파괴인성 측정: SEPB법1. 서론재료의 파괴인성(KIC)은 다음과 같이 정의된다.{K_IC = Y sigma _f c^{1/2}(1)따라서, 재료의 파괴인성을 측정하기 위해서는 c 크기의 균열을 가지는 시편에 응력을 가하 여 파괴를 일으킨 후, 그 파괴응력(σf)를 구하면 될 것이다. 위 식에서 기하학적 상수 Y는 시편 및 균열의 형상에 의존하며 응력분석에 의해 얻어진다 [1].재료의 파괴인성을 구하는 실험방법에는 다음의 여러 가지 방법이 있다.- 압침 방법 (indentation method)- 노치 빔 방법 (notched beam method)- 이중 외팔보 방법 (double cantilever beam method)- 이중 비틀림 방법 (double torsion method)- 선균열 도입 방법 (single edge precracked beam method, SEPB법)이 중에서 최근에 널리 쓰이고 있는 SEPB법에 대하여 설명한다. SEPB법은 다음과 같 은 장 점을 가지고 있다.- 형태가 가지런한 균열을 비교적 용이하게 도입할 수 있다.- 시편 형상이 단순하고 파괴 역학적 해석의 정밀도가 높다.- 측정이 용이한 꺾임방식이다.- 꺾임강도 시험(KS L1591)의 시편 및 꺾임파괴 시험후의 파편을 이용할 수 있다.- 측정치의 재현성이 좋고 측정자에 따른 편차도 적다.그러나, 이 방법은 선균열이 기울어져 진행되었거나 선균열전선이 현저하게 기울어지 면 타당한 파괴인성값을 얻을 수 없으므로 양호한 선균열을 도입하기 위해서는 세심한 주의가 필요하다.2. 이론파인세라믹스의 파괴인성값(KIC) 측정방법으로 선균열 도입 방법 (이하 SEPB법)은 이 미 KS L1600으로 표준화 되어 있다. 이 방법은 Fig. 1.과 같이 6개의 과정으로 이루어 지는데 소정의 크 기를 갖는 시험편에 선균열도입치구를 사용하여 예리한 pop-in 균열 을 도입하고 이것을 꺾임파괴 한 후 파단면에서 선균열 길이를 측정하여 파괴인성을 구하는 방법이다.{Fig. 1. Schematic of single-edge-precracked beam method.3. 실험 방법1) 시험편시험편의 형상은 직육면체로서 크기 및 제작 조건은 아래와 같다.- 시험편의 크기: 폭(W) 4±0.1㎜- 두께(B) 3±0.1㎜- 길이(L) 18㎜ 또는 36㎜- 시편의 표면거칠기: 0.8 S 이하- 면의 평행도 및 수직도: 0.01㎜ 이하- 시험편의 수: 5개 이상2) 선균열 발생기점의 도입선균열 발생기점의 도입은 시험편의 인장면에 비커스 경도기로 한 개 또는 세 개 의 압입자국 을 만들거나 또는 다이아몬드 블레이드로 놋치를 만드는 방법을 사용 한다. 이 때 선균열 발생기 점의 도입조건은 아래와 같다.(1) 기점도입위치: 시험편의 한끝에서 9±0.1㎜ 또는 18±0.1㎜(2) 기점도입정밀도: 시험편과 수직으로 ±2°(3) 기점도입 방법비커스(누프) 압흔의 경우- 압자 압입수: 1점(두께방향의 중심위치) 또는 3점(두께 B의 4분할 위치에 3점)- 압자 압입방향: 압흔의 대각선이 시험편 길이 방향에 직교- 압자 인가하중: 10㎏f (98 N)놋치의 경우- 놋치 형상: 직선 놋치- 놋치의 폭: 0.2㎜ 이하- 놋치의 깊이: 0.5±0.1㎜ (0.6㎜ 깊이 이상의 놋치는 pop-in 균열이 발생하지 않는 경 우 가 있음)- 놋치선단의 형상: 특별히 규정하지 않음3) 선균열 도입선균열 도입치구는 Fig. 2와 같이 압자(pusher), 앤빌(anvil) 및 위치 결정용 자 (setting jig)로 구성되어 있으며, 치구의 내압 한계는 6000㎏f이다. 6000㎏f 이 상의 과부하를 가하면 앤빌에 오목 부가 생기는 경우가 있으므로, 가능한한 5000 ㎏f 이하의 하중을 가하는 것이 좋다. 통상 세라믹스 의 선균열 발생 하중은 5000 ㎏f 이하이다.치구의 앤빌은 Fig. 2와 같이 양면 모두 이용할 수 있는 앤빌 3 ㎜와 6 ㎜, 4 ㎜와 5 ㎜의 2종류로 준비하여, 재료 및 선균열의 발생기준 종류에 따라 선균열 길이의 허용범위에 적 합한 선균열이 도입되도록 구폭을 시험자가 선택하는 것이 바람직 하 다. 이 때 시험편은 선균열 발생기점 위치가 앤빌의 중앙에서 ±0.1 ㎜ 이내가 되도 록 위치 결정용 자를 사용하여 치구에 팅하여야 하며, 셋팅 전에는 시험편 및 치구 를 아세톤 등으로 세척하는 것이 바람직하다. 압축하 중 속도는 특별히 필요는 없으 나, 하중속도가 지나치게 느리면 균열이 안정성장하는 경우 가 있기 때문에 30㎏f/s 이상이 바람직하다. 균열은 가교압축(bridge compression)에 이한 pop-in 균열로서 음향센서를 사용하여 pop-in 균열의 발생음을 검출하는 것이 좋다. pop-in 균열도입 후 다시 부하를 계속하면 pop-in 균열선단으로부터 안정균열성장이 생긴다. 이 안정 성장한 균열 을 선균열로 사용하면, 측정값은 R곡선에 따라 과대평가되는 경우가 있 으므로 주의가 필요하다. pop-in 균열이 진전하기 어려운 고인성 재료의 경우 시험 편 윗면과 압축지그 아랫면 사이에 알루 미늄 호일을 깔고 압축하면 균열이 진전하 는 수가 있으며, 꺾임시험 후의 균열길이 측정이 용이 하도록 미리 꺽임 시험 전에 염료를 침투시켜 선균열을 염색하여 두는 것이 바람직하다 [2].{Fig. 2. Precracking fixture4) 꺾임시험선균열 도입후의 시험편의 꺾임시험 조건은 아래와 같다.꺾임의 종류: 3점 꺾임시험법지지점간 거리: 16㎜ 또는 30㎜지지핀: SiC 등 고경도 재질을 사용시험편의 꺾임치구에의 셋팅: 선균열도입위치가 꺾임스팬의 중앙에서 ±0.1㎜이내크로스헤드 속도: 0.5㎜/min시험환경-실온: 대기중에서 측정하여도 무방함-고온: 불황성분위기(아르곤, 질소, 진공 등)파단하중의 측정: 시험편이 파단할 때까지의 최대하중을 측정이 때 선균열 도입기점이 하부지지점간의 정중앙에 정확히 위치하도록 세심하게 셋팅 하여야 하며, 선균열이 이미 도입된 시험편은 아주 작은 하중에서도 파손되기 쉽기 때 문에 세심하게 주 의를 기울여서 다루어야 한다.5) 선균열 길이의 측정선균열의 길이는 파단된 시험편의 파단면을 20배 이상으로 확대하여 현미경으로 눈금을 읽거 나 또는 사진 촬영후 측정하는데 Fig. 3와 같이 시료의 아랫면에서 선 균열 전선까지의 시험편 나 비(W) 방향의 거리에 대하여 시험편을 두께(B) 방향으 로 4등분하는 3개의 선상에서의 값 a1, a2, a3를 측정하여 그 평균값으로 선균열의 길이를 결정한다. 이 때 선균열 형상 및 길이의 허용범위 는 아래와 같다.선균열의 기울기: 폭 및 두께방향 모두 ±10°이내로 평행일 것 (선균열이 10°기울 어지면 겉보기 KIC가 약 2% 높게 평가됨)선균열 전선 기울기: 파면상에서 측정된 균열길이 3점 중 어떤 2점의 차도 평균값의 10% 이내 일 것. 즉, (amax-amin)/a 0.1선균열 길이의 허용범위: a/W=0.3∼0.6 또는 a=1.2∼2.4㎜일 것
Ⅰ. ON/OFF1. ON/OFF 제어방식전자접촉기의 OPEN-CLOSE방식에서처럼 ON신호시 출력 100%, OFF신호시 출력이 0%로 완전히 차단되는 방식이나 반도체소자의 SWITCHING이므로 무접점제어로 소음과 진동이 없고 ARC가 발생되지 않습니다.{2. 단순 On/Off 제어단순한 On/Off 제어의 경우에는 제어 조작량은 0%와 100% 사이를 왕래하므로 조작량의 변화가 너무 크고, 실제 목표값에 대해 지나치게 반복하기 때문에, 목표값의 부근에서 凸凹를 반복하는 제어로 되고 만다.이 모양을 그림으로 나타내면 아래 그림과 같이 된다.{Ⅱ. DC Servr Motor{직류 모터(DC motor)는 엄밀하게는 직류 정류자 모터이며, 소위 브러시 부착 모터이다.교류 모터의 속도제어법의 진보와 브러시리스 DC모터의 등장으로 직류 모터는 상당히 그 사용분야를 압박당하고 있다고 볼수 있지만 단순함과 가격등에서 현재에도 널리 이용되고 있다(1) 원리직류 모터의 원리가 전에는 전자석간의 흡인력을 이용하는 것이었지만 현재에는 자계 중에 놓여진 코일에 작용하는 전자력으로 설명 할 수 있다{[그림]에서 자계 중의 코일에 화살표 방향으로 전류를 흘리면 도체 1에는 하향하고, 도체 2에는 상향하는 힘이 미쳐서 시계방향으로 회전한다.그러나 그대로 놓아두면 도체가 회전하여 반대측으로 갔을 때에는 힘의 방향이 반대가 되어 회전하지 않는다. 그래서 회전하는 도체에 접속한 정류자편(commutator bar)과 정류자편에 접촉하여 움직이는 고정 브러시 기구(정류기구)에 의해 도체가 N극 아래에서 S극으로, S극 아래에서는 N극으로 이동할 때에 전류의 방향을 역전시켜서 같은 방향의 회전력을 발생시키도록 되어 있다.실제 모터에서는 공간의 이용률을 올리고 또 토크의 발생을 원활하게 하기 위해 다수개의 도체와 정류자를 설치하고 자속을 통하기 쉽게 하기 위해 철심의 홈 속에 도체를 놓은 구조로 되어 있다(2) 기본식과 특성[그림]은 직류 모터의 기본 회로를 나타낸다. 부하토크를 TL, 모터각속도를 바꾸는 방법으로서는1전압제어({V_t를 바꾼다)2계자제어({PHI)를 바꾼다3저항제어({R_o)에 직렬저항을 삽입한다)와같이 세가지 방법이 있으나 전압제어가 추가된다(3) 제어법1전압제어(armature-voltage control)식(5)에서 {V_t를 바꾸면 속도는 0에서 광범위하게 변화할 수 있다.이런 경우 {T_L = K_a PHI I_o의 관계는 변하지 않으므로 정격전기자 전류에 대한 발생 토크 {T_n은 바뀌지 않는다2계자제어(field control)식(5)에서{PHI를 변화시키면 에 의한 속도제어가 가능하다.{PHI는 계자가 전자석의 경우 계자 전류에 의해 간단하게 변할 수 있는데 자기 회로의 포 화특성 때문에 상당히 큰{PHI를 만들 수는 없다.또,{T_L = K_a PHI I_o의 관계는 변화하므로 정격전기자 전류에 대한 발생토크는 변한다. 그러나 {w_m T = V+I_o이기 때문에{PHI를 바꾸어도 {I_on에 대한 출력은 거의 일정하다(저출력구동).3저항제어(rheostatic control)전기자회로에 직렬로 저항 를 삽입하고 식(5)의{R_s를 바꾸면 특성은 {R_o처럼 변한다.{R_s에 의해 용이하게 속도제어가 생긴다고 하는 장점이 있다. 그러나 경부하 에서의 제어 가 곤란하고 속도변동률이 커지게 되고 저항에 대한 손실이 크며 효율이 나쁜 것 등 단점 이 있다4) 정류 현상직류기의 정류는 코일전류를 자극간의 중성점에서 반전시키는 작용이다{아래 그림에 정류되는 코일 {L_c와 정류자, 브러시와의 관계를 나타낸다. 브러시가 정류자편 1에서2 로 이동하면 정류코일의 전류는 시계방향에서 반시계방향으로 그 방향을 바꾼다.정류 중의 전류변화는 다음의 정류방정식으로 나타낸다.{L_c {d_i}over{d_t} +R_1 (I_c + i) + R_2 (I_c - i) = 0(식7)여기서{R_1과{R_2는 브러시가 정류자편 1,2와의 접촉저항 이며, {R_0를 브러시와 정류자편이 전면접 촉하고 있을 때의 저항으로 하면 다음 식으로 나타낸다{점은 모터의 shaft의 위치를 검출하기 위한 feedback없이, 정해진 각도를 회전하고, 상당히 높은 정확도로 정지할 수 있는 것이다. 그리고, system에 적용된 뒤에도 초기 성능이 만족되어 있으면, 특성 변화가 적고, 보수가 용이하며, 매우 신뢰성이 높은 system을 구성할 수 있다.또, 다른 motor에 비해 정지시 매우 큰 유지 토크(정지 토크)가 있기 때문에 전자 브레이크 등의 유지 기구를 필요로 하지 않는다.회전 속도에 있어서도 stepping motor에 부여하는 pulse rate에 정비례하므로 임으로 제어할 수 있다.stepping motor는 serial print의 종이 보내기 제어,printer head의 인자 위치 제어, X-Y Plotter의 펜위치 제어나 floppy disk의 head위치 제어,지폐 계수기, 봉재기기, 전동 타자기, 팩시밀리 등에도 사용되고 있다.2. Stepping Motor의 특징가) 장 점1) motor의 총 회전각은 입력 pulse수의 총 수에 비례하고, motor의 속도는 초(sec)당 입 력 pulse 수에 비례한다.2) 1step 당 각도 오차가 ±3분(0.05°)이내이며 회전각 오차는 step마다 누적되지 않는다.3) 회전각 검출을 위한 feedback이 불필요하여, 제어계가 간단해서 가격이 상대적으로 저 렴하다.4) DC motor등과 같이 brush교환 등과 같은 보수를 필요로 하지 않고 신뢰성이 높다.5) 모터축에 직결하므로써 초저속 동기 회전이 가능하다.6) 기동 및 정지 응답성이 양호하므로 servo motor로써 사용가능하다.나) 단 점1) 어느 주파수에서는 진동, 공진 현상이 발생하기 쉽고, 관성이 있는 부하에 약하다.2) 고속 운전시에 탈조하기 쉽다.3) 보통의 driver도 구동시에는 권선의 인덕턴스 영향으로 인하여 권선에 충분한 전류를 흘리게 할 수 없으므로 pulse비가 상승함에 따라 torque가 저하하며 DC motor에 비해 효율이 떨어진다.3. Stepping Moto는 48의 고정 이빨이 각각 등간격으로 만들어져 있다.그 약도가 하기그림 우도에 있으며, 이 그림은 S극쪽을 나타내고 A상이 여자된 위치이다.{{3.1 기본 동작법여기서는 모터의 기본동작을 아는 것이 목적이므로 간단히 스윗치로 모터의 여자를 변환해서 회전시켜본다.따라서 소전류로 동작하는 스테핑모터가 알맞다. 일반적으로 쉽게 구할 수 있고 센터 탭 (center tap)이 있는 스텝 각도 15° 라는 시방의 모터이다.모터에 나와 있는 코일의 리드선은 모터의 종류나 메이커에 따라 다르지만, 일반적으로 하기 그림과 같이 되어있다.{{{상기 첫번째와 같이 코일의 센터탭이 단독으로 나와 있는것과, 내부에서 센터탭끼리 서로 접속되어 한 가닥이 나오는 두 번째 그림 등이 있다.일반적으로는 첫번째 그림의 유형으로 되어있다.모터와 스윗치 및 전원의 결선은 하기 그림과 같다.{{전원은 원래 모터의 Vcc보다 같거나 좀 낮은것을 쓴다. 우선 스윗치 S1 -S4를 모두 off 한다음, 전원을 접속한다3.2 회전 시키기 위한 여자순서여자 방법에 따라 1상, 2상, 1-2상 여자방법이 있다. 여기서는 스윗치 손놀림의 동시화를 꾀하기 어려우므로 1-2상 여자 방법을 택한다.{상기 그럼 표의 순서와 같이 스위치를 on/off 하여 보자. 우선 S1을 on 한다. 그러면 그때까지는 모든 코일이 off상태(비여자 상태)이므로 코일에 처음으로 전류가 흐르게 된다. 따라서 이때 스텝각은 반드시 정해진 각도는 되지 않는다. 즉, 여자 상태에서의 정지와 비여자 상태에서의 정지는 틀린다. 그리고,다음의 스위치에 의한 여자부터 정상 동작이 된다. 그러면 S2를 on 한다. 이것으로 a상, b상이 함께 여자된 것이 된다. 그리고 이 때의 변위각은 약 7.5°이다. 다시 스위치를 전환 시켜 본다. 다음은 S1을 off로 한다. 즉 b상만 여자 되어 있는 상태이다. 이 때도 7.5°쯤 시계 방향으로 회전하고 있다. 그런데 모터의 특성에서는 스테각은 15°이지만 여기선 7.5°이다. 어째서 일까. 실은 1-2그림 1는 2상모터의 4분할 마이크로스텝 여자방식에서 토오크 벡터도를 나타낸다.그림 1를 보아 알 수 있듯이 마이크로스텝 구동방식은 미소의 스텝각을 얻는 동시에 각 여자때의 합성 토오크가 한상 여자시의 토오크 값과 같도록 여자전류를 제어한다. 이로부터 2상 권선의 여자전류는 일반적으로 정전류 구동방식을 사용하여 그림 2과 같은 관계를 유지하면서 정현파상으로 제어된다.다음의 그림 3은 마이크로스텝 제어를 위하여 제어 블록도를 나타낸다.{[그림 3] 마이크로 스텝 제어 블록도일반적으로 이 구동방식으로 고분해능화 했다고 하여도 위치결정 정도의 점에서 보면 개선은 그다지 기대할 수 없다. 스테핑모터의 각도 정도는 기계적 정도 및 전기적인 것으로 결정되기 때문에 이와 같은 제어를 하여도 정도는 향상되지 않는다. 마이크로스텝은 전진 작동을 세분화하기 때문에 모터 특유의 진동을 방지할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 특히 저속시 진동 방지에 효과가 크다. 따라서 정도는 요구하지 않고 고분해능화 및 저진동을 요구하는 XY 구동용 액츄에이터 등의 분야에 많이 사용되고 있다.3.4 스텝모터의 서보화(Closed-Loop) 제어스테핑모터는 오픈 루프에서 제어할 수 있는 특징이 있다. 따라서 다음에 설명하는 클로우즈드 루프 제어는 원래는 불필요하다. 그러나 이 모터의 진동,작동 불량 등의 문제를 해결하는 수단으로 클로우즈드 루프 제어가 필요하게 된다. 이 방법은 일반적으로 브러시리스 모터의 제어에서 행하여지는 것과 같다고 생각하면 된다. 기본적으로는 로터의 위치를 검출하고 여자상의 절환을 이 위치에 따라 행함으로써 원할한 제어를 하는 것이다. 그림 4는 클로우즈드 루프 제어 블록의 기본 구성을 나타낸 것이다.{로터가 1스텝 회전한 것을 확인하면서 자동적으로다음 구동펄스를 분배회로로 입력한다.[그림 4] 클로우즈드 루프 제어의 기본 블록도스테핑 모터의 클로우즈드 루프 제어 분야를 개척한 사람은 Fredriksen이었으며, 이러한 발상은 마이크로프로세서의 성능발전에서 큰 힌트가 되었다