KR910001268B1 - 봉형상물체의 비접촉 측정자 - Google Patents

봉형상물체의 비접촉 측정자 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

봉형상물체의 비접촉 측정자
제1도는 본 발명의 비접촉 측정자의 설명도.
제2도는 3차원 측정장치의 설명도.
제3도는 전기계통의 블럭도.
제4도는 제어부분의 플로우차트도.
제5도는 측정작업예의 사시도.
제6도는 본 발명의 비접촉 측정자를 블릿지형 3차원 측정장치에 장착하였을 경우의 사시도.
제7도 a, b, c는 좌표계산의 설명도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 프로브 101 : 수평아암
102 : 수직아암 103, 104 :돌출부
105 : 수평반도체 레이저 106 : 수직반도체레이저
107 : 수직수광소자 108 : 수평수광소자
109 : 접속부 2 : 지지수단
201 : 하우징 202, 203 : 축받이
204 : 수직축 205 : 평치차
206 : 코일스프링 207 : 스토퍼
208 : 인코더 3, 3' : 3차원 측정장치
301 : 수평가이드바 302 : 수직가이드바
303 : 설치아암 304 : 볼트
305, 306, 307 : 위치검지기 4 : 제어장치
401 : CPU 402 : ROM
403 : RAM 404 : 백업 RAM
405 : I/O 제어회로 406 : 키이보오드
407 : CRT디스플레이 408 : 수평센서회로
410 : 각도리이드인(read in)회로 411 : 좌표리이드인회로
409 : 수직센서
본 발명은 봉형상물체의 비접촉 측정자에 관한 것으로, 그 목적으로 하는 바는 3차원 형상으로 벤딩(bending)가공된 파이프나, 환봉(丸棒)등 봉형상물체의 3차원 형상을 3차원 측정장치에 있어서의 검지기를 피측정물에 접촉시키지 않고 형상의 정밀도 높은 측정을 가능하게 하는 봉형상물체의 비접촉 측정자에 관한 것이다.
봉형상물체를 3차원 형상으로 굴곡가능하는 소위 3차원 가공에 있어서는 그 가공된 3차원 형상을 검사 측정하는 경우, 파이프나 환봉 등과 같이 직접중심선의 측정이 불가능한 봉형상물체의 3차원 형상을 종래의 3차원 측정장치로 정밀도 높게 측정하는 것은 매우 곤란하다. 그러므로 파이프나 환봉 등의 3차원 가공에서는 일반적으로 직선형상의 파이프 등을 소정의 개소에서 절곡하여 가공이 행하여 지는 것에 착안하여 종래에는 피측정물의 직선부분을 측정하여 그 중심선 백터를 구하는 접촉측정기구에 의한 측정장치가 제안되고, 예를들면 일본국 특개소 50-147351호 공보의 측정장치 등이 알려지고 있고, 그에따라 3차원 형상으로 벤딩 가공된 파이프 등이 설계치대로 벤딩가공 되었는지의 여부를 판정하는데 사용되고 있었다.
그러므로 종래의 3차원 측정장치에서 사용하는 특정형상의 측정자는 그 형상이 비교적 크기때문에 벤딩가공된 피측정물의 직선부분이 짧은 경우에는 측정이 불가능하게되고, 또 측정자의 형상을 작게하면 측정 오차가 커져버린다.
또한, 선단이 구형(球形)의 측정자로 측정하려고하면, 3차원 측정장치의 조작이 번잡해지고 만다.
이와 같이 종래의 측정장치에서는 측정자를 피측정물에 직접 접촉시켜서 측정하는 측정방법이었기 때문에 피측정물이 접촉에 의하여 이동하거나, 비틀어지거나하여 높은 측정 정밀도를 얻을 수가 없었다.
종래의 접촉기구에 의한 측정방법에 있어서는 여러가지의 측정자가 개발되어 왔으나, 측정자의 형상을 어떻게 변경하더라도 그것에는 자연히 한계가 있고, 오히려 3차원 측정장치의 조작이 번잡해질 뿐이었었다.
그러므로 발명자는 조사(照射) 방향이 서로 다른 2개의 투광기와, 그 투광기로부터 조사되는 각각의 광측상에 설치된 2개의 수광기로 이루어진 2조의 광센서를 구비한 프로브와 상기 프로브를 일축회전으로 회동이 자재롭게 지지하는 지지수단과 상기 프로브의 회동각도를 검지하는 각도 검지수단을 구비한 봉형상물체의 비접촉 측정자를 발명하였다.
본 발명의 비접촉 측정자를 구비한 3차원 측정장치는, 지지수단에 의하여 회동자재롭게 지지된 2조의 광센서를 가진 프로브를 임의의 방향으로부터 피측정물에 접근시켜, 피측정물의 윤곽을 광학적으로 검지하고, 그 광학적으로 검지한 2점 이상에서의 프로브의 회동각도를 각도검지수단에 의하여 검지하도록 작동시켜 봉형상물체의 중심좌표를 비접촉으로 측정할 수 있다.
본 발명에 의한 봉형상물체의 비접촉 측정자(이하 측정자라 칭함)을 도면에 의거하여 설명한다.
제1도는 본 발명의 측정자를 나타낸것이고, 프로브(1)는 수평아암(101)과 수직아암(102)을 서로 90도의 각도를 유지하여 L형으로 결합하고, 이들 수평아암(101)과 수직아암(102)의 양측선단에는 안쪽을 향한 돌출부(103), (104)가 형성되어 있다. 돌출부(103, 104)에는 각 아암과 평행이고, 아암의 기단(基端)방향으로 레이저광선을 발사하는 투광기인 반도체 레이저(105, 106)가 각각 설치되어 있다. 또 반도체 레이저(105)로부터 발사되는 레이저광선의 광축(A)과 수직아암(102)과의 교점에는 수광기인 수광소자(108)가 설치되고, 마찬가지로 반도체 레이저(106)로부터 발사되는 레이저광선의 광축(B)과 수평아암(101)과의 교점에도 수광소자(107)가 설치되어 있으며, 상기 광축(A) 및 광축(B)는 직교하고 있다.
수평아암(101)에는 광축(B)의 연장선상에 접속부(109)가 형성되어 있고, 그 접속부(109)는 지지수단(2)의 하우징(201) 내에서 축받이(202, 203)에 의하여 회동가능하게 지지된 수직축(204)의 돌출선단에 고정되고, 이에 의하여 프로브(1)는, 수직축(204)과 일체적으로 광축(B)을 중심으로하여 회동하도록 되어 있다. 수직축(204)에는 평치차(平齒車)(205)가 설치되어 있고, 코일 스프링(206)에 의하여 부세되어 있는 스토퍼(207)에 의하여 단계적으로 회동각도가 고정가능하게 되어 있다. 그 회동각도는 각도검지수단인 인코더(208)로 검지한다.
제2도는 이 측정자를 조입한 3차원 측정장치(3)의 설명도이고 그 3차원 측정장치(3)는 수평가이드바(301)의 길이방향에 따라서 접동하는 수직가이드바(302)에 그 수직가이드바(302)의 길이방향에 따라서 상하로 접동하고, 또한 양 가이드바(301, 302)의 길이방향과 직교방향으로 접동하는 설치아암(303)으로 구성되고, 측정자는 그 설치아암(303) 선단에 제1도에 나타낸 볼트(304)로 고정한다.
또, 3차원 측정장치(3)의 각 가동부에는 각각 위치검지기(305, 306, 307)가 설치되어 있고, 이들 위치검지기(305, 306, 307)와, 측정자에 설치되어 있는 인코더(208)로부터의 신호는 신호선에 의하여 별도로 설치한 제어장치(4)에 입력가능하게 접속되고, 이 제어장치(4)에서 피측정물(P)의 좌표치가 구해질 수 있도록 되어 있다.
다음에 이 실시예의 전기 계통의 제어를 제3도에 나타낸 블록도를 사용하여 설명한다.
상기 3차원 측정장치(3)에 있어서의 위치검지기(305, 306, 307) 및 인코더(208)의 검지신호는 모두 제어장치(4)내에 입력되어 피측정물(P)의 좌표계산에 사용된다. 제어장치(4)는 주지의 CPU(401), ROM(402), RAM(403), 백업 RAM(404)으로 구성된 마이크로 컬퓨터를 주요부로 하고, I/O 제어회로(405)에서는 터미널에 구비된 키이보오드(406)로부터 피측정물(P)의 지름 등의 데이터를 입력하거나 CRT 디스플레이(407)에 계산한 좌표치 등의 표시를 행한다.
수평센서회로(408) 및 수직센서회로(409)는 반도체 레이저를 제어하고, 반도체 레이저로부터 조사하는 레이저광을 수광소자에 의하여 감지하고 있다. 수광소자가 레이저광을 감지하고 있는 동안은 수광소자로부터의 전위는 하이(High)레벨이고, 프로브를 이동시켜 피측정물(P)에서 레이저광이 차단되면 수광소자로부턴의 전위는 로우(low)레벨이 되므로 그 전위가 내려간 시점의 3차원 측정장치(3)로부터의 데이터를 좌표 리이드인(read in)회로(411)로 리이드인한다. 또 동시에 각도 리이드인회로(410)는 인코더(208)로부터 출력되는 펄스신호의 펄스수를 CPU(401)에 보낸다.
따라서 CPU(401)는 수평센서회로(408) 및 수직센서회로(409)를 거쳐 2조의 수상소자의 전위의 레벨을 감시하고 그 전위가 내려간 시점의 각도 리이드인회로(410)로부터의 데이터 및 좌표 리이드인회로(411)로부터의 데이터를 하아드(hard)적으로 거둬들여 피측정물(P)의 데이터 검지를 가능하게 하고 있다.
또한 각각의 회로사이는 데이터버스에 의하여 접속되어 있다. 다음에 상기 제어장치(4)에서 행하여지는 데이터처리에 대하여 제4도의 플로우챠트에 의거하여 설명하고 아울러 실시예의 3차원 측정장치(3) 및 본발명의 측정장치의 조작에 대하여 설명한다.
먼저 측정에 앞서, 피측정물(P)을 측정용 홀더 등으로 고정한다.
여기서 제4도에 나타낸 측정제어용 서브프로그램은, 다른 서브프로그램 예를들면 CRT 디스플레이(407)에 측정한 결과를 즉시 표시하는 프로그램 등과 동시에 진행된다.
먼저 3차원 측정장치(3)와 제어장치(4)에 전원이 공급되면, 스탭(S1)에서 키이보오드(406)의 입력에 의하여 피측정물(P)의 지름의 설정 및 원위치 보정이 행하여 진다. 이 원위치 보정은 별도로 설치된 도시하지 않은 보정기준 블럭에서 광축(A) 및 광축(B)이 차단되므로서 행하여지고 수평반도체 레이저(105) 및 수직반도체 레이저(106)로부터는 전원공급과 동시에 레이저광이 조사된다.
스탭(S2)에서는 카운터로 사용하는 변수(N)의 값을 1로 세트하는 처리가 행하여 진다. 다음에 스탭(S3)으로 진행하여 수직방향의 광축(B)이 차단되었는지의 여부를 판단한다.
여기서 제5도에 나타낸 바와 같이 측정자를 수작업(手作業)에 의하여 피측정물(P)의 광축차단 개소까지 인도한다(제5도시 I). 광축이 차단되지 않으면, 스탭(S3)을 여러차례 반복하여 광축차단을 기다린다. 광축이 차단되면 스탭(S4)에 진행하여 그 광선이 차단된 시점에서의 좌표(X1, Y1)이 리이드인된다.
다음에 스탭(S5)으로 진행하고, 수작업에 의하여 측정자의 위치변경 및 회동이 행하여지고, 수평축의 광축(A)을 차단하였는지의 여부를 판단한다. 광축이 차단되면 스탭(S6)으로 진행하여 X1, Y1, Z1그 시점의 회동각도 θ1가 리이드인된다.
이상의 스탭을 종료하면 스탭(S7)에서 변수(N)가 2인지의 여부가 판단되고, 상기 스탭을 1회 종료한 시점에서는 변수 N=1이므로 판정은 NO가 되어 다시한번 같은 스탭을 반복하도록 다음으로 진행한다.
스탭(S8)에서는 변수(N)가 1증가하여, N=2가 되어 스탭(53)으로 복귀한다. 이 시점에서 수작업에 의하여 제5도에 나타낸 바와 같이 피측정물(P)의 동일한 직선부분에 속하는 또하나의 위치(제5도시 Ⅱ)까지 측정자를 이동시켜 다시 측정이 재개된다.
이와 같이 하여 스탭(S3)으로부터 스탭(S6)까지 반복되고, (X2, Y2), (X2, Y2, Z2) 및 θ2의 측정이 행해진다. 여기서 스탭(S7)으로 진행하여 변수 N=2이므로 스탭(S9)로 진행하여 좌표계산이 행하여진다.
스탭(S9)에서는 먼저 스탭(S4)에서 구한(X1, Y1), (X2, Y2) 및 미리 키이보오드(406)로부터 입력된 피측정물(P)의 지름(D)으로부터 광축(B)과 수직인 X-Y 평 면상에서의 피측정물(P)의 중심선의 계산이 행하여지고, 마찬가지로하여 중심선을 지나 X-Y 평면과 수직인 α평면도 구해진다.
다음에 구하여진 α평면으로부터, 스탭(S6)에서 측정된(X1, Y1, Z1), θ1,(X2, Y2, Z2)θ2로부터 α평면상에서의 피측정물(P)의 외주를 구하고 그 지름(D)으로부터 피측정물(P)의 중심선을 구한다. 이것을 통상의 3차원 좌표로 변환하여 피측정물(P)의 중심선의 좌표로하고, 이 서브프로그램을 종료한다.
다음에 이 서브프로그램의 스탭(S9)에서의 좌표계산의 처리부분을 수식에 의하여 이론적으로 설명한다. 이경우 광축은 원주라고 가정하고 높은 정밀도의 반도체 레이저로서는 원주의 반경은 0이라고 생각하면 된다. 또한 여기서는 광축(A) 및 광축(B)이 측정물(P)과 수직인 경우를 예로들어 이하에 설명한다.
제7도(a)에 나타낸 바와 같이 X-Y 평면상에서 광축(B)이 피측정물(P)과 접촉한 시점에서의 두 측정점을 P1(X1-Y1), P2(X2, Y2)로 한다.
피측정물의 중심선은 이 두 측정점을 연결하는 직선과 평행이고, 중심으로부터 피측정물의 반경+광축의 반경만큼 떨어진 거리에 위치하는 X-Y 평면상의 직선을 포함한 X-Y 평면에 수직인 면상에 있는 피측정물(P)의 반경=Pr광축의 반경=Pd라 하면, 이 X-Y 평면상의 직선은 식 1로 표시된다.
Figure kpo00001
다음에 제7(b)도에 나타낸 바와 같이 X-Y 평면상에서의 광축(A)이 피측정물(P)에 접촉한 시점의 두 측정점에서의 광축(B)의 위치를 P3(X3, Y3, Z3), P4(X4, Y4, Z4)로하고, 광축(A)의 외주가 피측정물(P)에 접한 위치에서의 광축(A)의 임의의 중심위치를 P5(X5, Y5, Z5), P6(X6, Y6, Z4)로한다.
Figure kpo00002
피측정물(P)의 중심선을 포함하는 X-Y 평면에 수직인면을 α평면으로 하고, 이 α평면상에서의 피접촉물(P)과 광축(A)이 접촉한 시점의 광축의 중심점 P7, P8의 좌표를 P7(α7, Z3), P8(α8, Z4)로 한다.
단 α7=(X7, Y7)
α8=(X8, Y8)
이상의 계산결과로부터 제7(C)도에 나타낸 점 P9및 점 P10을 구한다. 여기서 P9(X7, Y7, Z9), P10(X8, Y8, Z10)는 각각 피측정물(P)의 중심선에 포함되는 점으로 한다. 따라서 광축의 중심점 P7, P8을 연결한 직선은 α평면상에 있고, 피측정물(P)의 중심선과 평행이 된다.
Figure kpo00003
이와 같이 하여 피측정물(P)의 중심선에 포함되는 두점 P9및 P10의 각 X, Y, Z 및 방향성분 X7, Y7, Z9및 X8, Y8, Z10이 구하여진다.
여기서는 피측정물(P)과 광축이 직교하는 경우를 예로들어 설명하였으나, 90도 이외의 각도에서 교차하는 경우는 각각의 경우에 있어서 보정을 한다.
통상, 벤딩가공된 봉형상물체는 그 직선부분 마다의 중심선의 교점좌표로 표시되나 상기 측정을 피측정물(P)의 직선부분마다 행하므로서, 그 직선부분마다 포함되는 두점 P9및 P10을 각각 구하고 그 두점으로부터 그 중심선을 구한다. 그런후, 주지의 방법으로 그 인접된 직선부분마다의 중심선의 교점의 좌표를 구한다. 그 좌표에 의하면 벤딩가공된 봉형상물체의 형상을 표시하는 것이다.
이 중심좌표에 의하여 벤딩가공이 적정하게 이루어지고 있는가를 판단할 수가 있다. 또한 상기 프로그램에 의한 좌표계산은 일실시예를 나타낸 것에 불과하고, 다른 계산 방법에 의하여 중심좌표를 구하여도 하등지장이 없다.
또 여기서는 측정자를 이동하는데 수작업으로 행하였으나, 컴퓨터 제어 등에 의하여 자동으로 행하거나 파이프의 지름도 키이보오드 입력은 아니고, 측정자에 의하여 자동계측하여도 되고, 또 측정자의 회동도 모터 등을 설치하고, 마찬가지로 자동제어하여도 된다. 또한 여기서는 광축(A)과 광축(B)이 직교하도록 설정하고 있으나, 광축끼리의 교차각도는 임의로 설정할 수 있고, 광축끼리는 반드시 교차되어 있지 않아도 되며, 회동은 반드시 광축회전이 아니라도 임의의 일축회전으로 회동하면 된다. 단 상기의 경우는 그 조건에 따른 프로그램을 다시 고쳐짤 필요가 있다.
또 상기 실시예에 있어서는 프로브를 상하, 좌우, 전후의 3차원적 이동을 시키기 위하여 레이아우트머신형의 3차원 측정장치(3)를 사용하였으나, 제6도에 나타낸 브릿지형의 3차원 측정장치(3')나 도시하지않은 캔틸레버형의 3차원 측정장치를 사용할 수도 있다.
본 발명에 의한 봉형상물체의 비접촉 측정자는 비접촉방식이기 때문에 피측정물에 전혀 접촉하지 않고 형상을 측정할 수 있기 때문에 피측정물이 도전성, 절연성에 관계없이 측정할 수 있다. 또, 피측정물의 이동이나 변형에 관한 고려는 전혀 필요없고, 또한 피측정물의 지름에 따른 측정자를 교환하거나 측정을 위한 번거러운 준비도 불필요해진다. 그리고 피측정물의 형상의 여하에 불구하고 측정가능하며, 더우기 그 측정치는 종래에 있어서는 예상조차 할 수 없었던 높은 정밀도를 얻을 수 있다.
이결과, 피측정물의 중심선으로부터 그 중심선 상호의 교점을 구하므로서, 파이프나 환봉 등의 벤딩가공이 적정하게 행하여졌는지의 여부를 용이하게 또한 정확하게 검사할 수 있어 그 실용적 가치는 다대하다.

Claims (1)

  1. 파이프, 환봉 등, 봉형상의 피측정물의 형상을 측정하는 3차원적으로 이동이 가능한 측정장치의 아암에 설치되는 검지기에서, 조사방향이 서로 다른 2개의 투광기와, 그 투광기로부터 조사되는 각각의 광축상에 설치된 2개의 수광기로 이루어진 2조의 광센서를 구비한 프로브와, 상기 프로브를 일축회전으로 회동자재롭게 지지하는 지지수단과, 상기 프로브의 회동각도를 검지하는 각도 검지수단을 구비한 봉형상물체의 비접촉측정자.
KR1019860009397A 1985-12-10 1986-11-07 봉형상물체의 비접촉 측정자 KR910001268B1 (ko)

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