[논문]영상인식 기술을 이용한 프로젝션용접 자동화시스템

박기정; 송하주

doi:10.13067/jkiecs.2011.6.4.517

영상인식 기술을 이용한 프로젝션용접 자동화시스템
An Automated Projection Welding System using Vision Processing Technique 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.6 no.4, 2011년, pp.517 - 522

박기정 (부경대학교 컴퓨터공학과) , 송하주 (부경대학교 IT융합응용공학과)

초록
AI-Helper

수작업에 의한 기존의 프로젝션(projection) 용접시스템은 작업자의 부주의로 인한 불량이 자주 발생한다. 본 논문에서는 비전카메라를 사용하여 부품과 제품의 인식, 용접 및 수량 관리를 자동으로 수행하는 프로젝션 용접시스템을 제안한다. 제안 시스템은 비전카메라를 사용하여 용접에 사용되는 부품의 유무와 놓인 상태를 검사한다. 그리고 부품의 용접 후에는 제품 수량 카운터와 드레싱 등의 항목을 자동 갱신한다. 기존 시스템과의 비교 실험을 통해 불량률을 감소시키고 생산성을 높일 수 있음을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

Conventional projection welding systems suffer from lots of defective products caused by manual handling. In this paper, we introduce a projection welding system that performs automatic identification, welding and counting of components and products. The proposed system checks the existence and identifies placement of components to be welded by a vision camera. After welding of the components, it automatically updates product counts and dressing items. We show that the proposed welding system can reduce the defect rate and improve the productivity through experimental test with a existing system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

부품 용접이 제대로 되지 않은 경우 한 번 더 용접할 수는 있지만, 잘못 용접이 된 부품의 경우는 불량으로 폐기처분하게 되므로 부품 의 낭비를 가져온다. 본 논문에서는 이러한 수작업에 따르는 불량으로 인한 생산성 저하와 비용낭비를 막기 위해 자동화된 프로젝션 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템은 카메라를 이용한 비전처리 기술을 적용하여 용접과 검사를 자동화하여 불량률을 줄이고 작업자의 업무효율을 높인다.
본 논문에서는 컴퓨터 비전을 이용하여 용접과정을 관리하기 위한 자동용접시스템( 이하 휴먼아이)을 제안한다.
RS -232C포트로 데이터가 수신될 때 일어나는 인터럽트이다. 수신여부로 판단하는 것이 아니라, 수신버퍼에 데이터가 남아있는지 여부를 판단한다. 타이머 인터럽트와 함께 발생할 때는 우선순위가 같으므로, 나중에 발생하는 인터럽트 처리를 먼저 하고, 이전에 진행 중이던 인터럽트를 마저 처리하게 된다.
제조업에서 필수적인 용접작업 중 하나인 프로젝션 용접에는 수작업으로 인한 불량과 비용낭비가 흔히 발생하였다. 이러한 문제점을 해결하기위해 본 논문에서는 컴퓨터 비전을 이용하여 용접 불량과 제품 생산성 향상을 위한 자동화된 프로젝션 용접시스템인 휴먼아이 시스템을 제안하였다. 기존 시스템과의 비교실험을 통해 휴먼아이가 실재 작업환경에서 충분히 활용가능하며 우월한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있 었다.
추출된 에지데이터는 영상내의 연결된 점들의 분포를 이용한 처리를 통해 마지막으로 부품의 모습만 확실히 드러내도록 한다. 이를 바탕으로, 부품의 종류와 크기, 특징에 따른 패턴을 명확하게 만든 결과를 도출해내어 부품의 합부를 판별 할 수 있도록 하였다. 최종 합부 판단 정보는 RS232C통신으로 용접제어부에 전송되는데 합격된 경우에만 실제용접이 실시된다.

가설 설정

부품의 합부를 결정하기 위한 영상처리 과정은 다음과 같다. 먼저 너트의 영상처리시 부품의 모양이 일정하지 않다는 것이다. 공급기에서 너트가 공급되어 용접면에 안착하는 과정에서 너트는 불규칙하게 회전 할 수 있다.

제안 방법

기존 용접기에 대한 휴먼아이의 성능을 측정하기 위해 휴먼아이를 사용한 것과 그렇지 않은 2대 의 프 로젝션 용접기에 각각 4시간씩 동일한 제품을 용접하고 각각의 용접 소요시간, 제품 생산량, 불량품 비율 등을 측정하였다.
이러한 노이즈 제거를 위해 모폴로지(morphology) 기법 중 침식(erosion) 연산을 적용하였다. 노이즈가 제거된 영상은 에지추출을 하게 되는데 여기에는 소벨(sobel) 방법을 적용하였고, 부품 외부 추출 및 내부 추출이라는 두 단계를 거치도록 하였다. 1차 에지추출에서는 용접부품의 윤곽선을 확인하여 외부의 필요 없는 데이터를 정리하고, 2차 에지 추출에서는 1차로 추출된 영상에서 부품 내부의 필요 없는 데이터를 정리하게 된다.
제안 시스템인 휴먼아이의 성능평가를 위해 두 대의 6mm 너트 공급기와, 프로젝션 용접기를 준비하고, 한 대의 프로젝션 용접기에만 휴먼아이를 설치하였다. 성능평가를 위해 두 가지의 실험을 실시하였다. 첫째는 휴먼아이에서의 영상인식성능을 실험하는 것이고 둘째는 기존 시스템과의 비교를 통해 생산효율 및 불량률 발생 성능을 비교하기 위한 것이다.
영상처리 과정에서는 너트의 윗부분이 일정 높이 범위 내에 포함되는 것을 측정함으로써 회전에 의한 영상차이로 인해 그릇된 합부판단을 하지 않도록 하였다.
발판입력, 에어압력이상, 전류이상, 냉각수 이상, 용접완료 신호입력이 있으면 각각의 신호에 따라 필요한 출력포트 를 ON시키거나 변수들을 다시 설정한다. 이러한 정보들은 용접이 정상적으로 수행되기 위해서 매우 중요한 것이므로 시스템 구동 시작부터 상시적으로 확인 및 보고를 수행한다.
제안 시스템에서는 동일 패키지내에 설치되는 두 개의 모듈간에 근거리 통신이므로 외부로 부터의 노이즈나 간섭 오류가 비교적 작은 환경이고 비교적 단순한 소수의 메시지만을 사용하므로 자체적인 통신 프로토콜을 개발 및 적용하였다.
제안 시스템인 휴먼아이의 성능평가를 위해 두 대의 6mm 너트 공급기와, 프로젝션 용접기를 준비하고, 한 대의 프로젝션 용접기에만 휴먼아이를 설치하였다.
본 논문에서는 이러한 수작업에 따르는 불량으로 인한 생산성 저하와 비용낭비를 막기 위해 자동화된 프로젝션 시스템을 제안한다. 제안하는 시스템은 카메라를 이용한 비전처리 기술을 적용하여 용접과 검사를 자동화하여 불량률을 줄이고 작업자의 업무효율을 높인다.
프로그램 시작시 준비메뉴가 노란색으로 표시되면 작업이 가능하며, 표시되지 않으면 발판스위치의 동작이 이루어지지 않아 용접작업이 불가능하도록 하였다. 냉각수 순환이나 에어압력 메뉴는 이상이 있을 때 붉은색으로 표시되고, 준비상태가 해지되어 작업이 불가능해진다.
휴먼아이의 주화면은 800x600의 해상도를 가지는 터치스크린 LCD에 전체화면으로 출력된다. 현장 근로자는 장갑을 착용한 상태로 작업하므로 불편을 최소화 하기위해 버튼의 크기를 크게 하였고 오류 발생시 경고음을 발생하는 등의 사용자 인터페이스를 구축하였다. 주화면은 크게 현재 작업상황을 동영상으로 보여주는 영상표시부, 제품의 합부표시부, 제품관리부, 통신 및 작업 환경설정부 등으로 구성하였다(그림 4 참조).
웹캠의 렌즈 앞부분에 확대 렌즈를 장착하여 50cm가량 떨어진 위치에서 영상을 획득한다. 획득된 영상은 화질의 차이에 따른 노이즈를 제거한 후 두 차례에 걸친 에지추출을 거쳐 부품을 인식하고 정상여부를 판단하게 된다. 화질의 차이를 가져오는 노이즈를 유발하는 대표적인 원인은 조명이다.

대상 데이터

실험을 위해 자동차 납품업체에서 생산하고 있는 71474 -1C000 부품을 사용하였다.
이 실험은 너트의 안착 상황에 따른 인식 성능을 측정하는 것으로, 양호한 안착상태에 대해 불량으로판단하거나 불량한 안착상태에 대해 양호로 판단하는것은 판단 오류에 해당하며 그 외는 정상 판단이라할 수 있다. 본 실험은 총 820회 시행하였으며 표 1은 그 결과를 나타낸 것이다. 609건의 양호하게 공급된 너트를 양호로 판단한 정상 인식은 595건 이였고 불량으로 오판한 경우는 14건 이였다.
부품영상인식에 사용하는 비전카메라는 일반 USB타입의 웹캠을 사용하였다. 웹캠의 렌즈 앞부분에 확대 렌즈를 장착하여 50cm가량 떨어진 위치에서 영상을 획득한다.
부품영상인식에 사용하는 비전카메라는 일반 USB타입의 웹캠을 사용하였다. 웹캠의 렌즈 앞부분에 확대 렌즈를 장착하여 50cm가량 떨어진 위치에서 영상을 획득한다. 획득된 영상은 화질의 차이에 따른 노이즈를 제거한 후 두 차례에 걸친 에지추출을 거쳐 부품을 인식하고 정상여부를 판단하게 된다.
휴먼아이의 제어 보드 및 전원, 하드디스크, 릴레이 등의 하드웨어는 단일 케이스 내에 장치하였으며 케이스는 전자파의 차단을 위해 금속성 재질을 사용하였다.

이론/모형

ETX는 데이터의 종료를 나타내는 1 바이트로써 0xFF의 값으로 설정했다. CHKSUM은 데이터의올바른 데이터의 확인을 위한 체크썸(check sum)으로 2바이트 길이이며 CRC-16-IBM 방식을 사용했다.
사방이 개방된 상태인 작업장의 특성상 외부 조명의 유입을 막을 수 있는 차단막을 설치하기 어렵고, 작업자들의 이동이나 용접시 진동에도 조명 장치가 영향을 받게 된다. 이러한 노이즈 제거를 위해 모폴로지(morphology) 기법 중 침식(erosion) 연산을 적용하였다. 노이즈가 제거된 영상은 에지추출을 하게 되는데 여기에는 소벨(sobel) 방법을 적용하였고, 부품 외부 추출 및 내부 추출이라는 두 단계를 거치도록 하였다.

성능/효과

이러한 문제점을 해결하기위해 본 논문에서는 컴퓨터 비전을 이용하여 용접 불량과 제품 생산성 향상을 위한 자동화된 프로젝션 용접시스템인 휴먼아이 시스템을 제안하였다. 기존 시스템과의 비교실험을 통해 휴먼아이가 실재 작업환경에서 충분히 활용가능하며 우월한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있 었다. 추후에는 배경조명에 따라 인식률이 변화하는문제점을 해결하기 위해 비전처리의 알고리즘 성능을향상시키기 위한 연구를 수행할 예정이다.
따라서 총 820건 중 정상인식은 796건으로 97%의 인식률을 보였고, 오판인식은 24건으로 3%였다. 실제 작업에서는 양호하게 공급되었을 때 불량으로 판단하는 것은 용접이 않으므로 문제가 되지 않는 반면, 안착상태가 불량일 때 양호로 오판하는 것은 불량품을 발생시키게 된다.
휴먼아이를 설치하지 않은 프로젝션 용접기는 너트 1개를 용접하는 시간이 평균 0.8초 정도로 나타났고, 2타점의 너트가 용접되어야 하는 71474-1C000 제품의 경우 용접에만 평균 2초정도, 제품을 들어서 용접 후 다시 옮겨놓는 시간까지 최종 평균 4초정도가 소요되었다. 반면 휴먼아이를 설치한 프로젝션 용접기는 영상인식 후 용접, 양호 판별까지 1초가량이 걸렸고, 2회 용접을 후 최종 위치에 제품을 옮겨놓기까지 평균 4.

후속연구

기존 시스템과의 비교실험을 통해 휴먼아이가 실재 작업환경에서 충분히 활용가능하며 우월한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있 었다. 추후에는 배경조명에 따라 인식률이 변화하는문제점을 해결하기 위해 비전처리의 알고리즘 성능을향상시키기 위한 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용접기술이란 무엇인가?	용접기술은 조선, 자동차, 건설, 반도체, 항공우주 등거의 모든 제 조업의 제품 생산 과정에서 품질 및 내구성, 생산성, 부가가치 등을 결정하는 중요 기술이며, 기술개발에 의한 경제적 및 산업적 파급효과가 큰 핵심요소기술이다[1,2]. 용접에는 여러 가지의 방식이 있으며, 그 중 철판과 너트(nut), 철판과 볼트(bolt)를 용접할 때 프로젝션 용접이 주로 사용된다.
	프로젝션 용접이란 무엇인가?	용접에는 여러 가지의 방식이 있으며, 그 중 철판과 너트(nut), 철판과 볼트(bolt)를 용접할 때 프로젝션 용접이 주로 사용된다. 프로젝션 용접은 저항용접의 일종으로, 금속부재의 돌기(프로젝션 또는 embossin g)를 전 극으로 가압하 고 전류를 이 돌기부에 집중시켜 재료자 체의 저 항발열을 일으키고 이 열을이용하여 용접하는 방법이다. 돌기는 펀치로 압출하거나 고리모양 으로 만들기도 하고, 주어진 재료를 특별 히가공하지 않고 재료의 끝부분을 이용하여 용접하기도한다[3].
	프로젝션 용접기를 이용한 작업에서 발생하는 불량에는 어떤 것들이 있는가?	프로젝션 용접기를 이용한 작업은 단순반복작업이 많고 장시간 집중해야 하는 일이 많아 불량 발생률이 높은데, 현재는 센서를 이용하여 너트의 유무만을 확인하는 간단한 자동 검사와 작업자의 육안 검사만으로 불량유무를 판별하는 실정이다. 프로젝션 용접 에서 발생 하는 불량은 너트 의 뒤집힘과 편심 불량 , 용접 누락, 분리, 규격 이상 등이 있다. 부품 용접이 제대로 되지 않은 경우 한 번 더 용접할 수는 있 지만, 잘 못 용접이 된 부품의 경우는 불량으로 폐기처분하게 되므로 부품 의 낭비를 가져온다.

참고문헌 (8)

한자영, 김철희, 김준기, 강남현, 김정한, "통계를 이용한 국내 용접산업 현황 분석", 대한용접.접합학회지, Vol. 23, No. 3, pp.10-15, 2005.
김철희, 강민정, 배성민, "통계를 이용한 국내 용접 산업 현황 분석(II)", 대한용접.접합학회지, Vol. 26, No. 6, pp. 8-11, 2008.

원문보기 상세보기
대한용접학회, 용접.접합용어집, "프로젝션용접 /프로젝션 welding" http://www.kws.or.kr/
박익근, "초음파계측에 의한 SPOT용접품질의 비파괴평가", 대한용접.접합학회지, Vol. 12, No.3, pp.109-117, 1994.
Randy Crane, A simplified approach to image processing, Prentice Hall, pp.79-80, 1997.
Haralick, Robert M., "Digital Step Edges from Zero Crossing of Second Directional Derivatives," IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. PAMI-6, No.1, pp.58-68, Jan., 1984.

상세보기
A. Rosenfeld and A. C.Kak, Digital Picture Processing. 2nd ed., Vol. 2, Academic Press, New York, 1982.
Renyan Zhang et. al., "A new edge detection method in image processing," Communications and Information Technology, 2005. ISCIT 2005. IEEE International Symposium on , Vol.1, pp. 445- 448, Oct., 2005.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증