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구조해석이란?

구조해석이란 해석 대상 구조물에 하중이 가해짐에 따라 변화하는 물리량을 계산하고, 그 계산 결과를 바탕으로 평가, 분석하는 일련의 과정을 말합니다.

계산되는 물리량에는 변형량, 내력(응력) 열, 진동수 등이 있습니다. 구조해석을 하는 목적은 실제로 만들고자 하는 구조물 등을 만들기 전에 결과를 예측하여 실패할 위험을 줄이는 것입니다.

또한, 더 나은 구조물을 만들기 위한 힌트를 얻을 수 있습니다. 또한, 쉽게 실험할 수 없는 대규모 구조물에 대해서도 구조해석을 통해 결과를 예측할 수 있습니다.

구조해석의 사용 용도

구조해석이 많이 사용되는 분야로는 자동차 개발 및 생산, 건축 및 토목 분야, 금속 가공의 생산 검토, 고무 제품 개발 등이 있습니다.

1. 자동차

현재 자동차 개발에서 구조해석은 필수 불가결한 기술입니다. 운동성능 향상, 안전성 확보, 에너지 절약, 비용 절약를 위해 많은 부품에 대해 구조해석이 활용되고 있습니다.

2. 건축 및 토목 분야

건축 및 토목 분야에서 구조해석은 다양한 건축물의 강도, 내진, 내풍 성능, 내화 설계에 활용되고 있습니다. 건축에서는 기계 부품과 같은 시제품 제작이 거의 불가능합니다. 구조해석을 효과적으로 활용해야 합니다.

3. 금속 가공

금속 가공에는 소성가공과 프레스 가공이 있습니다. 과거에는 숙련된 경험에 의해 난이도가 높은 제품을 만들어 왔다. 현재는 구조해석을 효과적으로 활용함으로써 기술 전승과 함께 보다 고도화된 제품 제작이 가능해졌습니다.

4. 고무 제품

고무 제품은 하중을 받았을 때 변형이 크고, 변형 시 다른 제품과의 접촉을 동반합니다. 구조해석 중에서도 비선형 해석이 많이 사용됩니다.

구조해석의 원리

구조해석 작업은 해석 대상 도면 작성, 메쉬 절단, 모델링, 물리량 입력, 해석, 출력의 순서로 진행됩니다.

1. 측정 대상의 작도

CAD 등의 소프트웨어를 이용하여 해석 대상을 작도합니다. 주로 3D CAD를 사용합니다. 사용 중인 CAD가 있다면 CAD의 파일 형식이 사용하는 구조해석 소프트웨어와 호환되는지 알아보는 것이 좋습니다.

2. 메쉬를 자른다.

해석 대상을 메쉬라는 격자 형태로 분해합니다. 이 분해의 정확도에 따라 계산의 정확도와 속도에 영향을 미치므로 주의가 필요합니다.

3. 모델링

해석 대상을 모델링합니다. 메쉬별 경계면을 스프링으로 간주하는 것이 일반적입니다.

4. 물리량 입력

해석 대상의 영률, 비열, 팽창계수, 밀도 등을 입력합니다. 이 물리량은 사전에 실험 등을 통해 측정해 둡니다.

5. 해석

해석에는 몇 가지 종류가 있는데, f=kx라는 훅의 법칙을 기반으로 한 정적 해석, F=ma라는 뉴턴의 운동방정식을 기반으로 한 동적 해석이 있습니다.

동해석에는 시간의 개념이 존재하며, 비교적 쉬운 음해법과 복잡한 연립 1차 방정식을 푸는 양해법으로 나눌 수 있습니다.

6. 출력

대부분의 구조해석 소프트웨어는 해석 결과를 시각화할 수 있습니다. 시각화를 통해 해석 대상의 변위나 힘이 집중적으로 작용하는 곳을 발견할 수 있습니다.

구조해석의 종류

구조해석에는 다양한 종류가 있습니다. 대표적인 것은 다음과 같습니다.

1. 정적 해석

정적 해석은 구조물에 힘이 작용했을 때의 변형량과 응력을 계산합니다. 부품의 사용 용도에 적합한 형상을 만들기 위한 힌트를 얻을 수 있습니다.

2. 고유치 해석

고유치 해석은 물체의 고유치를 계산합니다. 고유치는 공진이 발생하는 주파수로, 고유치가 높으면 공진이 발생하기 어렵다고 판단할 수 있습니다.

정밀 장비의 가대에서는 진동이 기능에 영향을 미치기 때문에 고유치 해석을 통해 고유치가 최대한 높아지도록 형상을 결정합니다.

3. 열전달 해석

열전달 해석은 물체의 열 분포가 어떻게 되는지 계산합니다. 예를 들어, 히터 플레이트의 온도 분포를 계산하여 온도 균일성을 예측할 수 있기 때문에 부품 제작 없이도 최적 설계를 할 수 있습니다.

구조해석의 기타 정보

구조해석의 주의점

구조 해석은 전용 소프트웨어를 사용하지만, 실제 상태에 가까운 해석 결과를 얻기 위해서는 몇 가지 주의해야 할 사항이 있습니다.

1. 3D 모델 제작 방법
실제 형상과 똑같이 만들면 메쉬 처리에서 오류가 발생하거나 해석에 너무 많은 시간이 소요되어 해석 결과가 제대로 나오지 않을 수 있습니다. 모델은 무엇을 해석할 것인지에 따라 세밀하게 작성할 부분과 생략할 부분을 구분해야 합니다.

2. 해석 조건
조건에는 여러 가지가 있는데, 이 설정이 제대로 이루어지지 않으면 실제 값과 다른 해석 결과가 나올 수 있습니다. 해석 소프트웨어가 아무리 우수해도 모델이나 조건 설정이 잘못되면 현실에 가까운 결과를 얻을 수 없습니다.

해석 소프트웨어 회사의 세미나 등에 참석하여 소프트웨어에 맞는 방법을 사용하는 것이 중요합니다. 또한 실험이 가능한 경우에는 구조해석 결과와 실험결과를 맞추는 상관관계 분석(상관분석)도 중요한 기술이 됩니다.

푸쉬풀 게이지란?

푸쉬풀 게이지는 측정 대상에 작용하는 압축력이나 장력을 측정하는 기기입니다.

핸디형이 주류를 이루며, 전원이 필요 없는 아날로그식 푸쉬풀 게이지와 정확한 수치를 읽을 수 있는 디지털식 푸쉬풀 게이지가 있습니다. 디지털 타입은 컴퓨터 등에 연결하여 측정하고 데이터 기록 및 분석에 사용할 수 있습니다.

측정 방법은 손에 들고 측정 대상에 걸거나 눌러서 측정하는 방법과 푸쉬풀 게이지용 스탠드에 장착하여 측정하는 방법 두 가지가 있습니다.

푸쉬풀 게이지의 사용 용도

푸쉬풀 게이지의 사용 용도는 산업용 기계, 혼상 용기, 식품, 의류, 의약품, 스포츠 용품 등 매우 다양합니다. 제품의 품질을 보증하거나 측정 대상의 물성을 조사할 때 사용됩니다.

푸쉬풀 게이지의 구체적인 사용 용도는 다음과 같습니다.

• 의류 단추의 인장 강도 측정
• 빵이나 스펀지 케이크의 탄성 측정
• 의료용 핀셋의 꼬집는 힘 측정
• 압축 강도나 인장 강도를 측정하는 시험

푸쉬풀 게이지로 측정할 수 있는 수치는 다음과 같습니다.

• 압축력
• 인장력
• 박리력
• 인발력
• 편향력
• 접착력
• 마찰력 (마찰계수) 등

사용 용도에 따라 정격용량, 해당 물리량, 내구연한을 고려하여 푸쉬풀 게이지를 선정해야 합니다.

푸쉬풀 게이지의 원리

푸쉬풀 게이지는 아날로그식, 디지털식, 스탠드 사용의 세 가지로 나뉩니다.

1. 아날로그식 힘 게이지

아날로그식 푸쉬풀 게이지는 측정용 스프링의 변위를 기계적으로 지시하는 방식입니다. 측정 대상에 걸 수 있는 랙 또는 누르는 공구가 함께 제공됩니다. 전원이 필요 없고 간편하게 힘을 측정할 수 있는 것이 특징입니다.

2. 디지털식 푸쉬풀 게이지

디지털식 푸쉬풀 게이지는 측정용 로드셀 및 측정 대상에 부착하기 위한 공구 등으로 구성됩니다. 측정 대상이 힘에 의해 변형되고, 변형에 따른 로드셀의 전기저항 등의 변화를 측정하여 힘을 감지하는 방식입니다.

컴퓨터에 데이터를 저장하고 분석할 수 있는 기종도 있습니다. 측정하는 대상물에 따라 로드셀이 본체와 분리된 타입도 사용됩니다.

3. 스탠드 사용 푸쉬풀 게이지

푸쉬풀 게이지를 장착할 수 있는 스탠드를 사용하여 정확한 탄성이나 파괴 시 응력을 측정하는 방식입니다. 스탠드에는 왕복 시험이 가능한 기종도 있으며, 피로 강도를 측정할 수도 있습니다.

푸쉬풀 게이지의 기타 정보

1. 푸쉬풀 게이지의 단위

푸쉬풀 게이지는 측정값을 ‘힘’의 SI 단위인 ‘N’ 뉴턴으로 표시합니다. 힘 게이지의 용량에 따라 ‘mN’, ‘kN’을 사용하기도 합니다.

SI 단위 시행 이전에는 ‘kgf’가 사용되었으나, 계량법 개정으로 1999년 10월 이후 일본 국내에서는 사용할 수 없게 되었습니다.

2. 푸쉬풀 게이지의 가격

아날로그 타입의 푸쉬풀 게이지는 저렴하고 파손이 적으며 전원이 필요 없다는 특징이 있으며, 대략 30만원대부터 있습니다.　디지털 출력을 가진 기종은 소프트웨어로 PC와 연결이 가능합니다. 일본산으로 약 60만원 대부터 시작하며, 고기능 제품은 100만원이 넘는 제품도 있습니다.

약 1kN까지의 용량을 가진 디지털 포스 게이지의 경우, 기종에 따른 가격 차이는 주로 기능의 차이일 뿐, 용량의 차이로 인한 차이는 크지 않습니다. 최근에는 저렴한 외국산 제품도 인터넷 판매 등으로 유통되고 있는 실정입니다.

어태치먼트의 가격은 기종 형태에 따라 다르지만, 생산량이 적어서인지 외형적인 인상보다 비싸게 느껴지는 경우가 많다고 할 수 있습니다. 스탠드는 수동식 50만원대부터, 전동식 200만원대부터 있습니다.

3. 푸쉬풀 게이지 어태치먼트

푸쉬풀 게이지에는 표준 부속품으로 몇 가지 측정용 어태치먼트가 포함되어 있습니다.　인장 측정용 후크 1종, 푸시 테스트용으로 모양이 다른 푸시 지그 몇 개, 작용점을 연장할 수 있는 연장봉 등이 포함되어 있습니다.

제품 부속 어태치먼트는 측정 용도에 맞지 않는 경우가 많습니다. 특히 인장 측정에서는 측정물을 잡을 수 없기 때문에 측정 용도에 맞는 척, 바이스, 그립 등의 잡기구를 옵션으로 제공하고 있습니다. 선택 시에는 측정물의 형상, 표면의 미끄러운 정도, 내하중 등을 고려해야 합니다.　

압축력 측정에서는 평면이나 구형 등 형상의 차이, 압축면의 크기, 금속이나 수지 등 경도의 차이 등에 따라 어태치먼트를 선택합니다. 또한, 박리 시험, 마찰 측정, 3점 굽힘 시험 등의 전용 어태치먼트가 준비되어 있습니다.

고전압 커넥터란

고전압용 커넥터의 사양은 3가지로 분류됩니다.

• 동축 고전압용 커넥터(동축, 삼동축)
• 다극형 고전압용 커넥터(다극형)
• 고전압 + 저전압용 혼합 커넥터(혼합형)

고전압용 커넥터의 경우, 접점 보호 측면에서 A형과 Z형의 차이에 유의할 필요가 있습니다.

• 타입 A: 리셉터클 측에서 전원이 공급됩니다.
• 타입 Z: 플러그 쪽에서 전원이 공급됩니다.

일반적으로 암접점은 절연체 안쪽에 보호되어 위치하지만, 고전압 타입의 경우 수접점이 안쪽에 보호되어 있으며, 이 경우 A타입 플러그의 접점은 암타입이 됩니다.

고전압 커넥터의 사용 용도

예를 들어, 컴퓨터 내의 프린트 기판 간 또는 이들과 모듈 장비 간을 연결하기 위해서는 회로 간을 직접 연결하기 위해 장비의 연결과 분리 작업이 커넥터를 통해 쉽고 빠르게 이루어질 수 있게 됩니다.

따라서 대량 생산, 여러 생산 거점에서의 기능 단위별 분업 생산이나 시스템 장치의 조립, 유지보수가 주변기기나 네트워크와의 인터페이스와 마찬가지로 쉽게 실현될 수 있게 됩니다.

고전압 커넥터는 전압 부하가 큰 의료 기기, 산업 기기, 항공/우주용 기기 등에 사용되고 있습니다.

고전압 커넥터의 원리

커넥터는 일반적으로 2피스 구조로 되어 있으며, 한쪽은 플러그, 다른 쪽은 리셉터클이라고 하며, 이 두 개가 한 쌍이 되어 커넥터의 연결과 분리 기능을 수행합니다.

또한, 플러그와 리셉터클은 모두 전기를 통하게 하는 접점, 접점을 고정하고 접점 간 절연 기능을 하는 플라스틱으로 만들어진 인슐레이터(절연체), 이를 보호하기 위한 쉘(Shell)이라는 외피 부품으로 구성되어 있습니다.

커넥터의 핵심인 접점은 모두 전도성이 높은 구리 합금으로 만들어져 있으며, 보통 플러그 쪽에는 스프링 특성이 없는 핀 접점, 리셉터클 쪽에는 스프링 특성이 있는 소켓 접점이 배치되어 핀 접점을 받도록 되어 있습니다.

커넥터의 기본 기능은 전기적으로는 고정 접점으로서의 접촉 및 연결 기능, 기계적으로는 결합 및 분리 기능으로 구성됩니다. 신호의 연결을 전기적으로 연결하기 때문에 도체끼리 비가역적으로 연결되는 볼트&너트를 이용한 나사 체결 등의 방식과 달리 작업성을 개선하고자 할 때 사용됩니다.

고전압 동축 커넥터

고전압 동축 커넥터는 고전압 커넥터 중 하나로, 절연 피복이 두꺼워져 내압을 강화한 고전압 대응 동축 케이블 타입 전선을 사용한 배선 연결용 커넥터입니다. 예를 들어, (주)히사와기연의 고정밀 검출기에 사용되는 고전압 동축 커넥터는 미국 연구기관용으로 제작한 것으로, 고정밀 검출기에 사용하는 특주 고전압 동축 커넥터가 있으며, 고전압 배선 시스템에서 높은 신뢰성을 확보하기 위해 필요한 케이블 연결이 이 고전압 동축 커넥터 입니다.

동축 케이블은 통신에 사용되는 피복전선의 일종으로 그 단면은 동심원을 여러 겹으로 겹쳐놓은 모양으로 주로 고주파 신호 전송용 케이블로 무선통신기기, 방송기기, 네트워크기기, 전자계측기 등에 사용되고 있으며, 이를 고전압에 대응한 것이 고전압 동축 커넥터가 됩니다.

TOF 카메라란?

TOF(Time-of-flight) 카메라는 빛의 비행시간을 측정하여 물체와의 거리를 시각화하는 카메라입니다.

대상물과의 거리 측정에 사용되는 것은 주로 적외선입니다. 조사된 적외선이 물체에서 되돌아오는 시간을 측정하고, 이 시간으로 거리를 계산합니다.

일반 카메라로는 대상물의 2차원적인 정보만 얻을 수 있는 반면, TOF 카메라로 촬영한 이미지에는 깊이 정보가 포함되어 있어 3차원적인 정보를 얻을 수 있습니다. 카메라처럼 영상으로 정보를 얻는 방법을 ‘3D-TOF’, 단순히 거리만 알 수 있는 방법을 ‘1D-TOF’라고 합니다.

TOF 카메라의 사용 용도

TOF 카메라는 아래와 같이 산업, 의료 등 다양한 분야에서 이용되고 있습니다.

1. 인물 및 형상 인식

TOF 카메라는 인물 및 형상 인식으로 활용되고 있습니다. 병원 내 환자의 움직임을 TOF 카메라로 인식하여 환자를 지켜볼 때 유용하게 쓰입니다. 또한, 매장에 설치하여 사람의 움직임을 추적하고 인원을 계수할 때에도 활용할 수 있습니다.

이 밖에도 TOF 카메라는 자동차의 자율주행에도 사용됩니다. 자동차가 보행자를 충돌하지 않도록 TOF 카메라로 보행자를 감지할 수 있습니다.

2. 물체 감지 및 안전 감시

공장 등 생산 현장에서는 물체 감지 및 안전 감시 목적으로 TOF 카메라가 활용되고 있습니다. 산업용 로봇이나 운반 장비에 장착하여 물체의 침입을 감지할 수 있습니다.

또한, 프레스기나 로봇 등 위험요소에 TOF 카메라를 설치하면 접근하는 것이 운반 중인 물체인지 사람인지 구분할 수 있습니다. 농작물 관측으로 활용할 경우, 크기와 모양을 측정하여 수확 시기를 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.

3. 스마트폰에 활용

TOF 방식 거리 이미지 센서의 스마트폰 활용이 진행되고 있는데, TOF 방식 거리 이미지 센서를 스마트폰에 탑재하면 플레이어의 신체 동작을 정밀하게 포착해 게임 내 반영할 수 있으며, VR이나 AR에서의 활용도 기대되고 있습니다.

또한, 전자상거래 사이트에서 물건을 사고 팔 때, 물건의 치수를 즉시 측정해 표시할 수 있게 됩니다. 이외에도 TOF 카메라는 스마트폰 로그인 시 얼굴 인증 기능에도 활용되고 있습니다.

얼굴의 형태를 TOF 카메라로 식별하여 얼굴 인증 기능을 구현합니다. 일반 카메라와 달리 소유자의 얼굴 사진을 사용해도 단순한 평면으로 인식하기 때문에 TOF 카메라를 탑재하면 명의도용을 방지할 수 있습니다.

TOF 카메라의 원리

TOF 카메라 카메라는 주로 렌즈, 빛을 감지하는 검출기와 이에 동기화되는 광원으로 구성됩니다. 탑재된 광원에서 조사된 기준광을 대상물에서 반사시켜 검출기에 도달하기까지의 시간(비행시간, 영문: Time of Flight)을 측정합니다.

빛의 속도는 약 30만 km/s로 불변의 상수입니다. 따라서 대상 입자의 거리는 양자의 곱의 절반임을 알 수 있습니다.

TOF 카메라의 종류

비행시간 측정 방법은 크게 직접 TOF법과 간접 TOF법 두 가지로 나뉩니다.

1. 직접 TOF법

직접 TOF법은 기준광으로 펄스광을 조사하여 반사광의 펄스를 검출하는 방식입니다. 조사에서 검출까지의 시간을 직접 측정하여 비행시간을 측정하는 방법입니다.

기준광의 조사와 동시에 측정용 회로 내부에서 알려진 폭과 주기를 가진 측정용 펄스 전류를 발생시킵니다. 측정용 펄스 전류와 반사광에 의해 검출기에서 펄스 전류가 발생하는 시간과의 차이로 비행시간을 측정할 수 있습니다.

2. 간접 TOF법

간접 TOF법은 기준광과의 위상차로부터 거리를 구하는 방법입니다. 광원에서 나오는 연속파의 진폭을 변조하여 주파수가 알려진 정현파를 생성합니다.

이를 기준광으로 대상물에 조사하여 대상물에서 반사되는 빛의 위상차를 검출합니다. 위상 편차는 정현파의 주파수를 이용하여 시간차로 변환할 수 있습니다. 이를 통해 비행 시간을 계산할 수 있습니다.

구체적으로는 기준광의 1주기에 대해 반사광의 강도를 4번 측정합니다. 이를 이산 푸리에 변환하여 기준광과의 위상차를 구할 수 있습니다.

TOF 카메라의 기타 정보

TOF 카메라의 장점

TOF 방식의 장점으로는 소형이고, CPU 부하가 적으며, 어두운 곳에서도 사용할 수 있다는 점을 들 수 있습니다. 각각의 장점은 다음과 같습니다.

1. 어두운 곳에서도 사용 가능하다.
TOF 카메라는 가시광선이 아닌 적외선을 이용하기 때문에 어두운 곳에서도 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 주변에 광원이 전혀 없는 상황에서도 사물의 입체적인 정보를 얻을 수 있습니다.

2. 소형으로 CPU 부하가 적다.
TOF 카메라는 단순한 장치 구성을 가지고 있기 때문에 구조화된 조명 방식에 비해 소형화가 가능합니다. 또한, CPU 부하가 적다는 점도 매력적입니다.

제조 현장에서 사용되는 생산 장비에 TOF 방식의 센서를 탑재할 경우, CPU 부하가 적으면 지연이 발생할 위험을 줄일 수 있어 안정적인 생산 시스템을 구축할 수 있습니다.

3. 저렴한 제품도 있다.
TOF 방식의 카메라는 고가의 제품만 있는 것이 아니라, 사양의 차이에 따라 저렴한 제품도 있습니다. 사양에 따라 TOF 카메라의 가격은 크게 차이가 나기 때문에 구매 전 필요한 사양과 비교하여 검토하는 것이 좋습니다.

라이다 센서란?

라이다 센서는 레이저 빛을 조사하여 반사광과 산란광을 감지하여 대상물까지의 거리와 형상을 측정하는 장비의 총칭입니다.

라이다 센서 중 LiDAR (라이다)는 ‘Light Detection and Ranging’의 머리글자를 딴 명칭으로 ‘라이더’라고 읽습니다. 특히 빛 탐지에서 비행시간을 측정하는 경우가 많아 TOF(Time-of-flight) 센서라고도 합니다.

또한, 고도화된 측정에는 도플러 효과를 활용한 주파수 연속 변조 방식도 사용되는데, 이를 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식이라고 합니다. 이렇게 멀리 떨어진 곳에서 거리 등을 측정하는 기술을 원격센싱 기술이라고 합니다.

라이다 센서의 사용 용도

현재 라이다 센서의 대표적인 사용 용도는 자동차의 자율주행 기술, 스마트폰의 영상 감지 기술 등이지만, 원래는 항공기의 레이더나 기상관측에 오랫동안 사용되어 온 오래된 기술입니다.

최근에는 ADAS와 함께 자동차에서 장애물 및 주변 차량 감지 등 자율주행 기술을 구현하기 위한 필수 요소로 소형화, 저비용화 등 적극적인 개발이 이루어지고 있습니다.

또한, 공장에서는 영상처리 장치와 결합하여 스마트폰 카메라 등과 함께 사진 촬영 시 효과적으로 초점을 흐리게 하는 어시스트나 VR(가상현실)-AR(증강현실)을 위한 기술로도 활용되기 시작한 상황입니다. 또한, 애플의 아이폰12Pro와 아이폰12ProMax에 사용된 것은 라이다 센서의 인지도를 비약적으로 높인 사건이었습니다.

라이다 센서의 원리

라이다 센서의 원리는 광원인 레이저와 수광소자로 구성되며, 조사된 레이저 광을 어떤 물리적인 방법으로 수광하여 대상물까지의 거리를 측정하는 데 있습니다. 예를 들어, 현재 가장 널리 사용되고 있는 TOF 방식은 대상물에 레이저 빛을 조사하여 반사나 산란에 의해 되돌아오는 시간(비행시간: time-of-flight, TOF)을 측정하여 대상물까지의 거리를 구합니다.

레이저광을 조사하는 방법으로는 넓은 시야로 조사하는 방식과 특정 방향으로 조사하여 이를 스캔하는 스캔 방식이 있습니다.

1. 넓은 시야로 조사하는 방식

광시야로 조사하는 방식은 일반 카메라와 비슷하게 취급할 수 있어 TOF 카메라라고도 하는데, TOF 카메라는 한 번의 빛 조사로 전체 시야의 정보를 한 번에 취득할 수 있고 광학계도 매우 간단하여 장비로서는 비교적 저렴한 비용으로 사용할 수 있습니다.

다만, 센서 전체를 커버할 수 있도록 레이저 광을 넓혀야 하기 때문에 픽셀당 광자 밀도가 낮아지고, 환경광 등의 영향을 받기 쉬우며, 측정 거리가 짧다는 단점이 있습니다.

2. 스캔 방식

반면, 스캔 방식은 거울을 이용하여 레이저 빛을 스캔하는 방식입니다. 한 픽셀 단위로 스캔하는 포인트 스캔 방식과 한 줄 단위로 스캔하는 라인 스캔 방식이 있습니다. 전자는 정밀도가 높지만 측정 시간이 오래 걸리기 때문에 공간 해상도가 높을 필요가 없는 경우에는 반대 특성을 가진 라인 스캔 방식이 사용됩니다된다.

라이다 센서의 기타 정보

1. TOF 방식과 FMCW 방식의 차이점

라이다 센서의 검출 방식에는 TOF(비행시간) 방식과 FMCW(주파수 연속 변조) 방식 두 가지가 있는데, 가장 큰 차이점은 거리 검출 방식에 사용하는 물리량의 차이로 TOF 방식은 대상물에 펄스 조사된 레이저 빛이 반사되어 되돌아오는 시간량을 측정하여 거리 측정을 실시합니다. 하지만 FMCW 방식에서는 주파수를 변화시키면서 연속파를 조사했을 때, 대상물체에서 반사된 파동의 도플러 효과를 이용하여 길이를 측정할 수 있습니다.

TOF 방식이 원리적으로 더 간단하고, LiDAR 센서의 비용을 억제할 수 있습니다. 다만, 물체에 조사된 레이저 빛이 자신이 낸 것인지, 다른 사람이 낸 것인지 구분하기 어렵기 때문에 현재 자율주행 기술용 본보기가 되기 어렵고, 보다 고도화된 측정이 가능한 FMCW 방식이 유망한 것으로 평가받고 있습니다.

FMCW 방식도 측정 거리를 제한하는 코히어런스 문제, 비용 절감 등 자동운전을 위해 해결해야 할 과제가 있지만, 세계 연구기관을 중심으로 이러한 과제를 해결하기 위한 보다 고도화된 연구개발이 현재 활발히 진행되고 있는 상황입니다.

2. 라이다 센서의 카메라

라이다 센서와 카메라는 일반적으로 분리되어 있습니다. 하지만 라이다 센서와 카메라가 분리되어 있으면 라이다 센서와 카메라의 데이터를 합성할 때 미세한 시차가 발생하여 높은 정확도를 낼 수 없습니다. 그래서 카메라와 라이다 센서를 하나로 합친 타입의 센서가 등장했습니다.

이 유형의 센서는 카메라와 라이다 센서의 데이터를 결합하여 고해상도 3D 이미지 생성을 생성할 수 있습니다. 또한, 시차 및 왜곡 없이 고정밀 측정이 가능하기 때문에 차량용 센서로 활용될 것으로 기대되고 있습니다.

3. 라이다 센서 수요 예측

최근 도요타 자동차를 중심으로 자율주행 기술 연구개발이 활발해지면서 라이다 센서와 레이저 산업도 뜨겁게 달아오르고 있습니다.

시장조사기관인 야노경제연구소는 2030년까지 라이다 센서와 레이저의 시장 규모가 4,959억 엔까지 늘어날 것으로 예측하고 있습니다. 또 다른 시장조사업체 욜 개발은 2024년까지 LiDAR 센서의 시장 규모가 60억 달러까지 확대될 것이라는 예측(2019년 조사)을 발표하기도 했습니다.

선진국을 중심으로 라이다 센서에 대한 수요는 앞으로 더욱 증가할 것으로 보입니다.

힘 센서란?

힘 센서(영어: force sensor)는 힘이나 모멘트의 크기를 측정하는 센서입니다.

물리적인 힘의 양과 방향을 감지하여 인간의 촉각 감각을 재현하기 위한 목적으로 사용됩니다. 주요 용도는 로봇입니다.

힘을 X, Y, Z 3방향으로 나누어 감지하고 X, Y, Z의 각 축을 중심으로 한 모멘트도 감지하기 때문에 6축형 역감지 센서가 기본입니다.

힘센서의 사용 용도

힘 감지 센서는 산업용 로봇 등에 사용되어 기존에 사람이 직접 해야만 했던 작업을 자동화할 수 있게 해줍니다.

1. 외력 및 반력 감지

힘 센서는 힘과 모멘트를 동시에 측정할 수 있습니다. 로봇의 작업 끝에 설치하여 외력과 반력을 측정하면서 적절한 힘으로 작업할 수 있습니다.

2. 정밀 작업 자동화

힘감지 센서로 정확한 힘과 모멘트를 측정할 수 있어 로봇이 적절한 힘으로 작업할 수 있습니다. 정밀 작업의 로봇 자동화가 가능해집니다.

구체적인 작업은 단자가 부드러운 전자부품이나 커넥터 삽입, 유격이 적은 결합, 정밀한 나사 조임, 디버링, 미세한 힘으로 연마, 피킹 작업, 2족 보행 로봇의 자립 제어 등입니다.

3. 촉각 진단 및 원격 진료

힘감지 센서가 부착된 단말기를 환자 측에 배치하고, 힘감지 센서로 읽은 힘과 모멘트를 의사 측에서 읽음으로써 원격 촉각 진단이 가능합니다.

힘감지 센서의 원리

힘감지 센서는 힘에 의해 발생하는 변형량을 감지하여 힘이나 모멘트로 변환합니다.

힘감지 센서의 감지 방법 중 변형계식, 압전식, 광학식, 정전용량식 등이 대표적입니다.

1. 스트레인 게이지 힘감지 센서

스트레인 게이지식은 센서부에 가해지는 인장력, 압축력에 따라 전기저항이 변화하는 금속 저항 재료의 성질을 이용하여 힘이나 토크로 변환하는 방식입니다. 크기가 작고 정확도가 높으며, 응답성이 높아서 힘감지 센서로 많이 사용되는 방식입니다.

2. 압전식 힘센서

압전식은 수정이나 PZT(납 지르콘산 티탄산 지르코늄) 등의 압전 효과가 있는 재료를 센서부에 사용하여 힘을 측정하는 힘센서입니다. 크기가 작고 응답성이 높으며, 비용도 비교적 저렴합니다. 그러나 정확도는 스트레인 게이지식이나 정전용량식에는 미치지 못합니다.

3. 정전용량식 힘센서

정전용량식 구조는 센서부를 금속 소재의 전극이 서로 마주보고 배치된 콘덴서 형태로 만든 것입니다. 힘에 의해 도체 사이에 변형이 발생하여 거리가 변함에 따른 정전 용량의 변화를 감지하는 방식입니다.

정전용량식은 구성이 비교적 간단하고 비용이 저렴한 것이 특징입니다. 전극을 필름 형태로 만들면 소형화, 박형화가 가능하다. 정확도와 응답성도 우수합니다.

4. 광학식 힘센서

광학식은 측정 대상물에 일정한 간격으로 무늬를 표시해 놓고, 힘이 가해졌을 때 발생하는 무늬의 변화를 카메라나 레이저 등의 광학 센서로 감지하여 힘의 크기를 계산하여 구하는 방식입니다.

광학식은 비접촉으로 측정할 수 있다는 것이 가장 큰 장점입니다. 반면 정확도, 응답성, 소형화, 비용은 다른 방식에 비해 떨어진다. 비접촉식 측정이 필요한 특수한 용도에만 사용됩니다.

5. HDR 힘센서

HDR(High Dynamic Range) 힘 감지 센서라고 불리는 것이 있는데, HDR 힘 감지 센서는 예를 들어 10g에서 20kg까지 넓은 동적 범위가 특징입니다.

AI와 로봇 기술에 HDR 힘감지 센서를 결합하여 미세한 힘을 조절하면서 미세한 조립 작업을 할 수 있습니다. 생산 현장에서는 로봇을 통한 조립 작업의 자동화 및 고도화가 진행되고 있습니다.

6. 정전용량식 힘센서

정전용량식 힘감지 센서의 특징은 두 개의 평행한 판의 거리 변화를 감지하여 6축 성분을 측정할 수 있다는 점입니다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하다는 장점이 있습니다.

또한, 과부하 방지 스토퍼 메커니즘이 센서 내부에 탑재된 힘 감지 센서가 있습니다. 최근에는 산업용 로봇 분야에서 많이 활용되고 있습니다. 제조업의 자동화가 진행되면서 점점 더 수요가 늘어날 것으로 예상됩니다.

힘센서 기타 정보

힘센서의 활용

힘센서를 사용한 로봇을 사람이 조작함으로써 사람과 로봇의 협동 작업을 실현할 수 있습니다. 미세한 힘의 가감이 필요한 섬세한 작업도 가능합니다.

특히 제조 현장에서는 숙련된 장인만이 할 수 있는 작업을 힘센서를 활용해 작업 자동화를 실현하고 생산성을 향상시키고 있습니다. 의료 분야의 활용 사례로는 환부의 상태를 촉각 진단을 통해 파악하는 원격 진료에 힘센서의 활용이 기대되고 있습니다.

인서킷 테스터란?

인서킷 테스터는 전자기기 내부의 전자회로 기판에 장착된 전자부품의 개별 전기적 특성을 평가하기 위한 검사 장비를 말합니다.

전자기기가 제대로 작동하기 위해서는 내부의 전자 회로 기판이 정상적으로 작동해야 합니다. 전자회로기판은 전자부품이 인쇄배선판(기판)에 올바르게 실장되고 전원이 공급되어야 동작이 가능한데, 이 전자부품이 실장된 상태의 기판을 검사하는 것이 바로 인서킷 테스터입니다.

인서킷 테스터는 기판에 실장된 개별 부품의 전기적 특성을 미세한 전력으로 검사할 수 있습니다. 기판을 손상시키지 않고 불량 부위의 위치를 파악할 수 있으며, 육안으로 발견하기 어려운 불량 부위를 확실하게 발견할 수 있습니다.

인서킷 테스터의 사용 용도

인서킷 테스터는 전자기기나 전자부품이 탑재된 전자회로기판을 취급하는 공장의 개발 및 양산라인의 검사 공정에서 널리 사용되고 있습니다. 인서킷 테스터에는 프레스형 인서킷 테스터와 플라잉 프로브 테스터가 있습니다.

프레스형 인서킷 테스터는 고속 검사가 가능하여 대량 생산 기판에 적합합니다. 또한 검사 지그에도 사용됩니다. 플라잉 프로브 테스터는 검사 지그가 필요 없어 소량 다품종 기판에 적합하며, 미세한 패턴에 대응할 수 있습니다.

구체적인 검사 항목으로는 부품을 실장하고 있는 솔더의 단락 및 개방 불량, 커패시터, 코일, 저항 등의 상수 오류로 인한 불량, 커패시터, 코일, 저항, 다이오드, 트랜지스터 등의 부품 결품 불량, IC, 커넥터의 리드 부동 불량, 포토커플러 및 디지털 트랜지스터, 제너 다이오드의 동작 확인 등에 사용됩니다.

또한 특수 검사로는 전기적으로 검사 불가능한 부품의 이미지 검사, SOP나 QFP 등의 접착(솔더) 불량 검사, 간이 기능 검사 등에도 사용할 수 있습니다.

인서킷 테스터의 원리

인서킷 테스터는 전자기판 상에서 필요한 부분에 프로브를 대고 정상 동작 시 바이어스와는 별도로 매우 미세한 전기적 신호를 인가하여 부품의 상수 및 기능, 그리고 내부 비아를 포함한 신호라인의 개방 및 단락 등의 결함을 추출합니다.

각종 검사를 원활하게 수행하기 위해 필요한 내부 구성을 가지고 있으며, 일반적으로 전기적 검사를 수행하기 위한 계측부와 계측라인을 포착하고 인식하기 위한 스캐너부, 그리고 계측라인을 피검사 기판의 특정 위치에 통전 접촉시키기 위한 프로빙부, 그리고 이를 제어하기 위한 제어부로 구성되어 있습니다. 제어부로 구성되어 있습니다.

프로빙부에 측정 신호를 인가했을 때의 전압 및 전류의 값으로부터 전자부품의 상수를 측정합니다. 전기회로는 일반적으로 네트워크를 형성하고 있기 때문에 소자별 상수를 측정하기 어렵습니다. 하지만 인서킷 테스터는 검사 정밀도를 높이기 위해 다양한 기능을 갖춘 기종이 많습니다.

인서킷 테스터의 기타 정보

1. 인서킷 테스터의 기능

• 가딩 기능
  병렬 연결에 의한 전류가 일으키는 오차의 영향을 전기적으로 분리하는 기능입니다.　
• 위상 분리
  저항 및 코일, 커패시터로 구성된 회로망에 교류 신호를 인가하면 전류와 전압 사이에 위상차가 생깁니다. 이 위상차를 이용하여 각 소자의 상수를 정확하게 측정할 수 있습니다.

2. 플라잉 체커

플라잉 체커는 인서킷 테스터의 또 다른 종류로, 주로 프로브를 이용하여 기판 실장 부품의 오픈 쇼트를 판별하는 검사 장비입니다. 표준 프레스 타입의 인서킷 테스터보다 검사 시간이 오래 걸리지만, 프로그램이나 핀보드 등의 준비가 필요 없는 점을 중시하고 싶을 때 활용됩니다된다.

플라잉 프로브 검사기라고도 하며, 거버 데이터에서 넷 리스트를 작성하고, 그 데이터를 바탕으로 기판의 시작과 끝에 프로브를 대고 단선을 검사합니다. 그 다음, 그 네트의 한 지점과 인접한 네트 사이에 프로브를 대고 단락을 검사합니다.

플라잉 체커는 베어보드 체커를 개선하여 구현 후 일반적인 인서킷 테스트로 사용할 수 있는 타입의 검사 장비도 많습니다. 구체적인 검사 방법으로는 2개의 프로브 또는 4개의 프로브로 기판 양면에서 끼워 넣는 방식으로 검사가 이루어집니다. 이 검사 장비는 PCB의 개방 상태와 단락 상태를 검사하는 것으로, 전기적 통전을 확인하는 것과 정전 용량을 측정하여 단락을 찾는 정전 용량법이 있으며, 일반적으로 정전 용량법이 측정 시간을 단축할 수 있습니다.

3. 기능 테스터

기능 테스터는 기판 제조 공정에서 흔히 비교되는 유사한 기판을 검사하는 인서킷 테스터와는 전혀 다른 목적을 수행하는 검사 장비이다. 인서킷 테스터는 회로의 오픈 상태인지 쇼트 상태인지 부품을 포함한 기판의 실장 상태를 검사하는 것이 주된 목적이었다면, 펑션 테스터는 회로 자체의 예를 들어 입출력 동작과 같은 기능이 제대로 동작하는지 확인하기 위한 검사 장비입니다.

이 기능 검사는 보통 기능 테스트라고 하며, 검사하는 기판의 입력 단자에 사양으로 정해진 전기 신호를 인가하여 사양대로 출력되는지 여부를 검사 확인합니다. 그 외에도 스위치나 LED 등 인서킷 테스터를 통한 오픈 쇼트 검사만으로는 확인하기 어려운 부품의 검사, 스위치나 각종 IC 등의 집적회로 동작이나 소프트 쓰기 등도 실시되고 있습니다.

일반적으로 인서킷 검사와 기능 검사를 비교했을 때, 제품의 동작 확인 측면에서는 기능 검사가 더 중요하며, 기능을 우선적으로 실시하는 제품이 대부분입니다.

레이저 센서란?

레이저 센서는 피측정물과 센서 사이의 거리나 피측정물 자체의 두께, 높이 등을 측정하는 센싱 기기 중 레이저를 이용한 비접촉식 타입의 센싱 기기입니다.

일반적으로 많이 사용되는 센싱 기기인 만큼 그 측정 방식과 정확도도 다양합니다.

레이저 센서의 사용 용도

가공장치나 반송장치 등 피측정물과의 거리를 정확히 알아야 하는 경우, 레이저 센서를 이용하여 그 거리를 측량할 수 있습니다. 또한, 제품의 외관 검사 등 피측정물의 두께 정보가 필요한 경우에도 활용됩니다.

두께 측정은 접촉식 버니어 캘리퍼스로도 가능하지만, 형상이 복잡하거나 접촉이 불편한 경우 비접촉식 레이저 센서를 이용하면 비파괴 검사가 가능합니다.

레이저 센서의 원리

레이저 센서에서는 원칙적으로 비접촉 계측이 가능하지만, 그 방식은 몇 가지 종류가 있습니다. 어떤 피측정물과의 거리를 측정하는 경우, 확산 반사 방식이나 정반사 방식의 레이저 센서가 사용됩니다.

둘 다 레이저 광원으로부터의 빛을 피측정물 표면에서 반사시키고, 그 반사광을 수광부에서 감지하여 거리를 판단합니다. 수광부는 일정한 영역폭을 가지고 있으며, 반사광의 각도에 따라 수광부가 달라집니다. 수광부가 변화하면 그에 따른 전류가 감지되고, 그 정보를 바탕으로 거리 값으로 환산합니다.

구조상 일정 각도 이상으로 기울어진 피측정물 표면에 광원을 입사시키면 반사광이 수광부로 돌아오지 않기 때문에 검출이 불가능합니다. 이 허용 기울기는 변위계의 설계에 따라 달라지는데, 일반적으로 확산반사 방식의 레이저 센서가 감지 각도가 더 넓습니다.

레이저 센서 선택 방법

먼저 용도가 거리 감지인지, 두께나 높이 등의 형상 정보를 취득하는 것인지 확인해야 합니다. 거리 검출이라면 해당 측정 범위에 해당하는 제품 중에서 피측정물 표면의 기울기가 어느 정도인지 예상하고, 그 각도 이상의 측정이 가능한 제품을 선정합니다. 두께 측정의 경우 검출 범위를 확인합니다.

그 후, 측정 자체를 어느 정도의 정밀도로 실시할 것인지에 따라 분해능과 검출 정밀도 및 선형성 스펙을 선정합니다. 모두 측정 정밀도에 영향을 미치는 요소이며, 일반적으로 정밀도가 높을수록 가격이 비싸기 때문에 너무 오버스펙이 되지 않도록 주의해야 합니다.

또한, 측정 정확도와 동시에 본체 자체의 설치 가능 여부도 참고해야 합니다. 설치 공간이 충분하지 않은 경우, 소형 레이저 센서를 선택해야 할 수도 있습니다.

레이저 센서의 기타 정보

1. 레이저 센서를 이용한 방범 시스템

수상한 사람의 침입을 막기 위한 시스템으로 방범 센서가 있습니다. 아파트, 사무실, 공장 등 다양한 곳에 활용되고 있으며, 침입자가 센서를 건드리면 경보가 울리는 구조로 되어 있습니다. 그 방범 센서로 현재 많이 활용되고 있는 것이 바로 레이저 센서입니다.

레이저 센서에는 수평 감지 타입과 수직 감지 타입이 있습니다.

• 수평 감지 타입
  레이저 광선이 180℃ 수평방향으로 조사되어 넓은 범위를 커버할 수 있는 방범 센서입니다. 실외와 같은 개방된 장소에 적합한 감시 시스템으로 이동하는 물체를 감지한다. 감시 범위 설정으로 대상에서 제외할 구역을 미리 지정할 수도 있습니다.
• 수직 감지 타입
  레이저 광선이 수직으로 조사되어 벽이나 천장에 수직인 면을 커버하는 방범용 센서입니다. 통로나 문 앞 등 국소적인 범위의 장소에 적합한 감시 시스템으로, 센서가 작동하는 면에 대해 통과하는 물체를 감지합니다. 감지 대상의 높이를 설정할 수도 있습니다.

2. 레이저 센서의 단점

광선을 이용한 비접촉식 센서로 편리한 레이저 센서이지만, 일부 조건에서는 오작동을 일으킬 수 있습니다.

• 감지 대상물 표면의 요철
  스팟이 작은 레이저 센서의 경우, 검출 대상물 표면의 요철에 따라 반사로 인한 수광량이 변동되어 오작동을 일으킬 수 있습니다. 검출하고자 하는 대상의 표면에 요철이 있는 경우, 스팟이 큰 센서를 사용해야 합니다.
• 진동
  레이저 센서에 진동이 가해지면 광축이 어긋나 오작동을 일으킬 수 있습니다. 레이저 센서의 설치를 재검토하여 나사나 보조금속으로 고정하는 한편, 광축이 어긋나지 않도록 검출 대상물 가까이에 설치해야 합니다.
• 펄스 점등하는 빛
  펄스 점등은 ON과 OFF를 반복하는 점등 방식을 말합니다. 빠른 주파수로 점등하기 때문에 실제로는 점멸하고 있지만, 사람의 눈에는 연속적으로 점등하는 것처럼 보입니다.

대부분의 레이저 센서는 펄스 발광의 레이저를 사용하는데, 자신과 마찬가지로 펄스 점등하는 주변 LED 등에 대해서는 오작동을 일으킬 수 있습니다. 주변에 펄스 발광하는 빛이 있는 경우, 센서의 수광부에 닿지 않도록 사이에 차폐할 수 있는 것을 설치하거나 수광부의 각도를 조절하는 것이 중요합니다.

볼스크류란?

볼스크류(영어: ball screw)는 회전운동을 직선운동으로 변환하여 부재의 위치를 이동시키기 위한 이송 나사의 일종입니다. 나사축과 너트가 볼을 통해 작동한다. 나사축과 너트가 상대 회전하면 볼이 회전하면서 무한 순환합니다. 나사와 너트 사이의 슬라이딩 저항이 기존 사다리꼴 나사에 비해 훨씬 작은 것이 특징입니다.

나사와 볼의 정밀도 등급에 따라 정밀한 운동이 가능하기 때문에 높은 위치 결정 정밀도를 얻을 수 있습니다. 자동차의 조향장치, 정밀 공작기계 등에 사용됩니다.

볼스크류의 사용 용도

볼스크류는 모터 등의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 기계요소입니다. 주요 용도로는 제품 및 부품의 이송, 반도체 제조장치, 산업용 로봇, 공작기계 등의 이송 및 위치 결정이 있습니다. 볼스크류가 1회전에 의한 이동량(리드)을 정밀하게 재현할 수 있기 때문에 스테핑 모터와 조합하여 높은 위치결정 정밀도를 실현할 수 있습니다.

JIS에서는 볼스크류의 정밀도 등급을 6가지로 구분하고 있는데, C0, C1, C3, C5의 4등급을 정밀 볼스크류, C7, C10의 2등급을 일반 볼스크류로 규정하고 있습니다. 정밀도에 따라 물품의 이송과 위치 결정에 사용되는 볼스크류를 선정합니다.

NC 제어 공작기계에서는 이송 메커니즘을 구성하고 정밀한 위치 결정 정밀도를 얻기 위해 볼스크류가 사용됩니다. 또한 식품기계, 의료기기, 로봇 및 사출성형기, 인쇄기기, 오락기기 등 외에도 자동차, 기차, 항공기, 반도체 제조장치, 검사장비 등에도 볼스크류가 사용됩니다.

볼스크류의 원리

볼스크류는 나사축, 너트, 볼 등으로 구성된 기계 요소 부품으로 회전 운동을 직선 운동으로 또는 직선 운동을 회전 운동으로 변환합니다. 나사축과 너트 사이에 볼을 넣어 가볍게 회전시킬 수 있는 마찰 기술을 이용한 부품입니다. 나사면의 미끄럼 접촉 운동을 구름 접촉 운동으로 바꿉니다. 볼은 무한히 순환해야 하므로 순환 부품이 필요합니다.

순환 방식에는 리턴 튜브식, 엔드 디플렉터식, 엔드 캡식 및 코마식, 리턴 플레이트식 등이 있으며, 크기와 정밀도에 따라 사용 용도가 나뉩니다. 볼스크류를 사용하려면 너트를 안내하는 가이드 레일이 필요합니다. 가이드 레일은 너트에 가해지는 축방향 하중 이외의 수직 하중과 모멘트 하중을 견뎌냅니다.

나사축은 너트 1회전의 이동량인 리드 길이와 나사 조수를 조합하여 높은 정밀도로 움직일 수 있도록 하고 있습니다. 볼에 가압을 가하여 너트의 백래시를 없애고 나사축과 너트의 회전이 고르지 않고 높은 위치 결정 정밀도를 얻을 수 있습니다.

볼스크류의 기타 정보

1. 볼스크류의 특징

볼스크류는 기계의 회전운동을 직진운동으로 변환할 수 있는 특징이 있습니다. 또한, 반대로 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 것도 가능합니다. 나사축을 회전 구동하는 토크를 일반 나사에 비해 1/3 이하로 줄일 수 있습니다. 따라서 볼스크류를 구동하는 모터를 소형화, 경량화할 수 있습니다.

기동 마찰 토크와 운동 마찰 토크의 차이가 적고, 스틱 슬립 현상을 피할 수 있어 고정밀도로 기계를 제어할 수 있습니다. 두 개의 너트를 사용하거나 미리 큰 직경의 볼을 사용하여 너트에 예압을 가할 수 있습니다. 백래시를 없애고 강성을 높여 제어성을 향상시킬 수 있습니다.

볼스크류의 마모 수명과 롤링 피로 수명은 계산을 통해 예측할 수 있어 운전의 신뢰성을 높일 수 있습니다. 나사와 너트 사이의 접촉면의 마찰 계수는 0.1 ~ 0.2 정도인 반면, 볼스크류는 0.002 ~ 0.004 정도입니다. 따라서 전달 효율이 높고 90% 이상입니다.

치수와 정밀도가 국제적으로 표준화되어 있고, 전용 공장에서 대량 생산되기 때문에 사용이 편리하고 비용도 유리합니다. 반면 볼스크류는 충격에 약한 단점이 있다. 슬라이딩부가 점접촉이기 때문에 충격이 가해지면 타박상 등이 발생하기 쉽습니다. 또한 슬라이딩 부위에 이물질이 들어가면 고장이나 고장의 원인이 될 수 있습니다. 공작기계의 슬라이드 축으로 사용하는 경우, 절삭유가 혼입될 우려가 있으므로 커버를 씌워야 합니다.

2. 볼스크류의 제조법

볼스크류는 만드는 방법의 차이에 따라 ‘압연’과 ‘연삭’으로 나뉩니다.

• 압연 볼스크류
  둥근 봉재를 회전시키면서 전조 다이스라는 공구에 눌러 소성 변형시켜 나사 홈을 성형하는 방법입니다. 연삭에 비해 정밀도 등급이 낮은 편입니다.
• 연삭 볼스크류
  나사 연삭기라는 공작기계를 사용하여 나사 홈을 연삭하여 성형하는 방법입니다. 열처리 후 원통형 연삭을 하기 때문에 압연보다 표면이 매끄러운 것이 특징입니다. 정밀기기용 소형 공작기계의 슬라이드 축 등 고정밀도의 기계 제어가 요구되는 경우에 사용됩니다.

윤곽 형상 측정기란?

윤곽 형상 측정기는 물체의 윤곽 형상을 추적하여 그 형상을 정확하게 기록, 분석, 측정하기 위한 장치입니다.

윤곽 형상 측정기 중 스타일러스라는 촉침으로 측정 대상의 표면을 직접적으로 따라가면서 그 움직임을 정확하게 추적하는 것을 접촉식이라고 합니다. 반면, 레이저 등으로 표면의 반사광을 포착하여 표면을 추적하는 것을 비접촉식이라고 합니다.

비접촉식 윤곽 형상 측정기는 비교적 쉽게 작업할 수 있는 반면, 물체 표면의 재질이나 성질 등에 따라 반사광의 상태가 크게 달라진다는 단점이 있습니다. 따라서 조건에 구애받지 않는 접촉식이 널리 보급되고 있습니다.

윤곽 형상 측정기의 사용 용도

윤곽 형상 측정기는 주로 금속 가공 제품의 개발 및 생산, 품질 관리를 위해 널리 사용되고 있습니다. 또한, 일련의 측정 동작을 프로그램화하여 생산 라인 측에서 자동 측정용으로 사용되기도 합니다.

또한, 촉침식 윤곽 형상 측정기는 표면에 흠집이 생길 수 있기 때문에 외관 품질이 중요한 제품의 경우, 뽑아서 검사하는 경우가 많습니다. 윤곽 형상 측정기는 미세한 피치로 정확한 형상, 치수를 측정할 수 있기 때문에 리버스 엔지니어링으로 활용하는 사례도 있습니다.

윤곽 형상 측정기의 원리

여기서는 널리 보급되어 있는 접촉식 윤곽 형상 측정기의 원리에 대해 설명합니다. 접촉식 윤곽 형상 측정기는 수평으로 이동하는 검출기와 상하로 크게 원호 운동하는 스타일러스로 구성되어 있습니다.

수평 이동에 의한 X좌표와 스타일러스의 상하 위치의 Y좌표로 하여, 디지털 스케일을 이용하여 스타일러스 끝부분의 좌표를 항상 플롯하여 윤곽 형상을 추적할 수 있습니다. 스타일러스를 장착하는 암 부분은 원호 운동으로 상하 운동한다는 점에 주의해야 합니다.

즉, 스타일러스 팁도 측정물의 형상을 따라 원호 운동으로 추적합니다. 따라서 정확한 XY 좌표를 플로팅하기 위해서는 원호 운동으로 인한 X 방향의 오차를 보정해야 합니다. 또한, 스타일러스의 상하 운동량을 측정하기 위한 디지털 스케일이 직동의 이동량만 측정할 수 있는 것은 원호 운동을 직동 운동으로 변환하는 메커니즘이 필요합니다.

검출기는 정확한 위치 결정이 중요하기 때문에 볼스크류와 스테핑 모터를 사용하여 동작합니다. 고정밀 기계는 열팽창에 의한 영향을 최소화하기 위해 전원이나 제어기판 등의 전기 부품은 외부 박스로 독립되어 있는 것이 일반적입니다.

윤곽 형상 측정기의 기타 정보

1. 윤곽 형상 측정기의 추종 각도

윤곽 형상 측정기 끝에는 스타일러스라는 바늘이 달려 있습니다. 이 바늘의 상하 움직임과 X축의 이동량으로 윤곽 형상을 추적하는 것인데, 스타일러스는 암에 수직으로 장착되어 있기 때문에 직각의 부분은 측정할 수 없습니다.

윤곽 형상 측정기가 측정할 수 있는 각도를 추종 각도라고 하는데, 상승 방향과 하강 방향 각각을 말합니다. 추종 각도는 스타일러스의 모양에 따라 달라지며, 상승 방향과 하강 방향 각각에 한계가 있습니다.

스타일러스의 모양이 원뿔형이나 좌우 대칭형이라면 위쪽과 아래쪽의 추종 각도는 같을 것입니다. 그러나 스타일러스가 좌우 비대칭인 경우 상하 추종 각도가 달라지므로 주의해야 합니다. 또한 측정 속도와 측정력에 따라 추종 각도가 달라지며, 측정 속도가 빠를수록 가파른 경사면 추적이 어려워집니다.

2. 윤곽형상 측정기 일상점검

접촉식 윤곽 형상 측정기는 스타일러스 끝이 측정 대상 표면에 닿기 때문에 마모가 발생합니다. 마모가 적더라도 반복 사용으로 인한 히스테리시스 등 노화에 따른 영향을 받습니다.

따라서 정기적인 점검이 필요하지만, 대규모 유지보수를 자주 하는 것은 공수나 비용 측면에서 현실적이지 않습니다. 따라서 일상 점검으로 중요한 기능, 성능에 관한 사항을 간단하게 확인하여야 합니다.
윤곽 형상 측정기의 일상 점검에서는 주로 다음 세 가지 사항을 확인 및 조정합니다.

• 측정값의 정확도
  블록 게이지 등 교정된 기준기를 측정하여 교정값과 실측값의 오차를 조정합니다.
• 스타일러스 팁의 마모량
  가격 책정된 단차 등을 측정하면 스타일러스의 마모량에 따라 팁이 가라앉아 실제 모양과 측정된 모양에 약간의 차이가 생깁니다. 이 오차를 바탕으로 마모량을 계산하여 조정합니다.
• 상향 측정과 하향 측정의 동등성
  핀 게이지나 정밀도가 높은 강구 등 좌우 대칭 형상을 측정하여 측정된 형상의 좌우 왜곡을 동일하게 조정합니다.

대부분의 경우, 두 가지 보정 모두 측정값에서 소프트웨어가 자동으로 계산하기 때문에 사용 시에는 일상적인 점검을 잊지 않고 관리하는 것이 중요합니다. 또한, 자동차 산업과 품질경영 표준인 IATF16949나 ISO9001 등을 획득, 유지하려면 주기적으로 추적성이 확보된 교정 작업도 해야 합니다.