KR100907763B1 - 공작물의 곡면 모델링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작물의 곡면 모델링 방법에 관한 것으로, 선박 제작 등에 사용되는 곡판 부재 등과 같은 공작물에 대한 형상 계측을 위해 계측 데이터를 이용한 곡면 모델링을 통해 공작물의 곡면을 정확하게 자동으로 계측할 수 있도록 함으로써, 계측 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 계측 데이터의 정확도가 떨어졌던 종래 기술의 문제점을 해소하며, 특히, 선박의 선수미 부분에 사용되는 곡판 부재를 가공 및 계측하는데 있어서 주변 온도와 작업자의 관리 소홀 등과 같은 여러 가지 주변 요인에 의하여 상형곡형의 소성변형이 일어날 경우에 발생할 수 있었던 형상 오차와 가공 및 계측의 어려움을 해소하는 이점이 있다.

3차원 형상 계측 시스템, 곡판 부재, 곡면 모델링, 경계 곡선, 기저 곡면

Description

공작물의 곡면 모델링 방법{METHOD FOR MODELLING CURVED SURFACE OF WORKPIECE}

본 발명은 공작물의 곡면 모델링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박 제작에 사용되는 곡판 부재 등과 같은 공작물에 대한 형상 계측을 위해 계측 데이터를 이용한 곡면 모델링을 통해 공작물의 곡면을 계측하는 곡면 모델링 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 선박의 외부 패널은 추진저항을 감소시켜 수중을 효율적으로 항해하도록 하기 위해 복잡한 비전개성 곡면을 가지는 약 10mm 내지 30mm 두께의 곡판 부재로 구성되며, 이러한 곡면의 외부 패널을 형성하기 위해서는 일반적으로 선형 가열이라고 하는 가공법을 통해 가스 버너 등을 이용하여 강판의 표면을 국부적으로 가열해서 발생되는 소성변형으로 인한 강판의 면외각변형 또는 면내수축변형을 통해 소망하는 형상으로 가공하고 있다.

또한, 위와 같이 가공된 선박의 곡판 부재 등과 같은 공작물에 대해서는 원하는 형태로 정확한 가공이 되었는지 여부에 대한 계측이 필요한데, 종래 이러한 선박의 곡판 부재의 계측 및 제작에는 줄자, 수공구, 나무재질의 상형곡형 등을 이 용한 사람에 의한 계측이 수행되고 있다.

종래 기술에 의한 공작물 계측 기술에 의하면 선박 등의 제작에 사용되는 대형의 곡판 부재의 경우에는 계측 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 계측 데이터의 정확도가 떨어지는 등 많은 문제점이 있다.

특히, 선박의 선수미 부분에 사용되는 곡판 부재는 그 형상이 더욱 다양하여 부위별로 사전 제작된 나무 재질의 상형곡형을 이용하여 가공 및 계측하는데, 상형곡형의 재질이 대부분 나무로 제작되며 원하는 곡면 형상 부재로의 정확한 가공을 위해 하나의 곡판 부재가 완성될 때까지 다수 번 반복적으로 사용됨에 따라, 주변 온도와 작업자의 관리 소홀 등과 같은 여러 가지 주변 요인에 의하여 소성변형이 일어나게 되어 형상 오차가 유발되는 등, 정확한 가공 및 계측에 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 선박 제작 등에 사용되는 곡판 부재 등과 같은 공작물에 대한 형상 계측을 위해 계측 데이터를 이용한 곡면 모델링을 통해 공작물의 곡면을 계측하는 곡면 모델링 방법을 제공한다.

본 발명의 일 관점으로서 공작물의 곡면 모델링 방법은, (a) 공작물에 대한 형상 계측을 수행하는 형상 계측 시스템에 의해 획득된 곡판 부재의 계측 데이터에 대해 z축 값의 차이, y방향 거리 차이 및 연결성을 고려하여 노이즈 영역을 자동으로 지정한 후에 지정한 상기 노이즈 영역을 자동으로 분류하여 제거하는 단계와, (b) 상기 (a) 단계에 의해 상기 노이즈 영역이 제거된 상기 곡판 부재의 계측 데이터에 대해 트림 표면(trimmed surface)으로 생성하여 경계 곡선을 복원하는 단계와, (c) 상기 (b) 단계에 처리된 상기 곡판 부재의 계측 데이터에 대해 곡면 생성 방법으로 근사법을 이용하는 표면 근사화(surface fitting)를 통해 기저 곡면을 생성하여 계측 곡면을 완성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 (a) 단계는, 상기 곡판 부재의 계측 데이터 중에서 같은 x값을 가지는 계측 점들의 집합을 그룹3(group3)이라 하고, 상기 그룹3의 계측점 중에서 y방향, z방향으로 일정한 거리를 유지하는 점들의 집합을 그룹2(group2)라 하며, 상기 그룹2가 x방향으로 일정한 거리를 유지하는 점들의 집합을 그룹1(group1)이라 할 때에, (a1) 상기 그룹3의 계측점 중에서 y방향, z방향 차이를 이용해서 상기 그룹2를 분류하는 단계와, (a2) y방향, z방향으로 인접한 상기 그룹2를 모두 찾아서 상기 그룹1을 생성하는 단계와, (a3) 상기 그룹1 중에서 가장 큰 영역을 상기 곡판 부재의 영역으로 인식함과 아울러 그 이외의 영역을 상기 노이즈 영역으로 인식하여 인식된 상기 노이즈 영역을 삭제하는 단계를 포함한다.

본 발명의 (b) 단계는, 상기 곡판 부재를 고정하는 도그 또는 반목으로 인해 계측되지 않은 부재 영역의 경계 곡선을 복원하는데, (b1) 상기 곡판 부재의 계측 데이터에 대해 상기 곡판 부재의 경계점을 분류한 후에 상기 경계점들을 이용하여 경계 곡선을 생성하는 단계와, (b2) 생성한 상기 경계 곡선의 꼭지점들을 특이점으로 추출하고, 상기 경계 곡선의 직선 영역 중에 단절된 빈 영역이 존재하면 인접한 특이점들을 연결하여 빈 영역을 복원하는 단계와, (b3) 상기 계측 데이터의 코너 부분에서 긴 곡선과 짧은 곡선 중에서 긴 곡선만을 유효한 곡선으로 판단하여 상기 코너 부분의 인접한 두 긴 곡선에 대해 긴 곡선과 짧은 곡선의 경계에 위치한 두 특이점을 직선으로 연결하여 상기 두 긴 곡선을 상호 연결하는 단계와, (b4) 상기 코너 부분의 긴 곡선들에 대해 인접한 두 곡선을 접선 방향으로 연장하여 연장한 상기 두 곡선이 만나는 꼭지점을 형성한 후에 이 꼭지점에 의해 연결된 곡선 내의 영역을 코너 부분으로 복원하는 단계와, (b5) 상기 코너 부분을 복원한 상기 계측 데이터에 대해 경계 곡선 수가 설계 곡면의 곡선 수와 일치하도록 곡선 결합을 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명에서는 선박 제작 등에 사용되는 곡판 부재 등과 같은 공작물에 대한 형상 계측을 위해 계측 데이터를 이용한 곡면 모델링을 통해 공작물의 곡면을 정확하게 자동으로 계측할 수 있도록 함으로써, 계측 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 계측 데이터의 정확도가 떨어졌던 종래 기술의 문제점을 해소한다.

특히, 선박의 선수미 부분에 사용되는 곡판 부재를 가공 및 계측하는데 있어서 주변 온도와 작업자의 관리 소홀 등과 같은 여러 가지 주변 요인에 의하여 상형곡형의 소성변형이 일어날 경우에 발생할 수 있었던 형상 오차와 가공 및 계측의 어려움을 해소하는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 곡면 모델링 방법이 적용될 수 있는 비접촉식 3차원 형상 계측 시스템의 사시도이다.

도 1의 비접촉식 3차원 형상 계측 시스템은, 정해진 레일(210)을 따라 이동하는 멀티 레이저 비전 시스템(202)이 장착된 겐트리 로봇(gantry robot)(200)이 하부에 놓여지는 곡판 부재(206)에 대해 스캐닝(scanning)을 수행하여 3차원 형상 계측을 수행한다.

피계측물인 곡판 부재(206)가 놓여지는 바닥 플레이트(plate)(208) 양측에 일정한 길이의 레일(rail)(210)이 형성되어 있으며, 레일(210)의 상부에는 레일(210)을 따라 전후로 이동할 수 있는 겐트리 형상의 로봇(100)이 형성된다.

겐트리 로봇(200)의 Y축 사각빔의 하부면에는 피계측물인 곡판 부재(206)의 3차원 형상을 스캐닝하기 위한 멀티 레이저 비전 시스템(202)이 Y축 사각빔을 따라 이동 가능하게 배치된다. 멀티 레이저 비전 시스템(202)은 레이저빔(205)을 출사하는 레이저빔 출사부(204)와 곡판 부재(206)에 조사되어 나타나는 레이저빔 영상을 촬영하는 CCD 카메라(도시되지 않음)로 구성되는 레이저 비전 시스템이 다수개가 조합된 레이저 비전 시스템을 의미하는 것으로, 위 3차원 형상 계측장치에서는 4개 의 레이저 비전 시스템을 등간격으로 일렬 배치되도록 하여 상대적으로 면적이 큰 피계측물인 선박 등의 곡판 부재(206)를 3차원 스캐닝하는 데에도 어려움이 없도록 한다.

이러한 멀티 레이저 비전 시스템을 구비하는 비접촉식 3차원 형상 계측 시스템에서는 레일(210) 사이의 바닥 플레이트(208) 상에 3차원 형상 계측이 필요한 피계측물, 즉 선박의 곡판 부재(206)가 놓여지는 경우 겐트리 로봇(200)이 레일(210)을 따라 전후로 이동하면서 겐트리 로봇(200)에 장착된 멀티 레이저 비전 시스템(202)에서 레이저빔을 이용하여 곡판 부재(206)의 3차원 형상을 스캐닝하고, 이와 같이 스캐닝된 영상 데이터를 통해 곡판 부재(206)의 3차원 형상을 계측하게 된다.

또한, 겐트리 로봇(200)의 Y축 사각빔의 중앙에는 곡판 부재(206)로의 가공이 필요한 1차 냉간가공 부재에 대해 원하는 곡면으로의 가공을 수행하기 위한 열가공 로봇(212)이 배치된다. 열가공 로봇(212)은 선박 등의 곡판 부재로 사용될 냉간가공 부재에 대해 선형 가열을 통해 원하는 모양의 곡판 부재(206)로의 가공을 수행하며, 필요에 따라서는 작업자에 의해 1차 가공된 곡판 부재(206)에 대한 3차원 형상 계측 결과에 기반하여 정확한 곡판 부재(206)로 형성시키기 위한 2차 가공을 수행할 수도 있다.

도 2는 비접촉식 3차원 형상 계측 시스템에 의해 획득된 곡판 부재 계측 데이터의 일 예이다.

도 2의 계측 데이터를 살펴보면 노이즈가 많이 존재하고 곡판 부재의 일부가 표현되지 않은 것을 확인할 수 있다. 이는 곡판 부재를 고정하는데 이용되는 도그 또는 반목에 의해 곡판 부재의 일부분이 가려지거나 계측 에러의 발생 또는 계측 시스템의 특성상 일부를 표현하지 못한 경우이다.

따라서, 비접촉식 3차원 형상 계측 시스템에 의한 계측 데이터를 이용한 곡면 모델링을 통해 공작물의 곡면을 보다 정확히 계측할 수 있는 곡면 모델링 방안이 요구된다.

도 3은 본 발명에 따른 공작물의 곡면 모델링 방법을 수행할 수 있는 곡면 모델링 장치의 블록 구성도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명을 위한 곡면 모델링 장치는, 계측 데이터 필터링부(310), 경계 곡선 복원부(320), 기저 곡면 생성부(330)를 포함한다.

계측 데이터 필터링부(310)는 3차원 형상 계측 시스템에 의해 획득된 곡판 부재 계측 데이터에 대해 노이즈 영역을 자동으로 분류하여 제거한다. 곡판 부재를 고정하는데 이용되는 도그 또는 반목으로 인한 노이즈 영역을 z축 값의 차이, y방향 거리 차이 및 연결성을 고려하여 해당 노이즈 영역을 자동으로 지정하며, 지정한 노이즈 영역을 필터링하여 노이즈 영역이 제거된 계측 데이터를 획득한다(도 8의 S401).

도 4 및 도 5를 참조하여 계측 데이터 필터링 과정을 보다 상세히 살펴보면, 3차원 형상 계측 시스템에 의해 획득된 곡판 부재 계측 데이터가 저장된 데이터베 이스에서 같은 x값을 가지는 계측 점들의 집합을 그룹3(group3)이라 하고, 그룹3의 계측점 중에서 y방향, z방향으로 일정한 거리를 유지하는 점들의 집합을 그룹2(group2)라 하며, 그룹2가 x방향으로 일정한 거리를 유지하는 점들의 집합을 그룹1(group1)이라 할 때에, 그룹3의 계측점 중에서 y방향, z방향 차이를 이용해서 그룹2를 분류하며, y방향, z방향으로 인접한 그룹2를 모두 찾아서 그룹1을 생성하고, 그룹1 중에서 가장 큰 영역을 곡판 부재 영역으로 인식함과 아울러 그 이외의 영역을 노이즈 영역으로 인식하여 인식된 노이즈 영역을 삭제한다. 예로서, 도 4의 왼쪽 도면과 같은 계측 데이터에 대해 도 4의 가운데 도면과 같이 곡판 부재 영역과 노이즈 영역(실선으로 구획된 부분)을 인식하며, 도 4의 오른쪽 도면과 같이 노이즈 영역을 삭제한 계측 데이터를 획득한다.

경계 곡선 복원부(320)는 노이즈 영역이 제거된 곡판 부재 계측 데이터에 대해 트림 표면으로 생성한다. 곡판 부재를 고정하고 있는 도그 또는 반목으로 인해 일부 부재 영역이 계측되지 않으며, 특히 코너 부분에서는 계측 시스템의 특성으로 인해 계측 데이터가 존재하지 않는다. 따라서 계측 데이터 필터링부(310)에 의해 노이즈가 제거된 계측 데이터에 대해 도 6과 같이 경계 곡선 생성(도 8의 S403), 특이점 추출(도 8의 S405), 빈 영역 복원(도 8의 S407), 코너 부분 복원(도 8의 S409), 곡선 결합(도 8의 S411) 등을 처리를 통해 경계 곡선을 복원한다.

도 7a 내지 도 7c는 경계점 분류 후에 추출한 특이점들을 이용하여 빈 영역을 복원하는 과정과 코너 부분을 복원하는 과정을 보인 예시도이다. 도 7a를 참조하면 먼저 계측 데이터에 대해 곡판 부재의 경계점을 분류한 후에 경계점들을 이용하여 경계 곡선을 생성하며, 생성한 경계 곡선의 꼭지점들을 특이점으로 추출하고, 경계 곡선의 직선 영역 중에 단절된 빈 영역이 존재하면 인접한 특이점들을 상호 연결한다. 도 7b를 참조하면 계측 데이터의 코너 부분에서 긴 곡선과 짧은 곡선 중에서 긴 곡선만을 유효한 곡선으로 판단하며, 코너 부분의 인접한 두 긴 곡선에 대해 긴 곡선과 짧은 곡선의 경계에 위치한 두 특이점을 직선으로 연결하여 두 긴 곡선을 상호 연결한다. 그러면 계측 데이터의 코너 부분이 제거되기에 코너 부분을 복원할 필요가 있다. 도 7c를 참조하면 코너 부분의 긴 곡선들에 대해 인접한 두 곡선을 접선 방향으로 연장하여 연장한 두 곡선이 만나는 꼭지점을 형성하고, 이렇게 형성한 꼭지점에 의해 연결된 곡선 내의 영역을 코너 부분으로 복원한다. 이후에는 경계 곡선 수가 설계 곡면의 곡선 수와 일치하도록 곡선 결합을 수행한다.

기저 곡면 생성부(330)는 노이즈 영역이 제거된 곡판 부재 계측 데이터에 대해 표면 근사화를 통해 기저 곡면을 생성한다(도 8의 S413). 일반적인 곡면 생성 방법에는 보간법과 근사법이 있는데, 보간법은 모든 측정점들을 지나도록 곡면을 생성하는 것이며, 근사법은 측정점의 수가 많은 경우에 모든 측정점들을 지나도록 곡면을 생성하면 비효율적이므로 일부의 측정점들을 지나는 근사 곡면을 생성하는 것이다. 이러한 곡면 생성 방법 중에서 근사법을 이용하여 곡면을 생성하는 것이 표면 근사화이다.

이와 같이 단계 S411의 결과로 생성한 트림 표면과 단계 S413의 결과로 생성한 기저 곡면에 의해 계측 곡면이 완성되며, 이로써 계측 데이터 필터링부(310)에 의해 노이즈가 제거된 후에 곡면 모델링에 의해 완성된 계측 곡면이 제공된다.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 곡면 모델링 방법이 적용될 수 있는 비접촉식 3차원 형상 계측 시스템의 사시도,

도 2는 비접촉식 3차원 형상 계측 시스템에 의해 획득된 곡판 부재 계측 데이터의 일 예,

도 3은 본 발명에 따른 공작물의 곡면 모델링 방법을 수행할 수 있는 곡면 모델링 장치의 블록 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 곡면 모델링 장치의 계측 데이터 필터링 과정을 보인 예,

도 5는 본 발명에 따른 곡면 모델링 장치의 계측 데이터 필터링 과정을 설명하기 위한 데이터베이스의 자료 구조 예,

도 6은 본 발명에 따른 곡면 모델링 장치의 경계 복원 과정을 보인 예,

도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 곡면 모델링 장치의 경계 복원 과정을 설명하기 위한 경계 곡선의 예,

도 8은 본 발명에 따른 곡면 모델링 방법을 설명하기 위한 흐름도.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

310 : 계측 데이터 필터링부

320 : 경계 곡선 복원부

330 : 기저 곡면 생성부

Claims (6)

1. (a) 공작물에 대한 형상 계측을 수행하는 형상 계측 시스템에 의해 획득된 곡판 부재의 계측 데이터에 대해 z축 값의 차이, y방향 거리 차이 및 연결성을 고려하여 노이즈 영역을 자동으로 지정한 후에 지정한 상기 노이즈 영역을 자동으로 분류하여 제거하는 단계와,

   (b) 상기 (a) 단계에 의해 상기 노이즈 영역이 제거된 상기 곡판 부재의 계측 데이터에 대해 트림 표면(trimmed surface)으로 생성하여 경계 곡선을 복원하는 단계와,

   (c) 상기 (b) 단계에 처리된 상기 곡판 부재의 계측 데이터에 대해 곡면 생성 방법으로 근사법을 이용하는 표면 근사화(surface fitting)를 통해 기저 곡면을 생성하여 계측 곡면을 완성하는 단계

   를 포함하는 공작물의 곡면 모델링 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 형상 계측 시스템은, 정해진 레일을 따라 이동하는 멀티 레이저 비전 시스템이 장착된 겐트리 로봇(gantry robot)이 하부에 놓여지는 상기 곡판 부재에 대해 스캐닝(scanning)을 수행하여 3차원 형상 계측을 수행하는

   공작물의 곡면 모델링 방법.
3. 삭제
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 (a) 단계는, 상기 곡판 부재의 계측 데이터 중에서 같은 x값을 가지는 계측 점들의 집합을 그룹3(group3)이라 하고, 상기 그룹3의 계측점 중에서 y방향, z방향으로 일정한 거리를 유지하는 점들의 집합을 그룹2(group2)라 하며, 상기 그룹2가 x방향으로 일정한 거리를 유지하는 점들의 집합을 그룹1(group1)이라 할 때에,

   (a1) 상기 그룹3의 계측점 중에서 y방향, z방향 차이를 이용해서 상기 그룹2를 분류하는 단계와,

   (a2) y방향, z방향으로 인접한 상기 그룹2를 모두 찾아서 상기 그룹1을 생성하는 단계와,

   (a3) 상기 그룹1 중에서 가장 큰 영역을 상기 곡판 부재의 영역으로 인식함과 아울러 그 이외의 영역을 상기 노이즈 영역으로 인식하여 인식된 상기 노이즈 영역을 삭제하는 단계

   를 포함하는 공작물의 곡면 모델링 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 (b) 단계는, 상기 곡판 부재를 고정하는 도그 또는 반목으로 인해 계측되지 않은 부재 영역의 경계 곡선을 복원하는

   공작물의 곡면 모델링 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 (b) 단계는,

   (b1) 상기 곡판 부재의 계측 데이터에 대해 상기 곡판 부재의 경계점을 분류한 후에 상기 경계점들을 이용하여 경계 곡선을 생성하는 단계와,

   (b2) 생성한 상기 경계 곡선의 꼭지점들을 특이점으로 추출하고, 상기 경계 곡선의 직선 영역 중에 단절된 빈 영역이 존재하면 인접한 특이점들을 이용하여 빈 영역을 복원하는 단계와,

   (b3) 상기 계측 데이터의 코너 부분에서 긴 곡선과 짧은 곡선 중에서 긴 곡선만을 유효한 곡선으로 판단하여 상기 코너 부분의 인접한 두 긴 곡선에 대해 긴 곡선과 짧은 곡선의 경계에 위치한 두 특이점을 직선으로 연결하여 상기 두 긴 곡선을 상호 연결하는 단계와,

   (b4) 상기 코너 부분의 긴 곡선들에 대해 인접한 두 곡선을 접선 방향으로 연장하여 연장한 상기 두 곡선이 만나는 꼭지점을 형성한 후에 이 꼭지점에 의해 연결된 곡선 내의 영역을 코너 부분으로 복원하는 단계와,

   (b5) 상기 코너 부분을 복원한 상기 계측 데이터에 대해 경계 곡선 수가 설계 곡면의 곡선 수와 일치하도록 곡선 결합을 수행하는 단계

   를 포함하는 공작물의 곡면 모델링 방법.

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