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귀하의 5축 장비 회전각도는 정확합니까? – 레니쇼의 회전축 회전각도 측정기 XR20-W

5축 가공기에 잠재해 있는 다양한 에러 소스 중의 하나가 바로 회전축에서 나타나는 회전각도의 오차다. CNC가 지령한 각도에 맞게 회전이 정확하게 잘 되었는지가 관건이다. 회전각도 오차가 가공물에 주는 영향을 쉽게 이해하기 위해서 테이블에 올린 원형 공작물의 옆면에 홀을 뚫는 상황을 가정해 보자.(사진2) 만약 회전각도에 오차가 있을 경우 홀의 위치에 오차가 발생하게 된다. 더 나아가서 회전축과 직선축이 함께 움직이는 5축 가공의 경우 회전각도의 오차는 더 복잡한 가공 오차를 유발해 가공물의 품질에 영향을 주게 된다.

[사진 1] 5축 가공기의 경우 방식에 따라 테이블과 헤드에 다양한 회전축이 있다.
[사진 1] 5축 가공기의 경우 방식에 따라 테이블과 헤드에 다양한 회전축이 있다.
[사진 2] 테이블에 부품을 놓고 A축과 C축을 회전시키면서 구멍을 뚫는다고 가정하자. C축의 회전각도에 오차가 있는 경우에는 홀의 위치에 오차가 발생할 것이다. (설명은 레니쇼코리아 이찬호 박사)
[사진 2] 테이블에 부품을 놓고 A축과 C축을 회전시키면서 구멍을 뚫는다고 가정하자. C축의 회전각도에 오차가 있는 경우에는 홀의 위치에 오차가 발생할 것이다. (설명은 레니쇼코리아 이찬호 박사)
이렇게 정밀도에 영향을 주는 중요한 인자이기 때문에 회전축이 있는 5축 장비에서 회전각도를 측정하고 관리하고자 하는 노력은 계속되어 왔다. 오래전부터 회전각도 측정을 위해서 망원경의 원리를 이용하여 미세한 각도를 측정하는 오토콜리메이터를 사용해 왔는데, 측정 항목이 제한적이고 사용에 불편함이 있었다. 하지만, 레니쇼의 레이저 측정기인 XL80 또는 XM60 제품에 회전각도 측정을 위한 XR20-W를 추가하여 사용하게 되면서, 이들의 편리하고 신속한 측정 방식 덕분에 국내의 경우 대부분의 공작기계 제조사에서 장비 회전각도 측정을 위해 XR20-W를 사용 중이다.

초정밀 회전각도 측정기, XR20-W
레니쇼의 회전각도 측정 솔루션 XR20-W는 레니쇼의 레이저 측정기인 XL-80, XM-60 등에서 발생시킨 레이저를 XR20-W가 가진 각도 반사경을 이용해 회전각도를 측정하는 구성으로 작동한다. XR20-W에는 초정밀 로터리 엔코더가 장착되어 있다. 측정 시 테이블을 일정 각도로 회전시키고 XR20-W의 로터리 엔코더도 동일 각도로 동시에 회전하여 그 차이를 계산해 내는 방식이 사용된다.

 초정밀 로터리 엔코더가 장착되어 있는 XR20-W 회전축에 장착하기 위해서는 제공되는 어댑터만 사용하면 간단하다.
초정밀 로터리 엔코더가 장착되어 있는 XR20-W 회전축에 장착하기 위해서는 제공되는 어댑터만 사용하면 간단하다.

XR20-W의 스펙으로는 정확도(Accuracy) ±1 arcsec, 분해능(Resolution) ±0.1 arcsec의 고정밀도를  나타낸다. 참고로 회전각도 1도가 60분, 1분이 60초이므로 1도는 3,600초(각도 초, arcsec)가 된다. 정확한 비교는 아니지만, 이해를 돕기위해 길이 단위와 비교해 1도에 대한 tangent 거리를 1mm로 가정하면 1초(arcsec)에 대한 거리 오차는 0.3μm 수준에 해당하는 매우 작은 단위다.

XR20-W를 이용한 측정 및 분석
XR20-W을 이용해 측정하기 위해서는 척 어댑터를 테이블에 장착한 후 마운팅하기만 하면 된다. 레니쇼의 통합 측정 소프트웨어인 CARTO 소프트웨어를 사용해 측정하고 분석한다. CARTO는 편리한 UI를 가지고 있어 누구나 쉽게 사용할 수 있다. 수집이 완료된 측정값을 역시 CARTO 소프트웨어에서 분석한 후 소프트웨어에서 계산해 주는 보정 값을 출력해 컨트롤러 상에서 회전각도 오차에 대한 보정 작업을 수행하면 된다.

XR20-W는 레이저 측정기에서 발생시킨 레이저를 각도 반사경을 이용해 측정하는 방식으로 회전각도를 측정한다.
XR20-W는 레이저 측정기에서 발생시킨 레이저를 각도 반사경을 이용해 측정하는 방식으로 회전각도를 측정한다.

 

Off-axis 측정 툴킷

공작물 테이블인 C축이 아닌 헤드 틸팅 타입의 회전축 중심에는 로터리 캘리브레이터를 고정할 수 없는 경우도 있다. 또는 회전 센터가 보이지 않거나 쉽게 근접할 수 없는 경우도 있을 수 있다. 특수한 지그를 사용할 수도 있지만, 현실적으로 셋업하기 힘들며 많은 시간이 소요되는 어려움이 있다. 레니쇼에서는 직선축과 스핀들 헤드의 모션을 동기화시키는 측정 방법인 Off-axis 기능으로 이 문제를 해결했다. 그림3과 같이 직선축과 회전축의 동기 동작을 통해 레이저 빔의 경로를 유지하는 것이 가능해 XR20-W를 센터에서 벗어난 위치에 설치해도 회전각도 측정이 가능한 것이다. 단, 레니쇼에서는 Off-axis 기능을 이용해 정확한 회전각도 측정을 하기 위해서는 사전에 X, Y축에 대한 평가와 보정을 진행할 것을 권장하고 있다.

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Off-axis 측정 툴킷을 이용하면 회전축 중심에 WR20-W를 장착하지 않고도 각도 측정이 가능하다.
 [사진 3] 로터리 축이 회전함에 따라 직선축 또한 앵귤러 Int.와 XR20-W사이의 빔 정렬을 유지하기 위해 동시에 움직인다. 즉, 회전 방향과 반대로 회전하는 모션을 사용하는 것이다.
[사진 3] 로터리 축이 회전함에 따라 직선축 또한 앵귤러 Int.와 XR20-W사이의 빔 정렬을 유지하기 위해 동시에 움직인다. 즉, 회전 방향과 반대로 회전하는 모션을 사용하는 것이다.


레니쇼와 함께하는 5축 장비 회전각도 측정 및 보정 실습

회전각도 측정 및 보정 실습은 레니쇼코리아의 데모룸에서 진행했다. (화낙의 Robodrill 장비)
회전각도 측정 및 보정 실습은 레니쇼코리아의 데모룸에서 진행했다. (화낙의 Robodrill 장비)
실습에서는 C축 회전축의 회전각도를 측정해 보기로 하고, 주축 중앙의 홀에 브라켓을 설치하고 WR20-W를 설치했다.
실습에서는 C축 회전축의 회전각도를 측정해 보기로 하고, 주축 중앙의 홀에 브라켓을 설치하고 WR20-W를 설치했다.
실습에는 레니쇼의 레이저 측정기인 XM-60을 사용했다. XM-60은 4개의 레이저를 사용하지만 로터리 회전각도 측정에는 레이저 두개만 사용한다.
실습에는 레니쇼의 레이저 측정기인 XM-60을 사용했다. XM-60은 4개의 레이저를 사용하지만 로터리 회전각도 측정에는 레이저 두개만 사용한다.
CARTO 소프트웨어에서 진행한 측정을 위한 셋업. 측정을 원하는 축을 지정하고 측정 간격, 횟수, 샘플링 방식 등의 파라미터를 설정한다.
CARTO 소프트웨어에서 진행한 측정을 위한 셋업. 측정을 원하는 축을 지정하고 측정 간격, 횟수, 샘플링 방식 등의 파라미터를 설정한다.
이송 속도와 컨트롤러의 종류를 선택하면 측정 사이클에 대한 G-code가 자동으로 생성된다. 이를 장비에 로딩하면 측정 준비 완료.
이송 속도와 컨트롤러의 종류를 선택하면 측정 사이클에 대한 G-code가 자동으로 생성된다. 이를 장비에 로딩하면 측정 준비 완료.
측정을 시작하면 자체 캘리브레이션을 실시한 후 측정이 진행된다. 백래시를 최소화 하기 위해 -5도 회전 후 원점에서부터 측정을 시작한다. 실습에서는 30도 간격으로 측정을 진행했다.
측정을 시작하면 자체 캘리브레이션을 실시한 후 측정이 진행된다. 백래시를 최소화 하기 위해 -5도 회전 후 원점에서부터 측정을 시작한다. 실습에서는 30도 간격으로 측정을 진행했다.
1차 측정 결과를 CARTO 소프트웨어에서 ISO 230-2 2014 규격으로 분석했다. 매 30도 회전할 시 마다 오차가 발생한 것을 확인할 수 있다. 특히 0도에서 역방향 반전오차(백래시)가 볼스크류의 이격에 의해 발생했다. (파란색은 정방향, 녹색은 역뱡향, 빨간색은 평균 회전각 오차). + 방향오차 29.7초, - 방향오차 29.0초, 양방향오차 49.2초, 반전오차(백래시) 28.0초, 평균 반전오차 20.1초, 전체 평균 오차는 29.3초 발생했다. (단위: arcsec)
1차 측정 결과를 CARTO 소프트웨어에서 ISO 230-2 2014 규격으로 분석했다. 매 30도 회전할 시 마다 오차가 발생한 것을 확인할 수 있다. 특히 0도에서 역방향 반전오차(백래시)가 볼스크류의 이격에 의해 발생했다. (파란색은 정방향, 녹색은 역뱡향, 빨간색은 평균 회전각 오차). + 방향오차 29.7초, – 방향오차 29.0초, 양방향오차 49.2초, 반전오차(백래시) 28.0초, 평균 반전오차 20.1초, 전체 평균 오차는 29.3초 발생했다. (단위: arcsec)
실습에서는 백래시를 보정해 보았다. 컨트롤러 별로 백래시 관련한 파라미터를 찾아서 보정해야 한다. 역방향 반전오차가 발생했으므로 컨트롤러의 해당 파라미터에서 적절한 값을 입력한 후 다시 측정을 실행했다.
실습에서는 백래시를 보정해 보았다. 컨트롤러 별로 백래시 관련한 파라미터를 찾아서 보정해야 한다. 역방향 반전오차가 발생했으므로 컨트롤러의 해당 파라미터에서 적절한 값을 입력한 후 다시 측정을 실행했다.
보정 결과 반전오차는 종전 28.0초에서 12.2초로, 평균 반전 오차는 20.1초에서 1.9초로 감소했다. 회전축의 백래시 보정이 성공적으로 수행된 것이다.
보정 결과 반전오차는 종전 28.0초에서 12.2초로, 평균 반전 오차는 20.1초에서 1.9초로 감소했다. 회전축의 백래시 보정이 성공적으로 수행된 것이다.

XR20-W를 이용한 회전각도 오차 보정 실제 사례
최근 국내의 한 공구 제조 기업에서 사용 중이던 스위스 공구 정밀 연삭기의 회전축에 각도 오차가 발생하고 있었다. 레니쇼의 XR20-W를 이용해 회전각도를 측정해 본 결과(사진 4), 시스템 위치 오차는 +15~-18초 발생해 양방향 32.5초가 발생하고 있었다. 반전 오차는 9.8초 발생해 총 오차는 27.4초로 확인되었다. 워낙에 정밀한 가공이 필요한 기계였기 때문에 이 정도 회전각도 오차로도 가공 결과에 큰 문제가 발생했던 것이다. 측정 후 CARTO 소프트웨어에서 에러 보정 값이 포함된 보정 테이블을 받아  컨트롤러에 입력하여 보정을 진행했다. 보정 결과 (사진5) 시스템 위치 양방향 오차는 10.5초, 반전 오차는 7.6초, 총 오차는 7.4초로 큰 폭으로 개선되어 정상적인 생산이 가능해졌다.

[사진 4]
[사진 4]
[사진 5]
[사진 5]
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About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.