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Shadow Moire 예비, 결과 보고서

1. 실험 제목 : Shadow Moire2. 실험 목적 : 그림자식 모아레 간섭계를 이용하여 실험 물체의 형상을 측정한다.3. 관련 이론 :1) 모아레무늬 :모아레무늬는 비슷한 주기를 갖는 두 개의 격자무늬가 겹쳐질 경우 간섭이 발생하여 두 무늬에 베해 훨씬 큰 주기를 갖는 무늬이다. 이러한 현상은 요즈음 다양한 계측분야에 이용되고 있다. 이 방법은 일반 광원을 사용하므로 레이저등의 가간섭광원을 사용하는 홀로그래픽이나 위상측정간섭계에 비하여 정밀도는 떨어지지만 넓은 범위에 걸쳐 표면조도와 같은 미세형상을 무시한 표면의 거시적형상을 재현할 수 있는 장점을 갖고 있다.모아레무늬가 발생하기 위해서는 격자무늬가 필요한데 이러한 격자무늬의 모양은 일정한 간격을 갖으면서 서로 평행한 줄무늬, 정다각형등의 주기성을 갖는 격자이면 가능하다. 그러나 실제로 응용할 때에는 격자의 제작과 모아레무늬의 해석이 용이한 등간격의 평행한 줄무늬를 많이 사용한다. 그리고 격자는 투과식이며 투과도는 이론적으로 해석을 할 경우는 정현파로 가정하고 해석하나 실제로 이러한 파를 만드는 것은 불가능하므로 구형파가 주로 사용되며 격자선 사이의 간격이 측정정밀도에 직접적인 영향을 주므로 회절등의 효과를 가능한 줄이고 세밀하게 만들어 가시성을 좋도록 하여야 한다.이러한 모아레현상을 이용하면 표면의 형상, 척추의 휨등을 실시간 측정, 모아레무늬의 변형되는 모양을 해석하여 물체의 진동, 그리고 변형률을 해석하여 응력들을 계측하는 다양한 분야에 응용이 가능하다.그림(2-1)에서 보는바와 같이 변형격자와 직선격자가 중첩되면 다음과 같은 조건에서 모아레무늬가 발생한다.i - rj = n (2-1)여기서 i , j는 격자무늬의 번호로 정수이다. r=1인 경우일 때가 r이 다른값일 때에 비해 교차하는 점의 무늬가 뚜렷하므로 r=1인 경우를 모아레무늬라 한다. 식 (2-1)에서 n은 모아레 차수로 그림(2-1)에서 보는 바와 같이 기준격자와 변형격자가 만나는 점에서 각각 격자무늬의 번호차 이다. 모아레무늬는 동일한 번호차를 갖는 점을 이으면 된다.그림(2-1)에서 알수 있듯이 두 격자사이의 각이 θ 이면 모아레무늬 사이의 간격은 다음과 같다.D = P / 2sin(θ/2) (2-2)여기서 P는 격자선의 간격이다. 만일 두 격자선의 간격이 매우 미소하다면, 즉 θ < 1이면 모아레무늬 사이의 간격은D ? P/θ (2-3)이다. 식(2-3)에서 알수 있듯이 모아레무늬사이의 간격이 격자사이의 간격보다 매우 큰 것을 알 수 있다.모아레현상을 이용하여 표면의 형상을 측정하는 것을 모아레토포그라피(Moire topography)라고 하는데, 모아레무늬의 형성하는 방법에 따라 크게 그림자식(Shadow type)과 영사식(Projection type)의 두가지로 나눌 수 있다.2) Shadow type Moire :그림자식?모아레법은?측정하고자하는?물체의?바로?앞에?기준?격자를?위치시키고?조명을?하게되고,?일정한?각도를?가지고?이를?관찰함으로써?기준격자와?측정물체위에?형성된?기준격자의?그림자가?겹쳐진?영상을?얻게되는데,?이?영상에는?두?개의?격자가?겹쳤을?때?나타나는모아레?무늬가?담겨있게된다. 여기서?얻어진?모아레?무늬에는?측정대상물의?형상에따라?결정되는?격자의?그림자영상이?포함되어?있기?때문에?이?모아레?무늬를?해석함으로써?측정대상물의?형상?정보를?얻을?수?있다.?이러한??모아레?무늬의?해석에서는?전통적으로?간섭무늬추적(fringe?contouring)이?사용되기?때문에?측정분해능이?떨어지게?된다.?그러나?현재는?퓨리에?변환이나,?위상천이(phase?shifting)등의?방법으로?측정분해능을?향상시키고?있으며, 얻어진?영상에서?측정대상물의?형상과는?관계가?없는?기준격자의?영상을?없애기?위해서?모아레?무늬?획득시간동안?기준격자를?이동시키는?방법등이?적용되고?있다.?그리고,?그림자식모아레법에서는?측정원리에서?알?수?있듯이?측정대상물의?측정영역?전체를?덮을?수?있는?크기의?정밀한?기준격자가?필요하기?때문에?주로?측정대상물이?작을?때?사용된다. 100원 동전 > 칼날 순으로 두께가 가장 얇은 칼날이 오차 없이 실험값과 이론값이 일치하였다. 칼날의 두께가 가장 얇고 격자와의 거리가 가장 짧기 때문에 좋은 결과가 나온 것 같다. 또한 실험에 사용되는 광원을 평행광으로 만들어 격자에 입사시켜야 한다. 그렇지 않을 경우 모아레무늬가 흐리게 형성되어 가시성이 나쁘게 된다.

공학/기술| 2008.07.07| 9페이지| 1,000원| 조회(3,687)

모아레, Shadow Moire, 쉐도우모아레, 그림자식모아레, 모아레측정

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스트레인게이지 결과 보고서

5. 실험 결과하중1회3회평균값2kg47 μ47 μ47 μ47 μ47 μ4kg94 μ95 μ94 μ95 μ94.5 μ6kg141 μ142 μ142 μ143 μ142 μ8kg189 μ189 μ189 μ189 μ189 μ10kg236 μ236 μ236 μ236 μ236 μ12kg283 μ283 μ283 μ282 μ282.75 μ14kg330 μ331 μ330 μ332 μ330.75 μ16kg378 μ378 μ378 μ378 μ378 μ18kg425 μ425 μ425 μ425 μ425 μ20kg472 μ472 μ472 μ472 μ472 μ하중실험값(μ)이론값(μ)오차24745.14.26%494.590.24.81%6142135.25.00%8189180.34.81%10236225.44.70%12282.75270.54.53%14330.75315.64.81%16378360.74.81%18425405.74.75%20472450.84.70%6. 비고 및 고찰스트레인 게이지는 게이지의 응력에 대한 저항값의 변화를 원리로한 측정기 이다.?모든 측정기가 마찬가지로 100% 정확한 측정을 하기는 현실상 불가능하다. 스트레인 게이지는 전기 저항값을 이용하고, 이 저항이 매우 미미한 값이기 때문에 오차가 생길 수 있다. 이번 스트레인게이지 실험에서는 약 4~5% 정도의 오차가 발생하였다.실험시 생길 수 있는 오차의 원인에는 많은 경우가 있을 수 있다. 게이지를 표선기준으로 약 5도 정도 어긋나면 1%정도의 오차가 생기게 된다. 접착 표면에 녹이나 불순물이 있는 상태로 부착 되었다면 이 역시 오차의 원인이 될 것이다. 실험때 보통 #200, #300, #400 순서의 사포로 표면을 연마하고 용매를 뭍힌 솜으로 깨끗이 닦은 후 부착해야 하지만 보통 실험실습에서 이런 메뉴얼에 나와있는 권장사항을 정확히 지키기 힘들고, 심지어는 이미 부착되어 있는 자재를 이용해서 실험하는 경우가 대부분이다. 이번 실험에도 이미 만들어져 있는 실험도구를 이용하였다. 게이지에는 고유의 저항값이 있는데 실험재료에 부착 후 저항값이 +-1 % 이내야 정상이다. 하지만 이 오차를 넘어서면 당연히 측정값에 오차가 생길 수 있다. 또한 저항은 온도와도 밀접하기 때문에 실험시 온도가 이상범위가 아닌경우 그만큼 측정저항에 영향을 미친다. 열경화수지로 접착한 경우 접착제 자체에서 열이 발생하는데, 이열을 식히지 않고 게이지를 검사했다면, 그리고 우연찮게 정상범위에 들어왔다면 그래서 측정을 하게 된다면 오차가 생긴다다. 온도가 식으면 고유저항값이 달라지기 때문이다. 그리고 전류의 크기를 너무 높게하여 측정하면 도선 자체에 발열이 일어나서 저항값을 정확히 측정하기 힘들다. 보통 사용하는 와이어 게이지는 25mA정도, 열전도가 나쁜 플라스틱에 접착한 경우는 5~6mA의 전류를 사용하는 것이 좋다. 습기에 의한 저항변화도 오차의 한 원인이 될 수 있다. 습기가 있으면 저항값에 영향을 미칠 뿐만아니라 접착력도 약해져 전기적 특성도 나빠지므로 방습작업을 한 후 측정하는 것이 좋다. 적외선 전등이나 드라이어로 건조시키고 방습처리를 하는것이 좋다. 그리고 측정값은 당연히 여러번 측정하고 평균치를 구하는 방법이 오차를 줄이는 방법이다. 그래서 이번 실험에도 4번의 같은 실험을 반복하여 그 평균값을 결과로 도출하였다. 그리고 재료의 변형률을 계산할 때 탄성계수를 이용하게 되는데, 계산에 이용한 탄성계수가 측정물의 정확한 탄성계수인지 확인할 방법이 없다. 보통 책자에 나와있는 값을 참고 하여 계산하지만, 이것이 정확한 측정물의 탄성계수가 아니기 때문에 당연히 계산결과는 예상값과 다를 수 밖에 없다. 어떠한 측정기를 사용하여 계측을 할때 반드시 예상된값을 인지하고 있어야 이 또한 오차를 줄이는 방법이다. 측정순간의 예상치 못한 문제로 엉뚱한 값이 나왔는데, 이를 인지하지 못하고 정답으로 도출해 낸다면 이것은 어떤걸로도 확인할 방법이 없는 오차이기 때문이다. 이 밖에도 실험시 발생할 수 있는 각종 예기치 못한 상황들로 인해 오차가 발생할 수 있다. 물론 정확한 실험값을 얻는 것도 중요하지만 100%정확한 값을 얻을 수 없기 때문에 오차를 예상하고 왜 발생하는지에 대해서 고민해보는 것이 모든 실험에 있어서 중요한 목적이라고 생각한다.

공학/기술| 2008.07.07| 4페이지| 1,000원| 조회(1,531)

기계공학실험, 스트레인게이지, 스트레인게이지 실험, 저항값

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선반 예비, 결과 보고서

1. 선반에 의한 절삭작업선반은 가공물에 회전운동을, 그리고 공구인 바이트(gingle point tool 또는 formed tool)에 필요한 절삭깊이(depth of cut)와 피드(feed)를 주어 旋削(turning)을 하는 공작기계로서 기계 제작 공장에서 가장 많은 비율을 차지하고 있다.선반에서 할 수 있는 작업에는 원통깎기(turning)-a, 보오링(boring)-a', 단면깎기(facing)-b, 절단 작업(parting)-b', 테이퍼 깎기(tapering)-c, 나사깎기(threading)-d 이상은 선반의 보통 작업, 이밖에도 模倣깎기(copying)-e, 구면깎기(spherical turning)-f, 비회전깎기-g,릴리이빙-g', 드릴링(drilling)-h, 너얼링(knurling)-i 등의 작업이 있다. 여기서 a, a', e, h, I등은 길이 방향 이송을, 그리고b, b', g, g'는 횡단 이송을 가공하고, c, e, f등은 길이 이송과 횡단 이송으로 가공한다. 최근 기계 부문의 고속 경량화 경향과 더불어 선반에서는 초고속 및 고온절삭(got machining)이 등장하였고, 또한 선반 구조는 더욱 강력화되어 있으며, 공구 재료와 정밀 측정의 발전에 따라서 선반의 기능은 더욱 고도화 되고 있다. 주축의 고속화와 더불어 베어링도 새로운 구조가 등장하고, 윤활 방식도 많이 개선되었다.특히 2차대전 후 강대국 경쟁과 더불어 종래 사용하던 범용 선반에서 정밀도가 높은 고속 자동 선반으로 변하고, 또한 기계적인 조정의 자동선반(automatic lathe by mechanical control)에서 수치제어 자동선반(automatic lathe by numerical control)으로 발전되고 있다. 그러므로 펀지 테이프(punch tape)에 의한 포르그래밍(programing)과 컴퓨터(computer)를 이용한 공작기계 운전 및 가공 방식의 이용율이 증가되고 있다.2. 선반의 종류1) 보통선반(engine lathe); 기본적인 능(Taper절삭)? 심압축의 끝은 모스테이퍼 구멍(Drill작업 및 리머작업 가능)(라) 왕복대와 이송기구 : 베드위에서 바이트에 가로이송 및 세로이송을 주는 장치로 saddle과 apron으로 구성되어 있고 saddle위에 복식공구대 위치(회전대, 공구이송대, 사각공구대)? 복식공구대는 임의의 각도로 회전 큰 Taper가공 가능2) 터어릿 선반(turret lathe)터어릿선반은 생산 수량을 기준으로 할 때, 보통선반과 자동선반의 중간적 용도에 적합하다. 보통선반의 심압대 대신 터어릿대(turret carriage)를 갖고 있으며, 터어릿(turret)에 드릴, 리이머, 호우닝 바아 등의 여러 개의 공구를 미리 고정하여 놓고, 순차적으로 사용함으로써 한 공정으로 될 수 있는 대로 많은 일을 능률적으로 하기 위한 공작기계이다.(1) 터어릿 선반의 분류와 기능터어릿선반에는 6각형 터어릿이 수평으로 회전하는 6각 터어릿선반(hexagonal turret lathe)과 원판상의 터어릿이 축방향에 향한 드럼형(drum type)터어릿선반으로 크게 2대별 한다. 6각 터어릿선반은 새들 위를 램(ram)이 슬라이딩 이동하는 램식(ram type)과 베드 위를 직접 슬라이딩하는 새들형(saddle type)으로 분류한다. 이 외에 직립식 선반에 터어릿을 부속시킨 직립식(vertical type)터어릿선반이라는 것도 있다.(2) 터어릿선반 공구 및 표준 세팅(standard setting)세팅(setting)은 가공물에 따라 공구를 어떻게 배치하고 가공하는가 하는 순서를 결정하는 일이다. 가공물의 수량이 매우 많고 그것을 전문가공할 때에는 그 터어릿선반을 전용기로 생각하여 특수한 전용 공구 및 장치, 예를 들면 많은 구멍을 뚫을 수 있는 멀티 드릴 헤드(multi drill head), 다이헤드(diehead), 드릴 스피이더(dill speeder), 분할 척(dividing chuck), 보오링 바아(boring bar)등을 제작하여 사용한다면 세팅에 긴 시간이 걸리지동과 절삭공구의 피이드운동으로 회전체르는 공작기계로서 지름에 비하여 길이가 짧은 가공물, 또는 지름이 큰 가공물을 절삭하는데 적합하다. 직립선반의 형식에는 중전기, 조선, 제철 또는 건설 기계체조 공업에 사용되는 초대형에서부터, 소형 가공물을 대량 생산하는 자동식 직립 선반에 이르기까지 그 종류가 매우 많다.4) 모방선반(copying lathe)모방 절삭이라는 것은 소정의 공작물을 완성 가공할 때 그 가공물이 갖고 있는 형상과 상사한 모형을 준비하여 그것에 따라 공구대를 자동적으로 운전하는 절삭작업이다. 이 모형에는 마련된 가공물 또는 모형판을 사용한다. 이 작업은 최근 작업 능률을 향상시키기 위하여 자동 모방 장치를 부설한 선반을 사용한다. 같은 형상의 제품을 많이 가공할 때 특히 유리하다.(1) 기계적 방법공구는 복식 공구대에 고정하고, 이동식 공구대를 좌우 또는 전후에 이동시키면서 공구 고정대가 이동 안내 작용을 한다. 복식 공구대에 축방향의 자동 피이드를 주면 모형판으로 인하여 직각 방향인 전후 방향으로 슬라이딩되어서 절삭하게 된다. 모형판은 보통 배드에 고정한다. 절삭 도중에 공구와 가공물 사이에는 마찰 및 슬라이딩이 있으므로 강력한 중절삭을 하기는 곤란하다. 그러므로 황삭이 끝난 가공품의 완성가공에만 사용한다. 가장 간단한 방법은 테이퍼 절삭장치의 형판에 모방 형틀을 부설하고, 이곳에 로울러(roller)로써 접촉시키면서 공구대를 전후 및 좌우로 이동시키는 방법이다. 이 방법은 정밀도가 좋지 못하므로 비교적 단순한 형상에 사용된다.(2) 전기적 방법공구대를 모형판에 접촉시키면서 축방향에 전기적 지시에 따라 전자적 출력을 변화시켜, 이것으로 공구대의 피이드용 전동기의 속도를 조정하여 절삭공구에 접촉 단두의 운동과 동일한 운동을 시킨다.(3) 유압식, 전기 및 유압 겸용식, 공기압 및 유압 겸용식모방 형관에 따라 좁촉 단두의 운동은 밸브(valve)에 작용하고, 피스턴(piston)의 밸브의 이동은 다시 절삭 공구에 소요의 운동을 시켜주는 2개의 운동공물의 고정 또는 제거 작용을 전부 기계로 하는 것을 말한다. 자동선반의 분류에는 주축의 수에 따라 단축식(single spindle type)과 다축식(multi spindle type)으로 구분하고, 공구대의 형식에 따라 보통 공구대(ordindle type tool post)와 터어릿식 공구대(turret type tool post)로 분류한다. 기타 실용적인 작용 목적에 따라 분류하는 방식도 있다.(2) 센터작업용 자동선반센터작업용 자동선반은 다인 공구를 설치하고, 긴 가공물을 짧은 행정으로 가공하는 기계로서, 성질상 다인 반자동 선반이 많다. 왕복대는 베드 위에 있고, 전후에 독립된 2개의 왕복대로 구성되어 있다. 앞에 있는 왕복대는 길이 방향, 즉 주축에 평행된 절삭에 사용되고, 뒤에 있는 왕복대는 횡단절삭, 즉 주축에 직각된 방향의 절삭에 사용된다. 또한 주축 상부에 보조 왕복대를 비치한 것도 있다.(3) 척 작업용 자동선반(automatic chuking machine)(ㄱ) 척 작업용 단축 자동선반(single-spindle automatic chucking machine)이것에 속하는 것에는 자동화된 터어릿선반이 많다. 가공물을 고정하고, 기계를 운전하면 왕복대 위에 있는 터어릿이 순차적으로 선회하여 예정된 작업을 한다. 끝난 후에는 자동적으로 정지된다. 작업 도중에 횡단피이드(cross feed)전요의 보조 왕복대가 적당한 시기에 기동하여, 터어릿공구에서는 가공이 곤란한 부분을 가공한다. 이와 같이 전체 가공 공정 중에는 여러 가지 조건이 개재하므로, 이것에 적응시키기 위하여, 터어릿을 선회시킬 때마다 회전 및 피이드를 변화시킬 수 있도록 제어 조정하는 것이 필요하다. 터어릿에는 4각, 5각 6각 또는 8각 등이 사용된다.(ㄴ) 척 작업용 다축 자동선반(multi-spindle automatic chuking chucking machine)보통 4～8개의 주축(spindle)과 이보다 1개 적은 공구대를 갖고 있다. 다축 자동선반(multi 척을 끼워 사용(바) 압축공기척 (compressed air operated chuck) : 압축 공기를 이용하여 조를 자동으로 작동 일감을 고정하는 척? 고정력은 공기의 압력으로 조정? 압축공기 대신에 유압을 사용하는 유압척(Oil chuck)도 있다.? 기계운전을 정지하지 않고 일감의 고정하거나 분리를 자동화할 수 있다2) 센터(가) 센터 center는 보통 강, 센터 끝의 각도는 60°, 대형에는 75°, 90°의 것이 사용된다.▶ 센터자루는 모스테이퍼(주축 6번, 심압축에는 4번)▶ center의 종류? 회전센터(live center) : center 끝에 초경합금을 경납땜하여 사용한다.? 정지센터(dead center) : 마찰감소를 위해 그리스를 발라 사용한다.? 하프센터 : 끝면 깎기에 적합하다.? 베어링센터(나) 센터드릴 : 일감에 센터의 끝이 들어가는 구멍을 뚫는 드릴(다) 돌림판과 돌리개 : 주축의 회전을 일감에 전달하기 위해 사용? 돌림판은 주축 끝 나사부에 고정, 일감에 고정한 돌리개를 거쳐 주축의 회전이 일감에 전달(라) 면판 : 돌림판과 비슷하지만 돌림판보다 크며, 일감을 직접 또는 angle plate등을 이용하여 볼트로 고정(마) 맨드릴 : 기어, 벨트풀리 등의 소재와 같이 구멍이 뚫린 일감의 원통면이나 옆면을 센터작업 할 때 구멍에 맨드릴(mandrel)을 끼워 고정 맨드릴(mandrel)을 끼워 고정맨드릴을 센터로 지지㉠ 표준 mandrel은 1/100, 1/1000정도의 테이퍼㉡ 팽창식 맨드릴 : 지름을 다소 조정할 수 있다.㉢ 조립식 맨드릴 : 파이프 등, 속이 빈 원통의 가공에 사용(바) 방진구(wark rest) : 가늘고 긴 일감이 절삭력과 자중에 의해 휘거나 처짐이 일어나는 것을 방지㉠ 고정방진구 : 베드위에 고정, 일감의 중앙부를 120? 간격 배치된 조로 지지 원통, 끝 면, 구멍 뚫기 등의 작업㉡ 이동방진구 : 왕복대 위에 고정하고 왕복대와 함께 이동(2개의 조로 지지)3) 절삭공구(바이트)① 바이트의 공구각 경합금

공학/기술| 2008.07.07| 13페이지| 1,000원| 조회(658)

회전운동, 선반, 기계공학실험, 선반실습보고서, 고온절삭

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비접촉 변위측정 결과 보고서

5. 실험 결과변위하중(kg)실험값 (mm)이론값 (mm)오차LoadingUnloadingLoadingUnloading00000020.2140.2020.0092195%2066%40.4340.4280.0192227%2195%60.6440.6360.0282202%2174%80.8540.8500.0372190%2179%101.0521.0480.0472156%2148%6. 비고 및 고찰이번 실험은 레이져를 이용하여 외팔보의 변위를 측정하는 실험이다. 설치된 보의 끝에 레이져를 쏘고 이것이 보의 표면에 부딪혀 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 보의 변위 값을 측정한다. 외팔보에 하중을 2kg씩 0~10kg까지 올렸다 내렸다를 반복하여 δ값을 측정하였고, 이 값들의 평균치를 내어 식에 의해 계산한 이론값과 비교를 해보았다. 오차가 발생할거란 것은 예상하면서 실험을 하였지만 무려 2000%가 넘는 오차가 발생하였다. 이렇게 오차가 크게 발생한 원인을 생각해보면 실험 방법이 잘못 되었거나 아니면 계산상의 오류를 범했을지 모른다. 하지만 이러한 오류들은 바로 체크할 수 있고 수정할 수 있기 때문에 다른 부분에서 미처 예상하지 못했던 오차의 원인을 찾아보아야 할 것이다.가능성 있는 몇 가지 원인들을 생각해보면, 먼저 실험에 이용된 재료가 새것이 아니라 오래전부터 사용되어왔던 재료이기 때문에 수많은 반복 실험에 의해 변형이 생겼을 수 있고 때문에 이론상의 변위값과 실험상의 값이 다를 수 있다. 또한 재료의 δ값을 계산할 때 탄성계수를 이용하게 되는데 이 때 이용한 탄성계수 값이 정확한지가 의문이다. 보통 책자에 나와있는 값을 이용하는데 이것이 실험물의 정확한 탄성계수인지 알 수 없고 당연히 실험결과에 오차가 생길 수 있다. 측정장비의 노후도 실험결과에 영향을 미칠 수 있다. 광학식 비접촉 변위 측정은 재료의 미세한 변화량을 측정하는 것이기 때문에 장비에 약간의 결함이 있더라도 실험결과에는 크게 작용할 수 있다. 그리고 장비가 설치되어있는 테이블에 기대거나 다른 물건을 올려놓는다거나 해서 실험 하중외에 다른 어떤 힘이 가해지면 예상하지 못한 오차가 발생할 수 있고 재료에 하중을 올리거나 내릴 때 추걸이가 흔들리는데 이것을 바로 잡지 않고 곧바로 측정했다면 예상과 다른 결과값이 나올 수 있다. 이 밖에도 미세하지만 외부 진동에 의한 오차가 생기지 않도록 방진에 유의해야 하고, 빛을 이용하는 실험이기 때문에 실내 조명등에 의해 영향을 받지 않도록 해야 한다. 또한 측정대상물이 경면 처리된 물체일 때에는 빛의 반사방향에 의해 검출된 값이 부정확해 지는 경우가 있으므로 센서와 측정물 간의 검출 각도에 유의하여야 하고, 센서에 연결된 케이블이 가급적 동력선이나 고압선 주위에 있지 않도록 하고 흔들거리지 않도록 잘 고정시켜야 오차를 줄일 수 있다.

공학/기술| 2008.07.07| 3페이지| 1,000원| 조회(677)

기계공학실험, 비접촉 변위측정, 레이져 측정, 변위측정

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로드셀 예비,결과 보고서 평가A+최고예요

▲ 실험 목적모든 기계나 구조 부재는 외부 하중이나 힘을 받을 때 어느 정도 변형을 하게 되며 이 변형을 측정하기 위하여 스트레인게이지를 이용한다. 변형률은 실험 응력 해석의 열쇠가 되는 것일 뿐 아니라 다양한 기계적 형식의 입력, 즉 힘, 토크, 변위, 압력, 온도, 운동 등을 위해서도 측정될 수 있다. 이러한 이유 때문에 스트레인게이지는 모든 형태의 계측계에 2차 변환기로 매우 광범하고 성공적으로 사용된다. 그것들의 응답 특성은 우수하고 신뢰할 수 있을 뿐 아니라 상대적으로 선형이며 값도 싸다. 그러므로 실험적 작업과 관련된 엔지니어는 그것들의 사용과 응용 기법을 숙달하여야 할 것이다.따라서 로드 셀을 사용하여 스트레인 게이지의 측정 원리와 방법을 숙지하고 동적 실험장치로 그 측정 대상의 스트레인을 전압과 저항 비례식에 의해 구하여 최대응력을 구해본다. 그리고 그 최대응력이 왜 그렇게 나왔는지를 고찰해 보는데 있다.간단히 말하면 스트레인게이지의 원리와 이용방법을 이해하고 스트레인게이지를 이용하여 변형률(strain)과 응력(stress)을 측정하는 것이다.▲ 스트레인게이지의 원리 및 구조금속저항체는 크나 작으나 전류를 흘리지 않으려는 성질이 있다. 즉, 전기저항이 있고, 그 값을 전기저항(Ω)으로 나타낸다. 그 값은 금속의 종류에 따라 다른데 같은 재질(합금도 포함)이면, 일반적으로 가늘고 긴 것일수록 저항치가 크다.이것은 예를 들어 수도파이프를 생각해 보면 굵은 파이프가 단위시간에 흘리는 물의 양이 크고, 즉 저항이 작다는 것을 말할 수 있다. 또 가는 파이프가 흘리는 물의 양이 적고, 즉 저항이 크다는 것과 같다.금속 저항체는 외력을 가해서 신축시키면, 저항치도 그것에 따라 어느 범위 내에서 증감한다. 즉, 변형을 측정하려고 하는 물체에 금속을 밀착시켜 놓으면, 그리고 저항체가 가늘고 얇아서 완전히 접착되어 있으면, 외력에 의한 신축에 의해 신축에 비례해서 저항치가 변화한다. 스트레인게이지는 이 저항치의 변화에서 변형을 측정하는 센서이다.[ 변형량 감지 저항체 ]여러 가닥의 가는 선을 한 방향으로 배열하여 직렬 연결함으로써 변형률 감지량을 증대시킨다.용도에 따라 Constantan, Karma, Nichrome등 금속합금이 많이 쓰인다.구리와 니켈의 합금인 Constantan을 가장 많이 쓰고 두께는 5 ㎛정도이다.[ Backing ]저항체와 피측정물 사이의 절연을 시켜주는 기능을 한다.스트레인게이지 패턴의 형태를 유지시키고 보관이나 취급을 편하게 한다.피부착물에 접착시키기 위한 매개체 역할을 한다.재료는 Glass fiber reinforced epoxy, Polymide, Glass fiber reinforced phenolic등이 사용된다.두께는 50 ㎛정도이다.[ Encapsulation ]변형량 감지 저항체를 물리적, 화학적인 손상으로부터 보호하기 위하여 Backing소재와 같은 재료로 보호(encapsulation)하거나 전용 코팅소재로 코팅한다.encapsulation이 되지 않으면 변형량 감지 저항체가 공기중에 그대로 노출되어 부식되므로 저항값이 달라져서 정확한 측정이 되지 않는다.[ Tab ]전선을 납땜하는 곳이다.▲ 이론적 배경※ 변 형 률 : 모든 기계나 구조부재(structual members)는 외부의 하중이나 힘을 받으면 변형한다. 변형(deformation)은 변위의 백분율 또는 변형률(strain)로 규정되는 상대적인 변위이다. 따라서, 변형률(strain)은 외력에 대한 물질의 변형 정도를 말하며'ε'으로 표시한다. Fig. 1.1에 나타낸 것과 같이 변형률은 다음과 같이 나타낼 수 있다.여기서, εa = 축방향의 변형률L1 = 변형하기 전의 초기길이L2 = 변형후의 길이※ 스트레인게이지의 특성식저항체가 직선으로 단면이 같은 모양이면 저항체의 전저항치(R)는로 표시된다.여기서,은 길이,는 단면적,는 비저항이다.그리고, 이 저항체가 외력에 의하여 축선 방향으로 당겨지면, 저항체는 길이가만큼 신장하고, 그것에 의해 단면적이, 비저항이만큼 변화한다면, 이 각 값이 모두 변수인 때는 저항의 변화율은,(1)이 된다. 변형률의 정의에서 변형률?는 다음과 같이 표시된다.(2)이것에서 (1)식은,(3)또, 저항체의 전체적을라 하면(4)가 된다. (4)식은 각 값이 변수일 때는 다음과 같이된 여기서, εa 는 축방향의 변형률다.(5)지금, 저항체의 체적변화율이 있으면 당연히 밀도변화가 생기고, 그것에 따라 비저항이 변화한다고 생각한다.여기서 체적변화율과 비저항의 변화율이 같다고 가정하면,(6)으로 된다. 여기서 (3)식에 (6)을 삽입하면, 저항치의 변화는 다음과 같이 된다.(7)즉, 저항변화율은 변형률의 2배가 된다. 그러나, 실제의 스트레인게이지는 반드시 (7)과 같이 되지 않고, 다음과 같이 된다.(8)여기서이 2이면 (7)식과 같이 되나, 금속의 재질에 따라 2와는 다른 값으로 되는 것도 있다. 하지만 선형적 비례관계를 나타내고 있다.※ 게이지율저하하는 비율을로 하면, 먼저의의 값은,(9)이 된다. 따라서 (8)은,또는,(10)로 된다. 여기서,는 스트레인게이지를 사용해서 변형을 측정할 경우와 게이지의 저항변화에서, 변형률을 산출하기 위한 계수가 되고, 게이지율(Gage Factor)이라고 한다.※ Load cell의 정의(1) 피측정량을 다른 측정 가능한 량(출력)으로 변환시켜 질량을 측정하는 변환기(2) 이중 전기식 Load cell은 힘또는 질량에 대응한 전기신호를 발생하는 하중 변환기(3) 최근 LOadcell이라고 하면 일반적으로 Strain Gauge식Load cell을 일컫는다. 이것은 원래 큰힘을 측정하는데 사용되었으나 최근 전자기술 즉 증폭기술이나 온도영향 보상방법이 발전되어정밀한 계측도 가능하게 되었다.(4) 로드셀은 하중(무게,중량)을 감지하는 센서의 일종으로 일상생활의 전자저울이나 체중계로부터 산업분야의 Hopper Scale,Truck Scale,Platform Scale,Torque Transducers등에 널리 사용되고 있다.※ 스트레인게이지의 종류스트레인게이지에 사용되는 재료는 일반적으로 구리와 니켈 합금이 많이 이용 되고 있다.분 류저항값에 따라서120 Ω, 350 Ω축에 따라서단축게이지, 2축 티로제트게이지, 3축 로제트게이지그 외다이아프램게이지, 전단게이지, 응력게이지단축게이지 2축 티로제트게이지 3축 로제트게이지다이아프램게이지 전단게이지▲ 기기 및 재료(1) 로드셀 및 동적 실험장치▲ 실험 방법① 실험에 필요한 예비지식 사항을 숙지한다.② 동적 스트레인 증폭장치를 연결한다.③ 로드셀에 충격을 가한후 스트레인을 측정한다.④ 이러한 동일한 방법으로 몇 번 반복하거나, 충격의 강도를 달리하여 실험한다.▲ 실험 결과? 정격출력(maximum capacity)? 감도(sensitivity)? 비직선성(nonlinearity)실험값으로부터,? 하중이력(hysteresis)실험값으로부터,비고 및 고찰이번 실험은 탄성체에 하중을 가했을 경우 탄성체가 변형되는 원리와 로드셀의 측정원리를 이용하여 외팔보의 변위 측정과 로드셀의 안정성, 신뢰성을 측정하는 실험을 하였다. 외팔보에 Strain gage식 로드셀을 부착한 후 하중(load)을 2kg에서 10kg까지 증가시켰다가 다시 감소시키는 실험을 반복하여 보의 변형을 측정하고 로드셀의 출력전압의 변화를 측정하여, 정격출력, 감도, 비직선성, 하중이력 등의 차이를 살펴보았다.실험에서의 오차값 즉, △V1과 △V2을 이용하여 로드셀의 정격출력, 감도, 비직진성, 하중이력등을 계산할 수 있고 이는 로드셀의 안정성과 신뢰성을 판단하는 기준이 되는데. 이번실험에서는 오차값들이 너무 작아서 확실한 형태의 그래프를 얻을 수가 없었다. 하지만 오차값들이 작다는 것은 이번 실험에서 사용한 로드셀이 안정성과 신뢰성측면에서 비교적 우수하다는 판단을 할 수 있었다.모든 실험이 그렇듯이 오차없이 정확한 결과값이 나오는 것은 현실상 불가능하다. 이번 실험에서도 작은 값이지만 오차가 발생하였고, 실험내용을 분석하여 오차의 원인을 찾아보면 다음과 같을 것이다.우선 실험에서 결과값을 출력해주는 Strain indicator를 ON 하고 30분 이상 warming up을 시켜주어야 하는데, 바로 실험에 들어가 약간의 차이를 보였을 것이다. 이번 실험은 한쪽이 고정되고 끝단에 집중하중이 가해지는 외팔보를 이용한 실험이었는데 실험에 사용한 재료가 오랬동안 사용되어왔던 재료이기 때문에 초기상태의 재료에서 약간 변형이 되었을 것이다. 로드셀은 전기의 저항변화를 이용하기 때문에 실험시 미세한 변화에도 민감하게 반응할 수 있다. 실험장치가 장착되어있는 테이블 위에 다른 물건들을 올려 놓거나 힘을 가하게 되면 측정치에 오차가 발생할 수 있다. 이번 실험에서도 같은 테이블에서 다른 조와 같이 실험을 하다보니 미쳐 생각지 못한 부분에서 오차가 발생한 것 같다. 하중을 가하면 indicator의 수치는 올라갔다 내려오다 한 후 시간이 지난 후 일정한 점으로 수렴하게 되는데, 하중을 가한 후 충분한 시간을 같지 않고 수치를 측정하다 보니, 약간의 차이가 발생하였을 수도 있다. 하중을 가하거나 감할 때 추걸이가 흔들리는 것을 볼 수 있는데 손을 이용하여 잡아주기는 했지만, 미세한 흔들림까지 없애기는 매우 힘들었고 이는 오차가 발생하는 원인이 되었다. 몇가지 오차의 원인들을 살펴 보았는데 이외에도 정밀하고 정확한 결과를 얻고자 한다면 실험실내의 온도변화, 습기, 테이블의 진동 등 미세한 부분까지 신경을 써서 실험을 해야 할 것이다. 이러한 오차요인들을 제거하고, 충분한 시간을 두고 실험에 임한다면, 보다 정확한 값을 얻을 수 있을 것이라고 생각한다.

공학/기술| 2008.07.07| 8페이지| 1,000원| 조회(1,046)

기계공학실험, 스트레인게이지, 로드셀

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