[논문]용접선 추적시스템을 적용한 탄뎀 원주 용접시스템 개발

이종표; 이지혜; 박민호; 박철균; 김일수

doi:10.7736/kspe.2014.31.11.1007

용접선 추적시스템을 적용한 탄뎀 원주 용접시스템 개발
Development on Tandem GMA Welding System using Seam Tracking System in Pipe Line 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.11, 2014년, pp.1007 - 1013

이종표 (국립목포대학교 기계공학과 대학원) , 이지혜 (국립목포대학교 기계공학과 대학원) , 박민호 (국립목포대학교 기계공학과 대학원) , 박철균 (국립목포대학교 기계공학과 대학원) , 김일수 (국립목포대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study to improve the productivity, advantage Tandem circumferential weld process of seam tracking system was applied for the laser vision sensor. Weld geometry scanning laser vision sensor and PLC control unit are used to scan correct positioning of welding torch when the program is implemented so that it can correctly track the welding line. The welding experiment was conducted to evaluate the performance of laser vision seam tracking sensor in tandem welding process. The seam tracking several experiments was to determine the reliability of the system, welding experiments relatively good quality welding bead was confirmed. Furthermore, the PLC program for seam tracking was used to confirm the validity of the application of tandem welding process according to the benefits of increased productivity, which is expected to contribute to national competitiveness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 레이저 비전센서를 이용하여 위와 같은 문제점을 해결하고 생산성 향상에 유리한 탄뎀 용접법을 적용한 원주용접시스템 을 개발하였다. PLC프로그램을 통한 용접 토치 제어를 실현하였으며, 개발된 시스템의 성능 평가를 위하여 용접선 추적실험과 탄뎀원주용 접 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 용접선 추적시스템을 적용한 탄뎀 원주용접시스템을 구축하여 용접선 추적능력과 용접성능을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 용접선 추적을 위한 용접토치 제어용 PLC프로그램을 개발하여 용접선 추적실험과 이를 통한 탄뎀 원주용접실험을 실시하였다.
PLC프로그램을 통한 용접 토치 제어를 실현하였으며, 개발된 시스템의 성능 평가를 위하여 용접선 추적실험과 탄뎀원주용 접 실험을 수행하였다. 이를 통하여 용접선추적을 위한 프로세스를 최소화하는 연구를 수행하였으 며, 자동 용접 시스템 관련 기술 확보와 이를 탄뎀 원주용접공정에 최초로 적용함으로써 제품 생산성 향상에 기여하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 레이저 비전센서를 이용하여 위와 같은 문제점을 해결하고 생산성 향상에 유리한 탄뎀 용접법을 적용한 원주용접시스템 을 개발하였다. PLC프로그램을 통한 용접 토치 제어를 실현하였으며, 개발된 시스템의 성능 평가를 위하여 용접선 추적실험과 탄뎀원주용 접 실험을 수행하였다. 이를 통하여 용접선추적을 위한 프로세스를 최소화하는 연구를 수행하였으 며, 자동 용접 시스템 관련 기술 확보와 이를 탄뎀 원주용접공정에 최초로 적용함으로써 제품 생산성 향상에 기여하고자 한다.
3에 나타내었다. 레이저 비전센서 제어장치(LVS Controller)와 캐리지 제어장치(Carriage Controller)는 RS-232/RS-422타입의 시리얼 포트를 이용하여 상호연동을 실시하였다. 용접부에서 발생하는 스패터와 용접아크의 영향으로 인해 용접 토치의 위치와 레이저 비전센서의 스캔부를 일치시키는 것이 어려우므로 일정한 딜레이 시간을 캐리지 제어장치에 입력하여 용접선추적 알고리즘이 적용될 수 있도록 PLC프로그램을 개발하였고 이를 통하여 레이저 비전센서 제어가 가능하도록 구현하였다.
용접캐리지가 용접선을 따라 주행을 하면서 레이저 비전센서가 용접선 스캔을 통해 얻어낸 좌표데이터를 토대로 수행하였다. 레이저 비전센서는 캐리지 주행시 용접선에 대한 정보를 설정된 스캔시간에 따라 좌표데이터로 로깅하여 실시간으로 기록하고 이를 분석함으로써 용접선 추적 성능을 평가하였다. 레이저 비전센서의 추적성능을 평가하기 위한 용접선 추적 실험조건을 Table 1에 나타내었다.
레이저 비전센서를 적용한 용접선 추적시스템과 이를 적용한 탄뎀 원주용접시스템의 성능 평가를 위한 용접실험을 수행하였다. 실험장치는 용접 캐리지, 500A GMA 상용용접기 2대(Welmate) CO2보호가스 봄베 2통, 와이어 및 케이블 피더장치, 캐리지 컨트롤러, 레이저 비전센서 컨트롤러, 전압·전류 측정센서로 구성되어 있으며 실험방법은 원주용접자세 중 1G (아래보기)자세와 4G (위보기) 자세에서의 용접선 추적 및 탄뎀 원주용접으로 실험에 사용된 시험편은 일반구조용 압연강재인 SS400재질의 외경 610mm, 두께 9.
레이저 비전센서의 용접선 추적능력과 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 실험을 통해 얻어낸 용접선 데이터를 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 용접선 추적을 위해 선형 레이저로 측정하는 비전센서를 적용하였다. 레이저에서 발생한 레이저 Stripe는 실린더 렌즈를 통해 빛의 면을 형성하여 모재에 투사되고 빛의 진로와 비스듬하게 위치한 수광 렌즈가 물체 표에서 반사되는 광선을 수광부에 비치게 한다.
탄뎀 원주용접실험의 조건선정을 위한 예비실험을 실시하였다. 예비실험은 탄뎀 원주용접에 적합한 용접 토치 극간거리와 보호가스 유량의 조건 선정을 위해 실시하였으며, 주 영향 및 상호작용의 영향 도출이 가능한 실험계획법인 요인 실험방법을 선정하였다. 용접 토치 극간거리는 3가지 수준(level)을 선정하였고 보호가스 유량은 2가지 수준으로 선정하여 최적 용접조건 선정을 위한 실험 계획을 Table 3에 나타내었다.
예비실험을 통해 선정된 용접 토치 극간거리와 보호가스 유량을 토대로 탄뎀 원주용접을 실시하였다. Table 6은 예비실험을 통하여 선정한 탄 뎀 원주용접실험의 조건을 나타낸 것이다.
용접 캐리지의 용접선 추적실험을 통해 레이저 비전시스템의 성능평가를 실시하였다. 용접캐리지가 용접선을 따라 주행을 하면서 레이저 비전센서가 용접선 스캔을 통해 얻어낸 좌표데이터를 토대로 수행하였다.
레이저 비전센서 제어장치(LVS Controller)와 캐리지 제어장치(Carriage Controller)는 RS-232/RS-422타입의 시리얼 포트를 이용하여 상호연동을 실시하였다. 용접부에서 발생하는 스패터와 용접아크의 영향으로 인해 용접 토치의 위치와 레이저 비전센서의 스캔부를 일치시키는 것이 어려우므로 일정한 딜레이 시간을 캐리지 제어장치에 입력하여 용접선추적 알고리즘이 적용될 수 있도록 PLC프로그램을 개발하였고 이를 통하여 레이저 비전센서 제어가 가능하도록 구현하였다.
용접실험 공정변수 중 선·후행 토치의 전류와 전압은 각각 270A, 25V로 동일하고 용접속도는 30cpm로 고정하였다.
용접 캐리지의 용접선 추적실험을 통해 레이저 비전시스템의 성능평가를 실시하였다. 용접캐리지가 용접선을 따라 주행을 하면서 레이저 비전센서가 용접선 스캔을 통해 얻어낸 좌표데이터를 토대로 수행하였다. 레이저 비전센서는 캐리지 주행시 용접선에 대한 정보를 설정된 스캔시간에 따라 좌표데이터로 로깅하여 실시간으로 기록하고 이를 분석함으로써 용접선 추적 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 용접선 추적시스템을 적용한 탄뎀 원주용접시스템을 구축하여 용접선 추적능력과 용접성능을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 용접선 추적을 위한 용접토치 제어용 PLC프로그램을 개발하여 용접선 추적실험과 이를 통한 탄뎀 원주용접실험을 실시하였다.
캐리지 제어장치는 레이저 비전센서 컨트롤을 위한 Seam tracking 프로그램의 일부 기능을 조작할 수 있도록 하였으며, PLC프로그램을 통하여 scan시간을 설정하여 토치부 위빙 모터가 보정값에 따라 움직이는 민감도를 조절할 수 있도록 구현하였다. 제어과정을 도식화하여 Fig.
탄뎀 원주용접은 듀얼토치(Dual-Torch)를 적용한 파이프용접으로 용접선 정렬과 위치별 용접조건의 조작이 실시간으로 이루어져야하므로 평판용접에 비해 고도의 기술과 실시간 공정 모니터링을 필요로 할 뿐만 아니라 공정시간이 긴원주용접의 문제점을 해결할 수 있는 공정이다. 탄뎀 원주용접시스템 구축을 위하여 원주용접 컨트롤시스템과 용접 캐리지 시스템, 용접조건 모니터링 시스템으로 구성하였다. 원주용접 컨트롤시스템은 용접조건 제어, 위치별 용접조건저장, 구동부 및 위빙부 동작 제어를 총괄적으로 관리하며 용접 캐리지 시스템은 실제적으로용접 토치의 위치를 결정하는 역할을 하고 용접조건 모니터링 시스템은 입·출력조건을 비교하여 용접조건을 실시간으로 보정하는 역할을 한다.
탄뎀 원주용접실험의 조건선정을 위한 예비실험을 실시하였다. 예비실험은 탄뎀 원주용접에 적합한 용접 토치 극간거리와 보호가스 유량의 조건 선정을 위해 실시하였으며, 주 영향 및 상호작용의 영향 도출이 가능한 실험계획법인 요인 실험방법을 선정하였다.
4는 개발한 용접 캐리지를 나타낸 것으로 용접 캐리지의 구동방향의 선행토치 전면에 레이저 비전센서를 설치하여 용접선 추적을 위한 스캔 작업을 수행하도록 설계하였다. 토치는 구동모터를 사용하여 위빙이 가능하도록 하였고 6개의 홀더를 통하여 토치간격과 CTWD (Contact Tip to Work Distance)를 조작할 수 있도록 설계하였다.

대상 데이터

선·후행 토치의 용접와이어는 1.2mm의 CSF-71T 솔리드 와이어를 사용하였고 보호가스는 100% CO2를 사용하였다.
실험장치는 용접 캐리지, 500A GMA 상용용접기 2대(Welmate) CO2보호가스 봄베 2통, 와이어 및 케이블 피더장치, 캐리지 컨트롤러, 레이저 비전센서 컨트롤러, 전압·전류 측정센서로 구성되어 있으며 실험방법은 원주용접자세 중 1G (아래보기)자세와 4G (위보기) 자세에서의 용접선 추적 및 탄뎀 원주용접으로 실험에 사용된 시험편은 일반구조용 압연강재인 SS400재질의 외경 610mm, 두께 9.5mm의 파이프를 개선각 30°로 가공하여 사용하였고 모재 사이에 2mm의 간격을 두고 각 실험을 수행하였다.

이론/모형

단면 형상은 잘못 인식된 노이즈 포인트를 포함할 수 있다. 이를 보정하기 위해 노이즈에 해당하는 좌표값을 주변값들과 비교하여 전체적인 단면형상을 평활화하고 노이즈를 제거하는 중간값 필터(median filter) 기법을 사용하였다.

성능/효과

1G 위치에서 양호한 비드형상을 얻었으며 4G위치에서 용입량의 과다로 인한 비드의 처짐이 나타났으나 비교적 양호한 비드형상을 얻을 수 있었다.
1G와 4G 위치에서 각각 3회의 용접선 추적실험을 통해 획득한 데이터 분석을 실시한 결과, 각각의 위치에서 용접선 추적경로가 유사하였으며 레이저 비전센서의 추적경로가 휘어진 원인 은 캐리지 주행을 위한 레일의 정렬이나 시험편 의 가공에서 추적오차가 발생하는 환경이 만들어졌을 것이라 짐작 되어진다.
예비 용접실험을 통한 용접비드는 Table 4와 같으며, 모든 실험에서 비드형상이 비교적 균일하며 외관상 결함을 나타내지 않았고 4번째 실험 인 용접토치 극간거리가 35mm, 보호가스 유량 이 18l/min일 때 비드형상이 가장 균일하게 나타남을 확인하였다.

후속연구

본 연구를 통하여 탄뎀 원주용접시스템에 용접선 추적시스템을 적용함으로써 정밀화된 탄뎀원주 용접 자동화 기술력과 용접조건에 따른 데이터베이스 확보를 통하여 생산성 증대에 기여 할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용접·접합공정에서 발생하는 열악한 작업환경은?	또한, 용접·접합공정시 발생하는 용접흄(Fume), 스패터(Spatter), 소음(noise), 용접아크(Arc)등의 열악한 작업환경으로 인하여 관련 분야의 취업기피및 전문 인력이 감소하고 있으며 이에 따라 용접공정의 작업환경 개선과 인력난 해소를 위하여 자동 용접시스템의 기술개발 및 연구가활발하게 이루어지고 있다.
	국내 기술력 확보를 위한 노력은?	따라서 국내에서 기술력 확보를 위하여 자동용접시스템과 새로운 용접기술에 대한 연구를 활발 하게 진행되고 있으며 수중용접, 원주용접, 탄뎀 (Tandem) 용접 등과 같은 특수용접 분야를 대상으로한 정밀접합기술 연구가 주로 수행되고 있다. 관련 연구로 Kang은 CO2 레이저 용접장치에 레이저 비전센서를 적용하여 용접 헤드와 용접선을 정밀 위치에서 일치시킴으로써 양호한 용접 결과를 얻어내는 연구를 수행하였고, Lee와 Kim은 회귀분석법을 이용한 수학적 알고리즘이나 적외선 센서 등을 이용하여 용접선 추적시스템의 성능평가를 실시하였다.
	탄뎀 용접법을 적용한 원주용접시스템의 성능 평가를 위해 수행한 것은?	본 연구에서는 레이저 비전센서를 이용하여 위와 같은 문제점을 해결하고 생산성 향상에 유리한 탄뎀 용접법을 적용한 원주용접시스템 을 개발하였다. PLC프로그램을 통한 용접 토치 제어를 실현하였으며, 개발된 시스템의 성능 평가를 위하여 용접선 추적실험과 탄뎀원주용 접 실험을 수행하였다. 이를 통하여 용접선추적을 위한 프로세스를 최소화하는 연구를 수행하였으 며, 자동 용접 시스템 관련 기술 확보와 이를 탄뎀 원주용접공정에 최초로 적용함으로써 제품 생산성 향상에 기여하고자 한다.

참고문헌 (9)

Kang, H. S., Suh, J., and Lee, J. H., "A Study of Seam Tracking System in Laser Welding," Proc. of The Korean Society of Automotive Engineers Autumn Conference, pp. 1312-1315, 2004.
Lee, J. H., Kim, I. S., Kim, H. H., Jung, J. W., Son, S., et al., "A Development of an Algorithm to Weld Seam Tracking using Regression Analysis and Neural Network," Proc. of The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers Autumn Conference, pp. 380-385, 2009.
Kim, I. S., Son, J. S., Kim, H. H., Seo, J. H., and Kim, I. J., "A Study on the Seam Tracking and Control of the Welding Quality Using a Infrared sensor," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 301-302, 2006.
Agapakis, J. E., "Joint Tracking and Adaptive Robotic Welding using Vision Sensing of the Weld Join Geometry," Welding Journal, Vol. 65, No. 11, pp. 33-41, 1986.
Agapakis, J. E., "Vision-Aided Robotic Welding : An Approach and a Flexible Implementation," The International Journal of Robotics Research, Vol. 9, No. 5, pp. 17-34, 1990.

상세보기
Park. C. I., Son. Y. S., Kang. J. S., Ham. S. Y., et al., "Development of Automatic Welding System by Using Laser Vision System," Korea Institute of Machinery & Materials, pp. 38-44, 1997.
Sung, K. E., Lee, S. H., and Oh, Y. K., "Seam Tracking Computer Simulation System for Seam Tracking Algorithm of Robotic Welding using Laser Vision Sensor," The Korean Welding and Joining Society, No. 2, pp. 62-65, 1999.
Lee, J. I. and Koh, B. K., "The Multipass Joint Tracking System by Vision Sensor," Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 16, No. 5, pp. 14-23, 2007.
Ahn, S. T., "Sensor Fusion of Vision and Laser Range Finder for Mobile Robot Localization," M.Sc. Thsis, Mechanical Engineering, The Korea Advanced Institute of Science and Technology, pp. 14-32, 2003.

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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].

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