Lazer Kaynağının Görüntü Tabanlı Gözlemlenmesi ve Denetlenmesi

Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Lazer Kaynağının Görüntü Tabanlı Gözlemlenmesi ve Denetlenmesi
E. Tavkaya*
G. Püskülcü†
Lazertek Tasarım Lazertek Tasarım
Manisa
Manisa
F. Koçlular‡
Emre Uzunoğlu§
M. İ. C. Dede**
Lazertek Tasarım İzmir Yüksek Teknoloji Enst. İzmir Yüksek Teknoloji Enst
Manisa
İzmir
İzmir
Özet— Lazer kaynak işlemlerinde kırılma, çatlama ve
yırtılma gibi olası kaynak hatalarını önlemek ve kaynak
işlemini kontrol edebilmek için ön işlem uygulaması
gerekmektedir. Bu aşamada, kaynak işleminin
modellenmesi zor olduğundan ve parametrelerin
malzemeye ve kalınlığa göre değiştiğinden, kaynak
parametrelerinin ayarlanması kritiktir. Bu soruna çözüm
olarak, bilgisayar-destekli-tasarım (BDT) tabanlı
yörünge bilgisini kaynak öncesi hedef yörüngeye eşleyen
yörünge değiştirme algoritmasını kullanan bir görmetemelli gözlemleme ve denetleme sistemi geliştirilmiştir.
Uygulanan teknikte, iki alt sistem olan CNC sisteminin ve
makine görüntüleme sisteminin entegrasyonu için,
görüntü işleme algoritması ve CNC ana döngü mantığı
kullanılarak işlem sırasında lazer ışınının kaynağı
yapılacak parça üzerindeki konumu hesaplanmıştır.
Hesaplanan yörünge değişimi verisi CNC programının
bulunduğu dosya altına depolanarak mevcut CNC
programı üzerinde herhangi bir değişikliğe gerek
kalmadan uygulanmıştır. İzleme ve kontrol tekniğinin
performansı düz ve eğri kaynak çizgileri için farklı iki
kalınlıktaki soğuk haddelenmiş çelik ve paslanmaz çelik
malzemeleri üzerinde yapılan deneysel testler sonucunda
belirlenmiştir ve bu bildiride sonuçlar verilmiştir.
Anahtar kelimeler:
programlama
Lazer
kaynağı,
görüntü
işleme,
operation. The calculated welding path modification data
is stored as a CNC subprogram (file) under the CNC
main program so that operational modification is made
without the need of any change on the main CNC
program. The proposed method is experimentally tested
to assess the performance of the monitoring and control
technique against line and curve welding paths for mild
steel and stainless steel materials with two different
material thicknesses and the results are presented in this
paper.
Keywords: laser welding, image processing, CNC programming
I. Giriş
Lazer kaynağı, birleştirilecek parçaların, dönüştürülen
lazer ışın enerjisinin malzemelerin birleşme bölgesine
yüksek verimde odaklanarak eritilmesi ile birleştirilmesi
işlemidir. Geleneksel lazer kaynağı teknikleri ile
karşılaştırıldığında lazer kaynağı, yüksek hızlarda kaynak
uygulamaları ile otomotiv, elektronik ve beyaz eşya
endüstrisinde kullanılmaktadır. Özellikle derin nüfuziyet
gerektiren uygulamalarda lazer kaynağı, yüksek enerji
verimliliği, yüksek tekrarlanabilirlik ve az miktarda
bölgenin ısıdan etkilenmesi gibi önemli özelliklerinden
dolayı tercih edilir [1]. Lazer kaynağı, farklı ergime
sıcaklığındaki malzemeleri kaynak yöntemi ile
birleştirmek için, eriyik malzeme alanın küçük olduğu ve
kısa erime aralığı bulunan denetimi zor kaynak işlemleri
gibi geleneksel kaynak yöntemlerinin kullanılamadığı
uygulamalarda kullanılabilmektedir.
Lazer kaynağı yapılırken dikkat edilmesi gereken
hususlar belirlenen toleranslar içinde kaynak yapabilmek
için işlemin güvenli bir şekilde gözlemlenmesi ve kaynak
parametrelerinin iyi ayarlanmasıdır [2]. Lazer kaynak
uygulamaları, kullanılan malzeme özelliklerine, istenen
lazer ışını dalga boyuna, lazerin nüfuz etme derinliğine,
kaynak tipine, ısıl işleme maruz kalan bölgenin
hassasiyetine bağlı olarak değişmektedir. Bu işlemlerde
en önemli unsur yüksek enerji yoğunluğuna sahip lazer
ışının malzeme üzerine dağılımını ayarlamaktır. Bu
dağılımı sağlayabilmek için kaynak tipinin, ve işlenen
malzemenin tipine ve kalınlığına bağlı olarak gerekli
lazer
kaynak
parametrelerinin
ayarlanması
gerekmektedir. Bu parametreler aşağıda sıralanmıştır:
CNC
Abstract—In laser welding processes, in order to
avoid the defects such as pores, cracks or blow-out holes
and to make the welding process controllable, a preprocess is required. Tuning welding parameters is
critical during this stage since process modeling is not
trivial and the parameters change with respect to
material and thickness. A solution to such problem is
developed by using a vision-based monitoring and
control system, which utilizes a path modification
algorithm that matches CAD-based (Computer Aided
Design-based) path data to target path before welding.
Two subsystems, which are the machine vision system
and the CNC system, are integrated through developed
vision algorithm and subroutine logic of CNC system by
calculating laser spot position on the work-piece during
_______________________
*
[email protected]
[email protected]
‡
[email protected]
§
[email protected]
**
[email protected]
†
1
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015






nasıl çalışacağı anlatılmıştır. Bir sonraki bölümde ise
geliştirilen yöntemin uygulveığı deney ekipmanı ve
deney prosedürü anlatılmış ve sonuç bölümünde de
deney sonuçları tartışılmıştır.
Lazer ışını gücü
Kaynak hızı
Koruyucu gaz tipi ve basıncı
Odaklama uzaklığı (Lazer kafa ve işlenen parça
arasında)
Kaynak dikişi tipi
Lazer ışını özellikleri (ışın çapı, vb.)
A. Kaynak Hataları
Kaynak hataları son ürünün güvenlik ve mekanik
performansını direk olarak etkilemektedir. Küçük dikiş
bölgesi, yüksek enerji yoğunluğu, sistemin karmaşıklığı,
kaynak ile birleştirilecek parçaların hatalı hizalanması ve
yanlış kaynak parametresi seçimi kaynak hatalarına
neden olmaktadır. Özellikle son yıllarda lazer kaynak
makinası üreticileri, kaynak işleminin verimliliğini
arttırmak ve kaynaklanan parçalarda kullanıcıların
istediği mekanik özellikleri karşılayabilmek için kaynak
hatalarını gidermek üzerine çalışılmaktadır. Sonuç olarak
kaynak hatalarının giderilebilmesi için hataların
sınıflveırılması ihtiyacı doğmuştur. Kaynak hataları ve bu
hataların fiziksel nedenleri Tablo 1’de açıklanmıştır ve
Şekil 1’de gösterilmiştir [2].
Lazer kaynak işlemlerinde, lazer kaynağın yüksek
dinamikler ile çalışıyor olmasından ve otomasyonundan
kaynaklanan hatalara ek olarak; işleme alanın küçük
olması, modelleme zorlukları, kaynak parametrelerinin
iyi ayarlanmamasından dolayı birçok kaynak hatası
gözlemlenebilir. Bu hataları gidermek için yapılan
deneysel çalışmalar, farklı malzeme ve koşullardaki lazer
kaynağı uygulamaları için ortak bir çözüm üretmede
yetersiz kalmaktadır. Sonuç olarak lazer kaynak işlemi
ve görülen hataların nedeni yeterince anlaşılamamakta
veya yeterli hassasiyet ile modellenememektedir.
Lazer kaynağı işleminin modellenmesinin zorluğu,
lazer ışının küçük çapından dolayı yüksek kontur takip
hassasiyeti gereksinimi ve parametrelerin malzeme
özelliklerine göre değişmesi nedenlerinden dolayı,
kaynak
parametrelerinin
ayarlanması
önemlidir.
Endüstride bu hataların giderilmesi ve parametre seçimi
için kaynak dikiş yeri izleme sistemleri geniş ölçüde
kullanılmakta. Fakat karmaşık geometrideki dikiş
yörüngeleri, dikiş yerlerindeki boşluk değişkenliği gibi
çözülmemiş problemler mevcuttur. Bu belirsizlikler ve
yüksek kaynak hızlarından ötürü bahsi geçen kaynak
hatalarını gidermek için gerçek zamanlı denetlenen bir
lazer kaynağı işlemi oluşturulması nispeten zor bir
uygulamadır [3,4]. Dolayısı ile lazer kaynağı
uygulamalarında kırılma, çatlama ve yırtılma gibi olası
kaynak hatalarını önlemek ve kaynak işlemini kontrol
edebilmek için gerçek zamanlı olmayan ön işlem
uygulaması gerekmektedir [5].
Bu bildiride sunulan çalışmanın amacı bahsi geçen
hataların en aza indirilmesi için lazer kaynağı otomasyon
sisteminin iyileştirilmesidir. Bunun için programlanan
yörüngenin, cihaz çalıştırılarak, parça üzerinden 2
boyutlu görüntü işleme tekniği alınan verisinin işlenecek
parçanın BDT çıktısı ile karşılaştırmasını yapan ve CNC
makina üzerinde istenilen yörünge doğrultusunda
düzeltmeleri işleyen teknik geliştirilmiştir. Görüntü
işleme teknikleri Matlab ortamında geliştirilerek
LAZERTEK firmasına ait CNC makinası ile
haberleşecek
şekilde
sistem
entegrasyonu
gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen algoritma ve teknik,
endüstriyel tipte CCD (charge coupled device) kamera ve
LAZERTEK firmasında ait 3 eksenli 1kW fiber lazer
kaynak makinası üzerinde deneysel olarak sınanmıştır.
İleriki bölümlerde lazer kaynak hataları ve bu hataların
görüntülenme yöntemlerine ait geçmişte yapılan
çalışmalar verilmiştir. Ardından geliştirilen önişlem ile
görüntü işleme teknikleri ve lazer kaynağı makinası ile
Fiziksel açıklaması
Kaynak
yapılırken
kaynak
dikişin
Gözenekler
içerisinden çıkamayıp sıkışan gazların
(gaz kabarcıkları)
oluşturdukları boşluklardır.
Ergimiş metalin katılaşması esnasında
Fışkırma
çıkan gazların oluşturduğu kraterlerdir.
Sıcak çatlaklar dikiş bölgesinde katılaşma
sırasında meydana gelmektedir. Soğuk
Çatlaklar
çatlak ise kaynak sonrasında özellikle ısıl
(sıcak/soğuk)
işleme maruz kalmış bölgede meydana
gelebilir.
Özellikle keskin köşeli geometrilerde
Boşluk
katılaşma sırasındaki yabancı maddelerin
mevcudiyeti sonucu meydana gelir.
Bindirme
Kaynak hızının, gücünün ve boşluğunun iyi
dikişlerde levha
ayarlanmaması sonucunda, üst dikiş
kenarlarının erimesi
bölgesine yeterli miktarda malzeme
(Undercut)
olmamasından kaynaklanır.
Oksitlenme, gaz koruması, cüruf kalıntısı,
Nüfuziyet eksikliği
lazer gücüne bağlı olarak meydana gelebilir
Üst dikiş bölgesinde fazla malzeme
Kaynak dikişinin
bulunmasından
genellikle
kaynak
taşması
boşluğundaki
oynamalardan
kaynaklanmaktadır.
TABLO 1. Kaynak hataları ve fiziksel açıklamaları [2]
Hata
2
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
kullanımı ile gerçekleştirilebilir. Lazer güç ünitesi ve
lazer kafa üreticileri hem foto-diyot hem de kamera ile
uyumlu çalışabilecek muayene sistemleri geliştirmiştir.
Bunlardan bazıları olan Weldwatcher [11] Fraunhofer
ILT [12] ve Precitec [13] firmalarıdır. Ayrıca literatürde
iki yönteme de örnek olarak kamera ve foto-diyotlar ile
kullanılabilecek bir algılayıcı işleme yöntemi geliştirmiş
[14] ve lazer nokta (punta) kaynak için uyabilen
(adaptive) denetim yöntemi önermişlerdir.
Görüntü işleme ile yapılan uygulamalara örnek olarak
gaz boru hattı kaynaklanması sırasında çatlakları
saptayan bir görüntü işleme algoritması [15] ve başka bir
lazer tabanlı görüntü sistemi ve üçgenleme (triangulation)
yöntemi ile kaynak profilinin gözlemlendiği uygulama
[16] verilebilir.
Lazer kaynak işlemi öncesinde ön işlem denetimli
olası kaynak hatalarının görüntülenmesi [17] numaralı
kaynakta anlatıldığı üzere iki farklı yöntem halinde
geliştirilmiştir. Bu çalışmada ön işlem ile olası kaynak
hatalarının tahmin edilmesinin yanında işlem sonrasında
hataların gözlemlenmesi göz önüne alınmıştır.
Kaynak parçalarının birleştirme başlangıç pozisyonun
tanımlanması uygulaması endüstriyel uygulamalar ile
[18,19,20] numaralı kaynaklarda bahsedildiği şekilde
ilerletilmiştir.
Çalışmalarda
kaynak
birleşme
yörüngesinin ayarlanması için görüntü işleme ile çalışan
algoritmalar geliştirilmiş fakat deneysel olarak
alüminyum veya parlatılmış metal gibi yüksek kontrastlı
malzemeler üzerinde basit yörüngeler için denemeler
yapılmıştır. Ayrıca bu çalışmaların sonuçlarındaki hatalar
piksel temelli olarak verilmiş, fiziksel ölçümler için
gerekli ayarlama (calibration) ve görüntü ile gerçek
dünya eşleşmesi yapılmamıştır.
Neto ve Mendes [21] tarafından çevrimdışı robot
programlama yöntemi ile BDT çizimlerini kullanarak
gerçek dünyadaki robotun görev uzayı koordinatlarını,
sanal olarak görüntü işleme koordinatları ile eşleştiren bir
algoritma
yaratılmıştır.
Çalışmalarında
hareket
koordinatları bilgileri otomatik olarak BDT çizimlerinden
çıkarılmakta ve sanal koordinatlar gerçek dünya
koordinatları ile eşleştirilmektedir.
Şekil. 1. Kaynak hatalarının şekilsel gösterimleri [2]
B. Kaynak Hataların Gözlenmesi
Lazer kaynağı işleminde kaynak hatalarından
kaçınmak için kaynak parametrelerinin ayarlanması en
kritik noktadır. Bu parametrelerin ayarlanması için
malzeme tipinin ve kalınlığının bilinmesi yeterli
kalmamaktadır. Lazer kaynağı sistemin modellenmesi de
bir hayli zor olduğundan kaynak işleminin gerçek
zamanlı veya işlem öncesinde ve sonrasındaki
aşamalarda gözlemlenmesi ile kaynak parametrelerinin
doğru ayarlanması sağlanabilir. Son on yılda bu hataların
giderilmesi için, lazer kaynağının gözlemlenmesi ve
muayenesinde kullanılan tekniklerin sayısı karmaşık
sinyal işleme teknikleri içeren optik, görüntü, akustik ve
termal algılama teknikleri ile artmıştır [6]. Görüntü
sistemleri ile yeni algoritmaların geliştirilmesi kaynak
işlemi ardından kaynak kalitesinin ve kaynak hatalarının
saptanması sağlamıştır. Kaynak profilinin gözlemlenmesi
ile dikiş boyunca çatlak, taşma, birleştirilen parçaların
hatalı hizalanması ve kaynak boşlukları gibi kaynak
hatalarını gözlemlemek mümkündür [7].
Foto-diyot tabanlı, yayılan radyasyonun elektrik
sinyallerine çevrilip kaynak kalitesinin ölçüldüğü
sistemlerin geliştirilmesinin ardından [8,3]; birçok Fotodiyot tabanlı sistemler kapalı-çevirim denetim ile lazer
gücünün ayarlanmasında [9] ve kaynak parçalarının
yanlış hizalanmasının tespiti [10] gibi uygulamalarda
kullanılmaya başlamıştır.
Anahtar deliğinin (kılavuz çukur / keyhole) ve kaynak
havuzu görüntülenmesi CCD veya CMOS kamera
II. Görüntü Tabanlı Ön-İşleme Tekniği
Bu bildiride sunulan çalışmanın kapsamında, görüntü
temelli kaynak çizgisi düzeltme algoritması geliştirilerek
kaynak yapılacak çizginin konumu belirlenmiştir.
Uygulanan teknikte, CNC sistemi ve makine
görüntüleme sistemi olarak iki ana sistem kullanılmıştır.
Bu sistemlerin entegrasyonu için görüntü işleme
algoritması ve CNC ana döngü mantığı kullanılarak,
işlem sırasında lazer ışınının kaynağı yapılacak parça
üzerindeki
konumu
hesaplanmıştır.
Tekniğin
uygulanması sonucunda hesaplanan düzeltmeler, CNC
programının bulunduğu dosya altına depolanarak mevcut
CNC programı üzerinde herhangi bir değişikliğe gerek
kalmadan uygulanmıştır.
3
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Görüntü tabanlı denetim algoritması; sistemler
arasında bilgi paylaşımı, işlenen parçanın kaynak
birleşme denetim noktalarının (başlangıç ve bitiş
noktaları) cihazın kaynak kafasından üretilen lazer spot
ışını takibi ile çıkarımında kullanılmaktadır. Görüntü
tabanlı denetim algoritması Şekil 2’de gösterilen
yöntemin akış şemasında belirtildiği gibi 3 belirgin
noktada etkinleştirilmektedir. Bu noktalar:
1. Lazer spot konumu çıkarımı
2. Kaynak yörüngesinin başlangıç koordinatlarının
makina koordinatlarına göre belirlenmesi
3. BDT bilgisinden ve görüntü üzerinden bitiş
koordinatlarının eşleştirilmesi
(1): Görüntü sisteminde kamera ayarı (calibration)
gerçekleştirildikten sonraki ilk adımda lazer spot konumu
kırmızı renkte daire algılama algoritması ile
çıkarılmaktadır. Lazer spot merkezinin tespiti, makina ve
görüntü koordinatları ölçümlerinin değerlendirilmesi için
kritik noktadır. Algılama algoritmasında, kameradan
elde edilen RGB görüntüsü kırmızı renkteki ilgili
bölgelerin seçilmesinin ardından ikili sisteme (binary)
çevrilir. Sonrasında şekil algılama algoritması ile lazer
spot bölgesine denk gelen pikseller çıkarılır. Lazer spotu
işlenen parçanın yüzey kalitesine bağlı olarak tam daire
şeklinde algılanamamakta ve bu yüzden malzeme
üzerinde lazer spotunun merkezi bölgesel tabanlı
algılama ile belirlenmektedir. Belirlenen merkez noktası
kamera görüntüsünde sabit bir noktaya denk gelmektedir.
Ayarı yapılmış ve makina üzerine sabitlenmiş kamera ile
elde edilen görüntüden lazer spotunun merkezi bir kere
çıkarıldığında, bu nokta aynı malzeme ile yapılacak
ileriki ölçümlerde kullanılabilir.
(2): CNC makinasından çekilen başlangıç koordinatı,
bir önceki adımda görüntü işleme ile bulunan lazer spotu
koordinatları arasındaki bağıntı kurmak için kullanılır.
Başlangıç olarak, görüntüdeki çarpıtmalar (distortions)
izdüşümsel dönüşüm matrisi (projective transformation
matrix) ile düzeltilmektedir [22]. Dönüşüm görüntü
üzerinde uygulveıktan sonra, başlangıç için denetim
noktası seçimi ekranı başlatılır. Kaynak dikiş
yörüngesinin başlangıç noktası bu ekran üzerinde manuel
olarak geliştirilmiş nokta seçici aracı ile seçilir. Söz
konusu seçim otomatik olarak da gerçekleştirilebilir,
ancak sabit ışık kaynağı bulunmadığı durumlarda
otomatik olarak seçim algoritmaları yeterli hassasiyet ile
çalışamamaktadır. Sonuç olarak, genel olarak endüstriyel
uygulama yeri şartlarında sabit ve devamlı ışık kaynağı
bulunmadığı için manuel olarak denetim noktalarının
seçilmesi gerektiğine karar verilmiştir.
Şekil. 2. Ön işleme tekniği akış şeması
Kaynak dikiş yörüngesinin başlangıç noktasının
seçimi ardından, hareketin ilk noktası için bir başlangıç
noktası öteleme değerleri hesaplanır. Hesaplanan öteleme
değerleri X-Y eksenlerinde g-kodu altprogramı (G54
kodu) üzerinden CNC makinasına yüklenir. Başlangıç
noktası eşleşmesi ardından, CNC makinasına bilgisayardestekli-üretim (BDÜ) çıktısından yüklenen CNC
programı çalıştırılır ve makinanın bitiş pozisyonunda bir
sonraki adıma geçilir.
4
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
(3): Bitiş pozisyonu eşleştirmesi, CNC programındaki
bitiş noktası koordinatları ve görüntüden elde edilen
ölçümler ile yapılmaktadır. Önceden bulunan lazer spot
merkezi tekrar görüntü üzerinde makina koordinatlarını
bulmakta kullanılır. Ardından denetim noktası seçimi,
ekranından bitiş noktasının görüntüsü üzerinden
tekrarlanır. Böylece görüntü üzerinde sabit olan lazer
spotu merkezi ile seçilen bitiş noktası arasındaki uzaklık
hesaplanır ve kamera ayar değeri kullanılarak stveart
uzunluk birimine (mm) çevrilir. 2. ve 3. aşamalarda
hesaplanan noktalar, istenilen kaynak dikiş yörüngesinin
tahmini açısal dönüşümü ve ölçeklendirilmesinde
kullanılır. Görüntü tabanlı denetim algoritmasının
sonunda CNC makinasına altprogram olarak başlangıç
noktası ötelemesi (G54 kodu ile), yörüngenin açısal
dönüşümü (G51 kodu ile) ve ölçeklendirme (G50 kodu
ile) parametreleri yüklenir.
Makina çalışma alanına rastgele konulan bir parça
için, kaynak dikiş geometrisi düzeltme testlerinde,
kullanılan yöntem Şekil 3’te açıklanmıştır. Testler
sırasında, kaynağın başlangıç ve bitiş noktaları, görüntü
işleme algoritması ile önceden görüntü üzerinde konum
ayarı yapılmış, lazer spotu konumuna göre
hesaplanmıştır. Başlangıç görüntü karesinde yer alan
lazer spotu ve kaynak başlangıç noktası pozisyonu
(X0,Y0) görüntü bankasında tutulmuştur. Bitiş görüntü
karesini yakalamak amacıyla kaynak dikişinin bitiş
konumu (X1,Y1) ile lazer spotunun aynı kare içerisinde
kalması koşulu sağlanarak, CNC ile makina eksenleri
programlanan
yörüngenin
takip
edilmesi
için
sürülmüştür. Hedeflenen kaynak çizgisi için yakalanan
iki görüntü karesi aynı vea işlenerek hedeflenen kaynak
çizgisi bitiş pozisyonu (X2,Y2) için mevcut CNC
programında yapılması gereken düzeltme için gereken
parametreler hesaplanmıştır. Parametreler CNC ana
döngü mantığında girilerek düzeltmeler uygulanmıştır
Şekil. 3. Başlangıç ve bitiş noktalarında görüntü işleme adımları
bölgesine bakan kamera ile bu bölge içindeki kamera
ayarı (kalibrasyon) deseni gösterilmektedir.
III. Deneysel Test Düzeneği
Deneyler LAZERTEK firmasında gerçekleştirilmiş ve
deneyler sırasında kullanılan şirkete ait donanımlar ve
İYTE Robotik Laboratuvarına (IRL) ait yazılımlar tablo
2’de listelenmiştir. Görüntü işleme algoritmaları Matlab
ortamında Computer Vision Toolbox ile masaüstü
bilgisayarında yürütülmüştür. Geliştirilen yöntem
endüstriyel PC tabanlı 3 eksenli CNC makinasında
denenmiştir. CNC makinası denetimi BDÜ tabanlı
DeskCNC yazılımı ile gerçekleştirilmiştir.
Testler sırasında çalışma alanında bulunan insanmakine arayüzü (HMI), lazer kafaya sabitlenmiş kaynak
bölgesine bakan kamera, 3 eksenli CNC makinası ve
görüntü tabanlı denetim algoritmasının çalıştığı
bilgisayar Şekil 4’te gösterilmiştir. Şekilde ayrıca kaynak
Donanım
(LAZERTEK)
Endüstiriyel Bilgisayar
(Power Automation)
CCD Kamera (Görüntüleme
cihazı)
Yazılım
(IRL & LAZERTEK)
MATLAB© 2013b (Computer
Vision Toolbox) (IRL)
DeskCNC
(LAZERTEK)
Fiber Lazer Güç ünitesi (IPG)
Kaynak Kafası (Precitec)
TABLO. 2. Uygulamada kullanılan donanım ve yazılım listesi
5
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Şekil. 4. Deney düzeneği
Testlerde görüntü kaynağı olarak DFK 23U618 kodlu
640x480 renkli çözünürlüğe sahip CCD kamera
kullanılmıştır. Kullanılan kamera ölçümler sırasında
işlenen parçadan 350 mm uzaklıktan 45x45 mm2 bir alanı
görüntüleyecek şekilde lazer kaynağı kafasına
sabitlenmiştir. Daha yüksek hassasiyetli ölçümler için
kamera sabitlenmiş durumda iken Matlab ortamında
hazırlanan
kamera
ayarı
yazılımı
ile
ayarı
gerçekleştirilmiştir. İşleme alanı 12 mm’lik lens ile
görüntülenmiştir.
CNC makinası, sistemler arasında iki yönlü iletişimi
yüksek hızlı mikroişlemcilere sahip endüstiyel bilgisayar
denetlenmektedir. Lazer güç ünitesi, kaynak sinyalleri,
acil durum sinyalleri aynı CNC sistemi üzerinde Şekil
5’te belirtildiği gibi toplanmıştır. Lazer kaynak işlemi
sırasında insan-makina arayüzü operatörün kaynak
parametrelerini ayarlaması ve lazer ünitesine giden
sinyalleri denetlenmesi için kullanılmaktadır. CNC
sisteminin dışında görüntü tabanlı denetim algoritması
bağımsız olarak çalışmaktadır.
meydana gelen hata oluşma sıklığı ile belirtilmiştir.
Sistemin performansını belirlemek için, lazer spotunun
etkin çap değeri, pikseller için kamera ayarında bulunan
mm karşılığı kullanılarak hesaplanmıştır. Kamera ayarı
sırasında hesaplanan ölçüm hassasiyetine uygun olarak
yapılan ölçümler için 0.3 mm sapma güvenlik aralığında
(confidence interval) kabul edilmiştir.
IV. Deneysel Testler
Uygulamada
izleme
ve
denetim
tekniğinin
performansı düz ve eğri kaynak çizgileri için farklı iki
kalınlıktaki soğuk haddelenmiş çelik ve paslanmaz çelik
malzemeleri üzerinde yapılan deneysel testler ile
değerlendirilmiştir. Test sonuçları paslanmaz çelik sac
üzerinde doğrusal ve eğimli kaynak dikiş yörüngeleri için
30’ar deneme sonucunda elde edilmiştir.
Görüntü tabanlı denetim algoritması ile yapılan test
ölçümlerini doğrulmak için gerçek yörünge sapma
değerleri
CNC
makinası
üzerindeki
konum
algılayıcılardan (encoder)
alınan değerler referans
alınarak
hesaplanmıştır.
Sistemin
hassasiyetini
hesaplayabilmek için görüntü işleme sistemi ile elde
edilen
ölçümler
makina
koordinatları
ile
karşılaştırılmıştır. Sonuçlarda sistemin hassasiyeti
Şekil. 5. CNC sistemi şeması
Doğrusal ve eğimli kaynak dikiş yörüngesi testleri için
400 mm uzunluğunda saclar makina çalışma alanına
rastgele konumda ancak başlangıç ve bitiş noktaları
kamera görüntüsü içinde kalacak şekilde yerleştirilmiştir.
Başlangıç ve bitiş noktaları ötelemeleri ve yörüngenin
açısal dönüşümü görüntüden elde edilen başlangıç ve
bitiş noktası konumu ve makine koordinatlarında lazer
spot merkezine göre X ve Y eksenlerinden
hesaplanmıştır. Şekil 6 ve 7’de başlangıç ve bitiş
6
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
noktalarının saptanmasında yapılan hatalar verilmiştir.
Her nokta için 15 farklı parça yerleşiminde ölçüm
alınmıştır.
Eğimli yörünge için başlangıç ve bitiş pozisyonu
saptamaları testleri sonuçları X ve Y eksenlerinde Şekil 9
ve 10’da gösterilmiştir.
Şekil. 6. Doğrusal yörünge için X (mavi çizgi) ve Y (kırmızı çizgi)
eksenlerindeki başlangıç konumu saptama hatası
Şekil. 9. Eğimli yörünge için X (mavi çizgi) ve Y (kırmızı çizgi)
eksenlerindeki başlangıç konumu saptama hatası
Şekil. 10. Eğimli yörünge için X (mavi çizgi) ve Y (kırmızı çizgi)
eksenlerindeki başlangıç konumu saptama hatası
Şekil. 7. Doğrusal yörünge için X (mavi çizgi) ve Y (kırmızı çizgi)
eksenlerindeki başlangıç konumu saptama hatası
Eğimli yörünge için başlangıç ve bitiş noktaları
saptanmasındaki hataların dağılımı Şekil 11’de
verilmiştir. Sonuç olarak 60 denemeden 52 saptama
(%86,66) kabul edilebilir 0,3 millimetere sapma
içerisinde kalmıştır.
Başlangıç ve bitiş noktaları saptanmasındaki hataların
dağılımı Şekil 8’de verilmiştir. Sonuç olarak, her nokta
için her eksende toplam 60 denemede 57 adedi verilen
sapma aralığı olan 0,3 mm içinde kalmıştır. Bu durumda
saptama doğruluğu %95 olarak elde edilmiştir.
Şekil. 11. Eğimli yörünge için sapma değerleri
Şekil. 8. Doğrusal yörünge için sapma değerleri
7
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Ölçümlerdeki ortalama hata doğrusal ve eğri dikiş
denemeleri için X ve Y eksenlerindeki ölçüm
sapmalarına göre
±0,22 mm olarak bulunmuştur.
Ölçümler sonunda yapılan hesaplara göre, sistem
hassasiyeti lazer ışını çapı gözetilerek 600 µm olarak
seçilmiştir.
Paslanmaz çelik için yapılan denemelere ek olarak
doğrusal ve eğri dikiş yörüngeleri için soğuk
haddelenmiş çelik sac üzerinde de testler yapılmıştır.
İstatiksel yaklaşım ile iki tip malzeme ve yörünge takibi
için hassasiyet değerleri hesaplanmış ve %95 güvenlik
aralığı içinde ortalama değerleri ile tekrarlanabilirlik
değerleri Tablo 3’te verilmiştir.
Deney
Deney
sayısı
(adet)
Hataların
ortalaması
(mm)
%95
güvenlik
aralığı
(mm)
Tekrarla
nabilirlik
(mm)
Doğrusal
Yörünge haddelenm
iş çelik
60
0,2195
0,18560,2533
0,1339
Doğrusal
Yörünge Paslanmaz
Çelik
60
0,2056
0,17630,2350
Eğimli
YörüngeHaddelenm
iş Çelik
60
0,2282
0,19310,2633
0,1386
Eğimli
YörüngePaslanmaz
Çelik
60
0,2236
0,17770,2695
0,1282
gerçek dünya koordinatlarına çevirmekte kullanılmıştır.
Sistemlerin iki yönlü olarak haberleşmesi sağlanarak,
geliştirilen algoritma içinde yaratılan yörünge
düzeltmelerinin CNC sistemi içine görüntü sisteminden
yüklenebilmesi sağlanmıştır.
Deneysel testler LAZERTEK firmasında, firmaya ait
CNC makina üzerinde gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen
kodun sistemler arasında uygulaması tüm sistemler
testlerinden önce yapılmıştır. İzleme ve kontrol
tekniğinin performansı düz ve eğri kaynak çizgileri için
farklı iki kalınlıktaki, soğuk haddelenmiş çelik ve
paslanmaz çelik malzemeleri üzerinde yapılan deneysel
testler sonucunda hesaplanmıştır ve bu bildiride sonuçlar
verilmiştir. Deneyler sonucunda önerilen lazer spot çapı
ile kıyaslveığında, uygulanan teknik kabul edilebilir
değerlerde çıkmıştır.
Test sonuçları doğrultusunda geliştirilen ön-işleme
tekniğinin başlangıç ve bitiş konumu saptama hassasiyeti
farklı malzemeler için %85 ve %95 aralığında
bulunmuştur. Başlangıç ve bitiş noktasındaki hassasiyet
ölçümündeki değişimler büyük ölçüde aydınlatma
yetersizliğinden kaynaklanmaktadır. Deneylerin yapıldığı
endüstriyel ortamda sabit ve devamlı bir ışık kaynağı ile
görüntü işleme aşamaları gerçekleştirilemediği için lazer
spot merkezi saptanmasında ölçüm hataları oluşmuştur.
Ek olarak 1 mm’den daha az kalınlıktaki malzemelerin
lazer kaynağı ile birleştirilmesinde kullanılan lazer ışını
çapı düşük olduğu için daha iyi ölçüm hassasiyetleri
gerekmektedir. 400 mikron çaplı lazer ışını uygulamaları
için, tekniğin hassasiyeti %58-70 aralığına düşmektedir.
Gelecek çalışmalar için stereo görüntü yakalama
tekniği ile yörünge teşhisinin 3 boyutlu hale getirilmesi
planlanmaktadır. Daha yüksek hassasiyet için ise eşmerkezli olarak yerleştirelecek kamera sistemlerin
kullanılması, ayrıca işlem sırasında anahtar deliği
performansı görüntülenmesi mümkündür. İleride CNC
proglama dilinden bağımsız, önerilen teknik ile
çalışabilecek konum komutları oluşturan arayüz veya
görsel eklenti yapılması planlanmaktadır.
0,1159
TABLO. 3. Deney ölçümlerinin istatiksel sonuçları
V. Sonuçlar
Bu bildiride sunulan çalışmanın amacı görüntü tabanlı
algoritmalar kullanarak CNC makinasına entegre
edilebilir bir kaynak dikiş yörüngesi düzeltme sistemi
oluşturmaktır. Bu çalışma endüstriyel lazer kaynak
uygulmalarında olası kaynak hatalarının giderilmesi için
önem taşımaktadır.
Bildiride olası kaynak hataları ve bu hataları
görüntüleme yönetmleri tartışılmış ve sistemler için
önemli lazer parametreleri anlatılmıştır. Literatür
araştırması sonucu olarak kaynak işlemi sırasındaki
uygulanan gerçek zamanlı görüntüleme teknikliklerinin
yüksek hızlı uygulamalarda yetersiz kaldığı görülmüş,
ön-işlem yöntemleri ile lazer parametrelerinin
iyileştirilmesi ve dolayısı ile kaynak hatalarının
azaltılabileceği gösterilmiştir.
Geliştirilen görüntü tabanlı ön-işlem tekniği için
çalışılan sistem, CNC sistemi ve görüntü sistemi olarak
iki ana sisteme ayrılmıştır. Çalışmada ayarı yapılmış
CCD kamera, lazer spotunu çalışma alanını
görüntülenmekte ve elde edilen görüntü koordinatlarını
Kaynakça
[1] Timings, R. Fabrication ve Welding Engineering. Elselvier,
Englve, 2008.
[2] Kannatey-Asibu Jr, E. 2009. Principles of laser materials
processing. John Wiley & Sons, Vol. 4.
[3] Sun, A. ve Kannatey-Asibu, E. Monitoring of laser weld
penetration using sensor fusion. Journal of Laser Applications, Vol.
14 (2),21-114, 2002.
[4] Bad'yanov, B. N. ve Elizarov, A. A. Application of the step by step
approximation method for the computer control of laser welding
processes. Measurement Techniques, 46 (2), 5-162. 2003.
[5] Na, X., Zhang, Y. M., Liu, Y. S. ve Walcott, B. 2010. Nonlinear
Identification of Laser Welding Process. IEEE Transactions on
Control Systems Technology, Vol. 18, pp. 927-934.
[6] Shao J. ve Yan Y. Review of techniques for on-line monitoring ve
inspection of laser welding. University of Kent at Canterbuty,
In Journal of Physics: Conference Series, 15 (1), 2005.
[7] Jeng, J. Y., Mau, T. F. ve Leu, S. M. Gap inspection ve alignment
using a vision technique for laser butt joint welding.International
8
Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Journal of Advanced Manufacturing Technology, 16, ,212–216,
2000
[8] Tönshoff , H. K., Ostendorf, A., Guttler, R. ve Specker, W. 1998.
“Online monitoring ve closed-loop control of laser welding
processes”, In 12th International Symposium for Electromachining
(ISEM), Vol. 11-13, No. 1405 pp. 603-612, Aachen, Germany.
[9] Bagger, C. ve Olsen, F. O. Laser welding closed-loop power
control. Journal of Laser Applications. 15 (1), 19-24, 2003.
[10] Sveers, P. G., Keske, J. S., Leong, K. H. ve Kornecki, G. Real-time
monitoring of laser beam welding using infrared weld emissions.
Journal of Laser Applications. 10, 11-205, 1998.
[11] Postma, S., Aarts, R. G. K. M., Meijer, J. ve Jonker, J. B. 2002.
“Penetration control in laser welding of sheet metal”, Journal of
Laser Applications, Vol. 14, No. 4, pp. 210-214.
[12] Petereit, J., Abels, P., Kaierle, S., Kratzsch, C. ve Kreutz, E.W.
“Failure recognition ve online process control in laser beam
welding”, ICALEO, 21st International Congress on Applications of
Lasers ve Electro-Optics,4, 9-2501, 2002.
[13] Kogel-Hollacher, M., Nicolay, T., Kattwinkel, A., Muller, M. G. ve
Muller, J. On-line process monitoring in laser material processingtechniques for the industrial environment. PICALO 2004, LMPSC, pp. 1-4.
[14] Kawahito, Y., ve Katayama, S. In-process monitoring ve adaptive
control for stable production of sound welds in laser microspot lap
welding of aluminum alloy. Journal of Laser Applications, 17(1),
30-37, 2005.
[15] Shafeek, H. I., Gadelmawla, E. S., Abdel-Shafy, A. A. ve Elewa, I.
W. Automatic inspection of gas pipeline welding defects using an
expert vision system. NDT&E International, 37, 301-307, 2004.
[16] Huang, W. ve Kovacevic, R. A laser-based vision system for
welding quality inspection. Open Access Journal Platform, Sensors,
11, 506-521, 2011.
[17] Kessler, B. Online quality control in high power laser welding.
White paper, Precitec KG, Germany, 2003.
[18] Zhu, Z. Y., Lin, T., Piao, Y. J. ve Chen, S. B. Recognition of the
Inıtial Position of the Weld based on the image pattern match
technology for welding robot. International Journal of Advanced
Manufacturing Technology, 26, 784–788. 2005.
[19] Kong, M., Shi, F. H., Chen S. B. ve Lin, T. Recognition of the
Inıtial Position of the Weld based on the corner detection for
welding robot in global environment. Robot. Weld, Intellige. &
Automation, LNCIS 362, 249–255, 2007.
[20] Shi, F., Zhou, L., Lin, T. ve Chen, S. Efficient Weld Seam
Detection for Robotic Welding from a single Image. Robot. Weld,
Intelligence & Automation, LNCIS, 362, 289–294. 2007.
[21] Neto, P., ve Mendes, N. Direct off-line robot programming via a
common CAD package. Robotics ve Autonomous Systems, 61(8),
896-910, 2013.
[22] Banerjee, S. 2008. “Projective geometry, camera models ve
calibration”, Lecture notes of Indian Institute of Technology Delhi
9