솔리드웍스(SolidWorks) 따라하기 : SolidWorks의 개요

 

 

 

 

오늘날 제조업계에서의 3대 원칙은 바로, 더 좋은 품질의 (quality : Q) 제품을, 더 낮은 가격에 (cost : C), 더 빨리 시장에 내놓는(delivery : D) 것이다. 이는 단순히 원칙이 아니라, 그 회사의 경쟁력을 가늠하는 척도가 되며, 회사의 운명이 걸린 문제이다. 따라서, 제조업체들은 위의 3원칙을 실현하기 위해 수많은 노력을 경주하고 있다.

 

위의 3원칙을 실현하기 위해서는 기존의 설계 과정을 혁신하는 새로운 제품 개발 방식이 요구되었다. 이에 산업체들은 공학문제를 빠른 시간 내에 풀어내고, 생산 업무를 자동화/통합화 시킴으로써 제품의 개발 및 생산 과정에 걸리는 시간과 경비를 줄이기 위해 각종 컴퓨터 시스템을 도입하였다. 이에 따라, 많은 CAD(computer-aided design), CAM(computer-aided manufacturing), CAE (computer-aided engineering) 시스템들이 개발되어 다양한 업무에서 컴퓨터 기술들이 활용되게 되었다. 우리는 이중에서도 주로 부품들의 형상을 설계하는 데 사용되는 CAD 시스템 부분에 중점을 둘 것이다.

 

 

 

 

 

01. 컴퓨터 이용 제도 시스템과 솔리드 모델링 시스템

 

 

 

 

제품 설계 단계에서 비교적 초기에 도입되었던 방식은 컴퓨터 이용 제도 시스템(computer-aided drafting system)이다. 지금도 현업에서 많이 사용되고 있는 컴퓨터 이용 제도 시스템은 기존에 종이 위에서 도면을 그리던 작업을 컴퓨터 상에서 할 수 있도록 확장한 것으로, 상호 대화식 입력을 통해 이들 도면을 생성 또는 수정하는 기능을 가진 소프트웨어이다. 이러한 컴퓨터 이용 제도 시스템은 기존 설계 과정에 그대로 적용될 수 있을 뿐 아니라, 도면의 수정 작업이 종이에서 이루어지는 것보다 훨씬 쉽고 효율직이다. 그리고, 도면 관리 시스템과 연계될 경우, 수작업으로 도면을 관리하는 데서 발생하는 수많은 문제점을 해결할 수 있기 때문에 많은 제조업체에서 이 시스템을 도입하여 사용하였다.

 

그러나 이러한 컴퓨터 이용 제도 시스템은 기존의 도면 방식이 안고 있던 많은 문제점을 그대로 가지고 있었다. 한 부품의 치수가 변경될 경우 영향 받는 부분의 형상을 모두 다시 수정하고 치수를 기입해야 하며, 이 부품파 연관된 다른 부품의 도면까지 모두 수정해야 한다. 또, 익숙하지 않은 사람은 도면만으로 물체의 3차원 형상을 추측하기가 어려우며, 경험자도 복잡한 도면에서 정확한 형상을 파악하기 위해서는 상당한 시간을 소비해야 한다. 더욱이, 2차원 도면으로 표현하기 힘든 곡면에 관한 설계는 거의 불가능하다.

 

 

이러한 단점을 극복하기 위해 개발된 것이 바로 솔리드 모델링 시스템 (solid modeling system)이다. 솔리드 모델링 시스템은 도면과 같은 2차원 정보 대신, 물체의 형상을 표현하는 3차원 입체 정보를 저장하고 관리한다. 따라서, 사용자는 3차원 물체의 형상을 확인하기 위해서 도면을 분석할 필요가 없으며 직관적으로 형상을 이해할 수 있다. 또한, 3차원 곡면 형상도 정확하게 모델링이 가능하다. 솔리드 모델링 시스템 내에서는 3차원 입체 정보를 내부까지 알 수 있는 부피 정보로 표현하기 때문에 설계 중인 물체의 부피와 같은 정보를 정확하게 계산할 수 있으며, 인접하는 부품과 간섭이 있는지도 체크해 볼 수 있기 때문에 설계 상의 오류를 막을 수도 있다.

 

또, 이러한 3차원 정보는 다른 CAM/CAE 시스템에서도 유용하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 솔리드 형상 정보를 이용하여 CAM 시스템에서 가공 경로를 생성할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 솔리드 타입의 유한 요소를 생성하여 CAE 시스템에서의 해석에 곧바로 이용될 수도 있다. 이 때문에 솔리드 모델링 시스템의 가치는 더 크다고 할 수 있다. 최근에는 이러한 3차원 정보를 가상 공학(Virtual Engineering)에도 적용하는 추세이다.

 

그러나, 솔리드 모델링 시스템에서는 3차원 형상 정보를 표현하기 위해서 복잡한 수학적 표현을 사용하므로 이를 직접 사용자가 입력/수정해야 한다면 매우 큰 부담이 될 것이다. 또한, 보통 부품을 설계할 때는 각 부분에 치수를 부여하여 부품의 형상을 제어하는 것이 일반직이다. 그래서, 상용으로 판매되는 대부분의 솔리드 모델링 시스템에서는 다양한 모델링 방법과 치수 입력/관리 방법을 제공하여 설계자가 자신의 의도대로 3차원 형상을 모델링 할 수 있도록 하고 있다.

 

 

 

 

 

02 PC의 성능 향상과 보급 및 Windows 환경

 

 

 

 

이미, 컴퓨터의 급속한 발전과 보급은 우리 주변의 생활 모습을 크게 변화시키고 있다. 우리가 슈퍼마켓에 가서 음료수 하나를 살 때도, 점원은 컴퓨터 시스템에 연결된 바코드 인식기를 이용하여 상품을 인식하고 가격을 제시하며 영수증까지 발급한다. 심지어 자동판매기에서 커피를 뽑아 마실 때도, 판매기의 내부에 작은 마이컴 시스템이 있어서, 우리가 넣은 돈을 파악하고 선택한 커피 종류를 종이컵에 담아주며 잔돈을 내어준다. 이렇듯 컴퓨터 시스템은 일상의 모든 분야에 다양하게 활용되고 있다.

 

이는 산업 분야도 예외가 아니며, 앞서 말한 대로 오래 전부터 다양한 시스템들을 개발하여 컴퓨터를 설계 분야에 활용해 오고 있다. 그러나, 이러한 시스템의 도입 당시에, 3D CAD 소프트웨어는 당시로서 매우 높은 계산 성능을 요구했으며, 고가의 공학용 컴퓨터에서나 동작할 수 있었다. 게다가, 소수의 전문 분야에만 활용되고 UNIX와 같은 운영체제에서 동작하였으므로, 숙련도가 높은 사람이 아니면 쉽게 사용할 수 없었다.

 

한편, 컴퓨터(Personal Computer; PC)의 성능이 급속히 향상되고 가격이 일반화되면서 컴퓨터는 널리 보급되었다. 이 즈음, Microsoft사에서는 Windows 운영체제를 발표하여 사용자로 하여금 쉽고 편리하게 컴퓨터를 사용할 수 있는 환경을 갖추었다. 이에 따라, 강력해진 PC의 성능과 Windows 운영체제를 기반으로, 고가의 공학용 컴퓨터에서만 동작하던 이러한 소프트웨어들이 PC에서도 동작할 수 있게 되었다. 곧, 각종 CAD 소프트웨어들이 PC에서 동작할 수 있게 되었으며 이로써 3D CAD 시스템이 널리 보급될 수 있는 계기가 되었다.

 

 

 

 

 

03. 기계 설계에서의 3D modeling

 

 

 

 

본 강좌에서는 기존의 컴퓨터 이용 제도 시스템을 이용한 설계 방식을 과감히 탈피하고, 본격적인 솔리드 모델링 시스템을 기계 설계 과정에 적용해 보고자 한다. 솔리드 모델링 시스템에서 사용되는 설계 방법이 물체의 형상을 생성하고 수정하는 데에 어떻게 효율적으로 사용될 수 있으며, 복잡한 조립체의 설계로 전파될 경우에 어떠한 장점을 갖게 되는지 알 수 있게 될 것이다.

 

하지만, 아직도 현업에서는 제품정보를 교환하는 주된 수단으로 도면을 선호하기 때문에, 솔리드 모델링 시스템 내에 있는 3차원 모델 데이터로부터 2차원 도면을 생성하는 방법에 대해서도 다룰 것이다. 본 강좌를 통해 우리는, Windows 환경에서 동작하는 기계 설계용 3D CAD 시스템의 하나인 SolidWorks를 통해 솔리드 모델링 시스템을 이해하고, 이를 이용하여 물체를 모델링하고 도면을 생성하는 방법을 알아 볼 것이다.

 

 

 

 

 

04. 특징 형상 모델링 (Feature-based modeling)

 

 

 

 

특징 형상 모델링 (Feature-based modeling)은 사용자에게 친숙한 형상 단위로 물체를 모델링 할 수 있게 하는 것이다. 예를 들어, “어떤 위치에 어떤 크기를 가지는 구멍을 만들어라", 혹은 "어떤 모서리에 어떤 크기의 모따기를 해라" 등과 같은 성격의 명령을 이용해서 물체의 형상을 모델링 하는 것이다. 이때 이러한 형상 단위를 특징 형상(feature)라고 한다.

 

또, 많은 상용 특징 형상 모델링 시스템들은 특징 형상을 사용자가 직접 정의하여 추가할 수 있도록 함으로써, 해당 업무에서 자주 사용되는 모델링 형상을 특징 형상으로 추가하여 사용할 수 있도록 하고 있다.

 

 

 

 

 

05 Parametric modeling과 Variational modeling

 

 

 

 

파라메트릭 모델링 (parametric modeling)이란, 형상 구속 조건이나 치수 조건을 부여함으로써 어떤 형상을 모델링 해 가는 것을 말한다. 형상 구속 조건이란 요소간에 지켜져야 할 관계를 부여하는 것인데, 예를 들어 두 모서리가 한 평면 위에 있어야 한다던가, 두 평면이 평행해야 한다던가 하는 등이다. 치수 조건이란, 형상에 주어진 치수값이나 혹은 치수 끼리의 관계식을 나타낸다.

 

파라메트릭 모델링 방식에서 사용자는 형상 요소를 직접 수정하는 것이 아니고, 구속 조건이나, 치수값 혹은 치수 관계식을 수정하여 형상을 수정하게 된다. 이러한 방식은 모델을 수정할 때 매우 효율적으로 사용될 수 있다. 예를 들어. 구멍의 위치와 크기를 바꾸고자 할 때, 치수값만 수정해 주면 자동으로 형상이 변화한다.

 

그런데, 파라메트릭 모델링이 경우 반드시 그 형상을 완전히 정의할 수 있는 모든 구속 조건과 치수를 입력하여야 한다. 그러나, 초보자의 경우에는 필요한 모든 조건을 전부 입력해 준다는 것이 쉽지 않다. 또한, 초기 설계와 같이 설계자가 정확한 치수를 알 수 없거나 모호한 경우에는 모델링을 하기가 매우 힘들어 진다. 이를 보완하기 위해 SolidWorks에서는 베리에이션 모델링 (variational modeling) 기능을 제공한다. 베리에이션 모델링에서는 설계자가 모든 구속 조건과 치수를 입력하지 않아도 모델링을 할 수 있으므로 설계자에게 보다 많은 자유를 제공한다.