가공 현장에서 NC 공작기계 등의 가공기와 3차원 좌표측정기(CMM) 등의 계측기란 설치 장소·조작원·공정 등은 대체로 명확하게 분리되어 있다. 그렇지만 가공기와 측정기를 비교하면, 초보자가 보면 XYZ의 직교 이송기구가 있거나 컴퓨터와 접속되어 데이터를 주고받거나 하는 등 공통점도 많다. 따라서 가공기를 측정기로서 사용하고 싶다는 요망이 생겨도 이상하지는 않다. 용도가 다르므로 구조가 세밀한 곳은 당연히 다르는 등 양쪽을 공용하지 않는 이유는 여러 가지를 생각할 수 있는데, 가장 중요한 점은 무엇일까.
한편 공작물이 완성도가 나쁜 것은 기계가 나쁘다, 즉 가공 정도가 기계에 의존하고 있다고 생각하는 사람에게는 기상 계측이라는 것은 이해하기 어려운 작업일 것이다. 왜냐하면 가공에 사용하는 기계의 정도가 나쁜데, 정도 측정에 그 공작기계 자체의 운동을 이용하는 것은 신뢰할 수 없다고 생각하기 때문이다. 그러나 기계가공의 경험자는 가공 정도의 요구를 만족하지 못하는 요인이 기계 본체의 운동 정도뿐만 아니라 가공 현장에서도 생기고 있으며, 그 영향을 알고 싶어 하기 때문에 기상 계측이 효과적이라고 생각한다.
여기서는 먼저 국제 규격인 ISO 230-10을 설명함으로써 기상 계측의 개략을 나타냈다. 또한 공작물 계측에 대상을 맞추고 가공기에 설치하는 센서의 종류 등을 소개한다. 그리고 기상 계측용 소프트웨어나 가공기 본체의 최근 동향 등 새로운 기술을 소개하기로 한다.

공작기계의 계측 시스템 성능에 대한 규격 (ISO 230-10)

공작기계의 시험 방법을 규정하고 있는 규격으로서 ISO 230 시리즈가 있다. JIS에는 JIS B 6190 시리즈가 있다. 그 중에서 ISO 230-10이라는 계측 시스템 성능에 대한 규격이 2011년에 발생됐다. 일본어판은 아직 정식으로 발행되지 않았지만, ISO 규격은 특별히 문제가 없는 한 그대로 직역하여 JIS 규격으로 하는 것으로 되어 있기 때문에 머지않아 JIS B 6190-10으로서 출현할 것이다. 규격 자체는 당연히 최신 기술은 기술되어 있지 않지만, 교과서적인 사용법을 기대할 수 있다.
이 규격안의 특징은 다음과 같다.

1. 대상이 되는 공작기계
공작기계의 검사 규격에는 ‘시험통칙’과 기종별의 2가지가 있다. ISO 230은 ‘통칙’, 즉 이 규격은 공작기계 전반을 대상으로 하고 있다. 그러나 뒤에 설명하는 터치프로브를 이용한 기상 계측이 가장 자주 사용되고 있는 것은 머시닝센터(MC)라고 생각되는데, 이 규격을 왜 ‘통칙’에 넣었는지가 의문이며, 사실 그러한 이의 제기도 했다.
‘기상’의 ‘계측’에서 가장 빈번하게 이루어지고 있는 것은 라인화된 전용기에서 하는 다양한 계측이다. 이것은 ‘인라인’ 계측으로, ‘온머신=기상’ 계측은 아니다. 라인 전체를 ‘기계’라고 간주하지 않기 때문에 가공기에서 이동한 시점에서 이미 ‘기상’은 되지 않는 것이다.

2. 계측의 종류에 대해서
ISO 230-10 규격에서는 이하의 계측을 상정하고 있다.
•공작물 계측
- 가공 전의 계측 : 공작물의 위치, 얼라인먼트 등
- 가공 후의 계측 : 치수, 형상, 표면조도
•공구(공구 지름·공구 길이·공구 상태) 계측
‘기상 계측’이 아니면 전혀 의미가 없는 가공 전의 공작물 위치·얼라인먼트 계측 등에, 규격안에서는 성능시험 방법의 설명이 있다. 온라인 측정 전용기 계측에 대한, 온머신 계측만이 기상 계측이 아닌 것이다.
마찬가지로 공구 계측에 관한 성능시험 방법의 설명도 있다.
또한,
•가공 기계의 회전축 위치, 자세 계측
등의 항목도 상정되고 있다. 이에 대해서는 2012년 가을 공작기계전시회에서 복수의 공작기계 메이커가 데모를 했으며, 5축 제어 공작기계의 가공 정도로 이어지는 중요한 항목인 것이 겨우 일반적으로 공표되었다고 할 수 있다.

3. 대상이 되는 프로브
ISO 230-10의 본칙에서는 기상 계측의 센서로서 피측정물에 프로브 끝단이 접촉했을 때에 생기는 트리거 신호를 이용하는 터치프로브를 대상으로 하고 있다. 센서와 NC와의 통신은 트리거 신호만으로 되며 단순하기 때문에 예로부터 이용되어 왔다. 일반 NC에는 트리거 신호를 받아 NC 프로그램을 스킵하여 다음 행으로 이동하는 처리가 가능하게 되어 있으며, 가장 기본적인 사용 방법이라고 할 수 있다.
터치프로브는 피측정물에 눌러 대고 접촉한 후에 후퇴하여 다음 측정점으로 이용하는 동작을 반복하는 것이기 때문에 계측에 필요한 시간에 대해서 얻을 수 있는 위치(좌표) 데이터는 적다. 그에 대해서 스캐닝(주사) 프로브가 있다. 이것은 센서가 공작물에 대해서 어느 정도 변위했는지 하는 데이터를 연속적으로 출력하는 것으로, 공작물에 대해서 항상 눌러 대면서 이동시켜 사용하는 것을 상정하고 있다. ISO 230
-10의 부속서 B로서 성능시험 방법을 규격으로 하는 작업이 진행 중이다. 이것은 후술하는 좌표측정기(CMM)의 도입 검사  및 정기 검사를 규정한 JIS B 7440시리즈(ISO 10360시리즈)의 제4부와 거의 동등한 것이 예정되어 있는데, 기상 계측용 제품으로서 그다지 시장에 나와 있지 않다는 문제가 지적되고 있다.

4. 터치프로브의 원리와 특성 검사
터치프로브에 대해서는 본체에서 나오는 스타일러스가 피측정물에 접촉하고, 경사함으로써 신호를 출력하는 장치이다. 구조는 크게 나누면 검출부가 들어가 있는 프로브 본체(하우징)와 스타일러스 및 스타일러스의 지지기구부로 나뉜다. 가장 기본적으로 일반적인 지지기구는 3점 지지기구이다. 그림 1에 그 모식도를 나타냈다. 3점 지지기구는 본체 측에 2개 1세트의 3쌍의 핀을 갖고, 그 위에 스타일러스 센터의 핀을 지탱하는 구조로 되어 있다. 또한 스타일러스 센터 상부에서 스프링에 의해 일정 압력을 인가함으로써 스타일러스가 워크에서 떨어졌을 때에 스타일러스 센터는 항상 높은 정도를 가지고 원래의 위치로 복귀시키는 구조로 되어 있다. 
피측정물에 대한 접촉 판정의 원리 중 가장 일반적이라 할 수 있는 것은 전기 접점 방식이다. 그림 1의 3점 지지의 지지 방법 핀 부분에 전기를 흘려 두고, 스타일러스가 기울어져 접점이 떨어지면 전류가 도중에 끊어진다. 이것을 검지하여 신호를 출력하는 방법이다. 그 외에 스타일러스의 변위를 광학 센서로 검출하는 방식이나, 압전소자나 뒤틀림 게이지로 검출하는 방식 등이 있다.

▲그림 1. 3점 지지 터치프로브의 기본 구조

터치프로브에서는 스타일러스 끝단이 피측정물에 접촉한 후 트리거 신호가 출력되기까지 시간 지연이 있으며, 그 사이에 프로브가 이동하므로 그 거리를 프리트래블량이라고 부르고 있다. 스타일러스의 휨이나 프로브 내부의 전기적 지연 등에 의존하기 때문에 위에서 말한 3점 지지 방식에서는 잘 알려져 있는 바와 같이 삼각김밥 모양의 방향 특성이 존재한다.
터치프로브는 일반적으로는 2차원이나 3차원이지만 검출 방향과 정도에 관해서는 주의가 필요하다. 예를 들면, 일반적인 3차원 터치프로브는 프로브 축에 대한 감도는 조금 나쁜 것이 많다.
그림 2 (a)는 구를 3차원적으로 측정한 것의 방향 특성이다. 단, 공작기계 자체에 이 특성을 기억시켜 교정하는 것이 가능하므로 재현성이 좋으면 측정 오차로서는 나타나지 않을 것이다. 그림 2 (b)는 교정 후의 방향 특성으로, 120°마다 오차는 깨끗하게 사라지고 있다. 그러나 교정은 어디까지나 보간에 의해 하므로 3차원적으로 고정도 측정을 기대하는 것이라면,뒤틀림 게이지 검출 방식 등 나름의 고가인 터치프로브를 사용할 필요가 있다.

▲그림 2. 광학 센서식 프로브의 방향 특성

또한 NC에는 트리거 신호를 받아서 처리하는 시간이 필요하며, 그 사이도 프로브 자체는 공작물에 대해서 운동하고 있는 것이 되므로 프리트래블량은 프로브뿐만 아니라 이송 속도에도 의존하고, 계측 시스템의 정도·신뢰성의 하나의 주의점이 된다. 터치프로브는 ON, OFF 신호가 주로 NC와의 교신도 적기 때문에 최근에는 유선이 아니라 무선(적외선·전자유도·라디오파)인 것이 대부분이다.

3차원 좌표측정기로서의 사용

ISO는 공작기계와 3차원 좌표측정기(CMM)와는 전혀 별도의 규격으로 하고 있기 때문에 ISO 230-10 규격은 CMM과 같은 사용 방법을 제외함으로써 다른 한쪽에 주의를 기울이고 있는 것이다. 그렇지만 현실에는 고정도 MC는 저렴한 CMM보다 정도가 좋다는 것이 잘 알려져 있다.
공작기계를 측정기로서 사용하는 경우, 공작물이 그 기계에서 가공됐는지의 여부는 대강의 위치를 알고 있는 것에 대해서는 유리한 점이지만, 형상 계측에 있어 그다지 큰 문제는 아니다. 그보다도 공작기계는 NC 프로그램으로 동작한다는 것이 문제이다. 반대로 말하면, NC 프로그램만 작성할 수 있다면 형상 계측은 가능하다.
계측용 NC 프로그램의 생성은 이전에는 번거로운 작업이고, 그 때문에 가공용 공구경로를 그대로 계측에 사용하는 아이디어가 발표되었던 적도 있었다. 그러나 PC의 성능이 좋아지고 CAM의 성능도 좋아진 현재, 문제는 적어졌다고 생각된다. 최근에는 측정기 메이커로부터 NC 공작기계 상에서 마치 CMM과 같은 사용법이 가능한 소프트웨어가 구비됐다. 일반적인 NC 프로그램 언어에서는 NC 장치는 입력만을 담당하는 것으로, 계측 결과를 출력하는 것은 각 NC 장치의 특수 사양인 것이다. 단 시장에서 자주 사용되고 있는 NC 장치에서는 상당히 이전부터 RS-232C 인터페이스를 사용한 출력에 대응하고 있으며, 측정 결과를 PC로 되돌리는 것은 가능했다. PC 상에서 측정 결과를 처리하여 NC 프로그램에 반영시키면 상당한 정도 CMM과 같은 조작이 가능하게 된다.
최근의 NC 고속 통신과 고기능을 활용해서 NC 프로그램 없이 계측이 이루어지는 소프트웨어도 출현하고 있다. 

터치프로브 이외의 센서를 사용한 기상 계측

앞에서 말한 터치프로브는 3차원적으로 사용할 수 있지만, 스타일러스에 가로 방향으로 접촉하는데 대해 스타일러스 축 방향에 닿는 것은 접촉압이 다르거나, 프로브 끝단이 미끄러지거나 하므로 주의가 필요하다. 따라서 ISO 230-10에서도 2차원적인 오차와 3차원적인 오차의 시험 방법 규정이 있고, 3차원적인 시험은 불필요할 가능성을 상정하고 있다. 터치프로브는 당연히 비접촉식이 될 수 없기 때문에 부드러운 공작물에 대해 상처가 나는 경우가 있어 접촉압에 대한 주의를 기울일 필요가 있다.
이에 생각되는 것이 비접촉식으로 측정하는 방법이다. 지금까지의 결과 피측정물에 접촉하여 검출하는 것만 소개했는데, 비접촉으로 측정하고 싶다는 요망은 옛날부터 존재했다. 접촉식 센서에서도 절삭칩의 물림, 절삭액 막두께에 의한 오차나 프로브 끝단의 미끄러짐 등의 문제가 있기 때문에 계측의 전 단계에서 피측정물을 어느 정도 세정할 필요가 있다. 또한 접촉식 센서에서는 공작물(피측정물)에 상처가 생길 우려가 있는 등은 이전부터 언급되고 있던 것이다. 이것에 관해서는 상처가 생기는 부드러운 것은 애초에 정밀하게 계측할 필요가 없다는 반론이 제기되어 왔다.
그러나 비접촉식 센서로서 우선 후보로 거론되는 것은 레이저 변위 센서인데, 표면에서 빛의 반사 상황이 변화하면 큰 측정 오차가 나타나거나, 측정 불능이 되거나 하는 일이 빈번하게 일어난다. 초기의 대책으로서 반사율을 일정하게 하기 위한 도료와 같은 것을 사용하는 경우도 생각할 수 있지만, 어떤 것을 사용해도 도포한 이상 일정한 두께가 생기기 때문에 그것이 허용되는 경우는 적고 실제로는 이와 같은 방법은 취할 수 없는 것 같다.
다음으로 일정한 반사가 되는 공작물이나 형상(각도)을 사용하는 것이 가능하면, 레이저 변위 센서는 적용할 수 있다. 레이저 변위 센서 자체도 반사광을 처리하는 기술이 추진되고 있으며 표면 성상이나 반사 각도의 적응 범위가 넓어져 왔는데, 좋은 점은 고가이고 반사광 신호처리에 대해서도 기업 비밀로 되어 있다. 반대로 말하면 시판의 저렴한 레이저 변위 센서로 계측할 수 있는 공작물이라면 간단히 기상 계측 시스템을 구축할 수 있게 됐다고 할 수 있다.
또 다른 한 가지, 시판 레이저 변위 센서를 조합시킨 기상 계측 시스템을 구축할 때에 문제가 되는 것이 공작기의 위치 정보와 변위 센서의 정보를 어디에서 처리하는가이다. 공작기의 위치 정보는 기계의 피치 에러 보정 등 각종 보정을 하여 제어에 사용되고 있지만, 외부에 그 신호를 고속으로 출력하는 것은 불가능했다. 그렇기 때문에 공작기의 위치결정 스케일 신호를 분기하여 PC에 도입, 센서 신호와 동기를 취해 처리하는 것이 제안되어 왔다. 이 때 NC에 의한 보정 처리에 대해서는 처치가 불가능했다.
그러나 최근과 같이 이더넷에 의한 고속 신호 출력이 가능하게 되면, NC의 보정 후 신호를 외부로 출력하는 것도 가능해진다. 이것에 의해 각 기상 계측 시스템도 성능이 향상되었다고 생각된다.

‌시스템 개발 예 (정밀 금형가공 시스템에서 에지 검출)

여기서 소개한 시스템은 三鷹光器가 개발한 레이저 프로브를 安田공업제 고정도 MC에 탑재한 것으로, 2008년 시스템 개발 당시에는 제어용 PC에 렌즈 위치 정보 및 공작기계 위치 정보를 동시에 리니어 스케일값으로서 읽어 넣어 처리하고 있었다. 3차원 형상의 측정이라면 설계 시의 형상 정보를 따라 레이저 프로브를 작동시킴으로써 측정값을 쉽게 얻을 수 있다.
이에 대해 2차원 평면 내의 원·사각형·홈폭 등을 포함하는 윤곽 형상(요철)을 대상으로 기상 계측을 하는 경우는 어디에 두어도 정확한 에지부의 검출이 필요하게 된다. 여기서는 에지부 검출용 측정 소프트웨어를 개발, Z축이 한계값을 벗어났을 때를 에지라고 판정하고 있다. 또한 정확성과 처리 속도의 향상을 도모하기 위해 거친 측정과 정밀 측정의 2단계 측정법 및 레이저 프로브를 내장한 광량 센서값에 의한 판정법도 병용하고 있다.
다음으로 기상 계측 기능을 이용하여 실제 가공 형상(원 구멍)의 측정을 실시한 예를 나타냈다. 이것은 원주 상의 5점 에지 측정을 하여 원의 직경 등을 산출한 것이다. 반복 측정(반복 오차＝±0.1μm 이내)에 의한 평균값을 표에 나타냈다. 이것에 의하면 반경의 측정값은 1μm 이내의 오차로 되어 있으며, 개발된 시스템에 의해 거의 정확한 에지 측정이 가능하게 된다는 것을 알 수 있다.

▲ 표. 기상 계측에 의한 측정 결과 (원 구멍)

또한 실제 가공물의 에지부 표면 사진과 측정 결과를 그림 3에 나타냈다. 이것에 의해 절삭가공한 단면부에는 버 등의 발생이 있고, 이것이 에지 검출을 포함하는 고정도 측정에 크게 영향을 주는 것을 알 수 있다.

▲그림 3. 가공물의 에지부 표면 사진과 측정 결과

앞으로의 기술 개발

CCD 카메라를 사용하여 화상처리에 의해 계측을 하는 것이 활발히 이루어지고 있다. 일반적인 계측장치로서의 좌표측정기에서도 이 타입의 것이 많이 발표되고 있으며, 규격의 세계에서도 일본은 JIS를 제정하고, ISO화되려고 하고 있다.
CCD의 고해상도화나 컴퓨터 시스템의 고성능화에 의해 이 종류의 기상 계측은 앞으로 점점 더 발전해 나갈 것이며, 대상이 되는 기계도 선반이나 MC와 같이 절삭가공을 할 뿐만 아니라, 연삭가공, 방전가공 등의 기계에 이용될 것이다.
앞에서 가공기와 계측기의 차이에 대해서 물었는데, 큰 차이로서 가공기는 가공에 의한 반력을 견디는 강성이 필요하지만 계측기 본체에는 일정한 힘밖에 걸리지 않는다. 그렇기 때문에 계측기에는 공간 보정 기술이 상당히 전부터 사용되어 왔다.
그러나 최근이 되어 가공기에도 공간 보정을 적용하고 싶다는 목소리가 나오기 시작, 컴퓨터 기술의 발달에 따라 NC 장치에도 이와 같은 기능이 탑재되어 이용되도록 하고 있다. ISO에서도 테크니컬 리포트로서 ‘Numerical compen-sation of geometric errors of machine tools’(ISO/CDTR 16907)이 정리되도록 하고 있다. 필자는 실제 가공에서 이와 같은 기능을 사용하여 운동 정도를 속이는 것은 절삭력을 고려한 강성이나 장기적인 안정성 면에서 회의적이지만, 가공기를 계측기로서 사용한다는 관점으로 한정하면 이와 같은 규격을 활용함으로써 매우 좋은 일이 가능하게 될 것으로 기대하고 있다.

이하라 유키토시 (井原 之敏)   大阪공업대학