<연재순서> 제1회 설계 품질 향상과 제조원가 절감을 위한 공차 분석제2회 기하 형상 변수 최적화를 위한 공차 분석제3회 물리적 특성 및 성능 최적화를 위한 편차 분석제4회 비선형 시험 데이터와 FEA 해석 결과를 설계에 반영하는 스마트 모델 구축 <프로필> 박우현 엔벤티브 공차분석 및 설계변수 최적화 시스템 기술지원 담당 차장으로, 전 키미데이타 PLM사업부기술지원 엔지니어, 자동차 생산기술 엔지니어로 일한 바 있다.E-mail | Parkama@hanmail.net홈페이지 | http://www.enventive.com 강건설계와 설계품질 개선을 위한 공차 분석(4)비선형 시험 데이터와 FEA 해석 결과를 설계에 반영하는 스마트 모델 구축 기존 대부분의 공차 분석은 제품 형상으로 3D 모델링을 완료한 후에 해석 업무의 일부로 실시해 왔다. 모델링한 제품이 제조 혹은 성능에 문제가 발생할 것인지 확인하기 위하여 설계 프로세스 후단에서나 생산에서 확인된 문제를 해결하려는 목적으로 실시해 왔다. 그러나 만일 이러한 공차분석을 해석이 아닌 설계초기 마스터 개념설계단계에서 실시하면 어떨까? 본 연재에서는 우리 산업에서 필요성이 점점 커지고 있는 공차 분석에 대하여 ‘강건설계와 설계품질 개선을 위한 공차 분석’이라는 제목으로 필자의 소견을 독자와 나누고자 한다.이번 기고문에서는 설계변수 최적화와 공차 할당 및 분석에 다양한 조건을 추가하여 보다 복잡한 형태의 분석 기법을 설명하도록 한다. 이번 호의 제목을 ‘비선형 시험 데이터와 FEA 해석 결과를 설계에 반영하는 스마트 모델 구축’이라고 했지만, 큰 맥락상의 제목으로 방향을 잡은 것이며 지금부터 말하고자 하는 것의 일부분일 뿐이다. 지난 호까지 설명한 엔벤티브라는 공차기반 설계변수 최적화 시스템은 방정식 기법의 사용으로 다양한 설계조건의 반영이 가능하다. 때문에 시험 데이터의 활용이나 다양한 해석의 결과를 모델에 반영하여 성능의 구현이나 누적공차 및 구동공차의 분석이 가능하다.말 그대로 수식화 가능한 설계 조건들을 상세설계 전에 반영하여 개념설계 단계에서 미리 최적화 후 상세설계를 진행하여 설계 변경이나 제조상에서 발생할 수 있는 문제점을 사전에 많은 부분 해결이 가능하다. 여기서 가장 중요한 핵심은 공차에 대한 다양한 조건의 적용이다. 지난 호까지 누차 강조를 했지만 지금까지의 공차를 감안한 설계는 경험적으로 또는 엑셀 수식을 사용하거나 전문 툴을 사용했어도 조립상의 공차만을 고려해서 공차에 대한 분석이 이루어진 것이 사실이다. 간단한 예로 한 자동차 업체의 담당자로부터 들은 말을 옮겨 본다. “하청업체에 공차 문제를 제기하면 공차를 더욱 정밀하게 바꾸어 드라마틱하게 조건을 맞추어서 가지고 온다.”여기서 중요한 것은 당연히 모든 공차에 대해 정밀하게 관리하면 당연히 조립성과 품질은 좋아진다. 그렇다면 과연 공차를 정밀하게 적용할 때 복잡한 관련 사항들을 세부적으로 분석하고 다양한 조건들이 반영된 상태에서 공차의 정밀화가 이루어졌을까? 물론 그랬을 수도 있지만, 현재까지 공차에 대한 부분은 단순한 누적공차 정도만 엑셀 또는 경험적으로 변경을 해 왔다.여기서 만약에 모든 설계 조건을 만족시켜서 품질향상과 제조 비용 및 제조시간까지 고려한다면, 어떨까? 공차에 대한 고민을 하는 엔지니어라면 당연히 ‘대만족’이라고 말을 할 수 있을 것이다. 하지만 지금까지의 공차관리 프로세스에서는 그렇게 할 수가 없었다. 해석적인 단계에서 또는 설계 이후 시험을 통한 단계에서 공차에 대한 검증 및 분석을 실시해 왔기 때문이다.

지난 호에서 소개한 내용과 같이 지금까지의 공차분석은 고정된(Static) 형태에 의한 기하형상에 대해서만 분석이 되어 왔다. 또한 상세설계 이후에 공차에 대한 분석만이 이루어졌기 때문에 초기 마스터 설계 단계에서의 공차 할당(Tolerance Allocation)에 대해서는 간과되었던 것이 현실이다. 물론 어셈블리 단계의 공차 할당을 고려하지 않은 것은 아니지만, 단품 파트의 공차가 고려된 후 누적공차의 분석에서 파악하여 공차의 계략적인 할당이 이루어져 왔다.용어상의 차이점에서도 볼 수 있듯, 공차 할당(Tolerance Allocation)과 공차 분석(Tolerance- Analysis)은 개념적으로도 설계업무 프로세스 상에서도 엄연히 차이가 있음을 알 수 있다.각각의 개념을 확인해 보면 <그림 1>과 같다.<그림 1>의 개념과 같이 설계자의 핵심 공차 사양 문제는 공차 분석보다 공차의 할당이 우선적으로 고려되어야 할 사항임을 알 수 있다. 최종 제품의 공차가 결정된 후 그에 맞는 공차의 할당이 각각의 파트에서 이루어져야 한다.정확히 이야기하자면 공차 분석은 개별 부품의 허용공차가 지정되어, 조립 결과 공차가 계산되지만, 공차의 할당은 조립 허용공차를 설계 요구사항에서 선행 지정 후 개별 파트의 공차는 미확정된 상황에서 각각의 파트가 사용할 수 있는 조립공차를 합리적 방식으로 배포 또는 할당해야 한다는 것이다. 이에 따라서 설계부서와 제조부서는 허용공차의 크기에 대해 항상 민감하게 반응할 수밖에 없는 것이다.공차의 할당이 중요한 이유는 앞에서 이야기한 ‘설계 요구사항’의 설계상의 반영 때문이다.엔벤티브 공차분석 및 설계변수 최적화 시스템 기술지원 담당 차장으로, 전 키미데이타 PLM사업부 기술지원 엔지니어, 자동차 생산기술 엔지니어로 일한 바 있다.E-mail | Parkama@hanmail.net홈페이지 | http://www.enventive.comProfile박우현강건설계와 설계품질 개선을 위한 공차 분석(3)물리적 특성 및 성능 최적화를 위한 편차 분석이번 호에서는 기하형상 변수 최적화에 이어서 ‘물리적 특성 및 성능 최적화를 위한 편차분석’이라는 내용으로 필자의 의견을 나누고자 한다.제1회 설계 품질 향상과 제조원가 절감을 위한 공차 분석제2회 기하 형상 변수 최적화를 위한 공차 분석제3회 물리적 특성 및 성능 최적화를 위한 편차 분석제4회 비선형 시험 데이터와 FEA 해석 결과를 설계에 반영하는 스마트 모델 구축연재순서(TOLERANCE ANALYSIS)(TOLERANCE ALLOCATION)COMPONENTS :ASSEMBLY :ASSEMBLY :COMPONENTS :그림 12013/1 · 143강건설계와 설계품질 개선을 위한 공차 분석(3)지금까지는 공차의 분석이 우선시되어서 공차가 논의되었기 때문에 설계 요구사항의 일정 부분 정도만 정확히 고려되어 반영되었으며, 나머지 설계 요구조건에 대해서는 제조상에서 맞춤으로 이루어지는 경우도 적지 않았다.예를 들면 조립 시 처짐이 발생하는 단품에 대하여 단품 설계시 처짐에 대한 공차를 정확히 반영하지 못한다. 제조상 처짐이 발생했을 때, 그때서야 설계 변경이 이루어져서 설계인자에 대한 변경 및 공차의 변경이 고려되어 왔다. 물론 새로운 제품의 개발일 때의 경우이다. 지금까지 제작되어 오던 동일한 제품에 대해서는 이미 같은 과정이 반복되어 설계상에 ‘경험적인 설계요소’가 반영되어 있을 것이다. 그렇기 때문에 큰 문제 없이 제작이 되어 왔을 것이고, 하지만 여기에서 필자가 말하고 싶은 것은 그렇다면 차라리 설계 초기단계 즉, 공차의 할당이 이루어지는 단계에서 기하형상적인 설계 요구사항뿐만 아니라 메커니즘에 관련된 물리적 특성이나, 조립 공정상의 물리적 특성들을 사전에 설계 변수 및 공차에 반영하자는 것이다.<그림 2>는 일련의 물리적 특성이 반영된 모델이다. 단순화된 형태로 보일 수 있겠지만, 이 모델에는 메커니즘이 반영되어 있으며 그에 따른 물리적 특성이 잘 반영되어 있다. 우선 모델을 설명하자면 자동차의 래치 시스템의 개념설계 모델이며 케이블로 핸들까지 연결되어 구동되는 형태이다. 여기에서 고려되어야 할 물리적 특성을 일부 나열하자면 핸들에서 당겨지는 포스(Force), 힘의 전달 매개체가 되는 케이블의 효율, 케이블의 연신율, 케이블의 총 손실량 등이 고려될 것이고 파트에는 포스(Force), 회전 시 발생하는 모멘트(Moment), 각각의 연결부위에 발생하는 응력과 마찰력 등 일반적인 설계상에서 반영되어야 할 요구조건들이 많이 들어있다.그렇다면 지금까지 이와 같은 상황일 때 공차가 고려되어 왔을까? 지금까지는 말 그대로 설계 시 ‘경험’이라는 부분에 의존해서 설계의 변수들이 정해졌고, 그에 따른 CAE나 실험을 통해 산출된 결과 값을 반영하여 설계의 변경이 이루어져 왔다.이러한 상황에서 과연 물리적 특성의 편차가 간과되어도 괜찮은 걸까? 필자의 대답은 “글쎄?”라고 하겠다. 필자의 대답의 의미는 지금까지 다양한 과정을 거쳐서 시간과 비용을 들이며 일련의 물리적 특성 관련 문제들을 해결해 왔다. 그렇기 때문에 앞으로도 그런 방식으로 설계 및 공차를 관리하는 것이 틀렸다는 것이 아니라는 것이다. 또한 지금까지 해 오던 방식을 변경하면 얼마만큼의 이점이 발생하는지? 필자로서는 정확한 답을 제시할 수 없기 때문이다. 물리적 특성의 설계 반영여부는 엄밀히 설계자의 몫이다. 필자는 개념적으로 물리적 특성의 부여가 설계에 어느 정도 영향을 미치는지를 설명하고자 하며, 이제부터 엔벤티브를 활용한 물리적 특성 및 성능 최적화에 대하여 조금 더 구체적으로 설명하려 한다.엔벤티브 솔루션은 기하형상에 대한 변수 및 공차에 대한 분석은 기본으로 제공되며, 큰 이점으로 물리적 특성과 여러 가지 설계 요구 조건을 반영할 수 있는 환경을 갖추고 있다.<그림 3>의 모델은 엔지 Cam 행정에 관련된 성능에 대해 최적화를 하고 물리적 특성을 적용하여 공차의 할당 및 분석을 진행한 형태이다. 흡기 및 배기관련 압축비를 계산할 수 있고, Cam의 토크(Torque)의 계산에도 활용되며, Counter Weight에 미치는 관성 및 관성 모멘트, 각각의 파트의 재질을 고려한 공차의 할당/분석에도 활용될 수 있다.그렇다면 여기에서 의문이 생길 것이다. 과연 저런 많은 부분이 성능과 공차에 영향을 줄까? 지금까지 말해왔던 것처럼 “물론 영향이 있다”고 말할 수 있다. 설계자들도 물리적 상식으로 재질에 대한 물리적 특성이 틀리며 그에 따른 자중 및 변형량이 바뀐다는 것은 개념적으로 알고 있다. 이런 부분들이 설계에 정확한 반영이 되지 않을 뿐이지 고려되는 설계 대상인 것은 확실하기 때문이다. 그렇기 때문에 공차의 할당 및 분석 시 기하형상에 관련 된 내용뿐 아니라 물리적 특성을 부여하여 공차에 대하여 적용하여야 한다는 것이다.더 나아가서는 그림의 엔진 모델처럼 메커니즘 관련 성능의 분석도 시행할 수 있다. 그렇다면 어떻게 성능까지 분석할 수 있는가? 답은 엔벤티브는 ‘계산기’라는 것이다. 엔벤티브는 모델링 툴도 해석 툴도 아니다. 또한 모델링 툴도 해석 툴도 될 수가 있다. 애매한 말이지만 어떤 영역에도 들어가지 않는 복합적인 기능을 가지고 원하는 결과를 도출하는 툴이라는 의미로 볼 수 있겠다.‘계산기’라는 의미는 공차 및 설계 변수 최적화(또는 성능 모델링시) 주어진 개념 모델에 원하는 값들을 입력하여 원하는 결과를 확인할 수 있다는 것이다. 원하는 값들이 힘이 될 수도 있고 자중이 될 수도 있고, 재질에 따른 무게가 될 수도 있다. 방정식화되어 수식화할 수 있는 입력 값이라면 어떠한 부분도 활용될 수 있다.마지막 회에서 다룰 예정이지만 갖가지 실험 데이터나 CAE 데이터의 결과값 또한 반영되어 공차 할당 및 분석에 활용된다. 이 부분은 연재 마지막 회에서 상세하게 설명할 예정이다.실제 물리적 편차가 설계상에서는 크게 의미가 부각되지 않지만, 제조부서에서는 상당히 큰 영향을 가지고 있다.공차 최적화 기술을 이용한 품질 개선의 측면에서 살펴보면, 다음과 같이 정리할 수 있다.

이번 호에서는 지난 호에 이어서 기하 형상 변수 최적화를 위한 공차 분석이라는 주제로 필자의 의견을 전달하고자 한다. <연재순서> 제1회 설계 품질 향상과 제조원가 절감을 위한 공차 분석제2회 기하 형상 변수 최적화를 위한 공차 분석제3회 물리적 특성 및 성능 최적화를 위한 편차 분석제4회 비선형 시험 데이터와 FEA 해석 결과를 설계에 반영하는 스마트 모델 구축 <프로필> - 박우현 엔벤티브 공차분석 및 설계변수 최적화 시스템 기술지원 담당 차장으로, 전 키미데이타 PLM사업부 기술지원 엔지니어, 자동차 생산기술 엔지니어로 일한 바 있다.E-mail | Parkama@hanmail.net홈페이지 | http://www.enventive.com 지난 호에서 기술하였듯이 전체적인 공차분석 및 최적화를 위해서는 Force, Moment, 마찰력 등의 물리적인 특성이 고려되어야 구동제품에 대한 정확한 공차를 분석할 수 있다.그러한 구동특성이 고려된 공차 분석에 대해서는 다음 호의 ‘물리적 특성 및 성능 최적화를 위한 편차 분석’에서 자세하게 다룰 예정이다. 이번 호에서는 일반적으로 지금까지 해 왔던 고정된(Static) 형태에 의한 기하형상에 대한 공차분석에 대해 중점적으로 살펴보고자 한다. 공차분석 2D의 필요성일반적으로 지금까지의 공차분석은 3D상에서 실시되어 온 경우가 많았으며, 그로 인해 상세설계 후에나 이뤄져 왔던 것이 사실이다. 그러다 보니 개념설계나 마스터 설계단계에서는 공차에 대한 문제가 부각되지 않은 상황에서 전통적으로 해 왔던 방식을 고수하여 마스터 설계를 잡아갔다.하지만 풀 3D 설계가 이뤄지는 업무 프로세스 상에서도 2D는 항상 많은 부분 활용되어 왔던 것이 사실이며, 설계 문제의 대부분을 2D상에서도 잡아낼 수 있다. 지금 필자가 말하고자 하는 부분이 바로 그런 현실적인 공차 분석 및 설계 변수에 대한 최적화이다. 예제를 통한 공차분석제품의 가공 및 조립상의 문제를 위해 고려되어야 할 부분이 공차 분석이다. 그 중에서도 기본적으로 기하 형상에 대한 누적공차 분석이 일반화되어 왔다.여기에서 기본적인 용어에 대해 알고 넘어가면, 기하 형상이란 실용적인 목적과 관련된 측량 및 제반 이론에 대한 형상이라고 의미를 부여할 수 있겠다. 말 그대로 어떠한 목적에 의해 규정된 측량된 형상이라는 의미로 볼 수 있겠다.또한 누적공차는 공차의 누적이라는 측면에서 두 가지로 나누어 볼 수 있는데, 한 가지는 설계상의 공차 누적(Design tolerance stack)이 될 수 있으며, 다른 한 가지는 공정에 대한 공차 누적이다.설계상의 공차 누적은 제품설계 시 허용된 공차에 대한 공차역의 과도한 안배 또는 축소된 공차를 누적 계산하여 설계 시 누적된 공차로 인한 불안전 설계요소를 파악할 수 있다. 공정에 대한 공차누적은 공정계획상 부적절한 공정전개에 의한 공차 누적의 발생을 의미한다. 이 말은 가공 및 조립과정에서 다양한 부품에 의한 누적공차가 아닌 공정상의 공차 누적이 발생한다고 판단될 경우 그 원인을 규명하고 누적 공차를 제거하기 위한 공정의 변화를 고려해야 한다는 것이다. 일반적으로 공정에 대한 공차 누적은 생산기술에 의해 수정될 수 있으며 그에 따른 적절한 분석 방식 및 검증이 필요하게 된다.  

기존의 대부분의 공차 분석은 제품 형상을 3D 모델링을 완료한 후에 해석업무의 일부로 실시해왔다. 모델링한 제품이 제조 혹은 성능에 문제가 발생할 것인지 확인하기 위하여 설계 프로세스 후단에서나, 생산에서 확인된 문제를 해결하려는 목적으로 이루어진 것이다. 그러나 만일 이러한 공차분석을 해석이 아닌 설계초기 마스터 개념설계단계에서 실시하면 어떨까? 이 글에서는 우리 산업에서 필요성이 점점 커지고 있는 공차 분석에 대하여 4회에 걸쳐 살펴볼 예정이다. <프로필> 박우현 엔벤티브 공차분석 및 설계변수 최적화 시스템 기술지원 담당 차장으로, 전 키미데이타 PLM사업부 기술지원 엔지니어, 자동차 생산기술 엔지니어로 일한 바 있다.E-mail | Parkama@hanmail.net홈페이지 | http://www.enventive.com 설계 품질 향상과 제조원가 절감을 위한 공차 분석우리는 설계를 위하여 CAD 시스템을 활용하는 것이 일반화 되어 있다. 이 CAD 시스템으로 생성된 기하 형상은 완벽한 기하학적 정의를 가진다. 설계한 제품의 궁극적인 목적은 제조하여 시장에 출하함에 있다. 즉, 완벽하게 정의된 설계제품을 형상 그대로 제작하는 것이다. 문제는 제조 현장에서 설계에서 정의한 설계 파라미터에 따라 완벽하게 제조가 가능한가에 있다. 당연히 불가능하다. 이를 위해 CAD에서는 GD&T를 도면에 입력하는 방식으로 제조현장의 실상과, 설계자의 의도를 설명한다. 활용중인 CAD시스템의 기술로는 제품의 형상정의와 DG&T 표기를 완벽하게 실시할 수 있으나, 그것이 제조현장의 한계를 고려하고 제품의 성능을 최적화하는 것에는 한계가 있다.이 한계를 극복하고자 실시하는 것이 공차 분석이다.공차분석은 설계, 개발, 및 제조과정을 개선하여 기계적 제품의 성능과 신뢰성을 향상시키고자 설계단계에서 실시하는 것이다.가능하다면 이 공차 분석을 설계자가 설계단계에서 실시하여 제품 개발과 제조의 문제를 찾아 해결할 수 있다면 제조에 필요한 비용과 시간을 줄여 주고, 신뢰성 높은 양질의 제품을 더욱 신속하게 시장 출하가 가능할 것이다. 이 때 공차 분석 대상 변수는 단순한 치수적인 기하 공차뿐만 아니라 제품의 제조와 조립과 성능에 영향을 주는 모든 변수를 분석하여 최적화를 할 수 있다면 공차 분석의 효과는 극대화 될 것이다.설계 공차를 관리하고, 제품의 제조 편차를 줄일 수 있는 최고의 기회는 제품 개발/제조 프로세스에서 설계단계이다.공차 분석 결과를 반영한 고품질 설계는 제조 현장의 제약을 최대로 고려하여 제조 비용을 최소화한다. 고품질 설계는 최적조립과 제품