[첨단 헬로티]

나카자토 토시히코 (中里 俊彦)   마키노후라이스정기(주) 기술부설계과

동사는 공구연삭반의 종합 메이커로서 여러 가지 요구에 대응한 기계 및 소프트웨어를 개발, 제조해 왔다. 최근에는 공구의 소경화 및 고정도화에 동반하는 측정 요구에 대응해 2018년에 공구측정기 ‘procam’, 기내 카메라 ‘monocam2’를 개발했다.

이 글에서는 최근의 큰 흐름인 소경 절삭공구, 그 제조에 특화한 소경 공구연삭반 ‘SS7’, 그리고 앞에서 말한 ‘procam’, ‘monocam2’를 소개한다. 또한 공구연삭반과 공구측정기의 연계에 대해 동사의 대응을 소개한다.

소경 공구연삭반 SS7형

현재 의료나 전자, 반도체 관련 분야로 대표되듯이 제품의 콤팩트화, 고기능화, 경량화가 급속하게 진전, 구성 부품도 소형 정밀화되어 왔다. 또한 기간산업인 자동차에서도 자동운전에 관한 센서나 카메나, 헤드라이트의 도광판 금형 수요 등이 증가해, 소경 엔드밀이나 소경 드릴의 시장 규모는 확대되고 있다. 

이것에 동반해 절삭공구에 대해 소경화와 고정도화, 고성능화가 요구되고 있으며, 이러한 상황 속에서 동사는 2016년 최신 기술을 담은 소경 공구연삭반 SS7형을 개발했다. 표 1에 이 기기의 주된 사양을 나타냈다.

1. 개발의 목표

소경 공구의 제조는 치수 정도의 허용값이 작기 때문에 위치결정 정도의 정확성 외에 다량의 워크를 연속으로 가공하기 위한 기계의 열변위 대책이 보다 요구된다. 숫돌축의 발열, 연삭액의 온도 변화 및 환경 온도의 변화 등에 동반하는 열변위 저감이 중요한 요소이며, 종합적인 열변위 억제가 필요하다.

SS7에서는 이들 모든 문제에 주목해, 본체의 기본 구조에서 독자의 축 구성을 채용한 후, 열변위 억제 기술을 개선하는 등 일반적인 공장 환경 하에서도 고정도 연속가공이 가능한 공구연삭반을 목표로 하고 있다.

구체적으로는 이 기기의 개발 목표를 아래와 같이 정했다.

① ø0.05mm의 엔드밀을 안정되게 ±2μm의 정도로 만들 수 있는 기계.
② 위의 내용을 항온실이 아니라, 일반 공장 환경에서 달성 가능하게 한다.
③ 척 정도, 기내 드레스 장치에 의한 숫돌 정형 등의 기술을 확립한다.

2. 본 기기의 구조와 특징

(1) 본 기기의 축 구성과 기계 본체

기계 본체는 메인부를 좌우 대칭 형상으로 하고, 열변위에 대해 가장 유리한 구조로 했다. 또한 고품위 가공을 달성하기 위해 진동을 철저하게 덤핑하는 중후․견고한 기계 본체를 구축, 기존기보다 전체 높이를 내리는 저중심화와 기계 전체의 중심 위치를 적극 중심으로 하는 등 중량 밸런스에도 고려했다. 그 결과, 기계 본체 중량은 약 4,500kg의 중량급이 됐다(그림 2).

(2) 소경가공을 위한 고정도 사양

ø0.05mm의 소경 공구를 생각한 경우, 백래시에 기인하는 1～2μm 정도의 형상 불량으로도 공구 품질에 영향을 미친다. SS7형에서는 위치결정 축인 U축을 제외한 모든 보간축에 스케일을 표준 장비하는 동시에, W, A의 회전축을 DD 서보모터로 하고 기계적 백래시 0으로 메인티넌스 프리를 실현했다.

가공 정도에 직접 영향을 미치는 요인으로서 숫돌축의 열팽창이 있다. 그리고 소출력＆저발열 모터를 탑재한 전용의 숫돌축을 채용, 인버터 제어에 의한 숫돌축 온도를 자동 조정하는 기능에 의해 적은 신연량, 기동 시간의 단축을 실현했다.

3. 소경 공구가공을 달성하기 위한 기본 기술

소경 공구가공에서는 진동 정도의 극소화가 요구된다. 본 기기에는 동사 프래그십기 ‘AGE30’으로 얻은, 동사 독자의 고정도 척킹 기술을 채용함으로써 연속 워크 교환 시의 반복 정도를 향상시키고 있다(그림 3). 이 전용 척과 섕크 서포트를 조합함으로써 안정되게 진동 정도 2μm 이하의 정도를 확보할 수 있다.

공구 형상에 직접 영향을 미치는 숫돌의 선정 및 면정도와 숫돌 R부 형상의 관리도 중요한 포인트가 된다. SS7은 드레스 효율을 높이기 위해 0.4kW의 고출력을 가진 속도 가변 전동식 로터리 드레서를 기내에 표준 장비, 기기 상의 자동 드레스, 숫돌 형상의 관리를 하고 있다(그림 4).

4. 기계의 열변위를 안정시키기 위한 온도 관리 기술

안정된 소경 공구의 연속가공을 실현할 수 있는지의 여부는 열변위를 억제해 어떻게 기계를 안정 상태로 유지할지에 달려 있다. SS7에서는 베드 내에 온도 관리된 연삭액을 항상 순환시켜, 외부 온도 변화의 영향을 억제하는 ‘베드 쿨런트 시스템’이 채용되고 있다(그림 5).

연삭액은 베드의 송수관 전체를 흐르고 배수구에서 배출되는데, 통로는 주요 주물 부품을 좌우 대칭으로 균일하게 통과하도록 설계하고 있다. 이것에 의해 기계 온도의 균일화를 도모하는 동시에, 가공 중과 비가공 시(로딩 시간을 포함)의 온도 변화를 최소로 할 수 있다.

이 온도 관리 시스템은 가공 안정화 외에, 기계의 기동을 빠르게 하고 가공재현성을 실현하는 등 오퍼레이터의 부담을 줄이는 것에 공헌한다.

5. 기계의 움직임을 최소화하는 ‘U축 기능’

U축은 W축 선회 상에 있으며, 공구의 끝단 위치를 선회 중심에 위치결정함으로써 X, Y의 동시 제어축을 줄이고 선회만의 볼 엔드밀 끝단 R가공을 할 수 있다(그림 6).

또한 U축의 끝단 위치결정 효과에 의해 항상 기계 중심에서 최소의 이동 범위 가공을 가능하게 한다. 이동 범위를 줄임으로써 누적의 이동 오차를 줄이고, 소경 공구의 가공에서는 특히 유리해진다.

6. 가공 예

SS7에 의한 ø0.1mm, R0.05mm의 볼 엔드밀 가공 예를 소개한다. 그림 6은 내장 워크 자동 공급장치를 사용한 연속 138개 가공(무보정, 드레스 없음)의 R 측정 데이터이다.

기계의 설치 장소는 동사의 일반 조립공장이고, 개발 목표로서 정한 항온실이 아닌 환경에서 ±2μm 이내의 정도를 달성할 수 있었다.

공구측정기 ‘procam’

1. 소경 공구의 측정

고정도 또는 극소경 공구를 가공하기 위해서는 1μm 단위로 정확하게 측정할 수 있는 비접촉식 측정기가 필요하다. 일반적인 CCD 카메라나 광학식 현미경은 극소경 공구의 정확한 치수 측정은 어렵고, 형상이나 표면 관찰이 주가 된다.

또한 공구 자체가 복잡한 입체 형상을 하고 있기 때문에 예를 들면 공구 끝단부 R 형상을 측정하기 위해서는 공구를 회전시킨 입체적인 측정이 필요하다. 그러므로 공구를 측정하기 위한 전용 기능을 갖춘 공구측정기가 필요하다.

2. 공구측정기 ‘procam’의 개발 배경

공구 전용 측정기는 이미 전용 메이커나 공구 메이커에서 발매되고 있으며, 일부가 세계 표준으로서 침투하고 있다. 공구측정기의 개발에서 동사는 후발이지만, 그러한 가운데서도 자사에서 공구측정기를 개발한 것은 다음의 2가지 이유가 있다.

① 공구연삭반의 제조 정도가 ±1μm의 요구에 대해, ±1μm 이하의 반족 측정 정도를 가진 측정기가 필요했다.
② 장래를 내다봐 자사제의 공구연삭반과 연계한 공구측정기가 필요했다.

3. procam의 특징

현재 공구의 연속 제조에는 ±1μm의 정도가 요구되고 있으며, 그 공구를 평가하는 측정기에도 ±1μ 이하의 반복 정도가 요구된다. 그러나 소경 공구가 될수록 측정이 곤란해지고, 반복 측정 오차가 현저하게 나타나게 된다. procam은 그 점을 근거로, 특히 소경 공구의 치수 측정 및 반복 측정 정도에 특화하고 있다.

실적에서는 ø0.05mm 볼 엔드밀의 R 및 외경 측정, 래이디어스 엔드밀 R0.02mm의 측정을 하고 있다. 예로서 ø0.1mm, R0.05mm의 볼 엔드밀 R 측정 결과를 그림 10에 나타냈다. 앞에서 말한 SS7에 의한 소경 공구의 연속가공 정도 평가(그림 7)도 본 기기에 의한 것이다.

4. procam의 측정 기술

procam에는 CCD을 이용한 측정법이 채용되고 있다. CCD는 수 μm 소자의 집합체이다. CCD의 측정 한계는 소자와 동 사이즈라고 생각되는데, 화상처리로 분해능을 높일 수 있다. 본 장치에는 광량을 판단 기준으로 해 연산을 하는 ‘그레이 스케일 처리’를 하고, 256계조로 차광 면적을 판단해 형상의 인식을 하고 있다.

이것에 의해 소자 사이즈보다 작은 1μm 이하의 형상을 보다 정확하게 판단할 수 있다. 그 외에 렌즈의 왜곡을 화상처리에 의해 수정함으로써 측정 정도를 높이고 있다. 이들 기술에 의해 공구 1회전의 가산 화상에서 최대 높이를 고정도로 에지 검출하고, R 형상에서는 1도씩 측정(그림 11)을 함으로써 소경공구의 정확한 측정이 가능하다.

기기 내 카메라 ‘monocam2’

앞에서는 procam을 소개했는데, 이 글에서는 보다 기계와의 연계를 강화시킨 기기 내 카메라 monocam2를 소개한다. 현재의 사양은 주로 소경 오일홀 등의 검출이 목적으로, 측정이 주 목적인 procam과 차별화된다.

기기 내 카메라에는 이하의 장점이 있다. ①비접촉 검출, ②연삭반에서 공구를 떼어내지 않고 관찰, ③가공 공정 간의 관찰 및 검출 등이다.

1. 비접촉 검출

비접촉 측정의 장점은 소경 공구로 생각하면 상상할 수 있을 것이라 생각한다. 특히 재연삭에서는 접촉식은 스타일러스가 너무 커서 측정할 수 없고, 경우에 따라서는 촉압에 의해 공구 자체를 파손시키게 된다.

이에 대해 카메라는 비접촉으로 측정이 가능하고, 또한 화상으로 봄으로써 형상 인식이 우수하므로 기기 내에서 할 수 있는 내용을 크게 넓힐 수 있다. 동사에서는 오일홀 검출, 심두께의 측정, 위상각 검출을 하고 있다(그림 12).

2. 기기 내 측정

(1) 오일홀 측정

오일홀 검출에는 스타일러스로 구멍을 찾는 방법이 있는데, 구멍 지름 ø0.3mm 이하의 오검지 없이 측정하는 것은 어려웠다. 그러나 기기 내 카메라 측정을 함으로써 0.05mm 이하의 오일홀 검출이 가능하다. 검출 방법도 흑점(구멍)의 면적에 의한 검출 외에, 등록한 구멍 형상 검출 등 조건에 맞는 방법을 선택할 수 있다.

(2) 심두께 측정

심두께라고 불리는 부위는 드릴의 강성을 좌우하는 중요한 인자인데, 숫돌의 마모나 열변위에 의해 연속 제조에서 일정을 유지하는 것은 어렵다. 심두께의 측정은 날끝까지 가공된 상태에서는 측정 기준이 정해지지 않아 어려웠다.

기기 내 카메라는 공정 간의 측정이 가능하고, 홈만 가공한 상태로 검출함으로써 정확한 측정을 할 수 있다(그림 13). 또한 심두께를 측정할 때에 홈 형상을 봄으로써 숫돌의 상태도 아는 것이 가능하다.

(3) 위상각의 검출

위상각의 검출은 가공된 날끝의 위치(외주 코너)를 검출함으로써 각도를 분할할 수 있다(그림 14). 보통은 NC에 의한 분할을 하고 있는데, 실제로 홈이 붙은 상태로 검출함으로써 숫돌 형상의 변화나 열변위 등에 의해 항상 변화를 계속하는 홈 형상을 실제 가공 기준에서 위상 검출할 수 있다. 특히 소경의 공구일수록 형상에 대한 영향이 크기 때문에 그들을 없애는데 효과적이다.

공구연삭반과 측정기의 연계

공작기계는 절삭분을 배출하고 있는 시간이 진정한 가동 시간이며, 대기 시간이나 세팅 시간은 가급적 단축하는 것을 요구받는다. procam은 로봇에 의한 자동 연속 측정에 의해 후공정이 되는 전수 검사의 자동화. monocam2는 기기 외 측정에 대해 대기 시간의 절감을 기대할 수 있다.

또한 앞에서 말한 대로 연속가공의 안정화에 공헌하기 때문에 불량품의 절감도 크게 기대할 수 있다. 특히 소경 드릴에서 효과가 현저하다.

IoT의 조류도 있고 화상처리에 의한 기기 내 측정에 대한 기대는 날마다 증가하고 있다. 감소해 가는 기술자의 눈이나 손을 대체하는데 화상처리는 우수한 일면을 가지고 있으며, 응용 범위가 넓기 때문이다. monocam2에서도 드릴 이외의 공구에 대한 응용을 충분히 생각할 수 있으며, 그 대상을 넓히고 있다.

현재는 관찰로서의 의미가 강한데, 장래적으로는 procam과 동일한 수준의 측정을 기기 내에서 할 수 있는 것으로 향상시켜 갈 것이다. 또한 기기 상의 측정 결과로부터 기계 측에서 자동 보정을 하고, 무인 연속가공을 하는 것을 목표로 현재 개발을 하고 있다. 앞으로도 시간은 걸리겠지만, 제조업의 발전에 공헌하기 위해서도 개발에 주력해 갈 것이다.