다가올 ISO 230-13 표준으로 공작기계 QC 격상

공작기계 QC는 심오한 변화의 기로에 서 있습니다. 독일 아알렌의 AfM Technology 제품 매니저이자 애플리케이션 엔지니어인 슈테펜 하일러(Steffen Hailer)에 따르면, 곧 발행될 ISO 표준(ISO 230-13)은 공작기계가 캘리브레이션되어 그 프로빙 측정이 품질 부서에서 받아들여질 수 있는 프로세스를 정의할 것입니다.

이것이 공작기계가 항상 일반적인 CMM만큼 정확해짐을 의미하진 않습니다. 하지만 생산부와 QC부가 같은 언어를 쓰게 되고, 기계 측정이 QC에 사용 가능해집니다. 이는 더 나은 공정 제어와 낮은 품질 비용이라는 이점을 제공합니다.

체적 오차 보상(VEC)은 공작기계가 허용 가능한 QC를 수행하게 하는 아마도 가장 중요한 요소입니다. 하지만 여전히 최종 검사를 위해 오프라인 장비를 사용한다 해도(일반적으로 그렇듯), VEC의 최신 방법은 복잡한 부품 생산에서 높은 정확도를 보장하는 최선의 경로를 제공합니다.

예를 들어, 메릴랜드주 록빌의 Automated Precision Inc.(API) 운영 매니저 아트 키에틀린스키(Art Kietlinski)는 자사의 보상 패키지가 다축 공작기계의 체적 정확도를 4~5배 개선하며, 때로는 그 이상의 개선을 가져온다고 말했습니다. "일반적으로 캘리브레이션 전 공구 끝단 최대 체적 오차가 0.3~0.5mm인 기계를 볼 수 있습니다. 캘리브레이션 후엔 약 0.075mm 정도가 됩니다. 5축 기계에서 우리는 43가지 가능한 모든 오차를 살펴보고 개선합니다." [43가지 가능한 공작기계 편차에 대한 설명은 'Keeping Machines Honest with Advanced Calibration, Optimization,' Manufacturing Engineering, 2019년 6월 참조.]

API는 레이저 트래커와 그들이 액티브 타겟(Active Target)이라 부르는 것을 결합해 이를 수행한다고 론 힉스(Ron Hicks), 제품 관리 및 마케팅 부사장은 설명했습니다. "액티브 타겟은 스핀들에 장착된 소형 모터라이즈드 리플렉터입니다. 이는 레이저 트래커가 단일 기기 위치에서 기계의 공구 끝단 위치를 정확하게 측정할 수 있게 합니다." 이는 VEC 공정이 측정 과정에서 기계의 모든 축을 실시간으로 스핀들을 이동시키기 때문에 중요하다고 힉스는 지적했습니다. 표준 레이저 트래커 리플렉터로는 기계 체적 전반에서 빔이 여러 지점에서 끊어지기 때문에 불가능합니다. 힉스는 "기존 레이저 공정과 달리 우리 시스템은 공작기계의 주축에 정렬될 필요가 없습니다. 이는 속도와 정확도 측면에서 극적인 이점이 있습니다… 우리는 하루에 두 대 기계를 보상할 수 있었습니다."라고 덧붙였습니다.

API 시스템은 "가능한 모든 기계 포즈를 측정한다"고 키에틀린스키는 덧붙였습니다. 그래서 큰 기계 체적(예: 10m)에서는 최대 250포인트를 플로팅할 수 있습니다. 거기서 독점 소프트웨어가 각 축에 필요한 오차 보정을 계산하는 다항식 계수를 생성합니다. 키에틀린스키가 설명했듯 이는 복잡한 수학입니다. "오차들이 반드시 선형은 아닙니다. 2차 또는 3차 다항식을 풀어야 할 수도 있습니다."

캘리포니아주 팜데일의 노스롭 그루만(Northrop Grumman) 공장은 여러 성공 사례 중 하나라고 힉스는 말했습니다. 이 공장은 대형 5축 갠트리 기계를 사용해 F-35 동체 전체의 트리밍과 홀 드릴링을 수행하며, API가 매년 각 기계에 VEC를 수행합니다. 한편 키에틀린스키에 따르면 록히드 마틴(Lockheed Martin)과 이스라엘 항공우주는 수평 기계로 날개 섹션을 가공하며, API가 서비스합니다.

한계도 있습니다. 고품질 툴링, 프로토타입, 소량 생산 부품을 생산하는 미시간 회사 최근 방문은 경고음을 울립니다.

한계 이해하기

키에틀린스키는 미시간 회사가 API를 초대해 이미 21 오차 맵 기반 VEC를 거친 5축 기계에 장비를 시연하게 했다고 회고했습니다. "이게 대부분의 기계와 CMM의 표준입니다." 키에틀린스키가 설명했습니다. "이 모든 캘리브레이션은 기계가 강체라고 가정합니다. 즉, 모든 각도 오차가 그 축의 체적 전체 이동에서 동일하다는 뜻입니다. 예를 들어, X축을 체적 어디로 이동시키든 피치, 요, 롤 오차를 측정하면 동일한 각도 데이터를 얻습니다. 하지만 이 큰 기계들에선 항상 그렇진 않습니다." 이는 보통 레일이 평행하지 않기 때문이라고 그는 말했습니다. 이는 기계와 구동 시스템에 응력을 만들어 '부하 전류 상승과 기타 여러 문제'를 야기합니다.

그래서 키에틀린스키가 가장 먼저 확인한 건 레이저 트래커를 사용한 선형 축 직진도로, 1시간도 안 걸립니다. 그는 직진도와 피치, 요, 롤, 직각도 같은 다른 기하학적 오차 사이에 보통 직접적 관계가 있다고 덧붙였습니다. "직진도가 없으면 직각도조차 평가할 수 없기 때문입니다." 이 경우 최대 200~250미크론(0.010인치) 오차를 발견했습니다. API는 기계 전체 정렬을 수행했습니다. "브리지를 풀고 기계적으로 스퀘어링했습니다. 그런 다음 21 오차 보정 맵을 적용했습니다. 이 시점에서… 각도 오차가 기계 전체에서 동일해졌고, 이전 캘리브레이션 대비 10배 개선되었습니다."

이는 주로 향상된 기계적 정렬 덕분이라고 키에틀린스키는 강조했습니다. "기계가 기계적으로 더 잘 정렬될수록 캘리브레이션 결과가 더 좋습니다." 반대로 "기계적으로 정렬되지 않은 기계를 소프트웨어로 모든 걸 고치려 해선 안 됩니다."

공정 중 오차 보정

방금 논의한 한계 내에서 VEC는 기계의 기하학적 부정확성을 놀랍게 개선할 수 있습니다. 하지만 '작업 부정확성', 즉 운영 응력, 열적 불안정성, 기타 요인으로 가공 중에 발생하는 추가 오차는 어떨까요? 미츠이 세이키(Mitsui Seiki) USA 최고운영책임자 빌 말란체(Bill Malanche)는 주요 부정확성 원인으로 '로스트 모션, 열, 설계'를 꼽았습니다. "로스트 모션은 여러 측면에 관여하지만, 기하학적 정렬과 핏으로 요약할 수 있습니다." VEC가 다른 요인들을 다루면 열적 불안정성이 공정 중 오차의 주요 원인으로 부상합니다. 기계가 클수록 실제와 공칭 공구 위치 간 변이가 더 커질 수 있습니다.

이 문제를 다루는 한 접근법은 기계의 내부 프로브를 사용해 편차를 계산하고 보정하는 것입니다. 코네티컷주 윈저의 Select Machining Technologies 비즈니스 개발 매니저 더그 슐테(Doug Schulte)는 그들의 소랄루체(Soraluce) 기계가 "사전 설정된 여러 포인트에서 자격 구를 프로빙합니다. 이는 많은 헤드와 축 위치에 대해 수행됩니다. 소프트웨어는 측정된 포인트를 기계의 키네마틱 모델과 비교해 기계 지오메트리에서 공구 중심점이 맞도록 필요한 보정을 수행합니다." 소랄루체는 이 기능을 다이내믹 헤드 캘리브레이션(DHC)이라 부르며, 슐테는 이것이 5축 기계의 일반적인 기능이라고 말했습니다. [Manufacturing Engineering이 오쿠마(Okuma) 버전을 2019년 6월 기사에서 다뤘습니다.]

소랄루체 기계는 일반적으로 여러 2축 헤드를 장착하며, DHC는 전체 측정 사이클에 25~30분이 걸립니다. 이는 VEC처럼 주기적 사전 가공 보정을 위해 설계됐습니다. 하지만 소랄루체에는 가능한 공정 중 오차를 겨냥한 아큐라 헤드(Accura Heads)라는 추가 기능이 있으며, 1~2분밖에 걸리지 않습니다. 이 옵션은 같은 프로브와 측정 구를 사용하지만 가공 프로그램 내부에서 실행된다고 슐테는 설명했습니다.

"부품의 특정 각도에 있는 피처를 다뤄야 하고 그 각도가 매우 중요하다면, 아큐라 헤드 루틴을 사용해 해당 오리엔테이션의 각도와 공구 끝단 위치를 검증할 수 있습니다. 그런 다음 그 한 공구에 대한 오프셋을 만듭니다. 해당 작업을 실행하기 직전에 그 프로브 사이클을 수행합니다."

슐테는 또한 특정 기계 설계에서 더 타이트한 공차를 위해 사용자가 절삭할 영역 근처에 구를 장착해야 한다고 언급했습니다. 기계 크기에 따라 다릅니다. "소랄루체는 종방향 이동 60미터 넘는 기계를 만들었습니다."라고 그는 덧붙였습니다. 그렇게 멀리서 외부 영향이 실제와 공칭 포지셔닝 간 편차를 일으킬 수 있음을 쉽게 상상할 수 있습니다.

가공/QC 핸드셰이크

'보상된 기계'를 전제로, 작업자는 공작기계 프로브를 사용해 QC 기능을 수행할 가능성을 고려할 수 있습니다. 새로운 ISO 230-13 표준이 요구사항을 정의할 것이며, CMM 표준인 ISO 10360을 참조해 그렇게 할 것입니다. CMM을 판단하는 핵심 사양은 최대 허용 오차(MPE) 값입니다. 승인 테스트는 7개 방향(4개 체대각선, X, Y, Z 각각 1개)을 스텝 게이지나 레이저+측정 구 조합으로 측정합니다. 테스트를 통과하려면 최대 편차(E0)가 MPE보다 크지 않아야 합니다.

하일러가 설명했듯, 새 ISO 표준은 기계 도구에 대해서도 승인 테스트 프로세스와 필요한 값을 CMM만큼 명확히 정의하지만, 이는 기계 제작자에게 새로운 개념입니다. "현재 어떤 공작기계 제작자도 자신의 MPE 크기를 모릅니다. 그런 값을 결정하는 프로세스를 배우고, 그게 무엇인지 알아내야 합니다. 이건 우리가 OEM에 제공하는 서비스 중 하나입니다." 한 제작자가 특정 기계에 대한 이 값을 결정하고—현장에서 검증되듯, CMM 설치 때처럼—사용자는 부품을 기계에서 최종 검사하고, 절대 CMM에 올리지 않은 채 측정 정확도를 문서화한 리포트와 함께 고객에게 납품할 수 있습니다.

기계 도구의 MPE가 최종 사용자에게 허용 가능한지는 별개 문제입니다. 하지만 더 높은 정밀도 기계는 최소한 일부 애플리케이션에 대해 만족스러운 QC를 충족할 것 같습니다. 이는 특히 대형 부품에 해당한다고 미츠이 세이키의 연삭 제품 매니저 베아트 리스(Béat Ries)는 관찰했습니다. "대형 CMM에 많은 돈을 씁니다, 특히 초고정밀 원할 땐. 숫자가 천문학적입니다. 경제적 솔루션을 제공할 수 있는 곳은 없는 것 같습니다."

리스는 더 말했습니다. CMM이나 공작기계의 MPE만 아는 건 항공우주나 자동차 표준을 충족시키기엔 부족합니다. 왜냐하면 "각 측정이나 부품 검증 옆에 불확도 값이 필요하기 때문입니다." 그래서 많은 사람들이 MPE만 기계의 '정확도'로 생각하지만, 그 수치는 실제 세계에서 발생하는 측정 변동과 추가 부정확성을 포착하지 못합니다. 예를 들어 리스는 설명했습니다. "작업장의 온도 변동은 다른 측정값을 만듭니다. 그래서 CMM이 1.9 + L/250 마이크론 MPE를 가지면 계산된 불확도는 미터당 3마이크론일 수 있습니다. 1미터 측정 시 MPE 값은 5.9마이크론 내 정확도를 시사하지만, 불확도 값을 더하면 실제로는 플러스마이너스 8.9마이크론 내에서 측정하고 있는 것입니다."

마이크론 쪼개기

측정을 극도로 진지하게 받아들이는 한 업체가 바로 코네티컷주 햄든의 Precision Grinding Solutions(PGS)입니다. 소유주 커트 리드(Curt Reed)는 그들이 QC를 확고히 파악하는 게 필수적이라고 여기며, 여기엔 불확도 측정이 포함됩니다. 왜냐하면 그들은 프랫 앤 휘트니(Pratt & Whitney) 같은 대형 OEM과 1, 2차 항공우주 공급업체용 회전 제트 엔진 부품을 연삭하기 때문입니다. PGS는 여러 프랫 위치의 게이지 캘리브레이션 계약도 맺고 있습니다.

PGS는 자이스(Zeiss) PRISMO 울트라 CMM을 보유하고 있으며, 리드는 이를 '레퍼런스 클래스' 기계라 부릅니다. 이 CMM은 E0 0.5 + L/500 μm을 자랑하며, PGS는 '구식 방식 중 하나'로 불확도 예산을 결정해 왔습니다. "알려진 아티팩트, 예를 들어 우리가 캘리브레이션하는 프랫 게이지 중 하나를 가져다가 중요 피처를 50번 정도 측정합니다. 그런 다음 이 데이터 분포를 검토하고, 방 온도 변화 같은 요소를 고려해 오래된 공식에 넣고 불확도 수치를 도출합니다."

이제 PGS는 측정 불확도를 더 잘 파악하기 위한 새로운 방법, 버추얼 CMM(VCMM)을 구현 중입니다. 리드는 VCMM이 자이스 캘립소(Calypso) 실행 소프트웨어 패키지의 플러그인 모듈로 "리포트에 모든 단일 측정의 불확도를 보여주는 또 다른 컬럼을 삽입할 수 있게 한다"고 설명했습니다. 그 이상으로, 레이저 캘리브레이션이 설명하지 못하는 다른 모든 오차도 포착한다고 리드는 덧붙였습니다.

PGS는 이 작업을 위해 AfM과 협력해 필요한 데이터를 수집 중이며, 리드는 이 노력이 온도 변동과 진동 추적을 넘어선다고 말했습니다. "예를 들어, 길고 가는 축의 긴 스타일러스를 쓰는지, 짧고 뚱뚱한 걸 쓰는지 고려합니다. 기계 벤딩 시그니처는 어떤가? 기계를 측정할 때 실제 지오메트리, 스케일, 가이드웨이는 어떤가… 그게 다 어떻습니까?" AfM은 다양한 볼과 스텝을 포함하는 아티팩트 세트로 일련의 특수 측정을 수행해 이 모두를 결정합니다. 그런 다음 오차 파일이 백그라운드에서 실행돼 불확도를 결정합니다.

요약하면 리드는 "VCMM은 전체 시스템과 실험실의 불확도를 검토하는 훨씬 더 현대적이고 포괄적인 방식입니다. 단일 아티팩트 기반이 아닙니다. AfM이 수행하는 모든 측정을 통해 자격을 갖추고, CMM의 전체 측정 체적을 자격 부여합니다, 단지 게이지를 테스트한 한 지역만 아니라."라고 말했습니다.

완성되면 새로운 리포트는 품질 그림을 더 나쁘게 보이게 할 거라고 리드는 논평했습니다. "더 잘하기 때문입니다, 피처별로. 이 기능을 켜면 모든 프로그램에서 실행되는 모든 단일 피처의 불확도를 볼 수 있습니다. '마이크론 단위'였던 측정에 불확도를 더하면 ربما 1.15마이크론이 될 수 있습니다. 하지만 전체 시스템의 불확도에 대한 진실하고 실제적인 검토를 제공합니다."

리드 시스템은 이미 훌륭합니다. PGS는 최고급 CMM을 보유하고 실험실 온도를 화씨 1/3도 이내로 안정적으로 유지합니다. 하지만 불확도를 제한하기 위해 다른 투자도 했습니다: "AfM 소프트웨어와 측정 아티팩트를 사서 기계 정확도를 더 잘 제어했습니다. 자이스 서비스에서 쓰는 것과 동일한 700mm 스텝 에지도 샀습니다. 우리의 의도는 기계가 항상 어디에 있는지 아는 것입니다."

PGS는 더 이상 OEM의 연간 캘리브레이션에만 의존하지 않습니다. 그건 단지 시간의 스냅샷만 보여주기 때문입니다. 리드는 그 방문이 상당한 비용이 들고 여전히 기계가 1년 내내 어떻게 수행되는지 의문을 남긴다고 말했습니다. "OEM이 1년 후 돌아와 'as-found' 캘리브레이션이 스펙 밖이면, 그 기계로 수용해온 모든 제품이 의문시됩니다. 우리는 더 이상 그 위험을 감수하지 않습니다. 우리는 CMM을 매주, 심지어 매일 검사하려 합니다."

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