The Development of Automatic Inspection System of Differential Driver Gear through Research Convergence of Industrial and Academia

1. 서론

본 연구는 국내 대기업 자동차사는 물론 해외 공장에 도 트랜스미션을 독점 공급하는 제 1납품기업이 모기업 으로 부품을 공급하는 2차 협력기업임에도 수량대비 수

익률이 매우 적은 기업으로 사업방향의 전환이 필요한 상황이며, 이에 본 기술개발을 통해 트랜스미션의 자동 정밀검사 장비를 개발하여 가공품의 납품 불량률을 0으 로 만드는 것은 물론 개발한 장비를 통해 사업을 다각화 하여 매출의 극대화를 이루고자 한다. 주관기업에서는

산학 융합 연구를 통한 차동 기어 자동 검사 시스템의 개발

이정익

인하공업전문대학 기계설계과

The Development of Automatic Inspection System of Differential Driver Gear through Research Convergence of Industrial and Academia

Jeong-Ick Lee

Dept. of Mechanical Design, Inha Technical College

요 약 본 연구는 트랜스미션에 들어가는 부품인 차동기어에 대한 자동 검사 장비를 개발하고자 하는 것이다. 본 기술개발 은 Micro Vision 자동 검사 장비와 마이크로레이저 자동 검사 장비를 사용하여 만들 것이다. 이는 작업자가 부주의하게 가공 한 제품을 전수검사 단계에서 불량률 0를 만들고자 한다.

본 연구를 통해 개발된 장비를 여러 분야 사업에 적용할 것이다. 포장회사, 너트 볼트 가공업체, 정밀 반도체 상단에 인쇄를 위한 업체, SMT 업체 등 다양한 분야에 비전검사 장비를 판매하고자 한다. 본 기술개발을 통해 불량률 0를 실현하면 모기업 으로부터 안정적 물량 확보, 나아가 제품 신뢰도를 바탕으로 수출을 할 수 있는 기반마련의 기회도 가능하다. 자동검사시스 템을 국내 자동차 부품 가공업체에 적용할 경우 우리나라 자동차의 신뢰도 또한 크게 상승 할 것으로 생각된다.

주제어 : 머신 비젼, 마이크로레이저, 자동화시스템, 검사 분석, 모듈화

Abstract

Key Words :

*Corresponding Author : Jeong-Ick Lee ([email protected]) Received July 31, 2018

Accepted October 20, 2018

Revised August 20, 2018 Published October 28, 2018

기존 업체에 의뢰하여 본 장비를 개발하고자 하였으나 업체에서는 표준화된 장비 및 표준화된 작업에 사용하는 장비를 공급하는데 가격이 상당하였으며 본 기술 개발과 같이 비전 외 복잡한 추가 센서 및 이송 장치를 개발할 경우 상상 이상의 비용이 발생하여 진행하지 못하였 다.^1-2)본 기술 개발은 그동안의 주위 동종업계에도 많은 질의를 통해 장비의 개발 필요성을 확신한 제품이다. 최 근 자동차 산업은 대내외 경기회복으로 수출 및 내수는 증가할 것으로 전망되며 글로벌 경기의 점진적인 회복세 에 따라 자동차 수출은 증가 할 것으로 전망되나 작업자 의 책임감 부재로 가공 후 전수검사 단계에서 발생하는 가공품의 불량을 본 기술개발을 통해 마이크로 비전 검 사장비와 마이크로레이저 검사장비로 전량 검사하여 불 량생산을 미연에 방지하고자 한다.

마이크로비전 검사장비는 광학 현미경 카메라인 200 만 화소의 디지털 마이크로스코프를 활용하여 가공품의 외경, 내경, 홀의 위치, 표면 스크래치 등을 정밀검사 하 고자 함이며, 개발될 검사장비를 새로운 사업 아이템으 로 과제 주관기업의 불량 검사용만이 아닌 포장회사, 너 트 볼트 가공업체, 정밀한 반도체 상단의 인쇄를 확인하 기 위한 업체, SMT 업체 등 다양한 분야에 비전 검사장 비로 공급 가능하다.³⁾

마이크로 레이서 단차 검사장비는 8㎛의 정밀도를 가 지도록 개발하여 가공품의 정밀 단차 검사는 물론 본 개 발을 통해 개발 될 마이크로 레이저 단차 측정기를 철판 두께를 일정하게 생산해야 하는 업체나 제품의 단차를 정밀 검사하는 업체 등에 정밀 검사장비로 판매를 하고 자 한다.

본 기술개발을 통해 개발하고자하는 차동기어 (differential drive gear) 전수 자동화 검사장비의 개발 배 경은 다음과 같다. 기존은 생산기업 의 불량품 납품 시 발생되는 모기업의 생산라인 가동 중단에 따른 변상 및 회사 품질신뢰도 추락 등 중대한 문제점이 발생되었으며, 1차 협력업체로부터 단조품을 구매하여 월 10만개의 차 동기어를 1차 가공하는 과정에서 전수 검사를 진행하고 있으나 검수과정이 매우 원시적이고 생산자의 실수로 불 량이 발생할 가능성이 항시 상존하고 있어 반드시 본 기 술개발을 통해 기존 전수검사 이외에 IT와 접목한 트랜 스미션 부품의 자동검사시스템을 개발하여 불량률 0가 되고자 하며, 또한 사내 불량률이 1000 PPM 이하가 되도 록 본 기술개발을 통해 이루고자 한다. 상기 자동 검사장

비를 개발하여 현장에서 현재 작업자가 진행하는 전수검 사 시스템을 그대로 유지하면서 자동검사시스템을 추가 적용함으로서 모기업 납품제품의 불량률 제로를 실현하 고자 한다. 당사 직원들의 제품불량에 대한 스트레스 해 소는 물론 품질 신뢰성 확보, 회사 이미지 제고, 모기업으 로부터 안정적 물량 확보, 나아가 제품 신뢰도를 바탕으 로 수출을 할 수 있는 기반마련의 기회도 가능할 것이며, 자동검사 시스템을 국내 자동차 부품 가공업체에 적용할 경우 우리나라 자동차 제품에 대한 신뢰도 또한 크게 상 승 할 것으로 생각된다.⁴⁾본 연구는 센서의 융합연구이자 산학연의 융합연구의 일환으로 수행된 연구이다.

2. 차동 기어 자동 검사 시스템 개발 시도

2.1 머신 비전 연구 현황

머신 검사장비의 대부분은 디스플레이, 반도체, 전자 부품 등의 사업에 밀집되어있는 것이 사실이다. 평판 디 스플레이는 여러 층의 유리판, 반도체, 금속 그리고 편광 필름 등의 부품들로 구성되며, 여러 번의 에칭 및 전기화 학 처리 단계를 거쳐 생산되는데 이 디스플레이 제품에 대한 성능향상과 가격인하에 대한 소비자들의 욕구가 증 가됨에 따라, 머신 비전 검사장비 업체들은 지속적으로 품질과 생산성을 향상시켜야 하는 생산자들에게 시각자 동화 검사는 가장 효과적이고 효율적인 대안으로 부각되 고 있다. 생산자들은 각 패널의 생산 공정마다 100% 전 수 검사를 실시하는 방향으로 전환하고 있으며, 검사의 빈도와 정밀도를 높이는 동시에 검사에 소요되는 시간을 최소화하고자 노력하고 있다. 전자부품의 생산에 있어서 품질 향상을 위해 제조사들은 생산 공정별 검사항목을 지속적으로 늘려가며 생산성에 영향을 주는 결점을 조기 에 검출하고자 노력하고 있다. 부품의 크기가 작아짐에 따라 정밀한 해상도의 검사시스템이 요구되고 있으며, 검사에 소요되는 시간을 최소화하기 위해 시스템 속도가 지속적으로 증가하는 추세에 있다.

2.2 마이크로레이저의 연구 현황

대상 물체로부터 확산되어 반사한 광선의 일부가 대 상 물체까지의 거리에 위치검출소자(PSD)위에 광 스팟 을 만들어내어 이 변화를 검출해내 물체까지의 거리를

측정 한다. 이러한 원리는 다양한 산업에서 실제 사용되 고 있다. 스테이지의 위치 체크, 포장 테이프의 두께측정, 늘어짐 양 검사, 팔레트 모양, 위치검사 등 다양한 분야에 서 사용되고 있다. 이런 연구는 레이저 센서를 만드는 기 업에서의 연구이며 장비나 시스템으로 연구개발은 하지 않는 실정이다.

3. 현재 차동 기어의 수동 검사 6가지 항목과 문제점

현재 차동 기어를 검사하는 방법은 전적으로 수동에 의존하고 있으며 측정 시 필요한 원천기술과 방법은 보 유하고 있으나 자동화에 대한 엄두를 내지 못하는 실정 이다. 따라서 작업자가 수동으로 측정할 경우 개인적 상 황과 작업장의 상태에 따라 측정값이 변할 수 있어 매우 불규칙적이다. 각각의 6가지 차동 기어의 수동 검사 방법 은 다음과 같다.

3.1 평행도 검사

Fig. 1. Test of parallelism

1, 2차 선삭 가공 후 작업자가 Fig. 1과 같이 평행도 검 사를 하고 있으며 현재는 정반 형태의 지그에서 위쪽에 있는 기준 되는 바에 측정 제품을 밀착하고 회전하면서 아날로그 인디케이터를 활용하여 검사한다. 향후 자동화 시스템 개발을 통해 단차 검사 장비인 마이크로레이저 센서를 활용하여 검사한다.

3.2 단차 검사

Fig. 2. Test of step measurement

1, 2차 선삭 가공 후 Fig. 2와 같이 단차 검사로 시스템 개발을 단차 검사 장비인 마이크로레이저 센서를 활용하 여 검사해야 올바르나 현재는 두께 (height) 측정 게이지 를 사용하여 측정하고 있다.

3.3 내경 및 두께 검사

Fig. 3. Test of inner circle and thickness

1, 2차 선삭 가공 후 내경, 두께 검사를 보여주고 있으 며 현재는 버니어 켈리퍼스, 두께 측정게이지 등을 이용 하여 Fig. 3과 같이 내경 및 두께를 측정하고 있으나, 향 후 시스템 개발을 통해 두께는 마이크로 레이저 센서를 활용하여 검사하고, 내경은 머신 비전 검사 장비를 활용 하여 검사할 예정이다.

3.4 동심도 및 홀 위치 지그 검사

Fig. 4. Test of concentricity measurement and hole position zig

1, 2차 선삭 가공 후 Fig. 4와 같이 동심도 및 홀 위치 지그 검사에는 내경, 두께 검사를 보여주고 있으며 현재 는 버니어 켈리퍼스, 두께 측정 게이지 등을 이용하여 내 경 및 두께를 측정하고 있으나, 향후 시스템 개발을 통 해 동심도 및 홀 위치는 머신 비전 검사 장비를 활용하여 검사하고자 한다.

4. 기존 측정 가능 장비

Fig. 5의 기존 장비들과 같이 컨베이어벨트에서 측정 품이 직선으로 이동하는 것을 카메라로 측정하는 장비라 면 본 연구 및 개발 장비는 인덱서라는 회전체 위의 측정 품을 측정하는 구조가 필요하다. 직선으로 이동하는 장 비는 넓은 장소가 필요하며 인원 또한 수명의 작업자가 필요한 반면, 원형으로 제작된다면 이동하는 장비는 장 소가 협소하더라도 한명이 충분히 작업이 가능한 구조로 변경이 필요하다.

Fig. 5. Configuration of existing machines inspection equipment

측정품이 카메라의 측정 영역에 들어오는 위치가 일 정하고 정확해야하는 구조이며 그 보정은 소프트웨어 및 하드웨어로 보정하여 정밀 측정하는 장비이다. 기존 장 비는 머신비전과 단차 측정 장비가 분리되어있으며 한 번의 연구에 두 가지를 동시에 개발하지 않는다. 본 기술 개발을 통해 개발하고자 하는 장비는 비전과 거리센서 (마이크로스코프 & 마이크로레이저)를 가진 복합적인 장비의 개발이 필요하다. 기존 연구개발 제품들은 표준 화된 장비만을 공급하는 방식으로 진행한다면 본 연구의 결과로는 장비의 시스템 전체 해법(total solution)을 공 급하는 방식으로 기술개발이 진행되어야 한다.

5. 최종 설계 가능 장비

5.1 마이크로스코프를 활용한 머신 비전 검사 장비 의 개발

카메라(마이크로스코프)를 통하여 원하는 대상물을 촬영하고, 프로세서를 통하여 대상물에 대한 정보를 도 출해 내는 머신비전의 개발을 해야 한다. 디지털 마이크 로스코프를 활용하여 최대 200배까지 확대(최대 500배) 가 가능하고 해상도는 1.3M 화소, 프레임 속도는 최대 30fps가 되도록 개발되어야 한다. 촬영 시 이미지 흐림 현상을 보정하여 최소화 되도록 개발해야 한다. 디지털 마이크로스코프에 요구되는 정상 값을 분석하여 정품과 불량이 분리될 수 있도록 처리하는 보드의 개발도 필요 하다. 정상적인 이미지와 순간 촬영된 이미지와 비교하 여 가공품의 불량을 확인 분석할 수 있는 응용 (application)개발이 필요하다. 이 장비의 적용범위는 가 공품의 외경, 내경, 동심도, 진원도, 홀 위치, 표면스크래 치 등을 정밀 검사하도록 개발되어야 한다. 대량생산과 높은 품질이 요구되는 현장에서 다량의 제품을 작업자 없이 검사할 수 있는 검사장비의 개발하고 고속검사가 가능하도록 개발하여 시간 및 비용 절감의 큰 효과를 기 대할 수 있도록 하는 개발이 필요하다.

Fig. 6은 머신 비전을 활용한 검사 장비로 너트의 외경 내경을 검사하고 나사산의 정밀도를 검사하는 장비의 응 용이다.

Fig. 6. Application screen of HySCALER

판단에 의해 발생할 수 있는 미세한 오차까지도 근본 적으로 방지가 가능하도록 개발 예정이다.

5.2 마이크로레이저 센서를 활용한 단차 측정 장 비의 개발

기존의 단차 측정 장치는 탐촉 센서(probe sensor)를

활용하여 센서를 움직일 수 있는 장치를 만들어야 했고 센서가 측정 제품을 접촉하는 방식으로 단차를 측정하여 가공품에 흠집이 발생할 가능성이 높았으나 마이크로레 이저 센서를 활용할 경우 비접촉이어서 측정 제품에 스 크래치가 발생하지 않으며 측정값 또한 매우 정밀하여 본 개발을 통해 단차 측정 장비를 파나소닉의 마이크로 레이저 센서 HL-G112를 활용하여 개발하고자 한다. 기 존 접촉식 단차측정기는 기준 정반위에 제품을 올려 측 정을 해야 하나 마이크로레이저 센서를 이용할 경우 측 정 제품의 윗면과 아래면 쪽에 마이크로레이저센서를 위 치하여 동시에 윗면 아랫면 측정이 가능하며 정밀한 측 정값을 얻을 수 있다. HL-G112는 120mm(± 60mm)거리 에서 측정이 가능하고 결과값은 8㎛, 0.315mil의 값을 측 정할 수 있어 일반적인 어떠한 가공품도 정밀한 값을 산 출해 낼 것으로 본 개발을 통해 정밀한 측정 데이터 값을 측정할 수 있도록 단차 측정 장비를 개발하려고 한다. 단 차 측정 장비를 활용하여 측정 제품의 두께 및 평면도를 측정할 수 있도록 개발하려고 한다. 마이크로레이저 센 서를 활용한 예는 다음 Fig. 7과 같다.

Fig. 7. Application examples of HL-G112

5.3 두 정밀검사 장비의 결합된 자동 검사 시스템 의 설계제안

1차적으로 주관기관사의 가공품의 불량률을 제로화하 기 위한 시스템의 개발이 필요함으로 인덱스를 활용하여 자동으로 일정한 방향으로 동작하도록 장치를 설계하고 마이크로레이저 센서를 측정제품의 윗면과 아랫면에 위 치하여 단차 및 평면도를 측정이 가능한 자동검사 시스 템의 개발한다. 2차 인덱서에서 다음단계로 오는 측정 제 품을 위에서 머신 비전을 위치하여 측정 제품의 외경, 내 경, 동심도, 진원도, 홀 위치, 표면스크래치 등을 정밀 검

사하도록 장치의 기구설계를 통해 개발한다. 3차 인덱서 에서 머신 비전을 통해 측정할 수 있는 부위가 윗면이어 서 측정제품을 압력으로 위로 들어 올려 옆으로 이동할 수 있도록 기구설계 한다. 4차 옆으로 이동한 측정제품을 아래에 위치한 머신비전을 활용하여 외경, 내경, 동심도, 진원도, 홀 위치, 표면스크래치 등을 정밀 검사하도록 장 치의 기구설계를 통해 개발한다. 최종적으로 예상 가능 한 장비 시스템의 예상 개념도는 Fig. 11과 같다.

Fig. 8. Concept design of operation system for index

Fig. 8은 인덱스의 작동 시스템 개념도이며, 일정한 회 전 장치의 인덱스 개념도는 Fig. 9와 같다.

Fig. 9. Index concept design of constant rotating motion

기존 Fig. 10과 같이 표준화된 기존 장비 업체와는 다 른 전체적 해결 방안(total solution)을 제공한다. 그 전체 적인 해결 방안은 Fig. 11에 표시하였다.

Fig. 10. System concept design of module

Fig. 11. Combination concept design of microvision and microscope

측정 부품의 종류는 3가지이며 측정하는 오차범위는 다음 표와 같다. 측정 시는 한 종류만 측정하고 측정이 종료된 후 다른 종류의 측정이 가능하도록 개발한 설계 개념도이다. 즉, 상기 Fig. 11의 설계 개념에는 Table 1 측정 부품의 종류와 측정치에 대한 모든 내용이 반영된 설계 개념이다. Fig. 12는 차동 기어의 실제 모습과 제작 도면을 표시하였다.

kinds 3B600

(error range

3B610 (error range

39006 (error range

outer diameter 195.4-195.3 (0.1)

193.0-192.9 (0.1)

207.0-206.9 (0.1)

inner diameter 91.9-91.92

(0.02) same left 95.8-95.83 (0.03)

step 30.3-30.26

(0.04) same left 22.64-22.72 (0.08)

thickness 11.1-11.06

(0.04) same left 10.35-10.45 (0.1)

hole position, surface shot, hole burr

visually check the

current

visually check the

current

visually check the

current

parts

Fig. 12. Differential drive gear and manufac -turing drawing

5. 결 론

본 연구는 센서의 융합연구이자 산학연의 융합연구의 일환으로 수행된 연구로서 자동차 트랜스미션의 부품인 차동기어(differential drive gear)의 전수 검사 장비용 자 동화 검사 장비에 대한 설계 제안의 연구로 그 결론을 다 음과 같이 제시하고자 한다.

1. 현재 원형도 검사, 단차 검사, 내경 및 두께 검사, 동심도 및 홀 위치 지그 검사를 한 원형 위에서 실 시간 수행 할 수 있는 마이크로비전과 마이크로스 코프를 이용한 자동화 장비에 있어서 복합 설계 개 념을 제안하였다.

2. 이 장비는 마이크로비전을 사용한 머신 비전 검사 장비와 마이크로레이저센서를 활용한 단차 측정 장 비의 결합된 개념설계다.

3. 지금까지 마이크로비전과 마이크로레이저 각각을 활용한 검사장비는 간혹 있었으나, 이 두 가지를 복 합적으로 이용한 검사장비의 개발 사례는 처음이다.

4. 차동 기어의 외경, 내경, 단차, 두께, 홀 위치, 표면 스크래치 등 원하는 스펙에 원하는 종류들 사이즈 에 모두 만족스럽게 검출이 되도록 자동화 설계가 가능하다.

5. 제안된 장비는 측정 장비가 아닌 검사장비로 사용 되기에 손색이 없으며 센서 들 간의 복합사용이 필 요한 유사 검사장비의 개발에 대한 향후 개발에 있 어서도 안내자 역할을 충실히 해줄 수 있을 것으로 기대된다.

6. 향후 개발될 장비에 대한 내용이 현재는 개념 설계 의 제안이지만 제작 후 완전한 자동화 검사장비로 가기까지 추가적인 시행착오가 따를 것으로 생각된다.

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이 정 익(Jeong-Ick Lee) [정회원]

․1991년 2월 : 한양대학교 공과대 학 기계공학과 (공학사)

․1993년 2월 : 한양대학교 공과대 학 정밀기계공학과 (공학석사)

․1999년 8월 : 한양대학교 공과대 학 정밀기계공학과 (공학박사)

․1993년 1월 ～ 1999년 12월 : (주)대우전자 중앙연구소 (선임연구원)

․2000년 3월 ～ 2007년 2월 : 용인송담대 자동차기계설 계전공 (교수)

․2007년 3월 ～ 현재 : 인하공전. 기계공학부 기계설계 과 (교수)

․관심분야 : CAD/CAM/CAE, 공장자동화, 생산자동화, 사출금형, 유비쿼터스, MEMS, BIOMECHANICS

․ E-Mail : [email protected]