[기획] 오토모티브 산업의 혁신 ‘3차원 측정기술’ ⑥프로빙 시스템은 진화한다
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[기획] 오토모티브 산업의 혁신 ‘3차원 측정기술’ ⑥프로빙 시스템은 진화한다
  • 김종율 기자
  • 승인 2019.09.15 18:05
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휴대용부터 비접촉식까지 ‘팔색조’ 매력

고정형·휴대형 계측 프로빙 시스템이 진화를 이루어냈다. 기존의 단일 지점에서 촉각을 이용해 측정하는 프로브에서 고급 스캐닝 레이저 프로브로 발전한 것. 까다로운 환경에서도 다양한 재료를 고속으로 측정할 수 있게 됨으로써 프로빙 시스템은 측정 분야에 새로운 장을 열었다.

계측 및 측정을 하는 이유는 단순하다. 만들어진 제품이 원래 설계 의도에 맞게 제작되었는지 확인하고자 하는 것. 정밀 측정은 설계 단계와 실제 제품 사이의 차이를 확인하고 이를 줄이기 위한 작업이라고 보아도 무방하다.

계측은 실로 다양한 수학적 정보를 수집함으로써 이루어진다. 막 만들어낸 부품들에 대해 물리적 차원에서의 특징들을 모으는 것. 하지만 단순히 정보를 모으는 것만으로는 계측이라고 보기 어렵다. 수집한 정보를 설계 사항과 서로 비교하는 과정이야말로 실질적인 계측이라고 볼 수 있다.

3차원측정기(Three-Dimensional Coordinate Measuring Machine, 3D CMM)가 시장에 데뷔한 것은 1960년대이다

시간이 지남에 따라 계측 및 측정 작업을 수행할 수 있는 기술 및 능력이 점점 발전하고 있다. 초기의 측정 기술은 한 번에 한 차원밖에 측정할 수 없었다. 높이와 길이 그리고 깊이 중 한 가지씩만을 측정하던 것.

이 문제는 1960년대에 들어서야 해결되었다. 3차원측정기(Three-Dimensional Coordinate Measuring Machine, 3D CMM)가 시장에 데뷔한 했기 때문이다.

3차원측정기는 제조 및 조립 공정에서 부품 제작이나 공정 과정이 설계에 맞게 이루어졌는지 확인하는 역할을 한다. 대상의 X축과 Y축 그리고 Z축을 정밀하게 기록하고 회귀 알고리즘을 통해 분석 지점을 만들어낸다.

일반적인 ‘브리지’ 타입 3차원측정기의 측정 도구는 세 개의 축으로 구성되어있다. X축과 Y축 그리고 Z축이 그것이다. 각 축은 일반적인 입체좌표계 안에서 서로 직각으로 만난다. 각 축은 해당하는 축의 위치를 가리키는 측정 체계(Scale System)를 가지고 있다.


접촉식 프로브
작업자 혹은 기계가 3차원측정기에 명령을 내리면 측정기는 접촉식 프로브를 통해 들어온 입력을 판독 및 분석한다. 프로브가 어떤 부품이나 요소의 표면에 접촉하면 스타일러스(특수 컴퓨터 화면에 글을 쓰거나 그림을 그리는 등의 표시를 할 때 쓰는 펜, 출처 영어사전)가 방향을 바꿈과 동시에 X·Y·Z축 좌표 정보를 컴퓨터로 전송한다.

이 지점들은 프로브를 이용해 수집 및 축적되는데, 운영자가 수동으로, 혹은 직접 컴퓨터 제어(DCC)을 통해 반복적으로 동일한 부분을 측정할 수 있도록 설계함으로써 자동으로 작업을 수행할 수 있다.

계측 및 측정을 하는 이유는 단순하다. 만들어진 제품이 원래 설계 의도에 맞게 제작되었는지 확인하고자 하는 것.

최근 접촉식 프로브가 크게 발전했다. 부품 표면을 따라 드래그하듯 이동하면서 일정한 간격으로 측정 지점을 만들어낼 수 있게 되었다. ‘스캐닝 프로브’라고도 하는 3차원측정기 검사법은 기존 접촉식 프로브 방식보다 정확할 뿐 아니라 최대 몇 배나 더 빠르다.


휴대용(이동식) 3차원측정기
휴대용 3차원측정기는 연결식(Atriculated) 로봇 팔의 형태를 취하고 있다. 기존 3차원측정기와 외형적인 차이점이다. 연결식 로봇 팔은 기존의 직선 축 대신 여섯 개 혹은 일곱 개의 회전 축을 가지고 있다. 각 회전 축에는 로터리 인코더가 들어있다. 휴대용 로봇 팔은 일반적으로 10㎏ 미만으로 무게가 가볍다. 사실상 거의 어디에서든 이동 및 사용할 수 있다.

하지만 휴대용 3차원측정기에는 단점도 존재한다. 수동 조작 시 정확도가 떨어진다는 점이 그것이다. 브리지형 3차원측정기보다 전반적인 정확도가 낮다는 점 역시 불안요소다.

비 반복적인 응용분야, 예를 들면 역설계 및 부피가 작은 부품의 대규모 검사는 휴대용 3차원측정기가 적합하다. 또한 부품이 지나치게 크거나 무겁거나 고정되어있는 부품을 검색해야 하는 경우 휴대용 3차원측정기가 유일한 해답이다.


비접촉식 스캐닝
차세대 스캐닝 프로브는 비접촉식 검사법으로 더욱 유명하다. 비접촉식 스캐닝은 일부 지점(포인트) 프로브나 라인스캔 프로브를 포괄적으로 일컫는 용어로, 진행속도가 무척 빠른 것이 특징이다.

광학식 프로브(특히 라인 스캐너)는 지금까지 존재하던 가장 빠른 형태의 프로브보다 몇 배나 빠르다. 수집한 자료들을 모아 ‘포인트클라우드’라는 거대한 자료를 만들 수 있다. 포인트클라우드는 단순히 크기와 위치를 확인하는 것뿐 아니라, 프로브가 수집해온 고밀도 정보들을 대조함으로써 전체적인 3차원 자료를 생성하는 것도 특징이다.

광학 스캐너는 자유로운 형태를 가진, 다시 말해 복잡한 부품에 적합하다. 바이크의 형태와 장식 그리고 좌석 등이 대표적이다. 이 외에도 다양한 소비자 제품과 의학적 구성요소 그리고 발전에 필요한 부품 등에 쓰인다.


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