KR20090004192A

KR20090004192A - 곡형 부재 가공 완성도 평가 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR20090004192A
Application number: KR1020070068200A
Authority: KR
Inventors: 현충민; 도영칠; 김대경; 고광희; 신종계
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2009-01-12
Also published as: CN101368823A; CN101368823B; NO20083020L; KR100913848B1; NO343050B1

Abstract

본 발명의 곡형 부재 가공 완성도 평가 방법은, 계측장비를 통하여 곡면의 가공상태와 가공이 완료된 곡면 형상을 계측하는 단계와, 계측된 곡면 형상의 데이터와 설계된 곡면 형상의 데이터를 입력하여 표면 및 포인트를 생성하는 단계와, 선체 제작 공정의 마진 부위 및 모따기 작업의 특정 제약조건을 반영하여, 설계된 곡면 형상과 계측된 곡면 형상을 정합하는 곡면정합 단계와, 곡면간의 오차량을 계산하는 단계와, 곡면 형상 가공 완성도 평가 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면, 가공 중이거나 완료된 곡형 부재의 곡면 성형 과정에서 곡면의 가공 정도를 확인하고 가공후의 형상을 평가하고 판단할 수 있으므로, 곡면 성형을 자동으로 수행할 수 있는 선박용 곡면 성형 자동화 시스템과 결합하여 가공 자동화 작업의 종결 시점을 제공할 수 있고, 선체 곡면 제작뿐만 아니라 유사한 가공방법 및 곡면 특이성을 가지는 곡면 성형 제품의 형상 평가 및 제작에 폭넓게 이용될 수 있는 효과를 가진다.

곡형 부재, 곡면 형상, 평가, 가공 완성도

Description

곡형 부재 가공 완성도 평가 시스템 및 그 방법{Completion assessment System of curved plates in manufacturing process and Method thereof}

본 발명은 곡형 부재 가공 완성도 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계측 시스템을 활용한 계측 및 그 데이터를 활용하여 가공 중이거나 가공이 완료된 곡형 부재의 가공 완성도를 평가하고 판단할 수 있는 곡형 부재 가공 완성도 평가 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 다양한 형태의 3차원 곡면 형상이 산업현장에서 제작되고 제품화되어 사용되고 있다. 3차원 곡면 형상은 제품의 외관을 미려하게 할 뿐만 아니라 공학적으로도 유체 및 기체의 저항을 줄이는데 큰 역할을 한다. 이러한 이유로 인하여 자동차, 항공 및 조선 등 많은 산업분야의 제품이 다양한 곡면 형상을 가지고 있다. 특히 선박을 건조하는데 사용되는 곡면 형상은 주로 선체의 선수 부분과 선미 부분에 집중되어 있으며, 이들 곡면 형상에 따라 선박의 성능 편차가 발생한다.

이와 같이 선박 건조 시에 사용되는 3차원 곡면 형상 부재는 대부분이 철강재이며 그 크기 및 무게, 형상은 타 업종과 비교하여 대형이면서도 다양하다. 이러한 차이는 타 업종에서 주로 사용되는 금형 프레싱, 무(無)금형 프레싱, 롤링 등의 기계적인 성형법을 통하여 곡면을 형성하는 방법과는 다른 방법을 요구하게 되었으며, 그 대표적인 가공방법은 열 가공에 의한 성형법이다. 열 가공법은 철판의 표면에 가스 토치 등으로 열을 가하여 굽힘 변형과 수축 변형으로 대변되는 잔류 열탄소성 변형을 유발시킴으로서 목적하는 곡면 형상을 제작하는 방법이다. 최근 작업환경이 열악한 열 성형법을 대체하기 위하여 기계적 프레스 성형, 롤(Roll) 성형, 다점 프레스 성형 등의 성형법을 선박용 3차원 곡면 외판 성형에 적용하기 위한 연구 노력이 활발하게 이루어지고 있지만 아직 그 성과는 미미하다 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 선박용 3차원 곡면 형상의 제작은 대부분 열 가공 성형법으로 이루어지고 있으며, 열을 이용하여 부재를 설계형상에 맞도록 가공하는 형태를 취하기 때문에 가공 중 수시로 형상을 확인하여 주어진 정도(Accuracy)에 부합할 때까지 여러 번의 가공과정을 수행하고 있다. 이러한 확인 과정에서 설계형상과의 유사도와 정도를 점검하고 이후 열 가공 방향을 결정하기 위하여 3차원 설계형상을 대변하는 목형(木型)(template)을 사용하여 곡면 형상의 가공 정도를 확인하는 방법을 사용하고 있으나, 이 방법에서 목형과 가공 부재와의 오차 확인 및 평가는 작업자의 시각과 판단에 전적으로 의존하고 있다.

한편, 열 가공이 완료된 3차원 곡면 형상이라 할지라도 설계 형상과 그 크기가 다르게 되며, 대부분은 설계형상보다 크게 된다. 이와 같은 현상이 발생하는 이유는 다음과 같다.

열 가공의 특성상 가열시의 팽창과 냉각시의 수축에 의하여 굽힘, 수축 등의 소성 변형이 발생하게 되는데, 3차원 곡면 형상의 복잡성 및 열 가공시의 가공 불 확실성으로 인하여 설계자는 도 1에 도시된 바와 같은 마진(Margin)이라는 여유치를 3차원 설계형상을 평판으로 전개시킨 초기 형상에 부여하고 있다. 도 1에서 ☆표시는 설계자가 해당 외곽선에 대해 작업자에게 계측/절단을 수행하라는 설계자의 표시이다. 또한, 후 공정에서의 용접작업 등을 위하여 강재의 외곽에는 도 2에 도시된 바와 같이 모따기 작업(개선작업)을 수행하도록 정의되어 있는데, 이 작업은 일반적인 절단작업과는 비교하기 힘들 정도의 고 난이도 작업을 요구한다.

이러한 공정상의 특징과 어려움을 반영하기 위하여 일부 외곽선에는 그나마 작업이 수월하도록 초기 평판형상 상태에서 모따기 작업을 선 수행하고, 나머지 부분에 대해서만 열 가공이 완료된 3차원 곡면 부재 상태에서 마진 절단 및 모따기 작업을 수행하고 있다. 이는 생산성을 위하여 마진 절단 과정에서는 최소한의 절단 작업을 수행하도록 만들어진 공정이라 볼 수 있다.

하지만, 앞서 설명된 열 가공의 불확실성 및 완성된 곡면의 비교, 평가 방법의 낙후성으로 인하여 선 수행된 모따기 부분을 활용할 수 없도록 마진 절단이 이루어지게 되어, 상당한 비율로 재(再) 모따기 작업을 수행하는 경우도 있다.

이를 극복하기 위하여, 최근 몇몇 조선소에서 3차원 계측기 등을 활용하여 가공 부재의 형상 좌표를 계측하고, 설계형상에서의 대응되는 좌표와 수치 비교를 통하여 가공 정밀도 등을 관리하는 방법이 제안되고 있다.

이러한 방법들은 설계좌표(또는 곡면)와 계측좌표(또는 곡면)간의 좌표를 최적으로 일치시키는 곡면정합(整合) 기술을 사용한 후, 두 좌표(또는 곡면)간의 거리 오차 및 Z-맵(map) 이라는 Z축 방향의 오차를 제공하는 방법이다.

그러나 이러한 방법은 상술한 선체 곡면 부재에서의 마진에 의한 크기 차이 및 모따기 작업 등의 특이성을 반영할 수 없다. 또한 계측 좌표가 설계좌표와 일정한 대응관계가 성립되도록 측정되어야 하는 한계로 인하여 가공 완료후의 최종 곡면 형상 평가에만 그 활용이 제한되고 있으며, 그 결과 역시 데이터간의 거리 오차 절대값, Z축 방향의 거리 오차 등 제한적인 정보를 제공하게 된다. 하지만, 결국 상기 방법에서도 계측된 곡면 형상의 가공 완성도 평가 및 절단량 계산 등의 문제는 작업자의 경험과 직관에 의존하게 된다.

이와는 별개로 최근 여러 연구기관에서 선체 곡면의 가공 자동화 시스템의 개발을 진행하고 있으나, 열 가공법을 응용한 자동화 시스템이거나, 혹은 다른 기계 가공법을 사용한 자동화 시스템을 개발하게 되더라도, 현재의 목형을 사용한 3차원 곡면 형상 평가는 어려워지게 된다. 이때 필요한 것이 계측 시스템을 활용한 계측과 그 데이터를 활용한 곡면 형상 평가 방법 및 그 시스템임에도 불구하고, 기존 연구되어 온 것은 대부분 곡면 성형을 위한 가공위치 및 세기 등에 관한 내용일 뿐이며, 가공 중이거나 완료된 곡형 부재의 곡면 형상에 대한 가공 완성도를 평가하고 판단하는 방법 및 시스템에 대한 연구는 진행된 경우가 없다.

또한, 관련된 연구를 진행하는 일부 곡면 가공 자동화 시스템의 개발 그룹에서는 반복 가공 여부의 판단과 성형 위치, 성형 세기 등을 작업자의 지시에 의하고, 가공 작업만을 자동화하는 시스템을 구성하고 있는데, 이러한 부분적인 자동화 장치는 완전 자동화 시스템에 비하여 비용 및 효율성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바를 감안하여 안출된 것으로, 가공 중이거나 완료된 곡형 부재의 곡면 성형 과정에서 곡면의 가공 정도를 확인하고 가공 후의 형상을 평가하고 판단할 수 있는 곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 곡면 성형을 자동으로 수행할 수 있는 선박용 곡면 성형 자동화 시스템과 결합하여 가공 자동화 작업의 종결 시점을 제공할 수 있는 곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 선체 곡면 제작뿐 만 아니라 유사한 가공방법 및곡면 특이성을 가지는 곡면 성형 제품의 형상 평가 및 제작에 폭넓게 이용될 수 있는 곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 계측장비를 통하여 곡면의 가공 과정에서의 상태와 가공이 완료된 곡면 형상을 계측하는 단계와, 계측된 곡면 형상의 데이터와 설계된 곡면 형상의 데이터를 입력하여 표면 또는 포인트를 생성하는 단계와, 선체 제작 공정의 마진 부위 및 모따기 작업의 특정 제약조건을 반영하여, 설계된 곡면 형상과 계측된 곡면 형상과를 정합하는 곡면정합 단계와, 곡면간의 오차량을 계산하는 단계와, 곡면 형상 가공 완성도 평가 단계를 포함하는 곡형 부재의 곡면 형상 평가 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템 및 그 방법은, 가공 중이거나 완료된 곡형 부재의 곡면 성형 과정에서 곡면의 가공 정도를 확인하고 가공후의 형상을 평가하고 판단할 수 있으므로, 곡면 성형을 자동으로 수행할 수 있는 선박용 곡면 성형 자동화 시스템과 결합하여 가공 자동화 작업의 종결 시점을 제공할 수 있고, 선체 곡면 제작 뿐만 아니라 유사한 가공방법 및 곡면 특이성을 가지는 곡면 성형 제품의 형상 평가 및 제작에 폭넓게 이용될 수 있는 효과를 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템의 구성과 정보흐름을 나타내고 있고, 도 4는 본 발명 시스템의 곡형 부재 가공 완성도 평가를 위한 순서도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템은 곡형 부재의 곡면 형상에 대해 계측된 계측 데이터와 설계정보가 입력된 입력 모듈(10)과, 곡면의 표면 및 포인트에 대한 좌표위치를 생성하는 표면 및 포인트 생성 모듈(20)과, 곡면정합 및 제약 조건을 수반한 곡면정합을 수행하는 최적 곡면정합 모듈(30)과, 곡면정합 결과를 바탕으로 설계 곡면과 계측 곡면의 유사도를 퍼센트 수치로 제시하는 가공 완성도 모듈(40)과, 상기 가공 완성도 모듈(40)로부터 제시된 수치가 곡면 완성조건일 경우, 절단 위치 및 오차를 산출하는 절단 위치 및 오차 산출 모듈(50)을 포함한다.

한편, 최적 곡면정합 모듈(30)은 그 최적 곡면정합된 결과를 별도의 가공정보 생성시스템(60)에 곡면정합 결과를 제공하여 가공정보의 생성에 활용될 수 있으며, 또한, 가공 완성도 모듈(40)은 그로부터 제시된 수치가 곡면 완성조건이 아닌 경우, 상기 가공정보 생성 시스템(60)을 통하여 추가적인 가공정보를 생성하기 위한 명령어를 보낼 수 있도록 하였다.

곡면 완성조건에 부합하여 절단 위치 및 오차량의 계산이 이루어지면 해당 정보는 절단 위치 표시 및 절단 시스템(70)으로 전달되어 절단 작업을 수행하게 된다.

본 발명의 평가 시스템의 모든 정보는 저장장치(80)에 자동으로 저장되며, 출력모듈(90)을 통해 LCD 등의 영상표시장치(100) 및 프린터(110)로 전달됨에 따라 그 진행상황을 사용자가 시각적으로 확인할 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 곡형 부재 가공 완성도 평가 시스템의 평가 과정을 설명하면 도 4에 도시된 바와 같이, 3차원 계측기 등의 계측장비(도시하지 않음)를 통하여 곡면의 가공 과정에서의 상태 또는 가공이 완료된 곡면 형상을 계측하는 단계(S100)와, 계측된 곡면 형상의 데이터와 설계된 곡면 형상의 데이터를 입력장치(10)에 입력하여 표면 및 포인트를 생성하는 단계(S200)와, 선체 제작 공정의 마진 부위 및 모따기 작업의 특정 제약조건을 반영하여, 설계된 곡면 형상과 계측된 곡면 형상과를 최적 곡면정합모듈(30)에서 정합하는 곡면정합 단계(S300)와, 곡면간의 오차량을 계산하는 단계(S400)와, 곡면 형상 가공 완성도 평가 단계(S500)를 포함한다. 이어서 절단 위치 및 오차 산출 모듈(50)은 오차량 및 평가 결과에 따른 절단 위치의 정보를 절단 위치표시 및 절단 시스템(70)에 전달하게 된다.(S600)

계측 단계(S100)에 있어서의 계측은 3차원의 점(point) 정보로 계측하는 것이 일반적이므로, 이를 바탕으로 3차원 곡면을 생성하게 되면, 이때, 계측좌표로서 설계 곡면 형상의 데이터와 계측 형상의 데이터가 대응관계에 있는 경우와 그렇지 않은 경우의 선체 곡면 형상의 평가로 나누어진다.

설계 데이터와 1:1 대응관계로 매칭되는 위치를 판단하여 계측하는 경우, 우선 설계 형상으로부터 특정 간격 혹은 계측하고자 하는 위치에 해당하는 데이터를 얻는다. 이 얻어진 데이터를 근거로 계측해야 할 곡면 형상에서의 해당 좌표라고 판단되는 곳의 계측을 수행한다. 이때 마진이 부여된 모서리 부분에서의 설계 형상좌표는 여유 마진의 절단을 고려한다면 실제 계측될 곡면상에서는 내부에 존재하게 되므로, 이러한 과정을 거치게 되면 계측 형상 데이터는 설계 형상의 데이터와 1:1 대응관계를 설정할 수 있게 된다. 이러한 방법은, 선체 곡면 부재에는 내부 구조물의 부착을 위하여 그 위치를 사전에 표시하거나 혹은 설계좌표에서 추출하여 대략적인 위치를 추정할 수 있도록 되어 있기 때문에 이러한 정보를 이용함으로써 현실적으로 가능하게 되는 것이다.

한편, 설계 곡면 형상과 계측 곡면 형상간의 대응관계가 아닌 경우, 계측좌표로서 불특정한 내부 위치와 모서리의 좌표를 계측하거나, 일정한 규칙을 가지는 내부 위치와 모서리의 좌표를 계측하거나, 곡면 형상의 표면을 정밀 스캔하는 방법으로 계측한다.

이상과 같이 적절한 계측장치를 사용하여 계측된 계측 곡면 형상의 정보는 설계 곡면 형상의 대응되는 좌표와 정합을 실시하여 오차량 등을 계산한다(S300 및 S400).

오차량의 계산에 있어서, 곡면부재의 외곽에 대하여 계측좌표와 설계좌표 간의 단순 거리뿐 만이 아니라 마진 절단을 위하여 방향성도 제시해 주어야 하는 바, 이의 필요성은 설계 곡면과 제공좌표를 나타내는 도 5a와 계측좌표의 곡면정합후의 위치를 나타내는 도 5b를 통하여 확인할 수 있다. 도 5a에 있어서의 점은 설계곡면에 추출된 점이고, 도 5b에 있어서의 점은 계측곡면에서 계측된 점으로, 이 도면으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 오차가 큰 곳이 5군데로서, 이와 같이 오차가 큰 좌표에서는 제시되는 화살표의 방향으로 계측 좌표를 이동한 후 절단을 수행하여야 설계 형상과 비교적 일치하는 형상을 얻을 수 있게 된다.

이에 본 발명에서는 도 6에 도시된 바와 같은 벡터의 내적을 활용한 방향 제시 방법을 사용함으로써, 계측 좌표와 설계 좌표와의 거리 오차뿐 만 아니라 방향성까지 제시하였다. 도 6에 있어서, 설계 형상 모서리에서의 점 A과, 그와 대응관계에 있는 계측 형상의 점 B, 설계 형상 또는 계측 형상의 내부에 존재하는 점 C을 사용하여 삼각형 모양을 형성할 때, 각 변을 a,b,c의 벡터로 표현하면, 벡터 b와 c 사이의 각도 θ는

이며,

c 벡터는 c = b - a 의 벡터 계산을 통하여 바로 구할 수 있다.

이에 따라, 도 6의 경우, 계산된 각도 θ의 크기에 따라 θ > 90°인 경우, 계측 좌표가 설계 좌표보다 외곽에 위치한다는 정보를 제공할 수 있는 반면, θ < 90°인 경우, 계측 좌표가 설계 좌표보다 내부에 위치한다는 정보를 제공할 수 있게 된다. 물론 벡터 a 와 b 가 이루는 각도에 따라 90°의 기준이 다소 변경이 되어야 하지만 유사한 곡면 형상에서 그 값은 미미하다고 볼 수 있으므로 무시하였다.

한편 기준 좌표계가 다른 두 개 형상의 정합(整合) 기술은 임의 변환 행렬(Pseudo Transformation Matrix)과 최근점 탐색 알고리즘을 이용하는 방법, 두 형상간의 정확한 대응관계가 주어졌을 때 최적 정합을 찾아내는 방법(Horn′s Method)[Horn, B.K.P, 1987, “Closde-form solution of absolute orientation using unit quaternions”, Journal of Optical Society of America, Vol.4, pp. 629-624.]과, Besl 에 의해서 두 형상간의 거리를 바탕으로 한 최소 자승 함수를 활용하면서 수렴성이 탁월한 ICP(Interactive Closest Point) 방법[Besl, P.J., McKay, N.D., 1992, “A Method for Registration of 3-D Shapes”, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 14, No. 2, pp 239-256.] 등 다양한 형태의 곡면정합 기술이 소개되고 있지만, 이들을 제대로 활용하는 3차원 선체 곡면 형상 평가 프로세스 및 시스템, 방법 등이 전무한 상태일 뿐만 아니라, 특히 선체 곡면 제작 공정의 마진부위 및 모따기(개선) 작업 등의 특 이점이 곡면정합 이론에서 제약조건으로 추가되어야 하는 바, 현재까지는 이에 대한 검토 조차도 이루어지지 않고 있는 실정이다. 즉 기존의 곡면정합 방법은 좌표계가 다르며, 형상이 다른 두 형상간의 최적(optimal) 좌표정합, 형상정합만을 수행하는데 목적을 두고 있을 뿐이다. 본 발명에서는 선체 곡면 가공과정과 같이 곡면 정합시에 특정한 제약조건을 반영하여 좌표 및 곡면정합을 할 수 있도록 이론을 개발한 것으로, 사용된 제약조건은 계측 형상과 설계 형상에서 모따기(개선) 가공 부분을 최대한 일치하도록 한 것이다.

이를 위하여, 설계 형상의 특정좌표와 계측 형상의 좌표간에 대응관계임을 알고 있는 경우, Horn′s 방법을 사용하되, 이것에 다음과 같이 제약조건을 고려하였다.

Horn′s의 기본적인 방법은 두 개의 형상에 대해 정합 후의 오차(Least Square Error)를 목적함수(Object Function)로 정하면, 이 목적함수를 최소가 되도록 하는 최적의 강체 변형을 구하는 것으로, 최적 회전(Rotation)을 적용한 후, 도심(centroid)에 기반한 병진(Translation)을 하는 과정을 통하여 정합을 수행하는 것이다.

반면 본 발명에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 곡면형상의 일부 모서리를 최적 정합하는 제약조건을 반영하고자, 제약을 가할 모서리의 점(point)과 동일한 점의 추가 혹은 중첩을 통하여 병진(transltion)의 기준이 되는 도심(centroid)을 제약조건이 되는 모서리쪽으로 이동하도록 하였다. 점의 추가에 의한 중첩은 해당되는 지점에 가중치를 부여하는 효과가 구현되어 도심위치가 제약조건의 모서리 방향 으로 이동하게 된다. 이후에, 다시 한번 최적 회전(Rotation)을 수행하여 제약조건을 고려한 곡면정합이 완료된다. 이렇게 수행된 결과는 기존방법에서의 도심의 위치 및 설계-계측 포인트간의 오차값에서 차이를 보이게 되며, 제시된 모서리에 최적으로 일치된 정합결과 및 오차값을 추출해 주게 된다.

이와 달리, 정확한 대응관계를 알 수 없는 경우에는 상술한 일반적인 ICP 방법에서 제약조건을 고려하여 최적 곡면정합 및 오차계산이 가능하도록 거리를 바탕으로 한 최소 자승함수를 목적함수(Object Function)로 하였다.

즉, 기존에 사용되어온 상술한 Horn′s의 방법과 같이 두 개의 형상에 대해 정합 후의 오차(Least Square Error)를 목적함수로 하는 경우에는 이 목적함수는 수학식 1과 같이 정의된다.

여기서,

,

는 각각 크기조정 인자(Scale Factor), 회전 인자(Rotation Factor), 병진 인자(Translation Factor)이다.

이러한 목적함수에 제약을 고려하게 되면, 제약되는 모서리의 꼭지점 중 한 곳을 제약 기준점으로 정하게 될 경우, 병진 인자는 용이하게 구할 수 있으므로, 상기의 목적함수는 수학식 2와 같이 정의된다.

식 중에서 a 부분의 값이 최대가 될 때, 목적함수는 일부 모서리를 최적 정합하는 제약조건을 충실히 반영하게 된다.

이후의 과정은 통상적인 ICP 방법과 동일하게 진행되며, 이상과 같이 제약조건이 고려된 본 발명의 목적함수는 제약조건을 반영하는 Horn′s 방법에서도 용이하게 적용할 수 있게 된다.

한편, 제약조건이 부여된 모서리의 꼭지점 중 한 곳을 "제약 기준점"으로 정할 경우, 병진 인자는 용이하게 구할 수 있으나, “제약 기준점”에서는 자유도가 0이 되는 현상이 발생한다. 경우에 따라서는 이러한 현상을 이용할 수도 있으나, 가공오차 등을 고려한 곡면정합에서는 “제약 기준점”에서도 허용 가능한 오차범위에서의 움직임을 허용하도록 하여 곡면정합 결과의 다양성을 확보할 필요성이 있다.

도 8에는 본 발명의 시스템을 활용한 곡면정합 전의 좌표위치와 제약조건을 반영한 곡면정합 후의 형태를 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 “제약 기준점”을 3차원의 허용 가능한 에러 구면(Error Sphere) 영역 내에서 움직임을 자유롭게 하여 전체적인 곡면 형상 정합 결과의 다양성을 확보하여 최종 완성 곡면부재 이후의 후 가공작업 등을 최소화할 수 있도록 하였다.

도 9는 “제약 기준점”자유도가 0인 경우의 실제 예이고, 도 10은 구면 에러 영역을 사용하여 허용오차 범위 내에서“제약 기준점”움직일 수 있는 상태에서 최적 곡면 정합된 상태를 나타내고 있다.

상술한 바와 같이, 곡면정합 방법을 통하여 형상간 정합이 이루어지게 되면, 곡면간의 유사성을 계산하고, 판단하는 기준과 방법 및 이를 구현하는 시스템이 필요하므로, 이를 위해 현재까지는 선체 곡면형상의 경우, 이를 계산하고 판단하는 기준으로서 작업자에 의한 목형(木型)에 의한 방법을 사용하였으나, 본 발명에서는 곡면간의 기하학적 거리(Euclidean Distance) 또는 주 곡률(Principal curvature)과 그 방향 분석, 곡면의 분할된 영역의 넓이, 곡률 등을 통한 방법 등 다양한 기준으로 곡면 형상간의 유사 정도를 판단할 수 있도록 하였다.

먼저, 기하학적 거리를 이용한 방법은 계측 형상과 설계 형상에서 대응관계를 이루는 점을 구성하여 대응점마다 구한 거리 데이터와 허용오차(tolerance)의 비교를 통하여 형상 완성도를 판단할 수 있으므로, 대응점간의 기하학적 거리는 다음과 같은 수학식 3으로 표현된다.

여기서

와

는 각각 형상간의 최소거리를 가지는 설계 형상과 목적 형상의 대응점이다.

상기 식 (3)을 사용하여 특정 허용오차 δ내에서 곡면의 유사도를 평가할 수 있는 데, 예를 들어 특정 대응점 관계에서의

> δ 라면, 해당 지점에서는 두 형상간의 유사도가 떨어진다는 것을 의미한다. 이러한 과정을 두 곡면상에서 대응관계가 성립되는 대응점들에 대하여 모두 수행하게 된다면 곡면부재의 가공 완성도를 수학식 4를 사용하여 퍼센트(%)로 표현 가능하다.

여기서,

는 완성도 평가를 수행할 두 형상간의 대응점의 개수이며,

는 유사도가 떨어지는

> δ의 때에 이루는 대응점의 개수이다.

이와 달리 곡면 형상을 특정 기준의 요소(elements)로 분할하여 분할된 요소의 유사도를 분석하고, 분할된 요소의 전체 개수와 유사도가 높거나, 낮은 요소의 비율로서 곡면부재의 가공 완성도를 계산해 볼 수 있는 바, 이때의 분할 요소간의 유사도 평가는 분할요소의 특징점들간의 기하학적 거리 및 곡률 비교, 면적비교 등 다양한 기준이 적용될 수 있다. 이와 같이 유사도의 평가를 수행한 후, 곡면 완성도의 퍼센트(%)는 수학식 5와 같이 표현된다.

여기서,

는 완성도 평가를 수행할 두 형상간의 분할요소의 개수이며,

는 유사도가 떨어지는

> δ의 때에 이루는 분할요소의 개수이며, 곡면을 분할하는 요소의 개수는 제공되는 설계 형상의 크기 및 곡률 정보에 따라 그 값이 능동적으로 변한다.

한편, 주 곡률(Principal Curvature)을 이용한 가공 완성도 평가에서는 가우스 곡률(K : Gaussian Curvature)과 평균 곡률(H : Mean Curvature)을 이용하여 대응관계를 이루는 지점의 K와 H값을 비교하여 두 곡면의 유사도를 평가하고, 전체 대응관계 지점의 개수와 유사도가 높은 지점의 개수와 낮은 지점의 개수의 비율로서 곡면 부재 가공 완성도를 계산하는 것으로, 대응관계를 이루는 지점의 K와 H 값을 비교하였을 때, 그 차이 값인 δ_K = δ_H = 0 에 근접하면 두 곡면의 유사도는 높다는 것을 의미하며, 상기 가공도 수식과 같이 수치로 나타낸 것이다.

도 11은 본 발명의 시스템을 활용한 그리드(Grid) 형태의 설계형상과 계측형상(point)이 최적 곡면 정합을 이루고 있는 형상이며, 곡면 가공 완성도를 계산하기 전 단계를 나타내며, 도 12는 본 발명의 시스템을 활용한 가공 완성도 계산을 예시하는 것으로 곡면부재 가공 완성도 곡면 요소분할법에 의한 평가결과를 나타내고 있다. 도 12에서 사각형 분할 요소는 허용오차(δ)를 벗어난 요소, 즉 가공이 부족한 부분을 의미한다. 도 12에 도시된 바와 같이 사각형 분할요소의 개수가 줄어들게 되면 가공 완성도는 높다는 것을 의미하며, 사각형 분할 요소가 존재하는 영역은 가공이 미흡한 부분이라 할 수 있다.

이와 같이 곡면정합 및 가공 완성도 평가가 완료된 곡면 형상은 부여된 마진의 불필요하게 남은 여유분에 대하여 절단작업을 수행해야 한다. 따라서, 본 발명에서는 절단위치의 최적값을 제시하여 절단 작업을 최소화하였다. 상술한 바와 같은 곡면 정합된 설계 형상 및 계측 형상간의 크기 차이에 의해서 생기는 새로운 외곽선은 주로 계측 형상의 표면(surface)상에 존재하도록 투영되어야 한다. 이때 3차원의 좌표를 xy 평면의 좌표로 투영시키는 방법은 널리 알려져 있지만, 본 발명에서는 설계 형상과 마찬가지로 계측 형상도 3차원 곡면이므로 도 13에 도시된 바와 같이 이를 적절히 투영할 수 있도록 하였다.

즉, 도 13에 있어서 ①의 방향으로 투영하는 것은 xy 평면으로의 투영과 동일한 방법이며, 이 방법을 사용할 경우, 설계 형상의 좌표를 잘못된 계측 형상의 좌표로 투영하는 결과가 발생할 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 ②와 같이 설계형상의 해당 위치에서 노말 벡터(normal vector)를 사용하여 계측형상에서의 그 위치를 추출하도록 하였다. 단 이 방법은 가공 완성도 평가가 이루어진 부재에만 적용 가능한 것으로서 두 곡면간 형상차이가 심할 경우에는 ①의 방법과 마찬가지로 많은 에러를 포함하게 된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템 및 그 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 3차원 곡면의 설계형상을 평판으로 전개시킨 초기 형상에 설계자가 수축 여유치를 반영시킨 마진(Margin) 정보와 모따기 정보를 나타내는 도면이고,

도 2는 강재의 외곽에 수행된 모따기 작업과 마진 절단 후의 모습을 나타내는 도면이고,

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 곡형 부재 가공 완성도 평가 시스템의 구성과 정보 흐름을 나타내는 도면이고,

도 4는 도 3의 시스템에 따른 곡형 부재 가공 완성도 평가의 순서도이고,

도 5는 설계좌표와 계측좌표간의 오차 및 방향을 나타내는 도면이고,

도 6은 벡터의 내적을 활용한 방향 제시방법을 설명하는 도면이고,

도 7은 제약 조건을 고려한 곡면정합을 위한 종래의 방법과 본 발명의 방법을 설명하기 위한 나타내는 도면이고,

도 8은 도 3의 시스템을 활용한 곡면정합 전의 좌표위치 및 제약조건을 반영한 곡면정합 후의 형태를 나타내는 도면이고,

도 9는 제약 기준점의 자유도가 0인 경우의 예시도이고,

도 10은 제약 기준점의 자유도가 0이 아닌 경우, 에러 구면(Error Sphere) 영역을 사용하여 허용오차 범위 내에서 제약 기준점이 움직일 수 있는 상태에서의 최적 곡면정합 상태를 나타내는 예시도이고,

도 11은 도 3의 시스템을 활용한 최적 곡면정합의 예시도이고,

도 12는 도 3의 시스템을 활용한 가공 완성도 계산의 예시도이고,

도 13은 절단 위치 계산법에 따른 위치 변화를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 입력 모듈 20 : 표면 및 포인트 생성 모듈

30 : 최적 곡면정합 모듈 40 : 가공 완성도 모듈

50 : 절단 위치 및 오차 산출 모듈 60 : 가공 정보 생성 시스템

70 : 절단 위치표시 및 절단 시스템 80 : 저장장치

90 : 출력장치 100 : 영상표시장치

110 : 프린터

Claims

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법에 있어서,

계측장비를 통하여 곡면의 가공상태 또는 가공이 완료된 곡면 형상을 계측하는 단계와,

계측된 곡면형상의 데이터와 설계된 곡면형상의 데이터를 입력하여 표면 및 포인트를 생성하는 단계와,

선체 제작 공정의 마진 부위 및 모따기 작업의 특정 제약조건을 반영하여, 설계된 곡면 형상과 계측된 곡면 형상과를 정합하는 곡면정합단계와,

곡면간의 오차량을 계산하는 단계와,

곡면 형상 가공 완성도 평가 단계를 포함하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 1 항에 있어서,

오차량 및 평가 결과에 따른 절단 위치의 정보를 절단 위치표시 및 절단 시스템에 전달하는 단계를 더 포함하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 계측 단계의 계측은 3차원의 점 정보로 계측하되, 계측좌표로서 설계 곡면 형상의 데이터와 1:1 대응관계로 매칭되는 위치를 계측하는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 계측 단계의 계측은 3차원의 점 정보로 계측하되, 설계 곡면 형상과 계측 곡면 형상간의 대응관계가 아닌 경우, 계측좌표로서 불특정한 내부 위치와 모서리의 좌표를 계측하거나, 일정한 규칙을 가지는 내부 위치와 모서리의 좌표를 계측하거나, 곡면 형상의 표면을 정밀 스캔하는 방법으로 계측하는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 대응관계의 계측은

설계 형상으로부터 특정 간격 혹은 계측하고자 하는 위치에 해당하는 데이터를 얻는 단계와,

얻어진 데이터에 의거 계측해야 할 곡면 형상에서의 해당 좌표라 판단되는 위치의 계측을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 오차량의 계산은 계측 좌표와 설계 좌표와의 거리 오차 뿐만 아니라 벡터의 내적을 활용하여 방향을 제시하며, 설계 형상 모서리에서의 점 A와, 그와 대응관계에 있는 계측 형상의 점 B, 설계 형상 또는 계측 형상에서 내부에 존재하는 점 C를 사용하여 삼각형 모양을 형성할 때, 각 변을 a,b,c의 벡터로 표현하면, 벡터 b와 c 사이의 각도 θ는

이며,

계산된 각도 θ의 크기에 따라 계측 좌표가 설계 좌표보다 외곽인지 내부에 위치하는 지를 알 수 있는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 곡면 정합단계는 혼의 방법(Horn′s Method)을 이용하여 제약되는 곡면 형상의 모서리의 꼭지점의 하나를 제약 기준점으로 하여 최적 정합하는 것으로, 제약을 가할 모서리의 점과 동일한 점의 추가 혹은 중첩을 통하여 병진의 기준이 되는 도심을 제약 조건이 되는 모서리 쪽으로 이동하는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 곡면 정합 단계는 상기 대응관계가 아닌 경우의 계측은 ICP(Interactive Closest Point) 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 곡면 형상 가공 완성도 평가 단계는 곡면의 대응점간의 기하학적 거리 또는 주 곡률과 그 방향의 분석, 곡면의 분할된 영역의 넓이, 곡률을 통하여 곡면 형상간의 유사 정도를 판단하는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 대응점간의 기하학적 거리는
와
는 각각 형상간의 최소거리를 가지는 설계 형상과 목적 형상의 대응점일 때,

이고,

특정 허용오차 δ 내에서 특정 대응점에서의 기하학적 거리
와 특정 허용오차 δ 의 관계에 따라 곡면의 유사도를 평가하는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제약 기준점은 에러 구면 영역을 사용하여 허용 오차 범위 내에서 움직임을 자유롭게 한 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 대응점간의 유사도 평가를 수행한 후, 곡면 완성도의 퍼센트%는

이고,

여기서,
는 완성도 평가를 수행할 두 형상간의 대응점의 개수이며,
는 유사도가 떨어지는
> δ 의 때에 이루는 대응점의 개수인 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 10 항에 있어서,

곡면 형상을 특정 기준의 요소로 분할하여 분할된 요소의 유사도 평가를 수행한 후, 곡면완성도의 퍼센트%는

이고,

여기서,
는 완성도 평가를 수행할 두 형상간의 분할요소의 개수이며,
는 유사도가 떨어지는
> δ 의 때에 이루는 분할요소의 개수이며, 곡면을 분할하는 요소의 개수는 제공되는 설계 형상의 크기 및 곡률 정보에 따라 그 값이 능동적으로 변하는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
제 9 항에 있어서,

주 곡률을 이용한 가공 완성도 평가에서는 가우스 곡률과 평균 곡률을 이용하여 대응관계를 이루는 지점의 K와 H값을 비교하여 두 곡면의 유사도를 평가하고, 전체 대응관계 지점의 개수와 유사도가 높은 지점의 개수와 낮은 지점의 개수의 비율로서 곡면 부재 가공 완성도를 계산하는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 방법.
곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템에 있어서,

상기 곡형부재의 곡면 형상에 대해 계측된 계측 데이터와 설계정보가 입력된입력 모듈과,

곡면의 표면 및 포인트에 대한 좌표위치를 생성하는 표면 및 포인트 발생 모듈과,

곡면정합 및 제약 조건을 수반한 곡면정합을 수행하는 최적 곡면정합 모듈과,

곡면정합 결과를 바탕으로 설계 곡면과 계측 곡면의 유사도를 퍼센트 수치로 제시하는 가공 완성도 모듈과,

상기 가공 완성도 모듈로부터 제시된 수치가 곡면 완성조건일 경우, 절단 위치 및 오차를 산출하는 절단 위치 및 오차 산출 모듈을 포함하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템.
제 15 항에 있어서,

상기 최적 곡면정합 모듈의 최적 곡면정합된 결과는 가공 정보 생성 시스템에 제공되어 가공정보 생성에 활용되는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템.
제 15 항에 있어서,

상기 가공 완성도 모듈에서 제시된 수치가 곡면 완성조건이 아닌 경우, 가공정보 생성 시스템을 통하여 추가적인 가공정보를 생성하도록 하는 것을 특징으로 하는

곡형 부재의 가공 완성도 평가 시스템.