KR20150081944A - 아크 용접 모니터링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용접 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 용접 모니터링 시스템은 지그 상에 위치하는 모재에 아크 용접을 수행하는 용접봉; 실시간 용접 전압을 연속적으로 측정하는 전압 측정부; 실시간 용접 전류를 연속적으로 측정하는 전류 측정부; 상기 측정된 용접 전압 및 용접 전류의 이동 평균값을 주기적으로 각각 산출하는 파형 산출수단; 및 상기 이동 평균값 파형과 기 설정된 기준 평균값 파형을 비교하여 용접의 상태를 판정하는 용접상태 판정수단;를 포함한다.
본 발명에 따르면 일정한 기준값에 대한 오차범위가 아닌 표준(기준)파형에 대한 오차범위를 설정함으로써 신뢰성 있는 용접 모니터링이 가능하며, 오차범위를 종래에 비하여 더 작은 범위로 설정함에도 불구하고 용접 상태 판별의 신뢰도는 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

아크 용접 모니터링 시스템{Monitoring system for arc welding}
본 발명은 용접 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실시간으로 아크 용접 상태를 모니터링 할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
용접 산업은 조선, 자동차, 건설, 전자 등과 같은 용접 공정이 제품의 품질, 생산성, 제조원가에 큰 영향을 미친다. 용접 분야에서도 이제는 용접이 가능한가의 여부보다는 품질과 생산성이 기업의 부가가치 창출에 있어서 중요한 요소로 대두되고 있다.
용접 모니터링 시스템은 일반적으로 용접 공정에서 좋은 용접품질을 확보하고 실시간으로 확인 및 적절한 조리를 위하여, 각 용접 프로세스에 적합한 다양한 센서를 사용하여 실시간으로 계측 및 결과분석을 통해 용접부의 품질을 예측 평가 관리하는 시스템을 의미한다.
산업용 용접 로봇을 이용하여 제품을 생산할 경우에는 작업자가 직접 현장에서 용접 품질을 감시하고 있지 못하기 때문에 품질의 자동감사, 즉 품질 모니터링의 중요성이 강조되고 있는 실정이다.
수동 용접이나 반자동 용접 공정에서는 작업자의 기능과 용접기의 성능에 따라 용접 품질이 결정된다고 볼 수 있으므로 작업자의 기능 수준 평가와 용접기의 정확한 성능 평가 없이는 요구되는 품질을 연속적으로 얻기가 힘들다.
또한 용접 공정에 따른 조건 설정, 용접 상황 확인, 불량 추이 및 유형 확인, 용접 데이터의 저장 및 통계처리, 불량 발생시 원인 규명 등의 어려움을 해결할 수 있다.
따라서, 실시간으로 용접품질을 측정 및 평가하여 요접부의 양부를 판단할 수 있는 시스템과 각 용접 프로세스 또는 특정한 용접조건별로 주요한 파라미터의 측정 및 측정값에 대한 용접부 품질 평가 알고리즘의 개발이 필요하다.
일반적으로 용접의 불량 상태를 판별하는 방법에는 비드모양(용접하면 나타나는 모양)을 눈으로 확인하는 방법과, 이를 샘플링하여 초음파 및 레이저를 이용한 비파괴 검사를 실시하는 방법 등이 있다. 다만 이러한 방법은 실시간으로 모니터링을 하는 방법이 아니라 사후적 조사에 불과하여 정밀한 용접 작업에 도입하기에는 부족한 방법이라 할 수 있다.
실시간으로 용접의 이상유무를 판별하기 위하여 용접시 전압과 전류를 파형을 측정하여 기록을 남기게 된다. 모재의 재질과 두께에 따라 최적의 전압 및 전류의 값을 다르게 설정하여 용접을 실시한다. 용접에서는 이 최적의 전압 값과 전류 값에 대한 파형을 측정을 하면서 판별을 하는데 일정한 기준 값 이상 혹은 이하가 되면 불량 용접이라고 판별을 하게 된다.
예를 들면 용접 시 모재 A의 경우 전압 15V 전류 150A를 용접기에 입력을 하면 용접이 시작되면 용접하는 시간에 전압과 전류의 파형을 측정한다. 이 때 15V±2V, 160A±5A의 범위를 넘어서면 불량으로 판정한다.
다만 이러한 경우에는 다음과 같은 문제점이 발생한다. 첫째, 용접 시 주위의 환경, 상황 등에 따라 전압 및 저류 측정 파형이 달리 나타나게 되는 데 이러한 주위 상황에 따른 변화에 의하여 기준치를 벗어나는 모든 경우에 대하여 용접 불량으로 판정하는 경우 정상적인 용접 또한 불량으로 판정되는 경우가 빈번하게 발생함으로써 용접 모니터링 시스템의 신뢰도가 저하된다. 둘째, 용접기 자체에서 제공하는 단자를 이용하여 전압 및 전류를 측정하는 경우 실제 용접 대상 제품에 적용되는 전압 및 전류와는 정확히 일치하지 않음으로써 모니터링 시스템의 정확성이 떨어지게 된다.
본 발명은 전압 및 전류의 비교 대상을 일정한 기준값이 아닌 보다 신뢰성 있는 데이터 값에 의하여 용접의 불량 판정을 수행하는 용접 시스템을 제공한다.
또한 본 발명은 신뢰성 있는 용접 상태의 판정을 위하여 용접 작업에 관련된 전류 및 전압을 정확히 측정할 수 있는 용접 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 용접 모니터링 시스템은 지그 상에 위치하는 모재에 아크 용접을 수행하는 용접봉; 실시간 용접 전압을 연속적으로 측정하는 전압 측정부; 실시간 용접 전류를 연속적으로 측정하는 전류 측정부; 상기 측정된 용접 전압 및 용접 전류의 이동 평균값을 주기적으로 각각 산출하는 파형 산출수단; 및 상기 이동 평균값 파형과 기 설정된 기준 평균값 파형을 비교하여 용접의 상태를 판정하는 용접상태 판정수단;를 포함한다.
또한 상기 지그는 상기 모재를 접지시키는 접지 단자를 구비할 수 있다.
또한 상기 전류 측정부는 상기 접지 단자로 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
또한 상기 전압 측정부는 상기 용접봉과 상기 접지 단자 간의 전압을 측정할 수 있다.
또한 상기 용접상태 판정수단은 상기 이동 평균값의 파형이 기준 평균값 파형에 의한 오차범위 내인지의 여부를 판단할 수 있다.
또한 상기 오차 범위는 복수의 기준 평균값 파형들으로부터 산출되는 최소값 및 최대값을 하한 및 상한으로 할 수 있다.
또한 상기 용접상태 판정수단에 의하여 양호한 용접 상태로 판정되는 경우 상기 측정된 전압 및 전류의 이동 평균값을 상기 기준 평균값에 반영되도록 갱신하는 기준파형 갱신수단을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 용접 모니터링 방법은 용접 시 용접 전압 및 모재의 접지 전류를 실시간으로 측정하는 제1 단계; 상기 측정된 상기 전압 및 전류값의 이동 평균값을 주기적으로 산출하는 제2 단계; 상기 산출된 이동 평균값 파형이 기 설정된 복수의 기준 평균값 파형으로부터 산출되는 오차범위 내인지를 판단하여 용접의 상태를 판정하는 제3 단계; 및 상기 용접의 상태가 정상상태인 경우 상기 산출된 이동 평균값을 반영하여 상기 기준 평균값을 갱신하는 제4 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면 일정한 기준값에 대한 오차범위가 아닌 표준파형에 대한 오차범위를 설정함으로써 신뢰성 있는 용접 모니터링이 가능하며, 오차범위를 종래에 비하여 더 작은 범위로 설정함에도 불구하고 용접 상태 판별의 신뢰도는 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면 표준파형을 오차범위가 작은 데이터를 반영하여 갱신함으로써 표준파형의 신뢰도를 더욱 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 시스템의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전압 측정부에 의하여 측정된 전압의 연속적인 측정값의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 전압 측정부에 의하여 측정된 전압의 일정 시간 동안의 평균값을 주기마다 산출하여 도시한 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전류 측정부에 의하여 측정된 전류의 연속적인 측정값의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 6는 일 실시예에 따른 전류 측정부에 의하여 측정된 전류의 일정 시간 동안의 평균값을 주기마다 산출하여 도시한 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 용접 모니터링 프로세스를 나타내는 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 시스템을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 시스템의 모습을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접 시스템은 용접기(10), 본체부(20), 가스공급부(30), 지그(40) 등을 포함한다.
용접기(10)는 용접봉(13)을 구비하여 아크 용접 방식으로 모재(5)의 용접을 수행한다. 이 때 용접기(10)는 가스공급부(30)로부터 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 공급받아 용접봉(13)을 통하여 작업 영역 주위에 불활성 가스를 공급함으로써 불활성 분위기를 조성한 후 아크 용접을 수행하게 된다.
지그(40)는 모재(5)에 용접작업을 수행하기 위한 작업 공간이 된다. 지그(40)에는 용접기(10)로부터 연결된 접지 단자(50)가 구비될 수 있다. 용접봉(13), 모재(5) 및 접지 단자(50)는 하나의 회로를 구성함으로써 아크 용접이 진행될 수 있다.
본체부(20)는 용접 작업이 자동적으로 수행될 수 있도록 제어하는 제어수단이 구비되어 있으며, 본 발명에 따른 용접 모니터링 프로세스를 제어하기 위한 모니터링 수단들이 구비된다. 또한 본체부(20)는 기타 외부 제어가 가능하도록 외부 네트워크와의 통신이 가능한 통신 모듈이 구비될 수 있다.
용접 시에는 용접봉(13)이 모재에 인접한 상태에서 일정한 전압 및 전류가 용접봉(13)에 인가됨으로써 아크를 발생시키고, 발생된 아크를 이용하여 용접 작업을 수행하게 된다.
한편, 용접 시에는 모재(5)의 두께에 따라 최적값 또는 최적범위의 전압과 전류가 인가된다. 아래의 표1에 일반적인 경우 모재(5)의 두께에 따른 인가 접압, 전류 및 용접속도를 나타냈다. 다만 이러한 용접 시의 최적의 조건들은 일반적인 경우로서 필요한 공정에 따라 다를 수 있다.
[표 1]
Figure pat00001
위와 같이 모재(5)의 두께에 따라 인가되는 전압 및 전류의 크기는 증가되는 추세를 보이는 것이 일반적이다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 다른 용접 모니터링 시스템의 각 구성부에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템의 각 구성부들을 상세히 설명한다. 도 2는 일 실시예에 따른 용접 모니터링 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 3 및 도 4는 각각 일 실시예에 따른 전압/전류 측정부에 의하여 측정된 전압/전류의 연속적인 측정값의 파형을 나타내는 그래프와, 측정된 전압/전류의 일정 시간 동안의 평균값을 주기마다 산출하여 도시한 그래프이다. 또한 도 5 및 도 6은 각각 일 실시예에 따른 전류 측정부에 의하여 측정된 전류의 연속적인 측정값의 파형을 나타내는 그래프와, 측정된 전류의 일정 시간 동안의 평균값을 주기마다 산출하여 도시한 그래프이다.
앞서 설명한 바와 같이 용접기(10), 용접봉(13), 모재(5) 및 접지 단자(50)를 경유하는 하나의 회로를 형성함으로써 아크 용접을 수행한다.
전압 측정부(15)는 용접봉(13)과 접지 단자(50)간의 전압을 측정한다. 다만, 일반적으로 이러한 전압을 측정하기는 용이하지 않기 때문에 용접기(10)에서 제공하는 전압 정보를 이용하여 모니터링을 수행할 수 있으나, 다소 정확성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
전류 측정부(17)는 접지 단자(50)를 통하여 흐르는 전류값을 측정한다. 용접봉(13)과 모재(5) 사이에는 아크가 발생하며, 이를 통하여 전하 또는 전자가 이동하게 된다. 접지 단자(50)로는 실제 용접에 이용된 전하 또는 전자가 이동하기 때문에 접지 단자(50)를 통하여 흐르는 전류를 측정함으로써 정확한 용접 전류를 측정할 수 있다.
전압 측정부(15)와 전류 측정부(17)는 예를 들면 용접 작업이 수행되는 동안 1초 당 일정 시간 간격으로 5만회 정도의 횟수만큼 연속적으로 측정을 할 수 있다. 이러한 예시적인 측정 결과를 도 3 및 도 5에 도시하였다.
전압 측정부(15)와 전류 측정부(17)에 의하여 측정된 전압 및 전류에 대한 측정 데이터는 실시간으로 본체부(20)에 전송된다.
한편, 이와 같은 전압 측정부(15)나 전류 측정부(17)는 용접기(10)와는 별도의 장치로 구비되는 것도 가능하고, 용접기(10)나 다른 구성부들의 일부로서 구현하는 것도 가능하다. 즉, 전압 측정부(15)나 전류 측정부(17)의 물리적인 위치에는 제한이 없다.
본체부(20)는 기준파형 데이터베이스21), 기준파형 갱신수단(23), 용접상태 판정수단(25) 및 파형 산출수단(27)을 포함한다. 이외에 용접기(10) 등에 의한 용접 작업을 제어하는 수단들에 관한 상세한 설명은 생략한다.
파형 산출수단(27)은 전압 측정부(15) 및/또는 전류 측정부(17)에 의하여 측정된 용접 전압 및/또는 용접 전류의 주기적인 평균값을 산출한다. 예를 들어 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 전압 측정부(15)와 전류 측정부(17)가 10초간 초당 1만회의 전압 및/또는 전류의 샘플링을 수행한 경우 각각 총 10만개의 전압 및/또는 전류의 샘플링 데이터가 수집된다. 이 때 파형 산출수단(27)은 이동 평균값, 즉 0.02초 마다 직전의 2000개의 샘플링 데이터에 대한 평균값을 계산하여 총 200개의 의 주기적인 평균값을 산출할 수 있다. 파형 산출수단(27)에 의하여 산출된 예시적인 전압 및 전류 각각의 주기적인 평균값들을 도 4 및 도 6에 도시하였다.
용접상태 판정수단(25)은 위와 같이 파형 산출수단(27)에 의하여 산출된 이동 평균값 파형과 기 설정된 기준 평균값 파형을 비교하여 용접의 상태를 판정한다. 이 때 기준 평균값 파형이란 관리자에 의하여 비교 대상으로 미리 설정된 데이터 값들을 의미하며, 후술할 기준파형 갱신수단(23)에 의하여 실측된 데이터들이 누적 갱신된 상태의 데이터 값들일 수 있다. 또한 기준 평균값 파형은 모재(5)의 두께 및 공정의 특성에 따라 개별적인 데이터 세트로 구비될 수 있다.
용접상태 판정수단(25)은 이동 평균값의 파형과 기준 평균값 파형의 값을 비교하여 오차범위를 초과하는지의 여부를 판단함으로써 용접 상태를 판별한다. 구체적으로 용접상태 판정수단(25)은 복수개의 기준 평균값 파형으로부터 오차범위를 산출한다. 특정 시기의 평균값 중 최소치와 최대치를 각각 오차범위의 하한 및 상한으로 하는 방식으로 오차범위를 산출할 수 있다.
기준파형 갱신수단(23)은 용접상태 판정수단(25)에 의하여 양호한 용접 상태로 판정되는 경우 측정된 전압 및 전류의 이동 평균값을 상기 기준 평균값에 반영되도록 갱신한다.
예를 들어 새로이 반영된 이동 평균값은 새로운 표준파형으로 존재할 수 있다. 표준 파형의 수는 많을수록 좋지만, 하드웨어의 처리 성능에 따라 표준파형의 개수는 제한 될 수 있다. 구체적으로 여러 개의 표준파형들이 학습되면, 정상 용접 범위(상하한 값)가 자동적으로 형성되며, 샘플링율이 10kS/s일 때 평균값을 구하는 대상의 개수 N이 2000이면 10%이내 범위에서 결함여부를 판정할 수 있게 된다.
또한 예를 들면 용접시의 전압과 전류값 15V±2V, 160A±5A에 대하여 기존의 경우 전압에 대하여 ±5V, 전류에 대하여 ±10A의 오차범위를 가지고 그 범위 안에서 판별을 하고 있지만 본 발명에 따른 용접 시스템의 경우 표준파형의 신뢰성 확보를 통하여 용접 불량 판별 범위를 전압의 경우 ±2V, 전류의 경우 ±5A로 에러 판별에 대한 정밀도를 향상 시킬 수 있다.
도 7을 참조하여 일 실시예에 따른 용접 모니터링 프로세스를 설명한다. 도 5는 일 실시예에 따른 용접 모니터링 프로세스를 나타내는 순서도이다.
먼저 제1 단계(S10)에서는 용접 시 용접 전압 및 모재의 접지 전류를 실시간으로 측정한다. 이 경우 전압 및 전류를 측정하는 샘플링 수를 증가시킬수록 모니터링을 통한 용접상태 판정의 신뢰도가 상승하게 된다.
다음으로 제2 단계(S20)에서는 앞서 설명한 바와 같이 측정된 상기 전압 및 전류값의 일정 시간동안의 평균값을 주기적으로 산출한다.
제3 단계(S30)에서는 산출된 이동 평균값 파형이 기 설정된 기준 평균값 파형으로부터 산출되는 오차범위 내인지를 판단하여 용접의 상태를 판정한다.
제4 단계(S40)에서는 용접의 상태가 정상상태인지의 여부를 판단하고, 측정된 데이터들이 오차 허용 범위 내인 경우 용접상태가 정상 상태인 것으로 판정하고 산출된 이동 평균값을 반영하여 기준 평균값을 갱신한다(S41). 반면, 측정된 데이터들이 오차 허용 범위를 초과하는 경우 용접상태가 불량인 것으로 판정한다(S43).
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 용접 모니터링 시스템으로 구현될 수 있다.
10: 용접기
13: 용접봉
15: 전압측정부
17: 전류측정부
20: 본체부
21: 기준파형 데이터 베이스
23: 기준파형 갱신수단
25: 용접상태 판정수단
27: 파형 산출수단
30: 가스공급부

Claims (8)

  1. 지그 상에 위치하는 모재에 아크 용접을 수행하는 용접봉;
    실시간 용접 전압을 연속적으로 측정하는 전압 측정부;
    실시간 용접 전류를 연속적으로 측정하는 전류 측정부;
    상기 측정된 용접 전압 및 용접 전류의 이동 평균값을 주기적으로 각각 산출하는 파형 산출수단; 및
    상기 이동 평균값 파형과 기 설정된 기준 평균값 파형을 비교하여 용접의 상태를 판정하는 용접상태 판정수단;를 포함하는 용접 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지그는 상기 모재를 접지시키는 접지 단자를 구비하는 용접 모니터링 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류 측정부는 상기 접지 단자로 흐르는 전류를 측정하는 용접 모니터링 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전압 측정부는 상기 용접봉과 상기 접지 단자 간의 전압을 측정하는 용접 모니터링 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용접상태 판정수단은 상기 이동 평균값의 파형이 기준 평균값 파형에 의한 오차범위 내인지의 여부를 판단하는 용접 모니터링 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 오차 범위는 복수의 기준 평균값 파형들으로부터 산출되는 최소값 및 최대값을 하한 및 상한으로 하는 용접 모니터링 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 용접상태 판정수단에 의하여 양호한 용접 상태로 판정되는 경우 상기 측정된 전압 및 전류의 이동 평균값을 상기 기준 평균값에 반영되도록 갱신하는 기준파형 갱신수단을 포함하는 용접 모니터링 시스템.
  8. 용접 시 용접 전압 및 모재의 접지 전류를 실시간으로 측정하는 제1 단계;
    상기 측정된 상기 전압 및 전류값의 이동 평균값을 주기적으로 산출하는 제2 단계;
    상기 산출된 이동 평균값 파형이 기 설정된 복수의 기준 평균값 파형으로부터 산출되는 오차범위 내인지를 판단하여 용접의 상태를 판정하는 제3 단계; 및
    상기 용접의 상태가 정상상태인 경우 상기 산출된 이동 평균값을 반영하여 상기 기준 평균값을 갱신하는 제4 단계;를 포함하는 용접 모니터링 방법.
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