변형률의 형상을 측정하는 방법

변형률이란?

물체에 당기거나 누르는 등의 힘을 가하면 물체가 변형됩니다. 예를 들어 물체를 당기면 당긴 방향으로 늘어나고 누르면 누른 방향으로 줄어듭니다. 이때 원래 형상에서 변형된 비율을 「변형률」이라고 합니다. 변형률에는 「세로 변형률」 「가로 변형률」 「전단 변형률」이 있고 각각 하중의 방향이 다릅니다.

세로 변형률과 가로 변형률

세로 변형률이란 물체를 눌렀을 때 가해지는 하중(압축) 방향의 변형 또는 물체를 당겼을 때 물체에 가해지는 힘(인장) 방향의 변형을 원래의 길이로 나눈 값입니다.
반면 가로 변형률은 물체에 가해지는 하중의 방향에 대하여 수직으로 변형되는 변형(팽창)을 말합니다.
그리고 이러한 세로 변형률과 가로 변형률의 비율을 「프와송비」 라고 합니다.

전단 변형률

물체가 전단력을 받았을 때 발생하는 변형률입니다. 종이를 자르는 가위의 힘이나 벽걸이의 그림을 매달고 있는 후크 등을 상상해 보면 이해에 도움이 됩니다.

비틀림에 대해서

축을 비틀면 전단력이 발생하며, 동시에 축선으로부터 45° 경사를 가진 두 방향으로 전단력과 동일한 크기의 인장력과 압축력이 발생합니다. 따라서 비틀림에 의한 변형률은 단독 변형률에 의한 것이 아니라 전단 변형률과 세로 변형률, 가로 변형률을 조합한 변형이라고 할 수 있습니다.

번형률 게이지로 변형률 측정

변형률 게이지란 팽창과 수축에 의해 저항이 변화하는 특성을 이용하여 변형률의 양을 측정하는 것을 말합니다. 변형률이 발생하는 사용하는 것으로 사용하여 변형 전 저항값과 변형률 발생 후의 저항값을 측정함으로써 변형률의 과정을 파악할 수 있습니다. 또한 원래의 저항값과 저항의 변화량, 변형률의 관계는 다음의 식으로 나타낼 수 있습니다.

⊿R／R=K×ε

⊿R

저항 변화량(Ω)

R

원래 저항값(Ω)

K

비례 상수※

ε

변형률량

※K는 「게이지율」이라고 하며 변형률 게이지에 쓰이는 금속의 재질에 의해 정해져 있는 비례 정수를 말합니다.

또한 변형률 게이지는 물체의 변형률을 측정하는 것으로 형상은 측정할 수 없습니다. 변형률 형상 측정은 윤곽 형상 측정기나 하이트 게이지, 3차원 형상 측정기 등으로 측정합니다.

기존의 변형률 형상 측정의 과제

변형률은 하중의 방향에 관계없이 복잡한 변형으로 발생합니다. 왜곡된 물체는 3차원적인 형상으로 변형되어 그 측정에는 지금까지 윤곽 형상 측정기나 하이트 게이지 등이 사용되어 왔습니다. 그러나 윤곽 형상 측정기나 하이트 게이지를 이용한 측정에는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 변형률 형상 측정 과제

윤곽 형상 측정기는 스타일러스라고 하는 프로브를 이용하여 대상 물체의 표면을 덧그림으로써 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다. 최근에는 프로브 대신 레이저를 이용하여 비접촉으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 것도 있습니다.
윤곽 형상 측정기를 이용하여 입체적인 대상 물체를 측정하는 경우에는 레벨링 작업을 합니다.

이 측정 방법에는 다음과 같은 과제가 있습니다.

• 대상 물체를 지그에 고정하거나 레벨링 등의 작업을 진행하는 데에 시간이 걸립니다. 또한 정확한 레벨링을 위해서는 윤곽 형상 측정기에 관한 지식이나 스킬이 필수적으로 요구됩니다.
• 윤곽 형상 측정기의 프로브는 프로브 암의 지점을 중심으로 상하 원호 운동을 하며, 프로브 선단 위치는 X 방향으로도 이동하기 때문에 X축 데이터에도 오차가 발생합니다.
• 원하는 대로 프로브를 통과시키는 작업은 매우 어려우며, 미묘한 프로브의 어긋남이 측정값 편차의 원인이 됩니다.
• 선으로만 평가할 수 있어 전체적인 변형을 가시화할 수 없습니다.

하이트 게이지를 이용한 변형률 형상 측정의 과제

하이트 게이지는 다이얼 게이지와 조합하여 높이를 측정할 수 있습니다.

• 측정이 점으로 제한되기 때문에 정도를 높이려면 시간을 들여 다점을 측정해야 합니다. 그러나 많은 시간을 들여 다점 측정을 한다고 하더라도 면 전체의 상태를 파악할 수 없습니다.
• 복잡한 형상의 부품이나 미세한 부품의 경우 협착부의 극소 부분에 접촉하여 측정하는 것은 어려울 수 있습니다. 게다가 사람에 의한 측정 결과의 편차나 측정기 자체의 오차가 발생할 수 있기 때문에 안정된 측정을 할 수 없습니다.

변형률 형상 측정에서의 과제 해결 방법

기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기는 대상 물체의 고정에 시간이 걸리고 입체적인 대상 물체·측정 항목을 점이나 선으로 접촉하면서 측정한다는 과제가 있습니다. 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. 또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이로 인해 측정 결과의 편차 없이 신속하게 정량 측정을 할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 「면」 전체의 형상을 취득. 세부 변형률도 순식간에 가시화

측정 알고리즘과 하드웨어를 전면적으로 재검토하여 최대 200mm×100mm의 광범위를 최고 속도 1초 만에 측정할 수 있습니다. 또한 부분적인 형상의 변형률 등 원하는 항목을 자유롭게 측정할 수 있어 변형률과 동시에 굴곡이나 거칠기도 함께 측정할 수 있습니다. 또한 사람에 따른 측정값의 편차도 없습니다.
「VR 시리즈」는 최고 속도 1초라는 압도적인 스피드로 대폭적인 N수 증가 및 업무 시간의 단축을 실현합니다. 이는 측정 품질의 향상으로 이어지고 검사 인력을 생산 인력으로 전환할 수 있도록 하며, 생산량 증가를 위한 서포트 등을 가능하게 합니다. 시제품 평가나 출하 전 검사 등 다양한 측정 업무를 빠른 측정 속도를 통해 개선합니다.

또한 「VR 시리즈」는 형상 측정기나 하이트 게이지와 달리 스테이지에 놓은 대상 물체의 특징을 추출하여 자동으로 위치를 보정할 수 있습니다. 지금까지 많은 노력과 시간이 걸렸던 정밀한 위치 조정이 필요하지 않습니다. 특정 작업자에게 의존해야 했던 측정 작업을 익숙하지 않은 분이라도 단하고 빠르게 할 수 있습니다. 「VR 시리즈」를 사용하면 복잡한 형상의 평행도도 스테이지에 두고 버튼을 누르는 것만으로 확하게 형상을 측정할 수 있습니다.

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장점 2: 변형률의 변화도 가시화로 파악

예를 들어 설명하자면, 변형률 중에서도 형상의 변화가 복잡하고 측정이 어려운 비틀림 변형률 등과 같이 부품에는 기계적 응력에 의해 의도하지 않은 변형이 발생할 수 있습니다. 이러한 대상 물체는 선이나 점으로 측정해도 정확한 형상 데이터를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 그 형상을 파악하는 것조차 어렵습니다.
「VR 시리즈」를 사용하면 스테이지 위에 대상 물체를 놓고 스캔하기만 하면 됩니다. 위치 결정이 필요 없으며, 대상 물체 전체의 3D 형상을 면으로 포착합니다.
대상 물체 전체의 높이를 색으로 구분하여 표시하거나, 임의로 지정한 부분에 대한 프로파일 측정도 가능하기 때문에 형상 불량 부분과 그 상세한 수치 등을 가시화해 파악할 수 있습니다. 이에 따라 금형이나 성형 조건 등 불량 원인의 특정 및 조정도 원활하게 실시할 수 있습니다.
또한 정량적으로 측정한 형상 데이터를 얻을 수 있기 때문에 이를 활용하여 허용값(공차)의 수치로 변형률을 관리하거나, 경향 분석을 진행할 수 있습니다.

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요약: 측정하기 어려웠던 변형률의 측정을 비약적으로 개선·효율화

「VR 시리즈」를 사용하면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉 방식으로 대상 물체의 변형률 등 정확한 3D 형상을 순식간에 측정할 수 있습니다.

• 면으로 포착하기 때문에 대상 물체 전체의 왜곡되어 있는 부분을 파악하고 임의로 지정한 부분에 대하여서도 프로파일 측정을 할 수 있습니다.
• 위치 결정 없이 대상 물체를 스테이지에 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작으로 측정할 수 있습니다.
• 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있으므로 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있습니다.
• 여러 측정 데이터의 정량적인 비교·해석이 간단하게 실현됩니다.

그 밖에도 평면도의 공차를 설정하는 것으로 정상/불량품의 판별을 진행하거나, 데이터를 활용한 불량품의 분석을 간편하게 실시할 수 있습니다. 또한 미세 부품이나 복잡한 형상 부품 등 기존에는 측정할 수 없던 대상 물체의 변형률 측정과 가시화를 가능하게 하여 신속하고 정확한, 측정 작업의 비약적인 효율화와 원활한 데이터 해석을 실현합니다.

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