고정형·휴대형 계측 프로빙 시스템이 진화를 이루어냈다. 기존의 단일 지점에서 촉각을 이용해 측정하는 프로브에서 고급 스캐닝 레이저 프로브로 발전한 것. 까다로운 환경에서도 다양한 재료를 고속으로 측정할 수 있게 됨으로써 프로빙 시스템은 측정 분야에 새로운 장을 열었다.
 

계측 및 측정을 하는 이유는 단순하다. 만들어진 제품이 원래 설계 의도에 맞게 제작되었는지 확인하고자 하는 것. 정밀 측정은 설계 단계와 실제 제품 사이의 차이를 확인하고 이를 줄이기 위한 작업이라고 보아도 무방하다.

계측은 실로 다양한 수학적 정보를 수집함으로써 이루어진다. 막 만들어낸 부품들에 대해 물리적 차원에서의 특징들을 모으는 것. 하지만 단순히 정보를 모으는 것만으로는 계측이라고 보기 어렵다. 수집한 정보를 설계 사항과 서로 비교하는 과정이야말로 실질적인 계측이라고 볼 수 있다.

시간이 지남에 따라 계측 및 측정 작업을 수행할 수 있는 기술 및 능력이 점점 발전하고 있다. 초기의 측정 기술은 한 번에 한 차원밖에 측정할 수 없었다. 높이와 길이 그리고 깊이 중 한 가지씩만을 측정하던 것. 이 문제는 1960년대에 들어서야 해결되었다. 3차원측정기(Three-Dimensional Coordinate Measuring Machine, 3D CMM)가 시장에 데뷔한 것.
 

3차원측정기는 제조 및 조립 공정에서 부품 제작이나 공정 과정이 설계에 맞게 이루어졌는지 확인하는 역할을 한다. 대상의 X축과 Y축 그리고 Z축을 정밀하게 기록하고 회귀 알고리즘을 통해 분석 지점을 만들어낸다.

일반적인 ‘브리지’ 타입 3차원측정기의 측정 도구는 세 개의 축으로 구성되어있다. X축과 Y축 그리고 Z축이 그것이다. 각 축은 일반적인 입체좌표계 안에서 서로 직각으로 만난다. 각 축은 해당하는 축의 위치를 가리키는 측정 체계(Scale System)를 가지고 있다. 

접촉식 프로브

작업자 혹은 기계가 3차원측정기에 명령을 내리면 측정기는 접촉식 프로브를 통해 들어온 입력을 판독 및 분석한다. 프로브가 어떤 부품이나 요소의 표면에 접촉하면 스타일러스(특수 컴퓨터 화면에 글을 쓰거나 그림을 그리는 등의 표시를 할 때 쓰는 펜, 출처 영어사전)가 방향을 바꿈과 동시에 X·Y·Z축 좌표 정보를 컴퓨터로 전송한다. 이 지점들은 프로브를 이용해 수집 및 축적되는데, 운영자가 수동으로, 혹은 직접 컴퓨터 제어(DCC)을 통해 반복적으로 동일한 부분을 측정할 수 있도록 설계함으로써 자동으로 작업을 수행할 수 있다.
 

최근 접촉식 프로브가 크게 발전했다. 부품 표면을 따라 드래그하듯 이동하면서 일정한 간격으로 측정 지점을 만들어낼 수 있게 되었다. ‘스캐닝 프로브’라고도 하는 3차원측정기 검사법은 기존 접촉식 프로브 방식보다 정확할 뿐 아니라 최대 몇 배나 더 빠르다. 

  휴대용(이동식) 3차원측정기

휴대용 3차원측정기는 연결식(Atriculated) 로봇 팔의 형태를 취하고 있다. 기존 3차원측정기와 외형적인 차이점이다. 연결식 로봇 팔은 기존의 직선 축 대신 여섯 개 혹은 일곱 개의 회전 축을 가지고 있다. 각 회전 축에는 로터리 인코더가 들어있다. 휴대용 로봇 팔은 일반적으로 10㎏ 미만으로 무게가 가볍다. 사실상 거의 어디에서든 이동 및 사용할 수 있다.
 

하지만 휴대용 3차원측정기에는 단점도 존재한다. 수동 조작시에 정확도가 떨어진다는 점이 그것이다. 브리지형 3차원측정기보다 전반적인 정확도가 낮다는 점 역시 불안요소다.

비 반복적인 응용분야, 예를 들면 역설계 및 부피가 작은 부품의 대규모 검사는 휴대용 3차원측정기가 적합하다. 또한 부품이 지나치게 크거나 무겁거나 고정되어있는 부품을 검색해야 하는 경우 휴대용 3차원측정기가 유일한 해답이다.

비접촉식 스캐닝

차세대 스캐닝 프로브는 비접촉식 검사법으로 더욱 유명하다. 비접촉식 스캐닝은 일부 지점(포인트) 프로브나 라인스캔 프로브를 포괄적으로 일컫는 용어로, 진행속도가 무척 빠른 것이 특징이다.
 

광학식 프로브(특히 라인 스캐너)는 지금까지 존재하던 가장 빠른 형태의 프로브보다 몇 배나 빠르다. 수집한 자료들을 모아 ‘포인트클라우드’라는 거대한 자료를 만들 수 있다. 포인트클라우드는 단순히 크기와 위치를 확인하는 것뿐 아니라, 프로브가 수집해온 고밀도 정보들을 대조함으로써 전체적인 3차원 자료를 생성하는 것도 특징이다.
 

광학 스캐너는 자유로운 형태를 가진, 다시 말해 복잡한 부품에 적합하다. 바이크의 형태와 장식 그리고 좌석 등이 대표적이다. 이 외에도 다양한 소비자 제품과 의학적 구성요소 그리고 발전(發電)에 필요한 부품 등에 쓰인다.
 

광학식 프로브는 고객이 가지고 있는 일반적 문제들을 새로운 방법으로 해결한다. 전형적인 응용사례는 다음과 같다.

1. 대상 검사 및 확인. 포인트클라우드가 가지고 있는 특수 측정 기능을 활용해 다차원적 검사 혹은 기하공차(GD&T) 검사를 거쳐 결과물을 설계 당시 설정한 수치와 비교한다. 기하공차 검사는 기존 접촉식 측정으로도 수행할 수 있다. 하지만 허용오차가 0.5㎜ 이상인 경우라면 광학 스캐너의 검사 속도가 더욱 빠르다. 반면 비접촉식 측정법은 측정 편차가 심하기 때문에 적합하지 않다.
 

포인트클라우드가 담고 있는 고밀도 정보를 통해 CAD 표면 모델과 비교해 부품 전체의 ‘색상 지도’를 만들어낼 수 있다. FAI 검사 (First Atricle Inspection, 양산 공정에서 대량의 LOT 불량을 방지하기 위해서 처음 작업된 제품에 대하여 실시하는 검사방법. 출처 PCB/SMT/PACKAGE/DIGITAL 용어 해설집) 및 생산라인 조정 공정에 강한 도구다.
 

일반적인 소비자는 각 부분을 측정하는 데에 그치고 있다. 하지만 최근에는 각 부품 뿐 아니라 부품을 만든 도구들까지 검사하는 추세다. 이 덕에 포인트클라우드가 더욱 빛을 발하고 있다.

2. 역설계. 역설계를 쉽게 풀이하자면, 어떤 부품의 물리적인 부분들을 측정한 뒤 이를 수치화해 CAD 형식으로 만들어내는 과정이라고 할 수 있다. 실제 부품을 바탕으로 설계도면을 만드는 과정이라고 이해하면 더욱 쉽다. 역설계는 제품 설계공정 대부분을 수동 조작으로 수행해야 할 때, 예를 들어 자동차 설계 등에 한 줄기 빛과도 같다.
 

CAD 기술이 비약적으로 발전했음에도 불구하고, 제품 설계 과정은 여전히 실물 제작을 바탕으로 시작되고는 한다. 이렇게 실물로 제작한 제품들은 향후 전자적인 형식(즉, CAD 형식 등)으로 변환할 필요가 있다.
 

설계도면이 더 이상 존재하지 않는 부품을 분석하는 데에도 역설계 방식이 널리 쓰인다. 사용할 수 없거나 사용 유효기간이 지난 제품을 교체하기 위해 CAD 모델이 필요한 것. 이 경우 역시 역설계 방식을 통해 설계도를 새로 만들어야 한다.

포인트클라우드는 3D CAD 모델을 생성하는 특수한 소프트웨어로 전송할 수 있을 뿐 아니라 전체적인 3D 모델을 만들어 CAD 소프트웨어로 직접 전달할 수도 있다.

3. 자가 복제(복사 및 비율 조절). 어떤 부품을 단 한 번만 복제해야 하는 경우라면 CAD 모델을 생성할 필요가 없다. 이 경우 포인트클라우드는 다각형 망(Polygonal Mesh)을 제공한다(다각형 망은 3D 모델의 기본 형태이기도 하다). 사용자는 다각형 망을 원하는 형태에 맞게 편집할 수 있다.  크기를 조절하거나 반쪽 모형을 만들 때 혹은 거울처럼 형태를 반전한 부품을 만들고자 할 때 유용하게 쓰인다. 최종 망(Final Mesh)을 통해 급속조형 혹은 절삭 등의 일반적인 제조기술로도 물리적인 복제를 실현한다.
 

대표적 복제 응용사례는 문화유산 복원 작업에서 찾을 수 있다. 시간이 지남에 따라 외형이 붕괴되고 있는 건물이나 일부분이 변형된 조각품 등에 유용하게 쓰인다.

고객 요구사항

위에서 기술한 응용사례들은 금속·플라스틱·점토 등 서로 다른 재질로 만들어진 다양한 개체들에 고루 적용할 수 있다. 이런 작업을 수행하기 위해 광학 프로브를 사용하는 고객들의 주요 요구사항은 다음과 같다.

·반복성: 연속으로 측정을 수행하기 위해서는 측정결과를 반복해서 도출할 수 있어야 한다.

·재현성: 실행하는 프로그램이나 시스템이 달라도 항상 같은 결과를 도출해야 한다.

·유연성: 프로브는 다양한 재료를 다양한 상황에서 측정할 수 있어야 하며, 부품 크기가 상이해도 사용에 무리가 없어야 한다. 절삭, 반 가공, 찍힘, 연마, 안쪽과 바깥쪽 재질이 상이한 것, 색이 칠해진 것 등 다양한 상황에서 금속·모래 코어·왁스·탄소 섬유·플라스틱·점토·고무·나무·도자기 등 많은 재질을 검사할 수 있어야 한다.

·신뢰성: 환경 조건에 구애받지 않고 다양한 상황에서 사용할 수 있어야 한다.

·편의성: 사용하기 쉬우며 사용자에게 교육하기도 편해야 한다.

·정밀성: 응용사례가 요구하는 정밀도를 충족해야 한다.

 

고정형·휴대형 3차원 측정 시스템은 지난 몇 년 동안 상당한 발전을 이루었다. Hi-Tech Metrology의 CMS106이나 CMS108 스캐너와 같은 독특한 기술은 정확하고 빠른 비접촉식 프로브를 바탕으로 이루어졌다. 다양한 재료를 측정할 뿐 아니라 여러 환경에서도 빠르게 적응한다. 동시에 반복성이 높고 재현성이 뛰어나며 유연하고 사용하기도 쉽다.