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다양한 상황에서 - CMM 스타일러스 선택 안내서

가장 적합한 스타일러스를 결정하기 위해서는 몇 가지 중요한 요소를 고려해야 합니다.

스타일러스 선택 시 고려할 요소

필요한 CMM 측정 정확도를 평가할 때는 CMM 불확실성 대 형상 공차의 비율이 최소 1:5(1:10이 이상적이지만 대부분의 경우 너무 고가이어서 현실성이 없음)이 되도록 하는 것이 좋습니다. 이 비율에서는 구성품의 예상 이동 범위에 비해 상대적으로 결과의 불확실성이 적도록 안전성이 강화됩니다. 가장 엄격한 공차에서 1:5의 비율을 유지할 수만 있다면 뛰어난 정확도 유지가 가능합니다.

프로브에서 스타일러스를 교체하는 정도의 해가 없는 작업도 실제 정확도에 상당히 큰 영향을 미쳐 측정 결과에 두드러진 편차를 유발할 수 있습니다. 이 정확도를 확인하는 데 CMM의 연간 캘리브레이션에만 의존하는 것은 충분하지 않습니다. 연간 캘리브레이션에서는 테스트(일반적으로 매우 짧음)에 스타일러스 사용 시의 결과만 확인하기 때문입니다. 이것이 최상의 정확도가 될 가능성이 있습니다. 폭넓은 측정에 대한 가능한 정밀도를 충분히 이해하기 위해, 스타일러스가 측정 불확실성에 어떤 방식으로 영향을 주는지를 알아야 합니다.

이 섹션에서는 스타일러스가 전반적인 CMM 정확도에 영향을 미치는 요인 네 가지를 살펴볼 것입니다.

1. 스타일러스 볼 구형도(원형도)

2. 스타일러스 휨

3. 열적 안정성

4. 스타일러스 팁 재료 선택(스캐닝 분야)

스타일러스 볼 구형도(원형도)

대부분 스타일러스의 측정 팁은 가장 일반적인 재료인 합성 루비로 만들어진 볼입니다. 이러한 팁의 구형도(원형도) 오차는 CMM 측정 불확실성의 한 요소이며, 이 방식 사용 시에는 CMM 정확도가 10% 가량 떨어지는 경우에 흔히 발생합니다.

루비 볼은 완벽한 구체 대비 최대 볼 편차와 관련된 '등급'으로 정의되는 다양한 정밀도 수준으로 제조됩니다. 가장 널리 사용되는 두 가지 볼 사양은 5등급과 10등급입니다(등급이 낮을수록 볼이 더 우수함). 5등급에서 10등급으로 볼을 '다운그레이드'하면 스타일러스 비용이 약간 절감되지만 1:5 비율이 유지되지 못할 수 있습니다.

문제는 볼 등급을 시각적으로 확인할 수 없으며 측정 결과에 명확히 드러나지 않아 계산이 어려워진다는 점입니다. 5등급 볼을 표준으로 지정하는 것이 하나의 솔루션이 될 수 있습니다. 이렇게 하면 비용이 약간 더 들지만, 양호한 부품이 손상되어 규격에 맞지 않게 될 가능성을 고려하면 그 정도 비용은 미미하거나 오히려 비용 측면에 손해가 있다고 할 수 있습니다. CMM이 더 정확할수록 볼 등급 효과가 더 커집니다. 이 방식을 사용하면 최고 사양의 CMM에서 10% 가량 정확도가 떨어질 수 있습니다.

예를 들어 봅시다.

5등급의 볼을 갖는 스타일러스를 사용해서 설정할 경우 ISO 10360-2(MPEP)에 따른 전형적인 프로빙 오차:

  • MPEP = 1.70 µm

이 수치는 25개의 별도 지점을 측정하여 얻으며, 각 지점은 25개의 별도 반경으로 평가됩니다. 반경 편차 범위는 MPEP 값입니다. 스타일러스 볼 원형도가 이 값에 직접적인 영향을 미치므로, 5등급에서 10등급으로 볼을 교환하면 이 값이 0.12 μm만큼 증가하고 프로빙 오차가 7% 가량 떨어지게 됩니다. 이 예에서는 그 수치가 다음과 같습니다:

  • MPEP = 1.82 µm

스타일러스 볼 원형도는 한 구의 네 개 스캐닝 경로를 사용하여 스캐닝 프로브 성능을 평가하는 MPETHP에도 영향을 미칩니다.

주:

  • 5등급 볼의 구형도 = 0.13 µm
  • 10등급 볼의 구형도 = 0.25 µm

까다로운 응용 분야를 위해 Renishaw는 3등급의 볼을 채용한 다양한 스타일러스도 제공하고 있습니다. 이러한 스타일러스의 구형도는 0.08 μm에 불과합니다.

스타일러스 휨

업계 표준 TP20과 같은 접촉식 트리거 프로브를 사용할 때는 다른 스타일러스를 활용하도록 스타일러스 모듈들 간에 전환하는 것이 일반적입니다. 이 경우 각 스타일러스는 측정 작업에 적합하도록 최적화되어 있습니다. 모든 형상에 하나의 긴 스타일러스를 사용하지 않는 이유는 스타일러스 길이가 길면 정확도가 떨어질 가능성이 크기 때문입니다. 스타일러스는 가능한 한 짧고 강하게 유지하는 것이 좋습니다. 그 이유는 무엇일까요?

스타일러스가 이 특정 오차에 대한 직접적인 원인은 아니지만 스타일러스 길이 때문에 오차가 커지는 것은 분명합니다. 오차의 원인은 여러 방향에서 프로브를 트리거하는 데 필요한 힘의 변수입니다. 대부분의 프로브는 스타일러스와 구성품 사이에 즉각적인 접촉을 만들지 않으며, 센서 메커니즘 내 스프링 부하를 극복하기 위해 최대한의 힘을 필요로 합니다. 이 힘은 스타일러스에 탄성 변형을 일으킵니다. 이 휨으로 인해 프로브는 물리적인 접촉이 이루어진 후, 트리거가 생성되기 전에 부품에 상대적으로 짧은 거리만큼 이동할 수 있습니다. 이 이동을 사전 이동(pre-travel)이라고 합니다.

대부분 프로브의 삼각 운동학 배열 결과 트리거 생성에 필요한 힘이 달라지게 됩니다. 더 강한 방향에서 프로브는 추가 스타일러스 휨이 발생할 때까지 트리거를 억제합니다. 또한 CMM이 더 멀리 이동하므로 사전 이동이 접근 각도에 따라 달라진다는 것을 의미합니다(오른쪽 그림 참조). 이 사전 이동 변위는 복합적인 접근 각도(X, Y 및 Z축)가 사용될 경우 훨씬 복잡합니다.

이 효과를 최소화하기 위해 모든 스타일러스는 사용 전에 알려진 크기를 갖는 기준 데이텀 볼에서 캘리브레이션됩니다. 이상적인 경우, 이 프로세스는 모든 스타일러스 및 접근 각도 조합에서 오차를 매핑합니다. 실제로, 시간 절약을 위해 각도 샘플이 종종 사용되며 일부 평균화 작업이 수행되며 오차의 적은 비율이 유지될 수 있습니다.

실증 테스트를 수행하지 않고 측정 불확실성에 미치는 영향을 계산하기는 어렵습니다. 중요한 점은 선택된 스타일러스의 유연성으로 인해 잔류하는 사전 이동 변위 오차가 커진다는 사실입니다. 이는 스타일러스 설계에 있어 재료 선택의 중요성을 강조하는 것으로, 무게나 비용 같은 다른 특성에 비해 봉의 굴곡 강도에 가중치를 더 두고 재료를 선택해야 합니다. 강철은 영률 E = 210 kN/mm2인 대부분의 짧은 스타일러스에 적합한 반면, 널리 사용되는 가장 강한 재료는 텅스텐 카바이드(E = 620 kN/mm2)입니다. 하지만 이 재료는 밀도가 높아 긴 스타일러스에는 거의 사용되지 않습니다. 이러한 경우, 강도(E ≥ 450 kN/mm2)는 우수하고 무게는 가벼운 탄소 섬유를 재료로 사용하는 것이 좋습니다. 반면, 무게가 가볍고 열적 안정성이 중요한 공작 기계 프로빙 분야에는 세라믹 봉(E = 300 – 400 kN/mm2)이 종종 사용됩니다.

스타일러스 강도는 스타일러스 어셈블리의 조인트에도 영향을 받습니다. 일반적으로, 고정 센서를 사용하여 복잡한 부품을 측정할 때는 가능하지 않을 수도 있지만, 이력 현상을 일으킬 수 있으므로 가능하면 항상 조인트를 피하는 것이 좋습니다. 이러한 경우, 다양한 스타일러스, 확장, 커넥터 및 너클로 이루어진 구성이 필요할 수 있습니다. 구성의 강도와 무게 및 견고함에 영향을 미치므로 각 요소에 대한 재료 선택이 중요합니다.

열적 안정성

온도의 변화가 심각한 측정 오차를 발생시킬 수 있습니다. 스타일러스 확장에 올바른 재료를 선택하면 변하는 조건에서 안정성이 한층 개선되어 보다 일관된 측정 결과를 얻을 수 있습니다. 열팽창 계수가 낮은 재료를 사용하는 것이 좋습니다. 특히, 열 팽창에 길이가 영향을 주기 때문에 긴 스타일러스를 사용하는 경우에는 특히 그렇습니다.

앞에서 설명한 것처럼, 탄소 섬유는 강도가 우수하고 가벼우며 온도 변화에 따라 길이가 달라지지 않기 때문에 긴 스타일러스와 확장에 가장 널리 사용되는 재료입니다. 조인트 너클 등 금속이 필요한 경우에는 티타늄이 가장 우수한 강도, 안정성 및 밀도 조합을 제공합니다. Renishaw에서는 이러한 두 재료가 모두 사용된 프로브 및 스타일러스 확장을 제공합니다.

스타일러스 팁 재료 선택

대부분의 응용 분야에서 기본적으로 스타일러스 팁에는 루비 볼을 선택합니다. 그러나 다른 재료가 더 나은 대안을 제공하는 경우가 있습니다.

접촉식 트리거 측정 시 스타일러스 팁은 짧은 시간 동안만 표면과 접촉하며 상대적인 이동은 없습니다. 스캐닝의 경우, 구성품 표면 위로 볼이 미끄러지면서 마찰 마모를 일으키므로 상황이 다릅니다. 이 긴 접촉으로, 극한 상황에서는, 구형도에 영향을 주는 스타일러스 볼에서 재료가 제거되거나 침전될 수 있습니다. 이러한 영향은 볼의 한 영역이 부품과 계속 접촉할 경우 더 커집니다. Renishaw에서는 이러한 영향에 대한 광범위한 조사를 실시하여 두 가지 형태의 마모 유형을 찾아냈습니다.

연마성 마모

Abrasive wear 연마성 마모는 조그만 잔류 입자가 스타일러스와 공작물에 사소한 긁힘을 일으켜 스타일러스 팁을 약간 '평평해지게' 만드는 주철과 같은 표면 스캐닝 시에 발생합니다. 이러한 경우에는 거친 지르코니아 스타일러스 팁이 최적의 선택입니다.

점착성 마모

Adhesive wear test 2 점착성 마모는 스타일러스 볼과 구성품 재료가 서로에 대한 화학적 친화성이 있는 경우에 발생합니다. 이러한 마모는 루비(알루미늄 산화물) 볼로 알루미늄 부품을 스캐닝할 때 확인할 수 있습니다. 재료가 상대적으로 부드러운 구성품에서 스타일러스로 통과하면서 스타일러스 팁에 알루니늄 코팅이 생겨 다시 원형도에 영향을 주게 됩니다. 이 예에서는 양호한 마모 저항성을 보이며 알루미늄에 달라붙지 않기 때문에 질화 규소가 최상의 선택입니다.

다른 요소

스타일러스 선택 시 추가로 고려할 사항:

  • 선택한 센서에 맞는 스타일러스 스레드 크기
  • 스타일러스 유형 - 직선형, 스타형, 스위블 또는 맞춤형 구성
  • 스타일러스 팁 유형 - 볼, 원통, 디스크, 반구
  • 표면 거칠기가 측정 정확도에 미치는 영향을 최소화하는 스타일러스 팁 크기

이러한 모든 문제는 Renishaw의 정밀 스타일러스 브로셔에서 자세히 다루고 있습니다.

결론

스타일러스는 측정을 위한 중요한 구성 요소로, 센서와 구성품 사이의 중요한 인터페이스를 제공합니다. 또한 부품 주변 형상에 접근할 수 있도록 하며 표면 위치를 프로브에 연결해야 합니다. 정확한 검사가 가능하도록, 스타일러스는 측정 작업 요구에 맞는 재료로 만들어진 정밀 구성품으로 구성해야 합니다. 주의해서 선택할 경우, 올바른 스타일러스는 불확실성을 그다지 가중시키지 않으며 일관되고 믿을 수 있는 결과를 생성합니다. 부품 공차가 엄격하고 긴 스타일러스가 필요한 경우, 이러한 선택이 정확도에 미치는 영향을 신중히 고려해야 합니다.