3D모델링 및 설계 최적화를 위한 CAD 분야의 리더, SolidWorks

SolidWorks 2012를 이용한

로봇시스템 설계

오늘날 웹사이트부터 고속 플로토타입 설계에 이르기까지 고객, 설계자, 엔지니어들은 최신 3D 모델링 도구에 의존하고 있으며, 로봇 설계자 역시 설계 기능을 향상시키고 설계 관련 커뮤니케이션을 개선하기 위해 3D CAD를 원하고 있다. SolidWorks 2012는 로봇설계의 콘셉트디자인, 3D모델링 및 설계의 최적화를 위한 구조해석 등 새로운 접근 방식으로 3D CAD의 혁신을 불러일으키고 있다. 본문은 SolidWorks 2012를 이용한 가정용 로봇 설계에 관한 내용이다.

SolidWorks 2012, 로봇설계부터 검증 위한 시뮬레이션까지 제공
제품개발은 끊임없이 진화하고 있으며, 그에 따라 문제의 해결을 위해 설계된 CAD 응용 프로그램과 관련 도구 또한 진화하고 있다.
성공적인 설계 팀은 CAD의 활용을 조율하여 생산성을 높이고 일관된 팀 성과를 유지하며 조직 전체에 귀감이 될 수 있도록 효율성의 본보기를 제시할 영향력 있는 CAD 리더를 필요로 하고 있다.

SolidWorks 2012는 로봇설계의 콘셉트디자인부터 3D모델링 및 설계의 최적화를 위한 구조해석, 로봇의 구동부 설계검증을 위한 SolidWorks Motion Simulation, 내부 또는 외부의 유동, 유체 해석을 위한 SolidWorks Flow Simulation, 제품의 매뉴얼 작성 및 작업지시서, A/S 지침서 등의 디지털 문서작업에 용의한 3DVIA Composer등의 Multi Product Solution을 제공한다. 산업 디자이너들은 스케치패드, 모델링 클레이, 발포 고무, 그리고 복잡한 표면의 개념화에 적합한 특수 소프트웨어 도구를 이용한다. 하지만 이러한 도구는 설계 프로세스가 끝나고 난 뒤, 설계를 완전히 구현하기 위해 필요한 정보가 극히 일부 밖에 제공하지 못 한다.

예를 들어, 산업 디자인 소프트웨어는 엔지니어링 변경 프로세스를 효율적으로 관리하는 데 있어 꼭 필요한 변수 지정 기록을 생성하지 않는다. 또한 디자인용 소프트웨어는 곡면 모델만을 정의하기 때문에 물리적 시제품으로 변환하기가 쉽지 않다. 그리고 표면이 유리 등으로 만들어진 경우, 표면 아래의 소재가 외관에 영향을 미칠 수 있다. 더구나 곡면 모델은 벽의 두께, 구멍의 깊이, 인레이 또는 부품간의 연결을 정의하지 않기 때문에 곡면 모델을 이용해 물리적 시제품을 제작하기 위한 별도의 작업이 필요하다.
만일 기계 엔지니어들이 사용하는 솔리드 모델링 도구를 산업 디자이너들이 사용할 수 있다면 많은 문제가 해결될 수 있을 것이다. 이러한 도구를 이용하면 설계를 수학적으로 정의하고 변경 및 문서화 프로세스의 관리를 위해 필요한 모든 정보를 포착할 수 있는 피처 기반의 변수 지정 모델을 생성할 수 있다.

SolidWorks 2012는 강력한 곡면 처리 기능, 전용 산업 디자인 도구로부터 지오메트리를 손쉽게 가져올 수 있는 기능 및 업계 최고의 기계 엔지니어링 환경을 하나의 패키지를 통해 제공함으로써 산업 디자인과 엔지니어링 사이의 간극을 메워 준다. 채우기 피처는 임의 개수의 경계선에 의해 정의되는 공간에 맞춰 접곡면 패치를 채울 수 있는 혁신적인 n면 곡면 패치를 제공하며, 채우기 피처를 이용하면 매개변수를 통해 제어 가능한 곡면 내부의 구속점을 정의할 수 있다. SolidWorks 2012를 사용하면, 곡선의 네트워크를 스케치할 수 있는 3D스케치라는 피처를 사용할 수 있어 사용자가 곡선의 임의 지점을 잡아 당겨 표면을 수정하고 분석 요소와 자유 곡선을 모두 단일 피처에 통합할 수 있다. 이러한 장점들을 활용해 SolidWorks 2012로 가정용 로봇을 설계해 본다.

SolidWorks 2012를 이용한 가정용 로봇 설계
로봇설계를 하기 위해 SolidWorks를 이용하여 디자인이미지를 스케치 평면에 삽입하여 밑그림으로 배치하고 스케치 도구를 이용해 형상을 스케치한다. 이러한 작업을 통해 디자인한 이미지를 SolidWorks를 이용하여 3D 설계 데이터로 만들어 볼 수 있다. 또한 레이아웃 설계를 통해 로봇의 메커니즘에 대해서 사전에 설계 및 검토할 수 있으며, 디자인 데이터를 이용하여 로봇의 전체 설계 디자인 콘셉트를 완성해 볼 수 있다.

SolidWorks는 별도 모듈의 추가 없이도 솔리드, 서페이스, 몰드 등의 다양한 도구를 활용하여 멀티 작업을 할 수 있으며, Lay-out 스케치를 활용해 Top-down 방식의 설계를 통한 직관적인 설계를 완성할 수 있다. 이렇게 만들어진 3D디자인 콘셉트를 활용하여 로봇의 세부적인 부분에 대해서 설계를 진행할 수 있다. 또한 파트 분할을 통해 각각의 부품들을 나누어 세부적인 부분에 대해서 설계하여 완성하고, 설계 단계에서 어셈블리의 간섭체크 및 파트의 특성을 검토할 수 있다.

SolidWorks Simulation
엔지니어는 설계를 하는 과정에서 제품의 특성에 맞게 설계가 되고 있는 지에 대한 검증을 필요로 한다. 이는 설계에 대한 오류를 최소화 하고 문제점을 사전에 찾아 설계의 최적화를 하기 위함이다. SolidWorks Simulation은 CAD/CAE 산업에서 설계 엔지니어들이 일반적인 해석 도구들을 더 쉽게 사용할 수 있도록 돕고 있다. 전문가들은 제품 개발 과정에서 실수를 얼마나 빨리 알아내느냐 하는 문제를 중요하게 관리해야 한다고 지적한다. 이 정보는 효율성으로 직결되기 때문이다.

이번 가전로봇 설계에도 SolidWorks Simulation을 이용하여 사전검증을 했다. SolidWorks Simulation은 SolidWorks와 통합된 환경에서 작업할 수 있어 설계자가 작업을 보다 신속하게 할 수 있다. 청소용 가전로봇의 중요한 역할은 먼지를 흡입하는 능력이다. 이러한 부분을 검증하기 위해서 SolidWorks Flow Simulation을 통해 청소로봇의 내부의 공기흐름 및 온도, 속도 등의 결과를 확인해 보았다. 이는 PCB에서 발생하는 열의 흐름에 대해서 설계가 잘 되었는지 검증할 수 있다.

SolidWorks Flow Simulation은 Project Wizard를 통하여 유공해석의 해석조건을 보다 손쉽게 적용할 수 있다. 또한 모델이 수정되면 바로 해석에 사용된 모델도 바로 업데이트가 되기 때문에 해석에 필요한 조건을 그대로 유지 되어 있어 해석만 실행하면 된다. PCB같은 경우 유동해석에서 얻어진 결과 데이터를 활용하여 PCB판의 열응력 해석을 바로 수행할 수 있다. PCB의 열응력 해석만을 별도로 할 경우 엔지니어가 각각의 조건들을 수작업으로 이루어지다 보니 실제 결과와 차이가 날 경우가 있다. 이러한 오류를 최소화하기 위해 SolidWorks Simulation에서는 SolidWorks Flow Simulation의 해석데이터를 불러와 적용할 수 있다. SolidWorks Flow Simulation 검증을 통해 PCB의 전자부분간의 온도전위 및 발열정도를 확인하고 PCB의 열응력에 대한 결과를 설계에 반영할 수 있다.

SolidWorks Motion Simulation
로봇설계에서 가장 중요한 부분 중의 하나가 로봇이 구동되는 동작이다. SolidWorks Motion Simulation에서 시스템 또는 메커니즘은 메이트로 연장된 파트로 구성된다. 시스템 동작은 메이트의 토폴로지, 부품의 질량 속성, 적용된 하중, 구동 동작, 시간 등에 의해 결정된다. SolidWorks Motion Simulation에서 분석할 수 있는 메커니즘에는 운동학 시스템과 동역학 시스템, 두 가지 유형이 있다. 운동학 시스템에서 파트의 이동은 강제 또는 구속된 동작 하에서 발생한다. 동작은 완전히 제어되며 하나의 동작만으로도 부품의 질량이나 적용된 하중과 관계없이 결과를 얻을 수 있다. 동역학 시스템에서 파트의 동작은 부품의 질량과 적용된 하중에 따라 다르다. 질량 또는 적용된 하중이 변하면 동작도 달라진다. 이와 같은 시스템을 이용하여 로봇의 구동메커니즘을 적용하여 모션해석을 할 수 있다. SolidWorks의 솔루션을 이용하여 설계과정에서 설계검증하고 최적화할 수 있다.

시뮬레이션이 없으면 엔지니어는 수작업 계산, 과거 내역 데이터 또는 직감을 근거로 결정을 내리면서 제품을 설계하게 된다. 이후 제품이 제작되어 테스트될 것이며, 제대로 작동할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 이것이 일반적으로 받아들여진 방식이다. 그러나 시뮬레이션이 수행되더라도 ‘직감’ 설계는 똑같이 활용하게 된다. 설계 결함을 간과하거나 불필요한 수정이 필요할 수도 있지만, 건전한 설계자가 오직 시뮬레이션 데이터에만 의존해서 극단적이거나 직관에 어긋나는 변경은 없을 것이다.

시뮬레이션 또는 결과 해석의 우수성에 상관없이, 설계의 타당성은 여전히 실제 테스트를 통해 입증될 것이다. 그러나 초기 해석에서 응력이 예상되지 않은 곳에서 응력이 확인되거나 직관에 반하는 굽힘을 확인하는 등의 결과를 구체적으로 확인할 수 있다는 점은 너무나 중요한 장점이다. 잘못 파악되거나 불완전하게 파악된 피처가 드러난다는 것만으로도 노력에 대한 대가는 충분할 것이다.
엔지니어가 해석결과를 통해서 설계에 반영할 수 있으나 이를 한 단계 뛰어 넘어 SolidWorks Simulation 최적화 스터디를 활용하면 좀 더 효율적일 것이라고 생각된다.

SolidWorks Simulation 최적화 스터디는 각 변수의 최적 설정을 반영하는 단일 값을 산출한다. 이 방식을 사용하여 가장 정확한 값을 구하려면 엔지니어가 각 변수의 값 범위를 재정의하고 다시 한 번 최적화를 실행하거나 민감도 스터디를 실행해야 한다. 이러한 방법을 통해 최적화 프로그램을 사용하여 제품을 개선하고 최적의 설계에 도달하는 과정을 신속하고 효율적으로 파악할 수 있을 것이다.

SolidWorks Sustainability
SolidWorks Sustainability는 제품 개발에 있어 원자재 수급, 생산, 사용 그리고 폐기 단계에서 설계자들이 탄산가스 방출량, 에너지 소비량 및 대기/수질이 환경에 미치는 영향을 결정할 수 있게 해준다. 제품을 만들기 위한 초기 단계부터 제품의 수명이 다해 폐기되는 시점까지의 라이프사이클을 볼 수 있기 때문이다. 지속 가능한 설계를 위해서는 설계엔지니어의 영향력이 막대하다. 이들의 결정이 상품 라이프사이클의 80%에 영향을 미치기 때문이다. 하지만 대부분의 엔지니어는 설계가 환경에 미치는 영향력을 인지 못하고 의사결정에 필요한 데이터를 보유하고 있지 않다. 제품을 설계하여 생산단계의 원재료추출·운송·재료가공 ·운송·부품생산 등의 단계를 거치게 된다. 친환경을 위한 지속 가능한 설계를 위해서는 다음과 같은 특징을 지닌 제품과 시스템을 만들어 내기 위한 포괄적이고 총체적인 접근법 방법이다. 환경적으로는 이러한 설계를 통해 분명하고 측정 가능한 환경적 혜택을 누릴 수 있으며, 사회적으로는 생산, 사용 및 처분과 재활용에 관련된 모든 사람의 요구를 충족시킬 수 있다. 또한 경제적인 측면으로는 이러한 설계가 시장에서도 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

3DVIA Composer
SolidWorks로 설계를 마친 데이터를 이용하여 영업과 마케팅에서도 3D CAD 데이터의 이점을 누릴 수 있다. 게시용 도구는 3D CAD 데이터 사용을 완벽히 지원하므로 고객과 소비자의 관심을 끌 수 있는 실사적인 2D이미지, 3D모델, 애니메이션을 만들 수 있다.
실사 모델, 애니메이션 기능, 그리고 고속 플로토타입으로 마케팅 담당자들은 플로토타입을 실제로 설계하여 만드는 전통적인 방식보다 제품 시장 조사를 훨씬 저렴한 비용으로 수행할 수 있는 장점을 가기게 된다. 로봇설계 분야는 오래 전부터 제품 설계 데이터의 주된 사용자였으며, 2D 엔지니어링 도면은 아직도 대다수 생산 관련 운영 분야의 주된 산출물 중 하나이다. 하지만 3D CAD 데이터와 CAD 도구를 사용할 수 있게 되면서 CAD의 활용 범위가 단순히 작업 현장의 종이 문서 더미를 대체하는 것 이상으로 확대되는 현상이 나타나고 있다. 현재 엔지니어들은 도구 경로를 자동 생성하고 몰드를 개발하며 고도의 정밀성과 제어 기능이 지원되는 CAM 기반의 작업을 프로그래밍하는 용도로 솔리드 모델을 사용하는 수준을 넘어 어셈블리 작업용으로 3D 애니메이션 작업 매뉴얼을 생성할 수 있다.

SolidWorks 2012는 로봇설계 분야에서 산업 디자이너와 기계 엔지니어가 동일한 소프트웨어 도구, 동일한 지오메트리 데이터베이스 및 동일한 사용자 인터페이스를 사용할 수 있는 환경을 통해 보다 신속히 더 저렴한 비용으로 탁월한 제품을 출시할 수 있는 길을 열어 줄 것이다. 즉, 개념 설계 단계에서 기능을 평가하고 절감된 비용으로 구현할 수 있는 보다 우수한 대안을 신속하게 생성함으로써 제품의 성능을 개선할 수 있고, 그 외에도, 기계 엔지니어링 환경에서 설계를 변환하거나 처음부터 다시 설계를 할 필요가 없기 때문에 출시 기간이 단축되며, 설계 프로세스의 초기 단계에 대안적 개념의 제조 적합성을 검토함으로써 제조 원가를 줄일 수 있을 것이다.

솔리드웍스코리아 www.solidworks.co.kr

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