안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
기계공학
Q. 엔진에 대해 사이클에 관련 이론은 어떤게 있나요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.열역학에 있어서열기관 관련 사이클이라면카르노 사이클에 따른 카르노 기관이 있겠습니다.1, 카르노 사이클 카르노 사이클은 19세기 경 프랑스의 물리학자 카르노에 의해 고안된 가역 이상 열기관 사이클입니다.여기서 가역이상 이라는 말은 실제로 실현 가능한 열기관 사이클은 오토 사이클(Otto cycle)과 같이 정적가열→단열팽창으로 진행되거나 디젤 사이클(Diesel cycle)과 같이 정압가열 →단열팽창으로 진행되는 것이 아니라,등온팽창에서 단열 팽창으로 넘어가기 때문에 실현이 불가능하기 때문에 붙여진 말 입니다.등온 팽창,단열 팽창, 등온 압축, 단열 압축을 거치는 이상적인 가역 사이클2, 카르노 기관 카르노 기관은 [이상 기체]를 작동 유체로 사용하는 가상의 열 기관을 말합니다. 실제로 실현이 불가능한 기관이며 열 손실이 없기 때문에 존재하는 열 기관 중 가장 높은 효율을 가집니다. 열역학 제2법칙을바탕으로 한 이론적 모델로 열기관의 최대 열효율을 계산하고, 열기관의 성능 한계를 보여줍니다. 열역학 제 2법칙은 엔트로피 법칙으로 열이 저온에서 고온으로 이동이 불가합니다. 이에 따라 열기관 효율에는 제한이 있습니다 카르노 기관은 이런 열역학 제 2법칙을 바탕으로 열기관이 달성 가능한 최대 열효율을 수학적으로 도출한 모델입니다. 실제 열기관의 성능은 카르노 기관 효율보다 낮으나, 카르노 기관은 열기관 설계 및 성능 향상을 위한 중요한 이론적 토대를 제공해 줍니다.
기계공학
Q. 내연기관에서 효율을 높이는 방법은 무엇인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.내연기관이라면가솔린 및 디젤로 나뉘겠습니다만가솔린 엔진에서의 기술을 한 예로 들어보겠습니다. 엔진 열효율 정의에 따른 방법 스파크 점화기관의 이론 열효율(ηth)은 다음과 같은 식으로 표현됩니다. ηth = 1 - 1 /ε k-1 (k는 비열비) 이 관계식은 오토사이클이라고 알려진 이상 사이클의 열효율로, 효율을향상시키려면 엔진 압축비(ε)를 높이고 희박 연소 효과가 발생하도록 하면 되는데 이 방법은 팽창 비를 압축비보다 높게 설정하고 있는 열 아트킨슨 사이클 엔진에 실용화되고 있습니다.가솔린 엔진 열효율을 향상시키는 방법은 팽창 비를 높임과 동시에 노킹대책과 희박연소효과를 부가하여야 합니다. 특히 희박연소에 대해서는과급기와 조합하면 효과가 더욱 증대되는데요실제 엔진에서는 각종 손실이 존재하는데 엔진 부하가 높아지면 펌프 손실, 마찰 손실 및 냉각손 실은 감소하며, 이는 부하가 높아지면 열효율이 향상된다는 것을 나타냅니다. 그러나 가솔린 엔진의 경우 부하가 높아지면 노킹이 발생하기 때문에 노킹 방지를 위한 기술이 중요한 이슈가 됩니다.실린더 내 난류를 강하게 하고 점화계통을 강화시키면 연소촉진에 큰효과가 있습니다. 또 열효율을 향상시키려면 과급기와 희박연소를 조합하면 그 효과가 더욱 커집니다만 밸브 타이밍 제약이라든가 연소실 내온도가 높아지는 등 문제에 대한 대책이 필요합니다.냉각 EGR은 최근 프리우스에 적용되는 기술로 노킹의 개선과 냉각손실의 감소효과에 의해 최고 열효율을 더욱 높일 수 있지만, 열효율의 향상과 냉각손실을 감소하는 관점에서 희박연소가 EGR보다효과가 크다 볼 수 있습니다. 그 이유는 연소 시 총 가스량을 증가시킬 수 있고 또한가스 열용량을 높여서 연소가스 온도를 낮출 수 있기 때문입니다.
기계공학
Q. 기계 설계시에 고장 수리가 용이하게 하는것을 설계에 고려 하나요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기계를 설계 함에 있어서고려해야하는 윈칙은 무수히 많습니다만필수 원칙을 추리면 대략 9가지 정도가 되며그 중에 고장이나 수리를 고려하는 부분은결국 기계의 수명 주기를 고려하는 부분입니다.당연히 기계 설계 시 고려하는 부분이지요.기계설계 시 필수원칙을 추려본다면1, 설계 고려사항 이해 여러 요소를 고려한 통합적인 접근이 필요하기에 설계의 목적, 기능, 안전, 환경영향, 제조가능성 및 비용적효율 요소를 전체적으로 이해 해야함2, 재료의 선택 각 재료 마다 성능 및 내구성에 영향을 주는 속성이 있기에 올바른 재료 선택을 위해 금속, 고분자, 세리믹 같은 일반적인 재료 선택 시 강도, 무게 , 내식성, 열적 특성 등을 고려해야 함3, 구조해석 및 응력분석 기계설계는 결국 시스템의 구조적 무결점을 목표로 하기에 하중이 가해진 상태에서 재료의 상태예측, 힘의 분포, 설계가 목표로하는 동작조건에 대한 인내력 등을 확인필요하며 정/동역학 및 유한요소해석 같은 개념을 통한 응력분석으로 설계의 안전/신뢰성을 보장해야함4, 동력전달 시스템 기계시스템은 결국 힘의 전달이므로, 기어/벨트, 샤프트 및 체인에 관련된 원리를 이해하여 , 효율적 동력전달 시스템을 설계하여, 설계 성능을 최적화해야하기에 기어비, 토크, 속도 및 효율성에 대해 검토가 필요함5, 제작 가능성을 고려 제조가능성을 위한 설계 (DFM : Design for Manufcturability) 에는 경제적이면서도 효율적으로 제작이 가능한 설계를 생성하는 작업이 포함되는데 어셈블리 고려사항 및 부품통합, 공차분석, 비용최적화 같은 개념을 설계시 포함해야 함6, 지속가능성 및 친환경 지속가능성을 고려하는 것은 설계에 있어 아주 중요한 부분으로 수명주기 평가, 에코디자인, 재생 에너지 통합 같은 개념을 접목하여 결과적으로 수명의 연장을 통한 재생산 재료소비감소, 재료 재활용 등을 검토해야함7, 프로토 타이핑 / 테스트 본격 생산전 디자인 검증 및 개선을 위한 프로토 타이핑이 필수. 3D 프린팅, CNC 머시닝 및 레피드프로토타이핑 등 방법을 통해 그에 대한 철저한 테스트/ 분석을 통해 설계결함 식별을 함으로서 성능 최적화 및 기계수명증대 에 도움이 됨8, 인적요소 이해 인체공학/인적요소 고려 설계를 위해 인간 대 기계 상호작용 및 인체공학 원리를 이해하여 사용자 입장 편리함, 안전 및 효율성을 보장하게 해야함이러한 기계설계의 필수적 원칙들을 고려함으로써결과적으로 기계의 수명 또한 고려한 설계가 완성 되는 것입니다.
기계공학
Q. 실제로 대나무 헬리콥터가 가능한가요??
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.작용 반작용의 법칙에 따르면엔진을 쓰던 안쓰던모자로 쓰는 방식으로 똑같은 형식이라면헬리콥터가 불가합니다.프로펠러가 회전하면서 각 운동량이 발생하고그 각 운동량이 보존되려면반대방향의 각 운동량이 발생해야하는데요그러려면 몸이 반대로 돌아가야 합니다..이 상태로는 비행이 불가하겠죠.그러면 실제 헬리콥터는 왜 빙빙안돌고 자세를 유지할까요?앞서 말씀드린 각운동량 보존에 따라헬리콥터 몸체를 회전시키게 되지만꼬리의 회전 날개를 이용하여 회전력을 상쇄 시킵니다.헬리콥터를 보면동체 상부 메일 프로펠러 외에꼬리 부분에 옆으로 밀어내는 작은 프로펠러가 있는데그것이 회전력 상쇄 목적입니다.
기계공학
Q. 산업용 로봇에 사용되는 센서 기술은 어떤 기술인가요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.꼭 산업용 로봇이라기 보다는로봇의 목적 중에서 산업용으로 사용함에 따라 산업용 로봇이라 칭하게 되기에범용적으로 로봇에 사용되는 센서에 대해 나열해 보겠습니다.1, 자기 위치 센서컨슈머 로봇, 서비스 로봇, 소셜 로봇, 산업용 로봇 등에 가장 널리 사용되고 있는 센서 기술이 자기 각도 위치 센서 IC로거의 모든 관절에 2개 이상의 자기 각도 위치 센서가 사용됩니다.각기 축으로 동작을 위해서 다시 말해서 관절 회전을 위해서 최소한 하나의 자기 각도 위치 센서가 사용되는데관절 모터 컨트롤러로 모터 정류 피드백을 위해서 자기 각도 위치 센서 IC의 사용이 갈수록 늘어나고 있으며, 로봇 관절의 폐쇄 루프 모터 제어를 위해서는 관절 기어 각도 위치 피드백이 필요합니다. 그러므로 로봇 관절을 움직이기 위해 각기 축으로 2개의 각도 위치 센서를 필요로 합니다2, 점유센서 다수의 점유 센서 기술들이 사용됩니다. 이 정보를 융합하므로써 로봇은 공간을 감지하고 물체를 감지하고 회피하는 것이 가능합니다. 오늘날 새로운 컨슈머와 전문적 서비스 로봇에는 2D·3D 비전 스테레오 카메라가 흔히 사용되며,ToF(Time of Flight) 센서 같은 새로운 첨단 센서 기술들이 도입되고 있습니다. 이 같은 센서의 일종인 라이다(LIDAR) 센서는 로봇이 작동하고 있는 공간과 주변 환경에 대해서 고분해능 3D 맵핑을 제공합니다. 그러므로 주변을 더 잘 돌아다니고 임무를 더 잘 수행할 수 있게 됩니다.3, 동작 센서정교한 로봇에 동작 센서의 사용이 점점 늘어나고 있습니다. 동작 센서를 사용함으로써 사용자 인터페이스 명령을 제공할 수 있는데요. 동작 센서 기술은 광학 센서와 로봇 작업자가 착용할 수 있는 제어 암밴드 센서를 포함합니.광학 기반 동작 센서를 사용하면 특정한 손 움직임을 인식하고 특정한 동작이나 손 움직임에 따라서 특정한 작업을 수행하도록 로봇을 학습시킬 수 있습니다. 이러한 동작 센서를 사용하면 가정이나 병원에서 의사소통이 부자유스러운 사람들을 위해서 다양한 것들이 가능하며, 스마트 팩토리에서도 다양하게 활용할 수 있습니다. 암밴드 제어 센서를 사용하면 이를 착용한 작업자가 협업 로봇, 산업용 로봇, 의료용 로봇, 군용 로봇과 통신을 하고 제어를 해서 작업자가 자신의 팔을 움직이는 것을 그대로 따라 하는 것으로 특정한 작업을 수행하도록 할 수 있습니다.4, 힘·토크 센서힘·토크 센서는 로봇 말단 장치나 그리퍼뿐만 아니라 몸통, 팔, 다리, 머리 같은 다른 부분에도 사용되고 있습니다. 힘·토크 센서를 사용함으로써 움직임의 속도를 감지하고, 장애물을 감지하고, 로봇의 중앙 프로세서로 안전성 경고를 제공할 수 있습니다.5, 환경 센서환경 센서는 공기 중의 휘발성 유기 화합물(VOC)을 감지하는 센서, 온도와 습도 센서, 압력 센서, 조명을 감지할 수 있는 센서 등을 들 수 있습니다. 이 같은 센서를 사용해 로봇이 더 효율적이고 안전하게 작업할 수 있을 뿐만 아니라, 로봇 주변의 사람들에게 안전하지 않은 환경 조건을 경고 할 수도 있습니다.6, 전원관리 센서다음 충전까지 로봇의 동작 시간을 늘릴 수 있으며, 또한 오늘날 자율 로봇에 가장 일반적으로 사용되는 배터리로서 리튬이온 배터리를 충전하거나 소모할 때 과열되지 않도록 할 수 있습니다. 로봇 관절 모터의 전압 레귤레이션과 전력과 열 관리에도 전원 관리 센서가 사용됩니다. 마이크로프로세서, 센서, 엑추에이터 같이 모든 로봇 전자 장치들이 효율적이고 적절하게 작동하기 위해서 잡음과 리플이 낮은 전원과 레귤레이션을 필요로 하며, 로봇 전원 관리를 위한 최신 센서 솔루션들로서, 배터리 방전과 충전을 계산하기 위한 쿨롱 카운터, 전압 레귤레이터의 과열 감시를 위한 센서, 배터리 관리를 위한 전류 센서 등이 사용됩니다.※ 이와같은 혁신적인 새로운 센서 기술들을 도입하고, 이들 센서로부터 데이터를 융합함으로써 오늘날 첨단 로봇을 더 자율적으로 더 안전하게 작동하게 할 수 있습니다. 컴퓨팅 성능, 소프트웨어, 인공 지능이 빠르게 발전하고 있는 한편, 이런 새로운 센서 기술들을 결합함으로써 첨단 로봇은 더 다양한 영역의 애플리케이션에 사용될 수 있으며, 이전보다 더 정밀하고 섬세하게 작업을 수행할 수 있습니다.이상 간단히 로봇에 사용되는 센서 기술을 열거해 보았습니다.