KR100320711B1

KR100320711B1 - 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속시작 방법

Info

Publication number: KR100320711B1
Application number: KR1020000006174A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 이건우; 박종우; 한동철; 허정훈; 황재철; 전창묵; 안형준
Original assignee: 김종원; 이건우; 박종우; 한동철
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2002-01-24
Also published as: JP2001219410A; AU2000255748A1; WO2001058673A1; KR20010083274A

Abstract

본 발명은 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법에 관한 것으로서, 황삭 및 정삭의 판재 뒷면 가공 단계(a), 상기 단계(a)에 의하여 후면이 가공된 판재를 180도 회전시켜서 접착제를 도포하고 판재를 적층하는 판재 적층 단계(b), 상기 단계(b)에서 적층된 이전 판재의 앞면을 황삭 및 정삭 가공하고 형상 윤곽 가공하는 판재 앞면 가공 단계(c)를 포함하되, 상기 판재 뒷면 가공 단계(a), 판재 적층 단계(b) 및 판재 앞면 가공 단계(c)로 구성된 주 가공 사이클 공정을 반복적으로 수행하고, 드릴링, 밀링 또는 연삭의 부 가공 공정을 포함하는 것임을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서는, 판재 뒷면 가공 단계, 판재를 뒤집고 적층하는 단계, 판재 앞면 가공 단계로 구성된 주 가공 사이클 공정 및 작은 형상들을 가공하기 위한 부 가공 공정으로서 드릴링, 밀링 또는 연삭으로 구성되는 부 가공 공정을 포함하여, 전체 형상을 일정한 두께의 얇은 층으로 나누는 종래의 쾌속 시작 방법과는 달리, 3차원 형상의 조각들로 분해함으로써 전체 성형 시간을 혁신적으로 감축할 수 있다.

본 발명에서는 또한, 적층과 복합적으로 수행되는 절삭 공정의 장점을 최대화하기 위하여, 추가_가공_특징_형상(MFS)을 공정 계획시 추출하여 이들을 적층_특징_형상(DFS)과 독립적으로 관리함으로써 제품의 기능성과 공정 효율성을 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법{Rapid Prototyping Method Performing both Deposition and Machining}

본 발명은 판재 적층식 쾌속 시작 방법에 관한 것으로서, 특히 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 새로운 개념의 판재 적층식 쾌속 시작 방법에 관한 것이다.

신제품 개발시 제품 개발의 초기 단계에서 설계상의 오류를 검출하고 디자인을 검증하기 위하여 일반적으로 시작품(Prototype)을 제작한다. 이 중에서 쾌속 시작 시스템은 가공을 위한 부가적인 셋업 과정이나 치공구 등의 설계가 필요없이 3차원 CAD 데이터를 이용하여 신속하게 3차원 형상의 시작품을 제작할 수 있다.

본 발명은 이와 같은 쾌속 시작 시스템 중 판재 적층식 쾌속 시작 방법에 관한 것이다.

종래의 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서는 적층 공정만으로 형상을 구현하기 때문에, 전체 형상을 얇은 두께의 일정 간격 층으로 나누고, 기 가공된 판재를 적층하여 전체 형상을 제작하였다. 따라서, 필연적으로 성형물 표면에 계단 형상이 생기는 등 성형물 표면이 거칠게 되는 문제가 있다. 이는 별도의 후처리 작업을 요구한다.

또한, 종래의 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서는, 물체를 일정 방향에 대하여 일괄적으로 잘라내어 이를 기반으로 성형 작업을 수행하므로 물체의 형상적인 특징이나 성형품의 사용 목적 등을 고려하지 않게 되어 성형 정확도가 떨어지는 단점이 있다.

또한, 종래의 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서는, 전체 형상을 일정한 두께를 가지는 얇은 층으로 나누므로, 매우 복잡한 형상의 경우, 매우 많은 수의 적층 수가 필요로 하게 되어 사실상 성형이 불가능할 수도 있다.

본 발명의 목적은, 적층 공정만으로 수행되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 작은 형상들을 가공하기 위하여 물체를 잘게 자르는 것을 방지하여 전체 성형 시간을 효과적으로 단축할 수 있으며, 가공 특징 형상들을 한 번에 가공함으로써 시작품 성형물의 표면이 거칠지 않고 다양한 형상을 정확하게 제작할 수 있는 판재 적층식 쾌속 시작 방법을 제공하고자 한다.

도1은 본 발명에 의한 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법을 구성하는 주 가공 사이클 공정과 부 가공 공정을 설명하는 도면,

도2는 본 발명에 의한 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서 MFS와 DFS를 추출하는 단계를 포함하는 공정 계획 과정을 보여주는 도면,

도3은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 MFS로서, '구멍'의 힌트를 보여주는 도면,

도4는 구멍 MFS(M_hole)의 데이터 구조를 보여주는 도면,

도5는 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 MFS로서, '슬롯'의 힌트를 보여주는 도면,

도6은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 MFS로서,'포켓' MFS(M_pocket)의 일예를 보여주는 도면,

도7은 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서 적층시 두꺼운 판재를 사용하는 경우 발생할 수 있는 문제점을 설명하기 위한 도면으로서, 도7a는 종래 기술에서의 적층 두께를 보여주고, 도7b는 두꺼운 판재를 이용할 경우의 적층 두께를 보여주는 도면,

도8은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 DFS를 생성하기 위한 4단계의 과정 중, 면 분할 과정에서 공구의 접근 방향과 가공 가능한 면들과의 관계를 설명하는 도면,

도9는 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 DFS를 생성하기 위한 4단계의 과정 중, 예비-DFS 생성 과정의 예를 보여주는 도면,

도10은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서, DFS의 분할 과정을 보여주는 도면,

도11은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 DFS를 생성하기 위한 4단계의 과정 중, 최종 과정에서 생성된 DFS의 데이터 구조를 보여주는 도면,

도12는 본 발명에 의한 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법을 엔진 실린더 블록에 적용하는 경우, DFS을 위한 주 가공 사이클 공정과 MFS를 위한 부 가공 공정을 보여주는 도면,

도13은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 MFS 개념에 의하여 필요한 DFS의 수가 줄어드는 것을 설명하는 도면.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법은, 황삭 및 정삭의 판재 뒷면 가공 단계(a); 상기 단계(a)에 의하여 후면이 가공된 판재를 180도 회전시켜서 접착제를 도포하고 이전 판재를 적층하는 판재 적층 단계(b); 상기 단계(b)에서 적층된 이전 판재의 앞면을 황삭 및 정삭 가공하고 형상 윤곽 가공하는 판재 앞면 가공 단계(c)를 포함하되, 상기 판재 뒷면 가공 단계(a), 판재 적층 단계(b) 및 판재 앞면 가공 단계(c)로 구성되는 주 가공 사이클 공정을 반복적으로 수행하고, 드릴링, 밀링 또는 연삭의 부 가공 공정을 포함하는 것임을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법을 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 의한 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법을 구성하는 주 가공 사이클 공정과 부 가공 공정을 설명하는 도면이다.

도1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 판재 적층식 쾌속 시작 방법은, 판재 뒷면 가공 단계(11), 뒤집고 판재 적층하는 단계(12), 판재 앞면 가공단계(13,14,15,16)로 구성된 주 가공 사이클 공정을 포함하며 작은 형상들을 가공하기 위한 부 가공 공정으로서 드릴링, 밀링 또는 연삭으로 구성되는 부 가공 공정(17)으로 구성된다.

판재 뒷면 가공 단계(11)에서는 뒷면 황삭 및 정삭 가공을 수행한다.

판재 적층 단계(12)에서는 상기 판재 뒷면 가공 단계(11)에서 뒷면이 가공된 판재를 뒤집어서 접착제를 도포한 후 이전 판재를 적층한다(12).

판재 앞면 가공 단계(13,14,15,16)에서는 앞면 황삭 및 정삭 가공, 형상 윤곽 가공을 수행하는데, 구체적으로는 앞면을 황삭하고(13), 윤곽을 잘라내고(14), 불필요한 부분을 제거한 후(15), 정삭한다(16).

본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서는 상기한 바와 같은 판재 뒷면 가공 단계, 판재 적층 단계, 판재 앞면 가공 단계를 반복 수행한다. 한편, 부분적으로 복잡하고 작은 형상을 가공하기 위하여 상기한 단계들을 반복 수행하는 도중에, 드릴링, 밀링 또는 연삭을 포함하는 부 가공 공정 단계를 거치도록 한다.

도1에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법은, 윤곽이 결정된 판재를 적층하기만 하는 종래의 판재 적층에 의한 쾌속 시작 방법에 비하여, 적층과 절삭을 복합적으로 수행하므로 적층면이 거칠어지는 문제를 해결한다.

또한, 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 도중 필요한 부분에서 드릴링, 밀링 또는 연삭과 같은 부 가공 공정 단계를 적용하여 복잡하고 작은 형상을 용이하게 가공할 수 있다. 따라서, 복잡하고 작은 형상을 위하여 불필요하게 물체를 잘게 나누는 것을 방지하여 전체 성형 시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이와 같은가공 특징 형상들을 한 번에 가공함으로써 형상 정확도를 유지할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법을 적용하는데 있어서의 추가_가공_특징_형상(Machining Feature Segment, 이하에서 'MFS'라 함)과, 적층_특징_형상(Deposition Feature Segment, 이하에서 'DFS'라 함)을 설명한다.

도2는 본 발명에 의한 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서 MFS와 DFS를 추출하는 단계를 포함하는 공정 계획 과정을 보여준다. 쾌속 시작 방법을 수행하기 위하여, 제품의 형상 설계가 완료되면 형상 설계자는 모델러에서 제공하는 STEP AP203 변환기를 이용하여 제작하고자 하는 3차원 솔리드 모델을 STEP의 물리적 파일로 변환한다. 입력되는 형상 정보(도2a)로부터 MFS를 추출하고(도2b), 추출된 MFS를 솔리드 모델로부터 제거하여 형상이 단순한 형태로 변환된다(도2c). 이를 기반으로 모델을 구성하는 모든 면의 기하 정보를 분석하여(도2d), 적층의 최소 단위인 DFS로 분해한다(도2e). 이와 같이 생성되는 MFS와 DFS는 각각 모든 세부 공정을 구성하게 되며, 이러한 공정을 효과적으로 배치하고 각 공정에 해당하는 공정 정보를 생성함으로써 공정 계획을 완료하게 된다.

먼저, 본 발명에 의한 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서 MFS를 설명한다.

본 발명에 의한 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서 MFS는 공구가 접근하여 가공 가능한 가공 특징 형상으로서, 각각의 가공 특징 형상에 대하여는 어떠한 가공 공정이든 간에 한 번의 공정으로 이루어져야 하며, MFS 가공 공정은 모든 적층 공정이 완료된 후에 수행되어지는 것이 일반적이나 경우에 따라서는 적층 공정 중간에 삽입되어 수행되어질 수 있다. 예를 들어서, 상부의 적층으로 인하여 공구가 접근할 수 없게 되는 경우에는 해당 적층 공정이 수행되기 이전에 MFS의 가공 공정이 먼저 수행된다.

본 발명에서는 기본적인 기하학적 추론과 추가적인 사용자의 입력을 바탕으로 MFS를 추출해내며 1차적으로 추출된 MFS에 대하여 가공 정보 데이터베이스를 기반으로 가공 가능성을 판단하고 이들을 가공하기 위한 가공 정보를 구축한다.

기하학적 추론에서는, 주어진 물체를 구성하는 모든 기하학적 형상을 해석하여 원하는 형태의 특징 형상을 선택적으로 추출하여 사용자에게 제안한다. 사용자 입력은 사용자가 원하는 특징 형상을 선택하고 정보를 입력하는 것이고, 가공 정보 데이터베이스는, 이와 같은 기하학적 추론과 사용자 입력에 의하여 선택된 특징 형상에 대하여 가공 가능성 평가를 위한 기준을 제공하고 최종적으로 결정된 MFS에 대하여 가공 정보를 제공한다.

본 발명에서 기하학적 추론은 힌트(hint) 기반 특징 형상 인식 기법을 기반으로 구현한다. 힌트라는 것은 특정 특징 형상의 존재 유무를 판단할 수 있는 최소한의 조건으로서 다른 특징 형상과 여러 차례 교차가 발생하더라도 관심있는 특징 형상이 실제로 물체 내에 존재한다면 그 특징 형상을 표현하는 최소한 형상 상의 특징인 힌트는 사라지지 않는다.

힌트 기반의 MFS 추출 방식을 구현하기 위하여 추출하고자 하는 MFS 종류를 결정하고, 각 MFS에 대하여 해당 MFS가 가지고 있는 최소한의 힌트 조건을 생성한다. 또한, 최종적으로 얻어진 MFS의 해당 힌트로부터 MFS를 완전하게 정의하여 특징형상 개체를 생성하는 기하학적 추론을 구현한다.

본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서는 드릴링 공정으로 가공 가능한 구멍, 밀링 공정으로 가공 가능한 슬롯, 포켓 및 미소 가공 곡면의 MFS들을 제시한다. 구멍, 포켓, 슬롯은 모두 일반적인 기계 부품에 다수 존재하는 가공 특징 형상들로서 이와 같은 가공 특징 형상을 모델로부터 선택적으로 제거한다면 적층 특징 형상의 전체 개수가 현저하게 줄어들게 되고, 따라서 총 성형 시간을 단축할 수 있다.

도3은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 구멍 MFS의 힌트를 보여주고, 도4는 구멍 MFS(M_hole)의 데이터 구조를 보여준다. 도3에서 보이는 바와 같이, 구멍 MFS(M_hole)에 대한 힌트(h_Mhole)는 실린더 곡면으로 구성된 벽면이다. 도4에서 보이는 바와 같이 구멍 MFS(M_hole)을 저장하는 구조는 크게 형상 정보를 다루는 부분과 가공 정보를 다루는 부분으로 나눌 수 있고, 이들 모두 최종적으로는 가공 공정을 생성하기 위한 정보들로 사용된다.

도5는 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 MFS로서, '슬롯'의 힌트를 보여준다. 본 발명에 의한 방법에서, 슬롯 MFS(M_solt)을 추출하기 위한 힌트(h_Msolt)는 한 쌍의 마주보는 평행한 벽면이다. 이러한 평행한 한 쌍의 벽면을 기준으로 슬롯을 구성하는 나머지 요소인 바닥면을 찾게 되면 이러한 과정을 통해서 M_solt의 정의에 필요한 변수들을 추출하여 각각의 M_slot에 해당하는 인스턴스를 생성하게 된다. 도5에 나타난 모델에는 총 5개의 M_slot이 포함되어 있으며, M_slot을 저장하는 기본적인 구조는 M_hole을 저장하는 구조와 유사하며 이들도 최종적으로는 가공 공정을 생성하기 위한 정보들로 사용된다.

도6은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 MFS로서,'포켓' MFS(M_pocket)의 일예를 보여준다. 포켓은 단면 형상과 동일한 바닥면과 이 바닥면이 수직한 방향으로 스위핑되면서 형성되는 포켓을 둘러싸는 벽면들의 집합으로 구성된다. 이러한 포켓은 단면의 형상이나 스위핑되는 방향 등에 따라서 전체 형상이 매우 다양하게 변화하기 때문에 자동적으로 추출하기가 쉽지 않다. 일반적으로 공구 접근 방향과 수직한 평면에 형성되는 단면 정보를 이용하여 추출하는 기법을 많이 사용한다.

한편, 공구의 접근 방향이 반구의 모든 지점에서 가능한 경우, 상기에서 설명한 일반적인 방법을 기반으로 포켓 가공 특징 형상을 추출하는 것이 불가능하다. 따라서 이러한 경우에는 보다 정확하고 효율적인 작업을 위하여 포켓의 추출은 사용자의 입력에 의존한다.

일반적으로 공정 설계자가 선택하게 되는 M_pocket은 물체의 옆면에 존재하는 비교적 작은 크기의 포켓들이며 설계자는 추출하고자 하는 M_pocket의 구성 요소 중 한가지를 선택하게 되면 나머지 요소를 구성하여 M_pocket의 인스턴스를 생성하게 된다.

도6은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 공정 설계자가 일반적으로 선택할 수 있는 M_pocket의 예를 나타낸 것이다. 도6에서 A,B,C는 비교적 작은 크기의 포켓들로서 M_pocket으로 선택된 것들이며, D는 포켓 형상을 하고 있으나, 따로 M_pocket으로 분리하지 않고 적층 공정 사이클 내에 포함되어 가공이 일어나도록 한 예이다. M_pocket을 저장하는 형태 또한 다른 MFS를 저장하는 구조와 유사하다.

MFS의 추출에서 가장 중요한 것은 가공 가능성이다. 1차적으로 추출한 MFS에 대하여 실제로 가공 가능한 형상인지를 판단하여 최종적으로 선정된 특정 형상만이 의미를 가지는 MFS가 되는 것이다. 본 발명에서는 1차적으로 추출된 후보 MFS들을 대상으로 다음의 세 가지 평가 기준들에 의하여 가공 가능성을 평가하여 모든 조건을 만족하는 후보 MFS들만을 최종적인 MFS로 결정한다.

첫 번째 가공 가능성 평가 기준은 가장 기본적인 것으로서 현재 보유하여 사용할 수 있는 공구로 대상 MFS가 가공 가능한지를 판단하는 것이다. 보유하고 있는 공구들을 테이블의 형태로 저장하는 경우, 가공하고자 하는 MFS의 정보와 테이블의 내용을 비교하여 후보 MFS에 대하여 가공 가능성을 판단할 수 있다.

두 번째 가공 가능성 평가 기준은, 가공을 위한 공구의 접근 방향이 가능한 방향인지를 판단하는 것이다. 만약 한 번의 셋업으로 5면 가공이 가능한 공작 기계를 사용한다면, 적층 공정 사이클내에서 판재를 뒤집는 공정이 포함되어 있기 때문에 공구의 접근 방향 관점에서는 이론상으로 모든 MFS의 가공이 가능하다고 할 수 있다. 따라서 각 MFS에 대하여 어느 시점에서 가공을 수행해야지만 공구가 접근 가능할 것인가를 결정하는 작업만이 요구된다.

세 번째 가공 가능성 평가 기준은, 물체의 형상 때문에 발생하는 가공 부적합성을 검사하는 과정으로서 절삭 공정시 시 공구와 형상간의 간섭을 검사하는 과정이다. 세 번째 가공 가능성 평가에서도 가공 가능성 검사와 동시에 가공 시점 변경이 이루어진다. 즉 임의의 MFS에 대하여 해당 MFS를 가공하기 위한 공구도 보유하고 있고, 공구의 접근 방향도 정의되지만, 주변의 형상 때문에 공구가 접근하지 못할 경우에 가공 시점을 공구가 접근 가능한 적층 이전의 단계로 조정하거나, 이러한 방법으로도 가공이 불가능한 경우에는 후보 MFS 리스트에서 삭제한다.

이와 같은 방식으로 추출된 MFS가 원래의 솔리드 모델로부터 제거되어 형상이 단순한 형태로 변환된다. 그런데, STEP AP203 변환기로부터의 모델의 형상 정보에는 특징 형상과 관련된 정보는 포함되어 있지 않기 때문에 MFS로부터 추출된 형상들을 원래의 모델로부터 정확히 제거하는 것은 불가능하다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 경우 추출된 MFS를 CAD 모델로부터 실제로 제거하는 방식을 취하기보다는 논리적으로 제외시키는 방식을 제안한다. 즉, 추출된 MFS를 정의하는 면들에 논리적인 인식표(tag)를 부착하여 MFS 추출 작업 이후에 수행되는 DFS 생성 작업시에 해당 면들은 검색 대상에서 제외시키는 것이다. 추출된 MFS를 원래의 모델로부터 제거하는 목적은 DFS 생성시에 모델상에 존재하는 MFS들의 형상들로 인하여 불필요하게 DFS가 많이 생성되는 것을 방지하기 위한 것으므로, MFS를 구성하는 면들을 DFS 생성시에 논리적으로만 제외시키게되면 실제로 생성된 DFS의 결과에는 영향을 끼치지 않는다.

본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하기 때문에 종래 방법에 비하여 상당히 두꺼운 판재를 적층한다. 따라서 임의의 형상을 성형하고자 할 때에 매우 작은 두께로 일정하게 물체를 단면화하는 종래의 방법을그대로 적용할 수 없다. 본 발명에서와 같이 두꺼운 판재를 사용하는 경우, 몇 가지 문제가 발생할 수 있다.

도7은 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서 적층시 두꺼운 판재를 사용하는 경우 발생할 수 있는 문제점을 설명하기 위한 도면이다. 도7a는 종래 기술에서의 적층 두께를 보여주고, 도7b는 두꺼운 판재를 이용할 경우의 적층 두께를 보여준다. 도7b에서 원형 부분으로 표시된 부분은, 종래의 방법을 그대로 적용하는 경우, 한 개의 층 내에 위, 아래 어느 방향으로도 공구가 접근할 수 없는 가공이 불가능한 부분이다. 따라서 두꺼운 판재를 적층하여 원하는 형상을 제작하기 위하여는 반드시 물체의 형상 정보를 바탕으로 적층 특징 형상(Deposition Feature Segment, DFS)이라고 하는 기본 단위로 형상을 분해하여야 한다.

DFS를 추출하는 과정은 상기에서 설명한 MFS 추출 과정이 완료된 후 수행되며 MFS로 추출되었던 형상 요소들은 DFS 생성을 위한 형상 정보 추출 대상으로부터 제외된다. 또한, DFS 생성이 완료되면 MFS들과 함께 전체 공정을 구성하게 되고 전체 공정의 평가를 통하여 일괄적인 가공 순서 계획 등이 완료된다.

이를 위하여, 추출된 MFS가 원래의 솔리드 모델로부터 제거되어 형상이 단순한 형태로 변환된 모델을 기반으로 모델을 구성하는 모든 면의 기하 정보를 분석하여, 적층의 최소 단위인 DFS로 분해한다.

모든 DFS는 첫 번째로, 많아야 두 번의 셋업으로 가공 가능한 형상이어야 하며, 두 번째로, 공급하는 판재의 최대 두께를 넘지 않는 높이여야 한다.

두 번의 셋업으로 가공 가능해야한다는 의미는, 기하학적으로 한 개의 DFS를구성하는 모든 면(수직면 제외)들이 위 방향과 아래 방향 중 적어도 한 방향에서는 보여야한다는 것이며, 이는 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 판재를 뒤집어서 가공하는 공정으로부터 기인하는 조건이다.

또한, DFS를 생성할 때에는 먼저 물체의 형상 정보만을 바탕으로 형상을 분해한 후 실제로 사용 가능한 판재의 최대 두께를 제한 조건으로 각 DFS를 재구성한다. 이상적으로는 DFS가 생성된 대로 판재를 공급하여 적층 공정을 수행하여야 하지만 실제로는 하드웨어 구성과 제공되는 판재 두께의 한계 관점에서 사용할 수 있는 최대 적층 두께가 한정된다.

DFS를 생성하기 위하여 크게, 면 분할, 예비-DFS의 구성, 공간의 분할 및 DFS의 분할/병합의 4 단계의 과정을 거친다.

일단 형상 정보와 MFS 정보를 입력받게 되면 물체를 구성하는 모든 면에 대하여 실루엣 곡선과 이들을 연결하는 추가적인 곡선을 생성하여 전면 절삭과 후면 절삭에서 가공 가능한 면들을 구분하는 경계로 삼는다. 그리고 이들 곡선이 기존의 모서리 상에 있지 않을 경우 이들을 새로운 모서리로 생성하여 기존의 면들을 분할한다. 분할된 각 면들의 법선 벡터는 동일한 면내에서 적층 방향에 대하여 동일한 부호를 가지게 되며 이들을 추적하면서 뒤에서 설명할 규칙에 의거하여 그룹화를 수행하여 1차적인 예비-DFS를 생성한다. 생성된 예비-DFS 간의 경계를 기준으로 원래의 모델을 여러 개의 DFS의 집합으로 구성하는 공간 분할 단계를 거친 후, 생성된 예비-DFS의 높이가, 공급할 수 있는 판재의 최대 높이보다 작은지를 검사하여 초과하는 DFS에 대하여 분할 및 병합 작업을 수행한다. 최종적으로 DFS를 생성하고가공 정보를 저장하여 작업을 완료한다.

이와 같은 DFS를 생성하기 위한 4단계의 과정을 구체적으로 설명한다.

도8은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 DFS를 생성하기 위한 4단계의 과정 중, 면 분할 과정에서 공구의 접근 방향과 가공 가능한 면들과의 관계를 설명하는 것이다. 도8a는 공구의 접근 방향이 적층 판재의 앞면인 경우이고, 도8b는 공구의 접근 방향이 적층 판재의 뒷면인 경우이다.

본 발명에서는 공구가 접근하여 가공 가능한 면은 공구가 접근하는 방향에서 보이는 면들로 제한한다. 즉, DFS를 구성하는 면들은 적층 방향을 정의하는 임의의 축이 판재를 관통한다고 가정했을 때 판재를 경계로 위쪽 축 상과 아래쪽 축 상에 눈을 위치시켰을 때에 모두 보여야 하는 것이다.

이와 같은 조건으로 DFS를 생성할 경우에, 결국 DFS 간의 경계가 되는 부분은 일정한 적층 방향을 기준으로 했을 때 면이 가지고 있는 형상 정보 가운데 법선 벡터의 적층 방향 축 성분의 부호가 양에서 음으로, 또는 음에서 양으로 변화하는 곳이며, 기하학적으로 이를 정의하는 곡선을 실루엣 곡선이라고 한다.

이와 같은 실루엣 곡선을 성형하고자 하는 물체를 구성하는 모든 면에 대하여 구하고 이들을 연결하는 추가적인 곡선을 또한 생성한 후에 이들을 기반으로 면을 분할한다.

본 발명에서 실루엣 곡선을 기준으로 면을 분할하는 이유는 분할된 각각의 면 내에서는 법선 벡터의 Z 좌표 성분의 부호가 동일하기 때문에 이들을 면 단위로 추적하여 그룹화를 수행함으로써 예비-DFS를 효과적으로 구성할 수 있기 때문이다.특히 추가적으로 생성되는 모서리들에 의하여 분할되는 면들은 자신이 추가적인 곡선들에 의하여 분할된 면이라는 표식을 데이터 구조 내에 저장하고 있어 뒤에서 수행되는 예비-DFS 구성을 위한 전파 작업시에 전파의 마지막 면임을 나타내게 된다.

도9는 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 DFS를 생성하기 위한 4단계의 과정 중, 예비-DFS 생성 과정의 예를 보여준다.

상기 면 분할 과정에서 모든 면들이 분할되어 동일한 면 내에서는 법선 벡터의 Z 좌표 성분이 동일한 부호를 가지게 되면 이들을 그룹화하여 예비-DFS를 구성한다. 예비-DFS라고 하는 것은 완전히 닫혀진 형태의 솔리드가 아닌 DFS를 생성할 면들로 구성된 면들의 집합으로서, 물체로부터 잘려질 경계 부분에 새로운 면을 생성하게 되면 예비-DFS가 비로서 완전히 닫혀진 솔리드 형태인 DFS가 된다.

예비-DFS를 구성하기 위한 그룹화 작업은 다음과 같이 수행한다. 일단 모든 면들의 데이터 구조를 각각의 법선 벡터의 Z 좌표 부호, 실루엣 곡선을 연결하기 위하여 추가된 곡선에 의하여 잘려진 면을 표시하는 기호, 그리고 자신이 속한 예비-DFS ID 등을 저장할 수 있도록 구성한다. 그리고 성형 방향이 결정된 상태에서 법선 벡터의 부호가 (-)인 면들의 집합과 (+)인 면들의 집합이 각각 예비-DFS의 아래 부분과 위 부분을 구성할 수 있도록 그룹화한다.

이러한 형태의 예비-DFS 구성이 이루어지기 위해서는 법선 벡터가 (-)인 서로 연결된 면들의 집합과 (+)인 서로 연결된 면들의 집합이 실루엣 곡선 부위에서 결합되는 형태가 되어야 한다. 즉, 부호가 (-)인 임의의 면에서 출발하여 연결된 면을 한 번씩만 방문하면서 추적한다고 가정하였을 때 부호가 (-)인 면의 집합에서(+)인 면의 집합으로 이동하는 회수를 한 번만 허용하도록 하면 예비-DFS의 구성이 가능하게 된다.

따라서 전파하는 면의 부호가 (-)인 면의 집합에서 (+)인 면의 집합으로 단 한 번만 이동하도록 면을 전파하게 되며 모든 전파 경로에 대하여 부호의 변화가 있은 후에 다시 부호가 변화하는 면을 만났을 때나 실루엣 곡선을 연결하기 위하여 추가적으로 생성한 곡선에 의하여 분할된 면을 만났을 때에 비로서 한 개의 예비-DFS 구성을 완료한다. 물론 전파 과정 중에 수직면이나 MFS를 정의하는 면들을 만나게 되면 무시하고 바로 다음 면으로 전파 과정을 계속 수행한다.

도9에서는 이러한 예비-DFS 구성 알고리즘을 적용한 예를 보여준다. 도9에서 보이는 모델은 총 2 개의 예비-DFS로 구성되는 형상을 가지고 있으며, MFS는 슬롯 1개와 구멍 1개가 추출된 상태이다. 예비-DFS 구성을 위한 면의 전파 과정을 상기한 바와 같은 규칙에 의하여 수행하면 전파 과정 중에 MFS를 정의하는 면을 만나게 되면 현재 구성하고 있는 DFS의 ID만을 저장하고 다음면으로 전파를 계속 수행한다.

하나의 예비-DFS를 구성하기 위하여 전파하는 면의 부호를 체인으로 연결했을 때의 형태를 살펴보면, (-) 부호로부터 출발하여 (-)의 체인이 계속되다가 일단 (+)로 체인이 값이 바뀌게 되면 계속 (+) 부호의 체인이 계속될 수는 있으나, (-) 부호가 나타나서는 안된다.

이와 같은 과정을 통하여 구성된 예비-DFS는 도9의 마지막 그림처럼 예비-DFS 경계간이 뚫려있는 형태이다. 따라서, 생성된 DFS를 위한 가공 경로를 외부의CAD 소프트웨어를 이용하여 생성하기 위하여 경계 부분을 새로운 면으로 막아서 완전한 솔리드의 형태로 만들어주어야 한다. 이러한 공간 분할 작업을 완료하게 되면 예비-DFS가 비로서 DFS로 완성된다.

다음은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 DFS를 생성하기 위한 4단계의 과정 중 공간 분할 과정을 설명한다. 공간 분할 과정은 앞에서 생성한 예비-DFS 간의 경계를 기준으로 원래의 모델을 여러 개의 DFS의 집합으로 구성하는 과정이다. 공간의 분할을 수행할 때에는 앞에서 생성된 예비-DFS의 최상단에 나타나는 외곽 모서리들을 루프로 구성한 후, 이 루프 내부를 채우는 면들을 생성하고 이를 기반으로 원래의 모델로부터 DFS를 분리시키게 된다. 여기서 주의하여야 할 점은, 공간 분할 작업을 하게 되면, 새로운 형상의 면이 DFS 경계에 생기기 때문에 일단 한 개의 DFS 생성이 완료되면 다음 순서로 생성하는 DFS의 아래쪽 형상을 바로 전의 DFS가 원래의 형상에서 분리된 후의 바닥 형상으로부터 가져오게 된다. 이러한 일련의 작업은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법이, 상용 솔리드 모델링 커널(Parasolid from Unigraphics Solution, Inc.)을 기반으로 하고 있으므로 커널이 제공하는 다양한 모델링 기능을 이용하여 구현 가능하다.

다음은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 DFS를 생성하기 위한 4단계의 과정 중 DFS의 분할 및 병합 과정을 설명한다. 도10은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서, DFS의 분할 과정을 보여준다.

상기한 과정에서 생성된 DFS의 최대 높이가 본 발명에 의한 방법에서 공급 가능한 판재의 최대 두께보다 두꺼울 경우에는 해당 DFS를 재분할하는 것이 불가피하며 경우에 따라서는 재분할된 DFS를 병합하는 작업이 수행된다.

본 발명에서는 공급 가능한 판재의 최대 높이 위치에서 DFS를 자르는 것이 아니라, 최대 높이 바로 아래 위치하는 실루엣 곡선의 위치에서 DFS를 분할하게 된다. 이는 전체 공정의 효율을 높이기 위한 것으로서, 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법을 구성하는 단계 중에서 판재를 뒤집는 공정을 최소화하고자 하는 것이다.

도10에서 보이는 바와 같이, 실루엣 곡선에서 DFS를 나눔으로써 셋업의 회수가 감소한다.

이와 같이 재분할된 DFS는 두 가지 경우에 대하여 바로 위의 DFS에 다시 병합될 수 있는데, 그 첫 번째 경우는 잘려진 DFS를 구성하는 면의 부호가 모두 (+)인 경우에 바로 위에 적층될 DFS가 수직면으로만 구성되어 있는 경우에 상부 DFS의 하단이 분리되어 병합될 수 있고, 그 두 번째 경우는 잘려진 DFS가 수직면으로만 구성되어 있는 경우에 상부의 어떠한 형태의 DFS와도 병합 가능하게 된다. 이러한 병합 과정 역시 단위 공정의 회수를 줄여서 전체 성형 시간을 줄이기 위한 것이다.

도11은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 DFS를 생성하기 위한 4단계의 과정 중, 최종 과정에서 생성된 DFS의 데이터 구조를 보여준다.

본 발명에서 DFS는 형상 정보 외에 단위 공정으로서도 의미를 가진다. 즉, 한 개의 DFS는 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서, 판재 뒷면 가공 단계, 판재 적층 단계, 판재 앞면 가공 단계로 구성되는 주 가공 사이클 공정 한 개를 포함한다. 따라서, DFS의 구성을 완료하기 위해서는 앞에서 수행한 DFS의 형상 정보 생성 외에 각 DFS에 해당하는 공정과 관련된 가공 정보를 공정 설계자가 지정해주어야한다. 이러한 정보는 이후에 수행되는 가공 경로 생성과 전체 공정의 평가 과정 등에서 사용된다.

도11에서 보이는 바와 같이, DFS의 데이터 구조 가운데 MFS를 위한 노드는 MFS의 가공 순서를 저장하기 위한 데이터 요소로서 MFS는 어떠한 시점에라도 가장 효율적인 가공이 가능한 시점에 수행될 수 있기 때문에 주 가공 사이클 내부에 특정 MFS의 가공 시점에 관한 정보이다.

도12는 본 발명에 의한 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법을 엔진 실린더 블록에 적용하는 경우, DFS을 위한 주 가공 사이클 공정과 MFS를 위한 부 가공 공정을 보여준다. 본 발명에 의한 판재 적층식 쾌속 시작 방법을 엔진 실린더 블록에 적용하는 경우, 총 5개의 DFS가 생성되며, MFS는 구멍 43개, 슬롯 15개, 포켓 4개, 미소 가공 곡면 3개로 구성된다.

도12에서 보이는 바와 같이, 적층의 기본 단위가 종래의 쾌속 시작 방법과는 완전히 다른 형태의 3차원 형상의 층을 지니고 있음을 알 수 있다. 또한, 실제 생산 현장에서 사용되는 형상들은 매우 복잡한 형태를 갖추고 있어서 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 부 가공 공정을 적용하지 않는 경우에는 매우 많은 수의 DFS가 생성되어 사실상 성형이 불가능할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법에서는, 판재 뒷면 가공 단계, 판재를 뒤집고 적층하는 단계, 판재 앞면 가공 단계로 구성된 주 가공 사이클 공정 및 작은 형상들을 가공하기 위한 부 가공 공정으로서 드릴링, 밀링 또는 연삭으로 구성되는 부 가공 공정을 포함하여, 전체 형상을 일정한 두께의 얇은 층으로 나누는 종래의 방법과는 달리, 3차원 형상의 조각들로 분해함으로써 전체 성형 시간을 혁신적으로 감축할 수 있다.

도13은 본 발명에 의한 쾌속 시작 방법에서 MFS 개념에 의하여 필요한 DFS의 수가 줄어드는 것을 설명하는 도면이다. 도13a는 MFS 개념을 도입하지 않은 종래 기술에서 7개의 DFS가 필요한 것임을 보여주고, 도13b는 본 발명에 의한 방법에서 MFS 개념에 의하여 형상을 분해하기에 앞서서 구멍과 슬롯의 MFS를 모델로부터 제거하여 최종적으로 2개의 DFS가 생성된 것을 알 수 있다. 주요 공정이 DFS를 기본 단위로 수행되므로 결국 DFS의 개수가 적으면 적을수록 전체 공정에 소요되는 시간이 감소된다.

Claims

황삭 및 정삭의 판재 뒷면 가공 단계(a), 상기 단계(a)에 의하여 후면이 가공된 판재를 180도 회전시켜서 접착제를 도포하고 판재를 적층하는 판재 적층 단계(b), 상기 단계(b)에서 적층된 이전 판재의 앞면을 황삭 및 정삭 가공하고 형상 윤곽 가공하는 판재 앞면 가공 단계(c)를 포함하되, 상기 판재 뒷면 가공 단계(a), 판재 적층 단계(b) 및 판재 앞면 가공 단계(c)로 구성된 주 가공 사이클 공정을 반복적으로 수행하고, 드릴링, 밀링 또는 연삭의 부 가공 공정을 포함하는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제1항에 있어서,

상기 주 가공 사이클 공정은, 적층 단위인 적층_특징_형상(DFS)에 대하여 수행되고, 상기 부 가공 공정은, 공구가 접근하여 가공 가능한 가공 특징 형상인 추가_가공_특징_형상(MFS)에 대하여 수행되는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제2항에 있어서, 상기 추가_가공_특징_형상(MFS)은,

주어진 물체를 구성하는 모든 기하학적 형상을 해석하여 원하는 형태의 특정 형상을 선택적으로 추출하여 사용자에게 제안하는 기하학적 추론 단계;

사용자가 원하는 특정 형상을 선택하고 정보를 입력하는 사용자 입력 단계; 및

상기 기하학적 추론 단계와 상기 사용자 입력 단계에 의하여 선택된 특정 형상에 대하여 가공 정보 데이터베이스를 기반으로 가공 가능성을 판단하고 가공 정보를 구축하는 단계에 의하여 추출되는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제3항에 있어서,

상기 기하학적 추론 단계는, 추출하고자 하는 추가_가공_특징_형상(MFS)의 종류를 결정하고, 각 추가_가공_특징_형상(MFS)에 대하여 해당 추가_가공_특징_형상(MFS)이 가지고 있는 최소한의 힌트 조건을 생성하고, 최종적으로 얻어진 추가_가공_특징_형상(MFS)의 해당 힌트로부터 추가_가공_특징_형상(MFS)을 정의하여 특징 형상 개체를 생성함에 의하여 구현되는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제4항에 있어서,

상기 추가_가공_특징_형상(MFS)은, 드릴링 공정으로 가공 가능한 구멍, 밀링 공정으로 가공 가능한 슬롯, 포켓 및 미소 가공 곡면인 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제5항에 있어서,

구멍 추가_가공_특징_형상(MFS)의 힌트는, 실린더 곡면으로 구성된 벽면인 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제5항에 있어서,

슬롯 추가_가공_특징_형상(MFS)의 힌트는, 한 쌍의 마주보는 평행한 벽면인 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제5항에 있어서,

포켓 추가_가공_특징_형상(MFS)의 힌트는, 단면 형상과 동일한 바닥면과 이 바닥면이 수직한 방향으로 스위핑되면서 형성되는 포켓을 둘러싼 벽면인 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제3항에 있어서,

추가_가공_특징_형상(MFS) 추출시 가공 가능성 검사와 함께 가공 시점 조정 단계를 추가적으로 포함하는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제3항에 있어서,

상기 적층_특징_형상(DFS)은 추출된 추가_가공_특징_형상(MFS)를 모델로부터 제거한 후, 물체의 형상 정보를 바탕으로 형상을 분해하여 얻어지는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제10항에 있어서,

추출된 추가_가공_특징_형상(MFS)를 모델로부터 제거하는 때에 CAD 모델로부터 실제로 제거하는 것이 아니라, 추출된 추가_가공_특징_형상(MFS)를 정의하는 면들에 논리적인 인식표를 부착하여 추가_가공_특징_형상(MFS) 추출 작업 이후에 수행되는 적층_특징_형상(DFS) 생성 작업시에 해당 면들을 검색 대상에서 제외시키는 방식에 의한 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제11항에 있어서,

상기 적층_특징_형상(DFS) 추출은, 면 분할 과정, 예비-DFS의 생성 과정, 공간의 분할 과정 및 DFS의 분할/병합 과정에 의하여 수행되는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제12항이 있어서,

상기 면 분할 과정은, 실루엣 곡선을 성형하고자 하는 물체를 구성하는 모든면에 대하여 구하고, 이들을 연결하는 추가적인 곡선을 생성한 후에 이를 기반으로 면을 분할하는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제12항에 있어서,

상기 예비-DFS 생성 과정은, 상기 면 분할 과정에서 분할된 면 내에서 법선 벡터의 Z 좌표 성분이 동일한 부호를 가지게 되면 이들을 그룹화하여 예비-DFS로 구성하는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제12항에 있어서,

상기 공간 분할 과정은, 상기 예비-DFS 생성 과정에서 생성된 예비-DFS 간의 경계를 기준으로 원래의 모델을 여러 개의 DFS의 집합으로 구성하는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제12항에 있어서,

상기 DFS의 분할/병합 과정은, 공급 가능한 판재의 최대 높이 바로 아래 위치하는 실루엣 곡선의 위치에서 DFS를 분할하는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제13항에 있어서,

상기 DFS의 분할/병합 과정은, 분할된 DFS를 구성하는 면의 부호가 모두 (+)인 경우에 바로 위에 적층될 DFS가 수직면으로만 구성되어 있는 경우, 상부 DFS의 하단이 분리되어 병합되는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제13항에 있어서,

상기 DFS의 분할/병합 과정은, 분할된 DFS가 수직면으로만 구성되어 있는 경우, 상부의 임의의 형태의 DFS와 병합되는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.
제12항에 있어서,

추출된 적층_특징_형상(DFS)의 데이터 구조에는 추가_가공_특징_형상(MFS)의 가공 순서를 저장하기 위한 데이터 요소를 포함하는 것임을 특징으로 하는 적층과 절삭을 복합적으로 수행하는 판재 적층식 쾌속 시작 방법.