KR20210112750A - 냉매배관의 자동용접 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매배관의 자동용접 방법에 관한 것으로서, 촬영이미지로부터 용가재를 판별하는 단계와, 상기 촬영이미지로부터 용가재와 피용접 대상물의 각도를 판정하는 단계와, 상기 판정된 각도에 따라 상기 자동용접장치의 용접 토치의 각도를 조정하면서 피용접 대상물과 상기 용가재에 접근시키는 단계와, 상기 용가재를 가열하여 상기 피용접 대상물에 상기 용가재를 용접하되 용접부위에서 상기 용가재의 온도 조건과 상기 피용접 대상물의 특정 지점에서의 온도 조건을 모니터링하면서 가열온도를 조정하는 것을 특징으로 하며, 기계학습에 의해 용가재를 정확하게 판별하고, 용접위치와 파이프의 각도를 정확하게 검증하여 용접우치 탐색 기능의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 용접시 용가재의 위치와 용접 온도를 정밀하게 제어하여 용접을 보다 정확하게 자동으로 처리하여, 양산성을 향상시키고 신뢰성 높은 용접 결과물을 제공할 수 있다.

Description

냉매배관의 자동용접 방법{AUTOMATIC WELDING METHOD FOR COOLANT PIPE}

본 발명은 냉매배관의 자동용접 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매배관의 용접작업시 주요 변수의 변화를 반영하여 정확하게 용접을 자동으로 처리할 수 있는 냉매배관의 자동용접방법에 관한 것이다.

일반적으로 냉장고, 히트펌프, 공기조화기 등과 같이 냉동 사이클로 작동되는 냉동 시스템의 경우 파이프와 파이프를 연결하는 구성이 필수적으로 수반되는데, 두 개의 파이프를 맞대어 연결하거나 플랜지를 파이프의 단부에 고정할 때는 견고하게 연결 고정되면서 기밀이 확실하게 보장되도록 용접 방식을 널리 채택하고 있다.

이때, 용접불량에 의해 냉매가 누설되거나 파이프가 막히는 일이 없이 연결하는 것이 매우 중요한 바, 종래에는 파이프 맞대기 용접이나 플랜지 용접은 작업자가 직접 수작업으로 용접하는 경우가 많았고, 이와 같이 수작업으로 용접을 행하는 경우, 냉매 누설 등 불량이 발생하지 않도록 섬세한 작업을 요구받아 작업자의 스트레스가 과다하고, 작업실수로 인해 미세한 틈새가 있는 경우 제품의 수리 및 신뢰도가 하락하고, 작업자의 숙련도에 따라 다르지만 용접품질이 일정하지 못하여 많은 공수의 후가공 작업이 필요한 문제점이 있었다.

이에 따라 최근에는 후가공작업을 최소화하고 균일한 용접품질을 위해 로봇이나 자동용접장치를 이용하여 자동으로 용접을 행하는 기술이 제안되고 있다.

종래의 자동용접장치는, 다축 구동장치나 다관절 아암을 가지는 용접로봇을 이용하여 용접토치의 위치를 자유롭게 조정하고 용접을 실행하고 있다.

그러나, 종래의 자동용접장치는, 용접상태나 용접 결과를 반영하지 못하고 미리 설정된 값에 의해서만 동작을 수행하기 때문에 용접작업에 변수가 발생할 경우 이를 반영하지 못하여 불량이 발생하는 문제점이 있었다.

즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 설비 오퍼레이터가 주관적으로 판단하여 용접 온도를 700℃, 7 sec로 설정해 놓은 경우, 종래의 자동용접장치는 로봇이 용접위치를 판별하기 위한 머신 비젼(machine vision)소프트웨어의 상용 라이브러리를 사용하여, 용접할 위치를 판별하고, 용가재의 중앙점과 파이프의 각도를 판단하여 용접위치에 접근한 후, 사용자가 미리 설정한 온도인 700 ℃ 에서 7초간 용접한다.

그러나, 각도나 조명 변화 등 용가재의 형상의 다양한 변화가 발생한 경우, 종래의 자동용접장치는 이를 인식하지 못하고 미리 설정된 온도로 미리 설정된 시간동안 용접하기 때문에, 용접작업의 성공/실패 여부를 판별할 수 없을 뿐만 아니라, 용접작업의 변수에 따른 작업의 변화를 실행하지 않아 미접합이 발생하거나 과열로 인해 크랙이 발생하는 등 용접작업에 불량이 발생하는 문제점이 있었다.

한국공개특허 10-2015-0144513(파이프 맞대기 용접 및 플랜지 용접을 위한 자동용접장치)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 용접위치와 파이프의 각도를 정확하게 검증하고, 용접시 용가재의 위치와 용접 온도를 정밀하게 제어하여 용접을 정확하게 자동으로 처리할 수 있는 냉매배관의 자동용접 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 냉매배관의 자동용접방법은, 전방카메라와 열화상 카메라와, 다축관절아암을 가지는 자동용접장치를 이용하여 냉매배관을 용접하는 자동용접방법에 있어서, 상기 전방카메라로부터 촬영된 피용접 대상물과 용가재의

여기서, 상기 가열온도의 조정은, 상기 피용접 대상물의 중심에서 세로방향의 가상선을 따라 온도분포를 측정하는 단계와, 상기 피용접 대상물의 접합부로부터 상부에 위치하며 측정된 온도분포가 일정 범위 내에서 등락하는 지점을 용가재의 위치로 판별하는 단계와, 상기 용가재의 위치로부터 미리 설정된 거리에 위치하는 지점을 상기 특정 지점으로 설정하는 단계와, 상기 특정 지점의 온도가 일정 범위에 도달하고 상기 용가재의 위치에서의 온도가 일정 범위에 도달할 때 용접이 완료된 것으로 판정하여 상기 가열온도를 조정하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 특정지점은 상기 용가재의 위치로부터 6 ~ 7mm의 위치이고, 상기 특정지점의 온도는 300℃ 이상이고, 상기 용가재의 위치에서의 온도는 400℃ ~ 700℃의 범위이고, 상기 피용접 대상물의 최고온도는 700℃ ~ 900℃의 범위인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가열온도의 조정은, 상기 피용접 대상물의 접합부위에서의 평균온도가 720℃를 목표온도로 하여 상기 피용접대상물을 고주파 출력에 의해 가열하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가열온도의 조정은, 상기 피용접 대상물의 전체 가열구간의 최고온도를 측정하여 특정온도를 초과한 경우 과열상태로 판정하고 일정 시간 가열을 중지하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 용가재를 판별하는 단계는, 입력된 복수의 파이프와 용가재의 형상으로부터 기계학습에 의해 용가재를 판별하고, 상기 용가재와 피용접 대상물의 각도를 판별하는 단계는, 상기 촬영이미지로부터 흑백변환후 침식팽창기법을 반복하는 단계와, 상기 용가재 및 상기 피용접 대상물을 흰색으로, 주변을 검정색으로 이진화한 후 상기 용가재로 판별된 위치의 상부와 하부에 임의의 영역을 설정하고, 상기 설정된 영역내의 흰색의 비율이 특정 수치 이상인지를 판별하여 1차 검증하는 단계와, 상기 용가재로 판별된 부분에서 가로 에지만을 추출하여 가로선의 수량과 밀도가 기준치에 충족하는 지와 외부와 연결된 선의 여부를 측정하여 상기 용가재를 재차 검증하는 단계와, 상기 촬영이미지로부터 CannyEdge 방식으로 에지를 추출하고 추출된 에지의 각도를 판별하여 상기 피대상 용접물의 각도를 판정하는 단계를 포함한다.

상술한 구성을 가지는 본 발명의 자동용접방법에 의하면, 기계학습에 의해 용가재를 정확하게 판별하고, 용접위치와 파이프의 각도를 정확하게 검증하여 용접위치 탐색 기능의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 자동용접방법에 의하면, 최적의 용접을 수행하는 알고리즘에 의해 용접의 정확도를 향상시킬 수 있고, 용접시 용가재의 위치와 용접 온도를 정밀하게 제어하여 용접을 보다 정확하게 자동으로 처리하여, 양산성을 향상시키고 신뢰성 높은 용접 결과물을 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 자동용접의 온도제어를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 자동용접방법을 실행하는 자동용접장치 한 쌍을 나타내는 예이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 의한 자동용접방법의 용가재 판별 및 파이프의 각도를 검증하는 단계를 설명하는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 의한 자동용접방법의 가열온도 조정단계를 설명하는 도면으로서 각 단계에서의 획득한 촬영이미지와 온도분포곡선을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 자동용접방법에서 시간경과에 따른 파이프 주가열부의 온도를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 자동용접방법을 설명하는 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 냉매배관의 자동용접 방법에 대하여 실시예로써 상세하게 설명한다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 자동용접방법의 용가재 판별 및 파이프의 각도를 검증하는 단계를 설명하는 도면, 도 4 내지 도 6은 가열온도 조정단계를 설명하는 도면으로서 각 단계에서의 획득한 촬영이미지와 온도분포곡선을 나타내는 도면, 도 7은 시간경과에 따른 파이프 주가열부의 온도를 나타내는 도면, 도 8은 본 발명에 의한 자동용접방법을 설명하는 흐름도이다.

도 3a 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 냉매배관의 자동용접방법은, 기계학습에 의해 용가재를 판별하고, 용가재와 피용접 대상물의 각도를 판별하며, 용접 작업시의 온도제어를 특정 로직에 의해 실행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 자동용접방법은, 다관절 아암을 가지며 고주파 가열코일을 용접로봇에 장착한 자동용접장치(1)를 이용하여 실행된다.

도 2는 한 쌍의 상기 자동용접장치(1)를 나타내는 예이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 자동용접장치(1)는 피용접 대상물, 예를 들면 냉매배관을 위한 동파이프가 이송되는 작업대의 양측에 각각 설치되며, 상기 자동용접장치의 일측에는 사용자인터페이스가 설치될 수 있다. 상기 자동용접장치(1)는 다축 관절 아암(10)을 가지며, 상기 다축관절 아암의 끝단에는 용접토치와, 전방카메라(20)와 열화상 카메라(21)가 설치된다. 상기 전방카메라(20)는 상기 피용접 대상물과 상기 용가재를 촬영하여 획득한 이미지를 제어부로 전송하고, 상기 열화상 카메라(21)는 용접작업시에 가열되는 상기 피용접 대상물과 상기 용가재를 촬영한다.

본 발명에 의한 자동용접방법은, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 상기 전방카메라로부터 촬영된 피용접 대상물과 용가재의 촬영이미지로부터 용가재를 판별한다(S1).

상기 용가재의 판별을 위해, 미리 기계학습 기법을 이용하여 예를 들면 10,000개 이상의 복수 개의 동파이프와 용가재의 형상을 입력한다. 본 실시예에서는, 상기 촬영이미지로부터 입력된 복수의 파이프와 용가재의 형상으로부터 기계학습에 의해 용가재를 판별한다.

그런 다음, 상기 촬영이미지로부터 용가재와 피용접 대상물의 각도를 판정한다(S2).

상기 용가재와 피용접 대상물의 각도를 판별하는 단계는, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 상기 촬영이미지로부터 이미지의 이진화를 위하여 흑백변환후 침식/팽창기법을 반복한다(S2-1).

그런 다음, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 상기 용가재 및 상기 피용접 대상물을 흰색으로, 나머지 부위를 검정색으로 이진화한다(S2-2).

이 때 도 3c의 노락색 사각형과 청색 사각형으로 나타낸 바와 같이, 상기 용가재로 판별된 위치의 상부와 하부에 임의의 영역을 설정하고, 상기 설정된 영역내의 흰색의 비율이 특정 수치 이상인지를 판별하여 1차 검증한다.

그런 다음, 상기 용가재를 재차 검증한다(S2-3). 이 때, 도 3d에서 적색 사각형으로 나타낸 바와 같이, 상기 용가재로 판별된 부분에서 가로 에지만을 추출하고, 추출된 이미지에서 가로선의 수량과 밀도를 측정하여, 측정된 수량과 밀도가 상술한 기계학습에 의해 획득한 용가재에 대하여 미리 설정한 기준치에 충족하는지를 확인한다. 또한, 상기 추출된 이미지에서 상기 적색 사각형의 외부와 연결된 선의 여부를 측정한다. 상기 추출된 이미지의 가로선의 수량과 밀도가 충분하고 외부와 연결된 선이 없는 경우 판별된 상기 용가재가 용가재임을 재차 검증한다.

그런 다음, 상기 촬영이미지로부터 CannyEdge 방식으로 에지를 추출하고 추출된 에지의 각도를 판별하여 상기 피대상 용접물의 각도를 판정한다(S2-4).

상술한 바와 같이, 상기 용가재를 판별하고, 상기 용가재와 피용접 대상물의 각도를 확인한 후에, 확인된 각도와 위치에 따라 상기 자동용접장치(1)를 구동하여 상기 자동용접장치의 용접 토치의 각도를 조정하면서 피용접 대상물과 상기 용가재에 접근시킨다(S3).

그런 다음, 상기 자동용접장치(1)를 구동하여, 상기 용가재를 가열하여 상기 피용접 대상물에 상기 용가재를 용접한다(S4). 이 때, 용접부위에서 상기 용가재의 온도 조건과 상기 피용접 대상물의 특정 지점에서의 온도 조건을 모니터링하면서 가열온도를 조정한다(S5).

상기 가열온도의 조정(S5)은, 우선, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 피용접 대상물의 중심에서 세로방향의 가상선을 따라 온도분포를 측정한다(S4-1).

이 때, 상기 피용접 대상물의 주 가열위치, 즉 접합부가 상기 온도분포 곡선에서 가장 온도가 높은 부분이 된다.

상기 온도분포곡선으로부터 용가재의 위치를 판별한다(S4-2). 상기 용가재의 위치는 상기 피용접 대상물의 접합부로부터 상부에 위치하며, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 온도분포곡선에서 측정된 온도분포가 일정 범위 내에서 등락하는 지점이 발생하는데, 상기 등락하는 범위 지점이 상기 용가재가 위치한 지점이다.

또한, 상기 용가재의 위치로부터 미리 설정된 거리에 위치하는 지점을 특정 지점으로 설정한다(S4-3). 본 실시예에서, 상기 특정지점은 상기 용가재의 위치로부터 상부측으로 6 ~ 7mm의 위치인 것을 예로 한다.

그런 다음, 상기 특정 지점의 온도가 일정 범위에 도달하고 상기 용가재의 위치에서의 온도가 일정 범위에 도달할 때 용접이 완료된 것으로 판정한다(S4-4).

본 실시예에서는, 상기 특정지점의 온도가 300℃ 이상이고, 상기 용가재의 위치에서의 온도는 400℃ ~ 700℃의 범위이고, 상기 피용접 대상물의 최고온도는 700℃ ~ 900℃의 범위일 때에, 용접이 완료된 것으로 판정한다.

브레이징 용접은 모재(동파이프)는 녹지 않고, 용가재(filler metal)만 녹여 접합부에 채워넣는 공정인 바, 용가재가 침투해야 하는 틈새의 온도가 높아야 용가재가 스며들 수 있다. 따라서, 접합부 중심으로 가열하면서 용가재를 녹여 접합부 틈새로 스며 들게 하는데, 용가재가 가열되고 녹는 동안 가열에너지를 흡수하면 열이 주변부로 전달되지 못하게 된다.

하지만, 용가재가 녹아 접합부에 침투된 후부터는 파이프 전역으로 열이 전달되게 되는데, 본 발명에 의한 자동용접방법은 이러한 점을 착안하여 용가재의 위치로부터 특정거리 떨어진 점의 온도가 특정온도에 도달한 지점을 용점의 완료지점으로 설정하여 제어한다.

한편, S4-1 내지 S4-3의 단계 도중에, 상기 가열온도의 조정은, 상기 피용접 대상물의 접합부위에서의 평균온도가 720℃를 목표온도로 하여 상기 피용접대상물을 고주파 출력에 의해 가열할 수 있다(S4-4).

또한, S4-1 내지 S4-3의 단계 도중에, 상기 가열온도의 조정은, 상기 피용접 대상물의 전체 가열구간의 최고온도를 측정하여 특정온도를 초과한 경우 과열상태로 판정한다. 본 실시예에서는, 예를 들면 전체 가열구간의 최고온도가 900℃를 초과하는 경우에는 과열상태로 판정하고, 약 0.8초간 가열을 중지하는 휴지기간을 갖도록 제어할 수 있다.

이로써, 용접위치와 파이프의 각도를 정확하게 검증하여 용접우치 탐색 기능의 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 최적의 용접을 수행하는 알고리즘에 의해 용접의 정확도를 향상시킬 수 있다.

본 실시예는 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서에 포함된 기술적 사상의 범위내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 자명하다.

1 : 자동용접장치
10 : 다축 관절 로봇
20 : 전방 카메라
21 : 열화상 카메라

Claims (6)

1. 전방카메라와 열화상 카메라와, 다축관절아암을 가지는 자동용접장치를 이용하여 냉매배관을 용접하는 자동용접방법에 있어서,
   상기 전방카메라로부터 촬영된 피용접 대상물과 용가재의 촬영이미지로부터 용가재를 판별하는 단계와,
   상기 촬영이미지로부터 용가재와 피용접 대상물의 각도를 판정하는 단계와,
   상기 판정된 각도에 따라 상기 자동용접장치의 용접 토치의 각도를 조정하면서 피용접 대상물과 상기 용가재에 접근시키는 단계와,
   상기 용가재를 가열하여 상기 피용접 대상물에 상기 용가재를 용접하되 용접부위에서 상기 용가재의 온도 조건과 상기 피용접 대상물의 특정 지점에서의 온도 조건을 모니터링하면서 가열온도를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매배관의 자동용접방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열온도의 조정 단계는,
   상기 피용접 대상물의 중심에서 세로방향의 가상선을 따라 온도분포를 측정하는 단계와,
   상기 피용접 대상물의 접합부로부터 상부에 위치하며 측정된 온도분포가 일정 범위 내에서 등락하는 지점을 용가재의 위치로 판별하는 단계와,
   상기 용가재의 위치로부터 미리 설정된 거리에 위치하는 지점을 상기 특정 지점으로 설정하는 단계와,
   상기 특정 지점의 온도가 일정 범위에 도달하고 상기 용가재의 위치에서의 온도가 일정 범위에 도달할 때 용접이 완료된 것으로 판정하는 단계를 포함하여 상기 가열온도를 조정하는 것을 특징으로 하는 냉매배관의 자동용접방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 특정지점은 상기 용가재의 위치로부터 6 ~ 7mm의 위치이고,
   상기 특정지점의 온도는 300℃ 이상이고,
   상기 용가재의 위치에서의 온도는 400℃ ~ 700℃의 범위이고,
   상기 피용접 대상물의 최고온도는 700℃ ~ 900℃의 범위인 것을 특징으로 하는 냉매배관의 자동용접방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 가열온도의 조정은,
   상기 피용접 대상물의 접합부위에서의 평균온도가 720℃를 목표온도로 하여 상기 피용접대상물을 고주파 출력에 의해 가열하는 것을 특징으로 하는 냉매배관의 자동용접방법.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 가열온도의 조정은,
   상기 피용접 대상물의 전체 가열구간의 최고온도를 측정하여 특정온도를 초과한 경우 과열상태로 판정하고 일정 시간 가열을 중지하는 것을 특징으로 하는 냉매배관의 자동용접방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 용가재를 판별하는 단계는, 입력된 복수의 파이프와 용가재의 형상으로부터 기계학습에 의해 용가재를 판별하고,
   상기 용가재와 피용접 대상물의 각도를 판별하는 단계는,
   상기 촬영이미지로부터 흑백변환후 침식팽창기법을 반복하는 단계와,
   상기 용가재 및 상기 피용접 대상물을 흰색으로, 주변을 검정색으로 이진화한 후 상기 용가재로 판별된 위치의 상부와 하부에 임의의 영역을 설정하고, 상기 설정된 영역내의 흰색의 비율이 특정 수치 이상인지를 판별하여 1차 검증하는 단계와,
   상기 용가재로 판별된 부분에서 가로 에지만을 추출하여 가로선의 수량과 밀도가 기준치에 충족하는 지와 외부와 연결된 선의 여부를 측정하여 상기 용가재를 재차 검증하는 단계와,
   상기 촬영이미지로부터 CannyEdge 방식으로 에지를 추출하고 추출된 에지의 각도를 판별하여 상기 피대상 용접물의 각도를 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉매배관의 자동용접방법.
   

Images