DIY(Do It Yourself) 중심의 창작 활동이 확산되면서 일반 사용자들이 손쉽게 아이디어를 구체화 할 수 있는 환경이 마련되고 있다. 3D 프린터를 비롯한 디지털 기술과 도구의 대중화가 급속도로 진행되고 있는 반면, CNC 조각기의 경우 전문 지식의 부족과 복잡한 사용 절차로 인해 사용이 원활하지 않다. 이에 본 연구에서는 3D 형상 모델 파일만 선택하면 자동으로 가공이 가능한 CNC 조각기의 시스템을 개발하였다. 피삭재와 공구의 크기 및 종류를 제한하고, 생산성의 배제를 통해 공정 계획 및 공구경로 생성, 피삭재 고정, 피삭재 좌표계 파악을 자동화하였다. 그 결과 비숙련자도 혼자 충분히 사용 가능한 CNC 조각기의 시스템이 개발되었다. 이를 통해 기존보다 넓은 범위에서 다양한 사용자들이 사용할 수 있는 CNC 조각기의 발전이 기대된다.
DIY(Do It Yourself) 중심의 창작 활동이 확산되면서 일반 사용자들이 손쉽게 아이디어를 구체화 할 수 있는 환경이 마련되고 있다. 3D 프린터를 비롯한 디지털 기술과 도구의 대중화가 급속도로 진행되고 있는 반면, CNC 조각기의 경우 전문 지식의 부족과 복잡한 사용 절차로 인해 사용이 원활하지 않다. 이에 본 연구에서는 3D 형상 모델 파일만 선택하면 자동으로 가공이 가능한 CNC 조각기의 시스템을 개발하였다. 피삭재와 공구의 크기 및 종류를 제한하고, 생산성의 배제를 통해 공정 계획 및 공구경로 생성, 피삭재 고정, 피삭재 좌표계 파악을 자동화하였다. 그 결과 비숙련자도 혼자 충분히 사용 가능한 CNC 조각기의 시스템이 개발되었다. 이를 통해 기존보다 넓은 범위에서 다양한 사용자들이 사용할 수 있는 CNC 조각기의 발전이 기대된다.
As the culture of making things based on "do-it-yourself" (DIY) activity is increasingly promoted, the use of recent digital technologies and tools, including the 3D printer, have become widespread. However, the use of computerized numerical control (CNC) engraving machine is considered difficult be...
As the culture of making things based on "do-it-yourself" (DIY) activity is increasingly promoted, the use of recent digital technologies and tools, including the 3D printer, have become widespread. However, the use of computerized numerical control (CNC) engraving machine is considered difficult because of the complicated procedures and specialized knowledge required for its operation. Therefore, this study aims to resolve the issue that limits the usability of the CNC engraving machine. This paper presents a novel CNC engraving machine system for non-experts based on human-centered design. First, the size and type of the workpiece and tool are reduced. Second, computer-aided process planning (CAPP) steps such as tool path generation, workpiece clamping, and corresponding coordinate system are automated by compromising productivity and efficiency. As a result, a CNC engraving machine system that can be easily used by non-experts was developed. This development has great significance in that it opens up the possibility of using the CNC engraving machine for a wider range of DIY activities.
As the culture of making things based on "do-it-yourself" (DIY) activity is increasingly promoted, the use of recent digital technologies and tools, including the 3D printer, have become widespread. However, the use of computerized numerical control (CNC) engraving machine is considered difficult because of the complicated procedures and specialized knowledge required for its operation. Therefore, this study aims to resolve the issue that limits the usability of the CNC engraving machine. This paper presents a novel CNC engraving machine system for non-experts based on human-centered design. First, the size and type of the workpiece and tool are reduced. Second, computer-aided process planning (CAPP) steps such as tool path generation, workpiece clamping, and corresponding coordinate system are automated by compromising productivity and efficiency. As a result, a CNC engraving machine system that can be easily used by non-experts was developed. This development has great significance in that it opens up the possibility of using the CNC engraving machine for a wider range of DIY activities.
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문제 정의
이 사용자 프로세스를 제공하는 CNC 조각기는 현재 기술로도 구현은 가능하지만, 경제성 및 생산성을 비롯한 많은 제약 조건 때문에 상용화되기는 어렵다. 그러나 사용자 측면에서 보면 가장 이상적이기 때문에, 본 연구에서는 이상적인 사용자 프로세스에 최대한 가까운 프로세스를 제공하는 것을 목표로 한다.
(6~8) 그러나 본 연구는 생산성보다 사용성 우선에 초점을 맞추고 있기 때문에 기존 연구를 그대로 참고하기엔 무리가 있다고 판단되었다. 따라서 본 절에서는 각 의사결정 문제에 대한 기존 연구를 분석하고 앞으로 필요한 연구 방향에 대하여 기술하려 한다.
CNC 조각기의 등장 이래 수많은 관련 연구들이 있었으나 이는 대부분 생산성을 기반으로 진행되었다. 본 연구는 생산성을 배제한 상황에서 사용성에 초점을 맞춤으로써, 사용자 및 용도의 제한을 벗어나 새로운 영역에서 CNC 조각기를 활용할 수 있다는 점에 의의가 있다.
본 연구는 전문지식과 경험이 부족한 비숙련자도 간단하게 사용할 수 있는 CNC 조각기 시스템의 개발이 가능한지 파악하고, 간단한 프로토타입을 제작하는 데 목적이 있다. 이를 위하여 먼저 CNC 조각기의 현재 사용자 프로세스를 정리 및 분석하고, 목표로 선정할 이상적인 사용자 프로세스를 제시하였다.
본 연구에서는 전문지식과 복잡한 사용절차 없이 비숙련자도 간단하게 사용 가능한 CNC 조각기 시스템의 개발 가능성에 대하여 논의하였다. 먼저 CNC 조각기 시스템의 개발 방향 설정을 위해 현재 사용자 프로세스를 분석하고 이상적인 사용자 프로세스를 제안하였다.
사용 방법과 사용성은 큰 차이가 없었으며,CNC 조각기의 사용성 개선 연구는 찾기 힘들었다. 이에 본 연구에서는 일반적인 프로토타입 제조 상황에서 CNC 조각기를 비숙련자가 사용 가능하게 하려 한다. 전문 지식과 경험이 부족한 일반 사용자를 지칭하는 비숙련자도 간단하게 사용 가능한 CNC 조각기의 개발 방향을 제시하고,실제 개발을 통해 그 가능성을 확인하고자 한다.
이에 본 연구에서는 일반적인 프로토타입 제조 상황에서 CNC 조각기를 비숙련자가 사용 가능하게 하려 한다. 전문 지식과 경험이 부족한 일반 사용자를 지칭하는 비숙련자도 간단하게 사용 가능한 CNC 조각기의 개발 방향을 제시하고,실제 개발을 통해 그 가능성을 확인하고자 한다.
가설 설정
넷째, 3D 프린터와 가공 결과물의 정량적 비교도 좋은 연구 주제가 될 것이다.
제안 방법
2.4절에서 제안한 시스템의 개발 가능성과 사용성을 파악하기 위해 시스템의 기능들을 간단하게 구현하였다. 구현에 앞서 피삭재 장착 부분에서 Fig.
이후 현재 사용자 프로세스를 이상적인 사용자 프로세스로 변환하기 위한 방안을 모색하고, 변환 과정에서 제기되는 주요 기술 이슈를 제시하였다. 그다음 앞선 이슈들이 해결된, 구현 가능한 최종 시스템을 제안하였다. 최종 제안된 시스템의 프로토타입 개발을 통하여 제안된 CNC 조각기 시스템의 개발 가능성과 사용성을 확인하였다.
이후 피삭재 모듈에서는 입력된 형상 모델의 크기에 맞는 피삭재를 규격 내에서 선정한다. 그리고 선정된 규격의 피삭재를 CNC 조각기에 장착하고 알맞은 피삭재가 잘 장착되었는지 확인한다. 그다음 CAM 모듈에서는 장착된 피삭재와 형상 모델로부터 공구 경로를 생성한다.
기존 연구를 토대로 비숙련자도 충분히 사용 가능하고 현재 기술로 구현 가능한 수준의 새로운 프로세스를 제안하였다. 이후 구현한 CNC 조각기 시스템을 이용하여 실제로 예제 형상을 가공하였다.
그러나 실제 4축 공구 경로를 구현하기에는 많은 시간과 노력이 필요하고, 현재 단계에서 굳이 구현할 필요가 없다고 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 소재를 90도씩 회전하여, 3축 공구 경로로 4방향에서 가공하는 방식을 채택하였다. 따라서 각 공정은 0도, 90도, 180도, 270도로 총 4번씩 가공하게 된다.
때문에 본 연구에서도 이에 따라 알맞은 공구 경로를 선정하는 것이 타당하나, 공정계획의 이유와 마찬가지로 현재 단계에서는 제일 간단하게 구현 가능한 라스터 공구 경로를 구현하였다.
본 연구에서는 전문지식과 복잡한 사용절차 없이 비숙련자도 간단하게 사용 가능한 CNC 조각기 시스템의 개발 가능성에 대하여 논의하였다. 먼저 CNC 조각기 시스템의 개발 방향 설정을 위해 현재 사용자 프로세스를 분석하고 이상적인 사용자 프로세스를 제안하였다. 그 결과 현재 사용자 프로세스에서 의사결정이 요구되는 일부 프로세스만 해결이 되면, 누구나 간단하게 사용 가능한 CNC 조각기 시스템의 개발이 가능하다고 판단되었다.
본 연구에서 사용하는 CNC 조각기는 4축으로 가공을 하기 때문에 4축 공구 경로로 황삭 1번, 중삭 1번, 정삭 1번을 계획하였다. 그러나 실제 4축 공구 경로를 구현하기에는 많은 시간과 노력이 필요하고, 현재 단계에서 굳이 구현할 필요가 없다고 판단하였다.
피삭재의 형상을 결정하는데 관련된 중요한 요소는 피삭재를 고정하는 장치이다. 본 연구에서는 선반 척 형식의 인덱스 테이블을 고정 장치로 선택하였는데, 일반적으로 선반 척에서는 원기둥을 장착하여 가공하기 때문에 원기둥 형상의 소재를 선정하였다.
방향 배치란 사용자가 입력한 3D 형상 모델 파일을 CNC 조각기에서 가공하기 좋게 그 방향을 배치하는 작업을 말한다. 본 연구에서는 형상 모델의 제일 긴 쪽을 조각기의 X축, 제일 짧은 쪽을 Z축으로 방향 배치를 하려 한다. 방향 배치를 하는 방법은 매우 다양하지만, Fig.
빠르고 간편한 구현을 위하여 기존 CNC 조각기를 사용하고, 조각기 컨트롤이 가능하며 CAD 및 CAM 모듈의 기능을 수행할 수 있는 새로운 소프트웨어를 개발하였다. 소프트웨어는 조각기컨트롤러와의 호환성을 위해 Windows XP 운영체제, Visual Studio 2008 환경에서 C/C++를 사용하여 개발하였다.
둘째, 다양한 크기와 형태의 피삭재를 허용하지 한 규격의 피삭재로 한정하였다. 셋째, 피삭재를 항상 같은 위치에 고정하는 방법을 택하였고, 가공 가능한 형상의 범위를 고려하여 선반 척을 사용한 4축 조각기 환경을 선택하였다.
빠르고 간편한 구현을 위하여 기존 CNC 조각기를 사용하고, 조각기 컨트롤이 가능하며 CAD 및 CAM 모듈의 기능을 수행할 수 있는 새로운 소프트웨어를 개발하였다. 소프트웨어는 조각기컨트롤러와의 호환성을 위해 Windows XP 운영체제, Visual Studio 2008 환경에서 C/C++를 사용하여 개발하였다. 조각기 컨트롤러는 Mach3을 사용하였으며, 제조사 홈페이지에서 제공하는 라이브러리를 사용하였다.
공정계획이란 가공을 시작하기 전, 작업 순서와 방법을 정하는 것을 말한다. 여기서는 비교적 큰 공구를 이용하여 대략적인 형상으로 빠르게 가공하는 황삭, 작은 공구를 이용하여 정밀하게 가공하는 정삭, 황삭과 정삭의 중간 가공인 중삭으로 공정계획을 한다.
본 연구는 전문지식과 경험이 부족한 비숙련자도 간단하게 사용할 수 있는 CNC 조각기 시스템의 개발이 가능한지 파악하고, 간단한 프로토타입을 제작하는 데 목적이 있다. 이를 위하여 먼저 CNC 조각기의 현재 사용자 프로세스를 정리 및 분석하고, 목표로 선정할 이상적인 사용자 프로세스를 제시하였다. 이후 현재 사용자 프로세스를 이상적인 사용자 프로세스로 변환하기 위한 방안을 모색하고, 변환 과정에서 제기되는 주요 기술 이슈를 제시하였다.
기존 연구를 토대로 비숙련자도 충분히 사용 가능하고 현재 기술로 구현 가능한 수준의 새로운 프로세스를 제안하였다. 이후 구현한 CNC 조각기 시스템을 이용하여 실제로 예제 형상을 가공하였다. 그 결과, 산업디자인 전공 대학생도 3D 프린터 수준의 결과물을 혼자 가공할 수 있었다.
이를 위하여 먼저 CNC 조각기의 현재 사용자 프로세스를 정리 및 분석하고, 목표로 선정할 이상적인 사용자 프로세스를 제시하였다. 이후 현재 사용자 프로세스를 이상적인 사용자 프로세스로 변환하기 위한 방안을 모색하고, 변환 과정에서 제기되는 주요 기술 이슈를 제시하였다. 그다음 앞선 이슈들이 해결된, 구현 가능한 최종 시스템을 제안하였다.
제안하는 시스템은 논리적으로 가장 간단한 사용 프로세스를 유지하기 위해 피삭재와 공구의 규격 및 종류를 제한하는 방법으로 기술적인 문제를 해결한다. 즉, 피삭재 셋업과 공정 계획, 가공 조건 설정 등이 모두 시스템에서 자동으로 수행된다.
3의 시스템과 달라진 부분이 몇 가지 있어 계획을 수정하였다. 첫째, 피삭재는 경제적인 이유로 사용자가 피삭재를 직접 장착하는 수동 방식을 선택하였다. 둘째, 다양한 크기와 형태의 피삭재를 허용하지 한 규격의 피삭재로 한정하였다.
대상 데이터
10에 나타내었다. 가공은 CNC 조각기를 다뤄보지 않은 산업디자인 전공 대학생 3명을 대상으로 진행하였다. 가공 전에 시범 가공을 한 번 보여주었으며, 실제 가공 시에는 다른 사람의 도움 없이 혼자 진행하였다.
4와 같이 인덱스 테이블(Index Table)을 추가하여 본 연구의 조건인 4축의 환경을 조성하였다. 그리고 가공할 소재는 소형 조각기에서 주로 사용하는 플라스틱 수지를 사용하였다.
그리고 황 · 중 · 정삭을 진행하기 때문에 각 공정에 맞는 공구의 선정이 요구되었고,공구 직경 차이에 따른 가공 부하를 고려하여 황삭은 Φ10, 중삭은 Φ6, 정삭은 Φ3의 공구를 선정하였다.
기존 CNC 조각기의 사용자 프로세스를 파악하기 위해 가장 기본적인 형태의 3축 CNC 조각기를 대상으로 프로세스를 정리하면 Fig. 1과 같다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 한 번의 프로토타이핑을 위하여 복잡하고 긴 절차를 거쳐야 함을 알 수 있다.
길이는 가공하는 공구의 직경을 고려하여 선정해야 하는데, 본 연구에서는 최대 공구의 직경이 Φ10이기 때문에 10 %의 가공여유를 고려하여 Bridge의 길이(BridgeL)를 11 mm로 선정하였다.
실제 시험 가공을 통해 단면 크기를 대략적으로 선정하였고, 형상 모델 직경의 1/7배 정도면 충분하다고 판단하였다. 따라서 Fig. 8의 형상 모델직경(PartD)이 약 45 mm였기 때문에, Bridge의 단면 크기(BridgeS)는 6 mm로 선정하였다. 또한 Holder의 큰 단면 크기(HolderS)는 가공하지 않은 원 소재의 크기로 선정하였다.
최대 스트로크 및 공구의 날장 길이를 고려한 결과 현재 조각기에서는 Z축으로 최대 25mm의 가공이 가능하므로, 인덱스 테이블의 회전을 고려하여 원기둥의 직경을 Φ50으로 선정하였다. 또한, X축의 스트로크를 고려하여 원기둥의 길이는 200mm로 선정하였다.
단면 형상은 Bridge와 Holder의 단면인 2차원 형상을 의미한다. 본 연구에서는 현재 진행 단계에서 단면 형상에 대한 심도 있는 연구가 필요하지 않다고 판단하여 간단한 단면 형상 중 가공이용이한 정사각형 단면 형상을 선정하였다.
소프트웨어는 조각기컨트롤러와의 호환성을 위해 Windows XP 운영체제, Visual Studio 2008 환경에서 C/C++를 사용하여 개발하였다. 조각기 컨트롤러는 Mach3을 사용하였으며, 제조사 홈페이지에서 제공하는 라이브러리를 사용하였다.
조각기는 타이니로보사의 TinyCNC-6060C 모델을 사용하였다. 이 조각기는 기본적으로 3축이나,Fig.
최대 스트로크 및 공구의 날장 길이를 고려한 결과 현재 조각기에서는 Z축으로 최대 25mm의 가공이 가능하므로, 인덱스 테이블의 회전을 고려하여 원기둥의 직경을 Φ50으로 선정하였다.
피삭재의 소재는 프로토타이핑 용도로 많이 쓰이는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), 폴리아세탈(POM, Polyacetal), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene) 등의 수지 중 비숙련자에게 적합하다고 판단되는 소재 하나를 선정하였다. 이 때 절삭성이 좋고 칩이 덜 날리며, 가공 후 표면이 좋은 소재를 중점으로 선정하였다.
이론/모형
4축 조각기에서 3D 형상을 가공하려면 형상 좌우에 가공을 보조해주는 서포트가 생성될 필요가 있다. 또한, 이 서포트를 모델링 할 때 고려해야 할 요소들이 몇 가지 있는데, 본 논문에서는Boonsuk 등의 연구(15)를 참고하여 단면 형상, 단면 크기, 길이, 개수 및 위치의 요소들을 기준으로 서포트를 모델링하였다.
성능/효과
예제의 경우 사용자의 조작 시간은 약 2분, 기계 가공 시간은 약 2시간 59분이 소요되었다. 가공된 결과물의 정성적 표면 품질은 FDM 방식의 3D 프린터에서 높이를 0.1mm로 적층 한 결과물과 유사한 수준이었다. 그러나 3D프린터와 달리 공구 반경보다 작은 오목 형상은 정확히 표현할 수 없었다.
먼저 CNC 조각기 시스템의 개발 방향 설정을 위해 현재 사용자 프로세스를 분석하고 이상적인 사용자 프로세스를 제안하였다. 그 결과 현재 사용자 프로세스에서 의사결정이 요구되는 일부 프로세스만 해결이 되면, 누구나 간단하게 사용 가능한 CNC 조각기 시스템의 개발이 가능하다고 판단되었다.
기존 연구들의 조사 결과, Fig. 3과 같은 프로세스를 가지는 CNC 조각기 시스템의 개발이 가능하다고 판단되었다. Fig.
그 결과, 산업디자인 전공 대학생도 3D 프린터 수준의 결과물을 혼자 가공할 수 있었다. 따라서 본 논문에서 설정한 개발 방향이 타당하다는 결론을 얻었다.
이에 반해 서포트 고정 방식을 사용한다면 공정 계획을 고려해야 하는 부담이 감소되어 사용성을 향상시킬 수 있다고 판단하였다. 따라서 피삭재의 형상과 크기 요소는 배제한 상태에서 공정 계획 고려에 이점이 있는 서포트 고정 방식을 이용하는 것이 적합하다고 판단하였다. 다만 일부 형상의 서포트 생성 불가 및 서포트 제거의 용이성, 소재에 따른 데이터의 부족 등의 한계점이 있어 후속 연구가 필요하다.
본 논문에서 제안한 비숙련자용 CNC 조각기 시스템은 현재의 기술로 구현 가능하다고 판단된다. 그러나 사용자 중심 디자인(human-centered design) 측면에서는 그 가능성을 파악하는 기초단계의 연구이며 지속적인 연구가 필요하다.
단면 크기는 단면 형상에 대한 크기를 뜻한다. 실제 시험 가공을 통해 단면 크기를 대략적으로 선정하였고, 형상 모델 직경의 1/7배 정도면 충분하다고 판단하였다. 따라서 Fig.
그다음 앞선 이슈들이 해결된, 구현 가능한 최종 시스템을 제안하였다. 최종 제안된 시스템의 프로토타입 개발을 통하여 제안된 CNC 조각기 시스템의 개발 가능성과 사용성을 확인하였다.
이는 현재 CAM 시스템과 피삭재 좌표계를 설정하는 CNC 기계가 분리되어있고, 다양한 소재와 작업 환경을 고려하기에는 상용화에 많은 난점이 있기 때문이다. 하지만 본연구에서는 생산성을 고려하지 않고 사용의 간편에 초점을 맞추고 있으므로, CAM 시스템과 CNC 기계를 통합한 환경에서 CAM 좌표계와 피삭재 좌표계를 일치시키는 방식의 사용이 가능하다.
후속연구
따라서 피삭재의 형상과 크기 요소는 배제한 상태에서 공정 계획 고려에 이점이 있는 서포트 고정 방식을 이용하는 것이 적합하다고 판단하였다. 다만 일부 형상의 서포트 생성 불가 및 서포트 제거의 용이성, 소재에 따른 데이터의 부족 등의 한계점이 있어 후속 연구가 필요하다.
셋째, 본 연구에서 제시한 결과물에 대한 심도있는 평가가 필요하다. 현재는 비숙련자의 가공 가능성과 프로세스의 축소를 그 결과로 제시하였지만, 제대로 된 평가 방법과 문항으로 이 결과가 타당한지에 대한 근거가 요구된다.
의사결정 문제는 크게 CAM, 피삭재 고정, 피삭재 좌표계 파악이 있었다. 이와 관련된 기존 문헌들을 조사한 결과, CAM 및 피삭재 고정 부분에서는 본 연구가 지향하는 개발 방향과 유사한 연구들이 진행되었으나 추가 연구가 필요한 실정이었고, 피삭재 좌표계 파악 부분에서는 일부 문제만 해결되어 추후 많은 연구가 필요하다고 판단되었다.
첫째, 본 연구에서 제안한 이상적인 사용자 프로세스가 사용자 관점에서 적합한지 판단하는 연구가 필요하다. 사용자의 지식수준 및 요구 기능, 접근성 등을 고려하여 사용자에게 맞는 프로세스를 도출하는 작업이 요구된다.
향후 이러한 한계점들을 보완하여 보다 발전된 형태의 CNC 조각기를 개발하고, 이를 통하여 일상생활에서 누구나 사용 가능한 프로토타이핑 전용 CNC 조각기가 상용화되기를 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CNC 조각기는 어떤 과정에 주로 쓰이는가?
CNC 조각기는 흔히 제품 개발 과정에서 프로토타입 제작에 주로 쓰이며, 일반적인 CNC 밀링기계와 달리 기계의 정밀도와 강성 등에 차이가 있다. 사용 방법과 사용성은 큰 차이가 없었으며,CNC 조각기의 사용성 개선 연구는 찾기 힘들었다.
CNC 밀링 기계는 어떤 목적으로 개발되었는가?
복잡한 사용절차를 해결하기 위한 목적으로 개발된 CNC 밀링 기계의 연구 사례는 쉽게 발견할수 있다. 대표적인 사례로, 치과 계열에서 사용되는 CNC 밀링 기계가 있다.
범용 머시닝센터와 비교하여 스마트 머시닝센터가 가지는 장점은 무엇인가?
또한, 산업에서도 흑연 전극 가공에 한해 절차가 간소화된 스마트 머시닝센터가 개발되었다. 산업용이기 때문에 앞서 언급한 치과 전용 CNC밀링 기계보다 절차가 복잡하지만, 현재 사용되는 범용 머시닝센터에 비해 간편하여 사용자의 작업 시간을 대폭 감소시킨다.
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