동전 주조: 동전 주조를 위한 정확한 각도 측정

모든 이의 주머니 속에는 고정밀, 대량 생산 기술의 걸작이라 할 수 있는 물건이 담겨 있습니다.

우리가 매일 가지고 다니는 몇 안되는 물건 중 하나이기도 합니다. 최근, 디지털 지불 수단이 많이 보급되기는 했지만, 식료품점, 각종 키오스크, 티켓 발권 기계, 주차 미터 등에서는 여전히 동전이 꾸준하게 사용되고 있습니다. 시중에 수십억 개가 유통되고 있는 1달러 동전은 반드시 그 크기와 모양 등이 같아야 합니다. 각 유형의 동전은 동일한 앞/뒷면 디자인, 지름, 가장자리 모양, 무게를 갖고 있어야 합니다. 따라서, 주요 통화의 동전 주화는 대량 생산되어야 하며, 고정밀 공정을 활용해야 합니다.

과제

각 동전의 지름은 수천 분의 1인치 단위로 정확해야 하며, 무게는 천 분의 1 그램 단위로 일치해야 합니다. 마찬가지로, 앞면과 뒷면 디자인은 서로 동일한 각도로 정렬되어야 합니다. 주조 과정에서 앞/뒷면 화상은 아무런 무늬가 없는 동전에 금형을 최대 100톤의 압력으로 압착 시킴으로써 새겨지게 됩니다. 이때, 금형은 “마스터 허브”라고 불리는 틀을 정밀하게 복제한 것입니다. 주조 공정에서 요구되는 높은 정밀도와 주조로 인한 높은 마모도로 인해, 금형은 매우 자주 교체해주어야 합니다. 주요 주조 공정의 경우, 금형은 연간 약 5만 번 교체됩니다. 따라서, 제조 공정을 자동화하고 스탬핑 기계에 금형을 올바르게 삽입하는 것이 동전 주조의 생산율을 최대화하는데 관건이라고 볼 수 있습니다.

스탬핑 기계에서 동전 앞/뒷면 금형 사이의 각도를 정확히 유지하기 위해, 그라인더는 동전 방향에 맞게 특정한 각도로 각 원통형 금형에 작은 홈을 생성합니다. 그렇게 하면, 금형이 스탬핑 기계에 올바른 각도로 정렬되게 됩니다. 이때, 관건은 금형에서 실제 동전의 설계 각도를 정확하게 반영하고 올바른 피드백을 제공하는 것입니다. 따라서, 금형은 정밀한 작업을 위해 그라인더에 적정한 각도로 삽입됩니다.

정렬 시스템의 경우, 금형의 설계 각도를 올바르게 인식해야 하는 알고리즘적 문제 이외에도 CNC 강철 그라인더의 혹독하고 습기 찬, 더러운 환경 조건을 견뎌 낼 수 있어야 합니다. 더불어, 최소한의 정비 작업만으로도 고장없이 365일 24시간 작동 할 수 있는 신뢰성도 갖추고 있어야 합니다.

해결책

Artemis Vision은 까다롭고 어려운 환경 조건에서도 사용자가 요구하는 정확도를 유지하고 24시간 내내 작업을 수행 할 수 있는 동전 주조용 정렬 시스템을 개발했습니다. Artemis 시스템 설계자들은 2.3 MP 해상도의 FLIR Grasshopper3 카메라와 GigE Vision 인터페이스를 견고한 본체에 담은 소형 머신 비전 시스템을 선보였습니다. 특히, Artermis는 연장 링을 갖춘 Tamron사의 고정 초점식 C-마운트 렌즈, PC, 샤프트에서 금형까지 밝게 비취주는 확산식 조명을 부품으로 채택하였습니다.

카메라의 경우, 광택이 있는 금형 표면에 대응하는데 필요한 높은 동적 범위를 갖춘 Sony Pregius IMX174를 사용하였습니다. 또한, Alignment System은 FLIR의 FlyCapture SDK를 사용하여, PC에서 사전 처리되는 연속형 비디오 스트림을 캡처 할 수 있도록 하였습니다. 캡처 후, Alignment에서 개발한 시스템은 Microscan의 Visionscape 소프트웨어를 사용하여 각도를 1/10도 미만의 정확도로 인식합니다. 인식 결과는 그라인더로 피드백 되어 동전 금형을 정확한 각도로 회전시키는데 활용됩니다.

Angle Detection System의 기본 모델은 그 크기가 5” x 12”에 불과하며, 365일 24시간 작동이 가능하도록 설계되었습니다. Angle Detection System은 기가비트 이더넷 외에도 RS-232, USB, RS-485 및 디지털 I/O 인터페이스를 제공합니다.

고객 입장에서 기대 할 수 있는 특장점은 무엇입니까?

Alignment System은 생산 속도를 더욱 빠르게 하고 동전의 품질을 높여줄 뿐만 아니라, 생산량을 최적화 시켜줍니다. 그라인더에는 약간의 오차가 허용되기 때문에 최종 생산된 동전에서 결함이 발견되지 않도록 압착 과정에서 금형의 방향을 올바르게 잡아주어야 합니다. 조폐 당국은 저조한 생산량, 장기간 수리를 요하는 고장, 부정확한 금형 정렬로 인한 불필요한 비용 발생 등으로 인해 피해를 볼 수 있습니다. 결함의 경우, 수작업으로는 검출하기가 어려울 수도 있으며, 미세한 정렬 편차가 발생 할 경우, 이를 매번 감지하기란 불가능합니다. Alignment System은 정렬 관련 오차를 효율적으로 식별하고 수정함으로써 인간의 눈으로 찾아낼 수 있는 것보다 훨씬 정확하게 이러한 문제를 해결 할 수 있도록 도와줍니다.

왜 FLIR를 선택해야 하는가?

Artemis Vision의 Tom Brennan 회장은 FLIR의 Grasshopper3 GigE Vision 카메라를 다음과 같은 장점 때문에 선택했다고 합니다. "저희는 FLIR 제품을 사용하면서 지난 수년 동안 제품이 고장나는 것을 거의 보지 못했기 때문에 이 시스템에도 FLIR 제품을 채택하였습니다. Angle Detection System은 CNC 기계에 내장되어 있어, 접근과 지원이 어렵습니다. 따라서, 여기에 사용되는 하드웨어는 내구성이 높아야 합니다. FLIR에서 제공하는 다양한 GigE Vision 카메라 중에서 2.3 MP 해상도와 CMOS 글로벌 셔터 기술을 탑재한 Sony Pregius IMX174 센서는 화질을 좌우하는 높은 동적 범위를 제공하기 때문에 사용 시, 필요한 각도를 정확하게 인식해낼 수 있습니다. 또한, GigE 카메라 인터페이스 덕분에 Angle Detection System을 탑재하고 있는 CNC 기계와 컴퓨터 사이의 거리가 멀어도 두 기기를 쉽게 연결 할 수 있습니다.”

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