[논문]차체 조립용 용접 지그 설계 전용 CAD시스템 개발

조병철; 이상헌; 김형준; 우윤환; 이강수

문제 정의

유닛의 형태는 일반적으로 1단 힌지, 1단 링크, 2단 힌지 , 2단 링크의 4가지 타입으로 분류할 수 있다. 본 논문에서는 위에서 언급된 타입 중 사용 빈도가 가장 많은 1단 힌지와 1단 링크 형태를 다루었다. Fig.
본 연구에서는 Unigraphics를 기반으로한 3차원 지그 설계 전용 시스템을 개발하였고 이를 이용한 지그 설계 프로세스를 제시하였으며 실제로 이를 설계에 적용 시켜 보았다. 설계 작업의 효율을 높이기 위하여 자주 사용되는 표준화된 부품들에 대해서 표준 부품 라이브러리를 구축하여 이를 설계에 활용하였다.
본 연구에서는 Unigraphics를 기반으로한 3차원 지그 설계 전용 시스템을 개발하였고 이를 이용한 지그 설계 프로세스를 제시하였으며 실제로 이를 설계에 적용 시켜 보았다. 설계 작업의 효율을 높이기 위하여 자주 사용되는 표준화된 부품들에 대해서 표준 부품 라이브러리를 구축하여 이를 설계에 활용하였다.
다만 차체의 곡면 데이터 및 지그 전체 시스템을 조작하거나 관리하기에는 중저가 CAD 시스템인 Solid Edge의 제공 기능과 능력이 만족스럽지 못할 수 있다. 이에 본 연구에서는 Unigraphics를 기반으로한 지그 설계 전용 CAD시스템을 개발하였다. 시스템은 UG/Open API"31# 이용하여 구현되었다.
다만 차체의 곡면 데이터 및 지그 전체 시스템을 조작하거나 관리하기에는 중저가 CAD 시스템인 Solid Edge의 제공 기능과 능력이 만족스럽지 못할 수 있다. 이에 본 연구에서는 Unigraphics를 기반으로한 지그 설계 전용 CAD시스템을 개발하였다. 시스템은 UG/Open API"31# 이용하여 구현되었다.

가설 설정

. 가상동작 확인이 불가능하다.
. 설계 변경에 대한 적응력이 떨어진다.
. 설계 시간이 많이 소요된다.
• 가상동작 확인이 불가능하다.
• 설계 데이터의 활용도가 떨어진다.
• 설계 도면의 신뢰도가 떨어진다.
• 설계 변경에 대한 적응력이 떨어진다.
• 설계 시간이 많이 소요된다.

제안 방법

시스템은 UG/Open API"31# 이용하여 구현되었다. Unigraphics를 기반으로 함으로써 차체의 곡면 데이터 및 지그 전체 시스템을 조작 관리하는데 무리가 없으며, 차체 곡면 모델을 직접 이용하여 클램프와 로케이터를 설계하고 검증함으로써 설계 안정성을 높일 수 있도록 하였다.
이렇게 생성되어진 각각의 유닛들이 모두 설계 되면 베이스를 제외한 전체 어셈블리가 구성된다. 구성된 3차원 어셈블리 모델을 이용하여 유닛과 유닛, 유닛과 용접 건, 유닛과 차체 판넬과의 간섭 등을 검사하게 되고, 검증이 끝난 모델에 대해서는 가공에 필요한 상세설계를 하고 제작용 MCS를 작성하여 가공용 데이터로 변환하게 된다.
이렇게 생성되어진 각각의 유닛들이 모두 설계 되면 베이스를 제외한 전체 어셈블리가 구성된다. 구성된 3차원 어셈블리 모델을 이용하여 유닛과 유닛, 유닛과 용접 건, 유닛과 차체 판넬과의 간섭 등을 검사하게 되고, 검증이 끝난 모델에 대해서는 가공에 필요한 상세설계를 하고 제작용 MCS를 작성하여 가공용 데이터로 변환하게 된다.
기본 치수값으로 설정되어 있는 초기 유닛을 사용자가 주어진 판넬에 따라서 치수들을 수정한다. 유닛이 설치되면 Fig.
이후 클램프와 로케이터의 면들 가운데 판넬과 접촉하는 면은 판넬 면의 형상으로 치환시켜주는 작업을 수행한다. 다음 클램핑 힘의 크기에 따라 공압 실린더의 규격을 결정하고, 클램프의 작동을 기구적으로 시뮬레이션하여 적합성을 판단한 후 그 결과에 따라 관련부위를 수정하도록 한다. 필요한 유닛의 설계를 모두 마치면 지그 베이스를 모델링하고 유닛을 장착하기 위한 구멍의 생성과 같은 작업을 거쳐 최종 지그 전체 어셈블리를 완성한다.
이후 클램프와 로케이터의 면들 가운데 판넬과 접촉하는 면은 판넬 면의 형상으로 치환시켜주는 작업을 수행한다. 다음 클램핑 힘의 크기에 따라 공압 실린더의 규격을 결정하고, 클램프의 작동을 기구적으로 시뮬레이션하여 적합성을 판단한 후 그 결과에 따라 관련부위를 수정하도록 한다. 필요한 유닛의 설계를 모두 마치면 지그 베이스를 모델링하고 유닛을 장착하기 위한 구멍의 생성과 같은 작업을 거쳐 최종 지그 전체 어셈블리를 완성한다.
이 시스템에서는 차체 판넬에 대하여 MCS(major control section) 곡면 단면을 생성하고, 이 단면올 이용하여 지그 유닛에 필요한 로케이터와 클램프를 설계 한다. 다음, 주변 부품인 브라킷과 실린더, 볼트등을 미리 구축된 3차원 표준 부품 라이브러리를 이용하여 설계하게 된다. 이러한 설계 흐름은 3차원 지:X 설계 시스템이 갖는 전형적인 방식이라고 할 수 있다.
먼저 MCS정보를 포함한 차체 판넬 모델을 읽어들여 각 MCS에 대해 유닛들을 설계한 후 최종적으로 베이스를 생성시켜 전체 지그 어셈블리를 완성한다. 각 유닛에 대한 설계과정은 다음과 같다.
먼저 MCS정보를 포함한 차체 판넬 모델을 읽어들여 각 MCS에 대해 유닛들을 설계한 후 최종적으로 베이스를 생성시켜 전체 지그 어셈블리를 완성한다. 각 유닛에 대한 설계과정은 다음과 같다.
각 유닛에 대한 설계과정은 다음과 같다. 먼저 해당MCS에 대하여 기본값으로 생성된 초기 유닛 모델을 생성시킨 후 각 부품의 치수와 위치를 주어진 판넬에 맞추어 수정한다. 다음 클램프와 로케이터가 판넬과 간섭을 일으키지 않도록 판넬과 교차되는 부분을 적절한 여유 간극과 가공 편의성을 고려하여 제거하도록 한다.
각 유닛에 대한 설계과정은 다음과 같다. 먼저 해당MCS에 대하여 기본값으로 생성된 초기 유닛 모델을 생성시킨 후 각 부품의 치수와 위치를 주어진 판넬에 맞추어 수정한다. 다음 클램프와 로케이터가 판넬과 간섭을 일으키지 않도록 판넬과 교차되는 부분을 적절한 여유 간극과 가공 편의성을 고려하여 제거하도록 한다.
본 시스템은 지그를 설계하기위한 전용 모듈로서 모델러의 범용 기 능과 병행하여 사용될 수 있게 구성되어 있다. 시스템은 다음과 같이 여섯 가지 주요 기능으로 이루어져 있으며 그 각각은 독립적으로 작동되도록 되어있다.
왜냐하면 기준이 되는 제품의 형상이 제품마다 각각 상이하여 그것을 지지해 주는 장치 또한 그에 따라 변화된 형상이 필요하기 때문이다. 본 연구에서는 표준화가 어려운 부품인 로케이터와 클램프에 대하여 판넬과의 접촉면에 대한 형상을 단순화 시켜 초기 형상에 적용하였고 지그 유닛의 부품들에 대한 표준 부품 라이브러리를 구성하였다.
본 연구에서는 Unigraphics를 기반으로한 3차원 지그 설계 전용 시스템을 개발하였고 이를 이용한 지그 설계 프로세스를 제시하였으며 실제로 이를 설계에 적용 시켜 보았다. 설계 작업의 효율을 높이기 위하여 자주 사용되는 표준화된 부품들에 대해서 표준 부품 라이브러리를 구축하여 이를 설계에 활용하였다. 본 시스템을 사용함으로써 3차원 CAD시스템의 일반 범용기능만을 사용하여 설계한 경우에 비하여 설계 시간을 크게 단축시킬 수 있었으며, 설계된 결과에 대한 동작 시뮬레이션을 수행시킴으로써 제작후 작동시 발생하는 문제점을 조기에 발견할 수 있었다.
은 Solid Edge를 기반으로 한 3차원 지그 설계 시스템을 제안하였다. 이 시스템에서는 차체 판넬에 대하여 MCS(major control section) 곡면 단면을 생성하고, 이 단면올 이용하여 지그 유닛에 필요한 로케이터와 클램프를 설계 한다. 다음, 주변 부품인 브라킷과 실린더, 볼트등을 미리 구축된 3차원 표준 부품 라이브러리를 이용하여 설계하게 된다.
이 시스템에서는 차체 판넬에 대하여 MCS(major control section) 곡면 단면을 생성하고, 이 단면을 이용하여 지그 유닛에 필요한 로케이터와 클램프를 설계 한다.
3는 본 연구에서 개발하고 있는 전용 시스템과 응용 분야가 포함된 가상 시스템의 구성 을 나타낸다.지그 설계 모듈에서 지그 시스템을 3차원 설계하고 그설계 결과를 PDM(product data management) 시스템에 저장하면 그 데이터는 검증 및 해석 시스템에서 읽어 들여 각 부품들에 대한 강도 해석 및 차체 용접 라인에 대한 시뮬레이션 등을 수행하여 설계에 대한 검증 작업을 수행한다. 설계가 완료되면 설계 데이터를 넘겨 받아 생산 시스템을 이용하여 지그의 부품들을 가공 조립하게 된다.
3는 본 연구에서 개발하고 있는 전용 시스템과 응용 분야가 포함된 가상 시스템의 구성 을 나타낸다.지그 설계 모듈에서 지그 시스템을 3차원 설계하고 그설계 결과를 PDM(product data management) 시스템에 저장하면 그 데이터는 검증 및 해석 시스템에서 읽어 들여 각 부품들에 대한 강도 해석 및 차체 용접 라인에 대한 시뮬레이션 등을 수행하여 설계에 대한 검증 작업을 수행한다. 설계가 완료되면 설계 데이터를 넘겨 받아 생산 시스템을 이용하여 지그의 부품들을 가공 조립하게 된다.

대상 데이터

23은 베이스 생성 기능의 GUI를 나타내고 있다. 베이스의 형상은 기본 형태만 가지고 있는 모델을 사용하였다. 베이스의 생성을 위한 입력 값은 베이스가 위치할 곳의 포인트1개가 필요하며 베이스 설치위치가 적절하지 않을 경우 이동 기능을 이용하여 적절한 위치로 재위치시킬 수 있다.
검사용 지그는 일명 인스펙션 체커(inspection checker)라 하며 부품을 위치하고 즉정할 수 있는 기구를 갖추고 있는 장치물로 도면에 의 한 제품의 오차를 계수화 및 계량화하는데 사용된다. 본 연구에서 대상으로 하고있는 것은 용접 조립용 지그로서 Fig. 2는 차체 용접 조립에서 판넬을 위치시켜 주는 지그 시스템을 나타내고 있다.
지그 유닛을 구성하는 부품은 Fig. 4에서 보는 것 과 같이 로케이터 (locator), 클램프(clamp), 브라킷(bracket), 서브베이스(sub-base), 실린더 (cylinder)로 구성된다. 일반적으로 이러한 부품들이 조립되어 있는 상태를 “유닛(unit)”이라고 말한다.
지그 유닛을 구성하는 부품은 Fig. 4에서 보는 것 과 같이 로케이터 (locator), 클램프(clamp), 브라킷(bracket), 서브베이스(sub-base), 실린더 (cylinder)로 구성된다. 일반적으로 이러한 부품들이 조립되어 있는 상태를 “유닛(unit)”이라고 말한다.

성능/효과

지그의 관점에서 검증 가능한 내용으로는 용접용 지그의 조립 정렬, 유닛 사이의 공간 점검, 판넬 로딩 및 어셈블리 언로딩 점검, 용접용 지그와 판넬 상호간의 간섭 및 간격 점검, 용접 건(welding gun)의 작업 공간에 대한 공간상의 검토 등이 있으며, 조립 공정의 관점에서는 공정 시뮬레이션, 간이 체커 및 체크 갭(check gap) 필요성 검토, 공정 별 작업성 및 예상 공수 분석 ,용접 건의 작업 공간에 대한 검토 등이 있다. 또한 3차원 디지털 모델의 확보는 설계 품질의 향상뿐만 아니라 제품의 시각화를 통한 공간 활용 및 간섭 불량의 감소를 이룰 수 있으며, 구조 해석을 통하여 취약부의 사전 예측 및 최적 설계에 의한 지그의 경량화를 이룰 수 있다.
설계 작업의 효율을 높이기 위하여 자주 사용되는 표준화된 부품들에 대해서 표준 부품 라이브러리를 구축하여 이를 설계에 활용하였다. 본 시스템을 사용함으로써 3차원 CAD시스템의 일반 범용기능만을 사용하여 설계한 경우에 비하여 설계 시간을 크게 단축시킬 수 있었으며, 설계된 결과에 대한 동작 시뮬레이션을 수행시킴으로써 제작후 작동시 발생하는 문제점을 조기에 발견할 수 있었다. 그러나 본 시스템은 현재 한정된 표준 부품에 대한 라이브러리가 구축되어 있어 향후 이를 확장할 필요가 있다.

후속연구

본 시스템을 사용함으로써 3차원 CAD시스템의 일반 범용기능만을 사용하여 설계한 경우에 비하여 설계 시간을 크게 단축시킬 수 있었으며, 설계된 결과에 대한 동작 시뮬레이션을 수행시킴으로써 제작후 작동시 발생하는 문제점을 조기에 발견할 수 있었다. 그러나 본 시스템은 현재 한정된 표준 부품에 대한 라이브러리가 구축되어 있어 향후 이를 확장할 필요가 있다. 또한 로케이터와 클램프의 형상 편집에 대한 자동화가 수행 된다면 설계 효율을 더욱 높일 수 있을것으로 기대된다.
그러나 본 시스템은 현재 한정된 표준 부품에 대한 라이브러리가 구축되어 있어 향후 이를 확장할 필요가 있다. 또한 로케이터와 클램프의 형상 편집에 대한 자동화가 수행 된다면 설계 효율을 더욱 높일 수 있을것으로 기대된다. 또한 숙련된 설계자가 가지고 있는 각종 설계 지식을 추출하여 전문가 시스템을 구축하고 이를 본 CAD시스템과 통합시킨다면 더욱 효과적인 지능형 설계 시스템이 구축될 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 본 시스템은 현재 한정된 표준 부품에 대한 라이브러리가 구축되어 있어 향후 이를 확장할 필요가 있다. 또한 로케이터와 클램프의 형상 편집에 대한 자동화가 수행 된다면 설계 효율을 더욱 높일 수 있을것으로 기대된다. 또한 숙련된 설계자가 가지고 있는 각종 설계 지식을 추출하여 전문가 시스템을 구축하고 이를 본 CAD시스템과 통합시킨다면 더욱 효과적인 지능형 설계 시스템이 구축될 수 있을 것으로 기대된다.
또한 로케이터와 클램프의 형상 편집에 대한 자동화가 수행 된다면 설계 효율을 더욱 높일 수 있을것으로 기대된다. 또한 숙련된 설계자가 가지고 있는 각종 설계 지식을 추출하여 전문가 시스템을 구축하고 이를 본 CAD시스템과 통합시킨다면 더욱 효과적인 지능형 설계 시스템이 구축될 수 있을 것으로 기대된다.
또한 로케이터와 클램프의 형상 편집에 대한 자동화가 수행 된다면 설계 효율을 더욱 높일 수 있을것으로 기대된다. 또한 숙련된 설계자가 가지고 있는 각종 설계 지식을 추출하여 전문가 시스템을 구축하고 이를 본 CAD시스템과 통합시킨다면 더욱 효과적인 지능형 설계 시스템이 구축될 수 있을 것으로 기대된다.

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