KR960012326B1 - 전기도통식 3차원 고속정밀측정기 및 그 측정방법 - Google Patents

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Description

전기도통식 3차원 고속정밀측정기 및 그 측정방법

제1도는 종래의 구형 측정침(Stylus)을 갖는 3차원 측정장치의 측정오차를 설명하기 위한 설명도.

제2도는 종래의 전기도통식 3차원 측정기의 측정원리를 설명하기 위한 피측정물과 전기도통식 촉침의 개략배치도.

제3도는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기도통식 3차원 측정기와 이를 이용한 측정원리를 설명하기 위한 피측정물과 측정부위의 개략배치도.

제4도는 본 발명에 따른 스킵신호 발생부의 개략블록도.

제5도는 스킵기능을 설명하기 위한 설명도.

제6도는 본 발명에 따른 전기도통식 3차원 측정기를 이용한 측정순서도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 피측정물 33 : 금속촉침

35 : 접촉신호 출력단자 37 : 레이저 변위센서

51 : 전압/거리 변환부 53 : 비교부

55 : 위치설정부 MP : 측정점

본 발명은 전기도통식 3차원 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로, 특히 이중 접촉신호 입력장치를 구비하고 이를 이용한 3차원 위치측정에 의해 반경방향의 위치 오차없이 피측정물의 표면보호와 동시에 고속측정이 가능한 전기도통식 3차원 측정에 관한 것이다.

기계산업의 경우, 하나의 기계 가공품의 완성에는 설계, 가공, 검사의 단계를 거친다. 본 발명은 3가지 단계중 검사공정의 개선기술로서 밀링이나 머시닝 센터에서 가공된 3차원 금형이나 형상물의 측정 및 검사분야에 이용된다.

일반적으로 3차원 금형이나 3차원 형상물을 측정하거나 검사하기 위해 측정기로부터 형상좌표정보를 입력받고자 하는 경우에 사용하는 측정기는 크게 접촉식과 비접촉식 측정방식의 장치로 구별된다.

먼저 접촉식 측정방식의 측정기에 있어서는 하드측정침(Hard Probe), 접촉식 측정침(Touch Probe) 및 스케닝 측정침(Scanning Probe)을 이용한 측정 방식으로 분류된다.

이러한 측정방식에 있어서는 측정기 자체가 갖는, 예를 들어 측정침의 형상정확도, 측정압력, 미소한 이동(over travel)과 같은 각종 기계적 오차와 히스테리시스와 같은 전기적 오차를 갖고 있다.

특히 금형과 같은 3차원 자유곡면을 측정하는 경우에는 구형으로 된 측정침(Stylus)의 영향으로 제1도에 도시된 바와 같이 실제 측정하고자 하는 좌표점의 중심(C₁)과 표면이 수평이 아닌 방향에서 측정침을 접촉시켰을 때의 접촉점(T)의 중심(C₂) 사이에 발생하는 반경방향의 위치 오차 (△Z)를 필수적으로 수반한다.

제1도에서 부재번호 1은 3차원 금형과 같은 피측정물이고, 3은 3차원 측정기의 구형 측정침을 나타낸다.

제1도에서 접촉점에서의 법선방향 경사각을 θ로 하고, 측정침의 반경을 R이라고 하면 위치 오차(△Z)는 다음과 같이 얻어진다.

따라서 측정침(3)의 반경(R)이 3mm이고 경사각(θ)이 35도이면 반경방향의 위치 오차는 0.6623mm에 이른다. 이러한 오차를 보상해주는 여러가지 제안(예를 들어 H. Aoyama 등에 의해 1989. 1. 10일 A New Method for Detecting the Contact Point between a Touch Probe and a Surface 제목으로 발표된 논문 등)들이 있으나 경제적 요인에 의해 현실적용에는 여러가지 장애 요인이 있다.

한편 비접촉식 측정방식을 채용한 측정기에 있어서는 형상좌표정보를 입력받기 위하여(예를 들어 광, 초음파 또는 레이저 등을 이용한) 변위센서를 사용하는 것이 일반적이다(한국 특허공고 92-3740참조).

그러나 이 경우 측정거리가 멀어질때 발생하는 분해능의 저하, 3차원 형상의 형상각도에 따른 분해능의 저하, 측정하고자 하는 점의 면적(예를 들어 레이저를 이용한 방식일때 100mm 거리에서 측정시 측정점의 면적은 1×2mm 정도임) 문제로 인한 분해능의 저하 문제가 발생한다.

따라서 가장 적은 면적(spot), 즉 X, Y 2차원 면적에 대해 형상좌표정보를 입력받고자 하는 경우에는 측정침끝의 반경을 무시할 수 있을 정도로 예리하게 가공한 촉침을 이용한 전가도통식 측정침을 이용하는 것이 가장 유리하다. 이러한 방식을 채택한 측정기가 제2도에 도시되어 있다.

제2도에 도시된 측정기는 금속촉침(23)이 피측정물(21)에 접촉되면 접점(25)으로부터 접촉신호가 발생된다. 이 신호는 소위 스킵(Skip)신호로서 수치제어(NC) 프로그램에 따라 측정침의 측정경로가 설정된 측정기에 입력되면 그때의 직교좌표를 읽어들여 이 데이터를 처리함에 의해 피측정물(21)의 형상을 측정하게 된다.

그러나 이러한 방법을 이용하기 위해서는 측정침과 피측정물 사이에 전기가 도통해야하므로 필히 피측정물은 도전성이 있는 물체일 것이 요구된다. 그러나 대부분의 경우 금형은 도전성이 있는 금속 또는 비금속으로 이루어져 있기 때문에 이러한 측정방법을 이용하는 것이 가능하다.

한편 상기한 전기도통식 측정침을 이용하여 예를 들어 금형의 형상좌표를 고속으로 측정하는 경우에는 측정기 자체의 관성력에 의해 측정기가 측정점에 접촉한 후에도 미소한 이동(over travel)을 계속하여 피측정물의 표면에 측정자국이 남는다는 문제를 안고 있다.

상기한 바와 같이 3차원 금형이나 형상물의 형상좌표를 측정/검사하는 방법으로 전기도통식 측정침을 이용한 방법이 가장 정확하지만 이를 고속으로 측정할 경우에는 피측정물에 측정자국이 생기는 경우가 발생하고, 측정자국을 남기지 않기 위해 저속으로 측정할 경우에는 비경제적인 요인 때문에 많은 장점에도 불구하고 현실적으로 이용되지 않고 있다.

그 결과 제품의 특성이 접촉식 측정침의 반경방향 위치 오차를 무시할 수 있는 경우에는 접촉식 측정침을 이용하여 측정을 행하고, 이를 무시할 수 없는 경우에는 이러한 위치 오차값의 보상기능을 갖는 고가의 3차원 측정기를 이용하여 측정을 수행하였다.

이에 본 발명의 목적은 고속, 고정밀, 저가로 3차원 피측정물의 표면에 측정자국을 남기지 않고 피측정물의 형상을 측정할 수 있는 전기도통식 3차원 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전기도통식 3차원 직교 좌표형 측정기에 있어서, 상기 측정기의 가동선단부에 장착된 전기도통식 측정침과, 상기 측정기의 선단부에 장착되어 피측정물의 측정점과 상기선단부 사이의 거리를 측정하기 위한 거리측정수단과, 상기 측정점의 예상되는 3차원 직교좌표중 Z축 좌표값이 소정값 더 크게 설정된 값을 기억하기 위한 위치 설정수단과, 상기 거리측정수단으로부터 출력되는 거리값이 상기 위치 설정수단에 설정된 값과 동일할때 제1스킵신호를 발생하기 위한 제1스킵신호 발생부와, 상기 측정침이 측정점과 접촉할때 제2스킵신호를 발생하기 위한 제2스킵신호 발생수단으로 구성되는 전기도통식 3차원 직교좌표형 측정기를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 3차원 피측정물의 측정점의 예상되는 3차원 좌표를 미리 설정하되 Z축 좌표값을 소정치만큼 더 크게 설정하는 단계 ; 상기 3차원 좌표중 X, Y축을 이동하여 X, Y좌표점과 Z축을 이동하여 상기 소정치만큼 더 크게 미리 설정된 위치로 가동선단부에 장착된 측정침을 고속으로 이동시키는 단계 ; 상기 측정침의 선단부가 상기 기 설정된 좌표점에 도달할때 제l스킵신호를 발생하는 단계 ; 상기 제1스킵신호의 발생에 따라 상기 측정침을 상기 측정점에 접촉할 때까지 저속으로 이동시키는 단계 ; 및 상기 측정침이 상기 측정점에 접촉할때 발생되는 제2스킵신호에 따라 접촉시의 위치좌표를 측정점의 좌표로 인식하는 단계로 구성되는 것을 제공한다.

이하에 도면을 참조하여 본 발명은 더욱 상세하게 설명한다.

제3도에는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전기도통식 3차원 측정기가 도시되어 있다. 본 발명의 3차윈 측정기는 종래의 전기도통식 측정기와 마찬가지로 측정침의 끝이 예리하게 가공된 금속촉침(33)이 측정기의 선단에 장착되어 있다. 촉침(33)에는 도시되지 않은 신호발생원의 일단자가 연결되어 있다. 따라서 촉침(33)이 예를 들어 3차원 금형 또는 3차원 형상물과 같은 도전성 피측정물(31)에 접촉할 경우에 피측정물(31)에 연결된 일단자와 신호발생원의 타단자로 구성되는 접촉신호 출력단자(35)로부터 종래와 마찬가지로 접촉신호(SKIP2)를 발생한다.

본 발명에서는 여기에 측정기의 선단부에 피측정물의 측정점(MP)을 수직으로 1차 위치 측정을 하기 위한 레이저 변위센서(37)를 구비하고 있다. 상기한 레이저 변위센서(37)는 예를 들어 레이저 다이오드로 이루어진 발광부(39)와, 발광부(39)로부터 발생되어 피측정물(31)로부터 반사된 레이저광을 집광하기 위한 집광렌즈(41)와, 이를 통하여 인가되는 상이 맺히는 예를 들어 포토다이오드 또는 CCD 등과 같은 수광소자(43)를 포함하는 수광부(44)로 이루어져 있다. 여기서 유의할 점은 상기한 레이저 변위센서 시스템은 예를들어 특허공고 92-3740호에서와 같이 피측정물(8)의 상대적 위치를 검출하는 고정밀도의 고가의 시스텀을 사용할 필요는 없으며 정밀도가 낮은 저가의 시스템으로도 충분히 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

제4도는 본 발명에 따른 제1스킵신호 발생부의 개략블록도로서, 발광부와 수광부로 이루어진 레이제 변위센서(37)로부터 측정기의 측정침과 피측정물(31)의 측정점(MP)과의 거리에 관한 정보를 전압신호로 입력받아 이를 거리데이터로 변환시키기 위한 전압/거리 변환부(51)가 변위센서(37)의 출력단에 접속되어 있다. 상기 변환부(51)의 출력은 비교부(53)의 일측단자에 인가되며, 비교부(53)의 타측단자에는 측정하고자 하는 거리를 미리 입력시켜놓은 위치설정부(55)의 출력이 인가된다.

비교부(53)는 두 입력신호를 비교하여 변환부(51)로부터 입력되는 입력신호가 위치설정부(55)로부터 입력되는 기설정된 값에 도달한 경우, 즉 레이저 변위센서(37)를 피측정물(31)에 접근시켜 미리 입력된 위치값에 도달한 경우 비교부(53)로부터 제1스킵신호(SKIP1)가 발생되어 수치제어(NC)부로 인가된다. 한편 부재번호 57은 측정침의 현재 위치를 나타내는 표시부이다.

여기서 스킵 기능이란 접촉식 탐침을 이용한 측정시에도 반드시 필요한 기능으로서 이는 NC에서 스킵입력기능인 G31에 이어지는 이동지령으로서 직선보간을 지령할 수가 있다. 이 지령의 도중에 외부로부터 스킵신호(SKIP)가 입력되면 이 지령의 나머지를 중지하고 다음 블록을 실행하게 된다.

예를 들어 G31 Z200.0 F100 ;

X100.0 ;

의 경우, 제5도와 같이 Z200 향하여 이동하는 중에 스킵신호가 입력되면 다음 블록으로 진행한다. 즉, 스킵신호가 입력된 지점에서 X100을 향하여 이동한다. 제5도에서 실선은 탐침의 실제이동 괘적이고, 점선은 스킵신호(SKIP)가 입력되지 않은 탐침의 이동괘적을 나타낸다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 3차원 측정기를 이용한 측정방법을 제3도 및 제6도를 참조하여 설명한다.

먼저 단계(S501)에서 X와 Y축에 대하여는 급속이동으로 측정점(MP)까지 이동시킨다. X, Y축 이동을 완료하면 단계(S502)로 진행한다.

단계(S502)에서는 급속이동으로 기설정된 Z축의 측정점까지의 례이저 변위센서(37)를 이용하여 이동시킨다. 이때 촉침(33)의 Z축 방향 위치는 측정점(MP)의 Z축 좌표보다 △Z만큼 위에 놓이도록 설정된다. 이러한 이동을 제3도에 MOV1으로 표시하였으며, 여기서 △Z는 예를 들어 0.5mm정도로 설정되는 것이 바람직하다.

한편 제4도의 위치설정부(55)에는 측정점(MP)의 좌표에서 Z축이 △Z만큼 큰 좌표로 설정되어 있으므로 측정기의 촉침(33)이 MOV1 이동을 완료한 경우 비교부(53)로부터 제1스킵신호(SKIP1)가 발생되어 NC로 인가된다(단계 S503참조).

그후, 단계(S504)와 같이 △Z만큼 저속, 예를 들어 5mm/mm으로 피측정물(31)에 접촉할 때까지 이동시킨다. 이 동작을 MOV2로 표시하였다. MOV2 이동에 의해 촉침(33)과 피측정물(31)의 측정점(MP)이 접촉하게 되면 접촉신호 출력단자(35)로부터 제2스킵신호(SKIP2)가 발생되어 NC로 인가된다(S505).

NC에 제2스킵신호가 인가되면 3차원 측정기의 현 위치좌표를 측정점의 Z위치로 받아들인다.

상기와 같은 동작을 피측정물의 다수 지점을 스캐닝 방식에 의해 반복하면 피측정물의 3차원 형상좌표를 정밀하게 얻을 수 있다.

여기서 본 발명에 있어서는 3차원 측정기의 X, Y, Z축 구동모듈과 이를 이용한 측정침의 좌표 인식장치 및 인식방법 등은 종래의 기술을 그대로 이용할 수 있고, 어떤 종류의 전기도통식 3차원 측정기에도 적용가능하다.

상기와 같이 본 발명에 따르면 이중으로 접촉신호 입력장치를 구비하고, 제1입력장치를 이용하여 측정점의 위치에서 일정위치 상부까지 고속으로 이동한 후, 이 위치로부터는 전기도통식 측정침이 피측정물에 접촉합 때까지 저속으로 이동시켜 접촉신호의 발생에 따라 이때의 측정침의 좌표를 측정위치로 인식하므로, 고속으로 측정하면서도 피측정물의 표면에 측정자국을 남기지 않으며 또한 저가격으로 시스템을 구축할 수 있는 특징과 아울러 이에 따라 검사공정의 생산성도 향상될 수 있다.

Claims (8)

1. 전기도통식 3차원 직교 좌표형 측정기에 있어서, 상기 측정기의 가동선단부에 장착된 전기도통식 측정침과, 상기 측정기의 선단부에 장착되어 피측정물의 측정점과 상기 선단부 사이의 거리를 측정하기 위한 거리측정수단과, 상기 측정점의 예상되는 3차원 직교좌표중 Z축 좌표값이 소정값 더 크게 설정된 값을 기억하기 위한 위치 설정수단과, 상기 거리측정수단으로부터 출력되는 거리값이 상가 위치 설정수단에 설정된 값과 동일할때 제1스킵신호를 발생하기 위한 제1스킵신호 발생부와, 상기 측정침이 측정점과 접촉할때 제2스킵신호를 발생하기 위한 제2스킵신호 발생수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기도통식 3차원 직표좌표형 측정기.
2. 제1항에 있어서, 상기 측정기는 상기 위치 설정수단에 미리 기억된 상기 측정점의 좌표까지의 이동은 고속으로 행하고, 상기 기 설정된 Z축 위치부터 측정점까지의 이동은 저속으로 행하여지는 것을 특징으로 하는 전기도통식 3차원 직교좌표형 측정기.
3. 제2항에 있어서, 상기 고속이동은 상기 제1스킵신호가 발생될때까지 행하고, 상기 제2스킵신호가 발생될때 상기 측정기의 현재 좌표를 피측정점의 좌표로 인식하는 것을 특징으로 하는 전기도통식 3차원 직교좌표형 측정기.
4. 제1항에 있어서, 상기 거리측정수단은 측정점에 대한 레이저를 발사하는 레이저 발광수단과, 상기 측정점에서 반사된 레이저광을 전압신호로 변환하기 위한 수광수단과, 상기 수광수단으로부터 출력된 전압신호를 거리에 대한 신호로 변환하기 위한 전압/거리 변환수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기도통식 3차원 직교좌표형 측정기.
5. 3차원 피측정물의 측정점의 예상되는 3차원 좌표를 미리 설정하되 Z축 좌표값을 소정치만큼 더 크게 설정하는 단계; 상기 3차원 좌표중 X, Y축을 이동하여 X, Y좌표점과 Z축을 이동하여 상기 소정치 만큼 더 크게 미리 설정된 위치로 가동선단부에 장착된 측정침을 고속으로 이동시키는 단계; 상기 측정침의 선단부가 상기 기 설정된 좌표점에 도달할때 제1스킵신호를 발생하는 단계; 상기 제1스킵신호의 발생에 따라 상기 측정침을 상기 측정점에 접촉할 때까지 저속으로 이동시키는 단계; 및 상기 측정침이 상기 측정점에 접촉할때 발생되는 제2스킵신호의 발생에 따라 접촉시의 위치좌표를 측정점이 좌표로 인식하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기도통식 3차원 직교좌표 측정방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 고속이동단계는 변위센서를 이용하고, 저속이동단계는 전기도통식 측정침을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기도통식 3차원 직교좌표형 측정방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2스킵신호는 수치제어(NC)부의 스킵기능 제어신호로 이용되는 것을 특징으로 하는 전기도통식 3차원 직교좌표형 측정방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 예상되는 Z축 좌표보다 더 크게 설정되는 값은 약 0.5mm인 것을 특징으로 하는 전기도통식 3차원 직교좌표형 측정방법.