제 13권 제 2 호 2008년 4월 pp. 139-152
3차원 CAD 시스템을 이용한 설계환경 구축 및 설계자동화에 대한 연구
김영일*, 전차수**
A Study on Construction of Design Environment and Design Automation Using 3D CAD System
Yeoung-IL Kim* and Cha-Soo Jun**
ABSTRACT
In order to survive worldwide competition, today’s industries are experiencing strong pressure to introduce higher quality products with lower cost and shorter lead-time. Therefore, the role of design in the process of product development is increasing in significance. In this research, two methods for improving the design capability are proposed: construction of design environment and design automa- tion using 3D CAD system. The designers and design process are the core of product design using 3D CAD system. In order to maximize the design performance, construction of the design environment including selection of a suitable system, designer training for best use of the system, establishment of an efficient design process, and stabilization of the environment are required. A method is suggested to construct design environment by systematizing the contents of the projects and consulting experiences carried out for various categories of business such as electronic devices, motorcycles, electricity parts, sanitary wares, injection molds, and die casing molds. Design automation helps reduce tedious and time-consuming jobs, simplify complicated and error-prone modeling and drawing works to shorten the lead time and improve the product quality. To develop a design automation system, understanding the process and the related knowledge on design are very important before implementing the system using API provided by 3D CAD system. In this research, an eight-step procedure is proposed for the develop- ment of a design automation system. These eight steps are analysis of needs, determination of specifica- tion, verification of specification using 3D CAD system, inspection of related API functions, programming, field test, application in practice, and maintenance. A case study in which five design automation systems in the design of turbine generators using the proposed method is introduced in detail. These systems play important roles in the generation of various output items including 3D mod- els, drafts, material information, and NC data. The case study shows how effectively the design time is reduced and the quality improved using those systems.
Key words :
3D CAD System, Design Environment, Design Automation
1. 서 론
제러미리프킨은그의저서노동의종말[1]에서고 도로발달된산업기술로인해노동이거의필요없는 시대가도래할수있다는취지에서“향후
30
년이내에세계전체수요에필요한모든재화를생산하는데 있어서현재 노동력의단지
2
퍼센트만필요하게될것이다”라고했다
.
이것은현재제조업을 중심으로한
,
제품의개발및생산이매우빨리진행되고있다는의미로해석될수있으며
,
또한글로벌경쟁환경하에서생존하기위한각업체들의노력의산물이기 도할것이다
.
제품개발기간단축의예는자동차산업에서도찾아볼수있는데
1980
년대에7~8
년소요되던자동차의개발기간이
2000
년대이후에는3~4
년
,
그리고향후에는2
년으로단축될것으로예상하**정회원
, (
주)
씨테크시템부설연구소**
교신저자,
종신회원,
경상대학교산업시스템공학부,
공학연구원
-
논문투고일: 2007. 09. 27
-
심사완료일: 2008. 01. 12
고있다
.
이예상은,
제품개발기간이향후2
년이상소요되는자동차업체는시장에서도태될수있음을 의미하기도한다
.
제품의개발기간이단축된다는것은기존의업무 량을더짧은시간내에처리해야한다는것을의미 하며
,
단축된양에따라많은방법이 강구될수있다
.
그예로작업자의업무시간연장,
인력보강,
아웃소싱그리고사용하는도구의개선등을들수있 으며
,
각제조업체에서는이외에도제품의개발기간단축을위해각공정및부서별로이루어지던개 별개선활동을공장전체차원에서통합적으로시도
하고있으며
, PDM, ERP
등의전사정보망을 구축하여
,
설계와생산정보를통합함으로써기존의비효 율적인정보활용 요소를제거하는 등,
다양한형태 의개선활동이전개되고있다.
또한설계부서의전 유물이었던3
차원데이터도조립및검사부분에까 지확대적용되어형상에대한각공정간의의사소 통향상에많은도움을주고있으며,
가공부분에는shop floor CAM
시스템[2]의도입으로기계작업자가직접가공 데이터를 생성함으로써작업 효율을 높이고있다
.
제품설계및개발의핵심인설계부서에서도많은 개선이이루어져왔으며
,
그중에서대표적인것이3
차원시스템의도입과활용이다
. 3
차원설계시스템은1990
년대중반이후부터국내에급속히보급되기시작했는데기존
2
차원시스템에서는표현이힘들었던복잡한형상의구현과데이터활용으로제품의초품
제작이후에나발견할수있었던잘못된형상과부품 간의간섭등의문제점을사전에파악해서보완할수 있게되었으며
,
파라메트릭모델링의적용으로설계변경이매우 용이해짐에따라설계품질이향상되고 설계시간이크게단축되었다
.
그런데현시점에서이러한개선수준으로지금의
3
차원설계환경이계속되는제품기간의단축및품질개선등의요구를충 족시킬수있는지를심각하게고려해야할필요성이 있다
.
따지고보면지금현재제조업의설계부서에서누리고있는 개선효과의대부분은
3
차원시스템의 기능활용에의한것이다.
이러한관점에서보면현 재보다더나은설계환경을구축하기위해서는지금 의3
차원시스템보다더막강한기능을가진시스템 이개발되어야한다.
그러나파라메트릭모델링방식 을근간으로하는현재의시스템을뛰어넘는새로운 개념을가진 설계시스템의등장은현재로서는기대 하기어렵다.
그렇다면이것은 납기단축의압박이 강해짐에도불구하고,
설계부서에서는더이상여기 에대처할수있는대안이없다는것으로판단될수 있다.
그런데
3
차원설계시스템을사용하는대부분의업체에서는많은 애로사항과해결해야할문제점들을 가지고있다
.
따라서이들문제의해결및개선으로,
더향상된설계환경을구축하면당면한어려움에대
응할수있을것이다
. Fig. 1
은현재대부분의회사에서당면하고있는
3
차원설계의문제점과이것을해결하기위한개선방향을보여주고있다
.
Fig. 1.
Issues on the 3D design.
3
차원설계의문제점들은크게세가지로분류할수있다
.
첫번째는설계자에관한문제점이다.
설계자의3
차원설계에대한개념부족과그로인한시스템의활용능력이떨어져
,
전체설계효율이낮은것이일반적이다
.
그러나이보다도중요한것은전체설계시간중에서단순반복적인업무가지나치게많아제품및 부품의기능과형상정의등에관련된설계본연의업 무에투입되는시간이적다는점이다
.
두번째는설계프로세스에대한 것으로후공정에서필요한 정보의 처리를설계과정에서모두담당함으로써
,
설계자의업 무량을증가시키고,
설계를위한표준절차와방법이 제대로갖추어져있지않아같은불량이반복적으로 발생하며,
설계부서에서생성한3
차원설계데이터를 후공정에서활용할수있는프로세스나여건이미비 하다.
마지막으로설계시스템기능의한계이다.
파라 메트릭모델링기법으로기존모델을편집하여새로 운형상을생성할수있지만,
자유곡면을포함한복잡 한형상을편집하는경우에는기존모델에대한설계 이력을파악하기어렵다.
그리고협업모델링에대한연구가계속진행됨에도불구하고하나의제품모델 을다수명의설계자가공동으로작업할수있는기능 을제공하지못하고있다[3]
.
또한,
일부기능은사용방법이나절차가매우까다로워사용하기어려운경 우도있고특정업체의경우에는필요한기능자체가 없는경우도있다
.
따라서이러한문제점들의해결을위해본연구에 서는설계자의
3
차원설계능력향상,
효율적인설계프로세스구축및운용과설계자동화시스템개발을 위한방법과절차를제안한다
.
설계자동화시스템은 설계자가제품과부품의모델과도면을생성하기위 해수작업으로구현하던상용시스템의기능들과처리 순서등을 상용 시스템의
API(Application pro-
gramming interface)
를 이용한 컴퓨터 프로그램으로처리하는것을의미한다
.
1.1
기존연구1.1.1 설계환경 구축
설계업무의전문성과보안등으로선진사의
3
차원설계시스템의도입과활용을포함한설계환경구축에 대한일반적인방법론에관한학술적연구문헌을찾 아보기힘들다
.
현재전세계적으로널리사용되고있는
high-end
급의상용설계시스템의도입과활용은대부분개발사나판매사의자체기술지도로이루어지기 때문에업체별로적용된구체적인내용을파악하기 어렵고
,
시스템의특징과장점이서로다르기때문에그것을일반화하기는어렵다
.
1.1.2 설계자동화 시스템
설계환경구축에비해설계자동화 시스템에대한 연구결과는국내에서도많이소개되었다[4-9]
.
이들대부분은각제품및부품의모델과도면생성을위해 편집설계방식을채택하고있다
.
편집설계방식은새로운모델에대한치수들을입력하여파라메트릭모 델링으로완성된원형모델의형상을변경시키고
,
그결과로원형모델과연계되어작성된도면역시변경 된모델형상을반영하게되어
,
결과적으로새로운모 델과도면을생성시키는방법이다.
그런데설계자동화시스템개발의제일중요한점 중의하나는개발그자체가아니라그것이현장에서 잘적용되어원하는개선효과를도출하는것이다
.
그 러나실제로많은설계자동화시스템이개발되었지 만,
현업적용에실패하여사장된경우가많다.
이것은 설계관련업무가다른업무에비해전문적이기때문 에시스템의개발범위가클수록현장의어려움을잘 파악하여,
이들을해결하는기능을제대로구현하기가어렵기때문이다
.
따라서설계자동화시스템의성공적인현업적용과높은기대효과를창출할수있는 체계적인절차와방법또한필요하다
.
1.2
연구방법과내용1.2.1 3
차원설계환경구축가전제품[10]
,
오토바이[11],
전기부품[12],
위생도기[13],
사출및다이캐스팅금형업체[14-16]를대상으로진행된
3
차원설계환경구축을위한프로젝트및컨설팅내용을바탕으로설계시스템의활용및프로세스구축 을위한일반화된절차와방법을도출하였으며
, 2
장 에서구체적인내용을소개하고자한다.
1.2.2 설계자동화 시스템 개발 절차 및 방법 설계자동화시스템개발과정에서제기된여러문 제점의원인을분석하여
,
원활한현업적용과기대효과를달성하기위한설계자동화시스템의개발절차 및방법을
3
장에서제안한다.
1.2.3 설계자동화 시스템 개발 사례
제안한설계자동화시스템의개발 절차와방법에 따라개발한증기터빈발전기설계전용시스템을소 개하고현업적용효과를제시한다
.
이시스템들은설계데이터를입력받아
,
현업에서필요한모델,
도면,
부품정보
, NC Data
등을생성하는역할을한다.
2. 3차원 설계환경 구축
1990
년대초반부터대기업을중심으로도입되기시작한
3
차원설계시스템은불과10
여년사이에국내대부분의중소기업에까지보급되어활용되고있다
.
이러한현상은저가의고성능컴퓨터의출시로설계시 스템도입비용에대한부담이줄어든이유도있지만
,
기존
2
차원설계환경으로는시장의급속한변화에신속하게대응할수없다는각기업의판단때문이다
.
대부분의해외선진업체및국내대기업에서
3
차원 설계데이터를사용하기때문에3
차원설계시스템이 없이는발주처에서제시하는설계데이터를이용하여 업무를진행할수없으며,
제품과함께3
차원설계데 이터를같이요구하는추세이기때문에3
차원설계시 스템은수주를위해서라도반드시필요한요소가되 었다.
그런데아무리좋은자동차도울퉁불퉁하고꾸 불꾸불한산길에서는그성능을제대로발휘할수없 듯이, 3
차원설계시스템도최적의환경하에서운영되 어야만그효과를최대로발휘할수있다. 2
장에서는3
차원설계환경구축절차와방법에대하여제안하고자한다
. Fig. 2
는3
차원 설계환경의구축 단계를보여주고있으며자세한내용은다음과같다
.
2.1
설계시스템도입2.1.1 동일 시스템 사용의 장점
대부분의국내제조업체의경우
,
독자제품을개발하는일부회사를제외하고는기술제휴사나주거래 처의시스템과같은시스템을채택하는것이일반적
이다
.
물론, IGES
나STEP
등의중립파일포맷으로변환하여이변환된파일을사용하여업무를진행할
수있다
.
그러나IGES
나STEP
의경우형상정보만을취급하여특징형상
,
설계이력,
설계변수등의정보는변환에서제외되는단점이있다
. STEP
의경우이러한부가적인정보도궁극적으로취급할것으로기 대되고있으나
,
아직까지는미흡한실정이다[17].
그리고해외선진업체들을중심으로제품의설계데이터 뿐만아니라금형등제품에관련된모든데이터들을
통합관리하기위해
PDM
시스템을운용하고있고,
이를위해서는
3
차원형상데이터뿐만아니라설계데이터내부에제품에대한다양한정보를저장하고유 지해야하는데
,
이러한정보들은중립파일을위한설 계데이터변환과정에서대부분정보가손실되므로,
중립파일의사용은적합하지가않다
.
그리고같은시 스템을사용하면대부분시스템이지원하는파라메터 릭설계방식으로형상을쉽게수정할수있기때문에 발주처와같은시스템을채택하는것이유리하다.
2.1.2 타 시스템과의 호환성 및 확장성
자체제품을개발하는업체의경우는제품의형상 을쉽게구현하고관리할수있는기능을더많이제 공하는시스템을선정할수있을것이다
.
설계시스템선정의대표적인방법중의하나는다수개의설계시 스템을후보로 선정하여벤치마킹 테스트를실시한
후
,
최적의시스템을선정하는것이다.
그러나CAD/
CAM
및관련기술의발전으로각상용시스템들이높은수준의기능을제공하고있기때문에기능위주 로시스템을선정하기는쉽지않다
.
즉,
현재생산되고있는제품들중에서최고의기술력이요구되는것 이항공기라고할때
,
상용CAD/CAM
시스템을대표하는
UGS
사의Unigraphics, Dassault
사의CATIA,
Fig. 2.
Overall procedure for construction of a 3D design environment.
PTC
사의Pro/Engineer
시스템이항공기제조사별로사용되는것을보더라도기능적인차이점은없다고판 단해도무방할것이다
.
따라서기능위주로시스템을선정하기보다는전체생산시스템의관점에서
PDM, ERP
등다른 시스템과의호환성 및시스템의확장가능성등에초점을맞추어선정하는것이더바람직 하다
.
2.2
설계자교육2
차원설계시스템에익숙한설계자가곧바로3
차원 설계시스템을활용하여3
차원제품형상을구현할수 는없다.
따라서설계자는이를위해시스템기본기 능과제품형상정의에필요한다양한기능을교육받 아야한다.
자신의머릿속에있는형상을
2
차원도면으로표현 하던것을3
차원형상으로표현할수있다는것은설 계자의입장에서는상당히매력적인일이아닐수없 다.
그리고완성된형상으로기존에는확인할수없었 던복잡한형상이나다른부품과의간섭체크등이가 능함으로3
차원설계환경의장점을체험하게된다.
물론이를위해서는형상정의를위한절차및각과정 에서필요한기능선택과
,
그기능을제대로구현하는과정을여러번반복해야한다
.
그런데시스템교육은단순히설계자로하여금형 상구현을위한시스템의기능습득과정에그쳐서는 안된다
.
궁극적으로는시스템의기능으로형상을완벽하게정의함으로써
,
그동안의2
차원설계 시에는인식하지못했던제품형상과기능에관련된여러문 제점을파악하여
,
더효율적인제품개발을위한설계 데이터의활용방안도출과설계프로세스의개선이 이루어져야한다.
일반적으로설계자가자신이설계 하는부품의형상을원활하게구현하기위해서는6
개 월정도의기간이소요된다.
이것은기본적인시스템의각기능별이해및시스템기능사용의숙달
,
그리고다양한기능중에서제품에적합한기능을선정하 는데소요되는시간등이여기에포함되기때문이다
.
2.3 3
차원설계프로세스구축3
차원설계시스템의도입과설계자의시스템교육은자동차의구입과운전자교육에해당한다
.
다음단계는원하는목적지로가기위한최적의이동경로를 선택하는것이다
.
그런데선택된경로중에자동차가운행할수없는길이있다면
,
도로를확장하거나새도로를건설해야한다
. 3
차원설계프로세스의구축도마찬가지다
. 3
차원시스템의기능을최대한활용하고궁극적으로설계및개발기간단축을위해서는 먼저기존설계및개발프로세스를정확하고구체적 으로파악하는것이중요하다
.
그리고각공정들을대상으로
3
차원설계시스템의기능이나설계데이터의사용으로제거하거나개선할수있는공정들을선택 한후
,
파악된개선내용들을수용할수있는새로운프로세스를구축한다
.
그런데여기서주의할점이있다
.
개선대상인기존프로세스는상당히오랜시간동안안정적으로운영되어온것이다
.
따라서3
차원시스템의활용에만너무치중한나머지다른공정에 끼칠수있는영향을무시하거나고려하지못하는경 우가많다
.
예를들어3
차원설계데이터를이용하면 설계부서에서는상당히많은시간을절감할수있다 고하더라도3
차원시스템에의해생성한도면표현 방법이기존도면과다를경우후공정에많은혼선을 초래할수있다.
따라서이경우에는후공정에영향을 최소로할수있는도면표현방법이같이고려되어야 한다.
3
차원설계프로세스는파일럿프로젝트를통한검증단계를거쳐야한다
.
기존에개발한주요제품을대상으로새로운프로세스에따라설계를직접해봄 으로써미쳐발견하지못한문제점과그에대한해결 방안모색
,
그리고관련부서의협조내용을점검할수있다
.
2.4
설계환경안정화개선한설계프로세스에대한검증과그에따른문 제점들의파악및해결방안을마련하여
,
최종적으로 개선프로세스를보완하면3
차원설계환경에서의신 제품개발준비는대부분완료된다.
그리고개별적으 로검증된절차와기능은바로실무에적용되기도한 다.
그러나제품개발과정에는많은변수와애로사항 이산적해있기때문에이러한문제점들까지보완하 려면상당히많은시간이소요된다.
그러나이기간에발생한여러가지문제점들과그에대한조치사항들 을체계적으로정리하면
3
차원설계환경을완성하는데많은도움이되며
,
이들중의대부분은업무표준으로제정하여설계자사이의업무편차나불량의재 발생등을방지할수있다
.
그리고서버를운영하여다수의설계시스템의사용환경을동일하게운용하는 것도필요하다
.
3. 설계자동화 시스템 개발 절차 및 방법
설계자동화시스템을현업에적용하여단순반복
작업을제거하고
,
모델과도면을자동생성함으로써설계시간단축및품질개선에큰효과를거둔사례 들을많이찾아볼수있다
.
그러나개발후현업적용에실패한사례도적지않으며그실패원인으로다 음을들수있다
.
첫째현업의요구조건을수용하지못하여설계자가 원하는기능을제공하지못하는경우
,
둘째시스템의기능구성과사용절차가설계프로세스와맞지않는 경우
,
셋째설계자에게시스템개발의목적과활용으로인한업무개선효과를충분히이해시키지못하여 설계자가시스템 사용자체를못마땅하게 여기거나 거부하는경우등이다
.
그리고현업에서사용되는경 우라도시스템의일부기능만사용되는경우도흔하 다.
개발된시스템의현업적용이실패할경우,
시스 템의적용으로예상된기대효과는물론이고,
개발과 정에투입된인력,
비용,
그리고시간등으로실제로 많은손실을보게되며,
개발에참여한담당자들또한 많은정신적부담감을갖게된다.
설계자동화시스템이일반적인소프트웨어개발론 이나프로젝트관리론에서제안하고있는다양한방 법과절차에따라개발됨에도불구하고다른분야의 시스템보다상대적으로현업적용이어려운것은설 계업무가가지는다양성과전문성때문이라고볼수 있다
.
생산하는제품의특성에따라그것을위한설계기술및관련프로세스가매우다르고같은업종의설 계부서내에서도부품에따라개발에관련된설계
,
가공
,
조립공정등이서로다르므로,
해당업무를경험해보지못한시스템개발자입장에서는개발시스템 의기능에관련된내용을파악하기가매우어렵다
.
따 라서설계자동화시스템의성공적인현업적용을위 해서는일반적인시스템개발론외에설계업무의특수성을고려한개발방법과절차가필요하다
.
본연구에서는앞절에서소개한분석내용을토대 로설계시스템의방법과절차를제안하고자한다
. Fig.
3
은본연구에서제안하는설계시스템개발절차를보여주고있다
. 3.1요구분석
시스템개발의첫단계인요구분석은설계자나개 발자의입장에서아주중요한개발단계이다
.
대부분인터뷰형식으로진행되는시스템기능에대한요구 분석단계에서시스템의개발배경과목적에대한충 분한이해와아래에열거하는항목들에대한검토가 필요하다
.
3.1.1 설계환경의 이해
설계업무는제품개발에필요한모든공정과관련 되어있으므로해당업무와프로세스의이해는필수 적이다
.
이를위해금형업체인L
사의경우,
사출금형 설계용프로그램개발의시작단계에서개발자에게금 형설계에대한교육을4
주간실시한사례도있다[18].
그만큼개발자의해당설계업무의이해는프로그램 의완성도나개발기간에많은영향을미치게된다
.
그리고현업에서요구하는시스템의대부분의산출물 이모델과도면이다
.
따라서다른업종의설계시스템개발경험이있는개발자는
3
차원시스템내에서처리되는모델과도면의생성절차가유사하여그차이 점을간과할수있으나
,
모델생성에필요한기능이나
,
도면을구성하는여려요소들이매우다를수있으므로세밀하게검토해야한다
.
3.1.2 설계자료 분석 및 설계 업무의 표준화 대부분업무분석을위한자료로모델과도면이주 어진다
.
이때현업담당자는시스템에적용할대상의 일부분만을제공하는경우가많다.
이것은개발초기부터개발자에게개발범위전체를상세하게소개하 는것보다는기본개념소개와이해를위해대표적인 부품이나종류위주로기본개념을소개하는것이더 효율적이라고판단하기때문이다
.
그러나개발자는개발초기에시스템의전체범위를파악하기위해적용 대상인모든부품을확인해야한다
.
그러한소개가없을경우개발자가반드시요구하여확인할필요가있 다
.
설계자동화시스템의주된개발목적은수작업으로수행하고있는설계업무를전산으로처리하기위 한것이다
.
따라서관련업무의표준자료는업무를이해하는데많은도움을주며
,
개발시스템에필요한Fig. 3.
The step of development of design automation
system.
기능을선정하거나기능구현을위한알고리듬을작 성하는데중요한역할을한다
.
그런데이러한표준자료가없는경우는시스템개발을위해업무의표준화 작업이필요하다
.
경우에따라서는시스템개발에소요되는기간보다표준화작업에소요되는기간이더 긴경우도있다
.
그러므로이경우에는표준화작업을개발범위에포함시켜야한다
.
3.1.3 프로그램의 적용 범위
설계자동화시스템의산출물은주로설계부서내 부에서사용되지만다른 부서와공동으로활용되는 경우도있고타시스템의입력으로사용되는경우도 많다
.
전자의경우에는산출물을공유할부서에서필 요한정보까지포함해야함으로프로그램의적용범 위를파악하는것도중요하다.
후자의경우는타시 스템의입력포맷정보의유무등에대한조사가필 요하다.
3.2
시스템사양결정전단계에서분석된내용을 기준으로시스템에서 구현할기능을정의한다
.
그런데설계자동화시스템은상용시스템의기본기능을근간으로개발되기때 문에이기능들을기준으로프로그램사양을결정하 는것이편리하다
.
이러한기능위주의프로그램사양이결정되면설계자동화시스템의기능으로자동처 리할수있는업무범위를결정하는단계가필요하다
.
3.2.1 자동화의 수준
수작업으로진행하던일련의작업들을프로그램으 로전부대체할수없는경우가많으며
,
특히도면생성시스템인경우에는
100%
자동 생성은불가능한일이다
.
이론적으로는도면을구성하는뷰,
치수선,
그 리고각종노트등의생성과배치를자동처리하는것 이가능하지만,
이를위해서는개개의치수선에대한정의나각뷰와치수선들과의상관관계등을모두고 려해야함으로도면자체를작성하는것보다훨씬까 다롭고어려운일이다
.
또한이러한준비작업은모든부품을대상으로실시해야하기때문에불가능하고
,
오히려약간의수작업으로도면요소들의크기나위 치를변경하는것이현실적인방법이될수있다
.
그런데시스템개발참여경험이없는설계담당자 의경우프로그램처리로모든것이해결된다고생각 하는경우가있으므로
,
현실적인어려움등을설명하여자동화수준을결정해야한다
.
그렇지않을경우별소득없고
,
지루한일을오랫동안경험한후에서야자동화의한계를인식하게된다
.
3.2.2 시스템 기능 구성
목표한산출물을위한시스템의기능구성은단계 적으로나누어서하는것이바람직하다
.
하나의기능으로산출물을생성하는것이매우효율적일수있으 나
,
내부에포함된일부설계프로세스가변경되면프로그램의수정없이는시스템을사용할수없게된 다
.
이와반대로주요단계별로그기능을분리해서시스템을구축하면
,
예상치않은상황이발생하여관 련기능을사용하지못하게되더라도수작업으로그 단계의결과물을완성하여,
다음기능의입력으로사 용함으로써나머지작업을진행할수있다.
또한,
시 스템의활용초기에많이발생하는오류의원인도분 산프로세스로개발된시스템에서훨씬더파악하기 쉽다.
3.3
상용시스템에의한사양확인설계자동화시스템의개발은다른 종류의시스템 개발에비해시스템개발이전에결정된사양에대한 확인이가능하다는장점이있다
.
설계자동화시스템의개발은기본적으로상용설계시스템의개별기능 을
API
로구현하는것이기때문에API
를이용한프로그램구현전에상용시스템의기능을이용하여수 작업으로사양을확인할수있고이를통해서더구체 적인사양을결정할수도있다
.
그리고이과정에서설계자동화시스템에서구현할기능중에서상용시 스템에서제공하지않는기능을찾아내어별도의기 능구현이나다른대안의모색등과같은사전조치를 취할수있다
.
그리고다양한방법으로같은형상을 구현할수있기때문에설계자동화시스템에가장적 합한기능을찾는일도필요하다.
따라서이러한이유 로설계자동화시스템의개발사양을상용시스템의 기능으로확인하는단계를반드시거쳐야한다.
3.4 API
지원여부조사상용시스템개발회사들은대부분의시스템기능에
해당하는
API
를제공한다.
여기서중요한것은100%
지원하지않는다는것이다
.
일반프로그램과는달리CAD/CAM
시스템에서지원하는대부분의고급기능은상당히오랫동안많은사람의연구에의해완성된
것이기때문에
, API
로제공되지않는기능중에이러한기능이포함되어있으면개발기간에상당한악영 향을미칠수있다
.
그것은새로운기능을개발하는것자체가설계자동화시스템을개발하는것보다훨
씬어렵고시간이많이소요되는경우가발생할수있 기때문이다
.
따라서앞절에서사용하기로결정된기능들이
API
함수로지원되는가를조사하여야한다.
지원되지않는기능이있을경우
,
수작업처리를제안할수있지만이것이번거롭거나힘든경우에는프로그 램의사용에많은제한을줄수있기때문에지원되지 않는기능개발을위한개발기간연장이필요한경우 도발생한다
.
3.5
시스템구현(Programming)
사전에검증된시스템의기능과절차를기준으로 설계자동화시스템을구현한다
.
그러나개발 기능에 는상용시스템의기능을단순히API
로대체할수없 는것들도많다.
즉,
시스템의기능에의해생성되어 야할산출물은정해져있으나그것을위한구체적인 절차는쉽게결정할수가없다.
그러나이러한기능의 기본알고리듬은장기간동일한업무를수행한설계 자에게서해답을구할수가있는경우도많다.
왜냐하 면설계자는시스템구현을위한프로그램작업은할 수없지만,
수작업으로해당산출물을생성하면서,
쌓아온그들만의
know-how
가있기때문이다.
따라서특정산출물생성을위한절차는그일을전담해온담 당설계자의의견을청취하는것이중요하다
.
그리고조금더편리한기능의구현보다는상용시 스템에서지원하는기능을가급적사용함으로써시스 템의설계환경변화에대한유연성을키울수있다
.
이것은예상치않은설계환경에처했을때
,
별도의기능을다수추가한시스템은프로그램의수정에의해 서만그런상황에대처할수있지만
,
상용시스템의 기본기능을위주로꼭필요한기능만을추가하여개 발한시스템은프로그램의수정없이해당상용시스 템의기능으로대처할수있기때문이다.
3.5.1 시스템 중간 평가
다수의설계자가공동으로사용할시스템인경우
,
시스템의평가버전이나올시점에서설계자들을대 상으로개발된시스템의기능과구현절차에대한검 토가필요하다
.
시스템의기능은설계부서에서취합된내용을바탕으로구현되지만
,
실제로설계과정에서부딪힐수있는다양한경우들을전부포함하기는 어렵다
.
따라서시스템개발이최종적으로완료되기전에설계자들을대상으로사전점검의시간이필요 하다
.
이과정에서는개발되고있는시스템의일부기능에대한사용상의편리성이나세부기능의추가의 견이주류를이루지만
,
꼭반영되어야기능이누락된것을확인할수도있다
.
3.6
설계자3
차원설계시스템교육시스템의초기버전이완성되기전에시스템구현 기능에관련된상용시스템의기능교육이있어야한 다
.
앞에서계속언급되었지만,
설계자동화시스템의대부분의역할이수작업으로하던제품및부품의형 상모델링이나 도면작성을프로그램으로처리하는 것이기때문에프로그램내부에서사용되는기능이나 절차를개발에투입된담당자는상세하게이해할필 요가있다
.
이것은완료된시스템의단계별검증작업 을수작업에의한기능구현으로쉽게수행할수도있 고,
만약개발된시스템의기능이단계별로진행되면 서시스템의오류로인해중단되더라도상용시스템 의차원에서그원인을파악하여나머지부분을수작 업으로마무리할수있는대처능력도생기기때문이 다.
만약그렇지않으면시스템의사소한오류로도시 스템을사용할수없게되어개발자에의한원인분석 및조치가취해질때까지업무를중단해야한다.
아울러설계시스템의교육을통하여시스템개발에 대한전반적인절차와방법을이해함으로써
,
개발의한계및시스템의융통성있는활용방안이수립될수 있다
.
3.7
현업테스트(Field Test)
프로그램의초기버전이완성되면현업적용을위한 현업테스트를수행한다
.
현업테스트의목적은적용할신제품을위한준비라기보다는이전에개발한제 품을대상으로시스템의기능을최종점검하는것이 다
.
그러나개발된모든제품에대해적용하는것은 불가능하므로,
시스템의기능을전반적으로점검할수 있는몇개의제품을선별하는것이중요하다.
현업 테스트를위한제품의선정은개발초기단계에서시 스템의사양결정과정에서이루어지는것이더합리 적이다.
시스템개발은이전에존재하지않은새로운기능을추가하는작업이기때문에다양한제품의모 든특성을초기단계부터모두고려하여시스템의기 능을정의하는것이힘들기때문이다
.
따라서대표적인부품을대상으로그것을생성할수있는기능을먼 저구현한후
,
단계별로필요한기능을추가하는것이더효율적인방법이될수있다
. 3.8현업적용과유지보수
일반적으로설계환경은예상치않은많은변수를 포함하고있다
.
이것을프로그램개발단계에서미리예측해서반영하기는불가능하다
.
따라서시스템의개발과현업테스트가성공적으로완료되었다고하더라 도
,
이러한환경에대처하기위해일정기간동안지속적인시스템기능개선노력이필요하며
,
장기적으로는변화된설계환경에대처할수있는시스템의기 능확장이필요하다
.
그리고설계시스템의버전업그레이드로인해하위 버전에서개발된자동화시스템이작동되지않는경 우도발생할수있으므로
,
설계시스템의업그레이드전에자동화시스템의작동여부등을확인한후필요 한조치를취하여야한다
.
4. 설계자동화 시스템 개발 사례 4
장에서는터빈발전기설계용으로개발된주요설 계자동화시스템의주요내용과현업적용효과를소 개한다.
4.1 Steam Path
설계및가공[19]터빈발전기의부품인
steam path
에는평균크기와폭이 각각
1300
×300
×650 mm
와12 mm
인 후판이있으며
,
그내부에는블레이드조립용구멍이200
여개가있다
.
외국의한대기업의경우전용5
축레이저가공기를이용하고있으나
,
국내에서는이와같은대형의후판을가공할수있는
5
축가공기가없으며,
이러한가공을위한별도의전용기를만들수있는여건 이되지못한다
.
따라서굽혀진상태에서의구멍가공은현실적으로불가능하며
,
범용의5
축물제트(water-
jet)
가공기를이용하여평판에서구멍을가공하고이를굽히는
cutting & bending method
를개발하였다(Fig. 4).
시스템의개발 전에는 전개구멍 형상을 구하지 못하여근사모델을이용했으며
,
부정확한가공기의 기구학적모델링으로인하여블레이드조립시추가 적인사상작업이필요했으며,
상당히많은구멍수로인하여 제작비와발전기 성능에상당히많은악
영향을미쳤다
.
개발된시스템은당진7, 8
호기용으로생산중인터빈발전기에활용되고있는데이시스
템적용으로발전기당
5
만人時(man hour)
를절약하고획기적인품질향상을이루고있는 것으로평가 되고있다
.
4.2
자유곡면부품의모델링및도면자동생성[20]파라메트릭모델링은모델링순서와각각의치수와 프로파일에대한정보를유지함으로써치수의일부분 이나모델링순서가변경되면관련정보의갱신으로 최종형상을변경하는모델링방식이다
.
따라서아무 리복잡한형상을가진부품이라고하더라도파라메 트릭모델링기법으로완성된모델이있다면해당치 수및프로파일의수정으로새로운모델을얻을수있 다.
그러나부품형상이복잡할수록파라메트릭모델 링으로형상을완성하기가쉽지않다.
기본적인파라 미터는시스템에의해생성되어관리되지만,
다른형 상과의연관관계들은시스템에서제공하는기능을사 용해서설계자가지정해야하며,
모델링과정중에잘못된모델링순서등을수정하기위해서는이전에설 정한관련정보들을개별적으로수정해야한다
.
따라서실제모델링작업이전에복잡한형상부위를정의 하기위한절차및그것에대한사전검증작업이필 요하다
.
그리고자유곡면이포함된경우,
대부분의프로파일정의는많은선분이나원호로정의되어있기 때문에그것을시스템의기본기능으로일일이작성 하고
,
작성된프로파일들을마우스로개별선택하여자유곡면을완성하는것은매우지루한단순반복작 업이어서이들을대체하는자동프로파일생성및곡 면생성프로그램이필요하다
.
Fig. 5
는터빈발전기의회전블레이드이다.
이것은3
개의영역으로구분되며,
각각치수와프로파일로정 의된다.
두개의블레이드는동일타입으로각각별도Fig. 4.
Two methods for hole-making on a bended plate.
Fig. 5.Generation of new model with replacing dimensions
and profiles.
로모델링할필요없이왼쪽블레이드를정의하는치 수와프로파일을오른쪽블레이드용으로대체하면파 라메트릭모델링에의해손쉽게구할수있다
.
시스템의개발로블레이드의
3
차원형상을자동으로모델링했으며
,
도면작업에서도대부분의수작업요소를제거하여
,
평균75
일소요되던블레이드설계시간이
50
시간으로단축되었으며,
품질개선에많은효과를볼수있었다
4.3
블레이드설계[21]유입된증기의흐름을안내하는역할을하는고정 블레이드와증기에의해 회전하는회전블레이드는 발전기의성능과효율에많은영향을미친다
.
블레이 드의설계는공력설계시스템에서생성된점데이터를 이용하여기본형상을모델링하고강체해석을통하여 최종형상이결정된다.
그런데블레이드곡면모델링 의경우많은점데이터의입력및곡면생성을위해 자동모델링기능이요구된다.
그리고강체해석시스 템에입력하는정보는블레이드의단면정보로서이 것또한수작업에의한처리가번거롭다.
따라서터빈발전기내에서중요한역할을담담하고있는두개의 블레이드곡면을자동으로모델링하고
,
강체해석시스템의입력데이터를생성하는시스템을개발하였다
.
시스템의현업적용으로공력설계시스템에서생성 된점데이터에서강체해석용입력데이터가자동생 성되어상당부분의수작업을제거하는효과를보았 으며
,
설계시간의대부분을블레이드의성능과효율향상에투입될수있는환경이마련되었다
4.4
로터설계터빈발전기의로터설계는
3
차원모델을이용하여 동특성해석,
원심력및변형률등을계산하는과정과4
가지제작공정별도면작성과정으로이루어진다.
공정별도면은각각단조도
(forging),
황삭도(gashing),
정삭도
(finish),
그리고조립도(assembly)
이다.
단조도는로터의단조소재발주용도면으로로터의완성형 상에단조여유를추가한것이다
.
그리고황삭도는로터의황삭가공형상을표현한것이며
,
정삭도는로터의최종형상용도면이다
.
마지막으로조립도는블레이드등로터에조립되는모든부품을표현한것이 다
.
대형가공물인로터의제작불량은막대한비용및시간손실을초래하기때문에
,
터빈발전기의타부품에비해더신중하게도면을작성하는데각도면의 내용또한비교적복잡하여도면작성시간이평균
3
개월정도소요되어터빈발전기의제작납기에많은
영향을미친다
.
그런데도면작성시간의대부분을각도면에필요한치수선의삽입과많은상세도작성작 업이차지하기때문에이것을자동처리하면도면작 성시간을상당히단축할수있으며이를위한방법을 제안하여로터용설계시스템을개발하였다
. Fig. 6
은조립도와그것으로부터추출한외형선이다
.
개발된시스템의현업적용으로수작업으로진행하 던대부분을자동으로처리하게되어
,
로터기능향상 등설계본연의업무에더많은시간을보낼수있게 되었으며,
입력오류등의설계불량원인도제거하는효과를보게되었다
.
이로인해종전3
개월가량소요되던로터시간이
1
개월로단축되어터빈발전기전체납기준수에도큰도움이되었고
,
설계비용또한상당히절감되었다
4.5
판재부품의소재정보추출[22]터빈발전기에는많은판재부품
(sheet metal parts)
이있다
.
판재부품의소재를발주하기위해서는제품의어셈블리데이터에서판재부품들을선별하고전
개한다음
,
이를네스팅(nesting)
하여필요한소재량을파악하여야한다
.
발전기등과같은복잡한대형제품 인경우에는부품수가많기때문에수작업으로판재 부품을선별하고전개하는데는많은시간이소요된 다.
또한네스팅작업역시설계자의현업노하우를 바탕으로수작업으로진행되는경우도많고,
네스팅 전용시스템을사용하고있는경우에도부품형상,
두께
,
수량,
재질등의정보를네스팅시스템의입력포맷에맞추어야하며
, BOM
도시스템의입력자료용으로별도로작성해야하는데이를수작업에의존하는 경우에는많은시간이소요된다
.
따라서이러한판재부품선별및전개과정과데 이터변환작업을자동처리로업무효율을향상시킬 수있는시스템을개발하였다
. Fig. 7
은시스템의기본개념을보여주고있다
.
본시스템은현장에서터빈발전기등에적용하였 는바대부분의수작업요소를제거하여
,
평균7
일정Fig. 6.
The outer profiles of a rotor.
도의견적산출시간을
5
시간내외로단축시키는효과를보게되었다
.
또한이는전체제작납기단축의 효과도클것으로예상하고있다.
그결과,
본시스템은터빈발전기나대형보일러외에유사한공정을 갖고있는대형설비생산에계속해서보급될계획에 있다
.
5. 사례분석
본연구에서는미공군조종사들이 실시하고있는 디브리핑기법[23]을이용하여기존개발내용및환경 을분석했다
.
미공군조종사들은행동을취하기전에 이를브리핑하고,
나중에무엇을잘했고,
다음에는무 엇을하지말아야할지를체계적으로보고하는자리인디브리핑
(debriefing)
을갖는다.
이렇게함으로써,
일선에있는사람들이그다음에같은임무를수행하 는팀에게실용적인정보를전달하여더나은성과를 내고
,
최종적으로임무를완벽히수행할수있게된 다.
현재일부기업에서는이디브리핑기법을벤치마킹하여기업경영에운영하고있다
. Table 1
은분석내용을정리한것이다
.
분석을위해먼저시스템별로계획된개발기간의 일정준수율을기준으로시스템개발에영향을미친 Fig. 7.
Overall procedure for extracting information.
Table 1.
Analysis of design automation systems
항목 시스템 Steam Path Bucket Blade Rotor Casing
(판재정보추출)
업무표준여부 ○ × ○ × ○
담당자설계
2D 설계
경력 12년 15년 0년 10년 8년
3D 설계
경력 0년 0년 5년 0년 5년
개발시스템과
3D 능력연관성 낮음 매우높음 보통 보통 높음
Input ·Blade 3D Model
· 치수데이터 · 치수및프로파
일 데이터 ·Point Data · 터빈발전기도 조립
· 치수데이터
·3D Assembly Model
Library 구축 해당사항없음 · Bucket원형모델 해당사항없음 · 치수 DB
· 상세도 Template 해당사항없음 Output ·5축 NC Data ·Bucket 3D 모델
& 제작도면 ·Blade 3D Model
· Section Data · 공정별제작도면
(4개공정) · 판재부품의형선 & BOM외
관련시스템 ·5축 Water-Jet M/C · 설계데이터 DB · 강체해석 시스템 · 설계데이터 DB · 네스팅시스템 과정의개발
문제점
시행착오 ·5축 M/C의 Kine-
matic Modeling ·bucket의원형모 델링작업 & 관
련 기능구현
· 곡면모델링
· Section Data생 성
· 상세도 Template
작업 해당사항없음
애로사항 · 굽혀진 후판의구
멍형상전개 · 자유부품모델의
자동생성 · 곡면연장 · 치수선정의
· 상세도 자동생성· 판재부품의 선별
수작업 해당사항없음
· 도면 view일부
· 각종편집 view 및
치수선 재배치
해당사항없음
· 각종 view 및
치수선재배치
· 일부치수선 생성
해당사항없음
계획된개발기간 4개월 12개월 2개월 4개월 3개월
추가개발기간 0.5개월 6개월 없음 0.5개월 없음
요소들을파악하였으며
,
그결과다음과같은요소들을찾아낼수있었다
.
1)
해당업무의표준화여부2)
설계담당자의설계경력및3
차원설계능력3)
시스템의기능과설계자의3
차원설계능력과의4)
연관성필요한기능을구현하기위한핵심기술의난이도와산출물사양
해당업무의표준은시스템의산출물을 생성하기 위한내용과절차를포함하는중요한자료다
.
그런데 이것이체계적으로정리되어있지않으면,
시스템의 개발을위해해당설계업무를파악하고정리하는과 정이필요하다.
경우에따라서는전문가의컨설팅을 통한업무개선및표준화 작업을선행하기도하지 만,
추가비용의부담등으로인해대부분개발과정 에서이작업이이루어진다. Table 1
의개발사례중 에서일정준수율이제일낮은버켓시스템은구현형 상과절차가복잡한데비하여,
개발에관련된대부분의내용을설계자의설명에의존함으로써
,
시스템에필요한전체내용을제대로파악하지못하였고
,
그결과시스템의각기능선정및개발과정을여러차례 반복하였다
.
반면에스팀패스(Steam Path),
블레이드(Blade),
그리고캐이싱(Casing)
시스템의경우는설계자가 제시한업무 표준을이용하여
,
주어진 입력을CAD/CAM
이론을바탕으로시스템을구현하여산출물을생성하는데문제가없었다
.
설계담당자의해당분야에대한경력과
3
차원시스 템의활용능력또한중요한변수로작용하였다.
설계 경험이적은 설계자일수록자신의 업무를시스템에 의해해결하려고하는경향이있는데,
설계는설계자 의판단에의해진행되는작업이고,
그작업 중에서 단순·반복작업이나업무의중요성에비해 시간이 상대적으로많이소요되는작업을설계자동화시스템 이대신처리하는것이므로시스템에의해설계업무 를모두수행할수있다고생각하는것은무리다.
심한경우는상용시스템에서지원하는기능임에도불 구하고
,
약간의편리성을위해서별도의기능등을요구함으로써핵심기능구현에필요한많은시간들을 소모하는경우도있었다
.
그리고스팀패스시스템과같이설계자가시스템 에필요한자료를입력하고나면
NC
데이터를생성하는과정은개발된알고리듬에의해처리됨으로잘 못된산출물은프로그램의수정으로만해결이가능하 지만
,
자동화시스템에의해생성된모델의형상일부분이잘못된경우에는설계자가상용시스템의기능 으로해당부분의치수나프로파일을수정하여문제 를해결할수있다
.
그러나이를위한설계시스템의활용능력이없어개발자에의해문제해결이될때까 지업무가중단되는경우도많았다
.
그리고필요한기능을구현하기위한핵심기술의 개발도시스템개발에많은영향을끼친다
.
스팀패스시스템의경우
,
판재상태에서가공하는홀형상은굽혀진후판의홀형상을전개하여구해야한다
.
대부분의상용설계시스템에서는전개기능을별도의옵션 으로제공하고있기때문에추가로구입해야하며
,
설 사이기능을사용하더라도,
홀내부의형상이곡면으 로이루어져있기때문에,
설계시스템의전개기능으로는원하는결과를얻기가어렵다
.
따라서CAE
시스템의해석을통하여원하는형상을구할수밖에없 는처지였는데변형형상을구해야하는홀의수가많 으므로이방법역시채택할수없었다
.
이러한상황 에서개발자체를포기할수도있었으나,
홀형상의 근사알고리듬을개발하여그것을시스템으로구현한 결과기대한효과를얻을수있었다.
그리고버켓시스템의경우그것의완성형상은자
유곡면을포함할뿐만아니라
, 130
여개의모델링절차에의해완성된다
.
각모델링절차에해당하는기능을매크로방식으로하나씩구현하여완성할수있다 고생각할수도있지만
,
각기능을구현하기위해설계자가손으로지정하는모서리나면들과같은엔터
티들을
geometric processing
과정을 거쳐 자동으로선별하기에는경우의수가많기때문에그모두를프 로그램으로처리하는것은현실적으로어렵다
.
따라 서기존편집설계방식대로버켓원형을먼저모델링 하고치수변경으로새로운형상을얻을수있도록시 도하였으나,
그것에포함된자유곡면은치수의수정 으로변경되지않으므로가능한방법이없어보였다.
그러나상용시스템에서지원하는파라메트릭모델링 기능들을재조사한결과자유곡면의 프로파일또한 정형화된형상의치수와마찬가지로 시스템에서그 정보를그대로보유하고있고
,
교체또한가능하다는것을확인할수있었다
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이뿐만아니라연계된시스템을위한산출물의포맷결정여부나시스템의구현을 위해필요한각종라이브러리의구축등이시스템개 발에많은영향을미친다
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6. 결 론
무한경쟁속에서기업들은생존을위한각고의노