식품 재료 이송용 더블 헬리컬 기어 모델링 및 가공경로 생성에 관하여-1

 
 
 
 이번에는 어느 분의 질문으로 시작된 더블헬리컬 기어 모델링에서 가공과정까지 알아보겠습니다.

 먼저 질문자분의 작업 도면을 살펴봅니다.

 그런데 설계측에서 해당 제품 모델링 자료는 제공하지 않았고 형상 이미지조차 제공하지 않았고 또한 추가 자료도 없다고 합니다.

 그렇지만 위 도면만을 보고 처음 작업 하시는분은 저것이 무슨 형상인지 판단하기 어렵습니다.

 다만 샘플(정확한 해당 제품이 아니고 유사 제품)이 제공되었지만 가공의 필요한 치수값을 산출하기가 어렵습니다.

* 먼저 스포를 먼저 한다면 위 제품은 아래와 같은 형태의 더블 헬리컬 기어 이라고 하며(기어의 역할이라고 하기보다 기어 이빨의 형상과 맞물림으로 부드러운 유체(과자용 반죽재료)를 이송하기 위한 기어형태입니다.(임펠라 비슷한 기능)) 두 개의 한쌍의 더블 헬리컬 기어의 조합으로 작동합니다.
 

 그렇지만 이러한 형태의 가장 중요한 점이 저 기어 이빨의 회전 각도 입니다.
* 하나의 이빨이 "V"자형 형태의 경로를 이르는 각도의 값 입니다.

 그렇지만 현재 도면상으로 보면 그러한 각도값의 명기가 없습니다.
 

 그럼 그러할지라도 도면을 보며 추론해 봅니다.

 우선 측면도에서 이빨 형태라고 볼수 있는 "V"자 형태의 최대점과 최하점을 연장하여 보면 일단 한 개소 이빨의 간격은 60도 인 것을 알 수 있습니다.
* 사실 이것은 당연히 동일한 간격값으로 이빨이 형성 되므로 이빨의 수가 6개 이므로 당연히 360도 / 6개 = 60도 가 될 것입니다.

 그러나 문제는 한 개 이빨이 "V"형태로 생성되는 최댓값(중앙의 뾰족한 모서리...)으로 올라가는 치수 나 각도값이 숫자적으로 표시가 되어 있지 않습니다.

 그러므로 일단 믿음직 못하지만 측면도의 이빨 형태에서 선을 따서 그려봅니다.

* 사실 저 선들이 이빨의 주요 각도값을 나타내는지도 확실치 않습니다....ㅠㅠ

 대략 37.9도(38도로 정의)가 되는데 작도상 소수점은 불편하므로 38도로 정의하겠습니다.
* 이러한 점이 좀 불편하기는 합니다.

 타 업체에서는 그나마 형상이라도 알아보기 수월하게 도면작업을 해줍니다.
 
 아래 도면도 명기는 안 했지만 측정해 보면 이빨의 각도가 40도 인 것을 알 수 있습니다.

 그러면 우선 다시 되돌아가서 일단 하나의 이빨이 60도 간격으로 배열되고 하나의 이빨은 38도의 기울기(?)를 가진 것으로 정의하겠습니다.
* 또 수족을 달면 샘플 이미지를 보면 거의 이빨 하나가 60도 정도의 기울기를 가진 것처럼 보이지만 말입니다.
 
 
 모델링하는 방법은 여러 가지 방법이 있지만 제일 간단하게 하는 방법은 솔리드(곡면)의 로프트(Loft), 스웹(Sweep) 기능을 사용합니다.

 우선 로프트나 스웹을 생성하기 위하여 해당 단면도의 배열이 필요합니다.
* 우선 인덱스 가공(A축방향)을 할 예정이라 X축 방향을 회전체 축방향으로 잡고 시작합니다.

 해당 더블 헬리컬 기어의 대칭되는 제품폭이 50.0 이므로 절반인 25.0 만큼(절반만 생성하여 대칭이동 할 것이므로) 회전체의 단면도를 복사 이동시킵니다.

 그리고 위에서 이빨의 한 개당 기울어진 각도값이 38도 이므로 중간에 해당하는 단면도를 38도 회전시킵니다.

* 당연한 것이지만 지금 평면으로 되어있는 작업평면을 현 단면요소를 회전축(X축 방향)으로 회전하려면 현재 Z 축 방향으로 X축 방향으로 변경(우측면 방향)하여야 회전이 됩니다.

 회전시키고 나서는 도로 작업평면을 "평면"으로 수정하시기 바랍니다.
 

 마스터캠 2021 기준 현재 형태를 모델링 생성 할 수 있는 보편적인 방법이 2가지입니다.

 로프트와 스웹입니다.

로프트(Loft) : 선택한 2개 이상의 단면 형태 도형요소(닫힌 와이어프레임 형태)를 선택하여 각 도형요소를 직선방향으로 연결된 솔리드 요소를 생성합니다.
* 단 단면 형태 요소는 상호 간 동일한 동기화수(도형요소 수량)를 유지하여야 합니다.

스웹(Sweep) : 선택한 1개의 단면 형태 도형요소(닫힌 와이어프레임 형태)를 별도로 선택한 1개의 도형요소의 진행방향을 높이 생성 방향 기준으로 하여 솔리드 요소를 생성합니다.
* 최신 버전 마스터캠에서는 기존 1개 단면 형태 도형요소만 을 선택가능 했지만 요즘은 양끝의 2개의 단면 형태 도형요소를 선택 가능합니다.

 그리고 로프트와 달리 단면 도형요소의 동기수는 스웹에서는 무관하게 적용됩니다.
 

 먼저 로프트으로 해당 솔리드를 생성해 보겠습니다.

 먼저 2개의 단면형태 도형요소가 필요합니다.

 그러므로 먼저 1번째 단면 도형요소를 선택하고 2번째 단면 도형요소를 선택하고 체인 선택 관리자를 종료하면 바로 해당 로프트 형태 솔리드가 생성됩니다.

 

다음은 스웹으로 해당 솔리드를 생성합니다.

 우선 스웹기능은 해당 스웹될 체인(세로방향) 단면형태 요소를 안내해 줄(가로방향) 체인이 존재하여야 합니다.

 그러므로 우선 해당 한쌍이 되는 이빨의 만곡점(상단 꼭짓점)을 이어주는 직선 도형요소를 먼저 생성합니다.

 그리고 스웹 기능으로 먼저 세로방향(단면형태) 체인 요소를 선택하고 체인을 종료 후 다시 가로방향(안내선) 체인요소를 선택합니다.
 
 그러면 가로방향(안내선)으로 연결되는 스웹 솔리드 요소가 생성됩니다.
* 이 경우 해당 세로방향 체인요소(단면형태)가 그대로 유지되면서 일정방향으로 생성됩니다.

 그렇지만 우리가 요구하는 솔리드 형태는 양끝의 비틀어진 단면형태를 유지하면서 솔리드 생성을 요구하므로 해당 스웹 기능창에서 끝 프로파일 체인 항목에서 반대쪽 단면형태 체인을 선택하여 양쪽의 단면 형태를 스웹기능에 입력합니다.
 

 그러면 스웹기능으로 우리가 요구하는 형태의 솔리드 요소가 생성됩니다.

* 이때 생성되는 로프트 또는 스웹 기능으로 생성된 솔리드 요소의 형태는 거의 유사합니다.
 

 그럼 이러한 로프트 또는 스웹으로 생성한 솔리드 요소는 반쪽짜리 형상 이므로 대칭이동 기능으로 나머지 반쪽을 생성하여 블리언 기능으로 합체하여 1개 솔리드요소로 생성합니다.
 

 그런데 이렇게 생성된 솔리드 요소를 우측면에서 살펴보면 뭔가 이상하다는 느낌이 들기 시작합니다.
 

 이렇게 측면에서 보면 이빨의 상단 부분(이빨의 최상단)이 해당 제품의 외경 사이즈 65 Ø에 일치하여야 하는데 가운데가 움푹 파인 것 같은 형태를 합니다.

 이것은 앞서 로프트 나 스웹에서 안내선 역할을 하는 도형요소(로프트의 경우는 자동적으로 직선으로 형성)가 직선으로 선택되어 해당 소재의 원통형 형상에 맞지 않게 솔리드가 생성되어 발생하는 문제입니다.

 이러한 문제를 타파하기 위하여 다시 양끝의 단면형태 도형요소를 해당 65 Ø 원통형 소재에 맞는 곡선 요소를 생성하여야 합니다.
 

* 이 안내선(곡선) 생성하는 방법은 여러 가지 방법이 있고 아래 설명하는 방법을 사용 시 해당 작업환경(주로 작업평면 선택 상태(정면 상태에서 작업했냐? 평면 상태에서 작업했냐?)에 따라 결과물이 틀리게 나오므로 사전에 주의가 필요합니다.

 방법 중 하나가 먼저 앞서 생성한 스웹기능 안내선(이빨과 이빨 꼭짓점을 연결하는 직선)을 이용하여 원통형에 일치하는 곡선 형태 직선을 만드는것입니다.

 우선 임시적으로 외경 규격 65 Ø의 솔리드 원통형을 생성한 후 앞서 스웝기능의 안내선①을 투영이동(이때 현재 선택한 작업평면에 따라 생성되는 위치가 틀립니다.) 기능으로 생성한 원통형 솔리드 외측면(65 Ø)을 투영이동 대상면②으로 선택하여 아까 안내선(직선)을 곡선 형태 안내선으로 변경합니다.
 

 그러면 해당 직선 안내선이 65 Ø 원통형 곡면 형태에 따라 곡선 형태로 변경됩니다.

* 이때 주의 사항이 생성된 곡선의 안내선이 앞서 직선 안내선의 접점을 유지(양끝의 단면 형태의 이빨 꼭짓점 위치에 일치하게 위치하여야 합니다.

* 간혹 작업평면 상태(위 작업은 정면 작업평면에서 생성함, 이빨의 위치가 정면 쪽에 있으므로)에 따라 엉뚱한 곳에 생성되는데 이것은 다시 불일치하는 각도값을 측정하여 회전이동으로 위치를 조절하면 됩니다.

* 그리고 원통형 구조상 해당 안내선은 반대쪽(원점 기준 반대쪽에도 해당 선택 투영이동 곡면이 존재하므로)에도 생성되니 잘 위치한(?) 안내선을 선택하시면 됩니다.

 이것을 다시 앞서 스웹기능(로프트 기능은 안내선 선택이 강제적 직선이라 적용 불가)으로 동일하게 한쪽 단면형태 도형요소를 선택(스웹 할 체인) 한 후 가로방향 체인(투영이동된 곡선 요소)을 선택하고 생성된 솔리드 형태를 무시하시고 다시 반대쪽 단면형태 도형요소를 선택(끝 프로파일 체인)하여 해당 형태 솔리드 요소를 생성합니다.

 무척 잘 생성된 솔리드 요소를 흐뭇한 표정으로 살펴본 후 역시 반대쪽도 생성하여야 하니 대칭 이동으로 반대쪽 이빨도 생성한 후 블리언으로 합체하여 완성합니다.
 

 그런데 뭐가 이상해서 다시 측면에서 살펴보니 이빨의 형태가 안내선이 위치하는①번은 이상적으로 형성되었는데 ②③④번으로 갈수록 해당 이빨 형태가 찌그어집니다.

 흑..... 이놈의 모델링(사실 주범은 마스터캠의 부족한 모델링 기능이라......)

* 참고로 다른 모델링 전문 프로그램에서는 알아서 동일한 형태로 솔리드를 생성합니다.
 

 원인은 원래 스웹 기능이 하나의(다수 불가능) 안내선에 따라 하나의 방향으로 형태가 생성되는 현재 솔리드 형태가 하나의 축을 중심으로 회전하는 형상(한 방향으로 직진이 아닌..) 형태이라 안내선이 그 모양새 그대로(회전축을 중심으로 회전하는 것이 아니고 그대로) 다른 이빨 형태 생성에 적용되기 때문에 처음 안내선 반대쪽(회전축 경계로)으로 갈수록 더 찌그러지는 것입니다.

* 더욱더 문제가 스웹 기능에서 선택할 수 있는 안내선이 하나만 선택 가능하다는 점입니다.

 그래서 우선적으로 다른 모델링 전문 프로그램 사용이 가능하시다면 가능한 모델링은 모델링 전문 프로그램에서 가공은 가공전문(?) 프로그램에서 하는 것을 권유합니다.

 그렇지만 우리의 현실은 마스터캠 하나뿐입니다.
 
 
 잠시 커피와 담배를 소모하면서 생각해 봅니다.

 크게 3가지 방법이 있을 수 있습니다.

 우선 일단 안내선이 잘 적용되는 1개의 이빨은 무사히 생성되므로 그럼 1개의 이빨을 생성한 후 이것을 선형배열(회전이동)해서 잘 합체 하자는 방법과 잘 생각해 보면 솔리드가 아닌 곡면 기능의 스웹의 안내선의 중심축 지정이 가능한 기능이 있습니다.
* 이러한 기능은 (X) 엑스버전 또는 2000대 버전 마스터캠에서만 작동됩니다.

 그리고 나머지 방법은 앞서 앞뒤 단면형태 배열 시 중간에 단면형태 도형요소를 끼워 넣고 로프트로 생성합니다.
 

 이 방법을 먼저 알아본다면..

 우선 생각해 볼 것이 앞뒤 단면형태 요소 중간위치에 단면형태를 끼워 넣는 것인데..... 만일 현재 비틀어진 각도가 38도인데 그럼 38/2=19도으로 회전시켜 이동시키면 되는 것이 아니라는 것입니다.

* 만약의 중간값으로 단면형태를 추가하면 곡선형태가 아니고 직선형태로 이빨이 생성되기 때문에 의미가 없어집니다.

 그럼 우선 앞서 스웹의 안내선으로 선택한 곡선요소의 중간값을 따져서 곡선 안내선 따라가는 중간 각도값을 산출해야 합니다.

 위 이미지처럼 중간 외곽선과 곡선 안내선이 만나는 교차점에서 원통형 소재 중심점으로 이어지는 선 요소를 생성 후 기준이 되는 선과 각도값을 측정하여 이 각도만큼 단면요소를 회전위치 하면 됩니다.

 그리고 이를 로프트 기능으로 3개 단면요소를 순차적으로 선택하여 로프트 형태 솔리드를 생성합니다.
* 로프트 생성 특성상 단면 형태 체인 선택 시 각 체인 시작점을 동일한 위치에서 선택하여야 합니다.
 
 아무 데나 클릭하면 꽈배기 된 솔리드 형상을 볼 수 있습니다.
 

 이렇게 하여 대칭이동으로 복사 합체한 솔리드 형상은 어느 정도 그럴싸한 더블 헬리컬 기어 형태를 만들 수 있습니다.

* 다만 이러한 로프트 이용방법은 단순하기는 하지만 정확하게 얘기하며 약간 변형된 작은 직선으로 된 형태로서 정확한 형태는 아닙니다.

약간 꽈배기 된 부분이 보입니다.
(마스터캠의 약한 모델링 실력.....)


 그래서 좀 더 자연스럽게 하기 위해서는 1개 이빨 생성 후 회전복사 하는 방법을 알아보겠습니다.
* 이 방법은 사실상 여기서 적용하기 어려운(자연스러운 형상이 나오기 어려운.... 꽈배기가 심할수록...) 방식이라 빠르게 진행하겠습니다.

 위 이미지처럼 하나의 이빨 형태를 기준으로 스웹기능으로 솔리드 생성 후 회전이동으로 각 이빨 수량만큼 복사하였습니다.

 그리고 블리언 기능으로 각 이빨들을 합체시켜서 사용하려고 했으나 자세히 보시면 이빨과 이빨 사이 홈 바닥이 약간 겹치게 생성(홈 바닥이 좀 올라와서 상대 이빨이 물리지 못할 수도..)되어서 예제 같은 제품에서는 사용할 수 없는 방법이지만 기타 좀 더 간단한 형상에서는 적용이 가능한 방법입니다.

 그럼 대망의 방법은 솔리드의 기능이 아닌 곡면 생성 기능의 스웹에서는 이러한 복수의 안내선을 적용 가능케 하는 방법이 있습니다.
* 다만 이것은 생성하려는 형상에 따라 적용/적용불가 이 결정되므로 제품 특성에 따라 선택하셔야 합니다.
 
 
 우선 다음과 같은 상태에서 먼저 안내선 요소를 회전 인식할 축방향 지정을 위한 직선요소(중심축의 회전축 방향으로)를 하나 생성 한 후 곡면 텝의 스웹 곡면을 선택하고 먼저 스웹 할 단면형태 도형요소를 선택(세로방향)하고 선택 종료 후 가로방향 체인 선택 시 이빨 안내선과 회전축의 중심에 생성한 직선요소를 선택합니다.

 
 그러면 스웹 처리된 곡면이 나타납니다.

 만일 좌측과 같은 직선형 곡면이 생성되면 스웹곡면 옵션 중 요소 방법의 "두레일" 항목을 선택하십시오.

 그러면 중앙과 같은 올바른 형태의 곡면이 생성됩니다.
 

 

 그런데........ 이 곡면상태를 확인하는 과정에서 문제점이 발견되었습니다.

 우선 해당 곡면을 가지고 선형배열로 한 이빨 단위별 가공경로(2D로 블랜밀 적용한 가공정의)을 회전 배열하여 놓고 보니 현재 중점으로 작업한 곡면 반대쪽의 경로 적용 상태가 이상 합니다.

 그래서 이번에는 각 이빨당 안내선을 각각 배치하고 전부 가로방향 체인으로 선택하여 스웹 곡면을 생성하였는데.... 살짝 보기에는 문제 없이 출력된것 같지만 역시 복사본을 180도 회전하여 대조해보면 미모하게 다르다는것을 볼수 있습니다.

* 물론 미미한 차이이기는 하지만 각 이빨당 형상이 틀린것은 맞는것 같습니다.
이놈의 마스터캠이란........언인스톨 할까?

 

그래서 다시 말씀 드리지만 모델링은 전문 모델링 프로그램에서 하시는것을 권장 합니다.
 

 그래도 일단 도구는 마스터캠뿐이니 다시 방법을 찾습니다.

 일단 한개 단위 이빨 형상은 제대로 나온다는것 아니냐 하는 생각이 들어서........

 각 이빨을 1개분 만큼만 곡면생성하여 이어 붙이기로 하였습니다.

 결론은 해당 곡면 생성(스웹)시 정확하게 안내선이 적용되는것이 하나만 되므로(원래 스웹은 하나만의 가로방향 체인 선택이 원칙이라)일단 하나의 이빨(이빨 만곡점(꼭지점)에서 다음 이빨 만곡점 까지)의 영역을 기준 잡아 체인 요소를 생성합니다.

 우선 이빨과 이빨 사이 도면요소를 정리한 후 다시 곡면기능 스웹을 진행하는데 각 방향 체인 선택 순서가 중요 합니다.

세로방향 체인①②(단면형상 요소)을 선택하고 가로방향 체인(이빨 만곡점)(③④)선택하고 안내선 회전축지정 체인(⑤)을 순서에 맞게 선택하여야 합니다.
* 순서가 틀리면 살짝 형상이 뒤틀어집니다.

 

 그러면 스웹 곡면 하나가 생성됩니다.
* 이때 각 와이어프레임(체인요소)과 생성된 곡면과 뒤틀어짐 이나 빈틈이 없어야 합니다.

 이후 이렇게 잘 생성된 곡면을 6개 이므로 360/6=60도 만큼 회전이동으로 복사하여 상호간 곡면 빈틈이나 겹침이 없는지 확인하고 마지막 확인차 해당 곡면전체를 180도 회전하여 곡면 일치함을 확인합니다.

 여러면으로 확인한 후 곡면 형상에 이상없음을 알게 되어 이를 활용하여 가공정의 가공대상 곡면으로 적용하기로 합니다.

* 이놈의 마스터캠.....  

 

 그러면 이곡면을 어떻게 할 것인지 생각해야 합니다.

 이 상태로 그대로 곡면 가공경로를 생성하여도 상관없으며 이때 아래와 같이 양끝의 곡면을 약간 연장하는 것을 권장합니다.

 


 만일 솔리드 형태 모델링이 필요한 경우 우선 속이 빈 곡면(서페이트 형태) 형태로 만든 후 "곡면-솔리드" 기능으로 솔리드화 합니다.
* 솔리드 화 하여도 완전환 솔리드가 되는 것은 아니고 일단 속성만 솔리드가 됩니다.
 

 우선 해당 반쪽 짜리 곡면을 대칭이동으로 복사하여 한쌍의 더블 헬리컬 기어를 완성하였습니다.
 

 이후 양쪽의 단면형태 도형요소를 이용하여 평면외곽 기능으로 측면의 평면 곡면을 양쪽 생성하고 뚫린 구멍(빈틈)이 있는지 확인하고 곡면->솔리드 기능으로 곡면체를 솔리드화 하였습니다.

* 보디 속성의 닫힌 솔리드 보디로 되어 있지만 실제로는 속이 빈형태(서페이스)입니다.

 이렇게 한 후 내측의 스플라인 형상을 돌출컷으로 생성해 주고 바깥 이빨의 접합부의 곡면을 필렛 기능으로 부드럽게 조절해 줍니다.

* 예제는 일정 필렛으로 하였지만 좀 더 신경 쓴다면 가변필렛으로 좀더 부드럽게(둥글게) 해주어도 됩니다.
 

 그럼 다음에는 해당 모델링의 가공경로 생성 하는 방법에 대하여 설명하겠습니다.