KR101953888B1 - 결함 분석을 위한 3차원 검사 장비 및 이의 위치 보정 방법 - Google Patents

결함 분석을 위한 3차원 검사 장비 및 이의 위치 보정 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101953888B1
KR101953888B1 KR1020180041635A KR20180041635A KR101953888B1 KR 101953888 B1 KR101953888 B1 KR 101953888B1 KR 1020180041635 A KR1020180041635 A KR 1020180041635A KR 20180041635 A KR20180041635 A KR 20180041635A KR 101953888 B1 KR101953888 B1 KR 101953888B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
rotating body
support member
laser scanner
laser beam
dimensional
Prior art date
Application number
KR1020180041635A
Other languages
English (en)
Inventor
하창완
김창현
임재원
한형석
박도영
이종민
신병천
김동성
김봉섭
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Priority to KR1020180041635A priority Critical patent/KR101953888B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101953888B1 publication Critical patent/KR101953888B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G01B11/27—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

결함 분석을 위한 3차원 검사 장비는 지지 부재, 회전체, 카메라, 및 레이저 스캐너를 포함한다. 지지 부재는 구동 장치에 의해 위치 조정이 가능하다. 회전체는 지지 부재의 단부에 결합되며 지지 부재의 중심축과 일치하는 중심축을 가진다. 카메라는 대상물과 마주하는 회전체의 일측에 고정되며 대상물의 2차원 이미지를 획득한다. 레이저 스캐너는 지지 부재와 교차하는 연결 부재에 의해 회전체에 결합되고, 대상물에 대해 틸트각(θ)을 갖도록 위치하며, 회전체에 의해 회전하면서 대상물의 3차원 형상 정보를 획득한다.

Description

결함 분석을 위한 3차원 검사 장비 및 이의 위치 보정 방법 {3-DIMENSIONAL INSPECT DEVICE FOR DEFECT ANALYSIS AND METHOD FOR CORRECTING POSITION THEREOF}
본 발명은 카메라와 레이저 스캐너를 이용하여 대상물의 결함을 분석하는 3차원 검사 장비와, 검사 장비의 위치 보정 방법에 관한 것이다.
비파괴 검사는 대상물을 파괴하지 않고 대상물 내부의 기공이나 균열 등의 결함을 외부에서 검사하는 방법이다. 비파괴 검사 중 카메라에 의해 획득한 2차원 이미지를 이용하거나, 선형 레이저의 스캔으로 획득한 3차원 이미지를 이용하여 결함을 분석하는 기술이 사용되고 있다.
한국등록특허 제1604037호: 카메라와 레이저 스캔을 이용한 3차원 모델 생성 및 결함 분석 방법
본 발명은 대상물의 2차원 이미지와 3차원 이미지를 정밀 촬영하여 결함 분석의 정확성과 신뢰도를 높일 수 있는 3차원 검사 장비 및 이의 위치 보정 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 검사 장비는 지지 부재, 회전체, 카메라, 및 레이저 스캐너를 포함한다. 지지 부재는 구동 장치에 의해 위치 조정이 가능하다. 회전체는 지지 부재의 단부에 결합되며 지지 부재의 중심축과 일치하는 중심축을 가진다. 카메라는 대상물과 마주하는 회전체의 일측에 고정되며 대상물의 2차원 이미지를 획득한다. 레이저 스캐너는 지지 부재와 교차하는 연결 부재에 의해 회전체에 결합되고, 대상물에 대해 틸트각(θ)을 갖도록 위치하며, 회전체에 의해 회전하면서 대상물의 3차원 형상 정보를 획득한다.
대상물은 지지면에 고정될 수 있고, 지지 부재와 회전체는 중심축이 지지면과 직교하도록 위치할 수 있다. 연결 부재는 지지 부재와 직교하며 지지면과 평행을 이룰 수 있다.
지지 부재는 대상물을 향해 뻗은 직선형 부재일 수 있다. 3차원 검사 장비는 카메라와 레이저 스캐너 및 구동 장치와 전기적으로 연결된 제어부를 더 포함할 수 있다.
제어부는 위치 보정 알고리즘을 내장할 수 있으며, 카메라에 의해 획득한 레이저 스캐너의 레이저빔 경로로부터 지지 부재의 위치 보정을 위한 제어 신호를 생성하여 구동 장치로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법은 촬영 단계, 판별 단계, 연산 단계, 및 보정 단계를 포함한다. 촬영 단계에서, 레이저 스캐너가 회전하면서 대상물을 향해 레이저빔을 조사하고, 카메라가 레이저빔 경로를 촬영한다. 판별 단계에서 제어부는 레이저빔 경로가 정원(正員)인지 타원호(楕圓弧) 조합체인지 판단한다. 레이저빔 경로가 타원호 조합체일 때, 연산 단계에서 제어부는 타원호 조합체를 구성하는 제1 타원호의 긴 반지름 r1과 제2 타원호의 짧은 반지름 r2를 산출하고, 하기 수학식을 이용하여 대상물에 대한 지지 부재와 회전체의 틀어짐 방향과 틀어짐 각도(α)를 연산한다.
Figure 112018035643767-pat00001
여기서, L1은 지지 부재와 회전체의 길이 합, L2는 회전체와 대상물 사이의 거리, W는 회전체의 중심과 레이저 스캐너 사이의 거리, θ는 레이저 스캐너의 틸트각을 나타낸다.
보정 단계에서, 연산된 틀어짐 방향과 반대 방향으로 연산된 틀어짐 각도만큼 지지 부재의 위치를 보정한다.
타원 조합체는 제1 타원의 절반인 제1 타원호와 제2 타원의 절반인 제2 타원호가 둥글게 이어진 형상일 수 있고, 제1 타원은 제2 타원의 긴 지름을 자신의 짧은 지름으로 포함하는 타원일 수 있다.
제2 타원호는 지지 부재와 회전체의 틀어짐 방향을 향해 위치할 수 있고, 제1 타원호의 장축과 제2 타원호의 단축을 연결하는 가상의 선이 틀어짐 방향과 일직선 상에 위치할 수 있다. 제어부는 제2 타원호의 위치와 가상의 선으로부터 틀어짐 방향을 산출할 수 있다.
판별 단계에서 레이저빔 경로가 정원일 때 보정 작업이 종료될 수 있고, 보정 단계 이후 다시 촬영 단계부터 반복 실행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 카메라에 의한 2차원 이미지와 레이저 스캐너에 의한 3차원 형상 정보를 이용하여 대상물의 상태와 결함을 정밀하게 분석할 수 있다. 또한, 위치 보정 방법에 의해 지지 부재와 회전체를 대상물에 대해 정밀한 직교 상태로 배치하여 대상물의 3차원 형상 정보를 왜곡 없이 정밀하게 획득할 수 있다. 따라서 결함 분석의 정확성과 신뢰도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 검사 장비의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 대상물의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 대상물의 정면도이다.
도 4는 대상물의 2차원 이미지를 이용한 결함 분석 과정의 예시를 나타낸 이미지들이다.
도 5와 도 6은 레이저 스캐너에 의한 대상물의 3차원 형상 정보를 획득하는 과정을 나타낸 이미지들이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 검사 장비의 구성도이다.
도 8은 도 1에 도시한 3차원 검사 장비를 개략화하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10은 도 1에 도시한 3차원 검사 장비를 개략화하여 나타낸 도면이다.
도 11은 지지 부재와 회전체의 틀어짐 방향에 따른 타원호 조합체를 나타낸 도면이다.
도 12a 내지 도 12f는 틀어짐 각도에 따른 제1 타원호 및 제2 타원호의 반지름(r1, r2) 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 검사 장비의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 3차원 검사 장비(100)는 지지 부재(21)와, 지지 부재(21)에 결합된 회전체(30)와, 회전체(30)에 결합된 카메라(40)와 레이저 스캐너(50)를 포함한다. 카메라(40)와 레이저 스캐너(50)가 3차원 검사 장비(100)의 복합 센싱 장치를 구성한다.
대상물(10)은 비파괴 검사의 대상물로서, 예를 들어 볼트의 용접부일 수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 3차원 검사 장비(100)는 볼트의 용접부와 같이 둘레 방향을 따라 균일한 검사가 필요한 대상물(10)에 적합하다.
지지 부재(21)는 회전체(30)와 카메라(40) 및 레이저 스캐너(50)를 지지하는 지지체로서, 도시하지 않은 구동 장치에 의해 움직이며, 그 위치가 결정된다. 지지 부재(21)는 예를 들어 로봇 팔에 결합될 수 있고, 로봇 팔의 동작에 따라 움직이면서 위치 조정이 이루어질 수 있다. 다른 한편으로, 지지 부재(21)는 로봇 팔의 일부를 구성할 수도 있다.
지지 부재(21)는 대상물(10)을 향해 곧게 뻗은 직선형 부재일수 있으나, 이러한 예시로 한정되지 않는다. 대상물(10)은 지면과 나란한 바닥면(15)에 고정될 수 있고, 지지 부재(21)는 대상물(10) 위에서 대상물(10)과 거리를 두고 바닥면(15)과 직교하도록 위치할 수 있다.
회전체(30)는 지지 부재(21)의 하측 단부에 결합되며, 지지부재(21)의 중심축과 일치하는 중심축을 가진다. 도면에서 가상의 z축은 대상물(10)의 중심을 가로지르며 바닥면(15)과 직교한다. 지지 부재(21)와 회전체(30)의 중심축은 가상의 z축과 일치할 수 있다.
회전체(30)는 구동 모터(35)에 의해 회전한다. 예를 들어, 구동 모터(35)는 지지 부재(21)의 하측 단부에 결합될 수 있고, 회전체(30)는 구동 모터(35)의 하측에서 도시하지 않은 회전축을 통해 구동 모터(35)에 결합될 수 있다. 구동 모터(35)와 회전체(30)의 결합 구조 및 구동 모터(35)의 위치는 도시한 예시로 한정되지 않는다.
카메라(40)는 대상물(10)을 향한 회전체(30)의 하측에 고정되며, 대상물(10)을 위에서 촬영하여 대상물(10)의 윗면에 대한 2차원 이미지를 획득한다. 카메라(40)는 통상의 2차원 카메라로 구성될 수 있다.
레이저 스캐너(50)는 지지 부재(21)와 교차하는 연결 부재(22)에 의해 회전체에 결합된다. 연결 부재(22)는 지지 부재(21)와 직교하며 바닥면(15)과 나란한 직선형 부재일 수 있다. 레이저 스캐너(50)는 대상물(10)과 회전체(30) 사이의 거리만큼 대상물(10)의 위쪽에 위치하고, 연결 부재(22)의 길이만큼 대상물(10)의 옆쪽에 위치한다.
레이저 스캐너(50)는 연결 부재(22)의 단부에 고정된 하우징(51)과, 하우징(51) 내부에 장착된 레이저 광원(52) 및 레이저 수신부(53)를 포함한다. 레이저 광원(52)은 초고속 회전 거울을 통해 대상물(10)을 향해 레이저빔(LB)을 분산 주사하고, 레이저 수신부(53)는 대상물(10)에서 반사된 레이저빔을 수신한다.
레이저 광원(52)과 레이저 수신부(53)는 대상물(10)에 대해 소정의 틸트각(θ)을 갖도록 위치한다. 틸트각(θ)은 바닥면(15)과 직교하는 z축을 기준으로 레이저 광원(52)과 레이저 수신부(53)가 기울어진 각도를 의미한다. 레이저 스캐너(50)는 회전체(30)에 의해 360° 회전하면서 대상물(10)을 스캔하여 대상물(10)의 3차원 형상 정보를 획득한다.
카메라(40)와 레이저 스캐너(50)는 제어부(60)와 전기적으로 연결된다. 제어부(60)는 카메라(40)에 의한 2차원 이미지와 레이저 스캐너(50)에 의한 3차원 이미지를 저장하고, 결함 분석에 필요한 각종 도구를 제공한다. 제어부(60)는 모니터를 포함하는 컴퓨터로 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 대상물의 평면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 대상물의 정면도이다. 도 2와 도 3을 참고하면, 대상물(10)은 두 개의 용접 비드(11, 12)로 이루어진 볼트 용접부일 수 있다. 두 개의 용접 비드(11, 12)는 볼트(13)를 중심으로 대칭으로 위치하며, 소정의 길이(La, Lb)와 폭(w) 및 높이(h)를 가진다.
도 4는 대상물의 2차원 이미지를 이용한 결함 분석 과정의 예시를 나타낸 이미지들이다. 도 4를 참고하면, 2차원 이미지를 이용한 결함 분석 과정은 비드 마스크 생성(a), 비드 시작 및 끝부분 찾기(b), 비드 호(arc)의 길이 계산(c), 비드의 평균폭, 최대폭, 및 최소폭 획득(d), 비드 검출(e), 적응 이진화(f), 잡음 제거(g), 홀 및 언더컷 위치 파악(h), 홀 및 언더컷 검출(i) 단계들을 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 카메라(40)에 의해 획득한 2차원 이미지를 분석하여 대상물의 상태를 전수 검사할 수 있다. 구체적으로, 길이, 폭, 높이와 같은 용접 비드의 상태를 검사할 수 있고, 그을림, 홀, 언더컷과 같은 용접 불량을 검사할 수 있다.
다만 2차원 이미지는 단층 사진이므로, 조명 그림자 등에 의해 분석 정밀도가 높지 않다. 이를 보완하기 위해 불량이 의심되는 대상물(10)에 대하여 회전체(30)와 레이저 스캐너(50)를 작동하여 대상물(10)의 3차원 형상 정보를 획득하고, 이를 이용하여 대상물(10)의 결함을 정밀 분석할 수 있다.
도 5와 도 6은 레이저 스캐너에 의한 대상물의 3차원 형상 정보를 획득하는 과정을 나타낸 이미지들이다. 도 5와 도 6을 참고하면, 대상물의 사선(위쪽 옆)에 위치한 레이저 스캐너가 360° 회전하면서 대상물을 스캔하여 대상물의 3차원 이미지를 획득한다. 도 6에서 왼쪽 이미지는 대상물의 3차원 이미지를 2차원화한 이미지이다.
3차원 검사 장비(100)는 레이저 스캐너(50)에 의한 3차원 이미지를 분석함으로써 2차원 이미지에서 분석하기 어려운 보다 정교한 결함 분석을 수행할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 검사 장비의 구성도이다.
도 7을 참고하면, 제2 실시예의 3차원 검사 장비(200)에서 대상물(10)은 지면과 직교하는 수직 벽면(16)에 고정될 수 있고, 지지 부재(21)는 대상물(10) 옆에서 대상물(10)과 거리를 두고 지면과 나란하게 위치할 수 있다.
회전체(30)는 대상물(10)을 향한 지지 부재(21)의 단부에 결합되며, 지지 부재(21)의 중심축과 일치하는 중심축을 가진다. 도면에서 가상의 x축은 대상물(10)의 중심을 가로지르며 수직 벽면(16)과 직교한다. 지지 부재(21)와 회전체(30)의 중심축은 가상의 x축과 일치할 수 있다.
카메라(40)는 대상물(10)을 향한 회전체(30)의 일측에 고정되며, 대상물(10)을 옆에서 촬영하여 대상물(10)의 옆면에 대한 2차원 이미지를 획득한다. 레이저 스캐너(50)는 지지 부재(21)와 교차하는 연결 부재(22)에 의해 회전체(30)에 결합된다. 연결 부재(22)는 지지 부재(21)와 직교하며 수직 벽면(16)과 나란할 수 있다.
레이저 스캐너(50)의 레이저 광원(52)과 레이저 수신부(53)는 대상물(10)에 대해 소정의 틸트각(θ)을 갖도록 위치한다. 틸트각(θ)은 수직 벽면(16)과 직교하는 x축을 기준으로 레이저 광원(52)과 레이저 수신부(53)가 기울어진 각도를 의미한다. 레이저 스캐너(50)는 회전체(30)에 의해 360° 회전하면서 대상물(10)을 스캔하여 대상물(10)의 3차원 형상 정보를 획득한다.
제2 실시예의 3차원 검사 장비(200)는 대상물(10)이 수직 벽면(16)에 위치하고 지지 부재(21)와 회전체(30)의 중심축이 지면과 나란한 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다.
한편, 도 1 및 도 7과 달리 대상물(10)은 경사면(도시하지 않음)에 위치할 수 있으며, 이 경우 지지 부재(21)와 회전체(30)의 중심축은 경사면에 직교하도록 정렬된다. 다시 말해, 대상물(10)이 위치하는 면(편의상 '지지면'이라 한다)의 기울기에 관계없이 지지 부재(21)와 회전체(30)의 중심축은 지지면과 직교하도록 정렬된다.
전술한 3차원 검사 장비(100, 200)는 360° 회전하는 레이저 스캐너(50)의 특성상 지지 부재(21)와 회전체(30)가 대상물(10) 및/또는 지지면과 정확하게 직교하지 않으면 레이저빔(LB)의 경로가 대상물(10)을 원주 방향으로 둘러싸는 정확한 원이 되지 못하고 변형되거나 대상물을 벗어날 수 있다. 이 경우 대상물(10)의 정밀한 3차원 형상 정보를 획득할 수 없게 된다.
도 8은 도 1에 도시한 3차원 검사 장비를 개략화하여 나타낸 도면이다.
도 8의 좌측 도면과 같이 지지 부재와 회전체의 중심축(CX)이 대상물(10)의 지지면(17)과 정확하게 직교 상태를 유지하는 경우, 대상물(10)에 도달한 레이저빔 경로(LP)는 정확한 원이 되고, 레이저빔 경로(LP)의 중심점은 대상물(10)의 중심점과 일치한다.
반면, 도 8의 우측 도면과 같이 지지 부재와 회전체의 중심축(CX)이 지지면(17)의 법선에 대해 α의 각도만큼 틀어짐이 발생한 경우, 레이저빔 경로(LP)는 두 개의 타원호(楕圓弧, elliptical arc)가 조합된 형상이 되고, 레이저빔 경로(LP)의 중심점은 대상물(10)의 중심점으로부터 이탈한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 9를 참고하면, 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법은 레이저 스캐너를 회전시키며 대상물을 향해 레이저빔을 조사하고, 카메라로 레이저빔 경로를 촬영하는 제1 단계(S10)와, 제어부에서 레이저빔 경로가 정원(正員)인지 타원호 조합체인지 판단하는 제2 단계(S20)를 포함한다.
또한, 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법은 레이저빔 경로가 타원호 조합체일 때 대상물의 지지면에 대한 지지 부재와 회전체의 틀어짐 방향과 틀어짐 각도를 연산하는 제3 단계(S30)와, 연산된 틀어짐 방향과 반대 방향으로 연산된 틀어짐 각도만큼 지지 부재의 위치를 보정하는 제4 단계(S40)를 포함한다.
도 10은 도 1에 도시한 3차원 검사 장비를 개략화하여 나타낸 도면이다.
도 1과 도 9 및 도 10을 참고하면, L1은 지지 부재(21)와 회전체(30)의 길이 합을 나타내고, L2는 회전체(30)와 대상물(10) 사이의 거리를 나타낸다. W는 회전체(30)의 중심과 레이저 스캐너(50) 사이의 거리를 나타낸다. θ는 레이저 스캐너(50)의 틸트각을 나타내며, α는 지지면(도 1의 경우 바닥면(15))에 대한 지지 부재(21)의 틀어짐 각도를 나타낸다.
제1 단계(S10)에서 구동 모터(35)의 작동으로 회전체(30)와 레이저 스캐너(50)가 360° 회전하면서 대상물(10)을 향해 레이저빔(LB)을 조사한다. 그리고 카메라(40)가 레이저빔 경로(LP)를 촬영하여 레이저빔 경로(LP) 이미지를 획득하고, 획득한 레이저빔 경로(LP) 이미지를 제어부(60)로 전송한다.
제2 단계(S20)에서 제어부(60)는 전송받은 레이저빔 경로(LP) 이미지를 분석하여 레이저빔 경로(LP)가 정원인지 타원호 조합체인지 판단한다. 이러한 판단은 제어부(60)에 미리 설정된 분석 알고리즘을 통해 실행될 수 있다. 제어부(60)가 판단한 레이저빔 경로(LP)가 정원이면 보정 작업이 종료되고, 레이저빔 경로(LP)가 타원호 조합체이면 제3 단계(S30)가 수행된다.
제3 단계(S30)에서 제어부(60)는 타원호 조합체를 구성하는 제1 타원호(EP1)의 긴 반지름(r1)과 제2 타원호(EP2)의 짧은 반지름(r2)을 산출한다. 지지 부재 (21)의 틀어짐에 의해 관찰되는 타원호 조합체는 제1 타원의 절반인 제1 타원호(EP1)와 제2 타원의 절반인 제2 타원호(EP2)가 둥글게 이어진 형상이다. 이때 제1 타원은 2b를 짧은 지름으로 하는 타원이고, 제2 타원은 2b를 긴 지름으로 하는 타원이다.
이어서 제어부(60)는 하기 수학식을 이용하여 대상물(10)의 지지면에 대한 지지 부재(21)(구체적으로 지지 부재(21)와 회전체(30)의 중심축(CX))의 틀어짐 방향과 틀어짐 각도(α)를 연산한다. 제3 단계(S30)의 반지름(r1, r2) 산출과 수학식 연산은 제어부(60)에 미리 설정된 연산 알고리즘을 통해 실행될 수 있다.
Figure 112018035643767-pat00002
도 10의 오른쪽 도면에서는 지지 부재(21)와 회전체(30)가 도면을 기준으로 왼쪽으로 틀어진 경우를 도시하였으나, 지지 부재(21)와 회전체(30)는 어느 방향으로도 틀어질 수 있다.
도 11은 지지 부재와 회전체의 틀어짐 방향에 따른 타원호 조합체를 나타낸 도면이다. 도 11을 참고하면, 지지 부재와 회전체가 틀어진 방향을 향해 r2를 짧은 반지름으로 하는 제2 타원호(EP2)가 위치하고, 제1 타원호(EP1)의 장축과 제2 타원호(EP2)의 단축을 연결하는 가상의 선이 틀어짐 방향과 일직선 상에 위치한다.
따라서 제어부는 제2 타원호(EP2)의 위치와, 제1 타원호(EP1)의 장축과 제2 타원호(EP2)의 단축을 연결하는 가상의 선으로부터 지지 부재와 회전체가 틀어진 방향, 즉 방위각을 산출할 수 있다. 이때 타원호 조합체의 형상은 3차원 검사 장비의 사양(L1, L2, W, θ)이 고정된 상태에서 회전 대칭이다.
다시 도 1과 도 9 및 도 10을 참고하면, 제4 단계(S40)에서 제어부(60)는 지지 부재(21)를 움직이는 구동 장치에 제어 신호를 출력하여 구동 장치가 제3 단계(S30)에서 연산된 틀어짐 방향과 반대 방향으로 제3 단계(S30)에서 연상된 틀어짐 각도만큼 지지 부재(21)를 움직이도록 한다. 이로써 지지 부재(21)의 위치 보정이 이루어진다.
예를 들어, 제3 단계(S30)에서 연산된 틀어짐 방향이 방위각으로 10°이고, 틀어짐 각도(α)가 20°인 경우, 제4 단계(S40)에서 제어부(60)는 지지 부재(21)를 방위각 190° 방향으로 20°만큼 틀어지도록 명령하는 제어 신호를 구동 장치에 출력한다. 그리고 구동 장치는 제어 신호에 의해 동작하여 지지 부재(21)의 위치를 보정한다.
제4 단계(S40) 이후 다시 제1 단계(S10)부터 반복 실행되어 위치 보정 후 레이저빔 경로(LP)가 정원이 되었는지 확인할 수 있고, 정원이 확인될 때까지 미세 보정이 반복될 수 있다.
도 12a 내지 도 12f는 틀어짐 각도에 따른 제1 타원호 및 제2 타원호의 반지름(r1, r2) 변화를 나타낸 그래프이다. 도 12a 내지 도 12f의 그래프는 3차원 검사 장비의 사양(L1, L2, W, θ)을 수학식 1에 대입하여 도출한 것이다. 하기 표에 도 12a 내지 도 12f 그래프의 사양을 나타내었다.
L1(m) L2(m) W(m) θ(°)
도 12a 1 1 0.5 10
도 12b 1 1 0.5 20
도 12c 1 0.5 0.5 10
도 12d 1 0.5 0.5 20
도 12e 1 0.5 0.5 30
도 12f 1 0.5 0.5 40
그래프의 가로축에서 틀어짐 각도(α)가 플러스인 것은 지지 부재(21)와 회전체(30)가 특정 방위각(제1 방위각)으로 틀어진 것을 의미하고, 틀어짐 각도가 마이너스(-)인 것은 지지 부재(21)와 회전체(30)가 (제1 방위각+180°)의 방위각으로 틀어진 것을 의미한다.
도 12a 내지 도 12f의 그래프에서, 제1 타원호(EP1)의 긴 반지름 r1과 제2 타원호(EP2)의 짧은 반지름 r2는 틀어짐 각도(α)가 영(zero)인 가상의 세로선을 기준으로 거울 대칭을 이룬다.
본 실시예의 위치 보정 방법에 따르면, 지지 부재(21)와 회전체(30)가 매우 정밀하게 대상물(10)에 대하여 직교 상태를 유지할 수 있다. 그 결과, 3차원 검사 장비(100, 200)는 회전하는 레이저 스캐너(50)를 이용하여 대상물(10)의 3차원 형상 정보를 왜곡 없이 정밀하게 획득할 수 있으며, 이에 따라 결함 분석의 정확성과 신뢰도를 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200: 3차원 검사 장비 10: 대상물
21: 지지 부재 22: 연결 부재
30: 회전체 35: 구동 모터
40: 카메라 50: 레이저 스캐너
60: 제어부

Claims (9)

  1. 구동 장치에 의해 위치 조정이 가능한 지지 부재;
    상기 지지 부재의 단부에 결합되며 상기 지지 부재의 중심축과 일치하는 중심축을 가지는 회전체;
    대상물과 마주하는 상기 회전체의 일측에 고정되며 상기 대상물의 2차원 이미지를 획득하는 카메라; 및
    상기 지지 부재와 교차하는 연결 부재에 의해 상기 회전체에 결합되고, 상기 대상물에 대해 틸트각(θ)을 갖도록 위치하며, 상기 회전체에 의해 회전하면서 상기 대상물의 3차원 형상 정보를 획득하는 레이저 스캐너
    를 포함하는 3차원 검사 장비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상물은 지지면에 고정되고,
    상기 지지 부재와 상기 회전체는 상기 중심축이 상기 지지면과 직교하도록 위치하는 3차원 검사 장비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결 부재는 상기 지지 부재와 직교하며, 상기 지지면과 평행을 이루는 3차원 검사 장비.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지지 부재는 상기 대상물을 향해 뻗은 직선형 부재이고,
    상기 카메라와 상기 레이저 스캐너 및 상기 구동 장치가 제어부에 연결되는 3차원 검사 장비.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 위치 보정 알고리즘을 내장하며, 상기 카메라에 의해 획득한 상기 레이저 스캐너의 레이저빔 경로로부터 상기 지지 부재의 위치 보정을 위한 제어 신호를 생성하여 상기 구동 장치로 출력하는 3차원 검사 장비.
  6. 제1항에 따른 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법으로서,
    상기 레이저 스캐너가 회전하면서 상기 대상물을 향해 레이저빔을 조사하고, 상기 카메라가 레이저빔 경로를 촬영하는 촬영 단계;
    제어부에서 상기 레이저빔 경로가 정원(正員)인지 타원호(楕圓弧) 조합체인지 판단하는 판별 단계;
    상기 레이저빔 경로가 타원호 조합체일 때 상기 제어부에서 타원호 조합체를 구성하는 제1 타원호의 긴 반지름 r1과 제2 타원호의 짧은 반지름 r2를 산출하며, 하기 수학식을 이용하여 상기 대상물에 대한 상기 지지 부재와 상기 회전체의 틀어짐 방향과 틀어짐 각도(α)를 연산하는 연산 단계; 및
    Figure 112018035643767-pat00003

    (여기서, L1은 상기 지지 부재와 상기 회전체의 길이 합, L2는 상기 회전체와 상기 대상물 사이의 거리, W는 상기 회전체의 중심과 상기 레이저 스캐너 사이의 거리, θ는 상기 레이저 스캐너의 틸트각을 나타낸다.)
    연산된 틀어짐 방향과 반대 방향으로 연산된 틀어짐 각도만큼 상기 지지 부재의 위치를 보정하는 보정 단계
    를 포함하는 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 타원호 조합체는 제1 타원의 절반인 상기 제1 타원호와 제2 타원의 절반인 상기 제2 타원호가 둥글게 이어진 형상이고,
    상기 제1 타원은 상기 제2 타원의 긴 지름을 자신의 짧은 지름으로 포함하는 타원인 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 타원호는 상기 지지 부재와 상기 회전체의 틀어짐 방향을 향해 위치하고, 상기 제1 타원호의 장축과 상기 제2 타원호의 단축을 연결하는 가상의 선이 틀어짐 방향과 일직선 상에 위치하며,
    상기 제어부는 상기 제2 타원호의 위치와 상기 가상의 선으로부터 틀어짐 방향을 산출하는 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 판별 단계에서 상기 레이저빔 경로가 정원일 때 보정 작업이 종료되고,
    상기 보정 단계 이후 다시 상기 촬영 단계부터 반복 실행되는 3차원 검사 장비의 위치 보정 방법.
KR1020180041635A 2018-04-10 2018-04-10 결함 분석을 위한 3차원 검사 장비 및 이의 위치 보정 방법 KR101953888B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180041635A KR101953888B1 (ko) 2018-04-10 2018-04-10 결함 분석을 위한 3차원 검사 장비 및 이의 위치 보정 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180041635A KR101953888B1 (ko) 2018-04-10 2018-04-10 결함 분석을 위한 3차원 검사 장비 및 이의 위치 보정 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101953888B1 true KR101953888B1 (ko) 2019-06-11

Family

ID=66847228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180041635A KR101953888B1 (ko) 2018-04-10 2018-04-10 결함 분석을 위한 3차원 검사 장비 및 이의 위치 보정 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101953888B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150138320A1 (en) * 2013-11-21 2015-05-21 Antoine El Daher High Accuracy Automated 3D Scanner With Efficient Scanning Pattern
KR101604037B1 (ko) 2014-05-09 2016-03-16 한국건설기술연구원 카메라와 레이저 스캔을 이용한 3차원 모델 생성 및 결함 분석 방법
KR101777229B1 (ko) * 2016-10-11 2017-09-11 포인트랩 주식회사 3차원 스캐너 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150138320A1 (en) * 2013-11-21 2015-05-21 Antoine El Daher High Accuracy Automated 3D Scanner With Efficient Scanning Pattern
KR101604037B1 (ko) 2014-05-09 2016-03-16 한국건설기술연구원 카메라와 레이저 스캔을 이용한 3차원 모델 생성 및 결함 분석 방법
KR101777229B1 (ko) * 2016-10-11 2017-09-11 포인트랩 주식회사 3차원 스캐너 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6194996B2 (ja) 形状測定装置、形状測定方法、構造物の製造方法、及び形状測定プログラム
KR101661665B1 (ko) 3차원 비전 시스템을 이용한 용접 품질 검사 장치 및 방법
CN113015595B (zh) 用于oct测量射束调整的方法和计算机程序产品
US11260471B2 (en) Method and device for monitoring a joining seam during joining by means of a laser beam
US9952038B2 (en) Shape measurement device, structure production system, shape measurement method, structure production method, and shape measurement program
JP4705479B2 (ja) ビード形状検出方法及び装置
JP2006200899A (ja) 開先計測方法、開先計測装置および開先計測システム
US10704897B2 (en) Method for detecting shape of butt joint of welded steel pipe, and quality control method and apparatus for welded steel pipes using the shape detecting method
KR102235832B1 (ko) 포터블형 용접 결함 검사장치 및 검사방법
CN111316060B (zh) 用于光学地测量管道的外螺纹轮廓的装置
CN111141767A (zh) 测量用x射线ct装置和使用该装置的ct重建方法
JP2002331383A (ja) 切断監視装置
JP2008302428A (ja) アーク溶接品質検査方法
KR101953888B1 (ko) 결함 분석을 위한 3차원 검사 장비 및 이의 위치 보정 방법
JP4783834B2 (ja) 開先計測システム
JP3530972B2 (ja) 形状測定装置
JP2001272215A (ja) ねじの測定方法及びその装置並びにねじ形状合否判定装置
JP2005014026A (ja) 溶接部の検査方法及び溶接支援システム
JP4552907B2 (ja) 形状測定器のずれ量取得方法、ずれ量取得用プログラム、および、ずれ量取得用基準ワーク
JP2018054430A (ja) 検査装置及び計測軌道経路生成方法
JP6526465B2 (ja) 真円度測定装置
CN113767282A (zh) 检测测试物体的位置异常的方法、控制系统、测试系统、机器人系统、测试机器人以及编程设备
KR101836136B1 (ko) 관통홀 중심측정 유닛 및 이를 이용한 검사장치
JP2565771B2 (ja) ワーク面の傾斜検出方法及び装置
JP7263602B1 (ja) 溶接ロボットシステムおよび判定方法