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6 자유도를 이용한 공작기계 공간오차 검/교정 – Etalon의 Laser Tracer

공작기계에서 물리적으로 보정할 수 있는 수준을 50㎛로 볼 때 그 이하에 대한, 즉 물리적으로 할 수 없는 수준의 보정을 위해 많이 사용되는 것이 간섭계(interferometer)이다. 실제 현장에 서는 장비의 보정을 위해 간섭계와 거리 측정 유닛의 옵틱을 다양하게 준비해서 에러를 측정하고 있다. 하지만 이 방법은 공작기계가 가진 전체 에러를 모두 측정하기에는 제한적이어서 3축의 경우 포지셔닝과 일부 진직도, 직각도, 회전축(5축)에서는 로케이션 에러와 포지셔닝 에러 위주의 보정을 하는 수준이었다. 

 

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GPS 방식의 추적식 측정기 – Laser Tracer
헥사곤(Hexagon) 그룹 에탈론(Etalon)의 레이저 트레이서(Laser Tracer)는 간섭계의 일종이지만 추적식 방식이고 Full 오차 보정이 가능한 세계 최초의 측정기이다. 기존 간섭계는 직진성에 의존하므로 환경에 따라 굴절 오차가 발생하지만, 레이저 트레이서는 GPS 방식으로 여러 군데의 거릿값만을 측정하여 에러 맵을 계산하므로 오차가 적다. 기본 오차는 0.2㎛에 1m당 0.3㎛의 오차가 발생한다. 

Screenshot 2020-02-26 at 15.23.58Laser Tracer MT
동시 5축 장비에 최적화된 모델이 Laser Tracer MT다. 추적식 간섭계의 기능은 동일하되 측정기 자체의 무게와 크기를 줄였다. 정확도는 1㎛로 레이저 트레이서에 비해서는 떨어지지만 작은 영역의 공간오차 보정에는 유리하고 거꾸로 달아서 측정할 수 있어 동시 5축 장비의 스위블링 테이블에서는 확실한 장점이 있다.

측정기 자체의 무게와 크기를 줄여 동시 5축 장비에 최적화시킨 Laser Tracer MT
측정기 자체의 무게와 크기를 줄여 동시 5축 장비에 최적화시킨 Laser Tracer MT
Laser Tracer MT로 5축 장비를 측정하고 있다.
Laser Tracer MT로 5축 장비를 측정하고 있다.

Laser Tracer NG
Etalon의 Laser Tracer NG는 CMM 및 공작기계의 교정, 모니터링 및 정확도 향상을 위해 개발되었다. 반사경을 자동으로 추적하는 자체 추적 레이저 간섭계를 사용해 기하학적 편차를 가장 정밀하게 측정할 수 있다. Laser Tracer NG는 정밀한 구(Sphere, 형상 편차 50nm 이하)를 이용하여 기계적인 오차값을 최소화했고, 거리 측정 시 정밀 구의 중심과 장비에 장착된 반사구와의 거리값이 측정되기 때문에 장비 자체의 오차를 최소화 할 수 있다. 또한, 트레킹을 하면서 엔코더 값을 사용하지 않고 거리값 만으로 측정함으로써 정밀한 측정 결과를 얻게 된다.

Laser Tracer NG 내부의 구조.
Laser Tracer NG 내부의 구조.

Laser Tracer 측정 방법
측정 방법은 영역과 좌표에 대한 G-code를 장비 컨트롤러에 입력한 뒤, Laser Tracer를 가공 장비 베이스에 설치한다. G-Code에 따라 움직이는 장비에서 위치시킨 Laser Tracer와 스핀들 헤드에 장착된 반사구(Cats-eye)가 레이저 신호를 통해 위칫값을 주고받으며 측정하게 된다.
측정이 완료되면 에탈론의 TRAC-CAL 소프트웨어가 교정을 위한 에러 맵을 계산해 낸다. 이 에러 맵은 보정 대상인 컨트롤러와 호환되는 파일 형식으로 제공된다. 3축의 경우 4포인트 이상에 대해 측정하면 위치를 계산하여 실제 위칫값을 계산해 내는데, 에러를 모두 측정하고 보정하는 데 걸리는 시간이 종전의 간섭계의 4분의 1에 불과하다. 

에탈론의 TRAC-CAL 소프트웨어는 레이저 트레이서로 측정한 값과 이론상의 거리값의 오차를 종합적인 계산과정을 거쳐 Full Error Map으로 분리해낸다. 화면은 3축에 대해 계산된 총 21개의 에러를 그래프로 표현한 것이다.
에탈론의 TRAC-CAL 소프트웨어는 레이저 트레이서로 측정한 값과 이론상의 거리값의 오차를 종합적인 계산과정을 거쳐 Full Error Map으로 분리해낸다. 화면은 3축에 대해 계산된 총 21개의 에러를 그래프로 표현한 것이다.
레이저 트레이서를 이용하여 교정 후 검정한 결과
레이저 트레이서를 이용하여 교정 후 검정한 결과

만약 ISO 규정에 따른 장비의 검정이 필요하다면 TRAC-CHECK 소프트웨어를 사용한다. TRAC-CHECK을 이용한 장비 검증 시에는 장비 상의 Laser Tracer의 위치를 인식하고 인식된 위치로부터 장비 움직임을 자동으로 설정하여 축방향 및 각종 대각선 방향 측정을 수행한다. 만약 검정 결과가 만족스럽지 못하면 다시 측정과 TRAC-CAL에 이르는 과정을 반복한다.

Full 보정이 가능한 컨트롤러는?
문제는 레이저 트레이서가 뽑아주는 Full error map을 적용해서 장비 전체의 공간오차를 보정할 수 있는 컨트롤러가 제한적이어서 현재 사용 중인 오래된 장비에서는 Full 보정이 불가능하다. 현재 하이덴하인, 지멘스, 화낙, 미쓰비시의 일부 기종에서만 보정 모듈이 장착되어 전체 보정이 가능하다. 보정 모듈이 장착되지 않은 컨트롤러에서는 3축의 경우 로케이션 에러인 직각도와 컴포넌트 에러 중 EXX, EYY, EZZ 정도만, 5축의 경우 회전축에 대한 로케이션 에러 2개와 회전각 에러(ECC, EAA) 정도만 보정이 가능하다. 일각에서는 비율로 따져 볼 때 이 정도만 보정해도 60~70%는 보정이 된다고 주장하지만, 전체 공간 오차 보정 대비 정밀도가 떨어지는 것은 자명한 사실이다. 

하이덴하인의 KinematicOpt
하이덴하인의 Kinematic Compensation은 에탈론의 레이저 트레이서와 같은 외부 측정기에서 만들어진 Full error map을 받아 장비의 공간 오차를 보정하는 컨트롤러 기능이다. 일부 컨트롤러가 풀매시 방식으로 보정하는 것과 달리 하이덴하인은 벡터값으로 에러를 보정해 동시 5축에서 유리하다.

About 이상준 기자

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