초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
본 과제는 포스코 및 철강업체뿐만 아니라 유리, 시멘트 및 기타 요로용 업체에 주로 공급되는 복합재료/내화물의 품질을 자동으로 검수할 수 있는 『고속정밀 이송 시스템 상에서 부피/무게 정보로부터 밀도를 측정하고 초음파로 결함을 탐지할 수 있는 검사 시스템을 개발하고, 머신러닝 및 빅데이터 기반의 복합소재/내화재 품질 평가가 가능한 지능화된 검사 시스템』을 개발하고, 최종적으로 세라믹 전통산업의 대표 업종인 『내화재 분야에 ICT를 접목한 IoT 기반의 빅데이터, 인공지능(AI) 중

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
본 과제는 포스코 및 철강업체뿐만 아니라 유리, 시멘트 및 기타 요로용 업체에 주로 공급되는 복합재료/내화물의 품질을 자동으로 검수할 수 있는 『고속정밀 이송 시스템 상에서 부피/무게 정보로부터 밀도를 측정하고 초음파로 결함을 탐지할 수 있는 검사 시스템을 개발하고, 머신러닝 및 빅데이터 기반의 복합소재/내화재 품질 평가가 가능한 지능화된 검사 시스템』을 개발하고, 최종적으로 세라믹 전통산업의 대표 업종인 『내화재 분야에 ICT를 접목한 IoT 기반의 빅데이터, 인공지능(AI) 중심의 품질평가 자동화 기술 내재화』하여 데이터 기반의 Industry 4.0 생산 시스템으로 전환하는 것을 목표로 함

◼ 전체 내용
○ 이종기술·산업간 기술융합도
- 본 과제는 주관연구개발기관에서 생산하는 복합재료/내화재의 제조와 검사 과정에서 재래식 검사 시스템을 대체하여 스마트 검사 시스템을 개발할 목적으로 공동연구개발기관과 초음파, 밀도 측정용 검사 시스템과 품질평가용 자동화 관제 시스템 개발을 추진하고자 함
○ 기술기술의 문제점 분석
- 기존의 무게/부피 측정 시스템
✓ 기존 부피 측정 장비의 경우 레이저 센서로 높이를 측정한 이후 대각선으로 카메라를 배치한 후 촬영하여 가로/세로의 길이를 측정하는 방식임
✓ 생산품의 자세, 컨베이어 벨트의 진동, 외부 진동유입에 따른 카메라의 캘리브레이션 문제 등 근사식을 통해 부피를 계산하였음에도 불구하고, 측정 정확도가 매우 불량하여 현장에서 사용하지 않고 있음
✓ 기존 장비는 컨베이어 벨트 상에서의 무게 측정을 할 수 없는 시스템으로, 이를 위해 작업자/검사자의 손을 한 번 더 거쳐야 하기에, 작업효율과 오차 문제가 발생함
- 기존의 초음파 측정 시스템
✓ 선행 제작했던 이력을 바탕으로 문제점을 도출한 결과 내화물의 경우 일반적인 단일매질의 제품과는 다르게 여러 재질로 이루어져 있으며, 공기층과 균열을 구분해야 하는 어려움이 있음
✓ 높이 값은 초음파 측정 시 중요한 값인데 이전 공정과 연동이되지 않아 작업자가 수작업으로 입력해야 하는 불편함이 있음
- 컨베이어 벨트 운용 시의 단점
✓ 전통적 컨베이어 장비는 주로 풀리에 의해 고무벨트가 회전하는 구조로 작동하는데, 구조가 간단하고 비용이 저렴하지만 컨베이어 작동 시 발생하는 진동과 기계적 오차로 인해 정밀 측정 장비로의 활용을 어려운 특징이 있음
✓ 풀리 작동 시 발생하는 진동부터 풀리와 고무벨트의 마모, 고무벨트의 탄성 변화, 서로 다른 컨베이어 간의 기계적 오차 등 고려할 요소가 다양하고 복합적이기에, 비파괴 검사를 위한 컨베이어로는 부적절하다고 판단함
○ 연구개발 내용
- 고속정밀 이송 시스템 상에서 부피/무게 정보로부터 밀도를 측정하고 초음파로 결함을 탐지할 수 있는 검사 시스템을 개발하고, 머신러닝 및 빅데이터 기반의 복합소재/내화재 품질평가가 가능한 지능화된 관제 시스템 개발을 위해서 다음과 같이 세부 연구내용에 대한 기술개발을 추진함
① 내화물 제품 물성 분석과 개발 장비의 공정 적합화 및 운용 기술 개발
② 내화물을 측정 장비로 안전하게 운반할 수 있는 LMS(Linear Motion System) 개발
③ 내화물을 파괴하지 않고 크랙/배합불량 등의 불량 여부를 측정할 수 있는 비파괴 초음파 검사 시스템 개발
④ 내화물과 장비에서 취득한 센서 데이터를 처리하고 장비를 제어하는 DAQ(Data Acquisition) 시스템 개발
⑤ 머신러닝을 위한 전용 임베디드 싱글보드 컴퓨터 및 머신러닝 알고리즘 개발
⑥ 디지털 로드셀 기반 내화물 무게 측정 시스템 개발
⑦ LMS 이동속도와 레이저 거리(변위)센서 기반 내화물 부피 측정 시스템 개발
⑧ 빅데이터 처리를 위한 데이터베이스 서버 및 관리자 웹서버 구축 및 개발
○ 주요 성능지표
○ 연차별 기술개발 내용
- 1차년도 기술개발 내용
✓ 양품/부적합품의 초음파 신호 특성 분석
✓ 내화물 프로파일링 및 공정관리 기술 개발
✓ 내화물을 측정 장비로 안전하게 운반할 수 있는 LMS 개발
✓ 내화물의 크랙/배합불량 등의 불량 여부를 측정하는 비파괴 초음파 검사 시스템 개발
✓ 내화물과 장비에서 취득한 센서 데이터를 처리하고 장비를 제어하는 DAQ 시스템 개발
✓ 초음파 분석 및 머신러닝 분석기술 개발과 사용자 인터렉션 모델 개발
- 2차년도 기술개발 내용
✓ 초음파, 무게, 부피 검사 시스템 기능/성능 평가
✓ 품질 검사 장치의 공정 안정화 기술 개발
✓ 디지털 로드셀 기반 내화물 무게 측정 시스템 개발
✓ LMS 이동속도와 레이저 거리(변위)센서 기반 내화물 부피 측정 시스템 개발
✓ 머신러닝을 위한 전용 임베디드 싱글보드 컴퓨터 개발
✓ 데이터베이스 서버, 웹서버 구축 및 개발

□ 연구개발성과
○ 정성적 연구개발 성과
✓ 내화물을 측정 장비로 안전하게 운반할 수 있는 LMS 개발
✓ 내화물의 불량 여부를 측정하는 비파괴 초음파 검사 시스템 개발
✓ 디지털 로드셀 기반 내화물 무게 측정 시스템 개발
✓ LMS 이동속도와 레이저 거리(변위)센서 기반 내화물 부피 측정 시스템 개발
✓ 내화물 검사시스템을 위한 센서 데이터 처리 및 장비 제어용 DAQ 시스템 개발
✓ 머신러닝을 위한 전용 임베디드 싱글보드 컴퓨터 개발
✓ 품질관리 모니터링 웹서버 구축 및 개발
○ 정량적 연구개발 성과

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 연구개발성과 활용계획
- 수요기업 생산/검사공정의 전반적 수정/보완없이 본 검사장비를 적용, 올인원, 고정밀의 인라인 자동검사를 수행할 수 있음. 이를 통해 그간 수검에 투입된 인력과 검사 스케줄 등을 타 생산 공정, 품질보증 활동으로 전환/완화시킬 수 있음
- 기도입 검사장비 대비 검사성능과 활용도가 압도적으로 뛰어나기에, 추후 모든 설비에 본 인라인 장비를 도입하여 생산성 증대와 품질업무 개선이 가능할 것으로 판단함
- 본 연구개발 결과물은 기존 생산설비 수정이 최소화될 수 있으며, 생산환경에 영향을 받지 않는다는 장점이 있기에, 이를 토대로 제철산업뿐만 아니라, 국방, 세라믹 산업 등 고품질이 요구되는 유사공정, 환경 분야로의 진출도 가능할 것으로 예상
○ 기대효과
- 기술적 기대효과
✓ 기존에는 인력으로 샘플링한 제품을 다시금 시편으로 가공하여 수동검사하는 등 3중 검사방식을 택하고 있었는데, 이러한 공정을 기존 설비의 큰 수정 없이 자동화함과 동시에, 검사/판단 정확도를 획기적으로 높일 수 있음
✓ 불량선별을 위한 사전작업부터 분류작업까지 하나의 라인에서 처리할 수 있으므로 공정추가와 개선을 위한 대규모 수정, 교체가 불필요하며, 궁극적으로 품질개선과 생산성 향상에서 투입비용 대비 최대한의 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대함.
✓ 본 기술개발을 통해 기존 라인과 동일한 수준의 공정환경에서 불량선별부터 원인 분석까지 수치적이고 객관적이며, 학습이 가능한 영역으로 끌어올려 선별/평가하는 기술을 확보할 수 있을 것으로 판단함
✓ 진동, 분진, 소음 등 외부환경에 매우 민감한 반도체, 2차 전지 제조공정에 적용되는 LMS를 수요기업의 생산, 품질검사에 맞춤식으로 적용하여 IoT, 스마트제조와 같은 4차 산업혁명 기술을 전통 제조기업 공정에 적극적으로 도입할 수 있다는 기술적 의의가 있음
- 산업적 기대효과
✓ 기존의 전통산업 혹은 굴뚝산업의 형태를 가지는 내화물 제조공정을 IoT 기술과 접목하여 Industry 4.0이라는 새로운 개념의 산업 패러다임으로 변화/발전시킬 수 있는 계기를 마련할 수 있음
✓ 본 연구개발품은 전체 생산라인의 수정과 변경 없이, 수요기업에서 필요한 영역에 국소적으로 도입할 수 있다는 장점이 있으며, 이를 통해 품질검사공정 도입비용을 절감하고 품질검사 능력(Capability)과 속도, 제조 데이터 피드백에 의한 공정개선까지 기대할 수 있음
✓ 주관기관과 공동기관은 본 과제에 획득된 기술과 노하우를 토대로 내화물 산업뿐만 아니라, 국방분야(균질압연장갑, 복합장갑), 관로 비파괴검사 분야, 세라믹 업종 등 타 산업 혹은 유사 공정에 접목할 수 있는 사업화 기회로 활용할 수 있을 것으로 예상함
- 경제적 기대효과
✓ 수요기관의 내화물 제조공정 자동화 과정에 있어서 물리적 특성 측정과 공정환경의 한계라는 중요한 이슈를 해결함으로써 즉각적 품질개선과 이로 인한 생산성 향상을 유발할 수 있을 것으로 판단하며, 이는 궁극적으로 수요기업의 원가율과 영업이익에 직접적 영향을 미칠 수 있는 요인으로 작용할 것으로 예상함
✓ 장치 전문 제조업체에서 본 결과물을 활용하여 결함 탐지 제품을 개발하고 이를 내화물 산업 분야로 확산할 때에 관련 업체의 신규 수익 창출에 기여할 것으로 기대됨

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 8
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 13
• 1) 제품 물성 분석 및 장비 운용 기술 개발 ... 13
• 2) 제품 이송용 LMS 개발 ... 15
• 3) LMS 기반 초음파 검사 시스템 개발 ... 23
• 4) 임베디드 싱글보드 컴퓨터 및 알고리즘 개발 ... 43
• 5) DAQ 시스템 개발 ... 51
• 6) LMS 기반 무게 측정 시스템 개발 ... 60
• 7) LMS 기반 부피 측정 시스템 개발 ... 64
• 8) DB 서버, 웹서버 구축 및 개발 ... 67
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 79
• 1) 연구수행 결과 ... 79
• 2) 목표 달성 수준 ... 84
• 4. 연구개발성과의 활용 및 사업화 계획 ... 84
• 끝페이지 ... 86