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.