KR100994742B1

KR100994742B1 - 3차원 측정기의 이동 경로에 대한 충돌 검출 및 경과점 생성 방법

Info

Publication number: KR100994742B1
Application number: KR1020100041648A
Authority: KR
Inventors: 이상규
Original assignee: 주식회사 덕인
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2010-05-04
Publication date: 2010-11-16

Abstract

본 발명은 3차원 측정기(CMM)에서 충돌 검출 알고리즘을 복합적으로 활용하여 높은 정밀도를 유지하면서 계산시간을 최소화할 수 있는 3차원 측정기의 이동 경로에 대한 충돌 검출 및 경과점 생성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법은, 측정센서의 형상정보와 피측정물의 캐드 데이터를 로딩받아 측정센서의 이동경로를 산출하는 제1단계; 측정센서의 이동을 포함하는 명령이면, 충돌체크옵션을 확인하여 충돌을 체크하는 제2단계; 충돌이 검출되면, 경과점 옵션을 확인하여 경과점을 생성하는 제3단계; 경과점 옵션이 없거나 경과점 생성에 실패하면 이진 탐색으로 충돌점을 탐색하는 제4단계; 및 충돌체크 옵션이 없으면 바로 이동하고, 경과점이 생성되면 경과점 기록 후 이동하며, 충돌점이 탐색되면 충돌점 이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 측정기의 이동 경로에 대한 충돌 검출 및 경과점 생성 방법{The method of collision detection and passpoint generation for moving path in 3 dimensional coordinate measuring machine}

본 발명은 3차원 측정기(CMM)에서 측정 소프트웨어를 이용하여 3차원 측정 작업을 수행할 때 충돌을 방지하기 위한 충돌 검출 및 경과점 생성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 충돌 검출 알고리즘을 복합적으로 활용하여 높은 정밀도를 유지하면서 계산시간을 최소화할 수 있는 3차원 측정기의 이동 경로에 대한 충돌 검출 및 경과점 생성 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 3차원 측정기(Coordinate Measuring Machine, CMM)는 물체의 표면 위치를 검출하는 기능을 가진 센서(프로브)가 3차원 공간을 이동하면서 측정점의 좌표를 검출하고 컴퓨터를 통해 그 데이터를 처리함으로써 크기나 위치, 방향 등을 측정하는 만능 측정기이다.

통상 3차원 측정기(CMM)는 접촉식 측정센서와, 측정센서를 3차원(X,Y,Z축)으로 이동시키는 본체와, 본체를 제어하는 컨트롤러, 및 컨트롤러와 통신하여 측정을 처리하는 컴퓨터(PC)로 구성되는데, 컴퓨터(PC)에는 측정 프로그램이 탑재되어 있다. 측정 부위를 측정하기 위한 측정 프로그램은 다량의 이동 경로 및 측정 경로로 구성되어 있다.

그런데 측정 프로그램에 의해 부적합한 경로가 생성될 경우에는 제품과 프로브 간의 충돌이나 프로브와 프로브 간의 충돌 등이 발생되어 프로브 및 장비를 훼손시켜 고장을 일으키게 되고, 이에 따라 작업이 중단되고 수리 및 부품 교체에 따른 비용이 증가함과 아울러 사고 위험으로 인해 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 부적합한 경로에서 발생되는 충돌을 검출하기 위한 다양한 알고리즘들이 알려져 있다. 예컨대, 분석적 방법(Analytical Method)의 충돌 검출 알고리즘은 캐드 모델의 수학적 표현식과 프로브의 이동 경로에 대한 바운딩 볼륨(Bounding Volume)에 대한 해석적 모델링을 통하여 두 수식 간의 교점이 존재하는지 여부에 대한 수학적 해석을 통하여 충돌을 검출한다. 이러한 방법은 정밀도가 높다는 장점이 있으나, 계산 시간이 매우 느리고 해의 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.

또한 수학적 방법(Mathematical Method)의 충돌 검출 알고리즘은 캐드 모델이나 측정 대상물의 형상 및 프로브의 이동 경로를 간단한 형태의 근사식으로 표현하여 충돌 여부를 검출하는 방법으로, 관심 영역에 대한 모델링을 통하여 단순한 체크만을 수행한다. 측정 영역 전체에 대한 충돌 방지는 불가능하지만 특징 형상이나 요소에 대한 충돌 검출 또는 충돌을 방지할 수 있는 측정 경로의 생성에 활용된다.

이산방법(Discrete Method)의 충돌 검출 알고리즘은 Voxel, Z Map, Octree 등의 이산 구조를 이용하여 제품의 체적을 단순화하여 맵핑하고, 프로브의 이동 경로와의 공간적 비교 및 해석을 통하여 충돌 발생 여부를 감지한다. 계산시간이 매우 빠르다는 장점이 있으나, 정밀도가 떨어진다는 단점이 있고, 이산모델(Discrete Model)의 생성에 많은 시간이 소요된다.

그리고 면 기반 방법(Facet Based Method)의 충돌 검출 알고리즘은 캐드 모델을 화면상에서 시각적으로 표현하기 위해서 곡면을 수많은 삼각형(facet)으로 근사화하여 이미지로 나타내는 방법을 활용한다. 이와 같은 삼각망은 수학적으로 간단하게 표현 가능하며 충돌을 검출하기 위한 계산이 매우 용이하므로 충돌 체크를 위하여 널리 이용된다.

3차원 측정기에서 충돌을 검출하기 위한 다양한 알고리즘이 연구/개발되어 왔으나 각 알고리즘마다 장단점이 있으며, 그 결과를 산업적으로 활용함에 있어서는 충돌을 검출하고 위치를 탐색하여 화면에 표시하는 수준에 머물러 있다.

본 발명의 목적은 충돌 검출 알고리즘을 복합적으로 활용하여 높은 정밀도를 유지하면서 계산시간을 최소화할 수 있고, 충돌이 발생할 경우 유효한 경과점을 자동으로 생성할 수 있도록 하여 작업자의 개입 없이 안전한 이동 경로를 생성하여 프로그램을 자동으로 수정 및 생성할 수 있는 3차원 측정기의 이동 경로에 대한 충돌 검출 및 경과점 생성 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 측정센서의 형상정보와 피측정물의 캐드 데이터를 로딩받아 측정센서의 이동경로를 산출하는 제1단계; 측정센서의 이동을 포함하는 명령이면, 충돌체크옵션을 확인하여 충돌을 체크하는 제2단계; 충돌이 검출되면, 경과점 옵션을 확인하여 경과점을 생성하는 제3단계; 경과점 옵션이 없거나 경과점 생성에 실패하면 이진 탐색으로 충돌점을 탐색하는 제4단계; 및 충돌체크 옵션이 없으면 바로 이동하고, 경과점이 생성되면 경과점 기록 후 이동하며, 충돌점이 탐색되면 충돌점 이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 충돌을 체크하는 제2단계는 프로브의 및 각 축에 대해서 스위프 엔빌로프와 바운딩 파라메터를 이용하여 바운딩 볼륨을 계산하는 단계와, 스위프 엔빌로프와 캐드모델과의 충돌여부를 계산하는 단계로 이루어지고,

상기 경과점을 생성하는 제3단계는 기준 절단면을 산출하는 단계; 기준 절단면과의 인터섹션면을 검출하는 단계; 인터섹션면의 실루엣 커브만을 필터링하고, 소정 량 오프셋 처리한 후 컨벡스 필터링하여 회피경로를 생성하는 단계; 바운딩 패스를 생성하고 모서리점을 경과점으로 지정하는 단계; 회피경로 중에서 가장 짧은 이동경로를 최적 회피경로로 선택하는 단계; 및 안전을 위해 측정센서에 여유두께를 적용하는 단계로 구성된다.

종래의 충돌 검출 방법은 대부분 프로브(센서)부에 대한 충돌 검출만을 고려하고 있는데 반하여 본 발명의 방법은 측정기의 베드, X, Y, Z 축 구조물, 프로브 부와 제품의 캐드 모델을 모두 고려하고 있기 때문에 그 정확도가 높고 산업 활용성이 뛰어나며 측정기와 측정기 간의 간섭/충돌을 검출할 수 있다.

또한 종래의 방법은 오프라인(offline) 상에서 측정 프로그램의 이동 경로의 검증에 주로 활용된 반면에, 본 발명의 방법은 오프라인(offline) 상에서의 활용은 물론이고 온라인(online) 상에서 장비의 구동 위치를 실시간으로 추적함으로써 프로브의 회전이나 장비 조작 중에 충돌이 발생할 위험이 있을 경우 실시간으로 작동을 중단함으로써 예기치 못한 사고의 위험성을 크게 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 전형적인 3차원 측정기의 개략도,
도 2는 본 발명에 따라 3차원 측정기에서 이동경로에 대한 충돌을 검출하고 경과점을 생성하는 절차를 도시한 순서도,
도 3은 도 2에 도시된 충돌 체크 절차를 도시한 상세 순서도,
도 4는 도 2에 도시된 경과점 생성 절차를 도시한 상세 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 Sweep Envelope 생성을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 기본 회피 알고리즘을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 확장 회피 알고리즘을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 절단면을 설명하기 위한 예,
도 9는 본 발명에 따른 인터섹션을 설명하기 위한 예,
도 10은 본 발명에 따른 컨벡스 필터링을 설명하기 위한 예,
도 11은 본 발명에 따른 필터링을 설명하기 위한 예,
도 12는 본 발명에 따른 오프셋 처리를 설명하기 위한 예,
도 13은 본 발명에 따른 바운딩 경로를 설명하기 위한 예,
도 14는 본 발명에 따른 경과점 생성을 설명하기 위한 예,
도 15는 본 발명에 따라 안전을 확보하기 위해 측정센서에 여유 두께를 둔 예이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 전형적인 3차원 측정기의 개략도로서, 본 발명에 따른 3차원 측정기(100)는 작업대(130) 위에 놓여진 피측정물(200)에 접촉되어 피측정물(200)의 표면위치를 검출하는 측정센서(120)와, 측정센서(120)를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시키는 구동 메커니즘(110)과, 장비의 속도, 가속도, 위치 제어 등을 전자적으로 제어하는 컨트롤러(도시 생략함)와, 컨트롤러에 연결되는 컴퓨터(140)로 구성된다. 컴퓨터(140)에는 측정 프로그램이 탑재되어 있으며, 측정센서(120)는 확대도면에서와 같이 프로브(122)와 스타일러스(124), 및 볼(126)로 이루어진다.

도 1을 참조하면, 3차원 측정기(100)를 이용하여 여러 포인트 값을 측정하기에 앞서 3차원 측정기(100)의 원점 좌표(0, 0, 0) 위치와 피측정물(200)의 원점(0, 0, 0)을 일치시킨다. 그리고 측정하고자 하는 피측정물(200)에 대한 캐드 파일을 로딩한 후 도시되지 않은 마우스 등과 같은 입력수단을 이용하여 로딩된 그래픽 상에서 작업자가 측정하고자 하는 모든 면의 데이터 값을 입력한다.

이렇게 측정 포인트를 입력한 후 프로브(122)와 스타일러스(124) 및 볼(126)로 이루어진 측정센서(120)를 구동 메카니즘(110)에 의해 X축과 Y축 및 Z축 방향으로 이동시켜 가면서 볼(126)이 작업대(130) 위에 있는 피측정물(200)에 접촉되는 순간지점의 좌표값을 구해 표면 위치를 측정한다.

한편, 측정과정에서 고가인 측정센서(120)의 프로브(122)와 스타일러스 (124) 및 볼(126)이 파손되거나 외부환경에 간섭이 발생할 수 있으므로 측정센서(120)가 측정 포인트까지 이동하는 과정에서 충돌 여부를 실질적인 측정작업을 수행하기 이전에 오프라인이나 온라인으로 파악하여 측정센서(30)와 피측정물(200)의 안전성을 확보할 필요가 있다.

도 2는 본 발명에 따라 3차원 측정기에서 이동경로에 대한 충돌을 검출하고 경과점을 생성하는 절차를 도시한 순서도이다.

먼저, X축과 Y축 및 Z축 방향으로 이동하는 측정센서(120)의 동작상태에 대한 모델링을 보면, 작업자가 PC(140)에 로딩된 캐드 파일을 통해 측정하고자 하는 피측정물(200)의 측정 포인트들을 지정하게 되면, 그로부터 자동적으로 측정센서(120)의 이동경로가 생성된다. 이렇게 생성된 측정센서(120)의 이동경로는 측정센서(120)의 이동 시작점과 이동 끝점이 포함되어 있으므로 이 정보를 통해 PC(140)는 특정 시점에서의 측정센서(120)의 위치에 대한 정보를 정확히 예측할 수 있을 뿐만 아니라 측정센서(120)가 이동 중 어느 시점에 충돌하게 되는지를 수학적으로 계산할 수 있다. 또한, 곡면 및 곡선기반의 모델을 사용하는 경우에는 정확한 충돌 시뮬레이션을 위해서 측정센서(120)와 피측정물(200)을 구성하고 있는 곡면과 곡선을 기하학적인 수학식으로 정확하게 정의한 후 충돌모델을 수립한다.

그리고 측정센서(120)와 피측정물(200)과의 최초 충돌시점 및 충돌지점의 검출은 측정센서(120)의 이동정보와 측정센서(120) 객체의 기하학적 정보, 그리고 피측정물(200)의 기하학적 정보를 이용하여 산출한다.

도 2를 참조하면, 먼저 측정센서(120)와 피측정물(200)과의 충돌을 검출하기 전에 PC(140)는 측정센서(120)의 프로브와 스타일러스 및 볼의 직경, 길이 등에 대한 정보를 로딩하고, 충돌 검출을 위한 피측정물(200)의 캐드 파일을 로딩한 후 임의로 부여된 측정 포인트를 추출하고 측정 포인트들을 이동할 측정센서(120)의 이동경로를 생성한다.

이후 이동/측정/후퇴/프로브 회전 등의 이동 경로 명령에 대하여 기본적인 충돌 체크 및 경과점 생성 절차를 다음과 같이 진행한다. 이때 본 발명에서는 충돌 체크를 위하여 하이브리드 알고리즘(Hybrid Algorithm)을 이용한다.

측정센서의 이동경로를 산출한 후 산출된 이동경로에 대해 이동/측정/후퇴/프로브 회전 등과 같은 측정센서의 이동을 포함하는 명령이면, 충돌체크옵션을 확인한다(S1,S2).

충돌체크옵션이 없으면 바로 이동하고, 충돌체크옵션이 있으면 후술하는 바와 같이 충돌을 체크한다(S3,S11). 충돌이 검출되면 경과점 옵션을 확인하여 옵션이 있으면 후술하는 바와 같이 경과점을 생성한 후, 경과점 기록 후 이동한다(S4~S8). 경과점 옵션이 없거나 경과점 생성에 실패하면 충돌점을 탐색한다(S9,S10).

도 3은 도 2에 도시된 충돌 체크 절차를 도시한 상세 순서도이고, 도 5는 본 발명에 따른 스위프 엔빌로프(Sweep Envelope) 생성을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 종래의 이산 알고리즘(Discrete Algorithm)은 계산 시간이 오래 걸리고, 모서리부나 검출 간격이 클 경우 계산 정확도가 떨어지는 단점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 프로브 및 각 축에 대하여 바운딩 볼륨(Bounding Volume)을 스위프 엔빌로프(Sweep Envelope)와 바운딩 파라메터(Bounding Parameter)를 이용하여 계산함으로써 계산의 안정성을 개선하고 생성된 자동 경과점의 적합성을 판단하기에 적합하도록 한다. 컨벡스 헐 알고리즘(Convex Hull Algorithm)을 이용하여 프로브의 시작점과 끝점에 대하여 스위프 엔빌로프(Sweep Envelope)를 도 5와 같이 생성한다(S31).

그리고 캐드 모델과의 충돌 및 접촉점 생성 방법은 면 기반 방법(Facet Based Method)을 이용하되, 접촉점은 이진 탐색 알고리즘을 이용한다. 먼저 위에서 생성된 스위프 엔빌로프(Sweep Envelope)와 캐드 모델(CAD model)과의 충돌 여부를 계산한 후에, 만일 충돌이 발생할 경우에는 이진 탐색을 통하여 어느 위치에서 충돌이 발생하였는지 정확하게 계산할 수 있다(S32). 이때 계산된 충돌 위치는 면(Facet)에 기반하고 있으므로 그 위치로부터 다시 캐드 모델(CAD Model)에 대하여 최단점을 검출하면, 정확한 충돌 위치를 검출할 수 있다. 또한S32단계에서는 도 15와 같이 프로브에 대한 여유 두께를 적용할 수도 있다.

측정하고자 하는 이동 경로 상에서 충돌이 발생할 경우, 작업자의 별도의 조작 없이 자동으로 안전한 경과점을 생성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 방법을 이용한다.

도 4는 도 2에 도시된 경과점 생성 절차를 도시한 상세 순서도이고, 도 6 내지 도 15는 경과점 생성 절차를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 기본 회피 알고리즘은 도 6에 도시된 바와 같이 캐드 모델(CAD Model)의 중심으로부터 오프셋 바운딩 박스(Offset Bounding Box)를 생성하고, 프로브의 축 방향(0번), X, Y, Z축의 +-방향(1~6)으로 프로브를 무조건 후퇴시키는 것으로 기본 경과점을 생성할 수 있다. 이러한 방법은 계산이 쉽고 간편하며 안정적인 장점이 있으나 생성된 경로의 이송거리가 너무 길어지는 경향을 보이거나 해를 얻을 수 없는 경우가 발생한다는 단점이 있다.

한편, 확장 회피 알고리즘은 도 7에 도시된 방화 같이 캐드 모델의 최단구간에 해당하는 평면(Z축 기준 3방향, 프로브 기준 3방향)에 대해 도 8에 도시된 바와 같이 절단면을 얻고, 절단면에 투영되는 실루엣 커브(Silhouette curve)로부터 오프셋 경로(offset path)를 생성한다(S61).

또한 기준 절단면에 대하여 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 캐드 모델(CAD Model)과의 인터섹션(Intersection)된 절단면을 얻고, 이 중에서 프로브가 탈출/회피할 수 있는 방향에 대한 실루엣 커브(silhouette curve)만을 필터링(filtering)한다. 얻어진 단면 정보를 탈출 방향으로 작업자가 입력한 양만큼 오프셋 처리(offsetting)한 후, 컨벡스 필터링(convex filtering)하면 최단 회피 경로가 생성된다(S62~S65). 또한 S65단계에서는 경과점에 대한 여유두께를 적용할 수도 있다.

그러나 컨벡스티 알고리즘(convexity algorithm)을 통하여 얻는 커브(curve)의 경우 제어 포인트(control point)가 너무 많기 때문에, 프로그램의 수정에 적합한 특징점을 도 13과 같이 바운딩 패스(Bounding Path)를 생성하고, 모서리 점을 경과점으로 지정한다. 위의 방법을 통하여 여러 개의 유효한 회피 경로 후보군을 생성할 수 있으며, 이 중 가장 짧은 이동 경로를 제공하는 경로를 최적 회피 경로로 얻는다(S66,S67). 얻어진 최적 경과점의 예는 도 14와 같다.

그리고 프로그램 상의 프로브의 위치와 실제 장비 상의 프로브의 위치는 장비의 직각도, 스케일의 오차, 프로브의 형상 오차, 측정기의 이송 중 제어 오차 등의 요인으로 인하여 속도와 각도에 따라 약간의 편차를 갖게 된다. 본 발명의 시뮬레이션 중에 프로브와 캐드 모델(CAD model) 간의 접근 거리가 매우 짧은 경우, 기하학적으로는 충돌이 발생하지 않더라도 실제로는 충돌이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 S32 단계에서 도 15에 도시된 바와 같이 프로브의 형상에 대하여 여유 두께를 적용하고, S65 단계에서 경과점에 대한 여유 두께를 적용하면 장비의 이동 및 회전 중에 충분한 안전거리를 부여하여 작업의 안전성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

100: 3차원 측정기 110: 구동메커니즘
120: 측정센서 122: 프로브
124: 스타일러스 126: 볼
130: 작업대 140: 컴퓨터

Claims

측정센서의 형상정보와 피측정물의 캐드 데이터를 로딩받아 측정센서의 이동경로를 산출하는 제1단계;
측정센서의 이동을 포함하는 명령이면, 충돌체크옵션을 확인하여 충돌을 체크하는 제2단계;
충돌이 검출되면, 경과점 옵션을 확인하여 경과점을 생성하는 제3단계;
경과점 옵션이 없거나 경과점 생성에 실패하면 이진 탐색으로 충돌점을 탐색하는 제4단계; 및
충돌체크 옵션이 없으면 바로 이동하고, 경과점이 생성되면 경과점 기록 후 이동하는 단계를 포함하며,
상기 경과점을 생성하는 제3단계는
기준 절단면을 산출하는 단계;
기준 절단면과 캐드 모델(CAD Model)과의 인터섹션(Intersection)된 절단면을 검출하는 단계;
인터섹션된 절단면의 실루엣 커브만을 필터링하고, 얻어진 단면 정보를 탈출 방향으로 작업자가 입력한 양만큼 오프셋 처리한 후 컨벡스 필터링하여 회피경로를 생성하는 단계;
바운딩 패스를 생성하고 모서리점을 경과점으로 지정하는 단계;
회피경로 중에서 가장 짧은 이동경로를 최적 회피경로로 선택하는 단계; 및
안전을 위해 측정센서에 여유두께를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 측정기의 이동 경로에 대한 충돌 검출 및 경과점 생성 방법.
제1항에 있어서, 상기 충돌을 체크하는 제2단계는
프로브 및 각 축에 대해서 스위프 엔빌로프와 바운딩 파라메터를 이용하여 바운딩 볼륨을 계산하는 단계와,
스위프 엔빌로프와 캐드모델과의 충돌여부를 계산하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 측정기의 이동 경로에 대한 충돌 검출 및 경과점 생성 방법.
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