KR20180119723A - 허프변환을 이용한 용접선 추적 방법 - Google Patents

허프변환을 이용한 용접선 추적 방법 Download PDF

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KR20180119723A
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박민호
진병주
윤태종
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Abstract

본 발명은 레이저 빔 및 광필터를 구비한 CCD 카메라를 이용하여 용접선을 포착하는 단계; 포착된 용접선을 캡처하여 컴퓨터 이미지로 변환하는 단계; 상기 이미지의 노이즈를 제거하고 이진화하는 전처리 단계; 및 전처리된 이미지를 허프변환(hough algorithm)을 통하여 V자 용접선의 중심점을 산출하고 이를 토치부의 용접선 중심 좌표에 일치시키는 단계를 포함하는 용접선 추적방법을 제공한다.

Description

허프변환을 이용한 용접선 추적 방법{METOHOD OF TRACKING WELD LINE USING HOUGH ALGORITHM}
본 발명은 용접 분야의 기술로서, 더욱 구체적으로는 정교한 용접을 위하여 용접선의 이미지를 처리하는 기술에 관한 것이다.
강관의 용접을 위해서 정형장치에 의존해야 하는바 다양한 규격의 강관에 대비한 장비를 개발해 오고 있고, 강관의 외부에 용접작업용 주행장치가 주행 가능하도록 레일을 설치하는 방식도 다양하게 연구되어 오고 있다.
다만, 초기의 연구성과에 불구하고 레일을 따라 구동하는 용접에서 센서 등을 통해 보다 정밀한 용접선의 추적이 요구되고 이에 대한 연구 및 개발을 통해 용접선을 센싱해 추적할 수 있는 자동 용접장치의 개발이 이루어져 왔다.
이를 위하여, 레이저 빔이나 카메라를 이용하여 용접선의 정확한 추적을 도모하고 있고, 나아가 다양한 화상처리 알고리즘을 사용하여 용접선을 추출하고 있으나 아직까지 그 정확도는 만족스럽지 못한 상황이다.
본 발명은 포착된 용접선 이미지의 전처리 및 후처리를 통하여 용접선 추출의 정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 용접선 추적방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접선 추적방법은 레이저 빔 및 광필터를 구비한 CCD 카메라를 이용하여 용접선을 포착하는 단계; 포착된 용접선을 캡처하여 컴퓨터 이미지로 변환하는 단계; 상기 이미지의 노이즈를 제거하고 이진화하는 전처리 단계; 및 전처리된 이미지를 허프변환(hough algorithm)을 통하여 V자 용접선의 중심점을 산출하고 이를 토치부의 용접선 중심 좌표에 일치시키는 단계를 포함한다.
상기 중심점의 산출은 V자 용접선 하단의 용접점과 두 개의 모서리 점들을 좌표로 변환함으로써 산출될 수 있다.
상기 허프 변환의 이미지 매핑은 일대일 매핑의 매개 변수 값을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 용접선 추적방법을 이용하면 추적된 용접점과 토지부의 용점점의 좌표가 정확히 일치하여, 획기적으로 정확도가 개선된 정확한 용접이 가능하다.
또한, 자동화된 용접장치를 사용하고 컴퓨터로 용접선 추적이 관리되므로 전체적으로 정확도가 개선된 자동용접 시스템을 구축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동용접장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동용접장치의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동용접장치의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동용접장치의 좌측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동용접장치의 우측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동용접장치의 저면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접선을 포착하는 단계를 보여주는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접선 추적방법의 각 단계를 순서적으로 표시한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 과정의 용접선 이미지 변화를 도시한 이미지이다.
도 10은 허프변환을 통하여 산출된 용접선 이미지 좌표를 도시한 이미지이다.
우선, 본 용접선 추적방법이 적용될 수 있는 자동용접 장치의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 자동용접장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자동용접장치의 정면도이다. 또한, 도 3은 본 발명에 따른 자동용접장치의 평면도이고 도 4는 본 발명에 따른 자동용접장치의 좌측면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 우측면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명은 레이저 비전센서를 이용한 방식에 따른 강관의 이음부에 레이저가 난반사되는 경우가 발생하는 것을 방지하고, 강관 이음부의 위치를 정확하게 감지해 일정거리를 유지하면서 이음부를 용접하는 과정에서 강관의 용접시 센싱을 완료한 지점에 토치가 도달하는 딜레이 타임 설정을 이용한 실시간 용접선 추적이 가능하도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 자동용접 장치는 강관의 외면에 부착되어 가설되는 가이드링(70)을 따라 외주연을 구동하며 이음부를 용접하도록 구성된다. 또한, 상기 가이드링(70)은 플레이트 형상의 피니언 기어를 구비한 가이드 레일(71)과 자동용접장치의 주행시 양측단에 구비되어 주행 안정성을 확보하는 롤러가이드(72)를 포함하여 구성된다.
한편, 상기 롤러가이드(72)에는 자동용접장치의 안치롤러 및 조절롤러를 안치 및 탈거할 수 있다.
또한, 상기 가이드링(70)10)은 강관의 둘레에 장착하기 위해, 분할된 구조로 형성되는데, 본 실시예의 도면에서는 2분할 구조를 예시한다. 분할된 부분에는 분할된 가이드링(70)을 상호 조립하거나 분리하기 위한 조립체가 구비된다. 또한, 그 내측에는 강관의 외면을 밀착하여 거치하도록 탄성을 지닌 판스프링을 구비한 파이프 지지구(73)를 적어도 1 이상 구비함으로써 구성된다.
한편, 본 발명의 자동 용접장치는 별도로 구비된 메인콘트롤러(도시하지 않음)와 유선 또는 무선으로 연결되어 레이저 비전센서(10)의 신호에 따라 각 구동부의 모터와 토치를 작동시키는 것임을 미리 밝혀둔다.
또한, 본 발명에서 사용되는 모터는 정속으로 정역회전이 가능하면서도 저속에서 높은 토크를 발생하는 서브모터를 사용함이 바람직하며, 본 발명의 각 운동부를 이동하기 위한 방법으로 모터의 구동에 따라 스크류축을 회전시켜, 이 스크류축에 축 결합된 몸체부가 회전운동을 직선운동으로 변환시켜 축 이동하도록 구성된 것으로, 이러한 볼스크류 구성은 이미 일반적으로 사용되는 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 각 구성 요소의 연결 및 지지는 통상적인 브라켓이나 볼트결합 등에 의하는 것이므로 이에 대한 자세한 설명도 생략하기로 한다.
도시된 바와 같이 본 발명은 강관 둘레에 장착되는 가이드링(70)에 가이드 레일(71)이 구비되어 이 주행 레일을 따라 이동하면서 강관을 용접할 수 있도록 구성된 포터블 자동용접장치로써, 상기 포터블 자동용접장치는 직렬 배치된 토치(20a,20b)를 클램프를 통해 고정하되 상기 토치(20a,20b) 진행방향의 전단에 소정 이격을 두고 소정의 조사각을 갖고 고정 배치되어 용접선을 스캔하는 레이저 비전센서(10)를 포함하여 구성된다.
상기한 레이저 비전센서(10)와 토치(20a,20b)의 이격에 따라 센싱된 용접선의 용접위치 신호에 토치를 통한 용접이 이루어 지기 위해서는 별도 구비된 제어부에서 자동용접장치의 가이드레일(71) 구동속도를 제어함으로써 센싱된 용접선 위치정보에 추종하는 용접위치를 확보할 수 있다. 또한, 직렬 배치된 토치(20a,20b)를 통해 텐덤(tandem)용접을 행함으로써 융모재의 충분한 공급이 이루어지고 보다 강인한 용접을 가능하게 한다. 융모재는 토치 전단에 와이어 형태로 공급됨이 일반적이다.
한편, 상기 레이저 비전센서(10)는 용접 토치의 전단에 장착되며, 접촉식과 비접촉식으로 나누어진다. 이 중 비접촉식 용접선 추적 센서로 레이저 비전 센서가 보편적으로 이용된다. 상기 레이저 비전 센서는 통상 레이저를 발사하는 레이저 다이오드와 상기 발사된 레이저가 피용접물에 반사되고 돌아오는 것을 받아들여 용접선을 감지하는 카메라로 구성되어 있다. 이에 의해 "V"형 "U"형 등의 그루브(용접홈)의 용접선을 추적 인식하게 된다. 따라서, 용접시 아크 또는 발열에 의한 광간섭을 최소화할 필요성이 있다.
이에, 상기 직렬 배치된 토치(20a,20b)의 전단에는 가림판(21)을 더 포함하여 구성됨이 바람직하다. 상기 가림판(21)을 통해 용접시 발생하는 아크 및 별로 인한 광간섭을 최소화 함으로서 레이저 비전센서의 감지 오류를 방지할 수 있다.
한편, 상기 직렬 배치된 토치(20a,20b)는 진행방향과 동일한 종축의 초기 위치를 조절하기위해 조그다이얼을 구비한 종축조절부(30a,30b)를 더 포함하여 구성된다. 상기 종축조절부(30a,30b)는 조그다이얼을 통해 용접을 개시하기 전에 용접선의 초기 위치 중 종방향의 이격을 미세조절할 수 있다.
또한, 상기 종축조절부(30a,30b)는 조절된 초기위치를 고정하기 위한 종축고정구(31a,31b)를 더 포함하여 구성된다.
한편, 상기 직렬 배치된 토치(20a,20b)는 진행방향의 횡방향의 초기 위치를 조절하기위해 조그다이얼을 구비한 횡축조절부(34a,34b)를 더 포함하여 구성된다. 상기 횡축조절부(34a,34b)는 조그다이얼을 통해 용접을 개시하기 전에 용접선의 초기 위치 중 횡방향의 이격을 미세조절할 수 있다.
또한, 상기 횡축조절부(34a,35b)는 조절된 초기위치를 고정하기 위한 횡축고정구(35a,35b)를 더 포함하여 구성된다.
한편, 상기 직렬 배치된 토치(20a,20b)는 진행방향의 수직방향의 초기 위치를 조절하기위해 조그다이얼을 구비한 수직축조절부(32a,32b)를 더 포함하여 구성된다. 상기 수직축조절부(32a,32b)는 조그다이얼을 통해 용접을 개시하기 전에 용접선의 초기 위치 중 수직방향의 이격을 미세조절할 수 있다.
또한, 상기 수직축조절부(32a,32b)는 조절된 초기위치를 고정하기 위한 수직축고정구(33a,33b)를 더 포함하여 구성된다.
한편, 도 3에서 보는 바와 같이 상기 포터블 자동용접장치는 용접이 진행되는 과정에서 직렬 배치된 토치(20a,20b)를 일조로 구비된 슬라이딩 가이드(41)를 따라 구동모터와 연동하는 스크류축(40)을 통해 횡방향으로 구동하도록 구비된 횡방향운동부를 더 포함하여 구성된다.
따라서, 본 발명의 자동용접장치가 상기 레이저 비전센서(10)의 용접선 인식 신호를 따라 소정의 지연시간 후에 토치가 그 센싱된 용접부를 추종하여 용접하는 과정에서 센싱된 용접선이 진행방향과 좌우의 이격이 인식된 경우 그에 따라 토치를 좌우로 구동하여 정확한 용접선을 추종하며 용접할 수 있다.
한편, 전술한 도 2 및 본 발명의 저면도를 도시한 도 6을 참조하여 보면, 도시된 바와 같이 상기한 포터블 자동용접장치의 저면에는 가이드링(70)의 롤러가이드(72)에 안치 및 탈거되는 안치롤러(53a,53b)와 조절스프링(54a,54b)에 의한 탄성력을 지지하되 상기 포터블 자동용접장치의 상단 T 바(bar)와 연동하여 회동 가능하도록 구비되어 조절롤러(52a,52b)의 이격을 조절하는 팁(51)을 포함하여 구성된다.
따라서 강관의 외면에 가이드링(70)을 설치하고 그 가이드링에 구비된 롤러가이드(72)에 안치롤러(53a,53b) 및 조절롤러(52a,52b)를 안치하거나 탈거하는 경우 상기 T 바(50)를 회동시키고 그에 따라 그 종단에 연결된 팁(51)이 회동하게 된다. 상기 팁(51)의 회동에 따라 조절스프링(54a,54b)의 탄성력에 따라 조절롤러(52a,52b)가 외측으로 전개되어 이격을 형성하게 된다. 그 이격을 유지한 채로 가이드링에 자동용접장치를 안치시킨 후 상기 T 바를 반대방향으로 회동시키면 그에 따라 그 종단에 연결된 팁(51)이 회동하여 조절스프링(54a,54b)의 탄성을 지지하게 된다. 그 결과 조절롤러(52a,52b)의 이격은 없어지고 롤러가이드(72)에 안치되어 자동용접장치를 양측단에서 지지하며 회동한다. 만일 용접 후 자동용접장치의 탈거의 경우에도 상기 T 바를 통해 이격을 조절함으로써 용이하게 탈거를 행할 수 있다.
한편, 상기 자동용접장치의 저면에는 가이드레일(71)과 맞물려 구동하되, 랙기어 구동모터(63a,63b)와 연동하여 랙기어 구동풀리(61a,61b)에 의해 구동하는 일조의 랙기어(60a,60b)를 포함하여 구성된다.
상기 랙기어 구동모터(63a,63b)는 구동속도의 제어를 통해 전술한 바와 같아 레이저 비전센서(10)의 용접위치 신호를 추종하는 직렬 배치된 토치(20a,20b)의 용접위치 도달에 따르는 지연시간을 제어할 수 있도록 구성됨이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 통해 강관의 용접 순서는 다음과 같다.
우선, 연결하고자 하는 강관의 외경에 가이드링(70)을 설치한다. 설치된 가이드링(70)에 구비된 롤러가이드(72)에 안치롤러(53a,53b)와 조절롤러(52a,52b)를 T 바(50)를 이용해 이격을 조절함으로써 안치시키고. 랙기어(60a,60b)를 가이드 레일(71)에 맞물림으로써 자동용접장치를 가이드링(70)에 안치시킨다.
상기한 안치 과정이 완료된 후 용접선의 추종을 위해 종축조절부(30a,30b), 수직축조절부(32a,32b) 및 횡축조절부(34a,34b)를 통해 초기 위치를 세팅하게 된다. 세팅된 초기위치는 종축고정구(31a,31b), 수직축고정구(33a,33b) 및 횡축고정구(35a,35b)를 통해 고정시키게 된다.
강관 이음부의 용접은 레이저 비전센서(10)의 용접선 센싱을 통해 용접선 위치정보를 파악하고 자동용접장치의 구동에 따라 소정의 이격을 가지는 토치(20a,20b)의 도달 지연시간은 랙기어 구동모터(63a,63b)의 속도 제어를 통해 제어된다.
한편, 용접선 위치 정보에 따라 용접이 진행중인 토치(20a,20b)의 진행방향의 좌우 횡방향 조절은 일조로 구비된 슬라이딩 가이드(41)를 따라 구동모터와 연동하는 스크류축(40)을 통해 횡방향으로 구동하도록 구비된 횡방향운동부를 통해 이루어진다. 상기 스크류축(40)의 구동범위는 레이저 비전센서의 용접 위치정보에 따른 제어부에 의해 제어됨은 물론이다.
이하에서는 상술한 자동용접 장치의 용접선을 정밀하게 추적하는 방법을 자세하게 설명하도록 한다.
우선 정확한 용점선을 추적하고 용점점을 산출하기 위해서는 용접선 이미지를 포착해야 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접선을 포착하는 단계를 보여주는 개념도이다.
도 7을 참조하면, 레이저 빔을 평면으로 변환하여 용접 작업에 줄무늬를 형성한다. 셩성된 줄무늬를 포착하기 위해서는 광 필터를 구비한 CCD 카메라가 사용된다. 레이저 줄무늬는 카메라 비디오 신호로 변환되고 컴퓨터에 설치된 이미지 캡처 카드에 입력됨으로써 신호가 컴퓨터 이미지로 변환될 수 있다.
의와 같이 용접선을 포착하고 변환된 이미지를 확보하는 전처리 과정이 완료되면, 화상처리 알고리즘을 사용하여 용접선을 추출한다. 본 발명은 개선된 허프변환 알고리즘을 사용하여 용접선 추적의 정확도를 개선하였다. 허프변환은 카메라 영상에서 추출한 용접선 이미지를 직선으로 매끄럽게 표현할 수 있는 알고리즘이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접선 추적방법의 각 단계를 순서적으로 표시한 개념도이다.
도 8을 참조하면, 최초 원본 이미지는 노이즈 필터를 이용하여 용접선의 노이즈를 제거하고, 이 과정에서 이미지를 이진화(binarization)를 수행하여 반사에 의해 불명확한 용접선을 더욱 선명하게 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 과정의 용접선 이미지 변화를 도시한 이미지이다.
도 9를 참조하면, 전술한 바와 같이 원본 이미지는 노이즈 필터 및 이진화 과정을 거치면서 순차적으로 선명해 짐을 알 수 있다.
도 8을 다시 참조하면, 전처리 과정이 완료되면 허프 변환을 통하여 용접선을 산출한다. 산출된 용접선을 좌표에 적용하여 각 중요점들을 확인하고 중앙 용접점을 최종적으로 확정한 후 이를 토지부의 용접점과 일치시킨다.
도 10은 허프변환을 통하여 산출된 용접선 이미지 좌표를 도시한 이미지이다.
용접선 영상의 특징점은 영상 처리에 검출된 선 영상으로부터 추출하여 이미지의 모든 픽셀을 검사해야 하기 때문에 픽셀은 허프 알고리즘을 적용하여 용접선 라인을 추출한다. 도 10을 참조하면, V 용접선 하단의 용접점과 두 개의 모서리에서 세가지 중요한 포인트가 발생되기 때문에 이 점들을 좌표로 변환하여 용접선 중심을 산출한다. 이와 같은 이미지의 좌표를 추출하여 토치부의 용접선 중심 좌표에 일치할 수 있도록 하며, 허프 알고리즘은 용접선과 관련된 포인트의 좌표를 탐지하는 데 매우 효과적이다.
한편, 상기 허프 알고리즘은 계산 효율을 향상시키기 위하여 여분의 정보를 사용하여, "일대 다 " 매핑에서 "일대 일" 매핑에 의한 매개 변수 값으로 이미지 매핑을 제한한다.
10 : 레이저 비전센서 20a,20b : 토치
21 : 가림판
30a,30b : 종축 조절부 31a,31b : 종축 고정구
32a,32b : 수직축 조절부 33a,33b : 수직축 고정구
34a,34b : 횡축 조절부 35a,35b : 횡축 고정구
40 : 스크류축 41 : 슬라이딩 가이드
50 : T 바 51 : 팁
52a,52b :조절롤러 53a,53b : 안치롤러
54a,54b : 조절스프링
60a,60b : 랙기어 61a,61b : 랙기어 구동풀리
63a,63b : 랙기어 구동모터
70 : 가이드링 71 : 가이드 레일
72 : 롤러 가이드 73 : 파이프 지지구

Claims (3)

  1. 레이저 빔 및 광필터를 구비한 CCD 카메라를 이용하여 용접선을 포착하는 단계;
    포착된 용접선을 캡처하여 컴퓨터 이미지로 변환하는 단계;
    상기 이미지의 노이즈를 제거하고 이진화하는 전처리 단계; 및
    전처리된 이미지를 허프변환(hough algorithm)을 통하여 V자 용접선의 중심점을 산출하고 이를 토치부의 용접선 중심 좌표에 일치시키는 단계를 포함하는 용접선 추적방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중심점의 산출은 V자 용접선 하단의 용접점과 두 개의 모서리 점들을 좌표로 변환함으로써 산출되는 것을 특징으로 하는 용접선 추적방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 허프 변환의 이미지 매핑은 일대일 매핑의 매개 변수 값을 사용하는 것을 특징으로 하는 용접선 추적 방법.
KR1020170052781A 2017-04-25 2017-04-25 허프변환을 이용한 용접선 추적 방법 KR20180119723A (ko)

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