현대 자동차 지그부 (지그 설계 자동화 구축 및 지그 전용 솔루션 제공)

[방글이]

현대 자동차 지그부 (지그 설계 자동화 구축 및 지그 전용 솔루션 제공)

Tooling&Fixture

현대 자동차 지그부 (지그 설계 자동화 구축 및 지그 전용 솔루션 제공)

지그 설계 작업에 솔리드에지를 도입하여 30%의 설계능력 향상 이룩

국내 제조업 분야에서 중요한 부분을 차지하는 자동차 산업에서 CAD/CAM 소프트웨어는 디자인에서부터 설계, 가공, 제조에 이르기까지 전 영역에 사용되고 있다. 대기업 중심으로 3D CAD/CAM 소프트웨어를 도입하고 있지만, 주요 업무에서는 2D CAD을 적용하고 있어 여전히 설계상의 많은 오류를 내포하고 있다. 따라서 3D 설계 시스템의 도입이 필요한 상황이다.

3D 솔리드 데이터로 설계 단계에서 조립성, 제작성을 사전 검증하여 설계 품질향상을 도모할 수 있다. 그리고 반복적인 작업을 최소화함으로써 제품의 품질을 높이고 개발 기간을 단축할 수 있다. 또한 CAD/CAM 소프트웨어 환경이 유닉스에서 설계자에게 보다 친숙한 윈도우 NT로 바뀌어 가고 있는 추세이다.

2차원 설계는 그 자체가 가지고 있는 데이터 전달의 범위의 한계로 설계자의 의사 전달이 불명확할 때가 많다. 이렇게 설계 단계에서 생성된 데이터는 실제로 제작이라는 후공정을 통해서 문제점을 발견하는 경우가 많아서 잦은 설계 변경이 발생된다.

이로 인해 2차원 설계 프로세스로는 더 이상의 프로세스 개선을 위한 한계성을 인식하게 되었고, 이런 한계를 극복할 수 있는 개발 설계 프로세스로서 3차원 설계 프로세스를 근간으로 해결책을 모색하게 되었다.

3D CAD 소프트웨어를 이용한 3차원 설계 프로세스는 설계 단계에서 생성된 3차원 형상 데이터를 후공정에서 그대로 재사용할 수 있으며, 이는 데이터 중복 작업을 줄일 수 있는 효과를 가져올 뿐만 아니라, 일관화된 데이터의 흐름을 유지함으로써 2차원 도면에 의한 정보 전달에서 우려되는 프로세스간 정보 손실의 양을 최소화할 수 있다.

노승완 대리(현대 자동차 지그부)

지그 설계 프로세스

지그 설계 작업

자동차 제조에서 지그는 용접이나 조립시에 보조 수단으로 차체 조립물을 원하는 위치에 신속, 정확한 위치 결정과 움직이지 않도록 고정시켜 주는 역할을 한다. 지그 설계 공정은 MCP(Master Control Point)설계 공법, MCS(Master Control Section) 설계, UNIT 설계로 크게 세 부분으로 이루어져 있다. MCP는 차체조립 정도를 향상시키기 위하여 조립 GROUP별로 설정하여 설계, 부품제작, 치공구, 조립검사 등의 제품생산에 관련된 전부간에 걸쳐 일관된 관리의 대상 및 기준을 검토하는 것이다. MCS 설계는 MCP가 결정되면 판넬 도면에 그 위치를 표기하고 단면을 작성한 설계하는 작업이다.

UNIT 설계는 지그 위치할 차체 단면에 맞게 차체 보조물과 직접 접촉하는 부분인 Clamp와 Locator , 보조 부분인 Cylinder, Bracket, 고정구를 설계하는 작업이다. 2D 기반 지그 설계는 현 현대자동차 지그부의 업무 프로세스를 분석한 것이다. 그리고 이에 Solid Edge를 도입함으로써 프로세스 개선과 효과를 기대할 수 있다.

기존 2D 기반의 지그 설계와 사용된 Tool들

<그림 1> 2D based Jig Design System

본 개발 환경은 현대자동차 지그부에서 지그 설계 프로세스를 분석한 것이다. <그림 1> 에서 보는 것 같이 설계자가 MCP 공법에 따라 CATIA에서 모델링된 3차원 Panel 데이터를 지그 설계하기 위한 단면을 추출하고, 이 단면을 2D IGES로 변환한다. 여기서 차체 단면을 추출하는 작업을 CATIA 환경에서 이루어지므로 몇몇 전담 설계자 몇 명만이 가능한 작업이다. 이러한 잦은 설계 변경으로 인한 단면 추출 작업이 많이 있기 때문에 전체적으로 작업의 생산성과 효율성을 저하시켰다. 지그 설계가 2D AutoCAD 기반으로 개념 설계, 기능설계가 이루어 진다. 그리고 지그 간섭 체크와 지그 조립 시스템 간섭 체크를 하기 위해서 설계자가 2D 도면을 보고 3D로 전환하여 ROBCAD환경에서 지그와 판넬 간섭체크, 지그와 지그간 간섭체크, 판넬과 로봇과도 간섭 체크를 한다. 간섭이 일어나는 부분이 있으면 Feedback하여 AutoCAD 환경으로 설계 검토한다. 2D 환경이므로 설계와 동시에 간섭 체크가 불가능하기 때문에 설계 변경시 잦은 시행착오를 겪게 된다.

3D 기반의 지그 설계와 효과

<그림2> 3D based Jig Design

지그 설계 부문의 3D Solid 설계 추진에 따른 향후 설계, 출도, 가공 프로세스의 개선을 통해 설계의 효율성과 생산성을 높이고자 한다. 또한 데이터의 호환성으로 협력업체와의 시스템의 통합을 구축하고자 한다. 2D 기반 설계에서는 지그 설계, MCS, Check Sheet, CAM 데이터의 작업이 다른 시스템에서 이루어 졌다. CATIA 시스템에서는 MCS 생성, Check Sheet, CAM 데이터, AutoCAD 시스템에서는 지그 설계인 Clamp, Locator, Bracket 등을 하였다. 이로 인해서 지그 설계에서 초기 3D 데이터의 이용이 되지 않아 생산성 저하를 초래하였다. 지그 설계에서 저가의 3D CAD 시스템을 도입함은 전체 지그 설계 프로세스 걸쳐서 3D 데이터를 공유할 수 있다는 것이다. 이로써 기존의 작업보다 효율성과 생산성 향상을 도모하고자 한다. 요즘의 3D CAD 시스템들은 솔리드 근간으로 Feature 개념을 수용하고 있고, Parametric 모델링 기법을 채택하여 설계자에게 보다 쉬운 설계 환경을 제공하고 한다. 특히 Solid Edge V 7.0은 저가의 CAD 시스템이지만 지그 설계에서 중요한 좌표계개념이 추가 되어 있다. 이는 3D 시스템인 Solid Edge환경에서 MCS 생성, MCS Sheet 생성 작업을 할 수 있다는 것이다.이로써 <그림 2>에서 보는 것 같이 지그의 개념 설계, 기능 설계를 할 수 있다. 그리고 기존에는 ROBCAD에서만 이루어진 지그 간의 간섭 체크 작업까지도 하고자 했다. ROBCAD에서는 차체 내 조립 시스템내의 간섭체크를 위해서 지그를 2D에서 3D 전환이라는 지그 설계 재작업이 없이 3D 데이터를 그래도 이용할 수 있다. 3D CAD 시스템은 도입은 시리얼한 기존의 설계 업무에서 단순히 수작업에 의존하는 일을 빠른 컴퓨터, 좋은 CAD 시스템으로 대치하는 것만으로 획기적인 변화를 기대하기는 어렵다. 지그 설계에 맞는 3D 설계 프로세스 정립이 필요하다.

지그 설계 지원 개발 시스템

<그림 3> Jig Design Process with Solid Edge

Solid Edge 응용 지그 설계 지원 지그 설계 현업에서는 3D CAD 시스템으로 어떻게 적용되는지에 대하여 살펴보자. 여기서 고려되는 3D CAD 시스템은 Solid Edge V7.0 이상을 적용한 것이며, <그림 3>에 나와 있는 프로세스로 이루어진다. 차체 3차원 데이터인 IGES 파일을 로드하는 속도를 줄이기 위해서 Parasolid 파일로 변환 후 Solid Edge로 Import한다. Import한 차체 Panel로 MCP 설계 공법의 지침에 따라 MCS 프로그램을 구동한다. 이 MCS 프로그램은 Solid Edge환경에서 Surface 형상의 단면을 추출하는 모듈이다. 이 프로그램은 절대좌표계를 이용하여 Surface 와 Wireframe 형상의 절단 단면을 생성시키기 때문에 Solid Edge V 7.0 이상 환경에서만 운용이 가능하다. 기존 2D 기반 설계에서는 CATIA에서만 이루어진 제작 검사용 MCS Sheet 출도를 Solid Edge 환경에서도 가능하도록 하는 모듈을 개발하였다. 그래서 설계자가 저가의 3D CAD 시스템 환경에서 보다 쉽게 설계할 수 있도록 하였다.또한 생성된 단면으로 지그 UNIT에 필요한 Locator와 Clamp를 설계한다. Locator와 Clamp는 지그 부분에서 가장 중요한 부분으로 조립물체를 고정시키는 역할을 한다. 이로 인해서 생성된 단면 형상 관리도 중요하다. 두 부품을 설계하고 나서 주변 부품인 Bracket, Cylinder, Bolt 등을 미리 3D 라이브러리로 구축된 모듈로 작업하게 된다. 이는 지그 설계의 기간을 단축시키는 주요 역할을 한다. 또한 지그 UNIT을 2D 도면으로 출력시에 필요한 Symbol, 기준값을 지원하는 모듈을 개발하였다. GA(Group Assembly) 환경에서는 전체 지그 조립 프로세스를 조립하여 서로간의 간섭도 체크하고자 한다. 간섭체크에는 지그내 간섭, 지그와 지그간 간섭, 지그와 전체 시스템간 간섭 등이 있다. 지그내 간섭은 Cylinder, Clamp간에 일어나는 기구학 측면에서 검사하는 것이다. 그리고 지그와 지그간 간섭은 지그의 Cylinder, Clamp가 움직이면서 다른 지그와 충돌이 일어나는지에 대해 검사한다. 지그와 전체 시스템간 간섭은 Panel, 지그 와 ROBOT간의 간섭 체크로 조립라인에서 충돌이 일어날 수 있는 부분을 Simulation으로 검토한다. 여기서 2D 기반에서는 어려운 간섭 체크부분을 3D CAD인 Solid Edge에서 지그내 간섭, 지그와 지그간 간섭을 검토하고자 한다. 그리고 ROBCAD에서는 지그와 전체 시스템간 간섭만을 체크하고자 한다.

MCS 생성 프로그램 개발

<그림4>Creating the Intersection points and curves of the Panel

MCS 생성 프로그램은 좌표를 이용할 수 있는 Solid Edge V 7.0 이상을 기반으로 개발된 모듈이다. 이전에 CATIA에서 이루어진 작업이기 때문에 MCS 생성 프로세스가 Solid Edge에 맞게 최적화하는 것이 필요하였다. 그래서 먼저 CATIA에서 이루어지는 MCS 생성 작업을 이해하는 것이 필요했다. MCP 공법에 따라 MCS 1D, 2D까지는 CATIA에서는 축을 기준하여 단면을 생성시키고, MCS Sheet를 자동으로 출력시킨다. 하지만 MCS 3D에서는 설계자가 절단 단면의 모양을 결정하기 위해서 MCP 설계지침에 따라 좌표 위치를 잡아야 하고 MCS Sheet도 직접 작성해야 한다. 가장 어려운 부분인 MCS Sheet 작성은 전담 설계자만 할 수 있어, 지그 설계의 생산성을 저하시키는 요인이 되고 있었다. 그래서 Solid Edge에서 이 부분의 프로세스를 자동으로 처리할 수 있는 모듈 개발이 필요했다. Solid Edge에서 Surface 형상의 교차점과 교차점을 구하기 위해서는 <그림 4>에 나와 있는 모듈이 필요하다. 이 모듈은 지그에서 필요한 MCS 단면을 추출하기 위해서 Solid Edge에서 지원하는 API로 개발된 것이다. 먼저 MCP 공법에 따라 MCS 타입(1D, 2D, 3D)을 선택하고 좌표 위치를 입력하면 자동으로 단면 생성한다. 설계자는 구해진 교차점과 곡선을 2D Sketch환경에서 교차점과 곡선을 추출하여 MCS 단면 보완 작업을 하여 MCS 도면으로 출도하게 된다.

구축된 3D Library에 의한 부품 설계

<그림5>3D JIG Library

3D 설계를 도입함으로써 얻을 수 이점은 제품을 만들지않고, 3차원 모델을 이용해서 지그 설계가 가능한 것인데, 이것이 가능하려면 지그 UNIT 부품들에 대한 라이브러리가 필요하다. 이 라이브러리에게 고려되어야 할 요소가 다음과 같다. - 지그 UNIT 분류 기준(Bracket, BASE, PIN, CLEVIS, STOPPER 등) - 지그 부품 관리 기준(표준 부품, 구매품) - 지그 모델링 Parameter 부여 - 지그 라이브러리 데이터베이스의 논리적, 물리적 구조 (MS -ACCESS) 그러므로 라이브러리를 구축하기 위해서는 표준화, 규정이 중요하다. 이 라이브러리 부품은 주어진 사양대로 모델링하여야 한다. 지그 설계에 필요한 부품들(Bolt , Boss, Air Cylinder, Bearing, Motor, Switc등)을 관리하는 시스템을 개발하였다. <그림 5>는 개발된 시스템의 인터페이스와 내부 동작을 나타낸다. 이 시스템은 Solid Edge Assembly 환경에서 설계자가 하고자 하는 모델을 선정하여 적절한 Parameter기입을 하면, Database에 저장된 정보에 따라 주어진 부품에 따라 Parameter 값이 적용되어 부품이 3D Solid 형상으로 생성한다.

2D 도면 지원 모듈
<그림 6> 2D Drawing Symbol of JIG	JIG UNIT를 2D 도면으로 출도하기 위해서 추가되어야 할 Symbol, 지시선 등을 지그 표준에 맞게 모듈을 개발하였다. 지원하는 2D Symbol들은 <그림 6>에 나와 있는 Bolt, Dowel, Weld, Finish, Gap들로 지그부에서 많이 쓰이는 것이다. 그리고 2D 작업을 최소화하기 위해서 자동으로 Symbol이 기입되어야 하는 형상들을 선택하면 기입할 수 있도록 되어 있다.

지그 MCS Sheet 출력 모듈

<그림 7> 2D Drawing of MCS Sheet

지그 제작의 검사용 MCS Sheet 도면으로 기존의 2D 기반 지그 설계에서는 CATIA에서 쉽지 않은 환경에서 작업해야 했다. 그래서Solid Edge 환경에서 MCS Sheet가 가능하도록 하는 모듈이 개발이 요구되었다. 이 모듈은 Panel 절단 단면형상이 지그 설계 표준인 Carline격자 기준에 정확한 위치에 나타나야 했다. MCS 도면 기준은 MCS 타입에 따라 1D, 2D, 3D로 구분되어 있다. <그림 7>은 MCS 3D을 MCS Sheet 출력한 것이다. 여기서 단면 형상이 A4 사이즈에 중앙으로 움직이게 해야 한다. 이 단면 형상의 Carline 격자의 위치값이 50단위로 이루어져 있기 때문에 단면이 움직일 때마다 격자의 위치값도 변경하도록 하였다. 그리고 지그 표준에 맞도록 표제란을 자동으로 생성하였다. 개발된 모듈을 통해 MCS 생성 작업이 아주 짧은 시간에 끝날 수 있도록 하였다.

3D 도입 효과 및 개선점

기존의 2D 기반 지그 설계는 지속적인 생산 납기 단축 목표를 달성하는데 한계가 있었는데, 3D솔리드 기반 지그 설계는 3D 데이터를 디자인에서 제조까지 그대로 이용되기 때문에 설계기간을 최소한 30% 단축시켰다. 그리고 3차원 조립 데이터 관리를 통한 설계 품질을 향상시켰다. 설계변경시 신속한 반영이 가능하게 되었다. 2차년도 지그 설계 자동화의 목표로 Solid Edge시스템에서 보완되고 최적화 되어야 할 기능은 다음과 같다. - 단면 추출하는 기능의 속도 개선 - MCS 생성 부분 보완 (자동 MCS 생성) - Assembly환경에서 지그가 작동하면서 간섭 체크 기능 - 검사용에 필요한 부분의 포인터 추출 기능 지난 1년 동안 도입 단계에서 저가 3D CAD 시스템이 갖고 있는 기능적 한계, 설계 프로세스 변경에 적응하지 못한 설계자의 부정적 견해, 모듈 개발의 기술적 취약 등 여러 가지 난관이 있었지만 이를 통한 시행착오를 거치면서 지그에 필요한 기술력을 확보할 수 있었다. 향후, 이를 기본으로 하여 지그 설계 자동화를 구축하고, 지그 해석에 필요한 CAE를 도입으로 지그 전용 솔루션을 제공해 나갈 것이다.