KR20030079202A - 3차원 측정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 상에서 피측정물과 접촉하는 프로브를 이용하여 발생하는 상대적 변위를 전기적 신호로 변환하여 임의의 피측정물의 특정점 위치를 검출함으로써, 자유 곡면을 구비한 복잡한 형상의 피측정물 등의 측정을 보다 용이하게 하기 위한 3 차원 측정기에 관한 것이다.

본 발명은 X, Y, Z 좌표계를 형성하도록 이루어지고, 비중이 가벼운 금속재질로 이루어진 프레임과; 프레임의 X축 방향으로 설치된 X축 이송프레임부와; 프레임의 Y축 방향으로 설치되고, 전, 후 방향으로(X 축 상으로) 이동가능하게 설치된 Y축 이송프레임부와; 프레임의 Z축 방향으로 설치되고, 좌, 우, 상, 하 방향으로(Y, Z 축 상으로) 이동가능하게 설치된 Z축 이송프레임부와; Z축 이송프레임부 상에 설치된 리니어 스케일과; 상단부가 리니어 스케일의 일측에 상, 하 이동가능하게 설치된 연결부재와, 연결부재의 하단부측에 설치된 롤러부재로 이루어진 검출부를 포함한다.

Description

3차원 측정기{Three dimensional coordinate measuring machine}

본 발명은 3차원 측정기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 상에서 피측정물과 구름 접촉하는 구 형상의 롤러부재를 이용함으로써, 자유 곡면을 구비한 복잡한 형상의 피측정물 등의 측정을 보다 용이하게 하기 위한 3 차원 측정기에 관한것이다.

일반적으로, 3차원 측정기는 측정기의 좌, 우 방향을 X축, 전, 후 방향을 Y축, 상, 하 방향을 Z축으로 하여 공작물의 치수, 형상, 윤곽 등을 측정하기 위한 기기로서, 이러한 측정기의 선단(측정 헤드)상에는 피측정물의 위치 검출 소자인 프로브(probe)가 부착된다. 이러한 3차원 측정기의 측정을 위해서는 측정 방법 또는 측정 능률을 고려한 적절한 프로브의 선택이 필요하다.

이러한 프로브 시스템은 피측정물의 좌표 위치를 검출하는 장치로서, 접촉식과 비접촉식으로 대분된다. 즉, 피측정물과의 접촉에 의해 위치 검출이 가능한 것이 접촉식이고, 피측정물과 접촉하지 않고 위치 검출이 가능한 것이 비접촉식이다. 이러한 비접촉식은 접촉식으로 탐지가 곤란한 소형물이나 고무 제품 등과 같이 접촉으로 인해 변형이 발생하기 쉬운 측정 대상물에 주로 이용된다.

한편, 접촉식 프로브 시스템은 프로브 헤드(probe head), 연장바(extension bar), 프로브 팁(probe tip), 오토 프로브 체인저(auto probe changer) 등으로 이루어지며, 이중에서 프로브(probe)가 위치 검출의 직접적인 역할을 수행한다. 이러한 접촉식 프로브 시스템은 측정점에 대해 상대적으로 움직이는 측정기의 구성요소가 위치할 자리를 제공하는 장치로서, 즉, 측정점(measurment point)과 접촉하는 프로브 팁을 3 차원 측정기에 연결시키는 부분으로, 프로브 팁은 측정점과 접촉하면 상대적으로 움직이게 되고, 이러한 움직임을 감지하여 신호를 전송하여 측정점의 좌표값을 검출하기 위한 장치이다.

이러한 접촉식 프로브 시스템은 기계식, 스위칭식, 비례식 등으로 구분되며,기계식은 프로브의 형상에 따라, 테이퍼 프로브, 원통 프로브, 볼 프로브, 만능 프로브, 디스크 프로브, 반구 프로부, 포인트 프로브 등으로 구분되고, 스위칭식은 트리거 프로브, 판 스프링식 프로브, 압전식 프로브 등으로 구분된다.

한편, 상술한 종래의 접촉식 프로브 시스템은 복잡한 형상의 피측정물의 정밀한 측정을 위해서 동심도, 위치도, 직각도 등의 형상정도가 고정밀도로 제작됨으로써, 프로브 자체가 매우 고가임과 동시에, 그 사용 횟수가 증가함에 따라 프로브 자체의 마모량이 심하여 그 정밀도가 저하될 수 있는 우려가 있었다.

또한, 피측정물의 안정적인 고정을 위해 3 차원 측정기의 프레임을 스틸 재질로 제작함으로써, 그 자체의 중량이 매우 크게 설계되어 제작 단가가 매우 상승하는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 접촉식 프로브 시스템은 각 접촉점을 개별적으로 측정함으로써, 그 측정 시간이 매우 오래 걸리는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 프레임의 중량이 경량으로 설계되어 그 제조 단가가 상대적으로 저렴하고, 측정 대상물의 자유 곡면 상으로 구름운동을 하는 프로브 시스템을 적용하여 곡면의 연속 측정을 용이하게 하여 그 측정 시간을 단축시킨 3 차원 측정기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 측정기를 개략적으로 도시한 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 3차원 측정기의 검출부 및 리니어 스케일을 도시한 사시도.

도 3은 본 발명에 적용되는 리니어 스케일의 구성 및 원리를 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 프레임1a : X축 이송프레임부

1b : Y축 이송프레임부1c : Z축 이송프레임부

3 : 리니어 스케일4 : 검출부

4a : 연결부재4b : 롤러부재

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, X, Y, Z 좌표계를 형성하도록 이루어지고, 비중이 가벼운 금속재질로 이루어진 프레임과; 프레임의 X축 방향으로설치된 X축 이송프레임부와; 프레임의 Y축 방향으로 설치되고, 전, 후 방향으로(X 축 상으로) 이동가능하게 설치된 Y축 이송프레임부와; 프레임의 Z축 방향으로 설치되고, 좌, 우, 상, 하 방향으로(Y, Z 축 상으로) 이동가능하게 설치된 Z축 이송프레임부와; Z축 이송프레임부 상에 설치된 리니어 스케일과; 상단부가 리니어 스케일의 일측에 상, 하 이동가능하게 설치된 연결부재와, 연결부재의 하단부측에 설치된 롤러부재로 이루어진 검출부를 포함한다.

바람직하게는, X축 이송프레임부는 그 내부에 서보모터에 의해 구동되는 벨트 전동장치를 구비하여, Y축 이송프레임부를 전, 후 방향으로 이송시킨다.

바람직하게는, Y축 이송프레임부 및 Z축 이송프레임부는 그 내부에 각각 이송스크류를 구비하여, Z축 이송프레임부를 좌, 우, 상, 하 방향으로 이송시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 3차원 측정기를 도시한다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 3차원 측정기는 프레임(1)과, 리니어 스케일(3)과, 검출부(4)를 포함한다.

프레임(1)은 알루미늄 합금 등과 같은 비중이 가벼운 금속 재질에 의해 사각틀 형상으로 이루어지고, 그 3차원 좌표계 상으로 X축 이송프레임부(1a)와, Y축 이송프레임부(1b)와, Z축 이송프레임부(1c)를 구비한다.

X축 이송프레임부(1a)는 프레임(1)의 X축 방향으로 설치되고, 그 내부에는 서보모터에 의해 구동되는 벨트 전동장치(1d)를 구비한다. 이러한 X축 이송프레임부(1a)의 맞은편의 프레임(1) 상에는 가이드부를 구비한다.

Y축 이송프레임부(1b)는 프레임(1)의 Y축 방향으로 설치되고, 그 내부에 서보모터에 의해 구동되는 이송스크류(미도시)를 구비한다. 한편, Y축 이송프레임부(1b)의 일측 단부는 상기 X축 이송프레임부(1a) 내부의 벨트 전동장치(1d)에 고정되어, 벨트 전동장치(1d)에 의해 전, 후 방향으로(즉, X 축 상으로) 이동된다.

Z축 이송프레임부(1c)는 프레임(1)의 Z축 방향으로 설치되고, 보다 상세하게는 Y축 이송프레임부(1b)의 일측에 설치된다. 이러한 Z축 이송프레임부(1c)의 내부에는 서보모터에 의해 구동되는 이송스크류(미도시)를 구비한다. 이러한 Z축 이송프레임부(1c)는 그 내부에 설치된 이송스크류(미도시)에 의해 상, 하 방향으로(즉, Z 축 상으로) 이동되고, 상술한 Y축 이송프레임부(1b)의 이송스크류(미도시)에 의해 좌, 우 방향으로(즉, Y 축 상으로) 이동된다.

한편, 이러한 Y축 이송프레임부(1b)을 이송시키는 X축 이송프레임부(1a)의 벨트 전동장치(1d)는 프레임(1)의 X 축의 길이가 Y, Z축의 길이보다 길게 형성됨에 따라 발생하는 처짐 및 좌굴을 방지하기 위한 것으로, 이송량의 정밀도를 향상시키는 특징이 있다. 또한, 이러한 벨트 전동장치(1d) 외에 체인-스프라켓 등과 같은 유사한 형태의 전동장치도 적용가능할 것이다.

리니어 스케일(3)은 상기 Z축 이송프레임부(1c)의 일측에 장착된다.

이러한 리니어 스케일(3)의 원리는 도 3에 도시된 바와 같이, 발광소자(3a)로부터 조사되는 광선이 가동슬릿부(3b) 및 고정슬릿부(3c)를 각각 통과하여 수광소자(3d)에서 포착되도록 이루어지고, 이러한 가동슬릿부(3b)에는 다수의 슬릿이 λ주기 간격으로 배열되며, 고정슬릿부(3c)에는 다수의 슬릿이 λ/4 주기 간격으로 배열된다. 가동슬릿부(3b)가 길이방향으로 이동하면, 발광소자(3a)로부터 조사되는 광선은 수광소자(3d)로 전달 또는 차단되고, 이에 따라, 수광소자(3d)에서 사인파 및 코사인파의 펄스가 출력된다. 이렇게 출력된 사인파 및 코사인파의 펄스는 각각 A/D변환기를 통해 디지털 신호로 변환되어 CPU상으로 입력된다.

검출부(4)는 연결부재(4a)와 롤러부재(4b)로 이루어진다. 연결부재(4a)는 그 상단부가 상술한 리니어 스케일(3)의 일측(도 3에 도시된 가동슬릿부(3b) 상에) 고정설치된다. 이러한 연결부재(4a)의 하단부에는 구 형상으로 형성된 롤러부재(4b)가 회전가능하게 설치되고, 이러한 롤러부재(4b)는 피측정물의 표면상으로 구름운동을 한다.

이하, 이상과 같이 구성된 본 발명의 3차원 측정기의 작동 관계를 상세히 설명한다.

먼저, 프레임(1)의 X, Y, Z 축 좌표계 상에 설치된 X축 이송프레임부(1a), Y축 이송프레임부(1b), Z축 이송프레임부(1c)의 적절한 이송에 의해 리니어 스케일(3)이 전, 후, 좌, 우, 상, 하 방향으로 피측정물(2)의 표면 상으로 이동된 후에, 리니어 스케일(3)의 설치된 검출부(4)의 롤러부재(4b)가 피측정물(2)의 측정하고자 하는 표면 상에 접촉된다.

다음, 검출부(4)의 롤러부재(4b)는 피측정물(2)의 표면과 접촉하면서 구름운동을 하면, 이러한 롤러부재(4b)의 상부에 결합된 연결부재(4a)는 직선운동을 하게된다. 이에 따라, 리니어 스케일(3)의 가동슬릿부(도 3 참조,3b)도 이러한 연결부재(4a)에 연동하여 직선운동을 한다. 이에 따라, 리니어 스케일(3)은 도 3에 도시 및 설명한 바와 같이, 가동슬릿부(3b)가 길이방향으로 이동하면, 발광소자(3a)로부터 조사되는 광선은 수광소자(3d)로 전달 또는 차단되고, 이에 따라, 수광소자(3d)에서 사인파 및 코사인파의 펄스가 출력된다. 이렇게 출력된 사인파 및 코사인파의 펄스는 각각 A/D변환기를 통해 디지털 신호로 변환되어 CPU상으로 입력된다. 이러한 리니어 스케일(3)의 작용에 의해, 피측정물(2)의 변위차는 상술한 검출부(4)의 롤러부재(4b) 및 연결부재(4a)의 구름 운동 및 직선 운동을 통해 리니어 스케일(3)의 변위값으로 변환되어 산출된다.

이러한 작동에 의해, 본 발명의 3차원 측정기는 피측정물의 표면 상으로 구름운동을 하며, 피측정물의 자유 곡면의 연속 측정이 매우 용이해지는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 3차원 측정기는 피측정물이 대형의 프로펠러와 같이 측정 정밀도가 상대적으로 저하되어도 무방한 피측정물의 경우에는 고정밀도로 제작된 프로브 시스템이 필요하지 않을 경우에, 저가의 비용으로 제작가능하여 그 경제적 효과가 매우 심대한 특징이 있다.

상기와 같은 본 발명은, 프레임의 중량이 경량으로 설계되어 그 제조 단가가 상대적으로 저렴하고, 측정 대상물의 자유 곡면 상으로 구름운동을 하는 프로브 시스템을 적용하여 곡면의 연속 측정을 용이하게 하여 그 측정 시간을 단축시킨 매우뛰어난 효과가 있다.

이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경실시할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. X, Y, Z 좌표계를 형성하도록 이루어지고, 비중이 가벼운 금속재질로 이루어진 프레임과;

   상기 프레임의 X축 방향으로 설치된 X축 이송프레임부와;

   상기 프레임의 Y축 방향으로 설치되고, 전, 후 방향으로(X 축 상으로) 이동가능하게 설치된 Y축 이송프레임부와;

   상기 프레임의 Z축 방향으로 설치되고, 좌, 우, 상, 하 방향으로(Y, Z 축 상으로) 이동가능하게 설치된 Z축 이송프레임부와;

   상기 Z축 이송프레임부 상에 설치된 리니어 스케일과;

   상단부가 상기 리니어 스케일의 일측에 상, 하 이동가능하게 설치된 연결부재와, 상기 연결부재의 하단부측에 설치된 구 형상의 롤러부재로 이루어진 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 X축 이송프레임부는 그 내부에 서보모터에 의해 구동되는 벨트 전동장치를 구비하여, 상기 Y축 이송프레임부를 전, 후 방향으로 이송시키는 것을 특징으로 하는 3차원 측정기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 Y축 이송프레임부 및 Z축 이송프레임부는 그 각각의 내부에 구동원에 의해 구동되는 이송스크류를 구비하여, 상기 Z축 이송프레임부를좌, 우, 상, 하 방향으로 이송시키는 것을 특징으로 하는 3차원 측정기.