각 R의 형상을 쉽고 정확하게 측정하는 방법
다양한 부품과 제품의 모서리에 둥근 모양을 볼 수 있습니다. 왜 이 둥근 모양이 있을까요? 또한 어떻게 가공할까요? 이 모서리의 둥근 모양을 「각 R」이라고 하고 둥글게 만드는 가공은 「R가공」또는 「라운드 가공」이라고 말합니다. 그리고 각 R은 형상이 입체적이기 때문에 측정 난이도가 높다고 합니다.
여기에서는 각 R의 가공과 도면 기재, 강도와의 관계를 설명하고 측정 과제와 그 해결 방법을 소개합니다.
- 각 R이란?
- 각 R의 가공 및 도면 표기
- 각 R과 강도의 관계
- 각 R의 측정에서 기존 측정기의 과제
- 각 R 측정에서의 과제 해결 방법
- 요약: 각 R의 측정을 비약적으로 개선·효율화
각 R이란?
「각 R」은 모서리의 둥근 부분입니다. 판재나 각재의 모서리에 강도나 안전성 향상을 주된 목적으로 하여 설정됩니다. 각 R이 설치된 면을 「R면」이라고 하고 사용, 촉감, 디자인성을 좋게 하기 위해서 설정하는 경우도 있습니다.
각 R의 가공 및 도면 표기
전단이나 펀칭 가공 후의 가장자리는 버 등으로 인해 뾰족한 예각(핀각)이 있어 취급하기에 매우 위험합니다. 이 뾰족한 부분을 깎아 버를 없애는 처리를 모따기 가공이라고 하며 R 가공은 버를 깎아 둥글게 하는 가공입니다. 또한 각 R은 도면에서「R」이라는 문자로 표기되며 도면에 지정된 반경으로 가공합니다.
각 R의 가공법
가공에는 주로 엔드밀이나 모따기 커터가 사용되지만 수작업의 경우에는 줄이나 벨터와 같은 공구를 사용합니다. 반경이 1mm 이하인 작은 각 R은 연삭, 방전 가공 또는 와이어 커트로 가공하는 경우도 있습니다. 각 R 가공은 모서리를 비스듬히 깎는 모따기면과 달리 호를 그려서 절단해야 하므로 NC 가공을 할 경우에는 전용 공구와 프로그래밍이 필요합니다.
- 엔드밀을 사용한 각 R 가공의 예
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- A
- 엔드밀
- B
- 부자재
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각 R의 도면 기재
각 R은 도면에서「R5」와 「R10」과 같이 「R」과 「숫자」로 표시됩니다. 「R」은 Radius(반경)를 의미하고 일반적으로 코너부 등의 둥근 부분의 반경을 가리킵니다. 그 옆에 붙는 숫자는 둥근 부분의 반경(단위: mm)입니다. 즉 둥근 모양을 그리는 원의 반경(길이)으로써 각을 잘라낸 둥근 모양을 의미합니다. 예를 들면 「R3」의 경우의 도면 표기와 가공 내용을 나타냅니다.
또한 1개의 부자재에 복수의 R면이 있는 경우는 R면의 수를 「개수-R3」등으로 표기합니다. 직사각형의 판에 3개의 R면이 있는 경우「3-R3」이라고 표기합니다.
- A
- 반경 3mm
각 R과 강도의 관계
L형이나 T형 부품의 부착면에 적절한 각 R을 설정함으로써 강도를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 아래와 같은 외팔보의 경우 부착면 모서리에 R을 설정하면 강도를 높일 수 있습니다. 이는 부착면에 R이 없으면 모서리에 하중이 집중되기 때문입니다. 이 보의 부착면에 집중된 하중을 「응력 집중」이라고 하고 응력 집중 정도를 「응력 집중 계수」라고 합니다. 이 때, 부착면의 R 반경과 응력 집중 계수 사이에는 다음과 같은 관계가 있습니다.
- A
- 두께
- B
- 부착면 R
- C
- 하중
- a
- 응력 집중 계수
- b
- 두께와 반경의 비율
위와 같이 보의 부착면에 R의을 설정함으로써 하중이 분산되어 강도가 올라가는 것을 알 수 있습니다.
각 R의 측정에서 기존 측정기의 과제
각 R 가공 시 원하는 치수(공차 내)·형상을 얻었는지 확인하는 것은 매우 중요합니다. 각 R은 입체적인 형상이므로 고정도 및 정량적인 3D 형상의 측정이 요구됩니다.
그러나 기존의 3차원 측정기나 윤곽 형상 측정기, R 게이지나 CR 버니어 캘리퍼스, CR 측정 게이지나 반경 측정기 등의 경우 정확하게 측정하기에는 난이도가 높고 편차가 생기는 등 다양한 과제가 있었습니다.
3차원 측정기를 이용한 각 R의 측정 과제
일반적으로 3차원 측정기는 측정 부분에 프로브를 대고 덧그리는, 「스캐닝」이라는 방법으로 측정합니다. 스캐닝 측정은 일정한 피치에서 여러 점을 측정합니다.
이 측정 방법에는 다음과 같은 과제가 있습니다.
- 원통의 중심이나 굴곡을 수직으로 지나는 선, 원의 중심을 지나는 선 등 원하는 곳으로 프로브가 지나도록 하는 것은 매우 어렵습니다. 또한 중심 각도가 얕은 각 R의 경우 짧은 원호에서 원주 전체를 산출하기 때문에 미세한 측정 오차가 크게 확대됩니다. 이렇게 측정 항목이 어긋남으로써 미묘한 값의 편차가 발생하는 경우도 있습니다.
- 스타일러스는 작은 것도 약 2mm 정도 되기 때문에. R이 작은 부분의 3차원 형상을 측정하는 경우 스타일러스를 측정 위치에 맞추지 못할 수 있습니다. 또한 측정 정밀도는 측정할 점과 선의 수에 비례하므로 많은 부분을 측정해야 합니다.
이와 같이 현장의 모든 사람이 정확하게 측정할 수 있는 것은 아니고 측정할 수 없는 부분도 있으며 측정기의 설치 장소도 한정되는 등 큰 과제가 있었습니다.
윤곽 형상 측정기를 이용한 각 R 측정 과제
윤곽 형상 측정기를 사용할 때에는 측정하려는 각 R의 형상에 대해 수직 방향으로 정확하게 측정 라인을 맞추어야 합니다.
그래서 다음과 같은 과제가 있었습니다.
- 시료를 지그에 고정하거나 레벨링 등의 작업을 진행하는 데에 시간이 걸립니다. 또한 정확한 레벨링을 위해서는 윤곽 형상 측정기에 관한 지식이나 스킬이 수적으로 요구됩니다.
- 윤곽 형상 측정기의 프로브는 프로브 암 지점을 중심으로 상하 원호 운동을 하며 촉침 선단 위치는 X 방향으로도 이동하기 때문에 X축 데이터에도 오차가 발생합니다.
- 목표했던 대로 프로브를 통과시키는 작업은 매우 어려우며, 미묘한 프로브의 어긋남이 측정값 편차의 원인이 됩니다.
버니어 캘리퍼스 및 게이지에서의 각 R 측정 과제
R 게이지 및 CR 버니어 캘리퍼스 등의 핸드 툴은 매우 간편하게 측정할 수 있습니다. 그러나 측정 오차가 발생하거나 측정값이 어긋나는 요인이 여러가지 있습니다.
예를 들면 버니어 캘리퍼스나 게이지는 손으로 측정 부분을 누르는 힘(측정력)이나 측정 부분의 편차 등 사람에 따라 측정 정도가 달라집니다. 그 결과 측정값에 편차가 발생하여 정량적인 측정이 어려워집니다. 또한 섬세한 핀이나 블레이드 등은 측정할 수 없습니다.
각 R 측정에서의 과제 해결 방법
기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기에서의 과제를 재검토하면 어떤 공통점을 알 수 있습니다. 그것은 입체적인 대상 물체·측정 항목을 점이나 선으로 접촉하면서 측정한다는 것입니다.
이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다. 대상 물체의 3D 형상을 비접촉 방식을 이용하여 면으로 정확하게 포착할 수 있습니다. 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초만에 3D 스캔함으로써 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 따라서 측정 결과의 편차 없이 순간적으로 정량 측정할 수 있습니다. 구체적인 장점은 다음과 같습니다.
장점 1: 깊은 부분도 측정할 수 있다
프로브 등의 측정자가 닿지 않는 부분을 측정할 수 있습니다. 예를 들어 접촉식 측정기에서는 절삭 공구나 방열판의 핀과 같이 피치가 좁고 깊은 물체일 경우 바닥면까지의 측정이 어렵습니다.
「VR 시리즈」라면 대상 물체의 단면을 가상으로 절단하여 각 R과 높이를 측정할 수 있습니다. 또한 사전에 측정 항목을 등록할 수 있는 해석 템플릿을 사용하여 대상 물체의 형상을 단시간에 해석할 수 있어 지금까지 시간이 소요됐거나 불가능했던 측정을 단시간에 해결할 수 있습니다.
장점 2: 위치에 상관없이 스테이지에 올리기만 하면 OK
대상 물체를 스테이지에 놓고 버튼을 누르기만 하면 OK. 엄격한 위치 결정 등의 사전 준비가 불필요하므로 측정기의 지식이나 경험이 없어도 즉시 고정도로 측정할 수 있습니다.
기존의 측정기와 달리 스테이지에 놓은 대상 물체의 특징을 추출하여 위치를 자동으로 보정할 수 있습니다. 지금까지 많은 공정 수와 시간이 소요되었던 엄격한 위치 조정이 필요하지 않습니다. 이로 인해 특정 작업자뿐만 아니라 익숙하지 않은 분이라도 순식간에 간단하게 측정할 수 있습니다.
장점 3: 편차가 생기지 않는다
스캔하여 취득한 3D 형상 데이터에 PC 화면상의 다양한 보조 툴을 사용함으로써 임의의 위치에 정확하게 수직인 프로파일 선을 그릴 수 있기 때문에 측정 결과에 편차가 생기지 않습니다.
일단 대상 물체를 스캔하면 과거에 측정했을 때와는 다른 부분의 프로파일(단면 형상)을 측정할 수도 있습니다. 일부러 동일한 샘플을 다시 준비하여 재측정할 필요가 없습니다. 또한 과거의 데이터를 활용하여 동일한 형상이지만 로트나 가공 조건, 재료 등이 다른 대상 물체와의 차이를 쉽게 확인할 수 있습니다.
요약: 각 R의 측정을 비약적으로 개선·효율화
고속 3D 스캔을 통해 대상 물체의 정확한 3D 형상을 비접촉으로 순식간에 측정할 수 있는 「VR 시리즈」는 기존 측정기의 과제를 해결할 수 있습니다.
- 사람에 의한 측정값의 편차를 해소하여 정량적으로 측정할 수 있습니다.
- 위치 결정 등의 작업 없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작을 실현했습니다. 특정 작업자만 측정 업무를 할 수 있는 문제를 해소합니다.
- 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있어 품질 향상에 도움이 됩니다.
그 외에도 과거의 3D 형상 데이터나 CAD 데이터와의 비교, 공차 범위 내에서의 분포 등을 간단하게 분석할 수 있기 때문에 제품 개발이나 제조 경향 분석, 샘플링 검사 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.
