백서: 현대의 CMM 디자인 개념

3차원 측정기(CMM)는 제조 부품의 정확한 치수 검사를 필요로 하는 거의 모든 산업에 사용됩니다. 오늘날의 경쟁적인 환경에서 제조업체들은 정확하고, 신뢰성 있고, 빠르고, 경제적이며 운영 환경에 대해 최대한의 유연성을 제공하는 CMM을 필요로 합니다.

이러한 상충적인 요구 사항을 종종 충족시키고, 고객에게 제품의 최고 가치를 제공하기 위해, CMM 제조업체들은 디자인, 지능형 재료 선택에 대한 정보를 알고 있어야 하고 새로운 기술을 사용 해야 합니다.

Global CMM

최종 결과품은 매우 정확하고 신속히 측정하고, 환경에 비교적 민감하지 않은 합리적인 가격의 장비이어야 합니다. 이 목표를 달성하는 열쇠는 장비의 내부 오류에 대한 주의 깊은 관리입니다.

과거를 보면, CMM의 측정 정확도 개선은 CMM의 하드웨어와 운영 체제 및 작동 환경의 온도에서 안정을 유지하는 능력이 중요시 되었습니다.부품의 작은 허용 오차를 지원하기 위한 측정 정확도에 대한 필요성이  증가하여, 측정 정확도를 달성하기 위해 CMM 구성 요소들은 더욱 정확하게 제조 될 필요가 있었습니다: 기계 프레임은 더 견고하게 제작되었고, 가이드 웨이는 직선형으로 그리고 드라이브는 더 부드럽게 그리고 스케일은 더욱 정확하게 되었습니다.

동시에, 작동 환경은 온도에 의해 영향을 받는 측정 에러를 줄이기 위해 더 엄격히 통제 될 필요가 있었습니다. 이러한 디자인은 부품 수를 증가시키고, 성능을 향상시키기 때문에 고객들이 부담해야 하는 비용을 증가시키고 있었습니다. 이러한 구조는 비용적인 측면과 온도의 안정성에 대해 더욱 엄격해지는 기계적인 사양때문에 지속 될 수 없었습니다. - 에러가 전혀 없는 장비를 제작하는 것은 불가능합니다; 몇몇의 본질적인 에러는 항상 남아있습니다.필요한 것은, 작동 환경에 대한 유연성을 제공하면서 신뢰할 수 있고, 빠르고, 정확한 경제적인 CMM에 대해 증가하는 수요를 충족시키기 위한 일종의 패러다임 전환이었습니다.

지난 수십년에 걸친 소프트웨어 기반 보정 기술의 지속적인 적용과 발전은 CMM 제조업체로 하여금 이러한 트랜드를 깨뜨리고 고객의 요구사항을 효과적으로 충족시키도록 해주었습니다.즉, 소프트웨어 기반 오류 보정은 모든 설계 문제에 대한 치료책도 아니며, 그것이 CMM 제조업체가 설계를 엉성하게 하고, 부적절한 재료 선택으로 제조 품질을 지나치게 아껴도 괜찮다는 의미는 아닙니다.

가장 기본적인 수준에서, CMM은 공간에서 데이터 요소의 위치를 정의하는 좌표 시스템을 제공합니다. 이 좌표 시스템은 선형 축척을 사용하는 CMM의 기계적 구조에서 물리적으로 실현됩니다. 프로빙 시스템의 일부 유형은 측정 하는 부품에 측정 포인트의 위치를 식별하기 위해 선형 스케일과 함께 사용됩니다. “기계적으로 완벽한” 구조를 가진 CMM의 경우 이론적으로 X, Y, 및 Z 스케일은 부품의 프로브 팁의 실제 위치에 정확히 일치할 것 입니다.현실에서는, “기계적으로 완벽한” CMM이 존재 하지 않기 때문에 많은 오류 소스가 스케일을 읽고 실제 프로브 위치 간의 작은 차이를 생기게 합니다. 이것을 측정 오류라고 정의합니다.

모든 CMM 구조에 존재하는 본질적인 오류에 대한 보정 방법이 소프트웨어 에러 보정으로 해결되었는데, 이는 우리가 CMM의 예측 가능한 측정 오차 소스를 이해할 수 있고 수학적으로 특성화 할 수 있다면, CMM 제어 소프트웨어는 자동적으로 측정을 수정 할 수 있다는 개념을 기초로 하고 있습니다. 이러한 맥락에서, 소프트웨어 오류 보정은 CMM 스케일에 의해 나타나는 프로브 팁 위치의 구조적인 에러에 대해 단순히 CMM 스케일 수치를 수정하는 방법입니다. 

이 기능은 수 십년 전에 CMM에 처음 도입되었습니다. 시간이 지남에 따라, 이러한 보정 기술은 정적 기하학적 오류 및 모든 동적의 종류와 열 유도 형상 오류를 포괄하면서 점점 더 정교해져 왔습니다.  정적 기하학적 오류는 가이드 웨이의 미세한 결함과 기계가 작업하고 있지 않을 때, 프로브 팁으로 측정된 위치에서 에러로 이어진 스케일 시스템으로 인하여 발생되었습니다. 온도 에러는 온도의 변화에 의해 발생하는 시스템 형상에서의 변화입니다.가장 기본적인 형태에서, 온도 에러 수정은 구조물에서의 열적으로 유도된 비선형 변화에 대한 보정을 위해 보다 정교한 방법으로 열 팽창 및 열 수축에서 인한 스케일의 단순 선형 수정을 합니다.

잘 특징화 된 이미 알고 있는 에러에 대해 수정하는 것은 가능하기 때문에 소프트웨어 에러 보정에 대한 중요한 전재 조건은 성공적인 적용은 잘 갖추어진 CMM의 반복성 입니다. 즉, 견고한 디자인 원칙에 기초하며, 숙련된 엔지니어에 의해 좋은 품질의 구성품으로 제작되어, 최고 품질의 장비가 되도록 합니다.

주요 CMM 구조 설계 매개 변수에는 이동 질량의 무게와 구조체의 정적, 동적, 및 열 속성을 포함합니다. 구조체의 이동 부품에서 경량의 부품을 사용 하는 것은 기계 동작 중에 가속시키기에 필요한 힘과 관성으로 인한 프레임 왜곡을 줄여주고, 차갑고 적은 파워 전력의 가동 모터를 사용하는 능력을 가져옵니다.

디자인에서 중요한 점은 강성과 무게 사이의 타협점을 발견하는 것입니다. 따라서, 소재 선택은 매우 중요한데, 특히 열 안정성 및 동적 속성 등에 대한 필요 사항들이 영향을 미치기 때문입니다. 알루미늄은 특히 이 점에서 매력적입니다. 이는 화강암의 중량과 유사하지만, 현대 압출 과정은 강성에 가장 큰 영향을 미치는 부위의 재료를 가지고 대형 구조 알루미늄 소재의 생산을 가능하도록 해줍니다.뒤틀림의 중심 축에서 멀리 떨어져 있는 재료로 구성된 상대적으로 얇은 벽 구조는 최소량의 무게지만, 가장 큰 구조적 강성을 가져다 줄 것입니다. 프레임 뒤틀림을 최소화하기 위해 구조물내에서의 온도 변화가 최소화되는 것이 중요합니다.

구성 요소가 온도 변화에 천천히 반응 할 때 경사도는 증가합니다.  좋은 예는 온도 변화에 노출된 화강암의 큰 석판입니다. 화강암의 낮은 열 전도도 및 큰 질량으로 인해 열은 재료를 통과해 서서히 움직일 것입니다. 이것은 화강암 내 비 균일 온도 분포를 가져옵니다. 이 분포가 비대칭인 경우 (중심을 기점으로 위쪽 및 아래쪽), 이것은 위아래 표면의 팽창 혹은 수축에 대한 결과를 가져와서 그 결과 화강암을 휘어지게 합니다. (예, 화강암은 휘어짐이 발생합니다!) 한편, 알루미늄은 높은 열 전도도 계수를 가집니다; 열은 알루미늄 구조물에 진입하여 재료를 신속히 통과하여 온도 증강 및 휘어짐을 야기할 수 있는 열 계수의 재료를 피하도록 합니다.

화강암의 낮은 열 전도성 계수는 두꺼운 석판 내에서 큰 온도 증감으로 인한 느린 열 전도성에 기인합니다. 이는 아래 그림(명확성을 위해 약간 과장하자면)에서와 같이 반대 표면의 확장 혹은 수축하면서 화강암을 구부러지게 합니다. 한편 알루미늄은 훨씬 더 높은 열 전도도 계수로 인해 열을 빠르게 전도 시키고 그리하여 유도된 열로 인한 기하학적 비틀림을 최소화 합니다.

이러한 디자인 개념이 실제 CMM 설계에서 어떻게 역할을 할까요? Brown&Sharpe Global CMM은 Hexagon metrology에서 제조한 에어 베어링으로 움직이는 브릿지 타입으로 현대의 CMM 설계 원리가 적용된 널리 알려진 사례입니다. Global에 있어 주요 설계 드라이버는 정확성, 처리량 그리고 환경에 대한 유연성입니다. 화강암은 브릿지가 움직일 때 CMM을 고정하는 베이스로 사용 됩니다.

열악한 열 속성에도, 화강암은 최고의 내구성을 가진 높은 품질의 평탄한 작업 표면으로 위한 탁월한 선택입니다. 화강암의 절삭 공정 개선은 공기 베어링이 내장된 가이드 방법으로 화강암 제조를 한번에 가능하도록 합니다. 또한, Global 화강암 무겁고, 수동 탄성 절연 패드와 결합되어 정확도 및 반복성에 부정적인 영향을 미치는 진동 환경 으로부터 장비를 보호하는 역할을 합니다.

Tricision

열 관점에서, 화강암은 큰 화강암 베이스는 설치 환경 내의 온도 변화에서 의한 휘어짐이 발생 할 수 있기 때문에 덜 선호 됩니다. 그러나, 이 휘어짐은 매우 예측 가능하고, 소프트웨어 오류 보정이 가능하여 적합합니다. 화강암 베이스의 윗면과 아랫면의 여러 개의 온도 센서는 비대칭일 경우에도 열에 의해 발생하는 CMM 구조에서의 기하학적 오류를 수정하기 위해 사용됩니다. 이 보정 방법은 실제적으로 매우 효과적임이 증명되었습니다.

강철의 스케일이 알루미늄 구조에 적용 되는 방식으로 Global 장비는 이 문제를 해결합니다; 스케일는 기계 구조물의 한쪽 끝에 고정되고 알루미늄 구조물과 별개로 스케일의 전체 길이를 따라 팽창 및 수축하게 됩니다. 따라서, 두 재료의 결합이 올바르게 된다면, 서로 재료에 영향을 주지 않고 독립적으로 확장되고 축소됩니다. 또한, 강철의 선형 팽창에 의한 오류는 쉽게 바로 잡을 수 있습니다. Global의 이동 브릿지 구조는 전부 알루미늄 압출성형 및 캐스팅으로 만들어 집니다. 이미 알고 있듯이, 알루미늄은 CMM 디자인에 관하여 좋은 열 속성을 가지고 있습니다. 그러나, CMM 측정 범위 내에 프로브 위치를 결정하는 스케일은 강철로 만들어집니다.

Global장비의 X Beam 및 Z-Rail은 알루미늄 압출성형이고 브릿지 및 XZ-캐리지는 알루미늄 주물로 제작되었습니다. 우리가 앞서 논의한 바와 같이 화강암은 고정 베이스에 대한 좋은 해결책이지만, 움직이는 구조물에 대해서는 덜 이상적입니다. 바람직한 작업 표면의 이점으로 베이스에서 열 화강암 변형을 보정하여 좋은 디자인으로 만들어 주는 반면, 움직이는 구조물에 있어서는 불리합니다. 움직이는 브릿지를 위한 알루미늄은 Global CMM을 정확하고 빠르고 열적 환경에 비교적 덜 민감하게 해주는 주요 요소인 강성, 가벼운 중량 그리고 열적 안정성을 제공합니다. 

• 각 개별 Global CMM (데이터 수집)에 대한 측정 오류   
• 보정 표(error map)에서 수정 값의 계산 및 저장
• CMM 작업 동안 제어 소프트웨어에 의한 오류 수정 어플리케이션
• CMM 성능 확인 

Global error map는 3개의 노미널 수직 축의 일반적인 kinemetic 모델을 기반으로 합니다. 이 모델의 목적은 프로브 팁 위치에서 모든 축의 모든 기하학적 오류의 통합된 영향을 계산하는 것입니다. 이 결합된 영향은 스케일을 읽는데 추가되는 오류 수정입니다.

위에서 설명된 화강암 변형 및 스케일 확장 및 수축에 대한 수정은 Global 설계에서 사용되는 열 오류 보정의 예입니다. 열 에러는 온도의 변화에 의해 발생하는 시스템 형상에서의 변동임을 기억하도록 합니다. 프로브 팁에 위치한 열 오류의 효과는 정적 기하학적 오류의 영향와 동일합니다. 주요 차이점은 기본 원인입니다. 정적 기하학적 오류는 완전히 조립된 기계만의 속성입니다.  원칙적으로 그들은 시간이 지나면서 변화하지 않습니다. 그러므로 시간 내 한 포인트에서 캡쳐 될 수 있고 데이터 파일내에 저장될 수 있습니다.

반면, 열 오류는 열 환경 및 시스템의 열 응답 을 원인으로 발생합니다. 엄격히 온도 제어되는 환경에 장비가 설치되지 않는다면 이러한 오류는 끊임없이 변화합니다. 프로브 팁의 위치에서 열 오류의 영향을 계산하기 위해, 열 환경에 대한 입력 값 뿐만 아니라 기계 열의 거동을 특징 짓는 온도 모델을 필요로 합니다. 입력된 값은 기계의 다양한 위치에서 온도 센서에 의해 측정되는 장비 표면 온도입니다.

일부 모델의 경우 더 많은 센서를 사용 하기도 합니다만, 대부분 Global 모델은 구조물 전체에 위치한 11개의 온도 센서를 사용합니다: 스케일의 선형적인 팽창과 수축을 보정하기 위해 각 축에 2개의 센서, 화강암의 구부러짐을 보정하기 위해 화강암 위에 4개의 센서(상단에 2개 바닥에 2개) 그리고 측정되는 부품에 1개가 장착됩니다.

요약 하자면, 현대의 CMM의 디자인은 몇 가지 중요한 매개 변수인 지정을 위해, 정확도, 처리량 그리고 환경 유연성을 포함합니다. 적절한 재료의 선택과 활용, 그리고 소프트웨어 보정이 전부 가능한 지능형 설계로, 오늘날의 CMM은 실제 계측 솔루션을 제공하기 위한 매개변수의 균형을 이루게 할 수 있습니다. 
에릭 베넷은 헥사곤 메트롤로지의 제품 매니저이며 로드 아일랜드 본사인 회사의 Quonset Point에 브릿지 3차원 측정기에 대한 제품 마케팅을 책임지고 있습니다.  에릭은 측정 분야에 10 년 이상의 경험이 있으며, 물리학 학사 및  엔지니어링 물리학과 컴퓨터 공학의 석사 학위를 소지하고 있습니다.

Wim Weekers 헥사곤 메트롤로지에서 최고의 측량가입니다.  Wim은 네덜란드에서 태어나 아인트호벤 기술 대학에서 구조 공학 박사 학위를 보유 하고 있으며 그곳에서 정밀 공학 및 측정학의 전문가가 되었습니다. Wim은 1997 년에 미국으로 이주하여 산업의 연구 개발을 선도하는 헥사곤 메트롤로지에서 근무하였습니다. 그의 주요 영역은 CMM 정확도, 오류 보정 및 테스트입니다.