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문제 정의
- 그리고 용접품질의 평가를 위해서는 정확한 각장의 위치측정이 필요하므로 본 연구에서는 비파괴 검사방법 중 외부 검사법으로 구조화된 빔(Structured light)을 이용한 비전 센서를 이용하여 외관의 형상으로부터 용접 비드의 결함 검출을 하려고 한다. 따라서 이를 위한 영상처리, 용접선 추적 및 간극의 크기 측정 알고리듬, 특징점 (Feature point) 추출 알고리듬, 용접결함 판별알고리듬 등이 제시되어야 하며, 다층 용접 시에는 용접조건 설정을 위한 용접부 필릿 면적의 측정이 이루어져야 한다.
- 본 연구의 목표는 직경이 큰 파이프를 접합하기 위한 자동용접기에 사용될, 두 개의 시각센서를 이용하는, 앞의 시각센서를 통해서 용접선 추적 및 간극의 크기측정을 하고, 뒤의 시각센서를 이용하여서는 용접 후 외관의 형상으로부터 용접비드의 결함을 검출하는 시스템의 개발이다.
가설 설정
- (5) 확관의 끝점(점④)과 직선ⓑ사이의 거리가 용접부 간극의 크기이다.
제안 방법
- (1) 시각센서를 설계 제작한 후 비전보드를 통한 영상처리를 통하여 노이즈가 제거된 레이저 띠의 3차원 위치 정보를 얻었다.
- (3) 얻어진 특징점들을 이용하여 용접선 추적을 행하였고, 간극의 크기를 측정하여 용접조건 결정에 이용하였으며, 용접결함의 종류와 크기 및 필릿 면적을 측정해 내었다.
- (4) 용접선 추적 결과를 이용하여 파이프의 내부용접과 외부용접을 성공적으로 수행하였으며 용접 후 용접결함을 측정하였다. 그리고 이것을 다층용접에 적용하여 성공적으로 용접을 수행하였다.
- 관련식은 한국해양대에서 개발한 간극의 크기에 따른 용접조건 설정 프로그램을 이용하였다11). 간극을 측정하여 필요한 용착면적을 구한 후, 이에 따른 전류와 용접속도를 조절해 주는 방법을 이용하였다.
- 외부에 장착되어 각각 파이프의 내부/외부 용접에 사용된다. 구동부를 가이드레일을 따라 움직이게 하고 용접토치를 용접선에 위치시키고 위빙을 하게 하기 위해서 3개의 서보모터(servo motor)를 사용하였다. 그밖에 영상처리용 비전보드, 절연보드, A/D D/A 변환기, 위치 제어보드, 영상처리와 모터구동 및 용접기 제어를 위한 PC, 100% 이산화탄소(CO2) 가스로 이루어져 있다.
- 측정하였다. 그리고 이것을 다층용접에 적용하여 성공적으로 용접을 수행하였다.
- 찾아내고 그 크기를 측정하는 것이다. 노이즈를 제거한 후 3차원 변환을 한 다음 특징점들의 좌표를 얻게 되는데, 이 때 얻어진 특징점들의 좌표값들을 이용하여 여러 가지 결함들의 발생여부와 그 크기, 그리고 필릿면적을 측정하도록 하였다. 본 연구에서 결함의 판정기준은 ISO 6520-1, ISO 581712.
- 이것은 간극이 존재하지 않는 경우 용융부의 용입이 적절하게 일어나지 않고 상대적으로 중력의 영향을 크게 받기 때문에 나타나는 현상으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 여러 가지 용접조건들(용접전류, 용접전압. 용접속도, 위빙폭 등)을 바꾸어가면서 실험을 하였고, 그 실험들을 통하여 간극이 존재하지 않는 경우 용접전류, 용접전압을 크게 하고 용접속도를 빠르게 하는 조건을 선정하였다. 개선된 용접조건으로 실험결과 적절한 용접부 형상을 얻을 수 있었다.
- 노이즈가 발생함을 알 수가 있었다. 본 연구에서 최종적으로 얻고자 하는 용접선 위치 및 간극의 크기의 정확성을 위해서는 노이즈의 제거가 중요하고, 이를 위해서 세선화 후 영상처리를 통하여 노이즈를 제거하였다. 본 연구에서는 기준점을 중심으로 일정값(threshold) 이상 차이를 보이는 점을 노이즈로 인식하게 하는 방법으로 노이즈를 제거하였다.
- 본 연구에서 최종적으로 얻고자 하는 용접선 위치 및 간극의 크기의 정확성을 위해서는 노이즈의 제거가 중요하고, 이를 위해서 세선화 후 영상처리를 통하여 노이즈를 제거하였다. 본 연구에서는 기준점을 중심으로 일정값(threshold) 이상 차이를 보이는 점을 노이즈로 인식하게 하는 방법으로 노이즈를 제거하였다.
- 본 연구에서 사용된 용접 방법은 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 로 아래보기자세, 수직자세, 위보기자세 등 용접 시에 나타날 수 있는 모든 용접자세가 필요한 본 연구의 특성에 적합하다. 와이어 직경은 1.4mm, CTWD는 20mm, 용접속도는 3mm/sec, 위빙폭(weaving width)은 3mm, 위빙주파수(weaving frequency)는 1.3Hz이며 , 용접전류와 용접전압은 각각 200A~260A, 20V~28V사이에서 간극의 크기와 용접토치의 위치에 따라 변화하도록 하였다.
- 용접 대상체의 구조가 비교적 간단하기 때문에, 본 연구에서는 모서리 탐색 알고리듬으로 일반적으로 곡선으로 된 영상에서 폴리건 근사화된 정보를 추출하는 반복 폴리건 근사화(iterative polygon approximation)9.10)를 연구 대상에 적합하게 변형하여 적용하였다. 반복 폴리건 근사화는 곡선의 양 끝 점을 잇는 직선을 긋고 곡선내의 점들 중에서 직선에서 가장 먼 거리를 가진 점을 찾는 방법으로 곡선을 폴리곤 근사화하는 방법이다.
- 점⑥과 점⑤사이의 점들과 점⑥과 점⑤를 잇는 직선 사이의 거리를 측정하여 볼록도 과다(excessive convexity)를 판정하며, 모서리 근처에 있는 점들을 대상으로 직선ⓑ와 직선ⓒ로부터 떨어진 거리를 측정하고 방향성을 고려하여 언더컷(undercut)을 판정한다. 필릿 면적의 계산은 점⑤와 점⑥사이의 프로파일을 적분한 뒤 직선ⓑ와 직선ⓒ가 기울어져 있음으로써 발생되는 오차를 보정하도록 하였다. Fig.
대상 데이터
- 그밖에 영상처리용 비전보드, 절연보드, A/D D/A 변환기, 위치 제어보드, 영상처리와 모터구동 및 용접기 제어를 위한 PC, 100% 이산화탄소(CO2) 가스로 이루어져 있다. 실험에 사용된 파이프의 재질은 STWW400(KS D 3565 상수도용 도복장강관)으로 두께는 8mm이고 직경은 1m이다. 본 연구에서 사용된 용접 방법은 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 로 아래보기자세, 수직자세, 위보기자세 등 용접 시에 나타날 수 있는 모든 용접자세가 필요한 본 연구의 특성에 적합하다.
- 전체적인 시스템은 Fig. 5와 같으며, 실험장치는 구동부와 구동부의 이송부에 이용되는 가이드 레일(guide rail), 그리고 시각센서로 이루어진다.
이론/모형
- 결정하는데 사용된다. 관련식은 한국해양대에서 개발한 간극의 크기에 따른 용접조건 설정 프로그램을 이용하였다11). 간극을 측정하여 필요한 용착면적을 구한 후, 이에 따른 전류와 용접속도를 조절해 주는 방법을 이용하였다.
- 노이즈를 제거한 후 3차원 변환을 한 다음 특징점들의 좌표를 얻게 되는데, 이 때 얻어진 특징점들의 좌표값들을 이용하여 여러 가지 결함들의 발생여부와 그 크기, 그리고 필릿면적을 측정하도록 하였다. 본 연구에서 결함의 판정기준은 ISO 6520-1, ISO 581712.13)을 참고하였고, 자세한 특징점 추출과정은 다음과 같다(Fig. 3).
- 실험에 사용된 파이프의 재질은 STWW400(KS D 3565 상수도용 도복장강관)으로 두께는 8mm이고 직경은 1m이다. 본 연구에서 사용된 용접 방법은 FCAW(Flux Cored Arc Welding) 로 아래보기자세, 수직자세, 위보기자세 등 용접 시에 나타날 수 있는 모든 용접자세가 필요한 본 연구의 특성에 적합하다. 와이어 직경은 1.
성능/효과
- (2) 반복 폴리건 근사화(iterative polygon approximation) 알고리듬을 용접부 형상에 적합하게 적용하여 정확한 특징점들의 좌표를 얻을 수 있었다.
- (4) 점③과 점⑤를 잇는 직선ⓩ의 식을 구한 후, 점 ③과 점⑤ 사이의 점들 중에서 직선ⓩ보다 크면서 직선ⓩ로부터 거리가 가장 먼 점을 찾는다.
- 용접속도, 위빙폭 등)을 바꾸어가면서 실험을 하였고, 그 실험들을 통하여 간극이 존재하지 않는 경우 용접전류, 용접전압을 크게 하고 용접속도를 빠르게 하는 조건을 선정하였다. 개선된 용접조건으로 실험결과 적절한 용접부 형상을 얻을 수 있었다. 또, 초기 토치의 지향이 용접부의 치우침에 큰 영향을 주기 때문에 초기 토치의 위치선정을 적절하게 하는 것도 중요하다.
- 시간이 소요된다. 따라서 본 연구에서 용접선의 정보를 용접토치 구동부에 전달하는 주기가 450ms이므로 영상처리가 충분한 속도로 이루어짐을 알 수가 있다.
- 따라서 레이저가 조사된 대상물의 위치를 얻기 위해서는 화면에 나타난 레이저 띠의 위치를 결정하고, 찾아낸 레이저 띠의 정보로부터 레이저 띠의 중심을 찾는 영상처리과정을 거쳐야 한다. 레이저 띠를 추출하고 세선화하기 위해서 본 연구에서 사용한 방법은 레이저 강도와 레이저띠의 두께를 이용한 방법으로, 계산이 간단하면서 레이저 띠의 두께가 비슷할 경우 좋은 성능을 보인다.
- 반복 폴리건 근사화는 곡선의 양 끝 점을 잇는 직선을 긋고 곡선내의 점들 중에서 직선에서 가장 먼 거리를 가진 점을 찾는 방법으로 곡선을 폴리곤 근사화하는 방법이다. 본 연구에서 사용된 방법은 파이프와 같은 벨엔드용접부 뿐 아니라 다른 용접부에도 적용 가능하며, 실제 측정 결과 올바른 모서리의 위치를 정확하게 찾아내었다. 다음의 순서로 용접선 추적에 필요한 특징점들을 찾는다.
- 본 연구의 환경은 실제 상하수도관 용접 현장 환경보다 양호하다고 생각되며, 용접선 추적 시 빠르고 정확한 탐색을 위해 검색 기준점을 정하였는데, 열악한 환경 하에서는 검색기준점을 정하지 않고 양 끝점을 이용한 반복 폴리건 근사화 알고리듬을 통해 용접선 추적을 행하는 것이 좋을 것으로 사료된다. 이것은 검색 기준점을 정하지 않는 경우 검색 속도가 느려지고 용접선의 위치정밀도가 떨어지지만 열악한 환경에는 좀 더 적합하기 때문이다.
- 6은 내부 및 외부용접 실험결과 용접 비드형상중 용접이 가장 어려웠던 수직자세의 용접결과를 나타낸 것이다. 사진에서 알 수 있듯이 용접위치와 간극의 크기에 관계없이 비교적 일정한 각장 길이를 갖으면서 적절한 모양의 용접 비드형상을 얻을 수 있었다. Fig.
- 7은 다층용접의 결과를 나타낸 사진이다. 용접부의 비드형상을 통해 용접선 추적이 잘 이루어졌으며, 용접조건도 적절하게 주어졌음을 알 수 있다.
후속연구
- 이것은 검색 기준점을 정하지 않는 경우 검색 속도가 느려지고 용접선의 위치정밀도가 떨어지지만 열악한 환경에는 좀 더 적합하기 때문이다. 또한 실제 환경에 대한 적응을 위해서 현장 적응 실험이 필요하고, 용접결함 측정 결과를 용접변수 결정 및 용접선 추적에 반영시키기 위해서는 결함에 따른 보정 방법에 관한 연구도 이루어져야 할 것이다.
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