머신비전으로 공작기계를 정비한다
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머신비전으로 공작기계를 정비한다
  • 김종율 기자
  • 승인 2018.11.24 13:14
  • 댓글 0
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오늘날 CNC(computer numerical control)는 공작기계·항공기·중장비 등의 기계가공에 중요하다. 특히 자동차 산업에 활용되는 가공에는 필수적이다. 특정한 가공 작업을 수행하려면 드릴, 탭 및 자동 기계 공구 홀더에 특수 절삭 공구와 같은 수백 가지의 도구를 활용해야 한다. 이러한 시스템들은 완전히 자동화되어 있다. 따라서 시스템은 특정 도구가 부서지거나 발생할 수 있는 여러 우려의 상황을 가공 작업 전에 알고 있어야 하는 건 필수적이다. 

피닉스 이미징(www. phoeniximaging.com)의 책임자인 제럴드 버드(Gerald Budd)는 “이러한 작업을 수행하는 데에는 여러 가지 방법이 있다”고 말한다. 예를 들어 기계 터치 프로브 또는 레이저 감지기를 모터의 토크를 측정하는 툴이 있는지의 여부를 확인하기 위해 사용할 수 있다.

버드는 하지만 “이 시스템은 도구가 손상될 수 있는지의 여부를 확인하는 데에도 아주 유용하다”고 말한다. 부서진 것을 장착하거나 중심이 잘못된 도구를 사용할 경우 부적절하게 가공된 부분을 재작업 하거나 심지어 폐기해야 하기 때문이다.

더 중요한 것은 기계 터치 프로브 또는 전류 측정 시스템은 자체적으로 도구에 대해 예측하고 유지 보수를 수행하는 데 유용하다는 점이다. 고성능이자 고가인 장비의 수명을 평가해야 하는 항공이나 자동차 산업에서 특히 중요한 역할을 한다. 

시스템 설계
이러한 작업을 수행하기 위해 피닉스 이미징은 CNC 툴 상태 관리자(일명 CNC-TSA)라고 하는 머신 비전 시스템을 개발했다. 측정의 여러 가지 구현은 툴 검사의 요구 사항(그림 1)에 의해 개발되었다. 가장 기본적인 디자인은 하나의 카메라를 활용하는 것으로, 이미지 프로세서 및 조명 시스템은 검사하는 도구에 의해 고정된 위치에 장착된다. 센서는 검사하는 도구의 길이에 따라 하나 혹은 그 이상이 필요하다.


이 시스템은 공구와 공구 홀더 및 공구의 중심선(그림 2a)으로부터 고정된 거리에 있는 카메라의 반대쪽에 LED 백라이트를 구성한다. 이미지 데이터를 카메라는 피닉스 이미징의 PC 기반 PVS-80 비전 컨트롤러로 전송한다. 이것은 하나 또는 그 이상의 카메라에 인터페이스되어 있을 뿐 아니라 여러 각도에서 보기를 지원하는 등 동시에 다양한 검사를 할 수 있게 한다.

CNC 머시닝 센터에서 툴의 길이가 크게 다를 경우, 단일 센서를 통해 도구 끝을 검사할 위치를 조정하는 것이 더 경제적이다. 이것은 검사 지점에 있는 센서 및 이동할 수 있는 조명 시스템 장치에 센서를 장착하여 수행된다. 검사 지점 사이의 이 운동은 툴 체인저(그림 2b)의 속도에 따라 다를 수 있다.

이미지를 캡처하기 위해 피닉스 이미징은 Datalogic (www. datalogic.com)과 협력하고 있다. 이 업체는 CNC 머시닝 센터의 가혹한 환경에서도 견딜 수 있는 스마트 센서인 IP67을 생산하고 있다. 부품을 개선하기 위해 이 시스템은 피닉스 이미징에서 공급하는 모델인 4500-30/30G를 사용하며, 30mm × 30mm × 12mm 유닛 단위로 밀봉되어 있다. 균일한 녹색 조명 필드를 생성하기도 하는데, 이것은 검사할 공구의 최대 직경보다 크다.

 


버드에 따르면 CNC 사용자의 기호에 따라 Datalogic (www.datalogic.com), Basler (www.baslerweb.com) 및 Sensor Technologies America (www. sentechamerica.com)로부터 각기 다른 GigE 카메라를 요청할 수 있다. 이들 카메라는 스테이지에서 이동하는 각 부품의 이미지를 캡처하는 데 사용되며, 필요한 경우 두 번째 카메라와 링 라이트가 추가된다. 이는 공구 축의 아래에 있는 가장자리 결함을 찾아내기 위함이다. 핵심은 고객의 요구 사항에 의해 구현된 센서의 해상도가 결정된다는 점이다. 고객은 도구의 치명적인 존재가 아닌 것을 확인해야 하는 경우 센서의 해상도를 최소화할 수 있다. 마모된 공구의 검출을 필요로 하는 경우 센서의 해상도가 훨씬 더 높아야 한다.

 

이미지 분석
툴 프로파일의 이미지를 캡처한 후에는 툴 기능이 측정된다. 공구의 중심선이 도구의 왼쪽 및 오른쪽 가장자리(그림 3)를 찾아 계산되는 방식이다. 또한 이것은 공구 직경(황색 수평 라인)을 측정하기도 한다. 공구의 길이는 붉은 선으로 표시되는데, 이것은 툴의 끝과 끝 라인의 중앙에 있는 십자 모양을 가진 적색 원이며 툴 중심선과의 교점으로 표시된다.

툴의 가장자리는 공구 직경을 찾기 위해 사용되는 것과 유사한 방법으로 결정된다. 그림 4는 왼쪽 툴 가장자리(오렌지 상자에 노란색 선)의 위치와 왼쪽 측면(하늘색 상자에 진한 파란색 선)의 위치를 나타낸다. 노란색과 어두운 파란색 선이 교차하면서 확장되고 그들 사이의 각도(빨간색 호)가 결정된다. 툴 가장자리 측정은 이미지를 단순히 비교하는 것보다는 툴의 특성을 더 잘 표현한다.

버드는 “발생할 수 있는 모든 상황을 찾아야 한다”고 말했다. 그런 다음 에지 사이의 각도가 변경되고, 마모의 총량을 측정하게 된다. 설령 마모가 있더라도 허용되는 수치로 간주되면 CNC 가공은 계속 이어진다. 그렇지 않은 경우 새로운 툴을 착용할 것을 경고하게 된다.

그림 5는 측정이 수행되는 방법을 보여준다. 라인은 툴 각 가장자리의 주요 부분에 장착되고, 선이 교차할 때까지 과정을 예상하게 된다. 이것은 이론적 교차점(노란색과 파란색 라인의 교차점)이다. 라인의 두 번째 세트는 실제 교차점(그림 5b)으로 불리는 이론 교차점 부근에서 공구 날의 짧은 부분에 장착되어 있다. 시스템은 이론적 교차점과 물리적 교차점 사이의 최소 거리를 결정한다. 이 거리가 지정된 최대 값을 초과하는 경우, 툴은 과도한 마모를 갖는 것으로 간주하고 서비스에서 제거한다.

제럴드 버드는 처음에 간단한 템플릿 매칭 알고리즘을 작업을 수행하는 데 사용할 수 있다는 생각이었다. 그러나 이러한 알고리즘은 툴의 이미지에서 발생할 수 있는 변화를 수용할 수 있을 만큼 강력하지는 않았다. 물·먼지를 비롯하여 각종 이물질이 존재하기 때문이었다.

뿐만 아니라 시스템은 공구의 마모를 예측하는 등 파손 같은 작은 결함을 확인하는 데에도 사용할 수 있다. 이 작업을 수행하기 위해서는 시스템이 각 도구의 프로파일을 학습하도록 프로그램되어야 하며, 관련 에지 정보를 추출하여 알려진 좋은 부품과 그 특성의 데이터베이스를 구축해야 한다.

공작 기계는 콜릿(또는 척)에 툴을 삽입하는 등 여러 가지 방법을 통해 공구 홀더에 배치된다. 어떤 방법으로 배치되든 이 툴은 사용하기 전에 검사를 거치기 위해 도구 홀더에 미리 배치되어야 한다. RF 태그가 있는 경우, 툴은 삽입할 때 그 특성을 CNC 머시닝 센터에 있는 머신비전 시스템으로 전송하게 된다.

상용화 구현
이 기술을 상용화하기 위해 피닉스 이미징은 CNC 시스템을 공급하는 MAG(www.mag-ias.com)와 협력했다. MAG 설명에 따르면 마모 또는 파손된 도구를 검사하는 비전시스템으로 작업을 수행한 후 측정도구를 착용해야 한다. 스크랩 및 가동의 중단을 방지하기 위함이다.

피닉스 이미징은 CNC-TSA 시스템의 여러 구성을 제공한다. 특정 프로젝트에 대해 선택한 설정은 절삭 공구의 모양과 크기에 따라 달라진다. 결함이 없다는 것을 확실히 하기 위해 하나 이상의 카메라가 도구를 관찰해야 하기도 한다. 예를 들어, 여러 개의 플루트된 꼭지는 하나의 센서로 검사하는 것이 일반적이지만 수직 방향으로 장착된 센서를 통해 손상을 찾을 수도 있다. 따라서 큰 여러 개의 절삭 공구 헤드는 다른 카메라, 조명 및 포지셔닝 시스템이 필요할 수도 있다.



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