KR20170058369A - 파이프 및 기타 곡선 구조물에 대한 수동 용접 작업을 특징화하는 시스템 - Google Patents

파이프 및 기타 곡선 구조물에 대한 수동 용접 작업을 특징화하는 시스템 Download PDF

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크리스토퍼 씨 콘라디
폴 씨 부울웨어
더글라스 에이 클라크
제레미 마이클 그린
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

수동 용접 연습을 특징화하고 용접공에게 소중한 훈련을 제공하는 시스템(10)은 데이터를 발생, 취득 및 처리하기 위한 구성요소를 포함한다. 데이터 발생 구성요소는 고정기구, 피가공재, 그에 통합되는 적어도 두 개의 포인트 마커를 가지는 적어도 하나의 교정 디바이스, 및 용접 툴을 더 포함한다. 데이터 취득 구성요소는 포인트 마커의 이미지를 취득하기 위한 이미징 시스템을 더 포함하며 데이터 처리 구성요소는 데이터 취득 구성요소로부터 정보를 수용하고 다양한 위치 및 방위 계산을 수행하도록 작동한다.

Description

파이프 및 기타 곡선 구조물에 대한 수동 용접 작업을 특징화하는 시스템 {SYSTEM FOR CHARACTERIZING MANUAL WELDING OPERATIONS ON PIPE AND OTHER CURVED STRUCTURES}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 그 전체 개시가 원용에 의해서 본 출원에 포함되고, 2014년 9월 26일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/055,724호로부터 35 US.S.C §119(e) 하의 우선권 및 임의의 다른 이득을 주장하는 정규 특허 출원으로서 출원되었다.
다음의 공동-양도되고 공동-계류 중인 미국 특허 출원, 즉 발명의 명칭이 "수동 용접 작업을 특징화하는 시스템"이고 2012년 7월 6일자로 출원된 미국 정규 특허 출원 번호 13/543,240호가 전체적으로 원용에 의해서 또한 포함된다.
기술분야
일반적인 발명의 개념은, 특히, 용접 디바이스의 작업을 원격 제어하기 위한 방법, 장치, 시스템, 프로그램 및 기법에 대한 것이다.
설명되는 발명은 일반적으로, 수동 용접 작업을 특징화하는 시스템에 대한 것이며, 더 구체적으로는 실제 용접을 수동으로 실행할 때 용접 연수생에 의해 발생되는 데이터를 실시간으로 볼 수 있는 포맷으로 취득하고, 처리하고, 제시함으로써 용접 연수생에게 유용한 정보를 제공하기 위한 시스템에 대한 것이다.
효율적이고 경제적인 용접공 훈련에 대한 제조 산업의 소망은 숙련된 용접공의 심각한 결핍의 현실화가 오늘날의 공장, 조선소, 및 건설 현장에서 놀랄 만큼 분명해지고 있기 때문에 지난 십 년에 걸쳐서 잘 입증된 화제였다. 전통적인 강사-기반 용접공 훈련의 더딘 속도와 더불어, 급속한 노동자 퇴직은 더욱 효과적인 훈련 기술의 개발에 대한 자극제가 되었다. 아크 용접의 기초에 관한 신속한 가르침과 함께, 용접에 특화된 손재주 기술의 가속화된 훈련을 가능하게 하는 혁신이 필요하게 되었다. 본 발명에 개시되는 특징화와 훈련 시스템은 개선된 용접공 훈련을 위한 이와 같은 필수적인 요구를 다루며 수동 용접 공정이 산업계-전반의 품질 요건을 만족시키는 데 필요한 허용 가능한 한계 내에 있도록 보장하기 위해서 수동 용접 공정의 감시를 할 수 있게 한다. 지금까지, 대부분의 용접 공정은 수동으로 수행되었지만, 이들 수동 공정의 수행을 추적하는 데 실제로 상업적으로 이용 가능한 수단들이 현장에서는 부족했다. 따라서, 다양한 조건하에서 다양한 유형의 용접을 적절히 실행하도록 용접공을 훈련하기 위한 효율적인 시스템이 계속 필요하다.
다음에서 본 발명의 예시적인 특정 실시예의 개요를 제공한다. 이와 같은 개요는 광범위한 개관이 아니며 본 발명의 핵심 또는 중요한 측면 또는 요소를 식별하거나 그의 범주를 나타내도록 의도된 것이 아니다.
본 발명의 일 측면에 따라서, 수동 및/또는 반자동 용접 작업 및 연습을 특징화하는 시스템이 제공된다. 이와 같은 시스템은 데이터 발생 구성요소, 데이터 취득 구성요소; 및 데이터 처리 구성요소를 포함한다. 데이터 발생 구성요소는 고정기구로서, 고정기구의 기하학적 특징이 미리 결정되는, 고정기구; 고정기구에 장착되도록 구성되는 피가공재(workpiece)로서, 피가공재가 용접될 적어도 하나의 조인트를 포함하며, 용접될 조인트를 따라 연장되는 벡터가 작업 경로를 형성하며, 작업 경로가 선형, 곡선, 원형, 또는 이의 조합인, 피가공재; 적어도 하나의 교정 디바이스로서, 각각의 교정 디바이스가 그에 통합되는 적어도 두 개의 포인트 마커(point marker)를 더 포함하며, 포인트 마커와 작업 경로 사이의 기하학적 관계가 미리 결정되는, 교정 디바이스; 및 용접 툴로서, 용접 툴이 용접될 조인트에 용접을 형성하도록 작동하며, 용접 툴이 툴 포인트 및 툴 벡터를 형성하며, 용접 툴이 용접 툴에 부착되는 타겟을 더 포함하며, 타겟이 미리 결정된 패턴으로 그에 장착되는 복수의 포인트 마커를 더 포함하며, 포인트 마커의 미리 결정된 패턴이 강체(rigid body)를 형성하도록 작동하는, 용접 툴을 더 포함한다. 데이터 취득 구성요소는 포인트 마커의 이미지를 취득하기 위한 이미징 시스템을 더 포함한다. 데이터 처리 구성요소는 데이터 취득 구성요소로부터의 정보를 수용하고 그 후에, 이미징 시스템에 의해 볼 수 있는 3차원 공간에 대한 작업 경로의 위치 및 방위; 강체에 대한 툴 포인트의 위치 및 툴 벡터의 방위; 및 작업 경로에 대한 툴 포인트의 위치 및 툴 벡터의 방위를 계산하도록 작동한다.
본 발명의 다른 측면에 따라서, 수동 및/또는 반자동 용접 작업 및 연습을 특징화하는 시스템이 또한 제공된다. 이와 같은 시스템은 데이터 발생 구성요소; 데이터 취득 구성요소; 및 데이터 처리 구성요소를 포함한다. 데이터 발생 구성요소는 고정기구로서, 고정기구의 기하학적 특징이 미리 결정되는, 고정기구; 고정기구에 장착되도록 구성되는 피가공재로서, 피가공재가 용접될 적어도 하나의 조인트를 포함하며, 용접될 조인트를 따라 연장되는 벡터가 작업 경로를 형성하며, 작업 경로가 선형, 곡선, 원형, 또는 이의 조합인, 피가공재; 적어도 하나의 교정 디바이스로서, 각각의 교정 디바이스가 그에 통합되는 적어도 두 개의 포인트 마커를 더 포함하며, 포인트 마커와 작업 경로 사이의 기하학적 관계가 미리 결정되는, 교정 디바이스; 및 용접 툴로서, 용접 툴이 용접될 조인트에 용접을 형성하도록 작동하며, 용접 툴이 툴 포인트 및 툴 벡터를 형성하며, 용접 툴이 용접 툴에 부착되는 타겟을 더 포함하며, 타겟이 미리 결정된 패턴으로 그에 장착되는 복수의 포인트 마커를 더 포함하며, 포인트 마커의 미리 결정된 패턴이 강체를 형성하도록 작동하는, 용접 툴을 더 포함한다. 데이터 취득 구성요소는 포인트 마커의 이미지를 취득하기 위한 이미징 시스템을 더 포함하며 이미징 시스템은 복수의 디지털 카메라를 더 포함한다. 적어도 하나의 대역-통과 필터가 단지, 이미지 신호-대-잡음 비를 개선하도록 포인트 마커로부터 반사되거나 방출되는 파장으로부터 광을 허용하기 위해서 복수의 디지털 카메라 각각에 대한 광학 시퀀스(optical sequence)에 포함된다. 데이터 처리 구성요소는 데이터 취득 구성요소로부터의 정보를 수용하고 그 후에, 이미징 시스템에 의해 볼 수 있는 3차원 공간에 대한 작업 경로의 위치 및 방위; 강체에 대한 툴 포인트의 위치 및 툴 벡터의 방위; 및 작업 경로에 대한 툴 포인트의 위치 및 툴 벡터의 방위를 계산하도록 작동한다.
본 발명의 추가의 특징 및 측면은 예시적인 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 읽고 이해할 때 당업자에게 자명해질 것이다. 당업자에 의해 이해될 수 있듯이, 본 발명의 추가의 실시예는 본 발명의 범주와 사상으로부터 벗어남이 없이 가능하다. 따라서, 도면 및 관련 설명은 사실상 예시적인 것이며 제한적인 것은 아니라고 간주되어야 한다.
명세서에 포함되고 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 하나 이상의 예시적인 실시예를 개략적으로 예시하며, 위에 주어진 일반적인 설명 및 아래에 주어지는 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예의 데이터 처리 및 시각화 구성요소를 통한 정보의 흐름을 예시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서 수동 용접 작업을 특징화하는 휴대용 또는 반-휴대용 시스템의 등각도를 제공한다.
도 3은 도 2의 시스템의 평면 조립체의 등각도를 제공한다.
도 4는 도 2의 시스템의 수평 조립체의 등각도를 제공한다.
도 5는 도 2의 시스템의 수직 조립체의 등각도를 제공한다.
도 6은 도 2의 평면 조립체 상의 두 개의 포인트 마커의 배치를 예시한다.
도 7은 예시적인 피가공재 작업 경로를 예시한다.
도 8은 피가공재 작업 경로를 결정하기 위한 예시적인 피가공재 상의 두 개의 능동 또는 수동 포인트 마커의 배치를 예시한다.
도 9는 본 발명의 제1 교정 구성요소의 예시적인 실시예에 포함되는 처리 단계를 상세히 하는 흐름도이다.
도 10은 강체를 형성하는 데 사용되는 포인트 마커의 배치를 보여주는 본 발명의 예시적인 실시예의 용접 툴을 예시한다.
도 11은 툴 벡터 및 강체를 형성하는 데 사용되는 포인트 마커의 배치를 보여주는 본 발명의 예시적인 실시예의 용접 툴을 예시한다.
도 11a는 이들 사이를 접속하기 위한 예시적인 툴 교정 디바이스와 함께, 도 10의 용접 툴을 예시한다.
도 12는 본 발명의 제2 교정 구성요소의 예시적인 실시예에 포함되는 처리 단계를 상세히 하는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서 수동 용접 작업을 특징화하는 휴대용 또는 반-휴대용 시스템의 등각도를 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시예가 이제, 도면을 참조하여 설명된다. 참조 번호는 다양한 요소와 구조물을 언급하기 위해서 상세한 설명 전반에 걸쳐서 사용된다. 다른 예에서, 주지된 구조물과 디바이스는 설명의 간략화를 목적으로 블록선도 형태로 도시된다. 다음의 상세한 설명이 예시의 목적으로 많은 세부사항을 포함하고 있지만, 당업자는 다음 세부사항에 대한 많은 변경과 개조가 본 발명의 범주 내에 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 다음 실시예는 청구된 발명에 대한 보편성의 임의의 손실 없이, 그리고 그에 대한 제한을 가함이 없이 설명된다.
본 발명은 수동 용접 연습 및 작업을 관찰하고 특징화하는 진보된 시스템에 대한 것이다. 이와 같은 시스템은 수동 용접 기법을 측정하고 그 기법을 확정된 절차와 비교하기 위한 적합한 툴(tool)을 제공하는 용접 교육 및 용접공 훈련에 특히 유용하다. 본 발명의 훈련 애플리케이션(application)은 (ⅰ) 지원자 기술 수준 심사; (ⅱ) 시간 경과에 따른 연수생 진척사항 평가; (ⅲ) 훈련 시간 및 비용의 감소를 위한 실시간 코칭(coaching) 제공; 및 (ⅳ) 정량화된 결과에 따른 용접공 기술 수준의 주기적인 재시험을 포함한다. 공정 감시 및 품질 제어 애플리케이션은 (ⅰ) 실시간으로 바람직한 조건으로부터 편차를 확인; (ⅱ) 시간 경과에 따른 절차 준수의 문서화 및 추적; (ⅲ) 통계적 공정 제어 목적으로 처리-중 데이터(예를 들어, 열 입력 측정값)를 취득; 및 (ⅳ) 추가 훈련이 필요한 용접공 확인을 포함한다. 본 발명의 시스템은 다양한 공인 용접 절차의 준수에 대한 결정을 할 수 있게 하는 독특한 이득을 제공한다.
본 발명은 다양한 예시적인 실시예에서, 포인트 클라우드 이미지(point cloud image) 분석을 기반으로 하는 단일 또는 다중 카메라 추적 시스템을 사용하여 용접 연습 중에 토치 모션(torch motion)을 측정하고 처리 데이터를 수집한다. 본 발명은 이에 반드시 한정될 필요는 없지만, GMAW, FCAW, SMAW, GTAW, 및 커팅(cutting)을 포함하는 광범위한 공정에 적용될 수 있다. 본 발명은 큰 사이즈, 다양한 조인트 유형, 파이프, 평판, 및 복잡한 형상과 조립체를 포함하는 다양한 피가공재 구성으로 확장될 수 있다. 측정된 매개변수는 이에 한정되지 않지만, 작업 각도, 이동 각도, 툴 스탠드오프(tool standoff), 이동 속도, 비드(bead) 배치, 위브(weave), 전압, 전류, 와이어 공급 속도, 아크 길이, 열 입력, (계량된) 가스 유동, 접촉 팁과 모재간 거리(CTWD), 및 용착 속도(예를 들어, lbs./시간, in/런(run))를 포함할 수 있다. 본 발명의 훈련 구성요소는 특정 용접 절차로 미리-채워지거나 강사에 의해 지정될 수 있다. 데이터는 자동으로 저장 및 기록되며, 용접-후 분석 점수 수행 및 진척사항이 시간 경과에 따라 추적된다. 이와 같은 시스템은 전체 용접 훈련 프로그램 전반에 걸쳐 사용될 수 있다. 이 시스템은 이에 한정되지 않지만, 인-헬멧(in-helmet) 시각적 피드백, 온-스크린(on-screen) 시각적 피드백, 청각 피드백(예를 들어, 코칭), 및 용접 툴(예를 들어, 토치) 시각적, 청각 또는 촉감 피드백 중 하나 이상을 포함하는 임의의 유형의 피드백을 (통상적으로, 실시간으로) 제공하는데 사용될 수 있다. 이제, 도면을 참조하여, 본 발명의 하나 이상의 특정 실시예가 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에서 용접 특징화 시스템(10)의 데이터 발생 구성요소(100), 데이터 취득 구성요소(200), 및 데이터 처리(및 시각화) 구성요소(300)를 통한 정보의 기본 흐름은 6개의 기본 단계: (1) 이미지 취득 단계(110); (2) 이미지 처리 단계(112); (3) 공지된 또는 바람직한 용접 매개변수와 같은 아크 용접 데이터의 입력 단계(210); (4) 데이터 처리 단계(212); (5) 데이터 저장 단계(214); 및 (5) 데이터 표시 단계(310)로 발생한다. 이미지 취득 단계(110)는 하나 이상의 상용-고속-비전 카메라(vision camera)에 의해서 (통상적으로, 서로에 대해 고정된 기하학적 관계로 위치되는 적어도 두 개의 포인트 마커를 포함하는)타겟(98)의 이미지를 취득하는 것을 포함하며, 여기서 출력 양상(output aspect)은 통상적으로, 초당 많은(예를 들어, 100 초과의) 프레임으로 이미지 파일을 생성하는 것을 포함한다. 이미지 처리 단계(112)의 입력 측면은 3개 이상의 포인트 마커(즉, 교정된 타겟)을 포함하는 강체에 대한 프레임별(frame-by-frame) 포인트 클라우드 분석을 포함한다. 공지된 강체의 인식시, 위치 및 방위가 카메라 원점 및 "훈련된(trained)" 강체 방위에 대해 계산된다. 두 개 이상의 카메라로부터의 이미지의 취득과 비교는 3차원 공간 내의 강체 위치 및 방위에 대한 실질적으로 정확한 결정을 가능하게 한다. 이미지는 통상적으로, 초당 100회가 넘는 속도로 처리된다. 당업자는 더 낮은 샘플링 속도(예를 들어 10 이미지/초) 또는 더 높은 샘플링 속도(예를 들어, 1,000 이미지/초)가 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이미지 처리 단계(112)의 출력 측면은 x-축, y-축, 및 z-축 위치 데이터와, 롤(roll), 피치(pitch) 및 요(yaw) 방위 데이터뿐만 아니라, 타임 스탬프(time stamp) 및 소프트웨어 플래그(software flag)를 포함하는 데이터 어레이의 생성을 포함한다. (전술한 6D 데이터를 포함하는) 텍스트 파일은 원하는 주파수에서 스트리밍(streamed) 또는 송신될 수 있다. 데이터 처리 단계(212)의 입력 측면은 통상적으로 미리 결정된 속도로 요청되는 미처리 위치 및 방위 데이터를 포함하는 반면에, 출력 측면은 이와 같은 미처리 데이터를, 선택된 공정 및 조인트 유형에 특화된 알고리즘에 의해 유용한 용접 매개변수로 변형시키는 것을 포함한다. 데이터 저장 단계(214)의 입력 측면은 용접 시행 데이터를 (예를 들어, *.dat 파일로서) 저장하는 것을 포함하는 반면에, 출력 측면은 검토 및 추적을 위해 데이터를 저장하고, 후속 시간에 모니터에 대한 검토를 위해 데이터를 저장하고/저장하거나, 후속 시간에 학생에 대한 진척사항을 검토하는 것을 포함한다. 학생 진척사항은 이에 한정되지 않지만, 총 실습 시간, 총 아크 시간, 총 아크 스타트(arc start), 및 시간 경과에 따른 개별 매개변수-특정 수행을 포함할 수 있다. 데이터 디스플레이 단계(310)의 입력 측면은 이에 한정되지 않지만, 작업 각도, 이동 각도, 툴 스탠드오프, 이동 속도, 비드 배치, 위브, 전압, 전류, 와이어 공급 속도, 아크 길이, 열 입력, (계량된) 가스 유동, 접촉팁과 모재간 거리(CTWD), 및 용착 속도를 더 포함할 수 있는 용접 시행 데이터를 포함한다. 출력 측면은 모니터, 인-헬멧 디스플레이, 헤드-업(head-up) 디스플레이, 또는 이의 조합에서 볼 수 있는 시각적 데이터 중 하나 이상을 포함하되 이에 한정되지 않는 임의의 유형의 피드백; 청각 데이터(예를 들어, 청각 코칭); 및 촉감 피드백을 포함한다. 피드백은 통상적으로, 실시간으로 제시된다. 추적된 매개변수는 시간-기반 축에 플로팅되며 전문 용접공의 모션을 기록함으로써 훈련된 것과 같은 상하 임계값 또는 바람직한 편차와 비교된다. 당업자는 일반적인 발명의 개념이 용접의 길이에 기반한 매개변수의 플로팅(plotting) 또는 다른 처리법과 같은 시간-기반이 아닌 축 상에 매개변수를 플로팅하는 것을 고려한다는 것을 이해할 것이다. 전류 및 전압은 열 입력을 결정하기 위해서 이동 속도와 함께 측정될 수 있으며, 용접 공정 매개변수가 아크 길이를 추정하는데 사용될 수 있다. 위치 데이터는 용접 시작 위치, 용접 정지 위치, 용접 길이, 용접 시퀀스, 용접 진척사항, 또는 이의 조합으로 변형될 수 있으며 전류와 전압은 열 입력을 결정하기 위해서 이동 속도와 함께 측정될 수 있다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 용접 특징화 시스템(10)의 예시적인 도면을 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 휴대용 훈련용 스탠드(20)는 바닥 또는 다른 수평 기판과 접촉하기 위한 실질적으로 평평한 기저부(22), 단단한 수직 지지 기둥(24), 카메라 또는 이미징 디바이스 지지대(26), 및 이미징 디바이스 지지대(26)의 높이를 조절하기 위한 랙과 피니언 조립체(31)를 포함한다. 대부분의 실시예에서, 용접 특징화 시스템(10)은 휴대성이 있거나 적어도 한 위치로부터 다른 위치로 이동할 수 있게 되어 있으며, 따라서 기저부(22)의 전체 점유공간(overall footprint)은 설치 및 사용에 대한 최대 유연성(maximum flexibility)을 허용하도록 비교적 작다. 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 용접 특징화 시스템(10)은 이에 제한되지 않지만, 평면의, 수평의, 수직의, 상향 및 부적당한 위치로 배향된 피가공재를 포함하는 피가공재의 임의의 적합한 배열을 포함하는 연습을 훈련하는데 사용될 수 있다. 도면들에 도시되는 예시적인 실시예에서, 훈련용 스탠드(20)는 시스템의 다른 구성요소를 지지할 수 있는 단일의 또는 일체형 구조물로서 도시된다. 다른 실시예에서, 스탠드(20)는 부재하며 시스템의 다양한 구성요소는 이용할 수 있는 것이라면 어떠한 적합한 구조물 또는 지지 수단에 의해 지지된다. 따라서, 본 발명의 맥락 내에서, "스탠드(stand)"(20)는 용접 특징화 시스템(10)의 구성요소들을 지지할 수 있는 임의의 단일 구조물로서 또는 대안적으로 다수의 구조물로서 정의된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 특정 용접 연습에서는 지지 기둥(24)에서 상향 또는 하향으로 미끄러지는 칼라(34)에 의해서 수직 지지 기둥(24)에 미끄럼 가능하게 부착되는 평면 조립체(30)를 사용할 수 있을 것이다. 칼라(34)는 랙과 피니언(31)에 의해서 기둥(24)에 추가로 지지되며, 랙과 피니언(31)은 지지 기둥(24)에서 상향 또는 하향으로 랙과 피니언 조립체(31)를 이동시키기 위한 샤프트(32)를 포함한다. 평면 조립체(30)는 하나 이상의 브래킷(볼 수 없음)에 의해 지지되는 훈련용 플랫폼(38)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 차폐물(shield)(42)은 열 손상으로부터 지지 기둥(24)의 표면을 보호하기 위해서 훈련용 플랫폼(38)에 부착된다. 훈련용 플랫폼(38)은 용접 위치-특정 고정기구/지그(jig)(46)를 훈련용 플랫폼의 표면에 고정하기 위한 적어도 하나의 클램프(clamp)(44)를 더 포함한다. 용접 위치-특정 지그(46)의 구조적 구성 또는 일반적인 특징은 특정 용접 연습의 대상인 용접 공정의 유형을 기반으로 하여 변할 수 있으며, 도 2 및 도 3에서 고정기구(46)는 필릿(fillet) 용접 연습용으로 구성된다. 도 2 및 도 3에 도시된 예시적인 실시예에서, 용접 위치-특정 고정기구(46)의 제1 구조적 구성요소(48) 및 제2 구조적 구성요소(50)가 서로 직각으로 설정된다. 위치-특정 고정기구(46)는 고정기구 상의 용접 쿠폰(피가공재)(54)의 적절한 배치를 용이하게 하기 위해서 하나 이상의 페그(peg)(47)를 포함할 수 있다. 시스템(10)과 함께 사용되는 임의의 용접 쿠폰(54)의 특징은 특정 훈련 연습의 대상인 수동 용접 공정의 유형을 기반으로 하여 변할 수 있으며 도 7 및 도 8에 도시된 예시적인 실시예에서, 용접 쿠폰(54)의 제1 부분(56) 및 제2 부분(58)이 또한 서로 직각으로 설정된다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 다른 특정 용접 연습에서는 수평 조립체(30)(도 4 참조) 또는 수직 조립체(30)(도 5 참조)를 사용할 것이다. 도 4에서, 수평 조립체(30)는 맞대기 용접(butt weld) 연습을 위한 적절한 위치에 피가공재(54)를 유지하는 맞대기 고정기구(46)를 지지한다. 도 5에서, 수직 조립체(30)는 겹치기 용접(lap weld) 연습을 위한 적절한 위치에 피가공재(54)를 유지하는 수직 고정기구(46)를 지지한다.
본 발명의 데이터 처리 구성요소(300)는 통상적으로, 보호 하우징 내에 포함되는 적어도 하나의 디지털 카메라를 자체적으로 포함하는 데이터 취득 구성요소(200)에 의해 취득되는 정보를 수용하고 분석하기 위한 적어도 하나의 컴퓨터를 포함한다. 용접 특징화 시스템(10)의 작동 중에, 이와 같은 컴퓨터는 통상적으로, 훈련 체제 모듈(training regimen module), 이미지 처리 및 강체 분석 모듈, 및 데이터 처리 모듈을 포함하는 소프트웨어를 운영한다. 훈련 체제 모듈은 다양한 용접 유형 및 각각의 용접 유형의 생성과 관련된 일련의 허용 가능한 용접 공정 매개변수를 포함한다. 임의의 수의 공지된 또는 AWS의 용접 조인트 유형 및 이들 용접 조인트 유형과 관련된 허용 가능한 매개변수는 훈련 연습의 시작 이전에 과목의 강사에 의해 접근되고 구성되는 훈련 체제 모듈 내에 포함될 수 있다. 강사에 의해 선택되는 용접 공정 및/또는 유형은 어느 용접 공정-특정 고정기구, 교정 디바이스, 및 용접 쿠폰이 임의의 주어진 훈련 연습에 사용될지를 결정한다. 물체 인식 모듈은 시스템이 (두 개 이상의 포인트 마커를 포함하는) 공지된 강체 타겟(98)을 인식하도록 훈련시키고 그 후에, 실제 수동 용접이 연수생에 의해 완료되었을 때 용접 건(gun)(90)에 대한 위치 및 방위 데이터를 계산하기 위해 타겟(98)을 사용하도록 훈련시키는 작동을 한다. 데이터 처리 모듈은 훈련 체제 모듈 내의 정보를 물체 인식 모듈에 의해 처리되는 정보와 비교하고 모니터 또는 헤드-업 디스플레이와 같은 디스플레이 디바이스에 비교 데이터를 출력한다. 모니터는 연수생이 처리된 데이터를 실시간으로 시각화하게 하며 시각화된 데이터는 연수생에게 용접의 특징과 품질에 대한 유용한 피드백을 제공하는 작동을 한다. 용접 특징화 시스템(10)의 시각적 인터페이스는 정보의 입력, 로그인, 셋업, 교정, 실행, 분석, 및 진행사항 추적에 대한 다양한 특징을 포함할 수 있다. 분석 스크린은 통상적으로, (이에 한정되지 않지만)작업 각도, 이동 각도, 툴 스탠드오프(too standoff), 이동 속도, 비드 배치, 위브(weave), 전압, 전류, 와이어 공급 속도, 아크 길이, 열 입력, (계량된) 가스 유동, 접촉 팁과 모재간 거리(CTWD), 및 용착 속도(예를 들어, lbs./시간, in/런(run))를 포함하는 훈련 체제 모듈에서 발견되는 용접 매개변수를 표시한다. 다수의 표시 변형예가 본 발명에서 가능하다.
전부는 아니더라도 대부분의 예에서, 용접 특징 시스템(10)은 사용 이전에 일련의 교정 단계/공정을 겪을 것이다. 시스템 교정의 몇몇 측면은 통상적으로, 고객에게 전달되기 이전에 시스템(10)의 제작자에 의해 수행될 것이며 시스템 교정의 다른 측면은 통상적으로, 임의의 용접 훈련 연습 이전에 용접 특징화 시스템(10)의 사용자에 의해 수행될 것이다. 시스템 교정은 통상적으로, 두 개의 관련되고 통합된 교정 공정, 즉 (ⅰ) 다양한 용접 훈련 연습에 사용될 각각의 조인트/위치 조합을 위해 피가공재에 생성될 작업 경로의 3차원 위치 및 방위를 결정하는 공정; 및 (ⅱ) 타겟(98)에 위치되는 복수의 수동(예를 들어, 반사) 또는 능동(예를 들어, 발광) 포인트 마커와 용접 툴(90)에 위치되는 포인트 마커에 의해 표시되는 적어도 두 개의 키 포인트 사이의 관계를 계산함으로써 용접 툴의 3차원 위치 및 방위를 결정하는 공정을 포함한다.
본 발명의 제1 교정 측면은 통상적으로, 전체 좌표계에 대한, 즉 용접 특징화 시스템(10)의 다른 구조적 구성요소 및 그에 의해 점유되는 3차원 공간에 대한 용접 작업에 관한 교정을 포함한다. 수동 용접 연습의 추적/특징화 이전에, 임의의 주어진 피가공재 상의 각각의 원하는 작업 경로(즉, 벡터)의 전체 좌표가 결정될 것이다. 몇몇 실시예에서, 이는 데이터 처리 구성요소(200)에 저장되는 대응하는 구성 파일을 포함할 공장-실행 교정 공정이다. 다른 실시예에서, 교정 공정은 현장(즉, 현지(on site))에서 실행될 수 있다. 원하는 벡터를 얻기 위해서, 능동 또는 수동 마커를 포함하는 교정 디바이스가 다양한 플랫폼 위치(예를 들어, 평면, 수평, 및 수직) 각각의 적어도 두 개의 위치선정 마커에 삽입될 수 있다. 도 6 내지 도 8은 하나의 가능한 플랫폼 위치에서 이와 같은 교정 단계를 예시한다. 조인트-특정 고정기구(46)는 각각, 제1 구조적 구성요소(48)(수평) 및 제2 구조적 구성요소(50)(수직)를 포함한다. 용접 쿠폰 또는 피가공재(54)는 각각, 제1 부분(56)(수평) 및 제2 부분(58)(수직)을 포함한다. 당업자는 일반적인 발명의 개념이 임의의 적합한 지그/쿠폰 구성 및 방위로 확장됨을 이해할 것이다. 예를 들어, 몇몇 예시적인 실시예에서 지그 또는 조인트 교정은 작업 경로를 결정하기 위한 소프트웨어 포인트(즉, 위치)를 "교시(teach)"할 포켓형 또는 이동식 디바이스를 사용하여 수행될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 두 개 이상의 포인트의 사용은 용접물이 임의의 위치로 배향하게 할 것이다.
피가공재 작업 경로는 포인트(X)로부터 포인트(Y)로 연장되고 도 7에 이중 선(59)으로서 도시된다. 위치선정 포인트 마커(530 및 532)는 도 6(및 도 8)에 도시된 대로 배치되며, 각각의 마커의 위치는 데이터 취득 구성요소(100)를 사용하여 얻어진다. 임의의 적합한 데이터 취득 시스템, 예를 들어 (미국 오리건주 코밸리스 소재의 NaturalPoint, Inc.에 의해 제공되는)Optitrack Tracking Tools 또는 3차원 마커 및 6 자유도 물체 모션 추적을 실시간으로 제공하는, 유사한 상업적으로 이용 가능한 또는 소유권이 있는 하드웨어/소프트웨어 시스템이 사용될 수 있다. 이와 같은 기술은 통상적으로, "강체(rigid bodies)"로서 시스템 이미징 하드웨어 및 시스템 소프트웨어에 의해 해석되는 포인트 클라우드를 생성하기 위해서 미리 결정된 패턴으로 배열되는 반사 및/또는 발광 포인트 마커를 사용하지만, 다른 적합한 방법론이 본 발명과 호환될 수 있다.
도 9의 흐름도에 의해 나타낸 교정 공정에서, 테이블(38)은 단계 280에서 위치(i)(0, 1, 2)에 고정되며; 교정 디바이스는 단계 282 에서 위치선정 핀 상에 배치되며, 모든 마커 위치는 단계(284)에서 취득되며, 탐지기 위치에 대한 좌표가 단계 286에서 계산되며, 필릿 작업 경로에 대한 좌표가 단계 288에서 계산되고 단계 290에서 저장되며; 겹치기 작업 경로에 대한 좌표가 단계 292에서 계산되고 단계 294에서 저장되며; 홈 작업 경로에 대한 좌표가 단계 296에서 계산되고 단계 298에서 저장된다. 모든 좌표는 데이터 취득 구성요소(200)가 볼 수 있는 3차원 공간에 대해 계산된다.
본 발명의 일 실시예에서, 피가공재의 위치 및 방위는 공지된 병진 오프셋(translational offset) 및 회전 오프셋에 피가공재를 유지하는 고정기구에 대한 공지된 병진 및 회전 오프셋에 배치되는 교정 디바이스에 대한 두 개 이상의 수동 또는 능동 포인트 마커의 적용을 통해서 교정된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 피가공재의 위치 및 방위는 공지된 병진 및 회전 오프셋에 피가공재를 유지하는 고정기구에 대한 두 개 이상의 수동 또는 능동 포인트 마커의 적용을 통해서 교정된다. 또 다른 실시예에서, 피가공재는 비-선형이며, 그의 위치 및 방위는 두 개 이상의 수동 또는 능동 포인트 마커를 갖춘 교정 툴을 사용하여 매핑되고(mapped) 후속 사용을 위해 저장될 수 있다. 피가공재 작업 경로의 위치 및 방위는 전체 작업 작동의 순차적 단계를 기반으로 하여 그의 본래 교정 평면으로부터 미리-결정된 병진 및 회전 오프셋을 겪을 수 있다.
몇몇 예시적인 실시예에서, 전자 포맷의(예를 들어, CAD에서 렌더링되는(rendered)) 용접물에 대한 데이터가 추출되어 피가공재의 위치 및/또는 방위를 결정하는데 사용된다. 또한, 용접물에 대한 용접 매개변수를 명시하는 관련 용접 절차 시방서(WPS)가 또한 처리된다. 이와 같은 방식으로, 시스템은 WPS의 준수를 (실시간으로)평가하는데 사용하기 위한 WPS 및 CAD 도면을 매핑할 수 있다.
위치, 방위, 속도, 가속도, 및 피가공재 작업 경로에 대한 공간 관계와 같은 중요한 툴 조종 매개변수가 전술한 시간 경과에 따른 연속적인 툴 위치 및 방위 그리고 다양한 피가공재 작업 경로의 분석으로부터 결정될 수 있다. 툴 조종 매개변수는 공지되고 바람직한 절차로부터 편차를 결정하기 위해서 미리 결정된 바람직한 값과 비교될 수 있다. 툴 조종 매개변수는 또한, 바람직한 절차로부터 편차를 결정하기 위해서 다른 제작 공정 매개변수와 조합될 수 있으며, 이들 편차는 기술 수준을 평가, 훈련을 위한 피드백을 제공, 기술 목표를 향한 진척사항을 평가하기 위해, 또는 품질 제어 목적으로 사용될 수 있다. 피가공재 작업 경로에 대한 기록된 모션 매개변수는 통계적 공정 제어 목적을 위한 다수의 작업으로부터 합산될 수 있다. 바람직한 절차로부터 편차는 통계적 공정 제어 목적을 위한 다수의 작업으로부터 합산될 수 있다. 피가공재 작업 경로에 대한 중요한 툴 조종 매개변수 그리고 툴 위치 및 방위가 또한, 바람직한 절차의 준수를 평가하기 위한 기준으로서 사용되도록 숙련된 조작자의 모션에 대한 서명을 확정하기 위해서 기록될 수 있다.
제2 교정 측면은 통상적으로, 타겟(98)에 대한 용접 툴(90)의 교정을 포함한다. 용접 툴(90)은 통상적으로, 용접 토치 또는 건 또는 SMAW 전극 홀더(holder)이나, 또한 납땜용 인두(soldering iron), 절단 토치, 형성 툴, 재료 제거 툴, 페인트 건, 또는 렌치(wrench)를 포함하는 임의의 수의 다른 도구일 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 용접 건/툴(90)은 툴 포인트(91), 노즐(92), 몸체(94), 트리거(trigger)(96), 및 타겟(98)을 포함한다. A 및 B 위치(도 11 참조)에 두 개의 통합된 능동 또는 수동 포인트 마커를 포함하는 툴 교정 디바이스(93)가 노즐(92)에 부착되거나 그 내측에 삽입되거나, 달리 접속된다. 예를 들어, 툴 포인트(91)는 툴 교정 디바이스(93)가 교정 목적으로 용접 툴(90)의 노즐(92)에 나사 연결될 수 있도록 기계 가공될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 툴 교정 디바이스(93)는 도 11a에 도시된 바와 같이 슬리브(1100)에 부착된다. 슬리브(1100)는 용접 툴(90)의 노즐(92)의 적어도 일부분 위에 맞춰질 수 있는 형상과 크기를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 슬리브(1100)는 툴 포인트(91)를 제거할 필요 없이 노즐(92) 위에 맞춰질 수 있다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 슬리브(1100)는 노즐(92) 이외의 용접 툴(90)의 부분 위에 맞춰지거나, 달리 접속된다. 슬리브(1100)는 임의의 적합한 방식으로, 예를 들어 마찰 끼워맞춤, 나사 등으로 용접 툴(90)에 제거 가능하게 연결된다. 슬리브(1100)는 상기 용접 툴을 변형할 필요 없이 복수의 상이한 용접 툴 위에 맞춰질 수 있는 형상과 크기를 가질 수 있다. 이와 같은 방식으로, 슬리브(1100) 및 부착된 툴 교정 디바이스(93)는 "만능(universal)" 툴 교정 디바이스의 유형을 형성한다.
또한, 강체 포인트 클라우드(즉, "강체(rigid body)")은 능동 또는 수동 포인트 마커(502, 504, 및 506)(및 가능하다면 추가의 포인트 마커)를 타겟(98)의 상부 표면에 부착함으로써 구성된다.
여기서 설명되는 바와 같이, 다른 포인트 마커 배치가 가능하며 일반적인 발명 개념의 범주 내에 속한다. 타겟(98)은 사용된 포인트 마커가 능동적이라면 전원 입력을 포함하고 전원을 필요로 할 수 있다. 데이터 취득 구성요소(200)는 툴 벡터의 위치를 나타내는, 강체 및 포인트 마커(522(A) 및 520(B))를 위치시키기 위해서 추적 시스템(예를 들어, 전술한 Optitrack Tracking Tools) 또는 유사한 하드웨어/소프트웨어를 사용한다. 이들 위치는 시스템(10)의 소프트웨어로부터 추출될 수 있으며 포인트 마커(A 및 B)와 강체 사이의 관계가 계산될 수 있다.
도 12의 흐름도에 의해 나타낸 예시적인 교정 공정에서, 용접 노즐(92) 및 접촉 튜브(91)가 단계 250에서 제거되며; 교정 디바이스가 단계 252에서 몸체(94) 내측으로 삽입되며, 용접 툴(90)이 작업 외피(working envelope) 및 강체(도 12에 "S"로서 지정됨) 내에 배치되며 포인트 마커(A 및 B)가 데이터 취득 구성요소(100)에 의해 취득되며; A와 S 그리고 B와 S 사이의 관계가 단계 256에서 계산되며; AS에 대한 관계 데이터가 단계 258에서 저장되며 BS에 대한 관계 데이터가 단계 260에서 저장된다.
본 발명의 일 실시예에서, 툴 포인트 및 툴 벡터에 대한 교정은 툴 포인트에 대한 공지된 오프셋을 갖는 툴 벡터를 따르는 위치에서 교정 디바이스에 대한 둘 이상의 수동 또는 능동 포인트 마커의 적용을 통해서 수행된다. 다른 실시예에서, 툴 포인트 및 툴 벡터에 대한 교정은 피가공재에 대한 공지된 위치 및 방위의 교정 블록 내측에 툴을 삽입함으로써 수행된다. 예를 들어, 툴 포인트 및 툴 벡터에 대한 교정은 특정 방식으로 용접 조인트 내측에 툴 포인트(91)를 삽입함으로써 수행될 수 있다.
포인트 마커(예를 들어, 502, 504, 506)에 의해 형성되는 강체에 관해서, 일 실시예에서 수동 또는 능동 포인트 마커는 다양한 회전 및 방위 변경이 이미징 시스템의 시야 내에서 수용될 수 있도록 다면 방식으로 툴에 부착된다. 다른 실시예에서, 수동 또는 능동 포인트 마커는 다양한 회전 및 방위 변경이 이미징 시스템의 시야 내에서 수용될 수 있도록 구면 방식으로(in a spherical manner) 툴에 부착된다. 또 다른 실시예에서, 수동 또는 능동 포인트 마커는 다양한 회전 및 방위 변경이 이미징 시스템의 시야 내에서 수용될 수 있도록 링 형상으로 툴에 부착된다.
다수의 추가의 유용한 특징이 본 발명에 포함될 수 있다. 예를 들어, 이미지 필터링의 목적으로 대역 필터 또는 고대역 필터가 이미지 신호-대-잡음 비를 개선하도록 단지 포인트 마커로부터 반사 또는 방출되는 파장으로부터의 광을 허용하기 위해서 데이터 취득 구성요소(200) 내의 복수의 디지털 카메라 각각에 대한 광학 시퀀스에 포함될 수 있다. 허위 데이터는 단지, 미리 공지된 강체 위치로부터 제한된 오프셋을 갖는 동적 관심 영역 내에서 얻어진 이미지 정보를 분석함으로써 거절될 수 있다. 이와 같은 동적 관심 영역은 각각의 디지털 카메라의 시야 내에 포함되거나 그렇지 않으면 미리 정해질 수 있어서(즉, 폭(x)과 높이(y)의 박스 또는 영역으로서 미리 프로그램되고 타겟(98)의 공지된 위치에 집중될 수 있어서), 이미지 정보가 단지 이와 같은 미리 정해진 영역으로부터 처리된다. 관심 영역은 강체가 이동함에 따라서 변할 것이며 따라서 강체의 미리 공지된 위치를 기반으로 한다. 이와 같은 접근법은 포인트 마커를 검색할 때 이미징 시스템이 단지, 동적 관심 영역 내의 픽셀을 보게 하는 반면에, 동적 관심 영역에 포함되지 않은 더 큰 이미지 프레임 내의 픽셀을 무시하거나 차단하게 한다. 감소된 처리 시간은 본 발명의 이와 같은 측면의 이득이다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 이미징 시스템에 의해 볼 수 있는 3차원 공간에 대한 작업 경로 또는 그의 미리 결정된 세그먼트의 위치 및 방위는 3차원 CAD 모델로부터 얻어지며, 그의 좌표계는 이미징 시스템의 좌표계에 대해 공지된다. 3차원 CAD 모델은 또한, 작업 경로 세그먼트를 정의하는 선형 또는 곡선 포인트에 대한 정의를 포함할 수 있으며 적어도 3개의 교정 포인트가 3차원 CAD 모델 및 고정기구에 위치된다. 위치 및 방위 이동은 이미징 시스템에 의해서 고정기구의 적어도 3개의 교정 포인트의 위치를 측정하고 그 후에 측정값을 3차원 CAD 모델의 본래 교정 포인트와 비교함으로써 3차원 CAD 모델에 적용될 수 있다. 다른 실시예에서, 이미징 시스템에 의해 볼 수 있는 3차원 공간에 대한 선형 또는 곡선 작업 경로 또는 그의 미리 결정된 세그먼트의 위치 및 방위는 3차원 CAD 모델을 사용하여 얻어질 수 있으며, 여기서 이미징 시스템의 좌표계에 대한 3차원 CAD 모델의 좌표계는 미리 결정되며, 3차원 CAD 모델 상의 용접 위치는 미리 정해진다. CAD 모델 생성과 관련하여, CAD 모델과 문제의 부분 사이에는 통상적으로 일대일 관계가 존재하며, 교정 시퀀스는 용접 연습의 한 측면일 수 있다. 모델의 실체는 가상 공간이며 사용자는 두 개의 포인트의 위치에 관해서 시스템에 명령한다. 사용된 CAD 모델과 툴링에 대한 부분 또는 특정 데이터 사이의 임의의 변동을 제거하기 위해서 링크가 생성된다. 시스템 오프라인을 교시하기 위한 절차가 또한 포함될 수 있다.
본 발명의 작업 경로에 대한 하나의 정의는 작업을 위한 단일의 연속적인 경로를 설명한다. 특정 실시예에서, 작업 경로는 모서리를 횡단하거나 일반적인 방향으로 변화하는 용접물에 대한 개별적인 세그먼트들로 나누어진다. 이와 같은 맥락에서, 포인트는 작업 경로 세그먼트(적어도 두 개)를 형성하며, 인접한 작업 경로 세그먼트들은 작업 경로 체인(chain)을 형성한다. 따라서, 작업 경로의 위치 및 방위는 체인을 형성하는 하나 이상의 작업 경로 세그먼트로 형성될 수 있으며, 연속 세그먼트는 하나의 세그먼트의 단부에서 그리고 다음 세그먼트의 시작부에서 작업 경로 포인트를 공유한다. 이와 같은 실시예에서, 시스템은 다수의 교정 평면들 사이에서의 이동 능력을 제공하며; 각각의 작업 평면은 어느 교정 평면이 사용되는지에 따라 달라지며, 각각의 작업 경로는 미리 결정된 좌표계에 의지한다.
게다가, 도 2의 예시적인 용접 특징화 시스템(10)은 파이프 용접, 및/또는 더욱 복잡한 피가공재의 조립체와 같은 둥근(예를 들어, 원형) 작동 경로의 경우를 더 양호하게 처리하기 위해서 수정될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 용접 특징화 시스템(10)은 실질적으로 평평한 기저부(22)를 갖는, 도 2에 도시된 스탠드(20)와 유사하거나 동일한 훈련용 스탠드를 포함한다. 게다가, 프레임(1302), 케이지(cage) 등이 또한, 스탠드(20)에 (직접적으로 또는 간접적으로)접속된다. 예를 들어, 프레임(1302)은 카메라 또는 이미징 디바이스 지지대(26)에 연결될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 프레임(1302)은 시스템(10)의 휴대성을 증진시키기 위해서 스탠드(20)로부터 용이하게 분리될 수 있다. 프레임(1302)은 스탠드(20)와 함께 프레임(1302)을 추가로 지지하기 위한 하나 이상의 레그(1304)를 포함한다. 레그(1304)는 높이-조절 가능할 수 있다. 프레임은 카메라(예를 들어, 디지털 고속 비전 카메라)가 장착될 수 있는 다양한 위치를 형성한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 복수의 카메라(1306)는 피가공재(54) 주위의 다양한 위치(및 높이)에서 프레임(1302)에 장착된다. 이와 같은 방식으로, 프레임(1302)은 피가공재(54)를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 피가공재(54)의 적어도 절반(즉, 파이프의 경우에 180도)이 프레임(1302)에 의해 둘러싸인다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 피가공재(54)의 적어도 75%(즉, 파이프의 경우에 270도)가 프레임(1302)에 의해 둘러싸인다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 피가공재(54)의 실질적으로 모두(즉, 약 100%)가 프레임(1302)에 의해 둘러싸인다.
카메라(1306)는 데이터 취득 구성요소(200)의 일부를 형성한다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 용접 특징화 시스템(10)은 2개 이상(예를 들어, 2 내지 20)의 카메라를 포함한다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 용접 특징화 시스템(10)은 4개 이상의 카메라, 5개 이상의 카메라, 6개 이상의 카메라, 7개 이상의 카메라, 8개 이상의 카메라, 9개 이상의 카메라, 10개 이상의 카메라, 11개 이상의 카메라, 또는 12개 이상의 카메라를 포함한다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 용접 특징화 시스템(10)은 적어도 4개의 카메라, 적어도 5개의 카메라, 적어도 6개의 카메라, 적어도 7개의 카메라, 적어도 8개의 카메라, 적어도 9개의 카메라, 적어도 10개의 카메라, 적어도 11개의 카메라, 또는 적어도 12개의 카메라를 포함한다. (필요에 따라) 카메라의 교정 이후에, 용접 쿠폰(54) 및 용접 툴(10)이 여기서 설명된 대로 교정된다. 피가공재(54)(예를 들어, 파이프) 주위의 카메라(1306)의 분포는 피가공재(54)에 대한 용접 작업의 정확한 추적을 가능하게 한다.
본 발명이 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 설명에 의해 예시되고, 실시예가 어느 정도는 상세하게 설명되었지만, 출원인의 의도는 그러한 세부사항으로 첨부된 청구범위의 범주를 한정하거나 어떤 식으로도 제한하려는 것이 아니다. 추가의 장점 및 수정은 당업자에게 용이하게 나타날 것이다. 그러므로, 본 발명의 폭넓은 측면에서의 발명은 도시되고 설명된 특정 세부사항, 대표적인 디바이스 및 방법, 및/또는 예시적인 예 중 어느 하나에도 한정되지 않는다. 따라서, 출원인의 일반적인 발명 개념의 사상 또는 범주로부터 벗어남이 없이 이와 같은 세부사항으로부터 변경이 이루어질 수 있다.
10 : 용접 특징화 시스템
20 : 훈련용 스탠드
22 : 기저부
24 : 지지 기둥
26 : 카메라 또는 이미징 디바이스 지지대
30 : 조립체
31 : 랙과 피니언 조립체
32 : 샤프트
34 : 칼라
38 : 훈련용 플랫폼
42 : 차폐물
44 : 클램프
46 : 지그
47 : 페그
48 : 구성요소
50 : 구성요소
54 : 용접 쿠폰
56 : 부분
58 : 부분
90 : 용접 건
91 : 툴 포인트
92 : 노즐
93 : 툴 교정 디바이스
94 : 몸체
96 : 트리거
98 : 타겟
98 : 타겟
100 : 데이터 발생 구성요소
110 : 이미지 취득
112 : 이미지 처리
200 : 데이터 취득 구성요소
210 : 아크 용접 데이터
212 : 데이터 처리
214 : 데이터 저장
250 : 단계
256 : 단계
258 : 단계
252 : 단계
260 : 단계
280 : 단계
282 : 단계
284 : 단계
288 : 단계
290 : 단계
292 : 단계
294 : 단계
296 : 단계
298 : 단계
300 : 데이터 처리 구성요소
310 : 데이터 디스플레이
502 : 포인트 마커
504 : 포인트 마커
506 : 포인트 마커
522 : 포인트 마커
520 : 포인트 마커
530 : 포인트 마커
532 : 포인트 마커
1100 : 슬리브
1302 : 프레임
1304 : 레그
1306 : 카메라

Claims (25)

  1. 용접 작업을 특징화하는 시스템(10)에 있어서,
    (a) 데이터 발생 구성요소(100)로서:
    (ⅰ) 기하학적 특징이 미리 결정되는 고정기구;
    (ⅱ) 상기 고정기구에 장착되도록 구성되는 피가공재로서, 피가공재가 용접될 적어도 하나의 조인트를 포함하며, 용접될 조인트를 따라 연장되는 벡터가 작업 경로를 형성하며, 상기 작업 경로는 선형, 곡선, 원형, 또는 이의 조합인, 피가공재;
    (ⅲ) 적어도 하나의 교정 디바이스(93)로서, 각각의 교정 디바이스(93)는 그에 통합되는 적어도 두 개의 포인트 마커를 더 포함하며, 상기 포인트 마커와 작업 경로 사이의 기하학적 관계가 미리 결정되는, 교정 디바이스;
    (ⅳ) 용접 툴로서, 용접 툴은 용접될 조인트에 용접을 형성하도록 작동하며, 상기 용접 툴은 툴 포인트 및 툴 벡터를 형성하며, 상기 용접 툴은 용접 툴에 부착되는 타겟을 더 포함하며, 상기 타겟은 미리 결정된 패턴으로 그에 장착되는 복수의 포인트 마커를 더 포함하며, 상기 포인트 마커의 미리 결정된 패턴은 강체를 형성하도록 작동하는, 용접 툴을 더 포함하는, 데이터 발생 구성요소;
    (b) 포인트 마커의 이미지를 취득하기 위한 이미징 시스템을 더 포함하는, 데이터 취득 구성요소(200); 및
    (c) 데이터 처리 구성요소(300)로서, 데이터 취득 구성요소(200)로부터의 정보를 수용한 후에:
    (ⅰ) 이미징 시스템에 의해 볼 수 있는 3차원 공간에 대한 작업 경로의 위치 및 방위;
    (ⅱ) 강체에 대한 툴 포인트의 위치 및 툴 벡터의 방위;
    (ⅲ) 작업 경로에 대한 툴 포인트의 위치 및 툴 벡터의 방위를 계산하도록 작동하는 데이터 처리 구성요소를 포함하는, 용접 작업을 특징화하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미징 시스템은 복수의 디지털 카메라(1306)를 더 포함하는, 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 필터가 단지, 이미지 신호-대-잡음 비를 개선하도록 포인트 마커로부터 반사되거나 방출되는 파장으로부터의 광을 허용하기 위해서 복수의 디지털 카메라 각각에 대한 광학 시퀀스에 포함되는, 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 이미징 시스템은 복수의 디지털 카메라에 의해 볼 수 있는 적어도 하나의 동적 관심 영역을 더 포함하며, 상기 동적 관심 영역은 강체에 대한 미리 공지된 위치의 사용에 의해서 결정되며, 단지 이미지 정보는 동적 관심 영역 내로부터 수집되고 처리되는, 시스템.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 디지털 카메라는 피가공재 위에 위치되는 적어도 하나의 디지털 카메라 및 피가공재 아래에 위치되는 적어도 하나의 디지털 카메라를 포함하는, 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피가공재는 파이프를 포함하는, 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 경로의 위치 및 방위는 고정기구에 대한 공지된 병진 및 회전 오프셋에 배치되는 교정 디바이스에 통합된 적어도 두 개의 포인트 마커를 사용하여 교정되며, 상기 고정기구는 피가공재를 작업 경로에 대한 공지된 병진 및 회전 오프셋에 유지하는, 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 경로의 위치 및 방위는 작업 경로에 대한 공지된 병진 및 회전 오프셋에 피가공재를 유지하는 고정기구에 위치되는 적어도 두 개의 포인트 마커를 사용하여 교정되는, 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 경로는 비-선형이며, 3차원 공간 내의 작업 경로의 위치 및 방위는 적어도 두 개의 포인트 마커를 포함하는 교정 디바이스를 사용하여 매핑될 수 있으며, 상기 작업 경로는 다수의 상이한 포인트에서의 교정 디바이스의 배치를 좌우하는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 작업 경로는 원형인, 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 경로의 위치 및 방위는 전체 시스템 작업에 포함되는 미리 결정된 시퀀스 단계을 기반으로 한 그의 본래 교정 평면으로부터 미리 결정된 병진 및 회전 오프셋을 겪는, 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 시스템에 의해 볼 수 있는 3차원 공간에 대한 작업 경로 또는 그의 미리 결정된 세그먼트의 위치 및 방위는 3차원 CAD 모델로부터 얻어지며, 그의 좌표계는 이미징 시스템의 좌표계에 대해 공지되는, 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 3차원 CAD 모델은 작업 경로 세그먼트를 형성하는 선형 또는 곡선 포인트의 정의를 포함하는, 시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    적어도 3개의 교정 포인트가 3차원 CAD 모델과 고정기구 모두에 위치되는, 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    위치 및 방위 이동은 이미징 시스템에 의해서 고정기구의 적어도 3개의 교정 포인트의 위치를 측정하고 그 후에 측정값을 3차원 CAD 모델의 본래 교정 포인트와 비교함으로써 3차원 CAD 모델에 적용되는, 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작업 경로의 위치 및 방위는 체인을 형성하는 하나 이상의 작업 경로 세그먼트로 형성되며, 연속 세그먼트는 하나의 세그먼트의 단부에서 그리고 다음 세그먼트의 시작부에서 작업 경로 포인트를 공유하는, 시스템.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 툴의 툴 포인트 및 툴 벡터의 교정은 이동식 교정 디바이스에 통합되는 두 개의 이상의 포인트 마커를 사용하여 수행되며, 상기 교정 디바이스 내의 포인트 마커는 용접 툴의 툴 포인트에 대한 공지된 오프셋을 가지는 툴 벡터를 따라서 위치되는, 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접 툴의 툴 포인트의 교정은 교정 디바이스 내측으로 용접 툴의 선단부를 삽입함으로써 수행되며, 상기 피가공재에 대한 그의 위치 및 방위는 미리 결정되는, 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 시스템은 작업 경로에 대한 툴 위치, 방위, 속도, 및 가속도 중 적어도 하나에 대한 값을 계산하며, 이들 값은 그 후에 공지된 그리고 바람직한 절차로부터의 편차를 결정하기 위해서 미리 결정된 바람직한 값과 비교되며, 이와 같은 편차는 기술 수준을 평가, 훈련을 위한 피드백을 제공, 기술 목표를 향한 진척사항을 평가, 및 품질 제어 목적 중 적어도 하나에 사용되는, 시스템.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강체를 형성하는 포인트 마커는 사용시 용접 툴의 폭넓은 회전 및 방위 변경을 수용하는 다면 구성으로 용접 툴에 부착되는, 시스템.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강체를 형성하는 포인트 마커는 사용시 용접 툴의 다양한 회전 및 방위 변경을 수용하는 구면 구성으로 용접 툴에 부착되는, 시스템.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 능동 또는 수동 포인트 마커는 사용시 용접 툴의 다양한 회전 및 방위 변경을 수용하는 링 구성으로 용접 툴에 부착되는, 시스템.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 작업 경로에 대한 툴 위치, 방위, 속도, 및 가속도 중 적어도 하나에 대한 값을 계산하며, 이들 값은 그 후에 공지된 그리고 바람직한 절차로부터의 편차를 결정하기 위해서 미리 결정된 바람직한 값과 비교되며, 이와 같은 편차는 기술 수준을 평가, 훈련을 위한 피드백을 제공, 기술 목표를 향한 진척사항을 평가, 및 품질 제어 목적 중 적어도 하나에 사용되는, 시스템.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정기구는 프레임을 포함하며;
    상기 프레임은 피가공재를 적어도 부분적으로 둘러싸며;
    상기 프레임은 그에 장착되는 복수의 디지털 카메라를 포함하며;
    각각의 디지털 카메라는 상이한 각도로부터 피가공재의 이미지를 취득하는, 시스템.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 사용하는 것을 특징으로 하는, 용접 작업을 특징화하는 방법.
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