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문제 정의
- 본 연구는 공구동력계의 기본 바탕인 팔각링 로드셀 제작을 목적으로 선행 연구를 진행하였다. 팔각링의 설계는 원형링 이론을 기반으로 한 팔각링을 설계 하였으며 그 뒤 팔각링에 스트레인 게이지를 부착 후 휘스톤 브릿지 형성한다.
- 본 연구는 스트레인 링 이론을 기반으로 한 팔각링 로드셀을 개발하고자 한다. 팔각링을 설계 및 제작하고 팔각링에 스트레인 게이지를 부착 후 휘스톤 브릿지 형성한다.
- 형성한 휘스톤 브릿지를 NI-Board에 연결하여 하드웨어적 노이즈 제거를 시킨 뒤 측정이 가능한 팔각링 로드셀을 구성한다. 팔각링 로드셀은 추후 연구할 공구동력계용 측정장비의 사양을 기반으로 제작하고자 하였다.
제안 방법
- 2. 데이터 도출을 위하여 휘스톤 브릿지 종류 중 풀 브릿지를 형성하여 사용하였으며 LabVIEW 시스템 설계를 통하여 변형률을 도출시키도록 설계하였다.
- 팔각링의 제작에 앞서 해석을 통하여 팔각링의 두께(t)/피치원 반경(r)에 따른 변형률 수치들을 살펴보았다. Strain rings 이론값과 1차원 원형링, 2차원 원형링, 3차원 원형링, 3차원 팔각링 형상을 만들어 해석한 데이터들을 t/r을 기준으로 분석하였다.
- 팔각링은 SCM415 재질로 제작하였으며 추후 있을 공구동력계의 크기를 고려하여 높이 90, 길이 90, 두께 30으로 설정하였다. 또한 t/r비에 따른 해석과 이론값의 비교를 통하여 내부 반경 30, 두께 15로 설계하였다.
- 반경방향 축 측정 실험은 추의 무게를 0kgf에서 100kgf까지 10kgf씩 반경방향으로 증가시켰을 때 A점의 이론상 도출되는 변형률, 1차 실험 변형률, 2차 실험 변형률 데이터들을 측정한 실험이다. 이론값은 식(2.
- 10에서는 부착된 스트레인 게이지를 풀 브릿지화 시키기 위해휘스톤 브릿지 연결 도면를 그러놓았다. 브릿지 구성에 혼선을 막기 위해 표식을 하여 스트레인 게이지 선을 구분하는데 스트레인 게이지 선에 검은 표식이 없는 부분은 정면 쪽의 스트레인 게이지 선, 검은 표식이 있는 부분은 후면 쪽의 스트레인 게이지 선으로 구분하였다. Fig.
- 재질은 SCM415로 설정하였으며 높이 90, 길이 90, 두께 30이며 t/r비에 따라 내부 반경 30, 두께 15로 설계하였다. 상하부 플레이트에 고정과 힘 측정 도중 팔각링의 회전을 막기 위해 M6 나사산을 상하부에 2개씩 내어 마무리하였다.
- 1(a)에 표시된 스트레인 링(Strain ring)은 좌굴에 대해 충분한 안정성을 지니면서 강성에 대한 높은 민감도를 가져야한다. 스트레인 링에 휘스톤 브릿지의 풀 브릿지를 형성하여 온도보상을 통해 온도에 의한 영향을 제거하였다. Fig.
- 12에 모습을 나타내었다. 실험 방법으로는 각 축별로 추를 이용해 하중을 가하며 측정은 15초 동안 측정한다. 측정한 데이터는 추를 올릴 때 발생하는 흔들림을 제거하기 위해 측정이 끝난 시점부터 역으로 3000개의 데이터를 추출하여 평균을 구한다.
- 접선방향 축 측정 실험은 추의 무게를 0kgf에서 100kgf까지 10kgf씩 접선방향으로 증가시켰을 때 B점의 이론상 도출되는 변형률, 1차 실험 변형률, 2차 실험 변형률 데이터들을 측정한 실험이다. 이론값은 식(2.
- 데이터는 15초간 측정하도록 설정하였으며 앨리어싱(Aliasing)을 피하기 위해 취득 속도를 1000으로 하여 초당 1000개의 데이터를 추출하였다. 측정 데이터는 변형률을 도출시키도록 하였다.
- 팔각링 로드셀의 제작은 스트레인 링 이론(Strain rings law)을 기반으로 팔각링의 크기와 형상을 제작하였다. 해석과 이론값의 비교를 통하여 최적의 팔각링 형상을 찾았으며 휘스톤 브릿지의 구성과 LabVIEW 시스템 설계를 통하여 최종적으로 팔각링 로드셀을 제작하였다.
- 본 연구는 공구동력계의 기본 바탕인 팔각링 로드셀 제작을 목적으로 선행 연구를 진행하였다. 팔각링의 설계는 원형링 이론을 기반으로 한 팔각링을 설계 하였으며 그 뒤 팔각링에 스트레인 게이지를 부착 후 휘스톤 브릿지 형성한다. 형성한 휘스톤 브릿지를 NI-Board에 연결하여 하드웨어적 노이즈 제거를 시킨 뒤 측정이 가능한 팔각링 로드셀을 제작하였다.
- 팔각링의 제작에 앞서 해석을 통하여 팔각링의 두께(t)/피치원 반경(r)에 따른 변형률 수치들을 살펴보았다. Strain rings 이론값과 1차원 원형링, 2차원 원형링, 3차원 원형링, 3차원 팔각링 형상을 만들어 해석한 데이터들을 t/r을 기준으로 분석하였다.
- 팔각링 로드셀의 제작은 스트레인 링 이론(Strain rings law)을 기반으로 팔각링의 크기와 형상을 제작하였다. 해석과 이론값의 비교를 통하여 최적의 팔각링 형상을 찾았으며 휘스톤 브릿지의 구성과 LabVIEW 시스템 설계를 통하여 최종적으로 팔각링 로드셀을 제작하였다.
- 해석은 반경방향의 힘(Fr)과 접선방향 힘(Ft)이 주어질 때 A점과 B점을 기준으로 데이터를 도출하였으며 스트레인 게이지 부착을 고려해 점에서 ± 1°의 범위를 지정하여 해석하였다.
- 팔각링을 설계 및 제작하고 팔각링에 스트레인 게이지를 부착 후 휘스톤 브릿지 형성한다. 형성한 휘스톤 브릿지를 NI-Board에 연결하여 하드웨어적 노이즈 제거를 시킨 뒤 측정이 가능한 팔각링 로드셀을 구성한다. 팔각링 로드셀은 추후 연구할 공구동력계용 측정장비의 사양을 기반으로 제작하고자 하였다.
- 팔각링의 설계는 원형링 이론을 기반으로 한 팔각링을 설계 하였으며 그 뒤 팔각링에 스트레인 게이지를 부착 후 휘스톤 브릿지 형성한다. 형성한 휘스톤 브릿지를 NI-Board에 연결하여 하드웨어적 노이즈 제거를 시킨 뒤 측정이 가능한 팔각링 로드셀을 제작하였다.
- 9는 측정을 위한 팔각링의 스트레인 게이지 부착도이다. 휘스톤 브릿지는 반경방향으로 힘을 가할 때와 접선방향으로 힘을 가할 때를 구분하여 스트레인 게이지 부착위치를 선정하였다. 또한 Fig.
대상 데이터
- 1. 팔각링은 SCM415 재질로 제작하였으며 추후 있을 공구동력계의 크기를 고려하여 높이 90, 길이 90, 두께 30으로 설정하였다. 또한 t/r비에 따른 해석과 이론값의 비교를 통하여 내부 반경 30, 두께 15로 설계하였다.
- 데이터는 실시간으로 Front panel의 그래프에 도출되며 데이터를 파일로 저장시키도록 설정해놓았다. 데이터는 15초간 측정하도록 설정하였으며 앨리어싱(Aliasing)을 피하기 위해 취득 속도를 1000으로 하여 초당 1000개의 데이터를 추출하였다. 측정 데이터는 변형률을 도출시키도록 하였다.
- 8은 최종 결정된 팔각링의 도면이다. 재질은 SCM415로 설정하였으며 높이 90, 길이 90, 두께 30이며 t/r비에 따라 내부 반경 30, 두께 15로 설계하였다. 상하부 플레이트에 고정과 힘 측정 도중 팔각링의 회전을 막기 위해 M6 나사산을 상하부에 2개씩 내어 마무리하였다.
- 실험 방법으로는 각 축별로 추를 이용해 하중을 가하며 측정은 15초 동안 측정한다. 측정한 데이터는 추를 올릴 때 발생하는 흔들림을 제거하기 위해 측정이 끝난 시점부터 역으로 3000개의 데이터를 추출하여 평균을 구한다. 힘은 0kgf부터 100kgf까지 10kgf씩 증가시켜 11번의 데이터를 추출하며 실험을 2번 진행하여 총 22번에 데이터를 추출한다.
- 측정한 데이터는 추를 올릴 때 발생하는 흔들림을 제거하기 위해 측정이 끝난 시점부터 역으로 3000개의 데이터를 추출하여 평균을 구한다. 힘은 0kgf부터 100kgf까지 10kgf씩 증가시켜 11번의 데이터를 추출하며 실험을 2번 진행하여 총 22번에 데이터를 추출한다.
데이터처리
- 구성된 휘스톤 브릿지 회로에서 데이터를 추출하기 위해 LabVIEW 프로그램을 통한 시스템 설계를 하였다. Fig.
- 그 외 조건으로 힘은 100N, 외경의 반지름(최대 높이) 45mm, 물성치는 SCM415의 물성치인 Young’s Modulus 2.05E+05MPa, Poisson’s Ratio 0.29를 입력하여 해석을 진행하였다.
- 이론값 계산은 식(2.1)와 식(2.2)식을 기준으로 계산하였으며 해석은 ANSYS 프로그램을 사용하여 해석하였다. Fig.
성능/효과
- 3. 접선방향에 힘을 가했을 때 B점에서 발생하는 변형률과 이론값과 비교하였을 때 약 2.68배 차이가 났으며 이는 B점의 위치가 이론값은 39.6° 위치를 B점으로 잡은 반면 실제 실험에서는 45° 위치를 B점으로 잡았기 때문에 나타나는 오차로 판단되었다. 이는 추후 실험에서 보상을 통해 해결이 가능하다.
- 4. 반경방향에 힘을 가했을 때 A점에서 발생하는 변형률과 이론값과 비교하였을 때 약 1.17배 정도의 차이가 났으며 이는 이론의 이상적 환경과 실제 실험 상황의 차이 때문에 발생하는 오차로 판단되었다. 이는 추후 실험에서 보상을 통해 해결이 가능하다.
- 데이터와 그래프를 살펴보게 되면 1차 측정 결과와 2차 측정 결과 모두 거의 일정한 증가 추세를 보이나 이론값과 비교하였을 때 약 2.68배 정도의 차이를 보였다. 이는 이론값은 39.
- 데이터와 그래프를 살펴보게 되면 1차 측정 결과와 2차 측정 결과 모두 거의 일정한 증가 추세를 보이며 이론값과 비교하였을 때 약 1.17배 정도의 차이로 이론값과 매우 흡사함을 보였다. 오차는 이상적 환경과 실험 환경에서 차이에서 발생하는 실험 오차로 판단되며 이는 추후 실험에서 보상이 필요하다.
후속연구
- 17배 정도의 차이로 이론값과 매우 흡사함을 보였다. 오차는 이상적 환경과 실험 환경에서 차이에서 발생하는 실험 오차로 판단되며 이는 추후 실험에서 보상이 필요하다.
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