[논문]레이저 비전을 이용한 2단 가변밸브 리프트 모듈의 3D 조립검사에 대한 연구

웬후쿠옹; 김도중; 이병룡

doi:10.3795/ksme-a.2017.41.10.949

레이저 비전을 이용한 2단 가변밸브 리프트 모듈의 3D 조립검사에 대한 연구
Study on the 3D Assembly Inspection of Two-Step Variable Valve Lift Modules Using Laser-Vision Technology 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.41 no.10, 2017년, pp.949 - 957

웬후쿠옹 (울산대학교 기계공학부) , 김도중 (울산대학교 기계공학부) , 이병룡 (울산대학교 기계공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 2단 가변 밸브 리프트 모듈의 조립불량 검사를 수행하기 위하여, 레이저 비전 기반의 높이 측정 시스템을 개발하였다. 측정방식은 레이저 비전 센서 모듈을 이용하여 삼각 측량법의 원리에 기초하여 3차원 점군집(point cloud) 데이터를 수집하고, 이를 바탕으로 밸브 위치의 높이 차이를 계산하였다. 본 논문에서는 먼저, 측정 시스템의 구성과 제안된 높이 측정 알고리즘을 설명하였다. 그리고, 레이저 비전 기반의 3차원 측정을 위한 실험장치를 구성하였다. 마지막으로, 실험장치의 정확성과 반복성을 검증하기 위해서, 2단 가변 밸브 리프트 모듈에서의 래쉬조정기 및 밸브간의 고저 차이를 측정하는 실험들을 여러 번 수행하였다. 실험 수행결과, 제안된 레이저 비전 기반의 높이 측정 시스템은 2단 가변밸브 리프트 모듈 조립 검사에 대한 높은 정확성, 반복성 및 안정성을 확보하고 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A laser-vision-based height measurement system is developed and implemented for the inspection of two-step variable valve lift module assemblies. The proposed laser-vision sensor module is designed based on the principle of laser triangulation. This paper summarizes the work on 3D point cloud data collection and height difference measurements. The configuration of the measurement system and the proposed height measurement algorithm are described and analyzed in detail. Additional measurement experiments on the height differences of valves and lash adjusters of a two-step variable valve lift module were implemented repeatedly to evaluate the accuracy and repeatability of the proposed measurement system. Experimental results show that the proposed laser-vision-based height measurement system achieves high accuracy, repeatability, and stabilization for the inspection of two-step variable valve lift module assemblies.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

일반적으로 2단 VVL 모듈의 밸브위치는 3차원적으로 기울어져 있고, 밸브 또한 접촉식 검사방법으로는 측정하기가 매우 어려우므로 비접촉식으로 측정하는 것이 효과적이지만 아직 이러한 측정 방법은 개발되어 있지 않다. 따라서, 본 연구에서는 입구 및 출구밸브의 높이 차이와 2단 VVL 모듈 래쉬조정기의 높이 차이를 비접촉방법으로 정확하게 측정할 수 있도록 레이저 비전 기반의 3D 측정시스템을 제안하였다. 제안된 측정 시스템의 동작은 두 단계로 나누어진다.
본 논문에서 2단 가변 밸브 리프트 모듈의 밸브 헤드 및 래쉬조정기 헤드의 높이 차이를 측정하는 3차원 레이저-비전 기반의 측정시스템을 제안하였다. 제안한 측정 시스템은 레이저-비전 삼각 측량법을 기반으로 하여 설계되었다.
3차원 점군집 데이터 수집 단계는 검사 시스템의 정확성 및 정밀도를 결정하는데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 레이저 비전을 이용하여 3차원 점군집 데이터를 획득하는데 있어서 중요한 두 가지 핵심적인 문제를 다루었다. 그 중 하나는 대상물에서 반사되는 레이저 프로파일을 정확하게 추출하는 것이고, 다른 하나는 레이저-카메라를 정확하게 교정하는 방법에 대한 것이다.
본 연구의 주 목적은 2단 VVL 모듈의 2개의 래쉬조정기 사이의 높이 차이, 그리고 2개의 밸브 사이의 높이 차이를 정확하게 측정하는 알고리즘을 구축하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 2단 VVL 모듈의 구조를 구체적으로 분석해야 할 필요가 있다.

제안 방법

레이저 카메라 모듈의 캘리브레이션 과정은 레이저 프로젝터와 카메라 사이의 상대 위치를 계산하는 것이며, 여러가지 캘리브레이션 방법들이 사용되고 있다.^(17~19) 본 논문에서는 저자들이 이전에 개발하였던 직접교정법(direct calibration method) 을 개량하여 적용하였다.⁽²⁰⁾
여기서, V1은 기준면(A, B, C점으로 구성된 평면)으로부터 밸브 1의 높이, V2는 밸브 2의 높이, L1은 래쉬조정기 1의 높이, L2는 래쉬조정기 2의 높이, 그리고 |V1-V2|와 |L1-L2|는 각각 밸브 및 래쉬조정기의 높이 차이를 나타낸다. 24회 반복 실험결과를 토대로 측정의 반복정밀도를 알아보기 위해 각 위치에 대한 측정편차를 구해 보았다. V1값의 최고값은 2.
설계된 3D 레이저-비전 시스템은 한 개의 레이저 프로젝터, 한 개의 카메라 및 측정물을 이송할 수 있는 직선 운동기구로 구성되었다. 가변 밸브 리프트 모듈의 조립상태 불량 유무는 밸브 및 래쉬조정기의 높이 차이를 정확하게 측정하는 것인데, 모듈의 표면을 스캐닝하여 2개의 밸브와 2개의 래쉬조정기의 상대적인 높이차이를 자동 측정하였다.
이 단계에서, 레이저 비전 기반 3D 스캐닝 시스템은 2단 VVL 시스템 표면의 3차원 점군집 데이터를 획득하게 된다. 두 번째 단계에서, 본 연구에서 제안된 3차원 점군집 데이터 처리 알고리즘을 적용하여, 밸브 및 조절기 사이의 높이 차이를 계산하게 된다.
밸브 및 조절기의 헤드의 중심을 검출하기 위해 타원 피팅법에 기반한 중심검출 알고리즘을 제안하였다. 측정시스템의 측정오차를 감소시키기 위해서는 적용된 알고리즘의 성능이 커다란 영향을 미치게 마련이다.
본 연구에서는 밸브 및 래쉬조정기 헤드부분의 중심을 검출하기 위해서 3D 정보에 대한 2D 영상을 카메라에 형성하고, 높이 분할, 타원 피팅을 수행하게 된다. 먼저, 수집된 3차원 점군집 데이터를 기준평면상에 투영함으로써 밸브헤드의 2D 영상이 얻어진다.
제안한 측정 시스템은 레이저-비전 삼각 측량법을 기반으로 하여 설계되었다. 설계된 3D 레이저-비전 시스템은 한 개의 레이저 프로젝터, 한 개의 카메라 및 측정물을 이송할 수 있는 직선 운동기구로 구성되었다. 가변 밸브 리프트 모듈의 조립상태 불량 유무는 밸브 및 래쉬조정기의 높이 차이를 정확하게 측정하는 것인데, 모듈의 표면을 스캐닝하여 2개의 밸브와 2개의 래쉬조정기의 상대적인 높이차이를 자동 측정하였다.
다시 말하면, 가우시안 프로파일의 피크점이 레이저 프로파일 추출을 위한 픽셀 위치로서 선택된다는 것이다. 이때 잡음을 감소시키기 위해, 가우시안 프로파일은 9 x 9 픽셀 크기의 가우시안필터를 사용하여 평활화 처리를 하였다.
제안한 측정 시스템 및 알고리즘의 정확성과 반복성을 평가하기 위해, 2단 VVL 모듈의 밸브와 래쉬조정기의 형상을 반복적으로 24회 측정하였다. Table 1에 측정 결과를 나타내었다.
본 논문에서 2단 가변 밸브 리프트 모듈의 밸브 헤드 및 래쉬조정기 헤드의 높이 차이를 측정하는 3차원 레이저-비전 기반의 측정시스템을 제안하였다. 제안한 측정 시스템은 레이저-비전 삼각 측량법을 기반으로 하여 설계되었다. 설계된 3D 레이저-비전 시스템은 한 개의 레이저 프로젝터, 한 개의 카메라 및 측정물을 이송할 수 있는 직선 운동기구로 구성되었다.
제안한 측정 시스템의 정확성과 반복성을 평가하기 위하여, 여러 번의 스캔실험을 수행하였다. 실험 결과, 밸브의 상대위치값과 래쉬의 상태위치 값의 편차가 각각 0.
레이저 카메라 모듈에 의해 획득된 데이터는 픽셀 스케일로 처리되므로, 대상물을 수치적으로 측정하기 위해서는 캘리브레이션 과정이 필요하다. 즉, 영상에서 보이는 픽셀단위의 크기와 스캔된 물체의 실제 위치 및 크기 사이의 관계를 구하기 위해 캘리브레이션 과정을 수행하였다. 레이저 카메라 모듈의 캘리브레이션 과정은 레이저 프로젝터와 카메라 사이의 상대 위치를 계산하는 것이며, 여러가지 캘리브레이션 방법들이 사용되고 있다.
3)는 다항식의 계수를 나타낸다. 직접교정법을 적용하기 위해, 캘리브레이션 툴의 계단에 대한 코너 사이의 실제거리 및 영상에서의 거리를 수집하였다. 그리고 다항식의 계수들은 다항식 피팅 방법으로 구해지게 된다.

대상 데이터

엔진에서 가변 밸브 구동을 사용하면 연비와 배기 가스뿐만 아니라, 엔진의 출력을 향상시킬 수 있기 때문이다.⁽¹⁾ 본 연구에서 다루고 있는 가변 밸브는 2단 가변밸브 리프트(VVL)이다.⁽²⁾ 입구 및 출구 밸브의 동작은 2단 VVL 모듈의 성능에 상당한 영향을 미친다.
하지만 래쉬조정기 헤드의 중심부분은 구멍의 형태로 존재한다는 점이 밸브 헤드와의 경우와는 차이를 보인다. 그러므로, 타원 피팅을 위한 2D 입력 데이터는 내부 윤곽선을 이용하였다. Fig.
본 연구를 위하여 설계된 Fig. 2의 레이저 비전 기반 3D 스캐닝 시스템은 2개의 주요 모듈로 구성되어 있다. 즉, 레이저 비전 센서 부분과 2단 VVL 모듈을 수평으로 이동시키기 위한 고정밀 선형운동 모듈이다.
5는 최대강도검색 알고리즘을 수행한 후의 레이저 프로파일을 나타내고 있다. 본 연구에서 사용된 레이저 비전 센서는 해상도가 1600 x 1200 픽셀이며, 카메라의 FOV(field of view)는 40 x 30mm²인 GigE 카메라를 사용하였다. 그러므로, 실제 해상도는 약 0.

이론/모형

본 연구에서 사용된 레이저 비전 센서는 해상도가 1600 x 1200 픽셀이며, 카메라의 FOV(field of view)는 40 x 30mm²인 GigE 카메라를 사용하였다. 그러므로, 실제 해상도는 약 0.025 mm/pixel이지만, 3차원 점군집 데이터의 정확도를 증가시키기 위해 서브픽셀추정(sub-pixel estimation) 방법⁽¹⁶⁾을 레이저프로파일 추출 과정에 추가적으로 적용하였다.
각각의 스캐닝 단계에서 카메라는 스캔되는 밸브 모듈의 표면과 교차하는 레이저 띠 영상을 받게 된다. 레이저 비전 삼각 측량법에 기반하여, 획득된 레이저 띠의 영상은 3차원 점군집 데이터에 대한 x 및 y좌표를 추출하는데 사용된다. 점군집 데이터의 z좌표는 직선 운동 모듈의 제어기로부터 얻어진다.
밸브 헤드의 형상을 기반으로 하여 2D 영상에서 밸브 헤드의 중심을 검출할 수 있도록 타원 피팅 알고리즘을 적용하였다. 타원 피팅을 적용하기 전에 분할된 밸브 헤드 이미지의 윤곽선을 추출하고, 추출된 데이터는 타원 피팅을 위한 2D 입력데이터로 사용되었다.
타원 피팅을 적용하기 전에 분할된 밸브 헤드 이미지의 윤곽선을 추출하고, 추출된 데이터는 타원 피팅을 위한 2D 입력데이터로 사용되었다. 본 논문에서는 타원 피팅의 도구로 널리 사용되고 있는 평균제곱피팅 방법⁽²¹⁾을 사용하였다. 이 방법은 2D 데이터 포인트 세트 P = {x_i}ⁿ_i=1, x_i(x_i,y_i)에서 곡선의 집합 C(a), 그리고 점 x로부터 곡선 C(a)까지의 거리를 나타내는 δ(C(a),x)값이 주어질 때, 식 (3)과 같이 오차함수 E²(a)가 전역최솟값(global minimum)을 달성하도록 a의 값을 구하는 방법이다.
본 연구에서는 3차원 점군집 데이터를 매우 정확하게 획득하면서도 동시에 계산시간을 줄일 수 있도록 최대강도검색 알고리즘(maximum intensity searching algorithm)을 적용하였다. 최대강도검색 알고리즘에서는 먼저, 레이저 띠 영상의 내부에서 각 픽셀의 빛 강도가 계산된다.

성능/효과

⁽¹⁾ 본 연구에서 다루고 있는 가변 밸브는 2단 가변밸브 리프트(VVL)이다.⁽²⁾ 입구 및 출구 밸브의 동작은 2단 VVL 모듈의 성능에 상당한 영향을 미친다. Fig.
실험 결과, 밸브의 상대위치값과 래쉬의 상태위치 값의 편차가 각각 0.025mm, 0.021mm 범위로, 이는 관련 산업체에서 요구하고 있는 허용범위인 0.04mm (±0.02mm) 수준을 만족하였다.
측정시스템의 측정오차를 감소시키기 위해서는 적용된 알고리즘의 성능이 커다란 영향을 미치게 마련이다. 실험을 통하여 제안한 중심검출 알고리즘이 높은 정밀도를 달성하고 있음을 보여주었다.

후속연구

02mm) 수준을 만족하였다. 향후 구조물의 진동을 최소화 할 수 있도록 본 검사장비에 방진 시스템을 더하고, 좀 더 높은 정밀도를 갖는 카메라를 사용한다면 검사시스템의 측정성능은 한층 더 높아질 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저 비전 센서가 영상 위치 값을 산출하는 과정은 무엇인가?	(6~12) 레이저 비전 센서는 한 개의 레이저 프로젝터와 한 개 이상의 카메라를 사용하는 대표적인 액티브 3D 이미지 센서의 한종류이다. 레이저 프로젝터는 계측하고자 하는 물체의 표면에 폭이 좁은 빔을 주사하게 된다. 그리고, 물체로부터 반사된 빔들은 카메라의 영상평면에 맺히게 된다. 이때 물체의 표면상의 특정 위치 값은 영상평면에 대응하는 영상 위치 값을 이용하여 간단한 기하학을 거쳐서 산출하게 된다. 레이저 카메라 센서의 가장 큰 장점은 높은 정확성을 보장해 주며, 조명 조건과 표면 질감 효과 등에 상대적으로 안정하다는 점이다.
	최근 자동차 엔진의 밸브는 어떻게 설계하는가?	최근 자동차 엔진의 밸브는 가변구조로 설계하는 것이 일반적이다. 엔진에서 가변 밸브 구동을 사용하면 연비와 배기 가스뿐만 아니라, 엔진의 출력을 향상시킬 수 있기 때문이다.
	엔진에서 가변 밸브 구동을 사용 시 장점은 무엇인가?	최근 자동차 엔진의 밸브는 가변구조로 설계하는 것이 일반적이다. 엔진에서 가변 밸브 구동을 사용하면 연비와 배기 가스뿐만 아니라, 엔진의 출력을 향상시킬 수 있기 때문이다.(1) 본 연구에서 다루고 있는 가변 밸브는 2단 가변밸브 리프트(VVL)이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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