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생산성 향상, 정확한 측정에서 시작된다

지난 7월 12일부터 사흘간 한국미쓰도요 부산 사무소에서 개최된 MMSF(Mitutoyo Measuring Solution Fair)에서는 정밀 가공의 출발점인 표면 성상 해석에 대한 세미나가 이뤄졌다. 또 한국미쓰도요는 사내 전시회를 통해 빠른 속도를 자랑하는 인라인 검사 시스템 Quality Gate와 확 달라진 테스트 인디케이터를 선보여 정밀도, 속도, 편의성 등 측정 분야 솔루션에 대한 사용자들의 다양한 기대를 만족시켰다.

지난 7월 12일부터 사흘간 개최된 2017 MMSF(Mitutoyo Measuring Solution Fair in BUSAN)
지난 7월 12일부터 사흘간 개최된 2017 MMSF(Mitutoyo Measuring Solution Fair in BUSAN)

정밀 가공의 필수 요소, 표면 조도

주변에 놓인 다양한 제품들의 표면을 손가락 끝으로 쓸어보자. 어떤 것은 까칠까칠하고, 또 어떤 것은 반들반들하다. 이 까칠하거나 반들한 정도를 명확히 수치화한 것이 바로 ‘표면 조도’다. 제조 현장에서 표면 조도는 제품의 외관은 물론 제품의 수명이나 기계 효율 등 성능 면에도 영향을 미친다.

표면조도는 자동차의 몸체와 크랭크 샤프트를 비롯해 공작기계의 주축과 베드, 광 커넥터, 실리콘 웨이퍼 표면 등에 이르기까지 산업 전반에서 필수적으로 관리하는 항목이다. 따라서 정밀한 가공을 위해서는 표면 조도에 대한 정확한 이해를 바탕으로 설계자와 작업자 간 커뮤니케이션이 이뤄져야 한다.

표면 조도의 표기

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도면 상에서 표면 조도는 위 그림과 같이 표기된다. 왼쪽은 JIS(일본공업규격표준) 1970년도 규격이며, 오른쪽이 JIS 최신 규격이다. 최신 규격은 평가 파라미터와 허용한계치 외에도 가공법, 주름의 방향 등 다양한 정보를 기입할 수 있다. 만약 도면에 오른쪽 그림과 같이 표기되어 있다면 주름의 방향이 투영면의 직각이 되도록 연삭가공하되 산술평균 조도가 1.6μm이어야 한다는 의미다. 간단해 보이는 기호지만 다양한 의미가 담겨있음을 알 수 있다.

윤곽곡선의 종류

이 중 주목할 것이 산술평균 조도, 즉 Ra다. Ra는 조도 표기에 있어 가장 많이 쓰이는 파라미터로, 조도 곡선(Roughness Profile)의 평균(average)을 의미한다. 여기서 잠깐 윤곽곡선의 종류에 대해 짚고 넘어가자. 촉침을 통해 제품의 표면을 측정하면 촉침 끝의 궤적을 따라 그래프가 그려진다.

이 그래프에는 제품의 조도와 기울기 정보가 모두 포함되어 있다. 이 곡선을 단면 곡선(Primary Profile) 또는 프로파일 곡선(Measured profile curve)이라고 한다. 여기서 영역대가 큰 데이터만 활용해 그린 그래프가 파상도 곡선(Waviness Profile)이다. 반대로 단면곡선에서 단파장만 추출한 것이 조도 곡선이다.

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자갈이나 모래 등을 체로 거르는 과정을 생각하면 이해하기 쉽다. 커다란 돌멩이부터 모래에 이르기까지 다양한 크기의 입자가 섞인 것이 단면 곡선에 해당된다. 체의 눈금 크기를 늘이거나 줄여 원하는 크기의 입자를 골라내는 것처럼 컷오프값을 조절해 조도 곡선 요소의 높이(Rt, 조도 곡선의 산 높이와 골 깊이를 합한 값)를 정의할 수 있다.

Rz를 주의할 것

Ra와 함께 많이 쓰이는 것이 조도 곡선의 최대 높이를 의미하는 Rz다. Ra는 조도의 평균값을 나타내기 때문에 하나의 결점이 측정값에 미치는 영향이 작아 안정된 결과를 얻을 수 있다. 반면 Rz는 가공기의 진동이나 작업자 실수 등으로 인해 일시적으로 돌출되거나 함몰된 부분이 큰 영향을 미치므로 여러 곳을 측정해 그 평균값을 구하는 것이 바람직하다.

한국미쓰도요 계측솔루션팀 김성필 과장
한국미쓰도요 계측솔루션팀 김성필 과장

그런데 사실 1982년도, 1994년도 규격에서 Rz는 10점 평균 조도를 의미했다. 당시 조도 곡선의 최대높이를 뜻하는 용어는 Rmax와 Ry였다. 그러던 것이 2001년도 규격에서 Rz가 조도 곡선의 최대 높이로, RzJIS가 10점 평균 조도로 규정되었다. 따라서 도면에 Rz라고 표기되어 있다면 어떤 규격을 따른 것인지 미리 알아둬야 협력사와의 데이터 편차를 막을 수 있다.

생산성 향상 위한 인라인 검사 시스템

표본의 양을 늘린다고 해도 일부 제품을 대상으로 한 표본조사만으로는 불량품의 유출을 100% 막을 수 없다. 에러는 전혀 예상치 못한 곳에서 발생하기 때문이다. 따라서 불량품 유출을 막고 제품의 품질을 높이기 위해서는 전수조사가 필요하다. 문제는 모든 제품을 일일이 측정실로 가져가 검사하기에는 시간이 너무 많이 걸린다는 점이다.

인라인 검사 시스템 Quality Gate
인라인 검사 시스템 Quality Gate

이에 한국미쓰도요는 MAPVISION의 인라인 검사 시스템 Quality Gate를 새롭게 선보였다. Quality Gate는 자동차 산업에 특히 적합하며, 생산 라인 내에 설치할 수 있어 제품을 측정실로 옮길 필요가 없다. 또한 라인 택트 타임 내에서 CMM과 동등한 측정 결과를 도출하고 측정 항목의 모든 특징을 3축(x, y, z) 좌표로 출력해준다. 일반적인 택트 타임은 10~30초이며, 측정 항목 수는 50~200개다.

인라인 검사 시스템 Quality Gate의 결과 뷰어 구동 화면
인라인 검사 시스템 Quality Gate의 결과 뷰어 구동 화면

Quality Gate의 높은 정확성과 신뢰성, 그 비밀은 바로 소프트웨어인 Result Suite에 있다. Result Suite는 측정 결과를 자동으로 분석할 뿐만 아니라 사용자들이 쉽게 이해할 수 있도록 트렌드 그래프나 3D 에러 벡터 표시 등을 통해 시각화해 준다. 또한 언제 어디서든 측정 결과 데이터 베이스에 접근할 수 있어 생산 프로세스를 실시간으로 확인하는 것도 가능하다. 이처럼 Quality Gate는 정교한 소프트웨어를 통해 측정의 효율성을 높이기 때문에 장비 하드웨어 자체는 구조가 간단해 일반적인 제조 현장에도 손쉽게 적용할 수 있다.

편의성 높인 테스트 인디케이터

한국미쓰도요는 한층 개선된 테스트 인디케이터를 함께 소개했다. 기존 제품은 눈금판이 외부로부터의 빛을 반사해 측정 결과를 판독하는 것이 힘들었다. 반면 새롭게 선보인 테스트 인디케이터는 눈금판으로 평면 크리스탈을 채택해 빛이 거의 반사되지 않는다. 또한 눈금판 색채를 비롯해 지침과 눈금선 굵기의 관계, 숫자 폰트 등을 수정해 시인성이 대폭 향상되었으며, 측정자를 교환할 때 길이를 착각하지 않도록 눈금판에 측정자의 길이가 표시되어 있다.

새롭게 개선된 테스트 인디케이터. 빛이 반사되지 않아 결과 판독이 쉬워졌다.
새롭게 개선된 테스트 인디케이터. 빛이 반사되지 않아 결과 판독이 쉬워졌다.

테스트 인디케이터는 대개 제조 현장 내에 설치되는데, 제조 현장은 먼지나 윤활유 등으로 더러워지기 쉽다. 이에 개선된 테스트 인디케이터는 베젤과 크리스탈이 일체화되어 있어 눈금판 틈새로 먼지나 윤활유가 침입하는 것을 막아준다. 또한 눈금판이 부착된 방향에 따라 수평형, 수직형, 경사형, 평행형의 4종류가 출시되어 선택의 폭이 넓어졌다.

About 송해영 기자

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