KR100976597B1 - Calibration device for non-contact measurement system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 장치에 관한 것으로서, 비접촉 계측 시스템에 의해 조사되는 라인빔의 대향 위치에 영문자 브이(V) 모양에서 꼭지점을 잘라서 연장한 형태의 빗면 및 직면이 배치되는 케이스와, 케이스의 내부에 배치되어 라인빔 중에서 직면에 맺힌 레이저빔 영상을 촬영하는 카메라를 포함함으로써, 캘리브레이션 장치의 내부에 설치한 카메라를 통해 레이저 발생기의 라인빔에 의한 레이저빔 영상을 촬영함으로써 전동 스테이지의 이동축과 레이저 발생기에 의해 조사되는 라인빔의 정렬 상태를 측정할 수 있도록 하며, 캘리브레이션 장치에 맺힌 레이저 띠로부터 추출한 특이점의 정확한 3차원 정보가 획득되어 매우 높은 정밀도의 캘리브레이션을 수행할 수 있는 이점이 있다.The present invention relates to a calibration device for a non-contact measurement system, comprising: a case in which a bevel and a face in which a vertex is formed by cutting a vertex from an English letter V shape at an opposing position of a line beam irradiated by the non-contact measurement system and a case are disposed; It includes a camera disposed inside the line to shoot the laser beam image confronted in the line beam, the moving axis of the motorized stage by shooting the laser beam image by the line beam of the laser generator through a camera installed inside the calibration device And it is possible to measure the alignment of the line beam irradiated by the laser generator, and the accurate three-dimensional information of the singularity extracted from the laser band formed on the calibration device is obtained has the advantage that can perform a very high precision calibration.
비접촉 계측, 캘리브레이션, 지그 Non-contact Measurement, Calibration, Jig
Description
본 발명은 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션(calibration) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비접촉 계측 시스템에 의해 발생한 레이저의 정렬(align) 상태를 반영할 수 있는 캘리브레이션 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a calibration device for a non-contact metrology system, and more particularly to a calibration device capable of reflecting the alignment state of a laser generated by the non-contact metrology system.
통상적으로, 선박의 외부 패널은 추진저항을 감소시켜 수중을 효율적으로 항해하도록 하기 위해 복잡한 비전개성 곡면을 가지는 약 10mm 내지 30mm 두께의 곡판부재로 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 소망하는 형상으로 가공하고 있다.Typically, an outer panel of a ship is composed of a curved sheet member of about 10 mm to 30 mm in thickness with a complex non-developing curved surface to reduce propulsion resistance so that the ship can navigate efficiently under water. Through a process called linear heating, the steel sheet is processed into a desired shape through out-of-plane deformation or in-plane shrinkage deformation due to plastic deformation generated by locally heating the surface of the steel sheet using a gas burner or the like.
또한, 위와 같이 가공된 선박의 곡판부재 등과 같은 공작물에 대해서는 원하는 형태로 정확한 가공이 되었는지 여부에 대한 계측이 필요한데, 이러한 선박용 곡판부재의 계측 및 제작에는 줄자, 수공구, 나무재질의 상형곡형 등을 이용한 사람에 의한 계측이 수행되었다.In addition, for the workpiece such as the curved member of the vessel processed as described above, it is necessary to measure whether or not the precise processing in the desired form, the measurement and production of the curved member of the vessel using a tape measure, a hand tool, a hieroglyphic shape of the wood material, etc. Measurement by human was performed.
이러한 곡판부재의 계측은 가공 완료 평가, 가열선 생성 및 가공이 완료된 후에 절단선 마킹 작업에 이용된다.Measurement of such curved member is used for cutting line marking operation after completion of work evaluation, heating line generation and processing.
그런데, 사람에 의해 수작업으로 수행되는 계측 기술에 의하면 대형 곡판부재의 계측을 수작업에 의존함에 따라 계측 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 계측 데이터의 정확도가 떨어지는 등 많은 문제점이 있었다. 특히, 선박의 선수미 부분에 사용되는 곡판부재는 그 형상이 더욱 다양하여 부위별로 사전 제작된 나무 재질의 상형곡형을 이용하여 가공 및 계측하는데, 상형곡형의 재질이 대부분 나무로 제작되며 원하는 곡면 형상 부재로의 정확한 가공을 위해 하나의 곡판부재가 완성될 때까지 다수 번 반복적으로 사용됨에 따라, 주변 온도와 작업자의 관리 소홀 등과 같은 여러 가지 주변 요인에 의하여 소성변형이 일어나게 되어 형상 오차가 유발되는 등, 정확한 가공 및 계측에 어려운 문제점이 있었다.By the way, according to the measurement technique performed manually by a person, the measurement of the large curved sheet member depends on the manual operation, which takes a lot of measurement time and has many problems such as a decrease in the accuracy of the measurement data. In particular, the curved plate member used in the fore and aft portion of the vessel is more diverse in shape and processed and measured using a pre-curved wood material of the pre-made wood material for each part, most of the material of the hieroglyphic shape is made of wood and the desired curved shape As a curved member is repeatedly used many times for the accurate machining of the member, plastic deformation occurs due to various peripheral factors such as ambient temperature and operator's neglect. There was a difficult problem in accurate machining and measurement.
한편, 이러한 수작업 계측 기술의 문제점을 해결하기 위해 피 계측부재에 대해 비접촉 방식으로 형상을 계측하는 비접촉 계측 시스템이 제안되었다.On the other hand, in order to solve the problem of the manual measurement technology, a non-contact measurement system for measuring the shape of the member to be measured in a non-contact manner has been proposed.
이러한 비접촉 계측 시스템은 레이저 비전 시스템(laser vision system)으로 불려지기도 하며, 라인형의 레이저빔을 피 계측부재에게 조사하는 레이저 발생기, 피 계측부재에 조사되어 나타나는 레이저빔 영상을 촬영하는 카메라 등을 포함하며, 레이저 발생기와 카메라는 고정체에 일체로 설치하여 모듈화 되어 있다.Such a non-contact measurement system may be referred to as a laser vision system, and may include a laser generator for irradiating a line-type laser beam to a member to be measured, a camera for photographing a laser beam image emitted to the member to be measured, and the like. In addition, the laser generator and the camera are modularized by being installed integrally with the fixture.
이와 같은 비접촉 계측 시스템은 용접용 로봇의 용접선을 추적하기 위해 용 접용 로봇의 끝단에 설치되어 이용되기도 한다.Such a non-contact measuring system may be installed and used at the end of the welding robot to track the welding line of the welding robot.
한편, 통상적으로 비접촉 계측 시스템은 용접용 로봇 등과 같은 결합 본체에 분리 가능한 상태로 결합되는데, 곡판부재 계측이나 용접선 추적의 정밀도를 향상하기 위해 기본적으로 캘리브레이션 과정을 거친 후에 사용되며, 이러한 캘리브레이션 과정에서는 캘리브레이션 지그(jig)가 이용된다.On the other hand, the non-contact measurement system is typically coupled to the coupling body such as a welding robot in a detachable state, which is basically used after the calibration process in order to improve the accuracy of the curved member measurement or welding seam tracking, in the calibration process Jig is used.
도 1a는 종래의 일 실시예에 따른 캘리브레이션 지그를 이용한 캘리브레이션 과정을 보인 개념도이다.1A is a conceptual diagram illustrating a calibration process using a calibration jig according to an exemplary embodiment.
도 1a에 나타낸 바와 같이, 캘리브레이션 지그(20)는 삼각 박스 형태를 이용하여 비접촉 계측 시스템(10)의 레이저 발생기(11)에 의해 조사되는 라인빔(31)과 동일한 평면상에 영문자 브이(V) 모양의 빗면이 놓이도록 배치하며, 전동 스테이지(motorized stage)(도시 생략됨)에 의해 캘리브레이션 지그(20)가 정해진 경로를 따라 이동하고, 비접촉 계측 시스템(10)의 카메라(13)는 캘리브레이션 지그(20)에 조사된 라인빔(31)에 의한 레이저빔 영상(33)을 촬영한다.As shown in FIG. 1A, the
이와 같은 캘리브레이션 과정에 의해 카메라(13)에 의해 촬영된 레이저빔 영상(33)은 도 1b에 나타낸 바와 같으며, 레이저빔 영상(33)에서 추출한 꼭지점(35)의 좌표와 전동 스테이지(도시 생략됨)의 좌표를 이용하여 변환행렬 파라미터를 추출하는 방식이 이용된다.The
도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 캘리브레이션 방식은 레이저가 주사되는 평면이 전동 스테이지의 이동축과 평행하다는 가정을 바탕으로 진행된다. 왜냐하면 현재는 3차원 정보 중 전동 스테이지의 X, Y축 좌표만을 얻을 수 있기 때문이다. 이러한 가정에 부합하기 위해 작업자는 레이저의 주사방향을 전동 스테이지와 평행하게 만들기 위하여 캘리브레이션 장치를 사용한다.The calibration method described with reference to FIGS. 1A and 1B proceeds on the assumption that the plane in which the laser is scanned is parallel to the axis of movement of the motorized stage. This is because at present, only the X and Y axis coordinates of the transmission stage can be obtained from the three-dimensional information. To meet this assumption, the operator uses a calibration device to make the scanning direction of the laser parallel to the motorized stage.
도 2는 종래 기술에 따른 캘리브레이션 장치의 구성을 보인 사시도이다.2 is a perspective view showing the configuration of a calibration device according to the prior art.
이에 나타낸 바와 같이 캘리브레이션 장치(40)는, 거리조정 프레임(41)과, 캘리브레이션 지그(43)를 포함한다. 거리조정 프레임(41)에는 캘리브레이션 지그(43)를 수평적 좌표, 즉 z좌표를 슬라이딩하여 이동시킬 수 있도록 거리조정홈(41a)이 구비되며, 캘리브레이션 지그(43)에는 레이저 발생기(11)에 의해 조사된 레이저에 의한 레이저띠(45)가 형성되도록 눈금자(43a)가 구비된다.As shown in the figure, the
비접촉 계측 시스템(10)에서 발사된 레이저는 그 수신데이터가 2차원적이기 때문에 정확한 용접위치를 알기 위해서는 3차원 데이터로 변환시켜 주어야 한다. 이때 기준 좌표에 대한 레이저의 피치각을 캘리브레이션 매트릭스에 적용할 수 없기 때문에 눈금자(43a)가 있는 캘리브레이션 지그(43)를 활용하여 비접촉 계측 시스템(10)와 캘리브레이션 지그(43)의 거리 및 레이저빔의 높이, 즉 피치각을 측정한다.The laser emitted from the
전술한 바와 같은 종래 기술에 따른 캘리브레이션 장치에 의하면 캘리브레이션 수행 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 작업자의 목시적 관찰에 의해 평행을 판단하기 때문에 캘리브레이션 작업자에 따라서 다른 기준으로 캘리브레이션을 수행할 우려가 있음은 물론이고 정밀도가 낮은 문제점이 있었다.According to the calibration apparatus according to the prior art as described above, not only takes a long time to perform the calibration, but also determines the parallelism by visual observation of the operator, so that the calibration operator may perform calibration based on different standards. There was a low issue.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 캘리브레이션 장치를 이동시키는 전동 스테이지의 이동축과 레이저 발생기에 의해 조사되는 라인빔의 정렬 상태를 측정함으로써 캘리브레이션 장치에 맺힌 레이저 띠로부터 추출한 특이점의 정확한 3차원 정보를 획득하여 매우 높은 정밀도의 캘리브레이션을 수행할 수 있도록 한다.The present invention has been proposed to solve such a problem of the prior art, and the singularity extracted from the laser band formed in the calibration device by measuring the alignment of the moving axis of the electric stage for moving the calibration device and the line beam irradiated by the laser generator It obtains accurate 3D information of and enables calibration of very high accuracy.
본 발명에 따른 비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션 장치는, 비접촉 계측 시스템에 의해 조사되는 라인빔의 대향 위치에 영문자 브이(V) 모양에서 꼭지점을 잘라서 연장한 형태의 빗면 및 직면이 배치되는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 배치되어 상기 라인빔 중에서 상기 직면에 맺힌 레이저빔 영상을 촬영하는 카메라를 포함한다.The calibration device of the non-contact measurement system according to the present invention is a case in which the oblique surface and the face of the form in which the vertex is cut out and extended from the letter V (V) shape at the opposite position of the line beam irradiated by the non-contact measurement system, and the case; It is disposed in the interior of the line beam includes a camera for taking a laser beam image of the facing.
여기서, 상기 캘리브레이션 장치는 상기 케이스를 정해진 경로를 따라 이동 시키는 전동 스테이지를 더 포함하며, 상기 케이스는 사다리꼴 박스 형태이고, 상기 케이스의 직면은 반투과성 재질인 것이 바람직하다.Here, the calibration device further includes an electric stage for moving the case along a predetermined path, the case is a trapezoidal box shape, the facing of the case is preferably a semi-permeable material.
본 발명은 캘리브레이션 장치의 내부에 설치한 카메라를 통해 레이저 발생기의 라인빔에 의한 레이저빔 영상을 촬영함으로써 전동 스테이지의 이동축과 레이저 발생기에 의해 조사되는 라인빔의 정렬 상태를 측정할 수 있도록 하며, 캘리브레이션 장치에 맺힌 레이저 띠로부터 추출한 특이점의 정확한 3차원 정보가 획득되어 매우 높은 정밀도의 캘리브레이션을 수행할 수 있는 효과가 있다.The present invention can measure the alignment state of the moving axis of the motorized stage and the line beam irradiated by the laser generator by photographing the laser beam image by the line beam of the laser generator through a camera installed inside the calibration device, The accurate three-dimensional information of the singularity extracted from the laser band formed on the calibration device is obtained, which has the effect of performing a very high precision calibration.
비접촉 계측 시스템의 캘리브레이션을 위해서는 캘리브레이션 지그(또는 캘리브레이션 장치)를 이동시키는 전동 스테이지의 이동축과 레이저 발생기에서 조사되는 라인빔이 완벽한 평행 상태를 이루어야 한다. 하지만 이러한 평행 상태는 물리적으로 거의 불가능에 가깝다. 이에 본 발명에서는 캘리브레이션 장치의 내부에 카메라를 설치하여 레이저 발생기에 의해 조사되는 라인빔에 의한 레이저빔 영상을 촬영함으로써 전동 스테이지의 이동축과 레이저 발생기에 의해 조사되는 라인빔의 정렬 상태를 측정할 수 있도록 한 것이다.To calibrate a non-contact metrology system, the axis of motion of the motorized stage moving the calibration jig (or calibration device) and the line beam irradiated from the laser generator must be perfectly parallel. However, this parallel state is almost impossible physically. Therefore, in the present invention, by installing a camera inside the calibration device to shoot the laser beam image by the line beam irradiated by the laser generator can measure the alignment state of the moving axis of the motorized stage and the line beam irradiated by the laser generator It would be.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명 한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 3은 본 발명에 따른 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 과정을 보인 개념도이며, 도 4는 본 발명에 따른 캘리브레이션 장치의 내부 구조를 보인 구성도이다.3 is a conceptual diagram illustrating a calibration process using a calibration device according to the present invention, Figure 4 is a block diagram showing the internal structure of the calibration device according to the present invention.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 본 발명의 캘리브레이션 장치(200)는, 사다리꼴 박스 형태의 케이스(210)가 빗면(211)과 직면(213)을 가지며, 비접촉 계측 시스템(100)의 레이저 발생기(110)에 의해 조사되는 라인빔(301)과 동일한 평면상에 영문자 브이(V) 모양에서 꼭지점을 잘라서 연장한 형태의 빗면(211)과 직면(213)이 라인빔(301)의 대향 위치에 놓이도록 배치되고, 케이스(210)의 내부에는 레이저 발생기(110)에 의해 조사되는 라인빔(301) 중에서 직면(213)에 맺힌 레이저빔 영상(401)을 촬영하는 카메라(220)가 배치되며, 전동 스테이지(도시 생략됨)에 의해 캘리브레이션 장치(200), 즉 케이스(210)가 정해진 경로를 따라 이동하고, 비접촉 계측 시스템(100)의 카메라(130)는 캘리브레이션 장치(200)에 조사된 라인빔(301)에 의한 레이저빔 영상(303)을 촬영한다.As shown in FIGS. 3 and 4, in the
케이스(210)의 직면(213)은 반투과성 재질로 제작하여 레이저 발생기(110)에 의해 조사되는 라인빔(301)이 직면(213)의 외측에 맺히도록 하고, 케이스(210)의 내부에 설치한 카메라(220)가 직면(213)의 내측을 촬영하여 직면(213)의 외측에 맺 힌 레이저빔 영상(401)을 촬영할 수 있도록 한다.The
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 과정을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the calibration process using the calibration device according to the present invention configured as described above are as follows.
먼저, 비접촉 계측 시스템(100)의 레이저 발생기(110)에서 조사되는 라인빔(301)이 전송 스테이지(도시 생략됨)에 의해 소정의 이동축을 통해 이동 가능하게 배치된 캘리브레이션 장치(200)에 조사된다.First, the
그러면, 비접촉 계측 시스템(100)의 카메라(130)는 캘리브레이션 장치(200)에 조사된 라인빔(301)에 의한 레이저빔 영상(303)을 촬영한다. 여기서 도 5a와 같이 캘리브레이션 장치(200)에 조사된 라인빔(301)에 의한 레이저빔 영상(303)이 획득되면 빗면(211)에 맺힌 레이저 띠를 연장하여 교차점을 특이점(305)으로 추출한다. 여기서 추출한 특이점(305)은 도 1b의 꼭지점(35)에 대응된다.Then, the
그리고, 캘리브레이션 장치(200)의 내부에 설치된 카메라(220)는 레이저 발생기(110)에 의해 조사되는 라인빔(301) 중에서 직면(213)에 맺힌 레이저빔 영상(401)을 촬영한다. 여기서 도 5b와 같이 레이저 발생기(110)에 의해 조사되는 라인빔(301) 중에서 직면(213)에 맺힌 레이저빔 영상(401)이 획득되면 레이저 띠의 소정 위치에서 특이점(403)을 추출한다.The
도 5b의 예시에서 가로의 실선은 레이저 발생기(110)에 의해 조사되어 직면(213)에 맺힌 라인빔(301)이며, 가로의 점선은 특이점(403)의 추출을 위해 직면(213)에 맺힌 라인빔(301)을 연장한 제 1 가상선이고, 세로의 점선은 특이 점(403)의 추출을 위해 제 1 가상선에 교차시킨 제 2 가상선이다. 이때 제 2 가상선은 제 1 가상선의 중간지점에 교차, 즉 카메라(220)의 화면 중간에서 제 1 가상선과 교차시키는데, 이는 추출한 특이점(403)은 카메라(220)의 광학 설계치에 근거하여 라인빔(301)의 상대적 높이값을 계산할 때에 이용하기 때문이다.In the example of FIG. 5B, the horizontal solid line is a
따라서, 전동 스테이지를 이용하여 캘리브레이션 장치(200)를 이동시키면서 두 대의 카메라(130, 220)를 이용하여 레이저빔 영상(303, 401)을 촬영하면 전동 스테이지의 이동축과 레이저 발생기(110)에 의해 조사되는 라인빔(301)의 정렬 상태를 측정할 수 있다.Therefore, when the
그러므로, 캘리브레이션 장치(200)의 빗면(211)에 맺힌 레이저 띠를 연장하여 추출한 특이점(305)의 정확한 3차원 정보가 획득되며, 특이점(305)의 좌표와 전동 스테이지의 좌표를 이용하여 변환행렬 파라미터를 추출하는 캘리브레이션을 수행하면 매우 높은 정밀도의 캘리브레이션을 수행할 수 있다.Therefore, accurate three-dimensional information of the
지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.It has been described so far limited to one embodiment of the present invention, it is obvious that the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art. Such modified embodiments should be included in the technical spirit described in the claims of the present invention.
도 1a는 종래 기술에 따른 캘리브레이션 지그를 이용한 캘리브레이션 과정을 보인 개념도,1A is a conceptual diagram illustrating a calibration process using a calibration jig according to the prior art;
도 1b는 종래 기술에 따른 캘리브레이션 과정에 의해 촬영된 레이저빔 영상의 일예도,Figure 1b is an example of a laser beam image taken by the calibration process according to the prior art,
도 2는 종래 기술에 따른 캘리브레이션 장치의 구성을 보인 사시도,2 is a perspective view showing the configuration of a calibration device according to the prior art,
도 3은 본 발명에 따른 캘리브레이션 장치를 이용한 캘리브레이션 과정을 보인 개념도,3 is a conceptual diagram illustrating a calibration process using a calibration device according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 캘리브레이션 장치의 내부 구조를 보인 구성도,4 is a block diagram showing the internal structure of the calibration device according to the present invention,
도 5a는 본 발명에 따른 캘리브레이션 과정에 의해 비접촉 계측 시스템이 촬영한 레이저빔 영상의 일예도,5A is an example of a laser beam image photographed by a non-contact measurement system by a calibration process according to the present invention;
도 5b는 본 발명에 따른 캘리브레이션 과정에 의해 캘리브레이션 장치가 촬영한 레이저빔 영상의 일예도.Figure 5b is an example of a laser beam image taken by the calibration device by the calibration process according to the present invention.
<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>
100 : 비접촉 계측 시스템 110 : 레이저 발생기100: non-contact measurement system 110: laser generator
130, 220 : 카메라 200 : 캘리브레이션 장치130, 220: camera 200: calibration device
210 : 케이스 211 : 빗면210: Case 211: Slope
213 : 직면213: facing
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