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KR100903900B1 - 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법 및 장치 - Google Patents

멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법 및 장치 Download PDF

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KR100903900B1
KR100903900B1 KR1020070113240A KR20070113240A KR100903900B1 KR 100903900 B1 KR100903900 B1 KR 100903900B1 KR 1020070113240 A KR1020070113240 A KR 1020070113240A KR 20070113240 A KR20070113240 A KR 20070113240A KR 100903900 B1 KR100903900 B1 KR 100903900B1
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Abstract

본 발명의 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법은 90도 이상의 화각과 라인 타입 기준용 레이저 다이오드(260)를 이용하여 기준 레이저띠를 겐트리 로봇(200)의 Y축과 평행하게 세팅하는 단계(S310)와, 상기 기준용 레이저 다이오드(260)의 세팅 라인을 기준으로 각각의 레이저 비전 시스템(202)의 레이저띠들을 2축 틸트 조정나사(224)(226)를 이용하여 상기 겐트리 로봇(200)의 Z축과 정확하게 수평이 되도록 조정하는 단계(S320)와, 상기 각각의 레이저띠 모두가 겐트리 로봇(200)의 Z축과 수평이 되도록 조정되면, 각각의 레이저 다이오드 조정블록(228)에 설치된 레일방향(X) 직선이동부(222)를 이용하여 X축을 따라 일정 간격을 가지는 레이저띠들을 하나의 레이저띠로 얼라인하는 단계(S330)를 포함한다.
본 발명에 의하면, 공간상에서 2축 틸트 조정나사와 X축 직선이동 스테이지가 구비된 레이저 다이오드 조정블록을 사용하여 정밀 조정가능하므로, 4개의 실린더형 레이저 다이오드를 정밀하게 얼라인할 수 있는 효과가 있다.
곡판, 3차원 형상, 계측, 겐트리, 레이저 다이오드, 2축 틸트 지그, 얼라인,

Description

멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법 및 장치{ALIGN METHOD FOR MULTI LASER VISION SYSTEM AND ALIGN APPARATUS THEREOF}
본 발명은 비접촉식 3차원 형상 계측 및 가공 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀티 레이저 비전 시스템(Multi Laser Vision System: 멀티-LVS)을 구비한 3차원 형상 계측 및 가공장치에서 복수개의 실린더형 레이저 다이오드를 정밀하게 얼라인할 수 있는 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법 및 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 선박의 외부 패널은 추진저항을 감소시켜 수중을 효율적으로 항해하도록 하기 위해 복잡한 3차원 형상을 갖는 약 10mm 내지 40mm 두께의 곡판 부재로 구성되며, 이러한 곡면의 외부 패널을 형성하기 위해서는 일반적으로 선형 가열이라고 하는 가공법을 통해 가스 버너 등을 이용하여 강판의 표면을 국부적으로 가열해서 발생되는 소성변형으로 인한 강판의 면외각변형 또는 면내수축변형을 통해 원하는 3차원 목적 형상으로 가공하고 있다.
또한, 위와 같이 가공되는 선박 등의 곡판 부재로 가공되는 피가공 부재에 대해서는 원하는 형태로 정확한 가공이 되었는지 여부에 대한 계측이 필요한데, 종 래 이러한 피가공 부재의 계측 및 제작에는 줄자, 수공구, 나무재질의 상형곡형 등을 이용한 사람에 의한 계측이 수행되고 있어 선박의 곡판 부재 계측 및 목형 제작에 많은 시간이 소요되며, 계측에 대한 정확성도 떨어지는 등 많은 어려움이 있었다.
특히, 선박의 선수미 부분에 사용되는 곡판 부재로 가공되는 피가공 부재는 그 형상이 더욱 다양하여 부위별로 사전 제작된 나무 재질의 상형곡형을 이용하여 가공하고, 계측하게 되는데, 상기 상형곡형의 재질이 대부분 나무로 제작되며 원하는 곡면 형상 부재로의 정확한 가공을 위해 하나의 곡판 부재가 완성될 때까지 다수번 반복적으로 사용됨에 따라, 온도 및 습도에 의한 환경변화와, 작업자의 관리 소홀 등과 같은 여러 가지 주변 요인에 의하여 소성변형이 일어나게 되어 형상 오차가 유발되는 등, 정확한 가공 및 계측이 어려운 문제점이 있었다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로 로봇 기반 멀티 레이저 비전 시스템을 이용한 3차원 계측 방법이 개발되어 있다. 이러한 멀티 레이저 비전 시스템을 이용한 3차원 계측 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 로봇의 일정 간격 이동 시마다 피계측물의 영상을 캡쳐하는 영상캡쳐단계(S201)와, 캡쳐된 각 영상을 일방향(레일방향)으로 스캔을 수행하여 레이저띠-영상좌표데이터를 검출하는 레이저띠-영상좌표데이터 검출단계와(S203)와, 검출된 레이저띠-영상좌표데이터를 사전 캘리브레이션에 의해 도출된 투영행렬식(Projection Matrix)으로 연산하여 레이저띠-절대좌표데이터로 변환시키는 레이저띠-절대좌표데이터 변환단계(S205)와, 이 변환된 레이저띠-절대좌표데이터중 오버랩이 발생된 영역에 대한 정합문제를 해결하는 데 이터정합해결단계(S207)와, 정합문제가 해결된 상기 레이저띠-절대좌표데이터에 로봇의 이동 간격치를 병합하여 3차원 데이터를 추출하는 3차원데이터 추출단계(S209) 및 추출된 3차원 데이터의 노이즈를 필터링하는 단계(S211)를 포함한다.
하지만, 상술한 바와 같은 특허의 3차원 계측 방법은 멀티 레이저 비전 시스템의 레이저 다이오드 유닛이 고정 프레임상에 X-스테이지가 체결된 뒤, 케이스가 체결되는 구조로서, 이러한 레이저 다이오드 유닛은 X축(레일축) 상으로의 병진 운동과, Z축을 기준으로 하는 회전운동의 2축 자유도를 가지는 구조이기 때문에, 공간상에서 1개의 라인 소스를 방출하는 실린더 레이저 다이오드를 얼라인한다 하더라도 그 얼라인이 정확하게 이루어지지 못하게 된다. 이에 따라 mm 이하 수준으로 여러 대의 레이저 다이오드를 얼라인할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 이에 따라 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 멀티 레이저 비전 시스템의 4개의 실린더형 레이저 다이오드를 정밀하게 얼라인할 수 있는 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법은 90도 이상의 화각과 라인 타입 기준용 레이저 다이오드를 이용하여 기준 레이저띠를 겐트리 로봇의 Y축과 평행하게 세팅하는 단계와, 상기 기준용 레이저 다이오드의 세팅 라인을 기준으로 각각의 레이저 비전 시스템의 레이저띠들을 각각의 레이저 다이오드 조정블록을 이용하여 상기 겐트리 로봇의 Z축과 정확하게 수평이 되도록 조정하는 단계와, 상기 각각의 레이저띠 모두가 겐트리 로봇의 Z축과 정확하게 수평이 되도록 조정되면, 각각의 레이저 다이오드 조정블록에 설치된 레일방향(X) 직선이동부를 이용하여 X축을 따라 일정 간격을 가지는 레이저띠들을 하나의 레이저띠로 얼라인하는 단계를 포함한다.
레이저 다이오드 조정블록의 조정시, 겐트리 로봇의 중앙부에 위치되는 기준용 레이저 다이오드의 기준 레이저띠와 각각의 레이저 비전 시스템의 레이저띠가 서로 평행하도록 각각의 레이저 다이오드 조정블록을 조정하고, 2축 틸트용 지그를 Z축상으로 이동함에 의해 상기 지그의 패턴상에 비추어진 레이저띠를 이동 관찰하면서 틸트 각도를 조정하는 것이 바람직하다.
또한, 레이저 다이오드 조정블록은 X-스테이지(X-stage)의 축이 프레임에 체결되는 고정블록에 수직하되 레일방향(X방향)으로 직선 모션이 가능하도록 체결되는 레일방향(X) 직선이동부와, Z축에 대해 회전하는 요잉 모션(Yawing Motion)을 위한 Z축 기준 회전 정밀조정부와, Y축에 대해 회전하는 피치 모션(Pitch Motion)을 위한 Y축 기준 회전 정밀조정부로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법 및 장치는 공간상에서 2축 틸트 조정나사와 레일방향(X) 직선이동부가 구비된 레이저 다이오드 조정블록을 사용하여 정밀하게 조정할 수 있음으로서, 4개의 실린더형 레이저 다이오드를 정밀하게 얼라인 조정할 수 있는 효과를 가진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다.
본 발명의 구체적인 핵심 기술요지를 살펴보면, 기준용 레이저 다이오드를 이용하여 기준 레이저띠를 겐트리의 Y축과 평행하게 세팅시킨 후, 레이저 다이오드 조정블록의 2축 틸트 조정나사를 이용하여 각각의 레이저 비전 시스템의 레이저띠들을 겐트리의 Z축에 수평으로 조정한 후, 레이저 다이오드 조정블록의 레일방향(X) 직선이동부를 이용하여 레이띠들을 하나의 레이저띠로 정밀하게 얼라인을 맞추게 된다.
도 2 및 도 3은 기반 멀티 레이저 비전 시스템을 이용한 3차원 계측 및 가공 장치와, 멀티 레이저 비전 시스템의 구성을 각각 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 비접촉식 3차원 형상 계측 및 가공 장치를 설명하면, 피가공 부재인 곡판 부재(206)는 바닥 플레이트(208) 양측에 일정한 길이의 레일(210)이 형성되어 있으며, 이 레일(210)의 상부에는 상기 레일(210)을 따라 전후로 이동할 수 있도록 수직 프레임과 이 수직 프레임을 연결하는 수평 거더로 구성된 겐트리 로봇(200)이 형성된다.
이와 같이 겐트리 로봇(200)의 수평 거더의 하부면에는 피가공 부재인 곡판 부재(206)의 3차원 영상을 스캐닝하기 위한 복수개의 레이저 비전 시스템(202)들이 등간격으로 부착된 멀티 레이저 비전 시스템이 장착된다. 즉, 각각의 레이저 비전 시스템(202)은 레이저빔(205)을 출사하는 레이저빔 출사부(204)와 피가공 부재인 곡판 부재(206)에 조사되어 나타나는 레이저빔 영상을 촬영하는 카메라(220)로 구성되며, 이러한 구성의 레이저 비전 시스템(202)의 각각에는 도 4에 도시된 바와 같은 레이저 다이오드 조정블록(228)이 부착되며, 이와 같이 레이저 다이오드 조정블록(228)이 부착된 레이저 비전 시스템(202)의 다수개가 등 간격으로 조합되어 멀티 레이저 비전 시스템을 구성함을 의미한다.
레이저 다이오드 조정블록(228)은 X-스테이지(X-stage)의 축이 프레임에 체결되는 고정블록에 수직하되 레일방향(X방향)으로 직선 모션이 가능하도록 체결되는 레일방향(X) 직선이동부(222)와, Z축에 대해 회전하는 요잉 모션(Yawing Motion)을 위한 Z축 기준 회전 정밀조정부(224)와, Y축에 대해 회전하는 피치 모션(Pitch Motion)을 위한 Y축 기준 회전 정밀조정부(226)로 이루어진다.
한편 겐트리 로봇(200)의 수평거더의 중앙부에는 하부면에 장착되는 4개의 레이저 다이오드 조정블록(228)을 정밀하게 얼라인하기 위한 기준으로서 사용되는 기준용 레이저 다이오드(260)가 설치되고, 이 기준용 레이저 다이오드(260)는 얼라인 작업시에만 작동하도록 제어된다.
이와 같은 멀티 레이저 비전 시스템을 구비한 비접촉식 3차원 형상 계측 및가공 장치는 레일(210)사이의 바닥 플레이트(208)상에 3차원 형상 피가공 부재로서의 곡판 부재(206)가 놓이게 되면, 겐트리 로봇(200)은 레일(210)을 따라 전후로 이동하게 되고, 이와 동시에, 겐트리 로봇(20)에 장착된 멀티 레이저 비전 시스템(202)의 레이저빔 출사부(204)는 레이저 다이오드(laser diode)로 구성됨에 따라, 레이저빔(205)를 조사하게 되며, 이 레이저빔 출사부(204)로부터 조사되는 레이저빔(205)을 이용하여 곡판 부재(206)의 3차원 형상을 스캐닝하고, 이 스캐닝된 영상 데이터를 통해 곡판 부재(206)의 3차원 형상을 계측하게 된다.
이와 같이 구성된 로봇 기반 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법을 본 발명의 바람직한 일 실시예를 나타내는 도 6의 순서도를 참조로 설명하면 다음과 같다. 설명 중, 3차원 영상 계측 및 가공 장치의 구성과 동일한 구성에 대해서는 도 2의 도면부호와 동일한 도면부호를 병기하였다.
먼저, 90도 이상의 화각(viewing angle)과 라인 타입 기준용 레이저 다이오드 (reference laser diode)(260)을 이용하여 기준 레이저띠를 겐트리 로봇(200)의 Y축과 평행하게 세팅한다.(S310)
이어서, 상기 세팅이 완료된 기준용 레이저 다이오드(260)의 세팅 라인을 기준으로 레이저 비전 시스템(202)의 각각의 레이저띠들을 레이저 다이오드 조정블 록(228)의 2축 틸트 조정나사, 즉 Z축에 대해 회전하는 요잉 모션(Yawing Motion)을 위한 Z축 기준 회전 정밀조정부(224)와, Y축에 대해 회전하는 피치 모션(Pitch Motion)을 위한 Y축 기준 회전 정밀조정부(226)를 조정하여 상기 겐트리 로봇(200)의 Z축에 정확하게 수평이 되도록 조정한다(S320).
이때, 2축 틸트 조정나사의 조정 시, 레이저 다이오드 조정블록(228)의 Y축 기준 회전 정밀조정부(226)를 조정하여 기준용 레이저 다이오드(260)의 기준 레이저띠와 각각의 레이저 비전 시스템(202)의 레이저띠가 서로 평행하도록 조정하고, 도 5에 도시된 바와 같이, 삼각패턴으로 되어 브라켓(252)에 의해 측면이 지지되어 있는 2축 틸트용 지그(250)를 바닥 플레이트(208)로부터 소정의 높이까지 Z축상으로 이동함에 의해 상기 지그(250)의 삼각 패턴상에 비추어진 레이저띠들을 이동 관찰하면서 Z축 기준 회전 정밀조정부(224)를 조정하여 틸트각도를 조정함에 따라, 레이저띠들을 겐트리 로봇(200)의 Z축에 정확하게 수평이 되도록 조정한다.
이후, 각각의 레이저띠 모두가 겐트리 로봇(200)의 Z축에 정확하게 수직이 되도록 레이저 다이오드 조정블록(228)이 조정되면, 각각의 레이저 다이오드 조정블록(228)에 설치된 레일방향(X) 직선이동부(222)를 이동하여 X축을 따라 일정 간격을 가지는 레이저띠들을 하나의 레이저띠로 얼라인하게 된다(S330).
상기한 바와 같이 구성된 로봇 기반 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법에 의하면, 기준용 레이저 다이오드(260)를 세팅시킨 후, 2축 틸트 조정나사의 Y축 기준 회전 정밀조정부(226)로 레이저띠들을 평행하게 조정하고, 2축 틸트용 지그(250)를 상하로 이동하면서 2축 틸트 조정나사의 Z축 기준 회전 정밀조정부(224) 를 조정하여 틸트각도를 조정함에 따라 겐트리 로봇(200)의 Z축에 수평으로 조정한 다음, 레일방향(X) 직선이동부(222)를 이용하여 레이저띠를 하나의 레이저띠로 정밀하게 얼라인을 맞추게 된다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법 및 장치에 대한 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 멀티 레이저 비전 시스템을 이용한 3차원 계측 방법을 나타내는 순서도이고,
도 2는 도 1의 멀티 레이저 비전 시스템을 이용한 3차원 계측 장치를 나타내는 사시도,
도 3은 도 2의 멀티 레이저 비전 시스템에 본 발명의 얼라인 장치로서 기준용 레이저 다이오드가 부착된 구성을 나타내는 사시도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 장치로서 얼라인용 레이저 다이오드 조정블록의 구성을 나타내는 구성도이고,
도 5는 2축 틸트용 지그를 나타내는 사시도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>
200 : 겐트리 로봇 202 : 레이저 비전 시스템
204 : 레이저빔 출사부 205 : 레이저빔
206 : 곡판 부재 210 : 레일
220 : 카메라 222 : 레일방향(X) 직선이동부
224 : Z축 기준 회전 정밀조정부 226 : Y축 기준 회전 정밀조정부
228 : 레이저 다이오드 조정블록 250 : 2축 틸트용 지그
252 : 브라켓 260 : 기준용 레이저 다이오드

Claims (5)

  1. 멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법에 있어서,
    90도 이상의 화각과 라인 타입 기준용 레이저 다이오드를 이용하여 기준 레이저띠를 겐트리 로봇의 Y축과 평행하게 세팅하는 단계와,
    상기 기준용 레이저 다이오드의 세팅 라인을 기준으로 레이저 비전 시스템의 각각의 레이저띠들을 상기 겐트리 로봇의 Z축과 정확하게 수평이 되도록 레이저 다이오드 조정블록을 조정하는 단계와,
    상기 각각의 레이저띠 모두가 겐트리 로봇의 Z축과 정확하게 수평이 되도록 조정되면, 각각의 레이저 다이오드 조정블록에 설치된 레일방향(X) 직선이동부를 이용하여 X축을 따라 일정 간격을 가지는 레이저띠들을 하나의 레이저띠로 얼라인하는 단계를 포함하는
    멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 조정블록의 조정단계는 상기 기준용 레이저 다이오드의 기준 레이저띠와 상기 각각의 레이저 비전 시스템의 레이저띠가 서로 평행하도록 상기 각각의 레이저 다이오드 조정블록을 조정하고, 2축 틸트용 지그를 Z축상으로 이동함에 의해 상기 지그의 패턴상에 비추어진 레이저띠를 이동 관찰하면서 틸트 각도를 조정하는 것을 특징으로 하는
    멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준용 레이저 다이오드는 상기 겐트리 로봇의 중앙부에 위치되는 것을특징으로 하는
    멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드 조정블록은 X-스테이지(X-stage)의 축이 프레임에 체결되는 고정블록에 수직하되 레일방향(X방향)으로 직선 모션이 가능하도록 체결되는 레일방향(X) 직선이동부와, Z축에 대해 회전하는 요잉 모션(Yawing Motion)을 위한 Z축 기준 회전 정밀조정부와, Y축에 대해 회전하는 피치 모션(Pitch Motion)을 위한 Y축 기준 회전 정밀조정부로 이루어진 것을 특징으로 하는
    멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 방법.
  5. 피가공 부재인 곡판 부재가 놓이는 바닥 플레이트 양측에 일정한 길이로 형성된 레일과, 상기 레일의 상부에 상기 레일을 따라 전후로 이동할 수 있도록 설치되는 수직 프레임과 이 수직 프레임을 연결하는 수평 거더로 구성된 겐트리 로봇과,
    상기 겐트리 로봇의 수평 거더의 하부면에 상기 곡판 부재를 스캐닝하고자 등간격으로 부착된 복수개의 레이저 비전 시스템들과,
    X-스테이지(X-stage)의 축이 프레임에 체결되는 고정블록에 수직하되 레일방향(X방향)으로 직선 모션이 가능하도록 체결되는 레일방향(X) 직선이동부와, Z축에 대해 회전하는 요잉 모션(Yawing Motion)을 위한 Z축 기준 회전 정밀조정부와, Y축에 대해 회전하는 피치 모션(Pitch Motion)을 위한 Y축 기준 회전 정밀조정부로 구성되어, 상기 레이저 비전 시스템의 각각에 부착되는 레이저 다이오드 조정블록과,
    상기 각각의 레이저 다이오드 조정블록의 얼라인하는 기준으로 사용되도록 상기 겐트리 로봇의 수평거더의 중앙부에 설치되는 기준용 레이저 다이오드를 포함하는
    멀티 레이저 비전 시스템의 얼라인 장치.
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