머신비전의 핵 ‘3차원 측정기’

선박·기계·반도체 등 활용분야 무궁 …  헥사곤·칼자이스·미쓰도요 등 활동

3차원 측정기는 말 그대로 물체를 3차원적으로 측정하는 기기이다. 흔히 알고 있듯 직선으로 구성된 1차원과 평면인 2차원 그리고 부피와 공간을 나타내는 3차원적 요소를 모두 측정한다. 이러한 3차원 측정기는 최근 머신 비전 중에서도 정밀도를 요하는 분야에서 활용되고 있다.  3차원 측정기는 측정기의 좌표방향을 X축, 전후방향을 Y축으로, 그리고 상하방향을 Z축으로 하여 공작물의 치수 및 형상을 측정하는 기기이다.

이러한 3차원 측정기는 보통 기계 본체와 컨트롤러로 구성되어 있다. 기계 본체는 검체와 직접 혹은 간접적으로 접촉해 측정값을 얻어내며 컨트롤러는 기계 본체를 조작할 수 있다.

측정기의 분류

3차원 측정기를 형태별로 나눌 때에는 직교좌표계 측정기와 다관절형 측정기로 분류된다. 이 중 직교좌표계 측정기는 높은 정밀도로 검체의 형상과 치수를 측정할 수 있으므로 높은 정밀도가 필요한 부품의 생산 현장에서 쓰이고 있다. 다관절형 측정기는 로봇 형태의 측정용 팔을 가진 측정기로 계측 팔의 앞쪽 끝에 있는 탐침(probe)으로 검체의 윤곽을 추적하여 여기서 얻은 수치 데이터를 3차원 화상으로 화면에 표시한다. 이때 3차원 측정기에 있는 탐침으로는 터치 시그널 탐침, 변위 검출식 탐침, 디지털 측정 탐침, 비접촉식 탐침과 같은 형태들이 주로 사용된다.

3차원 측정기를 구분하는 다른 요소는 측정 형태이다. 이는 탐침이 어떤 형태로 검체를 검사하는지에 따라 구분되는 방식이다. 이는 크게 검체에 직접 접촉을 하여 측정하는 접촉형 3차원 측정기와 접촉을 하지 않고 측정하는 비접촉형 3차원 측정기로 나뉜다. 이 중 비접촉식에는 카메라로 사진을 찍어 위치 및 결함을 판별하는 방식과 검체에 레이저를 투과하여 반사 및 굴절되는 레이저 빛으로 위치 및 결함을 판별하는 방식이 있다. 이는 바코드 리더 분야에서 레이저 방식과 카메라 촬영 방식이 있는 것과 비슷한 양상을 띤다.

구성요소

3차원 측정기는 보통 본체·컨트롤러·프로빙 시스템·컴퓨터·기타 시스템으로 구성된다. 이 중 본체는 측정기 기 자체로 지칭 한다. 이는 서로 다른 방향(보통 수직방향이다)으로 운동하는 축을 세 개 가진 기계이다. 컨트롤러는 장비가 이동하는 속도나 가속도, 검사 속도, 검체 위치 제어 등을 전자적으로 제어하는 장치이다. 이는 보통 컴퓨터와 연결된다. 프로빙 시스템은 검체의 좌표를 검출해내는 일종의 센서이다. 탐침이라고 부르는 이 물체에 무엇이 설치되느냐에 따라 측정기 종류가 달라진다. 컴퓨터는 받아들인 정보를 처리하고 연산 과정을 해내는 역할을 맡는다. 그리고 기타 구성요소로 프린터 등이 있을 수 있지만 반드시 필요한 요소는 아니다.

측정 원리

접촉형 3차원 측정기가 물체를 측정하는 방법을 대략적으로 설명하자면 ‘기계가 직접 물체를 만져가며 측정하는 방법’이다. 우선 프로브(probe, 계측용 침상 전극)를 측정할 면에 접촉시킨다. 프로브가 각각 측정하는 1점 정보는 3축에 동시에 측정된다. 또한 마이크로컴퓨터 등에 접속해서 빠른 속도와 높은 정확도로 데이터를 처리해 기억할 수 있다. 이러한 기술은 측정점이 많고 복잡한 형상의 물체에 더욱 효율적이다. 최근에는 기술이 발달해 이전까지 측정하기가 곤란하였던 자유곡면 등까지 측정할 수 있게 되었다.

비접촉형 3차원 측정기가 물체를 측정하는 과정은 다음과 같다. 우선 카메라로 측정을 할 대상물을 촬영한다. 카메라는 촬영한 영상을 픽셀 단위로 저장한다. 카메라는 픽셀 단위를 통해 위치를 검출해 그것을 값으로 표현하는 역할도 한다. 카메라는 256 레벨의 그레이스케일 프로세싱(Gray Scale Processing)을 통해 측정된 값을 구한다.

측정 도중 XYZ 축이 이동하면 측정기는 각각 이동한 만큼의 좌표값을 만들어낸다. 이 작업은 각 축에 부착된 스케일에 의해 이루어진다. 이 정보는 즉시 측정 프로그램으로 전송된다. 측정 프로그램은 2차원 좌표와 3차원 좌표 그리고 형상 데이터 등으로 연산하여 처리한다. 이 때 측정기에 부착된 조명이 검사 정확도를 높인다. 최근에는 접촉형 3차원 측정기와 비접촉형 3차원 측정기가 합쳐진 모델이 등장하고 있다.

3차원 측정기 대두되다

과거 몇몇 종류의 공장을 운용하면서 생겨난 산업 분야는 현재 그 수를 헤아릴 수 없을 정도로 다양하게 변화하였다. 분업화와 전문화를 거듭하며 아주 작고 세밀한 부품을 제조하는 공정이 늘어나는 추세이다. 이는 전문성과 생산력 모두를 향상시키기 위한 중요한 방법이 되었다.

물론 이러한 현상이 장점만을 가지고 온 것은 아니다. 각자가 생산한 부품을 다시 모았을 때에 완제품이 균일하지 않다는 문제점이 발생할 수 있게 된 것이다. 여러 부품들을 하나의 제품으로 만들기 위해서는 동일한 규격과 크기 등을 지켜야 한다. 그러나 부품과 부품 사이에 아주 작은 오차라도 발생한다면 완전한 제품이 만들어지지 않는다.
이러한 현상이 발생함에 따라 정밀한 측정이 대두되기 시작하였다. 커다란 부품 하나를 정확히 설계하고, 이 설계에 맞춘 세밀한 측정이 뒷받침되면 누가 어디에서 어떤 부품을 생산하더라도 완벽한 제품을 조립할 수 있는 것이다. 하지만 레퍼런스를 맞추는 과정은 매우 까다롭다. 측정자의 컨디션이나 온도, 심지어는 먼지와 같은 작은 요인에도 오차가 발생할 수 있다.

인간의 힘으로 측정하기 어렵다는 문제를 해결하기 위해 사람들은 3차원 측정기라는 분야에 주목하였다. 3차원 측정기는 세밀하고 정밀한 측정을 통해 작은 오차도 허용하지 않는 꼼꼼함을 가졌기 때문이다. 프로그램만 잘 활용한다면 소요시간도 획기적으로 줄어들 수 있게 되었다는 점 역시 매력적이다. 3차원 측정기가 각종 연구소와 산업 현장에 등장하기 시작하면서 산업현장에서는 새로운 국면을 맞이하였다고 해도 과언이 아니다.

3차원 측정기의 특징

3차원 측정기는 기존에 있던 투영기나 공구현미경 등과 거의 동일한 용도로 쓰인다. 이 두 가지 측정기가 가지고 있던 단점을 보완하여 개발된 측정기이다. 즉 2차원이 아닌 3차원적 측정을 하게 됨으로써 측정 정확도나 정밀도가 확연히 높다. 또한 투영기나 공구현미경보다 조금 더 넓은 범위에서 사용이 가능하다. 3차원 측정기가 세밀한 검사를 할 수 있는 것은 소프트웨어를 통한 제어 및 각종 설정이 용이하기 때문이다. 소프트웨어와 CAD와 같은 3D프로그램을 어떻게 조작하느냐에 따라 자동 검사는 물론이고 면의 윤곽이나 굴곡면 측정과 같은 섬세한 검사도 가능하다.

앞서 이야기했듯 3차원 측정기는 측정 방법에 따라 접촉식과 비접촉식 방식으로 나뉜다. 접촉식과 비접촉식은 서로 다른 장점을 지닌다. 우선 접촉식 측정기는 물체를 검사하는 정밀도가 높다. 이는 레이저나 카메라로 촬영을 하는 방식이 아닌 실제로 물체를 측정하는 방식이기 때문이다. 하지만 접촉식 측정기는 검사하는 속도가 비접촉식에 비해 느린 편이다.

반대로 비접촉식 측정기는 여러 측정지점을 동시에 투과 내지 촬영하면서 검사할 수 있어 빠른 속도를 자랑한다. 하지만 프로브가 접촉하면서 검사하지 않는 특성상 검사의 정확도는 조금 떨어진다.

카메라 및 레이저기술이 발전하면서 접촉식과 비접촉식의 격차가 좁혀지고 있다고는 하지만 현재까지는 접촉식은 정확도 면에서, 그리고 비접촉식은 속도 면에서 우세를 차지하고 있다. 또한 업계 관계자들에 따르면 평판에 가까운 물건을 검사하는 장비는 비접촉 방식이 보다 효과적이며 굴곡이 많은 검체를 검사 및 판독하기에는 접촉 장비가 더욱 적합하다는 것이 중론이다.

활용 분야

3차원 측정기를 활용할 수 있는 분야는 다양하다. 3차원 측정기 업체인 덕인 및 칼자이스코리아의 설명에 따르면 3차원 측정기는 검체의 외관을 정밀하게 검사할 때 사용된다. 특히 기존 장비들과 달리 검사한 영상을 저장하고 인쇄할 수도 있다. 점·선·직경·반경과 같은 2차원적 측정부터 거리·높이·각도 등 3차원 측정까지 가능하다. 진원도·동심도·평행도·평면도·경사도 등 2차원 및 3차원적인 기하학적 형상을 측정할 수 있다는 특징도 있다. 3차원 측정기는 전자기판 회로와 같은 작은 부품 검사부터 시작해서 철이나 알루미늄 가공 분야, 기계 설비나 심지어는 지형 파악 분야에도 사용된다. 다방면 산업 현장에서 활약하는 것은 물론이고 각종 연구소나 실험설계 분야에서도 그 모습을 볼 수 있다.

3차원 측정기가 가장 널리 사용되는 분야는 자동차 산업이다. 자동차 외관을 측정하고 만드는 분야부터 엔진 및 내부 부품을 검사하고 설계하는 분야에까지 널리 퍼져있다. 자료에 따르면 자동차 산업에 사용되는 3차원 측정기 수요는 3차원 측정기 전체의 60~80%를 차지할 정도라고 한다. 플라스틱 산업에서는 변형이나 치수 검사에 주로 사용된다. 플라스틱 산업에서는 비접촉식 측정기와 접촉식 측정기가 전부 사용되어야 하는 경우가 많다. 제품의 변형이 쉽고 고정 상태나 측정 방법에 따라 많은 오차가 발생할 수 있기 때문이다.

항공 산업에서는 항공기 부품이나 항공 요소 제품 측정에 사용된다. 항공 분야라는 특성상 측정방법이 까다롭고 요구사항이 많아 더욱 정밀한 공작이 필요하다. 또한 항공 산업 특성상 곡선이나 곡면 측정 및 분석에 주로 이용된다. 반도체 부품에서는 주로 비접촉식 3차원 측정기가 부품 외관이나 치수를 검사하는 데에 사용한다. 다른 분야보다 더 높은 정밀도를 요구한다. 그 이외에도 주조나 프레스 등 각종 제품 공정 및 치수 측정 분야에서 많이 이용한다.

3차원 측정기는 역설계(Reverse Engineering) 분야에서도 활용된다. 데이터를 스캔하여 1차원적 데이터를 추출한 뒤 이를 연결하여 선과 면 등 더욱 복잡한 차원으로 발전시킬 수 있다. 이는 오차범위가 매우 적은 특징을 활용한 분야이다.

주요 업체

3차원 측정기 시장에서는 헥사곤(Hexagon Metrology Group)이 가장 먼저 거론된다. 1819년 스위스에 세워진 Kern&Co.가 헥사곤의 전신이다. 이후 1883년에 미국에서 출발한 Brown& Shape나 1869년 Optische 연구소를 인수한 Ernst Leitz 등과 합병을 시작한다. 1992년 Hexagon AB가 설립된 이후로는 Wilcox, M&H그룹, Leica Geosystems AG 등 세계 여러 우수 기업들과 합병하였다. 이렇게 해외 유망 기업들로 만들어진 헥사곤은 다양한 기업들의 측정 기술로 업계 선두를 유지하고 있다. Brown&Shape(미국), Leits (독일), DEA(이태리), TESA(스위스) 등은 헥사곤 그룹을 구성하는 핵심 기업으로 손꼽힌다.

3차원 측정기를 논할 때에 독일에 있는 칼자이스(Carl Zeiss)를 빼놓을 수 없다. 칼자이스는 독특한 렌즈 제조 기술로 인해 광학 및 렌즈 분야에서는 이미 독보적인 존재이다. 하지만 칼자이스가 자랑하는 것은 렌즈뿐이 아니다. 칼자이스는 현미경을 비롯한 다양한 광학 기술 발전에 전념하고 있던 기업으로 안경 렌즈는 물론 카메라 렌즈와 현미경 분야, 의료기기 분야 등에서도 활약하고 있다. 칼자이스는 이러한 다양한 분야에서 얻은 명성을 3차원 측정기 분야에서도 그대로 이어간다. 각종 광학 분야 제조기술을 바탕으로 정확하고 정교한 측정을 위한 3차원 측정기를 선보인다. (칼자이스코리아 관련 기사는 본지 이번호 ‘업체탐방’ 참조)

일본 미쓰도요 역시 3차원 측정기 분야에서 유명세를 알리고 있다. 1934년 마이크로미터를 제조하기 시작해 70년 이상 정밀 측정 분야에 매진한 기업이다. 마이크로미터와 투영기 그리고 리니어 스케일 등 다양한 시험기기와 측정기기가 주요 사업 분야이다. 이 중에서도 접촉식 3차원 측정기와 비접촉 3차원 측정기가 특히 유명한 것은 3차원 측정기 분야에 대적할 만한 기술을 가진 다른 기업이 많지 않음을 뜻한다. 노하우를 집적하기 어려운 분야에서 명성을 알린 만큼 미쓰도요는 특유의 기술을 접목시킨 제품군으로 시장 공략에 나선다.

3차원 측정기 분야에서 여러 해외 업체가 이름을 알리고 있지만 국내에서도 측정기를 개발하기 위한 노력이 있었다. 그 선두에 있는 기업이 바로 덕인이다. 대덕연구단지 내에 있는 연구개발 전문기업인 덕인은 지난 1990년 설립된 이래 정밀공학 분야에 매진하였다. 그 결과 첨단 정밀기기, 반도체 및 디스플레이 분야에서 업계를 선도하겠다는 비전을 향해 크게 나아가고 있다. 2010년 3차원 측정기 관련 특허를 3건이나 출원 등록한 덕인은 CMM(Coordinate Measuring Machine)과 FPD(Flat Panel Display)분야에서 특히 강세를 보인다. 또한 국내에 있는 업체인 만큼 사후관리 및 협력체계가 상대적으로 쉽다는 특징이 있다.

글 |윤진근 기자 pen@automotivemnt.com