Transcript 기계공학개론 제5장
5장 기계공학 문제의 해결도구 및 해결절차 Tools and Procedure to Solve Mechanical Engineering Problems 5.5 제조공정 및 생산기술 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 5.5 제조공정 및 생산기술 제조공정 및 생산기술 제조공정(manufacturing process) – 원하는 제품을 만들기 위하여 기계, 공구 그리고 인력을 사용하는 과정 – 소재를 가공하는 방법에 따라 주조, 소성가공, 사출성형, 절삭가공 공정 등으로 구분 생산 시스템(production system) – 기업에서 제품을 생산하기 위하여 필요한 자원들이 결합된 시스템 – 생산에 필요한 자원 : 제품의 수요예측, 생산계획, 일정계획, 판매와 관련된 모든 사항 기계 엔지니어의 역할 제품을 창의적으로 구상하고 최적으로 설계하는 과정뿐만 아니라 경제적으로 만족스럽게 제조하고 생산하 는 과정에 대해서도 관심을 가져야 한다. Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 2 5.5 제조공정 및 생산기술 기계재료 기계재료 – 기계부품에 사용되는 재료 : 금속재료와 비금속재료로 구분 – 금속재료 : 철금속재료와 비철금속재료로 구분 ▶ 철금속재료 : 탄소함유량에 따라 순철, 강, 주철로 구분 ▶ 강 : 철, 탄소 외에 약간의 규소, 망간, 인, 황 등의 원소가 함유된 탄소강과 탄소강에 니켈, 크롬, 망간, 규소, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 등의 원소를 한 가지 이상 첨가시켜 특수한 기계적 성질을 가지도록 한 합금강으로 구분 – 비금속재료 : 합성수지, 세라믹, 목재, 섬유강화복합재 등 표 5.4 철의 분류 기준, 특성 및 용도 구분 순철 강 주철 탄소함유량 0.025% 이하 0.025 ~ 2.0% 2.0 ~ 6.67% 가공성 연하고 우량 소성 및 절삭가공 가능, 용접 용이 절삭가공 가능, 용접성 불량 기계적 성질 연성 큼 강도, 경도 큼 연율 작고, 취성 큼 주요 용도 변압기의 철심 등과 같은 자성체 기계의 주요 부품 재료 기계의 몸체 주조용 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 3 5.5 제조공정 및 생산기술 주조공정 주조(casting)공정 – 용해된 금속을 주형에 부어 식히는 방법으로 원하는 제품을 만드는 제조공정 – 금속 주조공정 ① 용융금속을 주형이라고 하는 틀 속으로 주입 ② 주형 안에 금속이 응고되면서 주형의 모양대로 만들어짐 – 주조공정의 후처리 ① 주형 속에서 주물을 꺼내고 표면 청소 ② 주물에 불필요하게 붙어 있는 위쪽의 탕구부나 상하 주형 사이의 플래시 제거 (a) 용해로 그림 5.44 사형주형을 이용한 주조공정도 Introduction of mechanical engineering (b) 용탕 주입 그림 5.45 용해로와 용융금속을 주형에 주입하는 장면 기계공학개론 4 5.5 제조공정 및 생산기술 주조공정 주조기술의 역사 – 5천년 이상의 역사를 가진 인류 역사상 가장 오래된 금속 가공방식 중의 하나 – 일상생활용품, 농기구, 미술품, 무기류 등을 제작하는데 많이 사용 – 우리나라 : 불교 전래와 더불어 불상, 범종 제작을 위하여 주조기술 많이 사용됨 주조제품 – 실린더 라이너, 터빈 블레이드, 베어링 링, 크랭크축, 피스톤, 기차바퀴, 포신 등 – 기계 및 산업설비의 부품에서부터 일상생활용품에 이르는 다양한 제품 (a) 실린더 라이너 범종 주조작업 Introduction of mechanical engineering (b) 터빈 블레이드 (c) 베어링 링 그림 5.46 주조 제품의 예 기계공학개론 5 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 소성가공(plastic working)공정 – 재료를 원하는 형상의 금형에 넣은 후 소성변형을 이용하여 필요한 형상이나 기계적 특성을 얻는 제조공정 – 체적성형을 하는 소성가공공정 : 압연, 단조, 압출, 인발 등 – 판재성형을 하는 소성가공공정 : 전단, 굽힘, 디프드로잉, 스피닝 등 압연(rolling) – 재료를 회전하는 2개의 롤러 사이로 통과시켜 판 및 형재를 만드는 소성가공공정 – 압연온도에 따라 열간압연과 냉간압연으로 분류 (a) 판재의 압연 (b) 형강의 압연 그림 5.47 압연공정 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 6 5.5 제조공정 및 생산기술 제조공정 동영상 (POSCO 제강/압연) 동영상 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 7 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 단조(forging) – 금속을 정적 또는 동적인 압력을 가하여 원하는 형상으로 성형하는 가공 – 단조 온도에 따라 냉간가공(cold working), 온간가공(warm working), 열간가공(hot working)으로 구분 단조 온도 – 금속 재질, 단조물의 크기 등을 고려하여 결정 – 일반적으로 고온일수록 변형저항이 작아 많은 변형이 가능 – 필요 이상의 높은 온도로 가열하거나 장시간 가열하면 재질이 변하기 쉬움 표 5.5 재료별 열간 단조의 온도범위 Introduction of mechanical engineering 재료 열간 단조의 온도 알루미늄합금 400~450℃ 구리합금 625~950℃ 합금강 925~1250℃ 티타늄합금 750~795℃ 내열합금 975~1650℃ 기계공학개론 8 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 단조공정의 특징 및 제품 – 단조공정의 특징 ▶ 금속재료를 적당한 온도로 가열한 후에 공구로 압력을 가하여 원하는 형상 제조 ▶ 제품의 조직이나 기계적 성질 개선 ▶ 제품의 가격 너무 비쌈 ▶ 형상이 너무 복잡하거나 큰 것은 가공하기 힘듦 – 단조 제품 : 고도의 신뢰성이 요구되는 크랭크축, 차축, 선박의 추진기 등 금속 유동선 없음 (a) 주조 금속 유동선 절단 (b) 절삭 금속 유동선 형성 (c) 단조 그림 5.48 가공방법에 따른 금속 유동선 유무 Introduction of mechanical engineering (a) 커넥팅 로드 (b) 골프 헤드 그림 5.49 단조 제품의 예 기계공학개론 9 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 단조공정 방식 – 자유단조(free forging) : 금형이 없이 해머(hammer)로 제품의 형상을 만듦 – 형단조(die forging) : 금형을 사용하여 제품을 만듦 자유단조 – 해머로 두드려서 성형하는 단조 방식 – 절단, 늘이기, 넓히기, 굽히기, 압축, 구멍 뚫기, 비틀림, 단짓기 작업 등 그림 5.50 자유단조에 의한 성형 종류 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 10 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 형단조 – 공기압, 수압, 유압 등을 동력으로 하는 자동해머나 프레스에 금형을 부착시키고 가열시킨 소재를 금형 사이에 넣어 가압 성형 – 균일한 제품을 능률적으로 가공할 수 있으므로 대량생산에 적합 – 금형 값이 비쌈 그림 5.51 형단조의 순서 Introduction of mechanical engineering 그림 5.52 형단조 제품의 예 기계공학개론 11 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 압출(extrusion) – 일정한 틀 내에 들어있는 고체상태의 소재를 가압하여 금형 밖으로 밀어내면서 가공 – 알루미늄, 구리, 마그네슘 등과 그 합금의 각종 단면재와 관재를 얻을 때 많이 사용 – 냉간 압출공정과 열간 압출공정으로 구분 ▶ 냉간 압출공정 : 재료의 유동저항이 크기 때문에 펀치행정이 짧고 다단압출과 같은 여러 단계의 압출과정을 거쳐서 성형 ▶ 열간 압출공정 : 소재를 예열하여 유통저항을 크게 줄인 상태에서 압출 그림 5.53 압출 원리 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 12 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 압출공정 방식 – 직접압출(전방압출) : 소재의 뒷면을 가압하는 방식 – 간접압출(후방압출) : 금형이 소재 방향으로 움직이며 가압하는 방식 – 충격압출 : 펀치를 이용하여 소재가 펀치의 외부로 빠져나가게 하는 방식 – 정수압압출 : 소재의 주위에 채워진 액체를 가압하는 방식 – 압출은 기본적으로 연속공정으로 이루어짐 → 1회의 압출로 동일한 단면을 가지는 제품을 얻음, 치수정밀도와 표면의 정도 높음 (a) 직접압출 (b) 간접압출 (c) 충격압출 (d) 정수압압출 그림 5.54 각종 압출공정 방식 Introduction of mechanical engineering 그림 5.55 압출공정으로 제조한 각종 알루미늄 단면재 기계공학개론 13 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 인발(drawing) – 소재를 금형의 구멍을 통과시켜 소재의 단면을 줄이는 공정 – 동일 단면의 봉, 관, 선 등을 연속 제조하는 가공공정 – 소재는 압출이나 압연에서 어느 정도 가공된 소재를 사용 그림 5.56 인발가공 Introduction of mechanical engineering 그림 5.57 인발 제품의 단면모양 기계공학개론 14 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 판재성형(sheet metal working) – 판재를 소성 변형시켜 여러 가지 모양의 제품을 만드는 가공공정 – 형상이 복잡한 것을 생산할 때 주조나 단조에 비하여 재료손실이 적고 쉽게 만들 수 있어서 대량생산에 적합, 표면상태가 좋으며 표면처리가 쉬움 – 판재성형 방식 : 전단가공, 굽힘가공 전단(shearing) 가공 – 펀치와 금형을 이용하여 판재를 주어진 치수와 모양으로 절단하는 가공 – 가공 목적에 따라 블랭킹(blanking)과 피어싱(piercing) 으로 구분 (a) 전단작업 (b) 블랭킹 (c) 피어싱 그림 5.58 전단가공의 예 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 15 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 굽힘(bending)가공 – 금형과 펀치, 롤러 등에 의해 원하는 모양으로 판재를 굽히는 가공 – 굽힘가공에서는 스프링백을 고려해야 함 스프링백(spring back) - 판재를 굽힐 때 재료가 완전히 소성변형 되지 않아서 굽힘압력을 제거하면 변형이 어느 정도 회복되는 현상 - 판재를 원하는 변형보다 더 크게 변형시킬 수 있도록 힘을 가하여야 함 (a) V굽힘 (b) 롤굽힘(대형) (c) 롤굽힘(파이프) 그림 5.59 굽힘가공의 예 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 16 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 디프드로잉(deep drawing) – 블랭킹한 재료를 사용하여 바닥은 있으나 이음매가 없는 용기를 신속하게 성형 – 원통형, 각통형, 반구형의 식기, 세면기 등을 가공하는 데 이용 – 초기 금형 비용이 비싸므로 생산량이 충분히 확보된 경우에만 채택하여야 함 그림 5.60 디프드로잉 가공의 예 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 17 5.5 제조공정 및 생산기술 소성가공공정 스피닝(spinning) – 선반(lathe) 주축에 가공하고자 하는 성형용 금형을 고정하고, 이 금형에 판재를 대고 축과 함께 고속 회전시키면서, 스피닝 공구로 판재를 금형에 밀어 붙여서 원하는 형상을 만드는 공정 – 대칭형의 제품을 소량으로 생산하는 경우에 금형의 비용을 절약할 수 있음 그림 5.61 스피닝 가공의 예 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 18 5.5 제조공정 및 생산기술 사출성형공정 사출성형(injection molding)공정 – 플라스틱 재료에 열을 가하여 용해시킨 다음 압력을 가하여 금형 안으로 밀어 넣은 후에 고화시켜서 성형하는 공정 – 1872년 John과 Iniah Hyatt : 최초로 사출성형기 고안 – 1950년대 왕복 회전식 스크루형 사출기가 개발된 이후 사출성형 기술 급격히 발전 → 현재 플라스틱 성형품 가공의 약 40% 차지 – 복잡한 형상 쉽게 제조, 설비나 원재료의 비용 저렴, 제품의 생산 사이클 시간 매우 짧음 → 대량의 플라스틱 제품들을 값싸고 빠르게 생산할 수 있음 스피커 의자 안전모 무기류 사출성형 제품들 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 19 5.5 제조공정 및 생산기술 사출성형공정 사출성형기의 구조 – 사출장치, 형체장치, 유압장치, 제어장치, 프레임 등으로 구성 – 사출장치 : 호퍼, 가열실린더, 스크루, 노즐, 유압모터, 유압실린더 등으로 구성 – 구동방식 대부분 유압식, 최근에는 서보모터를 이용한 전동식도 있음 그림 5.62 사출성형기의 개요도 Introduction of mechanical engineering 그림 5.63 사출장치의 상세도 기계공학개론 20 5.5 제조공정 및 생산기술 사출성형공정 사출성형 공정절차 – 가소화 : 원료 수지를 용융하는 공정 – 충진 : 금형의 내부의 성형품 공간에 용융 수지를 채우는 공정 – 보압 : 사출이 끝난 후 수지의 역류 방지를 위해 스크루를 계속 밀어주는 상태 – 냉각 : 용융 수지를 냉각하기 위하여 일정시간 금형온도를 유지하여 수지를 고화 – 이형 : 성형된 제품을 금형으로부터 분리해 내는 공정 가소화 충진 보압 냉각 이형 (a) 금형 열림 그림 5.64 사출성형공정 절차 Introduction of mechanical engineering (b) 금형 열림 (c) 성형품 방출 그림 5.65 사출성형공정에서의 이형 기계공학개론 21 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 절삭가공(machining of metals)공정 – 공작물보다 경도가 큰 절삭공구를 사용하여 공작물을 깎아내어 원하는 형상으로 가공 – 절삭공구의 종류 ▶ 비교적 큰 칩을 발생시키는 절삭공구 : 바이트, 드릴, 커터 등 ▶ 가루형태의 칩을 발생시키는 절삭공구 : 숫돌 등 – 절삭가공공정 : 보다 정밀한 제품을 제조하기 위하여 사용 → 환봉 등의 소재, 주조 등으로 1차 가공된 공작물들을 공작기계를 사용하여 2차로 가공 칩 칩 공구 공구 공작물 떨어져 나온 칩 (a) 절삭기구 (b) 절삭으로 인한 칩 생성 (c) 떨어져 나온 칩 그림 5.66 절삭공구와 칩 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 22 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 공작기계의 종류 – 전통적인 공작기계 : 선반, 밀링머신, 드릴링머신, 셰이퍼, 연삭기 등 – 현대 공작기계 : 수치제어(numerical control; NC) 공작기계, 마이크로프로세서가 내장된 CNC(computerized numerical control) 공작기계 등 → 입체가공, 복합가공 등 어려운 형상가공, 고속가공, 고정도가공이 가능하게 됨 – 절삭가공공정은 기계부품의 복잡한 형상을 보다 쉽고 정밀하게 가공할 수 있도록 발전하고 있음 (a) 선삭 (b) 밀링 (c) 드릴링 (d) 평삭 (e) 연삭 그림 5.67 절삭가공공정의 종류 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 23 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 동영상 (금형용 머시닝센터) 동영상 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 24 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 선삭(turning)가공 – 10세기경 나무로 된 봉을 깎아서 원형 단면을 만든 것에서 시작 → 그림 5.68 참조 : 천장에 고정시킨 휨판을 영어로 'lath', 이것이 선반의 어원 – 공작물의 회전운동과 절삭공구의 직선운동에 의하여 공작물 절삭 – 선반의 구성 : 주축대, 왕복대, 심압대, 베드 등 그림 5.68 선반과 유사한 가공이 가능한 10세기의 공작기계 Introduction of mechanical engineering 그림 5.69 선반 기계공학개론 25 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 선반을 이용한 절삭가공의 종류 – 외경절삭, 내경절삭, 단면절삭, 나사절삭, 절단, 드릴링 등 선반의 자동화 – 선반작업의 유연성을 증대시키기 위하여 기존의 선반에 컴퓨터 수치제어기능 부가 → CNC(computerized numerical control) 선반 그림 5.70 선반을 이용한 다양한 절삭가공의 종류 Introduction of mechanical engineering 그림 5.71 CNC 선반 기계공학개론 26 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 밀링(milling)가공 – 절삭날을 가지고 있는 밀링커터를 회전시키고 공작물을 이송시키면서 절삭 – 밀링가공의 예 : 평면가공, 정면가공, 홈가공, 기어가공, 나사, 캠 등의 절삭가공, 절단, 각도, 윤곽, 총형가공 등 다양한 형태의 가공 가능 – 밀링가공 공구 종류 : 정면밀링커트, 엔드밀, 총형밀링커터 등 (a) 평면가공 (b) 정면가공 (a) 정면밀링커터 (c) 홈가공 (b) 엔드밀 (c) 총형밀링커터 (d) 기어가공 그림 5.73 밀링가공의 예 Introduction of mechanical engineering 그림 5.74 밀링가공 공구 종류 기계공학개론 27 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 밀링머신의 구조 – 칼럼(column), 니(knee), 새들(saddle), 테이블(table) 로 구성 ▶ 칼럼 : 밀링머신의 본체, 앞면은 미끄럼 면 ▶ 니 : 미끄럼 면을 따라 상하로 이동, 새들과 테이블 지지 ▶ 새들 : 테이블 지지 ▶ 테이블 : 가공물 고정부 수평 밀링머신 수직 밀링머신 - 주축이 테이블과 수직 - 평면가공, 홈가공, 단면가공, 측면가공 등이 용이 - 주축이 테이블과 수평 - 평면가공, 홈가공 등이 용이 (a) 수평 밀링머신 (b) 수직 밀링머신 그림 5.75 수평 밀링머신 및 수직 밀링머신의 구조 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 28 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 밀링가공 제품 – 산업용 기계제품, 골프채와 같은 운동기구 등 그림 5.76 밀링가공으로 제작된 제품 예 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 29 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 드릴링(drilling) – 주축에 드릴 이용하여 테이블 위에 고정되어 있는 공작물에 구멍을 뚫는 가공법 – 리밍(reaming) : 뚫린 구멍의 치수를 정확하게 가공하여 구멍의 정밀도를 높이는 가공 – 보링(boring) : 뚫린 구멍을 넓히고 구멍의 형상을 바로 잡는 가공 – 카운터보링(counter boring) : 나사의 머리가 들어갈 부분을 가공 – 카운터싱킹(counter sinking) : 접시머리나사의 머리 부분이 들어갈 수 있도록 입구 부분을 깔때기 모양으로 가공 – 태핑(tapping) : 구멍의 안쪽에 암나사를 가공 그림 5.77 드릴링머신의 구조 Introduction of mechanical engineering 그림 5.78 드릴링머신을 이용한 가공 종류 기계공학개론 30 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 드릴링머신의 종류 – 직립 드릴링머신, 레이디얼 드릴링머신, 다축 드릴링머신, 다두 드릴링머신 등 → 기본적인 구동방법은 크게 다르지 않음 ▶ 직립 드릴링머신 : 주축의 상하 운동으로 테이블 위에 고정된 공작물을 가공 ▶ 레이디얼 드릴링머신 : 주축의 위치를 이동시키면서 구멍가공 (a) 직립 드릴링머신 (b) 레이디얼 드릴링머신 그림 5.79 드릴링머신의 종류 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 31 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 평삭(planing) – 공구와 공작물의 상대적인 직선운동으로 공작물의 표면을 평평하게 깎는 가공 – 평삭 공작기계의 종류 ▶ 셰이퍼(shaper) : 테이블에 고정된 공작물을 적절하게 이송 후, 공구를 움직여 절삭 → 평면가공 이외에 수직면, 홈, 경사면 가공 ▶ 플레이너(planer) : 공구를 적당한 위치까지 이송 후, 테이블을 움직여 절삭 → 대형공작물의 평면가공에 많이 이용 (a) 공구의 절삭운동(셰이퍼) (b) 공작물의 절삭운동(플레이너) 그림 5.80 평삭에서의 절삭운동 방법 Introduction of mechanical engineering (a) 셰이퍼 (b) 플레이너 그림 5.81 평삭 공작기계의 종류 기계공학개론 32 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 연삭(grinding) – 공작물보다 단단한 입자로 만든 연삭숫돌(grinding wheel)을 회전시켜 공작물의 표면을 깎아내는 가공법 – 결합재에 의하여 고정되어 있는 단단한 입자가 매우 미세한 절삭 날의 역할을 함 그림 5.82 연삭 개념도 그림 5.83 연삭숫돌의 종류 그림 5.84 평면연삭기 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 33 5.5 제조공정 및 생산기술 절삭가공공정 연삭가공의 특징 – 공작물의 외면, 내면, 평면, 수직면, 경사면, 홈 등의 기본적인 가공 – 나사, 기어, 캠 등의 불규칙한 표면의 가공도 가능 – 연삭가공은 바이트나 밀링커터와 같은 절삭가공에 비하여 금속 제거율 낮음 – 다른 절삭가공에 비하여 정밀도가 월등히 높음 – 경질재료의 가공이 용이 (a) 원통연삭 (b) 평면연삭 (c) 내면연삭 그림 5.85 연삭작업 예 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 34 5.5 제조공정 및 생산기술 생산 시스템 생산 시스템(manufacturing system) – 제품을 제조하기 위하여 필요한 제반 자원들이 결합된 시스템 – 과거 : 제조 활동이 이루어지는 공장과 생산설비 – 최근 : 생산을 위한 공간, 설비, 정보, 인력, 자본 등 제반 자원들로 이루어진 시스템 – 제조업체에서 그 기업의 경쟁력을 결정하는 매우 중요한 요소 중의 하나 – 원자재가 여러 단계의 작업을 거쳐서 완성된 제품으로 변화하는 과정 → 생산과정을 면밀히 관리하여 품질을 보장하고 원가를 낮추는 것이 목적 효율적인 생산 Introduction of mechanical engineering 높은 품질 및 낮은 원가 이윤창출 기계공학개론 35 5.5 제조공정 및 생산기술 생산 시스템 생산 시스템의 구성 – 공장의 부지와 건물 : 생산시스템의 가시적인 형태 중 가장 큰 규모를 가짐, 이러한 공간은 작업장, 창고, 사무실 등으로 사용 – 제품생산을 위한 장비 : ▶ 소성 및 절삭 가공공정을 위한 장비 ▶ 조립, 결합, 도장, 검사, 포장을 위한 장비 ▶ 물류장비 : 산업용 로봇, 컨베이어 벨트, 무인반송차, 자동창고, 지게차, 크레인 등 – 인적자원 : ▶ 직접적인 생산활동에 참여하는 작업자 ▶ 생산활동을 지원하는 인력 ▶ 생산을 위한 전반적인 계획을 수행하는 엔지니어 – 다양한 정보 : 예측된 수요, 월별 및 주별 생산계획, 필요한 자재의 수량, 생산할 제품의 설계도, 생산방식을 설명하는 공정도, 생산장비의 작동설명서와 유지보수설명서, 작업자의 노하우 등 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 36 5.5 제조공정 및 생산기술 생산 시스템 물류장비 – 산업용 로봇, 컨베이어 벨트, 무인반송차(automatically guided vehicle, AGV) 자동창고, 지게차, 크레인 등 – 설치 장소에 따라 공장의 생산성 큰 영향을 줌 (a) 산업용 로봇 (b) 무인반송차 (c) 자동창고 그림 5.86 생산 시스템 중에서 대표적인 물류장비 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 37 5.5 제조공정 및 생산기술 생산 시스템 생산 시스템의 주요 활동 – 수요예측 : 생산계획을 세우기 위한 과정 – 생산계획 : 1개월 또는 1분기에 대한 생산계획 수립 – 자재수급계획 : 생산계획에 기초하여 필요한 원자재의 양 산출 – 공정설계 : 세부적인 가공방법과 절차 결정 – 검사계획 : 가공제품에 대한 검사계획 수립 그림 5.87 생산 시스템의 주요 활동 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 38 5.5 제조공정 및 생산기술 생산 시스템 생산 시스템의 분류 – 제품종류, 생산시기, 제품 당 생산량에 따라 분류 – 제품종류에 따른 분류 → 생산되는 제품이 개별적으로 구분될 수 있는가를 기준으로 분류 ▶ 개별제품(discrete product) 생산 시스템 : 자동차, TV 등 ▶ 공정(process) 생산 시스템 : 정유공장, 발전소, 제철소 등 (a) 개별제품 생산 시스템 (b) 공정 생산 시스템 그림 5.88 생산 시스템의 예 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 39 5.5 제조공정 및 생산기술 생산 시스템 생산 시스템의 분류 – 생산시기에 따른 분류 → 주문 시점과 생산 개시 시점 중 어느 것이 더 빠른가에 따른 분류 ▶ 주문생산 시스템 : 주문을 받은 후 생산함 (예: 선박, 항공기, 플랜트 등) ▶ 재고생산 시스템 : 소비자의 요구를 분석하여 제품의 규격, 기능, 성능 등을 정함, 생산된 제품으로 줄어든 재고를 보충하게 되며 대부분의 제품이 이 범주에 속함 그림 5.89 주문생산 제품의 예 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 40 5.5 제조공정 및 생산기술 생산 시스템 생산 시스템의 분류 – 생산량에 따른 분류 ▶ 소품종 대량생산 : 제품의 종류가 적지만 생산량이 많은 경우 (예: 화장지) ▶ 다품종 소량생산 : 제품의 종류가 다양하고 생산량이 적은 경우 (예: 항공우주, 방위산업) ▶ 중품종 중량생산 : 소품종 대량생산과 다품종 소량생산의 중간 ▶ 다품종 대량생산 : 다양한 모델과 높은 생산량을 가지는 경우 (예 : 프린터, 휴대폰) 그림 5.90 제품 종류와 제품 당 생산량에 따른 생산 시스템의 분류 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 41 5.5 제조공정 및 생산기술 생산 시스템 생산 자동화의 목적 – – – – 시간 당 제품 생산량을 늘리기 위하여 제품의 가격을 낮추기 위하여 품질을 향상시키기 위하여 육체적으로 힘든 작업과 해로운 환경에서 진행되는 작업을 없애기 위하여 생산 자동화의 방식 – 고정식 자동화 : 소품종 대량생산 시 사용, 전용기계 및 컨베이어 벨트와 같은 고정식 장비 사용 – 단위 자동화 : 다품종 소량생산 시 사용, 수치제어 공작기계와 같은 범용기계 사용하고 이송장비도 범용인 천장크레인, 지게차 등 사용 – 유연 자동화 : 중품종 중량생산 또는 다품종 대량생산 시 사용, 마이크로프로세서를 이용한 프로그램 가능한 장비(수치제어 공작기계, 산업용 로봇, 무인반송차 등) 사용 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 42 5.6 계측 및 제어 기술 5장 기계공학문제의 해결도구 및 해결절차 5.6 계측 및 제어 기술 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 43 5.6 계측 및 제어 기술 계측 및 제어 기술 고전기계 시스템과 지능기계 시스템 – 고전기계 시스템 : 외부환경 변화에 따른 시스템의 불확실성으로 인해 요구되는 시스템의 성능 충족하기 어려움 – 지능기계 시스템 : 계측제어기술을 통해 시스템의 성능 및 강인성 문제 해결 자동차의 승차감 – 어떠한 환경에서도 만족스러운 승차감이 요구됨 → 스프링과 댐퍼로 구성된 고전기계 시스템(수동 현가장치)으로는 어려움 – 고전 기계기술 + 계측제어기술로 구성된 지능기계 시스템(능동 현가장치) → 만족스러운 승차감 실현 계측 시스템의 불확실성 해결 제어기술 승차감 없는 구식 자동차 Introduction of mechanical engineering 편안한 승차감 기계공학개론 44 5.6 계측 및 제어 기술 계측기술 산업현장에서 자동제어 시스템 – 기술의 발달과 제품의 수요 증대 → 고품질 제품을 생산할 수 있는 기계와 대량생산이 가능한 생산공정이 요구됨 → 산업현장에서 자동제어 시스템 더욱더 중요시 됨 – 계측기술 : 자동제어 시스템에서 기본적으로 필요함 계측 – 사물의 상태를 측정, 제어하기 위한 방법, 장치, 측정 그리고 이에 따른 처치를 고안하고 실행함을 의미함 – 계측된 물리량 : 수치와 단위를 사용하여 표시함 – 기본적인 물리량 : 길이, 질량, 시간/ 그 외의 물리량들은 기본적인 물리량들의 조합으로 나타냄 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 45 5.6 계측 및 제어 기술 계측의 정확도와 오차 계측 오차 - 계측 오차 : 어떤 물리량의 측정에 의해 얻어진 값(측정값)에서 실제값을 뺀 값 - 측정에는 오차가 수반되며, 오차와 오차율은 각각 다음과 같다. 오차 = 측정값 – 실제값 (5.56) 오차율 = 오차/실제값 x 100(%) (5.57) 오차가 적을수록 계측의 정확도는 높다. Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 46 5.6 계측 및 제어 기술 계통 오차와 우연 오차 계통 오차(systematic error) – 주어진 원인에 의해 규칙적으로 발생하는 오차 – 온도, 습도, 압력 등 외부의 영향으로 인해 발생하는 규칙적 오차 – 측정기 자체의 고유적 오차인 계측기 오차(instrumental error), 그리고 측정자의 버릇, 부주의, 미숙련으로 인해 발생하는 개인 오차(personal error) 등 우연 오차(accidental error) – 우연적인 원인(측정실 내의 온도의 미소변동, 공기의 요동, 측정대의 미소진동, 관측자의 주의력이나 감각의 변동 등)에 의해 발생 – 피하기가 매우 어려움 → 이를 제거하기 위해서는 같은 측정을 여러 번 반복 수행 → 측정값의 빈도분포를 조사하여 통계적으로 최적 값을 나타내는 방법 사용 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 47 5.6 계측 및 제어 기술 계측기의 구성 일반적인 계측기의 구성 – 검출부(sensor) : 측정대상에서 측정량 검출 및 신호로 변환 – 전송부(transmitter) : 신호 증폭 및 전송 – 표시부 : 측정량 지시 및 기록 수은 온도계 (유리그릇에 담긴 물의 온도 측정) – 측정대상 : 뜨거운 물 – 검출부(sensor) : 수은을 넣은 온도계의 둥근 부분 – 전송부(transmitter) : 막대의 수은의 길이 – 표시부 : 유리관에 새겨진 눈금에 의해 지시 그림 5.91 계측기의 구성 Introduction of mechanical engineering 그림 5.92 물의 온도 측정 기계공학개론 48 5.6 계측 및 제어 기술 계측량의 변환 기계적 변환 – 변위의 확대 : 지렛대, 기어, 나사 등에 의한 회전변위의 변환 – 탄성체 변환기 : 무게, 힘, 압력, 응력을 측정하기 위한 코일 스프링, 부르동관, 링크 스프링, 벨로스 등 – 봉의 원심력을 이용하여 회전속도를 변위로 변환 : 원심조속기 – 온도를 변위로 바꾸는 변환기 : 바이메탈(bimetal) 그림 5.93 변위의 확대 그림 5.94 탄성체 변환기 Introduction of mechanical engineering 그림 5.95 원심조속기 그림 5.96 바이메탈 기계공학개론 49 5.6 계측 및 제어 기술 계측량의 변환 유체적 변환 – 압력계(manometer) : 유체의 압력을 액체 기둥의 높이의 변화로 나타내는 변환기 → 구조가 간단하며 정확도도 좋고 취급하기가 쉬워 널리 사용 – 피토관(Pitot tube) : 액체의 유속을 액체 기둥의 높이의 변화로 나타내는 유속계 → 피토관의 우측에 전압력, 좌측에 정압을 유도하며, h는 동압을 표시함 – 공기 마이크로미터(air micrometer) : 진동판과 노즐 사이의 간극의 미소변위로 압력을 바꾸는 변환기 → 간극 변동에 의해 노즐에서 분출되는 공기의 유량 또는 압력이 변하는 것을 이용 그림 5.97 압력계 Introduction of mechanical engineering 그림 5.98 피토관 그림 5.99 공기 마이크로미터 기계공학개론 50 5.6 계측 및 제어 기술 계측량의 변환 광학적 변환 – 그림 5.100 : 거울 M을 θ만큼 돌리면 광원 A에서의 반사광선은 확대되어 2θ가 되는 점 B로 진행 → 광지렛대 광지렛대의 원리 – 평행평면에 다듬질한 광학평판을 측정면 B와 미소각 δ 만큼 경사지게 하여 단색광을 비추면 광선 일부 A의 밑면에서 반사, 일부 A를 투과하여 B에서 반사 → 이 두 광선의 광로차는 δ 가 작을 때 AB 사이의 간극 d 의 2배가 됨 → 이 경우 명암의 간섭무늬가 생겨 요철(凹凸)이 측정됨 (a) 광학평판과 측정면에서의 빛의 반사 그림 5.100 광지렛대 Introduction of mechanical engineering (b) 간섭무늬 그림 5.101 광지렛대의 원리 기계공학개론 51 5.6 계측 및 제어 기술 계측량의 변환 전기적 변환 – 피에조 효과(piezo electric effect)를 가진 판 → 판에 압력을 가하면 압력에 비례하는 기전력 발생 → 힘, 압력, 가속도, 진동 등의 물리량 측정 가능 – 열전대(thermocouple) → 두 종류의 금속선 양쪽 끝을 접합, 온도차를 기전력으로 변환 – 광전관 → 알칼리 및 알칼리 토류 금속의 매끄러운 면에 빛이 닿게 되면 기전력 발생 → 빛의 양에 따라 기전력의 크기 변함 그림 5.102 열전대 Introduction of mechanical engineering 그림 5.103 광전관 기계공학개론 52 5.6 계측 및 제어 기술 계측량의 변환 전기적 변환 – 저항선 스트레인 게이지(wire strain gauge) → 힘 또는 변위를 저항 변화로 변환 – 차동변압기 → 변위를 인덕턴스(inductance)의 변화를 통해 전압으로 변환 – 전기용량변환기 → 철, 니켈, 니켈합금과 같은 강자성체에 자계(magnetic field)를 가하면 변형 → 변형을 일으키면 변형에 대응해서 자화의 세기가 변화 → 힘을 전기용량의 변화를 통해 전압으로 변환 그림 5.104 저항선 스트레인 게이지 그림 5.105 차동변압기 Introduction of mechanical engineering (a) 원통형의 용량 (b) 극판형의 용량 그림 5.106 전기용량변환기 기계공학개론 53 5.6 계측 및 제어 기술 계측량의 변환 기타 변환 – 초음파, 방사선 등을 이용한 변환 → 측정하고자 하는 물체에 초음파를 발사시켜 반사파를 수신기로 받아 두께, 깊이, 액체의 면 등을 측정 – 초음파 유량계 → 도플러 효과(Doppler effect)를 이용하여 유체의 속도나 유량 측정 – 초음파, 방사선, X선 : 비파괴검사 등에서 많이 사용됨 그림 5.107 초음파 두께 측정기 Introduction of mechanical engineering X선 촬영 초음파 촬영 기계공학개론 54 5.6 계측 및 제어 기술 자동제어기기용 센서 센서 – 대상물의 상태나 대상물을 둘러싼 주변의 상태에 대한 정보를 계측 및/또는 변환 – 측정 대상 : 길이, 위치, 속도, 가속도, 힘, 온도, 습도, 압력, 전기, 자기 등 – 계측 및/또는 변환 과정에서 여러 가지 물리, 화학적 법칙들 이용 가능 → 같은 계측 대상에 대해서도 여러 가지 계측 방법들이나 센서들 사용 가능 자동제어기기용 센서의 바람직한 특성 – – – – – 감도, 정도, 선형성, 그리고 응답성이 좋아야 함 드리프트(drift)가 작고, 안전성과 신뢰성이 좋아야 함 플랜트의 특성이나 외부 환경의 영향을 작게 받아야 함 조작하기 간편하고 보수성이 좋아야 함 내구성이 좋고 가격이 저렴해야 함 자동제어기기용 대표적인 센서 – 퍼텐쇼미터(potentiometer), 태코미터(tachometer), 인코더(encoder) 등 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 55 5.6 계측 및 제어 기술 자동제어기기용 센서 퍼텐쇼미터(potentiometer) – 병진 또는 회전 형태의 기계적 변위를 전압으로 나타내는 센서 → 전압이 퍼텐쇼미터의 고정된 단자 양끝에 인가되었을 때 가변하는 단자와 접지 양끝에서 측정된 출력전압이 입력변위에 비례 – 그림 5.108(a) : 퍼텐쇼미터의 틀이 기준점에 고정된 경우 – 그림 5.108(b) : 병렬로 연결된 두 퍼텐쇼미터 사용 → 두 개의 먼 거리에 위치한 축의 각변위 비교 가능 (a) (b) 그림 5.108 퍼텐쇼미터의 회로도 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 56 5.6 계측 및 제어 기술 자동제어기기용 센서 태코미터(tachometer) – 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 장치, 일종의 소형 발전기 – DC모터 축의 각속도를 측정하여 시스템의 속도제어나 안정화를 위한 속도 피드백을 제공 그림 5.109 태코미터를 이용한 속도 피드백 제어 시스템 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 57 5.6 계측 및 제어 기술 자동제어기기용 센서 인코더(encoder) – 인코더의 종류 : 절대인코더, 증분인코더 – 절대인코더 → 특정한 최소의 중요한 분해증분을 나타내는 구별될 수 있는 디지털 코드 출력 – 증분인코더 → 분해의 각 증분에 대하여 펄스를 만들어 주지만, 증분들 사이의 차이를 구분하지 못함 → 구조가 간단, 가격이 저렴, 적용하기가 쉽기 때문에 제어 시스템에서 주로 사용 그림 5.110 회전형 증분인코더 Introduction of mechanical engineering 그림 5.111 전형적인 증분인코더의 구성요소 기계공학개론 58 5.6 계측 및 제어 기술 제어기술 기계의 자동화 – 산업현장에서 제품의 고부가가치화 및 생산성을 극대화하기 위해서는 필수적 – 자동화 : 공정, 장비, 시스템의 자동운용이나 제어를 의미 컴퓨터 및 제어기술의 발달 – 기계의 지능화에 크게 기여 – 컴퓨터 및 제어기술이 필수적으로 접목되어야만 새로운 첨단기술 개발 가속화 산업의 자동화 Introduction of mechanical engineering 컴퓨터 기술의 발달 첨단기술의 개발 기계공학개론 59 5.6 계측 및 제어 기술 제어기술의 역사 자동화의 어원 – 그리스어의 ‘automatos’ : ‘스스로 움직인다’라는 뜻 알렉산드리아 신전의 자동문(1세기경) – 화로의 불 → 물의 온도상승 → 물의 이동 → 도르래 움직임 → 문 열림 중국의 자동시계(1000년경) – 수차 물받이 물이 참 → 사슬과 연결된 레버 작동 → 수차 회전 → 반복 그림 5.112 알렉산드리아 신전의 자동문의 구조 Introduction of mechanical engineering 그림 5.113 수차에 의한 시계의 구동장치 기계공학개론 60 5.6 계측 및 제어 기술 제어기술의 역사 근대 제어 – 산업혁명을 가져온 제임스 와트(James Watt)의 증기기관의 발명이 시작점 증기기관의 속도 제어 시스템 – 고온의 증기를 통한 그 증기의 에너지로 피스톤을 움직이게 하여 큰 힘 발생 → 열차산업 시작 – 부하에 따른 열차속도 조절 필요 → 증기기관의 속도제어 시스템 고안 그림 5.114 증기기관의 속도 제어 시스템 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 61 5.6 계측 및 제어 기술 제어기술의 역사 현대 제어 – 전기, 전자 및 컴퓨터공학의 발달 → 기계적인 제어 시스템이 전기, 전자적인 제어 시스템으로 대체 → 신속하고, 유연한, 그리고 정밀한 제어 가능하게 됨 – 정보제어기술의 발달 → 제어 시스템의 유연성과 자율성 더욱 증대 → 인간의 두뇌의 역할을 대신할 수 있을 제어 시스템과 로봇 출현 예상 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 62 5.6 계측 및 제어 기술 제어 시스템의 구조 제어 시스템의 목표 – 동적 시스템의 성능과 강인성 개선 → 센서, 제어기 및 구동기를 제어대상 시스템인 플랜트에 적절하게 첨가 제어 시스템의 구조 – 센서 : 시스템 내부에 있는 다양한 신호들을 측정하거나 감지 – 제어기 : 센서로부터 감지된 신호들을 이용하여 제어신호 생성 → 구동기로 보냄 – 구동기 : 제어신호를 기반으로 하여 플랜트에 적절한 파워 (또는 에너지) 공급 그림 5.115 일반적인 제어 시스템의 구조 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 63 5.6 계측 및 제어 기술 제어 시스템의 구조 개루프(open loop) 제어 시스템 – 출력을 측정하는 센서가 없는 제어 시스템 → 구동기 신호가 명령입력만으로 발생되는 제어 시스템 → 개루프 제어는 플랜트의 특성을 잘 알고 외부환경 변화가 무시할만한 경우 사용 폐루프(closed loop) 제어 시스템 – 센서로부터 감지된 출력신호가 제어기와 구동기를 통하여 플랜트에 영향 끼침 → 정밀하고 강인한 제어가 요구될 때 사용 그림 5.116 개루프 제어 시스템 Introduction of mechanical engineering 그림 5.117 폐루프 제어 시스템 기계공학개론 64 5.6 계측 및 제어 기술 제어 시스템의 구조 자동제어기기의 구성요소 – 구동기 : 제어대상인 플랜트를 실제 구동시키는 요소 – 센서 : 플랜트에서 관심 있는 정보를 측정 및 변환하는 요소 – 컴퓨터(마이크로프로세서) : 제어기의 역할 제어 시스템 설계 – 자동제어기기의 선정 및 배치 그리고 제어기를 설계하는 시스템 설계 과정 제어 시스템 설계절차 – 제어대상 시스템 설계 및 분석 후 설계된 시스템이 보다 좋은 성능과 강인성을 갖도록 제어 시스템 추가로 설계 비행기 설계 Introduction of mechanical engineering 비행기 제작 제어시스템 적용 안전한 비행 기계공학개론 65 5.6 계측 및 제어 기술 제어 시스템의 응용 일상생활에서의 제어 시스템 – 전기다리미, 전기밥솥, 전기담요, 전기난방기, 토스터기 등에 응용 → 제어가 안 된다면 과열로 인해 화재 등 피해 발생 → 제어를 통해 일정온도 유지 전기장판의 온도 제어 시스템 – 바이메탈 접점식 스위치 사용 → 적절히 설정해 놓은 온도(목표온도) 유지 제어 시스템을 통해 화재를 미연에 예방 그림 5.118 전기장판의 제어 시스템 Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 66 5.6 계측 및 제어 기술 제어 시스템의 응용 로봇 제어 시스템 – 컴퓨터로 제어되는 자동화된 기계, 산업용 로봇과 휴먼 로봇으로 구분 수술용 로봇 '다빈치' – 내시경과 두 개의 로봇팔로 구성 – 장점: 지름 2∼3㎝의 작은 구멍만으로 가슴을 열고 수술 가능, 사람의 눈보다 10배 이상 수술 시야 확보 → 정교한 수술 성공적으로 수행 휴먼 로봇 – 사람과 같이 걷기도 하고, 계단도 오르고, 구석을 회전 : 사람의 움직임 그대로 재현 그림 5.119 수술용 로봇 '다빈치' Introduction of mechanical engineering 그림 5.120 사람의 형태를 한 춤추는 로봇 기계공학개론 67 5.6 계측 및 제어 기술 제어 시스템의 응용 산업현장에서의 제어 시스템 – 생산성 향상을 위해 제어 및 자동화된 생산 시스템에 대한 요구 증대 – 자동화 : 일련의 장치로서 작업과 생산공정이 스스로 이루어지는 것 – 과거의 자동화 : 기계식 자동화 – 현대의 자동화 : 전기, 전자 및 컴퓨터공학의 발달 → 전자식 자동화 제어 대상 시스템인 플랜트(plant) 또는 공정(process)의 분류 – 일반적으로 연속적인 공정과 불연속적인 공정으로 구분 – 연속적인 공정 : 시간적으로 연속적으로 행해지는 공정 (예: 압연공정의 두께제어, 화학공정, 발전소의 전기생산 등) – 불연속적인 공정 : 개별적으로 여러 개의 부품이 생산되어 하나의 제품을 완성하는 공정 (예: 자동차조립공정) Introduction of mechanical engineering 기계공학개론 68 5.6 계측 및 제어 기술 제어 시스템의 응용 공정자동화 – 단위공정의 자동화 역할 – 단위공정 사이의 시간적 또는 수량적 조정(coordination) 역할 공정자동화의 목적 – 인력, 기계, 원자재, 에너지의 효율적인 운영을 통한 경제성 향상 – 품질오차의 최소화 및 원자재에 대한 제품 비율(yield) 증가를 통한 품 질 향상 – 노동의 질 향상 – 소량다품종 생산과 재고최소 생산(lean production) 등을 통한 유연성 증가 – 복잡한 공정에서의 작업자 대체를 통한 생산속도 증가 공장자동화 Introduction of mechanical engineering 높은 품질의 자동차 생산 기계공학개론 69 5.6 계측 및 제어 기술 제어 동영상 (역진자 제어 / 탱크포신 제어) 동영상1 Introduction of mechanical engineering 동영상2 기계공학개론 70