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뗄 수 없는 5축 가공과 공구 측정 – 레니쇼의 공구 세팅 및 측정 장치

먼저 5축 가공에서 공구 셋업 및 측정이 왜 3축 가공의 그것보다 중요하며, 만약 셋업 과정에서 오류가 발생했을 경우 더 복잡한 문제가 발생하는지를 이해하는 것이 좋을 것 같다. [그림 1]은 우리가 피봇이라고 부르는 회전축 중심에 오차가 발생했을 때 물리적으로 어떤 결과를 초래하는지를 설명하고 있다. 5축 장비의 컨트롤러가 인식하고 있는 회전축의 중심(파란색 포인트)을 기준으로 소재 위치 1을 90°만큼 반시계방향으로 회전할 경우 포인트 a의 위치로 이동하는 것이 정상이다. 하지만, 어떠한 오류로 인해 실제 회전축의 중심이 10μm 벗어나 있을 때(주황색 포인트), 그 회전축 중심을 기준으로 90° 회전 시 소재 위치 1은 실제로는 포인트 b로 이동하게 된다. 회전축 중심이 Z축 기준으로 -10μm 벗어난 경우, 포인트 b는 장비가 이동할 것으로 기대했던 포인트 a 대비 Z축으로 -10μm, X축 방향으로 -10μm 벗어나게 되는 복합적인 오류를 발생하게 된다.

[그림 1] 회전축 중심이 Z축 기준으로 -10μm만 벗어난 반면, 포인트 b는 장비가 이동할 것으로 기대했던 포인트 a 대비 Z축으로 -10μm, X축 방향으로 -10μm 벗어나게 된다.
[그림 1] 회전축 중심이 Z축 기준으로 -10μm만 벗어난 반면, 포인트 b는 장비가 이동할 것으로 기대했던 포인트 a 대비 Z축으로 -10μm, X축 방향으로 -10μm 벗어나게 된다.

5축 가공기에서 피봇을 잘 맞춰놓은 상태라 하더라도, 공구의 길이를 정확하게 셋업하지 않은 상태에서 공구를 내려 공작물에 원점을 세팅하는 경우, 위에서 예를 든 것처럼 회전축 중심에 오차가 발생한 것과 동일한 결과를 초래하게 된다. 이 때문에 5축 가공의 경우 상대 공구 길이 측정 방식이 아닌 절대 공구 길이 측정 방식으로 길이를 정확하게 재야 한다. 공구 세팅에서는 공구의 길이와 직경을 측정하는데 이 작업에 쓰이는 공구 계측 장치를 ‘공구 세팅 프로브’라고 하며, 측정 방식에 따라 접촉식과 비접촉식으로 나눌 수 있다.

접촉식 공구 세팅 프로브
레니쇼의 접촉식 공구 세팅 프로브는 TS27R과 OTS(무선)가 있다. 접촉식은 프로브가 스타일러스에 접촉하여 길이를 확인하는 방식이다. 공구 길이는 [캘리브레이션 공구 길이 + (교정된 좌표계 – 측정 좌표계)]로 계산한다[그림 2]. 기계 테이블에 TS27R을 설치한 후 기준 공구로 스타일러스 위치를 세팅하는 것을 교정이라 한다. 이것이 기계 원점에서 스타일러스까지의 전체 길이다. 이 과정은 소프트웨어로 이루어져 파라미터에 업데이트된다. 여러 번 측정할 때마다 같은 값을 내는 척도인 반복정밀도는 1㎛이며, 공구가 스타일러스에 닿는 형태이기 때문에 절삭유의 영향을 받지 않는다.

[그림 2] 접촉식 공구 세팅 프로브를 이용한 길이 보정 방법. 여기서 캘리브레이션 공구 길이가 120.05mm다. 이때 교정된 좌표계는 272.483이다. 다시 측정공구가 스타일러스에 접촉할 때 좌표계가 296.862다. 이 수치들을 대입하면 120.05 + (272.483 - 296.862)이므로, 공구 길이는 95.671mm가 된다.
[그림 2] 접촉식 공구 세팅 프로브를 이용한 길이 보정 방법. 여기서 캘리브레이션 공구 길이가 120.05mm다. 이때 교정된 좌표계는 272.483이다. 다시 측정공구가 스타일러스에 접촉할 때 좌표계가 296.862다. 이 수치들을 대입하면 120.05 + (272.483 – 296.862)이므로, 공구 길이는 95.671mm가 된다.
레니쇼의 접촉식 공구 세팅 및 측정 장치 TS27R
레니쇼의 접촉식 공구 세팅 및 측정 장치 TS27R

비접촉식 공구 세팅 프로브
레니쇼의 비접촉식 공구 세팅 프로브 NC4는 발신기와 수신기 사이의 레이저 빔을 이용해 공구 길이를 측정하는 방식이다. 공구가 내려와 빔을 끊으면 수신된 빔의 전압이 약해져 임계치 이하로 떨어질 때 트리거 신호가 발생하는 원리다. 길이 계산법은 접촉식과 같다. 비접촉식은 작업속도가 빠르고 작은 공구 측정이 가능하다는 장점이 있다. 또한 물리적 접촉이 없기 때문에 실제 절삭속도인 가공 RPM에서 측정이 가능하다. 회전 중 측정하는 이유는 원심력에 의해 스핀들이 빨려 올라가는 풀업(Pull up)현상 때문이다. 회전수에 따라 풀업이 발생해 스핀들 길이가 짧아질 수 있기 때문에 NC4에서 산출된 값에는 이러한 오차가 보정돼 있다.

기계 외부에서 수동으로 공구 세팅을 하는 경우(좌측) 발생하는 많은 문제점을 비 접촉식 공구 측정 프로브(우측)로 해결할 수 있다.
기계 외부에서 수동으로 공구 세팅을 하는 경우(좌측) 발생하는 많은 문제점을 비 접촉식 공구 측정 프로브(우측)로 해결할 수 있다.

최근 기능을 향상시킨 NC4는 공구 측정의 정확도도 높였다. 레이저를 사용하는 비접촉식 공구 측정기가 가지는 공통적인 특징이 있는데, 공구의 형상 별로 측정 값에 차이가 발생하는 것이다. 예를 들어 볼 타입과 플랫 타입의 공구에 따라 측정 결과가 다를 수 있는 부분을 공구 사이즈나 모양에 관계없이 정확하게 측정하도록 개선했는데, 실 가공 테스트 결과 2μm 이내의 가공 정도를 나타낸 바 있다.

레니쇼의 비접촉식 공구 세팅 프로브 NC4+
레니쇼의 비접촉식 공구 세팅 프로브 NC4+

또한, 비접촉식은 접촉식과 달리 절삭유나 칩의 영향을 받는다. 절삭유나 칩이 빔을 끊는 경우가 생기기 때문이다. 레니쇼의 NC4는 이 문제를 다양한 방법으로 해결하고 있다. 우선 공구에 묻은 이물질을 제거해야 하기 때문에 비접촉식으로 측정 중에는 공구 끝단에 대한 에어블로우가 필수다. 예전에는 외부 브라켓 노즐을 외부에 설치하다 보니 공구 끝단에 정확하게 조준하기 어려웠다. NC4는 측정기 내부에 에어블로우를 장착해 클리닝 성능을 대폭 향상했다.

비접촉식 레이저 공구 측정 시 가장 중요한 항목이 바로 에어블로우다. NC4+는 측정기 내부에 에어블로우를 장착해 클리닝 성능을 대폭 향상했다.
비접촉식 레이저 공구 측정 시 가장 중요한 항목이 바로 에어블로우다. NC4+는 측정기 내부에 에어블로우를 장착해 클리닝 성능을 대폭 향상했다.

NC4의 듀얼 측정 모드
NC4와 함께 사용하는 NCi-6 인터페이스는 듀얼 측정 모드를 지원한다. 공구가 레이저 빔을 차단하면서 측정이 이루어지는 방식과 일단 공구가 빔을 차단하도록 한 뒤 점차 레이저 광선을 통과시키면서 측정이 이루어지는 방식이 있는데, 이 두 가지 방식 중 상황에 맞게 사용이 가능하다. 장점은 절삭유가 많은 상황에 대해 빔의 간섭 간격을 판단하여 간섭 주체를 알 수 있으며, 소프트웨어는 예상과 다른 위치에서 빔이 차단되면 이를 인지하여 다시 측정하게 하는 방식으로 정확하고 신속한 측정과 탁월한 성능을 보장한다.

절삭유 낙하 필터링 기술 적용
공구가 일정한 RPM으로 돌 때 공구 표면의 날이 주기적 간격으로 빔을 끊게 된다. 예를 들어 회전수가 1,000rpm이라고 하면 날이 한 번 돌아 빔을 끊는 타이밍이 0.06초다. 이 일정한 간격의 중간에 빔에 간섭이 있는 경우는 절삭유 낙하에 의한 영향으로 보고 필터링해 주는 기술이다.

한 번만 재는 것으로는 부족해
NC4는 기본적으로 3회를 측정해서 3번의 측정 결과가 각각 설정되어 있는 스캐터톨러런스(Scatter tolerance) 범위 안에 들어오면 3회의 평균을 계산해서 결과를 내주는 방식으로 측정해 측정 결과의 신뢰도를 높여준다.

NC4와 함께 사용하는 NCi-6 인터페이스는 듀얼 측정 모드 및 절삭유 필터링을 지원하는 등 기능을 개선했다.
NC4와 함께 사용하는 NCi-6 인터페이스는 듀얼 측정 모드 및 절삭유 필터링을 지원하는 등 기능을 개선했다.

가공 중에도 공구를 측정한다?
초기 셋업  뿐만 아니라 가공 중에도 공구 측정이 필요하다. 주축에 열 변형이 발생해 축이 늘어나는 경우 이 변화량을 공구 데이터에 업데이트한 후 가공한다. 이때 공구측정에 활용한 측정기를 그대로 사용할 수 있다. 가공 중에 열에 의한 장비의 변위는 발생할 수밖에 없다. 특히 동시 5축의 경우 축 회전축을 운용하기 때문에 열변위는 더 복잡한 문제를 초래한다. 어떤 열 변위든 공구 끝을 기준으로 보면 공구가 늘어난 현상이 나타나기 때문이다. 그래서, 올바른 가공을 위해서는 공정 단계의 적당한 시점, 예를 들어 중삭을 완료하고 정삭에 돌입하기 전이라든지, 또는 가공하는 형상에 따라 그에 맞는 전략을 수립해 측정 사이클을 추가한다. 사용자가 전략을 세우는 과정에서 도움이 필요한 경우 레니쇼에서 컨설팅이 가능하다.

공구 파손 검출기 TRS2
공구 파손만을 검출하는 장치도 있다. 레니쇼의 TRS2는 레이저 타입의 비 접촉 브로큰 툴(Broken Tool) 인식 시스템으로, 드릴과 탭처럼 쉽게 부러질 수 있는 공구에 주로 적용된다. 이 측정기는 발신기와 수신기가 일체형으로, 발신기에서 레이저가 나왔다가 공구에 반사돼 다시 수신기로 돌아오는 방식으로 측정한다. 즉 레이저가 공구에 튕겨 수신기로 들어오는 정상적인 과정을 거치면 Good Tool(정상)이다. 만약 공구가 부러져 길이가 짧아졌다고 하면 레이저 빔이 그냥 통과해 버리므로 Broken Tool(손상)이다. 이 판단은 약 1초 만에 이루어지며, 정상이면 가공을 진행하고 손상이면 정상 공구로 교환된다. 때문에 대기시간을 없앤 연속작업이 가능하다. TSR2

레니쇼의 공구 파손 전용 검출기 TRS2

 

About 이상준 기자

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