Home / highlight / 6자유도 오차 측정을 한방에! – 레니쇼의 XM-60 다축 캘리브레이터
백서 다운로드 하기

6자유도 오차 측정을 한방에! – 레니쇼의 XM-60 다축 캘리브레이터

공작기계의 구조적, 기하학적인 오차 성분은 각 축별로 6개씩 18개, 축 간 직각도 3개를 포함하여 총 21개에 달한다. 이를 측정하기 위해 대표적으로 사용했던 것이 스텝 게이지(Step Gauge)다. 일정한 눈금이 새겨진 스텝 게이지를 사용해 이동 거리에 맞춰 영점을 잡은 뒤 신호를 보낸 거리와 스텝 게이지 거리가 일치하지 않으면 인디케이터를 통해 그 오차 정도를 체크할 수 있다. 기존에는 스텝 게이지만으로도 장비의 정밀도를 측정할 수 있었다. 하지만 점차 고도화 정밀화 되는 제작 환경에서 이런 측정 방법은 한계가 있을뿐더러 스테인레스로 만들 어진 스텝 게이지도 고유의 금속 열팽창계수(11.7ppm : 1m 길이에서 1도 변할 때 0.01mm 변화)에 의해 온도의 영향을 받으므로 정밀도가 떨어지게 된다. 작은 수치라고 치부할 수 있지만 정밀 가공에 있어서는 한계가 드러난다.

Screenshot 2020-02-26 at 15.02.37

레이저 간섭계
레이저 간섭을 이용한 측정기를 사용하여 이런 한계를 극복할 수 있다. 레이저 튜브에서 생성된 레이저가 분광기와 반사경을 통해 레이저 헤드로 돌아오게 된다. 이때 기준 반사경을 거친 레이저와 이동 반사경을 거쳐 돌아온 레이저가 가진 빛의 파장 차이에 의해 간섭이 발생하고, 이 간섭무늬를 통해 일정한 거리를 측정할 수 있게 된다. 레이저가 가진 빛의 파장 간 거리는 633nm로 일정하므로 정확한 측정이 가능하다. 레이저 간섭계를 이용한 측정은 국제 공작기계 위치 정밀도 시험 규격인 ISO230-2에 의해 인증이 되어 있으므로 신뢰할 수 있다.

XM-60 다축 캘리브레이터
복잡한 기계 구조와 더욱 까다로운 구성품을 제조하는 공정에서 선형 성능만 측정하는 것으로는 충분하지 않기 때문에 선형 오차 이외의 오차를 측정하고자 하는데, 문제는 한 셋업당 하나의 오차만 측정하는 기존의 레이저 간섭계를 이용한 방법은 시간이 너무 많이 걸리는 비효율적인 방법이었다. 또한, 축 구성에서 마찰이 미치는 영향과 기타 오차로 인해 축이 이동하면서 회전하는 경우, 기계 구성품들의 표시 위치와 실제 위치 사이에 차이가 생길 수도 있다.
레니쇼 XL-80의 업그레이드 버전인 XM-60 다축 캘리브레이터(Multi-axis calibrator)는 한 번의 셋업으로 6개의 자유도를 모두 측정할 수 있는 레이저 간섭계다. 4개의 레이저를 동시에 사용하는 XM-60은 기계 축에 레이저 빔을 정렬하여 직접 기계 오차를 측정하도록 설계되었다. 따라서 다른 측정 기법에 사용되는 복잡한 연산으로 인해 발생할 수 있는 부정확성이 줄어들고, 직접 측정 방식이므로 기계 조정 이전과 이후를 쉽고 빠르게 비교할 수 있다. 육안 정렬 과정에서 빔 4개 중 하나를 사용하여 간편하고 자유로운 셋업이 가능하다.

4개의 레이저를 동시에 사용하는 XM-60은 기계 축에 레이저 빔을 정렬하여 직접 기계 오차를 측정하도록 설계되었다.
4개의 레이저를 동시에 사용하는 XM-60은 기계 축에 레이저 빔을 정렬하여 직접 기계 오차를 측정하도록 설계되었다.

이 때문에 X, Y, Z 축당 한 번씩 세 번만 세팅하면 각 축의 모든 오차가 측정된다. 한 축의 모든 요소 측정에 셋업 시간 포함 30분가량 소요된다면, 장비 한 대당 한 시간 반의 짧은 시간이 소요되는 것이다. 셋업 횟수가 감소되면서 자연스럽게 측정 정밀도도 높아지게 마련이다.
반면 1개의 레이저만 사용하는 레니쇼의 레이저 간섭계 XL-80의 경우 1회 세팅에 1개의 오차 성분만 확인이 가능했다. 그때마다 별도의 옵틱(Optic)을 사용해 셋업해야 하는 번거로움과 측정 시간이 길어지는 단점이 있다. 또한 측정 시간이 오래 걸림에 따라 측정 간에 어쩔 수 없는 환경 변화에 취약해지고 이는 신뢰성 감소로 이어질 수 있다. XL-80의 경우 한 축당 두시간 반 정도, 전체 측정에는 7시간 30분 정도로 오랜 시간이 소요된다.
레이저 측정에서 주의해야 할 점은 레이저 빔의 파장이 환경에 영향을 받는다는 것. 즉 온도, 습도, 기압에 따라 빛이 통과하는 공기의 굴절률이 달라져 측정값이 변할 수 있으므로 환경 보상 장치가 필요 하다. XM-60의 환경 보상 장치는 온도, 습도, 압력 센서를 갖추고 이와 연계된 분석 프로그램이 내장되어 환경의 변화에 따른 보정을 통해 항상 일정한 데이터를 산출한다. 이로써 현장 측정이 가능하다. 실제로 온도의 경우 0~40°C와 모든 공기 압력 범위에서 ±0.5ppm의 리니어 측정 정확도를 유지한다.

레니쇼와 함께하는 6DOF 측정 실습
레니쇼코리아의 이찬호 박사와 XM-60을 이용한 6자유도 오차 측정을 진행해 보았다. 실습에서는 Z축에 대한 6자유도 오차를 측정하기로 했다.

우선 소프트웨어를 준비하고 XM-60의 빔을 정렬한다.
우선 소프트웨어를 준비하고 XM-60의 빔을 정렬한다.
측정 사이클 스타트 버튼을 누르면 지정해 준 구간별로 측정을 시작한다. 실습에서는 40mm로 지정했다.
측정 사이클 스타트 버튼을 누르면 지정해 준 구간별로 측정을 시작한다. 실습에서는 40mm로 지정했다.
 구간별로 데이터가 들어오면서 수 분 이내에 측정이 완료되었다. 이렇게 6자유도 오차를 한 번에 측정했다.
구간별로 데이터가 들어오면서 수 분 이내에 측정이 완료되었다. 이렇게 6자유도 오차를 한 번에 측정했다.
측정이 완료되면 CARTO 소프트웨어의 결과 창에서 분석이 가능하다. * ZTZ : 주행축(Z) 방향 선형 위치 오차 * ZTX : 주행축(Z)의 X축 방향(Translation) 선형 오차(좌우 진직도) * ZTY : 주행축(Z)의 Y축 방향(Translation) 선형 오차(상하 진직도) * ZRZ : 주행축(Z)의 회전축(Rotation) 오차(Roll) * ZRY : 주행축(Z)의 앞뒤 방향 회전(Tilt)하는 각도 오차(Pitch) * ZRX : 주행축(Z)의 좌우 방향 회전(Tilt)하는 각도 오차(Yaw)
측정이 완료되면 CARTO 소프트웨어의 결과 창에서 분석이 가능하다.
* ZTZ : 주행축(Z) 방향 선형 위치 오차
* ZTX : 주행축(Z)의 X축 방향(Translation) 선형 오차(좌우 진직도)
* ZTY : 주행축(Z)의 Y축 방향(Translation) 선형 오차(상하 진직도)
* ZRZ : 주행축(Z)의 회전축(Rotation) 오차(Roll)
* ZRY : 주행축(Z)의 앞뒤 방향 회전(Tilt)하는 각도 오차(Pitch)
* ZRX : 주행축(Z)의 좌우 방향 회전(Tilt)하는 각도 오차(Yaw)
CARTO Compensate 소프트웨어는 XM-60에서 측정 완료된 데이터를 매핑 파일로 변환해 준다. 이 매핑 파일을 3차원 보정 기능이 있는 공작기계 컨트롤러에 보내 보정을 실시한다.
CARTO Compensate 소프트웨어는 XM-60에서 측정 완료된 데이터를 매핑 파일로 변환해 준다. 이 매핑 파일을 3차원 보정 기능이 있는 공작기계 컨트롤러에 보내 보정을 실시한다.

측정 이후 교정은?
XM-60으로 측정을 완료하면 CARTO Compensate 소프트웨어에서 매핑 파일을 생성해 준다. 이 매핑 파일을 3차원 오차 보정 기능이 있는 공작기계의 컨트롤러에 보내 보정이 가능하다. 현재는 화낙과 지멘스의 컨트롤러에서 CARTO Compensate의 매핑 파일을 이용해 보정이 가능하다.
해외의 경우 DMGMORI, GROB사 등 유수의 공작기계 기업에서 다수의 XM-60을 장비 교정에 사용하고 있다. 국내의 경우 반도체나 디스플레이 분야 정밀 스테이지 업체와 측정기 제작 업체에서 사용 중이다. 국내 공작기계 기업의 경우 그동안은 주로 선형 오차 위주로 측정하고 있었다. 레니쇼코리아 이찬호 부장은 “공작기계 정밀도에 대한 요구 수준이 높아지면서 선형 오차 외의 오차 항목 보정에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이러한 추세에 따라 국내 공작기계 기업들도 XM-60을 이용한 장비 교정 테스트를 진행하고 있다.”라고 말했다. 

About 이상준 기자

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