이 글에서는 YKT(주)가 일본 총대리점을 맡고 있는 미국 OGP(QVI사)제 멀티센터 3차원 측정기 ‘스마트 스코프(그림 1)’의 새로운 기종인 ‘스마트 스코프 E7(이세븐)(그림 2)’를 중심으로 화상 측정기의 엔트리 모델이 맡게 역할과 효과 등을 소개한다.

 

 

 

엔트리 모델의 사명과 차별화

 

‘엔트리 모델’이나 ‘입문기’, ‘염가판’ 등 명칭은 여러 가지이지만, 시장에 유통되는 많은 상품에 대해 그 존재는 널리 인지되어 있다. PC나 스마트폰, 카메라 등 취향성이 높은 제품이라면 볼 기회도 많다.

 

경쟁 상대가 많은 민생용이라면 그 목적은 라이트 유저의 확보일 것이다. 유저와 계속적인 관계를 구축하는 것은 고객 이탈을 방지하고, 신규 고객 획득에 많은 노력을 쏟지 않아도 안정적인 이익으로 이어진다. 마케팅으로는 더할 나위가 없는 기법이다. 그 ‘시작의 첫걸음’ 역할을 맡는 것이 엔트리 모델이다. 따라서 이것은 라이트 유저의 판매 의욕을 자극하는 ‘매력적인 상품’일 필요는 있지만, 그에 이어지는 하이엔드기와 동등한 성능을 가져서는 본말전도가 되어 버리기 때문에 각사가 ‘차별화’에 고민하고 있다. 무엇을 가지고 차별화할지는 그 상품의 시장이나 용도에 따라 다양한데, 대표적인 요소를 이하에 든다.

 

1. 가격

라이트 유저에 있어 구입하기 쉬운 저가격인 것이 중요하다.

 

2. 기능

일정 이상의 만족도를 지향하면서도 하이엔드기에 미치지 않도록 제한을 둔다. 스마트폰을 예로 들면 ‘생체 인증’이나 ‘트리플 카메라’, ‘외부 메모리 탑재 가부’ 등.

 

3. 성능

기능과 비슷한데, 마찬가지로 스마트폰을 예로 들면 ‘경량’이나 ‘속도’, ‘선명도’ 등.

 

또한 엔트리 모델은 그 제품 시리즈 중에서는 후발 제품인 경우가 많은 것도 특징 중 하나다. 이들을 고려해 민생용과는 정반대의 산업용 설비인 ‘멀티센서 3차원 측정기’의 엔트리 모델에 대해 소개한다.

 

각사의 엔트리 모델 대응

 

멀티센터 3차원 측정기의 판매 대수 증가와 함께 이른 곳에서는 2000년이 지날 무렵부터 자사 라인업 중에 엔트리 모델을 투입해 왔다. 이들의 대부분은 앞에서 말한 ‘차별화’를 거쳐 사양을 축소한 것이 시판되고 있다. 메이커를 특정하지 않고 각사의 대응을 앞에서 말한 3요소에 차별화 내용을 반영해 살펴본다.

 

1. 가격 대응

· 신규 설계의 경우 : 기계 구조의 간략화, 부품 수의 절감. 조정 부위의 감소나 조립 공수의 절감 등.

· 구 모델의 설계 유용의 경우 : 개발·설계비용의 억제 등.

 

2. 기능 대응

초심자를 위한 조작성 향상과 교환으로, 기능을 축소해 간소화된 소프트웨어. 탑재 가능한 센서의 제한 등.

 

3. 성능 대응

상위기보다 낮은 측정 정도와 재현성. 자동 측정 속도나 측정 범위의 축소 등.

 

이와 같이 배열하니 엔트리 모델에 대해 부정적인 인상이 되어 버리는 것 같은데, 이들은 구입이나 운용의 문턱을 내리기 위한 귀중한 희생으로, 이른바 스펙의 저하 자체가 나쁜 것은 아니라는 점을 덧붙여 둔다. 사용하는 측에서는 ‘최적의 1대’를 선정하기 위한 선택지를 넓히는 것은 사용자에 대한 이점이 반드시 발생한다.

 

예를 들면 어떤 생산 중인 부품의 중간 검사에서 안정된 가공이 이루어지고 있는 것을 기존의 발취 검사 방법으로 확인할 수 있는 케이스를 든다. 발취 검사에 종사하는 검사원 부족을 개선하기 위해 자동 측정기를 도입하기로 한다면, 그 제품에 요구되는 정도·요구 공차를 만족시키는 정도와 기존 검사 방법보다 빠르고 안정된 측정이 가능하면 반드시 오버 스펙의 측정기를 도입할 필요는 없는 것이다. ‘그 외의 제품에도 전용이 가능하다’든가 ‘그 제품을 생산하고 있는 금형의 측정에도 사용할 수 있다’ 등의 부수적인 테마가 있으면, 그것도 포함해 사양을 만족시키는 측정기를 선정하면 되는 것이다.

 

멀티센서 3차원 측정기와 OGP 스마트 스코프

 

제조의 제품 평가 가운데서 3차원 측정기가 하는 업무는 주로 치수 측정이다. 기본 구조로 XYZ의 3축을 가지고 있으며, 측정 원리로 접촉식 센서에 의한 검출을 하는 것이 접촉식 3차원 측정기이다. 카메라에 의한 화상 처리로 검출을 하는 것이 화상 측정기나 비디오 프로브형 3차원 측정기로 호칭되는 것이 일반적이다. 최근에는 비접촉으로 영역 스캔이 가능한 새로운 센서를 탑재한 기종도 있는데, 멀티센서 3차원 측정기는 그 가운데서도 화상 측정기와 비슷한 것이 많고 카메라로는 관찰할 수 없는 수직의 벽면이나 안쪽 등의 검출을 보완하는 접촉 센서나 화상 오토포커스보다 빠르게 높이 측정이 가능한 레이저 센서 등을 화상 센서와 병용해 사용할 수 있어 1대로 측정 가능한 형상이 많다는 장점이 있다(그림 3). 또한 이들 대부분은 자동 측정이 가능하고, 측정 택트의 단축이나 측정 세팅의 감소 등 많은 이점이 있다.

 

 

광학 산업이 발달한 뉴욕주 로체스터에 있는 OGP(QVI사)(그림 4)는 1945년 창립에서부터 높은 내제율을 배경으로 1986년에 첫 멀티센서 3차원 측정기 ‘IQ2000’을 발표했다. 1991년에는 현재도 이어지는 스마트 스코프의 초대 모델(그림 5)을 발표했다. 그 역사는 길다.

 

 

 

현행 스마트 스코프 시리즈의 특징으로는 라인업 전체가 화상 센서와 함께 접촉 및 레이저의 3종 센서에 대응한 멀티센서 3차원 측정기인 점과 화상 측정을 위한 광학계에 ‘배율의 실시간 보정 기능’을 탑재한 광학 줌을 가진 점을 들 수 있다.

 

스마트 스코프 E7

 

해당 기기는 E 시리즈의 하나로 새롭게 스마트 스코프의 라인업에 추가한 기종으로, 최근 수년 동안 중단돼 있던 엔트리 모델에 해당된다.

 

스마트 스코프에도 엔트리 모델은 존재했지만, 2020년에 발생한 반도체 부족이라는 명목의 생산 재편으로 생산이 중지되는 상황으로 몰렸다. 이전의 엔트리 모델에서는 차별화를 도모하기 위해 기계 본체와 제어 기판에서 기존과 다른 것을 채용하고 있었는데, 제어 기판에 사용되는 반도체의 일부가 생산 중지됐기 때문에 계속적인 생산이 불가능해졌다. 당연히 OGP(QVI사)는 엔트리 모델의 중요성은 인식하고 있었지만, 현재의 상황을 고려해 ‘계속적으로 생산이 가능한 새로운 콘셉트의 엔트리 모델’을 검토했으며 그 결과로서 개발·발표된 것이 E7이다.

 

 

우선 E7의 개략적인 사양과 특징을 소개한다(그림 6).

 

1. 본체 구조와 제어계

엔트리 모델은 신설하는 경우 차별화에 걸맞는 전용 설계를 새롭게 할 것인지, 기존 기기의 설계를 유용할 것인지로 크게 나뉘게 되는데 E7이 본체 구조와 제어계에 선택한 것은 후자였다. 스마트 스코프의 대표적인 기종인 ZIP250과 외관을 비교하면, 매우 비슷하다는 것을 알 수 있다(그림 7).

 

 

앞에서 말한 제어 기판 이외에도 본체의 베이스, 모터, 스케일, XY의 리니어 가이드에 이르기까지 일반적인 사양기와 다르지 않은 구조와 부품으로 구성되어 있다.

 

광학계를 제외한 본체 구조의 변경점은 Z축 구조를 1세대 전의 기계에서 설계 유용한 것, XY축의 미동 노브를 폐지한 것이다. 또한 조이스틱의 간소화와 함께 긴급 정지 버튼을 본체 측에 내장한 것 등을 들 수 있다.

 

광학계는 시리즈마다 다른 것을 탑재하는 것이 스마트 스코프 시리즈의 관례이므로 이번에도 E 시리즈용의 새로운 광학계가 채용됐는데, 이것은 뒤에서 다루기로 한다.

 

이번 본체 구조의 공통화·공유화에서 얻을 수 있는 이점은 많다. 우선은 이 250사이즈용 본체 구조는 비교적 오랫동안 사용되어 왔으며, 메이커로서도 안정감 있는 구조로 인지하고 있다. 이 구조를 그대로 채용하는 것은 개발 비용의 압축, 본체 구조에 대한 신뢰성 향상, 신규 부품 증가의 억제, 기존 조립 라인의 활용 등 여러 가지 이점이 있다. 당연히 기계를 구성하는 부품의 단가에는 차이가 적으므로 본체 구조 이외에서 차액을 만들어낼 필요가 있다.

 

2. 새로운 콘셉트의 광학계 ‘Intellicentric’

기존의 스마트 스코프에서는 배율 변경을 광학 줌으로 하고 있었으며, 배율 변경 시에 발생하는 약간의 배율 오차를 실시간으로 자동 보정하는 기구 ‘Accucentric(아큐센트릭)’이 전 기종에 탑재되어 있었다.

 

배율 변경 이외의 광학 줌의 이점은 배율을 바꿔도 작동 거리(WD)가 변화하지 않는 것이나, 피사계 심도를 가변시켜 광학적 효과에 의해 Z방향의 측정 정도를 향상시키는 점 등이 있다. 또한 Accucentric은 시야 내 정도를 장기적으로 메인티넌스 없이 유지할 수 있는 기구로, 줌 렌즈의 경년 열화 대책으로서는 매우 효과적이다.

 

그러나 광학 줌은 렌즈의 물리적 이동이 필요하기 때문에 구동과 제어가 필요하다. 간단하게 말하면 XYZ축과 또 다른 하나의 축을 가지는 것으로, 당연히 그들에는 고정도의 부품이 많이 이용되고 또한 앞에서 말한 자동 배율 보정 기능에 관한 기구도 그 복잡화를 초래한다.

 

이번 OGP가 E 시리즈용으로 개발한 새로운 광학계에서는 광학 줌이 배제되고 배율 변경의 방법으로 디지털 줌이 채용되어 있다. ‘Intellicentric(인텔리센트릭)(그림 8)’이라고 이름을 붙인 광학계에서는 비용 절감만을 위해서 줌 렌즈를 없앤 것은 아니다. 광학 줌에 의존하지 않고 디지털 줌만으로도 가능한 스펙에 충분히 도달했다고 하는 편이 맞을 것이다.

 

 

그림 8을 보면, 매우 단순한 구성으로 되어 있다. 렌즈의 수는 광학 줌의 수와 비교해 극단적으로 적다. 이에 의해 기존 기기보다 밝고 선명한 상을 만들어내고 있다. 물론 밝고 선명할 뿐만 아니라, 렌즈 수차를 억제하고 왜곡 없는 상을 얻을 수 있는 것은 OGP사가 창업에서부터 계속적으로 자사의 광학 설계와 제조의 경험으로 축적한 노하우가 있었기 때문이다. 또한 디지털 줌을 위해 기존 기기보다 높은 해상도를 가진 카메라를 탑재하고 있으며, 이 카메라의 해상도에 충분한 렌즈 쪽의 해상도도 필요하다. 로체스터 주변에는 많은 옵트로닉스(optronics) 기업이 존재하고 있으며, 자사의 개발 능력에 더해 선진적인 기술 공여를 얻기 쉬운 위치인 것도 하나의 도움이 됐다.

 

이에 더해 가동 부위가 없는 단순한 구조는 경년 변화에 대해서도 강하고, 고장도 적다. 줌 렌즈는 일반적으로 렌즈가 이동하기 위한 가이드로서 통 모양 캠과 모터로 그 캠을 회전시켜 렌즈를 이동하는 것이 일반적이다. 경년 변화의 영향으로 캠은 마모에 의한 열화로 덜컹거림이 생기고 모터는 전기적인 불량의 위험이 높아진다. 이러한 위험에서 해방되는 이점은 크다.

 

또한 렌즈가 대물렌즈를 제외하고 고정식이기 때문에 광학 특성이 변화하지 않는 장점을 가지고 있다. 예를 들면 배율을 크게 변경한 경우, 조명량을 그 배율에 맞춰 증감시킬 필요가 있다. 그러나 고정 렌즈라면 그럴 필요가 없다. 현재의 배율에서 최적이라고 판단한 조명의 종류와 조도는 다음 배율에서도 전혀 변경하지 않고 사용할 수 있다. 크고 작은 형상이 섞여 있는 샘플의 경우는 그 수고에서 해방된다.

 

물론 배율 변경에 동반되는 기구적인 동작이 없다는 것은 그 변경 속도의 상승을 가져온다. 불과 한순간에 최저 배율에서 최고 배율까지 도달한다(그림 9). 기존 기기라면 이 배율 변경에 수 초가 필요하고, 효율이 좋은 자동 측정 프로그램 작성을 위해서는 이러한 사상을 고려해 작성할 필요가 있었다. 프로그램 작성의 문턱을 내리고, 폭을 넓힌다는 의미에서도 엔트리 모델용 사양이라고 할 수 있을 것이다.

 

 

또한 해당 기기는 엔트리 모델이면서 텔레센트릭 광학계로 되어 있다. 줌 렌즈로 전체 배율 단계의 텔레센트릭 상태를 유지하기 위해서는 모든 렌즈를 텔레센트릭 렌즈로 구성하는 등 가격 면의 상승을 피할 수 없다. 일부 메이커에서는 광학 줌 중 몇 단계만 텔레센트릭 상태가 되는 것도 있지만, 기구가 단순하기 때문에 E 시리즈에서는 그러한 걱정이 필요 없다.

 

높이가 변해도 관찰 대상물의 크기가 변하지 않는 것이 텔레센트릭 렌즈의 이점이기도 하다. 예를 들면 제품의 편차에 의해 에지 높이가 매번 미묘하게 다른 경우, 프로그램 작성 시의 높이 그대로 계속 측정하면, 그 사이즈가 변하게 되기도 한다. 따라서 때때로 오토포커스로 그 높이를 관찰해 추종시키는 등의 대책이 일반적이지만, 프로그램이 복잡해지고 오토포커스 시간이 추가되어 경우에 따라서는 배율까지 바꿔야 하는 등 초심자에게는 높은 문턱이 되어 버린다. 이러한 케이스에서도 물론 제품에 요구되는 정도가 허락하는 범주이지만, 텔레센트릭 효과로 높이 추종을 하지 않고 측정하는 것도 선택지에 들어온다.

 

3. 탑재 가능한 옵션 센서

E 시리즈에서는 옵션의 접촉 센서로서 레니쇼사의 터치 프로브 TP20/TP200(그림 10)이 설정되어 있는데, 앞에서 말한 차별화의 3요소 중 ‘기능 제한’이 뚜렷하게 나와 있는 것이 레이저 센서의 대응 불가라는 점일 것이다.

 

 

멀티센서 3차원 측정기의 옵션 센서로서 접촉 센서와 레이저 센서는 메이커에 관계없이 설정되어 있는 경우가 많다.

 

레이저 센서는 높이 방향에 대한 측정 센서로 사용되는 경우가 많고, 경면이나 투명체 등 표면에 콘트라스트가 없는 샘플에 대해서도 효과적이다. 이와 동시에 화상에 의한 오토포커스보다 고속 측정이 가능한 점도 특징 중 하나이다.

 

한편, 접촉 센서는 화상으로는 볼 수 없는 수직의 벽면이나 제품 안쪽 등의 검출이 가능하다. 레이저 센서가 측정의 고속화 효과가 높은 것에 대해, 접촉 센서는 측정 가능한 형상 혹은 샘플을 늘림으로써 다용도의 운용에 공헌하고 있다. 일반적인 사양기와 마찬가지로 체인지 랙을 통한 자동 착탈에도 대응하기 때문에 화상 측정⇒접촉 측정으로 심리스하게 실행한다. 측정기에 따른 세팅 절감에도 큰 효과를 기대할 수 있다. 또한 이 접촉 센서는 납입 후에도 현지 작업으로 추가하는 것이 가능하다.

 

4. 측정 소프트웨어 Measure-X

E 시리즈에서는 현행의 일반적인 사양기 측정 소프트웨어에 비해 아이콘이 다용되어 단순한 조작성을 가진 Measure-X(메저 엑스)(그림 11)를 채용하고 있다. 이 소프트웨어는 스마트 스코프 시리즈에 예전부터 탑재되어 온 실적이 있으며, 현재는 3차원 CAD와 연계가 가능한 최신 측정 소프트웨어 ‘ZONE3(존쓰리)’와 병행해 선택이 가능한 소프트웨어이다. 그 특징 중 하나가 ‘언어에 의존하지 않는 아이콘의 다용’이다. 화면상에서는 측정 프로그램 내의 다양한 커맨드가 아이콘화되어 있으며, 이들을 마우스로 선택함으로써 직감적인 조작이 가능하다.

 

 

그리고 또 다른 하나의 특징은 평가 방법마다 변경 가능한 세 가지 모드를 가지고 있다는 점이다.

 

치수 측정을 하는 ‘Measure : 측정 모드’, 이차원 CAD를 실제 화상 내에 투영하고 기존 투영기의 차트 맞춤과 같이 사용하는 ‘Compare : 비교 모드’. 또한 옵션이지만, ‘Compare : 비교 모드’를 승화해 CAD 데이터와 실제 윤곽의 편차를 산출해 합격 여부 판정을 하는 ‘Analyze : 해석 모드’. 이 세 가지 모드를 용도에 맞춰 전환하는 것이 가능하다. 이하에 각각의 모드를 소개한다.

 

 

(1) Measure : 측정 모드 (그림 12)

해당 소프트웨어의 중심이 되는 모드이다. 자동 측정 프로그램 작성 및 자동 측정을 실행한다. 화면 왼쪽에 배치된 실제 화상 내에서 검출한 형상이, 오른쪽 모델 화면에 그려진다. 그려진 모델 형상에 대해 불러오기 수정이나 연산의 지시가 가능하며, 프로그램 내의 실시 순서나 스텝 넘버를 기억해 둘 필요가 없어 조작성을 현격하게 향상시키고 있다. 또한 측정 모드 특유의 기능으로서 UI(유저 인터페이스)의 전환이 가능하다(그림 13). 측정 프로그램 작성 시는 오른쪽 모델 화면을 다용하므로 실제 화상과 병용 표시하는 편이 조작성이 우수한데, 작성이 끝난 자동 측정 프로그램을 사용할 때는 실제 화상을 최대화함으로써 시인성을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다. 어느 쪽 표시를 선택해도 프로그램 작성에서 자동 측정까지 대응한다.
 

(2) Compare : 비교 모드 (그림 14)

측정 모드가 치수로 자동 판정되는 것에 대해, 이 비교 모드에서는 OK/NG의 판정은 측정자가 한다. 2차원 CAD를 입력, 또한 공차의 띠도 표시가 가능하기 때문에 공차의 띠에 제품의 윤곽이 들어가 있는지를 합격 여부의 판단 기준으로 할 수 있다. 치수 관리가 어려운 자유 형상이나 편차 방향성 등 경향을 파악하는 목적으로 제공한다. 공차대는 전부 칠하거나 선 표시를 선택할 수 있고, 또한 공차의 플러스 쪽과 마이너스 쪽 각각을 수치 설정할 수 있다. 또한 입력하는 CAD에 사전에 레이어 구분을 해 둠으로써 특수한 공차대를 가진 제품에도 대응한다. 기존의 투영기에 차트를 붙여 사용하는 것에 가까운 운용 이미지인데, 스테이지를 이동시켜도 표시된 CAD는 자동적으로 추종된다. 또한 배율을 변경해도 마찬가지로 추종되기 때문에 자유도가 높다. 또한 투영기로는 불가능한 ‘화상 보존’이 가능하기 때문에 가공자에 대한 피드백이나 이력으로서 보존할 수 있는 점은 투영기에 비해 큰 이점이다.

 

(3) Analyze : 해석 모드 (그림 15)

샘플의 윤곽을 트레이스해서 점군 좌표를 취득한다. 이들 점군 데이터와 CAD도의 편차를 산출해 공차 판정에 의한 색 표시나 OK/NG의 판단까지를 일관되게 할 수 있는 모드이다. 치수만으로는 전달하기 어려운 미묘한 차이를 가시화할 수 있는 점에서는 ‘Compare : 비교 모드’에 가깝지만, 편차량과 판정이 가능하기 때문에 사람에 의한 판단에서 벗어나 보다 알기 쉬운 결과를 얻을 수 있다.

 

맺음말

 

엔트리 모델 개발에 대한 접근은 다양하지만, OGP가 E 시리즈에서 선택한 방침은 엔드유저에게 높은 코스트 퍼포먼스를 발휘하는 것이다.

 

노동인구 감소가 눈에 띄게 진행되고 있는 오늘날, 검사의 표준화를 기대할 수 있는 멀티센서 측정기의 도입을 다시 검토하길 바란다.