가상제조(VM)기술은 21세기 변화된 기업환경에서 제조경쟁력 강화를 위한 핵심기술 중에 하나로써, 형상 모델링과 시스템 이론으로 포함하여 다양한 분야로 이루어진 복합기술이다. VM 기술은 e-manufacturing의 한 분야로써 CAD/CAM 기술 발전과 궤를 같이하는데 그 적용 대상이나 방법에 따라서 digital manufacturing, virtual manufacturing, e-factory 등 다양한 이름으로 불리고 있다. 본 논문에서는 VM 기술의 개념을 정리하고, 가상제조의 국내 적용현황 및 향후 발전전망에 대하여 고찰하고자 한다.
VR(Virtual Reality)의 개념이 제조공학 분야로 확대 적용되면서 설계분야에서의 가상조형 (Virtual Prototyping), 제조분야에서의 가상제조시스템(Virtual Manufacturing System)이라는 새로운 형태의 제조 시스템 및 설계기술이 차세대 제조기술로서 발전해 오고있으며 이런 가상제조방법(Virtual Manufacturing)은 컴퓨터를 이용하며 생산과정에서 제품뿐만이 아니라 유한요소해석을 유용하여, 공정까지도 모의실험을 하며 생산성(manufacturability), 최종 형태(final shape), 잔류 응력(residual stress), 제품 수명 주기(life-cycle)등과 같은 요소들의 최적화 정보를 제공하게 된다. 본 연구에서는 이러한 가상제조방법을 구현하기 위한 기초적 단계로서 가상단조기계를 가상현실기법을 이용하여 모델링하고 Java를 이용하여 모델링된 단조기계를 제어하고 제조되는 단조물에 대한 내부 응력 및 형태변환을 유한 요소법을 이용하여 분석하고 분석된 단조물의 자료를 WEB상을 통하여 닥 수 있게 유한 요소 해석결과를 VRML언어로 변환하는 작업을 수행하였다.
제조환경 정보의 급속한 변화는 변화에 유연(flexible)하게 대처할 수 있는 제조관리 시스템 개발을 요구하게 되었으며 이를 위한 방법으로 객체지향 개발방법론을 이용한 제조관리 시스템이 구축되어 시스템 구성요소들의 재사용성, 확장성, 유연성을 높일 수 있게 되었다. 그러나 개발된 객체지향 제조관리 시스템은 과거 데이터와 불확실한 데이터를 바탕으로 개발된 시스템이므로 시스템의 타당성 및 효율성의 검증을 위한 방법으로 객체지향 시뮬레이터를 개발하였다. 객체지향 시뮬레이터는 개발된 제조관리 시스템이 현장에 구축되었을 때 발생될 수 있는 문제점을 사전에 검출할 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 성능을 사전에 측정할 수 있어 제조관리 시스템의 개발비용을 단축할 수 있게 된다. 본 연구에서는 가상공장의 특성을 구현한 가상공장(virtual factory) 콤포넌트, 제조관리 시스템과의 인터페이스를 담당하는 커넥터(connector) 콤포넌트, 제조시스템의 구성환경을 모델링하는 컨피규레이션(configuration) 콤포넌트, 시뮬레이션의 시간전진을 담당하는 시계(clock) 콤포넌트 등으로 이루어진 객체지향 시뮬레이션의 프레임워크(framework)를 제시하고, 제조관리 시스템과 연계된 시뮬레이션을 통해 제조관리 시스템의 검증, 평가 방안으로 이용하였다.
컴퓨터 기술의 급격한 발전은 현실세계의 각종 현장을 컴퓨터 가상공간 내에서 시험할 수 있도록 하고 있다. 최근들어급격한 발전이 이루어지고 있는 가상현실(Virtual Reality) 기술과 인간의 감성을 중시한 감성공학적 접근방법 론의 활용은 그 적용범위가 점차 확대되어 가고 있는 상황으로, 제조기업에서 사용되고 있는 통합생산 정보시스템 (Computer Integrated Manufacturing)과의 접목으로 가상공장(Virtual Factory) 시스템을 구현할 수가 있다. 가상공장시스 템은 제조기업의 Businiss를 Design & Engineering, Production Planning & Control, Manufacturing의 3가지 프로세스로 분류한다. 그리고 각 프로세스별로 현재의 CIM시스템에 대한 하부시스템을 검토하고, 인간 중심의 가상기업시스템을 구현 하는데 보완이 되어야 할 사항과 이에 대한 해결 대안으로 Design & Engineering Process에서는 Virtual Engineering(VE) Sub-system, Manufacturing Process에서는 Virtual Manufacturing(VM) Sub-system으로 분류하여 각 Sub-system별 구성모듈을 설계하고 상호간의 Interface 사항을 설계하므로서 가상공장시스템 구현을 위한 기본 요구사항과 조건을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 DUPIC 핵연료 주기개발이 상업화 됨을 전재로 하였을때 핵연료 제조 공정에 대하여 핵임계 해석을 수행하였다. 계산 과정은 PWR 핵연료봉을 해체하는 공정과 분말을 취급하는 공정으로 나누었으며, 이중 우발성의 원리를 기초하여 가상 사고 조건을 고려하였다. 핵임계 해석의 결과, DUPIC 핵연료 제조 공정에서는 특별한 가상조건을 제외하고는 핵임계의 위험은 없는 것으로 나타났다.
디지털 가상 제조는, 생산 시스템의 요소를 컴퓨터상에서 모델링 하여 디지털 모델을 구성한 뒤, 3차원 CAD, 시뮬레이션 등의 관련 기술을 이용하여, 신속하고 효율적인 제품 개발과 생산 프로세스를 사전에 검증하여 지원하는 기술이다. 여기에 혼합현실 기술을 응용하면, 모든 개체 가 그래픽 객체들로만 표현된 순수한 가상환경 기반의 디지털 가상 제조 기술을 보완하여 좀 더 현실감이 있는 환경을 제공할 수 있으며, 동시 에 필요한 일부만 그래픽 객체로 표현하므로 모델링에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있다. 본 논문은 이러한 혼합현실 기술을 디지털 가상 제조 과정 중 가상 공정설비 배치 기술에 이용하면서, 현장에 이미 구축되어 있는 레가시(legacy) 데이터를 이용하는 방안을 제안한다. 이를 위 하여 혼합현실 기반 공정설비 배치 시스템에 적합한 현장의 레가시 데이터의 취득 방법과 가공 방법이 개발되었으며, 가공된 데이터를 기반으 로 시뮬레이션이 가능한 혼합현실 기반 디스플레이 시스템을 구축하였다. 개발된 혼합현실 기반 가상 공정설비 배치 시스템은, 실제 설비를 배 치하기 전에, 현장에서 그 위치와 적용성을 미리 검증함으로써, 설비 배치와 관련된 오류를 줄일 수 있다.
본 연구에서는 컴퓨터 상에 제어기와 구동부 등으로 구성된 가상제조시스템(Virtual Manufacturing System)을 구축하고 시뮬레이션하는 방법론을 다룬다. 특히 설비들간의 이동시 발생할 수 있는 3차원 공간상의 충돌을 검출하는 이산사건 및 연속상태 혼합 시뮬레이션 방법론을 소개한다. 시뮬레이션 모델은 DEVS(discrete event system specification) 형식론(formalsim)에 기초한 형상기구학 정보를 갖는 이른바 GKDEVS(Geometrical Kinematic DEVS)을 이용하였고, 시뮬레이션 방법론은 DEVS의 추상화 시뮬레이션(abstract simulation)방법을 확장하였다.
제조업에 있어 효율적인 제조공정을 위해 기업의 생산성 향상 및 원가절감은 현 제조기업의 절실한 과제이다. 효율적인 제조공정 설계와 생산성향상을 위해 동작분석 및 가상현실기반의 테스트베드 연계시스템을 활용하여 불필요한 요소제거를 통해 효율적인 제조공정 방법을 연구한다. 가상의 사전 공정배치 시뮬레이션을 통한 최적화 검증 후 작업라인을 구축할 경우 추가적인 공정 수정 또는 보완에 소요되는 비용을 절감하고, 이는 결과적으로 기업의 제조경쟁력 향상이라는 실질적 효과를 도출할 수 있다. 본 연구를 통해 설계기간 단축, 설비개선, 자동화, 인간공학 실현, 프로세스 개선 등을 하여 생산성 향상, 품질 향상, 비용절감뿐만 아니라 안전 및 건강에 대한 직원만족을 달성할 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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