KR950008801B1 - 비접촉 디지타이징 방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
비접촉 디지타이징 방법
[도면의 간단한 설명]
제1도는 비접촉 디지타이징 제어 장치의 구성을 도시하는 블럭도.
제2도는 트레이서 헤드를 상세히 도시한 도면.
제3도는 트레이서 헤드의 회전 제어를 설명하는 도면.
제4도는 측정점에서 정반대 방향의 2개의 법선 벡터를 도시한 도면.
제5도는 법선 벡터의 Z방향 성분값(NZ)가 음으로 되는 경우를 설명하는 도면.
제6도는 회전각을 산출하기 위한 플로우 차트.
[발명의 상세한 설명]
[기술 분야]
본 발명은 비접촉 디지타이징 방법에 관한 것으로, 특히 3차원적인 모델 형상을 비접촉으로 모델링 하면서 트레이서 헤드(tracer head) 자세를 제어하여 모델 형상에 대한 모델 데이타를 생성하는 비접촉 디지타이징 방법에 관한 것이다.
[배경 기술]
최근에 비접촉 거리 검출기를 사용하여 모델 형상을 만드는 비접촉 모델링 제어 장치가 개발되고 있다. 이러한 비접촉 거리 검출기에는 광학식 거리 검출기가 사용되고 이것을 트레이서 헤드의 선단에 고정하여 모델면까지의 거리를 검출해서 모델링한다. 이것은 모델에 흠집을 낼 염려가 없어서 유연한 재질의 모델을 사용할 수 있어 모델링에 있어서의 적용 분야 확대가 기대된다.
일반적으로 모델 형상을 작성하여 그 궤적 데이타를 시시 각각 검출하여 NC 테이프 등에 자동적으로 출력하는 기능을 디지타이징 기능이라 한다. 비접촉 디지타이징 방법에 따르면, 모델면에 흠집을 내지 않고 디지타이징 데이타를 산출할 수 있다.
그런데, 종래의 비접촉 모델링 제어 장치에서는 모델의 경사 각도가 큰 부분에서는 모델링 정도가 저하해서 정밀한 디지타이징 데이타를 얻을 수 없었다. 예를 들면, 모델의 설치면과 수직에 가까운 모델면을 모델링하는 경우에 트레이서 헤드의 측정축이 모델면과 평행에 가까워지면 모델면 상의 스폿트가 타원형으로 확대되어 거리 검출 분해능이 저하한다. 그래서, 비접촉 디지타이징을 고도로 정밀하게 실행하기 위해서는 모델의 설치면과 수직 방향(Z축 방향)에 고정한 트레이서 헤드 대신에 모델면에 대해 최적인 방향으로 트레이서 헤드를 경사시켜서 모델 형상을 모델링할 필요가 있다.
그래서, 본 발명자는 트레이서 헤드에 2개의 비접촉 거리 검출기를 설치하고 트레이서 헤드로부터의 모델데이타를 샘플링한 측정값에 기초하여, 모델면의 법선 벡터를 구하여 이 법선 벡터를 소정 평면에 투영하여 투영 방향으로 트레이서 헤드를 회전 제어하도록 한 발명을 이미 출원했다(평성 1년 특허원 제194500호).
선원의 발명은 비접촉 모델링 제어 장치의 발명으로서 복수의 측정점에서 3점을 선택하여 그들 3점에 2개의 표면 벡터를 결정하고, 그들 표면 벡터의 외적을 계산하여 법선 벡터를 산출한다. 그런데, 법선 벡터를 산출할 때에 표면 벡터를 곱하는 순서가 고정되어 있지 않기 때문에 그 순서가 바뀌면 완전히 정반대 방향의 2의 법선 벡터가 구해져 버린다.
이때, 통상은 법선 벡터()의 Z축 방향 성분의 값(NZ)가 양인 쪽이 선택되면 된다. 그러나, 특히 수직면 혹은 수직면에 가까운 모델 형상에 대한 모델링을 행하는 경우에는 비접촉 거리 검출 기구의 측정 오차나 연산 기구에서의 계산 오차 등으로 NZ가 음인 쪽이 올바른 법선 벡터()으로 되는 경우가 있다. 따라서, 상기 비접촉 모델링 제어 장치에서는 모델면의 법선 벡터로서 상응하지 않는 쪽이 선택되면, 트레이서 헤드의 측정축이 180°회전하여 측정이 불가능해지거나 모델면과 간섭을 일으키는 문제점이 있었다.
[발명의 개시]
본 발명은 이와같은 점을 감안한 것으로 항상 모델면에 대해 최적인 방향으로 트레이서 헤드의 측정축을 회전 제어할 수 있는 비접촉 디지타이징 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 과제를 해결하기 위해 3차원적인 모델 형상을 비접촉으로 모델링하면서 모델 형상에 대해 모델 데이타를 생성하는 비접촉 디지타이징 방법에 있어서, 경사지는 측정축이 회전 제어되는 트레이서 헤드에 의해 상기 모델면 상의 복수의 측정점까지의 거리를 측정하여 적어도 3개의 측정된 거리에 기초하여 2개의 표면 벡터를 결정하는 단계, 상기 트레이서 헤드의 측정축의 상기 측정점을 시점으로 하는 축벡터와 상기 측정점에 있어서, 법선 벡터와의 이루는 각도가 90°를 넘지 않는 범위에서 상기 표면 벡터의 외적에서 법선 벡터의 방향을 결정하는 단계 및 상기 법선 벡터의 상기 모델의 설치면으로의 투영에 따라 상기 트레이서 헤드의 측정축을 회전 제어하여 상기 모델 데이타를 차례로 생성하는 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 비접촉 디지타이징 방법이 제공된다.
모델면의 법선 벡터의 Z축 방향 성분(NZ)는 통상 NZ≥0으로 가정한다. 비접촉 디지타이징을 위한 모델형상에는 모델면이 오버행(overhang)된 부분이 아닌 NZ가 음으로 되는 영역에서는 모델링을 행하지 않기 때문이다.
본 발명의 비접촉 디지타이징 방법에서는 법선 벡터를 산출할 때에 측정축의 축 벡터와 법선 벡터가 이루는 각도가 90°를 넘지 않는 범위에서 법선 벡터의 방향을 결정한다. 따라서, 통상은 법선 벡터의 Z방향 성분(NZ)가 NZ≥0으로 되는 쪽이 선택된다. 수직면 혹은 수직면에 가까운 모델 형상에 대한 모델링을 행하는 경우, 비접촉 거리 검출 기구의 측정 오차나 연산 기구에서의 계산 오차가 발생해도 올바른 법선 벡터를 선택한다. 트레이서 헤드의 측정축은 모델면에 대해 최적인 방향으로 회전 제어된다.
[발명을 실시하기 위한 양호한 실시예]
이하, 본 발명의 한 실시예를 도면에 기초하여 설명한다.
제1도는 비접촉인 디지타이징 제어 장치 및 주변 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
디지타이징 제어 장치(1)측에서는 프로세서(11)이 버스(10)을 통해 ROM(12)에 저장된 시스템 프로그램을 판독하고, 이 시스템 프로그램에 따라 디지타이징 제어 장치(1) 전체의 동작을 제어한다. RAM(13)은 데이타의 일시 기억 장치로 후술하는 모델링 공작 기계의 비접촉 거리 검출 기구에서의 측정 데이타 및 그밖의 일시적인 데이타를 기억한다. 불휘발성 메모리(14)는 도시하지 않은 배터리로 백업되고, 인터페이스(15)를 통해 조작반(2)에 입력된 모델링 방향, 모델링 속도 등 각종 파라미터 등이 저장된다.
모델링 공작 기계(3)의 트레이서 헤드(4)에는 거리 검출기(5a 및 5b)가 설치된다. 거리 검출기(5a 및 5b)에는 반도체 레이저 혹은 발광 다이오드를 광원으로 한 반대 광량식(光量式)의 센서 등이 사용된다. 측정축(4a 및 4b)에 따르는 모델면까지의 거리의 측정값(La 및 Lb)는 디지타이징 제어 장치(1)내의 A/D 변환기(16a 및 16b)에서 디지탈값으로 변환되어 차례로 프로세서(11)로 읽혀 들어간다.
프로세서(11)은 A/D 변환된 디지탈값과 후술하는 현재 위치 레지스터(19x, 19y 및 19z)에서의 신호에 기초하여 각축 변위량을 산출함과 동시에 이들 변위량과 지령받은 모델링 방향, 모델링 속도에 기초하여 주지의 기술로 각 축의 속도 지령(Vx, Vy 및 Vz)를 발생한다. 이들 속도 지령은 D/A 변환기(17x, 17y 및 17z)에서 아날로그 값으로 변환되어 서보 앰프(18x,18y 및 18z)로 입력된다. 서보 앰프(18x 및 18y)는 속도 지령에 기초하여 모델링 공작 기계(3)의 서보 모터(32x 및 32y)를 구동하여 이것에 의해 테이블(31)을 X축 방향 및 지면에 수직인 Y축 방향으로 이동한다. 또한, 서보 앰프(18z)는 서보 모터(32z)를 구동해서 트레이서 헤드(4) 및 공구(34)를 Z축 방향으로 이동한다.
서보 모터(32x, 32y 및 32z)에는 이들이 소정량 회전할 때마다 각각 검출 펄스(FPx, FPy 및 FPz)를 발생하는 펄스 코더(33x, 33y 및 33z)가 설치되어 있다. 디지타이징 제어 장치(1)내의 현재 위치 레지스터(19x, 19y 및 19z)는 검출 펄스(FPx, FPy 및 FPz)를 각각 회전 방향에 따라 카운트 업/다운해서 각 축방향의 현재 위치 데이타(Xa, Ya 및 Za)를 구해서 제어 데이타로서 프로세서(11)로 입력한다.
한편, 프로세서(11)은 상기 각 축의 제어와 동시에 거리 검출기(5a 및 5b)의 측정값(La 및 Lb)를 소정의 샘플링 시간마다 샘플링하고 이것을 사용하여 후술하는 연산 방법으로 모델면의 법선 벡터를 구한다. 법선 벡터의 X-Y 평면상에의 투영 벡터에 대응하여 회전 지령(SC)가 형성되어 D/A 변환기(17c)에 의해 아날로그 값으로 변환된다. 서보 앰프(18c)는 이러한 회전 지령(SC)에 기초하여 서보 모터(32c)를 구동하여 트레이서 헤드(4)의 측정축(4a)를 Z축 둘레로 소정 각도 경사시키면서 회전 제어한다. 그리고, 동시에 테이블(31)이 지령된 모델링 방향, 모델링 속도로 이동하여 트레이서 헤드(4)와 동일하게 Z축 제어되는 공구(34)에 의해 가공물(35)에 모델(6)과 동일한 형상의 가공이 실시된다.
그런데, 모델(6)의 표면이 수직에 가까워지면 거리 검출기(5a 및 5b)에서의 측정 오차나 프로세서(11)에서의 계산 오차에 기인하여 정의 법선 벡터의 Z축 방향 성분의 값(NZ)가 음으로 되는 경우가 있다. 이 경우에 법선 벡터의 방향을 결정하는 연산 방법을 변경하여 상기 NZ의 값이 음이라도 법선 벡터의 X-Y 평면상으로의 투영 벡터를 선택하여 회전 지령(SC)를 형성하지 않으면 트레이서 헤드(4)의 자세가 반전하여 역전 방향으로 회전하게 된다.
이와 같은 회전 제어되는 트레이서 헤드(4)의 자세가 인정되지 않는 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 프로세서(11)에 있어서 트레이서 헤드(4)의 측정축(4a)의 모델(6)면 상의 측정점을 시점으로 하는 축 벡터와 이 측정점에 있어서 법선 벡터와 이루는 각도가 90°를 넘지 않는 범위에서 표면 벡터의 외적을 연산하여 법선 벡터의 방향을 결정한다.
제2도는 트레이서 헤드(4)의 상세도이다. 도면에서 트레이서 헤드(4)의 Z축에 대한 각도(Ф) 만큼 경사지게 하여 거리 검출기(5a)가 설치되고, 측정축(4a)가 C축에 대해 회전 지령(SC)의 회전 각도(c)로 회전한다. 또 거리 검출기(5a)의 외측에 겹쳐서 거리 검출기(5b)가 설치되고, 마찬가지로 지령 각도(c )로 회전 제어된다.
따라서, 거리 검출기(5a)의 측정축(4a)는 모델(6)의 표면의 경사 각도에 대한 최적의 방향, 즉 모델(6)의 법선에 가장 근접한 위치로 되도록 회전 제어된다.
또 상기한 바와 같이, 거리 검출기(5a)의 측정값이 디지타이징 제어 장치(1)에 피이드백 제어됨으로서 거리 검출기(5a)에서 모델(6) 상의 측정점(Pa)까지의 거리(La)는 일정하게 유지된다. 거리(La)는 거리 검출기(5a)의 측정축과 Z축과의 교점까지의 거리로 설정되고, 트레이서 헤드(4)가 C축에 의해 회전해도 측정점(Pa)는 이동하지 않고, 따라서 트레이서 헤드(4)와 모델(6)과의 거리(L)도 일정하게 유지된다. 마찬가지로 거리 검출기(5b)는 모델(6) 상의 측정점(Pb)까지의 거리(Lb)를 측정하여 모델링 제어 장치로 입력한다.
다음에 트레이서 헤드(4)의 회전 각도의 산출 방법에 대해 제3도를 참조해서 설명한다.
트레이서 헤드(4)를 모델(6)에 대해 상대적으로 X방향으로 소정의 모델링 속도로 이동시켜 모델링함과 동시에 소정 시간마다 2점(Pn, Qn)의 측정 데이타를 동시에 샘플링한다. 이들의 측정값과 현재 위치 레지스터에서 출력되는 현재 위치 데이타에 기초하여 모델(6) 상의 점(Pn-1, Qn-1, Pn, Qn+1, Pn+1, Qn+1…)의 좌표값을 구한다.
그리고, 예를 들면 점(Pn)의 좌표값(X1, Y1, Z1)과 점(Qn)의 좌표값(X2, Y2, Z2)에서 표면 벡터()[X2-X1, Y2-Y1, Z2-Z1]을 구한다. 또한 점(Pn-1)의 좌표값(X3, Y3, Z3)과 점(Pn)의 좌표값(X1, Y1, Z1)에서 표면 벡터()[X3-X1, Y3-Y1, Z3-Z1]을 구한다. 이 경우에 점(Pn-1)의 좌표값은 선행하는 샘플링에 의한 측정 데이타를 RAM(13) 등에 저장하여 놓는다. 이들 2개의 표면 벡터(,)를 다음식
n=×
(단,n,,는 벡터를 나타낸다.)에 의해 표면 벡터(과)의 외적을 연산하여 점(Pn)에 있어서 법선 벡터( n)을 구할 수 있다. 여기서는 모델(6)의 법선 벡터(n)의 Z축 방향 성분(NZ)는 통상 NZ≥0으로 가정한다. 비접촉 디지타이징을 위한 모델 형상에는 모델면이 오버행된 부분이 없으며, NZ가 음으로 되는 영역에서는 모델링을 행하지 않기 때문이다.
다음에 법선 벡터( n)을 X-Y 평면상에 투영한 투영 벡터(N)의 X축과 이루는 각도()를 다음식
c= tan-1(Jn/In)
단, In : 벡터(n)의 X 성분, Jn : 벡터(n)의 Y 성분에서 구해서 각도(c)를 C축의 지령값으로서 출력한다.
각도(c)는 모델(6)의 경사에 대응해서 변화하고, 예를 들면 점(Pq)에서는 다른 각도(cq)로 된다. 트레이서 헤드(4)는 이러한 각도(c,cq)의 변화에 따라 회전한다.
제4도는 측정점에서의 정반대 방향의 2개의 법선 벡터를 도시한다. 측정점(p, a, b)에서 2개의 표면 벡터(,)를 결정하여 그들 표면 벡터(,)의 외적을 계산하여 법선 벡터(1,2)가 곱하는 순서가 고정되어 있지 않으면 그들을 곱하는 순서가 바뀌면 전혀 정반대 방향에서 2개의 법선 벡터(1,2)가 구해진다.
따라서, 모델면의 법선 벡터로서 상응하지 않는 쪽, 제4도에서는 벡터(2)가 선택되면, 트레이서 헤드(4)의 회전에 의해 도리어 모델(6)의 경사에 대응하지 않게 된다.
제5도는 모델(6)면이 수직에 가까워서 측정점(P)에 있어서 법선 벡터의 Z방향 성분의 값(NZ)가 음으로 되는 경우를 설명하는 도면이다.
여기서는 모델(6)의 수직면(61)은 오버행되지 않은 경우만을 가정하고, 따라서, 수직면(61)은 모델 설치면(62)와 각α(≤90°)를 이루고 있다. 그래서, 트레이서 헤드의 측정축의 축 벡터, 즉 측정광이 조사되는 측정점(P)를 시점으로 하는 단위 축 벡터()를 상정할 것 없이 2개의 법선 벡터(1,2)중 외적 연산에 의해 구해지는 벡터는 벡터(1)이다. 이러한 법선 벡터(1)의 Z축 방향 성분(NZ1)은 통상 NZ1≥0이다.
법선 벡터를 산출할 때에 표면 벡터를 곱하는 순서가 바뀌어도 정 방향의 법선 벡터를 선택하는데는 통상적으로는 법선 벡터의 Z축 방향 성분(NZ)가 NZ≥0으로 되는 쪽을 선택함으로서 바른 법선 벡터를 선택할 수 있고 모델면에 대해 최적인 방향에서 트레이서 헤드의 측정축을 회전 제어할 수 있다.
그런데, 이와 같은 수직면(61) 혹은 수직면에 가까운 모델 형상에 대한 모델링을 행하고 있는 경우에 법선 벡터(1)의 Z축 방향 성분(NZ1)이 음으로 되고, 한편 법선 벡터(2)의 Z축 방향 성분(NZ2)가 양으로 구해지는 경우가 있다. 본 발명의 비접촉 디지타이징 방법에서는 측정광이 조사되는 측정점(P)를 시점으로 하는 단위축 벡터()와 단위 법선 벡터()에 대한 각축 성분(AX, AY, AZ) 및 (NX, NY, NZ)가
AX×NX+AY×NY+AZ×NZ≥0
을 만족하는지 여부에 따라 2개의 법선 벡터(1,2)중 한쪽을 선택한다. 상기 식의 좌변은 내적의 정리에서 단위 축 벡터()와 단위 법선 벡터()이 이루는 각도()의 여현(cosine)과 같다. 따라서, 이 식이 성립하지 않는 경우에는 cos의 값이 음으로 되고, 각도()가 90°보다 커지는 것을 의미하기 때문이다.
즉, 각도()가 90°보다 큰 법선 벡터(2)가 선택되면, 제5도에서 알 수 있는 바와 같이 트레이서 헤드(4)는 모델(6)의 수직면(61)의 이면측에서 측정점을 결정하고자 하는 회전 방향이 결정되고, 그대로 회전제어되면, 측정축이 180°회전하여 측정이 불가능해지거나 모델면과 간섭을 일으킬 가능성이 있다.
제6도는 회전 각도 산출시의 플로우 차트이다. 도면에서 Sp에 이은 수치는 단계 번호를 나타낸다.
[Sp1] 소정 시간마다 거리 검출기(5a 및 5b)의 측정값을 샘플링한다.
[Sp2] 각각 거리 검출기의 금회 측정값에서 벡터()을 구한다.
[Sp3] 거리 검출기(5a)의 금회의 측정값과 전회의 측정값에서 벡터()를 구한다.
[Sp4] 벡터()과 벡터()의 외적을 연산하여 측정점을 시점으로 하는 축 벡터와 측정점에 있어서 법선 벡터가 이루는 각도가 90°를 넘지 않는 범위에서 법선 벡터()의 방향을 결정한다.
[Sp5] 결정한 법선 벡터(N)을 X-Y 평면에 투영한 투영의 X축과 이루는 각도(c)를 산출한다.
또 상기 실시예에서는 전회의 샘플링시의 한쪽의 측정 데이타와 금회의 샘플링시의 2점의 검출점에 대한 측정 데이타에 기초하여 법선 벡터를 구한다. 그러나 적어도 전회와 금회의 샘플링에 의해 얻어진 모델면상의 3점이 특정되면, 그중 1점을 시점으로 하는 2개의 표면 벡터를 결정할 수 있다.
또한, 거리 검출기에는 반사 광량식 이의에 같은 광학식, 3각 측거식 혹은 와전류식, 초음파식 등의 거리검출기도 사용할 수 있다.
또한, 모델을 동시 가공하는 모델링 기능이 없고 모델 형상에서의 데이타를 NC 테이프 등으로 자동적으로 출력하는 기능만을 갖는 디지타이징 제어 장치에 대해서도 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 수직면 혹은 수직면에 가까운 모델 형상에 대한 모델링을 하는 경우에 비접촉 거리 검출 기구의 측정 오차나 연산 기구에서의 계산 오차가 생겨도 바른 법선 벡터가 선택되므로 항상 모델면에 대해 최적인 방향으로 트레이서 헤드의 측정축을 회전 제어할 수 있다.
따라서, 거리 측정 수단에 있어서 측정 정밀도가 저하하지 않도록 거리 측정 수단의 측정축을 모델면에 대해 가장 수직에 가까운 방향으로 향하도록 트레이서 헤드를 안정되게 제어하므로 고정 밀도 거리 측정이 가능해서 모델링 정밀도가 향상된다.
따라서, 본 발명의 디지타이징 제어 장치에 따르면 모델에 스폿트 광을 조사하여 거리를 검출하는 스폿트방식을 이용하여 고속이고 낮은 비용으로 효율 좋게 모델링 데이타를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 3차원적인 모델 형상을 비접촉으로 모델링하면서 모델 형상에 대한 모델 데이타를 생성하는 비접촉 디지타이징 방법에 있어서, 경사진 측정축이 회전 제어되는 트레이서 헤드에 의해 상기 모델면 상의 복수의 측정점까지의 거리를 측정하여 적어도 3개의 측정된 거리에 기초하여 2개의 표면 벡터를 결정하는 단계, 상기 트레이서 헤드의 측정축의 상기 측정점을 시점으로 하는 축 벡터와 상기 측정점에 있어서 법선 벡터가 이루는 각도가 90°를 넘지 않는 범위에서 상기 표면 벡터의 외적에서 법선 벡터의 방향을 결정하는 단계 및 상기 법선 벡터의 상기 모델의 설치면으로의 투영에 기초하여 상기 트레이서 헤드의 축정축을 회전 제어하여 상기 모델링 데이타를 차례로 생성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉 디지타이징 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 벡터를 결정하는 단계에서는 3개의 측정된 거리에 기초하여 상기 모델면상의 서로 다른 3점의 좌표값을 구하고, 상기 3점의 좌표값의 한점에서 다른 2점으로 각각 향하는 제1 및 제2평면 벡터를 구하는 것을 특징으로 하는 비접촉 디지타이징 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 법선 벡터의 방향을 결정하는 단계에서는 상기 측정점을 시점으로 하는 단위축벡터와 단위 법선 벡터에 대한 각축 성분(AX, AY, AZ) 및 (NX, NY, NZ)가
    AX×NX+AY×NY+AZ×NZ≥0
    을 만족하는지 여부에 따라 상기 법선 벡터의 방향을 판정하는 것을 특징으로 하는 비접촉 디지타이징 방법.
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