Visual LISP을 이용한 極小型 機械部品 設計 및 加工 프로그램 開發 = Development of design and manufacturing program for micro scale machine element using visual LISP

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 극소형 기계부품의 설계 및 가공에 관한 시스템을 통합하기 위한 방법의 하나로 각 시스템에 공통적으로 적용될 수 있는 3D 솔리드 모델을 자동 생성하는 기계요소 자동설계 프로그램 및 NC 코드를 생성해주는 CAM 소프트웨어를 AutoCAD 기반의 개발프로그램인 Visual LISP을 이용하여 개발하였다.
CAD/CAM시스템의 설계 및 가공방법은 제품 설계, 도면화, 제작검증, NC코드 생성, 가공 및 측정의 순서로 이루어져 왔다. 여기서 제작검증, NC코드 생성 및 가공의 분야가 통상 CAM으로 분류되어졌으며 CAD와 CAM은 각각 일정한 분야를 가지고 있다. 그러나 하드웨어의 비약적인 발전과 소프트웨어 개념들의 진화로 3차원 설계는 전 산업에서 서서히 현실화되어가고 있을 뿐만 아니라 CAD 내에서 기본적인 CAM 기능을 수행함으로 공정단축 및 생산성 향상을 가져오고 있다. 특히 초정밀부품에 대한 요구에 의해 전기, 화학적인 나노가공 방법 등이 소개되고, 절삭에 의한 마이크로가공이 수행되고 있다.
CAD 분야는 제품설계 및 도면작업시 사용되는 CAD 시스템의 경우 복잡한 도형이나 단순 도형의 반복적인 작업에 시간소모와 인력낭비의 문제점을 가지고 있다. 그리고 상용 CAM 소프트웨어는 화려한 GUI, 다양한 기능 및 모의 가공 시뮬레이터 등을 탑재하여 고가로 판매되고 있으며 CAM 소프트웨어 기능학습에 따른 시간문제도 가지고 있다. 특히 메이커의 지속적인 업그레이드에 따른 고정비용 지출에 대한 부담감을 가지고 있기 때문에 일반생산업체의 경우 CAM에 대한 투자의욕을 절감케 하는 요인으로 작용하였다. 뿐만 아니라 상용 CAM 소프트웨어의 경우는 범용적인 가공에 초점을 맞추어 제작되었기 때문에 1/1000mm 이하의 공차는 무시하고 NC코드를 생성하게 된다. 극단적인 경우는 가공 공차를 1/100mm로 두었을 때 1mm 이하의 원호보간은 직선보간방법으로 절삭하기 때문에 초정밀가공이나 마이크로 가공에는 부적합하다. 그래서 고속가공 전용기를 생산하는 메이커에서는 별도의 CAM 소프트웨어를 개발하여 고가의 비용으로 제공하고 있다. 그리고 초정밀가공인 마이크로 가공을 위해선 고가의 전용기와 전용기를 구동할 수 있는 컨트롤러가 필요하며 공구 역시 극소형 기계부품의 가공에 적합한 전용공구를 사용해야 하기 때문에 일반 생산업체에서는 극소형 기계부품을 정밀하게 가공한다는 것은 불가능하다. 뿐만 아니라 가공된 극소형 기계 가공품의 결합 역시 해결해야하는 문제점을 가지고 있다.
이와 같은 CAD와 CAM부분에서의 문제점을 극복하고 나아가 범용공작 기계 상에서 극소형 기계부품을 하기 위해 고안된 것들 중에 하나가 ADS(automatic design system)이다. ADS는 제품설계에 대한 기초적인 지식만으로 2D, 3D 형상을 손쉽게 제작할 수 있으며, 생성된 개체의 검증뿐만 아니라 극소형 기계 부품의 가공용 데이터까지 생성할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그리고 기계에서 측정된 데이터의 수학적인 검증과 공학용 계산에도 활용할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 자동설계에 대한 기본적인 활용을 제시함으로 설계분야가 가지고 있는 문제점을 극복하고 나아가 공학용 계산뿐만 아니라 측정된 데이터의 검증을 ADS를 통해 제시하였다. 이를 위해 자동설계 프로그램, 공학용 계산프로그램 및 LSM, LSC 프로그램을 개발하였다. 그리고 범용공작기계를 통한 극소형 기계부품 가공에 대한 가능성을 확인하고자 상용 CAM 소프트웨어가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 ADS상에 구현되는 CAM 소프트웨어를 개발하였고 이를 검증하기 위하여 상용 CAM 소프트웨어에서 생성되는 NC 코드와 형상정밀도를 비교하였다. 그리고 극소형 기계부품 가공을 위해 주축증속기와 미세공구를 사용하여 범용공작기계 상에서 본 연구에서 개발된 CAM 소프트웨어를 이용하여 3mm 직경을 갖는 스퍼기어를 가공하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The CAD/CAM system is composed of product design, manufacturing confirmation, NC code creation, manufacturing and measurement function. This study is to develop the application programing for CAD/CAM system which can be adopt to micro machining effectively. Automatic design system for 3D solid model is newly suggested program in manufacturing process, micro-machining of gear teeth is conducted in milling process.
The file conversion program which can be adopted to curve fitting calculation and RP system is developed by Visual LISP based on AutoCAD. The advanced CAM system which can control contour precisely is proposed, and it is confirmed that the performance and precision is superior to commercial CAM system. The NC code generation by developed program is applied to spur gear machining specified as module 0.25, pressure angle 20", number of teeth 10. To machine micro spur gear, high speed spindle attachment is equipped in conventional machine and micro-tool is designed newly. By measuring tooth contour, it is obtained that deviation is whitin 2.6㎛ and the dominant parameter in surface texture is feedrate in micro-machining.
The suggested program can be adopted effectively to manufacturing of small-scale machine elements as design and processing program.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅳ
• List of tables = ⅵ
• List of figures = ⅶ
• Nomenclature = ⅹ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구배경 = 1
• 2. 연구목적 = 6
• Ⅱ. 자동설계 프로그램 개발 = 8
• 1. Visual LISP의 개요 = 8
• 2. 자동설계 프로그램의 개발과정 = 12
• 3. 개발된 자동설계 프로그램의 활용 예 = 19
• 가. 기어 자동설계 프로그램 = 19
• 나. 나사 자동설계 프로그램 = 28
• 다. LSM, LSC 적용 계산프로그램 = 32
• 라. RP 가공용 파일 자동변환 프로그램 = 40
• Ⅲ. CAM 소프트웨어 개발 = 46
• 1. 상용 CAM 소프트웨어의 문제점 = 46
• 2. CAM 소프트웨어 개발 = 50
• 3. 개발된 CAM 소프트웨어의 검증 = 61
• Ⅳ. 극소형 기계부품 가공의 적용 = 73
• 1. 가공장치 = 73
• 2. 치형 가공 및 측정 = 80
• Ⅴ. 결론 = 88
• 참고문헌 = 89
• ABSTRACT = 94
• 부록 = 96