초급 #12 1차 데이텀 피쳐에 의한 자유도 제한
지금까지 데이텀에 대해 알고 있는 것을 다시 정리해보자. 데이텀 피쳐는 물리적으로 실제로 존재하며 형상이 불완전하다. 반면 데이텀은 이러한 데이텀 피쳐에서 도출된 것으로 완벽한 점, 선(축), 면(평면)이다. 또한 FCF에서 이 데이텀 피쳐를 참조하면 해당 데이텀 피쳐에서 데이텀을 도출하여 데이텀으로 DRF를 구축한다.
FCF과 그 안에 표기된 1차 데이텀 피쳐를 생각해보자. 데이텀 피쳐를 참조할 때 FCF에 첫번째로 참조되는 데이텀 피쳐를 1차 데이텀 피쳐라고 했다. 데이텀 피쳐는 자신이 아닌 다른 피쳐의 위치와 자세를 설정하는 기준으로 사용한다. 위치나 자세는 항상 다른 무언가를 기준으로 정해진다. 그리고 바로 데이텀 피쳐로부터 도출된 데이텀이다. 1차 데이텀 피쳐는 2차, 3차 데이텀 피쳐보다 중요하다. 왜냐하면 6자유도를 제한하기 시작하기 때문이다. 1차 데이텀 피쳐의 형상에 따라 6자유도 중 일부 또는 전부를 제한하게 된다. 다시 말해, 1차 데이텀 피쳐는 자신이 제한할 수 있는 자유도를 제한한다. 이후 2차 데이텀 피쳐, 3차 데이텀 피쳐는 1차 데이텀 피쳐에 의해 제한하고 남은 자유도를 자신이 제한할 수 있는 만큼의 자유도를 제한하게 된다. 이번 글에서는 다양한 형상의 피쳐가이 1차 데이텀 피쳐로 사용될 때 자유도를 제한할 수 있는 능력이 어떻게 되는지 살펴보겠다.
평면 서피스
데이텀 피쳐로 가장 일반적으로 사용되는 형상은 평면이다. 평면은 조립시 부품이 처음 접촉되는 면이거나 재현성이 좋아 측정에 적합하기 때문이다. DRF를 구축할 때 더 많은 DRF를 다룰 것이지만 지금은 1차 데이텀 피쳐가 어떻게 자유도를 제한하기 시작하는지만 살펴본다.
그림은 평면이 1차 데이텀을 생성하는 데 사용된다. 데이텀 피쳐는 실재하는 불완전한 표면이며, 데이텀 시뮬레이터는 불완전한 데이텀 피쳐의 높은 점들과 접촉하는 평면이 된다. 그리고 데이텀은 완벽한 이론적인 평면이 된다.
데이텀 시뮬레이터와 데이텀 피쳐가 데이텀 피쳐의 높은 점에서 접촉하면, 자연스럽게 자유도 3개가 제한된다. 보다시피 Y방향으로의 병진자유도는 부품의 표면이 데이텀 평면에 접촉함으로써 제한되게 된다. u방향의 회전자유도와 w방향의 회전자유도도 부품이 그 표면에서 흔들리거나 들리면서 회전할 수 없기 때문에 제한된다. 따라서 데이텀 평면에 평행한 병진 자유도 2개와 v축을 중심으로 하는 회전은 여전히 제한되지 않은 상태로 남게 된다. 따라서 이 평면서피스는 1차 데이텀 피쳐로 인해 병진 자유도 1개와 회전자유도 2개, 즉 6자유도 중 3개가 제한되게 된다.
평행평면 서피스
1차 데이텀 피쳐로 평행평면 서피스도 많이 사용된다. 이전에 배운 것처럼 데이텀 피쳐 심볼의 위치를 통해 사이즈 피쳐를 데이텀 피쳐로 정하는지 서피스를 데이텀 피쳐로 정하는지 알 수 있다. 이전 예시에서는 평면 서피스를 데이텀 피쳐로 정한 것을 살펴보았다. 이번 예시는 사이즈 치수에 데이텀 피쳐 심볼이 연결되어 있으므로, 사이즈 피쳐를 데이텀 피쳐로 사용하겠다는 것을 의미한다. 데이텀 시뮬레이터는 데이텀 피쳐에 동시에 접촉하면서 서로 평행한 상태를 유지해야 한다. 데이텀 각 서피스의 높은 점들이 평행한 두 개의 데이텀 시뮬레이터 내에서 부품의 자세를 결정하게 된다. 이 경우에 데이텀은 두 개의 데이텀 시뮬레이터 사이에 정확하게 중심에 있는 평면이 된다.
앞서 평면서피스와 마찬가지로 완벽하게 평평항 평면이 데이텀이 된다. 또한 이 중심평면은 6자유도 중 자유도 3개, 즉 회전자유도 2개와 병진자유도 1개를 제한하고, 병진자유도 2개와 회전자유도 1개가 아직 남아있다. 이는 2차 데이텀 피쳐와, 3차 데이텀 피쳐에 의해 제한되게 된다.
원통 서피스
다음은 원통 사이즈 피쳐를 1차 데이텀 피쳐로 사용하는 경우를 살펴보자. 이 피쳐의 원통면이 데이텀 피쳐로 지정된다. 이 경우에는 데이텀 피쳐 심볼이 사이즈 치수의 치수선과 일치하는지 여부는 중요하지 않다. 왜냐하면 평행평면과 달리 원통면은 하나 뿐이기 때문에 치수선과 일치하도록 연결하지 않아도 하나의 원통면만을 지정하기 때문이다. 따라서 원통면을 지시하면 항상 그 원통면이 사이즈 피쳐가 된다. 데이텀 피쳐는 실재하는 만질 수 있다. 이 경우 데이텀 피쳐는 불완전한 원통 서피스이다.
데이텀 시뮬레이터는 데이텀 피쳐의 원통 서피스와 접촉한다. 데이텀 피쳐 시뮬레이터가 데이텀 피쳐의 불규칙한 표면의 높은 점들과 접촉할 때까지 작아지는 원벽한 형상의 원통이라는 것을 이해하는 것이 중요하다.
이러한 높은 점들이 데이텀 피쳐 시뮬레이터 내에서 부핌이 어떻게 놓이는지 결정하게 된다. 데이텀 피쳐 시뮬레이터는 CMM처럼 소프트웨어적으로 구현할 수도 있다. 여기서 핵심은 내피쳐든 외피쳐는 원통형 사이즈 피쳐는 축을 데이텀으로 생성한다는 것이다. 축은 6자유도를 어떻게 제한할까? 3차원 공간에 축을 놓으면 4개의 자유도가 제한된다는 것을 알 수 있다. x방향과 y방향의 병진자유도가 제한되며, 이러한 축을 중심으로 하는 u방향 회전자유도와 v방향 회전자유도도 제한된다. 결과적으로 데이텀 축은 z방향의 병진자유도와 이 축에 대한 w회전자유도는 제한되지 않는다. 축의 기하학적 특성을 생각해보자. 축 자체에 대한 상대적인 회전을 정의할 수 있는 것이 없으면 축은 영원히 계속된다. 따라서 원통서피스를 자체를 따라 위치를 정의할 수도 없다. 이러한 자유도를 제한하려면 2차 데이텀 피쳐 및 3차 데이텀 피쳐를 정의해야 한다.
정리
이제까지 평면과 축이 데이텀으로 생성되는 것을 살펴보았다. 이들은 가장 일반적인 데이텀의 유형이다. 평면이 서피스에서 도출되었든 평행평면서피스에서 도출되었든 상관없이 항상 자유도 3개를 제한할 수 있다. 축의 경우에는 항상 자유도 4개, 즉 병진자유도 2개와 회전자유도 2개를 제한할 수 있다. 이것이 가장 일반적인 유형이고, 도면에서 있는 대부분의 데이텀 피쳐는 이 유형에 속한다. 하지만 더 복잡한 2차 데이텀 피쳐를 사용하여 자유도를 제한할 수도 있다.