뉴스 - 좌표 측정기란 무엇인가요?

에이좌표 측정기CMM(좌표측정기)은 프로브를 이용하여 물체 표면의 여러 지점을 측정함으로써 물체의 형상을 측정하는 장치입니다. CMM에는 기계식, 광학식, 레이저식, 백색광식 등 다양한 종류의 프로브가 사용됩니다. 장비에 따라 프로브의 위치는 작업자가 수동으로 제어하거나 컴퓨터로 제어될 수 있습니다. CMM은 일반적으로 3차원 직교 좌표계(XYZ 축)에서 기준 위치로부터의 변위로 프로브의 위치를 나타냅니다. 많은 CMM은 프로브를 X, Y, Z축을 따라 이동시키는 것 외에도 프로브 각도를 제어할 수 있도록 하여 접근이 어려운 표면까지 측정할 수 있도록 합니다.

일반적인 3D "브리지" CMM은 3차원 직교 좌표계에서 서로 직교하는 X, Y, Z 세 축을 따라 프로브를 이동시킬 수 있습니다. 각 축에는 프로브의 위치를 마이크로미터 정밀도로 모니터링하는 센서가 있습니다. 프로브가 물체의 특정 위치에 접촉하거나 감지되면, 장비는 세 개의 위치 센서에서 데이터를 샘플링하여 물체 표면의 한 점의 위치와 측정값의 3차원 벡터를 측정합니다. 이 과정은 필요에 따라 프로브를 이동시키면서 반복되어 관심 있는 표면 영역을 나타내는 "포인트 클라우드"를 생성합니다.

CMM(좌표측정기)은 제조 및 조립 공정에서 부품이나 조립품이 설계 의도에 부합하는지 검사하는 데 널리 사용됩니다. 이러한 응용 분야에서는 포인트 클라우드가 생성되고, 이를 회귀 알고리즘을 통해 분석하여 형상을 구성합니다. 이러한 포인트는 작업자가 수동으로 또는 DCC(직접 컴퓨터 제어)를 통해 자동으로 위치시킨 프로브를 사용하여 수집됩니다. DCC CMM은 동일한 부품을 반복적으로 측정하도록 프로그래밍할 수 있으므로 자동화된 CMM은 산업용 로봇의 특수한 형태라고 할 수 있습니다.

부분품

좌표 측정기는 크게 세 가지 구성 요소로 이루어져 있습니다.

CMM의 주요 구조는 3축 운동을 포함합니다. 움직이는 프레임을 제작하는 데 사용되는 재료는 시대에 따라 다양했습니다. 초기 CMM에는 화강암과 강철이 사용되었습니다. 오늘날 모든 주요 CMM 제조업체는 알루미늄 합금 또는 그 파생물로 프레임을 제작하고, 스캐닝 애플리케이션에서 Z축의 강성을 높이기 위해 세라믹을 사용하기도 합니다. 향상된 계측 역학에 대한 시장 요구와 품질 관리 연구실 외부에 CMM을 설치하는 추세가 증가함에 따라, 화강암 프레임 CMM을 여전히 생산하는 CMM 제조업체는 거의 없습니다. 일반적으로 기술 수준이 낮고 CMM 프레임 제작에 쉽게 진입할 수 있는 중국과 인도의 소규모 제조업체만이 화강암 CMM을 생산하고 있습니다. 스캐닝 기술의 발전으로 CMM Z축의 강성 강화가 요구됨에 따라 세라믹 및 탄화규소와 같은 새로운 재료가 도입되었습니다.
프로빙 시스템
데이터 수집 및 분석 시스템은 일반적으로 기계 제어 장치, 데스크톱 컴퓨터 및 응용 소프트웨어를 포함합니다.

유효성

이러한 기계는 독립형, 휴대용 및 이동형일 수 있습니다.

정확성

좌표 측정기(CMM)의 정확도는 일반적으로 거리에 따른 불확실성 계수로 나타냅니다. 접촉식 프로브를 사용하는 CMM의 경우, 이는 프로브의 반복 정밀도와 선형 스케일의 정확도와 관련이 있습니다. 일반적인 프로브 반복 정밀도는 전체 측정 영역에 걸쳐 0.001mm 또는 0.00005인치(0.01인치의 절반) 이내의 측정값을 제공합니다. 3축, 3+2축 및 5축 CMM의 경우, 프로브는 추적 가능한 표준을 사용하여 정기적으로 교정되며, 장비의 움직임은 게이지를 사용하여 검증하여 정확도를 보장합니다.

특정 부품

기계 본체

최초의 CMM(좌표측정기)은 1950년대 스코틀랜드의 페란티(Ferranti)사에서 군수품에 사용되는 정밀 부품 측정의 필요성에 따라 개발되었지만, 당시에는 2축 측정 방식이었다. 3축 모델은 1960년대 이탈리아의 DEA사에서 등장하기 시작했고, 컴퓨터 제어 방식은 1970년대 초에 도입되었지만, 최초로 실용화된 CMM은 영국 멜버른의 브라운앤샤프(Browne & Sharpe)사에서 개발 및 판매되었다. (이후 독일의 라이츠(Leitz)사가 고정식 구조에 이동식 테이블을 장착한 CMM을 생산했다.)

최신 CMM 장비에서 갠트리형 상부 구조는 두 개의 다리로 이루어져 있으며, 흔히 브리지라고 불립니다. 이 브리지는 화강암 테이블 위를 자유롭게 이동하는데, 한쪽 다리(내부 다리)는 화강암 테이블 한쪽에 부착된 가이드 레일을 따라 움직입니다. 반대쪽 다리(외부 다리)는 화강암 테이블의 수직면 윤곽을 따라 단순히 테이블 위에 놓여 있습니다. 마찰 없는 이동을 위해 에어 베어링이 사용됩니다. 에어 베어링에서는 압축 공기가 평평한 베어링 표면의 매우 작은 구멍들을 통해 주입되어 부드럽지만 제어된 공기 쿠션을 형성합니다. 이 쿠션 위에서 CMM은 거의 마찰 없이 움직일 수 있으며, 소프트웨어를 통해 마찰을 보정할 수 있습니다. 브리지 또는 갠트리의 화강암 테이블 위 이동은 XY 평면의 한 축을 형성합니다. 갠트리 브리지에는 캐리지가 있으며, 이 캐리지는 내부 다리와 외부 다리 사이를 이동하며 다른 X 또는 Y 수평축을 형성합니다. 세 번째 이동 축(Z축)은 캐리지 중앙을 통과하여 위아래로 움직이는 수직 퀼 또는 스핀들을 추가하여 구현됩니다. 터치 프로브는 퀼 끝부분에 센싱 장치를 형성합니다. X, Y, Z축의 움직임은 측정 영역을 완벽하게 표현합니다. 옵션으로 제공되는 회전 테이블을 사용하면 복잡한 가공물에 대한 측정 프로브의 접근성을 향상시킬 수 있습니다. 회전 테이블은 네 번째 구동축 역할을 하지만 측정 치수를 3D로 유지하지는 않으며, 다만 유연성을 제공합니다. 일부 터치 프로브는 프로브 팁이 수직으로 180도 이상 회전하고 360도 회전할 수 있는 전동식 회전 장치를 갖추고 있습니다.

CMM은 이제 다양한 형태로도 제공됩니다. 여기에는 암 관절에서 측정한 각도를 이용하여 스타일러스 팁의 위치를 계산하는 CMM 암이 포함되며, 레이저 스캐닝 및 광학 이미징용 프로브를 장착할 수 있습니다. 이러한 암형 CMM은 기존의 고정형 CMM에 비해 휴대성이 중요한 경우에 자주 사용됩니다. 측정 위치를 저장함으로써 프로그래밍 소프트웨어를 통해 측정 루틴 중에 측정 암 자체와 측정 영역을 측정 대상 부품 주변으로 이동시킬 수 있습니다. CMM 암은 사람 팔의 유연성을 모방하기 때문에 표준 3축 장비로는 접근할 수 없었던 복잡한 부품 내부까지 측정할 수 있는 경우가 많습니다.

기계식 프로브

좌표측정기(CMM) 초기에는 기계식 프로브를 퀼 끝에 있는 특수 홀더에 장착했습니다. 가장 흔한 프로브는 샤프트 끝에 단단한 구슬을 납땜하여 만든 것이었습니다. 이는 평면, 원통형 또는 구형 등 다양한 표면을 측정하는 데 적합했습니다. 다른 프로브는 특정 형상, 예를 들어 사분원 모양으로 가공하여 특수 형상을 측정할 수 있도록 했습니다. 이러한 프로브는 공작물에 직접 접촉하여 위치 정보를 3축 디지털 판독기(DRO)에서 읽거나, 더욱 발전된 시스템에서는 풋스위치 또는 유사한 장치를 사용하여 컴퓨터에 기록했습니다. 하지만 기계를 수동으로 조작하고 각 작업자가 프로브에 가하는 압력이나 측정 방식이 서로 달랐기 때문에 이러한 접촉식 측정 방식은 신뢰성이 떨어지는 경우가 많았습니다.

각 축을 구동하는 모터가 추가되면서 측정 기술은 더욱 발전했습니다. 작업자는 더 이상 기계를 직접 만질 필요 없이 조이스틱이 달린 핸드박스를 사용하여 마치 최신 원격 조종 자동차처럼 각 축을 제어할 수 있게 되었습니다. 전자식 터치 트리거 프로브의 발명으로 측정 정확도와 정밀도가 획기적으로 향상되었습니다. 이 새로운 프로브 장치의 선구자는 데이비드 맥머트리였으며, 그는 훗날 레니쇼(Renishaw plc)의 전신이 되는 회사를 설립했습니다. 여전히 접촉식 측정 방식이었지만, 이 프로브는 스프링이 장착된 강철 구슬(나중에는 루비 구슬) 스타일러스를 사용했습니다. 프로브가 부품 표면에 닿으면 스타일러스가 휘어지면서 동시에 X, Y, Z 좌표 정보를 컴퓨터로 전송했습니다. 작업자 개개인의 실수로 인한 측정 오류가 줄어들었고, CNC 가공 작업의 도입과 CMM(좌표 측정기)의 전성기가 도래했습니다.

전자식 터치 트리거 프로브가 장착된 전동식 자동 프로브 헤드

광학 프로브는 기계식 프로브처럼 움직이며 재료에 직접 접촉하지 않고 관심 지점을 향해 조준되는 렌즈-CCD 시스템입니다. 표면의 이미지는 측정 창의 경계 내에 포함되며, 잔류물이 흑백 영역 간의 대비가 충분해질 때까지 측정이 진행됩니다. 분할 곡선을 계산하여 원하는 공간상의 측정 지점을 얻을 수 있습니다. CCD의 수평 정보는 2차원(XY)이며, 수직 위치는 스탠드 Z축 드라이브(또는 기타 장치 구성 요소) 상의 전체 프로빙 시스템의 위치를 나타냅니다.

주사 탐침 시스템

최근에는 스캐닝 프로브라고 불리는 프로브가 부품 표면을 따라 이동하면서 특정 간격으로 데이터를 측정하는 최신 모델들이 있습니다. 이러한 CMM 검사 방식은 기존의 접촉식 프로브 방식보다 정확도가 높고, 대부분의 경우 검사 속도도 더 빠릅니다.

차세대 스캐닝 기술인 비접촉 스캐닝은 고속 레이저 단일점 삼각측량, 레이저 라인 스캐닝, 백색광 스캐닝 등을 포함하며 빠르게 발전하고 있습니다. 이 방식은 부품 표면에 레이저 빔이나 백색광을 투사하여 수천 개의 점을 추출할 수 있으며, 이를 통해 크기와 위치를 확인할 뿐만 아니라 부품의 3D 이미지를 생성할 수 있습니다. 이렇게 생성된 "포인트 클라우드 데이터"는 CAD 소프트웨어로 전송하여 부품의 3D 모델을 제작하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 광학 스캐너는 주로 연질 또는 섬세한 부품에 사용되거나 역설계에 활용됩니다.

미세측정 프로브

미세측정 응용 분야를 위한 프로빙 시스템은 새롭게 떠오르는 분야입니다. 시중에는 마이크로프로브가 통합된 좌표측정기(CMM)가 여러 종류 있으며, 정부 연구소의 특수 시스템과 대학에서 개발한 미세측정 플랫폼도 다수 존재합니다. 이러한 장비들은 나노미터 규모의 측정에 있어 우수하고, 많은 경우 탁월한 성능을 제공하지만, 가장 큰 한계는 신뢰할 수 있고 견고하며 성능이 뛰어난 마이크로/나노 프로브의 부족입니다.^{[출처 필요]}미세 규모 탐색 기술의 과제에는 표면 손상을 방지하기 위해 낮은 접촉력으로 깊고 좁은 특징부에 접근할 수 있는 높은 종횡비의 프로브와 높은 정밀도(나노미터 수준)가 필요하다는 점이 포함됩니다.^{[출처 필요]}또한 미세 규모 프로브는 습도와 같은 환경 조건 및 점착(접착력, 메니스커스 및/또는 반 데르 발스 힘 등으로 인해 발생)과 같은 표면 상호 작용에 민감합니다.^{[출처 필요]}

미세 규모 측정을 위한 기술로는 기존 CMM 프로브의 축소 버전, 광학 프로브, 정재파 프로브 등이 있습니다. 그러나 현재의 광학 기술은 깊고 좁은 특징을 측정할 수 있을 만큼 충분히 작게 축소할 수 없으며, 광학 해상도는 빛의 파장에 의해 제한됩니다. X선 이미징은 특징의 이미지를 제공하지만, 측정에 필요한 추적 가능한 정보는 제공하지 않습니다.

물리적 원리

광학 프로브 및/또는 레이저 프로브(가능하면 조합하여)를 사용하면 CMM을 측정 현미경이나 다중 센서 측정기로 변환할 수 있습니다. 간섭무늬 투영 시스템, 시오돌라이트 삼각측량 시스템 또는 레이저 거리 및 삼각측량 시스템은 측정기라고 부르지는 않지만 측정 결과는 동일하게 공간상의 한 점을 나타냅니다. 레이저 프로브는 표면과 운동 체인 끝단의 기준점(예: Z축 구동 부품 끝단) 사이의 거리를 측정하는 데 사용됩니다. 이는 간섭계 기능, 초점 변화, 광 편향 또는 빔 차폐 원리를 이용할 수 있습니다.

휴대용 좌표 측정기

기존의 CMM은 3개의 직교축을 따라 움직이는 프로브를 사용하여 물체의 물리적 특성을 측정하는 반면, 휴대용 CMM은 관절형 암을 사용하거나, 광학 CMM의 경우 광학 삼각측량 방식을 사용하는 암리스 스캐닝 시스템을 통해 물체 주변을 완전히 자유롭게 이동할 수 있습니다.

관절형 암을 갖춘 휴대용 CMM은 선형 축 대신 회전 엔코더가 장착된 6축 또는 7축을 가지고 있습니다. 휴대용 암은 가볍고(일반적으로 9kg 미만) 거의 모든 곳에서 휴대하고 사용할 수 있습니다. 그러나 광학 CMM은 업계에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 마이크로소프트 키넥트와 같은 소형 선형 또는 매트릭스 어레이 카메라를 사용하여 설계된 광학 CMM은 암이 있는 휴대용 CMM보다 크기가 작고, 무선이며, 사용자가 거의 모든 위치에 있는 모든 유형의 물체를 손쉽게 3D 측정할 수 있도록 해줍니다.

역설계, 신속 프로토타이핑, 다양한 크기의 부품에 대한 대규모 검사와 같은 특정 비반복적 응용 분야에는 휴대용 CMM이 이상적입니다. 휴대용 CMM의 장점은 다양합니다. 사용자는 모든 유형의 부품을 가장 접근하기 어렵거나 접근하기 힘든 장소에서도 3D 측정을 수행할 수 있는 유연성을 누릴 수 있습니다. 사용이 간편하고 정확한 측정을 위해 통제된 환경이 필요하지 않습니다. 또한 휴대용 CMM은 기존 CMM보다 가격이 저렴한 경향이 있습니다.

휴대용 CMM의 본질적인 단점은 수동 조작이라는 점입니다(항상 사람이 사용해야 합니다). 또한, 전반적인 정확도가 브리지형 CMM보다 다소 떨어질 수 있으며 일부 응용 분야에는 적합하지 않을 수 있습니다.