KR100228226B1 - Laser scanning device for 3-d shape detection - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제철소, 화력발전소 등의 원료 야적장의 원료 파일 등과 같이 원거리에 위치하며 거대한 형상을 가진 대상물의 3차원 형상을 검출하는데 이용되는 3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치에 관한 것으로, 제철소 원료 야적장의 원료 파일과 같이 거대한 피검출물의 3차원 형상을 검출하기 위한 3차원 형상 검출기의 레이저 광선 주사장치에 있어서, 지지판을 관통하여 설치된 수평 회전축과, 상기 수평 회전축의 상부에 설치된 지지대에 조립 설치되는 레이저 센서와, 상기 지지대의 일측에 설치되고 수직 스텝모터에 연결된 수직 회전축과, 상기 지지대의 타측에 설치된 수직 엔코더와, 수평 스텝모터와 상기 수평 회전축에 각각 연결되고 수평 구동벨트가 체결된 각각의 수평 구동 풀리와, 상기 수평 회전축에 결합된 수평 측정 풀리와 수평 측정벨트로 연결된 또다른 수평 측정 풀리가 연결된 수평 엔코더를 포함하여 구성되어, 회전 거울을 이용한 종래의 주사방식보다 간편하고, 경제적인 소형의 장치를 구성함으로써, 측정의 정밀도를 높일 수 있고 단순한 기구의 구성으로 인해 가혹한 옥외 환경에서 보다 용이하게 유지, 보수하는 것이 가능해지는 효과가 있다.The present invention relates to a three-dimensional shape laser beam scanning apparatus for detecting a three-dimensional shape of an object having a large shape, such as a raw material pile of a raw material yard such as a steel mill and a thermal power plant. A laser beam scanning apparatus of a three-dimensional shape detector for detecting a three-dimensional shape of a large to-be-detected object, such as a raw material file, comprising: a horizontal rotating shaft provided through a support plate and a laser assembled to a support provided on an upper portion of the horizontal rotating shaft A horizontal drive connected to a sensor, a vertical rotation shaft installed at one side of the support and connected to a vertical step motor, a vertical encoder installed at the other side of the support, a horizontal step motor and the horizontal rotation shaft, and a horizontal drive belt fastened respectively. A pulley and a horizontal measuring pulley coupled to the horizontal axis of rotation and a horizontal side It consists of a horizontal encoder connected to another horizontal measuring pulley connected by a fixed belt, which is simpler and more economical than a conventional scanning method using a rotating mirror, thereby increasing the accuracy of the measurement. The configuration has the effect of making it easier to maintain and repair in harsh outdoor environments.

Description

3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치Laser beam scanning device for 3D shape detection

본 발명은 제철소, 화력발전소 등의 원료 야적장의 원료 파일 등과 같이 원거리에 위치하며 거대한 형상을 가진 대상물의 3차원 형상을 검출하는데 이용되는 3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser beam scanning device for three-dimensional shape detection, which is used to detect a three-dimensional shape of an object having a large shape and located at a long distance such as a raw material pile of a raw material yard such as a steel mill or a thermal power plant.

기존에 널리 이용되는 3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사방식은 회전거울을 이용하는 방식이다.Conventionally widely used laser beam scanning for three-dimensional shape detection is a method using a rotating mirror.

즉, 레이저 광선을 45。로 기울어진 회전 거울을 이용하여 방사 방향으로 주사시키고 주사된 각위치와 검출된 거리정보로 2차원의 정보를 만들고, 이 레이저 광원과 회전 거울로 구성된 주사장치를 회전 거울의 방향의 직각 방향으로 통째로 회전시켜서 그 회전 각위치를 직전의 2차원 정보에 첨가하여 3차원의 형상정보를 얻는다.That is, the laser beam is scanned in the radial direction using a rotating mirror tilted at 45 °, and two-dimensional information is generated from the scanned angular position and the detected distance information, and the scanning device composed of the laser light source and the rotating mirror is rotated. It rotates as a whole in the direction orthogonal to the direction of, and adds the rotation angle position to the immediately preceding two-dimensional information to obtain three-dimensional shape information.

그러나, 회전 거울을 이용하는 상기와 같은 주사방식은 레이저 광선이 거울에 반사될 때 그 강도가 약화될 수 있어서 노이즈 등에 취약한 점이 있어서 레이저 광원으로부터 직접 레이저 광선이 주사되는 것에 비해 20∼500m 정도의 장거리 물체의 검출에서는 상대적으로 취약하다.However, such a scanning method using a rotating mirror has a weak point when the laser beam is reflected on the mirror, and thus has a weak point such as noise, so that a long-distance object of about 20 to 500 m is compared with that of the laser beam directly scanned from the laser light source. It is relatively vulnerable in the detection of.

또한, 상기의 종래 방식에서는 회전 거울을 포함한 주사장치를 회전시켜야 하는데 이것은 장치 구성상 회전부의 관성부하가 커서 구동 모터의 용량의 측면이나 기구 정밀도 유지 측면에서 경제성이 떨어진다.In addition, in the conventional method, the scanning device including the rotating mirror has to be rotated, which is inferior in economical efficiency in terms of capacity of the driving motor and maintenance of instrument accuracy due to the large inertia load of the rotating part.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 옥외에서 원거리에 위치한 대상물의 3차원 형상 검출에 이용하기 위하여 기존의 회전 거울에 의한 주사 방식을 배제하고 레이저 광선의 직접 주사를 통해 원거리의 대상물에 대하여도 형상의 검출이 가능하고, 장치를 소형화함으로써 측정의 정밀도를 향상시키고 유지, 보수를 용이하게 할 수 있도록 한 3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치를 제공함을 그 목적으로 한다.The present invention has been invented to solve the conventional problems as described above, in order to use the three-dimensional shape detection of the object located at a long distance in the outdoors by excluding the conventional scanning method by the rotating mirror through direct scanning of the laser beam It is an object of the present invention to provide a three-dimensional shape detection laser beam scanning device capable of detecting a shape even for a remote object and miniaturizing the device to improve measurement accuracy and to facilitate maintenance and repair.

도 1은 본 발명 3 차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치의 사시도.1 is a perspective view of a laser beam scanning device for detecting a three-dimensional shape of the present invention.

<도면의 주요부호에 대한 설명><Description of Major Symbols in Drawing>

1: 지지판 2: 레이저 센서1: support plate 2: laser sensor

3: 수평 엔코더 4: 수평 스텝모터3: horizontal encoder 4: horizontal step motor

5: 수평 스텝모터 회전축 6, 6′: 수평 구동 풀리5: horizontal step motor axis of rotation 6, 6 ′: horizontal drive pulley

7: 수평 구동벨트 8: 수평 회전축7: horizontal drive belt 8: horizontal rotating shaft

9: 수평 회전축 베어링 10: 수평 엔코더 회전축9: horizontal rotary shaft bearing 10: horizontal encoder rotary shaft

11, 11′: 수평 측정 풀리 12: 수평 측정벨트11, 11 ′: Horizontal measuring pulley 12: Horizontal measuring belt

13: 지지대 14: 수직 엔코더13: support 14: vertical encoder

15: 수직 스텝모터 16: 수직 회전축15: vertical step motor 16: vertical axis of rotation

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제철소 원료 야적장의 원료 파일과 같이 거대한 피검출물의 3차원 형상을 검출하기 위한 3차원 형상 검출기의 레이저 광선 주사장치에 있어서, 지지판(1)을 관통하여 설치된 수평 회전축(8)과, 상기 수평 회전축(8)의 상부에 설치된 지지대(13)에 조립 설치되는 레이저 센서(2)와, 상기 지지대(13)의 일측에 설치되고 수직 스텝모터(15)에 연결된 수직 회전축(16)과, 상기 지지대(13)의 타측에 설치된 수직 엔코더(14)와, 수평 스텝모터(4)와 상기 수평 회전축(8)에 각각 연결되고 수평 구동벨트(7)가 체결된 각각의 수평 구동 풀리(6)(6')와, 상기 수평 회전축(8)에 결합된 수평 측정 풀리(11')와 수평 측정벨트(12)로 연결된 또다른 수평 측정 풀리(11)가 연결된 수평 엔코더(3)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a laser beam scanning apparatus of a three-dimensional shape detector for detecting a three-dimensional shape of a large to-be-detected object, such as a raw material pile of a steel mill raw material yard, provided through the support plate (1) A laser sensor 2 assembled to a horizontal rotating shaft 8, a support 13 installed above the horizontal rotating shaft 8, and connected to a vertical step motor 15 installed at one side of the support 13. Each of which is connected to a vertical rotation shaft 16, a vertical encoder 14 installed on the other side of the support 13, a horizontal step motor 4 and the horizontal rotation shaft 8, and a horizontal drive belt 7 is fastened, respectively. A horizontal encoder connected to a horizontal drive pulley 6, 6 ′, another horizontal measurement pulley 11 ′ coupled to the horizontal rotation shaft 8, and another horizontal measurement pulley 11 connected by a horizontal measurement belt 12. Characterized in that it comprises a (3).

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치의 구성에 대하여 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, with reference to an accompanying drawing, the structure of the laser beam scanning apparatus for 3D shape detection of this invention is demonstrated in detail.

도 1은 본 발명 3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치의 사시도이다.1 is a perspective view of a laser beam scanning device for detecting a three-dimensional shape of the present invention.

본 발명은 레이저 광선의 비행시간차를 거리로 환산하여 원거리의 피측정물까지의 거리를 측정하는 레이저 센서(1)와, 상기 레이저 센서(1)를 수직, 수평 방향으로 회전 구동시키기 위한 장치와, 상기 레이저 센서(1)의 변위를 측정하기 위한 장치로 구성된다.The present invention provides a laser sensor (1) for converting the flight time difference of the laser beam into a distance to measure the distance to the object to be measured at a distance, an apparatus for rotating the laser sensor (1) in the vertical and horizontal directions; It consists of a device for measuring the displacement of the laser sensor 1.

지지판(1)의 일측 상부에 수평 스텝모터(4)를 설치하고, 수평 스텝모터 회전축(5)의 연결된 수평 구동 풀리(6)와 상기 지지판(1)의 반대측에 베어링이 체결된 상태로 설치된 수평 회전축(8)에 연결된 수평 구동 풀리(6')에 수평 구동벨트(7)를 체결하여 레이저 센서(2)의 수평 방향으로 회전력을 부여할 수 있도록 한다.The horizontal step motor 4 is installed on the upper side of the support plate 1, and the horizontal step pulley 6 connected to the horizontal step motor rotary shaft 5 and the horizontal side are installed in a state where the bearing is fastened to the opposite side of the support plate 1. The horizontal driving belt 7 is fastened to the horizontal driving pulley 6 ′ connected to the rotating shaft 8 to impart rotational force in the horizontal direction of the laser sensor 2.

다음 상기 레이저 센서(2)의 수평 방향으로의 회전각을 측정하기 위하여 상기 지지판(1)의 중앙부에 수평 엔코더(3)를 설치하고 수평 엔코더 회전축(10)의 끝단부에 연결된 수평 측정 풀리(10)와 상기 수평 회전축(8)에 연결된 또다른 수평 측정 풀리(11')에 수평 측정벨트(12)를 체결한다.Next, in order to measure the rotation angle of the laser sensor 2 in the horizontal direction, a horizontal encoder 3 is installed at the center of the support plate 1 and a horizontal measurement pulley 10 connected to the end of the horizontal encoder rotation shaft 10. ) And the horizontal measuring belt 12 to another horizontal measuring pulley (11 ') connected to the horizontal axis of rotation (8).

상기 수평 회전축(8)의 상부에 결합된 지지대(13)에 레이저 센서(2)를 위치시키고 수직방향으로 회전에 필요한 구동력을 얻기 위한 수직 스텝모터(15)와 이에 연결되고 베어링이 체결된 수직 회전축(16)을 상기 지지대(13)의 일측면에 결합시킨다.Positioning the laser sensor 2 on the support 13 coupled to the upper portion of the horizontal rotating shaft 8 and the vertical step motor 15 and the vertical rotating shaft connected to the bearing and fastened to obtain the driving force required for rotation in the vertical direction (16) is coupled to one side of the support (13).

또한, 상기 지지대(13)의 타측에는 수직 방향으로의 변위를 측정하기 위한 수직 엔코더(14)를 결합한다.In addition, the other side of the support 13 is coupled to the vertical encoder 14 for measuring the displacement in the vertical direction.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치의 작동과 그 원리에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation and principle of the laser beam scanning apparatus for detecting a three-dimensional shape of the present invention configured as described above will be described in detail.

레이저 센서(2)가 수평, 수직 방향 중에서 어느 방향으로도 회전하지 않은 상태에서는 정면 방향으로 레이저 광선을 주사하게 된다.When the laser sensor 2 does not rotate in any of the horizontal and vertical directions, the laser beam is scanned in the front direction.

그러나, 전방에 위치한 피검출물의 3차원 형상을 검출하기 위해서는 수직 스텝모터(15)와 수평 스텝모터(4)의 구동에 의해 결정되는 수직, 수평 방향의 임의의 각위치에서 레이저 광선을 주사하게 되고, 그 각위치에서의 검출기와 피검출물간의 거리를 측정하게 된다.However, in order to detect the three-dimensional shape of the object to be located in front of the laser beam is scanned at any angular position in the vertical and horizontal directions determined by the driving of the vertical step motor 15 and the horizontal step motor 4. The distance between the detector and the object to be detected at each angular position is measured.

이러한 수평, 수직 각위치와 피검출물간 거리를 1개의 3차원 정보로 볼 때, 전방의 피검출물 위의 여러 지점에 대하여 이와 같은 3차원 정보를 수집하고, 그 위치별로 거리를 표시하고 인접한 지점간을 선으로 잇는다면 초보적인 형태의 검출물 형상을 얻을 수 있을 것이고, 여기에서 더 나아가 정보처리 기술을 응용한다면 보다 정밀한 형상을 얻을 수도 있다.When the horizontal and vertical angular position and the distance between the detected object are viewed as one three-dimensional information, such three-dimensional information is collected for various points on the front object to be detected, the distance is displayed for each position, and adjacent points If the liver is connected with a line, it will be possible to obtain a rudimentary shape of the object, and if the information processing technology is further applied, a more precise shape can be obtained.

한편, 레이저 센서(2)의 레이저광선 주사 방향을 결정하는 레이저 센서(2)의 각위치 변위 및 각위치 결정의 원리는 다음과 같다.On the other hand, the angular position displacement and the principle of the angular positioning of the laser sensor 2 for determining the laser beam scanning direction of the laser sensor 2 are as follows.

우선 레이저 센서(2)의 수직 방향의 운동에 대하여 보면, 레이저 센서(2)의 측면에 가공된 수직 회전축(16)은 지지대(13)에 조립된 베어링을 경유하여 수직 스텝모터(15)와 결합되어 있고, 다른 한쪽에는 수직 엔코더(14)가 결합되어, 상기 수직 스텝모터(15)의 회전력이 전달되어 레이저 센서(2)가 수직 방향으로 회전되고, 그 회전 변위를 수직 엔코더(14)에 의하여 직접적으로 측정된다.First, with respect to the vertical movement of the laser sensor 2, the vertical axis of rotation 16 machined on the side of the laser sensor 2 is coupled to the vertical step motor 15 via a bearing assembled to the support 13. The other side is coupled to the vertical encoder 14, the rotational force of the vertical step motor 15 is transmitted to rotate the laser sensor 2 in the vertical direction, the rotational displacement by the vertical encoder 14 It is measured directly.

또한, 레이저 센서(2)의 수평 방향 회전에 대하여 살펴보면 레이저 센서(2)는 수평 회전축(8)의 상부에 설치된 지지대(13)에 조립되어 있고, 수평 회전축(8)은 수평 방향으로 회전하게 되는데, 이때의 회전 동력은 수평 스텝모터(4)에서 나오고 수평 구동 풀리(6)(6'), 수평 구동벨트(7)를 거쳐 전달된다.In addition, in the horizontal rotation of the laser sensor 2, the laser sensor 2 is assembled to the support 13 installed on the upper portion of the horizontal rotating shaft 8, and the horizontal rotating shaft 8 is rotated in the horizontal direction. At this time, the rotational power is transmitted from the horizontal step motor (4) and is transmitted through the horizontal drive pulley (6) (6 '), the horizontal drive belt (7).

여기서 수평 방향의 회전 각위치를 측정하는 것은 수평 엔코더(3)인데, 상기 수평 엔코더(3) 까지의 회전동력 전달은 수평 회전축(8), 수평 측정 풀리(11)(11'),수평 측정벨트(12), 수평 엔코더 회전축(10)을 거쳐 이루어진다.Here, the horizontal angular position is measured in the horizontal encoder (3), the rotational power transmission to the horizontal encoder (3) is the horizontal axis of rotation (8), horizontal measuring pulleys (11) (11 '), horizontal measuring belt 12, through the horizontal encoder rotary shaft (10).

특히, 본 발명에서는 레이저 센서(2)의 회전변위의 측정을 위해서는 회전 관성부하가 작은 수직 회전은 수직 스텝모터(15)가 레이저 센서(2)를 직접 구동하게 하고 레이저 센서(2)의 수직 회전축(16)과 직접 연결된 수직 엔코더(14)에 의해 그 변위를 측정하게 하고, 회전 관성부하가 큰 수평 회전은 수평 스텝모터(4)와 수평 회전축(8)간을 수평 구동 풀리(6)(6') 및 수평 구동벨트(7)로 연결하여 구동하게 하고, 상기 수평 회전축(8)의 변위를 역시 수평 측정벨트(12)를 통해 수평 엔코더(3)로 정밀하게 측정하도록 함으로써 큰 부하를 구동함에 의해 발생할 수 있는 비선형 오차와 관계없이 센서의 변위를 측정할 수 있도록 한 것이다.In particular, in the present invention, for the measurement of the rotational displacement of the laser sensor 2, the vertical rotation with a small rotational inertia load causes the vertical step motor 15 to directly drive the laser sensor 2 and the vertical rotation axis of the laser sensor 2. The displacement is measured by a vertical encoder 14 directly connected to the (16), and the horizontal rotation with a large rotational inertia load causes a horizontal drive pulley (6) (6) between the horizontal step motor (4) and the horizontal rotation shaft (8). ') And the horizontal drive belt (7) to drive, and the displacement of the horizontal axis of rotation (8) to accurately measure the horizontal encoder (3) through the horizontal measuring belt 12 to drive a large load The sensor's displacement can be measured irrespective of the nonlinear error that may occur.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치를 사용하면, 회전 거울을 이용한 종래의 주사방식보다 간편하고, 경제적인 소형의 장치를 구성함으로써, 측정의 정밀도를 높일 수 있고 단순한 기구의 구성으로 인해 가혹한 옥외 환경에서 보다 용이하게 유지, 보수하는 것이 가능해지는 효과가 있다.As described above, when the laser beam scanning device for detecting a three-dimensional shape of the present invention is used, it is simpler and more economical than a conventional scanning method using a rotating mirror, thereby increasing the accuracy of the measurement and providing a simple mechanism. Due to the configuration, it is possible to more easily maintain and repair in a harsh outdoor environment.

Claims (1)

제철소 원료 야적장의 원료 파일과 같이 거대한 피검출물의 3차원 형상을 검출하기 위한 3차원 형상 검출기의 레이저 광선 주사장치에 있어서, 지지판(1)을 관통하여 설치된 수평 회전축(8)과, 상기 수평 회전축(8)의 상부에 설치된 지지대(13)에 조립 설치되는 레이저 센서(2)와, 상기 지지대(13)의 일측에 설치되고 수직 스텝모터(15)에 연결된 수직 회전축(16)과, 상기 지지대(13)의 타측에 설치된 수직 엔코더(14)와, 수평 스텝모터(4)와 상기 수평 회전축(8)에 각각 연결되고 수평 구동벨트(7)가 체결된 각각의 수평 구동 풀리(6)(6')와, 상기 수평 회전축(8)에 결합된 수평 측정 풀리(11')와 수평 측정벨트(12)로 연결된 또다른 수평 측정 풀리(11)가 연결된 수평 엔코더(3)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 3차원 형상 검출용 레이저 광선 주사장치.In the laser beam scanning apparatus of the three-dimensional shape detector for detecting the three-dimensional shape of a large to-be-detected object like the raw material pile of a steelworks raw material yard, the horizontal rotating shaft 8 provided through the support plate 1, and the said horizontal rotating shaft ( The laser sensor 2 is assembled to the support 13 installed on the upper portion of 8), the vertical rotation shaft 16 is installed on one side of the support 13 and connected to the vertical step motor 15, and the support 13 Horizontal drive pulleys 6 and 6 ', which are connected to the vertical encoder 14 and the horizontal step motor 4 and the horizontal rotating shaft 8, respectively, to which the horizontal drive belt 7 is fastened. And a horizontal encoder 3 connected to the horizontal measuring pulley 11 ′ coupled to the horizontal rotating shaft 8 and another horizontal measuring pulley 11 connected to the horizontal measuring belt 12. Laser beam scanning device for three-dimensional shape detection.
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