인더스트리 4.0의 기초

최신 기계 제품들은 이전보다 신뢰성 있게 또 편리하게 생산된다. 30~40년 전 자동차의 오일을 5,000km마다 “교체해야” 했다면, 오늘날은 30,000km를 넘기는 경우가 많다. 제조 설비에서 공정 안정적으로 엄격한 공차 덕분이다. 중요한 역할을 하는 것이 치수 측정기술의 발전 때문인데, 점점 증가하는 네트워킹과의 통합, “인더스트리 4.0” 때문이기도 하다.

클라우스 폴라트

품질이란 처음부터 적용해야 한다는 인식이 일반화되었다. 규정에 맞지 않는 부품은 선별해 내고 “테스트를 통해” 가져올 수 있는 것이 아니라는 말이다. 이러한 인식은 자동차 분야에서 시작하여 이미 모든 산업분야로 확산되었다. 이런 맥락에서 “6-시그마”-품질 경영 기법, DMAIC(Define, Measure, Analyze, Improve, Control)방법론 그리고 품질 관리 분야의 여타 개념들을 캐치 프레이즈로 이야기되고 있다.

이런 개념은 품질 관리 회로를 구축하고, 정상적인 부품의 공차 범위에서 벗어나는 오차를 감지하고 처음부터 공차 한계를 초과하지 않도록 수정하는 생산 프로세스를 운영하는 것이다. 측정 기술이 관리 회로를 수립하고 유지하는 데에 필요한 데이터를 제공하는 것이 전제되어야 한다. 점점 요구되는 공차 범위는 갈수록 엄격해지고 있다. 측정 기술 시스템 제조사들은 이러한 요구 사항들을 좌표 측정기나 센서로 충족해야 하는데, 이에 몇 가지 측정 컨트롤 시스템의 주요 특징을 살펴보고자 한다.

Werth Messtechnik GmbH사는 멀티 센서를 좌표 측정기에 통합하였다. Scope-Check FB DZ 등과 같은 새로운 자축 시스템은 다양한 여러 센서들과 통합된다. 이미지 정보를 파악하고 처리하는 센서, “전통적인“ 측정 센서, 레이저 센서, 광섬유 센서, 공초점 광학 측정 센서 Nano-Focus 센서가 이에 속한다. 이러한 폭넓은 종류의 센서들 덕분에 이 시스템은 각각의 측정 목적을 위해 최적의 센서를 사용할 수 있다. 교체 스테이션으로 전자동으로 간단히 장비 교체가 가능하다.

 

3D 광섬유 센서 WFP는 접촉/광학식으로 작동하며, 최소의 접촉력만 필요로 하고, 20μm에까지 이르는 센싱볼 직경이 가능하다.
3D 광섬유 센서 WFP는 접촉/광학식으로 작동하며, 최소의 접촉력만 필요로 하고, 20μm에까지 이르는 센싱볼 직경이 가능하다.

소형화 추세로 인해 새로운 종류의 측정 시스템이 필요하다

소형화 추세가 늘어남에 따라 극도로 미세한 디테일한 제품도 정밀하게 파악할 수 있는 새로운 유형의 측정 센서 시스템이 필요하게 되었다. 촉각-광학적으로 작동하는 3D 광섬유 센서 WFP가 이에 속한다. 이 센서의 센싱 요소는 유리볼인데, 유리섬유를 통해 빛을 공급받는다. 측정 대상과 접촉하여 이미지 처리 센서를 이용하여 볼의 방향 전환이 측정된다. 종래의 기계/전기식 센싱 요소에 비해 이 새로운 센서 시스템은 몇 가지 장점을 지닌다. 본질적으로 파손에 강하며, 20μm에 이르기까지 작은 직경의 센싱 볼을 일렬로 사용할 수 있다. 접촉력(< 1/1000 N)은 종래 센서의 접촉력보다 훨씬 낮으며, 적용 사례로는 공구, 시계 부품, 자동차 분사 기술 미세 기계 부품 측정이다. 또 컴퓨터 단층 사진 촬영법이라는 새로운 기술도 등장하여 이미 장착되어 있는 플러그 컨넥터 등 복잡 재료 공작물 측정도 개선되었다.

자동화를 통해 조작 오류의 영향을 최소화한다

Mahr사는 측정 기술 솔루션 개발할 때 인더스트리 4.0 또는 스마트 팩토리와 같은 미래 트렌드에 초점을 맞춘다고 한다. 자동화, 데이터, 작업자 친화성, 네트워킹과 같은 측면을 중심에 두고, 자동화는 조작 오류의 영향을 최소화하고 인력 투입과 관련한 자원 이용을 최적화한다. Mar-Surf LD 130을 기반으로 한 인더스트리 4.0 측정 플레이스가 이에 대한 예이다. Mar-Win Advanced-Gear를 장착한 이절삭 측정 시스템 Mar-Gear GMX 400 W는 Mahr가 내놓은 신제품이다. 이 시스템은 한번에 이절삭 및 이절삭 공구에서 간단하고 빠르고 정확하게 측정 작업을 실시하는 데 이용된다. 유연한 이 시스템은 기계적 정렬이나 장치 교체가 필요 없으며, 필요에 따라 이절삭 측정 기술, 형태나 위치 평가 등의 여러 목적에 맞게 조합할 수 있다. 제조 현장 가까이 통합하기 때문에 기어 생산 내에서 폐쇄된 품질 관리 회로를 실현할 수 있다. 소프트웨어 모듈 “동기화 이절삭“도 솔루션에 속한다. 이 측정 시퀀스는 규정 데이터 생성을 통해 이루어지며, 규정 데이터는 사용자의 입력에 따라 간단하고 신속하게 매개변수화될 수 있다. 또 하나의 하이라이트는 측정 플레이스 Mar-Surf CNC Premium 타입 1을 장착한 전자동 표면 측정 및 윤곽 측정이나 또는 측정 현미경 Mar-Surf CWM 100 및 Mar-Vision MM 420 CNC 상에서 초소형 볼 측정이다.

로봇 핸들링 Mar-Surf CNC 모듈러로 윤곽을 측정한다
로봇 핸들링 Mar-Surf CNC 모듈러로 윤곽을 측정한다

제조 설비에 직접 투입하기 위한 측정기

측정암이 없는 휴대형 좌표 측정계로 최대 22μm의 정확도의 정밀 측정이 가능하다
측정암이 없는 휴대형 좌표 측정계로 최대 22μm의 정확도의 정밀 측정이 가능하다

Ametek/Creaform은 좌표 측정 기술을 보완하고 핸디-측정 센서와 같은 휴대용 측정 시스템을 사용한다. 좌표 측정기는 고도의 정확도를 지닌 고정식 측정 시스템으로, 제조 환경에서 휴대용으로 사용하기에는 적합하지 않기 때문에 시간을 들여 시료를 운반해야 하는 경우가 있고, 달성 가능한 측정률이 제한되어 있다. 그에 비해 핸디-측정 센서는 제조 현장에서 신속하게 바로 측정 가능하여 좌표 측정기의 부담을 덜어줄 수 있다. 측정 암이 없는 이 좌표 측정기로 짧은 시간 안에 최대 22μm의 정확도로 정밀한 측정이 가능하며, 양산 생산 상황과 병행하여 생산 라인에서 직접적으로 측정하는 데에 사용할 수 있다. 손으로 안내하는 이 장치의 위치는 C-Track 카메라 바를 따르며, 따라서 센싱 순간에 측정볼의 정확한 위치를 계산할 수 있다. 이 시스템은 다양한 크기의 부품에 사용할 수 있고, 진동 등의 환경 변화나 위치 변화에 민감하지 않다. 그리고 지오메트리 시험과 표면 시험에도 적합하다. Metra-Scan-3D 스캐너와 연동하여 스캔 작업도 가능하다. 이러한 대안 솔루션으로 정상 부품과 불량 부품을 신속하게 비용 면에서 합리적으로 구분할 수 있다. 이 방법만으로 KMG는 측정해야 할 부품의 80% 정도 부담을 덜었다.

GOM Gesellschaft für Optische Messtechnik GmbH는 비접촉 광학 3D 측정법을 내세울 수 있다. 차체 부품과 같은 3차원 구조물의 전면을 최단 시간에 측정할 수 있는 두 대의 카메라를 이용하여 측정이 이루어진다. 자유 형태면을 측정할 경우에 통상적인 접촉식 방법보다 훨씬 빠르다. 측정 데이터는 바로 분석한 후 CAD 데이터 세트와 비교할 수 있고 오차는 즉각 감지되어, 제조 프로세스를 신속하게 수정할 수 있다. 제조 공차가 매우 작고 광학적으로 접근하기가 힘든 영역을 검사해야 할 경우에는 접촉식 방법이 유리하기 때문에 적절한 센싱 장치를 광학적 3D 스캐너의 부속품으로 개발하였다.

 

구조적인 부품 오류 자동 수정

Atos 시리즈의 자동화된 스캔 박스 시스템은 표준화된 측정 셀이며, 특별히 제조 장치 가까이에서 검사하고 품질을 보장하기 위해 개발되었다. 제조 공정 중에 구조적인 구성품 오류를 자동으로 수정하는 것이 목적이다. 볼프스부르크에서 폭스바겐의 Golf 부품을 생산할 때 엔진 후드, 트렁크 리드와 도어의 품질을 각 생산 라인에서 점검한다. 이 새로운 Scan-Box 7260은 리니어 축 상에서 이동하는 수직 리프트에 장착된 소형 관절암 로봇을 이용하여 작업한다. 소형 관절암 로봇은 총 8 단계의 자유 등급을 지니며, 심하게 굽은 부품과 내부 공간도 모든 각도에서 측정할 수 있다.

Hexagon Manufacturing Intelligence는 올해 슈투트가르트 국제 품질관리 박람회인 Control에 참가하였다. Hexagon Metrology에서 Hexagon Manufacturing Intelligence로 변경한 이후 첫 번째 Control 박람회에 더욱 의미를 부여하였다. 각 제조사는 고객을 위한 품질 데이터를 획득한다. “제품 품질은 모든 제조 공장에 중요한 요소이며, 앞으로도 계속 될 것입니다.“(존 파울젠, Hexagon Manufacturing Intelligence의 세일즈 & 마케팅 시니어 부사장) 시장에서 성공과 실패를 결정짓는 것은 결국 생산성이라고 존 파울젠은 지적한다. Hexagon이 개발한 기술은 신속하게 작업하여 신뢰할 만한 결과를 얻고 생산성 증대를 지원하는 것을 목적으로 한다.