Blum Novotest, 회전 스핀들 고정밀 측정

‘스핀들은 회전해야 한다.’ Kptec Group의 이 단순한 모토 뒤에는 많은 것을 내포하고 있다. Kptec Group은 공작기계 가공 스핀들을 수리하고 정밀 검사와 테스트를 수행하는 업체이다. 목표는 가능한 한 고객사의 가동 중지를 줄이는 것이다.

테오 드렉셀(Theo Drechsel): 자유 기고가

핵심 내용

  • Blum-Novotest의 모바일 스핀들 모니터링 솔루션 PSC(휴대용 스핀들 제어)는 kptec service GmbH의 스핀들 서비스에 새로운 가능성을 열어주었다.
  • PSC는 마그네틱 홀더와 기계의 가공 테이블에 부착된 레이저 측정 시스템, 인터페이스 장치 그리고 연결된 랩톱에서 실행되는 LC-Vision PSC 소프트웨어로 구성된다.

독일 슈투트가르트 근처 쇼른도르프의 Kptec Group은 공구 홀더와 공구 세팅 장치 그리고 측정 기술 시스템 공급업체인 Kelch Group에서 출발했다. Kptec 그룹 산하 kptec service는 스핀들 서비스 업체로, kptec cryo는 금속 및 플라스틱 부품의 극저온 처리 서비스 제공 업체로, kptec precision parts는 정밀 부품 계약 제조업체로 활동하고 있다.

kptec precision parts는 완전한 스핀들 샤프트와 스핀들 하우징 그리고 타이 로드, 플랜지 및 커버와 같은 부품을 생산하고 있으며, 회사 이름이 모든 것을 대변하고 있다. 스핀들 제조 시 동심도는 최대 1마이크로 미터의 정확도를 달성하고, 샤프트에서 복잡한 내부 윤곽을 만든다. 중요한 것은 스핀들 서비스 영역의 장착 상태에서 스핀들을 검사하는 것이다. “기계가 더 이상 정밀도를 달성하지 못하거나 품질이 못 미친다는 것을 파악하면 무엇이 문제인지 먼저 확인해야 합니다.”(마르코 포프 이사)

지금까지는 스핀들에 측정 맨드릴을 삽입하고 다이얼 게이지를 이용하여 스핀들의 편차를 수동으로 기록하는 방법밖에 없었다. 하지만 스핀들의 상태는 속도와 실행 시간에 따라 크게 바뀐다. 예를 들어, 베어링 어셈블리의 예압은 속도 범위에 따라 변하고, 스핀들은 가열되어 팽창하기 때문에 작동 중에 영향을 미치는 이러한 변화를 수동으로 측정하고 기록하기 어렵다.

모든 작동 상태에서 측정이 가능한 솔루션

Blum-Novotest는 회전하는 스핀들이나 모든 작동 상태에서 측정할 수 있고 이동 가능한 지능형 솔루션 PSC (Portable Spindle Control, 휴대용 스핀들 제어 장치)를 개발했다. 휴대용 케이스에 들어 있는 PSC는 마그네틱 홀더로 기계의 가공 테이블에 부착되는 레이저 측정 시스템과 인터페이스 장치 그리고 노트북에서 실행되는 LC-Vision PSC 소프트웨어로 구성된다. 레이저 측정 시스템과 노트북의 인터페이스는 교환 가능한 리본 케이블로 연결되며, 이 케이블은 닫혀 있는 기계 안전 도어를 통해 연결할 수 있다.

작업자는 측정을 위해 클램핑된 기준 공구로 스핀들을 측정 시스템의 레이저 빔에 배치하고 NC 프로그램을 시작하면, 이를 통해 기계는 이전에 정의된 속도 단계로 돌아간다. 그리고 측정과 동시에 PC에 설치된 소프트웨어가 측정 데이터를 평가하고 이를 노트북 화면에 시각화한다. 일반적으로 첫 번째 측정은 안정성 측정이다. 따라서 스핀들은 공칭 속도로 회전하여 워밍업을 진행하고, 30초 후에 다시 측정한다. 이 시간 내에 스핀들이 이전에 정의된 영역을 초과하여 축 방향으로 이동하는 경우 스핀들은 아직 열적으로 안정적이지 않은 경우이며, 30초 시간 창에서 측정값이 더 이상 변경되지 않을 때까지 측정을 계속한다. 측정값이 더 이상 변동하지 않으면 열적으로 안정적 상태에 들어간다. “우리는 이 측정 과정에서 실패한 경험이 있습니다. 어떤 경우에는 냉각 장치가 너무 늦게 시작되어 스핀들이 너무 뜨거워졌던 경험이 있습니다.”(마르코 포프) 이러한 경우 냉각 라인이 막히는 등 문제가 있었다.

이후 전체 속도 범위에 걸쳐 런 아웃 측정이 이루어지며, 이때 축 방향 런 아웃과 반경 방향 런 아웃이 정확하게 측정되고 문서화된다. 또한 스핀들 베어링 내의 다양한 진동 기록을 포함하여 진동 분석과 매개변수 측정이 수행된다. “처음에는 모든 값이 이상이 없어 보였는데, 분당 9,000회전 이상에서 축 방향 런 아웃 값이 원하는 5μm를 초과했던 적이 있습니다. 진동 측정의 경우, 고속에서 변동이 나타났습니다. 기계가 Z 축에서 충돌이 있었는지 물었더니 고객이 그런 경험이 있다고 대답했습니다.”(마르코 포프)

잘 알려진 자동차 공급업체의 경우, 또 다른 적용 사례가 있다. Blum-Novotest는 PSC를 이용하여 머시닝 센터의 두 스핀들 가운데 하나가 마모되어, 부정확한 가공으로 불량품이 양산되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 정밀한 비접촉식 측정을 통해 스핀들 주변에서 발생하는 문제도 인식할 수 있었다. 엄밀히 말하자면 스핀들과 관련이 없었지만, 이는 기계가 동일한 부품을 수년 동안 제조하면서 항상 같은 위치에서 이동했기 때문에 볼 나사, 가이드 웨이, 슬라이드 등이 마모된 것이었다.

시스템은 기계 컨트롤에 좌우되지 않는다

“PSC의 장점은 기계 컨트롤에 좌우되지 않는다는 점입니다. 이 시스템은 작동을 위해 기계 컨트롤에 연결하거나 관련 PLC 조정이 필요하지 않은 플러그 앤 플레이 솔루션입니다.” (에르하르트 슈트로벨, Blum-Novotest 기술 영업 담당) 측정 프로그램이 포함되어 있지만 간단한 프로세스는 기계에서 수동으로 빠르게 프로그래밍할 수 있다. 단순한 프로그램을 수동으로 실행하는 것도 가능하다.

kptec service 현장 직원은 고객을 정기적으로 방문하고 Blum의 PSC 시스템을 이용하여 2~3대의 기계를 확인한다. 이러한 방식으로 초기 결함을 일찍 발견할 수 있다. 이후 고객은 예방 조치로 교체 스핀들을 구매하거나 교체 스핀들을 납품받아, 주말이나 좀 더 여유가 있는 셋업 단계에 이를 교체할 수 있고, 이러한 방식으로 계획하지 않은 가동 중지 시간을 최소화할 수 있다.

또한 kptec은 PSC를 통해 스핀들에 대한 장기 문서를 작성하고, 이를 통해 수년에 걸쳐 현황을 추적할 수 있다. 이러한 방식으로 매우 느리게 진행되는 마모 프로세스를 인식하고 적절한 시기에 대응할 수도 있다. kptec의 고객 투명성에는 분해 및 수리 프로세스의 프로토콜 작성도 포함된다. “스핀들을 설치한 후 고객에게 PSC 시스템으로 한 번 더 측정을 할 수 있는 기회를 제공합니다. 이렇게 하면 고객이 어떻게 수리가 진행되는지 정확히 파악할 수 있어 추가적인 신뢰를 얻을 수 있습니다.”(마르코 포프)