3차원 Scan Laser Vision 센서기반의 자동 Scan 검사 및 장착유도 응용

이들 Line Laser Vision 센서는 기본적으로 Line Laser 평면상에 형성된 대상물 단면 표면윤곽의 Point Cloud 이미지로부터 이들 형상(Feature) 좌표값을 추출해 내므로 이 Point Clould Data를 그대로 로봇 등 이송장치 좌표계와 결합하면 바로 3차원 Scan Vision System이 되는 것이다.

간혹 국산화했다는 Line Laser Vision을 보면 이런 이송장치와 결합해 정밀한 3차원 Point Cloud Data를 얻어 낼 엄밀한 좌표계가 없는 무늬만 Line Laser인 센서들도 자동차 생산현장에 등장했다 사라지기도 한다.

이에 반해, 이번에 소개할 신개념의 3차원 Helix Laser Scan Vision 센서와 Line Laser Vision 센서의 차이를 표 1에 나타냈다.
표 1에 그 차이를 요약한 바와 같이 비전 센서 내부에 기계적인 가동부가 없이 카메라에 대한 Laser 광소자의 정렬을 일정하게 유지하면서도 센서가 고정 또는 정지된 상태에서 Scan 방향과 Scan 간격(Data 밀도)을 다양하게 설정할 수 있다. 이 Scan 센서는 획기적인 소자기술을 채택해 자동차 생산현장 라인에서의 적용에 전혀 문제가 없도록 개발되었다.

또한 기존의 Line Laser 센서가 한 번의 측정명령에 단 하나의 Line Laser 광 평면과 만나는 측정대상물 단면상부윤곽의 표면 이미지 하나만 획득하여 Edge, Corner, Arc Center 등의 3차원 좌표값을 찾아내는 알고리즘을 작동시키지만, Helix Scan 센서는 정지위치에서 한번의 측정명령에 의해 측정시야 범위내의 측정대상물 모든 표면윤곽 형상을 미리 티칭된 방향과 간격으로 Scan 할 수 있다.

또한 로봇에 장착 결합한 Scan 적용에서도 앞서의 Line Laser 센서와는 달리 Scan 이미지 획득 시마다 로봇의 위치 및 방향의 6자유도 자세(POSE)값과 동기화하지 않아도 되기 때문에 이러한 POSE 동기화 기능 제공이 가능한 로봇 브랜드 기종에만 Scan 적용가능 했던 제약으로부터 자유로워지게 되었다.

기존의 Line Laser Vision 센서와 추가 조명의 결합으로 Scan 방식이 아닌 In-line 자동 검사장비(ACS, Auto Checking System)는 대개 측정 포인트 수량만큼 다수의 3D Laser Vision 센서를 고정 프레임에 장착해 쓰거나(MSS, Multi Sensor System) 로봇 Arm 끝에 장착 결합(RMS, Robot-mounted Measuring System)해 사용한다.

In-line 자동 검사장비(ACS, Auto Checking System)는 사진처럼 Laser 구조광에 의한 측정대상표면의 단 하나의 단면윤곽 Line 및 카메라 이미지를 획득해 3차원 Hole Center 좌표측정 보고까지 0.5~1초 내외로 순식간에 이뤄진다.

특히 다품종 생산대응에 적합한 RMS의 경우는 측정대상 Point간 이동에 2초 정도 추가 소요된다. 또한 Line Laser Vision 센서의 시야범위가 Laser 폭방향 40~80mm, 깊이(거리)방향으로 약 50~150mm 내외의 단 하나의 Laser 광 평면과 만나는 단면윤곽 이미지를 기반으로 하나의 측정명령에 단 한 개의 형상만을 측정한다.

따라서 자동차 생산라인에서 40초 내외로 주어지는 1 Cycle Time 동안에 로봇 1대에 장착된 3D Laser Vision Sensor로는 약 12개 정도의 Point 이상으로는 측정 보고가 어렵다. 

게다가 In-line 측정공정 공간상에서 RMS설치초기 Laser Tracker로 찾아낸 공정좌표계는 임시적으로만 사용되며, 측정에 개입된 JIG 제작오차와 측정오차, 그리고 로봇의 온도변화에 따른 팔길이 변화 등으로 인해 CAD와 동일한 절대공간 좌표계의 형성이 불가능하다. 이 오차를 최소화하기 위해 상대적으로 변화가 없는 참조 타겟점 등의 측정을 통하거나 동일 측정대상물의 CMM 측정값을 주기적으로 반영하여 측정 정확도(신뢰도)를 높이는 노력이 필요하게 된다.

In-line 3차원 장착로봇 유도에서의 Helix 응용
Roof, Door, Hood, Trunk Lid나 Tail Gate 등의 Closure Part들을 생산라인에서 장착하는 임무를 수행하는 장착공정로봇의 유도를 위해 해외 선진 자동차 회사들은 2가지 센서 방식을 적용하고 있다. 하나는 기존에 적용하던 MSS 방식과  또 하나는 최근에 그 적용이 증대되고 있는 것으로 센서의 수를 줄이면서 다 차종 대응이 가능한 Helix Scan 센서 적용 장착유도방식이다. 이 두 가지 센서 방식의 차이를 직관적으로 알 수 있게 그림 4에 나타냈다.

(주)이지로보틱스는 2001년 설립되어 다음해에 벤처기업으로 인증 받은 후 기업부설 연구소인 가상생산시스템연구소를 통해 자체 기술력으로 DMWorksⓇ를 개발했다.

DMWorksⓇ(Digital Manufacturing Works)는 대규모 디지털 공장의 생성 및 동작 시뮬레이션, 생산 라인의 공법 시뮬레이션, 로보틱스 시뮬레이션 및 OLP(Off-Line Programming) 등을 수행하는 통합 솔루션이다. DMWorksⓇ는 현재 현대기아 자동차의 전체 신차 프로젝트의 80%이상 활용되고 있고 한국 지엠을 비롯한 국내외 50여 공장의 주요 제조업체와 연구기관에서 약 200Copy가 사용되고 있다.