3차원 측정기란 제품의 표면에 있는 여러 지점의 X, Y, Z 좌표를 측정해 부품의 치수와 형상, 위치 등을 확인하는 측정장비입니다.
영어로는 Coordinate Measuring Machine이라고 하며 일반적으로 CMM이라고 부릅니다.
버니어 캘리퍼스나 마이크로미터를 사용하면 길이, 두께, 지름과 같은 비교적 단순한 치수를 측정할 수 있습니다. 하지만 자동차 부품이나 정밀 기계부품처럼 형상이 복잡해지면 단순한 측정도구만으로 모든 부분을 검사하기 어려워집니다.
특히 구멍의 정확한 위치, 두 면 사이의 각도, 복잡한 곡면이나 기하공차를 측정해야 한다면 여러 방향의 좌표를 동시에 확인해야 합니다.
이러한 측정에 활용되는 대표적인 장비가 3차원 측정기입니다.
3차원 측정기란 무엇인가?
3차원 측정기의 핵심은 좌표입니다.
일반적인 공간은 X축, Y축, Z축의 세 방향으로 표현할 수 있습니다.
X축을 좌우 방향, Y축을 앞뒤 방향, Z축을 높이 방향이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다.
3차원 측정기는 측정 프로브가 제품의 특정 지점에 접촉했을 때 해당 지점의 X, Y, Z 좌표를 기록합니다.
하나의 점만 측정해서는 많은 정보를 얻을 수 없지만 여러 지점을 측정하면 이야기가 달라집니다.
예를 들어 원형 구멍의 여러 위치를 측정하면 소프트웨어를 이용해 원의 중심과 지름을 계산할 수 있습니다.
평평한 면의 여러 지점을 측정하면 하나의 평면을 구성할 수 있고, 원통형 부품의 여러 지점을 측정하면 원통의 중심축이나 지름 등을 계산할 수 있습니다.
즉, 3차원 측정기는 여러 개의 좌표점을 이용해 실제 제품의 형상을 수학적으로 만들어내는 장비라고 이해할 수 있습니다.
프로브는 어떤 역할을 할까?
3차원 측정기에서 제품을 직접 측정하는 부분을 프로브라고 합니다.
접촉식 3차원 측정기에서는 프로브 끝부분에 구 형태의 스타일러스가 장착되어 있는 경우가 많습니다.
이 스타일러스를 제품 표면에 접촉시키면 장비가 접촉 순간의 위치를 좌표값으로 기록합니다.
예를 들어 평면을 측정하려면 해당 표면의 여러 위치를 프로브로 측정합니다.
구멍을 측정하려면 구멍 내부의 여러 지점을 측정합니다.
이렇게 얻은 여러 좌표를 이용하여 측정 소프트웨어가 필요한 형상을 계산합니다.
따라서 3차원 측정기는 사람이 자를 이용해 두 점 사이의 거리를 직접 읽는 방식과는 측정 원리가 다릅니다.
먼저 실제 제품의 좌표 데이터를 얻은 뒤 이를 이용해 길이와 지름, 위치, 각도 등을 계산합니다.
점 몇 개로 어떻게 평면을 측정할까?
3차원 측정기를 처음 접하면 프로브로 몇 번 접촉하는 것만으로 어떻게 평면이나 원을 만들어내는지 궁금할 수 있습니다.
수학적으로 하나의 평면을 정의하려면 최소한 세 개의 서로 다른 점이 필요합니다.
하지만 실제 측정에서는 제품의 표면 상태를 보다 정확하게 반영하기 위해 필요한 만큼 더 많은 측정점을 사용할 수 있습니다.
측정된 여러 좌표를 바탕으로 측정 소프트웨어가 평면을 계산합니다.
원 역시 비슷합니다.
원의 둘레에 존재하는 여러 지점을 측정하면 측정된 점을 이용해 원의 중심과 크기를 계산할 수 있습니다.
원통을 측정할 때는 여러 높이와 방향에서 점을 측정하여 원통의 지름과 축을 계산할 수 있습니다.
따라서 3차원 측정에서는 얼마나 많은 점을 어떤 위치에서 측정할 것인지도 중요한 요소가 됩니다.
3차원 측정기에서 기준 설정이 중요한 이유
제품을 측정하기 전에 반드시 생각해야 하는 것이 기준입니다.
제품을 측정기 위에 아무렇게나 올려놓으면 제품의 위치와 각도는 측정할 때마다 조금씩 달라질 수 있습니다.
이 상태에서 장비 자체의 좌표만 이용한다면 같은 제품도 놓는 방법에 따라 측정 좌표가 달라집니다.
그래서 실제 측정에서는 부품에 지정된 기준을 이용하여 제품 좌표계를 설정합니다.
예를 들어 바닥면을 데이텀 A, 측면을 데이텀 B, 다른 측면을 데이텀 C로 사용한다고 생각해보겠습니다.
먼저 데이텀 A에 해당하는 면을 측정하여 제품의 기본적인 자세를 설정합니다.
그다음 데이텀 B와 C를 이용해 나머지 방향과 위치를 결정할 수 있습니다.
이렇게 제품 자체의 기준을 이용해 좌표계를 만든 뒤 다른 홀이나 면의 위치를 측정합니다.
앞에서 살펴본 데이텀 개념이 3차원 측정에서 매우 중요한 이유입니다.
구멍 위치는 어떻게 측정할까?
구멍 위치를 측정한다고 생각해보겠습니다.
먼저 제품의 데이텀을 이용하여 좌표계를 설정합니다.
그다음 프로브를 구멍 내부의 여러 위치에 접촉시킵니다.
측정된 좌표들을 이용해 구멍의 원 또는 원통 형상을 계산하면 구멍의 중심 위치를 구할 수 있습니다.
이 중심 좌표를 설계에서 요구한 위치와 비교하면 구멍이 어느 방향으로 얼마나 이동했는지 확인할 수 있습니다.
위치도와 같은 기하공차를 평가할 때도 이러한 좌표와 데이텀 관계를 이용할 수 있습니다.
실제로 CMM에서는 데이텀 평면들을 설정한 뒤 대상 형체를 측정해 위치도를 계산할 수 있습니다.
3차원 측정기로 무엇을 측정할 수 있을까?
3차원 측정기는 단순한 길이 측정뿐 아니라 다양한 형상과 기하학적 특성을 측정하는 데 활용됩니다.
대표적으로 길이와 폭, 높이와 같은 기본 치수를 확인할 수 있습니다.
원이나 구멍의 지름도 측정할 수 있습니다.
구멍 사이의 거리나 특정 기준에서 구멍 중심까지의 위치를 계산할 수도 있습니다.
평면을 측정하면 평면도를 평가하는 데 사용할 수 있고 두 개의 형상을 비교하면 평행도나 직각도와 같은 기하공차 평가에도 활용할 수 있습니다.
제품과 측정장비, 소프트웨어의 구성에 따라 위치도나 윤곽도처럼 보다 복잡한 기하공차도 검사할 수 있습니다.
이 때문에 3차원 측정기는 복잡한 기계부품의 치수검사에서 널리 활용됩니다.
3차원 측정기는 제품을 어떻게 움직이며 측정할까?
일반적인 접촉식 CMM은 서로 직각을 이루는 X, Y, Z 방향으로 이동할 수 있는 구조를 가지고 있습니다.
장비 형태에 따라 브리지형이나 갠트리형 등 다양한 구조가 존재합니다.
프로브가 각 축 방향으로 움직이면서 제품의 필요한 위치에 접근하고 측정을 수행합니다.
각 축에는 위치를 확인할 수 있는 측정 시스템이 있기 때문에 프로브가 제품에 접촉했을 때 공간상의 좌표를 확인할 수 있습니다.
이러한 구조 덕분에 하나의 방향뿐 아니라 제품의 여러 면과 구멍, 복잡한 형상을 측정할 수 있습니다.
접촉식과 비접촉식 측정의 차이
모든 3차원 측정장비가 제품에 직접 접촉하는 것은 아닙니다.
전통적인 CMM에서는 스타일러스를 제품 표면에 접촉시키는 방식이 많이 사용됩니다.
접촉식은 실제 제품 표면의 위치를 직접 측정할 수 있다는 장점이 있습니다.
하지만 매우 부드러운 소재나 접촉에 민감한 제품에서는 측정압력이 영향을 줄 수도 있습니다.
비접촉식 장비에서는 카메라나 레이저 등의 방법을 이용해 제품의 형상을 측정할 수 있습니다.
복잡한 표면에서 많은 데이터를 빠르게 확보해야 하는 경우에는 광학식 측정이나 3D 스캐닝 방식이 활용되기도 합니다.
따라서 어떤 방식이 무조건 좋다고 보기보다는 제품의 크기와 소재, 형상, 필요한 정확도 등에 따라 적절한 측정방식을 선택하는 것이 중요합니다.
3차원 측정기의 장점은 무엇일까?
3차원 측정기의 가장 큰 장점은 하나의 장비로 다양한 치수와 형상을 평가할 수 있다는 것입니다.
단순 측정공구로는 확인하기 어려운 복잡한 형상도 좌표 데이터를 이용해 측정할 수 있습니다.
또한 측정 결과를 데이터로 저장하기 때문에 여러 제품의 측정값을 비교하거나 검사성적서를 작성하는 데 활용할 수 있습니다.
반복적으로 생산되는 제품에서는 동일한 측정 프로그램을 활용하여 같은 위치를 측정할 수도 있습니다.
설계 CAD 데이터와 연계할 수 있는 시스템에서는 실제 제품과 설계 형상의 차이를 비교하는 것도 가능합니다.
3차원 측정기라면 항상 정확할까?
3차원 측정기를 사용한다고 해서 자동으로 정확한 결과가 만들어지는 것은 아닙니다.
측정 결과에는 다양한 요소가 영향을 줄 수 있습니다.
첫 번째는 기준 설정입니다.
동일한 제품이라도 어떤 데이텀으로 좌표계를 구성했는지에 따라 특정 위치의 결과가 달라질 수 있습니다.
두 번째는 측정점입니다.
복잡하거나 변형된 형상을 너무 적은 점으로 측정하면 실제 형상을 충분히 반영하지 못할 수 있습니다.
세 번째는 프로브의 상태입니다.
스타일러스 크기와 길이, 교정상태도 측정 결과에 영향을 줄 수 있습니다.
측정환경 역시 중요합니다.
정밀한 측정에서는 온도 변화에 의해 제품이나 장비가 팽창하고 수축할 수 있기 때문에 측정환경 관리가 중요할 수 있습니다.
결국 정확한 장비와 함께 올바른 측정방법이 필요합니다.
캘리퍼스와 3차원 측정기의 차이
버니어 캘리퍼스는 현장에서 빠르게 길이나 외경, 내경 등을 확인하기에 매우 유용합니다.
하지만 복잡한 3차원 위치관계를 확인하는 데는 한계가 있습니다.
예를 들어 두 홀 사이의 단순한 거리는 캘리퍼스로 측정할 수 있을 수도 있습니다.
하지만 데이텀 A, B, C를 기준으로 홀 중심의 정확한 3차원 위치도를 평가해야 한다면 훨씬 복잡해집니다.
3차원 측정기는 이러한 형상을 좌표 형태로 계산하기 때문에 복잡한 기하공차 측정에 유리합니다.
반대로 단순한 치수를 빠르게 확인하는 데 반드시 3차원 측정기가 필요한 것은 아닙니다.
측정 대상과 요구 정확도에 따라 적합한 측정도구를 사용하는 것이 중요합니다.
측정값이 사람마다 달라질 수도 있을까?
가능합니다.
3차원 측정기는 측정값을 디지털 방식으로 계산하지만 측정 계획을 만드는 과정에는 여러 판단이 들어갈 수 있습니다.
어느 위치를 측정할지, 몇 개의 측정점을 사용할지, 어떤 데이텀을 기준으로 좌표계를 구성할지에 따라 결과에 차이가 발생할 수 있습니다.
원이나 평면을 계산할 때 사용하는 평가방법도 측정 목적에 따라 고려해야 할 수 있습니다.
따라서 반복적인 품질검사를 진행한다면 측정방법과 측정위치, 기준 설정을 표준화하는 것이 중요합니다.
같은 제품을 검사하면서 측정자마다 서로 다른 방법을 사용하면 결과를 직접 비교하기 어려워질 수 있기 때문입니다.
3차원 측정 결과는 품질관리에 어떻게 활용될까?
3차원 측정 결과는 단순히 제품 하나를 합격과 불합격으로 판단하는 데만 사용하는 것이 아닙니다.
반복적으로 생산되는 제품의 치수를 계속 측정하면 특정 치수가 어느 방향으로 변화하고 있는지도 확인할 수 있습니다.
예를 들어 처음에는 목표값 주변에서 생산되던 홀이 시간이 지날수록 한 방향으로 조금씩 이동한다면 금형이나 지그, 설비 등에 변화가 있는지 확인할 수 있습니다.
측정 데이터를 축적하면 불량이 발생한 뒤 원인을 찾는 것뿐 아니라 제품이 공차를 벗어나기 전에 변화를 발견하는 데도 도움이 될 수 있습니다.
이처럼 측정은 품질검사의 마지막 단계만을 의미하지 않습니다.
제조공정의 상태를 확인하고 개선하기 위한 데이터로도 활용될 수 있습니다.
3차원 측정기를 이해할 때 기억할 점
3차원 측정기의 핵심은 X, Y, Z 좌표입니다.
프로브를 이용해 제품 표면의 여러 위치에서 좌표 데이터를 얻고 이를 조합하여 점, 선, 원, 평면, 원통 등의 형상을 계산합니다.
그리고 계산된 형상을 이용해 길이나 지름뿐 아니라 위치도, 평행도, 직각도 등 다양한 측정값을 평가할 수 있습니다.
하지만 측정기의 성능만큼 중요한 것이 측정 기준과 측정방법입니다.
데이텀 설정이 잘못되거나 측정점이 적절하지 않으면 정밀한 장비를 사용하더라도 제품의 실제 상태를 제대로 판단하기 어려울 수 있습니다.
결론
3차원 측정기란 제품 표면의 여러 지점에서 X, Y, Z 좌표를 얻어 부품의 치수와 형상, 위치 등을 측정하는 장비입니다.
프로브가 제품 표면을 측정하면 각 지점의 좌표가 기록되고 여러 좌표를 조합하여 평면, 원, 구멍, 원통 등의 형상을 계산합니다.
이러한 원리를 이용하면 단순한 길이와 지름뿐 아니라 홀 위치, 평면도, 직각도, 평행도, 위치도와 같은 다양한 기하학적 특성을 검사할 수 있습니다.
특히 3차원 측정에서 중요한 것은 제품의 기준을 정확하게 설정하는 것입니다.
데이텀을 이용해 제품 좌표계를 만든 뒤 해당 기준에서 다른 형상의 위치와 방향을 측정해야 설계에서 요구한 조건과 제대로 비교할 수 있습니다.
결국 3차원 측정기는 단순히 정밀한 측정장비가 아니라 실제 제품을 3차원 좌표 데이터로 바꾸고 설계 도면과 비교할 수 있도록 하는 품질검사 도구라고 할 수 있습니다.
다음으로 알아볼 내용은 검사구입니다. 3차원 측정기가 좌표 데이터를 이용해 제품의 상태를 정밀하게 분석한다면 검사구는 실제 생산현장에서 제품의 특정 형상이나 조립조건을 빠르게 확인하는 데 활용할 수 있습니다.