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공작기계, 어떤 오차가 발생할까? – 공작기계 정밀도 보장을 위한 교정 이론

모든 장비는 이송 시스템을 갖추고 있다. 머시닝센터의 경우 기본적인 X, Y, Z의 3축으로 가공이 이루어진다. 추가되는 서브 스핀들과 축을 추가한 다축 가공기로 복잡한 형상을 가공하기도 한다. 장비의 축은 평면과 경사면, 사각의 직선 운동과 원, 호 등의 곡면 운동을 한다. 이때 일반적으로 3축 시스템을 기본으로 한 이송이 이루어지는데 여기에 기타 축 이송이 추가되기도 한다. 공작기계가 아닌 일반 기계의 경우에도 모터와 기구적 장치를 통한 일정한 이송 시스템을 가지고 있다. 일정한 속도로 움직이며 정해진 자리에 부품을 조립하는 자동화 라인의 경우가 대표적이다.

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장비의 이송은 제어기에서 보낸 전자적인 신호를 모터에서 받아 기계적인 힘으로 바꿔줌으로써 가능하다. 이상적인 장비라면 제어기의 출력 신호를 서보 이송 기구에 정확하게 반영시킬 수 있다. 하지만 장비 자체의 기구적인 공차(아무리 정밀하게 제작된 장비라도 각 부품의 미세한 공차가 영향을 주고받아 누적 공차가 생길 수 있다), 외부의 힘, 윤활 정도에 따른 마찰력의 차이, 구동 시의 장력, 텐션 등 여러 이유 때문에 이송에는 오차가 발생한다.
그렇기 때문에 장비 제조사에는 일정량의 공차 정도(정밀도)를 보증하고 장비 사양을 제시한다. 장비를 구매하는 사람도 만들고자 하는 제품의 품질에 필요한 사양의 장비를 구매하게 된다. 하지만 정작 문제는 구입 이후에 생긴다. 구입 시에는 문제가 없던 장비도 사용하면서 기구적인 마모나 변형이 이루어지기 때문이다. 적시에 오차 발생을 확인하고 대응하지 않으면 제품 생산에 큰 어려움을 겪을 수밖에 없다.

공작기계의 정밀도
모성 원칙(Copying Principal)은 모기계가 아들 기계에 정밀도 특성을 전사하는 성질을 말하는데 결국 정밀한 부품 가공의 요구는 정밀한 공작기계에 대한 요구로 이어질 수밖에 없다. 공작기계는 기계를 만드는 기계이므로 그 공작기계의 정밀도가 만들어지는 기계에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 그래서 공작기계 제조 업체의 경우는 그들이 만든 장비를 최종 평가 및 보정함에 있어 보다 신중해야 한다. 장비 제조 과정에서 현장에서 물리적으로 조정이 가능한 수준을 50μm로 본다. 그보다 정밀한 조정은 물리적인 방법보다는 컨트롤러에서 보정하는 소프트웨어적인 방법이 사용된다.
또한, 공작기계 제조 업체에 정밀도 보정에 대해 계속 요구하기 전에 스스로 방법을 찾고자 하는 사용자도 점차 생겨나고 있다. 문제는 공작기계의 오류를 측정하는 것까지는 좋은데 보정치를 넣어 보정하는 방법이 사용자의 입장에서는 아직 그리 쉽지 않다는 것이다.

공작기계의 오차
공작기계의 오차는 크게 정적(static), 준 정적(quasi-static), 동적(dynamic) 오차로 구분할 수 있다. 정적인 오차는 장비의 좌표계 시스템과 CNC와의 편차에 의한 에러로 자중, 이송계 위치 변화 등에 의한 하중 변화로 인한 구조변형 및 이송축/회전축 간의 기하학적 오차 등에 의하여 가공 오차가 발생한다. 그다음으로는 준 정적인 영향에 의한 오차로 대표적인 것이 열에 의한 변위이다. 스핀들이나 드라이브 등의 열원에서 발생하는 열이 주원인이다. 다음으로는 동적인 영향에 의한 오차로 구조적인 메커니즘과 컨트롤러 동작과의 상호 작용으로 발생하며 고유 진동수가 낮을 경우 진동을 초래하기도 한다. 

공작기계의 기하학적 오차
공작기계의 기하학적 오차는 3차원 공간상에서 발생하는 에러로 Geometric error, Volumetric error 또는 3차원 위치 오차라고 부른다. 거리와 같은 선형 오차(accuracy)에 공간상에서 발생할 수 있는 3차원 형태의 구조적 오차가 더해진 것이다. 축별로 6개의 에러 요소가 있게 되는데, 선형 위치(Linear Position), 수직/수평 방향 진직도(Straightness), 그리고 Pitch, Yaw, Roll 각도가 있다. X/Y/Z축에 각각 6개씩 총 18개의 오차 성분을 가진다. 여기에 X-Y, Y-Z, Z-X 각 축 간의 자세 오차 3개를 더하게 되면 총 21개의 오차 성분을 가지게 된다.

Pitch, Yaw, Roll 각도 오차
Pitch, Yaw, Roll 각도 오차
선형 위치(Linear Position) 및 수직/수평 방향 진직도(Straightness)
선형 위치(Linear Position) 및 수직/수평 방향 진직도(Straightness)
공작기계는 3개 축별로 6개의 에러 요소와 각 축 간의 자세 오차 3개를 더해 총 21개의 오차 성분을 가지게 된다.
공작기계는 3개 축별로 6개의 에러 요소와 각 축 간의 자세 오차 3개를 더해 총 21개의 오차 성분을 가지게 된다.

도대체 무엇을 얼마나 측정해야 하는가?
공작기계의 기하학적인 정확도 측정을 위한 표준을 제시하는 ISO230-1에 따르면 X, Y, Z 3축에 대해서는 21개의 측정 항목, 5축 장비의 경우 X, Y, Z 축을 기본으로 로터리 회전축에 해당하는 두 개의 회전축 (예를 들어 A, C 축)에 대한 22개의 측정 항목이 더해져 43개의 측정 항목이 있음을 규정하고 있다.
컴포넌트 에러 (Component Error)는 이상적인 움직임으로부터 위치별로 얼마나 오차를 가지고 있는지를 나타낸다. X축 방향으로 움직일 경우를 예로 들어보면 (그림 1) EXX는 포지셔닝, EYX, EZX는 진직도 에러를 의미하고 EAX, EBX, ECX는 각각 roll, pitch, yaw를 나타낸다. 로터리 회전축을 의미하는 C 축을 중심으로 볼 때(그림 2) EXC, EYC, EZC는 위치별 축 방향으로 움직이는 에러를 EAC, EBC는 경사진(tilt) 채로 회전하는 에러를 의미하고, ECC는 회전각에 대한 오차를 의미한다. 

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로케이션 에러 (location error)는 이상적인 축 위치에서 실제 작동 축이 얼마나 떨어져 있는지를 나타낸다. Z축을 기준으로 (그림 3) A0Z, B0Z는 각각 Z축과 Y 축, Z 축과 X 축 간의 직각도를 나타내고 Z0Z는 Z 축 시작점의 옵셋을 나타낸다. 하지만 3축을 모두 판단했을 때는 Z0Z는 Z 방향의 다른 컴포넌트 에러에 포함될 수 있으므로 결과적으로 A0Z, B0Z에 X 축과 Y 축 간의 직각도 C0Y를 추가하여 총 3개의 로케이션 에러를 갖게 된다. C 축을 기준으로 볼 때 (그림 4) X0C, Y0C는 로터리 축 중심 위치 오차이고 A0C, B0C는 X, Y, Z축에 대해 C 축이 기울어진 정도를 의미한다.
이렇게 많은 항목을 측정하는 것도 어려운 일이지만 대부분의 컴포넌트 에러값들은 선형이 아닌 비선형으로 발생하기 때문에 보정에 어려움이 따른다. 5축 장비의 경우 항목만 43개에 이르는 전체 에러 맵(full error map)을 보정 데이터로 사용하는 것이 이상적이지만 아직 국내 공작기계의 경우 3축에 대한 포지셔닝 에러(주로 선형 오차) 정도만 보정한 후 출시하는 것이 현실이다.

 

About 이상준 기자

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