KR100344917B1 - 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박용 1차곡면 외판의 가공 정보 산출방법에 관한 것으로서, 목적형상의 정보를 저장하는 제품 모델링 단계, 상기 표현된 기하학적 목적형상으로부터 곡면의 특성을 파악하고 곡률 정보를 추출해 내는 정보 산출 단계, 가우스 상을 이용하여 상기 목적형상의 가공 방향을 결정 단계, 상기 가공방향과 곡률분포로부터 가공 영역을 결정하는 가공 영역 결정 단계, 상기 가공 영역으로부터 목적 1차곡 형상을 생성해 내는 가공 형상 결정 단계, 상기 가공형상의 결정을 위한 가공량을 결정 단계 및 상기 계산 결과들을 데이터베이스에 저장하는 가공정보를 저장하는 단계를 수행함으로써, 2차곡 가공과정을 최소화할 수 있으며, 가공정보를 데이터베이스화시키는 기능을 할 수 있으며, 또한 이를 이용하여 곡면 가공의 자동화 처리가 가능해져 자유로운 1차곡 가공이 가능해지는 효과를 갖는다.

Description

선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법{Information system of roll-bending process for ship's hull plates}

본 발명은 선체외판의 곡면 가공법에 관한 것으로, 특히 평판을 1차곡 형상의 곡면으로 성형시 선박 건조를 위한 형상의 외판 가공시간을 줄이고, 자동화를 가능하도록 하여 곡면 가공의 정밀도를 향상시켜 주는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법에 관한 것이다.

일반적으로 조선소에서 쓰이는 곡면의 종류에는 1차곡면(또는 1차곡)과 2차곡면(또는 2차곡)의 두 가지가 있는데, 이중 상기 1차곡면은 롤러 장비를 이용한 냉간 가공이나 선상가열의 결과로 얻어지고, 복잡한 상기 2차곡면의 가공을 위하여 대부분의 조선소에서는 먼저 롤러 굽힘 가공을 통하여 실린더 형상이나 원추형 형상으로 만든 후 상기 선상가열을 통하여 원하는 2차곡면을 얻게 된다.

하지만 상기 곡면가공은 가공 시 많은 공수를 요구하는 이유로 인하여 가공 작업의 자동화가 요구되어 왔는데, 이를 위해서 일차적으로 상기 2차곡 가공 시의 초기형상 결정에 중요한 1차곡 가공을 적절히 수행하여야 하며, 이러한 적절한 초기형상을 가지는 1차곡의 작업판은 최소한의 2차곡 가공 과정을 거쳐 2차곡의 목적 형상을 만들 수 있으며, 작업시간도 단축할 수 있다.

현재 조선소에서는 1차곡 가공을 위한 가공 정보가 거의 제시되지 않고 있는데, TRIBON 등과 같은 몇몇 상용프로그램들에서 제공하는 2개 정도의 대략적인 롤-라인(roll-line)이 1차곡 가공을 위한 정보의 전부이며, 여기에는 곡률과 같은 곡면의 기하학적 정보나 롤러의 변위에 대한 가공시의 가공 정보에 대한 언급이 없으며, 제시되는 정보가 최적의 롤 라인이라고도 할 수도 없고, 또한 곡면 가공 시에형상을 비교하기 위하여 곡면을 제작할 때마다 템플릿을 새로 만들어서 비교를 해야 하므로 템플릿을 위한 불필요한 제작 과정이 필요하며, 재료의 낭비도 심한 문제가 있다.

결국, 상기 롤러 가공 장비에서의 가공 작업은 작업자의 경험과 시행 착오를 통하여 이루어지고 있으며, 이에 대한 주어진 기준이 없는 것이 현장에서의 1차곡 가공에 대한 현실이다.

이를 보완하기 위하여 지금까지 가공 자동화를 위한 연구는 많이 진행되어 왔으나, 시작점이라 할 수 있는 1차곡 가공에 대한 연구는 분야별로 개별적인 연구에 그칠 뿐 전체 프로세스에 대한 유기적인 결합이 이루어지지 않고 있는 문제가 있다.

결국, 선체 곡면 가공 방법에 대한 종래의 기술은 가공 정보가 경험에 의존하고 있고, 몇몇 제시된 정보조차 근거가 확실치 않으며, 가공 정보의 흐름이나 처리가 정립되어 있지 않아 가공 정보의 데이터를 구축하고 활용하는 기술이 전무한 문제가 있다.

상기 문제를 해결하기 위해 본 발명은, 1차곡 가공에 대한 가공 조건의 정의 및 생성 과정을 기하학적, 통계학적 및 역학적인 접근을 통하여 해결함으로써 곡면 가공 작업의 생산성 향상과 정보 향상 및 가공 작업의 자동화를 이룰 수 있는 가공정보 산출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 목적형상의 정보를 저장하는 제품 모델링의 제 1 단계, 상기 표현된 기하학적 목적형상으로부터 곡면의 특성을 파악하고 곡률 정보를 추출해 내는 정보 산출의 제 2 단계, 가우스 상을 이용하여 상기 목적형상의 가공 방향을 결정하는 제 3 단계, 상기 가공방향과 곡률분포로부터 가공 영역을 결정하는 가공 영역 결정의 제 4 단계, 상기 가공 영역으로부터 목적 1차곡 형상을 생성해 내는 가공 형상 결정의 제 5 단계, 상기 가공형상의 결정을 위한 가공량을 결정하는 제 6 단계 및 상기 계산 결과들을 데이터베이스에 저장하는 가공정보 저장의 제 7 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 가공하고자 하는 대상의 기하학적 형상을 파악하여 곡면의 성질에 따라 1차곡면과 2차곡면으로 나누어 가공 영역을 결정하고, 또한 곡면상의 곡률값을 이용하여 가공 방향과 롤 라인과 같은 가공 정보를 제시함으로써, 최종 목적 1차곡 형상을 제시해 주고, 이를 가공하기 위한 롤러 장비에서의 가공량을 제시해 주며, 이와 같이 계산된 가공량들은 데이터베이스에 저장됨으로써 차후 유사한 곡면 가공 시에 비교대상으로 활용하게 되며, 연관 작업들간에의 활용도를 높이게 된다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 가공정보 산출방법의 흐름도,

도 2 는 본 발명의 가공량 산출 흐름도,

도 3 은 본 발명의 3점지지 보 모델링 구조도,

도 4 는 본 발명의 1차곡 가공 장비의 개략적 구조도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 오프셋 데이터 20 : 비균일 유리 비 스플라인 곡면

30 : 가공 방향 상 40 : 가공 영역

50 : 1차 목적 가공 형상 60 : 가공 정보

70 : 데이터베이스부 110 : 중앙 롤러부

120 : 부 롤러부 131 : 롤러부의 변위

132 : 롤러부의 회전속도 133 : 롤러부 사이의 간격

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 가공정보 산출방법의 흐름도로서, 1차곡 가공을 위한 가공 정보 데이터와 그 생성 및 처리 저장에 관한 흐름도이다.

상기 도 1은 도시된 바와 같이, 목적형상의 정보를 저장하는 제품 모델링 과정(S10), 표현된 기하학적 목적형상으로부터 곡면의 특성을 파악하고 곡률 정보를 추출해내는 정보 산출 과정(S20), 가우스 상을 이용한 가공 방향 결정 과정(S30), 가공 방향과 곡률분포로부터 가공 영역을 결정하는 가공 영역 결정 과정(S40), 상기 가공 영역으로부터 목적 1차곡 형상을 생성해내는 가공 형상 결정 과정(S50), 주어진 가공 형상을 가공하기 위한 가공량 결정 과정(S60) 및 상기 계산 결과들을 데이터베이스에 저장하는 가공정보 저장 과정(S70)으로 이루어져 있다.

그 흐름을 보면 설계로부터 주어진 목적형상에 대한 오프셋(offset) 데이터(10)는 시스템 내에서 굽힘변형률과 면내변형률을 계산하기 위해 비균일 유리 비 스플라인(Non-Uniform Rational B-Spline, 이하 NURBS라 칭함) 곡면(20)으로 변환되어(S10) 이렇게 모델링된 곡면으로부터 곡면상의 곡률들을 얻어내며(S20), 이와 함께 가우스 상을 이용하여 가공 방향(30)을 결정하는데, 상기 계산된 곡률분포와 가공 방향으로부터 두 개의 롤 라인을 제시하게 되면 결정되는 롤 라인 사이의 영역이 롤러 장비에 의해 가공되는 가공 영역(40)이 된다.

상기 결정된 가공 영역 내에서의 목적 1차곡 가공 형상을 생성하기 위하여 임의의 차수로 가정한 곡면의 형상을 이용하여 가공하고자 하는 1차 목적 가공 형상(50)을 제시하면 롤러가공장비에 의한 가공정보(60)는 목적 1차 가공 형상을 가공하기 위한 정보가 되고, 대상 작업판의 성질이나 가공장비의 재원, 가공 형상에 의하여 결정되게 되며, 이러한 가공 정보는 데이터베이스(70)에 저장되게 된다.

이러한 상기 각각의 단계를 상세히 서술하면, 곡면 모델링 단계, 1차곡 가공방향 결정 단계, 가공 영역 결정 단계, 롤 라인 결정 단계, 가공 형상 결정 단계, 가공량 결정 단계, 정보 저장 단계로 수행된다.

상기 곡면 모델링 단계를 보면, 먼저 주어진 오프셋 정보로부터 NURBS곡면을 생성하게 되는데, 이때 주어지는 자료가 기하학적으로 수정된 경우에는 NURBS 보간(interpolation)을 수행하게 되고, 그렇지 않은 경우에는 곡면 근사화의 과정을 수행하여 기하학적인 NURBS 객체를 생성한다.

본 발명에서는 비 정규적인 자료들의 근사를 목적으로 MBA 알고리즘을 채택하여 공간상에 흩어져 있는 자료로부터연속조건을 만족하는 곡면을 빠르게 생성해내는 장점을 갖는다.

다음으로 상기 1차곡 가공 방향 결정 단계로 가공방향은 롤러 장비에서의 롤러의 방향을 말하며, 이를 결정하기 위하여 가우스 상을 이용한 방법을 이용하게 된다.

상기 가우스 상은 곡면상의 법선 벡터를 단위 구 상에 투영한 이미지를 말하는데, 이때 곡면상의 모든 점에 대하여 법선 벡터를 계산해내야 하지만 본 발명에서는 곡면을 몇 개의 패치로 나누어 계산하게 되며, 이러한 가우스 상을 이용하여 1차곡면의 가공 방향을 결정하기 위하여 다음 수학식 1을 이용한다.

[수학식 1]

여기서는 각 패치의 전체 곡면과의 면적비이며,는 곡면상의 좌표,는 가우스 점의 좌표이며, 상기 수학식 1에서를 최소화하는 경우 나타나는 A행렬의 고유 벡터가 결과로 나타나는 1차곡면의 가공 방향이 된다.

상기 가공 영역 결정 단계는 곡면의 형상으로부터 가공 영역을 결정하는 단계로서, 모델링된 곡면으로부터 곡면 상의 한 점에서는 두 개의 주곡률이 계산되고, 각각의 주곡률에 해당하는 주방향과 상기 두 번째 단계에서 결정된 가공 방향 쪽의 주곡률을 이용하여 가공 영역을 결정하기 위한 곡률을 선택하게 되며, 그 결과 가공 영역이 될 수 있는 곡률분포를 얻는데, 이렇게 얻어진 곡률분포 중에서 전체 곡률분포의 70∼80%에 해당하는 영역을 가공 영역으로 결정하게 되는데, 단 곡면의 곡률분포로부터 곡면이 1차 곡면으로 판별이 되는 경우는 곡면 전체를 가공 영역으로 결정한다.

상기 가공 영역의 결정 단계에서 불규칙한 곡률분포로 인하여 계산된 모든 가공 영역을 롤 라인을 추출하기 위한 가공 영역으로 결정하는 데에는 무리가 있으므로 가공 영역을 나타내는 자료와 거리가 먼 자료들은 배제시켜야 하며, 이때에 다음 수학식 2와 같은 스튜던트화 제외 잔차()를 이용하게 되는데, 이때는 잔차로서 곡면 상의 곡률을 이용한 전체 자료와 이를 이용하여 결정된 선형 회귀식과의 차이이며,는 지레의 i번째 대각 요소이고, MSE는 분산 값의 추정량, n은 자료의 개수이다.

[수학식 2]

상기 스튜던트화 제외잔차 값이 t-분포 상에서 아래 수학식 3과 같은 조건을 만족하면 최종 가공 영역에서 제외시킨다. 이때 α는 유의수준을 말한다.

[수학식 3]

또한 상기 롤 라인 결정 단계는 롤러 가공 장치의 중앙 롤러에 의해 가공되는 위치를 말하며, 일반적으로 2개의 직선으로 표시되는데, 본 발명에서는 상기 두 번째 단계에서 결정된 가공 방향을 이용하여 롤 라인을 결정하게 되므로 2개의 평행한 직선으로 표시되고, 롤 라인은 1차의 간단한 직선식(y = a + bx)으로 표현되며, 이 식의 기울기는 가공 방향에 의해서 결정되므로 t절편(a)만을 결정하면 된다.

이때 값을 다음 수학식 4와 같이 최소 제곱법을 이용한 식으로 결정할 수 있는데, n은 상기 세 번째 단계에 의해 이상치들을 제외한 자료의 개수이다.

[수학식 4]

다음으로 상기 가공 형상 결정 단계는, 최종 가공해야 할 1차곡 형상을 결정하는 단계로 상기 네 번째 단계에서 결정된 2개의 롤 라인 사이부분이 가공해야 할 범위이며, 이 범위내에서의 가공 형상 라인 사이의 가공 범위 내에서는 목적 1차곡 형상을 다음 수학식 5와 같이 3차 다항식으로 가정하며, 그 외의 범위는 가공을 하지 않는 부분이므로 가공 범위내의 곡면과 접선 방향으로 직선으로 결정하게 된다.

[수학식 5]

상기 가정된 3차식으로부터 2차 미분 값을 곡률로 근사하면 곡선 형상의 곡률은 다음 수학식 6과 같이 표현된다.

[수학식 6]

목적 현상의 곡률을하고 하면 3차식의 계수 a, b는 다음 수학식 7을 최소화함으로써 결정된다.

[수학식 7]

=

이때 상기 수학식 7을 최소화하기 위하여 상기 a, b에 대하여 각각 편미분하고 정리하여 계산하면 다음 수학식 8과 같은 행렬식으로 간략화할 수 있다.

[수학식 8]

이때 c는 곡면 중앙부 근방의 기울기의 평균으로 계산하며, d는 곡면 중앙부의 높이로 결정한다.

또한 상기 가공량 결정 단계는 피라미드 타입의 롤러 가공 장비에서의 가공량을 결정하기 위하여 도 3과 같은 3점지지 보 모델을 이용하여 가공량을 산출하게 되는데, 상기 도 3의 상부는 실제 생산과정에서 적용되는 연속적인 가공 과정의 롤러 가공 장비를 도식화한 것이며, 하부는 연속적인 가공 과정을 3점으로 지지하는 보의 중앙에 가공을 하고 옆으로 움직여 가는 방법으로 모델링 한 것을 나타낸 것으로서, 상기 방법은 연속적인 가공 작업을 이산화 된 가공작업으로 간략화하여 가공량을 산출하고자 하는 것이다.

일회의 굽힘 과정을 시뮬레이션하기 위해서는 중앙 롤러(center roller)의 변위를 보의 변형이 원하는 곡률 값에 도달할 때까지 증가 시켜가면서 순환적인 계산 과정을 거치게 되는데, 한 단계 변형 후에는 이것이 다음 단계에서의 초기 형상이 된다.

도 2 는 본 발명의 가공량 산출 흐름도로서, 스프링 백 이전의 형상으로부터 중앙 롤러의 변위를 얻어내며, 스프링 백 후의 형상으로 가공 후의 최종 형상을 얻어낸다.

그 흐름을 보면 먼저, 입력된 목적곡률분포, 초기 곡률분포, 가공 간격 및가공 횟수의 자료(S60a)의 상기 초기 곡률분포로부터 초기 형상을 계산하고(S60b) 곡률의 최대값 가정()(S60c)과 모멘트 최대값을 계산하고(S60d), 모멘트 분포로부터 곡률분포를 계산하여(S60e) 새로운 형상의 계산(S60f) 및 스프링 백 계산(S60g)을 수행한 후 그 값이 목적 곡률과 같은지 판단하여(S60h) 같은 경우는 다음 굽힘 단계로 이동하고(S60i), 같지 않으면 상기 가정한 곡률의 최대값()을 수정하여(S60j) 상기 모멘트 최대값 계산을 다시 수행한다.

다음 상기 정보 저장 단계로 상기 각 과정들에 의해 생성된 가공 정보들은 다른 가공 단계들과의 정보 공유를 위하여 데이터베이스에 구조화되어 저장된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 선체외판 곡면가공 방법에 있어서, 1차곡 가공 방법에 대한 기준을 제시하여 주고, 2차곡 가공시의 최적화된 1차곡 초기 형상을 제시함으로써, 2차곡 가공과정을 최소화할 수 있으며, 가공정보를 데이터베이스화시키는 기능을 할 수 있으며, 또한 이를 이용하여 곡면 가공의 자동화 처리가 가능해지는 효과를 가진다.

또한 본 발명에서 제공하는 가공 장비를 이용하여 좀더 자유로운 1차곡 가공이 가능해지는 효과를 갖는다.

Claims (11)

1. 목적형상의 정보를 저장하는 제품 모델링의 제 1 단계;

   상기 표현된 기하학적 목적형상으로부터 곡면의 특성을 파악하고 곡률 정보를 추출해 내는 정보 산출의 제 2 단계;

   가우스 상을 이용하여 상기 목적형상의 가공 방향을 결정하는 제 3 단계;

   상기 가공방향과 곡률분포로부터 가공 영역을 결정하는 가공 영역 결정의 제 4 단계;

   상기 가공 영역으로부터 목적 1차곡 형상을 생성해 내는 가공 형상 결정의 제 5 단계;

   상기 가공형상의 결정을 위한 가공량을 결정하는 제 6 단계; 및

   상기 계산 결과들을 데이터베이스에 저장하는 가공정보 저장의 제 7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단계는

   주어진 오프셋 정보로부터 비균일 유리 비 스플라인(NURBS) 곡면을 생성하는 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 오프셋 정보는

   기하학적으로 순정된 경우 NURBS 보간(interpolation)을 수행하고, 그렇지 않은 경우에는 곡면 근사화를 수행하여 기하학적인 NURBS 객체를 생성하는 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는

   가공 방향을 이용하여 롤러 가공 장치의 중앙 롤러에 의해 가공되는 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계는

   가우스 상을 이용하여 롤러 장비에서의 롤러의 방향을 결정하는 가공방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 가우스 상은

   곡면상의 법선 벡터를 단위 구 상에 투영한 이미지인 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 4 단계는

   모델링된 곡면으로부터 곡면 상의 한 점에서 두 개의 주곡률을 계산하는 제 1 부단계;

   상기 각각의 주곡률에 해당하는 주방향과 가공 방향 쪽의 주곡률을 이용하여 가공영역을 선택하기 위한 곡률을 선택하여 가공영역이 될 수 있는 곡률분포를 얻는 제 2 부단계;

   상기 얻어진 곡률분포 중에서 전체 곡률분포의 소정 영역에 해당하는 영역을 가공영역으로 결정하는 제 3 부단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 가공 영역은

   곡면의 곡률분포로부터 곡면이 1차 곡면으로 판별되면 곡면 전체를 가공 영역으로 결정하는 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 5 단계는

   결정된 롤 라인 사이 부분 내에서는 가공 형상을 곡면으로 형성하고, 그 외의 부분에서는 평면을 이루도록 하여 최종 가공해야 할 1차곡 형상을 결정하는 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 6 단계는

    목적곡률분포, 초기 곡률분포, 가공 간격 및 가공 횟수의 자료를 입력하는 제 1 부단계;

    상기 입력된 자료 중 초기 곡률분포로부터 초기 형상을 계산하는 제 2 부단계;

    상기 곡률의 최대값을 가정하여 모멘트 최대값을 계산하는 제 3 부단계;

    상기 계산된 모멘트 분포로부터 곡률 분포를 계산하는 제 4 부단계;

    상기 계산된 곡률분포를 통해 새로운 형상을 계산하는 제 5 부단계;

    상기 새로운 형상 계산 후 중앙 롤러의 변위 및 가공 후의 최종 형상을 얻어내는 스프링 백 계산을 수행하는 제 6 부단계; 및

    계산된 값이 상기 목적 곡률과 같은지 비교하여 같으면 다음 굽힙단계로 이동하는 제 7 부단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 7 단계는

    상기 각 단계들을 통해 생성된 가공 정보들을 다른 가공 단계들과의 정보 공유를 위하여 데이터베이스에 구조화시켜 저장하는 것을 특징으로 하는 선박용 1차곡면 외판의 가공정보 산출방법.