Development on Tandem GMA Welding System using Seam Tracking System in Pipe Line

용접선 추적시스템을 적용한 탄뎀 원주 용접시스템 개발

Development on Tandem GMA Welding System using Seam Tracking System in Pipe Line

이종표¹, 이지혜¹, 박민호¹, 박철균¹, 김일수^2,

JongPyo Lee¹, JiHye Lee¹, MinHo Park¹, CheolKyun Park¹, and IllSoo Kim^2,

1 국립목포대학교 기계공학과 대학원 (Graduate School of Department of Mechanical Engineering, Mokpo National University) 2 국립목포대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Mokpo National University)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-61-450-2416 Manuscript received: 2013.9.5 / Revised: 2014.8.27 / Accepted: 2014.9.17

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.

Key Words: Seam Tracking (용접선 추적), Laser Vision Sensor (레이저 비전센서), Tandem Welding System (탄뎀 용접 시스템)

1. 서론

용접·접합기술은 우리나라 주력기간산업인 조 선, 자동차, 중공업, 건설, 전기/전자, 반도체 등의 산업에 필요한 기기 및 재료를 공급하기 때문에 국가경쟁력을 좌우하는 핵심적인 생산기반기술로 서 제품의 품질, 생산성, 제조원가에 큰영향을 미 치고 있다. 기간산업분야에서 고강도, 경량화, 원 가절감 등을 위한 기술개발이 요구되며 신소재 접 합을 위한 용접기술의 검증 및 공정개발 관련 기

술수요가 늘어날 것으로 전망되고 세계적으로 용 접관련 기술과 제품 등의 개발에 대한 기술투자가 증가하고 있는 추세이다.

또한, 용접·접합공정시 발생하는 용접흄(Fume), 스패터(Spatter), 소음(noise), 용접아크(Arc)등의 열 악한 작업환경으로 인하여 관련 분야의 취업기피 및 전문 인력이 감소하고 있으며 이에 따라 용접 공정의 작업환경 개선과 인력난 해소를 위하여 자 동 용접시스템의 기술개발 및 연구가활발하게 이 루어지고 있다.

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(Tandem) 용접 등과 같은 특수용접 분야를 대상으 로한 정밀접합기술 연구가 주로 수행되고 있다.

관련 연구로 Kang은 CO2 레이저 용접장치에 레이 저 비전센서를 적용하여 용접 헤드와 용접선을 정 밀 위치에서 일치시킴으로써 양호한 용접 결과를 얻어내는 연구를 수행하였고, Lee와 Kim은 회귀분 석법을 이용한 수학적 알고리즘이나 적외선 센서 등을 이용하여 용접선 추적시스템의 성능평가를 실시하였다. Agapakis는 모재의 거리 정보로부터 용접점을 인식하고 이로부터 용접선 추적을 위한 용접 변수 제어 알고리즘을 연구하였다. Park은 레 이저 비전센서를 이용한 자동 용접시스템 연구를 통해 Multipass 용접이 가능한 수학적 공식을 적용 하여 용접사의 도움 없이 그루브에 따른 토치의 위치 제어가 가능함을 보였으며 Sung은 레이저 비 전센서가 가지고 있는 개념으로 찾을 수 없는 용 접선을 기존의 알고리즘과 새로운 2차원 정보를 혼합함으로써 용접선을 찾을 수 있는 알고리즘을 개발하였다.^1-7 현재까지 레이저 비전시스템을 적용 한 용접 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어져 왔으나 관련 연구의 경우 알고리즘 적용에 따른 토치제 어를 위한 시스템과 기구장치의 구조가 복 잡하고, 화상처리와 용접선 추출에만 주안점을 맞 추고 있다. 또한, 1-토치 용접조건 설정과는 달리 탄뎀 용접공정의 경우 품질에 영향을 미치는 인자 가 더 많이 존재여 수평 필렛 이음부의 용접에만 적용하였으며, 원주용접의 경우 가공이 나 Fit-up 작업시 변형이 발생하기 쉬워 자동용 접시스템 적 용과 상용화에 어려움이 있다.

본 연구에서는 레이저 비전센서를 이용하여 위 와 같은 문제점을 해결하고 생산성 향상에 유리한 탄뎀 용접법을 적용한 원주용접시스템 을 개발하 였다. PLC프로그램을 통한 용접 토치 제어를 실현 하였으며, 개발된 시스템의 성능 평가를 위하여 용접선 추적실험과 탄뎀원주용 접 실험을 수행하 였다. 이를 통하여 용접선추적을 위한 프로세스를

최소화하는 연구를 수행하였으 며, 자동 용접 시 스템 관련 기술 확보와 이를 탄뎀 원주용접공정에 최초로 적용함으로써 제품 생산성 향상에 기여하 고자 한다.

2. 탄뎀 원주용접시스템 개발 2.1 레이저 비전센서

용접공정에서 용접선 추적을 위한 위치검출 방 법으로는 접촉식과 비접촉식 방법이 광범위하게 적용되고 있으며, 특히 용접의 적응제어 능력이 탁월한 레이저 비전센서를 많이 이용하고 있다.

레이저 비전센서는 광원에 따라 점센서, 선형센서, 면적센서로 분류되며 광학삼각법에 의한 부재검출, 조인트 타입확인, 용접선 추적, 용접선 추적위치 검출 등에 이용된다.⁸ 분류의 차이는 있으나 Fig. 1 과 같이 센서 광원의 반사원리에 의해 얻어지는 거리 이미지 정보를 통해 필터링한 데이터로 용접 선 추적을 실시한다.

본 연구에서는 용접선 추적을 위해 선형 레이 저로 측정하는 비전센서를 적용하였다. 레이저에 서 발생한 레이저 Stripe는 실린더 렌즈를 통해 빛 의 면을 형성하여 모재에 투사되고 빛의 진로와 비스듬하게 위치한 수광 렌즈가 물체 표에서 반사 되는 광선을 수광부에 비치게 한다. 수광부는 2D 의 CCD로 구성되어 있어 물체의 단면이 CCD상에 형성된다. 측정된 프로파일은 소프트웨어를 통해 영역분할을 실시하여 단면상의 각 점의 위치를 계 산한다. 레이저 비전센서로부터 얻은 본래의 프로 파일 데이터는 Fig. 2와 같이 추출 처리과정을 통 해 실제 작업공간과 용접이음부 형상과 토치팁의 위치에 대한 상대적위치를 구현하게 된다.

레이저 비전센서의 카메라 윈도우에 장착된 필 터가 레이저 비전센서에 사용된 레이저의 주파수 인 600 ~ 690nm의 주파수 근처의 값만 통과시키는 밴드패스 필터를 사용하여 레이저 비전센서로 취

득한 영상을 분석하면 레이저 Stripe와 그 부근만 흰 영역으로 표시되고 나머지 영역은 검게 표시된 다. 획득된 흑백영상은 일련의 과정을 거쳐 환경 특징치인 선 정보로 추출된다.⁹ 비전시스템에 의해 데이터의 센서 보정결과로 얻어진 프로파일은 (Y, Z) 좌표 데이터로 표현되고 Y값은 모재의 비드폭 방향이고 Z는 모재의 깊이 방향을 의미한다. 단면 형상은 잘못 인식된 노이즈 포인트를 포함할 수 있다. 이를 보정하기 위해 노이즈에 해당하는 좌 표값을 주변값들과 비교하여 전체적인 단면형상을 평활화하고 노이즈를 제거하는 중간값 필터 (median filter) 기법을 사용하였다.

2.2 용접선 추적시스템

용접선 추적시스템은 레이저 비전센서 제어장 치와 캐리지 제어장치, 용접 캐리지로 구성하여 Fig. 3에 나타내었다. 레이저 비전센서 제어장치(LVS Controller)와 캐리지 제어장치(Carriage Controller)는 RS-232/RS-422타입의 시리얼 포트를 이용하여 상 호연동을 실시하였다. 용접부에서 발생하는 스패 터와 용접아크의 영향으로 인해 용접 토치의 위치 와 레이저 비전센서의 스캔부를 일치시키는 것이 어려우므로 일정한 딜레이 시간을 캐리지 제어장 치에 입력하여 용접선추적 알고리즘이 적용될 수 있도록 PLC프로그램을 개발하였고 이를 통하여 레이저 비전센서 제어가 가능하도록 구현하였다.

Fig. 4는 개발한 용접 캐리지를 나타낸 것으로 용접 캐리지의 구동방향의 선행토치 전면에 레이 저 비전센서를 설치하여 용접선 추적을 위한 스캔 작업을 수행하도록 설계하였다. 토치는 구동모터 를 사용하여 위빙이 가능하도록 하였고 6개의 홀 더를 통하여 토치간격과 CTWD (Contact Tip to Work Distance)를 조작할 수 있도록 설계하였다.

Fig. 3 Seam tracking system

Fig. 4 Welding carriage

Fig. 5 Schematic of torch control using the PLC control

캐리지 제어장치는 레이저 비전센서 컨트롤을 위한 Seam tracking 프로그램의 일부 기능을 조작 할 수 있도록 하였으며, PLC프로그램을 통하여 scan시간을 설정하여 토치부 위빙 모터가 보정값 에 따라 움직이는 민감도를 조절할 수 있도록 구 현하였다. 제어과정을 도식화하여 Fig. 5에 나타내 었으며, 용접선 추적시스템은 레이저 비전센서가 용접선 스캔을 통해 획득한 좌표값 데이터를 보정 하여 캐리지 컨트롤러에 전송하고 용접 토치가 스 캔지점으로 이동하기까지 딜레이 시간을 적용한 Fig. 2 Extraction process of point

후 캐리지의 토치 위빙모터를 제어하는 과정을 수 행한다.

2.3 탄뎀 원주용접시스템

탄뎀 원주용접은 듀얼토치(Dual-Torch)를 적용 한 파이프용접으로 용접선 정렬과 위치별 용접조 건의 조작이 실시간으로 이루어져야하므로 평판용 접에 비해 고도의 기술과 실시간 공정 모니터링을 필요로 할 뿐만 아니라 공정시간이 긴원주용접의 문제점을 해결할 수 있는 공정이다. 탄뎀 원주용 접시스템 구축을 위하여 원주용접 컨트롤시스템과 용접 캐리지 시스템, 용접조건 모니터링 시스템으 로 구성하였다. 원주용접 컨트롤시스템은 용접조 건 제어, 위치별 용접조건저장, 구동부 및 위빙부 동작 제어를 총괄적으로 관리하며 용접 캐리지 시 스템은 실제적으로용접 토치의 위치를 결정하는 역할을 하고 용접조건 모니터링 시스템은 입·출 력조건을 비교하여 용접조건을 실시간으로 보정하 는 역할을 한다. Fig. 6는 용접선 추적시스템을 적 용한 탄뎀 원주용접시스템의 모습을 나타낸다.

3. 탄뎀 원주용접실험 3.1 실험구성 및 방법

레이저 비전센서를 적용한 용접선 추적시스템 과 이를 적용한 탄뎀 원주용접시스템의 성능 평가 를 위한 용접실험을 수행하였다. 실험장치는 용접 캐리지, 500A GMA 상용용접기 2대(Welmate) CO2

보호가스 봄베 2통, 와이어 및 케이블 피더장치, 캐리지 컨트롤러, 레이저 비전센서 컨트롤러, 전압

·전류 측정센서로 구성되어 있으며 실험방법은

SS400재질의 외경 610mm, 두께 9.5mm의 파이프를 개선각 30°로 가공하여 사용하였고 모재 사이에 2mm의 간격을 두고 각 실험을 수행하였다.

3.2 용접선 추적실험 및 고찰

용접 캐리지의 용접선 추적실험을 통해 레이저 비전시스템의 성능평가를 실시하였다. 용접캐리지 가 용접선을 따라 주행을 하면서 레이저 비전센서 가 용접선 스캔을 통해 얻어낸 좌표데이터를 토대 로 수행하였다. 레이저 비전센서는 캐리지 주행시 용접선에 대한 정보를 설정된 스캔시간에 따라 좌 표데이터로 로깅하여 실시간으로 기록하고 이를 분석함으로써 용접선 추적 성능을 평가하였다. 레 이저 비전센서의 추적성능을 평가하기 위한 용접 선 추적 실험조건을 Table 1에 나타내었다.

레이저 비전센서의 용접선 추적능력과 알고리 즘의 타당성을 검증하기 위하여 실험을 통해 얻어 낸 용접선 데이터를 분석하였다. Fig. 7~8은 1G와 4G위치의 용접선 추적 실험결과를 나타낸것으로 실험 결과의 견실성을 위하여 동일한 조건으로 각 각 3회의 추적 실험을 실시하였고 Table 2는 용접 선 데이터를 통하여 도출된 회귀방정식을 나타낸 것이다. 레이저 비전 센서를 통하여 획득한 용접 선이 전반적으로 휘어져있으나 여러 차례의 추적 실험을 통하여 유사한 용접선 데이터를 얻었다.

3.3 용접선 추적실험 및 고찰

탄뎀 원주용접실험의 조건선정을 위한 예비실 험을 실시하였다. 예비실험은 탄뎀 원주용접에 적 합한 용접 토치 극간거리와 보호가스 유량의 조건 선정을 위해 실시하였으며, 주 영향 및 상호작용 의 영향 도출이 가능한 실험계획법인 요인 실험방 법을 선정하였다. 용접 토치 극간거리는 3가지 수 준(level)을 선정하였고 보호가스 유량은 2가지 수 준으로 선정하여 최적 용접조건 선정을 위한 실험 계획을 Table 3에 나타내었다. 용접실험 공정변수 Fig. 6 Experiment setup of seam tracking system

(a)

(b)

(c)

Fig. 7 Result of seam tracking experiment - 1G

Table 2 Regression equation of seam tracking experiment Test No. Regression equation

1G-(a) y=0.0003 – 0.059 + 0.0987 1G-(b) y=0.0003 – 0.0596 + 0.02 1G-(c) y=0.0003 – 0.0608 + 0.0918 4G-(a) y=0.0006 – 0.0866 + 0.1273 4G-(b) y=0.0006 – 0.0858 + 0.2075 4G-(c) y=0.0006 – 0.0564 + 00831

(a)

(b)

(c)

Fig. 8 Result of seam tracking experiment - 4G

Table 3 Welding parameters of pre-experiment No. Electrode distance (mm) Shielding gas (l/min)

1 25 9

2 25 18

3 35 9

4 35 18

5 45 9

6 45 18

5 6

Table 5 Welding parameters of tandem circumferential welding

Welding position

Welding Current (A)

Arc Voltage

(V)

Welding Speed (cpm)

Electrobe Distance (mm)

Shielding Gas (l/min)

1G Lead

Torch 270 25

30 35 18 Tail

torch 270 25

4G Lead

Torch 270 25

Tail

torch 220 35

Table 6 Result of pre-experiment Welding

position Bea geometry

1G

4G

중 선·후행 토치의 전류와 전압은 각각 270A, 25V로 동일하고 용접속도는 30cpm로 고정하였다.

선·후행 토치의 용접와이어는 1.2mm의 CSF-71T 솔리드 와이어를 사용하였고 보호가스는 100%

CO₂를 사용하였다.

예비 용접실험을 통한 용접비드는 Table 4와 같 으며, 모든 실험에서 비드형상이 비교적 균일하며

하고 용접 토치 극간거리는 35mm이며 보호가스는 100% CO2를 18l/min의 유량으로 공급하였다.

용접실험 조건을 토대로 1G와 4G 위치에서 각 3회씩 총 6회의 파이프 용접실험을 수행한 결과를 Table 6에 나내었다. 탄뎀 원주용접의 특성상 용입 량이 많고 굴곡면이 있어 비드가 흘러내린 형상을 발견할 수 있으나 대체적으로 양호한 비드형상을 얻을 수 있었다.

4. 결론

본 연구에서는 용접선 추적시스템을 적용한 탄 뎀 원주용접시스템을 구축하여 용접선 추적능력 과 용접성능을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 용접선 추적을 위한 용접토치 제어용 PLC프로 그 램을 개발하여 용접선 추적실험과 이를 통한 탄뎀 원주용접실험을 실시하였다.

1G와 4G 위치에서 각각 3회의 용접선 추적실 험을 통해 획득한 데이터 분석을 실시한 결과, 각 각의 위치에서 용접선 추적경로가 유사하였으며 레이저 비전센서의 추적경로가 휘어진 원인 은 캐 리지 주행을 위한 레일의 정렬이나 시험편 의 가 공에서 추적오차가 발생하는 환경이 만들어졌을 것이라 짐작 되어진다.

1G 위치에서 양호한 비드형상을 얻었으며 4G위 치에서 용입량의 과다로 인한 비드의 처짐이 나타 났으나 비교적 양호한 비드형상을 얻을 수 있었다.

본 연구를 통하여 탄뎀 원주용접시스템에 용접 선 추적시스템을 적용함으로써 정밀화된 탄뎀원주 용접 자동화 기술력과 용접조건에 따른 데이터베 이스 확보를 통하여 생산성 증대에 기여 할 것으 로 기대된다.

후 기

본 연구는 교육부와 한국연구재단의 지역혁신

인력양성사업으로 수행된 연구결과임(No.2013H1B8 A2032082).

REFERENCES

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.