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기고문 : 3D CAD와 통합된 모션 시뮬레이션의 활용 - 구동 메커니즘 검증을 위한 솔리드웍스 모션

작성자
솔리드웍스
작성일
2017-02-28 17:12
조회
2222
많은 부품으로 구성되어 있는 기계나 다양한 부품이 조립된 제품들은 특정 작업을 수행하기 위해서 움직임이 발생하는 경우가 많다. 움직임을 원하는 대로 제어하기 위해 다양한 종류의 모터 및 센서가 장착된다. 이러한 장치들을 이용하여 매우 복잡한 움직임도 전기적인 신호로 제어할 수 있다. 기계나 제품의 작동 원리나 구조를 '메커니즘'이라고 하는데 최근에 메커니즘이 다양한 형태로 적용되고 있으며 매우 복잡해지고 있는 추세이다.

메커니즘을 검증하기 위해서 과거에는 물리적인 프로토타입을 이용한 실험을 수행하였으나, 최근에는 메커니즘이 복잡해짐에 따라 예전보다 더 많은 시간과 비용을 투자해야 원하는 결과를 얻을 수 있다. 이러한 어려움을 개선하기 위해서 많은 기업에서 모션 시뮬레이션 기술을 도입하고 있다. 모션 시뮬레이션이라는 것은 움직이는 시스템이나 메커니즘에 대한 시뮬레이션이며, 움직이는 부품에 대한 기구적인 작동과 작동 중에 발생하는 물리적인 힘에 대한 시뮬레이션이라고 정의할 수 있다. 이를 통해서 일반적으로 물리적인 실험을 통해서만 얻을 수 있었던 연결 조인트에서의 힘, 전력 소비량과 같은 유용한 정보들을 획득할 수 있다.

가상 프로토타입으로 메커니즘 검증내
솔리드웍스 모션(SOLIDWORKS Motion)은 메커니즘을 검증하고 성능을 파악하는데 관심이 있는 엔지니어 및 설계자를 위한 가상 프로토타입 도구이다. 이 분야의 선두주자인 아담스(ADAMS) 기술을 이용하는 솔리드웍스 모션은 설계를 실제 제품으로 제작하기 전에 메커니즘이 예상한대로 작동되고 성능을 발휘하는지 검증할 수 있도록 도와주는 다물체 동역학 솔루션이다. 솔리드웍스 모션의 기능들은 복잡하고 혁신적인 제품을 보다 쉽게 작성하기 위해서 움직이는 부품이 포함되어 있는 제품을 설계하는 설계자들에게 설계에 대한 통찰력을 제공한다.


그림 1. 솔리드웍스 사용자 인터페이스 내에서 사용 가능한 솔리드웍스 모션


솔리드웍스 모션은 솔리드웍스 3D CAD와 완벽하게 통합되어 있어 누구나 쉽게 사용할 수 있다. 하나의 인터페이스에서 설계, 시뮬레이션, 결과 분석을 매끄럽게 진행할 수 있다. 솔리드웍스 어셈블리 및 파트에 정의되어 있는 재질 정보와 같은 속성들이 그대로 유지될 뿐만 아니라 메이트(부품 간 연결 정의) 정보를 불러와 모션 시뮬레이션을 수행하기 위해서 필요한 부품 사이의 조인트 조건을 자동으로 정의할 수 있다. 따라서, 연결 조인트 조건을 정의하기 위해소비되는 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 솔리드웍스 모션은 다양한 인자들을 지정하여 모션에 대해 계산하고 시간에 따른 힘이나 위치 변화를 측정할 수 있다.

제품 구동에 따른 영향 예측
솔리드웍스 모션을 이용하여 모션 시뮬레이션을 수행할 때 모 든 부품은 매우 큰 하중이 작용하더라도 변형이 발생하지 않는 강 체로 가정한다. 실제 환경에서는 변형이 미미하게 발생할 수 있지 만, 그 변형이 메커니즘에 미치는 영향이 매우 작다면 전체적인 계 산량 감소를 위해서 강체로 가정하여 시뮬레이션을 수행하는 것 이 효과적이다. 제품이 구동할 때 특정 부품에서 발생하는 응력이 나 변위 정도를 파악할 필요가 있는 경우, 솔리드웍스 모션에서 확 인하고자 하는 부품을 선택하고 시간을 설정한 후 시뮬레이션을 수행하면 특정 부품의 시간에 따른 응력 분포나 변위를 확인할 수 있다.(그림 2)


그림 2. 특정 시간에서 특정 부품의 응력 분포 확인


다양한 모션 시뮬레이션 지원
솔리드웍스 모션은 시간 기반 모션(Time Based Motion) 시뮬레이션과 이벤트 기반 모션(Event Based Motion) 시뮬레이션을 모두 지원한다. 시간 기반 모션 시뮬레이션에서는 하나의 동작이 발 생하면 정해진 시간까지 지속된다. 동작이 발생하는 정확한 시간을 지정하여 메커니즘이 연속적으로 작동하도록 시뮬레이션을 수행한 다. 예를 들면, 0초에서 1초까지는 A라는 파트가 X 방향으로 움직이고 1초에서 2초까지는 B라는 파트가 Y 방향으로 움직여 특정 작업을 수행하는 경우이다. 즉, 정해진 시간대로 모션이 발생되고 진 행되는 경우에 대한 시뮬레이션이다.


그림 3. 시간 기반 모션(왼쪽)과 이벤트 기반 모션(오른쪽)


이벤트 기반 모션 시뮬레이션은 시간보다는 이벤트에 의해서 동작되는 메커니즘을 위한 모션 시뮬레이션이다. 동작을 제어하기 위해서 서보 모터를 사용하고 동작이 발생되는 시점을 결정하기 위해서 근접 센서(레이저 위치 탐지기)를 사용한다. 예를 들면, A 부품 과 B 부품 사이의 거리를 근접 센서가 지속적으로 측정하고 있다가 A 부품이 움직여서 B 부품과 거리가 1mm 이내가 되면 A 부품은 정지하고 B 부품이 X 방향으로 움직이기 시작하는 경우이다. 즉, 정해진 조건을 만족하면 다음 모션이 발생되고 진행되는 경우에 대한 시뮬레이션이다.

솔리드웍스 모션에서 모션 시뮬레이션을 위해 정의한 모션에 대 한 작업 내역을 실사와 같은 고품질 이미지 및 애니메이션 렌더링 도구인 솔리드웍스 비주얼라이즈(SOLIDWORKS Visualize)로 내보내고 이를 활용하여 모션에 대한 애니메이션을 보다 사실적으로 렌더링할 수 있다. 솔리드웍스 모션에서 변경된 모션 작업 내역을 솔리드웍스 비주얼라이즈로 한번의 클릭으로 업데이트 가능하므로 별도의 작업없이 신속하게 변경 내용을 적용한 애니메이션 제작 이 가능하다.


그림 4. 솔리드웍스 모션(왼쪽)과 솔리드웍스 비주얼라이즈(오른쪽)


맺음말
메커니즘은 점점 더 복잡해지고 있다. 한번 제작되면 변경하는 것이 어렵고 변경이 진행되더라도 비용이 많이 소요된다. 제어 시스템 없이 대형 시스템이나 복잡한 시스템을 제어하는 것은 어렵고 움직이는 기계에 대해서 이해하는 것도 어렵다. 게다가 특정 부품들의 모션에 대한 메커니즘을 정확하게 파악하여 이를 최적화하는 것은 많은 시간과 비용을 투자해야 하는 작업이다.
모션 시뮬레이션 기술을 이용하여 메커니즘에 대한 최적화를 효과적으로 수행 한다면 개발 기간을 단축시키고 비용 또한 절감할 수 있을 것이다. 제품 개발 과정에서 모션 시뮬레이션 기술을 적용할 수 있는 솔리드웍스 모션을 제품 개발 단계에 도입하면 시제품 제작 및 물리적인 실험 횟수 감소, 품질 향상, 다양한 옵션에 대한 연구, 제품 회수 회피 및 보증 비용 감소, 금형 수정 비용 감소, 설계 및 개발 시간을 감소시킬 수 있을 것이다.
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