[논문]분산공정계획을 위한 특징형상 기반 추출 공정 및 가공자원 조합

오익수

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.2.141

분산공정계획을 위한 특징형상 기반 추출 공정 및 가공자원 조합
Combination of Feature-Based Extraction Process and Manufacturing Resource for Distributed Process Planning 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.2, 2013년, pp.141 - 151

오익수 (강릉원주대학교 기계자동차공학부)

초록
AI-Helper

공정계획은 공작물을 원자재 형태의 초기단계로부터 원하는 형상의 마무리 단계까지 경제적이고 완전하게 가공할 수 있는 상세한 방법을 체계적으로 결정하는 것으로 정의되며, 형상으로부터 가공 공정을 추출하여 각 공정을 수행할 수 있는 공작기계 및 공구를 결정하는 과정이 공정계획의 출발점이 된다. 분산공정계획은 형상으로부터 추출된 각 공정에 적합한 가공작업, 공구 등과 같은 다양한 가공자원들을 서로 조합하여, 공작기계의 부하를 고려한 생산계획을 용이하게 수립할 수 있도록 한다. 본 연구에서는 분산공정계획 시스템을 위하여 가공자원 데이터베이스를 구축하고, 가공특징형상을 기반으로 한 작업공정 추출과 각 공정에 유용한 가공자원들을 조합하여 최적의 가공자원을 추출하기 위한 알고리즘을 제안하고 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Process planning can be defined as determining detailed methods by which parts can be manufactured from the initial to the finished stage. Process planning starts with determining the manufacturing process based on the geometric shape of the part and the machines and tools required for performing this process. Distributed process planning enables production planning to be performed easily by combining the extracted process and various manufacturing resources such as operations and tools. This study proposes an algorithm to determine the process for a feature-based model and to combine manufacturing resources for the process and implements a distributed process planning system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 Lihui Wang 등⁽⁴⁾이 제안한 분산공정 계획 구조에서 특징형상과 가공자원 데이터베이스를 이용한 가공자원 조합 기법을 개발하기 위하여 수행되었다. 초기 공정계획 영역에서 특징 형상을 이용하여 특정 공작기계에 한정되지 않는 일반 공정을 추출한 후, 추출한 공정 데이터를 이용하여 특정 기계에 적용시킬 수 있는 공구와 작업순서를 결정한다.
본 연구는 유연생산 시스템에서 평면으로 이루어진 공작물의 기계가공을 위한 컴퓨터지원공정 계획 시스템을 개발하고자 수행되었으며, 연구를 통하여 이룬 성과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

가설 설정

이는 생산현장의 가공자원 상태에 따른 일정계획을 공정계획에 통합시켜 공정계획의 유연성을 크게 증가시킬 수 있다. 그러나 성형에 필요한 공정추출과 공구선택 과정 없이 최적의 공작기계와 공구가 선택되었다고 가정한 후, 각 공작기계와 공구에 비용을 부여하고 비용을 인자로 한 최적화 과정을 수행하였다.
공정추출 기법 및 알고리즘의 유효성을 확인할 수 있는 최소한의 범위로 설계형상을 한정하여 시스템을 설계하고 구현하였다. 부품을 구성하는 모든 특징형상은 단면형상으로 이루어지며, 머시닝센터, CNC 밀링머신, 드릴링 머신으로 가공할 수 있다고 가정한다. 또한 공정계획의 수준은 특징형상에 따른 공정을 추출하고, 각 공정에 대한 공구선택 및 작업순서를 결정하는 수준으로 적용범위를 정하여 수행한다.
최적 공구선택은 가공물의 재질, 절삭종류, 절삭깊이, 이송속도, 공작기계의 출력, 가공비용 등을 종합적으로 고려하여야 하지만, 최적 공구선택 기법은 본 연구의 범위를 벗어나므로 공구와 특징형상의 기하학적 관계만을 고려한 일반적 기준에 따라 선택한 공구를 최적 공구로 가정한다.

제안 방법

(1) 최대 가공깊이가 특징형상 깊이보다 큰 flute 길이를 갖는 앤드밀을 후보군으로 선정하고, 요수 패스 횟수를 1로 설정한다.
(2) 설계과정에서 특징형상의 경계면에 가공면의 가공조건 정보를 부여할 수 있는 설계특징형상의 표현구조를 적용하여 그 유효성을 확인하였다. 이러한 표현구조를 확장하면 향후의 다양한 가공관련 정보를 포함시킬 수 있을 것으로 기대된다.
Pocket, slot, step, T-Slot, arch, hole 등의 설계특징형상을 특징형상 데이터베이스에 정의하고, 정의된 특징형상을 이용하여 부품의 형상을 모델링한다. 부품은 설계특징형상 요소들로 구성되며, 설계특징형상 ID, 특징형상 사이의 종속관계, 특징형상의 기하학적 정보 등을 갖는다.
각 가공자원의 고정 정보는 그 용량이 심각한 수준에 이를 만큼 방대하지 않으므로 쉽게 접할 수 있는 DBMS인 MS Access를 이용하여 관계형 데이터베이스로 구축하였으며, 다수의 사용자가 정보를 공유하도록 네트워크를 이용하여 다수의 사용자가 접속할 수 있는 ODBC 인터페이스를 이용하였다. Table 1은 본 연구에서 고정정보와 유동정보로 구성하여 구축한 가공자원 데이터베이스의 레코드를 나타낸다.
각 특징형상에 대하여 가능한 공구 접근방향을 모두 추출한 후, 격자 대수학을 이용하여 같은 방향에서 가공될 수 있는 특징형상들의 개별적인 방향을 한 개의 방향으로 통합하여 표현한다.
공구는 항상 특징형상 개구부 내에서 운동하므로 가공하고자 하는 특징형상의 개구부 윤곽을 공구길이 만큼 스윕(sweep)시킨 공간을 만들어 가공물과의 충돌 여부를 검사한다. 또한 척과 hole의 직경, 공구직경을 인수로 하는 Φ(C+H-T)의 직경을 갖는 원을 공구접근 반대방향으로 최종 면까지 스윕한 공간을 척에 의한 충돌공간으로 정의하고, 척과 가공물과의 충돌검사를 수행한다.
공정추출 기법 및 알고리즘의 유효성을 확인할 수 있는 최소한의 범위로 설계형상을 한정하여 시스템을 설계하고 구현하였다. 부품을 구성하는 모든 특징형상은 단면형상으로 이루어지며, 머시닝센터, CNC 밀링머신, 드릴링 머신으로 가공할 수 있다고 가정한다.
제품에 대한 추론을 용이하게 할 수 있는 지식과 특성을 엔지니어에게 연상시키는 특징형상은 기하학적 정보뿐만 아니라 설계형상이나 가공물의 특징을 내포하고 있어 가공 규칙을 적용하고 가공성 등을 추론하는 데 용이하므로 CIM 시스템에서의 정보전달 매체로 적합하다. 따라서 설계특징형상으로 부품을 모델링한 후, 공정계획에서 특징형상 정보를 이용하는 특징형상기반 설계개념으로 공정계획 시스템을 구현한다.
부품을 구성하는 모든 특징형상은 단면형상으로 이루어지며, 머시닝센터, CNC 밀링머신, 드릴링 머신으로 가공할 수 있다고 가정한다. 또한 공정계획의 수준은 특징형상에 따른 공정을 추출하고, 각 공정에 대한 공구선택 및 작업순서를 결정하는 수준으로 적용범위를 정하여 수행한다.
초기 공정계획 영역에서 특징 형상을 이용하여 특정 공작기계에 한정되지 않는 일반 공정을 추출한 후, 추출한 공정 데이터를 이용하여 특정 기계에 적용시킬 수 있는 공구와 작업순서를 결정한다. 또한 부품의 특징형상 정보를 얻기 위하여 설계특징형상 기반 형상모델러와 생산현장의 가공자원 상태를 반영할 수 있는 가공자원 데이터베이스를 구축하여 이용한다.
새로운 특징형상이 추가될 때마다 Boolean operation을 통하여 부품의 기하학적 형상모델이 경계표현법(B-rep)으로 갱신된다. 또한 실행취소나 연산부하를 줄이기 위하여 각 특징형상의 B-rep 형상모델을 복사하여 PFO 연결자로 연결하여 이용한다.
또한 척과 hole의 직경, 공구직경을 인수로 하는 Φ(C+H-T)의 직경을 갖는 원을 공구접근 반대방향으로 최종 면까지 스윕한 공간을 척에 의한 충돌공간으로 정의하고, 척과 가공물과의 충돌검사를 수행한다.
본 논문은 먼저 설계특징형상으로부터 가공특징형상으로의 매핑과 특징형상을 이용한 공정추출에 대하여 기술한 후, 공작기계와 공구의 조합에 의한 작업순서 결정에 대하여 기술한다.
본 연구에서는 drill-hole의 바닥면 형상을 공정선택 기준으로 하여 바닥면이 평면으로 막힌 hole은 밀링공정이 추출되도록 하였으며, 이는 생산현장에서 일반적으로 사용하고 있는 기준이다.
공구의 직경은 가공의 안정성과 시간을 단축시키기 위하여 가능한 한 큰 직경의 공구를 사용한다. 본 연구에서는 생산현장의 일반적 기준에 따라 앤드밀링 공구의 길이와 직경 결정 기준을 다음과 같이 마련하여 적용하였다.
부품 모델 데이터에 포함된 설계특징형상 정보를 분석하고 그에 대응하는 가공특징형상으로 매핑하는 특징형상 파서(parser)를 비롯하여 특정 공작기계에 한정되지 않은 공정추출이 수행되는 초기 공정계획과 특정 공작기계에 관련된 계획을 생성하는 상세 공정계획으로 나누어 수행한다.
하나의 공정에 적용할 수 있는 공작기계와 공구의 조합은 매우 다양하므로 가공자원의 일부 특성들은 다른 가공자원과의 관계에 의하여 수시로 추가되어야 한다. 이러한 특성을 만족시키기 위하여 각 가공자원의 특성을 자원의 고유한 특성에 해당하는 고정정보와 다른 가공자원과의 관계나 생산계획에 의한 사용일정, 고장 등과 같은 유동정보로 분류하여 처리한다.
분산공정계획은 생산일정에 따르는 가공자원의 가용성에 대한 정보를 기초로 하여 공정계획을 수립한다. 이를 위하여 한 부품을 기계가공하기 위하여 요구되는 모든 자원을 결정한 후, 보유하고 있는 가공자원 중 가용자원을 가공자원 데이터베이스에서 찾아 공정모델을 만든다.
이 제안한 분산공정 계획 구조에서 특징형상과 가공자원 데이터베이스를 이용한 가공자원 조합 기법을 개발하기 위하여 수행되었다. 초기 공정계획 영역에서 특징 형상을 이용하여 특정 공작기계에 한정되지 않는 일반 공정을 추출한 후, 추출한 공정 데이터를 이용하여 특정 기계에 적용시킬 수 있는 공구와 작업순서를 결정한다. 또한 부품의 특징형상 정보를 얻기 위하여 설계특징형상 기반 형상모델러와 생산현장의 가공자원 상태를 반영할 수 있는 가공자원 데이터베이스를 구축하여 이용한다.

대상 데이터

생산현장에서 활용할 수 있는 가공자원 데이터베이스의 데이터는 다양하고 방대하지만 본 연구에서는 밀링공정과 드릴링공정에 이용할 수 있는 공작기계와 각 공작기계에서 사용하는 공구 데이터에 한정하였다. 본 연구의 분산공정계획 구조에서의 작업 흐름과 가공자원 데이터베이스의 역할을 Fig.

이론/모형

절삭가공에 의해 생성할 수 있는 특징형상으로 범위를 한정하였으므로 특징형상의 개구부가 되는 평면은 기초 특징형상이나 먼저 생성된 특징 형상의 평면을 참조하여 배치된다. 또한 특징형상의 위치는 치수에 의해 기하요소를 자동으로 변환하는 DDG(dimension driven geometry)메커니즘을 사용하여 다른 특징형상에 속한 기하요소와의 기하학적 관계로 정의한다. 특징형상 배치에 참조된 기존 특징형상과 새로운 특징형상의 부모자식 종속관계는 FDG(feature dependence graph)로 표현되며, 원자재에 해당하는 기초특징형상(raw feature) 노드를 루트로 한다.
특징형상 데이터베이스, 가공자원 데이터베이스를 객체지향기법을 이용하여 구축한다. 특징형상 데이터베이스는 CAD 모델러와 공정계획 시스템에서 접근하여 정보를 참조할 수 있으며, 가공자원 데이터베이스는 공정계획시스템에서 참조와 수정을 모두 수행할 수 있다.

성능/효과

(1) 설계특징형상으로부터 가공특징형상으로의 매핑 메커니즘을 설계하고 구현함으로써 향후의 복잡한 가공조건과 형상을 갖는 특징형상 정의 기법과 데이터베이스 구축의 토대를 마련하였다.
(3) 1회 절삭깊이: 1회 절삭깊이는 요구 패스 횟수에 의해 결정하며, 공구직경의 0.5배를 초과하지 않는다.
(3) MFDG에 근거한 작업순서 결정을 위하여본 연구에서 제안한 특징형상 행렬 알고리즘의 효율성을 확인할 수 있었다. 또한 공구 행렬과 함께 사용하면 공구교환을 최소화하는 알고리즘으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.
(3) 공구의 직경은 앞서의 과정에서 산출한 절삭깊이의 2배로 결정하며, 해당 공구는 특징형상 가공면에 포함되어야 한다. 이를 만족하지 못하면 요구패스를 1회 증가시킨 후 (2)의 과정으로 돌아간다.
이상과 같은 특징형상 행렬 알고리즘을 이용하면 Table 5와 같이 FT01, FT03, FT04, FT02의 특징형상 작업이 순차적으로 결정되며, 이는 Fig. 10의 MFDG 종속관계를 만족시키는 작업순서임을 확인할 수 있다.
특징형상의 종속관계에 근거한 작업순서는 본 연구에서 제안한 특징형상 행렬 알고리즘을 이용하여 쉽게 결정할 수 있다. Fig.

후속연구

공작기계의 데이터 중 주축 회전수, 급속 이송 속도, 모터 등과 같은 특성들은 향후 연구과제인 가공조건의 산출시 공작기계 선택의 주요 정보로 이용될 수 있을 것이다. 또한 주축 테이퍼는 공구와 관련된 부속품의 선택에 필요한 정보로 이용된다.
4) 특징형상의 범위를 한정함에 따라 실제 현장에서의 응용성과 고급기능 구현에 한계를 가지고 있다. 따라서 다양한 특징형상 정보를 생성할 수 있도록 모델러의 개선이 필요하며, 재질, 비용 등 다양한 인자와 가공지식 데이터베이스를 기반으로 한 공구자원 선택 알고리즘 개발이 추가적으로 이루어져야 할 것이다.
(3) MFDG에 근거한 작업순서 결정을 위하여본 연구에서 제안한 특징형상 행렬 알고리즘의 효율성을 확인할 수 있었다. 또한 공구 행렬과 함께 사용하면 공구교환을 최소화하는 알고리즘으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.
(2) 설계과정에서 특징형상의 경계면에 가공면의 가공조건 정보를 부여할 수 있는 설계특징형상의 표현구조를 적용하여 그 유효성을 확인하였다. 이러한 표현구조를 확장하면 향후의 다양한 가공관련 정보를 포함시킬 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컴퓨터지원공정계획이란 무엇인가?	컴퓨터지원공정계획(CAPP)은 원자재를 설계된 형상으로 성형하기 위하여 설계정보 분석, 공정 선택, 공구선택, 작업순서 결정, 가공조건 결정 등의 의사결정 과정을 컴퓨터를 이용하여 자동화한 공정계획으로 정의할 수 있다. CAPP는 독립 적인 자동화 공정계획 시스템으로 개발되기 시작하였으나, 동시공학(CE)을 추구하는 현대산업의 변화에 따라 컴퓨터지원설계(CAD)와 컴퓨터지원 생산(CAM)을 연결하여 컴퓨터통합생산(CIM) 시스템을 구축하는데 중심적인 역할을 하므로 CAD 와 CAPP, CAM과 CAPP의 통합에 중점을 둔 CAPP 시스템 개발에 대한 많은 연구가 수행되고 있다.
	공정계획이란 무엇인가?	공정계획은 공작물을 원자재 형태의 초기단계로부터 원하는 형상의 마무리 단계까지 경제적이고 완전하게 가공할 수 있는 상세한 방법을 체계적으로 결정하는 것으로 정의되며, 형상으로부터 가공 공정을 추출하여 각 공정을 수행할 수 있는 공작기계 및 공구를 결정하는 과정이 공정계획의 출발점이 된다. 분산공정계획은 형상으로부터 추출된 각 공정에 적합한 가공작업, 공구 등과 같은 다양한 가공자원들을 서로 조합하여, 공작기계의 부하를 고려한 생산계획을 용이하게 수립할 수 있도록 한다.
	에이전트 기반 동적 분산공정계획의 문제점은 무엇인가?	Lihui Wang 등(4)은 공정 및 순서를 추출하는 관리 공정계획 영역과 공구경로 및 절삭조건과 같이 특정 가공자원에 한정된 작업계획 영역으로 나누어 특정 공작기계에 한정된 작업계획은 공작기계 컨트롤러나 전용 PC에서 수립하는 에이전트 기반 동적 분산공정계획을 제안하였다. 그러나 공작기계의 일정이나 부하 정보를 고려하지 않음으로써 특정 공작기계에 작업부하가 집중될 경우 대처할 수 있는 유연성이 떨어지며, 설계단계부터 가공특징형상을 이용하는 가공특징형상 기반 설계 시스템을 이용한다는 문제점이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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