3D 스캐너

3D 스캐너(3D Scanner)는 사물이나 특정 제품 등을 3D 컴퓨터 그래픽으로 모델링하는 것이 아니라 스캐너를 활용하여 물체의 외곽선의 좌표값을 추출하여, 넙스 또는 폴리곤, 패치 형식으로 데이터를 얻을 때 사용하는 스캐너를 말한다. 컴퓨터에 3D모형을 재현하는 외곽선들을 만드는 물리적 모형의 표면을 따라 스캔하는 회전 플랫폼에 붙는 레이저 빔으로 쓰는 디지타이징 장비다. 카메라, 레이저 등의 소스를 사용해서 한 번 측정할 때 보이는 곳의 데이터를 한꺼번에 얻을 수 있는 것이 특징이다.

역사

최초의 3D 스캐닝 기술은 1960년 대에 만들어졌다. 초기의 3D 스캐너는 이 작업을 수행하기 위하여 조명, 카메라 및 프로젝터를 사용했다. 초기 기술의 한계로 물체를 정확하게 스캔하는 데 많은 시간과 노력이 소요되었다. 1985년 이후 그 장비들은 백색광과, 레이저 및 그림자를 사용하여 물체의 표면을 포착할 수 있는 스캐너로 교체되었다.

3D 스캐너 역사

구분	스케일	구동방식	정확도	컴퓨터	프로브	기타
1세대	다이얼게이지(Dial Gauge)	수동	0.1mm	무	기계식	레이아웃 머신개조
2세대	인덕토신(Inductosyn)	조이스틱	0.01mm	무	접촉 신호식	스케일 발달 정확도 향상
3세대	모아레무늬(Moire Fringe)	CNC	0.01mm	유	스캐닝	소프트웨어 발달
4세대	레이저간섭계(Laser Interferometer)	CNC	0.0001mm	유	비접촉식	프로브 교호나 오차정보 CAD데이터

원리

다양한 이미징 원리에 따라 3D 스캐닝에는 여러 가지 접근 방식이 있다. 일부 기술은 협대역 스캔에 이상적인 반면, 다른 기술은 중대역 또는 광대역 스캔에 더 적합하다. 만들어지는 순서는 다음과 같다.

• 물체의 스캐닝 이미지
• 정렬 및 정합 : 스캐닝된 이미지들은 각각 특정 부분의 데이터이기 때문에 하나의 좌표계로 합치는 작업이다.
• 머징(Merging) : 정렬된 여러 데이터 모음을 하나의 데이터로 합치는 작업이다.
• 3D 모델링 데이터 완성

종류

접촉식 3D 스캐너

탐촉자라 불리는 프루브(Probe)를 물체에 직접 닿게 해서 측정하는 방식이다.

좌표 측정 기계

일반적으로 'CMM(Coordinate-measuring machine)'이라 불리며, 대표적인 접촉식 3D 스캐너다. 1960 년대에 개발 된 고효율 3D 치수 정밀 계측기의 새로운 유형으로 고정밀 유연하고 우수한 디지털 기능을 갖추고 현대 디자인, 개발, 제조, 가공 및 제조 및 품질 보증의 중요한 수단이된다. 정반에 좌표를 맞춰 올려 놓은 제품을 한 번의 터치당 1개의 포인트의 x, y, z 좌표를 얻어낼 수 있다. 이 때 제품의 위치는 고정되어야 하고 3축이상의 축을 가진 머신 끝의 프로브가 움직여서 제품을 터치하게 된다.

구성요소

• 본체 : 서로 수직 방향으로 운동하는 세 축을 가진 기계부분으로, 각 축은 공기베어링 등에 자유롭게 이동할 수 있으며, 각 축에는 리니어 스케일과 같은 길이 측정 장치가 부착되어 있다.

본체 소재에 따른 특징

구분	장점	단점
화강암	경년변화가 적고 방진효과가 크다. 열팽창계수가 작다.	가공성이 나쁘고 열전도도가 적다. 습기 흡수에 의한 변형이 있고 측정속도에 제약이 크다.
주물강	가공성이 좋고 가격이 저렴하다. y축 가이드부와 일체형으로 제작하여 구조적으로 안적정이다.	녹발생이 쉽고 변형에 약하다.
알루미늄 합금	열전도가 좋고 가볍다. 빠른 측정이 요구되는 곳에 사용된다. 온도 환경 조건이 나쁜 현장에서 사용이 적합하다.	합금자체의 기계적 특성이 나쁘다.
세라믹	기계적 특성 및 열적이 특성이 우수하고 화강암에 비해 가공성이 좋다.	가격이 비싸지만 충격에 약하다.

• 컨트롤러 : 본체 및 부속장치 등에 전력을 공급하고 좌표값을 지시하는 등 컴퓨터와 몸체의 매개역할을 담당하고, 측정기의 안정성과 정확도 유지를 위한 측정 감시 장치이다. 정확한 위치제어를 위한 3차원측정기 구동부의 위치, 속도 및 가속도를 제어한다. 조이스틱이나 프로브에서 입력되는 각정 명령의 접수 및 반응 컴퓨터와 통신한다.

• 프로브 시스템: 공작물의 좌표를 검출하는 센서다.

프로브 종류

사진	이름	특징
	스캐닝 프로브 헤드.	높은 프로빙 정밀도로 많은 데이터를 연속적으로 취득 가능하다. 3D 곡선/곡면측정/원통도 측정등에 적합하다.
	자동 회전 프로브 헤드	대부분의 좌표 측정 기계에서 사용한다. 확장성이 탁월하고 최대 300mm까지 프로브 연장이 가능하다.
	수동 회전 프로브 헤드	가격이 저렴하며 각도 회전이 가능해 기계 이동에 의한 프로브 자세 자동 변경 가능하다.
	터치 트리거 프로브	대부분의 기계에서 사용하며 빠른 측정속도와 다양한 모듈 및 스타일러스 적용가능하다.
	스캐닝 프로브	고밀도와 탁월한 호환성이 탁월하다. 짧은 시간에 많은 데이터를 연속적으로 취득가능하다.
	자동 교환 장치	다양한 프로브 그룹 운영 가능하여 프로브 재교정으로 인한 시간이 단축된다. 측정부위가 많고, 다양한 측정물 측정시 편리하다. 각 프로브헤드와 프로브에 따라 사용되는 장치가 다르다.

• 조이스틱 : 장비 구동 방향을 입력 받고, 이를 전자 제어 장치로 전송시킨다. 수치제어(CNC) 프로그램 작성을 위한 도구로도 사용된다. 일반적으로 x, y축을 이동 시킬 수 있는 1개의 조이스틱과 z축을 이동시킬 수 있는 1개의 조이스틱으로 구성된다.
• 컴퓨터 : 전자 제어 장치와 통신 및 제어 역할을 하며, 공작물의 수학적 정열을 하고 각종 측정요서에 대한 계산 및 출력한다. 측정 자동화, 공작기계 제어, 캐드(CAD)와 데이터 통신도 한다. 윈도우를 이용한 측정 항목 그래픽, 도움말을 제공한다.

구조에 따른 종류

<브릿지 형>

• 고정 브릿지 형 : 수직 방향으로 이동하는 z축 스핀들과 그 안내부가 양단을 2개의 칼럼에 지지해서, z축에 직교한 수평 방향의 빔 상에서 x방향으로 이동한다. 빔을 지지하고 있는 2개의 칼럼은 베드에 고정되어 있다. 측정 테이블은 z축 및 x축에 직교한 수평면 내의 레일 상을 y축 방향으로 이동한다. 이 구조는 브리지가 y축으로 이동하는 대신에 측정물이 설치된 측정 테이블이 이동하기 때문에 베어링의 강성을 항상 일정하게 유지할 수 있다. 따라서 칼럼형과 같은 높은 정확도를 유지할 수 있고 측정기의 크기에 비해 넓은 측정 범위를 갖고 있으며 기계적인 안정성을 유지할 수 있다. 측정물이 y축 방향으로 이동하기 때문에 수동식의 사용이 불가능하고, 측정물의 중량에 제한을 받는 단점이 있다. 브릿지 구조를 이동시킬 필요가 없기 때문에 빔을 충부한 강성을 가진 단면형상으로 할 수가 있으며, 기하학적으로 높은 정밀도를 얻을 수 있다.

• 이동 브릿지 형 : 이 구조는 가장 많이 사용되고 있는 일반적이 형태로 수직 방향으로 이동하는 z축 및 x축에 직교한 수평면 내의 레일상을 y축 방향으로 이동한다. 이 형식은 3차원 측정기 구조 형태 중에서 가장 일반적인 구조다. 빔 양단이 지지되어 있기 때문에 빔의 휨 현상이 적다. 브리지 구조를 측정기의 한쪽 방향으로 밀면 측정 테이블이 개방되어 측정물의 설치 및 해체가 용이하다. 또한 동일한 브리지 구조를 사용하고 전후 방향의 레일 길이를 변화시켜서 시리즈화 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 가동부의 질량이 크기 때문에 관성도 크고 메뉴얼식 측정에서는 조작성이 뒤떨어진다. 전후 방향이 측정범위가 큰 기종에서는 측정기의 측면에서의 조작이 늘어나고 칼럼이 조작상 방해가 되는 경우가 있다. 여기서 대형의 경우 각 축을 모터로 구동해서 결점을 해소하고 있다.

• 베드형 : 중,소형에 적합하고 이동형보다 높은 정밀도를 얻을 수 있다. y축 구동중심과 무게중심이 일치하여 안정적이고 이동부의 무게가 적어 수동형이다. y축 가이부의 변형에 대한 보상이 필요하고 측정물의 설치, 해체가 불편하다.

• L-형 브릿지형 : 중대형 측정기에 주로 사용되며 이동형의 관성완화 목적으로 제작되었다. 이동형의 단점을 보완한 형태로 안정적이며 일반적인 특징은 이동형과 비슷하다. 가이드부의 강도를 높이기 위해 중량의 증가로 정도 유지나 경년변화에 주의가 필요하다.

• 갠트리 형 : 가장 긴 축은 높은 정밀도의 치형 구동을 사용하여 다소 우수한 전달 강성을 보장한다. 나머지 2 축은 고성능 동기 벨트를 채택하여 측정 속도를 높이기 위해 오히려 빠른 동작 속도를 얻을뿐만 아니라 운동 가속을 향상시키기 위해 전동기의 관성을 최대한 줄인다. z축은 조정 가능한 공압 균형 장치를 채택하여 다른 프로브 시스템이 장착되어 있어도 설비의 균형을 조정할 수 있으므로 최상의 상태에 도달 할 수 있다. x축에 적용된 브리지 기술로 x축 및 z축에 저중량 알루미늄 합금을 사용한다. 자동차 및 우주항공의 대형 부품뿐만 아니라 중장비 운송과 통신, 그리고 위성 장비의 측정 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 제공한다. 공작물 상차가 용이하고 부품 운송 장치를 내장하고 있을 뿐만 아니라 측정 대상으로의 접근이 쉽고 최고 등급의 역동성 및 정밀도를 자랑한다.

<캔틸레버 형>

• 고정 테이블 캔틸레버 형 : 수직 방향으로 이동하는 z축 스핀들과 그 안내부가 z축에 직교한 수평 방향의 캔틸레버(외팔보)를 y축으로 이동한다. 이 캔틸레버는 z축 및 y축에 직교한 수평면 내의 레일 위를 x축 방향으로 이동한다. 측정기의 3면이 개방된 구조이기 때문에 측정물의 설치 및 해체가 쉽고, 큰 측정물의 경우 테이블보를 튀어 나와도 측정할 수 있는 장점이 있다. 그러나 캔틸레버가 전방으로 돌출되어 있기 때문에 측정물의 적재 및 해체시에 크레인의 이용은 위험하다. 이 형식은 전면이나 좌우에서 조작성은 양호하지만 뒷면에서의 조작성 및 작업은 극히 어렵다. y빔은 캔틸레버 때문에 양단 지지의 다른 모델에 비해서 자세 유지력이 약하고, 처짐이 일어나기 쉬운 구조다. 캔틸레버 때문에 보수, 유지가 어려워 이 형식의 사용은 줄어들고 있다.

• 이동 테이블 캔틸레버 형 : 고정도 3차원 측정기에 채용되고 있는 구조다. 테이블과 칼럼 등이 강성이 높아 변형이 거의 일어나지 않고 기하학적으로 높은 정밀도를 얻로록 설계되어 있다. 측저움ㄹ의 무게와 크기에 제한을 받는다.

<암 형>

• 수평 암형 : (초)대형 3차원 측정기에 사용하며 측정물에 측정기 자체는 비교적 소형으로 제작한다. 크기에 비해 가격이 저렴한 보급형으로 제작된다. 수평암의 휨으로 인한 측정정도에 영향을 미치기 때문에 고정도용로 부적합하다.

• 이동 테이블 수평 암형 : 수평암의 휨 발생을 제거하기 위해 고안된 구조로 측정물의 반출입이 용이하다. 측정 테이블의 이동으로 대형 측정물에는 적합하지 않다.

설치환경

온도, 습도, 유분, 부식 가스, 진동, 공기 흐름의 속도 등이 정도에 영향을 미친다. 프레스, 대형 공작기계 또는 송풍기 등 진동이 심하게 발생하는 지역에는 설치하면 안된다. 온도의 변화가 스케일 및 공작물의 크기를 변화시키고 기계를 구조적으로 변화시켜 정도를 정도를 저하시킨다. 추천 환경은 온도 20±2℃, 습도 55%이하, 진동 0.001mmpp (10 Hz이내), 0.01mmpp (10 ~ 50 Hz)다.

장단점

• 장점 : 복잡한 제품도 측정이 간단하고 응용범위가 넓고 실시간 품질관리가 가능하다. 수학적인 정열이 가능하고 데이터 통신이 편리하다. 오래전부터 대부분의 제조업에서 사용한 방식으로 측정 포인트 1개에 대한 정확도가 뛰어나다. 이러한 이유로 장비나 지그(jig)의 치수를 잴 때에는 하이엔드 급 좌표 측정 기계를 사용한다.

• 단점 : 제품 표면에 접촉해야 하므로 물체에 변형이나 손상을 줄 수 있고 다른 스캐닝 방식에 비해 속도가 느리다.제품을 한번 설치한 위치에서 이동이 불가능하고 측정해야 할 포인트를 미리 지정해야 하기 때문에 선 작업이 까다롭다. 같은 제품을 여러 번 측정 할 경우에도 다시 위치에 고정시켜야 하기 때문에 어려움이 있다. 또한, 사용법이 까다로워 전문가만 사용 가능하다. 온도, 진동 등 환경 변화에 민감하다.

같이 보기

• 3D

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