Development of an Automated Multi-Pass V-Groove Welding Algorithm Using a Laser Vision Sensor

국문 초록 (Abstract)

조선·해양·에너지 산업에서 사용되는 중후판 구조물은 높은 구조적 신뢰성과 내구성을 확보하기 위해 다층 용접 공정이 필수적으로 적용된다. 특히 V-그루브 맞대기 용접은 두께가 큰 구조물에서 널리 사용되나, 각 패스(pass)별 토치 중심 위치 설정이 작업자 숙련도에 크게 의존하며, 용접 중 발생하는 열변형과 비드 형상 불균일로 인해 용접 품질 편차가 빈번하게 발생하는 문제가 있다. 이러한 한계로 인해 다층 용접 공정의 자동화 및 품질 균일성 확보를 위한 정량적이고 신뢰성 있는 토치 위치 결정 알고리즘 개발이 요구되고 있다.
본 연구에서는 Laser Vision Sensor(LVS)를 이용하여 V-그루브 다층 용접 후 형상 정보를 정밀하게 측정하고, 이를 기반으로 다음 패스의 토치 중심 위치를 자동으로 산정하는 알고리즘을 개발하였다. 제안된 방법은 용접 중 실시간 제어가 아닌, 각 패스 종료 후 획득된 실제 비드 단면 프로파일을 활용하여 다음 패스의 시작 위치를 결정하는 방식으로, 공정 중 발생하는 비대칭 비드, 형상 편차, 열변형을 직접적으로 반영할 수 있다는 특징을 가진다.
레이저 비전 센서로부터 획득된 단면 데이터는 노이즈 제거를 위해 Savitzky–Golay 필터 기반 전처리를 수행하였으며, 이후 1차 미분 값을 이용한 기울기 변화 분석을 통해 개선부–비드 접점과 비드 간 최저점을 특징점으로 자동 검출하였다. 검출된 특징점을 기준으로 각 패스의 토치 중심 위치를 정의함으로써, 기존의 중앙 기준 또는 고정 오프셋 방식에서 발생하던 위치 오차를 최소화하였다.
알고리즘의 유효성을 검증하기 위해 Bead-on-Plate 실험과 V-그루브 다층 용접 실험을 수행하였다. 실험 결과, 제안된 알고리즘은 각 패스별 비드 형상 변화와 개선부 형상 변화를 안정적으로 추종하였으며, 토치 중심 위치의 일관성과 패스 간 적층 안정성이 향상됨을 확인하였다. 특히 비드 폭 및 단면 형상의 균일성이 기존 방식 대비 개선되어, 다층 용접 품질의 재현성이 향상되는 결과를 보였다.
본 연구에서 제안한 레이저 비전 센서 기반 다층 용접 자동화 알고리즘은 작업자 숙련도에 대한 의존도를 낮추고, 실제 용접 후 형상을 기반으로 한 합리적인 토치 위치 결정을 가능하게 한다. 이는 향후 중후판 V-그루브 다층 용접 공정의 자동화, 품질 안정화, 그리고 지능형 용접 시스템 구축을 위한 기초 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 6
• 1.1. Research background 6
• 1.2. Technical problem definition 9
• 1.3. Theoretical background 12
• 1.4. Related work and distinctions 16
• 1.5. Objective and structure 19
• Ⅱ. Experiment and results 22
• 2.1. Equipment and materials 22
• 2.2. Bead-on-Plate experiment 25
• 2.3. Bead-on-Plate experiment with weaving 28
• 2.4. Multi-pass V-groove welding 31
• Ⅲ. Algorithm development and application 36
• 3.1. Preprocessing of laser vision sensor (LVS) data 36
• 3.2. Feature point detection algorithm 41
• 3.3. Torch center position estimation algorithm 44
• 3.4. Development of Python-based analysis UI 48
• Ⅳ. Conclusion 52
• Reference 54
• 국문 초록 57
• 감사의 글  59