형상 측정기란?
형상 측정기는 물체 표면의 형상을 정확하게 추적하여 윤곽 형상을 기록, 분석, 측정하는 장치입니다.
형상 측정기는 크게 스타일러스라는 촉침을 사용하는 접촉식 타입과 레이저 등으로 표면을 따라가는 비접촉식 타입으로 나뉩니다. 비접촉식 형상 측정기의 경우 측정 작업은 비교적 쉽게 할 수 있지만, 물체 표면의 재질이나 성질에 따라 크게 좌우되기도 합니다. 따라서 접촉식 형상 측정기가 주류입니다.
형상 측정기의 해상도가 높아 0.001mm 이하로 윤곽 형상을 추적할 수 있습니다. 그러나 스타일러스의 이동 범위를 벗어난 측정은 불가능하므로, 높이 방향이 큰 측정을 할 때는 충분한 검토가 필요합니다.
형상 측정기의 사용 용도
형상측정기는 금속을 중심으로 한 공업제품의 개발, 생산, 품질관리 등에 사용되고 있습니다. 형상 측정기에 의해 측정되는 항목은 측정 대상물의 치수, 각도, 단차, 나사 피치 등 윤곽 형상의 측정 및 분석에 관련된 것들 전반입니다.
형상 측정기 중 CNC 제어가 가능한 기종은 일련의 측정 동작을 프로그램화하여 생산 라인 측에서 자동 측정으로 사용되기도 합니다. 예를 들어, 페트병 뚜껑의 나사 모양과 같이 규격화된 것은 형상 측정기로 품질 관리를 하는 것이 일반적입니다. 또한 형상 자체에 특허를 취득한 제품 등은 그 윤곽 형상을 세밀하게 규정하고 있습니다.
형상 측정기의 원리
여기서는 형상 측정기의 주류를 이루고 있는 접촉식 형상 측정기의 원리에 대해 설명합니다. 접촉식 형상 측정기는 측정 대상의 윤곽 형상을 수평으로 이동하는 검출기와 검출기에 부착된 스타일러스의 상하 이동 변위를 통해 측정 대상의 윤곽 형상을 플롯합니다.
스타일러스를 움직이면서 디지털 스케일에 의해 0.001mm 정도의 피치로 수평 이동에 따른 X좌표와 스타일러스의 상하 위치의 Y좌표를 계속 플롯하여 윤곽 형상을 추적해 나갑니다.
대부분의 형상 측정기의 스타일러스 상하 이동은 피벗이라는 중심을 축으로 한 원호 운동입니다. 따라서 스타일러스가 수평 위치에서 상하로 움직일수록 원호로 인한 수평 방향의 오차가 발생하게 됩니다. 스타일러스 팁의 위치는 이 오차를 항상 보정하면서 검출해야 합니다.
또한, 스타일러스 팁이 측정 대상에 계속 접촉하기 때문에 스타일러스가 마모됩니다. 스타일러스가 마모되면 마모량에 따라 스타일러스 팁의 위치가 변화합니다. 주기적으로 스타일러스 팁의 형상을 확인하고 마모량에 따라 보정을 해야 합니다.
형상 측정기의 기타 정보
1. 형상 측정기와 윤곽 형상 측정기의 차이점
일반적으로 형상 측정기와 윤곽 형상 측정기는 같은 의미로 사용됩니다. 하지만 다음과 같은 경우 엄격하게 의미를 구분하여 명칭을 사용해야 합니다.
엄격하게 양자를 구분하는 경우, 윤곽 형상을 연속 측정이냐, 비연속 측정이냐에 따라 구분합니다. 즉, 윤곽 형상 측정기는 스타일러스가 계속 접촉하는 연속 측정이고, 형상 측정기는 연속 측정이 아닌 경우도 포함합니다. 예를 들어, 일정한 간격의 피치로 어느 정도 떨어진 거리의 변위를 측정하고 그 측정점을 연결하여 형상을 표현하는 경우입니다.
측정 피치 사이의 변위는 측정할 수 없기 때문에 피치를 짧게 하거나 측정점 좌표에서 근사식을 구해 보완하게 됩니다. 따라서 측정 피치의 세밀함에 따라 정확하게 형상을 측정할 수 있는 추적력, 최소 분해능 등의 정밀도가 달라집니다.
2. 핸디형 형상 측정기
고정형 형상 측정기로는 측정할 수 없을 정도로 거대한 물체를 측정하거나, 라인사이드에서 간단하게 측정할 때는 핸디형 형상 측정기를 사용합니다.
핸디형 형상 측정기로 거대한 물체를 측정할 경우, 전체 형상 측정은 불가능합니다. 치수 공차가 엄격하게 요구되는 부분이나 형상의 변화가 기능, 성능, 안전에 큰 영향을 미치는 부분 등 측정 부위를 한정하여 사용됩니다.
3. 표면조도 측정기를 형상 측정기로 사용하는 경우
표면조도 측정기의 측정 원리는 수평 방향의 X축과 스타일러스의 상하 이동인 Z축 방향의 변위를 조합하여 측정합니다. 이는 형상 측정기에서도 동일한 측정 원리이기 때문에 X축과 Z축의 측정 가능한 범위라면 표면조도 측정기를 형상 측정기로 사용할 수 있습니다.
단, 표면조도 평가는 형상 측정보다 높은 정밀도가 요구되므로 스타일러스 팁의 형상이나 검출기 역시 더 높은 정밀도의 분해능이 요구됩니다.