AutoCAD 방식 2D 작도와 직접 모델링 3D 를 통합한 CAD 프로그램 개발

1. 정보수집

1.1 요구 조건과 비교 대상

첫 판의 요구는 2D 작도와 3D 모델링을 함께 지원하고, IGES, STL, STEP, DXF, DWG 형식을 주고받는 것이었다. 완료 기준은 2D 스케치를 입체로 만들어 STEP 과 STL 로 저장하는 것으로 정하였다.

작업 중에 화면 기준이 추가되었다. 2D 는 AutoCAD 수준, 3D 는 ANSYS SpaceClaim 수준의 인터페이스를 갖추도록 하였다. 표 1은 iCAD 와 상용 CAD 의 형상 생성 방식을 비교한 것이다.

1.2 AutoCAD 명령 수집

v1.0.0.5 에서는 AutoCAD 강의 영상을 따라 기능 공백을 찾았고, 이어서 Autodesk 공식 도움말의 명령 참조 문서를 기준으로 명령과 옵션을 수집하였다(참고문헌 1, 2).

수집은 네 군으로 나누었다. A군은 그리기와 문자, B군은 수정과 선택, C군은 블록과 참조와 도면층, D군은 치수와 보기와 단축키이다. 군마다 옵션 키워드와 효과를 적고 iCAD 소스와 대조하여 있음, 일부, 없음으로 판정하였다.

대조 결과 공백 46건(G-01~G-46)을 찾았다. 그립 모드 순환, 블록 속성, 블록 편집기, 외부 참조, DesignCenter, 도면층 특성 관리자, 임시 재지정 키가 큰 공백이었다.

1.3 동력전달장치 기준 도면

도면 완성도의 기준은 전산응용기계제도기능사 실기 수준의 동력전달장치 도면으로 정하였다. 한국산업인력공단 공개문제는 도면 쪽이 비어 있어, 도면 양식 규정만 확보하였다(참고문헌 3).

조립도와 부품도는 교육용 공개 자료에서 6종을 모았다. 그 도면에는 표면거칠기 기호, 기하공차 기입 틀, 데이텀, 치수공차 첨자, 부품번호 풍선, 요목표가 쓰인다. 이 기호들은 현재 iCAD 에 없으며 다음 판의 범위로 정하였다.

2. 전략수립

2.1 프로그램 구조

표 2는 첫 판에서 정한 구조와 그 근거를 나타낸다.

2.2 기능 지도와 판별 계획

2026.10.26. 소스를 기능 단위로 조사하여 158개 항목을 구현 92, 일부 7, 없음 59로 분류하였다. 이 기능 지도를 기준으로 공백 항목을 판마다 나누어 넣었다. 표 3은 판별 주제를 나타낸다.

2.3 시험 방법

시험은 네 단계로 구성하였다. 엔진 시험(enginetest)은 화면 없이 연산과 파일 왕복을 확인한다. 화면 시험(realtest)은 마우스와 자판 사건을 실제 창에 보내고 화면을 저장한다.

실행 파일 자체 점검(–selftest)은 빌드한 exe 안에서 핵심 기능을 다시 실행한다. 마지막으로 사용자 PC 에 설치 파일을 설치하고 사례 도면을 그린 뒤 제거하는 시험을 반복하였다.

3. 예시. iCAD 개발 과정과 결과

3.1 첫 판 v1.0.0.0

첫 판에서 2D 명령 30개, 3D 도구(선택, 당기기, 이동, 채우기, 결합, 스케치), 파일 형식 7종을 구현하였다. 3D 에서 2D 로 가는 제3각법 투영은 OCCT 은선 제거로 숨은선을 HIDDEN 선 종류로 그린다.

STEP 왕복은 부피 56,858.407 mm³ 로 일치하였다. IGES 는 읽은 결과가 곡면 묶음이라 부피가 54,858 로 달랐고, 꿰매기(Sewing) 후 닫힌 껍질을 고체로 바꾸어 일치시켰다.

2만 3천 객체 도면에서 마우스 이동 한 번에 약 200 ms 가 걸렸다. 객체 전체를 매번 검사하였기 때문이며, 경계 상자 numpy 배열 색인을 적용하여 선택 0.3 ms, 스냅 1 ms 로 줄였다.

3.2 2D 보완 v1.0.0.1, v1.0.0.2

두 판에 걸쳐 2D 명령 25건을 추가하였다. 해치 내부 점의 경계는 3D 스케치 영역 계산과 같은 OCCT 분할기로 찾는다. 그림 3은 v1.0.0.2 에서 추가한 객체를 한 화면에 그린 결과이다.

시계 방향 호 구간이 있는 폴리선의 면적이 틀린 결함을 이 과정에서 발견하였다. 호의 표본점을 반시계 순서로 뽑아 구간마다 점 순서가 뒤집혔기 때문이며, 진행 방향을 지키는 표본 함수로 고쳤다.

3.3 AutoCAD 방식 화면 v1.0.0.3

작도 화면 위에 반투명 플로팅 명령줄을 두고, 명령 이름과 별칭과 한글 이름으로 자동 완성 후보를 보이게 하였다. 치수는 DIM 한 명령으로 선, 원, 호를 보고 종류를 정한다.

치수 스타일 관리자는 AutoCAD 와 같은 7개 탭과 45개 변수를 갖는다. 그림 4는 DIM 명령으로 만든 선형, 각도, 지름 치수를 나타낸다.

배치는 모형 탭과 배치 탭, 용지 공간, 뷰포트와 축척, 페이지 설정, 600 dpi PDF 출력을 갖추었다. 그림 5는 배치1 의 뷰포트 화면이다.

3.4 3D 기본기 v1.0.0.4

3D 에는 면을 축 둘레로 돌리는 회전 당기기와, 구멍이나 축의 지름을 바꾸는 원통면 당기기를 추가하였다. 그림 6은 직선 당기기와 모서리 모깎기로 만든 판이고, 그림 7은 Z 축 둘레 회전 당기기 결과이다.

재료는 강, 알루미늄 6061, ABS 등 15종과 사용자 밀도를 지정할 수 있으며, 질량 속성 계산에 반영된다.

3.5 설치 파일과 PC 사례 시험 v1.0.0.5

Windows 실행 파일은 컨테이너의 wine 환경에서 PyInstaller 로 만들고, Inno Setup 으로 설치 파일(86 MB)을 생성하였다. 관리자 권한 없이 사용자 폴더에 설치되고 제어판에서 제거된다.

wine 에서는 Qt6Core 가 Windows 10 시스템 DLL 인 icuuc.dll 을 요구하였다. 함수 20개를 가진 대역 DLL 을 mingw 로 만들어 wine 에만 두었고, 설치 파일에는 넣지 않았다.

사용자 PC 에 설치한 뒤 공개 연습 도면 6건을 그리거나 열어 보았다. 표 4는 이 시험에서 발견하여 고친 결함을 나타낸다.

3.6 블록, 참조, 탐색기 v1.0.0.5

1.2절의 공백 46건을 9개 묶음으로 나누어 구현하였다. 블록에는 속성(ATTDEF), 블록 편집기(BEDIT), 비균일 축척, 블록 쓰기(WBLOCK)를 넣었고, 블록 팔레트에서 끌어 놓아 삽입할 수 있다.

탐색기 계열에는 외부 참조 팔레트, DesignCenter, 도면층 특성 관리자를 추가하였다. 도면층 관리자는 필터 나무, 검색, 상태 기호, 병합과 격리 메뉴를 갖는다. 그림 9는 도면층 관리자 화면이다.

그립은 Enter 로 신축, 이동, 회전, 축척, 대칭을 차례로 바꾸고, 누른 채 끌면 올가미 선택이 된다. Shift 와 객체 스냅 키를 누르는 동안 스냅을 임시로 바꾸는 임시 재지정 키도 추가하였다. 명령은 196개가 되었다.

3.7 반응속도 측정과 개선

CAD 는 마우스 동작과 화면 응답 사이의 지연이 작업 속도를 정한다. 이에 객체 1천, 1만, 5만 개의 도면을 만들어 사용자가 체감하는 동작 9가지의 시간을 측정하였다. 표 5는 개선 전후 값을 나타낸다.

휠 확대와 끌어 이동은 화면 전체를 다시 그리던 방식에서, 직전 그림을 새 축척으로 옮겨 보이고 동작이 140 ms 멈추면 다시 그리는 방식으로 바꾸었다.

도면이 바뀌면 객체마다 특성을 직렬화하여 이전 값과 비교하고, 바뀐 객체의 경계 상자 영역만 다시 그린다. 부분 갱신 그림과 전체 그림을 화소 단위로 비교하는 시험 32건을 모두 통과하였다.

전체 선택의 93.5초는 번호로 객체를 찾는 함수가 목록을 처음부터 검색하여 생긴 지연이었다. 번호 사전을 두어 23 ms 로 줄였다. 처음 전체 그리기와 5만 개 도면의 되돌리기는 개선하지 못하였다.

3.8 시험 결과 추이

표 6은 판별 시험 결과를 나타낸다. 모든 판에서 시험을 전부 통과하였다.

그림 10은 3D 몸체를 2D 도면으로 투영한 결과이다. 정면도, 평면도, 우측면도, 등각도가 한 도면에 배치된다.

4. 결과 및 남은 일

본 작업에서는 AutoCAD 방식 2D 작도와 SpaceClaim 방식 3D 직접 모델링을 한 프로그램에 통합한 iCAD 를 v1.0.0.5 까지 개발하였다.

2D 명령은 196개, 기능 지도의 끝 항목은 199개 중 165개를 구현하였다. 설치 파일을 사용자 PC 에 설치하여 사례 6건을 시험하였고 결함 8건을 고쳤다.

휠 확대와 끌어 이동은 5만 개 도면에서 4 ms 안팎으로 응답한다. 동력전달장치 도면에 필요한 기계 제도 기호는 아직 없으며, 다음 판에서 구현한다.