KR20070070733A

KR20070070733A - 곡판 부재 계측 장치

Info

Publication number: KR20070070733A
Application number: KR1020050133562A
Authority: KR
Inventors: 우상혁
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-07-04

Abstract

본 발명은 선박의 전면과 후면을 이루고 있는 곡주판/곡부재의 형상을 무인 자동으로 측정하는 곡판 부재 계측 장치에 관한 것이다.

본 발명의 곡판 부재 계측 장치는 계측 경로를 생성하기 위한 낮은 정밀도의 1차 계측을 수행하고 1차 계측 데이터로부터 상기 곡판 부재의 표면을 모델링하여 2차 계측에 필요한 계측 경로를 생성하는 1차 계측기와; 1차 계측에 의하여 생성된 계측 경로를 따라 이동하면서 높은 정밀도의 계측을 수행하고 높은 정밀도의 계측 데이터를 이용하여 곡판 부재의 표면을 모델링하고 모델링된 데이터로부터 가열 라인을 생성하는 2차 계측기와; 계측 경로에 따라 2차 계측기를 이동시키는 다축 로봇과; 1차 계측기의 위치와 2차 계측기의 위치를 각각 실시간으로 확인하는 위치 확인 수단; 및 1차 계측기와 2차 계측기로부터 각각 영상 데이터 및 위치 데이터를 입력 받고 미리 입력된 곡판 부재의 CAD 데이터를 비교하여 곡판 부재의 오차 데이터를 구하는 데이터 처리부;를 포함하여 구성된다.

본 발명은 대형 사이즈의 곡부재를 작업자 개입 없이 계측할 수 있는 자동화된 계측 장치를 제공하는 효과가 있다.

곡판, 곡주판, 곡부재, 형상 측정, 곡률 계측

Description

곡부재 무인 자동화 계측 장치{3D Self-Measurement System for the Curved Surface}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 곡판 부재 계측 장치의 구성을 나타낸 블럭도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡판 부재 계측 장치 구성을 나타내는 사시도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 곡판 부재 계측 과정을 나타낸 흐름도,

도 4a는 1차 계측시 곡판 부재에 격자 무늬가 형성된 것을 예시하는 도면,

도 4b는 생성된 계측 경로를 따라 수행하는 2차 계측의 개념을 나타내는 도면,

도 4c는 곡가공 시스템 가열선이 생성된 일 실시예를 나타낸 도면이다.

본 발명은 곡주판/곡부재의 계측 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 전면과 후면을 이루고 있는 곡주판/곡부재의 형상을 무인 자동으로 측정하는 곡판 부재 계측 장치에 관한 것이다.

선박의 곡면을 제작하기 위해서는 평판에 열을 가하여 원하는 곡면을 얻게 된다. 이렇게 제작된 곡판 부재는 설계에서 의도한 곡면과 동일한 형상을 이루어야 하며, 이를 위해 제작 시 계속적으로 곡면의 형상을 측정할 필요가 있다.

기존의 곡주판/곡부재 계측은 줄자, 운형자, 각종 3차원 목형 및 토목 측량용 광파기를 사용해 왔는데, 계측 시간이 오래 걸리고 그 방법상 정확한 계측이 이루어지지 않는 문제가 있었다. 특히 곡주판의 경우 거대한 크기로 인해 네 모서리에 추를 매달아 바닥에 마킹된 부분과 맞추는 방식을 사용하였는데, 이는 정확도가 매우 떨어지는 문제가 있었다. 또한 줄자, 운형자 및 목형을 이용한 계측은 계측자에 따라 계측 값이 다르게 나오고, 같은 사람이 여러 차례 계측한다고 해도 그 재현성에 있어 큰 오차가 있었다.

반면 측량용 광파기를 사용하면 어느 정도의 정확도를 가지고 계측을 할 수 있지만, 설치 및 사용법이 까다로워 일반 작업자들은 사용을 기피하고 있는 실정이며, 사용 교육을 받은 일부 요원만이 사용할 수 있어 활용도가 매우 낮다.

그리고, 이렇게 작업자가 개입이 되는 수동 계측 방법으로는 곡가공을 위한 자동화 장비와 연계되지 않아, 전체 곡가공 공정에 있어서 자동화가 불가능하므로 무인 자동 계측 장비의 개발이 요청되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대형 사이즈의 곡부재를 작업자 개입 없이 계측할 수 있는 자동화된 계측 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 계측된 데이터를 사용 곡부재의 3차원 모델링 및 캐드 도면과의 곡면 비교를 통한 오차정보를 산출함으로써 정확한 계측을 가능하게 하고, 특히 곡가공 자동화 장비와 연계하여 실시간으로 오차를 보정해 줄 수 있는 곡가공 무인 자동화 시스템을 구축하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 곡판 부재 계측 장치는, 계측 경로를 생성하기 위한 낮은 정밀도의 1차 계측을 수행하고 상기 1차 계측 데이터로부터 상기 곡판 부재의 표면을 모델링하여 2차 계측에 필요한 계측 경로를 생성하는 1차 계측기와; 상기 1차 계측에 의하여 생성된 계측 경로를 따라 이동하면서 높은 정밀도의 계측을 수행하고 상기 높은 정밀도의 계측 데이터를 이용하여 상기 곡판 부재의 표면을 모델링하고 모델링된 데이터로부터 가열선을 생성하는 2차 계측기와; 상기 계측 경로에 따라 상기 2차 계측기를 이동시키는 다축 로봇과; 상기 1차 계측기의 위치와 상기 2차 계측기의 위치를 각각 실시간으로 확인하는 위치 확인 수단; 및 상기 1차 계측기와 상기 2차 계측기로부터 각각 영상 데이터 및 위치 데이터를 입력받고 미리 입력된 상기 곡판 부재의 CAD 데이터를 비교하여 상기 곡판 부재의 오차 데이터를 구하는 데이터 처리부;를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가 지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 곡판 부재 계측 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다. 본 발명의 곡판 부재 계측 장치는 1차 계측기(100), 2차 계측기(200), 다축 로봇(300), 위치 확인 수단(400) 및 데이터 처리부(500)를 포함하여 구성된다.

상기 1차 계측기(100)는 계측 경로를 생성하기 위한 낮은 정밀도의 1차 계측을 수행한다. 더욱 상세하게는 상기 1차 계측기(100)는 측정할 부재가 놓일 위치의 상부 갠트리(Gantry) 또는 상부 천정에 고정된 스테레오 비전 타입(Stereo Vision Type)의 센서로서, 그리드(Grid) 방식으로 곡면 부재의 형상을 낮은 정밀도를 가지고 계측하며, 이렇게 계측된 데이터로부터 곡면 부재 외의 데이터를 제거하고, 곡면 부재의 형상 위에 계측 경로를 생성하게 된다.

바람직한 실시 예에 있어서, 상기 1차 계측기는 그리드(Grid) 방식의 구조화된 레이저(Structured Laser)와 씨씨디(Charge-Coupled Device, CCD) 카메라의 조합으로 된 능동 스테레오 비전 시스템(Active Stereo Vision System)으로 구성될 수 있다. 그리드 방식이라는 것은 레이저 다이오드의 헤드 부분에 광학계 또는 여러 라인 타입의 레이저의 조합으로 레이저 조사 시 격자 무늬가 형성되는 것을 말한다. 바람직하게는 상기 능동 스테레오 비전 시스템은 최대 5 * 7 * 1 ㎥의 측정 범위를 가지며, ±5 mm의 저정도 계측을 수행한다.

상기 1차 계측기로 계측된 계측점 데이터(Point Data)들은 모델링(Modeling)을 통해 비정규곡면순정법(Non-Uniform Rational B-Splines, NURBS) 곡면으로 표현되며, 곡부재의 위치 파악과 2차 상세 계측을 위한 계측 경로(Scanning Path)를 자동으로 생성하는데 이용된다.

상기 1차 계측기(100)는 단순히 외곽선만 인식하여 계측할 범위를 정하는데 그치는 것이 아니라, 3 차원 공간상의 포인트를 계측하여 X, Y, Z 좌표를 모두 형성하고, 이 좌표들을 모아서 곡면 형상을 모델링하여 정확한 계측 경로를 생성하게 한다. 따라서 후술할 2차 계측기(200)에 의한 계측의 정밀도를 더욱 높일 수 있게 된다.

상기 2차 계측기(200)는 1차 계측에 의하여 생성된 계측 경로를 따라 이동하면서 높은 정밀도의 계측을 수행한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차 계측기(200)는 구조 빔(Structured Beam) 타입의 레이저와 씨씨디(CCD) 카메라를 포함하여 구성될 수 있다. 더욱 상세하게는 상기 2차 계측기는 구조 빔(Structured Beam) 타입의 레이저와 씨씨디(CCD) 카메라의 조합으로 이루어진 레이저 비전 시스템(Laser Vision System)으로서 100 * 100 * 100 ㎣의 측정 범위를 가지며, ±0.05 mm의 계측 오차를 갖는 고정도 센서 로 구성될 수 있다. 상기 구조 빔 타입의 레이저(201, 도 2 참조)는 헤드 부분에 광학계가 있어서 상기 계측 경로를 따라가면서 하나의 구조 빔을 조사하게 된다.

상기 2차 계측기(200)에 의해 계측된 데이터들은 모델링을 통해 비정규곡면순정법(NURBS) 곡면으로 표현되며, CAD(Computer-Aided Design) 도면과의 곡면 비교를 통해 정확한 가공 오차 정보를 제공한다.

상기 다축 로봇(300)은 상기 계측 경로에 따라 상기 2차 계측기(200)를 이동시키는 역할을 한다. 바람직하게는, 갠트리(Gantry) 또는 고정축에 설치된 4축 ~ 5축 로봇의 끝단에 상기 2차 계측기(200)를 설치하여, 측정하고자 하는 위치로 이동해가면서 곡부재를 계측할 수 있도록 해준다.

상기 위치 확인 수단(400)은 상기 1차 계측기(100)의 위치와 상기 2차 계측기(200)의 위치를 각각 실시간으로 확인할 수 있는 장비이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 위치 확인 수단(400)은 기본적으로 송신기(410)와 제 1 수신기(421) 및 제 2 수신기(422)로 구성되며, 상기 1차 계측기에 제 1 수신기(421)를 내장하고 상기 2차 계측기에 제 2 수신기(422)를 내장함으로써, 다축 로봇의 축을 거치지 않고 실시간으로 계측된 데이터를 후술할 데이터 처리부(500)으로 전송할 수 있다. 이와 같이 함으로써 기구의 구동 오차와 수치적 좌표 변환 시 발생하는 오차를 없앨 수 있다.

바람직한 실시 예에 있어서, 상기 위치 확인 수단은 실내 항법 장치(Indoor Global Positioning System, Indoor GPS)로 구성할 수 있다. 상기 1차 계측기와 상기 2차 계측기에 각각 GPS 수신기를 내장함으로써 다축 로봇의 축을 거치지 않고, 실시간으로 계측된 데이터를 세계 좌표계(World Coordinates System, WCS)로 직접 변환시켜 후술할 데이터 처리부(500)로 전송할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 실내 항법 장치는 아크 세컨드 사(Arc Second, Inc.)의 "Indoor GPS" 라는 상용 제품을 사용하여 구현할 수 있다. "Indoor GPS"는 3 차원 공간상의 6 자유도를 고정도로 계측할 수 있는 장비이다. 계측 정도는 ±0.3 mm 이내이다.

상기 위치 확인 수단(400)은 실시간으로 위치 정보를 전송하므로 곡판 부재의 형상을 실시간으로 파악할 수 있게 한다. 따라서 측정이 끝난 후에 전체 곡판 부재의 형상을 연산하는 시스템과는 달리, 실시간으로 오차를 보상해 줄 수 있는 장점이 있다. 따라서 곡가공 자동화 장치와 결합하여 실시간 가공을 하는데 유리하다.

상기 데이터 처리부(500)는 상기 1차 계측기(100)와 상기 2차 계측기(200)로부터 각각 영상 데이터와 위치 데이터를 입력 받아 이로부터 곡판 부재의 오차 데이터를 구하는 역할을 한다.

바람직한 실시 예에 있어서, 상기 데이터 처리부(500)는 상기 1차 계측기(100)로부터 받은 영상 데이터와 위치 데이터를 이용하여 계측 경로를 구하는 계측 경로 생성 모듈(510)과, 상기 2차 계측기(200)로부터 받은 영상 데이터와 위치 데이터를 이용하여 곡판 부재의 형상을 구하는 부재 형상 모델링 모듈(520)과, 상기 곡판 부재의 형상과 CAD(Computer-Aided Design) 도면을 비교하여 오차데이터를 구하는 오차 정보 산출 모듈(530)을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 곡판 부재 계측 장치 구성을 나타내는 사시도이다.

바람직한 실시 예에 있어서 측정할 부재(10)가 놓여있는 작업대(20)위에 갠트리(30)가 설치되어 측정 위치로 이동할 수 있으며, 상기 갠트리(30)에는 다축 로봇(300)이 설치되어 있다.

바람직하게는, 상기 1차 계측기(100)가 상기 갠트리(30) 상에 설치되어 있거나 또는 천정에 고정 되어 있으며, 상기 갠트리(30)가 측정할 부재(10)에 접근 시 상기 상기 1차 계측기(100)가 측정을 할 수 있게 된다. 그러나 다른 실시 예에는 상기 1차 계측기(100)가 상기 작업대(20) 상부의 고정된 축에 고정될 수 있다. 상기 1차 계측기(100)는 그리드(Grid) 방식의 구조화된 레이저(Structured Laser)(101)와 씨씨디(Charge-Coupled Device, CCD) 카메라(102)를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 다축 로봇(300)의 끝단에 상기 2차 계측기(200)를 설치하여, 측정 경로를 따라 이동해가면서 측정할 부재(10)를 계측할 수 있다. 상기 2차 계측기(200)는 구조 빔(Structured Beam) 타입의 레이저(201)와 씨씨디(CCD) 카메라(202)를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 작업대(20) 외부에 송신기(410)를 구비하고, 상기 1차 계측기(100)에 제 1 수신기(421)를 설치하고 상기 2차 계측기(200)에 제 2 수신기(422)를 설치할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 곡판 부재 계측 과정을 나타낸 흐름도이다. 곡판 부재의 계측 과정은 1차 계측(S100), 2차 계측(S200) 및 오차 산정(S300)의 과정을 포함할 수 있다.

상기 1차 계측(S100)은 계측 경로를 생성하기 위해 낮은 정밀도의 1차 계측을 수행하는 단계이다.

바람직한 실시 예에 있어서, 상기 1차 계측(S100)은 다음과 같은 과정으로 수행된다. 일단 갠트리가 측정 위치로 이동한 후(S110), 상기 갠트리에 장착된 1차 계측기가 계측을 수행하여(S120) 거리영상 데이터(Range Data)를 얻는다. 상기 거리영상 데이터로부터 바닥면 데이터 등을 제거하여 측정할 부재의 곡면 데이터를 추출하고(S130), 상기 곡면 데이터로부터 곡부재의 표면을 모델링한다(S140). 이렇게 모델링된 데이터로부터 2차 계측에 필요한 계측 경로를 생성하게 된다(S150).

바람직한 실시예에 있어서, 곡가공 시스템과 연계가 되어 있는 경우에, 계측 경로가 생성되면 계측 위치 및 방향 데이터를 곡가공 시스템의 제어기로 보내어, 계측 경로를 따라 2차 계측과 동시에 오차 보정 작업을 수행하도록 할 수 있다. 그러나 곡가공 시스템과 연계되지 않고 단독으로 계측 작업을 수행하는 경우에는, 상기 계측 위치 및 방향 데이터를 곡판 부재 계측 장치의 갠트리/로봇 제어기로 보내어 2차 계측을 수행하도록 할 수 있음은 물론이다.

상기 2차 계측(S200)은 1차 계측에 의하여 생성된 계측 경로를 따라 이동하면서 높은 정밀도의 계측을 수행하는 단계이다.

바람직한 실시 예에 있어서, 상기 2차 계측(S200)은 다음과 같은 과정으로 수행된다. 우선 갠트리에 설치된 다축 로봇이 상기 1차 계측에 의하여 생성된 측정 경로를 따라 이동한다(S210). 이와 같이 이동을 하면서 2차 계측기가 계측을 수행하여(S220) 고정도의 거리영상 데이터를 얻고, 이렇게 얻은 고정도의 거리영상 데이터를 이용하여 곡부재의 표면을 모델링한다(S230). 다음으로는 모델링된 데이터로부터 주형 라인(Template Line)을 생성한다(S240).

상기 오차 산정(S300)은 우선 측정한 부재의 CAD(Computer-Aided Design) 데이터를 전술한 과정을 거쳐 얻은 형상의 데이터와 비교하여(S310), 오차 데이터를 생성하는(S320) 단계이다. 바람직하게는 곡가공 시스템과 연동시에 상기 오차 데이터를 곡가공 시스템의 제어기로 전송하여 오차 보상을 하도록 할 수 있다. 곡가공 시스템은 오차 데이터를 이용하여 가열선을 생성하고, 이 가열선을 따라 곡부재를 가열하여 CAD 데이터와 동일한 형상을 얻게 된다.

도 4a는 1차 계측시 곡판 부재에 격자 무늬가 형성된 것을 예시하는 도면이다. 더욱 상세하게는, 상기 1차 계측기(100)의 그리드(Grid) 방식의 구조화된 레이저(101)의 조사시 격자 무늬가 형성되고 격자 무늬가 형성된 점에서 계측점 데이터(Point Data)가 얻어진다.

도 4b는 생성된 계측 경로를 따라 수행하는 2차 계측의 개념을 나타내는 도면이다. 더욱 상세하게는, 상기 라인 빔 타입의 레이저(201)가 곡판 부재에 형성된 계측 경로를 따라가면서 하나의 라인을 조사하여 측정하게 된다.

도 4c는 곡가공 시스템 가열선이 생성된 것을 예시하는 도면이다. 더욱 상세 하게는, 곡가공 시스템은 오차 데이터를 이용하여 CAD 데이터와 동일한 형상을 얻기 위해 가열이 필요한 부분을 계산하여 가열선을 생성한다. 곡가공 시스템은 이 가열선을 따라 곡부재를 가열하여 원하는 형상을 오차 없이 얻을 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 대형 사이즈의 곡부재를 작업자 개입 없이 계측할 수 있는 자동화된 계측 장치를 제공하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 계측된 데이터를 사용 곡부재의 3차원 모델링 및 캐드 도면과의 곡면 비교를 통한 오차정보를 산출함으로 정확한 계측을 가능하게 하고, 특히 곡가공 자동화 장비와 연계하여 실시간으로 오차를 보정해 줄 수 있는 곡가공 무인 자동화 시스템을 구축하는데 유리한 효과가 있다.

Claims

곡판 부재의 형상을 계측하는 장치에 있어서,

계측 경로를 생성하기 위한 낮은 정밀도의 1차 계측을 수행하고 상기 1차 계측 데이터로부터 상기 곡판 부재의 표면을 모델링하여 2차 계측에 필요한 계측 경로를 생성하는 1차 계측기;

상기 1차 계측에 의하여 생성된 계측 경로를 따라 이동하면서 높은 정밀도의 계측을 수행하고 상기 높은 정밀도의 계측 데이터를 이용하여 상기 곡판 부재의 표면을 모델링하고 모델링된 데이터로부터 주형 라인을 생성하는 2차 계측기;

상기 계측 경로에 따라 상기 2차 계측기를 이동시키는 다축 로봇;

상기 1차 계측기의 위치와 상기 2차 계측기의 위치를 각각 실시간으로 확인하는 위치 확인 수단; 및

상기 1차 계측기와 상기 2차 계측기로부터 각각 영상 데이터 및 위치 데이터를 입력받고 미리 입력된 상기 곡판 부재의 CAD 데이터를 비교하여 상기 곡판 부재의 오차 데이터를 구하는 데이터 처리부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡판 부재 계측 장치.
제 1항에 있어서,

상기 1차 계측기는,

그리드 방식의 구조화된 레이저(Structured Laser)와 씨씨디(CCD) 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡판 부재 계측 장치.
제 1항에 있어서,

상기 2차 계측기는,

구조 빔(Structured Beam) 타입의 레이저와 씨씨디(CCD) 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡판 부재 계측 장치.
제 1항에 있어서,

상기 위치 확인 수단은 실내 항법 장치(Indoor Global Positioning System, Indoor GPS)를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡판 부재 계측 장치.
제 1항에 있어서,

상기 데이터 처리부는,

상기 1차 계측기로부터 받은 영상 데이터와 위치 데이터를 이용하여 계측 경로를 구하는 계측 경로 생성 모듈;

상기 2차 계측기로부터 받은 영상 데이터와 위치 데이터를 이용하여 곡판 부재의 형상을 구하는 부재 형상 모델링 모듈;

상기 곡판 부재의 형상과 CAD(Computer-Aided Design) 도면을 비교하여 오차데이터를 구하는 오차 정보 산출 모듈;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡판 부재 계측 장치.