정밀 제조를 위한 고급 구조광 비전 솔루션

공급업체들은 산업 사용자의 니즈와 예산에 맞는 다양한 센서를 제공하고 있습니다. 가격이 하락하고 성능이 향상됨에 따라 다음 최고의 애플리케이션이 무엇인지가 관건입니다.

구조광 시스템은 프린지 무늬를 투영한 후 카메라와 정교한 소프트웨어로 이를 메트롤로지 데이터의 포인트 클라우드로 변환해 표면을 측정합니다. 정확도는 수백만 포인트에서 싱글 디지트 마이크론 수준에 도달할 수 있습니다. 일부 최신 장비의 캡처 속도는 밀리초 단위로 측정됩니다. 이러한 센서의 경제성과 선택 폭이 늘고 있습니다. 대부분은 여전히 2카메라 스테레오 구성이지만, 일부는 생산 라인 근처에서의 더 유연한 배치를 위해 단일 카메라 구성을 사용합니다. 더 많은 배치와 더 많은 애플리케이션이 이 산업의 특징입니다.

이 분야의 선구자 중 하나인 GOM은 ATOS 라인 구조광 시스템의 옵션을 확장하고 있습니다. "과거에는 ATOS 센서를 고급이지만 비싼 스캐너로 여겼습니다. 하지만 이제 GOM은 구조광 스캐너의 전체 라인업을 제공합니다."라고 캡처 3D(Capture 3D Inc.)의 국가 영업 엔지니어링 매니저 프랭크 스톤(Frank Stone)은 말했습니다. ATOS 센서의 부가가치 리셀러인 그는 "시장을 확대하려면 다양한 고객에게 제공해야 한다는 것을 인식했습니다. 모든 사람이 타이트한 공차와 정밀도를 필요로 하는 것은 아니니까요."라고 덧붙였습니다.

회사가 다양성을 제공하는 좋은 예는 엔트리 레벨 시스템인 ATOS 코어(ATOS Core)입니다. 이는 소유자의 니즈에 따라 역량도 함께 성장할 수 있습니다. 캡처3D에 따르면 역설계나 신속 시제작 같은 엔트리 레벨 애플리케이션은 고급 검사 기능 없이 스캐닝만 필요합니다. 완전한 '엔트리 레벨' 키트에는 포인트 클라우드 데이터를 STL 포맷 폴리곤 메쉬로 변환하는 소프트웨어가 포함됩니다. 코어는 수동 작동에서 반자동 작동으로의 업그레이드 경로를 제공하며, 여기에는 더 높은 품질의 메트롤로지 검사를 위한 터치 프로브와 포토그래메트리 추가가 포함될 수 있습니다. 같은 장치가 궁극적으로 산업용 품질 관리 검사를 위한 완전 자동화로 업그레이드될 수도 있습니다.

하지만 GOM은 하이엔드 시스템 개선도 멈추지 않았습니다. 최신 제품은 산업용으로 설계되고 생산 라인에 측정 통합을 위한 ATOS 5와 ATOS 5X입니다. 열악한 환경에서 구조광을 사용하는 열쇠 중 하나는 수집 시간을 단축해 진동과 노이즈에 덜 민감하게 만드는 것입니다. 회사에 따르면 ATOS 5는 100fps로 0.2초(200밀리초)에 스캔을 캡처합니다. ATOS 스캔박스(Scanbox) 자동화 시스템과 결합하면 자동차 바디 클로저, 계기판, 엔진 터빈 블레이드, 주조 부품 측정에 사용될 수 있습니다. 로봇에 장착된 커스텀 통합으로는 자동차 제조에서 흔한 바디-인-화이트(body-in-white) 전체 측정이 가능합니다.

투영 광원의 다양성

유용성을 더욱 확장하기 위해 더 진보된 ATOS 5X는 훨씬 더 밝은 광원을 사용합니다. "ATOS 5X는 통합 레이저 라이트 컴프레서를 사용해 더 밝은 광원을 제공하며, 이는 측정 볼륨을 확장합니다."라고 스톤은 설명했습니다. "이전에는 700mm까지만 측정 가능했지만, 이 새로운 소스로 같은 시간에 최대 1,000mm까지 측정할 수 있습니다. 스캔당 0.2초만 소요됩니다." 기술적으로 이는 여전히 구조광이며, 레이저의 간섭성을 이용한 간섭계가 아닌 매우 밝지만 여전히 표준적인 구조광 장치입니다.

헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스(Hexagon Manufacturing Intelligence)도 최근 몇 년간 다양한 구조광 스캐닝 장치를 개발했습니다. 이들은 단일 슬라이드 투영을 사용하는 것과 다중 프린지 투영을 사용하는 것, 두 가지 기본 기술로 그룹화됩니다. 단일 슬라이드 센서는 속도와 열악한 조건에서의 사용을 강조하며 헥사곤의 WLS qFLASH, BLAZE 600, WLS 400이 포함됩니다.

"이 센서들은 빠른 이미지 획득을 강조합니다."라고 헥사곤의 기술 프로그램 매니저 아미르 그린보임(Amir Grinboim)은 말했습니다. 이들은 평균 0.015초(15밀리초)에 데이터를 수집합니다. 수집 속도가 중요하며, 이것이 공장 현장 설정에 이상적인 이유입니다. "철학은 '원하는 곳 어디든 측정'입니다."라고 그린보임은 말했습니다.

반면 다중 프린지 투영 기술은 느리지만 더 나은 해상도를 제공합니다. 여기에는 헥사곤의 아이콘(AICON) 제품군이 포함됩니다. "한 번 촬영할 때 이미지는 투영 시퀀스로 구성됩니다. 그 투영들은 부품에 투영되는 선들인데, 그 선들은 이미지 획득 과정과 함께 이동하고 방향을 바꿉니다. 이는 상대적으로 긴 과정으로," 그린보임은 설명하며, 단일 수집에 평균 2초가 걸린다고 했습니다. "목표는 속도가 아니라 포인트 클라우드의 품질입니다."

헥사곤은 최신 센서인 아이콘 스테레오스캔 네오(AICON StereoScan neo)에 RGB DLP 프로젝터를 사용합니다. 이 센서는 75mm에서 1,100mm까지 넓은 측정 필드 범위를 가지며, 이는 카메라 렌즈나 베이스 길이를 변경해 달성합니다. 획득 시간은 약 2초이며 800만 또는 1,600만 화소 카메라 장착이 가능합니다.

RGB DLP 프로젝터는 측정을 CAD 공칭값과 비교했을 때 편차의 컬러 맵으로 변환해 방금 측정한 부품에 다시 투영하는 애플리케이션에 이상적입니다.

"이것은 설계 작업, 툴링 재작업, 주조물의 오버스톡/언더스톡 소재 표시 등에 이상적입니다. 이 모든 것이 컴퓨터 화면이나 PDF 참조 없이 부품 위에서 엔지니어에게 바로 보입니다."라고 그린보임은 설명했습니다.

헥사곤은 이를 'See What You Measure(SWYM)'이라고 부릅니다. "주조, 단조, 사출 플라스틱 측정과 작업에 이상적입니다. 대형 형상 부품이라면 우리 소프트웨어가 부품에 레퍼런스 타겟 없이 여러 수집을 자동으로 스티칭합니다."

산업화와 자동화

"구조광 스캐너의 인기 애플리케이션에는 리버스 엔지니어링용 레거시 툴링과 항공우주 애플리케이션이 포함됩니다. 둘 다 구조광 하드웨어에 부합하는 더 높은 정밀도 공차를 흔히 요구합니다."라고 이그잭트 메트롤로지(Exact Metrology)의 디비전 매니저 그렉 그로스(Greg Groth)는 설명했습니다. 이그잭트 메트롤로지는 계약 측정 및 스캐닝 서비스, 메트롤로지 장비 솔루션, 하드웨어 및 소프트웨어 렌탈을 제공합니다. 포터블 암 CMM부터 하이엔드 CT 스캐너까지 다양한 메트롤로지 장비를 제공하거나 사용합니다.

회사는 GOM ATOS 구조광 시스템도 사용합니다. 여기에는 이그잭트가 계약 업무에 사용하는 ATOS II 트리플 스캔과 ATOS III 트리플 스캔이 포함됩니다. 이그잭트는 헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스의 아이콘 프라임스캔(AICON PrimeScan)도 유통합니다.

자동화는 구조광 장치의 주류 용도가 되고 있습니다. "현재 자동화 세계가 구조광 기술을 채택하고 있습니다. 로봇 셀이 더 안전하고 비용 효율적이 되는 것과 병행해 하드웨어가 저렴해지면서 인라인 자동화 인기가 상승하고 있습니다."라고 그로스는 말했습니다. "획득 속도가 서브세컨드 수준으로 빨라지면서 처리량 효율의 새로운 세계가 열리고 있습니다."

그는 또한 AI, 사물인터넷, 빅데이터 분석 같은 당대의 산업 유행어들이 구조광 시스템 채택에 영향을 미치고 있다고 믿습니다. "큰 변화 중 하나는 동적 피드백, 즉 루프 시스템입니다. 예를 들어 부품을 스캔하고 설계 의도 CAD 데이터와 비교해 불일치를 제조 공정에 피드백하고, 툴링에 적응적 변경을 가해 올바른 부품을 만드는 것입니다."

칼 자이스 인더스트리얼 메트롤로지(Carl Zeiss Industrial Metrology LLC)의 포터블 3D 스캐닝 제품 영업 매니저 이안 스크립너(Ian Scribner)도 자동화에 대한 집중을 관찰하며 이를 뒷받침했습니다. "자동화가 지난 몇 년간 하드웨어 자동화를 위해 소프트웨어를 강화하는 데 대부분의 초점이 맞춰진 부분입니다."라고 그는 설명했습니다.

자이스가 제공하는 구조광 시스템의 역사도 이 분야 초기 창립자 중 하나인 슈타인비흘러(Steinbichler) 회사로 거슬러 올라갑니다. 자이스는 몇 년 전 이 회사와 기술을 인수했습니다. 자이스 코멧(COMET) 라인 구조광 시스템은 이 유산에서 나왔지만 이제는 자이스 고유의 개선점을 보여줍니다. 한 예는 표면 결함 검출용 자이스 ABIS II 시스템입니다. 자동차 제조에서 클래스 A 바디 표면 측정에 특히 유용하며, 다시 생산 라인 위나 근처에서 사용하도록 설계되었습니다.

자이스의 더 최근 제품 중 하나는 코멧 프로 AE(COMET Pro AE)입니다. 이 장치는 자이스의 사전 패키지 자동화 솔루션인 AIBox와 AIBox 플렉스 시스템에 사용됩니다. 또한 모든 공급업체의 구조광 시스템에서 널리 퍼진 또 다른 트렌드, 즉 서로 다른 메트롤로지 기술을 결합해 자동화와 정밀도를 개선하는 것을 보여줍니다.

"코멧 프로 AE는 자동화에 전념합니다. 포토그래메트리 포함 몇 가지 추가 기능이 있습니다."라고 스크립너는 말했습니다. "이는 더 큰 부품을 더 빠르고 더 나은 정확도로 캡처하는 데 도움이 됩니다. 또한 라이트 링이 있어 시트 메탈 스캐닝과 홀, 슬롯, 시트 메탈 컷아웃의 더 나은 특징 디테일을 가능하게 합니다."

코멧 프로 AE의 수집 시간은 부품 크기에 따라 다릅니다. 시트 메탈 차체 예로는 몇 분이 걸립. 결과는 25~35μm 정확도에서 수천만 포인트라고 스크립너는 말했습니다. 사실 그의 최근 최대 성공 사례는 시트 메탈 부품 측정 자동화였다고 합니다.

코멧 프로 AE가 샘플 로트 검사에 유용한 '앳라인(at-line)' 장치로 제공되는 반면, 자이스는 AIMax 인라인(AIMax Inline)과 베스트핏(BestFit) 제품으로 인라인 검사용 구조광 솔루션도 제공합니다. 회사는 이를 품질 보증, 위치 인식, 로봇 가이드를 포함한 생산 제어 작업에 적합하다고 광고합니다.

이 장치는 스캔 포인트를 STL 포맷 표면으로 변환해 출력할 수도 있습니다. "종종 코멧 AIMax는 인라인 게이징을 위해 특정 특징을 찾도록 프로그래밍됩니다."라고 그는 말했습니다. 프로그래밍 가능하므로 하드 게이징의 함정을 피하면서 점점 더 합리적인 가격으로 제공됩니다.

"매년 구조광 시스템 그룹이 가격은 내려가고 성능은 올라가며 새로운 애플리케이션을 열고 있음을 목격했습니다."라고 스크립너는 말했습니다. 베스트핏의 콤팩트한 크기는 단일 카메라 기술로 가능합니다. 또한 열악한 환경을 위해 설계되었음을 인식해 두 센서 모두 능동 보상을 통한 고온 안정성을 보입니다.

경제성과 애플리케이션

비전 시스템 시장에 큰 변화가 올 것이라고 3D 시스템즈(3D Systems Inc.) 소프트웨어 디렉터 스콧 그린(Scott Green)은 말했습니다. "고해상도 구조광 시스템 시장에서 거대한 변화가 올 것입니다."라고 그는 말했습니다.

회사는 3D 프린터부터 햅틱 포스 피드백 장치까지 광범위한 제품을 제공하며, 구조광 메트롤로지 시스템 라인도 포함합니다. 그린에 따르면 구조광 시스템의 변화는 품질과 스캐닝 커버리지가 증가하면서도 장치 가격이 하락하기 때문에 일어날 것입니다.

"이것들은 곧 신용카드로 살 수 있는 시스템이 될 것입니다. 오늘날에도 매우 저렴한 고품질 구조광 센서가 1만 달러 미만에 판매됩니다."라고 그는 말했습니다. 이는 원래 시장에 출시된 10만 달러 이상의 시스템과는 거리가 멉니다. 3D 시스템즈는 '캡처(Capture)'라 부르는 산업용 스캐너와 더 작은 버전인 '캡처 미니(Capture Mini)'를 제공합니다. 또 다른 핸드헬드 장치도 소형 품목의 빠른 측정을 위해 구조광을 사용합니다.

어떻게 가능할까요? 이 시스템들은 고품질 정밀 광원과 정밀 투영 패턴이 필요합니다. 카메라는 최대 1,600만 화소까지 선명한 이미지를 캡처해야 합니다. 그 구성요소에서 데이터를 뽑아내기 위해 많은 정교한 소프트웨어와 수학이 들어갑니다. 수십 년의 개선으로 소프트웨어와 알고리즘이 더 정교해졌습니다. 그럼에도 그는 시스템이 본질적으로 '단순하다'고 주장합니다. "구조광 시스템은 기본적으로 두 대의 카메라와 프로젝터, 그리고 컴퓨터와 소프트웨어입니다."

일반 소비자 시장이 그 구성요소들의 비용과 품질 곡선을 주도하고 있습니다. 이 수준의 컴퓨팅은 거의 무료가 되고 있습니다. 대량 생산 스마트폰과 소비자용 카메라는 디지털 카메라와 광원을 급속히 발전시키고 있습니다.

"구조광 센서를 구성하는 기능적 구성요소, 실제 구성요소들이 훨씬 더 저렴해지고 있습니다."라고 그린은 말했습니다. "내부의 구성요소들이 더 쉽게 구해지고 싸지면서 고품질 구조광의 소유 비용이 하락하는 것을 볼 수 있습니다."

하드웨어 비용이 낮아지면 수반되는 소프트웨어에도 가격 압박이 가해질 것이라고 그는 말했습니다. 총소유비용 감소로 이제 저렴해진 구조광 시스템을 전용 용도에 사용할 수 있게 된다고 그린은 말했습니다. 자동차 바디-인-화이트의 갭 앤 플러시(gap-and-flush) 측정이나 머시닝 셀에서 개별 센서에 의한 개별 특징의 100% 검사를 생각해보세요.

"적절한 애플리케이션에 대해 우리는 생산 현장에 훨씬 더 가깝고 훨씬 더 스마트한 센서를 갖게 될 것입니다."라고 그는 말했습니다. "그런 애플리케이션에서 데스크톱 소프트웨어의 역할은 정보 수집기처럼 훨씬 더 많아질 것입니다."