뉴스 - 좌표측정기란 무엇인가요?

에이좌표 측정기(CMM)은 프로브를 사용하여 물체 표면의 불연속적인 점들을 감지하여 물리적 물체의 기하학적 구조를 측정하는 장치입니다. CMM에는 기계식, 광학식, 레이저식, 백색광식 등 다양한 유형의 프로브가 사용됩니다. 장비에 따라 프로브 위치는 작업자가 수동으로 제어하거나 컴퓨터로 제어할 수 있습니다. CMM은 일반적으로 3차원 직교 좌표계(즉, XYZ 축)의 기준 위치로부터의 변위로 프로브의 위치를 지정합니다. 많은 장비는 X, Y, Z축을 따라 프로브를 이동할 뿐만 아니라, 프로브 각도를 제어하여 다른 방법으로는 측정할 수 없는 표면까지 측정할 수 있도록 합니다.

일반적인 3D "브리지" CMM은 3차원 직교 좌표계에서 서로 직교하는 X, Y, Z 세 축을 따라 프로브를 이동할 수 있도록 합니다. 각 축에는 해당 축에서 프로브의 위치를 모니터링하는 센서가 있으며, 일반적으로 마이크로미터 단위의 정밀도를 유지합니다. 프로브가 물체의 특정 위치에 접촉하거나 감지하면, 장비는 세 개의 위치 센서를 샘플링하여 물체 표면의 한 지점 위치와 측정값의 3차원 벡터를 측정합니다. 이 과정은 필요에 따라 반복되며, 매번 프로브를 이동하여 관심 표면 영역을 나타내는 "포인트 클라우드"를 생성합니다.

CMM은 제조 및 조립 공정에서 부품이나 어셈블리를 설계 의도에 맞게 테스트하는 데 일반적으로 사용됩니다. 이러한 응용 분야에서는 포인트 클라우드가 생성되고, 이 포인트 클라우드는 회귀 알고리즘을 통해 분석되어 피처를 구성합니다. 이러한 포인트는 작업자가 수동으로 또는 직접 컴퓨터 제어(DCC)를 통해 자동으로 배치하는 프로브를 통해 수집됩니다. DCC CMM은 동일한 부품을 반복적으로 측정하도록 프로그래밍할 수 있으므로, 자동화된 CMM은 산업용 로봇의 특수한 형태라고 할 수 있습니다.

부분품

좌표 측정기에는 세 가지 주요 구성 요소가 포함됩니다.

3개의 운동축을 포함하는 주요 구조. 이동 프레임을 구성하는 데 사용된 재료는 수년에 걸쳐 다양했습니다. 초기 CMM에는 화강암과 강철이 사용되었습니다. 오늘날 모든 주요 CMM 제조업체는 알루미늄 합금이나 그 파생물로 프레임을 제작하고 세라믹을 사용하여 스캐닝 애플리케이션을 위한 Z축의 강성을 높입니다. 오늘날에도 개선된 계측 역학에 대한 시장 요구와 품질 실험실 외부에 CMM을 설치하는 추세가 증가함에 따라 화강암 프레임 CMM을 여전히 제조하는 CMM 제작자는 거의 없습니다. 일반적으로 중국과 인도의 소량 CMM 제작자와 국내 제조업체만이 낮은 기술 접근 방식과 CMM 프레임 제작자가 되기 위한 쉬운 진입으로 인해 여전히 화강암 CMM을 제조하고 있습니다. 스캐닝에 대한 증가 추세는 또한 CMM Z축의 강성을 요구하고 세라믹 및 실리콘 카바이드와 같은 새로운 재료가 도입되었습니다.
프로빙 시스템
데이터 수집 및 축소 시스템 - 일반적으로 기계 컨트롤러, 데스크톱 컴퓨터 및 애플리케이션 소프트웨어가 포함됩니다.

유효성

이러한 기계는 독립형, 휴대형, 이동형이 있습니다.

정확성

좌표 측정기의 정확도는 일반적으로 거리에 따른 불확도 계수로 표현됩니다. 터치 프로브를 사용하는 CMM의 경우, 이는 프로브의 반복성과 선형 스케일의 정확도와 관련이 있습니다. 일반적인 프로브 반복성은 전체 측정 영역에 걸쳐 0.001mm 또는 0.00005인치(0.5인치/10인치) 이내의 측정값을 나타낼 수 있습니다. 3축, 3+2축, 5축 기계의 경우, 프로브는 추적 가능한 표준을 사용하여 정기적으로 교정되며, 정확도를 보장하기 위해 게이지를 사용하여 기계의 움직임을 검증합니다.

특정 부분

기계 본체

최초의 CMM은 1950년대 스코틀랜드의 페란티(Ferranti) 회사에서 군수품의 정밀 부품을 측정해야 할 필요성에 따라 개발되었지만, 이 기계는 2축만 가지고 있었습니다. 최초의 3축 모델은 1960년대(이탈리아 DEA)에 출시되었고, 컴퓨터 제어는 1970년대 초에 처음 등장했지만, 최초의 작동 CMM은 영국 멜버른의 브라운 & 샤프(Browne & Sharpe)에서 개발 및 판매되었습니다. (이후 독일의 라이츠(Leitz)에서 이동식 테이블이 있는 고정형 기계 구조를 생산했습니다.)

현대 기계에서 갠트리형 상부 구조는 두 개의 다리를 가지며, 종종 브리지라고 불립니다. 이 상부 구조는 화강암 테이블을 따라 자유롭게 움직이며, 한쪽 다리(종종 안쪽 다리라고 함)는 화강암 테이블 한쪽 면에 부착된 가이드 레일을 따라갑니다. 반대쪽 다리(종종 바깥쪽 다리)는 화강암 테이블의 수직 표면 윤곽을 따라 놓입니다. 마찰 없는 이동을 보장하기 위해 에어 베어링이 사용됩니다. 에어 베어링은 평평한 베어링 표면에 있는 일련의 매우 작은 구멍을 통해 압축 공기를 주입하여 부드럽지만 제어된 에어 쿠션을 형성합니다. 이 에어 쿠션 위에서 CMM은 거의 마찰 없이 움직일 수 있으며, 소프트웨어를 통해 이 에어 쿠션을 보정할 수 있습니다. 화강암 테이블을 따라 움직이는 브리지 또는 갠트리는 XY 평면의 한 축을 형성합니다. 갠트리 브리지에는 안쪽 다리와 바깥쪽 다리 사이를 가로지르는 캐리지가 포함되어 있으며, 이는 다른 X 또는 Y 수평축을 형성합니다. 세 번째 이동 축(Z축)은 캐리지 중앙을 통해 위아래로 움직이는 수직 퀼 또는 스핀들을 통해 제공됩니다. 터치 프로브는 퀼 끝부분의 감지 장치를 형성합니다. X, Y, Z축의 움직임은 측정 범위를 완벽하게 설명합니다. 옵션으로 제공되는 회전 테이블을 사용하면 측정 프로브가 복잡한 작업물에 더 쉽게 접근할 수 있습니다. 회전 테이블을 네 번째 구동축으로 사용하더라도 측정 치수는 3차원으로 유지되며, 측정 범위는 늘어나지 않지만 어느 정도 유연성을 제공합니다. 일부 터치 프로브는 프로브 팁이 수직으로 180도 이상 회전하고 360도 회전할 수 있는 회전 장치로 구동됩니다.

CMM은 이제 다양한 형태로도 출시되고 있습니다. 여기에는 팔 관절에서 측정된 각도를 사용하여 스타일러스 팁의 위치를 계산하는 CMM 암이 포함되며, 레이저 스캐닝 및 광학 이미징을 위한 프로브를 장착할 수도 있습니다. 이러한 암 CMM은 기존 고정형 베드 CMM보다 휴대성이 뛰어난 경우에 자주 사용됩니다. 측정 위치를 저장하고, 프로그래밍 소프트웨어를 통해 측정 루틴 중에 측정 암 자체와 측정 볼륨을 측정 대상 부품 주위로 이동할 수 있습니다. CMM 암은 사람 팔의 유연성을 모방하기 때문에 표준 3축 기계로는 측정할 수 없는 복잡한 부품의 내부에도 접근할 수 있습니다.

기계적 프로브

좌표 측정(CMM) 초창기에는 기계식 프로브를 퀼 끝의 특수 홀더에 장착했습니다. 매우 일반적인 프로브는 샤프트 끝에 단단한 볼을 납땜하여 만들었습니다. 이는 평면, 원통형 또는 구형 표면의 전체 범위를 측정하는 데 이상적이었습니다. 다른 프로브는 특수 형상을 측정할 수 있도록 사분면과 같은 특정 모양으로 연마되었습니다. 이러한 프로브는 3축 디지털 판독(DRO)에서 공간 위치를 읽거나, 더 진보된 시스템에서는 풋스위치 또는 유사한 장치를 통해 컴퓨터에 기록하여 작업물에 물리적으로 접촉시켰습니다. 이러한 접촉 방식으로 측정한 것은 기계가 손으로 움직이고 각 기계 작업자가 프로브에 다른 양의 압력을 가하거나 측정에 다른 기술을 사용했기 때문에 종종 신뢰할 수 없었습니다.

추가 개발은 각 축을 구동하기 위한 모터의 추가였습니다. 작업자는 더 이상 기계를 직접 만질 필요가 없었고, 현대식 원격 조종 자동차와 거의 같은 방식으로 조이스틱이 달린 핸드박스를 사용하여 각 축을 구동할 수 있었습니다. 전자식 터치 트리거 프로브의 발명으로 측정 정확도와 정밀도가 크게 향상되었습니다. 이 새로운 프로브 장치의 선구자는 이후 현재의 Renishaw plc를 설립한 David McMurtry였습니다. 여전히 접촉식 장치였지만, 프로브에는 스프링이 장착된 강철 볼(후에 루비 볼로 변경) 스타일러스가 있었습니다. 프로브가 부품 표면에 닿으면 스타일러스가 휘어지면서 동시에 X, Y, Z 좌표 정보가 컴퓨터로 전송되었습니다. 개별 작업자로 인한 측정 오류가 줄어들었고 CNC 작업의 도입과 CMM 시대의 도래를 위한 토대가 마련되었습니다.

전자식 터치 트리거 프로브가 있는 모터화된 자동 프로브 헤드

광학 프로브는 렌즈-CCD 시스템으로, 기계식 프로브처럼 움직이며 재료에 직접 닿지 않고 관심 지점을 향합니다. 촬영된 표면 이미지는 측정 창의 테두리 안에 남아 흑백 영역 사이의 대비를 충분히 나타낼 때까지 유지됩니다. 분할 곡선은 공간에서 원하는 측정 지점인 지점까지 계산할 수 있습니다. CCD의 수평 정보는 2차원(XY)이며, 수직 위치는 스탠드 Z 드라이브(또는 다른 장치 구성 요소)에 있는 전체 프로빙 시스템의 위치입니다.

스캐닝 프로브 시스템

부품 표면을 따라 움직이며 지정된 간격으로 점을 찍는 프로브를 탑재한 최신 모델이 있는데, 이를 스캐닝 프로브라고 합니다. 이 CMM 검사 방식은 기존의 터치 프로브 방식보다 정확도가 높고, 대부분 속도도 빠릅니다.

고속 레이저 단일점 삼각 측량, 레이저 라인 스캐닝, 백색광 스캐닝을 포함하는 비접촉 스캐닝으로 알려진 차세대 스캐닝 기술이 매우 빠르게 발전하고 있습니다. 이 방식은 레이저 빔이나 백색광을 부품 표면에 투사합니다. 수천 개의 점을 추출하여 부품의 크기와 위치 확인뿐만 아니라 3D 이미지 생성에도 활용할 수 있습니다. 이 "점군 데이터"는 CAD 소프트웨어로 전송되어 부품의 실제 3D 모델을 생성할 수 있습니다. 이러한 광학 스캐너는 부드럽거나 섬세한 부품에 사용되거나 역설계 작업에도 자주 사용됩니다.

미세 계측 프로브

마이크로스케일 계측 응용 분야를 위한 프로빙 시스템 또한 새롭게 부상하는 분야입니다. 시스템에 마이크로프로브가 통합된 여러 종류의 상용 좌표측정기(CMM), 정부 연구소의 여러 특수 시스템, 그리고 대학에서 제작한 마이크로스케일 계측 플랫폼이 있습니다. 이러한 장비들은 나노미터 스케일을 갖춘 우수하고 뛰어난 계측 플랫폼이지만, 주요 한계는 신뢰성과 견고성을 갖춘 마이크로/나노 프로브입니다.^{[인용 필요]}마이크로스케일 프로빙 기술의 과제로는 표면을 손상시키지 않고 낮은 접촉력으로 깊고 좁은 부분에 접근할 수 있는 높은 종횡비 프로브와 높은 정밀도(나노미터 수준)가 필요하다는 점이 있습니다.^{[인용 필요]}또한 마이크로 스케일 프로브는 습도 및 표면 상호작용(예: 접착, 메니스커스, 반데르발스 힘 등으로 인해 발생)과 같은 환경 조건에 취약합니다.^{[인용 필요]}

마이크로스케일 프로빙을 구현하는 기술로는 기존 CMM 프로브의 축소 버전, 광학 프로브, 정재파 프로브 등이 있습니다. 그러나 현재의 광학 기술은 깊고 좁은 형상을 측정할 만큼 충분히 작게 만들 수 없으며, 광학 분해능은 빛의 파장에 의해 제한됩니다. X선 이미징은 형상의 사진을 제공하지만 추적 가능한 계측 정보는 제공하지 않습니다.

물리적 원리

광학 프로브 및/또는 레이저 프로브를 (가능하다면 함께) 사용할 수 있으며, 이는 CMM을 측정 현미경이나 다중 센서 측정기로 전환합니다. 프린지 투영 시스템, 테오돌라이트 삼각 측량 시스템, 레이저 거리 및 삼각 측량 시스템은 측정기라고 부르지는 않지만, 측정 결과는 동일합니다. 즉, 공간점입니다. 레이저 프로브는 표면과 운동학적 사슬 끝(즉, Z-구동 요소의 끝)의 기준점 사이의 거리를 감지하는 데 사용됩니다. 이는 간섭 함수, 초점 변화, 광 편향 또는 빔 섀도잉 원리를 사용할 수 있습니다.

휴대용 좌표 측정기

기존의 CMM은 3개의 데카르트 축을 따라 움직이는 프로브를 사용하여 물체의 물리적 특성을 측정하는 반면, 휴대용 CMM은 관절형 암을 사용하거나, 광학 CMM의 경우 광학 삼각 측량 방법을 사용하는 암 없는 스캐닝 시스템을 사용하여 물체 주변에서 완전한 자유로운 움직임을 가능하게 합니다.

다관절 암이 장착된 휴대용 CMM은 선형 축 대신 회전 인코더가 장착된 6축 또는 7축을 사용합니다. 휴대용 암은 가벼워서(일반적으로 9kg 미만) 거의 모든 곳에서 휴대하고 사용할 수 있습니다. 그러나 광학식 CMM의 사용이 업계에서 점점 더 늘어나고 있습니다. 소형 선형 또는 매트릭스 어레이 카메라(예: Microsoft Kinect)로 설계된 광학식 CMM은 암이 장착된 휴대용 CMM보다 크기가 작고, 전선이 없어 거의 모든 위치에 있는 모든 유형의 물체에 대해 3D 측정을 쉽게 수행할 수 있습니다.

역설계, 신속한 프로토타입 제작, 모든 크기의 부품에 대한 대규모 검사와 같은 특정 비반복적 응용 분야에는 휴대용 CMM이 이상적입니다. 휴대용 CMM의 장점은 다양합니다. 사용자는 모든 유형의 부품을 가장 멀리 떨어져 있거나 측정하기 어려운 위치에서도 3D 측정을 수행할 수 있는 유연성을 누릴 수 있습니다. 사용이 간편하고 정확한 측정을 위해 제어된 환경이 필요하지 않습니다. 또한, 휴대용 CMM은 기존 CMM보다 비용이 저렴합니다.

휴대용 CMM의 본질적인 단점은 수동 조작(항상 사람이 사용해야 함)입니다. 또한, 전반적인 정확도가 브리지형 CMM보다 다소 낮을 수 있으며 일부 용도에는 적합하지 않습니다.