가공의 고도화를 실현하는 비접촉 계측 기술

2024.03.06 14:14:23

오하라 후미히코, (주)유로테크노 영업부 매니저

가공 정도는 물론이고, 그것에 부수되는 가공 방법이나 공법, 재료, 표면 성상에 대해서도 여러 가지 고도화가 추진되고 있으며, 그 고도화를 수치화, 정량화하기 위해서는 기존의 측정기나 측정 기술로는 실현할 수 없는 케이스가 증가하고 있다. 가공의 고도화를 뒷받침하기 위해서는 동일한 수준으로 계측 기술을 고도화할 필요가 있다.

 

계측에 대해서는 기존에 2차원에서 3차원, 접촉에서 비접촉으로 스탠더드가 변화하고 있는데, 기술의 발달과 함께 여기서 다시 다음 단계로 고도화가 요구되고 있다. 고정도화, 고속화, 자동화, 디지털화, AI화, 여러 가지 벡터의 고도화가 서로 관계되면서 앞으로도 가공의 고도화를 실현하기 위한 기술이 개발되어 갈 것으로 생각한다.

 

이 글에서는 가공의 고도화를 실현하기 위한 비접촉 계측 기술에 대해서 알리코나(Alicona)사제 비접촉 3차원 측정기를 이용한 측정 사례와 함께 소개한다.

 

 

포커스 배리에이션에 의한 고정도 비접촉 3차원 측정기

 

1. 배리에이션이란

(주)유로테크노는 20년 이상 전부터 유럽 오스트리아를 거점으로 포커스 배리에이션을 측정 원리로 한 비접촉 3차원 측정기를 개발․제조․판매하고 있으며, 자동차 업계, 공구 업계, 금형 업계, 전자부품 업계, 항공중 업계 등 전 세계의 기업과 연구기관에서 (주)유로테크노 제품을 채용하고 있다. 포커스 배리에이션이란 초점 심도가 매우 낮은 렌즈와 높은 분해능을 가진 수직 주사를 조합, 초점의 변화로부터 3차원 형상을 구축하는 광학 측정 원리이다. 피사계 심도가 매우 낮은 대물렌즈를 사용하기 때문에 초점이 맞는 범위는 좁아진다. 측정 시에는 광학축에 대해 평행하게 렌즈가 움직이면서 연속적으로 측정한 화상을 수집, 초점이 맞는 부분을 겹쳐서 상세한 3D 데이터를 생성한다.

 

이 포커스 배리에이션은 20년 이상 전에 실용화된 (주)유로테크노의 코어 기술로, 지금도 연구 개발이 이루어져 점점 진화되고 있으며, 최신 기종인 알리코나 G6(그림 1)에서는 스마트 플래시 2.0이라는 (주)유로테크노 독자의 광학 기술과 진화된 고분해능 광학 센서에 의해 기존 기종보다 측정 정도와 측정 스피드가 향상됐다.

 

 

2. 알리코나 G6의 특징

알리코나 G6의 주요 특징은 이하와 같은 점을 들 수 있다.

 

․1대로 형상 측정과 조도 측정, 화상 측정, 기하공차 측정이 가능하다

․미크론에서 서브미크론의 고정도 측정이 가능하다

․ISO에 준거한 트레이서블한 측정 결과를 제공할 수 있다

․긴 작동 거리로 깊은 구멍이나 큰 단차도 간섭 없이 측정이 가능하다

․최신 측정 기술에 의해 비접촉으로 세로벽의 측정이 가능하다

․투과성 있는 샘플이나 경면 샘플의 측정이 가능하다

․서브미크론 간격의 점군으로 3차원 데이터를 생성함으로써 미세한 요철 형상도 정확하게 측정할 수 있다

․회전 유닛의 병용으로 360도 둘레 전체의 측정이 가능하다

 

이와 같은 특징을 활용 또는 병용해 앞에서 말한 가공의 고도화를 실현하기 위한 비접촉 계측 기술에 대해 이하의 사례를 소개한다.

 

디지털 트윈에 의한 차세대 측정 방법

 

기존의 측정이라고 하면 수동 측정이 주류였다. 오퍼레이터가 측정 워크를 세트하고, 위치내기를 한 후 측정을 해서 취득한 데이터로부터 필요한 해석 작업을 모두 수동 조작으로 하는 방법이다. 사용하는 측정기의 고유 정도에 따라 다르기도 하지만, 측정 워크의 세팅, 측정 조건의 설정, 해석 조건의 설정 등 수동 조작에 의해 생기는 오차가 누적값으로 해석 결과의 편차에 포함되어 버린다. 따라서 애써 고정도로 가공한 워크라도 해석 결과의 오차가 크면, 가공의 고도화를 적성으로 평가할 수 없다. 이 과제를 해결하기 위해 측정의 자동화가 추진되고 있으며, 측정 프로그램에 의한 복수 워크의 연속 측정이나 워크의 자동 제급재 기능이 등장해 인적 요인에 의한 해석 결과의 편차를 억제할 수 있게 됐다.

 

 

알리코나 G6에서는 차세대 측정 방법으로 디지털 트윈을 활용한 솔루션(그림 2 (a), (b))을 제공하고 있다. 이것은 측정 워크의 3D-CAD 모델(STEP 파일)에서 간단히 측정 플랜을 생성하는 기술이다. CAD 상에서 데이텀 설정, 측정 범위 지정, 측정 항목 설정, 해석 항목 설정을 하는 것만으로 형상이나 조도, 기하공차를 해석할 수 있다. 해석 오차 저감이라는 가공의 고도화를 실현하는 기술인 동시에, 제조 전반의 조류인 디지털화와 3D 모델화에도 연동되는 기술이다.

 

협업 로봇을 활용한 기기 내 측정

 

일반적으로 기기 내 측정이라고 하면 터치 프로브에 의한 가공 워크의 측정이나 공구의 파손 검지, 윤곽 형상 측정이 있다. 터치 프로브에 의한 가공 워크의 측정에서는 가공한 워크의 치수를 언클램프하지 않고 측정할 수 있기 때문에 고정도화나 가공 치수 안정화, 세팅 시간 단축 등에 효과적인 방법이다. 공구의 기기 내 측정으로는 윤곽 형상 측정에 의한 가공 치수의 안정화가 예상되며, 특히 볼 엔드밀의 날끝 위치를 인식해 가공함으로써 자유곡면의 윤곽 형상 정도 향상에 효과적으로 활용되고 있다.

 

 

현재 가공의 고도화를 더욱 향상시키기 위해 (주)유로테크노에서는 협업 로봇 암의 끝에 (주)유로테크노제 소형 센서를 탑재한 COBOT에 의한 기기 내 측정(그림 3)을 제안하고 있다. 가공 워크는 가공 치수뿐만 아니라 선조도나 면조도 등의 표면 성상도 측정할 수 있고, 공구 측정에서는 날끝 마모나 치핑의 측정을 실현하고 있다. 가공 워크의 표면 성상을 측정하는 것은 그 부품의 기능을 좌우하는 큰 팩터의 하나가 되는 경우도 있기 때문에 가공의 고도화를 추진하는 데 있어 매우 중요한 역할을 하고 있다고 할 수 있다.

 

절삭공구의 정밀 측정으로 가공의 고도화를 실현

 

절삭공구의 측정에 대해서는 측정 사례를 세 가지로 분류해 소개한다. 첫 번째는 공구 날끝의 측정으로 실제 가공하는 날끝 자체의 상태나 그 변화 측정, 두 번째는 공구 전체의 윤곽 형상 측정으로 공구 둘레 전체 또는 6면 전체의 측정, 세 번째는 공구 제조 공정의 품질 관리 목적의 측정이다.

 

1. 날끝의 측정

공구 날끝을 측정하는 것은 가공의 고도화에 직결되는 기술이라고 생각한다. 공구의 절삭감과 수명은 날끝 형상에 크게 영향을 받는데, 특히 호닝 R이나 K 팩터 등의 파라미터는 중요한 항목으로 생각된다.

 

호닝 R의 해석에 관해서는 단순한 원 형상뿐만 아니라 타원 형상의 해석이 가능하고, 예를 들어 경사면 측과 여유면 측의 R 사이즈가 다른 날끝 형상의 해석에 효과적인 기능이 된다. 또한 챔퍼가 있는 날끝의 경우는 챔퍼 폭이나 챔퍼 면을 기준으로 한 각도의 해석 등 사용자의 희망에 따른 유연한 해석도 가능하다. 공구의 사용이 진행되면 날끝에 치핑이나 마모가 발생해 가공 품질에 큰 영향을 미치는데, 이와 같은 불량을 미연에 방지함으로써 안정된 품질의 가공이 가능해진다.

 

(주)유로테크노에서는 치핑이나 마모 해석에 전용의 소프트웨어를 준비하고 있으며, 상태를 3D로 관찰 및 평가할 수 있다. 치핑이나 마모의 유무는 소프트웨어에 의해 자동 판정되고, 치핑의 폭이나 길이, 마모의 체적 등도 자동으로 해석된다. 공구 날끝의 측정 사례를 이하의 그림 4 (a), (b), (c), (d)에 나타냈다.

 

 

2. 공구 둘레 전체 및 6면 전체의 측정

옵션의 회전 유닛을 병용함으로써 회전 공구의 둘레 전체 형상이나 인서트 공구의 6면 전체를 고밀도의 점군 데이터(1미크론 이하의 점군 피치)로 구축된 3D 데이터로서 측정할 수 있다. 회전 공구에서는 취득한 둘레 전체 데이터를 회전축 중심으로 직교하는 단면에서 프로파일을 추출해 외접원, 내접원, 회전축 중심 기준의 경사각, 심두께 등의 여러 가지 파라미터를 수치화할 수 있으므로 앞에서 말한 공구 날끝의 측정뿐만 아니라 공구 전체의 형상 측정도 가능하다.

 

또한 점군 밀도가 높기 때문에 예를 들어 ø0.1mm 이하의 소경 공구 측정이라도 고밀도의 점군 데이터에 의해 미세 형상을 정확하게 재현할 수 있다. 앞으로 가공의 고도화가 추진되는 가운데 가공 워크는 보다 소형, 또한 미세 정밀하게 되어 그 가공을 하기 위한 소경 공구나 미세 공구의 측정은 더욱 필요성과 중요성이 높아질 것으로 생각된다. 회전 공구 둘레 전체의 측정 사례를 이하의 그림 5에 나타냈다.

 

 

3. 제조 공정의 공구 측정

대표적인 사례로는 초경 인서트 공구의 분말성형 후에 발생하는 에지부 버의 측정과 코팅 처리 후의 드릴 플루트부에 발생하는 드롭렛(미소한 컨태미네이션(contamination))의 측정이다. 버 측정의 경우, 수 미크론의 미소한 버라도 소프트웨어에 의해 자동으로 검출할 수 있다. 에지부의 버는 분말성형 금형의 펀치와 다이의 클리어런스 관리가 양호하지 않은 경우에 많이 발생하므로 이와 같은 금형 가공의 고도화에 공헌한다. 드롭렛 측정의 경우는 양호한 절삭칩 배출을 달성하기 위해 필요한 플루트 면에 요구되는 면 성상을 평가할 수 있다. 이 측정 기술에 의해 양호한 절삭칩 배출로 드릴의 상처 없는 내경 가공과 절삭칩 막힘에 의한 공구 파손 없는 안정된 장시간 가공을 실현할 수 있다.

 

또한 보통 플루트부는 곡률을 가진 형상이기 때문에 그 원호 형상에 묻혀 2차원적인 측정으로는 검출하는 것이 매우 어렵다. (주)유로테크노의 소프트웨어는 필터로 곡률을 제거할 수 있으며, 미소한 드롭렛도 가시화해 크기나 높이를 평가할 수 있다. 제조 공정의 공구 측정 사례를 이하의 그림 6 (a), (b)에 나타냈다.

 

 

맺음말

 

이번에 가공의 고도화를 실현하는 비접촉 계측 기술에 대해서 측정 사례를 중심으로 (주)유로테크노의 최신 기종인 알리코나 G6 등의 기능과 특징도 함께 소개했다. (주)유로테크노에서는 이러한 시장 요구를 파악해 요구되는 기능과 정도에 대응하는 기술을 밤낮으로 연구해 제품 개발을 하고 있으며, 앞으로도 새로운 수요에 따른 제품 개발을 추진해 갈 것이다. 향후 (주)유로테크노의 제품 전개에 기대해 주길 바란다.

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