KR101644815B1 - 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템 및 검사방법 - Google Patents

소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템 및 검사방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소형 정밀기계부품의 전수검사를 하는 3차원 측정장비를 이용하는 검사시스템에 있어서, 가공된 소형 정밀기계부품이 투입되는 투입구를 포함해서, 일측에 구비된 제어모터를 동력원으로해서, 회전속도 및 회전각도가 제어되고, 투입된 측정물을 단계별 검사장치로 이송시키는 측정물 이송원판(100)과; 상기 측정물 이송원판(100)의 일측에 구비되고, 측정물의 외관을 촬영하여, 측정물의 외관의 스크레치 및 찍힘 불량여부를 디스플레이하고 판정하는 외관검사부(200)와; 상기 외관검사부(200)의 검사를 통과한 측정물에 대해서, 측정물의 회전동작을 카메라로 촬영하여, 측정물의 내경치수와 외경의 동심도를 검사하는 내경 및 동심도 검사부(300)와; 상기 내경 및 동심도 검사부(300)의 검사를 통과한 측정물에 대해서, 외경의 연마부에 대해서 측정물의 회전동작을 카메라로 촬영하여, 연마부의 치수를 검사하는 연마부 검사부(400)와; 상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400)의 검사에서 합격된 측정물은 양품으로 선별하여 이송하는 양품분류부(500)와; 상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400) 어느 하나에서 불합격된 측정물은 불량품으로 선별하여 이송하는 불량품분류부(600);를 포함하여 구성되는 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템에 의할 때, 하나의 검사 플랫폼에서 소형 정밀 기계부품류의 다양한 검사항목들의 표준화를 통해 양품/불량품을 판별할 수 있는 자동 전수검사 시스템을 제공하는 것이 가능하다.

Description

소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템 및 검사방법 { testing system for compact precision mechanical component and its method }
본 발명은 피검사물의 표면 형상 및 부품의 양품여부를 3차원으로 측정하기 위한 기계용 부품 3차원 검사 시스템 및 검사방법에 관한 것으로, 특히 레이저 스캐닝에 의하여 피검사물에서의 반사광의 반사각을 측정함으로써 피검사물의 표면에 대한 3차원 형상을 측정할 수 있는 3차원 표면 형상 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 현대 산업에서는 부품의 초소형화에 따라 그 가공에 있어서 필요한 만큼 최소한의 가공능력을 가진 이른바 초소형 미세제조 시스템이 요구되고 있다. 초소형 미세제조 시스템은 미세가공 기술, 초소형/고정도 이송 기술, 초소형 부품의 조립, 공정간 부품 계측 시스템이 필요하며 최종적으로 가공된 부품의 품질을 검사하는 시스템을 필요로 한다.
또한, 현대 산업에서 기계 부품들의 정밀도와 표면 마무리 조건이 그 어느 때보다 더 중요하게 요구되고 있는 가운데, 표면 형상의 측정과 이해는 현대 정밀 산업의 핵심이 되고 있는 반도체 산업에 있어서 더욱 절실히 요구되고 있는 실정이다.
특별히, 3차원 표면 형상 측정은 산업계에서 요구되는 고부가가치 기계부품들의 표면 정보의 확보와 향상에 반드시 필요하고, 정밀부품의 정상적인 기능 수행에 대한 판별과 예측에 중요한 위치를 차지하고 있으며, 소형 및 정밀 부품의 품질 검사 등을 신속하면서도 자동으로 수행하기 위한 3차원 표면 형상 측정 시스템의 필요성이 나날이 증대되고 있다.
이러한 상황에서 광학적 측정 방법은 균열, 결함의 검출, 표면 형상학의 분야에서 유용한 측정 방법으로 주목받고 있다. 3차원 표면 형상 측정기에서 성능의 관건은 고속, 고분해능으로 측정하는 것이다. 그러기 위해서는 광학적 측정원리를 이용한 3차원 표면 형상 측정기에서는 공진주파가 높아야 하고 스프링 상수가 작아야 하는데, 이를 위하여 광포획 된 마이크로 입자를 프로브로 사용하는 광포획 현미경(Optical Trap Microscope, OTM)이 제안되어 있다.
광포획 현미경은 입자에 작용하는 복원력이 광에 의한 힘뿐이므로 스프링 상수가 낮고 입자의 질량이 매우 작으므로 공진주파수도 비교적 높기 때문이다.
한편, 부품의 품질을 검사하는 시스템으로 최근 나노 관련 기술개발에 따라 각광받고 있는 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope)을 이용한 소형 부품 표면측정 시스템이 제안되어 있다. 원자간력 현미경은 기존의 현미경으로는 관측이 불가능했던 시료의 표면을 원자단위까지 측정 가능하게 하는 장치이다.
원자간력 현미경의 발달로 더욱 정밀한 시료 표면 형상의 측정이 가능하게 되었으나, 별도의 구동장치를 포함하지 않는 상태의 일반적인 측정범위 한계는 대체로 100 X 100 X 10㎛3 이하로서, 원자간력 현미경은 측정 면적이 대단히 제한적이다.
따라서 전술한 광포획 현미경이나 원자간력 현미경을 이용하여 소형 부품과 같은 상대적으로 큰 시료의 표면을 전반적으로 관찰하는데 있어서는 곤란한 문제점이 있다.
즉, 정밀한 3차원 표면 형상 측정기에 있어서 성능의 관건은 단순히 고속 및 고분해능으로 측정하는 것에 있는 것이 아니라, 사용자가 요구하는 측정범위에 대하여 얼마나 고속 및 고분해능으로 측정할 수 있느냐 하는 것에 달려있다.
한편, 기계 가공된 표면들을 넓은 영역에서 정확하고 빠르게 측정하기 위하여 큰 등가파장(Equivalent Wavelength) 간섭계에 대한 연구가 이루어져 왔다. 등가파장간섭계는 광원의 파장을 그대로 이용하지 않고, 광을 물체표면에 경사지게 조사함으로써 보다 큰 등가파장을 만들어 측정하는 방법을 이용한다.
그러나 등가파장간섭계는 프리즘이나 회절격자를 사용하여 광을 측정면에 경사지게 조사하여 큰 등가파장을 얻는 방법이므로, 불필요한 회절광 성분들이 많이 발생하는 문제 이외에도 다수의 프리즘 또는 회절격자를 비롯하여 편광광속분할기, 광속분할기 등을 사용됨으로써 측정장치의 크기가 커지는 문제점이 있다.
이러한 등가파장간섭계를 이용한 측정장치는 측정하고자 하는 시료의 크기에 비하여 상대적으로 크기가 큰 측정장치가 필요하기 때문에, 다양한 산업현장에 적용하기 위해서는 이를 수용할 수 있는 공간을 비롯하여 이를 장착하고 구동하기 위한 보조장치가 불필요하게 많이 제공되어야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 측정장치의 문제점을 해결하기 위해서 고안된 것으로, 정밀기계부품의 내경외경, 평행도동심도원통도 등의 형상공차, 단차 등에 대한 Machine Vision 측정 방법에 대한 연구개발을 통해 자동 전수검사 시스템 개발하여, 제품의 특징을 부여한 공용 검사플랫폼, 표준화된 Jig Unit, 공용 측정 프로그램 등을 개발하여 하나의 검사시스템에서 다양한 제품에 대한 검사 가능한 자동 전수검사 시스템 및 검사방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품의 전수검사를 하는 3차원 측정장비를 이용하는 검사시스템에 있어서, 가공된 소형 정밀기계부품이 투입되는 투입구를 포함해서, 일측에 구비된 제어모터를 동력원으로해서, 회전속도 및 회전각도가 제어되고, 투입된 측정물을 단계별 검사장치로 이송시키는 측정물 이송원판(100)과; 상기 측정물 이송원판(100)의 일측에 구비되고, 측정물의 외관을 촬영하여, 측정물의 외관의 스크레치 및 찍힘 불량여부를 디스플레이하고 판정하는 외관검사부(200)와; 상기 외관검사부(200)의 검사를 통과한 측정물에 대해서, 측정물의 회전동작을 카메라로 촬영하여, 측정물의 내경치수와 외경의 동심도를 검사하는 내경 및 동심도 검사부(300)와; 상기 내경 및 동심도 검사부(300)의 검사를 통과한 측정물에 대해서, 외경의 연마부에 대해서 측정물의 회전동작을 카메라로 촬영하여, 연마부의 치수를 검사하는 연마부 검사부(400)와; 상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400)의 검사에서 합격된 측정물은 양품으로 선별하여 이송하는 양품분류부(500)와; 상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400) 어느 하나에서 불합격된 측정물은 불량품으로 선별하여 이송하는 불량품분류부(600);를 포함하여 구성된다.
한편, 상기 내경 및 동심도 검사부(300)는, 상기 측정물을 선택적으로 정해진 회전수만큼 회전시켜서 매 회전시 촬영한 측정물의 겹쳐진 영상에서 내경치수와 외경치수의 최대 및 최소치를 측정하여 양품 및 불량 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기외관검사부(200)는, 상기 측정물의 외관을 선택적으로 정해진 배율로 촬영하여 양품 및 불량 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 연마부 검사부(400)는, 상기 측정물을 선택적으로 정해진 회전수만큼 회전시켜서 매 회전시 촬영한 측정물의 겹쳐진 영상에서 연마부의 최대 및 최소치를 측정하여 양품 및 불량 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 검사 및 측정에 따라, 상기 측정물에 대한 검사에 있어서, 상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400) 중 어느 하나의 검사에서 불량으로 판정나는 경우에 상기 측정물 이송원판(100)은 상기 측정물을 상기 불량품분류부(600)로 이송하여 분류하는 전수검사를 수행할 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품의 전수검사를 하는 3차원 측정장비를 이용하는 검사시스템을 이용한 검사방법에 있어서, 우선 측정물의 검사를 준비하는 검사대기단계; 상기 측정물을 측정물 이송원판(100)의 소정의 위치로 로딩하는 제품로딩 단계; 측정물을 소정의 고정지그를 이용해서 고정하고, 설정된 회전수만큼 회전시키는 단계; 구비된 정밀검사 카메라로 측정물의 측정부위를 촬영하여 캡쳐하는 단계; 검사 프로세싱을 가동해서 해당 검사를 수행하는 단계; 양품 또는 불량여부를 판정하는 단계;를 포함해서 구성되는 소형 정밀기계부품 3차원 검사 방법이 구성된다.
이때, 상기 검사를 수행하는 단계는, 상기 측정물의 외관에 대한 검사, 내경 및 동심도 검사 그리고 연마부 치수에 대한 검사를 수행하게 된다.
본 발명에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템에 의할 때, 하나의 검사 플랫폼에서 소형 정밀 기계부품류의 다양한 검사항목들의 표준화를 통해 양품/불량품을 판별할 수 있는 자동 전수검사 시스템을 제공하는 것이 가능하다는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 정밀기계용 소형부품의 내경외경, 평행도동심도원통도 등의 형상공차, 단차 등에 대한 Machine Vision 측정 방법에 대한 연구개발을 통해 자동 전수검사 시스템 개발하여, 제품의 특징을 부여한 공용 검사플랫폼, 표준화된 Jig Unit, 공용 측정 프로그램 등을 개발하여 하나의 검사시스템에서 다양한 제품에 대한 검사 가능하다는 장점 또한 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템의 전체 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템의 실제 구성을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템의 검사방법의 순서도이다.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템의 검사방법중 검사를 수행하는 단계를 나타낸 순서도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템의 전체 구성을 나타내는 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템의 실제 구성을 나타낸 사진이다.
일반적으로, 자동차 부품은 약 2만여 개로 이루어져 있으며, 너트와 같이 아주 작은 부품의 불량으로도 자동차 고장의 원인이 될 수 있으므로 납품업체에서는 사전에 전수검사를 통해 양품만을 납품하고 하고 있는 실정이다.
따라서, 현재 대량생산되는 기계용 소형부품의 검사는 작업자의 육안 및 게이지 조작을 통해 공정별 자주검사 후 전수검사에 의한 측정방법으로 불량품 발생시 LOT별 재검사하는 방법으로 검사시간 및 검사인원이 많이 요구되고 있고, 제품의 특성상 전수검사를 요구되는 것으로, 공정별로 검사 지그(Jig)를 제작하여 제품별로 별도의 검사 장비를 도입하여 수작업으로 검사하고 있다.
이에 대해서, 정밀기계부품의 내경외경, 평행도동심도원통도 등의 형상공차, 단차 등에 대한 Machine Vision 측정 방법에 대한 연구개발을 통해 자동 전수검사 시스템 개발하여, 제품의 특징을 부여한 공용 검사플랫폼, 표준화된 Jig Unit, 공용 측정 프로그램 등을 개발하여 하나의 검사시스템에서 다양한 제품에 대한 검사 가능한 자동 전수검사 시스템 개발의 필요성에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템 및 검사방법을 개발하여 제공하고자 한다.
살펴보면, 소형 정밀기계부품의 전수검사를 하는 3차원 측정장비를 이용하는 검사시스템에 있어서, 가공된 소형 정밀기계부품이 투입되는 투입구를 포함해서, 일측에 구비된 제어모터를 동력원으로해서, 회전속도 및 회전각도가 제어되고, 투입된 측정물을 단계별 검사장치로 이송시키는 측정물 이송원판(100)과; 상기 측정물 이송원판(100)의 일측에 구비되고, 측정물의 외관을 촬영하여, 측정물의 외관의 스크레치 및 찍힘 불량여부를 디스플레이하고 판정하는 외관검사부(200)와; 상기 외관검사부(200)의 검사를 통과한 측정물에 대해서, 측정물의 회전동작을 카메라로 촬영하여, 측정물의 내경치수와 외경의 동심도를 검사하는 내경 및 동심도 검사부(300)와; 상기 내경 및 동심도 검사부(300)의 검사를 통과한 측정물에 대해서, 외경의 연마부에 대해서 측정물의 회전동작을 카메라로 촬영하여, 연마부의 치수를 검사하는 연마부 검사부(400)와; 상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400)의 검사에서 합격된 측정물은 양품으로 선별하여 이송하는 양품분류부(500)와; 상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400) 어느 하나에서 불합격된 측정물은 불량품으로 선별하여 이송하는 불량품분류부(600);를 포함하여 구성된다.
한편, 상기 내경 및 동심도 검사부(300)는, 상기 측정물을 선택적으로 정해진 회전수만큼 회전시켜서 매 회전시 촬영한 측정물의 겹쳐진 영상에서 내경치수와 외경치수의 최대 및 최소치를 측정하여 양품 및 불량 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기외관검사부(200)는, 상기 측정물의 외관을 선택적으로 정해진 배율로 촬영하여 양품 및 불량 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 연마부 검사부(400)는, 상기 측정물을 선택적으로 정해진 회전수만큼 회전시켜서 매 회전시 촬영한 측정물의 겹쳐진 영상에서 연마부의 최대 및 최소치를 측정하여 양품 및 불량 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 검사 및 측정에 따라, 상기 측정물에 대한 검사에 있어서, 상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400) 중 어느 하나의 검사에서 불량으로 판정나는 경우에 상기 측정물 이송원판(100)은 상기 측정물을 상기 불량품분류부(600)로 이송하여 분류하는 전수검사를 수행할 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템에 적용되는 제어시스템은 장비 제어는 산업현장에서 일반적으로 손쉽고 수정/보완이 용이한 PLC 제어 방식을 사용하고, 측정 위치 제어는 수동 위치 조절에 따라 결정되며 미세 조정이 가능하도록 설계가 되어있고, 제품의 분류가 결정된 후 제품이동 시, 간이 로봇 시스템을 이용하여 적정위치에 이동하도록 설계가 되어있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템의 검사방법의 순서도이다. 도 4 는 본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템의 검사방법중 검사를 수행하는 단계를 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 소형 정밀기계부품의 전수검사를 하는 3차원 측정장비를 이용하는 검사시스템을 이용한 검사방법에 있어서, 우선 측정물의 검사를 준비하는 검사대기단계; 상기 측정물을 측정물 이송원판(100)의 소정의 위치로 로딩하는 제품로딩 단계; 측정물을 소정의 고정지그를 이용해서 고정하고, 설정된 회전수만큼 회전시키는 단계; 구비된 정밀검사 카메라로 측정물의 측정부위를 촬영하여 캡쳐하는 단계; 검사 프로세싱을 가동해서 해당 검사를 수행하는 단계; 양품 또는 불량여부를 판정하는 단계;를 포함해서 구성되는 소형 정밀기계부품 3차원 검사 방법이 구성된다.
이때, 상기 검사를 수행하는 단계는, 상기 측정물의 외관에 대한 검사, 내경 및 동심도 검사 그리고 연마부 치수에 대한 검사를 수행하게 된다.
한편, 상기 검사방법에 있어서, 검사 속도 향상을 위한 Multi-Processing 기술을 이용한 프로그래밍 을 적용하여, 하나의 검사 프로그램안에서 두 개의 프로세싱(Processing)을 이용하여 검사와 영상취득을 동시에 진행하는 알고리즘이 적용되었다.
그리고, 상기 외관검사에 있어서는, 먼지와 같은 미세한 이물질에 대해 필터링이 가능한 알고리즘 적용하고, 측정물의 다량의 Point를 찾아 수학적 이론을 바탕으로 한 측정 알고리즘을 적용한 프로그밍을 적용하였다.
또한, CCD의 위치를 설치할 때 또는 장비를 장시간 사용하거나 오랜 시간이 지나면서 진동 및 기타 이유로 카메라의 기울기가 틀어지는 문제 발생하게 되며, 이러한 문제점 해결을 위해 카메라의 기울기가 틀어지더라도 정밀한 측정이 가능할 수 있는 보정 알고리즘 적용하였다.
상기와 같은 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템 및 검사방법을 통해서, 대량 생산되는 정밀 기계용 소형부품의 전수 검사에 필요한 표준화된 DB를 구축하여 부품별로 개별적으로 제작되는 자동 검사장치의 공용화가 가능할 것으로 예상되고, 하나의 검사 플랫폼에서 다양한 제품에 대한 검사가 가능하는 것이 가능하다.
100. 측정물 이송원판 200. 외관검사부
300. 내경 및 동심도 검사부 400. 연마부 검사부
500. 양품분류부 600. 불량품분류부

Claims (7)

  1. 소형 정밀기계부품을 측정물로 하여 전수검사를 하는 3차원 측정장비를 이용하는 검사시스템에 있어서,
    가공된 소형 정밀기계부품이 투입되는 투입구를 포함해서, 일측에 구비된 제어모터를 동력원으로해서, 회전속도 및 회전각도가 제어되고, 투입된 측정물을 단계별 검사장치로 이송시키는 측정물 이송원판(100)과;
    상기 측정물 이송원판(100)의 일측에 구비되고, 측정물의 외관을 촬영하여, 측정물의 외관의 스크레치 및 찍힘 불량여부를 디스플레이하고 판정하는 외관검사부(200)와;
    상기 외관검사부(200)의 검사를 통과한 측정물에 대해서, 측정물의 회전동작을 카메라로 촬영하여, 측정물의 내경치수와 외경의 동심도를 검사하는 내경 및 동심도 검사부(300)와;
    상기 내경 및 동심도 검사부(300)의 검사를 통과한 측정물에 대해서, 외경의 연마부에 대해서 측정물의 회전동작을 카메라로 촬영하여, 연마부의 치수를 검사하는 연마부 검사부(400)와;
    상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400)의 검사에서 합격된 측정물은 양품으로 선별하여 이송하는 양품분류부(500)와;
    상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400) 어느 하나에서 불합격된 측정물은 불량품으로 선별하여 이송하는 불량품분류부(600);를 포함하여 구성되고,
    상기 내경 및 동심도 검사부(300)는,
    상기 측정물을 선택적으로 정해진 회전수만큼 회전시켜서 매 회전시 촬영한 측정물의 겹쳐진 영상에서 내경치수와 외경치수의 최대 및 최소치를 측정하여 양품 및 불량 여부를 판단하는 것을 특징으로 하고,
    상기 외관검사부(200)는,
    상기 측정물의 외관을 선택적으로 정해진 배율로 촬영하여 양품 및 불량 여부를 판단하는 것을 특징으로 하며,
    상기 연마부 검사부(400)는,
    상기 측정물을 선택적으로 정해진 회전수만큼 회전시켜서 매 회전시 촬영한 측정물의 겹쳐진 영상에서 연마부의 최대 및 최소치를 측정하여 양품 및 불량 여부를 판단하는 것을 특징으로 하며,
    상기 측정물에 대한 검사에 있어서,
    상기 외관검사부(200), 내경 및 동심도 검사부(300) 그리고 연마부 검사부(400) 중 어느 하나의 검사에서 불량으로 판정나는 경우에 상기 측정물 이송원판(100)은 상기 측정물을 상기 불량품분류부(600)로 이송하여 분류하는 것을 특징으로 하는 소형 정밀기계부품 3차원 검사 시스템.
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