[논문]화포 내부 압력의 자동 측정시스템 개발

이정호; 김동희

doi:10.5762/kais.2021.22.2.766

화포 내부 압력의 자동 측정시스템 개발
A development of the Automatic Measuring System for internal pressure of the artillery 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.2, 2021년, pp.766 - 773

이정호 (국방기술품질원 국방종합시험단) , 김동희 (국방기술품질원 국방종합시험단)

초록
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탄약 등 화약류는 운용 특성 상 반복 및 재현이 불가능한 1회성 품목이다. 시험 과정의 신뢰성, 시험 결과의 신뢰성 확보는 총포 및 탄약의 성능 평가에서 중요한 요소라고 할 수 있다. 사격 후 포강내 압력은 총포류 수락시험, 탄약류 성능 시험 등에서 중요한 값이므로 정확한 계측이 요구된다. 강내 압력은 Cu 계열의 동구게이지를 이용하여 측정한다. 변형된 동구의 압착량은 길이-압력 변환표 또는 변환식에 의해 압력으로 환산된다. 따라서 압착량의 정확한 계측은 압력 값의 정확한 추정과 직결된다. 현재 압력 측정은 작업자에 의해 수동으로 측정되고 있으며, 이는 측정 결과의 신뢰성 측면에서 오차(human error)를 항상 내포하고 있다. 이에 본 연구에서는 계측 오차 발생 요인을 분석하고, 오차를 줄이기 위해 동구 변형량 자동 측정 시스템을 개발하였다. 접촉식 프로브 센서 및 광학계를 이용하여 자동으로 동구 변형 정도를 측정할 수 있도록 하였으며, 동구의 안정적 거치를 위한 지그 또한 설계하였다. 측정 시스템의 운영 및 측정 결과의 분석을 위해 전용 SW 또한 개발하였다. 본 연구를 통해 개발된 자동 측정 시스템은 향후 탄약 저장신뢰성평가시험, 총포 탄약 수락시험 및 기술시험 등에 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Chemicals, such as ammunition, are disposable items that cannot be reused because of their operational characteristics. The reliability of the test process and test results are important factors in evaluating the performance of guns and ammunition. The pressure after firing is a crucial value in an acceptance test of guns and ammunition performance; hence, accurate measurements are required. The pressure in the artillery is measured using the copper crusher gauge. The compression amount of copper is converted into a pressure by either a length-pressure conversion table or conversion formula. Therefore, the exact measurement of the squeeze of the copper crusher is related directly to the correct estimate of the pressure. Currently, the pressure is measured manually by the operator, which always includes some human error. In this study, the cause of the measurement error was analyzed, and the automatic measuring system for copper crusher deformation was developed to minimize the error elements. A copper crusher could be measured using the probe sensor and CCD camera, and the Jig for stable positioning was also designed. A designated SW was also developed for the system operating and measurement-analysis. This measuring system through this study may be used for an ammunition stockpile reliability test and gun/ammunition acceptance test.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Deformation of pressure gauge
그림 Fig. 2. Process of pressure measuring
그림 Fig. 3. Characteristics diagram for measurement
그림 Fig. 4. Flow diagram for development
표 Table 1. Specification of system
그림 Fig. 5. Optical system
그림 Fig. 6. Principle of probe
그림 Fig. 7. Base Design
그림 Fig. 8. Zig Design
그림 Fig. 9. SW UI
그림 Fig. 10. Before the information entry set
그림 Fig. 11. CCD Image before pressing
그림 Fig. 12. CCD Image after pressing
표 Table 2. Test result(unit : mm)
표 Table 3. Summary of F-test
표 Table 4. Summary of T-test
그림 Fig. 13. Developed system
그림 Fig. 14. Copper crusher loaded view
표 Table 5. Repeatability test result(unit : mm)

AI 본문요약
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문제 정의

광학계와 카메라를 이용하여 측정 가능성을 검토하였다. 조명계는 동축 조명(Coaxial Lighting) 및 배사 조명(Back Lighting), 링조명(Ring Lighting)을 적용하였으며, 동구 직경 및 계측 정밀도를 고려하여 렌즈 배율 (0.
본 논문은 총·포 및 탄약의 성능 시험 평가 중 포강 내 압력의 자동 계측을 위한 동구 자동 계측 시스템의 개발을 기술하였다. 시스템의 설계 단계부터 시스템의 구성 및 제작, 운용 등에 대해 다루었다.
측정 시스템의 핵심은 계측 센서이다. 본 연구에서는 정밀부품검사에 일반적으로 활용되고 있는 광학센서 (CCD 카메라 및 광학계), 레이저 변위센서, 접촉식 프로브 센서의 세가지 타입을 검토하였다.
앞서 2절에서 분석한 측정 오차 요인을 줄이기 위해 본 연구에서는 광학적, 비광학적 센서를 활용한 자동 측정 시스템을 개발하였다. 자동 측정 시스템의 개발 과정은 Fig.
현재 강내압력의 측정은 작업자(시험원)에 의해 수동 측정되고 있으며, 이는 측정 결과의 신뢰성 측면(Gauge R&R)에서 오차(human error)를 항상 내포하고 있다. 이에 본 연구에서는 동구의 변형량 측정 과정에서 발생할 수 있는 오차 요인에 대한 분석을 수행하였으며, 이를 토대로 하여 압력 측정의 신뢰성 및 성능 평가 시험의 효율성을 향상시키기 위한 방법의 일환으로써 동구 변형량 자동 측정시스템을 연구 개발하였다.
이에 본 연구에서는 측정자 및 측정기에 의해 발생할 수 있는 오차를 최소화하고, 압력 계측의 효율성 및 편의성, 신뢰성을 확보하고자 동구의 변형량을 자동으로 계측할 수 있는 측정 시스템을 개발하였다.

가설 설정

- 귀무가설 H0 : 등분산이다
- 귀무가설 H0 : 평균의 차이가 없다
- 대립가설 H1 : 등분산이 아니다
대립가설 H1 : 평균의 차이가 있다

제안 방법

둘째, 동구의 안정적 거치 및 운용 환경을 고려한 동구 거치 베이스의 설계. 계측 센서는 원형의 부품을 측정해야하므로 일반적으로 산업 현장에서 적용되고 있는 접촉식 및 비접촉식을 검토하였다. 센서의 검토는 정밀도(Precision)와 정확도(Accuracy)를 주요소로 고려하였다.
동구 거치 베이스는 직경 약 5mm 정도의 동구를 계측이 가능하도록 배열할 수 있도록 설계하였다. 계측 센서와의 연계성을 고려하여 베이스를 설계하였으며, 다수의 동구를 동시에 측정이 가능하도록 하였다. 본 시스템의 개발 요구 사항을 정리하면 Table 1과 같다.
광학계를 이용하여 동구의 측정 가능 여부를 확인하였다. 변형 발생 전 동구 측정은 배사조명(Back lighting)을 적용하였으며 에지 검출을 위한 영상처리 알고리즘 및 직경 산출을 위한 원형 핏팅 알고리즘을 적용하였다 [7].
기존 마이크로미터의 측정 결과와 프로브센서로 측정된 결과를 비교 및 검증하였다. 측정 결과는 Table 2와 같다.
국방기술품질원의 105MM 포신의 로트 수락 시험절차서에서는 포신의 수락을 위해 약 00, 000psi이상의강내 압력 형성을 요구하고 있다[1]. 기준압 이상을 형성하기 위해 제작된 초과압탄을 이용하여 포신 수락을 위한 사격시험을 수행하고, 이때 형성된 강내 압력은 동구 게이지를 이용하여 계측한다. 강내 압력의 계측 값은 총포류 수락시험 성공 여부, 탄약류 성능 충족 여부 등 시험 대상물의 성능 판정에 영향을 주므로, 계측 값에 영향을 줄 수 있는 측정 오차(Measuring Error)의 최소화가 필요하다.
또한 원형의 부품이 가지는 곡면의 특성을 반영한 측정 방식의 적절성도 같이 고려하였다. 동구 거치 베이스는 직경 약 5mm 정도의 동구를 계측이 가능하도록 배열할 수 있도록 설계하였다. 계측 센서와의 연계성을 고려하여 베이스를 설계하였으며, 다수의 동구를 동시에 측정이 가능하도록 하였다.
4의 개발 과정 중 계측을 제외한 나머지 프로세스는 본 시스템의 SW에서 모든 처리가 되도록 구성하였다. 동구 계측을 위한 HW 설정 및 운영, 측정 값에 대한 자동 분석 및 결과 저장 등 각종 기능이 가능하도록 하였다. Fig.
동구 변형량를 계측하기 위한 자동 측정 시스템은 크게 두 가지 측면에서 검토하였다. 첫째, 동구의 형태를 고려한 계측 센서의 선정.
동구 자동 측정을 위한 계측 시스템을 개발하였으며, 시스템의 안정적 운영을 위한 검증을 수행하였다. 특히 적절한 센서의 선정은 포강 내 압력 계측 결과에 절대적으로 영향을 미치므로 실증 데이터를 이용한 검증과정이 반드시 필요하다.
10은 시험 전 정보 입력 창으로써 초기 동구길이 측정 버튼은 동구 게이지 모델 별(T계열, M계열)로 생산 공차 대비 크게 벗어난 동구가 있는지 검사하기 위한 기준값을 입력하게 된다. 동구의 생산 공차 차이가 과도 하면 해당 동구를 사격시험에서 사용하지 않고 제외할 수 있도록 설계 하였다.
동구의 자동 계측을 위해 앞절에서 검토한 접촉식 프로브 센서 및 광학계, 그리고 동구의 거치파트, 운영 SW 등으로 전체 시스템을 제작하였다(Fig. 13). 사격 시험 전 동구 30개를 일괄 거치한 후 카메라를 이용해서 동구 상태를 점검 및 위치 좌표를 설정하게 된다.
첫째, 동구의 형태를 고려한 계측 센서의 선정. 둘째, 동구의 안정적 거치 및 운용 환경을 고려한 동구 거치 베이스의 설계. 계측 센서는 원형의 부품을 측정해야하므로 일반적으로 산업 현장에서 적용되고 있는 접촉식 및 비접촉식을 검토하였다.
12). 따라서 광학계는 시험 전 동구의 상태 측정 및 검사 시스템의 원점 조정 용도로 사용하도록 하였다.
3의 특성요 인도에서 환경측면(Environment) 중 진동 등의 외란을 일차적으로 막아주는 역할을 수행하게 된다. 따라서 동구 변형량 계측 시스템에서는 화포 시험의 측정 환경에 최적화되도록 화강암 계열의 석정반을 적용하였다. 계측 센서 및 동구 고정 지그 안착을 위한 석정반 형태는 Fig.
센서의 검토는 정밀도(Precision)와 정확도(Accuracy)를 주요소로 고려하였다. 또한 원형의 부품이 가지는 곡면의 특성을 반영한 측정 방식의 적절성도 같이 고려하였다. 동구 거치 베이스는 직경 약 5mm 정도의 동구를 계측이 가능하도록 배열할 수 있도록 설계하였다.
계측 센서는 원형의 부품을 측정해야하므로 일반적으로 산업 현장에서 적용되고 있는 접촉식 및 비접촉식을 검토하였다. 센서의 검토는 정밀도(Precision)와 정확도(Accuracy)를 주요소로 고려하였다. 또한 원형의 부품이 가지는 곡면의 특성을 반영한 측정 방식의 적절성도 같이 고려하였다.
기술하였다. 시스템의 설계 단계부터 시스템의 구성 및 제작, 운용 등에 대해 다루었다. 마이크로미터를 이용한 동구 변형량 측정은 측정자의 측정기 운용(래칫스톱조작하는 힘, 시료 위치), 측정기 상태(눈금의 디폴트값, 이물질 오염), 측정자 판단 실수(계산 실수, 수기 실수) 등의 오류가 포함될 가능성이 있다.
8은 동구를 거치할 수 있는 지그 형태를 나타내고 있다. 약 30개의 동구를 장착할 수 있도록 하였으며, 3점 접촉을 통한 동구 안착이 이루어지도록 하였다.
마이크로미터를 이용한 동구 변형량 측정은 측정자의 측정기 운용(래칫스톱조작하는 힘, 시료 위치), 측정기 상태(눈금의 디폴트값, 이물질 오염), 측정자 판단 실수(계산 실수, 수기 실수) 등의 오류가 포함될 가능성이 있다. 이러한 오류를 줄이기 위해 자동계측시스템을 개발하였다. S/W는 압력 환산 식을 로직으로 적용하고 각종 데이터를 프로그램으로 관리하도록 구현하여 압력 측정 프로세스를 효율적으로 개선하였다.
동구의 계측이 가능함을 확인하였다. 자동 측정시스템에서는 변형전 동구 상태는 CCD 카메라를 이용해서 확인하고, 압착된 동구의 변형량 측정은 접촉식 프로브센서를 사용할 수 있도록 시스템을 제작하였다.
조명계는 동축 조명(Coaxial Lighting) 및 배사 조명(Back Lighting), 링조명(Ring Lighting)을 적용하였으며, 동구 직경 및 계측 정밀도를 고려하여 렌즈 배율 (0.5X) 및 카메라 사양(픽셀 수 : 1280 x 960, FOV : 9.6 x 7.2mm)을 결정하였다. Fig.
화포 사격을 통해 획득된 시료(동구)를 프로토 타입의 검사 장비(접촉식 프로브 센서)에서 측정 및 분석을 수행하였다. 기존 마이크로미터의 측정 결과와 프로브센서로 측정된 결과를 비교 및 검증하였다.

데이터처리

통계적 검정 방법 중모집단의 분산이나 표준편차를 알지 못하므로 T-검정을 사용하여 결과 값을 분석하였다. 두 데이터 집단의 등 분산 여부를 확인하기 위해 F-검정을 먼저 수행하였다.
계측 값의 유사성을 검증하였다. 통계적 검정 방법 중모집단의 분산이나 표준편차를 알지 못하므로 T-검정을 사용하여 결과 값을 분석하였다. 두 데이터 집단의 등 분산 여부를 확인하기 위해 F-검정을 먼저 수행하였다.
통계적 분석을 통해 마이크로미터 계측 값과 프로브센서 계측 값의 유사성을 검증하였다. 통계적 검정 방법 중모집단의 분산이나 표준편차를 알지 못하므로 T-검정을 사용하여 결과 값을 분석하였다.

이론/모형

변형 발생 전 동구 측정은 배사조명(Back lighting)을 적용하였으며 에지 검출을 위한 영상처리 알고리즘 및 직경 산출을 위한 원형 핏팅 알고리즘을 적용하였다 [7]. Fig.

성능/효과

11은 동구의 카메라 영상이다. 그러나 압착된(사격 완료 후) 동구의 경우 변형 형태가 불규칙하고 지그 안착 상태에 따라 영상이 왜곡되는 현상이 발생하여 측정 센서로서 사용이 불가능함을 확인하였다(Fig. 12). 따라서 광학계는 시험 전 동구의 상태 측정 및 검사 시스템의 원점 조정 용도로 사용하도록 하였다.
실 데이터를 이용하여 프로브 센서 타입의 계측기로 압착된 동구의 계측이 가능함을 확인하였다. 자동 측정시스템에서는 변형전 동구 상태는 CCD 카메라를 이용해서 확인하고, 압착된 동구의 변형량 측정은 접촉식 프로브센서를 사용할 수 있도록 시스템을 제작하였다.
측정 결과는 약 0.3um의 반복도를 가지고 있으며 시스템은 안정적으로 측정됨을 확인하였다.

후속연구

강내 압력 측정을 위해 산업 현장의 기술을 접목한 측정 시스템을 제작하였으며, 본 시스템이 총·포 및 탄약의 ASRP, 수락시험 및 기술시험에 활용될 것으로 기대한다.

참고문헌 (7)

KDS 1015-1191, "Cannon, 105MM Gun : M68", Defense Specification, 2019.
AEP-23, Pressure measurement by crusher gauges NATO approved tests for crusher gauges, NATO army armaments group surface to surface artillery, 2005.
J.C. Lee, B.W. Jeon, H,Y. Jeon, "A Study on the Improvement of Weapon Chamber Pressure Measurement using Copper Crusher Gauge", Technical Report, Defense Technology and Quality, Korea, 2019.
M.C. Jung, J.H. Lee, "A Study on the Effects of Relationship between Copper Crusher Gauge and Internal Piezo Gauge", Journal of the Korea Academia-Industrial, Vol.21, No.9, pp.120-127, 2020. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2020.21.9.120

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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