d라이브러리

설계에서 생산까지의 전과정을 일관되게 컴퓨터로 처리한다는 것은 공학자에게는 하나의 꿈이다. 이 꿈은 현실로 다가서고 있다.

공장자동화(FA)하면 대부분의 사람들은 단순하게 켄베이어벨트에서 제품을 자동조립하는 로봇만을 생각한다. 그러나 이는 극히 일부분. '장님 코끼리 더듬기'식이다. 공장자동화는 제품이 기획 설계돼 일정한 관리방식 속에서 설계돼 나올때까지의 총체적인 공장 업무를 모두 포함한다. 이를 압축한다면 설계 관리 생산으로 3대별 된다.
 

이를 자동화하는 방법 중의 하나가 바로 CAD/CAM(Computer Aided Design & Manufatuning)이다. 우리나라 말로는 '컴퓨터 지원 설계' '컴퓨터 지원생산' 등으로 불려진다. 이 CAD/CAM은 CIM(Computer Intergrated Manufaturing) 등과 함께 산업계에서 인기있는 유행어가 돼있다.
 

최근 30여년 동안 컴퓨터산업의 눈부신 발달은 제반 여타산업의 급격한 변화를 강조하였다. 그중에서도 기계, 항공, 조선, 건설부문의 설계 및 제도과정에서 컴퓨터그래픽을 이용하기 시작, 현재는 질적 양적으로 상당수준 널리 응용되고 있다.
 

초기의 컴퓨터용도가 주로 뛰어나 연산능력에 의존하여 해석에 치우쳤던 것이 점차 실질적인 설계 및 제도에 활용됨으로써 한껍질을 벗은 새로운 모습의 컴퓨터로 자리잡게 된 것이다.
 

그러나 설계란 그 핵심이, 인간의 본질중의 하나인 창의성과 독창성의 실현과정이라고 할 때 그것 자체를 송두리채 컴퓨터에 맡길 수도 없는 일이며, 컴퓨터는 이를 수행할 능력도 없다는 것은 삼척동자도 다 아는 사실이다.
 

그러나 설계과정의 보다 많은 작업이 사고작용 보다는 제도판위에서의 제도와 같은 반복적이고 상투적인 작업이라는데서 CAD의 이용여지가 있는 것이며, 이는 전자산업의 진보와 소프트웨어 공학의 발달로 더욱 확장되고 있다 하겠다.

화면에서 진행되는 모의실험
 

CAD는 신규설계 및 수정 그리고 설계의 해석과 최적화를 돕기 위한 컴퓨터시스팀의 사용으로 정의될 수 있다.
 

즉 엔지니어나 건축가 제도사는 컴퓨터의 입출력장치로 꾸며진 워크스테이션이라는 새로운 작업공간에서, 마치 이전에 그들이 제도판 위에서 T자와 삼각자를 들고 작업하듯이 디지타이저나 마우스를 손에 쥐고 모니터를 보면서 설계 및 제도작업을 행하고 검토 수정한다. 또한 그 설계가 제대로 된 것인지를 모의실험(Simulation)할 수도 있다.
 

예를들어 컴퓨터를 제작하기 위한 PCB보드를 그래픽화면 장치에서 제도한 다음, 그들의 연결이 올바른지를 시뮬레이션하게 되면 회로연결의 오류를 금방 확인할 수 있다. 또한 고층건물을 설계화면서 지진이나 강력한 풍력에 의한 번형범위나 하중전달과정 등을 건물을 완성하기 전에 가시적으로 확인할 수 있는 것이다.
 

도면이라는 것은 대개 3차원의 물체를 2차원으로 표현함으로써 표현상의 한계를 가질뿐 아니라 오류가 생기기 쉬워, 자재수량의 산출 등에서 어려운 점이 많다. 하지만 컴퓨터를 이용하게 되면 이들을 쉽사리 3차원적으로 확장하여 입체적으로 검토할 수 있다. 이로써 물량의 산출이나 수정작업이 매우 유기적으로 진행돼진다. 그러나 이렇게 진보된 기능을 갖춘 완벽한 시스팀은 아직까지는 존재하지 않는다.
 

현재까지 엔지니어가 사용하고 있는 CAD의 영역은 기하학적 모델링 (Geometric Modelling) 공학적 해석(Engineering Analysis) 설계재고 및 평가(Design Review Evaluation) 자동제도(Automated Drawing) 등 크게 4가지이다.
 

(그림1)은 일반적인 설계과정에서 CAD의 역할을 보여준다.
 

CAD시스팀의 하드웨어는 CPU(중앙처리장치) 및 주기억장치 등으로 구성되는 범용 또는 전용컴퓨터, 온라인 오프라인 기억장치, 그래픽터미널 및 디지타이저 등의 주변기기 등으로 구성돼있다.
 

소프트웨어는 사용회사에서 필요로 하는 공학적기능을 충족시키는 해석 프로그램과 컴퓨터그래픽스를 적절히 구현하기 위한 컴퓨터프로그램 등으로 이루어진다.
 

이들을 이용하여 설계하는 컴퓨터의 탁월한 기억용량을 활용, 부품도 등의 도면을 체계적으로 저장할 수 있고 수정 재생 등이 용이하여 생산성을 크게 높을 수 있다. 정교한 도면작업으로 품질을 증진시키고 다양한 표현방식으로 표현력을 증대시킬 수 있음은 물론이다.
 

또한 부품도 및 상세도면의 표준화가 가능하여 장차의 정보화시대에 효과적으로 대응할 수 있으며 나아가 불규칙한 작업인원수급을 쉽게 해준다.
 

지금까지의 이러한 CAD 시스팀 구성이 중형의 컴퓨터시스팀에서만 가능하여 그 구입에는 굉장한 비용이 요구돼왔으나, 컴퓨터산업의 추세는 점차 하드웨어의 가격을 낮추고 소형화시켜 CAD의 대중화는 크게 앞당겨질 전망이다. 특히 마이크로컴퓨터의 급속한 보급은 이러한 추세를 더욱 가속화시킬 것으로 예상된다. 다만 점차 비중이 커져가는 소프트웨어의 개발수준이 핵심적 요소로 부각되고 있다.
 

설계와 생산의 통합
 

CAM은 제조생산 플랜트의 기능을 계획 관리 제어하기 위한 컴퓨터시스팀의 사용으로 정의될 수 있다.
 

CAM의 적용은 크게 두가지로 구분된다. 첫째는 공정을 모니터하거나 제어할 목적으로 컴퓨터를 직접 연결하는 것이고, 둘째는 제조지원(Manufacturing Support)으로 컴퓨터는 플랜트에서 생산공정을 지원하는 역할을 하며 이의 응용분야는 다음과 같다.
 

● 수치제어프로그래밍(NC Part Programming)

● 공정계획(Process Planning)

● 작업표준화(Work Standard)

● 생산스케줄(Production Scheduling)

● 자재요구계획(Material Requirement)
 

여기서 가장 중요한 것은 CAD와 CAM의 통합이다. 현재의 추세는 CAD의 기하학적모델링과 CAM의 수치제어 프로그래밍의 연결인 좁은 의미의 CAD/CAM통합시스팀에서, 앞에서 언급한 CAD의 4가지 기능과 CAM의 전분야를 통합하는 넓은 의미의 CAD/CAM시스팀으로 발전돼가고 있다.
 

CAD와 CAM의 연결은 서로 공유하는 데이타베이스를 통해 이루어지며 그 개략도는 (그림2)와 같다.
 

이 통합은 단순히 데이타의 공유에만 의미가 있는 것이 아니고 CAD에서 나온 정보로 부터 CAM에 필요한 정보를 자동으로 구하는 것도 포함된다. CAD/CAM을 통합하는 데이타베이스는 설계정보 제작정보 재료정보 및 일정정보 등을 포함한다.
 

이들 정보를 이용하여 설계의 초기 단계에서 부터 제품제작 및 검사의 최종단계까지 일관해서 시스팀화를 가하자는 것이 CIM(Computer Integrated Manufacturing)의 기본개념이다.
 

50년대의 여명기를 거쳐서
 

CAD의 진보는 컴퓨터 그래픽스의 발달과 밀접하게 관련되어 왔다. CAD/CAM 분야에서 중요한 초기 프로젝트 중의 하나는 1950년대 중반 MIT에서의 APT언어 개발이었다.
 

APT는 공구의 움직임과 같은 문제를 기술하기 위한 언어로서, APT언어로 기술된 공구경로는 컴퓨터로 계산되어 종이테이프로 출력 되었다.

또 다른 획기적인 일은 1950년대 후반에 개발된 라이트펜(Light pen)이었다. 즉 시간을 절약하기 위해 CRT스크린의 특정한 부분을 식별하고 또한 특정기능을 사용하는데 라이트펜이 적용되어진 것이다.
 

한편 설계에 있어서의 컴퓨터의 이용은 1960년대초 '이반 서더랜드'가 개발한 '스케치패드'(Sketchpad)시스팀이 초기의 대표작품이다. 이 시스팀은 컴퓨터와 대화하면서 복잡한 설계작업을 추진해낼 수 있는 최초의 것이었다. 이때를 전후해서 개발된 GM의 DAC-1 이 있는데 이는 자동차 설계를 위한 것으로 IBM과 공동으로 개발한 것. 결국 이 시기 까지를 CAD/CAM의 여명기라 부른다.
 

이후 제1기의 CAD/CAM에는 대형컴퓨터가 사용되었고 이 경향은 미니 컴퓨터가 등장해서 턴키시스팀(하드웨어와 소프트웨어의 통합)이 보급되던 1970년까지 지속된다.
 

미국에서는 항공기업체가 선도하는 형으로 '록히드'사의 CADAM 등이 개발되었고 자동차업계에서는 GM이 CAD/CAM통합시스팀을 지향한 CADANCE를 개발한 것도 이 시기이다. 일본에서도 이때 CAD/CAM개발이 조선 자동차업계에서 착수되었고 우리 나라에서는 KAIST에 의해 CAD/CAM개념이 소개되기 시작하였다.
 

제2기는 1970년대 턴키(Turnkey) 시스팀이 보급되던 시기라 할 수 있다. 이 시기의 CAD/CAM은 기술적으로는 미니컴퓨터의 실용화로 제도의 기능을 강화하여 종전의 리프레시(Refresh)형 그래픽이 스토리지튜브(Storage tube)형 CAD/CAM으로 대체된다.
 

제3기는 1980년 이후 현재에 이르는 시기로 CAD/CAM은 하드웨어적으로 래스터스킨(Raster Scan)형 그래픽스와 마이크로컴퓨터의 보급으로 상징된다. 그리고 시스팀 면에서는 토탈시스팀지향, 고급형으로부터 간이형에 이르기까지 다양한 시대라 할 수 있다.
 

그리고 터미날에는 자체 CPU(중앙처리장치)가 탑재되어 있어 도형연산을 로컬(Local)아게 처리하는 지적(Intelligent)단말형으로 발전되고 있으며, PC의 보급으로 CAD/CAM시스팀이 값싸지고 기능이 다양해졌다. 또한 종래의 2차원 도면에서 3차원제도 시스팀으로 진전되고 있다.
 

기술은 진보하고 응용범위는 넓어지고
 

컴퓨터 기술의 발전에 따른 하드웨어의 급속한 저렴화는 틀림없는 사실이며 보다 더 정밀하고 다기능을 겸비한 디스플레이 장치가 등장할 것이며 아울러 CAD/CAM기술의 응용분야도 확대될 것이다.

■ 기술적관점

① 애니메이션(Animation)이 가능한 고해상도의 디스플레이기술 개발

② 보다 많은수의 컬러를 동시에 디스플레이

③ LAN(근거리지역 통신망)의 일부로서 마이크로컴퓨터가 인텔리젠트 워크스테이션의 사용이 증대

④ 컬러하드카피의 색상이 다양해지고 가격이 떨어진다.

⑤ 자동 반자동 디지타이저가 상용화 될 것이다.

■ 적용분야

① CIM의 적용기술이 향상될 것이다.

② 시스팀의 저렴화는 CAD의 사용범위를 급속히 확대시켜 중소기업의 상당수도 CAD/CAM시스팀을 채택할 것이다.

③ 사용자 자신의 고유분야에서 개발하였던 프로그램들이 시장에 팔리는 기회가 증대될 것이다.

④ 전문가프로그램이 설계공정에서 문제를 해석하고 결정하는데 많은 도움을 주게 될 것이다.

⑤ 군분류기술(Group Technology)의 사용이 증대되어 바람직한 표준화의 구조를 제공하게 될 것이다.
 

자전거 폐달이 만들어지기 까지
 

개념설계에서 부터 가공까지의 과정에서 CAD/CAM시스팀의 이용을 자전거 페달 및 크랭크의 경우로 간단히 보면 다음과 같다.
 

설계자는 워크스테이션에서 기존의 도면 및 자료를 이용하여 개발의 목표를 정한다.
 

다음에 개발의 목표에 따라 도면을 작성한다(그림3~4). CAD/CAM시스팀을 이용하면 이 단계에서 '파트리스트 (Part List) 작성 등이 가능하며 이때 군분류 기술이 이용될 수 있다.
 

설계된 부품중 해석이 필요한 부분은 해석용 소프트웨어를 이용하여 해석을 하며 이때 워크스테이션에서 작업한 형상데이타를 이용하고 또 해석결과를 워크스테이션에 출력할 수도 있다(그림5).

해석결과 설계가 만족스럽지 못하면 다시 설계를 수정하여 해석한다. 만족스러운 설계를 얻은 후 설계자는 워크스테이션에서 기계가공이 필요한 부품의 가공정보를 만들 수 있다. 이 가공정보에는 부품을 만들기 위해서 거쳐야 되는 기계 및 가공시간, 각각의 기계에서 공구경로 등을 포함한다(그림6).