‘진직도’란 대상으로 하는 직선형체가 기하학적으로 올바른 직선에서 어긋난 크기를 말한다(세계대백과사전에서). 또한, 공작기계와 관련해서는 기계 움직임의 직선성이나 공작물의 형상평가에서 사용된다.

‘진직도’에서는 메탈 원기(原器)와 같이 원기가 되는 것이 없으며, 직진하는 광선(레이저 측장기, 오토콜리미터)이나 중력방향(수포식, 진자식 수준기), 또는 어떤 식으로든 인공적으로 진직도를 정의한 수치 규정이나 계측장치에서 비교 측정하여 평가하고 있다.

공작기계에서 가공을 실시한 이후, 가공물 형상이 지시대로 완성되었다는 것에 대한 확인, 평가가 필요하다. 기존에 올바르게 가공물을 평가할 때는 지시대로 가공되었을 것이라고 예상하고 측정실로 가져가 평가하는 것이 일반적이었다. 측정실에서는 당연히 고가의 측정기와 게이지 등을 이용하여 나름대로 순서를 밟아 측정한다. 또한, 대형 워크일 경우에는 측정기의 종류에 따라 대형 측정기가 필요한 경우도 있다.

가공환경과 측정실 환경의 변화에 따라, 열적, 혹은 응력 변형적으로 안정될 때까지의 대기시간을 포함하여, 앞서 언급한 측정기로 신중하게 계측작업을 실시하고, 측정값을 얻는 것이 일반적이다. 최종적으로 이를 통해 얻어지는 측정 결과가 불합격일 경우에는 다시 기계에 올려 재가공을 하고 합격할 때까지 일련의 작업순서를 반복하게 된다.

한편, 워크를 가공기에서 내리게 할 경우의 판단은, 테스트 인디케이터 등에 따라 기계운동과 가공면과의 평행을 확인한다. 이것은 기계의 운동특성이 워크에 양호한 정밀도로 전사되었는지를 확인하는 것으로, 진직도를 측정하는 것은 아니다. 이러한 기계의 운동 진직도가 규정되어 있을 경우에는 평가를 할 수 있지만, 이것이 어떤 환경에서의 데이터인지, 순간 정밀도를 신뢰할 수 있는지, 진직도 게이지와의 비교에서 평가한 경우라는 이러한 게이지의 데이터는 어떤 환경 하에서의 데이터인지, 그리고 이러한 경우가 워크가 탑재된 기계 상에서 비교할 수 있는지, 등과 같은 의문이 시작되면 끝이 없을 것이다.

Nagase Integrex에서는 예전부터 전시회 등을 통해 이와 같은 측정과 가공과의 관계에서 번거로움을 대폭 줄이기 위한 하나의 수단으로 ‘기상 진직도 측정장치’를 소개해 왔다.

순차 3점법

Nagase Integrex의 정밀가공기를 이용할 경우 항온실까지 동시에 도입하여 안정된 환경에서 기계 정밀도 기준으로 사용하여 평가하면 좋겠지만, 이것이 불가능한 경우라도 사용할 수 있는 측정방법이 있다. 그중 하나가 순차 3점법(三點法)이다.

순차 3점법이란 등간격의 일렬로 나열된 3개의 변위센서로 구성되는 ‘3점 헤드’(그림 1)에서 변위센서 장착피치를 이동피치로 한 3점 동시계측을 거듭 반복하여 형상을 산출하는 방법이다. 측정 헤드까지는 이동 테이블에서 운동오차와 형상을 분리할 수 있다(그림 2).

▲ 그림 1 3개의 변위센서로 구성되는 ‘3점 헤드’

▲ 그림 2 초정밀 측정 소프트웨어 데이텀을 중심으로

‘운동오차와 형상을 분리 가능하다’는 것은 커다란 장점이다. 측정장치의 운동 진직성과 상관없이 진직도 계측이 가능하다. 장치의 운동 진직성이 우수하지 않더라도 주사 중 진동이 있더라도 여기에 영향을 미치지 않고 측정할 수 있다. 즉, 노후화되어 약간 상태가 좋지 않은 공작기계나 간단한 반송장치, 혹은 진동환경이 좋지 않더라도 문제없이 측정할 수 있다.

일반적인 순차 3점법 연산결과로는 이동 피치마다의 포인트를 꺾은 선 그래프 등으로 합산하여 이미지로 나타낸다(그림 3). 그러나 이 시스템에서는 주사 시 연속 샘플링을 실시하기 때문에 이러한 데이터까지 사용하여 피치 중간의 형상경향을 부가시킬 수도 있다.

▲ 그림 3 순차 3점법 연산결과

순차 3점법의 약점

운동과 형상을 분리할 수 있는 순차 3점법은 민감한 부분도 있다. 측정에서는 기준이 필요하지만, 이러한 측정방법에서는 등간격으로 배열한 3가지 변위센서의 돌출량에 오차가 있으면, 길이에 대해 상승적으로 오차(2차식으로 나타낼 수 있음)가 누적되어 버린다. 측정 전체 길이를 3개 변위센서의 장착 피치마다 반복하지만, 전체 길이가 길어져 그 횟수가 늘어나면, 오차도 상승적으로 커진다.

이 때문에 3개의 변위센서를 0기준으로 하여 측정이 끝날 때까지의 온도 드리프트, 전기적 드리프트를 억제하기 위해서라도 최대한 단시간에 실시해야 하며, 물론 온도환경 등도 더 엄격해진다. 또한, 기상 게이지의 세팅을 실시하는 등의 작업순서는 약간의 번거로움이 있는 것 또한 사실이다.

순차 3점법은 이미 알려져 있는 기술로, 예전부터 학회발표 등도 진행되었으며. 각 기업에서도 다루고 있었지만, 실용화에는 이르지 못했다. 이것은 상승적으로 커지는 오차가 하나의 원인으로 실용영역까지는 이르기 어려웠던 것으로 보인다.

해결책 중 하나

수평면내 진직도 이외라면, 3개의 변위센서 0기준을 기준 게이지로 직접 맞추지 않아도 측정구간의 양끝 기울기차(각도차)를 관찰하여 연산하는 식으로 진직도를 구할 수도 있다.

3개의 변위센서 0기준을 맞추지 않고 순차 3점법을 실시하면, 오차를 포함한 측정형상을 구할 수 있다. 오차는 2차 성분이 된다는 것을 알고 있기 때문에 오차를 포함한 형상과, 실제 워크 양끝의 기울기차에서 오차성분(2차식)을 구할 수 있다. 그리고 이것을 제외하여 측정물 형상을 얻을 수 있다(그림 4). 단, 지구의 인력을 이용한다는 점에서 측정 가능한 조합은 잠재운 상면의 수직면내 진직도, 혹은 긴 쪽의 수직방향으로 세워진 면의 진직도로 한정된다.

▲ 그림 4 오차를 포함한 형상과 실제 워크의 양끝 기울기차이에서 오차성분을

구할 수 있다

지금까지 게이지에 따른 0기준을 확인하여 2차 오차가 커졌지만, 워크 양끝의 기울기 차이로 고정되어 오차가 작아진다. 이것은 워크가 길어질수록 유리하게 작용한다. 이것으로 오차가 커지는 것에 대한 고민이 한꺼번에 해소된다. 아마도 개발담당은 더욱 고성능을 원하는 경향에 있어, 현재 상황에 대해 좀처럼 만족하는 것 같지 않았지만, 여기에서는 실용영역에 도달했다는 것을 실감할 수 있었다.

도입 예

도입 예는 다음과 같다.

오면가공기 상에 반복적으로 가공되는 대형 부품에서는 한 쌍의 직동레일 장착면이 있어, 가공면 성상은 일률적으로 정비된 커터모양이다. 도입 전까지는 전품을 계측 공간으로 가져가, 전용 지그로 숙달된 기술을 가진 한정된 작업자가 평가를 했다.

3점 헤드 변위센서는 비접촉식 레이저 변위계를 채용하여 기준 게이지는 이용하지 않고, 수준기를 병용하는 방법으로 대응한다. 

3점 헤드와 수준기 헤드의 합계 2종류의 헤드를 두고, 머시닝을 이용한 ATC로 자동 교환하는 구성으로 했다. 계측대상 구분에 따라 헤드의 자세를 변경하기 위한 서보모터를 탑재시켰다.

ATC에서 자동교환을 하기 때문에 번거로운 케이블 관련 처리를 배제시키기 위해 무선식을 채용했다. 리튬이온 전지를 탑재하여 연속 6시간 운전도 가능하다.

전용 소프트웨어에도 대응했다. 평가한 진직도 형상이 1차인지, 그 이상인지 각각의 임계값을 설정하고 OK인지 NG인지를 판단한다. 장착면의 진직도 외에 한 쌍의 레일 장착면에서 비틀림 관련도 평가한다(그림 5). 납품처에서는 장치도입으로 확실한 효과를 거두고 있다.

▲ 그림 5 전용 소프트웨어 화면

이번에는 머시닝 ATC에서 대응했지만, 고정밀 로봇에서의 대응도 가능하다. 순차 3점법의 장점으로 주사 중 자세나 진동 등은 연산의 영향을 받지 않기 때문에 취소할 수 있는 특성을 활용한 방법이라고 할 수 있다. 로봇을 이용해 운전하여 가공하면서 작업공간에서 계측할 수도 있다. 로봇에 주사시키는 것까지는 가지 못해도 저가의 직동유닛으로 작업하는 것이 가능할 것으로 보인다.

다음으로 수준기 병용으로 실현하고 있는 정밀도에 대해 소개한다. 측정피치를 100mm로 한 경우, 1m에서 0.31μm, 2m에서 0.56μm, 4m에서 1.1μm의 오차로 측정평가를 할 수 있게 되었다(수준기 정밀도가 2μm/m일 경우, 반복 재현성으로).

한층 더 높은 고정밀도화를 목표로

측정정밀도 향상을 목표로 하기 위해서는 수준기의 고정밀도화를 꼽을 수 있으며, 이를 위한 개발을 추진하고 있다. 

당시에는 지금까지 사용했던 수준기는 진자식 디지털 수준기로 차동 트랜스를 이용했다. 표시 분해능은 0.001mm/m, 메이커 보증은 0.005mm/m 정도였지만, 실제로는 0.002mm/m의 재현성이 있다고 평가하고 있다. 이를 이용한 상태에서 2m 길이에 대해 1μm의 신뢰성으로 진직도 측정이 가능하지만, 그 이상을 원한다면 수준기의 고정밀도화가 필요하다.

기본 구조는 진자식과 크게 달라진 것은 없지만, 각도 변화를 레이저를 이용하여 평가한다. 분해능이 높아지면 당연히 문제가 생긴다. 보이지 않던 진자의 흔들림과 같이 어떻게 덤핑시킬 것인지가 과제가 된다. 덤핑이 한계에 달해 주파수가 내려가면, 이후에는 연산으로 측정값을 처리하는 것을 검토했다. 한쪽 손에 잡힐 정도의 콤팩트함으로 0.24μm/m(0.05arcsec)의 기울기가 안정적으로 평가되어, 진직도 측정장치 유닛으로서의 탑재도 예정되어 있다. 이를 이용하여 시뮬레이션 상에서는 2m 길이에 대해 0.07μm까지 관찰할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

구성

데모기는 Nagase Integrex 테크니컬센터에 상설되어 간단한 작업으로 고정밀 측정이 가능하며 그 외에도 주사 중 3점 헤드가 흔들려도 영향이 없다는 것을 체험할 수 있다.

실제 시스템 구성 베리에이션은 4가지를 준비하고 있다.

① ‌기준 게이지 없는 ‘파상도(Waviness)’ 측정만의 사양(절대적인 형상과 수치를 필요로 하지 않고 파상도만 평가하면 되는 경우)(길이가 길어지면 전체의 큰 휘어짐은 거치방법 등으로 쉽게 조정할 수 있거나, 상대를 따라가 버린다는 생각을 전제로 2차 성분을 제외한 파상도 성분만으로 평가하는 방법으로 장착을 조정하기 어려운 성분을 중요시하는 것).

② ‌수직면내의 절대정밀도를 평가하기 위해 수준기 병용사양(이른바, 평면연삭반에서 일반적인 가공을 할 경우의 가공 상 면 평가).

③ ‌수평면내 평가를 위한 기준 게이지 부가 기계 장착 시스템(평면연삭반일 경우라면 측면연삭에서 마무리하는 수직면에 해당하며, 예를 들어 레일 장착 어깨받침 부분의 평가 등).

④ ‌정반 테이블을 포함한 측정기(정반주사 유닛) 풀세트(공작기계 상이 아니라, 전용 측정기로 준비. 검사 등으로 하나로 묶어 진행한다면 이러한 방식이 사용하기 편리할 것으로 생각된다)(그림 6).

▲ 그림 6 정반 테이블을 포함한 측정기(정반주사 유닛) 풀세트

또한, 유저의 용도에 따라 3점 헤드의 변위센서 종류, 피치 변경제안 등, 세부적인 사양 대응에도 유연하게 대응할 수 있다.

데모장치로 실장하여 테스트 측정 등도 가능하다. 실제 현장을 보여준다면 가공과 계측에 최적의 구성을 함께 구축할 수 있을 것으로 판단된다. 관심이 있는 분이라면 업체로 상담하기 바란다.

앞으로 수준기로 계측할 수 없는 방향을 어떻게 오차 없이 계측할 것인지에 대한 순차 3점법의 약한 부분도 해결해야 할 것이다. 

또한, 피치마다 연결해서 맞추는 순차 3점법의 형상 데이터에 피치 사이의 점을 어떻게 형상에 포함시켜 표현할 것인가도 해결해야 할 과제 중 하나이다. 이러한 과제에 대해서는 계속해서 검증을 진행할 예정이다. 

郷 泰幸

Nagase Integrex 제조본부 품질관리실  실장

본 기사는 일본공업출판이 발행하는 「기계와 공구」지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.