CMM 기반 검사 프로세스 복제
InnovMetric 소프트웨어는 3D 디지털 장비와 PolyWorks® 를 사용하여 CMM 기반 검사 프로세스를 구현
오늘날 자동차 및 항공우주 산업 제조업체에서는 부품, 주조품, 금형 등을 검사하기 위해 터치 프로브 CMM 기술을 사용합니다. 이 검사 프로세스는 시간이 지남에 따라 매우 정확하고 신뢰할 수 있는 것으로 확인되었습니다. 그러나 이는 시간과 비용이 상대적으로 많이 드는 것으로도 확인되었습니다.
최근 3D 디지털화 기술의 등장과 발전은 자동차 및 항공우주 산업에서 많은 새로운 응용 가능성을 열어주었습니다. 검사 및 품질 관리 분야에서 가장 주목할 만한 혁신 중 하나는, 기존에 물리 게이지나 CMM과 같은 다양한 도구를 사용해 수행하던 일련의 측정을 3D 디지털 장비와 고밀도 포인트 클라우드 검사 소프트웨어를 통해 재현할 수 있게 된 것입니다.
2000년부터 InnovMetric Software는 PolyWorks|Inspector™를 공급하고 있으며 이 소프트웨어는 고밀도 포인트 클라우드를 사용하여 주조/다이/금형의 품질을 제어하고 프로토타입, 초도품, 제조 및 조립 부품 검사를 통해 제조 공정을 승인합니다. PolyWorks|Inspector는 형상 및 프로파일 비교(부품 간, 또는 부품과 CAD 간 비교)를 위한 완벽한 도구 세트를 제공하며, GD&T 분석 기능과 더불어 직선, 반지름, 플러시 & 갭, 두께 등 다양한 소프트 게이징 도구도 포함하고 있습니다.
과제
InnovMetric은 세계 최고의 제트 엔진 제조업체인 Pratt & Whitney Canada로부터 기존의 3차원 CMM 대신 PolyWorks와 3D 디지타이저를 사용하여 기존 부품 검사를 재현해 달라는 요청을 받았습니다. InnovMetric의 응용 엔지니어는 Pratt & Whitney Canada 개발팀과 함께 디퓨저 파이프에 일반적인 검사를 수행하여 PolyWorks로 얻은 결과의 품질을 평가하고 이를 CMM으로 얻은 결과와 비교했습니다. 그 결과, PolyWorks는 기존 프로브 기반 공정보다 훨씬 짧은 시간 안에 정확한 검사 결과를 제공할 수 있음이 성공적으로 입증되었습니다.
솔루션
이번 테스트에서는 PolyWorks|Inspector 소프트웨어 솔루션을 사용하여 디퓨저 파이프(압축 시스템에서 연소실로 압축 공기를 전달하는 제트 엔진 내부 부품)에 대한 표준 검사가 수행되었습니다. InnovMetric Software Inc.의 대표인 Marc Soucy는 “PolyWorks는 실제 부품이 아닌 포인트 클라우드 상의 점들을 프로빙하는 가상 CMM 역할을 합니다. 이 접근 방식은 품질 관리 전문가가 수만 개의 점을 수집할 수 있도록 하며, 이를 통해 훨씬 더 풍부하고 완전한 정보를 바탕으로 분석을 수행할 수 있게 합니다.”라고 밝혔습니다.
이 테스트는 다음 5단계로 진행되었습니다.
A) 데이터 수집:
1단계. 데이터 획득
디퓨저 파이프는 3D 디지털 장비를 사용해 스캔되었으며, 이를 통해 고밀도의 포인트 클라우드가 생성되어 품질 관리 전문가들에게 풍부한 정보를 제공하였습니다.
B) PolyWorks로 포인트 클라우드 처리:
2단계. 첫 번째 정렬 및 전체 비교
- 디지털 장비에서 얻은 포인트 클라우드는 전체 베스트핏 정렬 방법을 사용하여 CAD 모델에 정렬됩니다.
- 포인트 클라우드와 CAD 모델을 비교하여 포인트-CAD 편차를 파악하고 합격/불합격 레포트를 생성합니다.
3단계 두 번째 정렬
CMM 정렬 방식을 재현하기 위해, 세 개의 단면에서 추출된 특정 형상(평면, 벡터, 기준점)을 사용하여 3-2-1 정렬이 수행됩니다.
4단계 측정 및 비교
GD&T 프로그래밍 기술과 단면 분석은 16개 단면에서 다음과 같은 4개의 치수 측정값을 얻는데 사용됩니다.
- 면적 측정(단면 기준)
- Bow 변위(GD&T)
- N 각도(GD&T)
- 최대 편차(단면 기준)
5단계 레포트 생성
컬러 맵, 스프레드시트, 주석이 들어간 스냅샷 등을 포함한 완전한 보고서가 생성됩니다. 생성된 보고서는 ASCII, AVI, Excel, HTML, VRML, Word 등 여러 파일 형식으로 내보낼 수 있습니다.
PolyWorks|Inspector™는 디퓨저 파이프의 검사 시간을 75% 이상 단축하면서도, 기존 CMM과 동일한 수준의 정확도와 정밀도를 유지했습니다!
성과
이번 실험에서 가장 눈에 띄는 PolyWorks 특징은 다음과 같습니다.
- 단면 분석
디지털화된 포인트와 CAD 표면 간의 전체 비교는 제조 공정에서 발생하는 복잡한 변형을 시각화하는 데 매우 유용한 도구입니다. 그러나 대부분의 경우, 전체 컬러 맵만으로는 부품의 수용 여부를 판단하기에 충분하지 않습니다. 이는 부품의 기능이 일반적으로 특정 치수 목록에 의해 결정되기 때문입니다. 디퓨저 파이프의 경우, 파이프 중심선을 따라 단면적의 변화가 가장 중요한 속성으로, 부품의 적합 여부를 판단하는 핵심 기준입니다. 만약 전체 포인트-대-CAD 편차만을 검사 기준으로 사용할 경우, 실제로는 문제가 없는 많은 디퓨저 파이프들이 불필요하게 불합격 처리될 수 있습니다.
- 기하공차 분석
PolyWorks|Inspector의 고유한 특징 중 하나는 형상 기반 측정 프로세스입니다. 이 프로세스에서는 각 측정 항목마다 사용자가 직접 정의한 공차를 설정할 수 있습니다. 이번 프로젝트에서는 PolyWorks|Inspector의 GD&T 도구를 활용하여, CAD 노미널 형상, 필요한 측정 항목, 그리고 각 측정 항목별 특정 공차 간의 관계를 정의했습니다. GD&T 항목은 포인트 클라우드에서 실제 치수를 자동으로 계산하며, 공차 기반의 스마트한 합격/불합격 보고서를 생성합니다.
- 강력한 매크로 프로그래밍 언어
CMM에서 얻은 데이터를 분석하는 작업은 일반적으로 많은 시간이 소요됩니다. 다양한 측정값을 얻기 위해 데이터를 여러 소프트웨어에 불러오고, 추가적인 작업을 수작업으로 수행해야 하며, 이러한 작업은 새로운 부품마다 반복해야 합니다.
그러나 PolyWorks를 사용하면, 고급 매크로 프로그래밍 언어를 통해 일련의 측정 작업을 자동으로 수행할 수 있습니다. 이번 실험에서는 InnovMetric의 어플리케이션 엔지니어가 전체 검사 프로세스를 자동화하는 매크로를 개발하는 데 이틀도 채 걸리지 않았습니다. 그 결과, 엔지니어들은 최초 정렬부터 최종 보고서 생성까지의 포인트 클라우드 검사 전체 프로세스를 단 한 번의 클릭으로 3분 이내에 실행할 수 있게 되었습니다.
결론
10% 규칙에 근거하여, 스캐너 결과와 CMM 결과 간의 차이가 부품 공차 값의 10% 미만이므로 예비 결과는 수용 가능합니다. 이제 이러한 결과를 추가로 검증하기 위해 Gage R&R(반복성 및 재현성) 테스트를 수행할 수 있습니다.
요약
실험의 목적
- 3D 디지털 장비를 사용하여 포인트를 캡처하고 PolyWorks를 활용하여 데이터 세트를 처리함으로써 전통적인 CMM 기반 검사 프로세스를 재현
- PolyWorks로 획득한 측정값의 품질(정확도)을 CMM 측정값과 비교하여 평가
- PolyWorks를 사용하여 부품 검사를 완료하는 데 소요되는 시간 평가
- 게이지 R&R(반복성 및 재현성) 테스트의 성공 가능성 검증
진행 방법
- 고밀도 레이저 기반 디지털 장비를 사용하여 디퓨저 파이프를 스캔합니다.
- IMInspect 모듈을 사용해 포인트 클라우드 데이터를 PolyWorks에 불러오고, 원본 CAD 모델에 정렬합니다.
- PolyWorks의 사전 프로그래밍된 GD&T 도구와 단면 분석 기능을 사용하여 16개 단면에서 4개의 측정값을 자동으로 추출하였습니다.
- 컬러맵, 아노테이션이 있는 스냅샷, 표 형식 레포트, AVI 형식의 애니메이션 레포트를 포함한 전체 보고서를 생성하였습니다.
- PolyWorks의 스크립트 언어를 사용하여 전체 검사 프로세스를 자동화하는 매크로 개발하였습니다.
실험 결과
- 3D 디지털 장비와 PolyWorks로 얻은 측정값이 CMM으로 얻은 측정값과 매우 유사합니다. 두 결과 그룹 간의 편차는 부품 공차 값의 10% 미만입니다.
- 기존의 CMM 기반 검사와 비교했을 때, 3D 디지털 장비와 PolyWorks를 사용하면 디퓨저 파이프 검사를 25% 미만의 시간에 완료할 수 있습니다:
- CMM 사용 시 1시간이 아닌 15분 만에 3D 디지털 장비로 데이터 수집
- PolyWorks의 완전 자동화된 검사 기능을 사용하여 포인트 클라우드 검사 프로세스를 3분 이내 완료
