좌표 측정 시스템

좌표 측정 시스템은 시편의 물리적 형상을 측정하는 기기이다. 전형적으로 좌표 측정 시스템은 물체 위의 표면위치를 검출하기 위해서 프로브 시스템을 이송하는 능력을 갖추고 있으며, 기준 좌표계에 대해서 표면이 상대적인 공간좌표값을 구할 수 있다. ISO기술위원회에서 광학 및 X-선 측정기법을 사용하는 기기를 포함하여 모든 유형의 형상 측정 기기들을 통칭하기 위해서 좌표 측정 시스템(CMS)이라는 용어를 도입하였다. 접촉식 좌표 측정 시스템은 수많은 구조를 가지고 있으며, 크기 범위는 대형 항공기 부품을 측정할 수 있는 크기에서부터 마이크로 스케일용 측정기에 이르기까지 넓은 범위를 가지고 있다. 그런데 대부분의 산업용 좌표 측정 시스템은 약 0.5m에서 2m에 이르는 육면체 형태의 작업체적을 가지고 있다. 가장 일반적인 형태의 좌표 측정 시스템은 이동 브리지 구조이다. 일반적인 접촉형 좌표 측정시스템은 일반적으로 3개의 좌표축들로 이루어진 직교좌표계를  사용하지만 4축 좌표 측정 시스템도 사용되고 있으며, 추가되는 축들은 일반적으로 회전축이다. 좌표 측정 시스템은 일반적으로 온도가 20도 근처로 조절되는 방에 설치한다. 최초의 좌표 측정 시스템은 1950년대 말에서 1960년대 초에 개발되었다. 
 현재는 다양한 유형의 좌표 측정 시스템들이 개발되었다. 하지만 기본적인 정밀공학적 원리를 설명하기 위해서, 다음 절에서는 접촉형 좌표 측정 시스템에 대해서만 살펴볼 예정이다.
 좌표 측정 시스템을 개별측정방식으로 측정하는 경우에는 표면 위의 단일점 측정을 통해 취득한 데이터들을 취합하며, 스캐닝 방식으로 측정하는 경우에는 기계식 스타일러스 프로브가 표면 위를 이동하면서 연속적으로 데이터를 취합한다. 표면과 접촉하는 스타일러스 프로브에는 실린더 형상이나 세라믹 소재와 같이 다양한 형상과 소재를 사용할 수 있지만 일반적으로 합성 루비볼을 사용한다.
 대부분의 좌표 측정 시스템은 접촉 촉발식 프로브를 사용한다. 따라서 접촉 촉발식 프로브가 어떻게 작동하는가에 대한 기본적인 이해가 되어 있을 것이다. 접촉 촉발식 프로브 설계자가 당면하는 문제는 측정대상 물체의 제작에서 필요로 하는 정확도보다 높은 수준으로 프로브가 작동해야만 한다는 것이다. 기구학적 원리를 적용해야만 작동의 정확도가 가공 정확도에 전혀 의존하지 않도록 프로브를 설계할 수 있다. 그러므로 접촉 촉발식 프로브는 고도의 반복성을 갖춘 스타일러스의 운동을 구현하기 위해서 기구학적 위치 결정 방법을 채용하고 있다. 전형적인 메커니즘은 세개이 실린더형 막대들이 각각, 한 쌍의 구체 사이에 형성된 흠에 안착된 형태이다. 이 방식을 사용하여 스타일러스의 6자유도 모두를 구속하고 있어서, 변위가 발생한 다음에 동일한 위치로 되돌아갈 수 있다. 여섯 개의 접촉 모두가 접촉하여 만들어진 전기회로를 사용하여 어떤 방향으로라도 스타일러스의 변위가 발생하면 전기회로가 끊어지면서 촉발 신호가 생성된다. 접촉이 발생하는 순간에, 컴퓨터가 촉발 신호를 검출하여 그 순간의 기계위치를 기록한다. 접촉이 발생한 이후에도 스타일러스가 비교적 자유롭게 움직일 수 있기 때문에, 좌표 측정 시스템이 감속을 하기 위해서 필요한 시간 동안의 과도운동을 수용할 수 있다. 프로브가 후진하면 스타일러스가 표면에서 떨어지면서 예압스프링에 의해서 스타일러스는 다시 원위치로 되돌아간다. 이 메커니즘을 통해서 마이크로미터 이하의 반복도를 가지고 프로브가 표면 접촉을 검출 할 수 있다. 
 높은 정확도를 필요로 하는 경우, 아날로그 프로브가 더 좋다. 전형적인 아날로그 프로브의 경우, 측정 시스템은 서로 직교하는 세개의 스프링들의 예압을 받는 평행사변형 기구들과 이들의 변형을 측정하는 센서들로 이루어진다. 각각의 평행사변형 기구들은 중립위치에 고정되어 있다. 이 위치에 대해서 센서들의 영점을 맞춘다. 전형적으로, 측정대상 물체와 접촉이 이루어지는 순간에 이동코일 시스템이 측정력을 송출한다. 측정 시스템을 영점위치 근처로 조절해놓으면, 기계의 좌표와 이산화된 프로브 헤드의 잔류변형이 컴퓨터로 전송된다. 접촉이나 충돌이 발생한 경우에 변형의 허용 범위 내에서 프로브 헤드를 정지시킬 수 있도록 프로브 헤드를 측정방향으로 미리 변위를 발생시켜놓기도 한다.