KR20150046871A - 레이저를 이용한 경사각도 측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기울어진 물체의 각도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 물체에 쏘아 그 반사광의 궤적을 측정하여 각도를 구할 수 있는 레이저를 이용한 경사각도 측정장치 및 그 측정방법에 대한 것이다.
가로 및 세로에 길이를 측정할 수 있도록 눈금이 새겨져 있는 지지판; 상기 지지판 일단 모서리 끝점에 형성되고 높이 조절이 가능한 지지대; 상기 지지대 상면에 부착되는 레이저 포인터; 및 상기 지지판 타단에 세로방향으로 세워져 있는 스크린;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저를 이용한 경사각도 측정장치 및 그 측정방법{Incline Angle Measure Apparatus using Laser and Measure Method thereof}

본 발명은 기울어진 물체의 각도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 물체에 쏘아 그 반사광의 궤적을 측정하여 각도를 구할 수 있는 레이저를 이용한 경사각도 측정장치 및 그 측정방법에 대한 것이다.

정밀도가 요구되는 조립 부품들이 공정상에 라인을 따라 이동할 때, 부품들 상에 와블이 발생할 수 있다. 이러한 와블이 발생되면 제품의 품질이나 생산성이 저하되기 때문에, 생산라인에서 부품들의 와블을 실시간으로 측정하는 것이 중요한 문제점 중 하나이다.

종래의 와블 측정장치는 일단 무겁고 부피가 크기 때문에 이동하는데 불편할 뿐아니라, 설치가 복잡하고, 다른 설비에 부착하여 사용하기에 불편한 문제점이 있으며, 제작 단가가 비싼 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 등록특허 제0525242호의 『레이저빔을 이용한 와블 측정장치 및 그 측정방법』에서는 투사된 레이저빔이 2중 구조의 반사판(반투과 반사판과 일반 반사판을 일정 간격을 두고 나란히 놓은 것)을 이용하여 기준각이 형성되면서 피측정물의 한 점에 집광 되도록 하고, 피측정물에서 반사된 빔은 구조물에 다시 두 점으로 맺히도록 하여 두 점의 빔의 위치를 계산하여 피측정물의 비틀림 또는 기울어짐을 실시간으로 측정할 수 있도록 한다.

그러나, 상기 발명의 경우 기준 각으로부터 1° 미만의 미세한 각도 변화만을 측정할 수 있는 구성으로서, 넓은 범위에서 정밀하게 각도를 측정하는 데는 문제점을 가지고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 레이저를 이용하여 기계적인 접촉 없이 피측정물의 경사각도를 일반적인 각도기 또는 분도기보다 신속하고 정밀하게 측정할 수 있도록 구성된 레이저를 이용한 경사각도 측정장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 기준 각으로부터 약 5°~ 90°의 범위 내에서도 정밀하게 경사각도를 측정할 수 있는 레이저를 이용한 경사각도 측정장치를 제공하고자 한다.

아울러, 본 발명은 정밀한 기계 장비 혹은 광학 장비를 추가하지 않고, 스크린의 그래프 상에 맺힌 반사광의 점을 이용하여 피측정물의 경사각도를 측정할 수 있는 레이저를 이용한 경사각도 측정방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 가로 및 세로에 길이를 측정할 수 있도록 눈금이 새겨져 있는 지지판; 상기 지지판 일단 모서리 끝점에 형성되고 높이 조절이 가능한 지지대; 상기 지지대 상면에 부착되는 레이저 포인터; 및 상기 지지판 타단에 세로방향으로 세워져 있는 스크린; 으로 구성되되, 상기 지지판 상면에는 피측정물이 지지판에 대하여 θ만큼 경사져 있는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 경사각도 측정장치를 제공한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명에서 상기 레이저 포인터는 좌우로 움직임이 가능한 것을 특징으로 한다.

또 다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명에서 상기 스크린은 피측정물의 경사각도(θ)를 측정할 수 있게 미리 계산해 둔 그래프가 그려져 있는 것을 특징으로 한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 지지판에 대하여 경사져 있는 피측정물의 경사각도(θ)를 측정하는 방법에 있어서, 상기 지지대에 레이저 포인터를 ｃ높이로 거치하는 단계; 상기 스크린을 지지대로부터 지지판 타단으로 ｋ만큼 이동시켜 지지판에 수직으로 세우는 단계; 경사각도(θ)를 측정하게 될 피측정물을 상기 지지대로부터 ｂ만큼 이격시키는 단계; 상기 레이저 포인터가 피측정물의 중심을 향하도록 하고, 그 광선이 지지판과 평행하도록 조절하는 단계; 레이저 광선을 상기 피측정물에 반사시켜 스크린의 그래프 상에 한 점의 반사광이 맺히게 되는 단계; 및 상기 스크린의 그래프 상에 맺힌 점을 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 경사각도 측정방법을 제공한다.

또 다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명에서 상기 그래프는 아래 [수학식]에 의해 산출된 (ｙ,ｚ)의 값을 표시한 것임을 특징으로 한다.

[수학식]

-ｄtanΨcos2θ+ｃcotθ(cos2θ-1)=ｙ

(ｄtanΨ-ｃcotθ)sin2θ+ｃ=ｚ

(여기서, Ψ는 레이저 포인터의 방향과 스크린의 법선이 이루는 각도, θ는 지지판에 대하여 피측정물이 경사져 있는 각도, ｃ는 지지판으로부터 지지대에 거치된 레이저 포인터의 높이, ｄ는 스크린에서부터 피측정물까지의 거리, ｙ축은 지지판에 평행한 축, ｚ축은 지지판에 수직인 축)

본 발명에 의하면 레이저를 이용한 경사각도 측정장치는 기계적 접촉이 없기 때문에 매우 정밀한 과학 실험이나 정밀 제조 공정 등에서 사용할 수 있으며, 특히 일반적인 각도기보다 측정이 빨라 측정 중에도 각도가 변하는 물체 등의 순간 각도를 용이하게 측정할 수 있다.

또한, 일반적인 각도기의 경우 눈금 간격이 매우 좁아 정확성이 떨어지고, 보다 정밀한 각도기의 경우 고가의 제품이고 크기가 커서 측정시 조작이 불편한 문제가 있지만, 본 발명의 경우 스크린의 그려진 그래프를 측정하기 때문에 보다 정확하고, 단순히 레이저만을 이용하기 때문에 크기가 작아 조작이 용이하고, 제조단가가 저렴하다.

뿐만 아니라, 본 발명은 각도를 좀더 정확하게 측정하고자 할 때, 스크린을 측정기구와 멀게 배치하면 적은 각도의 변화도 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 레이저를 이용한 경사각도 측정장치를 도시한 사시도 이다.

도 1은 본 발명의 레이저를 이용한 경사각도 측정장치를 도시한 사시도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 지지판(10), 지지대(20), 레이저 포인터(30), 스크린(40)으로 구성된 레이저를 이용한 경사각도 측정장치이다.

상기 지지판(10)은 가로 및 세로의 길이를 측정할 수 있도록 눈금이 새겨져 있고, 상기 지지판(10) 일단 모서리 한 끝점에 상기 지지대(20)가 직각으로 세워지며, 상기 지지판(10) 상면에는 경사각도를 측정할 피측정물(50)이 지지판(10)에 대하여 θ만큼 경사져 있다.

상기 피측정물(50)은 지지대(20)로부터 측방향으로 ｂ만큼 이격하여 설치한다.

상기 지지대(20) 상부에는 레이저 포인터(30)를 ｃ높이로 거치하고, 지지대(20)는 사용자가 원하는 높이로 조절 가능하도록 구성되어 있다.

상기 지지판(10) 일단에서 타단으로 ｋ만큼 이동한 지점에 지지판(10)에 수직으로 스크린(40)을 세워 구성하는데, 상기 스크린(40)은 피측정물(50)의 경사각도를 빨리 측정할 수 있도록 미리 계산해 둔 그래프(45)를 그려 준비한다.

상기 레이저 포인터(30)는 피측정물(50)의 중심에 향하도록 높이 조절과 좌우 조절을 해야하는데, 상기 레이저 포인터(30)는 좌우로 움직임이 가능하여 피측정물(50)을 포인트 할 수 있으며, 지지대(20)로 높낮이를 조절하여 레이저 광선(35)이 지지판(10)과 평행하도록 조절할 수 있다.

스크린(40)에 그려진 그래프(45)는 아래 [수학식]에 의해 산출된 (ｙ,ｚ)을표시한 것이다.

[수학식]

-ｄtanΨcos2θ+ｃcotθ(cos2θ-1)=ｙ

(ｄtanΨ-ｃcotθ)sin2θ+ｃ=ｚ

여기서 Ψ는 레이저 포인터(30)의 방향과 스크린(40)의 법선이 이루는 예각 부분이며, θ는 지지판(10)에 대하여 피측정물(50)이 경사져 있는 경사각도이다.

ｃ는 지지판(10)으로부터 지지대(20)에 거치된 레이저 포인터(30)의 높이이며, ｄ는 스크린에서부터 피측정물까지의 거리이다.

ｙ축은 지지판(10)에 평행하며 스크린(40)에 포함되는 축이고, ｚ축은 지지판(10)에 수직인 축이다.

[수학식]은 (ｙ,ｚ)가 θ에 의해 표현되는 매개변수 방정식으로 주어져 θ에 따른 (ｙ,ｚ) 그래프를 그릴 수 있다.

상기 [수학식]의 유도 과정은 다음과 같다.

1. 반사된 빛의 방향벡터 표현

θ만큼 기울어진 평면 ａ에 방향벡터

의 레이저 광선을 투사했을 때 반사되는 빛의 방향에 대한 것으로, 거울 평면의 법선 벡터를

이라 하고, 레이저 광선이 투사된 직선 l의 방향벡터를

라 한다. 레이저 광선은 원점에 대해 (ａ, ｂ, ｃ)의 위치에 있으며, ｘ축에 대해 Ψ의 각도로 레이저 광선이 입사한다고 가정한다. 따라서

는 아래와 같이 정해진다.

=(-cosΨ, -sinΨ, 0)

또한 평면 ａ는 θ만큼 기울어져 있으므로 ａ의 법선벡터

은 다음과 같이 정해진다.

=(0, sinθ, cosθ)

이때, 레이저가 평면에 반사된 직선 l´의 방향벡터를

라 하고,

는 xyz 직교좌표계 내에서 임의의 실수 p,q,r로 표현하면 다음과 같다.

=(p, q, r)

벡터의 외적에 따라 다음과 같은 관계가 성립한다.

×

=

×

<=> -

×

=

×

이를 xyz의 좌표의 외적을 이용해 다음과 같은 과정을 거쳐 표현한다.

(cosΨ, sinΨ, 0)×(0, sinθ, cosθ)=(0, sinθ, cosθ)×(p, q, r)……①

상기 ①식의 좌변은 다음과 같고,

상기 ①식의 우변은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

좌변과 우변이 같아야 하므로 정리하면, p에 대해서 정리할 수 있다.

p=-cosΨ

방향벡터를 잡을 때 단위벡터를 이용하였기 때문에, 두 방향벡터의 크기가 같다는 것은 자명하므로, 다음과 같은 관계가 성립하며, 미지수 하나를 소거하는 과정을 거친다.

<=> ｑ ² + ｒ ² = 1-cos² Ψ = sin² Ψ ……②

①식에서 x좌표를 다시 살펴보면, ｒsinθ-ｑcosθ = sinΨcosθ 와 같다.

양변에 cosθ 로 나누면, ｒtanθ-ｑ = sinΨ ……③으로 나타낼 수 있다.

③식의 양변을 제곱한 후 ②식을 이용하여 정리하며, q에 대해서 정리한 ④식을 얻을 수 있다.

……④

또한 식 ④를 식 ③에 대입한 후 정리하면 r에 대해서 정리할 수 있다.

ｒ=sinΨsin2θ

상기 식을 식 ③에 대입하면

ｑ=-sinΨcos2θ로 다시 정리할 수 있다.

변수 치환한 여러 p,q,r을 다시 이용하면 반사된 빛의 방향벡터

은 다음과 같이 정의된다.

= (p,q,r) = (-cosΨ, -sinΨ cos2θ, sinΨ sin2θ)

2. 레이저와 평면의 교점과 반사된 점의 좌표

평면 α에 대한 식은 법선벡터

의 방향 코사인으로 표현가능하다.

α: sinθｙ+cosθｚ=0

점 C에 광원이 있고, 그곳에서부터 빛이 진행한다고 하면, l이 (a,b,c)인 점 C를 지나고, 직선 l과 평면 α의 교점 좌표인 K는 다음과 같이 표현된다.

(-tan(90-Ψ)ㆍｃㆍcotθ, -ｃㆍcotθ, ｃ)

ｌ´의 방정식은

가 점 K를 지날 때의 직선의 방정식이고, 다음과 같이 표현된다.

좌측의 항을 우선 간단하게 정리하고 직선 ｌ´의 방정식은 다시 표현된다.

ｌ´:

-ｘ방향으로 d만큼 떨어진 곳의 yz평면에 평행한 평면 β´와 직선 ｌ´의 교점이 곧, 반사광이 맺히는 점이다. β의 x좌표는 다음과 같다.

ｘ=-ｄ

직선의 방정식을 분해하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

상기 식을 각각 y와 z로 정리하면,

-ｄtanΨcos2θ+ｃcotθ(cos2θ-1)=ｙ 와,

(ｄtanΨ-ｃcotθ)sin2θ+ｃ=ｚ 로 정리할 수 있다.

ｄ+ｂcotΨ를 k로 정의하며, 상기 k는 스크린(40)과 레이저 포인터(30)가 거치된 지지대(20)의 거리를 나타낸다.

상기 [수학식]은 (ｙ,ｚ)가 θ에 의해 표현되는 매개변수 방정식으로 주어져 θ에 따른 (ｙ,ｚ) 그래프를 그린 것으로, 레이저 포인터(30)를 통해 투사된 광선(35)은 상기 피측정물(50)에 반사되어 스크린(40)에 그려져 있는 그래프(45)에 한점의 반사광이 맺히게 된다.

이때, 상기 스크린(40)상에 맺힌 점에 해당하는 값을 그래프(45)에 표시해 두고, 상기 값을 읽어주면 그 값이 구하고자 하는 피측정물(50)의 경사각도가 된다.

특히, 이건발명은 피측정물(50)의 경사각도가 변화될 때에도 측정하기에 용이한 장점이 있다.

10: 지지판 20: 지지대
30: 레이저 포인터 35: 레이저 광선
40: 스크린 45: 그래프
50: 피측정물

Claims (5)

1. 가로 및 세로에 길이를 측정할 수 있도록 눈금이 새겨져 있는 지지판(10);
   상기 지지판(10) 일단 모서리 끝점에 형성되고 높이 조절이 가능한 지지대(20);
   상기 지지대(20) 상면에 부착되는 레이저 포인터(30); 및
   상기 지지판(10) 타단에 세로방향으로 세워져 있는 스크린(40);으로 구성되되,
   상기 지지판(10) 상면에는 피측정물(50)이 지지판(10)에 대하여 θ만큼 경사져 있는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 경사각도 측정장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 레이저 포인터(30)는 좌우로 움직임이 가능한 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 경사각도 측정장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 스크린(40)은 피측정물(50)의 경사각도(θ)를 측정할 수 있게 미리 계산해 둔 그래프(45)가 그려져 있는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 경사각도 측정장치.
   
4. 지지판(10)에 대하여 경사져 있는 피측정물(50)의 경사각도(θ)를 측정하는 방법에 있어서,
   상기 지지대(20)에 레이저 포인터(30)를 ｃ높이로 거치하는 단계;
   상기 스크린(40)을 지지대(20)로부터 지지판(10) 타단으로 ｋ만큼 이동시켜 지지판(10)에 수직으로 세우는 단계;
   경사각도(θ)를 측정하게 될 피측정물(50)을 상기 지지대(20)로부터 ｂ만큼 이격시키는 단계;
   상기 레이저 포인터(30)가 피측정물(50)의 중심을 향하도록 하고, 그 광선(35)이 지지판(10)과 평행하도록 조절하는 단계;
   레이저 광선(35)을 상기 피측정물(50)에 반사시켜 스크린(40)의 그래프(45) 상에 한 점의 반사광이 맺히게 되는 단계; 및
   상기 스크린(40)의 그래프(45) 상에 맺힌 점을 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 경사각도 측정방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 그래프(45)는 아래 [수학식]에 의해 산출된 (ｙ,ｚ)의 값을 표시한 것임을 특징으로 하는 레이저를 이용한 경사각도 측정방법.
   [수학식]
   -ｄtanΨcos2θ+ｃcotθ(cos2θ-1)=ｙ
   (ｄtanΨ-ｃcotθ)sin2θ+ｃ=ｚ
   (여기서, Ψ는 레이저 포인터의 방향과 스크린의 법선이 이루는 각도, θ는 지지판에 대하여 피측정물이 경사져 있는 각도, ｃ는 지지판으로부터 지지대에 거치된 레이저 포인터의 높이, ｄ는 스크린에서부터 피측정물까지의 거리, ｙ축은 지지판에 평행한 축, ｚ축은 지지판에 수직인 축)
   

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