산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2025.12 (p.22-25)

가상 환경에서 나사 체결 누락 방지
카시오, 해석 자동화 도구 자체 개발

시제품을 사용해 강도를 시험할 때, 나사 하나를 제대로 조이는 것을 잊은 채 시험을 진행하면 어떻게 될까? 설령 시험 결과가 유효하다고 해도 ‘시험을 할 때는 이랬다’라는 주석이 붙을 것이다. 역시 시험은 다시 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 실수는 시뮬레이션에서도 충분히 발생할 가능성이 있다. 이를 방지하기 위해 카시오계산기는 시계, 악기, 계산기 등의 설계 시뮬레이션에서 작업을 자동화하는 대응을 추진하고 있다. 시뮬레이션 도구의 커스터마이즈 기능을 사용해, 자체 제작으로 약 16개의 자동화 도구를 정비했다.

자체 제작을 한 배경 중 하나는 비용 대비 효과에서 생기는 어려움이다. 시뮬레이션 도구를 커스터마이즈하려 하면, 대개 벤더로부터 “커스터마이즈는 맡겨주는 편이 좋다”라는 반응이 돌아온다. 즉, 비용이 들게 된다.

-- 적지 않게 발생하는 재계산 --
이 문제는 설계자가 CAE(컴퓨터 이용 엔지니어링) 도구를 폭넓게 사용하게 되면서 현실화되기 시작했다. 제품 내용을 가장 잘 알고 있는 설계자 본인이 시뮬레이션을 하는 것은 매우 바람직한 일이다. 많은 기업이 설계 개혁의 일환으로서 CAE 도구 활용을 확대하고 있다. 카시오계산기에서 자동화 도구 개발을 추진해 온 시계사업부 디지털엔지니어링개발실의 리더 엔도(遠藤) 씨도 “정적 분석의 경우 설계자의 약 절반까지 보급 교육이 진행되었다”라고 말한다.

하지만 설계자가 수행한 시뮬레이션 결과를 보면, 다시 계산해야 하는 경우가 적지 않다고 한다. 카시오계산기는 CAE 담당 부서가 시뮬레이션 결과를 검토해 그 타당성을 보장하고 있다. 엔도 씨는 “익숙해지면서 자신감이 붙은 탓인지, 양산 개시가 임박해 여유가 없는 시기에 다수의 시뮬레이션 결과를 가져오는 설계자도 있다. 그러한 상황에서도 오류를 발견하게 되면 ‘다시 계산하라’고 말할 수밖에 없다”라고 말한다.

그래서 카시오계산기가 정비한 자동화 도구 중 하나가 나사의 설정이다. 나사 설정에 하나라도 문제가 있으면, 해당 위치에서는 부재가 체결되지 않은 것으로 계산되어 본래 발생해야 할 응력이 없어지거나 고정되지 않은 부재가 다른 부재에 접촉해 이상한 응력이 발생하는 계산 결과가 나온다. 카시오의 키보드나 전자 피아노에는 약 400개의 나사가 사용되는 경우가 있는데, 나사 하나하나의 설정에는 여러 단계의 조작이 필요해 개당 수십 초가 걸리기도 했다. 이를 한번의 클릭으로 실행할 수 있도록 개선하였다.

“아무 준비도 없이 설계자에게 400개의 나사를 완벽하게 설정하라고 요구하는 것은 갑질에도 가깝다”(엔도 씨). 이를 개선하려는 의미도 있지만, 그에 못지않게 중요한 것은 시뮬레이션의 타당성 확보다. 작업 시간 단축 효과만으로는 금액으로 환산해도 도구 제작을 외주로 맡기는 비용을 정당화하기 어렵다(재계산이 사라지는 효과는 크다). 그래서 카시오계산기는 자동화 도구를 직접 제작하기로 했다.

이하, 카시오계산기가 제작한 도구 사례를 소개한다. 개개의 사례는 카시오계산기 특유의 사정을 반영하고 있지만, 많은 기업에 공통으로 적용될 수 있는 요소를 담고 있다.

-- 힘의 방향을 잘못 설정해도 반드시 알아차린다 --
시뮬레이션에서 자주 발생하는 오류 중 하나가 부호를 잘못 입력하는 등의 이유로 힘의 방향을 반대로 설정해 버리는 경우다. 그러나 시뮬레이션 결과가 이상하다는 사실을 의외로 알아차리기 어렵다. 설계자는 부품이 파손되는지 여부, 즉 응력에 가장 큰 관심을 두기 때문에 응력을 나타내는 결과 표시만 확인할 수 있기 때문이다. 응력 결과 표시에서는 응력이 기준치에 들어가 있는지 여부는 쉽게 알 수 있지만, 그 응력이 올바른 설정에 따른 것인지 여부를 판단하기는 어렵다.
 
힘의 방향을 잘못 설정한 경우와 마찬가지로, 앞서 언급한 것처럼 부재를 하나만 고정하지 못한 경우에도 부재가 실제와는 다른 거동을 취한다. 실제 제품에서는 일어날 수 없는 응력에 대응하기 위해 부재를 불필요하게 두껍게 설계하는 등 낭비적인 설계로 이어질 가능성이 있다.

이러한 오류는 전체 변형 상황을 보면 발견할 가능성이 높다. 설계 의도와 다르게 변형돼 있거나 부재가 하나만 엉뚱한 위치로 이동해 있기 때문이다. 그 때문에 자동화 도구에서는 해석 결과의 표시 형식을 선택하는 메뉴에서 ‘미제스 응력’ ‘최대 주응력’뿐 아니라 ‘전체 변형량’이 반드시 지정되도록 설정했다.

-- 나사 '리모트 포인트' 설정 --
앞서 언급한 나사 설정에 대해 정확히 말하면, 카시오계산기는 특수한 경우를 제외하고 나사를 ‘리모트 포인트’ 기능으로 설정하고 있다. 리모트 포인트는 물체에서 떨어진 위치에 두는 가상의 점으로, 이 점과 형상 요소 사이에 관계를 정의할 수 있다. 나사에 적용할 때는 나사 축의 중심에 리모트 포인트 1개를 배치하고, 체결되는 2개 부재의 나사 구멍 내면(원통면)을 ‘강체(剛体)’로 연관시킨다. 이를 통해 2개의 나사 구멍 내면이 서로 고정된다.

이렇게 하는 목적은 계산 시간 단축을 위해서다. 나사 자체는 모델에서 제거해 요소 수를 줄인다.

여기서 문제가 되는 것이 리모트 포인트에 관한 조작이다. 일반적으로는 2개의 나사 구멍 내면을 선택하여 그룹화하고, 이에 이름을 붙인 후 리모트 포인트를 적용하여 ‘강체’를 지정하게 된다. 이 때 나사 구멍 내면을 반드시 2개 지정해야 체결된 것으로 된다. 그러나 까다로운 점은 2개 중 1개를 지정하지 못해도 시뮬레이션 도구가 에러를 표시하지 않는다는 것이다.

카시오계산기는 사용자가 나사 요소만 지정하면, 자동으로 앞서 설명한 리모트 포인트 설정이 진행되도록 자동화 도구를 제작해, 반드시 2개 면이 대상이 되도록 했다. 게다가 해석 소프트웨어의 리모트 포인트 기능에는 ‘강체’ 외에 변형을 허용하는 ‘변형체’ 설정이 가능하지만, 카시오계산기의 설정 목적상 강체를 지정해야 한다. 이 부분도 자동화 도구의 기능에 추가해, 변형체가 선택되는 일이 없도록 했다.

-- 낙하 해석의 조건 설정 체크 --
내구성을 강점으로 내세운 손목시계 ‘G-SHOCK’을 대표 사례서, 카시오계산기는 제품이 낙하했을 때를 가정한 시뮬레이션을 실시한다. 컴퓨터상에서 다양한 방향으로 떨어뜨려 보는데, 예를 들어 손목시계의 경우 유리면을 아래로 향해 떨어뜨렸을 때, 반대로 케이스 뒷면을 아래로 했을 때, 문자판에서 3시 방향이 아래를 향하도록 했을 때 등 조건을 바꾼다.

이때 해석 모델의 방향을 편집용 CAD(미국 ANSYS의 ‘SpaceClaim’)에서 회전시키는 것은 피하고 있다. 바꾸고 싶은 것은 방향뿐이고, 그 외의 모델 설정 등은 변경하고 싶지 않지만 모델을 직접 조작하면 의도치 않게 다른 설정까지 함께 바뀔 가능성을 배제할 수 없기 때문이다. 대신 바닥면의 방향과 중력가속도, 낙하 속도의 방향을 변경한다.

중력가속도는 모델 공간 전체에 대해 지정하지만 낙하 속도는 부재에 대해 지정한다. 예를 들어 1.5m와 같은 소정의 높이에서 자유 낙하시킨 경우, 바닥면에 닿을 때의 속도를 설정한다. 디지털엔지니어링개발실의 나리타(成田) 씨는 “이때 중력가속도와 낙하 속도의 방향은 동일하게 설정해야 하기 때문에 이를 자체 제작 도구로 체크하도록 했다”라고 설명한다.

‘전체 부재 수와 속도를 부여한 부재의 개수가 일치하고 있다’라는 체크도 자체 제작 도구로 실현했다. 예를 들어 CAD에서 모델의 부재를 일부 교체하면, 그 부재에는 낙하 속도 설정이 없어진다. 그 상태에서 시뮬레이션을 하면, 일부 부재가 속도 제로로 바닥면에 닿게 되면서 계산 결과 전체의 의미가 사라져 버린다. 이런 사태를 방지하는 기능이다.

-- 사용할 만한 물성 데이터를 한 번에 수집 --
“몇 분을 절약하는 데 불과하지만, 설계자의 스트레스를 크게 줄일 수 있다”(디지털엔지니어링개발실의 하타케(畠) 씨). 이와 같은 도구는 수치로 표현할 수 있는 효과가 작아 외주 제작은 어렵지만 자체 제작이라면 만들 수 있다. 그중 하나가 부재에 대하여 재료 물성 데이터를 정의할 때의 조작을 간소화하는 도구다. 시계, 악기, 계산기 등 제품군별로 자주 사용하는 재료를 클릭 한 번으로 미리 선택할 수 있다.

카시오계산기는 전사적으로 마스터 재료 데이터를 공유하고 있으며, 해석 계산을 실시할 때는 항상 서버에서 최신 데이터를 받아 사용한다. 이렇게 공유하는 이유는 “제품의 종류가 달라도 해석 결과는 참고가 되는 경우가 많고, 이를 비교 검토하려면 같은 이름의 데이터는 동일한 물성을 갖도록 통일해 두는 편이 좋기 때문이다”(엔도 씨). 그런데 이 마스터 데이터에는 다른 제품에서 사용하는 물성 데이터가 순서 없이 들어 있다.

그 때문에 예를 들어 시계 설계자는 마스터 데이터에서 시계용 재료 물성 데이터를 골라 해석 도구로 불러와야 한다. 부재에 재료 물성 데이터를 할당할 때는 일단 불러온 리스트에서 다시 선택하기 때문에 “같은 것을 두 번 고르는 느낌의 조작이 된다”(하타케 씨). 이에 제품별로 필요한 재료를 마스터에서 선별하는 작업은 한 번의 클릭으로 실행할 수 있도록 도구를 정비했다.

자동화 도구 제작에는 프로그래밍 언어 ‘Python’을 많이 사용하고 있다. “웹 기반으로 실행하는 기능이나 Excel 데이터를 다루는 기능도 있어, 여러 언어를 배우지 않아도 Python 하나만으로 도구 전반을 아우르는 자동화가 가능하다. 학생 시절에 Python을 조금이라도 다뤄본 사람도 많다”(하타케 씨). 오피스 도구의 매크로를 활용해 일부 숙련자가 애써 자동화를 하던 과거에 비해, 사용자 기업이 자동화 도구를 자체 제작하기 좋은 환경이 갖춰지고 있다고 할 수 있다.

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