Renishaw는 30년 이상에 걸쳐 기상(機上)계측용 터치 트리거 프로브 및 기상계측 소프트웨어를 개발·판매해 왔다.
터치 프로브 발매 당시에는 주로 공작기계 상에서의 워크 셋업(워크 원점설정) 용도에 사용되었지만, 점차 워크 셋업에서 기상에서의 워크 치수계측에도 사용하게 되었다.
게다가 기상 워크계측에서는 단순히 기하형상뿐만 아니라, 경사가 진 형상이나 곡면 등의 3D 형상계측에 대해서도 요구하게 되었다. 그러나 터치 계측에서는 3D 형상부터 치수관리상 중요하다고 생각되는 계측점을 선택하게 되어 형상정보로는 충분하지 못하기 때문에 계측 개수가 증가하면 계측 시간이 늘어나는 등의 과제가 있었다.
이런 점을 고려하여 Renishaw는 스캐닝으로 워크를 계측할 수 있는 SPRINT 시스템을 개발했다. SPRINT 시스템에서는 워크형상 계측이 가능한 SPRINT with Productivity+와 워크 셋업용을 예상하여 평면·원 계측에 특화된 SPRINT with SupaScan이라는 2가지 제품 라인업이 있다.
여기에서는 더욱 고도의 기술이 내장된 SPRINT with Productivity+(이하, SPRINT P+)에 대해 소개한다.
시스템 구성
SPRINT P+는 그림 1과 같은 구성으로 되어 있다. 하드웨어는 모두 SPRINT 시스템 전용이며, 기존의 터치를 이용한 계측에도 대응한다. 기본적으로는 머시닝센터에서의 사용을 예상할 수 있으며, 대상 기기는 직교 3축을 갖는 것이 필수조건이다. 또한, 기존의 터치계측 시스템과는 달리, 윈도 베이스의 PC 또는 PC 탑재 타입의 NC가 필수이다.
▲ 그림 1 시스템 구성
스핀들 프로브 OSP60은 분해능 0.025μm의 아날로그 센서를 탑재하고 있다. 나중에 언급할 캘리브레이션(Calibration)을 이용하여 센서로 감지하는 변화량을 XYZ 방향의 변위량으로 출력할 수 있기 때문에 3축 동시제어 계측이라도, 어떤 방향에서 얼마나 변위되었는지를 파악할 수 있다. 또한, 스캐닝 계측 중에는 1초 동안 1,000포인트의 데이터가 프로브에서 전송되기 때문에 스캐닝 이송속도가 빨라도 충분한 데이터를 취득할 수 있다. 그리고 전원에서는 CR123 리튬전지를 3개 사용한다.
수신기 OMM-S는 기기 내 설치되어, OSP60 프로브와 적외선으로 통신한다. 송수신 가능범위는 최대 4.5m이며, 기계 사이즈나 설치 상황에 따라 2개 장착도 가능하다.
인터페이스 OSI-S는 공작기계의 I/O 유닛과 전기배선으로 동작모드를 제어하거나 프로브 변위량 과대 시 출력신호 등을 기계로 전송하기도 한다. 또한, 이더넷 케이블을 이용하여 PC와 접속되어 OMM-S로 수신한 OSP60에서의 변위량 데이터를 PC로 전송한다.
스타일러스는 스트레이트 타입만 대응하며, 길이는 75∼150mm를 권장한다. 선단구 재질은 루비와 질화규소를 준비했다.
기계 데이터의 동기
SPRINT P+에서는 Productivity+CNC Plug-in(이하, Plug-in)이라는 PC 소프트웨어가 필요하며, 이것을 NC에 접속된 PC 또는 NC 프런트엔드 PC에 인스톨한다. Plug-in은 각 하드웨어의 설정이나 제어, 및 프로그램 실행 중 시스템 제어나 해석을 담당하는 중요한 소프트웨어이다. 스캐닝 계측실행 중, Plug-in에서는 프로브에서의 변위량 데이터와 함께 기계 NC에서 이동 중인 좌표위치 데이터를 실시간으로 입력하도록 하고 있다. 그리고 입력된 변위량 데이터와 좌표 데이터의 시간축을 일치시켜, 스캔 중 어떤 위치에서 스타일러스가 어느 정도 변위했는지를 해석한다. 이것으로 스타일러스 선단구의 중심위치 궤적을 구할 수 있으며 또한 스캐닝한 면의 실제 형상까지 산출할 수 있다. 기계에서 좌표 데이터를 입력하여 프로브 변위 데이터와 동기시킨다는 점이 SPRINT P+의 최대 특징이며, 이것으로 워크 형상을 정확히 파악할 수 있게 되었다.
프로브 캘리브레이션
SPRINT P+에서도 처음에 사용하는 경우나 스타일러스를 교환할 경우 등에는 프로브 캘리브레이션을 해야 한다. 단, 기존의 터치계측 프로브와는 캘리브레이션 내용이 크게 달라진다.
기존의 터치계측용 프로브에서는 스타일러스를 워크에 터치하여 스타일러스가 기울어지면 터치신호가 출력된다. 터치계측용 프로브에서는 위치를 파악한 면에 스킵이동으로 터치시켜, 기계 정지 위치에서 스타일러스 눌림량(Depression Quantity)을 산출하여 이러한 눌림량을 보정했다.
한편, 스캐닝용 OSP60 프로브에서는 아날로그 센서를 이용한 눌림량 변화를 수치로 출력할 수 있다. 그러나 프로브 본체에는 어느 방향이 X축 또는 Y축인지에 대한 정의가 없으며 스타일러스 길이의 차이로 같은 눌림량이라도 스타일러스의 기울어진 각도가 달라진다. 이 때문에 아날로그 센서로 검출되는 변화량을 스타일러스 끝부분의 XYZ 방향 변위량을 변환시켜야 한다. SPRINT P+의 캘리브레이션에서는 이러한 변환을 위한 계수를 산출하고 있다.
캘리브레이션에서는 기준구를 사용하여 XY, YZ, XZ의 각 평면에서 몇 층의 원호스캔을 실시한다. 눌림량을 변경하여 반복적으로 스캔 사이클을 실행하여 캘리브레이션값을 산출한다(그림 2).
▲ 그림 2 기준구를 이용한 캘리브레이션
또한, 변환에 따라 산출된 변위량에서는 역치를 설정하여 이러한 역치를 넘을 경우 트리거 신호를 출력한다. 이러한 신호를 사용하여 터치계측 프로브로 이용할 수 있으며, 기존의 터치계측용 프로그램을 유용할 수도 있다.
터치계측에서는 메카접점식 터치계측 프로브와 같이 터치방향에 따른 출력 타이밍의 불균일(방향특성)도 없으며, XYZ 3축 동시 어프로치 터치계측도 가능하다.
게다가 스타일러스를 워크에 접촉시켜 그 자리에서 변위량을 판독하여 접촉점 위치를 산출하는 터치계측도 가능하며 고속이송에 가까운 속도의 터치계측도 실현한다.
SPRINT P+를 스캐닝 계측에서 사용할 경우에는 AMS(Auto Machine setup)라는 프로세스를 실용하여 기계특성을 보정한다. 구체적으로는 가감속 특성, 패스 추종성 및 신호전달 딜레이가 보정된다.
이것으로 패스 형상이나 이송속도에 의존하지 않고 프로브 변위량 데이터와 기계좌표 데이터를 동기할 수 있게 되었다.
이러한 프로세스로 기계특성의 영향이 극한까지 배제되어 정밀도 높은 계측이 가능해졌다.
스캐닝 계측
지금까지 설명한 시스템 구성이 표준 SPRINT P+ 시스템이며, 이 구성으로 프리즈마틱(Prismatic) 형상(원, 원호, 평면) 스캐닝 계측이 가능해졌다. 스캐닝 계측으로 기존의 터치계측에서는 검출하여 실패할 가능성이 있던 형상의 손상이나 요철 등도 검출 가능(그림 3)해 졌다. 또한, 터치계측과 비교하여 사이클타임이 대폭 단축되는 것 또한 기대할 수 있다.
▲ 그림 3 터치계측과 스캐닝계측
1. 스캐닝 계측 프로그램의 작성
Plug-in 상에서 간단한 프로그램 작성은 가능하지만, Plug-in 상 프로그램 작성은 매뉴얼 입력작업을 해야 하므로 번거롭다는 단점이 있다. 또한, 프리즈마틱 형상 이외의 곡면형상 등의 계측 프로그램을 매뉴얼로 작성하는 것은 불가능하다.
이런 점에서 프로그램 작성용 PC 소프트웨어 Productivity+Active Editor Pro(이하, AE Pro)를 옵션으로 준비했다(그림 4). AE Pro는 CAD 모델 데이터를 Import하여 모델 데이터에서 계측 프로그램을 작성할 수 있는 소프트웨어로 예전부터 터치계측용으로도 판매된 제품이다.
▲ 그림 4 AE Pro 화면
이 제품에 SPRINT 옵션을 추가하여 스캐닝 계측 프로그램 작성이 가능해졌다. 원래부터 터치계측용 범용 소프트웨어였기 때문에 SPRINT 옵션을 추가하면 터치계측과 스캐닝계측의 양쪽을 내장시킨 프로그램 작성도 가능하다. 또한, AE Pro에서는 시뮬레이션 기능이 부가되어 있으며 간섭 없이 체크도 할 수 있다.
SPRINT P+에서 AE Pro는 Plug-in과는 다른 별도의 윈도 PC로 운용한다. 그림 5는 프리즈마틱 형상의 스캐닝계측 패스를 작성한 예이다. 메뉴에서 원스캔 또한 평면스캔을 선택하여 모델 상 형상을 지정하면 간단하게 스캐닝계측 프로그램을 작성할 수 있다. 작성한 프로그램은 임의의 매체를 이용하여 Plug-in을 인스톨한 PC 또는 NC에 직접 로드하여 사용한다.
▲ 그림 5 스캐닝계측 패스의 작성 이미지
프리즈마틱 계측(그림 6)을 실행하면 그 계측 결과는 Plug-in 상에 리포트로 표시할 수 있다. 그림 7과 같은 텍스트 표시나 원스캔에 대해서는 플롯 표시도 가능하다.
▲ 그림 6 프리즈마틱 계측
▲ 그림 7 리포트 화면
툴 키트
특정 애플리케이션에 대해 툴 키트라는 기능 확장 옵션이 준비되어 있다. 여기에서 몇 가지 툴 키트의 기능에 대해 소개한다.
1. Free Form Surface 툴 키트
Plug-in에서는 스타일러스 선단구의 중심위치 궤적을 구할 수 있었지만, 스타일러스 선단구의 어떤 점이 계측대상 면의 어떤 점과 접하고 있는지 알 수 없기 때문에, 면 형상을 산출하기가 쉽지 않았다. 그러나 Free Form Sur-face 툴 키트(이하, FFS)에서는 Renishaw의 독자적인 해석기술로 실제 면 형상을 산출할 수 있으며, 3D 곡면의 면 형상을 파악할 수 있다.
AE Pro에 Add-On되는 FFS 옵션은 FFS Editor라고 하며, 이것으로 AE Pro 상에서 스캔패스로 곡면을 선택할 수 있다.
3D 모델의 곡면상에서는 라인을 지오메트릭 형상으로 미리 생성해 둔다. 이때 3개 이상의 평행한 라인을 생성해 두어야 한다. AE Pro에 3D 모델과 지오메트릭 형상을 Import하면, 그림 8과 같이 곡면상 라인을 선택할 수 있게 된다.
▲ 그림 8 FFS Editor
FFS 계측에서는 스타일러스 선단구의 중심위치 궤적을 산출하여 이를 토대로 새로운 면 형상을 산출한다. 새롭게 생성한 면 형상에서 곡면상 포인트인 좌표값, 면 벡터 및 CAD 모델과의 편차량을 산출한다. 이러한 면 형상을 새롭게 생성하는 기술이 FFS의 최대 특징이며, 이 기술을 통해 복잡하게 한 곳으로 모여든 곡면 형상이라도 실제 면의 정보를 정확하게 구할 수 있다(그림 9, 10).
▲ 그림 9 FFS 프로세스
▲ 그림 10 3D 형상 스캐닝
FFS의 계측 결과는 Plug-in 측의 PC에 텍스트 형식으로 저장되어 곡면상 포인트의 좌표값, 면 벡터 및 CAD 모델과의 편차를 출력할 수 있다. 또한, 출력하는 포인트의 간격은 임의로 설정할 수 있다. 또한, 계측 결과를 기계의 마크로 변수에서 출력하여 인프로세스 제어를 사용하는 것도 가능하다.
2. Blade 툴 키트
Blade 툴 키트(이하, BTK)는 Blade나 Blisk의 날개단면 형상 계측에 특화된 툴 키트이다.
SPRINT P+는 동시 5축 제어에 따른 계측이 불가능하며, 테이블을 임의의 위치에서 산출하여 3축 제어로 계측을 한다. 그러나 Blade를 1주하는 스캐닝계측은 하나의 테이블 산출위치에서 실시할 수 없다. 이런 점을 감안하여 BTK에서는 그림 11과 같이 스캔패스를 2개의 Blade 면과 2개의 에지부 4개로 분할하여 4개의 산출위치에서 스캐닝계측을 실행한 이후, 연결하여 맞춰 Blade 단면형상을 산출한다.
▲ 그림 11 BTK 프로세스
BTK는 보수(Refurbished)에서의 적응가공에 대한 사용을 예상한 키트로 되어 있다. 이 때문에 Blade 위치의 얼라이먼트 확인용으로 Edge Find 기능이 준비되어 있다. 이 기능으로 2개의 에지위치를 검출한 이후, 스캐닝계측을 실행하도록 되어 있다.
패스 생성이나 면 형상을 산출하는 프로세스는 FFS의 기능을 사용하고 있으며, 패스를 4분할하여 결과를 연결하여 맞추는 기능과 Edge Find 기능이 BTK의 최대 특징이라고 할 수 있다.
또한, 스캐닝계측의 데이터양이 가져오는 고밀도 계측은 곡률반경이 작은 Blade의 에지 주변 측정에서 특히 효과를 발휘한다(그림 12).
▲ 그림 12 Blade 스캐닝
맺음말
공정집약이나 비용절감을 위한 기외 계측에서 기상 계측으로 이행하는 동향을 보이고 있는 가운데, 기상 계측에 대한 요구는 점점 더 고도화될 것으로 예측된다. SPRINT P+는 고속이면서 고정밀도의 스캐닝 계측을 실현하여 기상 계측에 혁신적인 발전을 가져왔다. 아직 애플리케이션이나 대상기계에 제약이 있지만, 기상 계측의 가능성이 크게 확대될 것으로 전망된다. 시장의 기대에 부응하기 위해 Renishaw에서는 성능을 향상, 확장시키기 위해 계속 개발할 방침이다.
Renishaw 공작기계 계측 솔루션그룹
본 기사는 일본공업출판이 발행하는 「기계와 공구」지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.
게재월 | 2018 - 02 3649 0