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Mar 29. 2022
Design Method
사례 연구 1
『Concept design』에 대한 설명에서 "Design Method"에 대해 소개하였습니다. 설계를 할 때 엔지니어들의 다양한 성향만큼 업무 진행을 위한 방법도 매우 다양할 수밖에 없습니다. 이러한 환경에서 다양한 성향의 엔지니어들이 공동으로 과제를 수행하면서 효과적이면서 합리적인 방법으로 설계를 진행할 수 있으며, 과제를 진행하면서 올바른 방향으로 진행되는지 관리되고 평가될 수 있도록 해야 합니다.
소개할 내용은 "진동자 개발"을 위한 초기 검토 내용을 다루고 있고, 『Concept Design』을 진행하는 내용에서 "Design Method"를 활용한 사례를 소개하도록 하겠습니다.
서술하는 내용은 모든 자료를 기술하는데 한계가 있으므로 전체적인 흐름에서 "Design Method"를 어떻게 활용하는지 참고가 되었으면 합니다.
초기 검토에서는 목표하는 기술에 대한 주변 배경과 필요성에 대해서 기술해야 합니다. 개발을 위한 합당한 명분이 있어야 검토를 진행할 수 있습니다. 그리고, 이론적인 내용을 포함하여 기술적인 정보를 기초하여 가설을 수립하고 실험 또는 분석적인 방법으로 검증을 해야 합니다.
사례 1.
① 주제
질량 관성체를 이용한 고속 반송 장치에 대한 연구 (연구 주제)
② 배경
소형 부품의 반송장 치로 사용되는 진동자에 대한 연구 개발에 대한 내용입니다. 기술 동향으로 점차 제품의 크기는 작아지면서 제품의 집적도와 정밀도는 높아지는 추세입니다. 이에 따른 소형 제품을 대상으로 고속으로 안정된 자세로 공급할 수 있는 기술의 필요성이 높아지고 있습니다. (개발 배경)
또한 설비에 적용하기 위해서는 제품을 공급할 때 발생하는 에러를 최소화하면서 높은 생산성을 요구하는 추세입니다. 이러한 공급장치에서는 빠른 공급 속도와 안정된 자세로 반송물이 공급될 수 있어야 합니다.
지금까지 이러한 반송장치의 문제점은 고속화를 구현하면서 정밀한 진동(제어 가능하며 진폭이 낮은)을 구현하는데 한계가 있습니다. 따라서, 설비로 구현하였을 때 진동에 따른 주변 정밀 장치(영상 취득)에 진동을 유발하거나, 불규칙한 진동의 영향으로 반송물의 자세가 불규칙해지는 문제가 있습니다. (기술 문제점)
③ 필요성
공급장치의 생산성을 높이기 위해서 고속화 필요성이 높아지고 있다. 고속화를 구현하기 위해서는 높은 진동 주파수와 진동 변위를 가지는 것이 유리하지만 높은 진동 변위로 진동하게 되면서 이에 따른 필요 없는 진동이 발생하여 정밀한 제품 공급이 어려워지는 문제가 발생할 수 있습니다.
소형 정밀 부품의 반송 장치는 변위는 최소화하면서 높은 진동 주파수를 구현할 수 있는 진동자 개발이 필요하게 됩니다. (개발 필요성)
④ 이론
공급장치의 진동자는 고속화를 구현하기 위해서 "변위량", "주파수"를 높이는 것이 유리합니다. <수식 1>
하지만, 개발의 필요성에서 속도를 올리면서 안정적인 자세를 유지할 수 있어야 하므로, 필요 없는 변위량은 최소화하면서 "주파수"를 높일 수 있는 방법으로 설계가 되어야 합니다.
<수식 1. 반송체 이송 속도>⑤ 가설
종래의 기술은 <그림 1>과 같이 제품을 이송시키는 반송체와 질량 관성체의 운동이 반대로 왕복 운동하면서 서로 운동을 상쇄할 수 있는 구조로 제안되어 있습니다. 이러한 방법은 과도한 상/하/좌우의 진동을 억제하여 제품이 안정적인 자세로 이송이 되도록 고안된 방법입니다.
<그림 1. 질량 관성체를 이용한 진동자 구조>이러한 진동자에서 발생된 진동이 반송체를 진동하면서 발생하는 불필요한 상/하/좌우 진동을 상쇄하기 위한 방법으로 질량 관성체를 활용하는 방법 또는 무게 중심들 간의 직선을 진동 방향과 일치시키는 방법 등으로 진동에 따른 진동을 상쇄하려는 방법들이 제안되어 있습니다. 그러나 이러한 질량 관성체 또는 다른 유사 방법에서는 실제 관성체의 진동이 회전에 의해서 발생되므로 회전 운동에 따른 여러 방향으로 불균일한 진동이 발생되게 됩니다. <그림 1>
<그림 2. 특성 요인도 , Characteristics Diagram >압전체 또는 진동자에서 발생하는 진동이 반송체를 진동하면서 발생시키는 불필요한 상/하/좌우 진동을 상쇄하기 위한 질량 관성체 구조를 역학적으로 재 배치하였을 때 관성체의 운동에 따른 진동 모델을 해석적으로 예측이 가능해야 합니다. 먼저, 공급 장치의 품질에 영향을 주는 설게 인자 및 품질에 가장 영향도가 높은 주요부 설계에 대한 정의가 필요합니다. <그림 2>
<그림 3. 품질 기능 전개, Quality Function Deployment>