대형 산업을 위한 첨단 광학 측정: 크고, 대담하고, 빠르다

작성: Cliff Bliss, Hexagon Manufacturing Intelligence 3D 광학 센서 상업 운영 매니저

광학 측정학 세계에 발을 들이면 한 가지가 명확합니다. 이 활기찬 비즈니스 부문은 대형 부품과 고정구의 검사를 위한 휴대용 좌표 측정기(PCMM)의 새로운 설계를 지속적으로 혁신하고 있습니다. 대형 제조업체들은 여전히 항공우주, 조선, 자동차 및 기타 산업에서 발견되는 대면적에서의 현장 3D 측정을 해결하기 위한 업데이트된 광학 방법을 찾고 있습니다. 하드 게이징을 사용하는 구식 체크 고정구 대신, 상세한 표면 분석 니즈가 더 큰 데이터 세트를 제공하는 더 나은 광학 측정 도구 트렌드를 이끌고 있습니다.

새로운 카메라 기반 광학 포토그래메트리 시스템은 전통적인 광학 툴셋의 구버전들과 크게 다른 새로운 설계를 도입하고 있습니다. 이 시스템들이 열악한 산업 환경이나 원격 야외 환경에서 사용되므로, 엔지니어들은 진동이나 충격 같은 기계적 스트레스 영향에 대한 견고성과 저항성에 특별한 설계 초점을 둡니다. 연구개발 단계에서 전체 측정 볼륨에 걸친 시스템 정확도를 확인하기 위해 장기 테스트가 사용됩니다. 최신 시스템은 견고한 하우징 내에 고성능 카메라 두 대를 내장해 먼지와 진동이 있는 거친 생산 환경에서도 검사, 추적, 위치 결정을 가능하게 합니다.

새로운 설계, 빠른 투자 회수

포토그래메트리 기반 현대 광학 시스템은 다양한 구성으로 나옵니다. 최신 설계는 폐쇄된 카메라 빔 안에 두 개의 고해상도 8메가픽셀 디지털 카메라를 포함합니다. 이 통합 디지털 카메라는 측정 대상 부품이나 핸드헬드 프로빙 장치에 부착된 어떤 타입의 타겟이든 빠르게 캡처할 수 있습니다. 생성된 이미지는 자동 처리되고 3D 좌표 데이터가 실시간으로 계산됩니다. 수년간 측정학자들을 괴롭혀온 진동, 소음, 위치 변화 같은 이슈는 더 이상 문제가 아닙니다. 동적 레퍼런싱(dynamic referencing)이라는 새 기술을 제공하는 광학 시스템들이 있는데, 이는 광학 추적으로 이러한 환경 교란을 자동 감지하고 보정할 수 있게 합니다. 이 기능은 측정 세션 중 시스템이 이동하더라도 일정한 공정 안정성을 보장합니다.

더 많은 발전

기술의 바늘은 정확도 측면에서도 앞으로 나아갔습니다. 현재 시장에 최대 5미터 볼륨의 물체를 40~80마이크론 정확도 범위로 측정할 수 있는 광학 측정 시스템이 있습니다. 카메라 기반 솔루션의 새로운 능력은 여러 포인트를 동시에 캡처할 수 있고, 이를 하중 테스트와 피로 테스트 같은 실험실 설정뿐만 아니라 기타 정적·동적 애플리케이션으로 용도를 확장할 수 있습니다. 이러한 발전과 동적 레퍼런싱을 결합하면, 사용자는 이제 기하학적 조건을 정밀하게 감지하고, 최소 또는 무가동 중단으로 고활동 산업 현장에서 사용할 수 있는 툴셋을 갖게 됩니다.

빠른 작업 실현

컴포넌트를 빠르고 정확하게 정렬해본 기술자라면 그 작업의 복잡성을 이해할 것입니다. 좋은 예가 사이드 패널에 자동차 도어를 위치시키는 것입니다. 쉬운 일이 아니지만, 자동차 제조사들이 프로토타이핑 과정에서 매일 씨름하는 일입니다. 도어 한 쪽 나사를 조정하고 다른 쪽을 확인할 때마다 뒤틀립니다. 이 작업은 CAD 데이터와 핏을 기반으로 도어 정렬에 보통 최대 30분이 걸리는 길고 지루한 과정입니다. 이 시나리오는 절차 중 아무도 아무 것도 건드리지 않는다고 가정합니다.

여기에 카메라 기반 광학 추적 시스템이 등장합니다. 이 포토그래메트리 솔루션은 사진작가가 사진 촬영을 위해 장비를 세팅하는 것과 같은 방식으로 본질적으로 쉽게 설정할 수 있습니다. 단일 작업자가 카메라 바를 삼각대에 장착하면 바로 시작할 수 있습니다. 롤러를 삼각대에 부착해 현장 이동을 더 쉽게 할 수도 있습니다. 포토그래메트리 시스템은 시선 측정(라인 오브 사이트)에 최적의 위치에 배치되고, 센서는 측정 대상 물체를 향해 정렬됩니다. 전체 설정 과정은 몇 분 만에 완료됩니다. 신형 시스템은 온도 제어 센서를 탑재해 센서가 자체 열 안정성을 조절할 수 있습니다.

이제 광학 기법으로 사이드 패널에 도어를 정렬하는 작업으로 돌아가 보죠. 먼저 작업자가 간단한 타겟으로 도어에 신호를 보냅니다. 다음으로 핸드헬드 프로브로 도어의 중요 피처를 캡처해 사전 정렬 절차를 수행합니다. 같은 과정을 사이드 패널에 적용합니다. 이제 두 컴포넌트가 각자 좌표계로 캡처되었습니다.

카메라 기반 기술은 해당 컴포넌트들의 여러 포인트를 동시에 측정하고 6DoF 바디를 동적으로 추적할 수 있게 합니다. 측정 소프트웨어는 컴퓨터 화면의 시각적 편차 플래그를 사용해 정렬 프로세스 진행 상황을 실시간으로 보여줍니다. 작업자는 데이터를 사용해 나사를 돌리고 조정하고, 목표 위치에 도달했는지 확인할 수 있습니다. 간단히 말해, 편차 플래그는 컴포넌트들을 몇 분 안에 신속하게 정렬하는 지표 역할을 합니다.

열악한 환경, 문제없음

측정학자의 고전적 고려사항 중 하나는 산업 환경이 측정에 충분히 안정적인지 여부입니다. 물체나 어셈블리 크기에 따라 또 다른 우려는 측정 세션 중 메트롤로지 시스템을 이동해야 하는지입니다. 이 두 가지 지속적 이슈는 앞서 논의한 동적 레퍼런싱으로 해결되었습니다. 자동차 사이드 패널의 타겟을 레퍼런스 포인트로 사용해 포토그래메트리 시스템이 센서 이동을 보정할 수 있습니다. 같은 기술로 진동이나 기타 불안정한 환경 요인이 있는 영역에서의 물체 측정도 보정할 수 있습니다.

시선 영역이 동시에 측정되므로, 모든 샷이 직접 전역 좌표계로 변환됩니다. 작업자가 부품을 만지거나 고정구를 흔들어도 측정이 신뢰성 있게 수행됩니다. 수동 재정렬이 필요하지 않으며, 포토그래메트릭 시스템은 온라인 상태를 유지하며 일상적 작업 현장 활동이 세션 중에도 발생하는 동안 데이터를 계속 획득합니다.

새로운 대안

광학 측정 솔루션 제공업체들은 확실히 업계 주류 트렌드를 따르고 있습니다: 하드웨어의 더 쉬운 조작, 더 스마트한 소프트웨어, 더 빠른 데이터 수집. 이 특징들은 최신 카메라 기반 PCMM의 신뢰성 있고 안정적인 측정 결과와 결합되어 전통적인 게이지나 터치프로브 단독 솔루션의 대안을 제공합니다. 정밀 검사 외에도 이러한 시스템은 조립 공정을 모니터링하고 단순화하며, 즉각적 피드백으로 작업자의 위치決め와 정렬 작업을 안내할 수 있습니다. 측정 프로세스 가속화 외에도, 오늘날의 카메라 기반 광학 시스템은 많은 다른 정적·동적 애플리케이션에서 현저히 더 빠르게 작동해, 새로운 패러다임을 활용하는 이들에게 시간 절약과 비용 이점을 제공합니다.

원문은 Quality Magazine에 게재되었습니다.