측정 5

제15장 3차원 측정기 및 한계 게이지

1. 3차원 측정기

(1) 개요

3차원 측정기(3 COORDINATE MEASUREMENT MACHINE)는 측정점 위치, 즉 물체의 측정 표면 위치를 검출할 수 있는 측정침(PROBE)이 3차원 공간으로 운동하면서 각 측정점의 공간좌표를 검출하고 그 데이터를 컴퓨터가 처리함으로써 3차원적인 위치나 크기, 방향 등을 측정하는 만능 측정기임.

(2) 기능 및 특징

1) 기능

고속 측정 기능. (방대한 형상 데이터의 단시간 생성)

고자유도 측정 기능. (복잡한 형상의 측정기능)

고신뢰도 측정 기능. (동일측정 정도 유지)

저비용 측정 기능.

고정도 측정 기능. (가공기계의 정도보다 높은 측정 정도)

정보 전달 기능. (CAD/CAM 시스템과의 연결)

2) 특징

복잡한 형상도 간단하게 측정할 수 있음.

수학적인 정렬이 가능함.

데이터 통신이 가능하고 응용 범위가 넓음.

데이터 처리가 용이함.

실시간 품질관리가 가능함.

(3) 구조

1) 몸체(측정대)

(가) 화강암

경년 변화가 작고 방진 효과가 우수함.

열적인 특성이 좋음.

가공이 어렵고 습기에 의한 변형이 유발될 수 있음.

무게에 의하여 측정 속도의 제약을 받음.

(나) 주강

가공성이 용이하고 가격이 저렴함.

측정대와 가이드를 일체로 제작할 수 있어 구조적으로 안정적임.

(다) 알루미늄 합금

열전도율이 좋고 가벼움.

중소형 측정기, 빠른 측정이 요구되는 곳, 현장에서의 사용에 적합함.

(라) 세라믹

기계의 특성 및 열적 특성이 우수함.

화강암에 비해 가공성이 좋음.

가격이 비싸고 충격에 약함.

2) 베어링

(가) 형식

공기 베어링 : 일반적으로 가장 많이 사용함.

구름 베어링 : 대형의 컨틸레버형, 칼럼형 등에 사용함.

(나) 공기 베이링의 특징

비접촉이므로 구동력이 작고 고속 운전이 가능함.

마모에 의한 정밀도 하락이 없어 수명이 반영구적임.

공기의 압축에 의하여 구동되므로 강성이 낮고 진동에 취약함.

3) 측정 스케일

광학식 스케일.

마그네틱 스케일.

전자 유도식 리니어 스케일.

정전 용량식 리니어 스케일.

레이저 길이 스케일.

(4) 측정점 검출기

1) 접촉식

(가) 종류

고정식 프로브, 전기 신호식 프로브, 스캐닝 프로브

(나) 특징

피측정물과 접촉을 확실히 할 수 있음.

보이지 않는 부분, 깊숙한 부분까지도 측정이 가능함.

접촉 시 압력에 의하여 미소한 변형이 발생할 수 있음.

CNC 작동 시 충돌 발생의 위험이 있음.

2) 비접촉식

(가) 종류

현미경식 프로브, 레이저 프로브

(나) 특징

광학적인 방법을 이용하여 접촉식 측정이 곤란한 경우 사용.(작은 구멍, 선)

측정압에 의한 변형이 없어 얇은 물체, 연한 물체 측정에 적합.

미소 부분을 확대하여 측정할 수 있음.

피측정물의 표면 상태 및 주변 조명의 영향을 많이 받음.

(5) 분류

1) 구조에 따른 분류

(가) 이동 브리지형(MOVING BRIDGE TYPE)

3차원 측정기 중 가장 많이 쓰이며 휨의 발생이 적음.

측정대 자체를 Y 축으로 사용할 수 있어 넓은 측정 범위를 갖고 있음.

피측정물의 설치와 해체가 쉬움.

(나) 캔틸레버형(CANTILEVER TYPE)

측정대보다 크기가 큰 피측정물을 설치할 수 있음.

피측정물의 중량에 의한 오차 요인이 적음.

구동부의 중량이 작아 수동식에 많이 사용됨.

3면이 개방되어 있어서 피측정물의 설치 및 해체가 용이함.

(다) 칼럼형(COLUMN TYPE)

아베의 원리에 가까운 구조로서 측정의 정확도가 높음.

X, Y, Z 축의 움직임이 독립되어 진직도, 직각도의 변화가 작음.

소형의 정밀 부품 측정이나 게이지 등의 검사에 주로 이용됨.

(라) 고정 브리지형(FIXED BRIDGE TYPE)

브리지가 고정되는 대신 측정대가 이동함.

칼럼형과 같이 측정의 정확도가 높음.

넓은 측정범위를 갖고 있으며 기계적 안정성을 유지함.

피측정물의 중량의 영향을 받음.

2) 구동 방식에 따른 분류

(가) 수동형(MANUAL TYPE)

각 축의 이동 및 조작을 사람의 손으로 함.

고정식 프로브의 사용이 가능함.

구조가 간단하고 가격이 저렴함.

소형의 이동 브리지형에 주로 사용됨.

(나) 조종간형(JOYSTICK TYPE)

각 축에 전동기가 부착되어 조정간으로 원격조작을 하여 측정함.

반복 정밀도가 좋고 측정자에 따른 과실오차를 줄일 수 있음.

넓은 측정 영역을 가지므로 큰 용량의 3차원 측정기에 적합함.

(다) CNC형

프로그램에 의하여 컴퓨터로 자동 측정함.

자동화, 무인화로 가동효율이 극대화됨.

CAD/CAM과의 통합으로 CIMS 구축이 가능함.

측정과 컴퓨터에 대한 전문지식이 필요함.

2. 특수 측정법

(1) 한계 게이지

1) 개요

기계를 제작할 때 설계 도면에 표시된 치수를 정확히 가공하는 것은 불가능함.

따라서 설계자가 미리 그 치수의 허용범위 및 끼워맞춰지는 구멍과 축의 조합에 대하여 규정한 것이 치수공차 및 끼워맞춤 규격임.

이 규격에 정한 최대 및 최소 허용 치수로서 관리하는 공차 방식을 한계 게이지 방식이라 하며 이때 사용하는 게이지를 한계 게이지라 함.

 2) 종류

(가) 구멍용 한계 게이지

ⓛ 플러그 게이지

– 통과측(GO END)과 정지측(NOT GO END)이 있고 통과측은 원통부의 길이가 정지측보다 길게 되어 있음.

– 구멍과 통과측 지름의 차가 극히 작은 경우에는 게이지 선단부에 적당한 안내면을 만들며 게이지부와 손잡이부는 구분하여 제작한 후 조립해야 함.

– 필요 이상의 가공을 하지 않으므로 가공이 쉬우며 제품 간에 호환성을 지님.

– 조작이 간단하여 숙련자가 아니어도 사용이 쉬움.

– 피측정물의 치수마다 각기 다른 치수의 한계 게이지가 필요함.

– 피측정물의 실제 치수는 읽을 수 없고 합부 판정에만 사용됨.

② 테보 게이지

– 통과측은 최소 허용값과 동일한 지름을 갖는 구의 일부로 되어 있고 정지측은 같은 구면상에 공차만큼 지름이 커진 구형의 돌기가 붙어 있음.

– 게이지를 구멍 속에 최소 치수 부분으로 넣어 돌기쪽으로 돌릴 때 돌지 않으면 허용한계 치수 내에 있는 것을 알 수 있음.

(나) 축용 한계 게이지

ⓛ 링 게이지

– 지름이 작은 것이나 두께가 얇은 피측정물의 측정에 사용되며 정지측은 홈을 파서 구분하고 통과측보다 길이를 짧게 함.

– 지름이 큰 경우에는 플랜지형으로 만들어서 무게를 줄이고 다루기 쉽게 할 것.

② 스냅 게이지

– 형식에 따라 양구형과 편구형으로 구분됨.

– 스냅 게이지는 축을 직각 방향에서 끼워 검사하며 측정압력이 작용할 수 있으므로 측정 시 주의가 필요함.

3) 제작 공차

(가) 제작 공차의 영향

게이지 제작 공차를 작게 하면 게이지의 제작비가 비싸지나 공차를 다소 크게 할 수 있어서 제품 제작이 쉽고 게이지 제작 공차를 크게 하면 공차가 작게 되어 제품의 제작이 곤란해짐.

(나) 제작 공차의 고려 사항

한계 게이지를 이용하여 측정한 제품은 공차 범위 내의 치수로 되어야 함.

공작용 한계 게이지로 합격된 제품이 검사용 한계 게이지로 검사 시 불합격이 되어서는 안됨.

게이지의 마모 여유를 적당히 규정하여 게이지가 다소 마모되어도 측정 제품은 공차 범위 내에 있어야 함.

– 다음은 30H7 구명용 플러그 게이지의 제작 공차(㎛)임.

(다) 테일러의 원리

ⓛ 정의

– 한계 게이지에 의하여 합격된 제품에 있어서도 축의 휨이나 구멍의 요철, 진원이 아닌 형상 등을 가려내지 못하여 끼워맞춤이 되지 않는 경우가 많음.

– 이를 보완하기 위하여 통과측은 측정 전 길이에 대한 치수 또는 결정량이 동시에 검사되어야 하며 정지측은 각 치수가 따로따로 검사되어야 한다는 이론임.

☞ 통과측과 모든 치수는 동시에 검사가 되어야 하고 통과측 게이지는 피측정물의 길이와 같아야 하며 정지측 게이지의 길이는 짧을수록 좋음.

② 원통 축, 원통 구멍에 대한 게이지 선택

3차원 측정기 및 한계 게이지에 대한 포스트를 마쳤으며 다음에는 또 다른 특수 측정법에 대한 포스트를 진행할 예정입니다.