Bohler Edelstahl - LabVIEW와 머신 비전을 이용한 철강 직선화 시스템 구현

Author(s):
Oliver Sidla, Ernst Wilding Herbert Barg - Bohler Edelstahl, Joanneum Research

Industry:
Basic Materials - Steel/ Lumber/ Construction

Products:
SQL Toolkit, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
유압식 프레스에서 봉강 직선화를 자동화해야 합니다.

The Solution:
측정용 카메라와 데이터 처리 및 평가를 위한 PC, 봉강 처리를 위한 제어 환경 그리고 LabVIEW 및 IMAQ Vision에 구현된 많은 정교한 알고리즘으로 구성된 직선화 시스템을 개발합니다.

사용된 제품 : LabVIEW™ • IMAQ™ Vision • SQL Toolkit • PCI-6527 디지털 I/O 보드

오스트리아에 본사를 둔 Bohler Edelstahl은 정밀 비행용으로 설계된 고급 컴포넌트를 생산합니다. 즉, 진공 용융 기술(Vacuum Induction Furnace and Vacuum Arc Remelted)을 활용하여 셀, 기어 컴포넌트, 엔진 및 항공기 날개를 포함하여 광범위한 부품을 생산하고 있는데 이러한 프로세스에서는 고품질 부품이 만들어집니다.

지속적인 절차 생성을 위한 고정밀 측정
Bohler Edelstahl은 압연 봉강의 조정 및 최종 처리에 현재 3개의 직선화 프레스를 사용하고 있습니다. 봉강 치수는 높이 30mm, 폭 250mm 및 길이는 3000mm ~ 6000mm입니다.
LabVIEW를 사용하면 사용자 인터페이스를 편리하게 생성할 수 있을 뿐 아니라 하드웨어 컴포넌트의 프로그래밍이 단순해집니다.
치수에 수십 개의 철강 브랜드를 곱해서 2000개 이상의 다양한 조합을 얻었습니다. 최근까지 숙련된 작업자는 봉강의 모양을 평가하고 유압식 잭(jack)으로 이를 보정하여 직선화 프로세스를 완료하였으나 최근 Bohler Edelstahl은 손색이 없는 정확도와 속도로 작업자들의 작업을 수행하는 자동화 시스템을 통해 직선화 프로세스를 변형하였습니다. 이 시스템을 개발하는 데는 약 3년이 걸렸으며 복잡한 측정, 명령 및 제어 알고리즘으로 이루어진 프로세스가 수반되었습니다. 추가 센서와 보완적인 전기 및 유압식 컴포넌트로 업그레이드된 기존의 기계 장비에 기초하여 이 시스템이 만들어졌습니다.

그림 1. 유압식 잭(왼쪽 이미지)을 수동으로 작동하려면 식견과 다년간의 경험으로 봉강의 직선 정도를 판단해야 합니다. 시스템 개발이 끝날 즈음에는 작업자가 자동 프레스(오른쪽)의 작동을 감독하게 됩니다.

롤러 기어 베드에 봉강을 위치시키면 2대의 CCIR 산업용 카메라가 봉강의 이미지를 촬영합니다. 카메라 간 거리는 약 20미터이므로 약 ±0.2mm의 정확도로 봉강의 직선 정도(bar straightness)를 측정할 수 있습니다. 동적 프로그래밍 방법에서는 봉강의 윤곽선을 추적하여 위치를 찾습니다. 3D 카메라 교정은 이미지 픽셀을 실제 좌표로 변형하기 위한 기초가 됩니다. 철강에 적용된 힘 효과(force effect) 모델은 시스템에서 프레스의 모든 기계적 부품을 제어하게 되는 SPC(Siemens S7 Stored Program Control)을 위한 프레스 명령을 생성할 수 있도록 해줍니다. 통합형 힘 센서(force sensor)(최대 3000kN)와 고정밀 레이저 거리 센서(측정 주파수 10kHz에서 정확도 ±0.015mm)를 적용하여 모든 프레스된 철강의 변형 상태를 등록합니다.
SPC는 PC로부터 받은 명령을 실행하고 유압식 프레스와 롤러 기어 베드 모터를 제어합니다. 데이터 속도 1.15MBit/sec에서 작동하는 PROFIBUS 네트워크는 2개의 통신 파트너를 연결할 수 있도록 해줍니다. PC는 버스를 통해 SPC로 추상적 명령(‘fetch next bar’)을 보냅니다. 필요할 경우 SPC의 메모리 위치에서 매개변수를 교환할 수도 있습니다. 롤러 기어 베드의 양 끝에서 수집된 이미지는 봉강 모양을 정밀하게 측정합니다. 우리는 내쇼날인스트루먼트의 LabVIEW를 사용하여 서브픽셀 에지 위치 및 동적 프로그래밍과 같은 최적화 방법을 구현하였습니다.

그림 2. 봉강 직선화 시스템의 개요

그림 3. 유압식 잭 및 연결된 센서에 대한 개요

우리는 봉강의 곡률 ‘S’를 평가하여 봉강의 변형이 필요한 위치를 결정했습니다. ‘S’가 로컬 최대값을 가지는 이 위치에는 상당한 봉강 모양의 구부러짐도 있습니다. 보정이 가장 효과적으로 이루어지는 윤곽선에서 이들 지점을 결정하기 위해 유압식 잭에서 봉강을 변형할 때 이루어지는 곡률 변화를 나타내는 경험적 모델을 사용합니다.
시스템 개발 시 하나의 과제는 봉강을 정밀하게 변형시키는 절차를 만드는 것이었습니다. 초기 실험을 보면 미리 원하는 모양의 구부러짐을 만드는 힘을 계산하기 위한 간단하고 계산 효율적인 방법을 찾는 것이 불가능하다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 이유로는 자재의 속성, 내부 및 외부 마찰 그리고 봉강의 초기 모양 등을 들 수 있습니다. 프레스 실험 동안 생성된 힘 변형 다이어그램을 면밀히 분석하여 활용할 구부리기 프로세스의 속성을 파악하였으며 프레싱 후에는 동일한 자재와 치수의 경우에는 프로세스가 사실상 변하지 않게 됩니다. 자재 데이터베이스의 일부로 모델을 저장한 다음 고정밀 구부리기 작업에 이를 사용합니다.

유연한 시스템으로 시간 및 노동력 절감
이 유연한 소프트웨어 기반 시스템이 가지는 한 가지 이점은 봉강을 90° 스텝 단위로 회전시켜야 하는 자동 회전 장치를 구현해야 할 때 두드러집니다. 우리는 내쇼날인스트루먼트 IMAQ Vision과 LabVIEW를 이용하여 성공적인 솔루션을 개발했으며 이 솔루션의 구현에는 제안되는 대체 기계적 솔루션 구현보다 훨씬 더 적은 시간이 걸렸습니다. 또한 저렴하기도 합니다.
비전 시스템은 봉강 회전을 초당 20회 측정하여 이 측정값을 PROFIBUS를 통해 SPC로 보냅니다.

한 카메라에 표시된 봉강 모양 추출 및 측정. 봉강 위에 겹쳐진 색상이 들어간 선(오른쪽)은 이미지 처리 결과를 시각화하고 있습니다. 왼쪽 다이어그램은 추출된 봉강 윤곽선을 보여줍니다. 녹색선은 원래의 측정값이며 파란선은 필터링되어 부드러워진 결과를 보여줍니다. 모든 측정값의 단위는 Meter입니다.

LabVIEW를 사용하면 사용자 인터페이스를 편리하게 생성할 수 있을 뿐 아니라 하드웨어 컴포넌트의 프로그래밍이 단순해집니다. 우리는 LabVIEW IDE가 가져다 주는 최대 장점 중 하나가 개발 주기를 빠르게 수행할 수 있도록 해주는 것이라 믿고 있습니다. 프로그래밍, 테스트 그리고 디버깅 작업이 전체 소스를 지루하게 다시 컴파일하지 않고도 수행할 수 있는 하나의 절차가 되었습니다. 대부분의 경우에서 우리는 변수 값을 유지하므로 개발 주기가 불과 몇 초밖에 안 걸립니다.

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
Oliver Sidla, Ernst Wilding Herbert Barg
Bohler Edelstahl, Joanneum Research

Browse All Case Studies »