고부가가치 제품을 생산하는 공작기계에는 고정도·고효율이 요구된다. 또한 최근의 생산 연령 인구 감소 등에 의해 공정집약이나 인력절감화를 기획한 자동화 기술 개발이 활발해지고 있다. 가공 프로세스를 자동화하는 데는 기계가 지령대로 운동하는 것이 대전제가 된다.

 

이러한 배경에서 고정도·고효율의 가동 상태를 장기간에 걸쳐 유지하는 것이 공작기계에는 한층 더 요구된다. 따라서 기계 메이커에 의한 기계 제조, 납입 시의 조정뿐만 아니라, 유저 측에서도 경시적으로 변화하는 기계 정도의 관리가 필요하다. 그러나 기계의 오차 측정 및 보정에는 보통의 가공과는 다른 지식이 요구된다. 또한 필요한 측정 기기가 고가이거나 일상적으로 하는 작업이 아니기 때문에 오퍼레이터가 숙련되지 않거나 하는 문제가 있다.

 

이에 ㈜공간정도연구소에서는 공작기계의 기계 정도 유지에 공헌하기 위해 정도 측정, 오차 요인 분석, 보정까지를 하나의 서비스로 제공하고 있다. 기계 정도 측정에 정통한 기술자가 측정기를 지참하고 작업하기 때문에 공작기계 유저는 측정기를 소유하지 않고도 최첨단의 정도 측정, 보정을 받을 수 있다. 또한 요구에 따라 측정 결과의 상세한 분석을 하거나, 오차 요인의 특정 등 근본적인 문제 해결에 대응하거나 하는 서포트도 하고 있다.

 

이 글에서는 우선 일반론으로서 공작기계의 정도 과제에 대해서 공간 정도를 중심으로 해설하고, 이어서 동사의 측정 사례를 소개한다.

 

공작기계의 정도 과제

 

1. 공구 끝점 오차

공작기계를 이용한 절삭가공은 모성 원리를 따르기 때문에 공작기계를 이용한 절삭가공은 모성 원리를 따른다. 따라서 운동 궤적의 오차는 가공 오차에 반영된다. 이 글에서는 공구 가공점의 운동 궤적 오차를 공구 끝점 오차라고 부른다. 이상으로부터 공작기계의 정도를 향상, 유지시키기 위해서는 공구 끝점 오차를 억제하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.

 

2. 오차 운동

공구 끝점 오차의 발생에는 여러 가지 요인이 생각되는데, 대표적인 요인의 하나로서 공구나 가공물을 움직이는 기계 구성 축의 운동 오차를 들 수 있다. 전형적인 공작기계의 구성 축에는 XYZ의 각 직선축이 있다. 각 축에서는 직선 위치결정 오차나 진직도 오차, 자세 오차 등의 미소한 오차가 생기고, 그들이 조합되어 최종적으로 공구 끝점 오차가 생긴다.

 

 

그림 1의 모식도에서는 기계 Y축(테이블 축) 및 Z축(주축)에서 생긴 오차가 축적되어 공구 끝점이 원래의 목표점에서 어긋나 있는 것을 알 수 있다. 각 축이 가진 운동 오차는 6방향(자유도)의 성분으로 분해할 수 있다고 ISO230-1에서는 정의되어 있다. 그림 2는 X축 방향으로 운동하는 물체가 가진 6자유도의 성분을 나타낸다.

 

 

3. 공간 오차와 그 보정의 개념

앞에서는 공구 끝점 오차를 기계 구성 축의 운동 오차로 분해할 수 있다고 설명했다. 반대로 생각하면 기계 구성 축의 운동 오차를 어떠한 방법으로 측정 내지 추정할 수 있다면, 그들을 조합해 공구 끝점 오차를 추정할 수 있다. 즉, 미리 각 축의 운동 오차를 측정해 두면 지령 위치에 따른 각 축의 운동 오차를 참조해 축의 구성 순서에 따라 조합함으로써 임의의 지령 위치의 공구 끝점 오차를 산출할 수 있다. 이 계산에 이용되는 각 축의 운동 오차와 공구 끝점 오차의 관계를 수학적으로 나타낸 것을 기하학 모델이라고 부른다.

 

기하학 모델을 구축하는 데 있어 모든 구성 축의 안내 요소는 강체라고 가정되는 경우가 많다. 이 가정에 의해 수식화를 간단히 할 수 있고, 최소한의 파라미터로 공구 끝점 오차를 표현할 수 있다. 기하학 모델 이론의 상세한 내용은 참고 문헌을 참조하기 바란다.

 

 

구축한 기하학 모델에 각 축의 운동 오차를 대입하면, 공구 끝점 오차를 산출할 수 있다. 그림 3은 어떤 기계의 XY 평면에서 격자 모양 공구경로의 공구 끝점 오차의 계산 결과를 시각화한 예이다. 격자 모양의 이상 경로에 대해 오차를 가미한 경로는 약간 가로세로로 짧고, 또한 직각도의 오차도 있다는 것을 알 수 있다. Z축의 운동 오차도 가미해 계산함으로써 3차원 공간의 공구 끝점 오차도 마찬가지로 얻을 수 있다.

 

산출한 공구 끝점 오차에 따라 그 오차를 없애도록 각 축의 위치를 보정해 두면, 실제 공구 끝점 위치와 지령 위치를 일치시킬 수 있다. 이상이 공간 오차 보정의 기본적인 개념이다. 현재 CNC 메이커 각 사는 이 개념에 기초한 공간 오차 보정에 해당하는 기능을 제공하고 있다.

 

4. 오차의 경시적 변화와 정기적인 보정의 의의

앞에서는 공간 오차 보정을 이용함으로써 가공 영역 전체의 정도 평가 및 보정이 가능하다는 것을 설명했다. 공작기계 메이커는 기계 출하 시, 설치 시에 정도 검사와 조정을 실시하는데, 공작기계는 10년～20년이라는 오랜 기간에 걸쳐 사용되기 때문에 경시적인 정도 변화는 피할 수 없다. 따라서 예를 들면 1년에 1회 등 정기적인 측정·보정을 함으로써 정도 변화를 억제할 수 있다. 혹은 측정값으로부터 기계의 이상을 감지해 불량을 미연에 방지하는 것도 기대할 수 있고, 공간 정도의 측정은 기계의 보수 관점에서도 의의가 있다.

 

㈜공간정도연구소에 대해서

 

1. 공간 정도 측정 서비스 사업 소개

㈜공간정도연구소는 2019년에 설립되어 공간 정도를 메인으로 공작기계 정도의 측정, 분석, 보정 서비스를 제공하고 있다. 의뢰 내용에 따라 적절한 측정 방법을 검토해 측정 기술자 및 고객처에 필요한 측정기기를 지참한다. 따라서 서비스 의뢰자는 측정기를 소유하지 않고도 최첨단의 정도 측정을 받을 수 있다. NC 컨트롤러 등이 공간 오차 보정에 대응하고 있는 경우에는 보정작업도 포함해 대응할 수 있다. 현지 작업 후, 측정 데이터는 사내 분석반에 의해 상세한 분석이 이루어지고 분석 결과를 나중에 리포트로 제공한다. 요구에 따라 결과에 대한 디스커션 등에도 대응하고 있다. 또한 이미 유저 자체나 기계 메이커의 교정 서비스에 의한 측정 데이터가 있는 경우, 그것을 이용해 오차 분석을 하는 것도 가능하다.

 

2. 측정 사례

㈜공간정도연구소에는 기계 스트로크 길이 1m 전후의 수직형, 가로형 머시닝센터에서부터 3m를 넘는 초대형 머시닝센터, 5면가공기까지 메이커나 기종을 불문하는 측정 실적이 있다. 직선축뿐만 아니라 5축가공기의 선회 테이블과 같은 회전축의 정도 측정, 보정에도 대응하고 있다. 여기서는 공간 측정 정도의 실시 예로서 5축가공기(그림 4)의 워크 가공 정도의 개선 사례와 가로형 머시닝센터의 정도 평가 사례를 든다.

 

 

1) 5축가공기의 워크 가공 정도 개선 사례

대상기는 선회축 정도가 저하하고 있으며, 측정 결과를 보면 그림 5의 점선과 같이 회전에 의해 수십 μm 오더로 선회 중심의 어긋남이나 자세 오차가 생기고 있었다. 이 기계에 대해 공간 오차 보정을 실시한 결과, 그림 5의 실선과 같이 오차를 해소할 수 있었다. 이것에 의해 그림 6에 나타낸 워크를 가공한 경우의 면 사이의 직각도 오차를 그림 7과 같이 대폭으로 저감할 수 있었다.

 

 

 

2) 가로형 머시닝센터의 정도 평가 사례

대형기에 의한 가공의 경우, 워크 사이즈도 크고 자세 오차가 공구 끝점 오차에 미치는 영향이 크게 나오기 쉽다. 가공 시간도 길어지는 경향이 있고, 가공 결과를 바탕으로 기계 오차의 영향을 수정하려고 해도 코스트가 커지기 쉽다. 이와 같은 경우에도 공간 정도 측정을 활용하면 목표로 하는 가공 정도를 현 상황의 기계 정도로 얻을 수 있는지의 여부를 사전에 검토할 수 있게 됐다.

 

 

또한 가공 공간 내의 임의 위치 오차를 산출할 수 있는 장점을 활용해 가공 오차의 시뮬레이션도 하고 있다. 그림 8은 어떤 기계의 공간 오차 측정 결과를 이용해 단순한 형상의 가공 오차를 2차원 평면 내에서 시뮬레이트한 예이다. 그림 8(a)의 오차 맵을 보면, 평면 내에서도 위치에 따라 진직도나 직각도가 다르다. 이와 같은 경우에는 동일한 기계, 동일한 가공 프로그램이라고 해도 세팅 위치에 따라 그림 8(b)와 그림 8(c)와 같이 가공 결과가 다르다. 이와 같은 결과를 참고로 하면, 보정이나 세팅 조정의 여부를 가공 전 단계에서 검토해 첫 제품부터 요구 정도가 충족된 가공을 할 수 있다.

 

3. 앞으로의 전망

앞으로 생산 기술이 고도화됨에 따라 공간 정도의 측정 및 보정이 생산성 향상에 기여하는 역할은 높아질 것으로 생각된다. 이하에 몇 가지 상황을 든다.

 

1) 기계 및 가공의 본질적인 문제 해결에 기여

기계의 교정에서는 측정 결과가 허용값에 대해 좋은가 나쁜가의 판정만으로 끝나는 경향이 있다. 공간정도연구소에서는 측정 결과를 단순히 수치로 보고할 뿐만 아니라 측정 데이터로부터 기계가 어떠한 오차를 가지고 운동하고 있는지, 그 오차는 어떠한 요인에 의해 생기는지 등 한층 더 깊이 있는 고찰을 한다. 이것에 의해 오차 요인의 분리 등 보다 본질적인 정도 개선, 문제 해결을 위한 정보를 이끌어낼 수 있다.

 

2) 기계 정도의 균질화에 의한 생산 프로세스의 가동률 향상

여러 기계가 공장에서 가동하고 있는 경우, 예를 들어 기계 A에 트러블이 생겼을 때 생산을 기계 B로 대체하는 경우가 있다. 이 때 기계 정도의 차이를 보정에 의해 최소화해 두면, 기계 대체 따른 세팅 조정이 최소한으로 끝나고 생산의 다운타임을 억제할 수 있다.

 

3) 계측 기술과의 통합에 의한 정도 향상, 효율화

앞으로 공정집약, 자동화가 추진되면, 가공물의 완성 치수 양부 검사나 수정 가공 등을 세팅 전환하지 않고 기계 상에서 완결시키는 수요가 높아질 것으로 생각한다. 따라서 기상 계측에서 높은 신뢰성이 있는 측정을 하는 것이 필요하다. 기상 계측에서는 기계 정도가 측정 결과에 직접 영향을 미친다. 따라서 가공 영역 전체를 평가할 수 있는 공간 정도 측정, 보정 기술이 담당하는 역할이 크다.

 

4) 5축, 복합가공기 등에 의한 복잡 형상가공의 고정도화

또한 공작기계의 다축화, 복합화가 추진되면, 기계의 움직임이 복잡화되어 기존의 측정 방법만으로는 공구 끝점 오차의 측정, 보정 모두 어려워진다. 이와 같은 경우에도 공간 정도의 기술을 이용하면 여러 축의 운동 오차를 결합해 가공 오차를 추측, 보정할 수 있고 높은 정도를 얻을 수 있게 된다.

 

맺음말

 

공작기계의 정도를 장시간에 걸쳐 유지하기 위해서는 기계 메이커에 의한 적절한 설계, 조립은 물론이고 유저에 의한 정기적인 보수 점검, 정도 교정이 중요하다. 그러나 유저 측에서 정도 유지에 필요한 체제를 확보하는 것은 부담이 크다. 공작기계 유저가 고부가가치 제품의 고효율 생산에 집중하는 데 도움이 될 수 있도록 공간정도연구소는 공작기계 정도의 측정 및 분석 기술의 향상에 노력하고 있다.