KR101065955B1 - 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원형 구멍 내부면 상의 여러 점들의 3차원 위치를 레이저 트랙커 장치를 이용하여 직접 측정하고 이들을 이용하여 구멍의 3차원 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 구멍 내부면 상의 점들에 대해 직접 위치측정을 수행하므로, 구멍 내부 면의 직접 측정이 곤란하여 구멍을 둘러싼 외부 면의 측정으로 구멍의 3차원 형상을 추정함에 따른 오차의 발생을 줄여주며 특히 구멍의 길이가 길어 기존 측정장치의 투입이 불가능하거나, 측정장치의 삽입을 위한 별도 장치의 사용이 필수적인 경우 큰 효과를 얻을 수 있다.
이를 위한 본 발명은, 구멍 내에 투입되어 구멍 내에서 마찰력에 의해 미끄러지지 않고 위치할 수 있으며 구멍의 중심축 방향으로 전후 이동운동을 하는 중심축 방향 이동 수단과; 상기 중심축 방향 이동 수단에 결합되어 구멍의 중심축과 수직인 구멍의 원형 단면과 평행하게 회전하는 단면상 회전 수단과; 상기 단면상 회전 수단에 결합되어 구멍의 원형 단면 상에서 반지름방향으로 전후 이동이 가능하여 구멍의 내면에 수직으로 밀착이 가능한 수직 밀착 이동 수단과; 상기 수직 밀착 이동 수단 위에 부착되는 레이저 광선 회귀반사체(retroreflector)와; 상기 수단들의 움직임을 제어하기 위한 동작 제어 수단과; 구멍 외부에 설치되어 고정된 레이저 트랙커를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템{ Measurement System for Three-Dimensional Shape of Circular Hole}

본 발명은 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 원형 구멍 내부면 상의 여러 점들의 3차원 위치를 레이저 트랙커 장치를 이용하여 직접 측정하고 이들을 이용하여 구멍의 3차원 형상을 측정하는 시스템에 관한 것이다.

물체에 구멍을 가공하는 기술은 기계, 건축 등 다양한 분야에서 사용되는 것으로 가공방법 뿐만 아니라 가공시 정밀도의 유지 방법, 가공 후 측정, 검사 방법, 구멍의 유지 보수 방법 등 다양한 분야에 걸쳐 많은 기술들이 개발, 운영되고 있다. 정밀도가 매우 중요한 분야의 경우, 구멍의 가공 뿐만 아니라 가공 후 구멍의 측정을 통해 원래 설계대로 구멍이 가공되었는지에 대한 검사 및 적합여부 판정 작업 매우 중요하며, 시간에 따른 구멍 관련 치수들이 변화하는 것을 지속적으로 측정하여 유지 보수 작업을 수행하는 작업 또한 매우 중요한 작업들이 된다. 구멍과 관련된 중요한 인자들로는, 원형 구멍의 경우, 구멍은 여러 개의 단면원으로 구성된다고 볼 수 있으며 이 각 단면원들의 반지름들의 편차율, 진원도, 및 구멍의 진직도 등이 있으며 이들이 정해진 오차 내에서 가공되고 유지되는 것은 매우 중요한 일이 된다. 구멍의 가공 후 구멍 관련 인자들의 측정에 있어서, 구멍이 크고 길거나, 비교적 크고 복잡한 물체에 구멍이 가공되는 경우 등 구멍 관련 기하학적 특성상 기존의 간단한 측정장치로 측정이 불가능한 경우, 크게 두 가지의 측정방법이 사용된다. 하나는 구멍을 직접 측정하지 않고 구멍의 외면을 측정하여 구멍 내면의 3차원 형상을 추정하는 방법이다. 예로 원통 내부에 구멍이 가공된 파이프 형태의 경우, 내부면을 측정하지 않고 파이프 외부면 상의 여러 점을 측정하여 이를 기준으로 내부 구멍의 3차원 형상을 추정하는 방법이다. 또 다른 하나는 내부면을 직접측정하기 위해서 구멍 외부에 매우 복잡하고 거대한 지그장치를 이용하여 측정장치를 구멍 내부에 삽입하고 측정장치를 이동 및 회전하면서 직접측정을 수행하는 방법이다.

3차원 측정 관련 배경기술로, 넓은 측정영역을 가지고, 운영자유도가 매우 높은 장점을 가지는 레이저 트랙커 기술이 있다. 이는 기존의 많은 측정장치들이 기계적으로 구속되어서 운영에 큰 제한이 있었던 단점을 해결하여, 레이저 트랙커로부터 발사된 레이저 광선이 소형 경량의 회귀반사체에 반사되어 돌아오는 것을 이용하여 3차원 거리를 측정할 수 있는 것으로, 트랙커 본체는 고정하고 회귀반사체만 측정점에 위치시키면 측정이 이루어지므로 다양한 분야에 적용되기 시작한 새로운 기술이다. 본 발명에서는 이 레이저 트랙커를 3차원 거리측정장치로 사용한다.

.간접적인 측정법을 이용하는 종래기술의 경우, 구멍이 너무 크거나 길거나 등의 이유로 기존의 측정장치를 사용하여 구명 내부 면의 직접적인 직접 측정이 곤란한 경우 구멍을 둘러싼 외부 면을 측정하여 구명의 3차원 형상을 추정하는 방법을 사용하나 이는 구멍 내부면의 직접적인 측정이 아니므로, 구멍의 가공 시 오차가 발생하였거나 가공 후 구멍 보유체가 변형됨에 따른 오차의 발생을 직접적으로 측정하기가 불가능한 문제점이 있다. 또한 구멍 내부면의 직접적인 측정을 위해 구멍보유체 외부에 매우 복잡하고 거대한 지그장치를 이용하고 이 지그 끝단에 측정장치를 부착하여 구멍 내부에 이를 투입하는 종래기술의 경우 외부장치가 매우 복잡하여 그 운영비용이 매우 크며 생산현장이 아닌 설치현장에는 이러한 지그장치의 투입이 불가능한 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 구멍 내부면 상이 아닌 다른 점들의 위치를 측정하는 간접측정방식을 사용하지 않으며, 구멍 외부의 복잡한 지그장치를 사용하지 않고, 구멍 내부에서 자체적으로 이동이 가능한 장치를 구멍 내에 투입하고 이와 레이저 트랙커를 이용하여, 구멍 내부면의 여러 점들에 대한 위치정보를 직접적으로 측정, 처리하여 구멍의 3차원 형상을 측정하는 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 구멍 내부에서 자체적으로 이동이 가능한 장치를 구멍 내에 투입하고 이와 레이저 트랙커를 이용하여, 구멍 내부면의 여러 점들에 대한 위치정보를 직접적으로 측정, 처리하여 구멍의 3차원 형상을 측정하는 작업을 수행할 수 있게 하여, 간접측정에 의한 부정확성과 오차를 배제하고, 구멍 외부의 복잡한 지그장치를 사용하지 않고도 간단하게 장치의 구멍 내 투입만으로 직접측정이 가능한 효과가 있다. 이러한 구멍 내 투입형 장치는 이동, 설치, 운용이 간편하여 생산현장 뿐만 아니라 설치현장에서도 용이하게 사용되어 다양한 분야에 있어서 구멍의 가공시 뿐만 아니라 기 가공된 구멍의 유지, 보수 목적에도 용이하게 사용될 수 있다. 또한 이렇게 측정된 구멍의 3차원 형상 정보는 구멍의 가공정밀도 검사, 진직도 검사, 진원도 검사, 구멍의 마모 및 변형 검사 등 가공, 검사, 유지보수 시 다양한 목적으로 사용될 수 있다.

또한 구멍 내부면이 매끈하지 않고 가공 홈 등이 있는 경우에도, 간극센서를 장착하여 이러한 홈을 회피하여 구멍 내부 기준면상의 3차원 형상을 용이하게 측정할 수 있으며, 구멍 내면 검사용 카메라를 장착하여 측정작업을 수행하면서 동시에 구명 내부면의 영상을 촬영하여 이를 구멍 내부면의 검사에 이용하는, 두가지 작업을 한번에 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템의 일실시예의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 혈내 이동체의 일실시예의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정을 위해 수직 말착 이동수단을 구멍 내면에 밀착시키는 일실시예의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 혈내 이동체의 중심축 방향 이동 수단의 다른 실시예의 구성도.
도 5는 관절 증분 이동식 혈내 이동체의 이동 동작의 일실시예의 동작 순서도.
도 6은 간극센서와 구명 내면 검사용 카메라 장착의 일실시예도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 일실시예의 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템은,

구멍 내에 투입되어 구멍 내에서 마찰력에 의해 미끄러지지 않고 위치할 수 있으며 구멍의 중심축 방향으로 전후 이동운동을 하는 중심축 방향 이동 수단과; 상기 중심축 방향 이동 수단에 결합되어 구멍의 중심축과 수직인 구멍의 원형 단면과 평행하게 회전하는 단면상 회전 수단과; 상기 단면상 회전 수단에 결합되어 구멍의 원형 단면 상에서 반지름방향으로 전후 이동이 가능하여 구멍의 내면에 수직으로 밀착이 가능한 수직 밀착 이동 수단과; 상기 수직 밀착 이동 수단 위에 부착되는 레이저 광선 회귀반사체(retroreflector)와; 상기 수단들의 움직임을 제어하기 위한 동작 제어 수단과; 구멍 외부에 설치되어 고정된 레이저 트랙커를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 3차원 형상 측정 시스템의 다른 특징에 의하면, 간극센서를 상기 단면상 회전 수단이나 상기 수직 밀착 이동 수단에 장착하여 구멍 내부면에 있는 가공 홈 등을 감지하여 이러한 홈을 회피하여 구멍 내부면 상의 점들의 위치를 측정할 수도 있다.

또 본 발명의 3차원 형상 측정 시스템의 다른 특징에 의하면, 구멍 내면 검사용 카메라를 상기 단면상 회전 수단에 장착하여 측정작업을 수행하면서 동시에 구명 내부면의 영상을 촬영하여 이를 구멍 내부면의 검사에 이용하게 할 수도 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템의 일실시예의 구성도이다. 도시된 바와 같이 3차원 형상 측정의 대상이 되는 측정대상 구멍(210)이 위치되어 있는 구멍 보유체(200)가 고정되어 있고, 상기 측정대상 구멍의 3차원 형상을 측정하기 위하여 상기 측정대상 구멍 내에 위치하면서 이동, 정지가 가능한 혈내 이동체(100)이 상기 측정대상 구멍 내에 위치하고 있다. 또한 레이저 트랙커(300)가 상기 측정대상 구멍 내의 측정대상이 되는 내부면 상의 어떤 점도 레이저 광선 조사가 가능한 위치에 고정되어 있다. 상기 혈내 이동체는, 상기 측정대상 구멍 내에서 마찰력에 의해 미끄러지지 않고 위치할 수 있으며 상기 측정대상 구멍의 중심축 방향으로 전후 이동운동을 하는 중심축 방향 이동 수단(110)과, 상기 중심축 방향 이동 수단에 결합되어 구멍의 중심축과 수직인 구멍의 원형 단면과 평행하게 회전하는 단면상 회전 수단(120)과, 상기 단면상 회전 수단에 결합되어 구멍의 원형 단면 상에서 반지름방향으로 전후 이동이 가능하여 구멍의 내면에 수직으로 밀착이 가능한 수직 밀착 이동 수단(130)과, 상기 수직 밀착 이동 수단 위에 부착되는 레이저 광선 회귀반사체(140)와, 상기 수단들의 움직임을 제어하기 위한 동작 제어 수단(150)을 포함하는 것으로 되어 있다. 3차원 형상의 측정을 위하여 상기 혈내 이동체는 구멍 내부에서 이동을 하며 원하는 위치에서 상기 수직 밀착 이동 수단을 구멍 내부면에 밀착시켜 상기 회귀반사체를 밀착 고정시키고 상기 레이저 트랙커를 이용하여 회귀반사체의 삼차원 공간 내의 위치를 측정한다. 회귀반사체와 밀착면과의 기하학적 관계는 미리 결정되어 있으므로 이를 이용하여 측정된 점들의 위치정보를 구멍 내부면상의 정보로 직접 변환할 수 있으며, 이들을 이용하여 상기 측정대상 구멍의 3차원 형상 측정 작업을 직관적이고 용이하게 수행할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 혈내 이동체의 일실시예의 구성도이다. 상기 측정대상 구멍의 내부면 상의 임의의 한 점에 접촉 및 이탈 작업을 수행하기 위해서는 최소한 세 개의 자유도가 필요하며 이는 구멍 중심축 방향으로의 직선 운동 자유도, 구멍의 중심축과 수직인 구멍의 원형 단면 상에서의 회전 자유도 및 구멍의 원형 단면 상에서 반지름 방향으로의 직선 운동 자유도 이다. 이러한 세 개의 자유도를 구현하기 위한 장치의 일실시예를 도 2에 나타내었으며 각 자유도는 중심축 방향 이동 수단(110), 단면상 회전 수단(120), 수직 밀착 이동 수단(130)에 의하여 구현되며 이러한 세 개의 자유도를 가진 혈내 이동체는 상기 측정대상 구멍의 내부면 상의 어느 위치에도 회귀반사체(140)를 위치시켜 레이저 트랙커(300)에 의해 3차원 공간상의 위치를 측정할 수 있다. 도 2에서는 중심축 방향 이동 수단(110) 구현의 일실시예로 8개의 이동바퀴(110)를 이용한 것을 보여주고 있으며, 상기 이동바퀴들이 회전하지 않을 때에도 상기 혈내 이동체가 구멍과 수평면이 이루는 각도에 상관없이 미끄러지지 않고 위치를 유지할 수 있고, 바퀴가 구를 때에도 미끄러짐 없이 중심축 방향으로 이동이 가능하기에 충분하도록 상기 이동바퀴들은 구멍 내부 면에 수직한 방향으로 적정한 압력을 가지고 밀착되도록 구성되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정을 위해 수직 말착 이동수단을 구멍 내면에 밀착시키는 일실시예의 단면도이다. 도 3의 (A)는 중심축 방향 이동수단(110)에 의해 측정대상 구멍 내의 적정 위치에 이동되고 단면상 회전 수단(120)에 의해 구멍 단면 상의 적정위치에 회전되어 위치한 수직 밀착 이동 수단(130) 및 이에 부착된 회귀반사체(140)을 보여준다. 여기서 상기 수직 밀착 이동 수단(130)은 이동 및 회전 시 불필요한 접촉 및 마찰을 피하기 위하여 측정대상 구멍의 내부면과 밀착되지 않은 모습을 보여준다. 도 3의 (B)는 내부면 상의 한 점의 3차원 위치 측정을 위하여 상기 수직 밀착 이동 수단(130)이 구멍 단면의 반지름 방향으로 면을 향해 이동 하여 구멍의 내부면에 밀착된 모습을 보여주고 있다. 이렇게 밀착하면 상기 수직 밀착 이동 수단(130)에 부착된 회귀반사체(140)도 3차원 공간 내에서 고정되며 이 상태에서 레이저 트랙커(300)은 상기 회귀반사체(140)에 반사되어 돌아온 레이저 광선을 이용하여 상기 회귀반사체(140)의 3차원 공간 내 위치를 측정하며 이는 측정된 데이터로 저장된다. 상기 중심축 방향 이동수단(110)이 고정된 채 상기 단면상 회전 수단(120)이 일정 각도만큼 회전하여 상기 수직 밀착 이동 수단(130)을 구멍 내부면에 밀착시키며 상기 회귀반사체(140)의 3차원 위치 정보를 측정하는 작업을 반복하여 상기 단면상 회전 수단(120)이 한바퀴 회전하면 구멍 단면의 원에 관련된 데이터가 얻어지며 상기 회귀반사체(140)와 상기 수직 밀착 이동 수단(130)의 기하학적 관계는 결정되어 있으므로 이를 이용하면 구멍 단면의 원 정보가 결정되게며 이러한 단면의 원 정보를 얻는 작업을 상기 중심축 방향 이동수단(110)을 정해진 간격으로 조금씩 이동시키며 반복하면 구멍 전체의 원통에 대한 정보가 획득되게 된다. 이렇게 측정된 구멍의 3차원 형상 정보는 구멍의 가공정밀도 검사, 진직도 검사, 진원도 검사, 구멍의 마모 및 변형 검사 등 가공, 검사, 유지보수 시 다양한 목적으로 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 혈내 이동체의 중심축 방향 이동 수단의 다른 실시예의 구성도이다. 도 2처럼 복수개의 이동바퀴(111)들을 이용하여 구성할 수도 있지만, 도 4에 보여지는 것 처럼, 중심축 방향 이동 수단(110)을 전방관절(112)과, 상기 전방관절에 부착된 후방관철 이동축(113) 상에서 구멍의 중심축 방향으로 전후진 운동이 가능한 후방관절(114) 두 관절로 구성하고, 각 관절에 구멍 단면의 반지름 방향으로 확장, 수축이 가능한 상기 전방관절(112)에 부착된 복수개의 전방관절 밀착편(115)들과 상기 후방관절(114)에 부착된 복수개의 후방관절 밀착편(116)들로 구성하여 상기 이동바퀴가 구멍 내부면에 밀착되어 구르는 대신 관절의 증분 이동 동작을 수행하여 상기 이동의 목적을 달성할 수도 있다.

도 5는 관절 증분 이동식 혈내 이동체의 이동 동작의 일실시예의 동작 순서도이다. 도 5의 (A) 부터 (G)까지는 이동을 위한 동작 순서 이며 그림 내의 화살표는 전 순서에서 움직여진 부분의 방향을 표시한다. (A)에서 전방관잘 밀착편들과 후방관절 밀착편들은 모두 반지름방향으로 확장되어 구멍 내부면에 밀착되어 있으며 이 경우 혈내 이동체는 구멍 내부에 완전하게 고정되어 있다. (B)는 후방관절 밀착편들이 중심축방향으로 수축하여 구멍 내부면으로부터 분리되어 있는 상태이며, (C)는 자유로워진 후방관절이 구멍의 중심축 방향으로 증분이동한 모습을 보여준다. 여기서 전방관절은 (A)의 상태와 동일하게 구멍 내부면에 밀착, 고정되어 있다. (D)는 후방관절 밀착편들이 구멍 내부면을 향해 다시 확장하여 밀착된 상태를 보여준다. (E)는 전방관절 밀착편들이 중심축방향으로 수축하여 구멍 내부면으로부터 분리되어 있는 상태이며, (F)는 자유로워진 전방관절이 구멍의 중심축 방향으로 증분이동한 모습을 보여준다. 이렇게 전방관절이 이동함에 따라 단면상 회전 수단, 수직 밀착 이동 수단, 회귀반사체도 동일한 거리만큼 이동하게 된다. (G)는 전방관절 밀착편들이 구멍 내부면을 향해 다시 확장하여 밀착된 상태를 보여준다. 이 상태로 혈내 이동체의 구멍 중심축 방향 직선 이동은 종료되고 이 후 상기 단면상 회전 수단과 수직 밀착 이동 수단을 조금씩 움직이며 구멍 단면 원에 대한 위치정보 측정 작업을 수행하게 된다. 이러한 작업이 종료되면 다시 (A)에서 (G)까지의 증분이동을 수행하여 다음위치로 이동하고 측정작업을 반복한다.

도 6은 간극센서와 구명 내면 검사용 카메라 장착의 일실시예도이다. 측정대상 구멍은 매끈한 경우도 있지만 도 6에 보여지는 것처럼 반복되는 홈(211) 등 다양한 가공이 되어 있는 경우도 있다. 이러한 가공의 대표적인 것으로 포열 내의 나선 홈과 같은 것들이 있으며 본 발명에서 측정을 위하여 사용되는 수직 밀착 이동 수단(130)은 이러한 홈을 피하여 구멍의 기준 내부면에 밀착되어야 한다. 이러한 홈을 피하기 위하여 단면상 회전 수단(120) 상 또는 수직 밀착 이동 수단(130)에 구멍 내부면상의 홈(211)을 탐지하는 간극센서(121)를 장착하여 홈 존재 여부를 감지함으로써 홈이 없는 곳에 단면상 회전 수단(120)을 정지시켜 측정작업을 수행하게 할 수 있다. 또한, 단면상 회전 수단(120) 상 또는 수직 밀착 이동 수단(130)에 구멍 내면 검사용 카메라(122)를 장착하여 구멍의 3차원 형상 측정작업을 수행하면서 동시에 카메라로 구멍의 내부면의 영상을 촬영하여 외부로 전달함으로써 구멍 내부면의 검사가 가능하도록 할 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

100 : 혈내 이동체
110 : 중심축 방향 이동 수단
111 : 이동바퀴
112 : 전방관절
113 : 후방관절 이동축
114 : 후방관절
115 : 전방관절 밀착편
116 : 후방관절 밀착편
120 : 단면상 회전 수단
121 : 간극센서
122 : 구멍 내면 검사용 카메라
130 : 수직 밀착 이동 수단
131 : 탄성관절부
140 : 회귀반사체
150 : 동작 제어 수단
200 : 구멍 보유체
201 : 구멍 내 가공 홈
210 : 측정대상 구멍
300 : 레이저 트랙커

Claims (3)

1. 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템에 있어서,
   
   구멍 내에 투입되어 구멍 내에서 마찰력에 의해 미끄러지지 않고 위치할 수 있으며 구멍의 중심축 방향으로 전후 이동운동을 하는 중심축 방향 이동 수단;
   상기 중심축 방향 이동 수단에 결합되어 구멍의 중심축과 수직인 구멍의 원형 단면과 평행하게 회전하는 단면상 회전 수단;
   상기 단면상 회전 수단에 결합되어 구멍의 원형 단면 상에서 반지름방향으로 전후 이동이 가능하여 구멍의 내면에 수직으로 밀착이 가능한 수직 밀착 이동 수단;
   상기 수직 밀착 이동 수단 위에 부착되는 레이저 광선 회귀반사체;
   상기 수단들의 움직임을 제어하기 위한 동작 제어 수단; 및
   구멍 외부에 설치되어 고정된 레이저 트랙커를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   
   상기 단면상 회전 수단이나 상기 수직 밀착 이동 수단에 간극센서가 장착되는 것을 특징으로 하는 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   
   상기 단면상 회전 수단에 구멍 내면 검사용 카메라가 장착되는 것을 특징으로 하는 원형 구멍의 3차원 형상 측정 시스템.
   

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