KR20020016458A - 카메라와 엔코더를 이용한 폭 또는 두께 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CCD 카메라가 이동하면서 출력하는 신호를 프레임 단위로 캡쳐하고 이를 이미지 분석하여 측정 대상물의 폭 또는 두께를 정확하게 측정하는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 대상물(22)의 측면을 촬상하는 CCD 카메라(21)와, CCD 카메라(21)를 대상물(22)의 측면에 대해 상하로 이동시키는 이송스크루(24)와, 이송스크루(24)에 연결되어 CCD 카메라(21)의 이동거리를 측정하는 엔코더(26)와, CCD 카메라(21)의 출력신호와 엔코더(26)의 출력펄스를 받아 엔코더(26)의 펄스신호 1개당 CCD 카메라(21)의 출력신호를 프레임 단위로 1개씩 캡쳐하는 프레임 그래버(27) 및, 프레임 그래버(27)에서 제공하는 다수개의 프레임의 이미지를 분석하여 대상물의 폭을 산출하는 연산장치(28)를 포함한다.

Description

카메라와 엔코더를 이용한 폭 또는 두께 측정장치{Measuring system for width or thickness using camera and encoder}

본 발명은 임의 대상물의 폭 또는 두께를 측정하는 장치에 관한 것이며, 특히, CCD(Charge Coupled Device) 카메라가 이동하면서 출력하는 신호를 프레임 단위로 캡쳐하고 이를 이미지 분석하여 측정 대상물의 폭 또는 두께를 측정하는 장치에 관한 것이다.

비접촉 거리센서가 최근 자동화 장치에 다방면으로 사용되고 있으며, 그 중에서도 레이저를 이용한 센서(이하, '센서'라 칭함)는 작동거리(센서와 시편과의 거리)를 상대적으로 길게 할 수 있다는 장점으로 최근 많이 사용되고 있다.

종래의 폭 또는 두께 측정장치는 센서를 측정하고자 하는 측정 대상물의 양쪽에 서로 대향하도록 영구히 고정설치하고, 고정설치된 두 거리센서의 사이에 폭이나 두께를 알고 있는 측정 대상물을 위치시킨 후, 양쪽 센서의 측정값으로부터 두 센서간의 거리에 해당하는 오프셋 값을 설정하고, 차후 다른 측정물의 폭 또는 두께를 측정할 때 두 센서의 사이에 측정 대상물을 위치시킨 상태에서의 두 센서의 출력값을 상기 오프셋 값으로 보정하여 측정 대상물의 폭 또는 두께를 측정하였다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

A = 알고 있는 측정 대상물에 대한 센서 값

B = 알고 있는 측정 대상물에 대한 센서 값

C = 알고 있는 측정 대상물의 폭이나 두께 값

오프셋 = A + B + C

A' = 모르는 측정 대상물에 대한 센서 값

B' = 모르는 측정 대상물에 대한 센서 값

C' = 모르는 측정 대상물의 폭이나 두께 값

C' = 오프셋 - A' - B'

상기와 같은 종래의 측정장치는 고정설치된 두 센서를 이용하여 측정 대상물의 폭 또는 두께를 측정하기 때문에, 물체의 폭 또는 두께를 측정하기 위한 오프셋을 구하기 위해서는 정확도가 아주 높은 표준물체가 반드시 필요하고, 또한, 센서가 고정되어 있기 때문에 측정하고자 하는 측정 대상물을 측정장치까지 가져와야 하는 번거로운 점이 있었다. 특히, 두 센서 사이의 간격이 고정되어 있기 때문에 측정범위가 상기 두 센서 사이의 간격 이내로 고정되어 측정가능한 측정 대상물에 한계가 있는 문제점이 있었다.

앞서 설명한 바와 같은 폭 또는 두께 측정장치의 문제점을 보완하기 위하여 대한민국 특허출원 제99-61390호에서는 도 1과 같이 구성된 두께 측정장치에 대해 기술하고 있다.

도 1에 보이듯이, 종래의 두께 측정장치는, 대상물(12)의 측방향에 설치되어 측정거리에 따라 출력값을 달리하는 광센서(11)와, 광센서(11)를 지탱하는 브라켓(15)과, 광센서(11)를 상하로 이동시키는 이송스크루(14)와, 이송스크루(14)를 회전시키는 구동력을 제공하는 모터(13)와, 이송스크루(14)에 연결되어 광센서(11)가 이동하는 거리를 측정하는 엔코더(16)와, 광센서(11)와 엔코더(16)에 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환기(17) 및, 광센서(11)의 출력값이 변화하는 두 지점과 이 두 지점까지 광센서(11)가 이동한 거리를 엔코더(16)로 측정하여 이동거리를 계산하는 PC(18)로 구성되어 있다.

그러나, 앞서 설명한 종래의 두께 측정장치는 광센서를 사용하였는 데, 측정 대상물이 고온일 경우 광센서의 측정가능거리 내에 광센서를 위치시킬 수 없고, 또한, 분진이 심할 경우 레이저가 난반사되어 정확한 측정이 불가능하다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, CCD 카메라가 이동하면서 출력하는 신호를 프레임 단위로 캡쳐하고 이를 이미지 분석하여 측정 대상물의 폭 또는 두께를 정확하게 측정하는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 두께 측정장치의 구성도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라와 엔코더를 이용한 폭 또는 두께 측정장치의 구성도이고,

도 3은 도 2에 도시된 측정장치를 이용하여 측정 대상물의 경계를 포함하지 않는 부분을 측정하여 이미지 분석을 수행한 결과를 도시한 도면이며,

도 4는 도 2에 도시된 측정장치를 이용하여 측정 대상물의 경계를 포함하는 부분을 측정하여 이미지 분석을 수행한 결과를 도시한 도면이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

21 : CCD 카메라 22 : 측정 대상물

23 : 모터 24 : 이송스크루

25 : 브라켓 26 : 엔코더

27 : 프레임 그래버 28 : 연산 및 제어장치

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 대상물의 측면을 촬상하는 카메라와, 상기 카메라를 상기 대상물의 측면에 대해 상하로 이동시키는 이송수단과, 상기 이송수단에 연결되어 상기 카메라의 이동거리를 측정하는 엔코더와, 상기 카메라의 출력신호와 상기 엔코더의 출력펄스를 받아 상기 엔코더의 펄스신호 1개당 상기 카메라의 출력신호를 프레임 단위로 1개씩 캡쳐하는 프레임 그래버 및, 상기 프레임 그래버에서 제공하는 다수개의 프레임의 이미지를 분석하여 대상물의 폭을 산출하는 연산장치를 포함한다.

아래에서, 본 발명에 따른 카메라와 엔코더를 이용한 폭 또는 두께 측정장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라와 엔코더를 이용한 폭또는 두께 측정장치의 구성도이고, 도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 측정장치를 이용하여 측정 대상물의 경계를 포함하지 않는 부분과 경계를 포함하는 부분을 각각 측정하여 이미지 분석을 수행한 결과를 도시한 도면이다.

도 2에 보이듯이, 본 발명의 측정장치에 따르면, 두께를 측정하고자 하는 측정 대상물(22)의 측면에는 CCD 카메라(21)가 설치되어 있으며, 이런 CCD 카메라(21)는 브라켓(25)의 측면에 고정되어 있다. 한편, 브라켓(25)은 이송스크루(24)와 나사결합되어 있어 이송스크루(24)의 회전에 의해 브라켓(25)이 상하 이동하게 된다. 따라서, 이송스크루(24)의 회전은 CCD 카메라(21)의 상하 이동을 나타낸다.

그리고, 이송스크루(24)의 하단에는 모터(23)가 설치되어 있어, 이 모터(23)의 구동력에 의해 이송스크루(24)가 회전하고 이에 따라 CCD 카메라(21)가 일정거리만큼 움직이게 된다. 그리고, 이송스크루(24)의 상단에는 엔코더(26)가 설치되어 있으며, 이 엔코더(26)에서는 이송스크루(24)의 회전을 감지한다. 즉, 엔코더(26)는 이송스크루(24)의 회전에 따라 CCD 카메라(21)가 일정거리만큼 상하 이동하면 펄스신호를 발생하게 된다. 여기에서, 일정거리는 엔코더(26)의 분해능에 따라 달라지게 되는데, 보통 엔코더(26)의 분해능은 0.5mm~0.0005mm이다. 그리고, 이송스크루(24)의 길이는 측정하고자 하는 측정 대상물(22)의 두께(C)보다 훨씬 긴 길이를 가지고 있다.

한편, CCD 카메라(21)와 엔코더(26)는 프레임 그래버(27 ; Frame Grabber)에 연결되어 있고, 이런 프레임 그래버(27)에는 연산 및 제어장치(28)가 연결되어 있다. 프레임 그래버(27)는 CCD 카메라(21)의 출력신호와 엔코더(26)의 출력펄스를 받아, 엔코더(26)의 펄스신호 1개당 CCD 카메라(21)의 출력신호를 프레임 단위로 1개씩 캡쳐한다. 그리고, 연산 및 제어장치(28)는 프레임 그래버(27)에서 제공하는 다수개의 프레임의 이미지를 분석하여 측정 대상물(22)의 폭을 산출한다.

아래에서는, 앞서 설명한 바와 구성된 본 발명의 폭 또는 두께 측정장치의 작동관계에 대해 설명하겠다.

먼저, 모터(23)를 회전시켜 이송스크루(24)의 하단부에 CCD 카메라(21)가 위치하도록 한다. 그리고, 두께를 측정하고자 하는 측정 대상물(22)을 측정위치에 위치시킨다. 그러면, CCD 카메라(21)는 측정 대상물(22)의 하부면보다 하부에 위치하게 된다.

이런 상태에서 모터(23)를 회전시켜 CCD 카메라(21)를 측정 대상물(22)의 상부면보다 상부에 위치할 때까지 이동시킨다. 그러면, 모터(23)의 회전에 따라 엔코더(26)에서는 펄스신호를 발생하고, 프레임 그래버(27)에서는 CCD 카메라(21)의 출력신호를 캡쳐한다. 이 때, 측정 대상물(22)이 없는 구간에서 CCD 카메라(21)의 출력신호를 캡쳐하면, 도 3에 도시된 바와 같이 아무 것도 없는 상태여서 이미지 분석을 하면 아무런 경계가 나타나지 않는다. 그리고, 측정 대상물(22)이 있는 구간에서도 이미지 분석을 하면 아무런 경계가 나타나지 않는다.

그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 측정 대상물(22)의 경계를 포함하는 부분을 프레임 그래버(27)를 통하여 측정한 후 연산 및 제어장치(28)에서 이미지 분석을 하면 경계가 발견된다. 하지만, 측정 대상물(22)의 경계를 포함하는 구간은 1개가 아니라 복수개가 존재한다. 즉, 이런 경계는 CCD 카메라(21)의 한 화면의 화소수와 실제거리와의 변환비 및 엔코더(26)의 분해능에 따라 복수개 존재한다. 예를 들어, CCD 카메라(21)의 화소수가 640개이고, 엔코더(26)의 분해능이 1mm이고, 변환비(실제거리/화소)가 0.1mm일 경우, 측정 대상물(22)의 64mm 구간에서 경계가 발생하게 되며, 경계가 발생하는 화면수는 64개가 된다.

이렇게 측정 대상물(22)의 하부에서 상부까지 측정하여, 하부경계가 발생하는 가장 마지막 화면과 상부경계가 발생하는 가장 처음 화면 사이의 엔코더(26)의 하부측정점과 상부측정점을 각각 검출한다.

그럼 다음, 하부측정점과 상부측정점의 사이에서의 측정점 수에 엔코더(26)의 분해능을 곱하여 엔코더(26)의 하부측정점과 상부측정점 사이의 두께값(M)을 구한다. 그리고, 하부경계가 발생하는 마지막 화면의 중심선에서 그 경계까지의 화소수에 변환비를 곱하고(N), 상부경계가 발생하는 처음 화면의 중심선에서 그 경계까지의 화소수에 변환비를 곱하여(O), 이 값들을 앞서 구한 M에 더한다. 그러면, 구하고자 하는 측정 대상물(22)의 두께(C)가 된다. 이를 수식으로 표현하면 수학식 1과 같이 된다.

측정 대상물의 두께(C) = M + N + O

M = 하부측정점과 상부측정점 사이의 측정점 개수 * 엔코더 분해능

N = 하부경계가 발생하는 마지막 화면의 중심선에서 그 경계까지의 화소수 * 변환비

O = 상부경계가 발생하는 처음 화면의 중심선에서 그 경계까지의 화소수 * 변환비

이와 같은 일련의 작업을 수행하다가, CCD 카메라(21)가 설치된 브라켓(25)이 이송스크루(24)의 끝단부까지 이동하게 되면 더 이상 이송스크루(24)는 회전하지 못하게 되고, 이 때, 엔코더(26)에서는 이송스크루(24)의 회전이 멈춘 것을 감지하고 멈춤신호를 연산 및 제어장치(28)에 입력한다. 그러면, 연산 및 제어장치(28)에서는 모터(23)에 공급되는 전원을 차단하여 모터(23)의 회전을 중지시킨다.

앞서 설명한 실시예에서는 측정 대상물의 두께를 측정하는 과정에 대해 설명했지만, 위와 같은 동일한 과정을 통해 측정 대상물의 폭도 측정할 수가 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 카메라와 엔코더를 이용한 폭 또는 두께 측정장치는 CCD 카메라가 이동하면서 출력하는 신호를 프레임 단위로 캡쳐하고 이를 이미지 분석하여 측정 대상물의 폭 또는 두께를 정확하게 측정하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 측정장치는 줌 렌즈를 갖는 CCD 카메라를 사용할 경우에는 측정 대상물과 CCD 카메라와의 거리를 종래에 사용되던 광센서에 비해 상대적으로 멀게 할 수 있어, 고온의 측정 대상물에도 사용이 가능할 뿐만 아니라, 종래에 사용되던 광센서에 비해 비용이 저렴하여 매우 경제적이다.

또한, 본 발명의 측정장치는 CCD 카메라 한 개만으로도 측정이 가능하다는장점이 있다.

이상에서 본 발명의 카메라와 엔코더를 이용한 폭 또는 두께 측정장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

1. 대상물의 폭 또는 두께를 측정하는 측정장치에 있어서,

   대상물의 측면을 촬상하는 카메라와, 상기 카메라를 상기 대상물의 측면에 대해 상하로 이동시키는 이송수단과, 상기 이송수단에 연결되어 상기 카메라의 이동거리를 측정하는 엔코더와, 상기 카메라의 출력신호와 상기 엔코더의 출력펄스를 받아 상기 엔코더의 펄스신호 1개당 상기 카메라의 출력신호를 프레임 단위로 1개씩 캡쳐하는 프레임 그래버 및, 상기 프레임 그래버에서 제공하는 다수개의 프레임의 이미지를 분석하여 대상물의 폭을 산출하는 연산장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 폭 또는 두께 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 카메라가 CCD(Charge Coupled Device) 카메라인 것을 특징으로 하는 폭 또는 두께 측정장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연산장치는 대상물의 하부경계가 발생하는 가장 마지막 화면과 상부경계가 발생하는 가장 처음 화면 사이의 상기 엔코더의 하부측정점과 상부측정점을 각각 검출하고, 이 하부측정점과 상부측정점의 사이에서의 측정점 개수에 상기 엔코더의 분해능을 곱하여 구한 상기 엔코더의 하부측정점과 상부측정점 사이의 두께값(M)과, 대상물의 하부경계가 발생하는 마지막 화면의 중심선에서 그 경계까지의 화소수에 변환비를 곱한 값(N) 및, 대상물의 상부경계가발생하는 처음 화면의 중심선에서 그 경계까지의 화소수에 변환비를 곱한 값(O)을 합하여 대상물의 두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 폭 또는 두께 측정장치.