1. 서 론

최근 산업 전반에 걸쳐 2차원 평면상으로 표현된 부품의 도면을 3차원 공간에 표현되는 모델로 변환하는 3D CAD (3-dimensional computer aided design) 데이터로의 변환이 이루어지고 있다⁽¹⁾. 컴퓨터 지원 설계인 3D CAD는 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 제품의 설계 및 제조를 지원하는 기술로 설계, 제조, 검사, 마케팅, 교육 등 다양한 분야에서 활용된다⁽²⁾. 3D CAD 파일은 제품의 형상, 치수, 재질, 표면 특성 등을 정확하게 표현하므로 제품의 설계 단계에서 오류의 최소화가 가능하다⁽³⁾. 3D CAD 파일은 제품의 제조 공정을 시뮬레이션하여 제품의 품질을 향상하며 제조된 제품의 검사를 자동화하여 검사 효율성을 높인다⁽⁴⁾. 또한, 3D CAD 파일을 사용하여 부품의 형상 및 구조를 시뮬레이션할 수 있어, 설계상의 오류를 사전에 발견하고 보완할 수 있다. 전차선로는 철도에서 전기에너지를 열차에 공급하며 속도 등급에 따라 다양한 부품이 적용되며 고속철도의 속도와 운행 환경에 따라 특수한 재질과 성능이 요구된다⁽⁵⁾. 또한, 전차선은 팬터그래프와의 기계적 접촉에 의한 마모, 동적 상호작용 및 아크 등에 의한 열화로 인해 주기적 유지보수와 교체가 필요하다⁽⁶⁾. 본 논문은 고속철도 전차선로 부품의 3D CAD 파일 제작과 활용을 위한 사례를 나타내었다. 350 km/h급 고속철도 자재를 KRSA (Korea Rail Standard Authority)의 도면을 이용하여 3D CAD 파일을 제작하였고 3차원 스캐너를 이용하여 3D 모델을 각각 제작하였다. 본 논문의 결과는 평면 위주의 고속철도 전차선로 자재의 3D CAD 파일 제작 방향과 이를 활용한 부품의 제조 및 검사 관리에 활용될 것으로 기대된다.

2. 본 론

2.1 고속철도 전차선로 부품의 3D CAD Model 제작

철도시스템 분야는 속도향상과 안전성, 경제성 향상 기술 개발을 위해 시공환경에 따른 맞춤형 전차선로 시스템개발과 디지털 기술을 융합한 새로운 기술이 연구되고 있으며 디지털 기반의 설계, 시공, 유지보수 등 상호연계성을 갖는 Rail Digitial, Catenary Digital이 시행되고 있다 ⁽⁷⁾. 그림 1에 KRSA (Korea Rail Standard Authority)에 나타난 전차선로 자재의 도면을 이용한 3D CAD 파일 제작 결과와 3D Scan 결과를 각각 나타내었다. 전차선로 자재의 3D CAD 파일은 지지금구류, 보상 장치 및 기타 부품의 2D 도면을 이용하였다. 3D CAD 파일로의 변환 결과 현재 KRSA에는 제작 도면의 표준파일 형식은 정의되지 않기 때문에 3D CAD 소프트웨어를 이용한 3D 모델 변환이 어렵고 2D에서 표현 가능한 정형화된 평면, 홀 등은 3D 변환이 가능하나 제품의 자유 곡면은 2D로 도면에 표기되지 않아 정밀한 3D CAD의 변환은 어려운 것으로 나타났다. 특히 전차선로 자재는 부품의 종류가 다양하고 조립형식으로 단차와 곡면의 정합이 높아야 하며 KRSA 기준의 제작 도면에 일부 오류가 발생하는 것으로 보고되고 있어 3D CAD 파일 제작을 위해서는 실제 부품의 3차원 스캐닝을 통한 비교와 역설계 공정이 필요한 것으로 보고되고 있다⁽⁸⁾.

Fig. 1. Converting 2D Drawings into 3D CAD Files for Catenary Materials

2.2 고속철도 전차선로 부품의 3차원 Scanning 방법

그림 2에 고속철도 전차선로 자재의 스캐닝 사진을 각각 나타내었다. 그림 2의 (a)는 상하 동시 스캔방식의 회전 형 유형이며 그림 2의 (b)는 단면 스캐닝만 가능한 고정형 레이저 방식을 각각 사용하였다. 상하 동시 3차원 스캔을 위해 역설계가 가능한 정밀도 0.007 mm 이하의 Cybergage360을 이용하였으며 200 x 200 x 100 mm의 작업영역을 갖고 있다. 그림 2의 (b)와 같이 전차선로 자재가 작업영역에 맞지 않을 경우는 고정식 3차원 측정 시스템은 3D measuring system 사의 3D 레이저스캐너를 이용하였으며 정밀도는 0.012 mm 이하이고 작업 범위는 1000 x 1600 x 600 mm이다. 표 1에 고속철도 전차선로 자재의 3차원 스캐닝 결과를 각각 나타내었다. 3D 스캐너는 물리적인 대상의 3D 모델을 생성하는 장치나 스캔 대상의 크기, 재질, 부품의 복잡도에 따라 정밀도와 품질이 달라지는 것을 볼 수 있다. 그림 1과 같이 국내 전차선로 자재의 3D CAD 파일 제작을 위해 2D CAD 파일을 3D CAD 데이터로 변환하면 자재의 자유 곡면 등은 도면에 표기할 수 없으나 3D 스캔 데이터를 이용하면 가능할 것으로 판단된다. 그러나 3D 스캐닝 결과를 단순 비교만으로는 도면의 오류, 자유곡면의 해석 없이는 3D CAD 파일로는 변환이 불가능한 것으로 스캐닝의 경우 Point 데이터만 단순 추출하여 3D CAD 파일이 아닌 주요 치수 확인만 가능하기 때문이다. 특히 설계 자료의 부족을 보완하기 위하여 전차선로의 자재는 별도의 정밀 측정을 시행하여 치수와 재질 등을 파악, 기술 자료의 묶음을 생성하는 역설계가 필요한 것으로 보인다. 최근 3차원 스캐닝을 이용한 전차선로 자재의 역설계 기법은 제안된 바 있으나 전차선로 자재의 표준 도면을 3D CAD 파일로 획득하기 위해서는 3D 스캐닝 데이터의 포인트 데이터 추출 이후 단면 커브, Surface 생성, 오차 분석, 표면 품질, 완성 후 2D 데이터의 오류 해석과 최종 CAD 파일 등 다양한 작업이 필요한 것으로 분석된다.

Fig. 2. The Scanning equipment of the high-speed railway catenary materials

3. 결 론

본 논문에서는 KRSA (Korea Rail Standard Authority)에 나타난 지지금구류, 보상장치 및 기타 부품 도면을 이용한 3D CAD 파일 제작 결과를 나타내었다. 전차선로 자재는 부품의 종류가 다양하고 조립 형태로 정밀한 단차 및 곡면의 정합도를 요구하나, 자유 곡면 등은 도면 표기의 제한으로 3D 스캔 데이터의 필요성을 확인하였다. 3D 스캐닝은 상하 동시 스캔과 단면 스캐닝 방식을 이용하였으며 단순 치수는 비교가 되나 표준도면을 3D CAD 파일로 획득은 단면 커브, Surface 생성, 오차분석,

Fig. 3. 3D CAD-Based Inspection for the high-speed railway catenary materials

표면 품질, 완성 후 2D 데이터의 오류 해석 등 추가적인 연구가 필요한 것으로 나타났다. 고속철도 전차선로 자재의 3D CAD 활용사례는 핸드형 스캐너를 이용한 전차선로 자재 검사 시스템이 분석되었으며 본 논문에서 나타낸 3D CAD 파일 제작 절차는 전차선로 자재의 디지털 규격 및 3D 프린팅을 이용한 제작 등에 활용될 것으로 기대된다.