KR940006028B1

KR940006028B1 - 용접선 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템

Info

Publication number: KR940006028B1
Application number: KR1019910022669A
Authority: KR
Inventors: 나석주; 김재웅; 신정식
Original assignee: 한국과학기술원; 천성순
Priority date: 1991-12-11
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1994-07-02
Also published as: KR930012175A

Abstract

내용 없음.

Description

용접선 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템

제1도는 본 발명 용접선 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템 전체의 개략적인 구성도.

제2도는 제1도에 도시한 아크단락 검출수단(9)의 상세회로도.

제3도는 용접전류의 시간에 따른 변화를 나타내는 파형도.

제4도는 용접전류의 변화에 따른 아크단락 검출수단(9)의 출력신호 파형도.

제5도는 제1도에 도시한 인터럽트 핸들러수단((10)의 상세회로도.

제6도는 아크단락시점 이후 시간별 아크광 및 스패터의 영향을 측정한 데이터를 나타낸 도면.

제7도는 정상적인 용접환경에서의 아크데이터를 나타낸 도면.

제8도는 보호가스가 차단된 비정상적인 환경에서의 아크데이터를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 2 : 광섬유

3 : 원통형렌즈 4 : 용접토치

5 : 카메라 6 : 용접전원공급수단

7 : 션트저항 8 : 증폭수단

9 : 아크단락검출수단 10 : 인터럽트핸들러수단

11 : A/D 컨버터 12 : 컴퓨터

13 : 프레임그래버 14 : 펄스발생기

15 : 스텝핑모터 16 : 모니터

본 발명은 용접선 시각추적과 아크데이터 모니터링을 동시에 수행하는 시스템에 관한 것으로서, 특히 GMA용접에서 아크의 단락을 이용하여 아크광 및 스패터의 영향을 받지않는 용접선 시각추적과 용접전류, 용접전압등 아크데이터의 모니터링을 동시에 수행하는 용접선 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템에 관한 것이다.

현재 GMA용접에서 용접선 자동추적을 위해 개발하여 사용되고 있는 일반적인 센서로는 ① 기계식 촉각(tactile)센서, ② 아크(arc)센서, ③ 전자기(electro-magnetic) 센서등이 있는바, 여기서 ① 기계식 촉각 센서의 경우는 기계적인 접촉에 의하여 신호를 받는 것이기 때문에 접촉에 의한 외란 즉, 가접 또는 모재(母材)의 표면상태에 의한 오류의 발생으로 사용에 어려움이 있으며, ② 아크센서의 경우는 위빙(weaving) 하였을때 위빙양단에서의 전류값 차이를 검출하여 간접적인 위치정보를 이용하기 때문에 용접선을 추적하여 용접하고 있는 곳에서의 토치위치를 검출할 수 있을 뿐만아니라 제작비가 저렴하다고 하는 장점은 있으나, 용접조건상 위빙이 가능한 후판의 용접선 추적에 사용될 수 있어 박판의 용접시에는 적용할 수 있으며, ③ 전자기센서의 경우는 비교적 정밀하게 측정되나 아크열 및 자기장의 영향을 쉽게 받게 된다고 하는 단점이 있다.

상기한 용접선 추적용 센서와는 달리 시각센서를 이용하여 용접선 추적을 할 수 있는 장치도 다수 개발되어 있는바, 그중 하나가 유럽특허 제 336,174호(명칭 : 3-D Vision Seam Tracking Manipulator ; 1989)로서 레이저와 카메라로 용접 접합부를 스캔(scan)하여 용접선을 감지하여 토치의 위치를 조정함으로써 용접선 추적을 수행하는 것인데, 이는 용접공정중의 용접환경변화에 따른 정보를 반영하고 있지 않아 용접환경변화에 따른 이상 용접선 추적을 알 수 없다고 하는 결점이 있다.

또 미국특허 제 4,812,614호(명칭 : Robotic Welding Vision Track System ; 1989)로 소개되어 있는 장치는 레이저없이 조명장치와 카메라를 이용하여 용접선의 위치를 검출하며 지시된 용접경로와 측정된 용접선의 차이를 보상하여 용접선을 추적한다. 그러나 이 장치는 용접선의 위치검출에 걸리는 시간이 비교적 길고, 영상처리시 아크광 또는 스패터에 의한 외란이 심하게 나타나므로 이러한 기능을 방지하고자 카메라와 용접토치 사이에 차단막을 설치하게 되어 차단막 설치 및 보전(maintenance) 작업이 요구되고, 그에 따른 경비의 추가로 장치의 가격이 상승하게 되는 결점이 있었다.

한편 용접공정중 갑작스런 용접환경의 변화나 비정상적인 용접선 추적이 결국 용접전류 및 전압의 신호로서 나타날 것이므로 이러한 용접전류, 용접전압등 아크데이터의 측정으로 장치의 이상거동 상황의 발생을 인식할 수 있다. 따라서 용접후 검사를 위한 용접신호의 모니터링에 관한 연구가[G. E. Cook, et al,. "Analizing Arc Welding Signals with a Microcomputer", IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. 27, No.7, (1982), PP. 1282~1288]로서 발표되었고, 그외에도 용접전원장치의 출력특성에 대한 용접전류, 전압신호의 분석에 대한 연구가 진행되어[J. L. Pan, et al., "Adaptive Control GMA Welding-A New Technique for Quality Control", Welding Journal, Vol. 68, No.3, (1989), PP. 73-76]로서 발표 되었다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 발명된 것으로, 아크의 단락시간을 이용함으로써 아크광 및 스패터의 영향을 크게 줄일 수 있고, 시각센서용 카메라와 용접토치간의 차단막이 필요치 않으며, 용접전류와 용접전압등 아크데이터의 모니터링으로 용접선 자동추적과 동시에 용접환경의 변화를 측정하여 장치의 이상 거동을 찾아낼 수 있는 용접선 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

이하 본 발명의 구성 및 작용, 효과를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 시각추적 및 아크데이터 모티터링 시스템은 레이저광을 발생하는 레이저(1)와, 발생된 레이저광을 전송하는광섬유(2), 전송된 점광원의 레이저광을 선형광으로 변환하여 용접선에 교차되도록 비추어주는 원통형렌즈(3), 박판겹치기 이음부분을 GMA 용접하는 용접토치(4), 레이저 선형광과 용접선이 교차된 부분의 광학상을 받아 영상신호로 변환하는 카메라(5), 용접에 필요한 전원을 공급하는 용접전원공급수단(6), 상기 용접전원공급수단(6)에 직렬로 연결된 션트저항(7), 상기 용접전원 공급수단(6) 및 션트저항(7)의 출력신호를 증폭하는 증폭수단(8), 상기 증폭수단(8)의 출력을 입력하여 아크의 단락시점을 검출하는 아크단락 검출수단(9), 아크단락 검출수단(9)의 출력을 입력하여 인터럽트신호(IR₁, IR₂)를 발생시키는 인터럽트 핸들러수단(10), 상기 증폭수단(8)의 출력인 아날로그신호를 디지탈신호로 변환하는 A/D컨버터(11), 시스템의 각부를 제어하는 컴퓨터(12), 상기 카메라(5)의 영상신호를 받아 컴퓨터(12)의 제어에 따라 프레임을 고정시키는 프레임그래버(13 ; Frame Grabber), 상기 컴퓨터(12)의 제어에 따라 펄스를 발생하는 펄스발생기(14), 펄스발생기(14)에서 발생된 펄스를 입력하여 상기 용접토치(4)의 위치를 이동시키는 스텝핑모터부(15) 및 아크데이터를 모니터링하는 모니터(16)로 구성된다.

제1도는 본 발명 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템 전체의 개략적인 블록구성도로서, 박판겹치기 이음의 GMA 용접에서 단락시간을 이용한 용접선 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템은 레이저(1)와 원통형 렌즈(2), 용접토치(4), 카메라(5), 용접전원 공급수단(6), 용접전류신호에서 단락시점을 검출하는 아크단락 검출수단(9), 용접전류, 전압을 측정하는 A/D 컨버터(11), 컴퓨터(12), 용접토치(4)의 이송수단인 스텝핑모터부(15)등으로 구성되는바, 여기서 레이저(1)는 예컨대 헬륨네온(He-Ne) 레이저로서, 이러한 레이저(1)는 점광원을 가지고 있으므로 광섬유를 거쳐 원통형렌즈(2)를 통과시키면 선형광을 얻을 수 있다. 이 선형광을 용접선에 교차시키면 겹치기 이음에 의한 원통형 렌즈(2)와 용접모재간의 거리차이로 인하여 용접선에서 선형광이 굴곡을 갖게 된다. 여기서 선형광이 모재에 비춰지는 위치는 주어진 거리만큼 용접토치(4)의 앞쪽에 위치되도록 한다. 이와같이 하여 광학필터를 장착한 카메라(5)가 용접선과 레이저의 선형광이 교차된 부분의 광학상을 받아 영상신호로 변환하게 되고, 이 영상신호를 컴퓨터(12)의 프로그램으로 처리하여 레이저 선형광의 굴곡진 위치를 계산함으로써 용접선을 검출하게 된다.

또한 용접전원공급수단(6)의 용접전원 2차측 도선에 션트(shunt)저항(7)을 직렬로 연결하면 용접전류에 비례한 전압강하가 션트저항(7)에서 출력되며, 이 신호는 증폭수단(8)을 거쳐 아크의 단락시점을 검출하는 아크단락 검출수단(9)으로 입력됨과 더불어 아크데이터 모니터링을 위한 용접전류측정회로인 A/D컨버터(11)로 입력된다.

그에따라 아크단락 검출수단(9)에서는 용접전류신호를 입력받아 아크의 단락시점 즉, 용접전류가 급상승하는 순간을 검출하여 펄스신호를 인터럽트 핸들러수단(10)으로 출력하게 되고, 인터럽트 핸들러수단(10)에서는 전체 샘플링 시간중 영상처리 및 제어프로그램이 충분히 수행될 수 있는 간격으로 할당된 시간과 아크의 단락시점이 공존할때 영상데이터를 받아들이고 추적제어프로그램을 수행하도록 컴퓨터(12)의 인터럽트입력단자(Q₁)로 하이레벨의 인터럽트신호(IR₁)를 출력하며, 전체 샘플링 시간중 아크데이터 모니터링을 위한 시간이 되면 컴퓨터(12)의 인터럽트 입력단자(Q₂)로 하이레벨의 인터럽트신호(IR₂)를 출력하게 된다. 그러면 즉, 컴퓨터(12)의 단자(Q₁)로 하이레벨의 인터럽트신호(IR₁)가 입력되면, 컴퓨터(12)에서는 영상을 처리하여 용접선의 위치를 결정하며, 이 위치는 현재 용접토치(4)가 있는 곳에서 주어진 거리만큼 앞에 있으므로 컴퓨터(12)내의 버퍼에 저장되며, 용접토치(4)가 다음 샘플링 시간에 있어야 할 위치정보를 버퍼에서 읽어내어 해당위치로 이송장치를 제어하여 용접선을 추적하게 된다. 그리고 컴퓨터(12)의 단자(Q₂)로 하이레벨의 인터럽트신호((IR₂)가 입력되면, A/D 컨버터(11)를 통하여 용접전류 및 용접전압을 측정하여 측정한 데이터를 컴퓨터(12)내의 버퍼에 축적하게 된다.

제2도는 아크단락 검출수단(9)의 상세회로도로서, 저항(R₁~R₂₀)과 가변저항(VR₁~VR₃), 콘덴서(C₁~C₄), 연산증폭기(OP₁~OP₃), 비교기(CM₁~CM₃), 인버터(IV₁) 및 앤드게이트(AD₁, AD₂)로 구성되어 아크의 단락을 검출하게 되는바, 본 발명의 경우 용접전류는 예컨데 최대 500A이므로 이때 션트저항(7)에서의 전압강하는 50mV로 되고 이것을 증폭수단(8)으로 100배 증폭하여 최대 5V의 입력신호(IN)가 아크단락 검출수단(9)으로 입력될 수 있다.

일반적으로 박판의 GMA 용접에서 전극이 녹아 모재로 전달되는 금속이행은 주로 단락이행모드(Short Circuit Metal Transfer Mode)이며, 단락이행중 아크는 점멸하는데 용융전극이 모재에 닿는 수간 즉, 단락되는 순간 용접전류는 급상승하여 점차 최대치에 도달하며, 용융금속이 전극으로부터 분리되는 순간 즉, 아크가 점화되는 순간 용접전류는 급하강하여 점차 최소치에 도달하게 된다. 따라서 아크단락 검출수단(9)에서는 용접전류신호의 변화에 따른 입력신호(IN)를 입력하여 그 미분치가 양의 값을 갖는 적정선 이상이며 전류값이 적정값 범위에 있을때를 해당시점으로 결정하여 하이레벨의 출력신호(OUT)를 출력하게 된다.

여기서 단락시점을 결정하기 위한 용접전류값과 미분값의 기준치는 용접전류신호를 분석하여 실험적으로 결정한다.

제3도 및 제4도는 각각 대표적인 용접전류신호 및 용접아크의 단락시점을 검출한 일예를 나타낸 것으로, 제3도는 단락이행모드에서 시간에 따라 변하는 전형적인 용접전류신호의 변화를 도시한 것이며, 제4도는 제3도에 도시한 용접전류신호의 변화에 대응하여 아크단락 검출수단(9)의 단락시점 검출신호인 출력신호(OUT)가 시간에 따라 변하게 됨을 보여주는 도면이다. 제4도에서 보는 바와같이 아크단락 검출수단(9)에서 출력되는 출력신호(OUT)의 레벨상태에 따라 아크단락을 검출하게 되므로 신뢰성이 높은 검출결과를 얻을 수 있다.

제5도는 용접선 추적 및 모니터링을 위한 인터럽트 핸들러수단(10)의 상세회로도로서, 저항(R₂₁~R₂₄)과 인버터(IV₂, IV₃), 노아게이트(NR₁~NR₃), 앤드게이트(AD₃), 버퍼(BF₁, BF₂), D형플립플롭(DF₁~DF₃) 및 집적회로(IC₁, IC₂)로 구성되며, 아크단락 검출수단(9)의 출력신호(OUT)를 입력신호(IP)로 입력하여 전체 샘플링 시간중 용접선 추적에 할당된 시간과 아크의 단락이 공존하는 시점을 인터럽트신호(IR₁)로, 그리고 전체 샘플링 시간중 아크데이터 모니터링에 할당된 시간의 시점을 인터럽트신호(IR₂)로 컴퓨터(12)의 단자(Q₁, Q₂)로 각각 송출하게 된다.

본 발명에서는 전체 샘플링시간을 영상처리시간과 추적제어프로그램이 충분히 수행될 수 있는 시간 및 모니터링으로 용접의 상태를 파악할 수 있는 시간을 가질 수 있도록 예컨대 0.4초로 하였으며, 여기서 용접선 자동추적에 0.3초, 아크데이터 모니터링에 0.1초를 할당하였다. 용접선 추적에 할당된 시간과 아크의 단락 검출신호가 공존할때 인터럽트신호(IR₁)는 하이레벨로 되어 컴퓨터(12)의 인터럽트 입력단자인 단자(Q₁)로 인가되며, 이 인터럽트에 의해 컴퓨터(12)에서는 영상 데이터를 받아들이고 영상처리를 하여 용접선을 검출하게 된다. 이 위치정보는 컴퓨터(12)내의 버퍼에 저장되며, 다음 샘플링 시간에 용접토치(4)가 있어야 할 위치를 버퍼에서 읽어내어 이송장치를 제어하게 된다. 또한 아크데이터 모니터링에 할당된 시간이 되면, 인터럽트신호(IR₂)가 하이레벨로 되어 컴퓨터(12)의 단자(Q₂)로 입력되므로 컴퓨터 프로그램중 아크데이터 모니터링을 위한 용접전류, 전압의 측정이 이루어지게 된다.

제6도는 아크단락시점 이후 시간별 아크광 및 스패터의 영향을 측정한 데이터를 도표로 나타낸 것으로 각 데이터는 15회의 반복 실험결과를 평균한 것이다. 이 실험에서 레이저(1)의 선형광은 비추지 않은 상태였고, 카메라(5)에 장착된 광학필터는 헬륨네온(He-Ne) 레이저인 경우 레이저의 파장에 해당하는 632nm를 중심으로 20nm의 파장폭 범위안의 빛이 통과하는 대역통과필터(Band Pass Filtet)이며, 카메라(5)로부터 받은 영상에서 8비트(bit) 분해능(resolution)의 그레이레벨(gray level)이 해당 임계값(threshold) 이상인 화소(pixel)의 숫자를 표기하였으므로 아크광 및 스패터의 영향을 대변하는 것이다. 즉, 레이저 선형광의 그레이레벨이 약 100이상이므로 해당 화소수가 많을수록 영상처리에서 레이저 선형광으로 오인될 수 있는 여지가 크게되며 결국 아크의 단락시점에서 아크광 및 스패터의 영향이 가장 적음을 알 수 있다. 따라서 아크가 단락된 시점에서 영상테이터를 취득함으로써 아크광 및 스패터의 영향을 줄일 수 있으므로 설치 및 보전작업이 요구되는 차단막없이도 용접선을 정확히 검출할 수 있어 안정된 용접선 추적이 가능하다.

제7도는 정상적인 용접환경에서의 아크데이터를 나타낸 도면으로, 예컨대 용접전압 18V, 와이어 공급속도 160ipm, 용접속도 7mm/s, 와이어직경 1.2mm, 아르곤과 탄산가스의 혼합가스를 보호가스로 한 정상적인 조건에서 용접하였을때의 아크데이터이다. 이때 약 60~120Hz의 진동수로 단락을 이루므로 제7도와 같은 전류, 전압의 그래프는 루프를 그리며, 정상적인 조건이므로 비교적 안정된 궤적이 중첩됨을 보여주고 있다.

제8도는 보호가스가 차단된 비정상적인 용접환경에서의 아크데이터를 나타낸 도면으로서, 비정상적인 조건의 일례인바, 이때 아크 주위에는 대기가 존재하며 이것은 아르곤의 경우보다 이온화에너지가 높으므로 아크 발생중의 용접전압이 크게 나타나고있으며, 아크발생 및 소멸시의 전류값이 많이 분산되어 있어 단락이행이 불균일함을 알 수 있다. 따라서 아크데이터 모니터링으로 공정중의 상태파악이나 용접완료후 용접조건 및 환경의 이상유무를 감지하는데 유용하게 적용할 수 있으며, 용접전원장치의 성능평가도 가능하므로 새로운 용접전원의 개발에도 유용하게 이용될 수 있다.

상기한 바와같은 작용을 하는 본 발명은 박판의 GMA 용접에서 모재단품간의 오차가 있거나 용접 시작점 및 용접선의 주어진 임의의 용접선을 시각센서를 이용하여 자동추적하는 장치나 용접중 용융부의 크기, 온도분포등의 파라미터들을 시각센서로 모니터링(monitoring)하거나 제어하는 장치 또는 아크데이터 모니터링으로 용접환경 및 용접부의 이상유무감시 및 용접전원장치의 성능을 평가하는 장치에 이용할 수 있으며, 아크광 및 스패터의 영향을 크게 줄일 수 있고, 시각센서용 카메라와 용접토치간에 차단막이 필요치 않아 제품가격이 저렴하며, 용접전류와 용접전압등 아크데이터의 모니터링으로 용접선 자동추적과 동시에 용접환경의 변화를 측정하여 장치의 이상거동을 손쉽게 찾아낼 수 있는 장점이 있다.

Claims

레이저광을 발생하는 레이저(1)와, 발생된 레이저광을 전송하는광섬유(2), 전송된 점광원의 레이저광을 선형광으로 변환하여 용접선에 교차되도록 비추어주는 원통형렌즈(3), 박판겹치기 이음부분을 GMA 용접하는 용접토치(4), 레이저 선형광과 용접선이 교차된 부분의 광학상을 받아 영상신호로 변환하는 카메라(5), 용접에 필요한 전원을 공급하는 용접전원공급수단(6), 상기 용접전원공급수단(6)에 직렬로 연결된 션트저항(7), 상기 용접전원 공급수단(6) 및 션트저항(7)의 출력신호를 증폭하는 증폭수단(8), 상기 증폭수단(8)의 출력을 입력하여 아크의 단락시점을 검출하는 아크단락 검출수단(9), 아크단락 검출수단(9)의 출력을 입력하여 인터럽트신호(IR₁, IR₂)를 발생시키는 인터럽트 핸들러수단(10), 상기 증폭수단(8)의 출력인 아날로그신호를 디지탈신호로 변환하는 A/D 컨버터(11), 시스템의 각부를 제어하는 컴퓨터(12), 상기 카메라(5)의 영상신호를 받아 컴퓨터(12)의 제어에 따라 프레임을 고정시키는 프레임그래버(13 ; Frame Grabber), 상기 컴퓨터(12)의 제어에 따라 펄스를 발생하는 펄스발생기(14), 펄스발생기(14)에서 발생된 펄스를 입력하여 상기 용접토치(4)의 위치를 이동시키는 스텝핑모터부(15) 및 아크데이터를 모니터링하는 모니터(16)로 구성되어 용접선 추적과 동시에 아크데이터를 모니터링함으로 특징으로 하는 용접선 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템.
제1항에 있어서, 아크단락검출수단(9)이 저항(R₁~R₂₀)과 가변저항(VR₁~VR₃), 콘덴서(C₁~C₄), 연산증폭기(OP₁~OP₃), 비교기(CM₁~CM₃), 인버터(IV₁) 및 앤드게이트(AD₁, AD₂)로 구성되어 용접전류신호로부터 아크단락시점을 검출하는 것을 특징으로 하는 용접선 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템.
제1항에 있어서, 인터럽트핸들러수단(10)이 저항(R₂₁~R₂₄)과 인버터(IV₂, IV₃), 노아게이트(NR₁~NR₃), 앤드게이트(AD₃), 버퍼(BF₁, BF₂), D형 플립플롭(DF₁~DF₃) 및 집적회로(IC₁, IC₂)로 구성된 용접선 시각추적 및 아크데이터 모니터링 시스템.