3차원 측정기는 영어로 3D Coordinate Measuring Machine로 3차원 좌표 측정기라고도 한다. 160여년의 역사를 자랑하는 ZEISS는 1919년 정밀측정 부서를 신설하며 본격적으로 산업 측정 솔루션 사업을 시작했다. 유럽의 선진 기술과 노하우를 갖고 있는 ZEISS를 통해 3차원 측정기가 진화해 온 발자취와 앞으로의 개발 동향에 대해서 살펴보기로 한다.

ZEISS가 정밀측정(Feinmess) 부서를 신설했을 당시, 미국에서 대량생산이 시작되면서 제조업체에는 큰 규모의 조립라인이 형성되었다. 자동차나 공작기계와 같은 완성품은 여러 개의 구성품으로 이루어져 있기 때문에 각 부품이 정밀하게 조립되어야만 했다. 따라서 부품의 공차와 품질을 정밀하게 관리할 수 있는 고품질의 정밀 측정기에 대한 수요가 증가하기 시작했다.
ZEISS는 1900년 산업 측정 초기단계에 두께 측정기, 비교 측정기를 출시하면서 측정 산업에 뛰어들었다. 1919년 3차원 측정기 사업부를 독립적으로 설립한 이후 1920년에 옵티미터(Optimeter)라고 하는 비교 측정기, 공구 현미경, 내측 마이크로미터를 출시했으며, 현대와 같은 모습을 갖춘 3차원 측정기가 세계 최초로 소개된 것은 1959년이었다.

사진 1. 1925년에 출시한 간섭측정기

1973년에는 세계 최초의 CNC 접촉식 3차원 측정기 UMM 500을 출시했는데, 지금의 3차원 측정기와 견주어도 손색이 없을 정도의 선진 기술을 갖춘 제품이었다. 스캐닝이 가능한 접촉식 측정 헤드, CNC를 이용한 측정, 0.5미크론의 정밀도는 그 당시 혁신적인 기술이었고 ZEISS의 품질을 입증하기에 충분했다.

사진 2. 1973년에 출시된 세계 최초의 CNC 접촉식 3차원 측정기 UMM 500

또한 직접 개발한 측정 프로그램인 UMESS도 함께 출시했다. Philips, Daimler-Benz, IBM, Ford and Hitachi 등의 고객을 시작으로, 1970년대 말까지 UMM 500을 100대 이상 판매하며 큰 성공을 거두었다. 그 이후 1980년에 CNC HAM(Horizontal Arm; 싱글 암이라고도 부른다)타입 측정기를 출시하였고, 2000년대에 이르러서는 생산현장용 3차원 측정기를 선보였다.

정밀 측정 기술 및 솔루션

1. 액티브 측정 센서
ZEISS의 핵심 기술은 접촉식 스캐닝 프로브 헤드에 있다. UMM 500이 성공을 거두고, 1970년대까지 3차원 측정기 사업부가 성장할 수 있었던 원동력이 바로 측정 센서였다. 핵심 기술을 지속적으로 연구 개발한 결과 1994년 VAST Aktiv(액티브) 스캐닝 센서를 출시하였는데, 이 센서는 다른 경쟁사와 차별화된 ZEISS의 강점 중 하나다.

사진 3. 다른 경쟁사와 차별화된 ZEISS 액티브 측정 센서

측정에 있어서 속도, 신뢰할 수 있는 정밀도는 필수 요소인데 측정 결과는 정보를 얻는 방법에 따라 확연한 차이가 있을 수 있다. 따라서 측정 방법이 정밀하지 않다면 우수한 정밀도가 나올 수 없다. 많은 3차원 측정기는 터치 트리거(Touch Trigger)를 사용한다. 접촉 유발식 프로브라고도 하는데 개별 포인트를 통해 제품의 일부를 인식하기 때문에 시간 소비가 많으면서도 얻을 수 있는 데이터에 한계가 있고 또한 불확실한 결과를 만들어낼 수 있다. 패시브(Passive) 스캐닝은 프로브가 곡선 표면을 따라 움직일 때 스프링으로 인한 측정압에 비례한 만큼 기준점으로부터 벗어난 값을 제공한다. 불안정한 측정압은 부품에 항상 존재하는 편차값을 보정해 주지 못한다. 계속해서 변하는 측정압은 스타일러스가 불규칙하게 휘어지게 하며, 이것을 보정하는 것은 매우 어려운 일이기 때문에 패시브 방식은 스캐닝이 이용되는 사항 중에서도 극히 일부인, 미세한 측정압을 유지하며 측정할 수 있는 경우에만 사용해야 한다.
ZEISS의 방식은 스캐닝이다. 고성능의 스캐닝을 위해서는 제품 측정을 위해 프로브를 조절하는 능력이 필요하다. 이것이 ZEISS Aktiv 스캐닝과 다른 경쟁사의 스캐닝을 구분하는 가장 큰 차이점이다. 스프링을 사용하는 대신에 Electronic Force Generators가 균일한 측정압을 제공한다. 스캐닝하는 동안 스타일러스는 거의 휘어지지 않으며 필요하다면 쉽게 보정할 수 있다. 또한 높은 동적 반응(Dynamic Response)을 갖고 있어서 자동차 충격 흡수장치(Shock Absorber)와 같이 프로브가 측정물에 계속해서 접촉할 수 있도록 유지해 준다.

사진 4. 진공펌프 제조회사 에드워드 천안공장에 설치된 CenterMax

ZEISS Aktiv 스캐닝의 장점은 크게 3가지로 요약할 수 있다. 첫째, 터치 트리거 방식보다 빠르기 때문에 측정 시간을 단축할 수 있다. 둘째, 우수한 반복성을 제공한다. 셋째, 프로브가 제품에 접촉한 상태로 윤곽을 따라가면서 연속된 개별적인 데이터를 축적하는 방식이기 때문에 실제와 가장 근접한 결과를 얻을 수 있다.

2. 생산현장용 3차원 측정 솔루션
약 10년 전부터 한국에서도 효율적인 품질 관리의 필요성이 점차 증가하면서 측정기 수요가 급증하기 시작했다. 요즘은 바이어들이 제품 구매에 앞서 제조업체에게 생산품에 대한 측정 데이터를 요구하기도 한다. 하지만 아직도 생산현장에서 측정기를 사용하는 업체를 찾기는 힘들다. 측정실에서만 검사한다고 하면 샘플링 검사를 할 수 밖에 없다. 가공 장비가 많은데 하나의 측정실에서 검사하려면 병목 현상이 생겨서 측정 시간이 부족할 수밖에 없고, 신뢰성 있는 결과를 얻기 힘들어진다.
이러한 문제를 해결하기 위해 ZEISS는 2003년 가공기를 위한 전용 측정기로 생산현장에서 바로 사용할 수 있는 GageMax를 출시했고, 뒤이어 CenterMax와 DuraMax를 선보였다. Max 시리즈라고 불리는 이 측정기들은 온도 변화, 진동, 먼지 등 측정에 적합하지 않은 환경에서도 정밀하고 신뢰할 수 있는 측정 결과를 제공한다. 따라서 시간과 비용을 절감하면서도 보다 많은 제품의 검사가 가능하여 원하는 품질을 만족시킬 수 있다.
ZEISS Max 시리즈는 가공 공정마다 전용 측정기로 활용하면 투자 효과를 극대화할 수 있다. 생산라인에서 측정한 결과값을 그 자리에서 바로 확인한다면, 다음 공정으로 넘어가기 전에 불량 여부를 판단하여 신속한 조치가 가능하다. 따라서 불량률 및 잠재적 손실을 줄일 수 있으며, 전수검사에도 적합한 솔루션이다. 현장에서 필요한 모든 요소의 측정이 가능하기 때문에 별도의 게이지가 필요 없고, 생산품이 바뀔 때마다 새로운 게이지를 제작하지 않아도 된다.

제조현장의 측정기 적용 사례

1. 공구 제조업체 KWS Kölle 사례
모든 자동차의 운전대에는 브랜드 엠블럼이 장식되어 있다. 공구 제조업체 KWS Kölle는 많은 독일 자동차 메이커의 엠블럼을 제작하고 있다. 독일 알고이(Allgau) 지역 마우어슈테텐(Mauerstetten)에 위치한 KWS Kölle는 펀칭, 벤딩, 패턴 지그 가공 및 사출성형, 다이캐스팅 업체로, 높은 정밀도의 소형 제품, 프로토타입, 어셈블리, 치구 및 게이지를 포함한 넓은 제품 범위를 확보하고 있다.
이러한 공구의 애플리케이션은 매우 다양하다. 예를 들어 2mm 두께의 강판을 10μm 이내로 정확히 펀칭하기를 원하는가 하면, 길이 300mm의 플라스틱 부품을 10μm 이내의 정밀도로 정밀하게 성형해야 한다. 다양한 공구 제조는 디자인, 재료 선택, 제조 기술, 특히 정밀 측정 기술을 요구한다. 공구 제조의 성공 요인은 회사 내부적으로 전체 가치 사슬이 원자재 선택을 커버하는 것이며, 이를 통해 품질과 비용을 지속적으로 관리하고 있다.

사진 5. KWS Kölle사에서 ACCURA를 사용하여 측정하는 모습

공구 제조에 있어 필요한 정밀도를 보장하기 위해 KWS Kölle는 각 개별 공작물을 측정한다. 최근 들어 정밀도에 대한 고객의 요구가 급격히 증가하고 있다. 이전에 5μm의 정밀도로 가공했던 공구를, 지금은 1μm의 정밀도로 가공한다. 단지 손의 체온만으로도 공작물이 수 미크론 변화될 수 있다는 것을 감안하면 달성하기 어려운 요건이다.

사진 6. 공구 제조를 위해 KWS Kölle에서 사용하는 다양한 재료들

알맞은 측정기를 찾기 위해 접촉식 측정에 기반한 여러 공급업체의 측정기를 비교하여, 최종적으로 ZEISS 3차원 측정기 ACCURA로 결정했다. 이 장비는 높은 정밀도와 함께 21℃ 이상의 온도에서 동일한 정밀도를 보장하므로 별도의 측정실 없이 에어컨이 설치된 생산현장에서 측정이 가능하다.
KWS kölle는 ZEISS 3차원 측정기로 1미크론의 정밀도를 달성할 수 있었다. 새로운 프로브 시스템은 스타일러스 구성의 변화를 최소화하면서도 다양한 공구의 거의 모든 구성 요소를 측정할 수 있다. 여기에 0.2mm파이의 스타일러스까지 장착이 가능하다. KWS kölle는 이제 하나의 측정기를 가지고 복잡한 형상의 마이크로 부품부터 500kg의 무거운 공구 구조에 이르기까지 모든 공작물을 측정하고 있다. 더불어, 향상된 정밀도는 다른 측정기와 차별화된 측정 결과로 그 차이를 증명해 준다.

2. 자동차 제조업체 Volkswagen 사례
독일 켐니츠(Chemnitz)에 위치한 Volkswagen Sachsen GmbH의 엔진 공장에서 탐지기, 플러그 게이지, 슬라이드 게이지 등의 정교한 수동 측정용 공구는 이제 과거의 유물이 됐다. 지금은 ZEISS의 작고 견고한 좌표 측정장비가 생산 공정의 품질 검사에 사용되고 있다. ZEISS 3차원 측정기는 신제품이나 새로운 세대의 모델에 맞게 유연하게 조정할 수 있어 상당한 비용을 절약할 수 있다. 또한 이 측정장비는 정확하고 구체적인 결과를 바로 산출한다.
켐니츠 엔진 공장에서는 엔진 부품의 품질을 보장하기 위해 생산 과정에서 무작위 측정을 실시하고 있다. 지금까지는 생산라인 옆에서 직접 부품의 형태와 치수를 검사하기에 충분할 정도로 작고 튼튼한 측정기가 없어서 검사 담당자들은 탐지기와 그 밖의 휴대형 도구들을 사용했었다. 그로 인해 신제품이나 변형 제품을 생산할 때마다 측정장비를 교체하거나, 개조해야 하는 문제를 피할 수 없었다. 더구나 검사 결과가 사용자의 경험과 역량에 따라 달라질 수 있었기 때문에 공정에 시간이 많이 소요되고 실수가 개입될 소지도 많았다.
현재는 다양한 제품에 맞게 프로그래밍이 가능한 DuraMax 3차원 측정기가 공정 중 무작위 검사에 사용되고 있다. 덕분에 Volkswagen Sachsen은 모든 핵심 엔진 부품 생산을 지원할 수 있게 됐다. DuraMax의 최대 장점은 아주 간단한 단계만 거치면 새 부품이나 엔진의 생산 조건에 맞게 조정할 수 있기 때문에 여러 가지 도구를 사용할 필요 없이 한 가지 측정장비만 사용해도 된다는 것이다. 더구나 측정 결과가 전보다 더 구체적이고 정확하며 신뢰할만한 데다, 측정실의 측정 결과와 비교하기도 더 수월하다.
켐니츠 엔진 공장은 현재 14대의 DuraMax 시스템을 생산 공정에 사용하고 있으며, 이로 인해 많은 비용을 절감할 수 있었다. 또한 가용 공간의 활용도, 공정 투명성, 공정 결과도 개선되고 있어 ZEISS 3차원 측정기가 Volkswagen이 중시하는 기업 목표에 맞게 가치 창출 지향적 공정을 실현하는 데 크게 공헌했다.

사진 7. ‌폭스바겐 켐니츠 공장에서 DuraMax를 사용하여 엔진을 측정하는 모습

측정기 개발 동향 및 전망

품질 보증을 위한 측정기의 새로운 트렌드는 3가지로 요약할 수 있다.
첫 번째는 높은 해상도를 가진 디지털 카메라 시스템과 광학 기술의 결합이다. 이로 인해 대형 측정물도 측정이 빠르고 간편해졌으며, 로봇과 접목시켜 모든 측정 과정을 자동화 시킬 수 있는 도구가 되었다.
ZEISS는 디지털 3D 센서를 장착한 AIMax라는 신제품을 출시했다. ZEISS AIMax는 보어홀(Borehole), 스크류 쓰레드(Screw Thread), 갭(Gap) 그리고 위치도와 같은 복잡한 기하 요소 측정이 가능한 차별화된 제품이다. 차체 측정, 시트 메탈(Sheet Metal) 공정 그리고 항공우주 산업에 특화되어 있다. 삼각 측정 방식, 3차원 측정 결과에 대한 흑백 이미지 프로세싱 그리고 그림자 평가(Shadow Evaluation) 기술의 3가지 원리를 조합하여 복잡한 요소를 빠르고 정밀하게 측정한다. 결과적으로 생산성 향상은 물론 광학식 측정 시스템으로 고객이 원하는 측정 품질을 충족할 수 있을 것이라고 전망하고 있다.
두 번째는 멀티센서 측정 시스템의 보편화이다. 광학식, 접촉식, 전자 그리고 레이저 센서가 하나의 시스템으로 결합되면서 시간을 절약하고 불확실성을 감소시켜 준다. ZEISS도 멀티센서 측정기 O-INSPECT를 2007년 출시하면서 새로운 시장을 발굴하기 시작했다.

사진 8. 로봇 자동화와 새로운 디지털 센서를 결합한 AIMax

O-INSPECT는 특히 광학식 측정센서 기술이 뛰어나 기존의 브릿지 타입과 다른 소형 전자 제품이나 의료기기 측정에 특화되어 있다. 다양한 개발품을 측정해야 하는 고객에게 맞춤형 장비이며, 동급 멀티센서 측정기 중 유일하게 스캐닝이 가능하다. 또한 브릿지 타입과 HAM(싱글 암) 타입 측정기는 다양한 종류의 측정 센서를 부착할 수 있다. 2014년에는 조도 측정 센서인 ROTOS를 출시하면서 브릿지 타입 측정기 1대로 도면에 표기된 모든 기하공차와 표면 조도를 측정할 수 있게 됐다.
세 번째는 측정 프로세스가 단순한 측정 작업이 아니라 부가가치를 생산하는 활동으로 계속 변화하는 것이다. 새로운 장비와 최신 소프트웨어 솔루션은 모든 사용자에게 향상된 측정기술을 제공한다. ZEISS도 다양한 신규 시스템을 개발하면서 통합 소프트웨어 솔루션을 고객에게 제공하고 있다.

사진 9. ‌통합 소프트웨어 솔루션으로 여러 대의 측정기에서 나온

측정 데이터를 한번에 관리하고 분석할 수 있다

PiWeb을 통해 측정실과 생산현장에 있는 측정 데이터 또는 다른 지역에 있는 측정 결과를 통합하여 하나의 서버(MCC; Master Control Center)에서 관리하고 통계 분석을 할 수 있다. 또한 실시간으로 품질 현황을 보거나 리포트를 손쉽게 출력할 수도 있고, 측정 결과에 따라 즉시 가공기를 수정할 수 있어 불량률을 줄이고 가공 수정에 들어가는 시간과 비용을 절약할 수 있다. 그리고 네트워크를 통해 품질 데이터를 모두 통합하여 오류의 원인을 정확하게 진단하고 제거할 수 있다.

자이스 코리아   박주영