[논문]디지털 매뉴팩쳐링 기법을 이용한 절단기기의 검증된 가상 NC 시뮬레이터 구축

정호림; 임현준; 이장현; 최양렬; 김호구; 신종계

doi:10.3744/snak.2005.42.1.064

문제 정의

본 연구에서는 이러한 관점에서 디지털 생산기술을 조선과 같은 주문형 제조방식에 적용하기 위한 방법론을 제시하고 조선 절단공정에 적용하여 투입 자재(강판)의 작업에 필요한 작업시간을 실시간으로 정확하게 추출하기 위한 모델을 구현함으로써 디지털 생산기술의 적용 가능성 및 효과를 검증하고자 한다. 절단 공장의 주요 기능은 강재적 치장(Stockyard), 전처리(Pretreatment) 공장에서 넘어온 강재를 조립하기 위한 절댠 및 마킹 작업을 수행하는 것이다.
본 연구에서는 절단 NC 공정에 대하여 객체지향 모델링 기법인 UML 방법을 적용하여 절단 공정을 이루는 제품 정보, 공정 정보, 자원 정보를 분석하는 방법 및 사레를 보였다. 또한 IDEF 방법을 적昌하여 절단 공정의 정적인(static) 정보의 흐름을 분석하였다.
본 연구에서는 절단 NC 정보를 이용하여 가상절단 기계를 구동함으로써 정확한 작업시간을 예측함으로써 계열별로 적절한 물량 배분을 하기 위한 근거를 마련하고자 한다(Fig. 6).
이는 절단 공정의 일정 및 작업계획, 물량 배분 업무에 가장 중요한 정보인 작업시간이 부정확함을 의미한다. 본 연구에서는 절단 NC 코드 및 절단기의 기구학적 시뮬레이션을 통해 절단 시간을 정확하게 계산하고, 이를 가공계획의 정확성과 부하 평준화를 위한 근거 정보로써 활용할 수 있는 방법론을 제시하고자 한다.

제안 방법

NC 시뮬레이터는 사용자가 원하는 작업계획 기간의 NC 정보를 입력받아 실시간으로 시뮬레이션 할 수 있고 각각의 강판 부재가 가진 정확한 절단 가공 시간을 산출하여 저장하도록 구성하였다. 그리고 실제 절단작업의 실측을 통해 NC 시뮬레이터의 결과를 검증하였다.
각각의 NC 공정에 대한 가상 NC 시뮬레이터의 검증은 현장 실측에 의해 수행하였다. 실측 및 시뮬레이션은 5가지의 경우에 대해 이루어졌다.
NC 시뮬레이터는 사용자가 원하는 작업계획 기간의 NC 정보를 입력받아 실시간으로 시뮬레이션 할 수 있고 각각의 강판 부재가 가진 정확한 절단 가공 시간을 산출하여 저장하도록 구성하였다. 그리고 실제 절단작업의 실측을 통해 NC 시뮬레이터의 결과를 검증하였다. 그러나 하나의 철판을 절단하는데 걸리는 전체시간을 정확하게 산출하기 위해서는 절단 전 준비작업, 절단 후 사상 작업 등에 걸리는 시간에 대한 산정도 필요하다.
3에 PLS 공정의 기능특성을 IDEF0 방법으로 표현하였다. 기능 모델을 근거로 절단 NC 공정(Process)을 중심으로 분석한 시스템의 제품(Product), 설비 및 기계/인적 자원을 객체(Class) 화하여 Process Class, Product Class, Resource Class 로 분류하였다. 객체간의 관계를 시간중심으로 표현한 순서도(Sequence Diagram) 과 상태도 (State Chart Diagram), 객체간의 관계를 사건중심으로 표현한 협업도(elaboration Diagram)를 정의하였다.
본 연구에서는 절단 NC 공정에 대하여 객체지향 모델링 기법인 UML 방법을 적용하여 절단 공정을 이루는 제품 정보, 공정 정보, 자원 정보를 분석하는 방법 및 사레를 보였다. 또한 IDEF 방법을 적昌하여 절단 공정의 정적인(static) 정보의 흐름을 분석하였다. 이를 토대로 디지털 생산기술을 적용하여 조선 절단기기를 가상 기계로 모델링 하였으며, NC 정보를 모사함으로써 가상 NC 시뮬레이터를 구축한 사례를 보였다.
그리고 공정계열 별로 분류된 WOD 와 NC 리스트를 생성하여 시뮬레이터의 입력정보로 사용된다. 시뮬레이터에서는 추가된 사용자 함수에 의해 WOD 와 NC 리스트의 공정 계열별로 NC 파일을 분류하여 시뮬레이션함으로써 정확한 절단 작업 시간을 산출하여 DB로 저장하게 된다.
Table 1은 실측과 시뮬레이션의 오차를 비교한 일부 예이며, Table 2는 각 기기의 가공 결과와 NC 시뮬레이션 결과에 의한 절단 형상을 비교한 일부를 보인 것이다. 실제 가공에 필요한 작업 시간을 직접 측정하였으며, 그 작업 시간을 시뮬레이션을 통해 예측한 작업 시간과 비교하였다. 각 기기의 가상 시뮬레이션을 통해서 얻어진 시간은 실측 시갼과 최대 2.
9와 같이 일정 및 계획 정보 시스템에서 작업계획 (WOD) Data 와 NC Data 를 입력 정보로 받아들인다. 이 입력 정보를 받기 위해 일정 및 계획 정보 시스템과의 인터페이스로 NC 파일 복사 프로그램을 작성하였다. 이 프로그램을 통하여 시뮬레이션 하고자 하는 WOD 를 데이터 베이스(DB)로부터 읽어들이고 이 WOD 에 해당하는 NC 파일을 서버로부터 복사해 온다.
이 입력 정보를 받기 위해 일정 및 계획 정보 시스템과의 인터페이스로 NC 파일 복사 프로그램을 작성하였다. 이 프로그램을 통하여 시뮬레이션 하고자 하는 WOD 를 데이터 베이스(DB)로부터 읽어들이고 이 WOD 에 해당하는 NC 파일을 서버로부터 복사해 온다. 그리고 공정계열 별로 분류된 WOD 와 NC 리스트를 생성하여 시뮬레이터의 입력정보로 사용된다.
이러한 독적에서 절단 공장의 각 절단 기기가 가진 표준 프로세스(Process) 모델링, NC 프로세스 검증, 부품 및 공구경로 검증, NC 시물레이션 방법 이용하여 NC 데이터, 가공 속도, 공구의 디지털 생산 모델을 구성하였다.
이를 토대로 디지털 생산기술을 적용하여 조선 절단기기를 가상 기계로 모델링 하였으며, NC 정보를 모사함으로써 가상 NC 시뮬레이터를 구축한 사례를 보였다. 이를 위하여 NC 절단기의 동적 특성, 제어 특성을 반영한 3차원 디지털 모델을 구성하고, NC 정보를 모사하기 위한 프레임 워크를 구현하였다.
또한 IDEF 방법을 적昌하여 절단 공정의 정적인(static) 정보의 흐름을 분석하였다. 이를 토대로 디지털 생산기술을 적용하여 조선 절단기기를 가상 기계로 모델링 하였으며, NC 정보를 모사함으로써 가상 NC 시뮬레이터를 구축한 사례를 보였다. 이를 위하여 NC 절단기의 동적 특성, 제어 특성을 반영한 3차원 디지털 모델을 구성하고, NC 정보를 모사하기 위한 프레임 워크를 구현하였다.
이는 각 절단기의 수치제어 코드를 범용 NC Code로 치환함으로써 실제 제어 코드를 시뮬레이션하는 기법이다. 이뿐만 아니라 GSL(Graphicc Simulation Language), CLI(Command Line Interpreter)을 통해 세밀한 동역학적 움직임과 사용자 고유의 기능까지 추가할 수 있어 일정 및 계획 정보시스템으로부터 작업 계획(Work Order Data)와 NC 정보를 입력받을 수 있는 사용자 기능을 추가하였다(Fig. 7).
시뮬레이션을 위하여 DELMIA 사의 Virtual NC 를 이용하였다. 일반적인 NC 기기의 모델을 구성하기 위해서 Machine, Tool, Workpiece, Controller로 구분하였다. Machine 은 실제 절단기기의 동역학적인 움직임을 가지는 몸체에 해당하며 기기의 이동 및 각종 공구의 이송, Tool을 작업대상에 위치시키는 역할을 한다.
실측 및 시뮬레이션은 5가지의 경우에 대해 이루어졌다. 절단기기의 동역학적 움직임, 가공시간 그리고 가 공 결과로 나누어 실측과 비교하였다. Table 1은 실측과 시뮬레이션의 오차를 비교한 일부 예이며, Table 2는 각 기기의 가공 결과와 NC 시뮬레이션 결과에 의한 절단 형상을 비교한 일부를 보인 것이다.
본 절에서는 절단 공장을 이루는 기계 자원 (Resource), 공정(Process), 제품(Product) 정보를 논리적으로 기술하기 위한 방법으로써 IDEF0 (Integration DEFinition)과 객체 지향 모델링 기법 (Object-Oriented Modeling Technique)인 UML(Unified Modeling Language) 방법을 사용하였다. 특히 공장 모델을 이루는 구성 요소를 PPR(Product, Process, Resource)로 가정하고 앞절에서 언급한 조선 절단기기의 NC 공정들을 분석하였다.
Workpiece는 가공 작업대상물 즉, 절단될 부재를 의미한다. 해당 절단기의 형상은 3차원 CAD 모델로 작성하였다.

대상 데이터

가상 NC, 시뮬레이터는 Fig. 9와 같이 일정 및 계획 정보 시스템에서 작업계획 (WOD) Data 와 NC Data 를 입력 정보로 받아들인다. 이 입력 정보를 받기 위해 일정 및 계획 정보 시스템과의 인터페이스로 NC 파일 복사 프로그램을 작성하였다.
본 연구의 분석 대상은 조선소 내 가공 공정 중 절단 공정에 해당한다. 절단 공정은 운반된 부재 를 필요한 작업 순서나 계열에 의해 선별하고 부재의 표면의 이물질 제거 및 변형 교정을 하는 전 처리 공정을 거친 후 수행되게 된다, 그리고 후 공정인 조립 공정에서 사용될 부재의 형상으로 절 단하는 작업 이외에도 조립될 위치의 마킹(Marking), 부재 및 계열 정보를 기입하는 라벨링 (Labeling)등 일련의 프로세스를 가지고 있다.

이론/모형

Fig. 3에 PLS 공정의 기능특성을 IDEF0 방법으로 표현하였다. 기능 모델을 근거로 절단 NC 공정(Process)을 중심으로 분석한 시스템의 제품(Product), 설비 및 기계/인적 자원을 객체(Class) 화하여 Process Class, Product Class, Resource Class 로 분류하였다.
NC 코드는 MIMIC 기법을 활용하였다. 이는 각 절단기의 수치제어 코드를 범용 NC Code로 치환함으로써 실제 제어 코드를 시뮬레이션하는 기법이다.
Code 중 위치 제어를 위한 GO code 를 MIMIC 함수를 이용해서 절차(Procedure)로 모사한 예를 그림의 하단에 보였다. 모든 code 를 제어함수로 재정의함으로써 NC code B 대응하는 MIMIC code로 사상하였다.
본 절에서는 절단 공장을 이루는 기계 자원 (Resource), 공정(Process), 제품(Product) 정보를 논리적으로 기술하기 위한 방법으로써 IDEF0 (Integration DEFinition)과 객체 지향 모델링 기법 (Object-Oriented Modeling Technique)인 UML(Unified Modeling Language) 방법을 사용하였다. 특히 공장 모델을 이루는 구성 요소를 PPR(Product, Process, Resource)로 가정하고 앞절에서 언급한 조선 절단기기의 NC 공정들을 분석하였다.
앞장에서 제시한 절단 공정 시뮬레이션을 위하여 절단기 NC 모사기술을 이용하였다. 시뮬레이션을 위하여 DELMIA 사의 Virtual NC 를 이용하였다. 일반적인 NC 기기의 모델을 구성하기 위해서 Machine, Tool, Workpiece, Controller로 구분하였다.
앞장에서 제시한 절단 공정 시뮬레이션을 위하여 절단기 NC 모사기술을 이용하였다. 시뮬레이션을 위하여 DELMIA 사의 Virtual NC 를 이용하였다.

성능/효과

실제 가공에 필요한 작업 시간을 직접 측정하였으며, 그 작업 시간을 시뮬레이션을 통해 예측한 작업 시간과 비교하였다. 각 기기의 가상 시뮬레이션을 통해서 얻어진 시간은 실측 시갼과 최대 2.6 %이하의 오차로 측정되었다.

후속연구

그러나 하나의 철판을 절단하는데 걸리는 전체시간을 정확하게 산출하기 위해서는 절단 전 준비작업, 절단 후 사상 작업 등에 걸리는 시간에 대한 산정도 필요하다. 그렇게 되면 일정 별, 부재 별, 계열 별, 블록 별 총 가공 시간을 산출하여 현장의 일정 및 계획에 재반영할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 제시된 디지털 모델 구축 방법론을 사용하여 소조립, 판넬 조립, 조립, 탑재 등 각 공장을 통합한 디지털 생산 모델의 구축에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
그렇게 되면 일정 별, 부재 별, 계열 별, 블록 별 총 가공 시간을 산출하여 현장의 일정 및 계획에 재반영할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 제시된 디지털 모델 구축 방법론을 사용하여 소조립, 판넬 조립, 조립, 탑재 등 각 공장을 통합한 디지털 생산 모델의 구축에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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