3차원측정기의 구성 요소 및 산업 적용

3차원측정기는 물체의 표면 위치를 검출할 수 있는 프로브가 3차원 공간을 이동하면서 각 측정지점의 공간좌표를 검출하고, 그 데이터를 컴퓨터가 처리하여 3차원적인 크기나 위치 혹은 방향 등을 측정할 수 있는 기기이다. 3차원측정기는 어떻게 구성되어있으며 어떤 분야에 적용할 수 있는지 덕인에서 제공한 3차원측정기 자료를 바탕으로 알아본다.

3차원 측정기(CMM)의 소개

정밀측정이란?

정밀측정은 ‘기계 가공된 부품이나 기계요소의 치수, 각도, 형상, 표면 거칠기 등을 단위로 사용되는 다른 양과 비교하는 일’이라고 정의한다.

여기서 의미하는 단위로 사용하는 다른 양이란 길이의 기준인 미터를 의미하고, 측정 결과는 단위에 포함된 양과 단위의 곱으로 나타낸다. 보통 정밀측정에서는 특별한 지시가 없는 한 통상적으로 mm 단위를 사용한다. 예를 들면, 자동차의 크기가 얼마인지, 높이가 얼마인지, 폭이 얼마인지 등을 정밀 측정을 수행함으로써 정확하게 알 수 있다. 또 측정은 설계 및 가공과 더불어 기계산업 안에서 중요한 3대 항목 중 하나이다.

3차원측정기란?

KS B ISO 10360-1:2004에서는 좌표측정기를 ‘프로빙시스템을 이동수단으로 하는 측정시스템으로 공작물 표면 위에 공간좌표를 결정하는 성능이 있다.’라고 정의하고 있다. 그러나 이것은 단지 측정기 본체에 국한해서 정의한 내용이기에 3차원측정기의 기능이나 특징을 모두 나타내기에는 다소 부족한 면이 있다. 여기에 기능적인 면을 추가하면, 3차원측정기란 ‘물체의 표면 위치를 검출할 수 있는 프로브가 3차원 공간을 이동하면서 각 측정 점의 공간 좌표를 검출하고 그 데이터를 컴퓨터가 처리함으로써 3차원적인 크기나 위치 또는 방향 등을 측정할 수 있는 만능 측정기’로 정의할 수 있다.

3차원측정기의 장/단점

3차원측정기를 사용하면 복잡한 형상도 간단하게 측정할 수 있다. 또한 각종 옵션 소프트웨어를 이용하여 응용범위가 넓다. 뿐만 아니라 데이텀을 설정하는 데 필요한 시간을 절약할 수 있고 다른 시스템과의 데이터 통신이 편리하다. 이외에도 대량 생산 시 CNC 3차원측정기를 사용하면 실시간 품질 관리가 가능한 등 다양한 장점이 있다.

그러나 3차원측정기는 시스템이 정밀하고 복잡하기 때문에 유지 및 보수를 위한 노력이 필요하다. 뿐만 아니라 작업환경에 정상적으로 적응하고 활용하기까지 일정한 시간은 물론 관련 분야의 전문 지식이 필요하다. 또 온도나 진동 등에 민감하기 때문에 주변 환경을 잘 관리해야 하는 등 많은 어려움이 있다. 하지만 이러한 제약에도 불구하고 3차원측정기의 보급은 계속 확대되고 있는 추세이다. 현재는 주로 측정실에서 사용하고 있지만 향후에는 현장측정에도 많은 비중을 차지할 것으로 전망한다.

3차원 측정기의 구성 요소 및 종류

주요 구성 요소

본체 : 서로 수직방향으로 운동하는 세 축을 가진 기계.
컨트롤러 : 장비의 속도와 가속도 및 위치 등을 전자적으로 제어하는 장치.
프로빙 시스템 : 공작물의 좌표를 검출하는 센서.
컴퓨터 : 각종 연산 처리 및 데이터를 처리하는 장치.
기타 : 조이스틱·프린터 등 주변기기.

3차원측정기의 종류
 

3차원 측정기의 주요 역할 및 사용 효과

주요 역할

·대량 생산 제품에 대한 주기적인 공정 검사
·완성품에 대한 최종 검사
·상대제품과의 호환성 여부 점검
·다양한 GD&T 공차 해석
·제품 개발에 필요한 정보 추출(역설계-Reverse Engineering)

사용 효과

① 측정물 설치 및 변경작업 시 시간 절약, 치공구 불필요, 컴퓨터에 의한 자동연산, 합부 자동 판정 등으로 인해 측정작업의 능률을 향상시킨다.
② 기존 방법(정반 측정방식)으로 측정할 수 없었던 항목에 대한 측정문제를 간단히 해결한다.
③ 복잡한 측정물을 측정할 때 정도 및 신뢰성이 월등히 향상된다.
④ 안정적이고 오류가 적은 측정값을 얻을 수 있다.
⑤ 프로그램을 이용해  자동 측정을 할 수 있어 측정자의 피로를 줄인다.
⑥ 측정 데이터 정리를 자동화할 수 있다.

3차원 측정기의 발전 배경

3차원측정기의 역사

3차원측정기가 개발된 시기는 현재 정확하게 알 수 없다. 다만 1950년대부터 1960년대 사이에 등장한 것으로 추정하고 있을 뿐이다. 초창기에는 공구현미경과 같은 2차원측정기에 Z축 장치를 부착하거나 레이아웃 머신을 개조해서 사용하던 형태였다. 현재와 같은 형태의 3차원측정기는 영국의 F사와 이탈리아의 D사에서 제작된 것이 그 시초라고 할 수 있다.

그 후 측정 분야에서는 리니어스케일과 같은 디지털 위치검출기와 컴퓨터 그리고 정밀 가공 기술이 비약적으로 성장하였다. 이에 따라 정밀도와 측정 속도 모두에서 급격한 발전을 이룰 수 있었다.

3차원측정기의 발전단계를 명확하게 구분하는 것은 어렵다. 하지만 아래 표 1과 같이 대략적으로나마 분리할 수 있다.
 

현재 작업자들이 주로 사용하는 3차원측정기는 3단계 혹은 4단계에 진입해 있다. 최근에는 초정밀 비접촉 측정기와 다관절식 측정로봇 그리고 진원도 또는 표면 거칠기 등 특수한 전용측정이 가능한 3차원측정기도 등장하고 있다. 이들은 제5세대로 분류할 수 있다.

3차원측정기의 발전 배경

3차원측정기의 발전 역시 다른 기술 발전과 마찬가지로 공업 발전과 밀접한 관계가 있다. 기술이 발전함에 따라 생산되는 제품이 복잡 및 다양해진 것은 물론, 생활수준이 올라가며 제품 성능 개선과 품질 향상에 대한 요구가 증가하게 된 것. 가공 측면에서 보면 공작기계가 발달함에 따라 수동식으로 가공하던 제품을 CNC기기로 가공하게 되었다. 이에 기존 측정방식으로는 더이상 실시간 품질관리가 어려워졌다.

측정 측면에서도 생산성 향상을 위한 획기적인 방법이 필요했다. 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 대안은 현재로선 3차원측정기가 유일하다.

최근에는 3차원 CAD(Computer Aided Design) Model을 이용한 오프라인 프로그램들도 급속도로 전파되고 있다. 오프라인 프로그램이란 가상의 공간에 3차원측정기를 설치한 뒤 실제 제품 대신 제품과 동일한 CAD Model을 설치하여 측정 프로그램을 작성하고 검증할 수 있는 프로그램이다. 오프라인 프로그램을 이용하면 측정 프로그램 작성에 소요되는 시간을 절약하는 것은 물론 혹시나 발생할 수 있는 충돌을 사전에 점검할 수 있다.
 
주요 산업에서의 적용

자동차 산업

자동차 산업은 현재 3차원측정기가 가장 널리 퍼져 있는 분야로 자동차의 외관부터 내부 엔진까지 매우 광범위하게 사용되고 있다.

자동차 산업에서의 용도를 크게 분리하면 ▲자동차의 외관 측정(White body, Door 등)에 주로 Layout Machine 형태의 대형 3차원측정기들을, ▲엔진 및 자동차 내부 부품검사에 정밀도가 높은 브릿지 형태의 3차원측정기를 주로 사용한다. 그 외에도 자동차의 유리·배기구(Pipe, Muffler) 측정에서도 3차원측정기가 사용되고 있다. 자동차 산업에서 사용하는 3차원측정기의 수요는 3차원측정기 전체 수요의 60%에서 80%를 차지할 정도로 높다.

플라스틱 산업

플라스틱의 변형 및 치수검사에 주로 사용된다. 이러한 검사에는 비접촉식 측정기도 많이 활용된다. 이는 플라스틱이 불투명하고 안쪽을 들여다보기 힘든 특성을 가지고 있기 때문이다. 비접촉식 측정기와 접촉식 측정기를 혼용하여 사용하지 않으면 정확한 측정이 불가능한 경우가 많다. 또한 플라스틱 크기는 매우 작으므로 자동차 분야에 비해 크기가 작은 소형장비들이 각광받는다. 플라스틱 산업에서는 제품이 변형되기 쉬우며 그만큼 측정방법이나 고정상태 등에 따라 많은 오차가 발생할 수 있다. 따라서 정확한 고정과 통일된 측정방법이 필요하다.

항공 산업

주로 항공기 부품이나 임펠러(Impeller) 혹은 블레이드(Blade)와 같은 항공요소 제품 측정에 사용된다. 항공 산업은 다른 산업과는 달리 요구사항이나 측정방법이 매우 까다로운 분야이다. 굉장히 높은 정밀도와 완성도를 요구한다. 임펠러나 블레이드와 같은 특수한 형상의 제품을 측정할 때는 일반 범용 측정 프로그램이 아닌 전용 소프트웨어가 필요하다. 전용 소프트웨어들은 주로 곡선/곡면의 측정과 분석에 사용된다.

반도체 부품 산업

반도체 부품 산업에서는 비접촉식 3차원측정기를 사용하는 경우가 대부분이다. 특수한 경우에 한해서만 접촉식 측정기를 사용하고 있다. 반도체 부품을 측정하거나 검사(외관검사 및 치수 검사 등)할 때 3차원 측정기를 주로 사용한다. 반도체 부품 산업 역시 일반 기계 산업에서 보다 높은 정밀도를 요구하는 경우가 많다. 다른 분야에 비해 자동화 및 무인화 시스템을 일찍 구축하고 있는 분야이기도 하다.

기타

3차원측정기는 주조나 프레스를 비롯한 각종 가공 제품의 치수 검사·공정 검사·최종 검사 등 산업 전반에 걸쳐 사용할 수 있다. 사용 용도에 따라 여러 형태의 작업에 활용할 수 있는 측정기이다. 또 제품의 개발(신규개발이나 역설계 등)과 같은 업무에서도 3차원측정기를 이용하면 필요한 정보를 쉽게 얻을 수 있다.

향후 발전 방향

소프트웨어적인 발전방향

1990년대 후반에 접어들면서 3차원 측정 소프트웨어에도 많은 변화가 있었다. 3차원 CAD Model을 측정에 활용하면서 설계·가공·측정을 통합된 시스템으로 구축할 수 있게 됐다. 또한 기존에 2D 도면을 기준으로 작성되던 측정작업 역시 CAD Model을 이용하여 간편하게 수행할 수 있게 되었다. 향후 3차원 측정 소프트웨어를 활용하기 위한 발전과제로는 3차원 CAD Model의 활용과 각 CMM들 간의 통신방식 및 프로그램 언어를 통일하는 작업이 중요하다.

이는 사용자의 편의에 따라 급속하게 변화한 것이다. 또한 기존 3차원 CAD프로그램들에서 NC데이터를 추출하는 것이 일반화된 것처럼 DMIS데이터를 3차원 CAD프로그램에서 직접 추출할 수 있도록 하는 것도 중요하다.

하드웨어적인 발전방향

아직까지 대부분의 많은 3차원측정기는 온도 및 진동에 민감하다. 이는 대부분의 3차원측정기가 측정실, 즉 다양한 외부요인에 간섭을 받지 않는 공간에 있어야 하는 이유이기도 하다. 많은 CMM 제조사들이 앞다투어 이에 대응할 수 있는 장비를 내놓고 있으나 아직까지는 부족한 단계이다. 인라인용 장비를 더욱 개발하는 것이 선행과제이다.
성능 부문에서는 정밀도 및 속도는 물론 자동화 측면에서도 발전가능성이 많다. 현재까지 구분되어있는 비접촉식 및 접촉식 센서에 대한 개발 또한 많은 이들의 관심 속에서 꾸준히 발전되고 있다.

각종 용어

3차원측정기 관련 용어

☞ 아래 용어의 일부는 KS 규격의 원문을 그대로 인용한 것이다. 일부의 경우에는 그 의미가 실제 원문과 다를 수 있다.

좌표 측정기(CMM)

① 프로빙 시스템을 이동 수단으로 하는 측정 시스템이며 공작물 표면 위에 공간 좌표를 결정하는 성능이 있다.
② 공작물 표면 위에 공간좌표를 결정하기 위하여 프로빙 시스템을 수동으로 이동하는 측정 시스템
③ 3차원 좌표 측정기로써, 서로 직교하는 안내와 안내의 이동량을 구하는 스케일 및 프로브를 가지고 각각의 이동량에서 프로브의 3차원 좌표값을 구할 수 있는 측정기.

좌표 측정

CMM에 의해 실행되는 공간 좌표의 측정

공작물 좌표 시스템

① 공작물에 대해 고정된 좌표 시스템
② 일반적으로 PCS(Part Coordinate System)라고 칭함.

기계 좌표 시스템

① CMM의 물리적 또는 계산된 축에 대해 고정된 좌표 시스템
② 일반적으로 MCS(Machine Coordinate System)라고 칭함.

프로빙 시스템

① 프로브가 존재하는 경우 프로브 익스텐션, 프로브 교환 시스템, 측정자, 측정자 교환 시스템과 측정자 익스텐션으로 구성되는 시스템
② 프로브 : 측정 대상의 좌표 위치를 검출하는 기구. 접촉 프로브와 비접촉 프로브가 있다. 접촉 프로브에는 고정식 프로브와 전기 신호식 프로브 등이 있으며, 비접촉 프로브에는 광학식 프로브가 있다.

프로빙(Probing)

① 좌표 수치를 결정하도록 작용한다.
② 프로빙[KS B 5542 : 1990] : 3차원측정기를 이용하여 측정 대상에 프로브를 대고 그 위치의 좌표값을 읽는 것.

치수 측정에 대한 CMM의 표시 오차(E)

① 표준물질(치수의 형체를 재생하는 표준물질)의 치수는 CMM으로 표시 오차에서 결정할 수 있다. 2개의 공칭 평행면과 평면 중 하나에는 수직인 2개의 마주 보는 프로빙점을 통해 측정이 이루어지며 이때 프로빙점은 반대방향에서 접근한다.
② 비고 : 표준물질을 측정할 때 2개의 마주보는 표면과 평면 중 하나에는 수직인 2개의 마주보는 점을 통해 측정이 이루어지며 이 때 점은 반대 방향에서 접근한다.

크기측정에 대한 CMM 지시의 최대 허용 오차(MPEE)

① CMM의 규격, 규정 등에 의해 허용된 크기 측정에 대한 CMM 지시 오차의 최대 수치 E
② 크기측정 오차에 대한 CMM 표시의 최대 허용 오차 MPEE는 세 가지 형태 중 하나로 명시된다.

프로브 오차(P)

시험용 구에서 재료 크기를 표준으로 한 반지름 범위가 CMM에 의해 결정될 수 있는 표시 오차. 이 때 측정은 시험용 구 상에서 하나의 측정자를 이용하는 이산점 프로빙(표시된 측정점의 기록이 중간점을 지난 후 직접 산정되는 특정한 프로빙)모드로 실행된다. 이 때 P는 양수이다.
 

시험용 구

합격 판정 시험용과 재검증 시험에 사용되는 시험용 구에 대한 크기의 표준.

보정 볼 지름

프로브의 휨 등을 고려하여 정해진 접촉 프로브의 볼 지름.

분해능(Resolution)

① 의미있는 분별이 가능한 표시 장치 지시값 사이의 최소 차이.
② 디지털 표시 장치에서는 최소 유효숫자가 한 단계 변할 때 지시에 나타나는 변화.

측정관련 용어

측정학

① 측정에 관한 과학.
② 그 불확도가 무엇이든, 그리고 과학이나 기술 중 어떤 분야에서 이루어지든 측정에 관한 이론적 및 실제적인 관점을 모두 포함한다.

측정

① 어떤 양(측정량)을 단위로 사용하는 같은 종류의 다른 양과 비교하는 것.
② 양의 값을 결정하기 위한 일련의 작업.

검사

주어진 규정에 만족하는지 여부를 결정하는 행위.

정확도

① 한쪽으로의 치우침 정도.
② 측정결과와 측정량의 참값이 서로 일치하는 정도.
③ 주의 : ‘정밀도’라는 용어를 ‘정확도’ 대신으로 사용할 수 없다.

정밀도

측정치의 흩어짐(산포)의 정도.

호환성

① 서로 조립되어야 할 부품이나 요소와는 관계없이 독립적으로 제작된 부품을 임의로 선택하여 조합해도 정상적인 기능을 발휘하는 성질.
② 기능이나 적합성을 유지하면서 장치나 기기의 부분품 따위의 구성 요소를 다른 기계의 요소와 서로 바꾸어 쓸 수 있는 성질.

반복성

① 동일한 측정 조건(반복성 조건) 아래서 동일한 측정량을 연속적으로 측정하여 얻은 결과들 사이에 일치하는 정도.
② 반복성 조건들은 다음을 포함한다.
·동일한 측정 절차
·동일한 관측자
·동일한 조건 아래서 사용된 동일한 측정기기
·동일한 위치
·짧은 시간동안의 반복

재현성

① 변경된 측정 조건 아래서 동일한 측정량으로 측정하여 얻은 결과들 사이에 일치하는 정도.
② 재현성이 타당성을 갖기 위해서는 변경된 조건들을 명시하여야 한다.
③ 변경된 조건들은 다음을 포함할 수 있다.
·측정 원리
·측정 방법
·관측자
·측정 기기
·교정용 표준
·위치
·사용 조건
·시간

단위

① 협약에 의해 정의되고 채택된 특정한 양. 같은 종류이지만 양이 다른 것들은 이 양에 대한 상대적인 크기를 나타내기 위하여 비교된다.
② 측정 단위는 관례에 따라 붙여진 명칭과 기호를 가지고 있다(표 2 참조).
③ 같은 차원을 가진 양의 단위들은 같은 종류의 양이 아닌 경우에도 같은 명칭과 기호를 가질 수 있다.
 

국제 단위계, SI

① 국제도량형총회(CGPM)에서 채택하여 권장하는 일괄성 있는 단위계.
② 현재는 일곱개의 기본 단위에 바탕을 두고 있다(표 3 참조).

측정 불확도

① 측정 결과와 관련하여 측정량을 합리적으로 추정한 값들의 분산 특성을 나타내는 패러미터.
② 이 패러미터는 예를 들어 표준편차(또는 그의 배수) 또는 명시된 신뢰수준을 갖는 구간의 반너비 등이 될 수 있다.
③ 측정 불확도는 일반적으로 여러 성분으로 구성된다. 이들 중 어떤 성분은 연속 측정 결과들의 통계적 분포로부터 그 값을 구할 수 있으며, 실험 표준편차로 나타낼 수 있다. 이외의 다른 성분도 마찬가지로 실험 표준편차로 특성을 나타낼 수 있지만, 이들은 경험이나 기타 정보에 근거하여 가정한 확률분포로부터 그 값을 구한다.
④ 측정 결과는 측정량의 값에 대한 최선의 추정이다. 보정 및 기준용 표준과 관련된 성분들과 같은 계통효과에서 기인하는 성분을 포함한 불확도의 모든 성분들이 분산에 기여한다고 이해되고 있다.

실험 표준편차

동일한 측정량을 일련의 n번 측정한 것에 대해, 그 결과의 분산을 특성짓는 양.

요소 표준편차

① 요소 계산에 필요한 최소점을 초과하여 프로빙 또는 다시 불러온 경우 표준편차를 계산하여 출력한다.
② 표준편차는 측정된 요소의 형상과 최대, 최소 편차량을 파악하는 데 사용된다.
③ 최대편차와 최소편차의 합은 최소 자승법으로 계산한 요소의 모양편차와 같은 값을 갖는다.

편차

어떤 값에서 그 기준값을 뺀 것.

측정 표준

① 어떤 단위나 어떤 양의 한 값 또는 여러 값들의 기준을 제공하기 위한 것.
② 이들을 정의하거나 현시하거나 보존하거나 또는 재현하기 위한 물적 척도, 측정기기, 표준물질 또는 측정 시스템.

국제 측정 표

① 국제적 합의에 따라 인정된 표준
② 해당 양의 다른 표준에 값을 부여하기 위한 기초로서 국제적으로 사용하기 위한 것.

국가 측정 표준

① 국가가 결정하며 인정한 표준
② 해당 양의 다른 표준에 값을 부여하기 위한 기초로서 그 나라에서 사용하기 위한 것.

소급성

① 측정결과 또는 표준값을 볼 때 모든 비교단계에서 명시된 불확실성을 갖는, 보통 국가표준 또는 국제표준인 정해진 기준과 관련된 특성.
② 소급성이 끊어지지 않은 비교의 사슬을 소급성 사슬이라고 부른다.

교정

① 측정 기기나 측정 시스템이 지시하는 양의 값. 또는 물적 척도나 표준 물질이 표시하는 값과 표준에 의해서 현시된 이들에 대응하는 값 사이의 관계를 지정한 조건하에서 확립하는 일련의 작업.
② 교정의 결과는 측정량에 대한 값을 지시값으로 정하거나 또는 지시값에 대한 보정 작업을 가능케 한다.
③ 교정은 또한 영향량의 효과와 같은 기타 측정학적 특성도 결정할 수 있다.
④ 교정결과는 때로 교정 증명서 또는 교정 성적서라고 불리는 문서로 기록한다.

진직도 : 직선 형체가 기하학적 직선으로부터  어긋난 크기.
평면도 : 평면 형체가 기하학적 평면으로부터  어긋난 크기.
진원도 : 원형 형체가 기하학적 원으로부터 어긋난 크기.
원통도 : 원통 형체가 기하학적 원통으로부터 어긋난 크기.
평행도 : 형체가 데이텀에 대하여 평행인 기하학적 형체로부터 어긋난 크기.
직각도 : 형체가 데이텀에 대하여 직각인 기하학적 형체로부터 어긋난 크기.
경사도 : 형체가 데이텀에 대하여 이론적으로 정확한 각도를 갖는 기하학적 형체로부터 어긋난 크기.
위치도 : 형체가 데이텀에 대하여 이론적으로 정확한 위치로부터 어긋난 크기.
동심도 : 원형 형체의 중심이 데이텀 원의 중심에 대해 어긋난 크기.
동축도(Coaxiality) : 데이텀 축 직선과 동일 직선 위에 있어야 할 축선이 데이텀 축 직선으로부터 어긋난 크기.
대칭도 : 데이텀 축 직선 또는 데이텀 중심 평면에 대해 서로 대칭이어야 할 형체가 대칭 위치로부터 벗어난 크기.
원주 흔들림 : 데이텀 축 직선을 회전시켰을 때 형체 단면의 표면이 지정된 방향으로 변위하는 크기.
온 흔들림 : 데이텀 축 직선이 회전할 때 원통 또는 수직인 원형 평면의 표면이 지정된 방향으로 변위하는 크기.
선의 윤곽도 : 선의 윤곽이 기하학적 윤곽으로부터 어긋난 크기.
면의 윤곽도 : 면의 윤곽이 기하학적 윤곽으로부터 어긋난 크기.

자료제공 | 덕인(www.duxin.co.kr)