좌표 측정기(CMM) 잠재력 100% 끌어내기

50년 이상 좌표 측정기(CMM)는 측정 생산성과 품질을 향상시켜 왔습니다. CMM의 힘은 많은 복잡한 검사 작업을 거의 사소한 것으로 만들었습니다. 이만큼의 측정 능력을 갖췄는데, 조작자가 CMM을 당연시하고 있는 건 아닐까요?

CMM은 종종 고가이며 정교한 소프트웨어와 복잡한 정확도 사양을 가지지만, 많은 CMM이 제한된 CMM 지식을 가진 조작자들에 의해 매일 성공적이고 효율적으로 사용됩니다. 현대 기술 대부분과 마찬가지로, CMM의 일상적 사용은 쉬워지지만, 기술을 제대로 지원하는 데 필요한 지식 수준은 꽤 높아질 수 있습니다. 조작자가 CMM을 더 잘 이해하고 활용할 수 있도록 몇 가지 핵심 이슈를 자세히 살펴보겠습니다.

1950년대 도입된 최초 CMM은 2차원에서 두 구멍 간 거리를 빠르게 측정할 수 있는 테이퍼 실린더 프로브를 장착한 수동 검사 기기였습니다. 이 초기 CMM의 목표는 레이아웃 검사 시간을 몇 시간에서 단 몇 분으로 줄이는 것이었습니다. 여전히 원래 CMM과 유사점이 있지만, 오늘날의 현대 CMM은 너무나 다양한 스타일로 나와 '좌표 측정 시스템'이라는 용어가 '기계'보다 더 자주 쓰입니다. 전통적인 3축 CMM은 여전히 인기지만, 관절 암, 레이저 트래커, 광학 스캐너, X-레이, 고급 프로빙 센서, 고속 인라인 측정 시스템 및 3D 측정을 위한 기타 기술이 계속 성장하며 전통적인 CMM 시장을 변화시키고 있습니다.

CMM 캘리브레이션

CMM의 첨단 기술은 CMM 측정 정확도 이해를 복잡하게 만들었습니다. 측정 공정 품질을 생각하고 관리할 때, 우리는 종종 두 가지 별개 이슈에 초점을 맞춥니다: 측정 장비의 정확도, 그리고 측정 공정의 정확도와 반복정밀도. 측정 장비의 정확도는 원래 제조사 사양에 대한 적절한 캘리브레이션과 검증을 통해 자주 관리됩니다. CMM도 상황이 같지만, 캘리브레이션은 더 복잡합니다.

게이지 블록 같은 단순한 것의 캘리브레이션은 이해하기 쉽습니다. 길이 표준이므로 길이를 캘리브레이션합니다. 캘리퍼스나 마이크로미터처럼 길이를 측정하는 것들은 길이 측정을 위해 캘리브레이션합니다. CMM은 종종 다축 운동, 다양한 프로빙 센서를 가지며 거의 모든 것을 측정하는 소프트웨어를 탑재합니다. 게이지 블록이나 캘리퍼스와 달리, CMM이 수행하는 각 측정 작업별로 별도 캘리브레이션할 수는 없습니다. 경제적으로 실용적이지 않기 때문입니다. CMM의 기계적 구성요소(개별 측정 축 정확도나 축 간 직각도 등)를 별도 캘리브레이션하는 것도 그다지 유용하지 않습니다. 모든 구성요소가 함께 작동하며 측정 결과에 미치는 영향이 복잡하기 때문입니다.

대신 CMM은 CMM 측정 부피 전반에 걸친 일련의 길이 측정을 수행해 캘리브레이션합니다. 1980년대 중반부터 잘 문서화된 표준화된 테스트 절차가 있으며, 최신 국제 표준은 ISO 10360-2:2009로, 미국에서는 ASME B89.4.10360.2로 채택되었습니다. 주요 테스트는 단순히 E 테스트로 알려졌으며, E는 지시 오차(Error of indication)를 뜻합니다. 테스트는 측정 부피 전반에 다양한 방향으로 105가지 다른 길이 측정을 수행하고, 테스트 값을 제조사 명시 사양과 비교하는 것입니다. CMM 캘리브레이션에 가장 흔히 쓰이는 기준 표준은 스텝 게이지로, 서로 다른 길이의 게이지 블록 시리즈와 비슷합니다. 레이저 간섭계 같은 다른 기준 표준도 최신 ISO 10360-2 표준에 따라 허용됩니다.

ISO와 ASME 표준을 따른 CMM 캘리브레이션은 전체 시스템 검증입니다. 테스트가 불합격하면 조정이 필요할 수 있습니다. 조정을 완료하려면 두 축 간 직각도 같은 추가 측정이 필요할 수 있습니다. 테스트가 합격하면 CMM 조작자는 CMM의 전반적인 일반 정확도에 확신을 가질 수 있습니다. 그러나 CMM이 매우 다양한 작업에 쓰일 수 있으므로, CMM의 특정 사용에 따른 추가 오차를 이해하는 데 주의를 기울여야 합니다.

CMM 반복정밀도

측정 공정 품질을 평가할 때, 어떤 유형의 반복정밀도 연구를 완료하는 게 꽤 일반적입니다. 많은 산업에서 이를 게이지 반복정밀도 및 재현성 연구, 즉 GR&R이라 부릅니다. 반복정밀도 연구의 목적은 비교적 짧은 기간 동안 측정 공정의 변동을 찾아내는 것으로, 장비 캘리브레이션의 장기 평가 보완합니다. GR&R이나 반복정밀도 연구는 측정 공정 오류 등 변동의 가능성 있는 원인을 적절히 평가하도록 설계되어야 합니다. 전통적인 수동 작동 측정 장비에서는 조작자 숙련도와 조작자-장비 상호작용이 중요하고 때로는 가장 지배적인 오류 원인입니다. 완전 자동화된 CMM에서는 이러한 오류 원인이 사라질 수 있습니다.

완전 자동화된 측정 공정에서 반복정밀도는 반복정밀도 연구 설계가 실제 변동 원인에 민감하지 않아 꽤 작게 나타날 수 있습니다. CMM의 경우 연구에는 프로빙 센서 캘리브레이션(프로브 팁 자격 인증이라고도 함)의 영향과 측정 포인트 분포 및 개수(샘플링 전략)의 영향을 포함해야 합니다. 이 두 오류 원인은 고유한 측정 작업에 특화되며 일반적으로 CMM 캘리브레이션에서 잘 다루어지지 않습니다. GR&R 연구를 수행한다면, 재현성을 다른 조작자 연구에서 다른 프로브 팁 캘리브레이션 연구로 변경할 수 있습니다.

온도 보상

오늘날 많은 CMM은 내장 온도 보상 시스템을 갖추고 있습니다. 이 템프 컴프 시스템은 CMM이나 측정된 부품이 표준 기준 온도 20°C(68°F)가 아닐 때 관련된 큰 열적 오차를 보정하고 교정하는 놀라운 일을 할 수 있습니다. 하지만 템프 컴프 시스템이 올바르게 사용되지 않으면 극도로 큰 오차를 유입시킬 수 있습니다.

CMM 조작자가 공작물 센서를 무시하거나 공작물 열팽창 계수를 0으로 설정해 시스템을 사용하지 않기로 결정한 상황을 고려해 보세요. 조작자는 전통적으로 좋은 측정 관행인 열적 '소킹 아웃(soaking out)'으로 측정된 부품을 측정 장비에서 같은 온도로 맞춰 열적 오차를 교정할 필요 없게 하려 할 수 있습니다. 이 접근법은 템프 컴프 없는 전통적 측정 장비에서 수십 년간 작동했지만, 조작자는 템프 컴프 시스템이 여전히 CMM만, 오직 CMM만 20°C로 보정하려 적극 작동 중이며 공작물은 보정되지 않고 있음을 모를 수 있습니다. 공작물 센서 사용을 무시함으로써 온도 차이가 생겨 상당히 크고 알려지지 않은 오차가 발생할 수 있습니다.

템프 컴프 기능이 있는 CMM에서는 공작물 온도 센서를 측정된 부품에 부착하는 게 최선입니다. 그 접근이 편치 않다면, 온도 센서를 측정된 부품 근처, 예를 들어 부품을 고정하는 고정구에 통합해 배치할 수 있습니다. 이렇게 하면 센서가 부품과 접촉하지 않더라도 부품 온도를 비교적 정확히 측정할 수 있습니다. 공작물 온도 센서를 사용할 계획이 없다면, 시스템 전체를 꺼야 하는데, 이는 보통 CMM 제조사의 서비스 엔지니어만 할 수 있습니다.

GD&T 이슈

CMM의 측정 소프트웨어는 디지털 및 계산 측정 방법의 첫 광범위한 사용을 도입했습니다. CMM 소프트웨어에는 ASME Y14.5 같은 기하 치수 공차(GD&T) 표준의 심볼과 의미에 기반한 기능과 버튼이 있습니다. 이것이 특정 측정 방법이 '올바른가'(존재한다면)에 대한 전문가 간 많은 논쟁을 불러일으켰지만, CMM 조작자에게 더 실용적인 문제는 다른 방법이나 소프트웨어 접근이 측정 결과를 크게 바꿀 수 있다는 점입니다. 두 대의 CMM이 모두 사양 내에 작동하고 충분한 반복정밀도를 가져도, 조작자나 소프트웨어의 선택에 따라 근본적으로 다른 결과를 줄 수 있습니다.

CMM 소프트웨어 개발자들은 특정 GD&T 공차 측정의 단일 최적 접근법을 고정하고 싶어 하며, 일부 회사는 자사 측정 소프트웨어가 'ASME Y14.5를 준수한다'고 주장하기도 하지만, 그건 불행히도 불가능하고 부정확합니다. ASME Y14.5 같은 GD&T 표준은 공작물 설계 정의 규칙을 가질 뿐, 어떻게 측정할지에 대한 규칙은 없으므로, ASME Y14.5는 어떤 측정도 과거에도 미래에도 준수할 수 없는 표준입니다. 또한 모든 측정 뒤에는 목적이 있으며, 그 목적은 최적 측정 방법 결정 시 고려되어야 합니다. CMM 소프트웨어 개발자는 다양한 사용자의 니즈를 충족할 도구 배열과 고객을 안내할 애플리케이션 엔지니어를 제공해야 합니다.

한 조작자에게 최적인 측정 방법이 다른 조작자에게는 매우 다를 수 있습니다. 심지어 비슷한 부품이나 공차를 측정할 때도요. 측정 생산성, 비용, 법적 리스크 등 이슈를 적절히 균형 잡아 최적 솔루션을 찾아야 합니다. CMM 버튼이 쉽게 보이더라도 좋은 치수 측정 계획은 간과할 수 없습니다. 측정 계획은 아마도 모든 CMM 조작자가 관리해야 할 가장 큰 구현 이슈일 겁니다. 오늘날 CMM의 하드웨어와 소프트웨어 옵션은 방대하고 강력하며, 기업은 모든 구현 리스크가 관리되도록 모범 운영 관행을 개발해야 합니다. 측정 계획에 좋은 가이드는 미국 표준 ASME B89.7.2-2014 치수 측정 계획입니다.

미래의 CMM 운영은 오늘과 매우 다를 것입니다. 고급 CMM 소프트웨어는 이미 디지털 부품 모델 기반으로 측정 프로그램을 몇 초 만에 생성할 수 있습니다. 미래의 CMM 프로그래머는 특정 부품을 어떻게 측정할지 깊이 생각하지 않아도 되지만, 계측과 공차 원칙을 이해해 모범 사례와 측정 규칙을 개발하고 이를 모든 CMM 측정에 배포해야 할 것입니다. CMM 기술은 향상된 정확도, 추가 기능, 측정 시간 단축 이점으로 계속 발전할 것입니다. CMM을 비롯해 우리가 쓰는 모든 기술에서, 도구가 더 발전할수록 지원의 유형과 수준도 더 발전해야 합니다.

이전 Quality Magazine에 게재됨.