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문제 정의
- 본 연구는 비전센서를 통해 얻어지는 임의의 그루브갭과 탄산가스 아크 용접의 원하는 이면비드 형상을 얻기 위한 용접 공정변수 예측 회귀 모델식을 얻는데 목적이 있다. 즉, 통계적인 다중회귀분석법으로 용접 공정변수들과의 상관관계를 해석하고 회귀식의 역변환을 이용해 이면비드 변수를 통한 용접 공정변수의 회귀식을 얻는데 있다.
- 최근에는 후판의 시편 상 용접에서 용접공정 변수를 이용하여 이면비드를 제어하려는 제한적인 연구로부터 맞대기 용접에서 용접공정 변수에 루트간극을 추가하여 이면비드의 용접성을 제어하려는 연구가 활발히 수행되고 있다. 본 연구에서는 맞대기 GMA용접에서 외부 용접변수에 의해서 이면비드의 기하학적 형상을 효과적으로 제어하기 위한 다중회귀분석법[7-8]에 의한 이면비드의 형상변수에 따른 실험식들을 개발하였다. 그리고, 이를 역변환시켜 실제 용접공정에서 원하는 이면비드 형상을 얻기 위해 공정변수를 예측하는 회귀식을 개발하였다.
- 앞서 용접공정 변수를 통해서 맞대기 용접의 임의의 갭에서 원하는 형상의 비드를 얻을 수도 있으나, 실제 로봇 GMA용접에서 용접선 추적과 같은 용접 자동화 및 제어 알고리즘에 이용할 수 있으며, 다양한 용접 조건에서도 쉽게 임의의 비드형상을 위한 최적의 공정변수 예측을 가능하게 하기 위해서 다음과 같은 연구방법을 시도하였다. 식 (1), (2), (3)을 다음 벡터로 정의하여 다음과 같은 간단한 행렬의 형태로 바꿀 수 있다.
가설 설정
- 프로파일 데이터 계측에 사용된 레이저 비전센서는 출력 40mW, 파장 680nm의 레이저 다이오드와 대역 통과 필터가 설치되어있고, 한 프로파일 당 256개의 점을 샘플링하며 초당 40 프로파일링을 수행할 수 있다. 용접을 위한 보호 가스의 유량은 15//min, 용접팁과 작업물(모재) 사이 거리는 15mm로 정하여 실험하였다.
제안 방법
- 1. 지금까지 비드형상 변수와 용접 공정변수의 상관관계가 주로 상판용접까지 적용된 반면, 본 연구에서는 갭이 존재하는 맞대기 용접에서 이면비드의 형상 예측(까지 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 맞대기 GMA용접에서 외부 용접변수에 의해서 이면비드의 기하학적 형상을 효과적으로 제어하기 위한 다중회귀분석법[7-8]에 의한 이면비드의 형상변수에 따른 실험식들을 개발하였다. 그리고, 이를 역변환시켜 실제 용접공정에서 원하는 이면비드 형상을 얻기 위해 공정변수를 예측하는 회귀식을 개발하였다. 또한, 이 회귀식에 실험을 통해 얻은 데이터들을 이용하여 회귀 데이터와 비회귀 데이터에 적용시켜봄으로서, 공정변수 예측시스템[9-11]을 실시간 적응제어에 사용할 수 있음을 보여주었다.
- 관계를 갖고 있을 것으로 추측된다. 본 연구에서는 먼저, 이 변수들 관계를 검토하는 비드 예측 회귀 모델을 만들었다. 이들 예측 회귀 모델을 검토하는 방법으로는 통계적인 방법인 다중회귀분석법을 사용하였다.
- 갖고 있을 것으로 생각된다. 본 연구에서는 아크 전압, 용접 전류, 용접 속도와 이면비드 용접 부위의 갭, 폭과 깊이와의 상관관계를 검토하는 비드 예측 회귀모델을 만들었다. 이들 예측 회귀모델 검토방법으로는 통계적인 방법인 다중회귀분석법을 사용하였다.
- 본 해석에서 유의성 수준이 0.05이상을 넘으면 독립변수와 종속변수의 유의성이 떨어진다고 하고 독립변수를 제거시키는 방법으로 회귀 모델식을 구성한다. 선형회귀 모델을 이용하여, 실험에 사용했던 데이터를 통해 예측하였을 경우, 측정치와 다중회귀분석법에 의한 예측치를 비교하여 그루브 갭, 이면비드의 폭과 깊이를 나타낸 것이 그림 4, 5, 6이다.
- 본 연구에서는 임계치 최소값을 2 mm 로 두었으며, 이 길이 내 포함되는 점을 에지점으로 삼았다. 생성되는 에지점은 최대 17개까지 생성될 때까지 수행하도록 하였다. 본 연구에서는 정밀도 0.
- 용접변수 종류 및 용접조건은 표 1에 나타내었다. 위의 조건을 조합하여 72가지 실험을 각 3회 씩 수행 후 각 조건마다 평균하여 72개의 조건에 대한 데이터를 얻었다. 이들 각각의 실험조건과 시편 이면의 용접 부위 길이방향 100mm중 최초, 최후 양측 10mm를 제외한 80mm를 비전센서로 계측하여 용접될 이면비드의 갭의 평균, 이면비드의 폭과 깊이 값을 구하여 이면비드 공정변수 예측시스템을 구성하기 위한 데이터로 사용하였다.
- 모델식을 얻을 수 있었다. 이면비드 형상 변수들과 용접 공정변수들의 양방향 회귀 모델식을 구하고, 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 그림 2는 윤곽선 표현을 위한 분할법을 나타낸 것으로 첫 번째 에지점 Bo와 마지막 에지점 B6을 직선으로 연결하고 이 선분에서 가장 멀리 떨어진 에지점을 찾아 B3로 한다. 이와 같은 작업을 반복적으로 수행해 Bi과 Bs의 에지점을 구하고, %과 B3에서 가장 먼 거리의 에지점 B2를 구하고, B3와 岛에서 가장 먼 거리의 에지점의 직선으로부터 수직거리를 계산하고, 모든 점에 대한 직선거리가 임계치보다 작으면 프로그램은 중지되며, 그렇지 않을 경우 이상과 같은 프로그램 작업을 반복적으로 수행한다. 본 연구에서는 임계치 최소값을 2 mm 로 두었으며, 이 길이 내 포함되는 점을 에지점으로 삼았다.
- 회귀분석에 사용된 독립변수들로는 아크 전압, 용접 전류와 용접 속도 3개이다. 회귀분석에 사용된 데이터는 독립변수의 조건을 조합하여 해석단계 데이터의 5가지 조건과 검증단계의 데이터 5가지 조건을 사용하여 개발된 회귀모델의 적합성을 검증하였다. 본 회귀분석에는 상용 통계프로그램인 SPSS를 사용하였다.
- 회귀분석에 사용하는 독립변수로는 용접기에서 공급되는 아크 전압, 용접 전류와 3축 모션제어에 의한 용접속도이다. 회귀분석에 사용된 데이터는 독립변수의 조건을 조합하여 회귀분석에 사용되었던 5가지 조건과 임의의 5가지 조건을 사용하여 개발된 실험식들의 회귀모델 적합성을 검증하였다. 또한, 이들의 결과는 표 3과 같다.
- 있음을 보여주고 있다. 회귀분석의 신뢰성을 보장하기 위하여 회귀 모델 계수의 유의확률이 0.05보다 높은 변수를 제외시키는 방법에 따라 수정계수를 구하였다. 이에 대한 그루브 갭, 이면비드 용접 폭, 용접 깊이에 대한 모델의 요약 및 예측 에러율 들의 결과를 표 3에 표시하였다.
대상 데이터
- 장비로 구성된다. 로봇 장치로는 3축 모션제어기를 이용하였다. 용접기는 CO2 아크 용접기로 100% C6를 보호가스로 사용하였다.
- 생성되는 에지점은 최대 17개까지 생성될 때까지 수행하도록 하였다. 본 연구에서는 정밀도 0.05 mm의 비전 센서로 측정하였다.
- 실험에서 사용된 시편(180mm(W) X 100mm(L) X 6mm(t))은 SS41 연강을 두 장 맞대기 용접한 것이다. 실험에 사용된 모재의 기계적 특성 및 화학적 조성은 SS41 에 따른다.
- 실험장치는 로봇 장치, 용접장비 및 이면비드 계측용비전 장비로 구성된다. 로봇 장치로는 3축 모션제어기를 이용하였다.
- 선형회귀 모델을 이용하여, 실험에 사용했던 데이터를 통해 예측하였을 경우, 측정치와 다중회귀분석법에 의한 예측치를 비교하여 그루브 갭, 이면비드의 폭과 깊이를 나타낸 것이 그림 4, 5, 6이다. 실험횟수 가운데 처음 5개는 해석단계의 데이터이고 나머지 5개는 검증단계의 데이터를 사용하였다.
- 용접기는 CO2 아크 용접기로 100% C6를 보호가스로 사용하였다. 와이어는 지름 1.2mm에 최대 정격 2차 전류가 350A인 정전압 전원방식의 용접기를 사용하였다. 이면비드의 갭, 폭과 깊이 검출을 위한 비전 장치로는 레이저 비전 시스템을 사용하였으며, 이는 비전 시스템 컨트롤러와 비전 카메라로 구성되어 있다.
- 로봇 장치로는 3축 모션제어기를 이용하였다. 용접기는 CO2 아크 용접기로 100% C6를 보호가스로 사용하였다. 와이어는 지름 1.
- 위의 조건을 조합하여 72가지 실험을 각 3회 씩 수행 후 각 조건마다 평균하여 72개의 조건에 대한 데이터를 얻었다. 이들 각각의 실험조건과 시편 이면의 용접 부위 길이방향 100mm중 최초, 최후 양측 10mm를 제외한 80mm를 비전센서로 계측하여 용접될 이면비드의 갭의 평균, 이면비드의 폭과 깊이 값을 구하여 이면비드 공정변수 예측시스템을 구성하기 위한 데이터로 사용하였다. 이면비드의 개략도는 그림 3과 같다.
- 2mm에 최대 정격 2차 전류가 350A인 정전압 전원방식의 용접기를 사용하였다. 이면비드의 갭, 폭과 깊이 검출을 위한 비전 장치로는 레이저 비전 시스템을 사용하였으며, 이는 비전 시스템 컨트롤러와 비전 카메라로 구성되어 있다. 이 비전콘트롤 시스템에는 PC기능이 있으므로 비전 처리, 비전카메라 제어 기능 및 다중회귀분석을 수행할 수 있다.
- 이면비드의 개략도는 그림 3과 같다. 프로파일 데이터 계측에 사용된 레이저 비전센서는 출력 40mW, 파장 680nm의 레이저 다이오드와 대역 통과 필터가 설치되어있고, 한 프로파일 당 256개의 점을 샘플링하며 초당 40 프로파일링을 수행할 수 있다. 용접을 위한 보호 가스의 유량은 15//min, 용접팁과 작업물(모재) 사이 거리는 15mm로 정하여 실험하였다.
- 이들 예측 회귀 모델을 검토하는 방법으로는 통계적인 방법인 다중회귀분석법을 사용하였다. 회귀분석에 사용된 독립변수들로는 아크 전압, 용접 전류와 용접 속도 3개이다. 회귀분석에 사용된 데이터는 독립변수의 조건을 조합하여 해석단계 데이터의 5가지 조건과 검증단계의 데이터 5가지 조건을 사용하여 개발된 회귀모델의 적합성을 검증하였다.
데이터처리
- 개발된 알고리즘의 신뢰성을 검증하고 평가하기 위해서 앞서 3.1 절에서 사용했던 검증단계의 데이터 5개와 해석단계 데이터 5개를 사용하여 역변환된 다중회귀 모델식 들로 해석하였다. 또한, 이들의 검증단계 데이터와 해석단계 데이터들을 표준화된 측정치와 다중회귀분석 값으로 비교하였다.
- 1 절에서 사용했던 검증단계의 데이터 5개와 해석단계 데이터 5개를 사용하여 역변환된 다중회귀 모델식 들로 해석하였다. 또한, 이들의 검증단계 데이터와 해석단계 데이터들을 표준화된 측정치와 다중회귀분석 값으로 비교하였다. 이들에 대한 표준화된 용접 전류, 표준화된 아크 전압, 표준화된 용접 속도에 대한 데이터들의 비교선도가 아래 그림 7, 8, 9에 나타내었고, 이들의 검증단계의 에러율과 해석단계의 에러율을 표 5에 나타내었다표 5의 결과로 보아 모든 데이터의 경향을 파악하기는 어려우나 표준화된 용접 전류, 표준화된 아크 전압, 표준화된 용접 속도로 원하는 이면비드 형상을 얻으려 함에 있어 예측 에러율이 최고 6.
- 회귀분석에 사용된 데이터는 독립변수의 조건을 조합하여 해석단계 데이터의 5가지 조건과 검증단계의 데이터 5가지 조건을 사용하여 개발된 회귀모델의 적합성을 검증하였다. 본 회귀분석에는 상용 통계프로그램인 SPSS를 사용하였다. 용접 공정변수들과 이면비드 형상과의 상관계수는 표 2와 같다.
- 본 연구에서는 먼저, 이 변수들 관계를 검토하는 비드 예측 회귀 모델을 만들었다. 이들 예측 회귀 모델을 검토하는 방법으로는 통계적인 방법인 다중회귀분석법을 사용하였다. 회귀분석에 사용된 독립변수들로는 아크 전압, 용접 전류와 용접 속도 3개이다.
- 본 연구에서는 먼저, 이 변수들 관계를 검토하는 비드 예측 회귀 모델을 만들었다. 이들 예측 회귀 모델을 검토하는 방법으로는 통계적인 방법인 다중회귀분석법을 사용하였다. 회귀분석에 사용된 독립변수들로는 아크 전압, 용접 전류와 용접 속도 3개이다.
성능/효과
- 2. 용접 공정변수를 이용하여 이면비드 형상을 얻기 위한 다중회귀식을 1차 직선형으로 모델링 하였고, 최대 9.5 %이하의 해석오차를 보여주었다. 또한, 그루브 갭, 이면비드 깊이, 이면비드 폭의 순서로 큰 예측 에러율을 나타내서, 그루브 갭이 가장 예측하기 어려운 변수로 생각되었다.
- 3. 원하는 이면비드를 얻기 위하여 제시되는 용접 공정변수에 관한 다중 회귀식을 1차 직선형으로 모델링 하였고, 최대 6.5 %이하의 해석오차를 보여주었다. 또한, 표준화된 용접 속도, 표준화된 아크 전압, 표준화된 용접 전류의 순서로 큰 예측 에러율을 나타내서, 용접 속도가 가장 예측하기 어려운 변수로 생각되었다.
- 오차율 계산에서는 최고 9 % 미만의 값을 보여줌으로써 비교적 정확한 회귀모델이라 할 수 있다. 3가지 결과 가운데서 그루브 갭이 가장 낮은 수정계수를 나타내며 해석단계 및 검증단계에서도 에러율이 다른 변수에 비해 높은 값을 나타냄으로써, 예측하기 가장 어려운 변수임을 알 수 있었다. 실제 용접의 적용 면에서는 3가지 평균오차들이 검증단계 및 해석단계 모두에서 90 % 이상의 정확도를 가지므로 이 회귀식으로 원하는 이면비드 형상을 얻기 위한 용접 공정변수 예측시스템을 생각하게 되었다.
- 4. 같은 실험 데이터로 양방향 모두 10 % 이내의 예측에러율을 나타냄으로써 실제 용접에 적용 가능성을 보여주었으며, 특히 용접 공정변수의 회귀모델식에 의한 이면비드의 형상 예측은 에러율도 낮으며, 실제 용접에 유용하게 이용될 수 있으리라 생각된다.
- 갭이 존재하는 가스 메탈 아크 용접에서, 원하는 이면비드 형상을 얻기 위하여 제안되는 용접 변수들에 관한 회귀 모델식을 얻을 수 있었다. 이면비드 형상 변수들과 용접 공정변수들의 양방향 회귀 모델식을 구하고, 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 해석 결과로는 표준화된 용접 속도의 예측 에러율이 가장 크며, 표준화된 아크 전압, 표준화된 용접 전류의 순서로 오차가 작아짐을 보여주었다. 결과적으로, 맞대기 용접의 용접 공정변수시스템을 구성함에 있어 용접 속도가 가장 예측하기 어려운 변수로 고려할 수 있었다.
- 그리고, 이를 역변환시켜 실제 용접공정에서 원하는 이면비드 형상을 얻기 위해 공정변수를 예측하는 회귀식을 개발하였다. 또한, 이 회귀식에 실험을 통해 얻은 데이터들을 이용하여 회귀 데이터와 비회귀 데이터에 적용시켜봄으로서, 공정변수 예측시스템[9-11]을 실시간 적응제어에 사용할 수 있음을 보여주었다. 그러나, 본 연구에서는 GMA 용접에서 정해진 용접조건(전류, 전압, 속도)과 비드형상(갭, 이면비드 폭, 이면 비드 깊이)의 관계를 회귀분석법을 사용해 도출하고 이를 역변환시켜 원하는 비드형상을 얻기 위한 용접조건을 도출하는 공정변수 예측 시스템을 부분적으로 개발하는 것이 독창적인 아이디어이기는 하지만, 이것을 표준화시켜서 표준화된 회귀 데이터와 비회귀 데이터도 만족하는 일반화된 시스템을 만들기 위해서는 보다 많은 실험과 연구가 필요할 것이다.
- 5 %이하의 해석오차를 보여주었다. 또한, 표준화된 용접 속도, 표준화된 아크 전압, 표준화된 용접 전류의 순서로 큰 예측 에러율을 나타내서, 용접 속도가 가장 예측하기 어려운 변수로 생각되었다.
- 5 %이하를 나타내줌으로써 실제 원하는 비드 형상을 얻기 위한 공정 변수를 예측하는것이 가능함을 알 수 있었다. 해석 결과로는 표준화된 용접 속도의 예측 에러율이 가장 크며, 표준화된 아크 전압, 표준화된 용접 전류의 순서로 오차가 작아짐을 보여주었다. 결과적으로, 맞대기 용접의 용접 공정변수시스템을 구성함에 있어 용접 속도가 가장 예측하기 어려운 변수로 고려할 수 있었다.
- 15 %를 나타내었다. 해석결과 이면비드 변수세 가지(그루브 갭, 이면비드의 폭 및 깊이) 결정계수를 보면 최하 87 % 이상의 높은 값을 나타냄으로써 용접공정변수들이 이면비드의 형상에 큰 영향을 미치며, 정확한 이면비드 예측이 어느 한계 내에서 가능한 모델임을 알 수 있었다. 오차율 계산에서는 최고 9 % 미만의 값을 보여줌으로써 비교적 정확한 회귀모델이라 할 수 있다.
- 2206을 나타낸다. 해석단계 데이터의 에러율은 7.35 %를, 검증단계 데이터의 에러율은 5.52 % 를 나타내었다. 또한, 이면비드의 깊이의 경우 모델의 수정계수는 0.
- 1651 을 나타낸다. 해석단계 데이터의 에러율은 8.51 %를 검증단계 데이터의 에러율은 6.15 %를 나타내었다. 해석결과 이면비드 변수세 가지(그루브 갭, 이면비드의 폭 및 깊이) 결정계수를 보면 최하 87 % 이상의 높은 값을 나타냄으로써 용접공정변수들이 이면비드의 형상에 큰 영향을 미치며, 정확한 이면비드 예측이 어느 한계 내에서 가능한 모델임을 알 수 있었다.
- 1622을 나타낸다. 해석단계 데이터의 에러율은 8.92 %를, 검증단계 데이터의 에러율은 6.53 %를 나타내었다. 이면비드의 폭의 수정계수는 0.
후속연구
- 또한, 이 회귀식에 실험을 통해 얻은 데이터들을 이용하여 회귀 데이터와 비회귀 데이터에 적용시켜봄으로서, 공정변수 예측시스템[9-11]을 실시간 적응제어에 사용할 수 있음을 보여주었다. 그러나, 본 연구에서는 GMA 용접에서 정해진 용접조건(전류, 전압, 속도)과 비드형상(갭, 이면비드 폭, 이면 비드 깊이)의 관계를 회귀분석법을 사용해 도출하고 이를 역변환시켜 원하는 비드형상을 얻기 위한 용접조건을 도출하는 공정변수 예측 시스템을 부분적으로 개발하는 것이 독창적인 아이디어이기는 하지만, 이것을 표준화시켜서 표준화된 회귀 데이터와 비회귀 데이터도 만족하는 일반화된 시스템을 만들기 위해서는 보다 많은 실험과 연구가 필요할 것이다.
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