Development of a Basic Structure Design System for Machine Tools by Modular Construction Method

한국 CAD/C&W학회 논문집

제 5권 제 2 호

2000

6

모듈러 구성법을 이용한 공작기계의 기본 구조설계 시스템 개발

임동휘

*

, 김석일**

* 한국항공대 학교 기 계설계 학과

**종신회원, 한국항공대학교 기계설계학과

Development of a Basic Structure Design System for Machine Tools by Modular Construction Method

Lim, D. H. * and Kim, S. I. **

ABSTRACT

The appearance of

machine tools

is in

of

basic

­ tem for establishing

design and manufacturing

basic structure design

for machine tools is realized based on

construction method. Machine tools are represented as a

and modular

with

all

structural

of machine tools for satisfying

require­

ment

are

from

DNA data and connecting

elements.

structural

of machine

are visualized by

solid modeling

techniques.

Key

Machine Tool,

Design, Directed Graph, Connecting Pattern

1.

최근 공작기계는 고도로 자동화된 생산시스템의 핵심가공기능으로의 발전, 초정밀가공용 공작기계로 서의 발전, 그리고 컴퓨터 지원에 의한 제조방식의 합리화로 대표되는 형태의 기술 변화를 맞이하고 있 다. 특히 1980년대 이후부터 나타난 제품의 다양화 및 수명 단축 추세에 따라서 생산 제품에 적합한 공 작기계를 신속하게 개발할 필요성이 강하게 제기되 고 있다. 이러한 새로운 형태의 공작기계에 대한 개 발기간 단축을 위해서는 무엇보다도 공작기계의 기 본 구조를 체계적으로 설계할 수 있는 새로운 방법 론의 확립이 필수적인 문제로 대두된다

U

지금까지 공작기계의 구조 설계와 관련된 연구들 은 대부분 기계 구조의 정 동강성 및 열변형의 해석 에 역점을 두어 왔고, 공작기계의 융통성, 다양성 및 확장성을 체계적이고 정량적으로 취급할 수 있는 구 조 설계기술에 대해서는 독일과 일본을 중심으로 소

수의 개념적인 연구결과卩罚만이 보고되고 있는 실정 이다. 공작기계의 설계방법론으로서 제안된 대표적 인 개념의 하나인 모듈러 구성법（또는 BBS 구성법）

啲

따라서 본 연구에서는 구조요소군으로부터 구현 가능한 공작기계의 기본 구조를 신속하고 체계적으 로 설계 및 가시화할 수 있는 기반을 구축하기 위한 노력으로서 모듈러 구성법에 기반을 둔 공작기계의 기본 구조설계 시스템을

Visual C++

98/NT

에서의 활용도를 높이기 위하여 절삭력의 전달경로 를 나타내는 구조요소의 결합패턴, 즉 구조요소의 가 능한 조합을 나타내는 유향 그래프를 이용해서 구 조형태의 변화를 체계적으로 생성하였다. 특히 구조

요소의 운동기능, 형상, 치수, 기준 좌표계 ,

3

7

3

2.

다양한 구조요소의 선택적인 조합 및 결합에 의해 서 복잡한 형태의 전체 구조를 자유롭게 구성할 수 있는 모듈러 개념을 공작기계의 설계과정에 도입하 면, 그 설계공정과 제조공정을 체계적이고 신속하게 수행할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 점을 고려하여 공작기계의 전체 구조를 계통적으로 생성 할 수 있도록 유향 그래프 개념을 토대로 구조요소 사이의 가능한 조합형태인 결합패턴을 설정한 후, 절 삭력의 전달경로를 탐색할 때 도출되는 결합패턴들 을 순차적으로 연결시킴으로써 공작기계의 구조를 생성하는 방법을 사용하였다.

일반적으로 하나의 공작기계는 크게 4개의 계층으 로 분류할 수 있다. 여기서의 계층 1은 공작기계의 전체 구조를 나타내는 공작기계의 구조패턴. 계층 2 는 공구에서 공장 바닥까지의 절삭력 전달경로를 나 타내는 주류의 서브패턴과 공작물에서 공장 바닥까 지의 절삭력 전달경로를 나타내는 부류의 서브패턴, 계층

3

4

이와 같이 공작기계의 구조 생성의 각 단계를 계 층구조로 계열화함으로써 각 계층의 구조요소는 하 위 단계의 구조요소의 조합이나 하위 단계의 구조 요소에 특정정보를 부여함로써 생성할 수 있게 되 며, 구조의 생성과정을 합리적이고 신속하게 수행할 수 있게 된다. 특히 공작기계의 전체 구조를 생성하 기 위해서 미리 설정한 구조요소군으로부터 구조요 소의 구조적 특징에 의한 결합 가능성을 나타내는 결합패턴, 즉 유향 그래프를 생성하면, 주류와 부류 의 서브패턴의 전개형태는 모두 결합패턴으로부터 도출할 수 있기 때문에 최종적으로 그러한 서브패 턴의 조합에 의해서 전체 구조의 생성이 가능하게 된다.

3.

3.1 구조요소의 설정

공작기계를 구성하는 기본적인 부분 구조들을 의 미하는 구조요소군은 미리 설정할 필요가 있고, 전 체 구조와 부분 구조 사이의 관계는 명확하게 할 필 요가 있다. 본 연구에서는 구체적인 공작기계 구조 형태의 생성례를 도출하기 위해서

Fig.

Fig. 1. Classification

structural

Structural

element Element

1

2 _.咬蘭广

Jx

unit 3

4

Column unit

5 Rotary table

6 Cross-slide

unit

7 .

^unit

8 uO ^Column

9

— ^{Bed unit}

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6

138

스 슬라이드 유니트, 베이스 유니트（고정형）, 칼럼 베 이스 유니트, 베드 유니트（안내면 부착）로 이루어진 9개의 구조요소군을 사용하였다. 특히 하나의 공작 기계에서 동일한 구조요소를 중복해서 사용해야 하 는 경우에는 복수개의 동일 구조요소를 서로 다른 구조요소군으로 설정해야 한다.

3.2 ^{결합패턴의 생성}

Fig.

1

본 연구에서는 결합 가능한 두 구조요소를 절삭력 의 전달경로를 나타내는 유향 그래프에서의 시작점 과 종료점에 대응하는 한 쌍의 구조요소로 간주하였 다. Fig. 2는 Fig.

1

Fig. 2. Combination of structural

Combination져

Start

End

■啄彖 녀^ . 字

^^^^1 혜!

< .

< 1

@-一너②

©一一버9

©一HE) .

①一椅 .

®--- ►©

소들로부터 얻을 수 있는 구조요소쌍을 보여주고 있 으며, 이러한 종속관계를 유향 그래프로서 나타낸 결 합패턴은 Fig.

3

Fig.

소군으로부터 설계 가능한 구조형태들이 중첩되어 나타난 결과를 보여주고 있다고 생각할 수 있다. 따 라서 결합패턴을 토대로 절삭력의 전달경로를 탐색 하면서 구조요소군의 종속관계를 결정하면 설계 가 능한 공작기계의 구조형태를 얻을 수 있다.

3.3 서브패턴의 생성

계층

2

그리고 부류의 서브패턴은 부류의 시작 구조요소 로부터 최종 구조요_소까지의 구조요소의 연쇄를 나 타내는데, 공작물을 지지하면서 공작물측의 운동기 능이나 강성 등을 분담하는 역할을 나타내게 된다.

따라서 각각의 서브패턴은 Fig.

3

Fig.

9

9

7

5

Fig. 4

6

Fig. 4. Connecting pattern

Fig. 5. Connecting pattern of

flow.

Fig. 7. Connecting pattern

sub-force

의 서브패턴을 조합함으로써 생성된다. 이러한 구조 생성과정은

Fig. 8

DNA

DNA

3

Fig. 5

9

티 ement, Combin 근tion

Fig. 6. Connecting

3.4 공작기계의 구조 생성

기본적으로 공작기계의 전체 구조는 주류와 부류

Fig. 8. Generation

machine

structures.

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140

Fig. 9. Examples of

Sub-force

flow

1 2

3 4 ⁵

1 7

7

2 曽曲 ^{7 7}

M

3 — J

n 4 J

J

ts

f

—

? 5

c

如 ^K

e

J

J

J

0

w 7

J

J

8 J —ag ^J M

9

4

7

터 생성할 수 있는 공작 기계의 구조형태는

Fig. 9

본 연구에서는 이상과 같이 대부분 정성적인 매개 변수들을 이용하여 공작기계의 기본 구조를 설계하 는 방법에 대해서 다루었지만, 동일한 개념에 토대 를 두고 구조요소의 질량, 치수, 재질, 강성 등과 같 은 정량적인 매개변수들을 이용하여 다른 형태의 결 합패턴을 생성함으로써 공작기계의 상세 구조를 설 계하는 것도 가능하다.

3.5 공작기계의 구조코드 생성

공작기계의 형상창성운동, 즉 공구와 공작물의 상대 운동은 구조요소들의 상대운동이 중첩됨으로써 형성된 다. 그리고 공작기계의 구조코드는 이러한 형상창성운 동을 함축적으로 표현하기 때문에 공작기계의 구조코 드를 파악하는 것은 공작기계의 형상창성운동 형태를 이해하는 데 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는

Fig.

1에 나타낸 구조요소의 기준 좌표계와 운동축,

Fig. 2

Fig. 3,

6

드의 자동 생성방법을 다음과 같이 제안하였다.

공작기계의 기계 좌표계에서는 주축의 회전축 방 향을 Z축, 주축의 회전 방향을

C

Fig.

그리고 본 연구에서는 구조요소쌍, 결합패턴 및 서 브패턴에 의해서 Fig. 9와 같이 공작기계의 구조형 태가 결정되면, 공작기계의 기계 좌표계는 주축대의 기준 좌표계와 일치한다는 사실을 이용해서 다른 구 조요소들의 기준 좌표계가 기계 좌표계, 즉 주축대 의 기준 좌표계와 일치하도록 만드는 좌표 변환관계 를 구하고, 그 좌표 변환관계를 구조요소의 운동축 에 그대로 적용함으로써 기계 좌표계에서의 운동축 방향을 결정하였다. 그리고 기계 좌표계에서 정의된 각 구조요소의 운동축을 공작물이 설치되는 구조요 소부터 공구가 설치되는 구조요소까지 순차적으로 재 정렬하고, 정지상태의 구조요소인 베이스 유니트나 베 드 유니트의 운동축 대신에 /를 삽입함으로써 최종적 인 공작기계의 구조코드를 도출하였다. 특히 이러한 개념을 토대로 공작기계의 구조코드를 생성하면, /의 좌측에는 부류의 서브패턴과 관련된 구조요소들의 운 동축이 표시되고, /의 우측에는 주류의 서브패턴과 관 련된 구조요소들의 운동축이 표시되기 때문에 공작기 계의 구조를 구체적으로 표현할 수 있다.

4.

본 연구에서는 공작기계를 구성하는 구조요소군으 로부터 구현 가능한 공작기계의 기본 구조를 신속하 고 체계적으로 설계할 수 있는 기반을 구축하기 위 해서 모듈러 구성법을 이용한 공작기계의 기본 구조 설계 시스템을 개발하였다. 특히 공작기계의 구조 설 계에서의 활용도를 높이기 위하여 절삭력의 전달경 로를 나타내는 구조요소의 결합패턴과 함께

DNA

辱 用 田 甲•

:' 二畐二,

봬

Fig. 10. Selection of structural elements.

Bed Unit Dem

bedDI

liedlll

田，'t£b Spindle_Head

审 G Slide ~ eOf Swlvel_Slide d C애umn tQf Rotary_Table d39 Cross_Sllde e£2v Base

어’ Column Base d이囱

0

한 3차원 형상 가시화 모듈을 구축하였다.

구조요소의

DNA

DB

DNA

Fig.

DB

bed02

GUI

GUI

Fig. 11.

line tool structures.

그리고 Fig. 11에 제시한

GUI

특히 생성된 공작기계의 구조형태에 대한 정보들은 탐색이 용이하도록 트리 구조형태로 표현하였는데, 결합패턴과

DNA

Fig. 8

본 연구에서 개발한 시스템을 이용해서 수직형 공작기계의 구조를 생성한 예들은 Fig.

12~16

Fig.

13~16

Fig. 12. Machine tool structure of /XYZC.

Fig. 13. Machine

structure

CX/XYZC.

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142

Fig. 14. Machine

of

Fig. 17. Machine

structure

CY/ZBC.

Fig. 15. Machine

of

Fig. 16. Machine

structure of

XYZC, YX/XYZC, AZ/XYZC

AZYX/XYZC

의 구조형태임을 알 수 있다.

또한

Fig. 17~19

CY/ZBC

Fig.

CY/ZXC

CYZX/ZXC

Fig.

18과 19는 공구측의 운동기능이 서로 동일한 형태의 공작기계들임을 알 수 있다.

이상과 같은 적용례에서 알 수 있듯이 본 연구에 서 개발한 시스템은 공작기계를 구성하는 구조요소 군으로부터 구현 가능한 공작기계의 기본 구조를 신 속하고 체계적으로 설계할 수 있다는 사실을 확인할 수 있다. 그리고 본 연구에서 사용한 설계개념에 토 대를 두고 구조요소의 질량, 치수, 재질, 강성 등과

Fig. 18. Machine tool structure

71dCahaomQl IDCmjWdWI

Fig. 19. Machine tool struciurc

-tn“dm 33 S nlndl a_HtMiff

같은 정량적인 매개변수들을 이용하여 다른 형태의 결합패턴을 생성함으로써 공작기계의 상세 구조를 설계하는 것도 가능하다고 판단된다.

또한 본 연구의 적용례에서는 머시닝센터를 구성 할 때 사용하는 구조요소들을 이용하였기 때문에 주 로 각형 공작물을 가공대상으로 하는 공작기계의 구 조형태들이 생성되었지만, 선반을 구성할 때 사용하 는 구조요소들을 이용하면 환형 공작물을 가공대상 으로 하는 공작기계의 구조형태들도 동일한 방식으 로 생성할 수 있다.

5

본 연구에서는 공작기계의 구조와 기능에서의 융 통성, 다양성 및 확장성을 고려할 수 있는 공작기계 의 설계기술을 구축하기 위한 노력의 일환으로 공작 기계를 구성하는 구조요소군으로부터 구현 가능한 공작기계의 기본 구조를 신속하고 체계적으로 설계 할 수 있는 시스템을

Windows 98/NT

(1) 다양한 구조요소의 선택적인 조합 및 결합에 의 해서 복잡한 형태의 전체 구조를 자유롭게 구성할 수 있는 모듈러 개념을 공작기계의 구조 설계에 도입하였다.

(2)

(3)공작기계의 구조형태와 구조코드는 구조요소의 운동기능(운동축), 형상. 치수, 기준 좌표계, 결합형태

등과 관련된

DNA

(4)

3

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CAD/CAM

13

3

150-157, 1996.

임 동 휘

1999년 한국항공대학교 기계설계학과 학사 199^殂〜현재 한국항공대학교 기계공학과 석사 관심 분야: CAD/CAM, Virtual Manufac­

turing

김 석 일

!9女년 한국항공대학교 기계공학과 학사 1983년 한국과학기술원 기계공학과 석사 1990년 한국과학기술원 기계공학과 박사 1983년 한국과학기술연구원 정밀기계기술센

터 연구원

1983년〜1991년 한국기계연구원 공작기셰실 선임연구원

1992년~현재 한국항공대학교 기계설계학과 부교수

관심분야: CAD/CAM/CAE井务공작기계 설 계 및 해석, 차량 동역학 및 제어

한국

CAD/CAM

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2000