[논문]LVDT를 이용한 범용 외경측정 모듈에 관한 연구

이능구; 곽이구; 김홍건

doi:10.14775/ksmpe.2017.16.3.100

LVDT를 이용한 범용 외경측정 모듈에 관한 연구
A Study on the Universal Outer Diameter Measurement Module using LVDT 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.3, 2017년, pp.100 - 106

이능구 (전주대학교 일반대학원 기계공학과) , 곽이구 (전주대학교 기계자동차공학과) , 김홍건 (전주대학교 기계자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A universal outer diameter measurement module was developed using a linear variable differential transformer (LVDT). This outer diameter measurement module enables simultaneous measurement of outer diameter, displacement, and perpendicularity of bench-type high-precision products by combining analogue and digital measurement principles with mechanically precise and fine adjustment functions. The developed module showed a performance of 0.001mm in measurement resolution, 0.001mm in measurement accuracy, reference surface abrasion lower than Ra 0.1864, and measurement stability of 0.002mm. Therefore, we have acquired domestic measurement technology to improve productivity by securing technical competitiveness for universal diameter measurement technology, lower production costs through import substitution, and increased quality of products with more precise measurement technology. Furthermore, a substitution effect is expected for expensive import measurement system equipment used in production, research, and inspection sites in industries that produce precision processing products such as automobile and machine components.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

내구성 시험의 경우 Block assy 부의 피사체물이 장착되는 Panel 부의 표면의 내구성을 테스트함으로서 기준면의 마모성을 확인하고, 이에 대한 안전성과 정확성을 확인하기 위하여 시험을 진행하였다. LVDT를 이용한 범용 외경 측정 장치 및 외경 측정 장치들은 피사체물을 장착시킨 후 회전을 시킴으로서 표면이 마모될 수 있어 큰 마모성이 있을 시 그 안전성과 측정의 정확도가 떨어질 수 있어 시험이 필수적으로 진행되고 있으며, 이러한 마모성을 테스트하기 위하여 표면이 거친 마스터링을 통하여 회전시켜 시험을 진행하였다.
본 연구에서는 정밀측정분야에서도 외경측정기술의 국내 기술확보를 위해 기구적으로 정밀하고 미세한 조절기능을 갖춘 아날로그 방식과 디지털 측정원리를 융합하고 고정밀도 외경치수, 변위량, 직각도를 동시에 측정이 가능한 Bench형식의 LVDT를 이용한 범용 외경측정 모듈을 연구하였다.
본 연구의 핵심기술개발인 LVDT를 이용한 범용 외경 측정 모듈의 개발이다. 즉, 기구적으로 정밀하고 미세한 조절기능을 갖춘 아날로그 방식과 디지털 측정원리를 융합하여 Bench 형식의 고정밀 제품의 외경, 변위량, 직각도 치수를 동시 측정이 가능하도록 하는 외경측정 모듈의 개발이라고 할 수 있다.

제안 방법

내구성 시험의 경우 Block assy 부의 피사체물이 장착되는 Panel 부의 표면의 내구성을 테스트함으로서 기준면의 마모성을 확인하고, 이에 대한 안전성과 정확성을 확인하기 위하여 시험을 진행하였다. LVDT를 이용한 범용 외경 측정 장치 및 외경 측정 장치들은 피사체물을 장착시킨 후 회전을 시킴으로서 표면이 마모될 수 있어 큰 마모성이 있을 시 그 안전성과 측정의 정확도가 떨어질 수 있어 시험이 필수적으로 진행되고 있으며, 이러한 마모성을 테스트하기 위하여 표면이 거친 마스터링을 통하여 회전시켜 시험을 진행하였다.
LVDT를 이용한 범용 외경측정 모듈의 성능을 평가하기 위하여 Fig.6과 같이 외경이 ￠52.983mm 와 ￠46.730mm의 교정된 Plug Master로 통해 외경을 앞면(Front)과 뒷면(Back)을 각각 30회를 Fig.7과 같이 측정하였으며, 결과는 Fig. 8과 같이 나타났다^[7].
데이터 유·무선 전송장치는 Fig. 4와 같이 LVDT로 측정된 데이터를 무선 전송을 할 수있도록 개발하였다.
측정스탠드는 측정기기부와 데이터 유·무선 전송장치, Display가 간결하게 보이도록 설계제작 하였으며, 테이블 높이는 측정이 용이하도록 설계제작 하였다. 데이터 처리를 위한 컴퓨터는 열악한 환경여건에서도 내구성 및 성능이 유지되도록 산업용으로 디자인 하였다.
따라서 본 연구에서는 이러한 단점을 개선하여 동적측정이 가능하고 측정 정확도 및 정밀도, 측정분해능이 0.001mm 수준을 갖춘 LVDT를 이용한 범용 외경측정 모듈연구를 추진하였다.
또한 제품의 측정성능과 연속검사과정에서의 공정능력을 분석할 수 있도록 프로그램을 제작하였다. 공정능력(Process Capability, C_p )은 기피원인이 제거되고 우연원인만이 품질변동을 주는 경우에 생각할 수 있는 공정상의 품질분포의 정도를 의미하는 것으로 식(1)과 같이 정의한다^[5].
또한 측정 Finger부 셋팅시는 상하 움직임이 원활하게 동작하게 하였으며, 미세조절이 가능하도록 하였다. 클램핑부에서는 레버를 이용하여 잠금, 해체가 되도록 하였으며 Finger의 움직임 방지를 위해 레버 안쪽에 스프링 압력고정이 가능하도록 하였다.
먼저 외경측정기기부에서 주물베이스부는 일반강을 적용하였으며, 측정부 팁은 초경을 사용하였고, TIP 형상은 25μm이상(열처리 후 HRC50)의 Radius를 가지게 하였다.
범용외경측정모듈 제작을 위하여 측정기기기부의 설계, 데이터 유·무선전송장치, 측정프로그램 개발을 위한 부문별 제품을 설계하였다.
시험 조건의 경우 임의 치수로 된 열처리(HRC56~64)후 표면 정삭이 생략되어진 거친 마스터링을 사용하여 측정 기준면에 외경측정 조건보다 가혹한 상태로 100회 이상 회전시켰을 때 회전전 측정 기준면의 거칠기와 회전을 100회이상 시킨 후의 표면 거칠기를 비교하였을 때 얻어진 표면거칠기(Ra,㎛) 최대값을 확인하였다.
제작은 Fig. 2와 같이 외경측정기기부, 유무선 전송장치, 측정프로그램별로 제작을 진행하였다. 먼저 외경측정기기부에서 주물베이스부는 일반강을 적용하였으며, 측정부 팁은 초경을 사용하였고, TIP 형상은 25μm이상(열처리 후 HRC50)의 Radius를 가지게 하였다.
측정 안전성 평가 시험의 경우 여러개의 시편을 계속하여 측정을 진행하였을 때 측정되는 치수의 정확도와 치수 변화를 확인하여 반복적으로 여러번 측정 시 치수의 안전성을 확인하는 평가로써 직경이 ￠71.984mm인 외경 링을 일련번호를 부여하여 총 10개의 시료를 동일한 세팅조건에서 Fig. 9와 같이 외경치수를 순서별로 연속적으로 앞면과 뒷면을 3번을 측정하였다.
측정분해능이 0.001mm 수준의 LVDT 프로브를 이용한 고정밀도 측정을 하도록 하였으며, 측정기 본체, 데이터 유·무선 전송장치 및 측정 프로그램으로 구성되었고 제품의 외경과 폭치수에 따라 측정범위 조절이 가능하도록 구현되어 넓은 측정범위와 정적, 동적측정 가능하도록 하였다.
측정스탠드는 측정기기부와 데이터 유·무선 전송장치, Display가 간결하게 보이도록 설계제작 하였으며, 테이블 높이는 측정이 용이하도록 설계제작 하였다.
측정프로그램 구성은 Fig.3과 같이 각 기능의 조작이 단순화 하여 세팅 값 변경, 규격설정, 데이터 입출력 기능과 간단한 히스토 그램의 Display기능을 구비하였다. 또한 세밀한 통계분석을 위한 별도의 통계프로그램을 추가하였다.
또한 측정 Finger부 셋팅시는 상하 움직임이 원활하게 동작하게 하였으며, 미세조절이 가능하도록 하였다. 클램핑부에서는 레버를 이용하여 잠금, 해체가 되도록 하였으며 Finger의 움직임 방지를 위해 레버 안쪽에 스프링 압력고정이 가능하도록 하였다. 측정샤프트는 LVDT 프로브의 측정압 조절이 가능하도록 제작 하였다.

대상 데이터

(채널 3~8채널) 정밀도를 보장하기 위하여 Table 1과 같이 Repeatability 0.01㎛의 고정도 LVDT센서를 선정하여 사용하였다^[5-6].

데이터처리

3과 같이 각 기능의 조작이 단순화 하여 세팅 값 변경, 규격설정, 데이터 입출력 기능과 간단한 히스토 그램의 Display기능을 구비하였다. 또한 세밀한 통계분석을 위한 별도의 통계프로그램을 추가하였다.

성능/효과

(1) 교정된 Plug Master의 외경을 측정결과 측정분해능은 0.001mm, 측정편차의 경우 ±0.001mm로 우수한 성능을 확보하였다.
(2) 측정안정성의 경우 0.002mm로 반복 재현성을 확보하였으며, 내구성의 경우 100회 회전시켰 후의 거칠기는 Ra 0.1864㎛로 우수한 내구성을 확보하였다.
거칠기를 측정한 결과 최대 Ra 0.1864㎛로 현재 국내·외 판매되고 있는 외경측정기 Ra 0.25㎛수준보다 월등한 수준으로 나타났다.
측정분해능은 0.001mm 수준의 우수한 성능을 보였으며, ￠52.983mm와 ￠46.730mm의 측정결과 앞면 및 뒷면의 편차(최대값-최소값)은 0.001mm로 우수한 성능이 나타나는 것을 확인하였다.

후속연구

(3) LVDT를 이용한 범용 외경측정 모듈 기술은 자동차 및 기계요소 부품 등 정밀가공 제품을 생산하는 산업분야의 생산현장과 연구, 검사실 등에서 고가의 수입 측정시스템 장비를 사용하는 것에 대한 대체효과가 기대된다.
산업현장에서 고정밀도 및 나노급 수준의 계측기술은 현재 해외 업체가 독점적으로 선점하고 있는 실정이며, 치수 측정검사 장비에 대한 고비용 지출을 개선하고 수입의존도를 낮추기 위하여 초정밀 계측기술의 국산화 보급이 시급하다^[1-3]. 이에 따라 범용 외경측정기술에 대한 기술경쟁력을 확보하고 수입대체를 통한 생산비용을 낮추며 또한 좀 더 정밀한 측정기술로 품질의 수준을 높여 생산성을 향상시킬 수 있는 국내기술개발이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직각도 측정의 구성에 대해 설명하라	직각도 측정은 외경부직각도 측정을 위한 별도의 판 스프링장치를 갖췄으며, 측정프로브 간접 연결방식 또는 직접연결 방식으로 구성하였다[4].
	초정밀 계측기술의 국산화 보급이 시급한 이유는?	특히 정량화된 고정밀도 측정기술이 필요하다. 산업현장에서 고정밀도 및 나노급 수준의 계측기술은 현재 해외 업체가 독점적으로 선점하고 있는 실정이며, 치수 측정검사 장비에 대한 고비용 지출을 개선하고 수입의존도를 낮추기 위하여 초정밀 계측기술의 국산화 보급이 시급하다[1-3]. 이에 따라 범용 외경측정기술에 대한 기술경쟁력을 확보하고 수입대체를 통한 생산비용을 낮추며 또한 좀 더 정밀한 측정기술로 품질의 수준을 높여 생산성을 향상시킬 수 있는 국내기술개발이 필요하다.
	LVDT를 이용한 범용 외경 측정 모듈의 개발은 무엇인가?	본 연구의 핵심기술개발인 LVDT를 이용한 범용 외경 측정 모듈의 개발이다. 즉, 기구적으로 정밀하고 미세한 조절기능을 갖춘 아날로그 방식과 디지털 측정원리를 융합하여 Bench 형식의 고정밀 제품의 외경, 변위량, 직각도 치수를 동시 측정이 가능하도록 하는 외경측정 모듈의 개발이라고 할 수 있다. 범용외경측정모듈 제작을 위하여 측정기기기부의 설계, 데이터 유·무선전송장치, 측정프로그램 개발을 위한 부문별 제품을 설계하였다.

참고문헌 (7)

Kim, D. N., "A Study on the System of the Precision Dimensional Measurements," Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 30, No. 2, pp. 37-42, 2016.
Hwamg, J. H., Park, K. H., Lee, N. K., Yang, J. S., Jin, J. K. and Cheon S. G., "Study on Automatic Measuring of Cap Sealing using LVDT Sensor," Korean Society of Precision Engineering Autumn Conference, pp. 871-872, 2011.
Korea Institute of Science and Technology Information, Ultrafine process and equipment technology, Korea Institute of Science and Technology Information., pp. 1-10, 2004.
Ban, K. S., Bae, J. Y., "A Study on Automated Outer Diameter Measurement System for Axisymmetric Automotive Part," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 12, No. 3, pp. 61-68, 2013.

상세보기
Cho, K. C., Kim, S. Y. and Shin, K. Y., "Development of Automated Non-contact Thickness Measurement Machine using a Laser Sensor," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 2, pp. 51-58, 2015.
Shin, K. Y., Hwang, S., "Development of Contact-Type Thickness Measurement Machine using LVDT Sensors," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 4, pp. 151-159, 2015.

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Ha, Y. S., "Development of LVDT-Based Measuring System of the Cylinder Liner Wear for Marine Diesel Engines and Its Performance Evaluation," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 35, No. 6, pp. 829-834, 2011.

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