본 논문은 자동차 프레스 절단 금형의 설계 자동화를 위한 설계 지원 툴 개발에 관한 연구을 다룬다. 현업에서 진행하는 자동차 패널 절단 공정 금형설계 프로세스를 분석하고 패턴을 가지는 반복 작업들을 그룹화 하여 자동화 모듈을 개발하였다. 제안하는 시스템은 절단금형 스틸파트를 자동 생성하는 템플릿 모델과 자동 생성된 절단금형 스틸파트를 자동 배치하는 UI 기능의 두 가지 모듈로 구성 하였다. 템플릿 모델은 트림스틸 설계에 활용되는 유형들을 고려하여 4가지 종류로 개발하였으며, 자동생성시 오류발생을 제로화 하기 위해 벡터 내적과 외적을 활용하여 설계기준이 되는 점, 선, 곡선, 면, 곡면의 방향을 체크 하고 바로잡는 방향성 제어 관계식 룰을 구현 하였다. 개발한 시스템을 대표 상용 CAD시스템 중 하나인 CATIA V5의 확장 메뉴형태로 탑재하기 위하여 CATIA Knowledgeware, CATIA SDK, Visual C++를 사용하여 개발하였다. 제안하는 시스템을 다양한 자동차 외관 패널에 적용한 결과 전통적인 방법에 비해 약 74%의 시간감축 효과를 얻을 수 있었다.
본 논문은 자동차 프레스 절단 금형의 설계 자동화를 위한 설계 지원 툴 개발에 관한 연구을 다룬다. 현업에서 진행하는 자동차 패널 절단 공정 금형설계 프로세스를 분석하고 패턴을 가지는 반복 작업들을 그룹화 하여 자동화 모듈을 개발하였다. 제안하는 시스템은 절단금형 스틸파트를 자동 생성하는 템플릿 모델과 자동 생성된 절단금형 스틸파트를 자동 배치하는 UI 기능의 두 가지 모듈로 구성 하였다. 템플릿 모델은 트림스틸 설계에 활용되는 유형들을 고려하여 4가지 종류로 개발하였으며, 자동생성시 오류발생을 제로화 하기 위해 벡터 내적과 외적을 활용하여 설계기준이 되는 점, 선, 곡선, 면, 곡면의 방향을 체크 하고 바로잡는 방향성 제어 관계식 룰을 구현 하였다. 개발한 시스템을 대표 상용 CAD시스템 중 하나인 CATIA V5의 확장 메뉴형태로 탑재하기 위하여 CATIA Knowledgeware, CATIA SDK, Visual C++를 사용하여 개발하였다. 제안하는 시스템을 다양한 자동차 외관 패널에 적용한 결과 전통적인 방법에 비해 약 74%의 시간감축 효과를 얻을 수 있었다.
This paper focuses on the development of a supporting S/W tool for the automated design of an automotive press trim die. To define the die design process based on automation, we analyze the press die design process of the current industry and group repetitive works in the 3D modeling process. The pr...
This paper focuses on the development of a supporting S/W tool for the automated design of an automotive press trim die. To define the die design process based on automation, we analyze the press die design process of the current industry and group repetitive works in the 3D modeling process. The proposed system consists of two modules, namely the template models of the trim steel parts and UI function for their auto-positioning. Four kinds of template models are developed to adapt to various situations and the rules of the interaction formula which are used for checking and correcting the directions of the datum point, datum curve, datum plane are implemented to eliminate errors. The system was developed using CATIA Knowledgeware, CAA(CATIA SDK) and Visual C++, in order for it to function as a plug-in module of CATIA V5, which is one of the major 3D CAD systems in the manufacturing industry. The developed system was tested by applying it to various panels of current automobiles and the results showed that it reduces the time-cost by 74% compared to the traditional method.
This paper focuses on the development of a supporting S/W tool for the automated design of an automotive press trim die. To define the die design process based on automation, we analyze the press die design process of the current industry and group repetitive works in the 3D modeling process. The proposed system consists of two modules, namely the template models of the trim steel parts and UI function for their auto-positioning. Four kinds of template models are developed to adapt to various situations and the rules of the interaction formula which are used for checking and correcting the directions of the datum point, datum curve, datum plane are implemented to eliminate errors. The system was developed using CATIA Knowledgeware, CAA(CATIA SDK) and Visual C++, in order for it to function as a plug-in module of CATIA V5, which is one of the major 3D CAD systems in the manufacturing industry. The developed system was tested by applying it to various panels of current automobiles and the results showed that it reduces the time-cost by 74% compared to the traditional method.
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문제 정의
오늘날 자동차 외관 프레스 금형공정은 원자재(철판)를 패널모양으로 성형하는 굽힘 공정, 필요 없는 철판부분을 잘라내는 절단 공정, 플랜지 접기 및 홀가공을 하는 상세가공 공정, 이전 공정에서 완성하지 못한 형상을 보완하는 마무리 공정의 4단계가 일반적이다. 본 연구에서는 자동차 프레스 금형설계 중 절단공정의 상형 금형에 초점을 맞추어 CATIA V5 CAD 시스템에 이식 가능한 설계자동화 모듈을 개발하고 자한다. 이를 위해, 절단공정 금형설계 프로세스를 분석하고 패턴을 가지는 반복 작업들을 그룹화 하여 자동화 모듈을 개발한다.
본 연구에서는 절단공정의 트림스틸 설계에 초점을 맞추어 현업에서 이루어지는 설계 프로세스를 분석하여 반복작업 또는 패턴이 있는 설계과정을 모듈화 하고 설계자의 개입을 최소화 할 수 있는 방안에 관해 사례연구를 수행하여 다음과 같은 개발결과물과 실험결과를 얻었다.
가설 설정
국내 대표 자동차 제조사인 H사와 K사는 글로벌 좌표계 원점이 금형의 중심으로 설계한다. 본 연구에서는 금형의 중심에 글로벌좌표계 원점이 있다는 가정 하에 템플릿 모델의 입력데이터인 die layout의 scrap cutter curve, trim curve, part base plan의 방향성 및 기준점을 다음과 같이 정의하였다. (Fig 1.
제안 방법
1) 절단공정 금형의 트림스틸 Part 금형을 자동생성 가능한 CATIA V5 R20 knowledger기반 템플릿 모델을 개발하였다.
2) CATIA CAA와 Visual C++를 기반으로 트림스틸 Part 배치하여 트림스틸 Product를 생성 가능한 자동배치 UI모듈을 개발하였다.
2와 같다. CATIA Knowledgeware기반 으로 트림스틸 Part를 자동 생성하는 템플릿 모델을 개발하고 CATIA SDK를 기반으로 트림스틸 Product를 생성하기 위한 트림스틸 Part 자동배치 모듈을 개발한다.
이러한 문제로 본 연구에서는 고비용의 추가 라이브 러리 없이 개발한 템플릿 모델을 사용자가 직관적으로 자동배치 하기위해 Visual C++와 CAA(CATIA SDK) 를 활용하여 자동배치 모듈 UI을 개발하였다. 개발한 4종의 템플릿 모델을 CATIA 시스템에서 인식하기 위하여 각 템플릿 모델의 형상을 분석하고 입력파라미터를 추출하여 결과형상을 생성하는 UDF(user define feature)과이를 연동하는 UI를 개발하였다.
이러한 문제로 본 연구에서는 고비용의 추가 라이브 러리 없이 개발한 템플릿 모델을 사용자가 직관적으로 자동배치 하기위해 Visual C++와 CAA(CATIA SDK) 를 활용하여 자동배치 모듈 UI을 개발하였다. 개발한 4종의 템플릿 모델을 CATIA 시스템에서 인식하기 위하여 각 템플릿 모델의 형상을 분석하고 입력파라미터를 추출하여 결과형상을 생성하는 UDF(user define feature)과이를 연동하는 UI를 개발하였다.
전통적인 수작업 기반 3차원 금형 설계 프로세스의 비효율성을 줄이고 설계 오류를 없애고자 금형설계 자동화에 대한 연구가 지속적으로 수행되어 왔다 [4]. 이러한 연구들은 현장 경험자의 노하우를 반영하여 철판의 스탬핑(stamping) 과정에서의 재료 성형을 정확히 시뮬레이션 하기 위해 경험을 기초로 한 설계지원 시스템(rule based system), 지식을 기반으로 한 전문가 시스템(knowledge based expert system) 수학적 모델을 표현 하는 시스템 형태로 구축하였다. 하지만 국외에서 개발한 시스템들은 국내업체 설계방법 및 부품표준의 상이함에 직접적인 도입에 한계가 있다[5].
작업자가 layout 설계시 템플릿 모델의 입력데이터의 방향설정에 오류를 범할 수 있으므로 템플릿 모델 상에서 입력데이터의 방향을 자동 확인/수정하는 기능이 요구된다. 이를 위해 벡터의 내적(inner product)과 외적 (cross product)을 활용 하여 CATIA 매크로 언어기반으로 scrap cutter curve 방향제어, trim curve 방향 제어, part base plan 방향 제어, part base plan 기준점 제어의 4가지 관계식 rule을 구현하였다.
본 연구에서는 자동차 프레스 금형설계 중 절단공정의 상형 금형에 초점을 맞추어 CATIA V5 CAD 시스템에 이식 가능한 설계자동화 모듈을 개발하고 자한다. 이를 위해, 절단공정 금형설계 프로세스를 분석하고 패턴을 가지는 반복 작업들을 그룹화 하여 자동화 모듈을 개발한다.
제안하는 방법의 성능을 평가하기 위해 다양한 자동차 외관 패널의 트림스틸 product 생성에 적용해 보았다. Fig 8.
성능/효과
3) 설계된 트림스틸 product는 고객사의 검도 또는 구조해석결과에 따라 트림스틸 Part의 개수 및 크기 변경에 따른 재설계과정을 거쳐서 최종 확정된다.
3) 실험결과로써, 설계공수는 74% 이상 단축되었고 설계오류가 없는 동일한 품질의 설계 데이터를 획득할 수 있었다
제안하는 방법 (method #2)은 전통적인 방법에 비해 평균 약 74% 정도의 공수절감을 보인다. 실험에서 검도에 의한 layout재설계 과정은 제외 하였으므로 실제 적용시 공수절감은 더 클 것으로 판단된다.
Traditional method는 국내 대표 자동차 제조업체 H사의 금형설계 1차 협력사인 기혼엔지니어링(주)에서 설계경력 4년 정도의 직원이 해당 모델을 설계시 소요하는 공수에 대해 설문 응답한 값이다. 제안하는 방법 (method #2)은 전통적인 방법에 비해 평균 약 74% 정도의 공수절감을 보인다. 실험에서 검도에 의한 layout재설계 과정은 제외 하였으므로 실제 적용시 공수절감은 더 클 것으로 판단된다.
후속연구
향후 연구로 굽힘공정, 플랜지 접기 및 홀가공을 하는 상세가공공정에 대한 설계자동화를 추진할 예정이다. 국내 금형산업이 경쟁력을 제고하기 위해서는 제조기술 뿐만 아니라 최근 선진국형 금형기술로 일컫는 S/W기술 (공정기술, 설계자동화, CAE 연계기술)의 연구 활성화가 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3차원 설계기술은 어떻게 제품개발비용을 최소화 하는가?
3차원 설계기술은 실물과 같은 3차원 모델을 통해 제작이전 초기 개발단계에서 문제점을 빠르게 파악하여 개선함으로써 제품개발비용을 최소화 한다. 자동차 제조 산업의 대표적인 핵심기술 중 하나인 프레스 금형기술은 이러한 3차원 설계로의 전환을 이끈 대표적인 분야이다.
설계불량 방지를 위해서는 무엇이 필요한가?
이러한 작업자의 직관적인 판단과 단순 반복 작업은 확률적으로 설계불량을 야기한다. 통상 설계불량은 제작 불량에 비해 고비용을 동반하므로 설계데이터의 오류를 점검하고 수정하는 표준화된 방법론을 개발하고 이를 프로그램밍화 하여 자동 또는 반자동으로 설계오류 및 품질저하를 방지할 필요성이 있다[2, 3].
기업이 시장에서 살아남기 위해 개발 프로세스의 혁신이 필요하게 된 이유는 무엇인가?
하지만 급속한 IT기술의 발전과 더불어 제품 디자인의 다양화와 고급화에 대한 사회적 요구가 증가함에 따라 제품 개발기간의 단축을 요구한다. 이에 따라 기업이 시장에서 살아남기 위해서는 단순히 설계 데이터의 3차원화를 넘어서서 개발 프로세스의 혁신을 강요받고 있다 [1].
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