KR0112496Y1 - 강판의 표면조도 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 강판의 표면조도(surface Roughness)를 비접촉식으로 측정하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 진동에 의한 측정오차를 최소화하고, 측정용 광원을 가시광선에 중첩시킴으로서, 광학계통의 조정이 매우 쉽게 이루어질 수 있도록 한 강판의 표면조도 측정장치에 관한 것이다.

본 고안은 광센서의 전방에 실린더형 렌스를 장착하여 측정용 광원(P₂)을 직선으로 집속시키고, 가시광선 영역인 레이저를 헬륨-네온 레이저와, 평행으로 장착하여 가시광선(P₁)을 상기 광원(P₂)에 중첩시킴으로서 광학계의 조정이 용이하게 이루어지는 강판의 표면조도 측정장치를 제공한다. 본 고안에 의하면, 측정용 레이저를 가시적으로 관찰할수 있기 때문에 광학계통의 정확한 조정이 가능하다. 또한, 측정용 광원(P₂)이 직선으로 광센서상에 집속되기 때문에 진동이나 진폭에 따른 측정오차가 현저히 줄어들게 되어 정밀한 표면조도의 측정이 가능한 것이다.

Description

강판의 표면조도 측정장치

제1도는 본 고안에 따라서 온-라인(on-1ine)으로 강판의 표면조도를 측정하는 장치의 구성도

제2도는 입사각과 정반사광의 세기와의 관계를 나타낸 그래프도

제3도는 강판의 진폭진동에 따른 표면조도 측정치의 영상을 나타낸 그래프도

제4도는 강판의 기울기 진동에 따른 표면조도 측정치의 영향을 나타낸 그래프도

제5도는 시편 이동속도에 따른 표면조도 측정예를 나타낸 그래프도

제6도는 파장이 1.06μm인 레이저로 측정한 실시예를 나타낸 그래프도

제7도는 파장이 3.39μm인 레이저로 측정한 실시예를 나다낸 그래프도이다

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 헬륨-네온 레이저 2 : 헬륨-네온 레이저

3 : 레이저 고정판 4 : 중성필터

5 : 광확장기 6, 7 : 공간필터:

8 : 광분할기 9, 10 : 거울

11, 12 : 광센서 13 : 실린더형 롄즈

14 : 밴드패스필터 15 : 강판(측정대상)

16 : A/D변환기 17 : 컴퓨터

18 : 모니터 19 : 프린터

본 고안은 강판의 표면조도(Surface Roughness)를 비접촉식으로 측정하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 진동에 의한 측정오차를 최소화하고, 측정용 광원을 가시광선에 중첩시킴으로서 광학계통의 조정이 매우 쉽게 이루어질 수 있도록 한 강판의 표면조도 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 강판의 도장성, 도금성, 가공성등은 표면조도에 의해서 크게 영향을 받으므로 표면조도에 대한 수요가의 품질보증요구가 증대되고 있다. 따라서, 대량생산 체제하에서 품질의 보증 및 관리가 필요하지만 기존의 접촉식 측정방법은 최종 제품증의 일부분을 채취하여 측정므로 제품의 전반에 걸친 표면조도를 보증할 수 없을 뿐 아니라 생산공정중에 이상이 발생하더라도 이를 발견할 수 없다. 이러한 단점을 해결하기 위해서는 제품의 생산라인에서 비접촉식방법으로 표면조도를 측정해야 하며, 광학적인 방법(optical method)이 가장 적합한 것으로 알려져 있다. 본 고안은 이러한 필요성에 따라 안출된 온-라인 표면조도 측정장치로써 레이저를 강판의 표면에 주사하여 정반사된 빛의 세기를 측정함으로써 표면조도를 비접촉식으로 측정하는 장치이다. 이러한 비접촉식 측정기술에 관해서는 미국특허 4,334,780호가 제시되어 있는바, 상기 미국특허 4,334,780호는 본 고안과 비교하여 볼때 간섭성이 강한 광원을 사용하여 시편의 표면에서 반사된 빛을 광학계에 사용하여 표면조도를 측정하는 기본원리는 동일하지만 상기 미국특허에서는 광원에 대하여 시편이 일정구간내에서 미리 정해진 방식으로 이동함으로서 근본적으로 좁은 영역에 걸친 표면조도를 측정한다. 또한, 시편에 입사되거나 시편에서 반사되는 빛의 방향을 0°에서 90°범위내에서 임의로 조절하여 시행하기 때문에 표면조도의 정밀한 측정이 불가능하다.

또한, 미국특허 4,728,196호는 빛의 편광을 이용하여 광학적으로 측정하는 방법이기 때문에 장치구조가 매우 복잡하고, 진동으로 인한 측정편차를 유발시킨다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 가시광선 영역인 헬륨-네온 레이저를 적외선 영역인 헬륨-네온 레이저와 평행으로 장착하여 가지광선을 광원에 중첩시킴으로서 광학계의 경로 조정이 용이하게 이루어지고, 레이저광원을 사용하여 입사광과 반사광을 측정함으로써 고속으로 움직이는 강판의 표면조도를 진동이나 외부빛의 영향을 받지 않고 온-라인, 비접촉식으로 표면조도를 측정하는 강판의 표면조도 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 헬륨-네온 레이저로부터 발생된 광원을 광분할기를 통하여 투과시켜 강판으로 입사시키고, 가시광선 영역인 헬륨네온 레이저를 적외선 영역인 상기 헬륨-네온 레이저와 평행으로 장착하여 가시광선을 광원에 중첩시키며, 상기 강판에서 반사된 팡원을 광센서에서 전기적 신호로 변환시켜 A/D변환기로 입력시키며, 상기 광센서 전방에는 실린더형 렌스를 장착하여 광원을 직선으로 집속시키고, 상기 광분할기에 의해서 회절된 광원을 광센서에서 A/D변환기로 입력시키며, 상기 A/D변환기를 통한 광원을 컴퓨터에 의해서 연산하여 표면조도를 계산한 다음, 이를 모니터와 프린터에 출력시키도록 된 비접촉식 표면조도 측정장치에 있어서, 상기 광원과 가시광선은 강판에 대하여 68°∼ 78°의 입사각을 유지하면서 입사되고, 정반사되도록 구성됨을 특징으로 하는 강판의 표면조도 측정장치를 마련함에 의한다.

이하, 본 고안을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

본 고안에서는 적외선 영역인 파장 3.39μm인 레이저(2)에서 발생되는 광선을 이용하여 표면조도를 측정한다. 또한, 가시광선 영역인 파장 0.633μm의 헬륨-네온 레이저(1)를 파장 3.39μm인 헬륨-네온 레이저(2)와 평행하게 레이저 고정판(3)에 고정시켜 이들 두 레이저를 동시에 사용함으로써 광학계의 조정을 용이하게 한다.

즉, 상기 헬륨-네온 레이저(1)에서 발생된 가시광선(P₁)은 거울(mirror)(9)를 통과하여 광분할기(8)로 입사(人射)되고, 반사되어 거울(10)을 거쳐 강판(15)의 표면에 입사된 후, 여기서 반사되어 공간필터(7), 실린더형 렌즈(13)를 통과하고, 다른 외부의 빛의 삽입을 방지하는 밴드패스필터(14)를 통과한 후 광센서(12)에 비추어진다. 한편, 측정용 레이저(2)에서 발생된 적외선 영역의 광선은 중성필터(4), 광확장기(5), 공간필터(6)를 거쳐 광분할기(8)에 의해 두 개의 광선으로 분할된다. 상기 광분할기(8)를 투과하는 광원(P₂)은 상기 가시광선 영역인 레이저(1)의 광선과 같은 경로를 통하여 광센서(12)에 비추어지기 때문에 적외선 영역인 측정용 레이저(2)의 광선을 광학계의 경로에 맞도록 정렬하는 것이 용이하게 이루어진다. 한편, 투과되는 다른 한 개의 광선(P₃)은 광센서(11)를 통해 A/D변환기(16)로 입력된다.

그리고, 상기 거울(10)로 입사된 광선은 측정대상인 강판(15)으로 68°∼ 78°의 입사각(θ)으로서 입사되고, 상기 강판(15)에서 정반사된 후 가시광선의 경로와 동일하게 공간필터(7)를 지나서 실린더형 렌즈(13)에 의해 1차원상의 직선형태로 집속되어 광센서(12)에 비추어진다. 이때, 강판이 진폭방향 및 기울기방향의 진동에 의해 위치가 변하는데 실린더형 렌즈(13)에 의해 광센서(12)에 1차원상의 형태로 집속하여 주기 때문에 약간의 진동이 발생하더라도 신호에 영향을 주지 않는다.

그리고, 광센서(12)에 입사된 빛은 표면조도 계산 알고리즘에서 정반사광의 세기로 사용된다. 상기 광센서(11)과 (12)는 광신호를 전기적인 신호로 변환시킨 후, A/D(Analog to Digital)변환기(16)로 입력시켜 아날로그 신호로 입력된 신호를 디지탈 신호로 변환시킨다. 그리고, 변환된 디지탈 신호는 컴퓨터(17)에서 자체 제작한 알고리즘에 의해 표면조도가 계산된 후, 그 결과는 모니터(18)와 프린터(19)에 출력된다.

상기 컴퓨터(17)에서 사용하는 표면조도의 계산식은 아래와 같다

여기서, Is : 정반사광 강도

Iref : 총반사광 강도

A : 규격화 상수

σ : 제곱근평균조도

θ : 레이저입사각

λ : 레이저파장

앞에서 언급한 바와같이 광센서(11)를 통하여 측정한 값(Iref)과, 광센서(12)를 통하여 측정한 값(Is)은 컴퓨터(17)에 입력되고, 레이저 광선의 입사각(θ)과 측정용 레이저 파장(λ) 3.39μm가 입력되어 표면조도 σ가 계산된다.

제2도는 레이저 광선의 입사각에 따른 정반사광의 세기를 나타낸 것이다. 입사각이 작을 때는 정반사광의 강도는 표면조도의 크기에 별로 영향을 받지 않으나 입사각이 68°이상에서는 표면조도에 따른 정반사광의 세기가 다르며 표면조도의 측정효율에서 차이가 발생하며, 77°부근에서 가장 큰 차이를 나다낸다.

따라서 본 고안에서는 표면조도 측정시 입사각을 68°∼ 78°범위내로 함으로서 표면조도의 측정효율을 최대로 할 수 있는 것이다.

이하, 본 고안을 이용한 측정예와 이에 따른 측정치의 신뢰도를 설명하면 다음과 같다.

제3도는 측정용 강판의 진동에 대한 실험이다. 강판의 진동폭을 임의로 변화시키며 진동에 따른 측정치의 변화를 구한 것으로서 강판의 진동이 진폭방향으로 ±1mm, 즉 2mm 이내에서는 표면조도가 일정한 값을 나타내어 이 범위내에서는 진동의 영향을 받지 않음을 알 수 있다.

제4도는 강판의 기울기 방향으로 진동에 따른 영향을 나타낸 것이다. 강판을 임의로 기울이면서 표면조도를 측정한 결과 기울기 방향으로 진동이 ±00.5°, 즉 1°이내의 범위에서는 표면조도가 거의 영향을 받지 않음을 나타내고 있다.

제5도는 본 고안을 이용하여 이동중인 강판에 대한 표면조도값을 측정한 예를 나타낸다. 강판의 속도를1m/s에서 10m/s의 범위에서 변화시키며 표면조도를 측정한 결과 측정치가 속도에 관계없이 항상 일정한 값을 나타내고 있다.

제6도는 파장이 1.06μm인 레이저를 이용하여 표면조도를 측정한 결과를 나타낸다. 표면조도 0.04∼1.35μm인 강판을 본 고안의 장치를 사용하여 측정한 값과 기존의 접촉식 방법으로 측정한 값을 비교한 결과 표면조도가 레이저 광선 파장의 70%에 해당하는 0.7μm 이내에서는 두 측정지가 서로 잘 일치함을 알 수 있다.

제7도는 파장이 3.39μm인 레이저를 이용하여 표면조도를 측정한 실시예를 나타낸다. 표면조도 0.2 ∼ 1.4μm인 강판을 본 고안의 장치를 이용하여 측정한 값과 기존의 접촉식 방법으로 측정한 값을 비교한 결과 두 측정치가 서로 잘 일치함을 알 수 있다. 그러나, 제6도로부터 측정가능한 표면조도는 레이저 광선 파장의 70%에 해당하므로 파장이 3.39μm인 레이저를 사용할 경우는 약 2.4μm까지 측정가능한 범위가 된다.

상기와 같이 본 고안에 의하면, 표면조도의 측정시 입사각을 68°∼ 78°의 범위로 하기 때문에 제2도에 도시된 바와같이 표면조도의 측정효율을 최대로 할 수 있는 것이며, 적외선 영역인 파장 3.39μm 측정용 레이저(2)의 광원에 가시영역인 파장 0.663μm인 헬륨-네온 레이저(1)의 광원을 중첩시켜서 사용하기 때문에 측정용 레이저의 조정을 보다 용이하게 할 수 있다. 또한 강판(15)에서 반사되는 광원을 실린더형 렌스(13)를 통하여 1차원의 직선으로 집속하기 때문에 진동이나 진폭에 의한 오차를 줄이게 되어 매우 정밀한 측정이 가능하게 된다.

Claims (3)

1. 헬륨-네온 레이저(2)로부터 발생된 광원을 광분할기(8)를 통하여 투과시켜 강판(15)으로 입사시키고, 가시광선 영역인 헬륨네온 레이저(1)를 적외선 영역인 상기 헬륨-네온 레이저(2)와 평행으로 장착하여 가시광선(P₁)을 광원(P₂)에 중첩시키며, 상기 강판(15)에서 반사된 광원(P₂)을 광센서(12)에서 전기적 신호로 변환시켜 A/D변환기(16)로 입력시키며, 상기 광센서(12) 전방에는 실린더행 렌스(13)를 장착하여 광원(P₂)을 직선으로 집속시키고, 상기 광분할기(8)에 의해서 회절된 광원(P₃)을 광센서(11)에서 A/D변환기(16)로 입력시키며, 상기 A/D변환기(16)를 통한 광원(P₂)(P₃)을 컴퓨터(17)에 의해서 연산하여 표면조도를 계산한 다음, 이를 모니터(18)와 프린터(19)에 출력시키도록 된 비접촉식 표면조도 측정장치에 있어서, 상기 광원(P₂)과 가시광선(P₁)은 강판(15)에 대하여 68°∼ 78°의 입사각(θ)을 유지하면서 입사되고, 정반사되도록 구성됨을 특징으로 하는 강판의 표면조도 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광원(P₂)과 가시광선(P₁)은 광분할기(8) 후방측의 거울(10)에 의해서 상기 입사각(θ)으로 회절됨을 특징으로 하는 강판의 표면조도 측정장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입사각(θ)은 77°임을 특징으로 하는 강판의 표면조도측정장치.