3차원 측정기 LEGEX 타쿠미 모델과 기능 전승

2024.06.01 09:38:09

카시와부치 쇼지 ㈜미쓰도요 MC공장 상품설계부 1과 과장

[#강추 웨비나] 제조업이 직면한 과제 해결을 위한 미쓰비시전기의 디지털전환(DX) 제안 (7/16)

2023년 9월 미쓰도요는 세계 최고 수준의 정도를 자랑하는 CNC 3차원 측정기 LEGEX에 타쿠미(장인)의 기능을 더해 정도를 더욱 향상시킨 LEGEX 타쿠미 모델(이하 타쿠미 모델이라고 한다)을 발매했다(그림 1). 타쿠미 모델에서는 최대 허용 길이 측정 오차 : E0, MPE=(0.23+0.7L/1000)μm를 실현, 1m의 측정 오차가 0.93μm 이하가 되어 드디어 측정 정도가 서브 마이크로미터대에 돌입했다.

 

이 글에서는 타쿠미 모델 상품화까지의 경위와 타쿠미 모델의 특징에 대해서 설명한다. 또한 타쿠미 모델을 설명하는 데 있어, 미쓰도요의 기능 전승에 대한 대응도 빼놓을 수 없기 때문에 이에 대해서도 소개한다.

 

미쓰도요란

 

 

미쓰도요는 ‘정밀 측정으로 사회에 공헌한다’를 경영 이념으로 삼고 있으며, ‘측정’을 통해 제조에 종사하는 사용자의 지속적 발전과 가치 창조에 공헌하는 것을 염두에 두고 1934년에 창업했다. 아날로그식 마이크로미터 생산을 시작으로, 현재는 5,500종류 이상의 정밀 측정기기를 제조/판매하고 있는 세계 유수의 정밀 측정기기 종합 메이커이다.

 

미쓰도요의 3차원 측정기로 눈을 돌려 보면, 본체, 스케일, 컨트롤러, 프로브, 소프트웨어까지 모두를 자사에서 개발하고 있다. 또한 게이지블록 등의 측정 기준기에서부터 기준기의 교정장치까지 자사에서 개발하고 있는 점이 정밀 측정에 특화되어 있는 최대 강점이다.

 

기능 전승의 대응

 

미쓰도요의 측정기기는 높은 기술력과 깊은 기능력이 뒷받침하고 있다고 해도 과언은 아니다. 이 ‘깊은 기능력’의 최고봉에 위치하는 것이 ‘타쿠미의 기능’이다. 미쓰도요는 1995년부터 ‘스승 제도’라는 시스템을 내걸고, 고도 또는 특수한 기술·기능의 계승과 후진 육성을 도모해 왔다.

 

그러나 미쓰도요가 중기 경영 계획에서 목표로 해온 ‘Made in Japan의 제조’라는 최근 급속히 변화하고 있는 기술 요구(보다 품질이 높은 제품 제조의 강화) 속에서 깊은 기능을 지닌 기능자들이 활약하는 장이 급속히 확대되는 동시에, 기능 전승의 속도 향상이 급무가 됐다. 또한 그들의 기능을 이어받는 젊은 기능자의 체질 변화(기능을 훔치는 것에서 가르쳐 받는 체질로 변모)를 타개하기 위해 2020년에 타쿠미위원회(당시에는 타쿠미분과회)를 발족했다(그림 2).

 

 

그리고 다음해인 2021년에 ‘타쿠미 마이스터 제도’라고 해서 기존의 ‘스승 제도’를 버전업한 기능 전승의 시스템을 재구축했다. 이것에 의해 지금까지의 개인적인 기능 계승 활동에서 조직(타쿠미위원회가 지원)적인 기능 전승 활동으로 전환을 도모하는 동시에, 타쿠미 마이스터에 대한 동기 부여를 높일 수 있는 많은 장치도 도입했다.

 

그 하나가 ‘타쿠미 배지(badge)’이다. 이 타쿠미 배지는 동사의 측정 기준기인 세라믹 게이지블록에 사내 기술을 구사한 레이저 흑색 각인 기술을 이용해 제작되고 있다. 디자인은 타쿠미(TAKUMI)가 동사를 지지하고 있는 것을 문자의 배치로 표현하는 동시에, M 문자를 산 모양으로 디자인함으로써 타쿠미의 기능에 달하는 것은 산을 오르는 것과 같아서 착실하게 한 걸음 한 걸음 정상을 향한다는 의미가 담겨져 있다. 미쓰도요는 기능 전승에 적극적으로 대응할 뿐만 아니라, 시대의 변화에 맞춰 전승의 구조에도 개선을 더하고 있다.

 

타쿠미 모델 개발까지의 경위

 

‘타쿠미분과회’ 설립과 함께 제안한 것은 ‘타쿠미의 기능’을 사용한 신제품을 세상에 내놓는 것이었다. 이 구상을 실현하기 위해 타쿠미위원회의 회원으로 검토를 하여 ‘최상의 3차원 측정기를 만들자! 프로젝트’를 발족했다. 이미 세계 최고 정도를 자랑하는 LEGEX를 더욱 고정도로 만들기 위해 ‘타쿠미의 기능’을 주입하는 것을 계획한 것이다.

 

이 계획을 기획하는 데 있어 백업 팀을 발족시키기 위해 각 방면의 관계자를 설득해 아이디어를 창출했다. 또한 개발 예산도 상당한 금액이 필요했는데, 경영 간부의 이해와 지원을 받아 개발을 시작할 수 있었다. 그 결과, 아낌없이 ‘타쿠미의 기능’을 투입해 개발을 추진할 수 있었을 뿐만 아니라, 타 공장에서 제작하고 있는 MPP 프로브나 글래스 스케일까지 손볼 수 있었다. 그러나 개발을 추진해 보니 가공이나 검사 지그 개발 및 검사 방법·평가 방법의 검토, 디자인 결정, 상표 등록 등 많은 과제가 발생했는데, 그때마다 미쓰도요 원팀의 정신으로 극복할 수 있었다.

 

또한 개발 시에는 기술 자산을 확실히 남기기 위한 고안(관찰자를 한명 전속으로 임명)을 해서 타쿠미 마이스터의 활동을 상세히 기록(사진, 동영상, 데이터, 개념 등)으로 남기는 것을 진행했다(그림 3). 이 방대한 기록은 앞으로 미쓰도요의 3차원 측정기 개발에 크게 공헌할 것으로 믿고 있다.

 

 

‘최상의 3차원 측정기를 만들자! 프로젝트’로 개발한 LEGEX에서 실시한 것은 각 축의 가이드를 최대한 곧게 다듬질했을 뿐이다. 그 결과, 최대 허용 길이 측정 오차 : E0, MPE=(0.13+0.8L/1000)μm를 실현할 수 있었지만, 표준기에 비해 7배 넘는 조립 공수가 소요됐다. 정도가 최상이 됐지만, 제조 코스트도 최상이 되어 버렸다.

 

이대로 상품화는 힘들기 때문에 대응한 시책 중에서 특히 정도에 효과적인 부분에 목표를 두고 타쿠미 모델을 상품화하기로 했다. 상품화 개발은 3차원 측정기의 상품 설계 부문이 담당했는데, 그 결과로서 탄생한 것이 타쿠미 모델이다. 타쿠미 모델에서는 기술의 알짜만을 결집한 LEGEX에 타쿠미의 기능을 더함으로써 첫항 0.23μm를 실현했다. 구조나 부품은 아무것도 바꾸지 않았다. 더한 것은 ‘타쿠미의 기능’과 ‘타쿠미 모델’의 엠블럼뿐이다.

 

타쿠미 모델이란

 

타쿠미 모델 전에 우선 LEGEX에 대해서 설명한다. LEGEX는 서브 마이크로미터의 측정 정도를 실현할 수 있는 초고정도 측정기로, 1998년에 발표했다. LEGEX의 보증 정도는 초대의 첫항 0.48μm에서부터 시작해 개량을 계속 반복한 현재의 제4세대에서는 0.28μm까지 향상되어 현재도 최고 정도를 자랑하고 있다(그림 4).

 

 

최근 과학/산업 기술의 고도화, 제품의 고기능화에 의해 구성 부품에도 높은 수준의 품질 향상이 요구되고 있으며, LEGEX는 공작기계, 반도체 제조장치, 렌즈, 정밀 금형 등의 업계를 주요 타깃으로 하고 있다.

 

LEGEX의 특징

 

1. 고정 브리지형 구조를 채용

3차원 측정기는 측정 용도나 목적에 따라 여러 가지 구조가 이용되고 있다. 미쓰도요에서도 CRYSTA나 STRATO에서는 문이동형, MiSTAR555에서는 캔틸레버형 구조를 채용하고 있는데, 고정도 타입의 LEGEX에서는 고정 브리지형을 채용하고 있다(그림 5). 각각의 특징은 이하와 같다.

 

 

· 문이동형 : 공간 절감이나 저코스트화에 유리, 문 부분이 이동할 때에 발생하는 오차(피칭 오차나 요잉 오차)를 어떻게 저감하는지가 포인트가 된다.

· 고정 브리지형 : ‘문 부분의 이동에 의해 오차가 발생한다면 문 부분을 고정해 버리면 된다’는 발상으로, LEGEX에서는 이 구조를 채용하고 있다. 이 구조는 X축과 Y축의 운동을 완전히 독립시키고 있어 서로의 영향을 받지 않기 때문에 이동에 의해 발생하는 오차의 배제가 가능한데, 측정 범위에 대해 측정기 크기가 커지는 경향이 있다.

 

2. 고강성, 고감쇠성의 본체 베이스를 채용

고정도 측정을 실현하기 위해 본체에는 높은 강성과 높은 감쇠성이 요구된다. LEGEX의 본체 베이스는 이들을 실현하기 위해 FEM 구조 해석을 구사해 본체 베이스를 철저하게 분석하고 형상을 최적화(고강성화)하고 있다. 그 결과, 테이블 이동에 따라 발생하는 하중 변동에 의한 변형을 최소한으로 억제할 수 있게 된다. 또한 밀폐화 구조를 채용해 진동 감쇠성을 향상시킴으로써 추적 측정 시에 발생하는 진동을 억제해 초고정도 추적 측정을 실현한다.

 

3. 전축 센터 구동 방식을 채용

각 이동부의 중심 위치를 구동시킴으로써 구동축 주변의 관성 모멘트를 억제하기 때문에 가감속 시의 구조체 변형은 거의 발생하지 않는다. 또한 구동 방식은 플로팅 기구를 갖춘 특수 볼스크류를 채용하고 있다. 이것은 볼스크류 축 주변의 코니컬(conical) 운동이나 축에 수직인 면의 흔들림을 흡수하기 위해서이다. 플로팅식을 채용함으로써 볼스크류의 흔들림에 의한 운동 성능 영향을 배제할 수 있어 고속 구동이 가능해진다.

 

· 선팽창계수 : 0.01×10-6/℃(1,000mm, 1℃의 변화로 0.01μm의 신연)의 글래스 스케일과 고성능 리니어 엔코더를 조합한 초고정도 측장 유닛을 탑재하고 있다.

 

타쿠미의 기능으로서 대응한 내용

 

타쿠미 모델에서는 랩 가공에 의해 가이드 축을 곧게 다듬질하고 있다. 일반적인 랩 가공은 랩 정반 상에 랩재(숫돌입자에 소량의 윤활유를 혼합시킨 것)를 도포해 가공 워크를 두고 압력을 걸면서 워크를 문지름으로써 정밀하게 연마하는 가공 방법이다. 워크가 큰 경우, 이 관계성이 반대가 되어 고정된 워크상에 랩 정반을 두고 연마하고 있다. 압력이 걸린 상태, 사용하는 랩재, 연마면의 표면 성상에 따라 연마량이 변하게 된다. 또한 목표 부위를 목표한 양만 연마하는 기술도 요구되기 때문에 경험이나 노하우뿐만 아니라 높은 기능이 요구되는 가공 방법이다.

 

 

그림 6은 LEGEX 구조의 개략도이고, 그림 7은 베이스 가이드면의 랩 작업 모습이다. 여기서는 베이스 가이드면을 랩하는 공정을 간단히 설명한다.

 

 

연삭가공된 가이드면을 우선 측정해 볼록하게 되어 있는 부분을 목표로 랩 가공을 실시하고, 또한 측정해 랩하는 루프를 반목하면서 곧게 다듬질하고 있다(그림 8). 랩 작업은 테이블이나 칼럼이 실려 있지 않은 상태에서 하기 때문에 이들 무게에 의한 휨을 고려해 중앙부를 다소 볼록하게 다듬질하는 것이 포인트이다.

 

 

또한 베이스 가이드면은 좌우 양측에 배치되어 있는데, 이들은 각각 형상(높이, 기울기, 굴곡)이 다르며(그림 9) 테이블을 곧게 섭동시키기 위해서는 서로의 가이드면을 고려하면서 랩할 필요가 있기 때문에 타쿠미의 기능이 요구된다.

 

 

랩 가공에서 가이드를 어디까지 곧게 다듬질할 수 있는지를 램 축의 결과로 나타냈다(그림 10). 첫 그림은 연삭가공 후의 측정 결과이다. 현행의 LEGEX에서는 이 상태로 제품에 설치되어 있는데, 볼록하게 되어 있는 부분을 랩 가공으로 연마함으로써 각 부의 진직도나 대향하는 가이드면끼리의 평행도도 향상시키고 있다.

 

 

각종 측정 결과

 

이상의 대응을 실시한 타쿠미 모델의 각종 측정 결과를 이제부터 설명한다. 모든 결과를 실을 수 없기 때문에 측정 결과의 일부를 현행 기기와 비교하는 형태로 소개한다.

 

 

· 최대 허용 길이 측정 오차(E0, MPE)…E04, E07 방향만 발췌해 소개(그림 11) : 가이드를 극한까지 곧게 다듬질한 결과, 굴곡이 적고 데이터의 진직성도 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

· 옵셋 부가 최대 허용 길이 측정 오차(E150, MPE) : 램 축을 극한까지 곧게 다듬질함으로써 램 축의 롤링 오차를 대폭을 개선할 수 있었기 때문에 좌우 돌출된 옵셋 측정 시의 차이가 거의 없어졌다(그림 12).

· 진원도 : 그림 13은 ø45의 링 게이지를 YZ 평면에 배치하고 시계 회전 방향과 반시계 회전 방향으로 추적 측정한 결과이다. 추적 방향을 반전시키면, 원의 형상뿐만 아니라 직경값도 변한다는 것을 경험적으로 알 수 있다. 타쿠미 모델에서는 램 축과 MPP 축이 평행하게 되도록 다듬질하고 있기 때문에 원의 형상도 직경값도 거의 차이가 없는 결과를 얻을 수 있다.

· 진직도 : Y축의 가이드를 랩으로 다듬질한 결과, 곧게 다듬질되어 있다는 것을 알 수 있다. 더구나 좁은 범위의 굴곡도 적다(그림 14). 이외의 축에서도 마찬가지 결과를 얻을 수 있었다.

 

 

맺음말

 

이 글에서는 소개할 수 없었지만, 타쿠미 모델을 상품화할 수 있었던 또 다른 하나의 이유로서 장척 게이지블록 교정장치의 리뉴얼이 완료되어 2023년부터 가동 개시할 수 있었던 것을 들 수 있다. 이것에 의해 검사에 사용하는 게이지블록의 불확실성을 저감할 수 있었기 때문이다. 이것도 기준기의 교정장치까지 자사에서 개발하고 있는 미쓰도요의 강점이다.

 

이미 초고정도였던 LEGEX에 ‘타쿠미의 기능’을 더함으로써 월등한 정도(1m의 측정 오차가 1μm로)의 타쿠미 모델을 상품화할 수 있었다.

 

미쓰도요는 앞으로도 기술(제품)의 개량과 기능(타쿠미의 기능) 향상 및 전승을 계속해 갈 것이다. 현재 판매 중인 제품은 물론이고, 앞으로의 제품에도 기대해 주시기 바란다.

 

카시와부치 쇼지, ㈜미쓰도요 MC공장 상품설계부 1과 과장

마사다 노리오, 생산기술개발센터 센터장

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