이제 정밀 대형부품은 산업계에서 중요한 지위를 차지하여 고부가가치 창출에서도 커다란 역할을 하고 있다. 엄격한 공차를 통과한 부품을 이용하여 터빈은 우수한 에너지효율을, 발전용 풍차의 베어링이나 기어는 장수명화를, 그리고 자동차부품 제조에서는 우수한 품질을 실현할 수 있다.

이러한 정밀부품 가공에서 일본의 공작기계 메이커는 우수한 능력의 기계를 제작해 왔다. 이와 같이 우수한 가공 정밀도는 세계적으로 인정을 받고 있으며, 이른바 기하학(공간적) 편차를 최소 수치화시킨 ETALON사의 ‘3차원 공간보정’을 실시하여 이러한 정적 정밀도를 한층 더 개선시킬 수 있다. 레이저를 이용하여 기계의 공간오차를 미크론 단위로 특정하여 그 오차에 대한 보정값을 가공기에 전개시켜 기계에서의 공간적 정밀도를 향상시키는 것이다.

그렇지만 정밀도 항구적인 것이 아니다. 확실히 고정밀도 3차원 측정기에서 다수 채용되는 ETALON사의 공간보정을 실시한 직후에는 공작기계도 측정기와 같은 정적 정밀도를 보일 수 있지만, 그렇게 정밀했던 공작보정 조차 시간이 지나면 이러한 정밀도를 유지하기 어렵다. 온도변화나 기초침하, 마모나 충돌 등으로 기계의 정밀도는 서서히 열화된다. 이러한 상황과 관련하여 좀 더 구체적으로 말하자면, 공작의 공작기계 설치환경에 대한 정비가 불충분한 경우가 많다는 이유가 있다.

이와 같은 배경에서 ETALON사가 제안할 수 있는 솔루션에 대한 논의가 거듭됐다. ‘공작기계 자체적으로 이러한 기하학적 편차를 특정하여 보정이 가능할 것인가’라는 논의로, 만약 이것이 가능해지면, 다양한 환경 하에서도 더욱 고정밀도의 가공이 가능해질 뿐만 아니라 미세한 편차나 측정에서 상당한 어려움을 겪으면서도 매우 느슨한 상황에 있었던 기계의 열변위까지 정확하게 파악하여 보정할 수 있게 된다.

이러한 상황에서 ETALON사는 위에서 언급한 테마에 대해 2가지 레이저 측정기술을 이용한 시스템으로, 3차원 측정기 및 공작기계 메이커에서 폭넓게 도입되어 있는 공간오차 보정 시스템 ‘Laser TRACER’와 가속기의 빔 방향 조정용 클럽 공동 내 측정이나 거대 망원경의 렌즈 조정과 같은 대규모의 연구 프로젝트에서 실용화가 진행된 절대측정 길이 시스템 ‘Absolute Multiline’을 이용한 셀프 모니터링 시스템을 제안하고 있다.

대형부품 가공에서의 공간보정 유용성

1. 대형부품 가공의 과제

스팀이나 가스터빈을 비롯하여 핵융합에너지 부품이나 자동차의 금형, 풍력발전기의 기어박스, 항공기의 터빈과 같은 대형부품에는 엄격한 공차가 요구된다. 그렇지만 대형부품의 정밀도 확보와 품질을 고객에게 보증하는 것 또한 쉽지 않은 일이다.

대형부품의 대부분은 대형 공작기계로 가공되며, 대형 공작기계의 가공정밀도는 중소형 기계에 비해 정밀도 확보가 어렵다. 또한, 이러한 가공기가 설치된 환경은 정밀도 유지를 위해 충분히 정비되어 있다고 할 수는 없다. 계절뿐만 아니라, 날마다 변화하는 공장 내 온도는 물론, 부품 반출입으로 도어를 개폐해야 하는 것도 하나의 원인이 되고 있다. 또한, 가공물 크기가 커질수록 가공시간이 길어지기 때문에, 변화하는 환경온도가 정밀도에 영향을 미치게 된다. 말하자면, 온도변화에 따른 부품과 기계의 열변위는 우수한 정비로 가공함에 있어 커다란 과제가 되고 있다.

최근 들어서는 열변위 대책으로 공조설비를 정비하여 온도를 일정하게 유지하는 공장도 생기고 있지만, 천정이 높은 공장 전체를 공조 관리하는 것은 비용 면을 살펴볼 때 그리 간단한 일이 아니다. 또한, 공조 관리를 한다고 하더라도 도어 개폐로 인해 외기가 흘러들어와 온도변화에 영향을 주는 것을 방지할 수 있는 별도의 대책이 필요하다.

이와 같은 과제에 대해 ETALON사는 환경온도에 따른 기계 변화를 임의의 타이밍에서 모니터링하여 가공이나 계측에 피드백하는 시스템을 발표했다. 이 시스템에서 특정된 기계변위를 워크의 물체온도 기준에서 필요에 따라 보정하여 환경변화에 따른 가공오차의 영향을 억제하여 온머신 계측 정밀도를 높일 수 있다. 지금까지 불가능하다고 했던 정밀도관리 운용이 현실적이 되었으며, 이미 유럽의 선진 제조연구센터, 더 나아가서는 대기업 중전(重電) 메이커에서 시작되어 독일의 자동차 메이커에서도 도입이 예정되어 있다.

이러한 시스템 1대를 공장에 설비하여 몇 km의 거리에 대응하는 광섬유 케이블로 공장에 있는 100대 규모의 공작기계 및 측정기에 접속시킨다(그림 1). 단, 이러한 모니터링 시스템의 사용 전제로 기계의 정적 정밀도를 양호한 상태로 해 두어야 한다. 여기에는 ETALON사가 개발한 공간보정 시스템 ‘Laser TRACER’가 효과적이다.

▲ 그림 1 ETALON 시스템의 공장 정밀도 일원관리

2. 공간보정

ETALON사가 개발한 공간보정 시스템은 자동 추종식 레이저 간섭계 ‘Laser TRACER’와 공간보정용 소프트웨어 ‘Tracker’를 이용하여 공간적인 오차를 특정하고 보정값을 산출한다(그림 2).

▲ 그림 2 공간보정 시스템 Laser TRACER

대부분의 공작기계에서 실시되는 피치보정을 기계좌표의 중앙부근에서 워크가 가공될 경우 유효하다. 기계좌표의 중앙에서 벗어나면, 그림 3의 EBX, ECX와 같이 새롭게 생겨나는 오차에 대해서는 효과가 없다.

▲ 그림 3 피치보정의 과제

공간보정은 기존의 피치보정과 달리 공작기계에 존재하는 6자유도의 모든 오차에 대응하기 때문에 피치보정에서 완성된 출하 전 공작기계에서도 ETALON사의 공간보정에서 정적 정밀도는 대폭 개선된다(그림 4).

▲ 그림 4 피치보정 무효, 유효, 공간보정의 비교

3차원 공간에 있는 직동축에서는 위치결정(피치), 2방향 진직도, 축 주변의 상하진동 피칭, 수평진동 요잉, 선회방향의 진동롤링의 총 6가지 자유도가 있다(오차운동). 3축 기계라면, 18요소의 오차에 서로 겹쳐진 3축 직각도가 더해져 21요소의 오차가 존재한다. 직동축에서 그치지 않고, 회전축의 6자유도 운동오차도 특정하여 이에 대한 보정까지 가능하다는 것이 이번 시스템의 특징이다.

지금까지 공간적인 편차 특정은 상당히 어려운 일이었지만, 헬륨-네온 레이저로 상대적인 길이정보의 차를 계측하여 트래버스 측량의 원리로 좌표를 계산(GPS 측정원리)하는 기술을 이용하여, 더욱 단시간이면서 간단하게 미크론 단위에서의 특정이 가능해졌다(불확정성(k=2) : 0.2㎛＋0.3㎛/m). 게다가 이러한 측정은 측정범위에 따라서도 달라지지만, 겨우 1∼4시간이면 완료된다(그림 5). 측정 후에는 보정값을 컨트롤러에 전개할 수 있으며, 주요 컨트롤러 메이커는 이렇게 산출된 보정값을 불러오는 옵션을 갖추고 있다.

▲ 그림 5 3차원 측정기(좌측), 공작기계(우측)의 계측

또한, 시장을 주도하는 저명한 3차원 측정기 메이커에서도 도입되어 있는 이 시스템을 이용하면, 기계정밀도 향상뿐만 아니라 온머신 계측의 신뢰성까지 높아진다. 공구 스핀들의 끝부분에 프로브를 갈아 끼우는 것만으로, 공작기계는 측정기의 역할을 담당하고, 다른 3차원 측정기에서 부품을 이동시켜, 변화된 환경온도에 익숙해지게 할 필요도 없다. 가공 후, 그 자리에서 치수측정을 하면 기계 측으로의 추가 가공을 위한 피드백도 그 자리에서 할 수 있기 때문에 생산효율이 대폭 개선된다.

단, 공작기계 정밀도에서, 이후의 열화는 피할 수 없다. 설령 공간보정을 거쳐 얻어진 높은 정밀도라고 하더라도 같은 양상이 발생할 수 있다. ETALON사에서는 이러한 정밀도를 유지하면서 온머신 계측의 이력추적관리(Traceability)를 확보하기 위한 방법으로, 기계 자체적으로 정밀도를 관리할 수 있는 셀프 모니터링 시스템, 절대측정 시스템 ‘Absolute Multiline’을 개발했다.

셀프 모니터링 시스템

1. 절대측정 시스템을 활용한 셀프 모니터링 시스템

‘Absolute Multiline’은 장치 본체에 접속된 광섬유 케이블(최장 5km) 앞에 콜리미터를 장착하여 리플렉터와의 거리를 측정하는 시스템이다. 절대측정 간섭계를 내장하고 있으며, 불확실성은 최장 30m에서의 0.5μm/m로 우수하며, 일반적인 간섭계가 상대거리로 계측하는 것에 비해, 이 시스템은 간섭계 정밀도로 30m까지의 거리를 절대 측정할 수 있는 혁신적인 기술을 보유하고 있다. 또한, 광섬유를 통해 간섭계 측정라인을 다양한 장소로 연결하여 요망에 따라 몇 km 앞에 콜리미터와 리플렉터(그림 6)를 장착할 수 있다(최대 124채널)(그림 7).

▲ 그림 6 콜리미터와 리플렉터(좌측), 새틀라이트(우측)

▲ 그림 7 애플리케이션 이미지

먼저 콜리미터가 내장된 새틀라이트(그림 6)를 공작기계 테이블 및 컬럼에 직접 설치, 또는 기계 주변에 장착한다. 각 새틀라이트에서는 여러 측정 레이저가 가공범위를 망라하도록 발산시킨다(그림 8).

▲ 그림 8 새틀라이트에서 나오는 절대측정용 레이저

현 단계에서는 SIEMENS사 제 컨트롤러에 대응하고 있으며, 공작기계의 컨트롤러에 ETALON사의 위치결정 계측 소프트웨어 ‘Track Check’을 인스톨한다. 작업자가 컨트롤러 화면에 표시된 ETALON 버튼에서 측정 내용을 선택하면 자동으로 측정이 시작된다(그림 9).

▲ 그림 9 컨트롤러에 표시된 측정항목

기계는 측정 리플렉터에 장착된 특수 공구를 공구 자동교환 시스템에서 스핀들에 고정하여, 3차원 측정기의 위치결정 계측 ISO10360에 따라 측정을 시작한다. 컨트롤러의 지령값과 광학적인 측정 시그널을 비교하여, 미크론 단위로 편차를 특정한다. 결정된 수의 측정라인 상에서의 측정이 종료되면 스케일 오차, 직각도 보정값이 자동으로 산출되어 작업자 및 확인작업을 거쳐 컨트롤러로 전개된다. 또한, 보정을 한 경우, 위치결정 정밀도의 개선 상태에 대해서도 시뮬레이션으로 표시할 수 있다(그림 10).

▲ 그림 10 결과표시(좌측), 보정 후 개선(우측 분포)

컨트롤러에서 측정을 시작하면 이후에는 기계가 모든 자동처리를 하기 때문에 작업자는 측정하는 사이, 기계 옆에 있을 필요가 없다. 기계 사이즈에 따라 차이가 달라지긴 하겠지만, 겨우 30분의 단시간만에 계측이 완료되고 시프트마다 가공하는 워크의 요구정밀도에 따라 온머신 계측 전에 실시할 수도 있다. 이와 같이 기계편차를 계속적으로 관리하여 공간보정으로 얻어진 높은 정밀도를 오랜 기간에 걸쳐 유지할 수 있으며, 지금까지 반년이나 1년에 한 번, 기계를 1∼2일 멈추고 실시하던 교정작업 빈도를 줄이는 효과로도 연결된다.

2. 공작기계가 측정기 역할을 담당하는 시대

이 시스템을 활용하여 기계의 가공 정밀도가 향상되었을 뿐만 아니라, 공작기계를 측정기로 운용할 수 있게 되었으며 부품의 품질보증을 직접 기기상에서 실현할 수 있게 되었다. 이 시스템과 ETALON사의 위치결정 계측 소프트웨어 ‘Track Check’을 이용하여 3차원 측정기의 ISO 규격으로 존재하는 ISO10360-2(JIS7440-2 : 제품의 기하 특성사양 좌표 측정기의 인수검사 및 정기검사)에 따른 측정이 가능하기 때문에, 이후 온머신 계측이 이력추적관리를 확보할 수 있다.

정밀 대형부품의 생산현장에서 가공과 측정일 동일 기계로 완료시키면, 공정 전체의 생산효율이 향상된다. 단, 도면에 표기된 부품치수가 20℃를 기준으로 하고 있는 것에 비해 공작기계 설치환경이 20℃로 유지되는 것은 비현실적이기 때문에, 온머신 계측의 측정결과에 대해서는 회의적이다.

이러한 과제를 해결하는 ETALON사의 기술이 있다. 현재 상황의 부품에 대한 물체온도를 계측하여, 이에 대한 선팽창계수에 따라 보정된 공작기계로 온머신 계측을 하여 측정결과 신뢰성을 높인다. 부품에 전파식 온도센서를 여러 대 설치하여, 위치결정 계측용 소프트웨어 Track Check에 선팽창계수를 입력하여 Absolute Multiline을 이용하여 공작기계를 측정한다. ETALON사의 솔루션을 이용하여 다음과 같은 순서로 환경온도를 이용한 열변위를 보정한 가공, 그리고 워크온도를 기준으로 한 온머신 계측이 가능해졌다(그림 11).

▲ 그림 11 온머신 계측 이미지

• 공작기계의 공간보정

• 가공기에서의 러프가공

•‌ Absolute Multiline과 Track Check로 ISO10360의 위치결정 측정

• 스케일 보정, 직각도 보정

• 마무리 가공

•‌ Absolute Multiline과 Track Check로 ISO10360의 위치결정 측정

• 스케일 보정, 직각도 보정(진직도)

• 온머신 계측

•‌ Absolute Multiline과 Track Check로 ISO10360의 위치결정 측정(측정 8 전후에서의 기계변위를 증명하기 위한 것)

맺음말

약 25년 전에 공간오차라는 개념이 등장했을 당시, 공간보정 운용은 연구기관이나 3차원 측정기 메이커로 한정되었다. 이러한 공간보정 유용성이 서서히 공작기계 메이커로 확대되어, 지금까지는 공작기계 유저까지 같은 시스템이 도입되는 시대가 되었다.

ETALON사가 제안하는 이러한 공간보정 시스템과 셀프 모니터링 시스템은 대형부품의 가공에서 고효율화, 고정밀도화와 온머신 계측을 이용한 가공과 계측공정의 합리화에 크게 공헌했다. 앞으로 폭넓은 분야에 걸친 대형부품 메이커에서 채용될 것으로 기대된다.

•‌ 고정밀도 3차원 측정기에서도 채용되고 있는 ETALON사의 공간보정 시스템을 공작기계에서 활용하여 가공정밀도를 개선한다.

•‌ 절대측정 시스템을 활용한 공작기계의 셀프 모니터링으로 공간보정에서 얻어진 높은 정밀도를 오랜 기간에 걸쳐 유지한다.

•‌ 3차원 측정기용 위치결정 계측 소프트웨어를 이용한 공작기계 온머신 계측에 대한 이력추적관리 확립과 정밀한 계측을 실현한다. 

RUSCH, Asao

YKT 영업기술 지원

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