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전기전자공학개론 정리

전기전자 기초 실험 및 설계Chapter 2. 전기 회로의 기초2.1 회로망과 회로의 특징망 : 상호 연결된 사람이나 사물의 그룹 또는 시스템회로 : 순환하는 전류가 흐를 수 있는 완전하며 닫힌 경로소스(Source) : 에너지를 제공한다.부하(Load) : 어떠한 목적을 위해서 그 에너지를 사용한다.이상 전선(Ideal wire) : 전위 손실 없이 전하를 전도함. 즉, 전하를 이동시키는 데 어떠한 일도 필요하지 않는 전선.★노드(Node)노드란 2개 이상의 회로 소자사이를 이동할 수 있도록 연결된 하나의 지점 또는 영역으로 노드 상의 모든 점은 동일한 전위를 가지고 다른 노드들에 대해서 상대적인 값을 가진다.수퍼 노드(Super node) 로서 2개 이상의 노드를 포함하는 노드를 뜻한다. 기준 노드는 어떠한 노드의 전압을 나타내기 위해서 선택하는 것이다. 기호로는 를 사용하고, 대지 접지의 기호와 동일하다. 일반적으로 기준 노드의 전압을 0V로 설정하고, 다른 노드의 전압을 나타낸다.★분기(branch)분기는 전선과 소자로 구성된 단일한 전기 통로이다. 아래 그림과 같이 하나의 소자에 흐르는 전류가 동일 분기의 다른 소자에 흐르는 전류와 동일하며, 이러한 전류를 분기 전류(branch current)라고 한다. 그리고 동일한 분기에 배열된 소자들은 직렬 연결되었다고 한다.★루프(Loop)루프는 물리적으로 닫힌 경로를 의미한다. 반드시 폐회로일 필요는 없고 우리가 원하는 모양의 루프로 고려를 할 수 있다.★망(Mesh)망은 다른 루프를 포함하지 않는 단일한 폐회로를 말한다. 위 루프그림에서 Loop1 과 Loop2는 망이지만 Loop3은 망이라고 할 수 없다.2.2 전하, 전류, 키르히호프의 전류 법칙전하(Charge)는 기본 전기량을 뜻하며, 전자, 양성자가 가지는 전하량은 다음과 같다.전류는 단위 시간에 어떤 단면을 지나가는 전하량으로서 전하의 이동을 말한다. 이다.★폐회로에서의 전류★ 키르히호프의 전류 법칙(KCL)or기본적으로 전류는 폐회로에서 흐른다 충분히 작도록 설계가 된다.실제 전류원은 노턴 모델에 의해 근사화될 수 있다. 이는 병렬로 연결된 이상 전류원 와 내부 저항 로 구성된다. 는 전류원이 보는 등가 저항보다 충분히 크도록 설계된다.위 그림에서 음영 처리 영역은 직렬 연결된 이상 전압원 와 내부 저항 로 구성된 테브닌 모델을 나타낸다. 이 모델에서 소스 출력 전류 는 이상 전압원 , 내부 저항 , 그리고 부하 에 따라 결정된다. 부하 저항이 0에 접근할 때, 회로는 최대 전류가 발생하는데 이상 전압원이 보는 등가 저항은 이다. 따라서 옴의 법칙에 따라 전류는 이 된다. 부하 전압 은 전압 분배법을 통하면 다음과 같이 나타난다.옆 그림의 음영 처리된 영역은 병렬 연결된 이상 전류원 와 내부 저항로 구성된 노턴 모델이다. 소스 출력 전압 는 이상 전류원 와 내부 저항, 부하 에 따라서 결정이 된다. 부하 저항이 무한대에 접근을 할 때, 최대 전류가 발생을 하는데, 이상 전류원이 보는 등가 저항은 이다. 따라서 소스 전압 는 옴의 법칙에 의해서 단순히 가 되고, 부하 전류는 전류 분배 법칙을 통해서 바로 구할 수 있다.★ 전원 변환전압원과 저항의 직렬 결합과 전류원과 저항의 병렬 결합은 서로 등가이다. 이유는 전압원으로 인해서 생기는 전류 가 생길 것이고, 저항 에 의해서 생기는 전압 가 있을 것이다. 따라서 두 경우 모두 옴의 법칙을 만족하는 로 동일한 것이다.단락 전류다음과 같은 전압원과 전류원을 서로 등가로 나타낼 수 있다. 왼쪽 그림은 옴의 법칙을 통해서 전류 가 움직이는 것을 유추할 수 있고, 오른쪽 그림은 저항이 0인 단락부분을 통해서 이동을 하기 때문에 큰 Loop를 도는 것으로 서로 등가이다. ( 동일)개방 전류왼쪽 그림은 전압에 의해서 a와 b 사이에 라는 전압이 걸려 있고, 오른쪽 그림은 저항 를 통해서 옴의 법칙을 적용해 를 유추해 병렬연결이므로 a와 b에 전압 차가 임을 알 수 있다. 따라서 두 그림 또한 등가이다.Chapter 3. 저항 회로망 해석3.5 중첩의 원리(Princ 야기한다.전하 분리 :매개 변수 C는 커패시턴스로 전하를 축적하는 장치의 능력 척도이다. 기본적인 단위는 패러드(F)이지만 비현실적인 단위로 보통 microfarads= or 피코패러드 를 사용한다.커페시터를 흐르는 전류위 식이 의미하는 바는 전압의 정의에 따라서 시간에 대한 미분은 0이 된다. 따라서 전류는 0이 된다. 이 말은 직류회로의 커패시터는 개방 회로와 동일하다는 것을 의미한다.초기 전압을 알 경우 →★ 등가 커패시턴스직렬과 병렬인 두 개의 커패시터의 경우 등가 커패시턴스병렬 커패시턴스를 계산하는 경우, 직렬 커패시터는 병렬 저항처럼 결합하고 병렬 커패시터는 직렬 저항처럼 결합한다.커패시터의 단위★ 이상 커패시터실제 커패시터는 공기에 의해 격리된 2개의 평행한 평판들의 구조로 거의 이루어지지 않는다. 왜냐하면 이 구성은 커패시턴스가 작거나 매우 큰 면적의 평판이 필요하기 때문이다. 따라서 커패시턴스를 증가시키기 위해서는 실제 커패시터들은 중간에 유전체가 사이사이 샌드위치처럼 있는 얇은 금속 막으로 흔히 만들어져 있다. 전압 등급은 어떤 절연체는 만약 충분히 큰 전압이 걸리게 되면 못쓰게 되기 때문에 중요하다.★ 커패시터에서의 에너지 저장커패시터에 축적된 총 에너지는 전력을 적분하여 다음과 같이 보여 진다.★ 이상 인덕터유도성 소자로서 자기장 내에서 에너지를 저장할 수 있는 소자이다. 일반적으로 도선이 고리 형태로 바뀌면 인덕터가 존재한다.간단한 예로 길이 , 단면적이 A이며 좁고 빽빽이 코일을 감은 솔레노이드가 있다.인덕턴스 L/ 자속 양이상 솔레노이드 인덕턴스인덕터의 관계다음 식을 보면 직류 회로에서 인덕터에 걸리는 전압이 0인 것을 알 수 있다. 따라서 직류 회로에서 인덕터는 단락회로와 등가이다.전류를 계산하기 위해서 초기 전류 를 아는 경우★ 등가 인덕턴스헨리의 단위 :직렬 및 병렬인 2개의 등가 인덕턴스즉, 등가 인덕턴스를 계산하는 경우 직렬 인덕터는 직렬 저항처럼, 병렬 인덕터는 병렬 저항처럼 결합을 한다.★ 이중성커패시터와 인덕터의 관계존하는 진폭과 위상을 가지게 된다.앞서 배운 2장, 3장 풀이를 적용해서 풀면 된다.예를들어 직렬 임피던스 소자의 전압 분배는 이다.병렬의 두 임피던스 소자를 위한 전류 배분은☞ 교류 회로 해석의 방법 및 절차회로의 정현파 신호들을 구별하고 여진 주파수를 주목한다.페이저 형태로 소스들을 변환시킨다.각 회로소자의 임피던스를 결정하기 위해 여진 주파수를 사용한다.테브닌 이론, 노턴 이론, 중첩, 소스 변환, 노달 해석법 혹은 망 해석법 등의 적절한 푸링 방법을 사용하여 만들어진 페이저 회로를 푼다. 적절하게 복소 연산을 수행하도록 주의.페이저 해를 시간 영역형태로 변환한다.★ 교류 등가 회로(a)그림은 소스-부하의 관점을 보여주는 것으로 전체적인 회로는 두 부분으로 나뉘어 지는 것을 확인 할 수 있다.(b)같은 경우에는 테브닌 혹은 노턴의 이론은 소스 망을 단순화 하는 데 사용할 수 있다. 따라서 테브닌 등가 소스는 두 페이저와 직렬 독립 전압원으로 구성되어 있는 것을 주의하고, 부하 에 걸리는 전압 는 전압 분배를 통해서 구할 수 있다.다음의 솔루션을 푸는 방법은 직류 회로와 동일하지만 저항 대신에 임피던스를 사용하는 것이다. 독립 테브닌 전압원 는 소스 망의 단자 a와 b에 걸리는 개방 전압 이다. 테브닌 등가 임피던스는 모든 독립 전압 및 전류 소스를 0으로 설정하고 그 다음에 소스 망 단자 사이의 등가 임피던스 를 찾아내야 발견된다.노턴 등가 소스는 2개의 페이저로 구성되어 있다. 아래 그림은 소스와 부하 망으로 나누는 다소 복잡한 교류 회로를 나타내고, 가 어떻게 발견되었는지 나타내고 있다.Chapter 5. 과도 해석5.1 과도 해석과도 현상이란 전기 회로에서 하나의 정상 상태에서 변화하여 다른 정상 상태로 안정화되기 까지의 전기 현상을 과도 현상이라고 한다.옆 그림은 t=0.2s 일 때 각각이 DC회로와 AC 회로에서 과도 현상 때문에 일어나는 과정을 나타낸 것이다.따라서 과도 해석의 목적은 전압과 전류가 하나의 정상 상태에서 다른 상태로 과도할 때 수량으로 다음과 같이 주어진다.는 가 위상이 이동되고 진폭이 스케일 된 것이다.만일 페이저 소스 전압과 회로의 주파수 응답을 알고 있다면 페이저에 걸리는 전압은 다음과 같이 계산이 가능하다.결과는 이 된다. 어떠한 각 주파수 가 주어지더라도 부하의 전압은 전원의 전압과 같은 주파수의 정현파이다.★ 1차, 2차 전형들어떠한 경우라도 주파수 응답 함수를 얻기 위한 첫 번쨰 단계는 테브닌 회로 혹은 노튼 화ㅣ로를 이용하여 회로를 단순화하는 것이다. 만약 회로가 저장 소자를 가진 1차 혹은 2차의 직렬 혹은 병렬 회로라면 이 회로는 단순화 될 수 있다.그림과 같은 1차 회로에서 옴의 법칙을 적용하면 다음과 같다.이 식에서 분자를 를 곱하고 양 변을 로 나누어 주파수 응답 함수를 찾으면 가 된다. ()그림과 같이 1차 회로에서 비슷한 방식으로 전압 과 노튼 소스 전류 과 관련된 주파수 응답을 찾을 수 있다.이 되고, 양변을 으로 나누고 분자 분모를 으로 나누면 주파수 응답 함수를 찾을 수 있다.그림과 같이 LC회로인 2차 회로도 비슷한 방법으로 구할 수 이다.옴의 법칙을 적용하면 이 되고, 로 나누고 양변을 역수로 취한 후 분모 분자에 를 곱하면 다음과 같이 된다.그리고 2차 직렬 LC회로의 전압 이득 는 에 대한 결과를 이용하여 찾을 수 있다.이고 직렬 루프에 대해 이다.2차 LC병렬 회로에서 공통 전압 는 옴의 법칙에 의해서 이다. 양변을 으로 나누어 얻은 결과는이고, 을 곱하면이 된다.2차 병렬 LC 회로에 대한 전류 이득 는 에 대한 결과를 이용하여 찾을 수 있다.이고, 이므로 이다.★ 영점과 극점정의에 의해서 주파수 응답 함수는 입력에 대한 출력의 비이다. 따라서 특정 주파수 응답 함수의 결과는 일반적으로 비의 결과로 나온다. 주파수 응답 함수의 분자와 분모는 네 가지의 특정 항의 곱의 형태로 표현될 수 있다. 하나는 단순 상수 나머지 세 항들은 항들이 분모에 나타나는지 분자에 나타나는지에 따라 영점 또는 그점이라고 불린다. 각 항들은 다음의 리스트에 나타나있 같다.

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부산대학교 기계시스템설계 텀프로젝트(Term Project)

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부산대학교 기계가공시스템 중간고사 정리본

기계가공시스템 중간고사 책 정리본Chapter 1. 공작기계설계의 기초1.1 공작기계의 정의넓은 정의 : 변형 가공(성형 가공)과 제거 가공을 수행하는 기계를 말하며 성형 가공을 수행하는 주조 기계, 단조, 프레스 등의 소성 가공을 수행하는 소성 가공기계 등도 공작기계에 포함이 된다.좁은 정의 : 공작기계란 주로 금속의 공작물을 절삭, 연삭 등을 이용해서 혹은 전기, 그 이외의 다른 에너지를 이용하여 불필요한 부분을 제거하고, 원하는 형상을 만드는 기계이다.Manufacturing process는 Solidification process, Particulate processing, Deformation processes, Material removal이 있고 좁은 의미로는 Material removal이 제조 과정에 해당한다.■ PPT 공작기계의 특징① 기계를 만드는 기계이다. 따라서 모성 원리의 원칙을 따른다.모성 원리 : 특정 공작기계를 이용하여 만든 기계 부품은 그 기계 부품을 만든 공작기계의 정밀도가 마치 모자 관계처럼 전사된다.② 국가의 제조업의 기초가 되며 모든 산업 기술의 결정체이다.③ 강성 설계를 기본으로 한다.공작기계의 변형, 진동은 직접적으로 만든 부품의 정밀도를 저하시킨다. 따라서 변형, 진동이 일어나지 않는 구조로 하기 위해서 공작기계는 엔진 등 응력을 기준으로 하는 강도 설계와는 달리 변위를 기준으로 하는 강성 설계를 기본으로 한다.강도 설계 (Strength) : 기준이 stress (이며 어떠한 힘을 받았을 때 단위면적 당 힘을 예측하는 설계강성 설계 (Stiffness) : 기준이 deformation (m)이며 어떤 힘을 받았을 때 변화하는 정도를 예측하는 설계■ 강성 설계가 더 어려운 이유(시험)는 시스템에서 더 적은 변형률을 만들기 위해 단순히 작용하는 힘에 대한 분석보다는 보다 복합적으로 (재료 종류, 구조 등) 고려해야 하기 때문이다.④ 제조 과정에서 경험이 점하는 비율이 높다.1.2 공작기계의 구비조건공작기계는 기계가 기링머신(milling machine)밀링머신은 다인공구의 회전운동과 공작물의 직선 운동의 조합에 의하여 평면을 가공하는 공작기계이다.■ 엔드밀링커터(end mill) – 시험end mill은 밀 공구 끝부분(end)에 절삭 날이 있는 공구를 엔드밀이라고 한다. 밀링머신에 장착하여 회전시켜 외주의 절삭날을 이용하여 가공물의 측면을 깎고, 단면의 절삭날로 가공물의 윗면(평면, 홈)을 깎을 수 있는 밀링커터이다.⑧ 브로칭머신(broaching machine)다인 공구에 직선운동을 주고, 날의 치수를 점점 크게 하여 차츰 깊게 깎도록 함으로써 키홈이나 스플라인 내면을 가공하는 공작기계이다.⑨ 연삭기(grinding machine)입자공구의 회전운동과 공작물의 회전운동 또는 직선운동에 의하여 원통 또는 평면을 정밀가공하는 공작기계이다.⑩ 호닝머신과 슈퍼피니싱 머신호닝 머신 : 숫돌을 회전축 주위에서 원통의 내면으로 가압하면서 일정속도 회전운동과 등속 왕복운동을 주어서 원통의 내면을 정밀 다듬질 하는 가공을 호닝이라 한다.슈퍼피니싱 머신 : 축의 표면에 숫돌을 가압하면서 공작물을 회전시키고 숫돌에 축방향 미소진동을 주어서 추그이 표면에 정밀다듬질을 하는 가공을 슈퍼피니싱이라 한다.2.5 특수용도 공작기계 종류( 한번 읽어보기)2.5.6 자동화 공작기계수치제어(numerical control) 관련 기술의 발전으로 컴퓨터를 이용한 CNC를 활용한 자동화 기법이 발전하였다.트랜스퍼머신은 몇 개의 공작기계 주축을 설치하고, 적당한 레일이나 컨베이어에 의하여 공정순서에 따라 각 공작스테이션으로 공작물을 옮겨서 가공하는 복합적인 가공시스템이다.2.6 NC 공작기계의 특성NC : numerical control의 약자로 수치와 부호로 구성된 수치정보로 기계의 운동을 지령하여 제어하는 것을 의미한다. 이러한 공작기계를 수치제어 공작기계 (NC 공작기계)라 한다. 최근에는 소형 컴퓨터를 내장한 CNC가 많이 발전하였고 보통 NC 공작기계를 CNC 공작기계라 부른다.Lathe 선반에 C내는 강성치가 커야 한다.(2) 주축 및 안내면 (시험)공작기계의 상대 운동 정밀도를 결정하는 주요 요소로 공작기계의 요구 정도에 맞추어 운동정밀도가 보장되는 구조설계 및 윤활방식을 채용해야 한다.(3) 테이블, 새들 등의 운동체운동체는 공작물의 크기 및 공작기계의 가공능력에 맞추어 동력전달부의 특성에 적합하도록 설계가 이루어져야 한다. Ex) 수직형 밀링은 하중이 외팔보 구조로 큰 굽힘변형이 일어나 이에 대한 보상하는 구조 설계가 필요하다.(4) 동력전달부 및 구동모터동력 손실을 최대한 줄이고, 동력원이 절삭점쪽으로 진동, 열 등이 전달되지 않도록 해야 한다. 열변형이 가공 정밀도에 큰 영향을 미칠 수 있어 냉각 방법 및 고정방법에 대한 고려가 필요하다.3.1.2 구조물의 설계 기준보의 충분한 강성이 요구되는 최소 체적최대 처짐량 이고, 를 적용해서 하중하에서 보의 변형 허용치를 초과하지 않는 최소 체적 는 다음과 같다.따라서 를 적용하면 다음과 같다.의 값보다 작은 조건에서 구조 설계가 강도 기준이 되고 이 값보다 큰 경우에 대해서는 강성 기준이 되어야 한다. 결론적으로 대부분의 공작기계의 구조설계에서 결정적인 요소는 구조의 하중전달능력이 아니라 강성이 되는 것이다.■ 공작기계 설계 원리변위 기준으로 설계되는 공작기계의 구조 설계에서 강성은 다른 특성들에 비해서 매우 중요하다. 그리고 공작기계 전체 구조로서의 강성은 구성 요소 및 결합부의 특성, 하중 전달 경로와 그 분포 상태에 의해서 결정된다. 힘의 흐름(force flow) 사용- 힘의 흐름(force flows)힘의 흐름을 대상으로 하는 구조체 내부에서 고려함으로서공구, 공작기계, 공작물 전체에 작용하는 힘과 구성 요소를복잡한 구조체 안에서 쉽게 파악할 수 있다. 또한 공작기계의 구성이 가공력에 대해서 적절한지 적절하지 않은지 판단함에 있어서 힘의 흐름을 해석하는 것은 매우 유용하다. Closed loop에서 open loop이 되어 버리면 (정)강성이 크게 저하된다.시험) 결합부가 존재하면 정강성이따라 보정량이 달라져서 제어 및 보정이 어렵다. 따라서 기본적으로는 굽힘을 발생시키니 않는 것이 중요하며 보의 길이를 짧게 하는 것과 함께 온도 분포를 일정하게 하고 단순 열팽창으로 열변형을 가지고 가는 것이 바람직하다.이렇게 단순한 변형을 조립해 구조물의 복잡한 변형을 나타낼 수 있으며 열변형에 따른 열강성도 일반화 되고 있다.■ 열 변형에 대한 설계① 저발열 설계 : 공작기계 내부 열원을 최소화하는 것을 목적으로 열원을 적절한 방법으로 냉각함으로서 발열을 줄이고 열변형을 억제한다.② 열원 격리 설계 : 공작기계 구조 내부에 존재하는 각종 열원을 공작기계 본체 구조로부터 격리하거나 열의 흐름을 차단함으로서 열변형을 억제한다.③ 저열변위 설계 : 열팽창계수가 작은 구조 재료를 사용하거나 리브와 격벽을 적절하게 배치함으로서 열변위를 최소화한다.④ 열대칭 설계 : 공작기계 전체 구조 혹은 부분 구조를 내부 열원에 대해서 열적으로 대칭으로 배치하거나 열원을 대칭적으로 배치하여 온도 분포를 균일화함으로서 구조 설계부터 열변위를 억제한다.⑤ 열제어 설계 : 공작기계의 구조 전체, 내부 열원, 혹은 공작기계 설치 공간 전체를 다양한 종류의 유체를 이용하여 일정하게 온도를 유지하고 구조체의 온도 분포를 균일화한다. 그리고 계산기 보정을 통해서 열변형을 억제한다.■ 공작기계에 작용하는 힘과 특성① 자중본체 및 각 구성요소 및 공작물 자중은 매우 큰 편이다. 따라서 기계 자체의 자중을 세심하게 고려해야 한다.② 체결력공작물과 공구는 절삭력으로 인한 변형이 되지 않기 위해서 척, 바이스 등으로 크게 체결되어 있다. 하지만 공작물이 중공축인 경우 변형될 수 있다. 따라서 이렇게 변형된 공작물을 가공해도 탄성 변형을 일으킨 공작물이 역 방향으로 변형되기 때문에 초기의 가공 정밀도를 달성할 수 없다.③ 관성력의 관성력이 발생하기 때문에 큰 질량의 공작물 같은 경우에는 이를 주의해야한다.④ 마찰력공작기계의 칼럼, 테이블, 주축 헤드 등의 가동 요소 운동에서는 안내면에서의 마찰력이 반드주물로 제조하기 어렵고 부품을 조립하여 가공할 수 있기 때문에 결합부는 필요하다.③ 조립상의 이유 : 전달기구와 전기 기기를 삽입 할 수 없는 경우 구조 본체를 분할하여 대응한다.④ 설계 기술상의 이유 : 설계 작업을 줄이기 위해 공작기계의 모듈화가 진전되고 있으며 본래 불필요한 부분에도 결합부를 설치한다.⑤ 운반상의 이유 : 대형 공작기계▣ 종류• 고정형 결합부- 볼트 결합부- 마운트 결합부• 이동형 결합부- 안내 결합부 (직선 운동/ 회전 운동) : 미끄럼(윤활), 구름(전동차), 부상(자기, 기름, 공기, 물) 공기 베어링은 알루미늄 가공과 같은 곳에 많이 쓰이며 강성은 낮지만 정밀도는 높다.- 안내면, 축 베어링에 널리 쓰이고 있으며 공작기계의 모성 원리를 실현하기 위한 중요한 역할을 담당• 고정/이동형 결합부• 착탈형 결합부- 공구 혹은 공작물의 파지부에 채용되고 있는 Taper 형 고정 안내 결합부- 전자 Chuck으로 대표되는 흡착 결합부• 정지형 결합부- 베드와 Leveling Block 사이의 결합처럼 중력을 지지하는 것을 주목적으로 한 지지 결합부▣ 결합부가 지니고 있어야 할 특성▪ 결합부 각자의 기본 요구 기능▪ 높은 결합 정밀도▪ 높은 정강성, 동강성, 열적 특성▪ 높은 부하 용량▪ 결합 기능의 안정성▪ 단순한 기구▪ 제작하기 쉬움▣ 결합 기능의 안정성▪ 장기적인 관점• 절삭 칩의 침입 대책을 쉽게 세울 수 있을 것• 높은 내마모 특성을 가지고 있을 것• 장수명일 것▪ 단기적인 관점• 공작기계의 초고속화와 함께 내원심력 특성과 열적 안정성, 안전성을 가지고 있을 것• 이동형 결합부의 경우, 이동과 함께 결합 정밀도와 결합강성이 변하지 않을 것▣ 결합부의 정밀도 설계▪ 초기 결합력 부하 위치의 분산화 및 최적화에 의한 변형의 최소화▪ 결합면의 기하학적 형상의 고정밀도화▪ 결합면의 다면화▪ 결합면 압력 분포의 균일화▪ 높은 방진 대책 및 결합면의 청정화▣ 결합부의 정밀도 설계레일 상의 복수의 볼트 체결체의 변형 특성은 초기 결합력의 부하 위치것.

학교| 2024.04.26| 13페이지| 2,000원| 조회(175)

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기계요소설계 정리

기계 요소 설계 정리Chapter 1. 서론1.1 기계와 요소기계란 저항력이 있는 물체가 서로 결합되어 외부에서 공급받은 에너지로 일정한 구속운동(상대운동)을 수행함으로써 유용한 일을 하는 것이다.기계의 구성외부에서 에너지를 받아들이는 부분받아들인 에너지를 전달 또는 변화시키는 부분외부로 에너지를 내보내서 일을 하는 부분저항체인 기계요소들을 고정하는 프레임(frame)용도에 따라 기계는 종류가 다양하게 있지만 이들을 분해시켰을 때 모양과 크기가 다르지만 기능이 같은 몇 개의 요소들로 이루어졌음을 알 수 있다.그림은 기계요소군으로 구성된 기계의 개략도이다.기계요소의 기능기계요소군기계요소기능축계 요소축베어링키축이음회전 및 동력전달축지지축과 회전체 연결축과 축 연결전동 요소직접 전동 – 마찰차, 기어, 캠간접 전동 – 벨트, 체인, 로프동력전달제어 요소브레이크, 플라이휠스프링속도조절충격완화체결 요소나사리벳임시적 체결반영구적 체결1.2 기계설계1.2.1 기계설계의 개요기계설계란 어떤 목적(기능)을 가진 기계장치를 만들어내는데 필요한 모든 조건 (공정, 제작, 가격, 성능)을 고려하여, 그것에 따라서 실제로 기계를 만들어내는 데 기본이 되는 설계 과정을 말한다.기계설계 과정의 목표는 ①기계요소에 적합한 소재를 선정하고, ②기계요소의 기능에 맞는 형상과 크기를 결정하며, ③적합한 제작공정을 결정하여 완성된 기계가 파손되지 않고 원하는 기능을 수행하도록 하는 것이다.설계 과정에서는 학부과정에서 배운 모든 지식이 사용이 되는데, 기계설계 과정과 그에 필요한 지식은 다음과 같다.과정필요한 지식기구의 선형기구학부하 계산고체, 유체, 열역학, 동역학, 기계진동재질 선정재료 과학응력(변형률) 계산고체역학형상, 치수결정기계공작법도면 작성기계제도Ex) 기계설계 사례 – 자동차특정 기능을 하고자 하는 기구를 먼저 선정해야 한다.① 기구 선정 : 소요 운동 (즉, 직선운동 회전운동 변환)② 부하 계산요소부하(힘)Slider압축력Link압축력Crank굽힘모멘트Shaft비틀림 모멘트 + 굽힘 모멘트해당 요소들을 정역학 평형식을 사용해서 힘/모멘트를 계산한다.③ 재질 선정요소재질SliderGC25, SF55LinkSF55, SCM4, SM55CCrank shaftSM45C, SF55재질에 대한 허용 응력을 결정해서 앞서 계산한 부하(하중)에 맞는 재질을 선택하도록 한다.하중이 받고 있는 기계 요소에 대한 해를 구하는 방법정역학적 평형방정식 만족소재에 따른 응력과 변형률 또는 힘과 변형률 관계를 적용부재의 변형은 인접한 부재의 변형과 기하학적으로 일치해야 한다.좋은 설계란 만드려는 제품의 성능, 외관, 가격이 모두 좋아야 좋은 설계라고 할 수 있다. 무엇보다도 제일 중요한 것은 안전으로 제품이 사용자에게 상처를 입히지 않고, 재산의 손실을 입히지 않으며 환경에 해를 끼치지 않아야 한다.또한 이러한 설계를 할 때 고려사항은 원활한 기능과 작동원리, 안전성, 역학적 타당성, 생산성, 내구성, 경제성, 규격화/표준화, 인간공학, 미학적 측면, 재활용(환경적) 측면이 있다.1.2.2 설계 과정(1) 필요성 인식 : 제품에 대한 불편함 또는 부족함을 느껴 제품개선의 필요성을 인식한다.(2) 문제 정의 : 고객이 필요로 하는 기능을 만족시키면서 제작 가능한 제품을 얻기 위한 요구사항을 담은 시방서의 형태로 정의한다.(3) 종합 및 분석 : 설계될 요소들을 시스템으로 종합하는 과정으로 문제점을 해결하고 완전한 형태의 시스템을 만드는 것으로 가정하여 검토한다.(4) 평가 : 성공적인 설계에 대한 최종 입증 단계(5) 발표 : 회사 정책이나 재정 책임자에게 발표를 한다.1.3 하중과 일1.3.1 하중과 평형 상태하중은 구조물이나 기계부재에 작용하는 힘을 말한다.표면력 : 한 점에 작용하거나 한정된 면적에 분포체적력 : 부재 전체에 분포되는 힘 (ex. 무게)(1) 평형 상태 – 물체에 작용하는 힘의 합력이 0인 경우다음과 같이 공간에서 물체가 정역학적으로 평형 상태에 있다는 것은 평형 방정식을 만족시킨다는 말이다. 평면인 경우는 이다.부재에 작용한 모든 힘을 평형방정식에 의해 구할 수 있다면 구조물이나 시스템은 정정계라 하고, 그렇지 않으면 부정정계라 한다.(2) 부호규약모멘트 방향은 오른속 법칙을 따르고, 이중머리를 가진 벡터로 나타낸다. 외부로 향하는 수직력과 내력 혹은 모멘트 벡터의 성분이 (+) 좌표축 방향을 가리킬 때, 그 힘 혹은 모멘트를 (+)로 정의한다.1.3.2 일과 일률일률 또는 동력(power) : 시간에 대한 일(에너지)의 변화율힘 , 속도 : 일률 =토크 , 각속도 : 일률 =일반적으로 일은 위치에너지, 운동에너지, 내부변형에너지로 저장 또는 열에너지로 방출된다. 부재의 운동에너지 는 속도와 관련하여 일을 할 수 있는 용량을 나타낸다. 직선운동을 하는 기계요소의 운동에너지는 이고, 회전운동을 하는 기계요소의 운동에너지는 이다.일률의 단위와트(W) =마력(hp or BHP) =Chapter 2. 재료앞서 말했듯이 그 재료를 선정하는 것이 설계항목의 하나이다. 재료는 기계적 성질과 파손형태는 재료에 작용하는 하중과 온도에 따라 달라진다.2.1 재료의 기계적 성질2.1.1 응력과 변형률다음 그림은 연강의 응력 – 변형률 곡선이다.각각의 해당하는 점을 설명하면 다음과 같다.: 비례한도 – Hooke의 법칙: 탄성한도 – 재료의 영구변형 기준점: 항복점 – 소성변형 발생, 국부수축현상 발생 공칭응력과 실제 응력과의 차가 증대: 극한강도 – necking 발생 3축 응력 상태: 파단강도 – 재료의 파단여기서 공칭응력과 공칭 변형률은 이고, 진응력과 진변형률은 , (by Tayler’s theorem) 이다.위 그래프를 보면 각 그래프의 상황과 앞으로의 개념을 이해하기 위해서 다음과 같은 용어를 정의와 함께 소개한다.가공경화 : 더 큰 소성변형을 일으키기 위한 소요하중의 증가가공연화 : 극한강도 이후 변형률 증가에 따른 응력감소 현상연성 : 파단이 일어나기까지 큰 변형률을 가지는 재료취성 : 비교적 작은 변형률에 파단이 일어나는 재료연신률 : 연성의 척도 // 쇠붙이 따위가 끊어지지 않고 늘어나는 비율단면감소률 : 연성의 척도 // 단면이 감소를 하는 비율탄성회복량 : 탄성의 있는 재료가 변형을 했다가 다시 원래 상태로 돌아오는 량파단변형률 : 파단할때 까지 변형하는 양포아송 비 : 재료가 인장력의 작용에 따라 그 방향으로 늘어날 때 가로 방향 변형도와 세로 방향 변형도 사이의 비율취성 재료의 응력-변형률 곡선다음 그림은 일반적인 취성재료의 응력-변형률 곡선이다. 보통 연성재료와는 달리 취성재료는 항복점이 뚜렷하게 나타나지 않으므로 아래 그림과 같이 0.2%의 영구변형률이 남는 경우의 응력값을 항복점으로 생각하여 이를 항복강도라 한다. 즉, 다시 말해서 원점에서의 기울기를 x축에 대해서 0.2% offset 시킨 직선이 곡선과 만나는 점을 항복 강도로 한다는 말이다.2.1.2 응력집중단면 현상이 균일한 재료가 인장하중을 받으면 그림과 같이 단면 에는 평균응력 이 고르게 분포한다. 하지만 노치와 구멍과 같이 고르게 분포하지 않은 단면 형상을 보면 응력분포고 고르지 못하는 것을 알 수 있다. 즉, 기계부품의 필렛, 노치, 홈, 구멍 등으로 단면이 급하게 변하는 부분에 국부적으로 특별히 큰 응력이 발생하는 현상을 응력집중이라고 한다. 치수, 크기, 재료성질에 관계없이 오직 형상으로만 결정이 되며, 같은 notch에서도 인장>굽힘>비틀림의 관계가 있다.응력집중계수(Stress concentration factor) 또는 형상계수(form factor) :그림은 단이 있는 축에 굽힘 모멘트와 비틀림 모멘트가 작용할 때의 응력집중계수를 나타낸 것이다. 여기서 응력 집중계수는 필렛 반지름의 크기와 축지름 비에 의하여 변화하는 것을 알 수 있다.다음 그림은 축에 파진 키홈의 밑모서리 부위의 응력집중게수를 나타낸 것이며 홈 밑바닥에 둥금새를 줌으로써 상당히 완화 시킬 수 있다.응력 집중의 완화 대책(a) 필렛을 주기(b) 테이퍼 주기(c) 단면변화부분에 가깝에 홈을 만들어서 재료 내의 응력의 흐름을 완만하게 한다.2.1.3 충격하중충격하중이란 구조물이나 기계부품의 최저 고유진동 주기의 1/3보다 짧은 시간에 외력이 작용하는 경우의 하중을 말한다. 이외의 경우는 정하중이라고 한다.충격시험시험규격샤르피 충격시험아이조드 충격시험시험방법일정한 높이에서 떨어뜨린 진자의 상승높이를 측정하여 충격치로 시편에 흡수된 에너지를 계산한다.충격강도는 충격흡수에너지를 노치부 단면으로 나눈 값이다.다음 그림은 체심입방격자를 가진 강철의 충격치에 대한 온도의 영향을 나타낸 것이다. 충격치가 급격히 변하는 좁은 영역의 위험온도를 주의해야 한다. 저온 영역에서는 재료가 취약해져서 잘 부서지므로 충격치가 작고, 위험온도 이상의 영역에서는 질겨서 충격치가 높아진다. 이러한 위험온도는 재료의 노치 형상에 따라 달라지므로 제품을 설계할 때는 실제 조건에 맞는 충격시험을 해야 한다.2.1.4 크리프(Creep)크리프는 일정 수준 이상의 고온(재료 융접 절대온도의 1/3이상)에서 오랜 시간 동안 일정하중을 부고하면 재료 내의 응력은 일정함에도 변형률은 시간에 따라 증가하는 현상을 말한다.크리프 현상은 온도가 재료의 융점에 까까울수록 뚜렷하게 나타나며 Jet Engine, Gas Turbine, 고압발전 보일러 등에서 중요한 문제로 부각이 되고 있다.크리프 한도정해진 온도에서 크리프가 정지되는 응력크리프한도 측정 : 시간 이상 장시간의 시험이 필요하다. 일정시간 후 일정한 크리프 한도에 이르는 응력 또는 일정한 크리프 변형률을 일으키는 응력이라고도 한다.크리프 과정은 세 영역으로 나눈다.시간에 따른크리프 속도원인기천이 크리프감소가공경화효과>풀림효과기일정 (변형률 일정)가공경화효과=풀림효과기 –가속 크리프증가가공경화효과

학교| 2024.04.26| 48페이지| 3,000원| 조회(648)

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CAD 모델링 과제 (굴삭기)

목차1. 어셈블리 파일의 트리를 구성하고 있는 컴포넌트들의 구조 설명1.0 설계 배경1.1 어셈블리 파일 모델 트리1.2 주요 부품 위치 설명1.3 컴포넌트 구조 설명1) 굴삭기 팔2) 몸통 및 바퀴2. 각 컴포넌트의 모델링 과정 상의 특성 중 특이점 서술2.1 솔리드① 스윕(솔리드)② 블렌드2.2 서피스① 스윕(서피스) > 솔리드화② 경계 블렌드3. 어셈블 및 메커니즘 과정3.1 전체 어셈블3.2 굴삭기 팔 어셈블3.3 메커니즘3.4 글로벌 간섭 및 충돌 체크4. 결론 및 고찰1. 어셈블리 파일의 트리를 구성하고 있는 컴포넌트들의 구조 설명1.0 설계 배경굴삭기(excavator)는 암반을 뚫고 지면을 파내는 작업에 사용되는 건설기계(중장비)이다. 도로공사, 건축공사 등 많은 건설현장에서 사용 되기에 일상 생활 중에도 다양한 크기의 굴삭기를 심심치 않게 볼 수 있다.건설현장은 익숙한 광경이지만 공학설계실습 Open Problem 과제를 부여 받은 후, 어느날 개방된 공사현장을 지날 때 본 굴삭기는 평소와 다르게 눈에 띄었다. 문뜩 굴삭기의 메커니즘에 궁금증을 품게 되었고, 때마침 작업을 마친 운전자분께 양해를 구하고 외형 사진 촬영과 간단히 치수 측정을 한 뒤 설계를 시작하게 되었다([사진1] 참조).실측 치수와 모델명을 바탕으로 실제 장비의 도면을 서칭하여 구현하려 했으나 세부 부품을 모두 모델링하여 조립하기는 시간이 너무 많이 소요될 것 같았고, 임의로 단순화 시키는 것 보다는 단순화된 모델을 찾는 것이 더 효율적이라 판단 되었다. 따라서 초창기 모델과 유사한 굴삭기 모형 사진을 구하여 모델링을 진행하였다([사진2] 참조).1차적으로 모델링을 완성하였으나, 금학기 공학설계 실습(CAD부분)에서 학습한 서피스를 적극적으로 활용하기 위해 [사진3]을 참고하여 운전석을 곡면이 많은 구조로 설계를 변경하였다.[사진1][사진2][사진3]1.1 어셈블리 파일 모델 트리[사진4][사진4]는 최종 어셈블리 파일의 각 컴포넌트 구성에 대한 사진이다.크게 4개의 주요 부품 뒤 각 부품을 제작 하였다.③ 운전석(운전석.PRT)는 몸통(굴삭기_몸통_솔리드.PRT)에 연결되어 360도 전체를 볼 수 있어야 하기 때문에 회전할 수 있도록 설계하였다.④ 연결되어 있지 않기 때문에 한 번에 어셈블을 할 수 없는 4쌍의 바퀴와 바퀴 연결부를 그룹으로 묶어 관리를 용이하고 시각적으로 보기 쉽게 하였다.※ 마지막으로 MOTOR(매커니즘)에 해당 하는 부분들도 그룹으로 묶어 관리를 용이하고 시각적으로 보기 쉽게 구성을 하였다.최종 ASM 파일은 굴삭기_조립.ASM 파일이다.1.2 주요 부품 위치 설명[사진5][사진5]는 최종 모델의 전체 어셈블에서 주요 부품들의 위치를 가리키고 있다.1.3 컴포넌트 구조 설명1) 굴삭기 팔(excavator.asm)각 컴포넌트에 대한 설명에 앞서 축의 핀에 대한 설명과, 중복되는 개념에 대해서는 생략함을 알린다.[EXCAVATOR.ASM]■ 컴포넌트[1.PRT][3.PRT]컴포넌트 [1. PRT]는 굴삭기 사진에서 팔을 지지하는 가장 중요한 부분이다. 1번에 대해서는 Z축 방향으로 회전을 할 수 있으며 3번에 대해서는 [1. PRT]와 연결되는 부품을 회전할 수 있도록 한다. 그리고 2번은 유압 실린더를 통해서 실질적으로 굴삭기 팔이 회전을 할 수 있도록 제어를 하는 역할을 한다.컴포넌트 [3.PRT]는 [1.PRT]와 회전 구속이 정해지며 굴삭기 팔 중에서 가장 큰 형상을 차지하는 부분이다. 해당 부품에서는 2개의 유압 실린더와 또 다른 회전 고정 장치와 연결이 된다. 각 파트를 연결하는 중간 다리 역할로서 중요한 역할을 한다.[5.PRT][6. PRT]컴포넌트 [5.PRT]는 유압 실린더에 해당하는 부품으로서 [3.PRT]에 연결이 되며 실질적으로 2번째 회전에 동적 수행을 할 수 있도록 만드는 부품이다.컴포넌트 [6.PRT]는 [5.PRT]와 연결이 되는 동일한 유압 실린더 부품이다. 컴포넌트 [9.PRT]와 연결이 되어 회전시켜줄 부품이다.[9.PRT][12.PRT]컴포넌트 [9.PRT]는 굴삭기 바구니부품이다. 1.0 설계 배경에서 언급했던 [사진3]을 참고하여 디자인 하였다. 바퀴, 운전석, 굴삭기 팔과 연결이 되는 중심 부품이다.[운전석.PRT]은 운전석에 해당하는 부품으로서 몸통과 같이 1.0 설계 배경에서 언급했던 [사진3]을 참고하였다. 측면 육각형 프레임을 기준으로 연결되는 면들을 통 유리로 디자인 하였다.[바퀴연결부_우.PRT][바퀴.ASM][바퀴연결부_우.PRT]은 [굴삭기_몸통_솔리드.PRT]와 바퀴 부품과 연결이 되는 연결구이다.[바퀴.ASM]은 일반적인 바퀴 모양으로 디자인 하였다. 휠에 해당하는 부품과 타이어에 해당하는 부품을 어셈블하여 만들었다.2. 각 컴포넌트의 모델링 과정 상의 특성 중 특이점 서술전체적인 파일을 보다 효율적으로 담아내기 위해서 어셈블리 파일에서 살펴보도록 한다.2.1 솔리드① 스윕(솔리드)[사진6][사진6]은 스윕을 이용해서 굴삭기_몸통_솔리드.PRT 파일을 만든 것이다.솔리드인 스케치 후 단순 밀어내기로 만들 수도 있지만 유선형 측면을 표현하기 위해, 굴삭기 몸통의 외형([사진7])을 스윕 경로로 지정하고 단면([사진8])은 열린끝으로 스케치 하여 제작하였다.[사진7][사진8]② 블렌드[사진9][사진9]는 블렌드에 대한 기능을 굴삭기_몸통_솔리드.PRT 파일에서 적용하였다. [사진10]과 [사진 11]은 단면에 대한 형상으로 형상을 잇기 위해서 적절한 블렌드 정점의 개수를 맞추어 주었다.[사진10][사진11]2.2 서피스① 스윕(서피스) > 솔리드화② 경계 블렌드[사진12]굴삭기 운전석을 만들기 위해서 먼저 스윕 > 솔리드화를 통해 프레임을 만들었다([사진12] 참조).형성된 프레임을 기준으로 경계 블렌드 기능을 사용해 운전석 정면, 지붕, 후면을 서피스로 형성하였다. 이때 가장 자연스러운 서피스를 만들기 위한 경계 조건은 “자유”였다([사진13],[사진14]참조).본 설계에서 운전석은 좌적에 해당하는 두 면을 제외하고 모두 통유리로 되어있음을 기억해주길 바란다([사진3] 참조).[사진13][사진14][사진15R.ASM)은 고정이 되어야 하기 때문에 일치 구속 조건을 준다.바퀴 연결부(바퀴_연결부.PRT)는 몸통에 고정이 되어야 하기 때문에 일치 구속을 준다.바퀴 연결부(바퀴_연결부.PRT)와 바퀴(바퀴.ASM)는 회전을 하여야 하기 때문에 핀 구속을 준다.3.2 굴삭기 팔 어셈블굴삭기 몸통과 팔이 연결되어 굴삭기의 중심이 되는 부품인 [1.PRT]를 기본값으로 설정을 한다.[3. PRT]는 [1.PRT]와 핀 연결 구속을 준다. 충돌을 방지하기 위해서 위 사진과 같은 한계 값을 준다. 최소 한계는 0으로 줄 경우 충돌이 일어나 -0.1로 준다.[3.PRT]를 회전 시키는 유압실린더를 연결시키기 위해 핀 구속을 준다.유압 실린더에 해당하는 부품으로서 [5.PRT]에 연결이 되며 슬라이드 구속을 준다. 그리고 [3.PRT]을 회전 시키는 역할을 하기 때문에 핀 구속을 준다.회전 역할을 수행하기 때문에 핀 구속을 준다.가장 중요한 부품인 바구니를 연결할 때 회전운동으로 굴삭 작업을 할 수 있도록 핀 구속을 준다.바구니가 회전을 하도록 작용하는 유압실린더와 연결하기 위해 핀 구속을 준다.바구니가 회전을 하도록 작용하는 유압실린더와 연결하기 위해 핀 구속을 준다.※ 연결 구속이 되는 핀에 해당하는 부품들은 모두 일치 구속을 준다.3.3 매커니즘반복적인 메커니즘을 보기 위해서 모터 함수를 코사인 함수로 각속도를 나타냈다.굴삭기의 두 번째 메커니즘에 해당하는 부분으로서 동일하게 코사인 모터 함수로 적용한다.굴삭기 바구니를 움직이게 하는 메커니즘에 해당하는 부분으로서, 동일하게 코사인 모터 함수로 적용한다.위의 두 메커니즘은 간단한 동작을 나타내기 위해서 운전석은 코사인 모터 함수로 바퀴는 단방향 과정을 보여주기 위해서 모터 함수 유형을 상수로 두었다.3.4 글로벌 간섭 및 충돌 체크글로벌 간섭 결과 이상이 없는 것을 확인할 수 있고, 충돌탐지를 한 결과 지속적으로 수행이 되었기 때문에 이상이 없다고 판단하였다.4. 결론 및 고찰협업 : 우리의 설계모델은 굴삭기를 주제로서 다소, 일치 구속을 이용하여 조립하였다.매커니즘 : 반복 운동을 하는 굴삭기 팔은 모터 함수를 코사인 함수로 각속도를 나타냈고, 운전석도 간단한 동작을 나타내기 위해 코사인 모터 함수로 나타냈다. 반면 바퀴는 단방향 과정을 보여주기 위해서 모터 함수 유형을 상수로 두었다.고찰 : 주제 선정 이후 앞서 언급한 식상한 소재라는 특성을 탈피하기 위해 디자인 변경을 여러번 하였고 독특한 형태로 인해 운전석을 모델링 할 때 스윕 > 솔리드화를 통해 만들어진 프레임의 모서리를 선택하는 과정에서 어려움이 있었다. 그 이유는 경계 블렌드 조건에 맞는 체인을 선책할 때 모델 트리에 표현된 부분이 아니라 스윕을 통해 파생된 프레임 위의 선을 선택하는 것이었기 때문에 눈대중으로 적절한 체인을 선택하기 위해 많은 시행착오가 있었다. 연결되는 파트를 잘 고려해서 모델트리에서 선택할 수 있도록 최초 디자인을 했으면 더 좋았을 것 같다.사실상 어셈블을 하는 과정에서 생각해야 할 조건들이 많이 있었다. 부품이 적은 수가 아니었기 때문에 이 과정에서 각 부품들의 각도, 슬라이딩 위치 등 충돌이 일어나지 않을 조건들을 모두 고려하여 만들어야 했으며 정확한 치수를 입력할 수는 없었고, 충돌이 일어나는 최대 지점과 최소 지점을 찾아서 지정했다. 그 결과 글로벌 간섭과 충돌 탐지에서 이상이 없는 것을 확인할 수 있었다.가장 아쉬웠던 점은 기어 설계이다. 일반적인 굴삭기의 경우 운전석과 팔이 붙어 있는 구조에 바퀴부분과 분리되어 회전하는 구조 즉 운전자가 바라보는 방향으로 팔도 동시에 움직이는 형태가 된다. 하지만 디자인 변경시에 참고한 [사진3]의 디자인은 소형 굴삭기이기에 몸통과 팔 그리고 운전석과 바퀴 부분이 모두 연결되어 있다. 다향한 구속 조건과 매커니즘을 살펴보기 위해 우리의 설계모델은 대형 굴삭기의 팔을 차용했기 때문에 굴삭기 팔과 운전석이 동시에 같은 방향으로 움직일 수 있도록 설계 해야 됐다. 이때 몸통 안에 기어를 넣어 문제를 해결하기 위해 Fusion, 솔웍 인벤터의 기어 툴 > 모.

공학/기술| 2024.04.26| 13페이지| 2,000원| 조회(212)

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