[논문]구면좌표계식 기구를 이용한 인공치아의 3차원 측정시스템 개발

맹희영; 성봉현

문제 정의

본 연구에서는 포인트 레이저 센서와 구면좌표계식 측정기구를 사용하여 레이저 센서의 광학적 단점을 효과적으로 해결할 수 있었으며, 치기공용 삭제 치아와 같이 표면에서 난반사가 심하고 레이저 빔의 조사 방향에 따라 측정 오차가 많이 발생하는 피측정물을 효율적으로 측정할 수 있음을 검토하였다.
측정 메커니즘을 고안하였다. 스폿 크기가 작은 포인트 레이저를 사용함으로써 난반사의 영향이 적도록 하였으며, 빔의 조사 방향을 구면좌표계의 원점을 향하도록 유지함으로써 측정 데이터가 인공치아의 표면에 고르게 분포되는 측정 효과를 거두고자 하였다.
이 측정 메커니즘은 구면죄표계식 구동 장치와' 제어 장치, 데이터 수집 장치 등으로 구성하여 통합 시스템으로 제작되었으며, 표면 상태가 악조건인 인공치아 모델을 대상으로 성능 실험을 실시하여 소요의 형상 정밀도를 만족할 수 있는지 그 적용 가능성을 평가하였다.
이러한 레이저 센서의 광학적 단점을 개선하기 위하여 본연구에서는 포인트 레이저 센서를 사용하면서 레이저 빔의 조사 방향이 측정 표면의 법선 방향을 향하도록 안내 하는 구면 좌표계 식의 측정 메커니즘을 고안하였다. 스폿 크기가 작은 포인트 레이저를 사용함으로써 난반사의 영향이 적도록 하였으며, 빔의 조사 방향을 구면좌표계의 원점을 향하도록 유지함으로써 측정 데이터가 인공치아의 표면에 고르게 분포되는 측정 효과를 거두고자 하였다.

제안 방법

구면좌표계 방식의 레이저 측정 기구는 Fig. 1과 같이 피측정물을 X-Y 평면상에서 회전시키고 포인트 레이저 센서의 빔이 이 회전축의 센터를 향하도록 하면서 포인트 레이저센서와 카메라가 장착된 수직 기구부 전체도도 Z-X 평면상에서 회전하도록 하는 2개 회전 기구로 구성하였다.
인하여 데이터가 튀게 되는 버그 현상은 완전히 없앨 수 없다. 그 때문에 본 시스템에서는 측정 데이터의 산포도를 이용하여 이를 필터링 할 수 있도록 소프트웨어로 이를 제거하는 알고리듬을 적용하였다. Fig.
2에서 보는 바와 같이 각 메쉬의 절점에 대해 이 절점이속한 구면좌표계의 Ct과 en + l 구간을 구하고, R 값을 환산하였다. 그런 다음 각 절점에 대한 Z값은 이 절점에 가까운 여러 점들의 Z값들을 보간하여 해당 메쉬의 Z값으로 결정하는 방법을 사용하였다.⑹
그리고 원통좌표계로 표현된 측정 데이터는 일반화된 형상모델링 시스템과 인터페이스 되어야 하기 때문에, 동기 성에 맞추어 측정된 수많은 점들을 주어진 형상공차와 분해능에 맞추어 다음과 같이 사각 메쉬 형태의 점 데이터 배열로 매핑 시켜 재구성하였다.
두 번째 평가 방법으로는 실제의 어금니 인공치아 모델에 대해서 적용하는 평가 실험을 실시하였는데, Fig. 10은 측정데이터를 수집하고 필터링, 트리밍 등의 안정화 변환 과정을 거친 다음 잇몸 부위와의 경계 영역(margin)을 연결하여 최종적으로 모델링을 마친 결과를 나타낸 것이다. 그리고 Fig.
레이저 제어기는 MEL사의 전용 제어기를 사용하였고, 기구 제어기는 ATmegal28L 제어기를 소요 목적에 맞도록 보완하여 사용하였다
본 시스템은 Fig. 3과 같이 크게 피측정물을 회전시켜 주는 테이블, 포인트 레이저 센서와 비전 카메라가 부착되어있는 측정 헤드부, 그리고 시스템 제어부로 구성하였다.
본 연구에서는 시스템 신뢰성을 평가하는 방법의 하나로 마스터 볼(진구도 0.002mm)을 측정한 데이터를 CAD. 형상화시키고, 편차 특성을 분석하면서 측정 상태, 측정 환경, 측정 기구의 적합성을 검사하였다'
scn) 파일로 변환해 주는 과정을 거쳐서, 최종적으로는 형상화된 데이터를 보간, 필터링, 트리밍 등의 변환 과정''을 거쳐 데이터의 신뢰성을 높이는 모듈로 구성되어 있다. 시스템 대화창의 구성을 살펴보면, A의 아이콘 그룹은 D화면에 디스플레이 되어 있는 형상을 관리하기 위한 도구아이콘으로 구성하였고, B의 구동제어 창은 구동 상태를 작동하고 구동 정보를 표현해 주는 기능으로 구성하였다. 그리고 C 대화창은 형상화된 데이터를 보간, 필터링, 컬러 등을변화시켜 데이터의 신뢰성을 높이기 위한 MFC 모듈을 실행하기 위한 창이며, D의 디스플레이 창은 OpenGL를 이용한그래픽 창으로 구성하였다.
우선 X-Y 평면상에서 측정 데이터의 산포 범위를 구하고, 이 범위의 최대값과 최소값 사이를 주어진 분해능에 맞추어사각 간격으로 등분할하여 메쉬를 구성하였다. 그런 다음 Fig.
6과 같이 진구도가 3um 이내인 마스터 볼을 이용하여 회전축의 정밀도를 검사하는 방법을 시용하였다. 조립 초기에는 마스터 볼의 원주를 측정하면서 조립 정밀도를 점차 높여 갔으며, 조립을 보정하는 중간단계에서는 3곳의 높이에 대한 진원도를 검사하였고, 최종적인 검사에서는 측정 헤드부의 처짐과 레이저 변위센서의평행도 등을 보정하여 측정 데이터의 진구도가 0.02mm 이내에 들어 올 수 있도록 보정하였다.
조립의 적합성 검사는 Fig. 6과 같이 진구도가 3um 이내인 마스터 볼을 이용하여 회전축의 정밀도를 검사하는 방법을 시용하였다. 조립 초기에는 마스터 볼의 원주를 측정하면서 조립 정밀도를 점차 높여 갔으며, 조립을 보정하는 중간단계에서는 3곳의 높이에 대한 진원도를 검사하였고, 최종적인 검사에서는 측정 헤드부의 처짐과 레이저 변위센서의평행도 등을 보정하여 측정 데이터의 진구도가 0.
수 있게 하였다. 측정 준비가 완료된 이후에는 자동모드 스위치를 눌러 측정을 시작하도록 프로그램 하였다.
피측정물 회전부와 레이저 회전부는 5상 스테핑 모터 드라이버와 마이크로 스텝 모터 드라이버로 구동하였으며 각각의 회전 스텝은 0.0625º(=0.72/80)로 설정하였다.
초기 조립 이후 조립 공차를 반복하여 측정해 가면서 계속 줄여가야만정밀한 조립이 가능하다. 피측정물 회전부와 레이저 회전부의 회전 중심이 직각을 유지하면서 O.Ohnm 오차 범위에서일치할 수 있도록 지그 클램프를 통해 조립하였다卬
002mm)을 측정한 데이터를 CAD. 형상화시키고, 편차 특성을 분석하면서 측정 상태, 측정 환경, 측정 기구의 적합성을 검사하였다';
회전 테이블은 또한 X-Y 스테이지 위에 장착되어 있으며자동으로 스테이지를 이동하여 세팅할 수 있도록 하였다. 회전시 신호선의 꼬임 현상을 방지하기 위해 슬립링(브러쉬 접촉식)을 사용하였으며, 구동축과 벨트 풀리의 감속비는 4:1 로 하였다.
회전시 신호선의 꼬임 현상을 방지하기 위해 슬립링(브러쉬 접촉식)을 사용하였으며, 구동축과 벨트 풀리의 감속비는 4:1 로 하였다.

대상 데이터

USB 카메라는 회전부의 중심과 일치시키도록 세팅하였다. 구동에 사용된 스테핑 모터는 5상 스테핑 모터 A3K-S545 와 A16K-M569 규격을 사용하였다.
레이저 센서 회전 기구는 USB 카메라와 레이저 센서 장착 부분으로 구성되어 있으며, 레이저 센서는 측정 범위가 40~50mm인 MEL사의 M7시리즈 M7L10을 사용하였고 마이크로미터 헤드를 통해 거리 조절이 가능하도록 하였다. USB 카메라는 회전부의 중심과 일치시키도록 세팅하였다.
인터페이스 프로그램은 PC 제어의 기본창으로 Fig. 5에서 보는 바와 같이 측정물 이미지 디스플레이 창(④), 마이컴 제어 아이콘(®), 측정 데이터 출력 창(©), 측정 데이터 그래픽 창(④) 등의 4개 영역으로 구성하였다.
제어기는 크게 레이저 제어기와 기구 제어기로 구성하였다. 레이저 제어기는 MEL사의 전용 제어기를 사용하였고, 기구 제어기는 ATmegal28L 제어기를 소요 목적에 맞도록 보완하여 사용하였다
4와 같이 3축 자유도로 구성되어 있으며, 구동 요소로 5상 스테핑 모터를 시용하여 백래쉬가 없도록 직접 타이밍 벨트와 벨트풀리로 전달하였다. 크기는 420x290x400mm이며, 주요 유니트는 회전 테이블(A), Z 축 이송부(B), 측정 헤드부(C)로 구성하였다.

성능/효과

그 결과 Fig. 8과 같이 측정 데이터는 여러 곳에서 버그부분이 발생되고 있지만, 이러한 부위를 제외시키면 형상공차는 아주 우수하게 증진되고 있음을 알 수 있었다. 우선 A 에서 보는 바와 같이 측면 데이터는 약간의 튀는 현상이 발생한 것 같으나, B와 같이 마스터 볼 표면 매질을 입하는과정에서 생긴 압입 자국까지 선명한 것을 보면 측정 데이터값은 아주 정교하게 측정되고 있음을 알 수 있다.
마스터 볼을 측정 실험한 결과에 있어서는 0.02mm 이내의 우수한 형상 정밀도를 만족시킬 수 있었으며, 인공치아모델에 대한 측정 실험에 있어서도 기존의 Q05mm급의 정밀도를 갖는 레이저 응용 장비보다 0.01~0.02mm 정도의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있었다. 특히, 본 시스템은 인공치아 모델의 경우, 측면에서의 형상 정밀도을 개선하는 데더욱 효과적이기 때문에 끼워맞줌용 곡면을 즉정하는 데에더욱 적합함을 알 수 있었다.
시스템을 개발하는 과정에서 피측정물의 회전 중심축과레이저 회전축을 일치시키기 위한 조립 방법, 수집된 데이터를 변환하고 보간하는 방법, 측정상의 불완전성으로 인해 발생되는 버그를 필터링과 트리밍을 통해 소프트웨어적으로안정화시키는 방법 등을 개발하여 표면 상태가 악조건인 피측정면에 대해서도 0.05mm 이하의 형상 정밀도를 보증할수 있는 측정 시스템으로 개발할 수 있었다.
02mm 정도의 형상 정밀도를 향상시킬 수 있었다. 특히, 본 시스템은 인공치아 모델의 경우, 측면에서의 형상 정밀도을 개선하는 데더욱 효과적이기 때문에 끼워맞줌용 곡면을 즉정하는 데에더욱 적합함을 알 수 있었다.

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