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이제 ‘장비 자가 진단’은 가공의 기본 – 레니쇼의 볼바를 이용한 장비 자가 진단

공작기계에서 발생하는 오차에는 구조적인 오차만 있는 것은 아니다. 서보 모터 제어 시스템과 구동부에 의해서도 오차가 발생할 수 있다. 선형 오차의 경우를 예로 들어 보더라도, 구조적인 오차가 원인일 수도 있지만 서보 제어 시스템 상의 오차에 의해 발생할 수 있다. 공작기계에서 발생하는 오차를 측정하기 위해 6 자유도를 측정하는 레이저 캘리브레이터(2020년 3월호에 보도)가 만능이라고 볼수는 없다.  

[사진 0] IMG_9912 도비라 보정

공작기계의 다양한 오차
전기로 물체를 구동하는 경우 보통 무부하 상태에서는 입력값 대비 손실이 적어서 출력이 안정적이다. 그러나, 부하 상태에서는 손실이 발생해 입력 값 대비 출력 값의 차이가 발생하게 마련이고 이를 서보 튜닝으로 보정하는 것이 보통이다. 이 때문에 공작기계에 사용되는 서보를 제어함에 있어서 튜닝은 아주 기본적인 사항이다.

하지만, 서보 튜닝 상태에 따라 가역 스파이크, 서보 미스매치 등의 동적인 오차가 발생할 수 있다. 가역 스파이크는 초기 구동 시 오버슈팅에 의해 발생할 수 있다. 서보 미스매치는 X축 대비 Y축의 거리 차이가 발생하는 것으로 서보 튜닝이나 기계의 열변형, 구조적 오차가 원인이 될수 있다.

이 외에도 일정한 간격으로 주기적인 오차가 발생하는 사이클릭 오차가 있는데, 이는 볼 스크류의 장력 조정이 잘못되거나 LM가이드가 편마모된 경우, 엔코더의 편심, 오차 보정이 잘못된 경우로 발생할 수 있는 오차다. 볼 스크류의 유격 등에 의해 방향 전환 시 발생하는 위치 오차를 백래시라고 한다. 이런 것들은 레이저 측정기로 검출할 수 있는 경우도 있지만 그렇지 못한 경우가 많다.

원형가공은 제어기에서 두 축에 동시에 명령을 내려 일정한 비율로 축이 움직이면서 가공이 이루어진다. 두 축을 동시에 제어하여 이송해야 하는데 앞서 언급한 다양한 원인에 의해 지시가 정확하게 전달되지 않을 수 있다. 또 각 축의 윤활상태에 의해 움직임이 원활하지 않을 수 있고, 두 축이 동시에 구동할 때 발생하는 복합적인 문제의 가능성도 있다.

장비 자가 진단, 볼바(Ball Bar)의 사용
앞서 언급한 다양한 원인으로 인해 원형가공에서는 축의 움직임을 정확히 제어해야 하지만 이는 쉽지 않다. 때문에 측정을 통해 기계 상태를 파악하고 보정해야 한다. 이 때 쓰이는 측정기가 QC20-W 볼바 시스템이다. 

 레니쇼의 QC20-W 볼바 시스템
레니쇼의 QC20-W 볼바 시스템

볼바는 일정한 길이의 막대에 두 개의 볼이 장착된 형태다. 한쪽은 베드에, 센서가 있는 다른 쪽은 이송 부에 고정해 원호 이동하면서 일정 길이의 변화를 측정하는 원리다. 원호 이동은 한 번으로 끝나지 않는다. 좌우로 두 바퀴씩 돌려 측정한 뒤 처음 반 바퀴와 마지막 반 바퀴의 데이터를 제외한 데이터를 합산해 값을 계산한다. 처음과 마지 막의 반 바퀴 데이터를 배제하는 이유는 데이터의 정확성을 높이기 위함이다. 측정 작업을 마치면 그 결과가 수치와 함께 원형 그래프로 나타난다.

원호 이동 중 어떤 문제로 인해 장비에 발생 하는 오차는 다양한 그래프 형태로 표현된다. 장비에 진동이 생길 경우 원이 파형으로 나타난다. 직각도가 비뚤어져 있을 경우 기울어진 타원형이 되기도 하고 스케일링 오차가 발생한 경우 계란형이 되기도 한다. 모터가 갑자기 방향을 바꿀때 나타나는 정지 상태에서는 가역 스파이크 형태의 특징적인 형태가 드러난다. 각각의 모양을 통해 서보 구동부의 미스 매칭 여부, 장비의 진동 여부, 기타 오차 원인을 확인할 수 있다.

이처럼 원형 그래프는 장비 오차를 유발하는 여러 요인이 복합적으로 작용하여 표현 되며 분석을 통해 백래쉬, 가역 스파이크, 서보 미스매치, 사이클릭 오차 등 이송계의 기구적, 제어적 오차의 원인을 확인할 수 있다. 또한 전체 원형도 오차에서 각 오차가 차지하는 비중과 정확한 수치가 계산되며, 이 데이터를 참조해서 장비 제작사는 기기를 제작 및 검사하고 미세하게 틀어진 양을 검증해 검사 성적서를 작성하고 품질을 보장할 수 있다. 사용자는 이를 참조하여 장비 노후로 인한 장비 점검 시 적절한 장비 유지보수를 통해 오류 없이 정확하게 가공할 수 있다. 이로써 제품 불량률을 줄이고 전체 제조비를 절감할 수 있다.

볼바 측정 결과 원형 그래프 분석

백래시

 백래시는 볼스크류의 유격 등의 원인으로 장비의 운전 방향이 바뀔때 급격한 이동이 발생하는 경우이다.
백래시는 볼스크류의 유격 등의 원인으로 장비의 운전 방향이 바뀔때 급격한 이동이 발생하는 경우이다.

사이클릭 오차

 사이클릭 오차는 일정한 간격으로 주기적인 오차가 발생하는 양상을 보인다. 이는 볼 스크류의 장력 조정이 잘못되거나 LM가이드가 편마모된 경우, 엔코더의 편심, 오차 보정이 잘못된 경우로 발생한다.

사이클릭 오차는 일정한 간격으로 주기적인 오차가 발생하는 양상을 보인다. 이는 볼 스크류의 장력 조정이 잘못되거나 LM가이드가 편마모된 경우, 엔코더의 편심, 오차 보정이 잘못된 경우로 발생한다.

서보 미스매치

 서보 미스매치는 X축 대비 Y축의 거리 차이가 발생하는 것으로 서보 튜닝이나 기계의 열변형, 구조적 오차가 원인이 될수 있다.
서보 미스매치는 X축 대비 Y축의 거리 차이가 발생하는 것으로 서보 튜닝이나 기계의 열변형, 구조적 오차가 원인이 될수 있다.

가역 스파이크

 가역 스파이크는 초기 구동 시 오버슈팅에 의해 발생할 수 있다.
가역 스파이크는 초기 구동 시 오버슈팅에 의해 발생할 수 있다.

About 이상준 기자

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