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문제 정의
- 본 연구에서는 마이크로 코일 스프링의 스프링 상수 평가 시스템을 개발하고, 내경 35㎛ 소선 직경 17㎛ 피치 23㎛의 텅스텐 코일 스프링의 스프링 상수를 측정하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구에서는 내경 35㎛, 피치 23㎛, 소선 직경 17㎛의 텅스텐 코일 스프링의 스프링 상수를 측정하였다. 스프링 상수의 측정을 위하여 초소형 인장 시험 시스템을 개발하 였다.
- 본 연구에서는 내경 35㎛, 피치 23㎛, 소선 직경 17㎛의 텅스텐 코일 스프링의 스프링 상수를 측정하였다. 스프링 상수의 측정을 위하여 초소형 인장 시험 시스템을 개발하 였다.
- 5㎛의 분해능을 가지는 마그네틱 스케일을 위치 결정기구로 사용하였고, 1000g의 하중용량을 가지는 스트레인 게이지 타입의 하중계를 이용하였다. 스프링의 장착을 위한 지그 및 고정 장치를 개발하여 실험을 수행하였다.
- 그러나 본 연구에서 측정하고자 하는 스프링은 직경과 피치가 모두 수십 마이크로미터 정도이므로, 개발하는 시험장치도 그에 부합하는 정도를 가지는 것이어야 한다. 따라서 전체적인 시스템은 정밀 이송기구, 초소 용량 로드셀, PC연동제어부 그리고 시편 장착용 지그부로 구성하였다. 그리고 정확한 하중-변위 관계를 얻는 것이 주된 실험의 목적이므로, open loop control을 하면서 별도의 정밀 위치 정보 취득 장치를 이용하여 변위 정보를 정확하게 얻는다.
- 정밀 이송장치는 스테핑 모터와 볼스크류 그리고 자기 스케일이 일체로 제작된 제품을 구입하여 사용하였고, 이에 따른 드라이버는 마이크로스텝 드라이버를 이용하였다. 자기스케일에서 나오는 신호를 RS232C통신이 가능하도록 처리하는 모듈을 이용하여 PC에서 변위정보를 취득할 수 있도록 하였다. 마이크로스텝드라이버의 제어를 위하여 MMC(Multi Motioan ControDboard를 사용하였다.
- 이상의 사항을 고려하여 본 연구에서는 시편 고정용 지그에 V형 홈을 가공하고, 시편을 홈에 넣어 수직 정렬이 용이하도록 하였으며, 지그에 시편을 고정하기 위하여 접착제를 사용하였다. 이는 일반적인 집게형의 그립을 사용할 경우 시편의 변형에 의한 손상 뿐만 아니라 변형 영향부가 시편의 유효변형 영역에 영향을 주게 되므로 시험 결과를 왜곡시킬 가능성이 높기 때문이다.
- 스프링 상수 측정 시험을 위하여 먼저 시편을 시편 고정용 지그의 위치 결정용 그루브에 정렬하고, 양 끝단을 접착제를 바르고 30분 정도 대기 중에서 응고시켜 시편을 고정한다. 시편을 고정한 후, 실험에서 실제로 변형하는 유효 변형 구간의 길이를 측정하여야 한다.
- 시편을 고정한 후, 실험에서 실제로 변형하는 유효 변형 구간의 길이를 측정하여야 한다. 이를 위해 현미경을 통하여 시편의 변형 가능 구간 내에 있는 피치의 수와 양 끝단 고정부(접착제 도포부)의 피치수를 세어둔다. 접착제 도포부의 피치수를 세어두는 이유는, 실험 후 이 부분의 변화를 모니터링하여 슬립이 일어났는지의 여부를 판정하기 위함이다.
- 마이크로 코일 스프링(내경 35㎛, 소선 직경 17㎛, 피치 23㎛의 스프링 상수를 측정하기 위하여 총 9회의 시험을 수행하였다. 9회의 시험 가운데 3회의 시험은 시편 고정 상태 불량으로 인하여 유효한 결과를 얻지 못하였다.
- 9회의 시험 가운데 3회의 시험은 시편 고정 상태 불량으로 인하여 유효한 결과를 얻지 못하였다. 스프링 상수를 구하기 위하여 각각의 시험에서 얻어진 하중-변위 곡선의 선형 구간을 찾아서 직선으로 근사한 후, 직선의 방정식을 구하여 스프링 상수를 계산하였다. 시험에 사용된 스프링들의 일관된 비교를 위하여 스프링의 변형 유효 길이를 1mm로 환산하였을 경우의 스프링 상수를 계산하였다.
- 스프링 상수를 구하기 위하여 각각의 시험에서 얻어진 하중-변위 곡선의 선형 구간을 찾아서 직선으로 근사한 후, 직선의 방정식을 구하여 스프링 상수를 계산하였다. 시험에 사용된 스프링들의 일관된 비교를 위하여 스프링의 변형 유효 길이를 1mm로 환산하였을 경우의 스프링 상수를 계산하였다. 시험 결과 얻어진 하중-변위 곡선의 일례를 Fig.
- 5㎛이다. 스프링의 안정적인 장착을 위한 지그 및 고정장치를 개발하였으며, 장착 시 스프링의 손상을 최소화하기 위하여 접착제를 이용하는 스프링 고정방법을 도입하였다.
- 반복정밀도 1㎛를 가지는 리니어 스테이지와 0.5㎛의 분해능을 가지는 마그네틱 스케일을 위치 결정기구로 사용하였고, 1000g의 하중용량을 가지는 스트레인 게이지 타입의 하중계를 이용하였다. 스프링의 장착을 위한 지그 및 고정 장치를 개발하여 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 정밀 이송장치는 스테핑 모터와 볼스크류 그리고 자기 스케일이 일체로 제작된 제품을 구입하여 사용하였고, 이에 따른 드라이버는 마이크로스텝 드라이버를 이용하였다. 자기스케일에서 나오는 신호를 RS232C통신이 가능하도록 처리하는 모듈을 이용하여 PC에서 변위정보를 취득할 수 있도록 하였다.
- 스프링 상수 측정 실험 과정에 있어서 기술적으로 가정 어려운 부분의 하나는 지그의 정렬상태 불량의 문제이다. 본 연구에서 사용한 지그 세트는 Fig. 2.에 나타낸 바와 같이 상부지그, 하부지그, 그리고 가이드부의 3 부분으로 구성된다. 지그 가이드부는 시편의 장착시 상·하부 지그 미소한 이동으로 인하여 발생할 수 있는 정렬상태의 문제를 최소화하기 위하여 제작·사용되었다.
이론/모형
- 자기스케일에서 나오는 신호를 RS232C통신이 가능하도록 처리하는 모듈을 이용하여 PC에서 변위정보를 취득할 수 있도록 하였다. 마이크로스텝드라이버의 제어를 위하여 MMC(Multi Motioan ControDboard를 사용하였다.
성능/효과
- 유효한 결과를 얻은 6회의 시험 결과를 Table 1에 정리하였다. 본 연구에 시편으로 사용된 스프링은 유효길이가 lmm일 경우, 약 18.6 g/mm정도의 스프링 상수를 가짐을 알 수 있다. 또한 사용된 스프링들의 스프링 상수값의 표준 편차는 1.
- (1) 개발된 스프링 상수 평가 시스템은 마이크로 인장 시험기의 형태를 가지며, 하중용량은 1000g, 위치 결정 분해능은 0.5㎛이다. 스프링의 안정적인 장착을 위한 지그 및 고정장치를 개발하였으며, 장착 시 스프링의 손상을 최소화하기 위하여 접착제를 이용하는 스프링 고정방법을 도입하였다.
- (2) 스프링 상수는 1mm길이의 스프링으로 환산할 경우, 약 18.6 g/mm 정도의 값을 가지는 것으로 평가되었으며, 개발한 시험 장치·방법이 타당함을 확인하였다.
- (3) 성공으로 판정된 총 6회의 측정 결과와 스프링의 정렬 오차와의 관계를 분석한 결과, 스프링 정렬 오차가 클수록 평균치에 대한 스프링 상수 값의 편차가 증가하는 것을 알 수 있었다.
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