며, 특히 주변환경 및 조도 영향을 최소화할 수 있게 됨에 따라 에러 발생으로 인한 작업시간을 대폭 축소할 수 있게 된다.
도 1은 종래 연료전지 분리판용 진공 흡착식 운반 장치의 예시도,
도 2는 분리판 소재 공급장치에서 분리판이 적층되는 상태를 나타낸 도면,
도 3은 종래 분리판 소재 공급장치에서 분리판 및 간지가 공급되는 상태를 나타낸 도면,
도 4는 종래 분리판과 간지 사이의 공차 발생을 보여주는 도면,
도 5는 종래기술에 따른 문제점을 설명하는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택 자동 적층 장치를 도시한 전체 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 스택 자동 적층 장치에서 흡착 장치에 설치된 초음파 센서와 CCD 카메라의 설치상태를 나타낸 상세도,
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 스택 자동 적층 장치에서 초음파 센서 및 CCD 카메라를 이용한 통합제어부의 구성도,
도 9는 본 발명에 따른 센서 및 통합제어부에 의한 연료전지 스택 자동 적층 장치의 동작 순서를 나타낸 순서도,
도 10은 본 발명에서 DSP가 적용된 신호처리부의 영상처리 과정의 일 예를 설명하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 신호처리부 102 : 통합제어부
110, 130 : 흡착 장치 115, 135 : 초음파 센서
116 : CCD 카메라 120, 140 : 상하 구동 액추에이터
150 : 수평 구동 액추에이터

Claims (6)

  1. MEA 소재 공급장치(10)와 분리판 소재 공급장치(20)에서 적층된 상태로 공급되는 MEA(3)와 분리판(1) 및 간지(2)를 흡착하기 위한 흡착 장치(110,130)와, 상기 흡착 장치(110,130)의 상하 구동을 위한 상하 구동 액추에이터(120,140)와, 상기 흡착 장치(110,130) 및 상하 구동 액추에이터(120,140)의 수평방향 이동을 위한 수평 구동 액추에이터(150)를 포함하는 진공 흡착식 운반 장치를 구비한 연료전지 스택 자동 적층 장치에 있어서,
    MEA용 흡착 장치(130)와 분리판용 흡착 장치(110)에 각각 고정 설치되어, 상기 MEA 소재 공급장치(10)와 분리판 소재 공급장치(20)에서 공급되는 MEA 소재와 분리판 소재에 초음파를 입사하고 소재에서 반사되는 초음파 에코 신호를 수신하는 초음파 센서(115,116)와;
    소재에서 반사된 초음파 에코 신호를 상기 각 초음파 센서(115,116)로부터 전달받아 초음파 센서와 소재 간 거리를 계산한 뒤 소재의 위치값으로 변환하여 전달하는 신호처리부(101)와;
    상기 신호처리부(101)로부터 전달되는 소재의 위치값을 토대로 MEA 소재 공급장치(10) 및 분리판 소재 공급장치(20)의 소재 공급용 서보모터를 피드백 제어하는 통합제어부(102);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호처리부(101)는 상기 각 초음파 센서(115,135)로부터 전달되는 초음파 에코 신호의 주파수를 분석하여 소재의 기울어짐을 판단하고, 소재의 기울어짐을 판단한 경우 상기 신호처리부(101)가 출력하는 신호에 따라 상기 통합제어부(102)가 에러 메시지를 발생시켜 작업자에게 알려주도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판용 흡착 장치(110)에 설치되어, 상기 분리판 소재 공급장치(20)에서 공급되는 소재의 상면을 실시간으로 촬영하는 CCD 카메라(116)를 더 포함하며,
    이때 상기 신호처리부(101)가 상기 CCD 카메라(116)로부터 전달되는 영상정보 신호를 기초로 하여 분리판 소재 공급장치(20)에서 공급되는 최상측의 소재가 분리판인지 간지인지를 판별한 뒤 그 분석된 결과 신호를 상기 통합제어부(102)에 전달하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 통합제어부(102)는 상기 신호처리부(101)로부터 최상측에 간지가 있는 경우를 판단한 결과 신호를 전달받게 되면, 분리판용 흡착 장치(110), 상하 구동용 액추에이터(120), 수평 구동용 액추에이터(150)를 제어하여, 분리판 소재 공급장치(20)에서 최상측의 간지를 간지 저장 버켓으로 이동시켜 제거하도록 하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 신호처리부(101)는 영상정보 신호에 대해 주파수 변환 과정을 거친 뒤 주변 노이즈 화소 제거 및 특정 화소 대역만 선택할 수 있는 필터를 사용하여 간지 및 분리판을 분리한 다음 주파수 역변환하여 데이터를 저장하고 화소의 값으로부터 색상을 판단하여 간지와 분리판을 판별하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 신호처리부(101)는 영상정보 신호로부터 이물질을 판단하고, 상기 통합제어부(102)가 상기 신호처리부(101)의 이물질 검출신호를 전달받아 에러 메시지를 발생시켜 작업자에게 알려주도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 자동 적층 장치.
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