KR100803657B1 - 접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한자동측정장치 - Google Patents

접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한자동측정장치 Download PDF

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학교법인 울산공업학원
임재춘
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Abstract

본 발명은 홀 중심과 산업용 로봇(robot)의 매니퓰레이터(manipulator)에 부착된 홀변위 자동측정 장치의 기구부의 원뿔 부분이 일치할 수 있도록 산업용 로봇의 매니퓰레이터의 위치를 지시한 후, 측정 대상인 홀 중심으로부터 변위가 발생할 경우, 지정된 위치와 홀 중심 사이의 변위에 따라 원뿔과 홀 사이에 발생하는 접촉력에 따라 홀변위 자동측정 장치의 기구부가 변위를 발생시키고, 이렇게 발생된 홀변위를 접촉식 변위센서를 이용하여 측정하기 위한 자동측정장치를 제공하는 것이다. 접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 자동측정 장치는 산업용 로봇의 매니퓰레이터 및 기구부를 포함하되, 상기 기구부는 산업용 로봇의 매니풀레이터에 상기 기구부를 결합하기 위한 다수개의 매니퓰레이터 접합판를 구비하는 상부 플레이트와, 다수개의 변위 센서를 구비하며 상부 플레이트에 x축 방향으로 이동가능하게 결합되는 중앙 플레이트와, 다수개의 변위 센서를 구비하며 중앙 플레이트에 y축 방향으로 이동가능하게 결합되는 하부 플레이트와, 하부 플레이트의 하부에 설치되는 원뿔형 홀변위 측정지그를 포함한다.
LVDT, 원뿔형 홀변위 측정지그, 홀변위 자동측정장치

Description

접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 자동측정장치 {APPARATUS FOR AUTOMATICALLY MEASURING HALL DISPLACEMENT BY USING CONTCT TYPE DISPLACEMENT SENSOR}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 산업용 로봇의 매니퓰레이터에 부착되어 홀변위(hall displacement)를 측정하기 위한 자동측정 장치를 설명하기 위한 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 도 1에 도시된 중앙 플레이트의 저면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 도 1에 도시된 하부 플레이트와 중간 플레이트의 결합 상태를 설명하기 위한 투시평면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 충격 방지용 슬라이드 가이드홀을 구비하는 도 1에 도시된 산업용 로봇의 매니퓰레이터 접합판을 설명하기 위한 상부 플레이트의 평면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 다양하게 설계된 원뿔형 홀변위 측정지그들을 설명하기 위한 단면도들을 도시한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 홀변위(hall displacement)를 측정하기 위한 자동측정 장치를 이용하여 측정된 홀변위를 측정하 기 위한 실험 구성도를 개략적으로 설명하기 위한 도면을 도시한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 홀변위(hall displacement)를 측정하기 위한 자동측정 장치를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 실험방법에 관한 플로우 차트(flow chart)를 도시한다.
도 8은 도 7에서 측정하기 위한 물체에 형성된 홀의 비젼 영상을 설명하기 위한 사진을 도시한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 홀변위를 측정하기 위한 자동측정 장치를 이용하여 홀의 중심 위치를 반복하여 측정한 실험 결과를 나타내는 그래프들을 도시한다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
100 : 홀변위 자동측정장치 110 : 상부 플레이트
111-114 : 매니풀레이터 접합판 120 : 중앙 플레이트
130 : 하부 플레이트 140 : 원뿔형 홀변위 측정지그
본 발명은 변위 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 산업 현장에서 제작되는 많은 제작품의 제작 정도를 파악하여 단순히 합격제품을 판단하는 것 뿐 만 아니라 제작품의 품질관리 및 품질향상을 시키기 위하여 접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 자동측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 변위센서란 물체가 이동한 거리 또는 위치 변화를 아날로그 값으로 취할 수 있는 센서를 말하며, 크게 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있는데, 접촉식에는 자동 트랜스, 전자유도식, 자기식 또는 광학식 스케일 등이 있으며, 비접촉식에는 와전류식, 광학식 또는 초음파식 등이 있다.
하지만, 이러한 변위센서들은, 예를 들어, 접촉식의 경우에는 측정거리가 짧은 장점을 갖으나 응답속도가 느린 단점이 있고, 광학식의 경우에는 응답속도는 빠르지만 색에 따른 많은 영향을 받는 단점을 갖고 있다.
따라서, 최근에는 이러한 단점을 극복하기 위하여 자기를 전기로 변환하는 소자(element)로서 자기적 원리를 이용한 자기센서(magnetic sensor)가 활발하게 연구되고 있는데, 이러한 소자에는 간단한 검색코일(search coil)에서부터 SQID(super conducting quantum inteference device에 이르기까지 다양하다.
종래의 이러한 자기센서는 일반적으로 비접촉 검지가 가능하며, 긴 수명으로 높은 신뢰성을 제공하고, 에너지 보존이 가능하며, 습도등으로 인하여 영향을 받지 않으며 비교적 값이 싸다는 등의 많은 장점을 가지고 있다. 따라서, 자기센서는 이러한 장점을 기반으로 변위, 압력, 액위, 하중, 진동측정 등과 같은 분야에서 실용화되고 있다. 이러한 자기센서 중에 자기적 소자(magnetic element) 변환방식을 사용하는 변위측정 센서는 적용되는 대상, 즉 피 측장체의 형태 등에 따라 구조 및 설계 방법이 달라지는데, 기계적 변위가 1차측 코일과 2차측 코일 사이에서 발생하는 자속의 변화, 즉, 상호 인덕턴스를 변화시키는 트랜듀서(transducer)로서 이러한 형태에 속하는 트랜듀서를 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)라고 부른다.
이러한 LVDT는 전자기 차폐와 계측 대상의 구조적 형태에 적절히 적용함에 따라 환경 변화에 대한 영향을 적게 받으면서 특성이 우수한 트랜듀서로 사용이 가능하고, 이러한 형태의 트랜듀서는 변위측정을 기본으로 하고 있어 산업분야, 대학 및 연구실 등에서 대단히 폭 넓게 사용되고 연구되고 있다.
한편, 산업 현장에서 제작되는 많은 제작품의 제작 정도를 파악하여 단순히 합격제품을 판단하는 것 뿐 만 아니라 제작품의 품질관리 및 품질향상을 위하여 측정이 필요하다. 이러한 측정을 위하여 여러 가지 특징점을 이용하여 제작품의 제작 정도를 파악하고 있는데, 만약 제작품 내부에 홀(Hole)을 가지고 있다면, 특징점으로서 홀(Hole)의 위치를 파악하는 것이 매우 효율적이다.
이러한 결과, 제작품의 특징점으로서 홀의 위치를 파악하기 위하여 비젼(vision)과 같은 시각센서를 통하여 홀 위치 측정에 대한 다양한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
하지만, 이러한 종래의 비젼 또는 레이저 비젼 융합 센서 등에 의한 홀의 위치점 측정은 비접촉 측정의 장점을 가지고 있는 반면, 차광상태에 따라 측정값들의 변화가 심하고, 또 측정하고자 하는 대상의 색깔에 따라 홀의 유무 판단이 어려운 경우(도 8을 참조)가 발생하는 등의 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 주목적은 홀 중심과 산업용 로봇의 매니퓰레이터에 부착된 홀변위 자동측정 장치의 기구부의 원뿔 부분이 일치할 수 있도록 산업용 로봇의 매니퓰레이터의 위치를 지시한 후, 측정 대상인 홀 중심으로부터 변위가 발생할 경우, 지정된 위치와 홀 중심 사이의 변위에 따라 원뿔과 홀 사이에 발생하는 접촉력에 따라 홀변위 자동측정 장치의 기구부가 변위를 발생시키고, 이렇게 발생된 홀변위를 접촉식 변위센서를 이용하여 측정하기 위한 자동측정장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 산업용 로봇의 매니퓰레이터 및 기구부를 포함하되, 기구부가 산업용 로봇의 매니퓰레이터에 상기 기구부를 결합하기 위한 다수개의 매니퓰레이터 접합판를 구비하는 상부 플레이트와, 다수개의 변위 센서를 구비하며 상부 플레이트에 x축 방향으로 이동가능하게 결합되는 중앙 플레이트와, 다수개의 변위 센서를 구비하며 중앙 플레이트에 y축 방향으로 이동가능하게 결합되는 하부 플레이트와, 하부 플레이트의 하부에 설치되는 원뿔형 홀변위 측정지그를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 자동측정 장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.
도 1 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 산업용 로봇의 매니퓰레이터에 부착되어 홀변위(hall displacement)를 측정하기 위한 자동측정 장치를 설명하기 위한 다양한 도면을 도시한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 산업용 로봇의 매니퓰레이터에 부착되어 홀변위(hall displacement)를 측정하기 위한 자동측정 장치를 설명하기 위한 단면도를 도시한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 홀변위 자동측정 장치는 LM 가이드 형식의 슬라이딩 조인트를 구성해, 상부 플레이트(110)에 대하여 중앙 플레이트(120)가 x축을 따라서 이동이 가능하고, 중앙 플레이트(120)에 대하여 하부 플레이트(130)이 y축을 따라서 이동이 가능하도록 설계되었다.
또한, 하부 플레이트(130)에 원뿔형 홀변위 측정지그(140)을 설치하고, LDVT(Linear Variable Differential Transformer) 센서를 x축의 경우에는 중앙 플레이트(120)에 결합시키고, y축의 경우에는 하부 플레이트(130)에 결합시켜 홀변위 자동측정 장치의 기구부(100)을 구성한다.
이렇게 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 홀변위 자동측정 장치의 기구부(100)를 산업용 로봇(robot)의 매니퓰레이터에 장착하여 지정된 홀 중심점으로 진입시킴으로써, 측정하고자 하는 홀과 원뿔형 홀변위 측정지그(140)의 원뿔사이에서 발생하는 접촉력으로 홀변위 자동측정 장치의 기구부(100)가 x축 및 y축 방향으로 변위를 일으키게 됨으로써, 테스트 홀의 중심으로부터의 변위를 측정할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산업용 로봇의 매니퓰레이터에 장착되는 홀변위 자동측정 장치의 기구부(100)의 전체 모습을 나타내는 것으로써, 전술한 바에 의하여 파악할 수 있으며, 산업용 로봇의 매니퓰레이터와 측정대상 사이에 발생하는 홀 평면에 수직하는 오차(산업용 로봇 교시점과 측정하고자 하는 대상물의 홀 사이의 오차)를 매니퓰레이터 부착부에 슬라이딩 가이드(118)를 부착하고, 중력과 스프링(116)의 반발력을 이용하여 해결하였다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 도 1에 도시된 상부 플레이트(110)와 결합되는 중앙 플레이트(120)를 나타내는 평면도를 도시한다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 도 1에 도시된 상부플레이트(110)와 결합되는 중앙 플레이트(120)와 하부 플레이트(130)의 결합 상태를 설명하기 위한 평면도를 도시한다. 참조부호 116a, 116b, 116c 및 116d는 적절한 완충효과를 위하여 설치된 4개의 스프링을 나타낸다.
도 2 및 도 3에 도시된 바에 따르면, 상부 플레이트(110), 중앙 플레이트(120)와 하부 플레이트(130)의 결합 및 LVDT 센서 프로브(170a, 170b)의 설치 부분을 파악할 수 있다.
상부 플레이트(110)와 중앙 플레이트(120)은 로울러 조인트(160a)를 통하여 이루어지고, x축방향으로 슬라이딩 조인트(150a)가 구성되어, 중앙 플레이트(120)에 부착된 LVDT 센서프로브(170a)는 x축 방향으로 설치되게 되고 상부 플레이트(110)에 대한 중앙 플레이트(120)의 x축 방향으로의 변위를 측정할 수 있게 된다.
하부 플레이트(130)와 중앙 플레이트(120)의 결합은 로울러 조인트(160b)를 통하여 이루어지고 y축 방향으로 슬라이딩 조인트(150b)를 구성한다. 따라서, 하부 플레이트(130)에 부착된 LVDT 센서 프로브(170b)는 y축 방향으로 설치되게 되고 중앙 플레이트(120)에 대한 하부 플레이트(130)의 y축 방향으로의 변위를 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 로울러 조인트(160a, 160b)를 통한 상부 플레이트(110), 중앙 플레이트(120) 및 하부 플레이트(130)의 결합은 조립 공차를 만들기 위하여 편심 너트(180)를 사용하였다.
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도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 충격 방지용 슬라이드 가이드홀을 구비하는 도 1에 도시된 매니퓰레이터 접합판을 설명하기 위한 평면도를 도시한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 홀변위 자동측정 장치의 기구부(100)와 산업용 로봇의 매니퓰레이터를 결합시키기 위한 다수의 매니퓰레이터 접합판(111-114) 및 충격 방지 및 산업용 로봇의 매니퓰레이터의 수직오차를 보상하기 위하여 슬라이딩 가이드(118; 일종의 Prismatic 조인트)를 구성하였다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 다양하게 설계된 원뿔형 홀변위 측정지그들을 설명하기 위한 단면도들을 도시한다. 일반적으로, 표시 각도(θ1, θ2, θ3)가 클수록 더 큰 접촉력을 발생시키지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 홀의 깊이(d1, d2, d3) 및 폭(w1, w2, w3)을 고려하여 표시각도를 조절하였다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 홀변위(hall displacement)를 측정하기 위한 자동측정 장치를 이용하여 측정된 홀변위를 측정하기 위한 실험 구성도를 개략적으로 설명하기 위한 도면을 도시한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 자동측정 시스템은 접촉식 변위센서를 장착한 산업용 로봇의 매니퓰레이터(200), 접촉식 변위센서를 장착한 산업용 로봇의 매니퓰레이터(200)를 제어하기 위한 산업용 로봇의 매니퓰레이터 범용제어기(210), 피 측정물(240), 접촉식 변위센서에 의하여 측정된 LVDT 값을 표시하기 위한 LVDT 표시기(220) 및 데이터 획득용 퍼스널 컴퓨터(230)를 포함한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 홀변위(hall displacement)를 측정하기 위한 자동측정 장치를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 실험방법에 관한 플로우 차트(flow chart)를 도시한다.
먼저, 홀 중심과 산업용 로봇의 매니퓰레이터에 부착된 홀변위 자동측정 장치의 기구부(100)의 원뿔형 홀변위 측정지그(140)의 원뿔 부분이 일치하도록 산업용 로봇의 매니퓰레이터를 교시한다(S100). 그리고 나서, 측정을 시작한다(S110). 산업용 로봇의 매니퓰레이터를 교시한 바에 따라 이동시킨다(S120).
다음 단계로, 산업용 로봇의 매니퓰레이터가 목적물의 위치에 도달하였는지를 판단하여(S130) 만약 목적물의 위치에 도달하지 않았다면 다시 단계 S120으로 되돌아가 산업용 로봇의 매니퓰레이터를 이동시킨다. 반면, 산업용 로봇의 매니퓰레이터가 목적물의 위치에 도달하였다면 산업용 로봇의 매니퓰레이터 제어기(현재는 MMC제어기)로부터 신호를 출력한다(S150).
그리고 나서, LVDT 표시기(220)를 동작하고(S150), 모든 데이터를 수신하였는지를 판단한다(S160). 만약, 모든 데이터(S160)를 수신하지 않았다면 다시 단계 S150으로 돌아간다. 그러나, 모든 데이터를 수신하였다면 올바른 데이터를 선택한다(S170).
이어서, 홀 위치를 판단(S180)함으로써, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 자동으로 측정하기 위한 방법을 완료하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 홀 중심과 산업용 로봇의 매니퓰레이터(200)에 부착된 홀변위 자동측정 장치의 기구부(100)의 원뿔형 홀변위 측정지그(140)의 원뿔 부분이 일치하도록 산업용 로봇의 매니퓰레이터를 교시한 후, 측정 대상인 홀 중심의 변위가 발생할 시, 교시점과 홀 중심 사이의 변위에 따라 원뿔과 훌 사이에 발생하는 접촉력에 따라 홀변위 자동측정 장치의 기구부(100)가 변위를 발생시키고, 그 발생된 변위를 LVDT 센서를 이용하여 측정하는 홀접촉식 측정기구부와, 측정된 정보를 RS232 시리얼(serial) 통신을 통하여 데이터 획득용 퍼스널 컴퓨터(230)에 저장하고 관리하는 홀위치 측정 자동시스템이 제공된다.
도 8은 도 7에서 측정하기 위한 물체에 형성된 홀의 비젼 영상을 설명하기 위한 사진을 도시한다. 이와같은 영상의 홀 중심인식은 본 발명품에 비하여 조명상태에 따라 중심값의 오차의 너무 커 비교할 수 없는 실험결과를 얻었다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제작된 홀변위를 측정하기 위한 자동측정 장치를 이용하여 홀의 중심 위치를 반복하여 측정한 실험 결과를 나타내는 그래프들을 도시한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 접촉식 변위센서를 이용한 자동측정장치를 이용하여 도 8에 도시된 홀의 홀변위를 100번 측정하였을 때의 측정 결과를 제시한 것이다. 측정 결과에 의하면, 본 발명은 0.01 mm 정도의 정밀도를 보장함을 알 수 있다.
산업용 로봇의 매니퓰레이터의 반복 정밀도를 전체 동작영역에서 0.05mm정도 만을 보장함에도 불구하고, 본 발명품의 반복 실험 결과 현재 실험에서 지정된 산업용 로봇의 매니퓰레이터 측정위치에서는 측정 정밀도를 0.01mm를 보장하고, 측정기구부를 산업용 로봇의 매니퓰레이터에 부착하지 않고, 고정한 후, 측정대상이 접근하는 방식을 사용한다면 0.002mm까지 보장이 됨을 알 수 있다.
본 발명을 본 명세서 내에서 몇몇 바람직한 실시예에 따라 기술하였으나, 당업자라면 첨부한 특허 청구 범위에서 개시된 본 발명의 진정한 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 많은 변형 및 향상이 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 제작품의 내부에 홀(hole)을 가지고 있다면, 특징점으로서 홀의 위치를 측정함으로써, 제품의 불량 유무의 판별 뿐만 아니라, 제작품 전체의 제품 정도를 파악할 수 있어, 제품의 품질 관리에 매우 유용한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 특히 비젼과 같은 시각 센서로 측정이 어려운 대상에 대해서도 측정 정밀도를 0.01 mm까지 보장할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (3)

  1. 산업용 로봇의 매니퓰레이터 및 기구부를 포함하되,
    상기 기구부는,
    상기 산업용 로봇의 매니퓰레이터에 상기 기구부를 결합하기 위한 다수개의 매니퓰레이터 접합판를 구비하는 상부 플레이트;
    다수개의 변위 센서를 구비하며 상기 상부 플레이트에 x축 방향으로 이동가능하게 결합되는 중앙 플레이트;
    다수개의 변위 센서를 구비하며 상기 중앙 플레이트에 y축 방향으로 이동가능하게 결합되는 하부 플레이트; 및
    상기 하부 플레이트의 하부에 설치되는 원뿔형 홀변위 측정지그;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 자동측정장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 상부 플레이트, 상기 중앙 플레이트 및 상기 하부 플레이트가 로울러 조인트를 통해 이동 가능하게 결합되며, 상기 로울러 조인트는 결합 공차를 만들기 위한 편심너트에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 자동측정장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 중앙 플레이트 및 상기 하부 플레이트에 구비되는 다수개의 변위 센서는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 센서인 것을 특징으로 하는 접촉식 변위센서를 이용하여 홀변위를 측정하기 위한 자동측정장치.
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