[논문]냉각탑용 축류팬 및 보스 설계를 위한 3차원 자동 모델링

강재관; 이광일; 김원일; 이윤경

문제 정의

그러나 열악한 환경의 중소기업이 개발된 기술을 수용하기 위해서는 3차원 CAD/CAM을 다룰 수 있는 전문화된 인력이 필요하며 다양한 종류의 팬 설계 및 잦은 설계 변경에는 여전히 많은 시간이 소요된다. 따라서 본 연구는 냉각탑용 축류팬 제조공정의 자동화를 위한 시작으로서 상용 3차원 솔리드 모델러의 API(AppIication Programming Interface)를 이용하여 축류 팬 및 보스 파트의 설계 자동화를 위한 3차원 형상모델링 및 2차원 도면 자동 생성 문제를 다룬다.
따라서 강성을 유지하는 범위내에서 가능하면 작은 사이즈로 설계하는 것이 좋으나 때로 각 부품들간에 간섭이 발생하여 현장에서 심각한 문제가 되기도 한다. 따라서 본 연구에서는 부품간의 간섭을 피하면서 최소 사이즈의 보스를 계산하는 방법을 개발한다.

가설 설정

5). 축류 팬 설계와 달리 보스 설계에 필요한 각 부품의 선택은 현장의 경험에 의한 설계 지침을 이용하는 것으로 가정한다.

제안 방법

설계 데이터를 기반으로 상용 모델러가 제공하는 API를 이용하여 팬 형상을 자동 모델링한다. 그리고 보스를 구성하는 각 부품을 파라메트릭 설계 기법을 이용하여 모델링한 후 부품 치수에 관한 정보를 사용자로부터 입력 받아 보스를 모델링하고 축류팬과 조립한다. 이때 조립되는 축류 팬들 간에 간섭이 발생하지 않도록 하며 보스의 구성 부품은 허용 강도 하에서 보스 사이즈가 최소가 되도록 각 부품의 치수를 결정한다.
Microsoft Visual C++을 이용하여 팬 및 보스의 3차원 형상을 자동 모델링하였다. 데이터베이스는 오라클 DB를 사용하였으며 DB등록, 조회를 위한 Dialog Box와 모든 DB 처리 부분은 Delphi를 이용하여 프로그래밍 하였고, 네트워크지원과 다중 사용자 접근이 가능하도록 ODBC를 이용하여 DB에 접근하도록 하였다.
이때 클램프 부품은 팬의 수에 따라 그 개수가 결정되므로 plate 상에 배열(array)의 개수를 파라메터로 설정한 뒤 팬 개수가 입력되면 배열 생성 APr함수를 사용하여 자동으로 변경될 수 있도록 한다. 또한 부품간의 간섭 문제가 발생하지 않도록 조립 위치 및 보스 사이즈를 결정하여 보스를 설계한다. Fig.
또한 이 때 사용된 보스 각 부품의 치수 들도 DB에 함께 저장하고 사용된 금형 번호도 입력하도록 한다. 저장된 데이터베이스는 새로운 설계를 시작하기 전에 조회를 할 수 있도록 하여 중복 설계를 방지하고 기존의 설계 시 얻은 설계 정보를 최대한 활용할 수 있도록 한다.
본 시스템에서는 설계가 완료되면 설계에 사용된 축류팬 성능 데이터인 유량, 정압, 회전수, 목부 사이즈 등의 데이터를 도번과 함께 데이터베이스에 저장하도록 한다. 또한 이 때 사용된 보스 각 부품의 치수 들도 DB에 함께 저장하고 사용된 금형 번호도 입력하도록 한다.
본 시스템을 구현하기 위하여 상용 솔리드 모델러로는 Unigraphics VI6를 사용하였고 UG/Open API 및 UG Styler와 Microsoft Visual C++을 이용하여 팬 및 보스의 3차원 형상을 자동 모델링하였다. 데이터베이스는 오라클 DB를 사용하였으며 DB등록, 조회를 위한 Dialog Box와 모든 DB 처리 부분은 Delphi를 이용하여 프로그래밍 하였고, 네트워크지원과 다중 사용자 접근이 가능하도록 ODBC를 이용하여 DB에 접근하도록 하였다.
개발하였다. 본 연구에서 개발된 시스템은 기존의 축류팬 설계 프로그램과 연동되어 사용자가 원하는 팬을 쉽게 설계하고 3-D 형상을 모델링할 수 있도록 하였다. 특히 보스 설계 시 보스 부품 간의 간섭이 발생하지 않도록 자동으로 보스 사이즈를 결정하고 인접한 팬들 간의 간섭도 제거할 수 있는 알고리즘을 개발하였다.
. 본 연구에서는 피쳐 라이브러리를 정의할 수 없는 팬 모델링에는 API를 사용하고 보스 모델링에는 부품 및 피쳐 라이브러리를 이용하는 방식을 사용한다.
상용 솔리드 모델러가 제공하는 파라메트릭 설계 기법과 API를 이용하여 냉각탑용 축류팬 모델링 및 보스 설계 그리고 2차원 도면 생성을 자동화하는 시스템을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 시스템은 기존의 축류팬 설계 프로그램과 연동되어 사용자가 원하는 팬을 쉽게 설계하고 3-D 형상을 모델링할 수 있도록 하였다.
먼저 냉각탑용 축류팬의 설계데이터는 기존의 연구(1)에서 개발된 설계 프로그램을 통하여 제공받는다. 설계 데이터를 기반으로 상용 모델러가 제공하는 API를 이용하여 팬 형상을 자동 모델링한다. 그리고 보스를 구성하는 각 부품을 파라메트릭 설계 기법을 이용하여 모델링한 후 부품 치수에 관한 정보를 사용자로부터 입력 받아 보스를 모델링하고 축류팬과 조립한다.
28 rpm으로 설계된 팬이다. 설계 프로그램의 출력 파일을 입력으로 하여 NACA4409 익형 데이터를 결합하여 블레이드를 구성하는 익형의 3차원 좌표값을 계산한다.
14(b)는 기존에 설계된 팬을 검색하는 화면이다. 정해진 설계 데이터와 유사한 성능을 가진 팬을 검색하여, 검색 조건을 만족하는 제품이 있을 경우 그 제품을 그대로 사용하거나 설계 데이터만을 설계에 반영할 수도 있도록 하였다.
부품 라이브러리를 구축하여 사용한다. 즉 각 부품을 Sketch와 Expression 기능을 이용하여 모델링하고 Sketch 에서 지정한 파라메터들을 Expression의 변수로 등록하여 모델링한 후 피쳐 라이브러리로 저장해 두고 새로운 모델을 생성할 때에는 필요한 치수값을 부여함으로써 자동으로 모델링 되도록 한다. 단 볼트 너트와 같이 표준 부품을 사용해야 할 경우에는 KS 규격에 의하여 각 부품들을 설계하고 이를 라이브러리에 저장해 둔다.
특히 보스 설계 시 보스 부품 간의 간섭이 발생하지 않도록 자동으로 보스 사이즈를 결정하고 인접한 팬들 간의 간섭도 제거할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 최종 설계된 팬 및 보스 설계 데이터는 데이터베이스에 저장하여 새로운 팬 설계 시 검색할 수 있도록 하여 중복 설계를 방지하도록 하였으며 ERP 시스템과도 연동될 수 있도록 하였다.
본 연구에서 개발된 시스템은 기존의 축류팬 설계 프로그램과 연동되어 사용자가 원하는 팬을 쉽게 설계하고 3-D 형상을 모델링할 수 있도록 하였다. 특히 보스 설계 시 보스 부품 간의 간섭이 발생하지 않도록 자동으로 보스 사이즈를 결정하고 인접한 팬들 간의 간섭도 제거할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 최종 설계된 팬 및 보스 설계 데이터는 데이터베이스에 저장하여 새로운 팬 설계 시 검색할 수 있도록 하여 중복 설계를 방지하도록 하였으며 ERP 시스템과도 연동될 수 있도록 하였다.

대상 데이터

8). 이 예에 사용된 팬은 유량 1,000 m³/min 정압 9.06PA, 회전수 69.28 rpm으로 설계된 팬이다. 설계 프로그램의 출력 파일을 입력으로 하여 NACA4409 익형 데이터를 결합하여 블레이드를 구성하는 익형의 3차원 좌표값을 계산한다.

이론/모형

본 연구에서 설계 데이터를 얻기 위하여 사용하는 팬 설계 방법은 앞서 언급한 바와 같이 3차원 유동해석을 이용한 기존의 연구 결과⁽¹⁾를 이용한다. 그리고 익형(airfoil)은 NASA의 전신인 NACA에서 설계한 NACA4409타입을 사용한다⁽⁸⁾.

성능/효과

이내로 단축하는 효과를 얻게 되었다. 또한 보스부품간의 간섭 제거 알고리즘을 적용한 결과 기존의 수작업에 의한 보스 설계에 비하여 10%이상 크기가 축소되는 효과를 가져왔다. 본 연구의 결과는 열악한 환경의 F.
본 시스템이 개발됨에 따라 축류팬 제작회사는 설계에서 2차원 도면 생성까지 소요되는 시간이 기존의 3일에서 1시간 이내로 단축하는 효과를 얻게 되었다. 또한 보스부품간의 간섭 제거 알고리즘을 적용한 결과 기존의 수작업에 의한 보스 설계에 비하여 10%이상 크기가 축소되는 효과를 가져왔다.

후속연구

단 일반적인 데이터베이스 구축과 달리 본 연구에서는 3차원 솔리드 모델러에서 데이터베이스를 직접 억세스하는 기술이 요구된다. 이를 위해서는 일반 데이터베이스 언어를 사용하여 필요한 DB 프로그램을 작성한 후 이를 동적라이버러리(Dynamic link library)로 변환한 후 솔리드 모델러의 API에서 이를 호줄하는 기술을 사용한다.
또한 보스부품간의 간섭 제거 알고리즘을 적용한 결과 기존의 수작업에 의한 보스 설계에 비하여 10%이상 크기가 축소되는 효과를 가져왔다. 본 연구의 결과는 열악한 환경의 F.R.P. 냉각팬 제조업에 독자 설계 기술을 바탕으로 설계 자동화 시스템을 구축하게 되었고 향후 축류팬 금형 설계 자동화, 3차원 스캐너를 사용한 축류팬 형상 검사 자동화 및 로봇을 이용한 겔코트 작업 자동화 등으로 진행할 예정이다.

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