KR101686825B1 - 3차원 스캐너용 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한명의 작업자만으로 전체 작업을 수행할 수 있는 3차원 스캐너용 제어 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, x-y-z방향으로 이동하는 암, 상기 암의 끝단에 부착되는 2축의 짐블, 상기 짐블 끝단에 부착되어 대상 물체의 표면에 초음파를 송신하여 반사된 초음파를 수신하는 헤드를 포함하는 3차원 스캐너를 제어하는 3차원 스캐너용 제어 장치에 있어서, 상기 암의 이동과 짐블의 자세를 제어하며, 상기 헤드의 신호를 수신하여 처리하는 제어용 컴퓨터; 및 상기 제어용 컴퓨터와 무선 통신에 의하여 헤드에 의하여 인식된 값을 디스플레이하며, 상기 제어용 컴퓨터에 3차원 스캐너의 동작을 지시하는 무선 단말기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 스캐너용 제어 장치{Control device for 3d scanner}

본 발명은 3차원 스캐너용 제어 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 초음파를 이용한 3차원 스캐너용 제어 장치에 관한 것이다.

항공용 부품 등의 정밀한 검사를 위하여 비교적 넓은 면적의 3차원 곡면을 측정하기 위한 3차원 스캐너가 널리 적용되고 있으며, 대표적으로 초음파를 이용한 3차원 스캐너를 들 수 있다.

상기 초음파 3차원 스캐너는 초음파 헤드, 상기 초음파 헤드를 구동하는 구동체를 포함하여 구성되며, 구동체의 작동 범위를 넓게 구성하는 경우 항공 구조물 등과 같이 넓은 재료의 3차원 표면을 스캐닝할 수 있는 장점이 있다.

예를 들면, 등록특허 제376809호에는 복잡한 표면 구조와 형상에 대해 비 파괴 검사를 수행하는 표면 스캐너로서, 이 스캐너는 두 개의 유연한 트랙을 구비하며, 각각에는 모터로 구동되는 트랙터 조립체가 결부되는 3차원 스캐너의 구성이 개시되어 있다. 이때 상기 두 개의 유연한 트랙을 강성 빔 트랙이며, 강성 빔 트랙은 적어도 3개의 독립 축을 따라서 조인트에서의 이동을 허용하는 관절 조인트에 의해 각각의 유연한 트랙의 트랙터 조립체에 결합되며, 강성 빔은 제 3 모터 구동트랙터을 지지하며, 상기 제 3 트랙터는 짐벌 결합된 기계 임피던스 검사 탐침, 초음파 검사 탐침, 및 와전류 검사 탐침을 배치하는 스러스터 조립체를 지지하며, 스캐너의 이동은 검사 대상 표면 위에서의 스캐너의 이동을 제어하는 하드웨어와 소프트웨어를 포함하는 스캔 제어 서브시스템에 의해 제어되고, 소프트웨어는 조작자로 하여금 동일한 좌표계를 사용하여 표면 및 데이터 디스플레이 상의 지점을 참고 하는, 전체 좌표계를 사용하여 검사 대상 표면에 대한 스캔 패턴을 미리 프로그램하도록 하는 티치 모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기와 같은 초음파를 이용한 3차원 스캐너의 경우에는 전체 3차원 표면을 스캔하기에 앞서, 일부 지점을 사전에 시스템 상에 입력하기 위한 티칭 모드를 실행한다.

이때 티칭 모드에서는 초음파 헤드는 대상 표면에 정확하게 수직(법선 방향)으로 접촉해야 표면의 형태를 정확하게 인식할 수 있으므로, 헤드의 위치와 자세를 제어장치와 연동되는 스위치 조작을 통하여 법선 방향을 작업자가 직접 찾는 방식으로 진행된다.

특히, 대상물의 크기가 크고, 필요한 경우 수조 내부 또는 대상물 양측면으로 물이 분사되는 환경에 대상물이 위치하므로, 초음파 헤드는 매우 넓은 영역에 걸쳐서 이동 한다.

이때 시스템 제어장치는 수조 밖의 영역에 위치하여, 시스템 제어장치를 조절하는 작업자와 헤드의 작업 상태를 감시하는 작업자가 별도로 필요하고, 특히 티칭 모드에서는 헤드의 작업자가 구두로 시스템 작업자에게 헤드의 조절을 요청하므로, 티칭 작업이 매우 불편한 상태에서 진행되었다.

또한 시스템과 헤드를 동시에 확인할 수 없으므로, 반드시 2명의 작업자가 공동으로 조작해야 전체 장치를 구동할 수 있는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 한명의 작업자만으로 전체 작업을 수행할 수 있는 3차원 스캐너용 제어 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, x-y-z방향으로 이동하는 암, 상기 암의 끝단에 부착되는 2축의 짐블, 상기 짐블 끝단에 부착되어 대상 물체의 표면에 초음파를 송신하여 반사된 초음파를 수신하는 헤드를 포함하는 3차원 스캐너를 제어하는 3차원 스캐너용 제어 장치에 있어서, 상기 암의 이동과 짐블의 자세를 제어하며, 상기 헤드의 신호를 수신하여 처리하는 제어용 컴퓨터; 및 상기 제어용 컴퓨터와 무선 통신에 의하여 헤드에 의하여 인식된 값을 디스플레이하며, 상기 제어용 컴퓨터에 3차원 스캐너의 동작을 지시하는 무선 단말기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 모바일 단말기는 조작부를 포함하며, 상기 조작부 동작시 상기 모바일 단말기는 해당 조작 신호를 상기 제어용 컴퓨터로 전송하고, 상기 제어용 컴퓨터는 상기 신호를 수신한 후, 상기 암의 위치와 짐블의 각도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 모바일 단말기는 출력부를 포함하며, 상기 출력부에는 상기 제어용 컴퓨터를 통하여 처리된 대상 물체의 표면 상태가 출력되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 모바일 단말기는 법선 인식부를 포함하며, 상기 법선 인식부가 동작시 상기 모바일 단말기는 해당 신호를 상기 제어용 컴퓨터로 전송하고, 상기 신호가 수신된 제어용 컴퓨터는 현재 헤드의 초점을 기준으로 x축으로 헤드를 일정한 각도 범위로 회전하여 표면 정보를 입수한 후, 표면 정보의 미분값이 0인 지점으로 헤드를 이동한 후, y축을 기준으로 일정한 각도 범위로 회전하여 표면 정보를 입수한 후, 표면 정보의 미분값이 0인 지점으로 헤드를 이동한 후 해당 헤드의 자세를 초점의 법선으로 인식하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제어용 컴퓨터는 상기 헤드에서 입수된 표면 정보를 상기 모바일 단말기로 전송하고, 상기 모바일 단말기는 상기 정보를 상기 출력부에 출력하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 모바일 단말기는 작업 조작부를 포함하며, 상기 작업 조작부가 작동 시 상기 모바일 단말기는 상기 작동 신호를 상기 제어용 컴퓨터로 전송하고, 상기 제어용 컴퓨터는 해당 작동 신호에 따라 상기 3차원 스캐너를 동작시키는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 모바일 단말기는 터치 스크린을 갖는 테이블릿 피씨인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3차원 스캐너용 제어 장치는 메인 컴퓨터와 연동되는 모바일 단말기를 추가하고, 상기 모바일 단말기를 통하여 장치의 작동을 지시할 수 있으므로, 작업 중 헤드의 상태와 측정 결과를 동시에 확인할 수 있는 장점이 있으며, 또한 초기 티칭 작업 시 헤드의 변화에 따라 변경되는 초음파 신호를 바로 확인할 수 있으므로, 티칭 작업이 매우 편리한 장점이 있으며, 더 나아가 한명의 작업자만으로 모든 작업을 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 스캐너용 제어 장치를 적용하기 위한 3차원 스캐너의 구성도이며,
도 2는 도 1에 도시된 짐블의 구성도이며,
도 3은 도 1에 도시된 헤드의 자세를 설명하는 구성도이며,
도 4는 본 발명에 따른 제어 장치의 구성도이며,
도 5는 도 4에 도시된 모바일 단말기의 화면 구성도이며,
도 6은 도 4의 모바일 단말기의 작동 시 작동하는 제어용 컴퓨터와 스캐너의 연계 동작을 설명하는 흐름도이다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

초음파를 이용한 3차원 스캐너는 구조에 따라 수침식과 분사식으로 구분할 수 있다. 수침식은 단일 초음파 헤드를 이용하여 표면을 스캔하는 것으로, 초음파 특성을 이용하기 위하여 물이 담긴 수조에 대상 물체를 담근 후, 초음파 탐상으로 표면의 형상을 스캔하는 구성으로 해드가 수직으로 배치되고, 비교적 넓은 공간을 차지한다.

반면 분사식은 얇은 쉘 구조의 판을 측정하는 용도로 사용되며, 2개의 헤드가 판의 양측에 수평으로 배치되고, 별도의 노즐에 의하여 물이 분사되어 초음파 측정이 가능한 환경을 제공한다. 또한 2개의 헤드를 동시에 이동하므로, 이동 구성이 다소 복잡하나, 비교적 높은 높이를 차지한다.

상기의 방식은 운용적 측면에서 차이가 있는 구성으로, 실제 기본 원리는 반사된 초음파를 이용하여 물체 표면을 감지하는 헤드와 상기 헤드를 구동하는 구동체의 측면에서는 동일하므로, 이하에서는 수침식을 기준으로 설명한다.

본 발명에 따른 3차원 스캐너(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전체 장치를 지지하는 프레임(10), 상기 프레임(10)에 슬라이드 결합하여 x방향을 이동을 생성하는 베이스(20), 상기 베이스(20)에 슬라이드 결합하여 y방향 이동을 생성하는 이동체(30), 상기 이동체(30)에 결합하여 z방향 이동을 생성하는 암(40), 상기 암(40)에 부착되는 짐블(50), 상기 짐블(50) 끝단에 부착되는 헤드(60)를 포함하여 구성된다.

상기 헤드(60)는 짐블(50)을 매개로 상기 암(40)의 끝단에 부착되어 있으며, 상기 짐블(50)은 일반적으로 롤링, 피칭, 요잉의 각도 변경을 수행하는 3축의 액추에이터가 구성되어 있으나, 본 발명에 적용되는 짐블(50)은 도 2에 도시된 바와 같이, 롤링의 동작은 제외되며, 피칭과 요잉을 위한 2개의 축으로 구성되어 있다.

상기 짐블(50)은 다른 형태로도 구성 가능하며, 본 발명에서 짐블(50)의 의미는 헤드(60)의 자세를 조절하는 의미로 사용되는 것으로 단순히 짐블(50)의 구성으로만 한정되지 않는다.

상기 헤드(60)는 초음파 센서를 포함하고 있으며, 초음파의 송신과 수신을 동시에 수행하도록 구성된다.

이때 상기 헤드(60)는 도 3에 도시된 바와 같이, 측정하고자 하는 대상 물체(1)의 표면의 법선 방향으로 위치하도록 제어되어야 하며, 상기 헤드(60)와 상기 대상 물체(1) 사이에는 물이 위치해야 하므로, 물이 담긴 수조에 상기 대상 물체(1)가 위치한다.

한편, 본 발명에 따른 3차원 스캐너용 제어 장치(90)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 암(40)의 이송, 짐블(50)의 회전, 상기 헤드(60)에서 수신되는 신호를 처리하는 제어용 컴퓨터(70) 그리고 상기 제어용 컴퓨터(70)와 무선 통신에 의하여 연결되는 모바일 단말기(80)를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 제어용 컴퓨터(70)는 3차원 스캐너(100)의 제어가 가능한 구성으로, 암(40) 및 짐블(50)의 제어, 헤드(60)의 출력신호의 처리 등을 단독으로 처리 가능하고, 별도의 데이터 베이스, 모니터 등을 포함하고 있다.

즉, 필요한 경우에는 상기 제어용 컴퓨터(70)만으로 3차원 스캐너(100)의 작동이 가능하다.

한편, 본 발명에 따른 제어 장치(90)는 모바일 단말기(80)를 추가로 포함하며, 상기 모바일 단말기(80)는 상기 제어용 컴퓨터(70)와 무선네트워크를 통하여 연결된다.

상기 모바일 단말기(80)는 테이블릿 피씨 또는 노트북 피씨로 구성될 수 있으나, 테이블릿 피씨가 바람직하다.

한편, 상기 3차원 스캐너(100)는 대상 물체(1)의 표면 형상을 스캔하기 전에 다수의 지점을 사전에 입력하는 티칭 모드가 수행된다.

상기 티칭 모드는 작업자에 의하여 수행되며, 대상 물체(1)의 형상에 따라 티칭 지점의 수가 차이가 있으며, 별다른 굴곡이 없이 단순한 컨벡스형 표면을 갖는 경우에는 몇가지 지점만을 피칭 지점으로 지정할 수 있으며, 다수의 굴곡이 많은 경우에는 변화되는 표면에는 반드시 티칭 지점을 입력해야지만 전체 표면 형상이 정확하게 스캔될 수 있다.

여기서 티칭 지점에서 입력되는 값은 전체의 위치 정보와 대상 표면(1)의 법선 방향이다. 특히 법선 방향은 현재의 값과 스캔한 표면 정보의 값을 이용하여 다음 스캔 지점의 법선 방향을 계산한 후, 상기 짐블(50)의 각도를 제어하므로, 정확한 값이 입력되어야 한다.

한편, 상기 티칭은 종래에는 상기 암(40)을 이동시킨 후, 상기 제어용 컴퓨터(70)에서 수신되는 헤드(60) 신호를 통하여 법선방향을 인식한 후, 해당 방향을 저장하는 방식으로 수행되었다. 따라서, 제어용 컴퓨터(70)의 헤드(60) 출력 화면을 감시하는 작업자와 짐블(50)을 조작하는 작업자가 필요하여 헤드(60) 작업자의 구두에 의하여 제어 작업자에게 암(40)과 짐블(60)의 각도 조작을 지시하여 법선 방향을 찾는 방식으로 진행되어 왔다.

본 발명에 따른 제어 장치(90)는 암(40)의 이동과 짐블(50)의 회전 조작을 상기 모바일 단말기(80)를 통하여 수행되도록 구현된다.

상기 모바일 단말기(80)는 도 5에 도시된 바와 같이, 터치 스크린 형태로 구성되며, 3차원 스캐너(100)의 구동을 위한 조작부(81)와 헤드(60)의 신호가 출력되는 출력부(82)를 포함하여 구성된다.

상기 조작부(81)는 조그 형태로 구성되며, 해당 방향을 조작한 경우, 상기 모바일 단말기(80)는 상기 신호를 제어용 컴퓨터(70)로 전송하고, 상기 제어용 컴퓨터(70)는 해당 신호에 따라, 상기 암(40)의 위치와 짐블(60)의 각도를 조절한다.

또한 상기 제어용 컴퓨터(70)는 상기 헤드(60)의 신호를 처리한 후, 상기 모바일 단말기(80)로 전송하고, 상기 모바일 단말기(80)는 전송된 헤드(60) 신호를 상기 출력부(82)에 출력한다.

또한 상기 모바일 단말기(80)는 법선 인식부(83)를 포함하며, 사용자가 상기 법선 인식부(83)를 조작하는 경우, 상기 제어용 컴퓨터(70)는 법선 인식 모드를 수행한다.

상기 법선 인식 모드는 도 6에 도시된 바와 같이, 현재 헤드(60) 초점을 기준으로 헤드(60)를 특정 방향으로 -70°내지 +70°회전시켜 제1 초음파 탐상을 실시한다.

이때 대상 물체(1) 표면의 높이가 상기 헤드(60)의 신호로 출력되고, 높이가 최대가 되는 지점의 각도에 위치한 후, 상기 회전 각도와 x-y 평면에서 90도로 회전된 축을 기준으로 다시 -70°내지 +70°회전시켜 제2초음파 탐상을 실시한다.

상기 제2초음파 탐상에서 가장 높은 값이 출력되는 부분에 상기 헤드(60)를 위치시키는 경우 해당 지점이 법선 방향이 된다.

상기 구성은 컨벡스 타입의 대상 물체(1)에 대하여 설명하였으나, 컨케이브한 경우에는 최소 높이를 기준으로 상기 방법을 진행하면, 되고, 새들형 곡면인 경우에는 최소값과 최대값을 혼합하여 선정하면된다.

이때, 표면의 미분값을 기준으로 미분값이 "0"지점을 인식하는 경우, 해당 표면의 법선을 인식하기에 유리하다.

통상 티칭 작업 시 작업자가 위치시키는 부분은 최대 또는 최소 점이 하나이므로 상기의 방식은 적절하다.

또한 제1초음파 탐상의 축은 편의상 x축(y축)을 기준으로 실시하고, 제1초음파 탐상의 축은 y축(x축)으로 설정하는 것이 바람직하다.

그리고 법선 인식을 위한 회전 각도는 편의상 70°로 한정하였으나, 기타 다른 각도로 한정 가능하다.

상기의 법선 인식 모드가 완료된 경우 상기 제어용 컴퓨터(70)는 해당 법선 방향에 대한 값을 상기 모바일 단말기(80)로 전송하여 작업을 완료한다.

또한 상기 모바일 단말기(80)는 실제 스캐닝을 진행할 수 있는 작업 조작부(84)를 포함하며, 상기 작업 조작부(84)를 통하여 작업자는 3차원 스캐너(100)의 작업을 지시할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 제어 장치(90)는 작업자가 모바일 단말기(80)를 통하여 헤드(60)를 직접 감시하면서 조작할 수 있으므로, 작업성이 매우 우수한 효과를 제공한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

1: 대상 물체 10: 프레임
20: 베이스 30: 이동체
40: 암 50: 짐블
60: 헤드 70: 제어용 컴퓨터
80: 모바일 단말기 81: 조작부
82: 출력부 83: 법선 인식부
84: 작업 조작부 90: 제어 장치
100: 3차원 스캐너

Claims (7)

1. x-y-z방향으로 이동하는 암, 상기 암의 끝단에 부착되는 2축의 짐블, 상기 짐블 끝단에 부착되어 대상 물체의 표면에 초음파를 송신하여 반사된 초음파를 수신하는 헤드를 포함하는 3차원 스캐너를 제어하는 3차원 스캐너용 제어 장치에 있어서,
   상기 암의 이동과 짐블의 자세를 제어하며, 상기 헤드의 신호를 수신하여 처리하는 제어용 컴퓨터; 및
   상기 제어용 컴퓨터와 무선 통신에 의하여 헤드에 의하여 인식된 값을 디스플레이하며, 상기 제어용 컴퓨터에 3차원 스캐너의 동작을 지시하는 모바일 단말기;를 포함하며,
   상기 모바일 단말기는 법선 인식부를 포함하며, 상기 법선 인식부가 동작시 상기 무선 단말기는 해당 신호를 상기 제어용 컴퓨터로 전송하고, 상기 신호가 수신된 제어용 컴퓨터는 현재 헤드의 초점을 기준으로 x축으로 헤드를 일정한 각도 범위로 회전하여 표면 정보를 입수한 후, 표면 정보의 미분값이 0인 지점으로 헤드를 이동한 후, y축을 기준으로 일정한 각도 범위로 회전하여 표면 정보를 입수한 후, 표면 정보의 미분값이 0인 지점으로 헤드를 이동한 후 해당 헤드의 자세를 초점의 법선으로 인식하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 제어 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 모바일 단말기는 조작부를 포함하며, 상기 조작부 동작시 상기 모바일 단말기는 해당 조작 신호를 상기 제어용 컴퓨터로 전송하고, 상기 제어용 컴퓨터는 상기 신호를 수신한 후, 상기 암의 위치와 짐블의 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 제어 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 모바일 단말기는 출력부를 포함하며, 상기 출력부에는 상기 제어용 컴퓨터를 통하여 처리된 대상 물체의 표면 상태가 출력되는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 제어 장치.
   
4. 삭제
5. 청구항 3에 있어서, 상기 제어용 컴퓨터는 상기 헤드에서 입수된 표면 정보를 상기 모바일 단말기로 전송하고, 상기 모바일 단말기는 상기 정보를 상기 모바일 단말기의 출력부에 출력하는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 제어 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 모바일 단말기는 작업 조작부를 포함하며, 상기 작업 조작부가 작동 시 상기 모바일 단말기는 상기 작동 신호를 상기 제어용 컴퓨터로 전송하고, 상기 제어용 컴퓨터는 해당 작동 신호에 따라 상기 3차원 스캐너를 동작시키는 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 제어 장치.
   
7. 청구항 1, 2, 3, 5 및 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모바일 단말기는 터치 스크린을 갖는 테이블릿 피씨인 것을 특징으로 하는 3차원 스캐너용 제어 장치.
   

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