[논문]갭과 단차의 기능 및 심미적 품질을 고려한 냉장고 도어 시스템의 공차해석 및 설계

김진수; 김재성; 임현준

doi:10.7736/kspe.2014.31.1.59

[국내논문] 갭과 단차의 기능 및 심미적 품질을 고려한 냉장고 도어 시스템의 공차해석 및 설계
Tolerance Analysis and Design of Refrigerator Door System for Functional and Aesthetic Quality of Gap and Flush 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.1, 2014년, pp.59 - 66

김진수 (홍익대학교 기계.시스템디자인공학과) , 김재성 (홍익대학교 기계.시스템디자인공학과) , 임현준 (홍익대학교 기계.시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The central seam, the vertical 'line' between doors, in the front view of a refrigerator must have its gap and flush within certain ranges to meet functional and aesthetic requirements. The conventional criteria for gap and flush control in the industry are to keep the gap and flush within certain ranges at each of various points along the seam. For aesthetics, however, the uniformity of the gap is also as important because a 'tapered' seam is negatively perceived by human eyes. This paper shows a case study of tolerance design for a refrigerator door system. It presents a step-by-step procedure, which consists of datum flow chain analysis, identification of assembly features, computer modeling of feature tolerances, assembly operations and measurements, tolerance simulation, and tolerance adjustments based on the simulation results. It is found that extra care may need to be used to satisfy the aesthetical criterion for gap uniformity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 냉동칸, 냉장칸, 홈바를 갖춘 냉장고의 전면 중앙에 상하로 놓인 시임의 갭(gap)과 단차(flush)의 기능과 심미성을 위한 공차설계 방법을 제시하였다. 공차설계를 위해서는 반복적인 공차해석이 필요하므로, 우선 공차해석을 위해 주요 부품들의 상호 구속관계를 DFC(Datum Flow Chain)기법을 통해 분석하였다.
본 논문에서는 조립품 시임의 갭과 단차가 그 기능 및 심미성 요건을 만족하도록 공차설계를 수행하는 방법을 제시하기 위해, 전형적인 냉장고 모델을 대상으로 한 공차해석과 공차설계 과정을 수행한다. 2장에서는 우선 연구 대상이 되는 냉장고 모델과 부품들을 설명하고, 이 부품들 사이의 조립관계 및 조립순서를 설명한 후 Datum Flow Chain(DFC)⁸을 도출한다.

가설 설정

갭의 공칭값은 8.0 mm, 단차의 공칭값은 0이고, 시임의 모든 점에서 갭과 단차의 허용 값은 둘 다 공칭값 ±1.0 mm로 가정하였다.
본 논문에서 사용한 θ의 공칭값은 180° 이고 ±0.05°까지 허용하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

많은 국내 제조업체들은 아직 좌표공차를 주로 사용하고 있으나, 본 연구에서는 보다 합리적인 공차인 기하공차를 사용하였으며 Pos는 위치도(position), Per은 직각도(perpendicularity), Ang는 경사도(angularity)를 의미한다. 공차 값은 적절하다고 생각되는 임의의 값으로 정하였으며, 확률분포의 유형은 정규분포로 하였다. Table 3에서 데이텀(datum) A, B, C는 각각 1차, 2차, 3차 데이텀을 나타내며, 이들은 각 부품에서 직교하는 평면으로 정의된다.
공차해석의 결과로는, 시임을 따라 11개 점 쌍에서의 갭과 단차 및 그들의 최대값과 최소값, 그리고 시임을 이루는 2개 도어의 옆면의 방향 차이를 각도로 측정하였다. 이와 같이 두 평면 사이의 각도 차이를 측정하는 것은, 갭이 시임 전체에 걸쳐 허용 범위 내에 있더라도 점점 커지거나 작아지면 심미성이 떨어진다는 기존의 연구 결과에 따른 것으로서 갭 불균일성의 척도이다.
구체적으로는, (1) Hinge_LL과 Hinge_RL의 구멍 치수를 8.2±0.1 mm에서 8.1+0.1/-0.0 mm로, 위치공차를 0.2 mm에서 0.1 mm로, 직각도 공차를 0.1 mm에서 0.05 mm로 조정하였고, (2) Hinge_LU와 Hinge_RU도 구멍 치수를 8.7±0.1 mm에서 8.6+0.1/-0.0 mm로, 위치공차를 0.2 mm에서 0.1 mm로, 직각도 공차를 0.1 mm에서 0.05 mm로 조정하였다.
냉동칸 도어와 홈바 도어가 이루는 갭의 불균일성, 즉 θα 범위의 최대값이 허용 범위를 약간 넘고 있으므로, 이를 줄이기 위한 최종 공차 조정을 시도한다.
다음으로는, DFC 분석 결과를 바탕으로 상용 공차해석 프로그램(지멘스 VA®)에 각 부품의 조립특징형상(assembly features) 및 공차 값을 입력하여 공차해석을 수행하였다.
Table 2에서 특기할 것 중 하나는, 프레임의 좌측 도어용 락(lock)이 냉동칸 도어의 후크(hook)를 구속하는 관계를 나타내기 위해 락과 후크를 각각 하나의 점(point)으로 모델링 하였다는 점이다. 또, 아래 쪽 힌지(Hinge_LL)의 스토퍼(stopper)가 냉동칸 도어의 아래 면과 닿아 수직 방향의 위치를 잡아 주는 것도 역시 각각 하나의 점으로 모델링 하였다.
5와 같이 나타났다. 본 논문에서는 편의상, 11개 측정점에서의 갭과 단차를 모두 고려하는 대신, 몬테카를로 시뮬레이션 매 회에서의 갭의 최대값 및 최소값(max gap, min gap), 단차의 최대값 및 최소값(max flush, min flush)을 고려한다. 모든 입력 공차가 정규분포이므로, Fig.
본 연구에서는 단차의 최대 및 최소값과 θα의 분산을 줄이기 위해 1차 공차 조정을 시도하였다.
이와 같이 두 평면 사이의 각도 차이를 측정하는 것은, 갭이 시임 전체에 걸쳐 허용 범위 내에 있더라도 점점 커지거나 작아지면 심미성이 떨어진다는 기존의 연구 결과에 따른 것으로서 갭 불균일성의 척도이다. 본 연구에서는 이들 세 가지 측정치, 즉 갭의 크기, 단차의 크기, 시임 평면간 각도 차이가 허용 범위 내에 들어오는 지를 살피고, 만족스럽지 않은 경우에는 공차를 일부 조정한 후 공차해석을 다시 수행하는 반복적인 공차설계 과정을 보였다. 본 논문에서 살펴 본 냉장고 모델의 경우, 냉장고 도어 사이의 단차에 있어서는 락(lock) 및 후크(hook)의 공차가 중요하고, 갭 크기와 그 균일성에 있어서는 다양한 핀-구멍 조립부의 플로트(float)가 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
본 연구의 대상인 냉장고의 상부에서는 냉동칸 도어와 홈바 도어가 갭을 이루므로 해당되는 두 면의 방향 차이 θα로, 하부에서는 냉동칸 도어와 냉장칸 도어가 갭을 이루므로 해당되는 두 면의 방향 차이 θb를 측정치에 포함시켜 갭의 불균일성을 측정하였다.
공차해석 전에 마지막으로 하여야 하는 작업은 측정 값을 정의하는 것인데, 본 논문에서는 전면 중앙의 수직 시임이 갖는 갭과 단차가 관심의 대상이므로 이를 평가할 수 있도록 측정 값을 정의한다. 즉, 좌측 냉동칸 도어의 모서리를 따라 11개 점을 등간격으로 정하고, 이에 상응하는 우측 홈바 도어 또는 냉장칸 도어의 모서리 점 11개를 정한 후, 상응하는 점 쌍의 거리를 갭의 방향 및 단차의 방향으로 측정하도록 정의한다. 갭의 공칭값은 8.

이론/모형

본 논문에서는 냉동칸, 냉장칸, 홈바를 갖춘 냉장고의 전면 중앙에 상하로 놓인 시임의 갭(gap)과 단차(flush)의 기능과 심미성을 위한 공차설계 방법을 제시하였다. 공차설계를 위해서는 반복적인 공차해석이 필요하므로, 우선 공차해석을 위해 주요 부품들의 상호 구속관계를 DFC(Datum Flow Chain)기법을 통해 분석하였다. 다음으로는, DFC 분석 결과를 바탕으로 상용 공차해석 프로그램(지멘스 VA^®)에 각 부품의 조립특징형상(assembly features) 및 공차 값을 입력하여 공차해석을 수행하였다.

성능/효과

3의 DFC는 프레임에서 시작하여 왼쪽으로 냉동칸 도어의 조립을, 오른쪽으로 냉장칸 도어 및 홈바 도어의 조립을 보여 주고 있다. DFC에서 볼 수 있듯이 본 논문의 냉장고 모델은 동일한 조립관계가 3차례 반복된 것으로 볼 수 있다. 즉 프레임(Frame)에 냉동칸 도어(Door_L)가 조립되는 공정과 동일한 공정을 통해 프레임(Frame)에 냉장칸 도어(Door_R)가 조립되고, 또 한 번의 동일한 공정을 통해 냉장칸 도어(Door_R)에 홈바 도어(Door_HB)가 조립되는 것을 알 수 있다.
따라서, 1차 공차 조정에서는 우선 Table 5에 열거된 6개 락의 위치도를 모두 1.0 mm에서 0.6 mm로 줄였다. 또, Table 6을 참조하여, 홈바 도어의 위 아래 구멍의 공칭 크기를 0.
본 논문에서 살펴 본 냉장고 모델의 경우, 냉장고 도어 사이의 단차에 있어서는 락(lock) 및 후크(hook)의 공차가 중요하고, 갭 크기와 그 균일성에 있어서는 다양한 핀-구멍 조립부의 플로트(float)가 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또 갭의 균일성을 보장하여 심미성을 높이기 위해서는 갭 크기만 관리하던 기존의 경우보다 더 정밀한 공차 관리가 필요함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 이들 세 가지 측정치, 즉 갭의 크기, 단차의 크기, 시임 평면간 각도 차이가 허용 범위 내에 들어오는 지를 살피고, 만족스럽지 않은 경우에는 공차를 일부 조정한 후 공차해석을 다시 수행하는 반복적인 공차설계 과정을 보였다. 본 논문에서 살펴 본 냉장고 모델의 경우, 냉장고 도어 사이의 단차에 있어서는 락(lock) 및 후크(hook)의 공차가 중요하고, 갭 크기와 그 균일성에 있어서는 다양한 핀-구멍 조립부의 플로트(float)가 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또 갭의 균일성을 보장하여 심미성을 높이기 위해서는 갭 크기만 관리하던 기존의 경우보다 더 정밀한 공차 관리가 필요함을 알 수 있었다.
의 분산을 줄이기 위해 1차 공차 조정을 시도하였다. 우선 단차의 최대값에 대한 HLM 결과(Table 5)를 보면, 각 도어가 닫힐 때 고정되는 후크와 락의 위치를 결정하는 특징형상 6개가 기여도 상위를 모두 차지하고 있는 것을 알 수 있다. 단차의 최소값에 대한 HLM 결과도 마찬가지이다.

후속연구

즉, 1차 공차 조정으로 충분하지 않았으므로 할 수 없이 추가적으로 공차를 감소시킨 것이며, 이는 당연히 비용 증가를 유발할 것이다. 그러나, 본 논문에서는 다루지 않았지만 상대적으로 덜 중요한 공차는 늘일 수 있으므로, 중요 공차의 감소로 인한 비용 증가를 어느 정도 보상할 수 있을 것으로 예측한다.
본 논문에서는 단순화된 냉장고 도어 시스템 모델을 대상으로 하여 냉장고 전면의 시임이 갖는갭과 단차를 다루었지만, 동일한 방법이 유사한 문제에도 적용될 수 있다. 따라서 본 논문에서 설명한 방법론을 다양한 분야의 다양한 제품에 적용한다면, 제품의 기능과 심미 품질을 향상시켜 국내 제조업의 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대한다.
본 논문에서는 단순화된 냉장고 도어 시스템 모델을 대상으로 하여 냉장고 전면의 시임이 갖는갭과 단차를 다루었지만, 동일한 방법이 유사한 문제에도 적용될 수 있다. 따라서 본 논문에서 설명한 방법론을 다양한 분야의 다양한 제품에 적용한다면, 제품의 기능과 심미 품질을 향상시켜 국내 제조업의 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공차설계란 무엇인가	위의 설명에서 조립품의 품질이 만족되도록 부품의 공차를 부여하는 작업을 공차설계(tolerance design)라 하고, 반대로 부품들의 공차가 주어졌을 때 조립품의 공차를 예측하는 것을 공차해석(tolerance analysis) 또는 공차시뮬레이션(tolerance simulation)이라 한다. 제품에서 요구되는 품질로부터 부품의 공차를 바로 설계할 수 있다면 좋겠지만, 그러한 기법이 없으므로 실제로는 공차해석을 반복함으로써 공차설계를 개선해 나가게 된다.
	부품들의 공차가 주어졌을 때 조립품의 공차를 예측하는 것을 무엇이라 하는가	위의 설명에서 조립품의 품질이 만족되도록 부품의 공차를 부여하는 작업을 공차설계(tolerance design)라 하고, 반대로 부품들의 공차가 주어졌을 때 조립품의 공차를 예측하는 것을 공차해석(tolerance analysis) 또는 공차시뮬레이션(tolerance simulation)이라 한다. 제품에서 요구되는 품질로부터 부품의 공차를 바로 설계할 수 있다면 좋겠지만, 그러한 기법이 없으므로 실제로는 공차해석을 반복함으로써 공차설계를 개선해 나가게 된다.
	심미성 확보를 위해 갭을 관리해야 하는 이유는 무엇인가?	제품에 대해 요구되는 품질이 높아짐에 따라 다양한 종류의 형상 인자들이 중요해지고 있지만, 그 중에서 부품 간 상대 운동이 있는 곳에 반드시 존재하는 시임(seam)에서 측정되는 부품 간 갭(gap) 및 단차(flush)는 기능과 심미성의 관점에서 모두 중요하다. 이 중에서 특히 갭은 시임을 정면에서 보았을 때 눈에 띄는 심미 품질의 척도이며, 모바일 기기, 자동차, 냉장고, 가구, 주방제품, 사무용 가구 등 다양한 조립품에서 중요하게 인식되고 있다. 이와 같이 많은 제품에서 심미성 확보를 위해 갭과 단차를 관리할 필요가 있지만, 시임 전체에 걸쳐 갭이 허용 범위 내에 있으면 된다는 조건만으로는 심미성이 보장 되지 않는다.

참고문헌 (9)

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Soderberg, R. and Lindkvist, L., "Automated Seam Variation and Stability Analysis for Automotive Body Design," Geometric Product Specification and Verification: Integration of Functionality, pp. 255-264, 2003.
Wickman, C. and Soderberg, R., "Comparison of Non-Nominal Geometry Models Represented in Physical versus Virtual Environments," Journal of Computing and Information Science in Engineering, Vol. 4, No. 3, pp. 171-177, 2004.

상세보기
Wickman, C. and Soderberg, R., "Perception of Gap and Flush in Virtual Environments," Journal of Engineering Design, Vol. 18, No. 2, pp. 175-193, 2007.

상세보기
Soderberg, R. and Lindkvist, L., "Stability and Seam Variation Analysis for Automotive Body Design," Journal of Engineering Design, Vol. 13, No. 2, pp. 173-187, 2002.

상세보기
Stoll, T., Stockinger, A., and Wartzack, S., "Geometric Manipulation Method for Evaluation of Aesthetic Quality in Early Design Phases," Proc. of 18th International Conference on Engineering Design, Vol. 9, 2011,
Whitney, D. E., "Mechanical Assemblies: Their Design, Manufacture, and Role in Product Development," Oxford University Press, pp. 211-252, 2004.
SIEMENS, "Variation Analysis (VSA)," https://www.plm.automation.siemens.com/en_us/products/tecnomatix/quality_mgmt/variation_analyst/index.shtml#lightview-close.html (Accessed 18 Dec. 2013)

저자의 다른 논문 :

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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