Among various types of sensors used in welding automation, the arc and vision sensors are widely used for automatic seam tracking and quality control of arc welding processes. The development of a vision sensor which can provide 3D geometry information is needed especially for robot guidance in automatic welding of thin plates, because it is difficult to apply an arc sensor to the welding of thin plates. Vision sensors using optical triangulation have been widely used in various ways for automatic welding systems. The separation angle between the camera and the laser axis has been mainly considered in previous studies of the vision sensor with structured light. Their measuring efficiency is, however, considerably influenced by the different arrangements of the weldment, the CCD camera, and a diode laser of a vision sensor in three-dimensional space. Therefore to enhance the effectiveness of a vision sensor for height-varying workpieces, other geometrical parameters such as diagonal and tilt angles should also be investigated. In the present study, the data deficiency in the vision sensor fell into two classifications: the shadow effect and the missing field of view (FOV), and a mathematical model was proposed to estimate the occurrence of data deficiency.
Many efforts have been made to develop an automatic welding system in order to improve the quality and productivity in welding shipping containers and LNG(Liquefied Natural Gas) storage tanks which consist of many sheet metals having linear weldments with height variation. However it is difficult to determine the proper configuration of sensory system including a CCD camera and diode laser to specific weldments because of the interference and relative motion among vision sensor, welding torch and weldment. Therefore, to develop a vision sensor with high performance for a specific workpiece, the sensory system should be analyzed for various configurations of sensors and weldment shapes by using a mathematical model. In this study, the measuring efficiency of vision sensor predicted by its model and the criterion for data deficiency was in significant agreement with experiments for typical corrugations of shipping containers and LNG tanks. It was found that the results obtained from the mathematical model were very useful in designing the vision sensor for automatic welding of linear weldments with height variation.
The reliability of the vision sensor would be considerably influenced by the arc light reflected from the base metal surface. Therefore, the reflectance model of the welding arc was driven to estimate the arc noise for various configurations of the sensor, base metal and welding arc in three-dimensional space by assuming the extended light source and the point source as the welding arc. Various experiments were carried out first to determine the BRDF parameters of the model, and second to verify the validity of the proposed model. Finally, two proposed models, extended source model and point source model, were compared with the gray level of the reflected arc which was caught by CCD camera. The experimental data of the gray level of the reflected arc agreed generally with the calculated results which were obtained by assuming the arc as the extended light source and the point light source. Some differences of the results from the assumption of a point light source were due to the fact that the welding arc from a short distance would act as an extended light source rather than a point light source. Therefore it was revealed that the arc light should be assumed as an extended light source in the reflectance model for the distance between the welding arc and base metal relative short because the geometrical relationship of the arc shape has largely affected to the reflected area in relative short distance between the welding arc and the reflected area of the base metal. Also, it could be also found that the Torrance-Sparrow model can be effectively adopted for the arc reflection on the hot-rolled mild steel plate and the ZINC coated container panel. And the mirror reflectance model can be applied to the SUS304 stainless steel both assumptions of an extended light source and a point light source. This study showed that considerably high gray levels of the reflected arc may be captured by the vision sensor, which has then a considerable influence on the performance of sensors. In order to avoid the influence of reflected arc light from the base metal, it is necessary for the vision sensor to be designed by using a little tilting angle and to be positioned out of the incident plane as possible.
The proposed models and experimental results can be effectively used for the design of the configuration and moving path of vision sensors according to the base metal shape, which can improve the measuring data efficiency of the vision sensor and reduce the effect of arc noise on the vision sensor, and then can consequently improve its performance in automatic seam tracking of the arc welding process. Also, the analysis of the measuring efficiency and reliability of the vision sensors can be applied to the design of the vision sensor in other automated systems to have similar conditions.
본 연구에서는 용접선 자동추적 시스템(automatic seam tracking system)에 쓰이는 시각센서(vision sensor)의 위치변화와 구성부품인 레이저와 카메라의 각도변화가 3차원 공간상에서 높이변화가 있는 대상물에 대한 정보 측정율(measuring efficiency)에 미치는 영향을 예측 할 수 있는 알고리즘을 제시하고 이 결과를 실제 대상물에 적용하여 그 타당성을 증명하였다. 또한 용접중 모재에 반사되어 시각센서의 신뢰성에 영향을 미치는 아크광에 대해 아크광원을 확장광원(extended source)으로 가정하는 새로운 수학적 반사모델을 제시하였다.
용접공정은 아크빛, 고열, 스패터(spatter) 및 용접 매연(fume)의 발생 등 작업조건이 열악하기 때문에 공장자동화 최우선 과제중의 하나이다. 그러나 대형구조물의 특성상 치수 오차가 존재하고 용접시 재료의 국부적인 가열이 열변형을 유발하기 때문에 용접공정의 자동화에는 용접선의 자동추적과 용접변수의 적응제어가 요구된다. 이와 같이 용접선의 자동추적용 센서로서 레이저 빔을 이용한 시각센서가 널리 이용되고 있으며 거의 모두가 광삼각법(optical triangulation)의 원리를 응용하고 있다.
철도차량과 상용차의 차체, 컨테이너의 패널 및 LNG(Liquefied Natural Gas) 저장탱크 내벽 등과 같이 무게를 감소시키면서도 요구되는 강도를 유지하기 위해서는 성형된 박판이 사용된다. 이때 각각의 성형된 부품들을 결합시키는데는 연속적인 직선용접과 용접부의 높이변화가 수반된다. 따라서 높이변화가 있는 용접부의 추적과 용접품질 제어를 할 수 있는 다목적(multi-purpose) 자동용접시스템을 개발하기 위해서는 여러 가지 정보를 얻을 수 있는 시각센서의 개발이 필요하다.
1980년대 이후 현재까지 용접자동화에 시각센서를 개발하여 적용하려는 움직임이 활발히 이루어져 왔으나 단순한 센서의 설계 즉 분해능(resolution)과 측정범위(field of view) 등의 기능만을 고려할 뿐 정보결핍(data deficiency)이 일어나는 유형이나 정보획득에 유리한 기하학적 배치 그리고 모재에 반사된 아크광의 노이즈(noise)등 다른 인자를 고려한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다.
본 연구에서는 우선 3차원 상에서 굴곡진 물체의 형상 측정에서 발생할 수 있는 정보결핍 현상을 두 부류로 분류하고 기하학적 관계를 이용하여 이를 판별할 수 있는 수학적 모델을 제시하였다. 제시된 수학적 모델을 이용하여 대표적인 높이변화가 있는 용접부의 기하학적 모델에 대해서 용접선 추적시 발생되는 정보결핍의 발생에 대해 시뮬레이션(simulation)을 수행하였고 이 결과를 실제 시각센서를 장착하여 개발된 자동용접시스템으로 같은 상황을 재현할 때 시각센서에서 얻는 정보획득율과 비교하여 제안된 수학적 모델의 타당성을 입증하였다. 이러한 일련의 연구과정은 여러 자동화 분야에 널리 사용되는 시각센서의 설계제작시, 시작품의 제작에 앞서 원하는 시각센서의 측정조건과 위치 그리고 측정부의 기하학적 모델을 제안된 정보측정율 알고리즘에 적용시켜 설계된 시각센서의 정보획득 정도를 검토하여 원하는 측정조건에 최적화된 시각센서의 위치와 부품구성의 각도를 선정할 수 있다. 이는 시각 센서의 개발시 항상 발생되는 시행착오를 줄이는데 큰 기여를 하리라 기대된다.
용접공정에서 시각센서의 신뢰도에 영향을 미치는 인자로는 아크광, 용접 스패터, 가열된 보호가스 등을 들 수 있다. 센서 설계시 아크광을 카메라로 직접 보는 경우는 거의 없으므로 아크광은 모재에 반사된 후 시각센서에 영향을 미친다. 본 연구에서는 높이변화있는 구조물에 사용되는 대표적인 모재인 열연강판(mild steel), 컨테이너 판넬 그리고 스테인레스 스틸(SUS304)의 반사성질을 토렌스-스팰로우(Torrance-Sparrow) 모델을 이용하여 실험을 통해 구했고 이 결과를 확장광원(extended source)과 점광원(point source)으로 각각 모델링된 아크광이 시각센서에 끼치는 영향을 카메라의 위치와 각도 변화에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 이 결과와 용접선 추적에서 나타나는 토치와 시각센서 사이의 가까운 거리에서 이루어진 실제실험을 통해 얻은 카메라에 미치는 아크광의 노이즈를 비교해본 결과, 본 논문에서 제안한 확장광원으로의 아크 모델이 실제 용접현상에서의 카메라에 미치는 아크 노이즈를 잘 나타내주는 것을 알 수 있었다. 따라서 보다 정확한 카메라에 대한 아크광의 영향은 점광원이 아닌 반구형태의 확장광원으로 모델링이 더욱 타당하다는 것을 검증하였다.
본 논문에서 이루진 연구는 시각 센서가 사용되는 자동시스템(automated systems)중 그 적용환경이 가장 열악하다고 할 수 있는 용접분야에 적용되어 나온 결과이므로, 본 연구 결과는 일련의 다른 분야에 시각센서를 적용할때 발생되는 센서구성 및 측정대상의 형상에 따른 정보획득율 변화문제 그리고 주변 환경에서 발생되는 복사광에 따른 시각센서의 신뢰도 문제 등에도 적용이 가능하리라 사료된다.
