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제안 방법
- 본 논문에서는 홀 주변의 표면 결함 검사와 홀 내부의 결함 검사를 두 가지 방법으로 나눠서 적용하였다. 두 방법 모두 라인 카메라, 광학 렌즈, 그리고 고속 스캐너를 사용하였고, 차이점은 첫 번째방법은 라인 빔을 사용하지 않고 일반 LED조명을 이용하여 조명 각도에 따라 2D 이미지를 선택적으로 획득하여 불량을 검사하였고, 두 번째 홀 내부결함 검사에서는 라인 빔을 사용하여 높이 분해능을 갖는 2D 이미지를 고속으로 획득하였다.
- 이 목표를 달성하기 위해서 광학계 전체에서 가장 중요한 것이 스캔 렌즈 광학계다. 따라서 스캔 렌즈 광학계에서 높은 이미지 분해력을 얻기 위해 짧은 초점거리 (F=40 mm), 큰 빔 크기 (d=10 mm), 그리고 렌즈의 대칭성을 고려하였다.
- 이미지 상에서 면적 카메라로 이미지를 촬상하여도 한 줄의 라인 빔 이미지 정보밖에 받을 수없다. 따라서 시료의 이미지를 획득하기 위해 라인 카메라를 사용하였다. 스캔 미러가 일정한 각도로 움직일 때 시료의 위치에서 라인 빔만 움직인다 (측정 시료는 스캐너에 의해 스캔 된다).
- 본 논문에서는 홀 주변의 표면 결함 검사와 홀 내부의 결함 검사를 두 가지 방법으로 나눠서 적용하였다. 두 방법 모두 라인 카메라, 광학 렌즈, 그리고 고속 스캐너를 사용하였고, 차이점은 첫 번째방법은 라인 빔을 사용하지 않고 일반 LED조명을 이용하여 조명 각도에 따라 2D 이미지를 선택적으로 획득하여 불량을 검사하였고, 두 번째 홀 내부결함 검사에서는 라인 빔을 사용하여 높이 분해능을 갖는 2D 이미지를 고속으로 획득하였다.
- CFRP 홀 가공 시스템의 불량 감소 및 생산비용 절감을 위해 전수 검사할 수 있는 측정 기술이 요구되고 있기에 검사 설비의 검출력 뿐만 아니라 측정 시간 또한 매우 중요한 이슈이다. 본 연구에서는 가공 홀 표면은 갈바노 미러와 라인 스캐너 그리고 조명 각도를 이용하여 들뜸과 뜯김 결함을 검사하였고, 홀 내부 뜯김 결함은 갈바노 미러와 라인 스캐너 그리고 레이저 라인 빔을 이용한 라인 빔 공 초점 방식을 이용하여 검사하였다. 들뜸결함 검사의 경우 CFRP 표면이 광택이 있는 경우 동축 조명에서는 주변보다 어둡게 나오며, 저각경사 조명에는 주변보다 밝게 나온다.
- CFRP 가공 홀 불량을 검출하기 위해서 레이저라인 공 초점 방식을 사용하여 3D 이미지로 분석하면 쉽게 해결할 수 있다. 본 연구에서는 조명의 각도를 변화시켜서 홀 주변의 들뜸이나 뜯김 등의 표면 불량을 검출할 수 있도록 광원을 동축(luminous, CBT-90 Green), 고각 (CREE, RLW-100-32-MOR), 저각 (CREE, RLW-100-32-MOR)으로 분리하여 선택적으로 사용하였다. 홀 내부 불량의 경우는 광원을 선택적으로 사용해도 검출할 수 없기에, 3D 형식인 높이 분해능을 향상 시켜 높이 별로 2D 이미지를 획득함으로써 그 위치의 불량을 검출할 수 있는 방법을 사용하였다.
- CFRP 가공 홀 검사는 홀 표면 및 내부 검사가 동시에 가능해야 한다. 본 연구에서는 홀 표면은 조명의 각도에 따른 2D 이미지 분석을 통하여 결함을 검출하였고, 홀 내부 결함 검사는 3D를 위한 라인 빔 공 초점 방식으로 진행하였다. 3D 검사는 추가 연구를 진행할 예정이다.
- 본 연구의 CFRP 가공 홀 결함 검사에는 레이저스캔 공 초점 방식의 장점을 최대한 이용하면서 속도의 한계를 극복할 수 있는 레이저 스캔 라인공 초점 방식을 적용하였다. 이 방식은 여러 문헌에서 보고된 적이 있기는 하지만 인 라인 공정에 사용되었다는 보고는 많지 않다.
- 레이저 광원을 실린더 렌즈를 사용하여 쉽게 라인 빔으로 만들고, 시료에 라인 빔으로 스캔을 한다. 시료에 스캔 되는 라인 빔의 상을 광학 렌즈를 이용하여 라인 카메라에 촬상시켜서 이미지를 측정한다. 일반적으로 2D 이미지는 광원을 시료에 조사한 후 그 이미지를 광학 렌즈를 사용하여 면적 카메라 (Area Camera)에 촬상시켜 이미지를 획득하지만, 라인 스캔 방식은 라인을 촬상하고 그 위치를 이동 시켜 라인 이미지를 축척하여 2D 이미지를 획득한다.
- 본 연구에서는 조명의 각도를 변화시켜서 홀 주변의 들뜸이나 뜯김 등의 표면 불량을 검출할 수 있도록 광원을 동축(luminous, CBT-90 Green), 고각 (CREE, RLW-100-32-MOR), 저각 (CREE, RLW-100-32-MOR)으로 분리하여 선택적으로 사용하였다. 홀 내부 불량의 경우는 광원을 선택적으로 사용해도 검출할 수 없기에, 3D 형식인 높이 분해능을 향상 시켜 높이 별로 2D 이미지를 획득함으로써 그 위치의 불량을 검출할 수 있는 방법을 사용하였다.
대상 데이터
- 광학 검사 모듈은 광학계 부분과 광학계와 관련된 하드웨어인 스캐너, 그리고 라인 카메라로 구성되었다.
- 광학계는 스캔 렌즈 (Sill Optics, S5LPJ04993)와 릴레이 렌즈 (Sill Optics, S5LPJ04993) 그리고 광원(Cree, RLW-100-32-MOR)으로 구성되었다. CFRP 가공 불량 홀 검사용 광학 모듈은 측정시간은 빠르면서 가공 홀 주변의 표면 불량(들뜸, 뜯김, 홀 직경크기 등)과 홀 내부의 불량(섬유 잔사, 돌출, 테이퍼 각도 등)을 모두 검출할 수 있어야 한다.
- 먼저 표면 2D 이미지 측정 시간은 갈바노 미러의 스캔 속도와 라인카메라의 프레임 속도에 의해 결정된다. 본 연구에 사용되는 갈바노 미러의 스캔 속도는 100Hz이며, 2D 이미지 한 장당 대략 5ms 이다. 라인 카메라 (Dalsa, LA-CM-08K08A)의 픽셀 수가 8000이며 측정 최대 프레임은 80,000 frames/s 이다.
- 따라서 좋은 렌즈일수록 넓은 FOV와 높은 분해력, 그리고 낮은 왜곡을 가진다. 본 연구에서는 목표를 FOV 15 mm, 해상력(해상도) 2.5 um로 설정하였다. 이 목표를 달성하기 위해서 광학계 전체에서 가장 중요한 것이 스캔 렌즈 광학계다.
- 스캔 렌즈에 의해 형성된 이미지를 그대로 전달하기 위해서는 튜브의 구경이 상당히 중요하다. 상용되는 튜브 렌즈는 18mm 또는24mm가 일반적이나, 본 연구의 광학계에서는 넓은 FOV를 위해서 텔레센트릭의 구경 크기가 60mm인 렌즈를 사용하였다.
- 이 방법은 시료 위치 한 점에 대응되는 한 픽셀의 정보를 모아서 픽셀 데이터를 축적해서 2D 이미지를 구성한다. 예로, 해상도 1000 x 1000의 2D 이미지라면 106점을 시간에 따라 위치를 변화시키면서 각각 측정한다. 여기서 사용되는 검출기는 PMT 센서, 포토 다이오드 센서 등이다.
이론/모형
- 다만, 신호 검출력이나 분해능은 점 방식보다는 떨어진다. 본 연구에서는 이러한 장점을 고려하여 1D 라인 방식을 채택하였다. 마지막으로 2D의 면적 측정 방법은 시스템 구성이 간단하고 쉬우나 감도, 분해능, 속도 등에서 많은 제약이 있다.
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