An Evaluation on the Accuracy of a 3D Scanning Device Using Spherical Coordinate Mechanisms

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구면좌표계식 기구를 이용한 3D 스캐닝 장치의 정밀도 평가

An Evaluation on the Accuracy of a 3D Scanning Device Using Spherical Coordinate Mechanisms

Hee-young Maeng^a*, Sangwook Park^a

a

Mechanical Design and Automation, Seoul National University of Science and Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul 139-743, Korea

ARTICLE INFO ABSTRACT

Article history: To improve the efficiency of a reverse engineering process, many researches have recently tried to develop efficient, automatic 3D scanning devices. A new automatic 3D scanning device using a spherical coordinate system mechanism is introduced in this study. This device incorporates a guide motion along the spherical coordinate to compound each 3D data point automatically. The experiments correlating the system assembling tolerance with the form accuracy were conducted to verify the efficiency of the system for the scanning of an object, including complex shapes and manifold sections. In addition, the required time and system accuracy, taken during the scanning process of complicated artifact models, were investigated. Further, based on these empirical results, it was ascertained that the superior productivity of this new device offers a more precise and efficient scan when compared to conventional methodologies.

Received 20 January 2015 Revised 4 February 2015 Accepted 6 February 2015

Keywords:

3D scanning system White structured light Spherical coordinates system Point cloud data

System accuracy

* Corresponding author. Tel.: +82-2-970-6363 Fax: +82-2-974-8270

E-mail address: [email protected] (Heeyoung Maeng).

1. 서 론

최근 CT 산업과 3차원 프린터 관련 기술들이 급속도로 발달함 에 따라 3차원 형상의 디지털화를 위한 수요도 급격히 증가하고 있다. 이러한 디지털 정보를 구축하는 데에는 일반적으로 사용의 편리성과 효율성 측면에서 광학식 비접촉 3차원 스캐너가 가장 널 리 사용되고 있다

.

일반적으로 광 기반의 3차원 스캐너를 사용할 때에는 기본 촬영 에서 시작하여 영역별 데이터의 수집, 정렬, 합성 및 후처리 과정 등을 진행하면서 여러 단계의 번거로운 작업을 거치게 된다. 그 때 문에 실제로 스캐닝 데이터에 기반한 3D 모델을 완성하는 데에는

상당한 작업시간을 필요로 할 뿐만 아니라 형상 정밀도도 저하되기 마련이다. 특히 여러 방향에서 촬영 수집한 형상을 모아 합성하거 나 스캐닝 오류로 생긴 공백을 후처리하여 메꾸는 작업들은 작업자 의 감각에 의존하여 뷰(view) 이미지를 통해 근사적으로 처리하기 때문에 가시적인 수준의 정밀도 밖에는 도달하기 어렵고 작업자의 숙련도에 따라 상이하여 일관성 있는 모델을 완성하기도 어려운 점이 있다

.

이러한 제반 문제점을 해결하기 위해서 본 연구는 구면좌표계식 안내 기구를 도입하여 이를 적극 활용하는 자동 스캐닝 장치를 개

발하였다

. 위도각와 경도각의 일정 구간마다 데이터를 자동으

로 수집하도록 하였고, 각각의 이들 데이터를 통합 좌표계로 변환

(a) Axis of 3D scanning mechanism

(b) Dimension and detail of elements

Fig. 1 Axis and dimension of 3D scanning mechanism

Table 1 Used 3D scanner specification (Unit: mm) Model name TU-240 Measure distance 360 Light Source LED white light Measure time (sec.) 9~36 Measure area 240 × 180 Point interval Min 0.12

Fig. 2 Process diagram of control system and post-software 및 합성하는 소프트웨어도 개발하고 적용함으로써 전체 3D 형상

정보를 정밀하게 자동으로 구축할 수 있는 시스템을 완성하고자 하였다.

그리고 본 연구에서는 개발된 3D 스캐닝 시스템에서 구현할 수 있는 종합적인 형상 정밀도를 검토하기 위해 조립 공차와 각 기구에 대한 운동 정밀도와의 상관관계를 분석하였으며, 원 추형 표준편(conical standard)의 실 형상과 스캔한 데이터와 의 비교 실험을 통해 오차의 발생 요인과 안내 기구의 보정 방 안에 대한 신뢰성을 평가하고자 하였다. 아울러 형상이 복잡한 대표적인 모델들을 대상물로 설정하여 후처리용 소프트웨어 (Rapidform

) 의 형상 정밀도 평가 기능을 이용하여 정밀도가 떨어지기 쉬운 부위들에 대한 정밀도 한계치를 분석하였으며,

이를 통해 개발된 시스템의 우수성과 그 효율성을 검증하고자 하였다.

2. 구면좌표계 3D 스캐닝 기구의 설계 및 제작

본 연구에서 개발한 3D 스캐닝 기구는 Fig. 1과 같이 NC 로터 리 테이블(오차정밀도 5''”(≒25 μm/m))과 인덱스 테이블(index table) 을 각각 x-y평면, y-z평면상의 2개의 회전축으로 구성하 였고, 스캐너의 초점거리를 맞추기 위해 선형 구동기(linear actuator) 를 외팔보축에 설치하여 피측정물의 크기에 따라 구동할 수 있도록 설계하였다. 이때 3D 스캐너는 LED백색광 광원을 사용 하는 (주)태산솔루젼스사의 Tscan TU-240를 사용하였다(사양은 Table 1 과 같으며 분해능은 0.003 mm).

한편 제어시스템은 Fig. 2와 같이 마이크로컨트롤러를 통해 동 시 제어하면서 실시간으로 각 축의 각도 데이터를 동시에 읽어 들 이면서 순차적으로 스캐닝을 반복하여 각 위치에 있어서의 부분적 인 3D 형상정보를 수집하게 되고, 이들은 스캐너의 구면좌표(r, θ, Φ)에 대한 동차좌표계의 회전변환 행렬을 이용하여 통합좌표계로 변환되도록 하였다. 설계 및 제작되어 완선된 스캐닝 시스템은 Fig.

3 에서 보이는 바와 같다.

그리고 이들 시스템을 자동으로 구동하기 위해서 개발된 소프트

웨어의 메인 플랫폼은 Fig. 4(a)와 같으며, 이들의 각 기능은 Table

2 에서 볼 수 있는 바와 같이 각각의 구동축 자유도에 대한 파라미

터 설정 창, 구동 시의 실시간 위치에 대한 상태 창, 자동 운전을

Fig. 3 Configuration of manufactured system assembly

(a) Main platform

(b) Merge of individual scanned data set

Fig. 4 Main platform setting and merge of scanned data set

Table 2 Used 3D scanner specification (Unit: mm)

Part Description

A NC rotary table control panel B Linear actuator control panel

C Turn table control panel

D Display section of linear actuator E Display section of NC rotary table F Display section of turn table

G Receiving panel for current position data Fig. 5 Alignment of 2 axis of rotation and scanner focus 위한 제어 조작 창 등으로 구성하였다. 아울러 각각의 위치에서 스 캐닝 한 개별 데이터 셑은 동차좌표계의 회전변환 행렬에 의해 통 합좌표계로 변환된 다음 통합된 모델로 중첩 및 합성하여 이들 데 이터를 근사시키고 정합 정렬하여 최종의 실물 모형을 완성하도록 하였다. 그리고 이는 Fig 4(b)에서의 예와 같이 3D 뷰로 표현되는 디스플레이 창을 통하여 확인 및 보정을 할 수 있도록 대화형 UI 기능도 포함시켜 개발하였다.

3. 정밀도 평가 실험 장치 및 방법

본 연구의 구면좌표계식 스캐닝 기구의 정밀도는 구조물의 정 적 강성 및 운동 정밀도와 조립시의 얼라인먼트(alignment) 정밀 도, 그리고 개별 스캐닝 데이터의 합성 정밀도 등 크게 3가지의 요인으로 취급할 수 있다. 이들 정밀도를 평가하기 위한 평가 실 험으로 우선 정적 강성 및 운동 정밀도를 평가하는 데에는 ANSYS 해석 툴로 각 위치에 대해 유한요소해석 결과를 이용하 였다.

조립시의 얼라인먼트 정밀도를 평가하는 실험에 있어서는 먼저 각 요소 부품들에 대한 직진도, 진원도, 직각도, 평행도, 진직도, 동축도 등을 0.001 mm급 다이얼게이지를 이용하여 측정하였다.

그리고 이에 의해 복합적으로 나타나는 종합 정밀도는 Fig. 5와

같이 측정대 인덱스 테이블의 중심축과 스캐너 구동 로터리 테이블

의 중심축, 그리고 스캐너 장치의 시스템 중심축이 잘 일치하는 가

를 통해 측정하는 것으로 하였다. 이를 측정하는 방법에 있어서는

Fig. 6(a) 와 (b)와 같이 여러 방향에서 본 원추형 표준편(conical

standard) 의 형상 오차를 측정하여 평가하는 것으로 하였고, 이에

따라 Fig. 6(c)와 같은 보정 유니트를 활용하여 조정을 반복함과

동시에 원추형 표준편을 반복 측정하면서 목표 기준치인 ±0.01

(a) Measurement of aliment set-up

(b) Target point of conical standard

(c) Adjustable joint for the alignment of arm Fig. 6 Calibration view of system alignment

(a) Vertical

(b) Horizontal

Fig. 7 Result of FEM analysis for the scanner arm

Table 3 Result of the finite element analysis on defletions

Edge of arm Amount of Deflection[µm]

Vertical position Horizontal position

Enhanced design 53.8 242.22

Final design 48.6 227.75

Edge of scanner Amount of Deflection[µm]

Vertical position Horizontal position

Enhanced design 34 135

Final design 20.9 114.2

mm 의 범위 내에 들어올 수 있도록 하였다.

또한 개별 스캐닝 데이터의 합성 정밀도를 평가하는 실험은 컵 모양(표면의 복잡한 조각 포함)의 표본을 3D 스캐너로 3회 반복 측 정하여 측점 군을 추출해 낸 다음, (주)아이너스기술의 Rapidform XOR 소프트웨어를 이용하여 sorting하고 평균화하여 평가하였다.

이때 정리된 STL파일은 3D 스캐닝 데이터의 형상 정밀도로 표현 하였으며, 이들 오차는 그 최대값과 최소값과의 편차로 표현하여 비교 평가할 수 있도록 하였다.

4. 실험결과 및 고찰

4.1 정적 강성 및 운동 정밀도

외팔보 형태의 스캐너 암에 대해 수직 위치와 수평 위치에 대해 ANSYS 해석을 실시한 결과는 Fig. 7과 같이 나타났으며, 암의 끝단과 스캐너의 끝단에 있어서의 처짐양은 Table 3과 같이 수직

의 위치에 있을 때보다는 수평의 위치에 있을 때 스캐너 끝단에 있어서의 처짐량이 많음을 알 수 있다. 여기서 초기의 처짐량을 보 상하기 위하여 구조물에 대한 약간의 설계 개선을 도모하였고, 그 효과로 약간의 처짐양을 줄일 수 있었으나, 수평의 위치에 있을 때 는 그 값도 클 뿐만 아니라 잘 개선되지 않는 특징을 보이고 있다.

다행히도 이들 처짐양은 스캐너의 측정 방향과는 수직의 방향으로 일어나기 때문에 스캐너의 측정값에는 큰 영향을 미치지 않고 있으 며, 단지 2개의 회전축 중심이 만나는 포인트와 어긋나게 만드는 요인임을 알 수 있었다.

4.2 조립시 얼라인먼트 정밀도

원뿔형 표준편의 측정 실험 결과를 통해 보정을 충분히 실시

한 이후의 정렬된 형상 데이터의 결과는 Fig. 8과 같이 나타났

Fig. 8 Result of alignment error evalution test

Table 4 The measurement of tilt error of cantilever arm

Upward (mm) Tilt error

(degree)

Trial Max. Min. Sum.

1 0.12 -0.021 0.099 0.0095

2 0.127 -0.024 0.103 0.0098

3 0.127 -0.03 0.097 0.0093

4 0.144 -0.035 0.109 0.0104

5 0.134 -0.047 0.087 0.0083

Trial Downward Tilt error

1 0.156 -0.059 0.097 0.0093

2 0.147 -0.051 0.096 0.0092

3 0.158 -0.055 0.103 0.0098

4 0.139 -0.04 0.099 0.0095

5 0.161 -0.059 0.102 0.0097

Average 0.0992 0.0095

(a) Simulation of form accuracy

(b) Distribution histogram of error

Fig. 9 Result of form accuracy evaluation at test points 다. 기준형상의 원통 부근의 표면에 물결무늬 형상이 생성되었

는데, 이는 스캐너의 측정 영역의 한계 각도를 벗어나 생긴 노이 즈로 인한 것으로 판단된다. 한편 이들을 사용하여 원추형 표준 편 기준 형상을 반복 측정하면서 최종적으로 정렬된 기구에 대 하여 5곳의 위치에 대해서 틸팅 오차를 측정한 결과는 Table 4 에서 보는 바와 같다. 스캐닝 암이 올라가는 경우와 내려가는 방향이 큰 차이없이 일관성 있는 오차가 발생됨을 알 수 있었으 며, 최대 0.095 mm로 0.01 mm 이내라는 기본 사양을 만족시 킬 수 있었다.

4.3 개별 스캐닝 데이터의 합성 정밀도 분석

구면좌표계 기구를 사용하여 획득한 데이터는 전용 소프트웨 어로 정렬 및 합성된 후 Rapid-form의 후처리 과정과 3D systems 社의 Geomagic

Verify

기능을 이용하여 비교/분석 하였는데, 먼저 대칭형의 주석잔을 비교 실험 대상으로 한 결과는 Fig. 9(a) 및 9(b)와 같다. 여기서 실험에 사용된 주석잔 모델은

다양한 양간 무늬가 새겨져 있어 복잡한 양각무늬 부근의 임의의 점들을 비교를 통해 합성정밀도를 평가 하고자 하였는바, 양각 형상 부근 10개의 임의의 점을 선택하여 비교한 결과 평균 -0.03368 mm 라는 결과를 얻을 수 있었다. 이는 다양한 환경변수 와 스캐너 자체의 성능에 따라 민감한 부분임에도 안정적인 결과 를 보였다.

그리고 이들 10개의 테스트 점에 대한 형상 정밀도를 비교한 결 과는 Table 5와 같이 0.016~0.499 사이의 편차를 보이고 있다.

여기서 히스토그램을 통한 분포도를 보면, 약 75%의 점군 데이터

가 오차 평균치 주변에 집중적으로 분포 되어 있는 것을 확인할

수 있었는데, 형상의 끝단(edge) 윤곽과 일부 노이즈에 의한 오차

에 의해 발생한 현상이라 사료된다. 그러나 수치값 편차의 전반적

인 추세를 고려할 때, 그래프 중심은 형상 데이터의 중심축과 일치

하고 있어서 정렬에 의한 오차는 합성 정밀도에 크게 영향을 미치

지 않는다는 사실을 검토할 수 있었다.

Table 5 Numerical comparison of form accuracy at test points

Name Nominal Pos. Scan Pos.

Gap Difference

X Y Z X Y Z

CMP1: 1 -30 30 22.411 -30.0359 29.9902 22.4442 0.0499

CMP1: 2 25 55 21.4207 25.2622 55.0034 21.6296 -0.0352

CMP1: 3 20 15 19.8412 19.9745 15.0231 19.8139 -0.0440

CMP1: 4 5 -20 11.3937 4.9932 -20.0017 11.3807 -0.0147

CMP1: 5 -15 10 18.6064 -15.0281 9.9995 18.6449 0.0476

CMP1: 6 -20 -50 13.7169 -19.9643 -50.0253 13.6877 -0.0525

CMP1: 7 20 -60 20.2949 20.0137 -59.9918 20.3108 0.0226

CMP1: 8 10 40 35.3646 9.9906 40.0003 35.3509 -0.0166

CMP1: 9 -5 -5 12.114 -4.9918 -5 12.0824 -0.0326

CMP1: 10 30 30 20.3836 30.0161 30.0043 20.4184 0.0387

5. 결 론

이상과 같이 본 연구에서는 구면좌표계식 자동 스캐닝 장치를 개발하여, 이 장치가 실용적으로 사용될 수 있는 수준에서 소요의 정밀도를 충족하고 있는지 검토하였다. 조립 공차와 각각의 요소 기구에 대한 운동 정밀도와의 상관 관계를 분석함으로써 오차의 발생 요인을 직․간접적으로 탐색할 수 있었고, 이들 오차를 제거할 수 있는 보정 방안도 제시할 수 있었다. 그리고 원추형 표준편의 측정 이미지를 통한 안내 기구의 중심축 맞추기 기법을 적용함으로 써 측정 기구의 여러 스캐닝 위치에서 발생할 수 있는 오차를 최소 화하도록 보정할 수 있었다.

또한 개별 스캐닝 데이터의 합성 정밀도를 평가하기 위하여 컵 모양의 표본을 3D 스캐너로 측정하여 표면의 형상 정밀도를 평가 하였다. 여기서 샘플링한 측점 군의 형상 정밀도를 비교 및 분석함 으로써 부드러운 곡면의 경우에는 0.01 mm 이내의 정밀도, 복잡 한 조각 곡면의 경우에는 약 0.05 mm 이내의 정밀도 수준으로 만족함을 알 수 있었다.

따라서 여기서 개발된 구면좌표계식 스캐닝 장치는 형상이 복잡 하고 표면도 불규칙하여 측정이 까다로운 피사체를 적어도 0.05 mm 이내의 정밀도로 짧은 시간에 효율적으로 스캐닝하는 데에 활 용될 수 있을 것으로 사료된다.

후 기

이 연구는 서울과학기술대학교 교내 일반과제 연구비 지원으로 수행되었습니다. 그리고 본 연구의 소재로 일부 안전행정부 국가기 록원의 “2014년 기록보존기술 연구개발 사업”의 결과물을 응용 하여 수행되었으며 이에 감사드립니다.

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