3차원 측정기가 대세 (1)

현재 머신 비전과 자동차 기술 모두를 아우르는 화두가 있다면 바로 ‘3차원 측정기’이다. 접촉 혹은 비접촉 방식을 이용해 물건의 치수를 정확히 재고, 모양을 복사하며, 설계도를 작성하거나 모습을 그대로 복제하는 등 3차원 측정기는 생산 분야에서 그야말로 팔방미인으로 활약한다.

① 측정 기술, 3차원으로 도약하다
② 생산 라인에 접목된 3차원 측정기

측정 기술, 3차원으로 도약하다
3차원 측정기가 ‘대세’ … 머신비전과 자동차 분야 강타
오늘날 3차원 측정 기술은 생산 현장이나 연구실 및 개발실 등에서 꼭 필요한 존재가 되었다. 하지만 측정 관련 기술은 산업혁명이 일어나기 이전부터 사용됐다. 그 원시적인 측정 기술이 어떤 과정을 거쳐 3차원 측정기로 거듭나게 되었을까. 그동안 측정기기는 어떤 발전을 이루어왔을까. 그 지도를 간략하게나마 그려보기 위해서는 처음 측정기기를 사용했던 시점으로 돌아갈 필요가 있다. (편집자 주; 이 기사는 니콘인스트루먼트코리아 3차원 측정기 부서의 도움을 받았다.) 
글 |윤진근 기자 pen@automotivemnt.com

측정기의 역사를 알기 위해서는 우선 가장 원초적인 측정기구들부터 알아야 한다. 캘리퍼(Calipers)와 마이크로미터(Micro Meter)가 그것이다.

캘리퍼는 기계부품의 지름이나 살두께를 측정하는 기구로 측정 대상의 바깥지름과 안지름을 측정할 수 있다. 캘리퍼의 다리 끝을 벌려 측정대상에 대고, 벌어진 끝의 간격을 자로 잰다. 공작이나 측정 분야에서 없어서는 안 될 도구라고 사전은 설명하고 있다. 원시적이었지만 그만큼 간편했고 꼭 필요한 도구였다. 마이크로미터는 물건의 길이를 0.01㎜단위까지 정확하게 측정할 수 있다. 이 도구는 측정하고자 하는 물체를 끼우는 방식으로 되어있으며 고정되어있는 앤빌(Anvil)과 회전시키면 축 방향으로 이동할 수 있는 스핀들로 구성되어있다. 슬리브와 딤블이 있는 이것으로 측정값을 읽을 수 있다. 딤블에는 원주 방향으로 50등분한 눈금이 새겨져 있다. 한 바퀴를 회전시켰을 때 슬리브의 한 눈금(0.5㎜)만큼 움직이기 때문에 슬리브는 0.5㎜까지 읽을 수 있고, 딤블은 0.01㎜까지 읽을 수 있다. 바깥지름을 측정할 수 있는 것 외 안지름, 구멍의 깊이, 기어의 이나 나사의 지름을 측정할 수 있는 것도 있다. 최근에는 눈금을 읽는 것이 아닌 숫자로 표시되는 디지털 방식도 개발되었으며, 공기와 전기를 이용한 마이크로미터도 있다.

1차원에서에서 2차원으로
이 두 가지 도구를 이용해 물건을 측정하는 데 만족하지 못하던 사람들은 드디어 기계를 도입하기 시작하였다. 그 첫 번째 결과물이 프로파일 프로젝터(Profile Projector)이다. 우리말로 윤곽투영기라고 불리는 이것은 말 그대로 윤곽을 투영(投影)하기 위해 만들어진 기계이다. 사전에 따르면 특히 편평한 부품 및 게이지·공구·기어·나사 등의 치수를 측정하고, 윤곽의 형상을 검사하기 위하여 10~100배로 확대한 실상(像)을 스크린(대개는 불투명 유리)위에 투영하는 광학적 측정기를 말한다.

윤곽투영기가 나오면서부터 측정 분야는 비약적으로 발전하기 시작하였다. 지금까지의 측정기가 컴퍼스처럼 점과 점을 찍는 1차원적 측정방식이었다면 윤곽투영기가 등장하면서부터 선과 면을 아우르는 2차원적 측정이 가능해진 것. 획득한 영상을 스크린 위에 띄운다는 점에서 광학적 도입이 이루어졌다는 것도 특기할 만하다.

윤곽투영기가 1차원에서 2차원으로 한순간에 뛰어넘는 역할을 했다면 2차원과 3차원을 잇는 다리를 놓은 것은 메저링 마이크로스코프(Measuring Microscope)라는 물건이다. 우리말로 측정현미경이라고 부른다.

사전에서는 측정현미경을 공구현미경의 용량과 정밀도를 향상시킨 측정기라고 정의한다. 공구현미경은 흔히 알고 있는 현미경에 여러 공구를 장착한 현미경이다. 측정물을 얹고 전후좌우로 미세하게 움직일 수 있는 재물대(載物臺)가 있어 그 이동량을 마이크로미터 또는 표준게이지로 읽을 수 있다. 그 위치를 정하기 위한 측미(測微)현미경이 달려있어 이것으로 관측하면서 재물대를 움직여 각 부분의 치수를 측정한다.

이 측정현미경은 측정 대상을 현미경으로 관측하며 그 모양이나 각도를 접안경으로 측정할 수 있게 되어있다. 측정 대상과 현미경을 직각 2방향으로 이동시킬 수 있다. 이 이동거리를 표준자로 계산해 최소눈금 μ를 측정할 수도 있다. 또한 나사의 투영측정을 위한 광학계를 가지고 있으므로 나사의 리드각에 따라 기울일 수도 있다. 니콘인스트루먼트코리아는 측정현미경을 두고 “Z축으로 수평 이동해 계산할 수 있는 2.5차원 현미경”이라고 정의했다.

3차원 측정기의 막 열리다
측정현미경이 등장하면서 측정 분야는 새로운 국면을 맞이하였다. 현미경으로 측정 대상을 관측할 수 있는데다 단순히 가로·세로만이 아니라 Z축이라는 완전히 새로운 방향으로도 측정이 가능하게 된 것이다. 이로 인해 자나 컴퍼스와 같은 도구로 측정하던 예전 방법으로는 상상할 수 없을 정도로 정밀하고 거대한 물체들까지 측정할 수 있는 기반이 완성되었다.

하지만 측정 작업이 점점 정교해지고 보다 높은 정확도를 요구하게 되면서 측정현미경 역시 한계에 부딪히게 된다. 사람이 측정하다보니 매번 같은 정밀도와 움직임을 가지고 측정할 수 없게 되는 것이다. 특히 철 등 금속 물체를 측정하면 체온이나 진동과 같은 아주 미세한 요소에 인해서도 측정값이 크게 달라질 수 있었다. 이러한 불확정 요소들은 측정 분야에 대한 의존도가 높아지면서 커다란 문제로 부각되었다.

사람들은 불확정 요소, 즉 인간이 가진 한계를 극복하기 위해 새로운 대안을 마련하였다. 사람이 아닌 기계가 측정을 하게 된다면? 체온이나 떨림, 매번 달라지는 움직임과 같은 불안요소가 없는 기계팔로 측정을 하게 된다면 어떨까? 이러한 요소에서 나온 것이 바로 CNC라는 시스템이다.

CNC는 Computer Numerical Control의 약어로 단순히 풀어 써보자면 컴퓨터 수치 제어라는 뜻이다. 이는 장치의 이동하는 속도와 양, 그리고 방향 등을 컴퓨터로 제어하는 것을 의미한다. CNC가 등장하면서 사람들은 매번 정밀한 측정을 위해 극도로 노력할 필요가 없어졌다. 컴퓨터로 미리 이동 방향과 속도 등 대략적 움직임을 입력하기만 하면 컴퓨터가 알아서 장비를 움직여 측정하게 된 것이다. 같은 움직임을 몇 번이고 반복해도 오차가 생기지 않으니 작업의 정확도는 물론이고 속도마저 크게 향상되었다. CNC 시스템을 도입하여 컴퓨터 제어를 통해 X축과 Y축 그리고 Z축을 자유롭게 오갈 수 있는 측정기가 바로 접촉식 3차원 측정기이다.

3차원 측정기, ‘눈’을 얻다
하지만 사람들은 접촉식 3차원 측정기에도 만족스러워하지 않았다. 프로브를 통해 일일이 접촉해야만 결과를 얻어낼 수 있는 접촉식 3차원 측정기는 완성도는 높았지만 측정 속도가 더딘 편이었다. 또한 크기가 매우 작은 측정물이 등장하는 등 측정 산업이 변화하여 접촉식 측정기만으로는 측정 작업에 한계를 보이게 되었다.

사람들은 어렵지 않게 측정현미경을 떠올렸다. 렌즈를 통해 측정 대상을 관찰하고 파악하는 현미경은 직접 대상을 만지며 측정하는 프로브방식보다 효율성이 높았다. 사람들은 접촉식 3차원 측정기의 개념에 측정현미경의 원리를 도입하여 비디오 메저링 시스템(Vedio Measuring Systems)이라는 개념을 만들어내었다. 비디오 메저링 시스템은 화상 처리 기술과 컴퓨터 제어 시스템의 장점을 모두 갖춘 시스템으로, 아주 작고 미세한 측정 대상부터 한눈에 들어오지 않는 커다란 측정 대상까지 매우 다양한 크기를 광학 시스템으로 파악해 측정한다. 컴퓨터 제어를 통해 극도로 정밀하고 빠른 측정과 처리 속도를 자랑한다. 거기에 X축과 Y축 그리고 Z축 이동 측정이 가능하다는 특징까지 갖추었다.

사람들은 광학 기술을 이용한 3차원 측정기를 기존의 3차원 측정기와 비교하기 위해 기존의 측정기를 접촉식 3차원 측정기, 그리고 광학 기술을 활용한 측정기를 비접촉식 3차원 측정기라고 명명하였다. 이것이 오늘날 3차원 측정기를 나누는 기준이 되었다.

현장에 뛰어든 측정기
측정기의 역사는 오래되었지만 본격적으로 생산 현장에서 쓰인 것은 산업혁명이 일어난 이후부터였다. 제품의 질에 대한 인식이 시작되자 이에 품질을 관리하고 나아가 그 품질을 높이기 위한 시도들이 늘어났다. 한편으로는 범세계적 기업이나 다국적 기업이 등장하면서 생산품을 부품단위로 분담해 만든 뒤 조립하거나 세계 곳곳에 신속하게 자사 제품을 납품하기 위해 생산 공장을 여러 곳에 만드는 것이 당연한 것처럼 여겨졌다.

정확도와 속도라는 두 마리 토끼를 모두 잡기 위해 사람들은 고민했다. 그리고 그 전까지 계속 사용해오던 도구들, 즉 캘리퍼니 마이크로미터니 하는 측정 장비들을 떠올리게 되었다.

사람들은 좀 더 획일적이고 빠르며 불량이 적은 물건을 생산해내고자 하였다. 측정기의 정확도와 컨베이어벨트를 따라잡을 수 있을 정도의 속도, 그리고 인건비를 포함한 생산비용을 절감할 수 있는 수단 등 그 모두를 잡는 것에 집중하였다.

생산 현장이나 연구소 종사자들이 연구실에 있는 3차원 측정기를 인식하기까지는 얼마 걸리지 않았을 것이다. 사람들은 이 3차원 측정기를 생산 현장으로 끄집어내기로 하였다.

하지만 이에는 문제가 있었다. 생산 현장은 온도도, 습도도 매우 높아 정밀하고 예민한 3차원 측정기가 도입되기에는 무리가 있었다. 먼지가 많고 진동이 커 측정에 어려움을 겪는 것은 두말할 것도 없었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 사람들은 3차원 측정기에 변화를 가하기 시작하였다. 먼지에 취약한 측정기를 권장에서 위해 방진용 케이스나 천을 설치했으며, 온도에 민감한 장비를 보호하기 위해 온도 유지 장치를 장착하였다. 생산 현장에서 일어나는 수많은 작업을 만족시킬 수 있도록 다양한 크기의 재물대를 갖춘 제품들이 속속들이 등장했다.
이러한 제품들이 등장하면서 생산과 품질 검사를 한 공정 안에서 동시에 처리하는 것이 가능해졌다. 사람들은 이러한 측정기기를 두고 생산과 품질 검사작업을 한 공정 안에서 처리한다고 하여 인라인(In-Line) 방식이라 명명하였으며 생산 라인 안에 있는 3차원 측정기를 인라인 3차원 측정기라 불렀다.

인라인 3차원 측정기는 이전까지는 불가능했던 많은 것들을 가능케 했다. 생산 현장에서 즉각적으로 측정과 검사를 수행할 수 있게 되면서 생산 시간을 크게 단축시켰다. 지금까지는 한 제품을 여러 공장이 나누어 생산하는 분업화와 전문화가 진행되었는데, 여러 생산물을 한데 모았을 때 성형이 어긋난다든가 생산지역마다 생산품의 품질이 다르다든가 하는 문제가 있었다. 하지만 각 현장마다 인라인 3차원 측정기를 이용해 동일한 설정을 적용하면 이러한 문제 역시 말끔히 해결된다.

산업 현장에 도입된 3차원 측정기는 단순히 측정을 하는 작업에서 벗어나 생산 작업 전반에 관여하기 시작하였다. 3차원 측정기는 산업분야에 그 어떤 머신 비전 시스템보다도 큰 변화를 가져왔다.

어디로 향할 것인가
이러한 측면에서 앞서 이야기한 전용 게이지의 한계는 명백했다. 그래서 미쓰도요는 인라인 3차원 측정기를 종류별로 개발하게 되었다.  측정 기술은 생산 분야와 떼려야 뗄 수 없는 관계였다. 물건을 생산하는 분야만이 아니라 건축이나 선박 등 전반적인 제조 분야에서도 없어서는 안 될 존재이다.

공장자동화와 분할생산 등 시대가 원하는 생산방식이 변화하면서 측정 기술 역시 점점 정밀하고 신속해져갔다. 특히 과학과 기계의 발달은 측정 기술을 비약적으로 성장시켰다.

단순히 점과 선만을 측정하던 것을 3차원으로 측정할 수 있게 되었으며, 사람 손으로 하던 일들을 이제는 기계가 신속하고 오차 없이 수행한다. 사람의 눈과 손으로는 볼 수 없는 플라스틱 성형물 안쪽이나 인체 속 같은 곳까지도 문제없다. 3차원 측정기는 이미 현 시대의 생산기술을 모두 포용할 수 있을 정도로 발전했다.

앞으로 3차원 측정기는 점점 더 복잡한 검사를 수행하게 될 것이고, 더욱 정확하고 빠르고 정교한 검사를 이뤄낼 수 있을 것이다. 아주 작은 반도체나 의학 분야에서부터 커다란 선박과 비행기 제조 등에 이르기까지 수많은 분야에 진출한 3차원 측정기이기에 정밀도와 속도를 향상시키는 것이 주요 과제가 되고 있다.

하지만 3차원 측정기는 이제 막 발전의 시작 단계에 들어섰을 뿐이고, 플라스틱 제조·반도체 제조·금속 성형·설계 및 역설계·선박과 자동차 등 제조·수술·의학·거리 및 공간 분석과 측정·각종 부품 및 제품 연구 등 3차원 측정기가 해낼 수 있는 분야는 다양하다.

이제는 작업자들이 3차원 측정기를 어느 분야에 적용할지 결정하는 일만 남았다.
사용자들이 원하는 분야에 따라 얼마든지 변경하고 최적화할 수 있다는 것이 3차원 측정기 제작 업체들의 공통된 설명이다. 개발자 및 기술자들이 사용자의 요구를 수용하다보면 얼마든지 새로운 기술과 제품을 선보일 수 있다. 3차원 측정 기술이 어디로 향할지는 사용자들의 손에 달려있는 것이다.