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가설 설정
- 따라서 베벨 절삭면은 거의 일정한 각도로 가공된다. 이렇게 가공된 용접시편의 베벨 절삭면과 60°를 이루는 가상 면의 길이는 측정 오차 범위에서 일정하다고 가정하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 레이저 변위센서와 초음파센서를 사용하여 벽면이 존재하는 선박 블록의 맞대기 용접환경에서 시작점과 끝점을 인식하고 초층의 용접선을 검출하여 획득한 정보를 캐리지로 보내주는 용접선 검출 시스템을 설계하였다. II장에서는 용접선 검출 시스템의 구성에 대해 간단히 살펴보고, DI장에서는 용접선 검출 시스템 설계 및 제작에 대해 살펴보고 IV장에서는 변위센서를 이용한 용접선의 검출, 단차/간극 인식 그리고 용접의 시작 및 끝단부 인식 방법을 설명하며 실험 및 결과에 대해 고찰해보고, 마지막으로 V장에서 결론을 도출한다.
- 또한 용접의 시작부와 끝단부에서 센서에 의한 벽면과의 간섭발생으로 용접을 수행하지 못할 경우가 발생할 수 있게 된다. 따라서 용접선 검출 시스템은 캐리지 몸체에 부착하여 캐리지에서 발생하는 진동을 최소화하고 벽면과의 간섭을 방지할 수 있도록 구성하였다.
- 레이저 변위센서를 움직이는 모터는 용접선 검출 시스템의 풋프린트(Footprint)를 최소화하고 구성과 배선의 간결성을 위해 드라이버가 내장된 DC스테핑모터로 선정하였다. 선정된 모터의 사양은 표 3과 같다.
- 본 연구는 선박의 블록용접 공정중 벽이 존재하는 맞대기 용접공정의 초층 용접을 위한 용접선 검출과 용접의 시작 및 끝단부를 인식하는 용접선 검출 시스템을 초음파센서와 레이저변위센서를 이용하여 구현하였다.
- 본 연구에서 개발한 용접선 검출 시스템은 시작부와 끝단부를 검출하기 위한 초음파센서와 용접선 검출에 필요한 레이저 변위센서, 레이저 변위센서의 회전 왕복운동을 돕는 모터로 구성되어있다. 센서의 부착은 용접토치(Torch)나 토치(Torch)를 고정하는 캐리지 암(Arm)에 부착하는 것이 가장 이상적이지 만, 캐리지 암(Arm)은 캐리지의 기구부 끝단으로 캐리지가 이동하면서 발생하는 진동과 각 조인트에서 발생하는 진동이 복합적으로 암(Arm)에 모두 전달된다.
- 시스템의 기구부는 그림 5에 보이는바와 같이 모터와 풀리, 타이밍 벨트, 레이저변위센서를 이용하여 설계하고 제작하였다. 레이저변위센서는 모터와 타이밍 벨트에 의해 회전왕복운동을 하며 용접모재와의 거리를 측정하게 된다.
- 레이저변위센서는 모터와 타이밍 벨트에 의해 회전왕복운동을 하며 용접모재와의 거리를 측정하게 된다. 시스템의 요소품은 용접 중 주변의 작업환경으로부터 커버에 의해 보호받도록 제작하였다.
- 용접선 검출 시스템은 캐리지에 부착되어 단독으로 구동되는 모듈형식으로 독립적인 제어기를 구성하였다. 제어기의 구조는 그림 2와 같이 MCU로 DSP를 사용하여 모터를 구동하고 레이 저변위 센서와 초음파센서 의 데이터를 받아 처리한다.
- 용접의 시작 및 끝단부 검출에는 초음파 센서를 사용하며, 시작부와 끝단부는 캐리지 암(Arm)이 회전하여 용접을 실행할 수 있는 최대범위로 거리를 설정하였다.
- 이러한 단점들을 보완하기 위해 본 시스템에서는 가격이 저렴한 레이저 변위센서를 사용하였다. 기존의 레이저 변위 센서를 활용한 연구는 겹치기 용접에 활용하거나, X-Y 테이블 사용으로 부피가 커지고 간섭이나 무게 등의 문제가 발생할 수 있어 시작과 끝단부를 검출할 수 없다.
- 이러한 문제점을 해결하기 위해 캐리지 양쪽으로 용접선 검출 시스템을 부착하여 용접선 검출이 불가능한 구간이 발생하지 않도록 하였다.
- 길어야한다. 측정범위와 정밀성을 고려하여 초음파센서를 선택하였다. 표 2는 초음파센서의 사양을 나타낸 것이다.
- 이러한 노이즈는 제안된 알고리즘을 적용해 필터링하여 (c)와 같은 결과 데이터를 얻을 수 있다. 필터링한 데이터를 안정화시키고 용접시편의 에지(Edge)의 원활한 검출을 위해 10포인트(Point)로 나누어 평균화 처리하여 데이터를 안정화시켰다. 10포인트 평균화 데이터는 (d)에 나타나 있다.
대상 데이터
- 이러한 센서 중 정밀성과 비용, 측정 범위, 설치 면적 등을 고려하여 측정범위가 200mm인 레이저 변위 센서를 선정하였다. 표 1은 본 연구에 사용된 레이저 변위 센서의 사양을 나타낸 것이다.
- 제어기의 구조는 그림 2와 같이 MCU로 DSP를 사용하여 모터를 구동하고 레이 저변위 센서와 초음파센서 의 데이터를 받아 처리한다.
이론/모형
- CCD(Charge Coupled Device: 전하송전소자)방식의 레이저 변위센서는 CCD의 각 화소별로 광량을 검출하기 때문에 기존의 PSD (Position Sensitive Detector) 방식의 문제점인 대상물체 표면의 영향으로 발생하는 오차를 대폭 감소시킨 방식으로 삼각 측정 방식을 이용해 대상 물체와의 거리를 측정하는 원리를 이용한다.
성능/효과
- 그 결과 시작 및 끝단부를 인식하는데 있어 초음파 센서만으로도 가능하였고 또한 용접선을 추적하고 단차와 간극을 인식하는데 있어 레이저 변위센서를 적용할 수 있음을 확인하였다.
- 5mm로 나타났다. 또한 반복정밀도는 실험 결과±1.0mm로 확인되어 본 시스템에 적용성을 검증하였다.
후속연구
- 또한 비전센서에 비해 구성비용이 저렴하다. 이러한 점에 비춰볼 때 개발된 용접선 검출 시스템을 바탕으로 저렴하게 완전 자동화가 가능한 자동용접 시스템을 구성할 수 있을 것으로 사료되며, 이로 인해 선박블록 용접공정 자동화에 많은 향상을 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
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