2.1 역설계를 이용한 전기철도 부품의 도면 도출

역설계는 실물 제품을 분석하여 설계정보를 추출하는 과정으로 설계정보 파악을 통한 제품의 개선, 부품의 호환성 검증, 경쟁사 제품의 분석, 제품의 복원 및 3D 프린팅 모델의 제작과 활용에 사용되고 있다. 제품의 역설계를 위해서는 일반적으로 3D 스캐닝, 실물 사진등을 포함한 데이터 수집과정, 수집된 데이터를 처리하고 3D모델링으로 변환하는 데이터 처리 과정, 2D 도면 또는 3D 모델링 제작과정과 3D 모델을 분석하여 설계, 구성 및 작동과 관련된 설계정보 축출 과정으로 구분할 수 있다. 본 논문에서는 전기철도 시스템의 부품에 적용가능한 기본적인 역설계 프로세스를 구축하여 이를 통한 3D 표준도면 도출에 관한 것으로 그림 1에 고속철도용 현수클램프의 역설계 과정을 나타내었다.

그림 1. 고속철도용 현수클램프의 역설계 과정

Fig. 1. Reverse Engineering Process of High-Speed Railway Catenary Clamps with a Focus on Data Acquisition

그림 1과 같이 전기철도 시스템 부품의 역설계를 위해서는 각 부품의 조립부, 평면이나 원형등 형상 및 좌표값과 같은 중요 접점을 분석하고 역설계를 위해 수급된 부품의 파손 여부, 마모 등에 대한 특성을 파악하여 레이저 스캔 전에 확인하도록 한다. 실품의 3차원 스캔을 위해서는 기준 좌푯값 설정 (X,Y,Z Axis) 설정 및 스캔 데이터의 좌우 대칭을 확인한다.

3D 스캐닝을 통해 제품의 형상 정보 수집은 고정밀 3D 스캐너를 사용하여 제품의 표면을 정밀하게 스캔하고, 스캔 데이터를 정제하여 3D 포인트 클라우드를 생성하도록 한다. 3D 포인트 클라우드를 기반으로 CAD 소프트웨어를 사용하여 3D 모델링을 하며 표 1에 3D 모델링 방법을 나타내었다.

2.2 전기철도 부품의 역설계 결과 분석

그림 2에 현수클램프의 역설계 결과와 3차원 스캐닝 결과를 각각 나타내었다. 그림 2에서와 같이 본 논문에서 제안된 현수클램프의 역설계 모델링 프로세스의 효율성과 정확성을 시각적으로 볼 수 있으며 스캐닝 데이터와 역설계 결과의 오차는 ±0.8 ㎜로 분석되었다. 이는 두 이미지를 비교했을 때, 역설계 모델이 3차원 스캐닝 결과와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있는 것으로 고정밀, 효율성 및 높은 신뢰도를 갖는 것으로 판단된다.

그림 3에 2가지 색상을 사용하여 Best Fit 분석 결과를 나타내었다. Best Fit은 역설계로 생성된 CAD 파일과 3차원 스캐닝 결과의 두 데이터 세트의 일치도를 최대화하기 위해 정렬하는 기법이다. 그림 3에서와 같이 역설계 CAD 파일과 3차원 스캐닝 결과의 Best Fit이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다.

본 결과는 두 데이터 세트의 평균 오차는 ±0.5 mm로 분석되어 제안된 역설계 모델링 프로세스가 정밀하고 신뢰도 높은 3D 모델링 결과를 도출할 수 있다는 것을 증명하는 것이다.

그림 2. 현수클램프의 역설계 결과와 3차원 스캐닝 결과 : 정면 및 측면

Fig. 2. Reverse Engineering Results and 3D Scanning Results of Catenary Clamps: Front and Side Views

그림 3. 역설계로 생성된 CAD와 3차원 스캐닝 데이터의 Best Fit 분석 결과

Fig. 3. Best Fit Results of Reverse-Engineered CAD Files and 3D Scanning Data

그림 4는 고속철도용 현수클램프의 역설계 과정을 통해 생성된 2차원 도면은 제품의 제조, 조립, 검사 등에 활용되는 중요한 정보로 활용할 수 있다. 특히 투시도, 정면도, 단면도, 치수 및 기호 표기 및 표면처리가 모두 가능하며 국제 표준화 기구 등 표준이 정한 제품의 정보를 명확하게 전달하는 것에 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 2차원 도면은 제품 제조, 조립, 검사 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 중요한 정보로 철도 분야 역설계 이후 나타내어야 될 것으로 판단된다. 일반적으로 역설계 방법은 크게 분해 기반 역설계와 기반형 역설계로 나눌 수 있다. 분해 기반 역설계는 제품을 물리적으로 분해하여 각 부품의 형상, 구조, 기능 등을 분석하는 방법이며 기반형 역설계는 제품의 작동 원리를 분석하여 역설계하는 방법이다 ^[7,8]. 전차선로 부품은 높은 신뢰도와 낮은 공차가 필요하므로 본 논문에서는 3D 스캐닝, CAD 소프트웨어, Feature 생성, 홀 정밀화, 자유곡면 정밀화 등의 기술을 활용하여 전기철도 전차선로 부품의 역설계를 제안한 것으로 고정밀 스캐닝을 이용한 높은 정확도가 특징이다. 특히 Feature 생성, 홀 정밀화 및 자유곡면 정밀화가 가능한 효율적 방법으로 높은 신뢰도를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 향후 연구를 통해 제안된 방법과 방향의 효율성과 신뢰도를 높이고, 다양한 전기철도 전차선로 부품에 적용할 수 있도록 연구 되어야 할 것이다.

그림 4. 고속철도용 현수클램프의 역설계 과정을 통해 생성된 2차원 도면

Fig. 4. 2D Drawings Generated from the Reverse Engineering Process of High-Speed Railway Catenary Clamps