[논문]ODN제조 공정 정밀도 향상을 위한 진직도 측정시스템 개발

김응수

doi:10.6117/kmeps.2019.26.1.0017

초록
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본 논문에서는 공작기계 등에서 필요로 하는 진직도 측정시스템을 가시광의 레이저와 CMOS 이미지센서를 사용하여 저가로 구현하였다. CMOS 이미지센서를 이용하여 광이미지를 검출하고 영상처리를 통해 진직도 변화를 계산하였다. 레이저와 이미지센서의 거리를 3m로 하여 실험한 진직도 측정에서 오차가 0.9%로 우수함을 확인하였으며, 제작된 진직도 시스템은 3D 프린터 등 다른 응용분야에서도 사용 할 수 있을 것으로 생각된다.

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In this paper, a high precision straightness measurement system has been developed at low cost using a visible laser and CMOS image sensor. CMOS image sensor detected optical image and the variation of straightness was calculated by image processing. We have observed that the error of the developed ...

In this paper, a high precision straightness measurement system has been developed at low cost using a visible laser and CMOS image sensor. CMOS image sensor detected optical image and the variation of straightness was calculated by image processing. We have observed that the error of the developed straightness measurement system was 0.9% when a distance of 3m between laser and image sensor. And it can be applied to 3D printer and any other areas.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. 실험 개략도.
그림 Fig. 2. 초기 광 이미지와 이동된 광 이미지의 중심 위치 변화 측정.
그림 Fig. 3. 진직도 측정위한 송신부.
그림 Fig. 4. 이미지센서에 입사된 레이저 광 검출 결과. (a) 원본 영상, (b) 광강도 검출 후 영상, (c) 에지 검출 결과 영상, (d) 레이저 광의 빔경과 중심좌표 추출 영상.
그림 Fig. 6. 진직도 측정 알고리즘.
그림 Fig. 5. (a) 레이저 이동 전의 이미지센서에 입사된 광영상 (b) 레이저 이동 후의 이미지센서에 입사된 광영상.
표 Table 1. 레이저 이동변위에 대한 진직도 측정 결과.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 기존의 고가 장비를 대체할 수 있는 저가의 센서시스템을 개발하기 위해 레이저와 이미지센서를 사용하여 공작기계, 3D 프린터에서 필요로 하는 진직도 센서를 개발하였다.

가설 설정

이 원본 이미지에서 에지를 검출하기 위해서 이미지센서의 각 픽셀에서 광 강도를 검출한다. 이미지센서에 입사되는 광의 광도는 빔 중심에서 가장 강하고 가장자리로 갈수록 광 강도가 약하게 분포한다. 그러므로 가장자리의 약한 광은 무시하고 일정 값 이상되는 광 강도만을 검출하여 처리하면 Fig.
그래서 제조공장에서 많이 요구되고 있지만, 진직도 센서가 장착된 공작기계는 거의 없는 상태이다. 진직도를 측정하기 위한 방법으로는 접촉식과 비접촉식이 있다. 접촉식의 방법으로는 수준기를 이용하는 방법과 전자식을 이용하는 방법이 있으며, 접촉식 센서는 측정면과 접촉되어야 하기 때문에 측정표면에 손상을 줄 수도 있고, 노이즈 발생 가능성이 높은 단점이 있다.

제안 방법

개발된 센서시스템의 진직도 변화를 측정하기 위해서 xyz 스테이지 위에 고정된 레이저를 미세하게 움직여 가면서 측정하였다. xyz 스테이지의 마이크로 게이지로 광원을 움직이면 반대편에 있는 이미지센서에 입사되는 광의 위치가 변하게 된다.
또한 이를 정밀하게 측정하는 센서장비는 대부분이 광학적 간섭현상을 이용한 장비로 고가인 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 저가로 쉽게 진직도를 측정할 수 있는 센서를 개발하기 위해 레이저와 이미지센서를 사용하였다. 진직도 측정시스템 제작을 위해 사용된 광원은 He-Ne laser (파장 632.
7″이다. 진직도를 측정하기 위해 광원과 수광소자의 위치가 중요하므로, 본 논문에서는 광원과 수광소자를 반대편에 설치를 하여 레이저 광이 수광소자에 직접 입사되도록 하였다. 만약 송신부인 광원과 수신부인 수광소자가 같은 방향에 있다면 송신부에서 나온 광을 수신부로 보내기 위해 반사경을 송신기 반대편에 설치하여야 하므로 설치도 까다롭고 광정렬이 어려울 수 있는 단점이 있기 때문이다.
최근에 IoT와 4차 산업의 영향으로 많은 주목을 받고 있으며, 시장규모가 더 커질 것으로 예상되는 3D프린터나 대형공작기계의 성능을 향상시키기 위해 필요한 진직도 측정시스템을 레이저와 CMOS 이미지센서를 이용하여 개발하였다.

대상 데이터

이미지센서에서 수집된 데이터는 LabVIEW를 이용하여 영상을 처리하였다. IMAQ에서 이미지센서의 신호를 수집하여 LabVIEW의 비전모듈을 이용하여 영상데이터를 수집한다. 수집된 영상데이터에서 적색 광의 신호를 검출한다.
이미지센서에서 수집된 데이터는 LabVIEW를 이용하여 영상을 처리하였다. IMAQ에서 이미지센서의 신호를 수집하여 LabVIEW의 비전모듈을 이용하여 영상데이터를 수집한다.
요즘 많은 주목을 받고 있는 3D 프린터 및 대형 공작기계의 제작 정밀도 향상을 위해서는 제작공정의 에러를 줄이는 것이 필요하며, 이를 위해 여러 종류의 센서가 요구되고 있다. 하지만 현재 공작기계에서 중요한 요소이지만 적용이 많이 되어 있지 않은 진직도센서를 개발하기 위해 가시영역의 레이저와 CMOS 이미지 센서를 사용하였다.

성능/효과

9% 오차를 나타내었다. 레이저와 이미지 센서사이 거리를 3m보다 작게 하여 실험한 결과도 비슷하였고, 레이저 변위를 1000 µm 보다 작은 수십 µm로 한 경우는 오차가 조금 크게 되었고, 1000 µm 보다 크게 이동하게 되면 오차는 더 작게 측정되어, 본 연구에서 개발한 진직도 측정시스템은 기존의 공작기계 등과 같은 장비에 쉽게 설치하여 사용할 수 있으며, 3D 프리터에도 적용가능 할 것으로 생각한다.
LabVIEW의 비전모듈을 이용하여 이미지센서에 입사된 레이저 광의 영상을 획득하여 에지검출법으로 레이저 광 영상의 중심을 계산하여 공정장비가 이동하면서 변화되는 진직도 변화를 측정할 수 있다. 본 연구에서 개발한 진직도 측정시스템의 오차는 레이저와 이미지센서 간격이 3m이고 레이저 변위가 3000 µm 발생 했을 때 0.9%로 측정되어 장비의 진직도 평가에 사용 될 수 있음을 확인하였다. 이렇게 개발된 진직도 측정시스템은 기존의 레이저 간섭계를 이용한 진직도 측정시스템보다 저가로 쉽게 구성 할 수 있으며, 기존 공정 장비에 쉽게 설치하여 사용 할 수 있는 장점이 있다.
9%로 측정되어 장비의 진직도 평가에 사용 될 수 있음을 확인하였다. 이렇게 개발된 진직도 측정시스템은 기존의 레이저 간섭계를 이용한 진직도 측정시스템보다 저가로 쉽게 구성 할 수 있으며, 기존 공정 장비에 쉽게 설치하여 사용 할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 기술을 이용하면 편평도 측정 등 다른 응용분야에도 적용 할 수 있을 것으로 생각한다.
따라서 본 논문에서는 저가로 쉽게 진직도를 측정할 수 있는 센서를 개발하기 위해 레이저와 이미지센서를 사용하였다. 진직도 측정시스템 제작을 위해 사용된 광원은 He-Ne laser (파장 632.8 nm)의 가시광영역의 광을 이용하므로 육안으로도 쉽게 관찰 할 수 있다. 광을 인식하기 위한 수광소자로는 200만화소의 CMOS 이미지 센서를 사용하였으며, 수광소자의 크기는 1/2.
Table 1은 레이저와 CMOS 이미지센서를 정렬시키고, 레이저와 이미지센서 사이 거리는 3m로 하여 xyz 스테이지를 이용하여 레이저를 한 방향으로만 1000 µm,2000 µm, 3000 µm로 이동시키면서 이미지센서를 이용하여 진직도 변화를 5회 측정한 결과를 보여주고 있다. 측정한 결과에서부터 알 수 있듯이, 본 논문에서 개발한 진직도 측정시스템의 오차는 1000 µm 이동시 최대 2.8%의 오차를 보였으며, 2000 µm 이동에 대해서도 최대 1.4%의 오차를 보였으며, 3000 µm 이동시 최대 0.9% 오차를 나타내었다. 레이저와 이미지 센서사이 거리를 3m보다 작게 하여 실험한 결과도 비슷하였고, 레이저 변위를 1000 µm 보다 작은 수십 µm로 한 경우는 오차가 조금 크게 되었고, 1000 µm 보다 크게 이동하게 되면 오차는 더 작게 측정되어, 본 연구에서 개발한 진직도 측정시스템은 기존의 공작기계 등과 같은 장비에 쉽게 설치하여 사용할 수 있으며, 3D 프리터에도 적용가능 할 것으로 생각한다.

후속연구

이렇게 개발된 진직도 측정시스템은 기존의 레이저 간섭계를 이용한 진직도 측정시스템보다 저가로 쉽게 구성 할 수 있으며, 기존 공정 장비에 쉽게 설치하여 사용 할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 기술을 이용하면 편평도 측정 등 다른 응용분야에도 적용 할 수 있을 것으로 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제조공장 등 산업계에서 많이 사용되고 있는 센서에는 어떤 것이 있는가?	제조공장 등 산업계에서 많이 사용되고 있는 센서는 온도센서, 압력센서, 가속도센서, 변위센서 등이다.13, 14) 이들 센서를 구현하기 위해서는 전자를 이용하는 방법과 광을 이용하는 방법으로 나눌 수 있다.
	진직도를 측정하기 위한 방법을 센서와 측정면과의 접촉유무에 따라 구분하시오.	그래서 제조공장에서 많이 요구되고 있지만, 진직도 센서가 장착된 공작기계는 거의 없는 상태이다. 진직도를 측정하기 위한 방법으로는 접촉식과 비접촉식이 있다. 접촉식의 방법으로는 수준기를 이용하는 방법과 전자식을 이용하는 방법이 있으며, 접촉식 센서는 측정면과 접촉되어야 하기 때문에 측정표면에 손상을 줄 수도 있고, 노이즈 발생 가능성이 높은 단점이 있다.
	산업계에서 많이 사용되고 있는 온도센서, 압력센서, 가속도센서, 변위센서 등을 구현하기 위한 방법은 이용 소자에 따라 어떻게 구분할 수 있는가?	제조공장 등 산업계에서 많이 사용되고 있는 센서는 온도센서, 압력센서, 가속도센서, 변위센서 등이다.13, 14) 이들 센서를 구현하기 위해서는 전자를 이용하는 방법과 광을 이용하는 방법으로 나눌 수 있다. 광은 전자파의 일종이므로 전자를 이용하는 것 보다 광을 이용하면 여러 가지 장점이 있다.

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