7조 - 반지의 제왕

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 반지 구경 확장 기구 설계 및 제작

영문 : Design Of Ring Stretcher

과제 팀명

반지의 제왕

지도교수

이*일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 김*현(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 박*수

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 주*기

서울시립대학교 기계정보공학과 20134300** 최*현

서울시립대학교 기계정보공학과 20144300** 김*아

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발은 반지의 내경을 확대시키는 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 전동 모터 등의 사용으로 반지의 내경을 확장시키는 과정을 자동화 및 수치적 정확성 향상을 목표로 하는 장치에 관한 것이다. 일반적으로 반지의 내경을 확장하는 과정은 반지를 가열하여 원뿔대 형태의 봉에 끼워 타격을 통해 진행된다. 이 같은 방법으로 진행 할 시 타격에 의하여 반지 표면의 장식을 해할 우려가 크며 광택을 위해 다시 연마하는 과정을 필요로 하며 이 역시 표면을 손상시키게 된다. 이에 본 개발은 반지의 외부 타격과정을 없애 표면 손상을 줄이고 정확한 수치적 확장을 용이하게 이루어지도록 하여 소비자의 만족도를 높이고 작업자의 편의성을 증대시키는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

현대 도시인들은 운동량 부족과 고열량 음식의 섭취 등으로 인하여 체중이 증가하는 일이 많다. 또한 여성들의 경우 출산 이후의 체중증가 및 부기가 덜 빠지는 등의 이유로 기존에 사용하던 반지가 작아지는 경우가 굉장히 많다. 실제로 ‘반지 크기’등으로 인터넷 검색을 하였을 경우 반지 치수를 늘리는 것이 가능한지 질문하는 경우가 상당히 많다. 따라서 이번 프로젝트 주제를 반지의 치수(반지내경)를 증가 시키면서 외경 쪽의 디자인을 최대한 해치지 않는 기술의 완성으로 설정하였다.

프로젝트를 진행하기 위해 조사해본 결과, 현재 귀금속 공예 분야에 종사하시는 분들은 역학적인 지식이 비교적 부족하여 반지의 치수를 줄이는 의뢰에 대하여 망치로 가격하는 등의 수작업을 통해 해결하고 있는 것으로 나타났다. 이 경우 반지의 표면의 파손이 불가피하고 연삭 작업이 동반되기 때문에 숙련자만이 할 수 있다는 단점이 있다. 그래서 장치를 자동으로 작동하게 하여 편리함 그리고 정확성 제공하며 반지의 외관을 파손하지 않는 반지 확장 장치를 개발하기로 한 것이 본 프로젝트의 배경이다.

현재 귀금속 공예 분야에 종사하시는 분들은 역학적인 지식이 비교적 부족하다. 이 때문에 반지의 치수를 줄이는 의뢰에 대하여 수작업을 통해 해결하고 있으나, 연구하고자 하는 기술이 완성되면 정밀한 기계의 사용으로 보다 의뢰인의 요구에 맞도록 정확한 조절이 가능 할 것이다. 자동으로 처리가 가능하게 되기에 서로에게 보다 향상된 결과를 제공할 수 있을 것이다. 또한 기구를 처음 사용해보는 초보자도 손쉽게 반지의 내경을 늘릴 수 있을 것으로 예상된다. 그리고 반지의 외관을 해치지 않으면서 반지의 내경만을 늘릴 수 있을 것이다. 정량적인 기대효과는 예측하기 어렵지만 사용자의 만족도를 상당히 높일 수 있을 것이며 반지의 모든 호수를 자유롭게 늘릴 수 있기 때문에 사용자들로부터 상당한 지지를 받을 것으로 예상한다. 만약 반지의 치수를 조절하여 다시 사용 할 수 있다면 반지를 소유하고 있던 사람은 만족감을 얻을 수 있을 것이며, 반지를 새로 구매하는데 필요로 하는 금액을 아낄 수 있을 것이다. 절약된 금액은 다른 귀금속의 구매 혹은 다른 방향으로 사용하게 됨으로써 조금이나마 내수활성화에 도움이 될 수 있다고 생각된다.

개발 과제의 목표와 내용

본 설계의 목적은 사용자의 숙련도와 관계없이 반지의 내경을 정확한 치수로 확장시킬 수 있도록 하는 장치를 개발하는 것이며 추가적으로 반지의 확장 과정에서 반지의 손상이 없도록 해야 한다. 숙련도에 관계없이 반지의 내경을 확장시킬 수 있도록 하기 위해서 사용자의 간단한 조작으로도 원하는 치수로 반지를 확장시킬 수 있는 장치를 구현하는 것으로 목표로 한다. 기존 수동 가공에서 자동 가공으로 전환되며 정확하고 균일성 있게 반지의 손상 없이 반지의 내경을 확장시킬 수 있어야 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

(1) 편리성 : 수동으로 작동 하는 방법 대신에 모터를 사용함으로써 사용자가 힘을 들여서 작업하지 않아도 되며, 반지가 끼워지는 부분이 원뿔대 모양이 아닌 원기둥 모양이기 때문에 반지의 방향을 여러 번 바꾸는 번거로움을 해결할 수 있다.

(2) 정확성 : 반지의 내경이 원하는 크기가 되면 힘이 작용하지 않게 하여 필요한 크기 이상으로 반지가 늘어나는 것을 막을 수 있을 것으로 기대된다.

경제적 및 사회적 파급효과

(1) 경제적 파급효과 : 정밀한 기계를 이용한 반지의 치수 조절을 통해 자신의 손에 딱 맞는 반지를 얻고자 하는 소비자의 요구에 기존보다 향상된 결과를 제공할 수 있을 것이다.

(2) 사회적 파급효과 : 수동으로 이루어지던 기존의 제품들과 달리 반지의 내경을 늘리는 것을 자동화한 제품을 통하여 귀금속 공예 분야의 종사자들의 작업 피로를 낮출 수 있을 것이다. 또한 제품을 처음 사용하는 사용자도 쉽게 반지의 내경을 늘릴 수 있게 되어 귀금속 공예 분야의 진입 장벽을 낮출 수 있을 것이다.

구성원 및 추진체계

본 프로젝트의 진행 방향은 기구 설계 및 해석, 제어 프로세스 설계, 시제품 제작으로 크게 3가지로 나눌 수 있고 각 파트 별 Chief Manager는 다음과 같다.

기구 : 20134300** 주*기, 20134300** 최*현

제어 : 20134300** 김*현

시제품 제작 : 20134300** 박*수, 20144300** 김*아

각 팀원의 성향과 팀 프로젝트 진행 방향을 고려하여, Top-Bottom과 같은 계층적인 팀 구조보다는 각 파트 별 Chief Manager를 두어 각각이 맡은 역할에 대한 책임감 증진과 더불어 수평적인 팀 구조를 지향한다. 단계별로의 프로젝트 추진 체계는 아래와 같다.

(1) 기존에 반지의 사이즈 확장과 관련된 특허가 있는지 조사를 진행한다.

- 관련 산업 및 기업, 기업 특허, 개인 특허

특허청 : http://www.kipo.go.kr

(2) 반지 확장기 제작에 관하여 아이디어 스케치를 진행한다.

- 기존 확장 방법에 관한 문제점 파악

- 문제점 개선 및 구조 스케치

- 확장 기술을 도입 구조 스케치

(3) CAD, CAE 툴을 이용한 시뮬레이션, 제어 프로세스 설계

- Catia V5를 이용한 반지 확장기 모델링, DMU 구현 등

- ANSYS Static Structure를 이용한 Stress Analysis, Deflection Analysis 등

- 반지 확장 프로세스 설계 및 적용

(4) 시제품제작 및 특허 출원 진행

(5) 결과 보고, 정리 및 발표 진행

설계

설계사양

103명을 대상으로 소유하고 있는 반지의 개수를 조사한 결과 56% 이상이 2개 이상의 반지를 소유하고 있는 것으로 나타났으며, 설문조사 인원의 87%는 반지를 1개 이상 가지고 있었다. 반지를 소유한 87%를 제품 개발 이후, 반지를 치수가 맞지 않아 반지 확장 기계를 사용할 잠재적 고객으로 생각할 수 있다.

설문조사 인원 중 49%의 인원이 반지가 맞지 않아 사용하지 못하는 반지가 있는 것으로 조사되었다. 그리고 62%의 설문 인원이 반지를 늘릴 수 있다면 늘리고 싶다고 답변했다. 이 결과를 통해, 반지 늘리는 기계를 귀금속점과 반지공방에 공급하면 많은 사람들이 사용할 의향이 있다는 것을 확인할 수 있었다.

기존의 반지를 늘려주는 기구들은 반지를 확장 시키면서 외관의 손상을 발생시킨다. 설문조사에 의하면 85%가 외관의 손상 때문에 반지 확장을 꺼려하는 것으로 알 수 있다. 기존의 반지 확장 시장은 귀금속점 하루 평균 10건으로 조사되었다. 테이퍼 막대로 캡을 확장 시키는 본 기계는 내경에 캡이 장착되어 확장되는 방식으로 외관 흠집을 발생시키지 않는다. 따라서 본 기계를 사용하게 된다면, 반지 확장 시장을 더욱 활성화 시키며 잠재적 고객들을 끌어들일 수 있을 것이다.

제품 규격 : 226 x 232 x 250(캡 제외), 226 x 232 x 382(캡 포함)

동력 전달 방식 : 감속기, 벨트를 통해 스테핑 모터의 회전 운동을 테이퍼 막대의 상하 운동으로 전달

제어 방식 : Up(스텝 수 증가), Down(스텝 수 감소), OK(반지 확장) 세 가지 스위치를 통한 간단한 제어

개념설계안

기본적으로 두 가지 설계안에 대하여 검토하였으며 두 설계안 모두 테이퍼 막대를 상하운동하기 위한 구조와 캡의 구조는 같다. 하지만 캡이 상하운동 하지 않도록 장치의 상판에 고정시키는 방법에 차이가 있다.

A) 테이퍼 막대의 상하운동을 위한 구조(두 가지 안이 동일)

장치의 동력원인 모터는 장치 하부의 우측에 위치하며 타이밍 벨트를 이용하여 하부 중심의 풀리에 토크를 전달한다. 이때 모터의 토크가 장치의 성능에 모자란 경우 모터와 타이밍 벨트 사이에 감속기가 추가될 수 있다. 타이밍벨트에 연결된 풀리는 스크류와 고정되어 있어 스크류에 토크가 전달된다. 스크류가 회전하면 스크류에 연결되어 있는 볼너트가 상하운동을 하게 되며 볼너트에 고정되어 있는 테이퍼 막대 역시 상하운동 한다. 즉 모터의 토크를 통해 테이퍼 막대가 상하운동 하게 된다. 이때 테이퍼 막대가 연결된 상하운동부가 안정적으로 상하운동 할 수 있도록 양쪽에 LM가이드가 설치된다.

B) 캡의 고정 방법

두 개의 제시안 중 1안을 사용하기로 결정하고 설계를 진행하였다. 사용자가 캡을 교체할 때의 편의성을 우선적으로 고려하여 선택하였으며 상판의 안정성의 경우 ANSYS를 이용한 구조해석을 통해 검증하였다. 하지만 캡의 상하 진동 문제로 인해 편의성을 일부 포기하는 2안을 선택하여 캡의 상하 진동을 억제하는 방향으로 설계를 개선하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

여러 번의 설계 개선을 통해 아래와 같은 최종 조립도를 얻을 수 있었다.

부품도

(1) 캡

(2) 상판, 캡 고정용 커버

(3) 상판(개선)

(4) 장치 상승부 및 테이퍼 막대

(5) 장치 하부 및 기타

제어부 설계

본 반지 확장기는 회전 운동을 병진 운동으로 바꾸는 기구학적 설계사양을 따르고, 반지를 확장하는 데 있어서 개념설계안, 아이디어 제안 등에서 언급한 정확성, 정밀성, 신속성 등을 만족하기 위해선 모터의 ①정확한 각도 제어가 필요하다. 또한 본 프로젝트에서 제어 부분보단 역학적, 기구학적인 모델링을 조금 더 중요하게 생각하고 팀원의 제어 관련 능력이 매우 출중한 편은 아니기 때문에 현실적으로 '"②상대적으로 간단한 제어"'가 필요하였다. 그러므로 앞서 언급한 모터의 다운스펙을 감안하여 기존 신요덴키 社의 103H7126-0447 스테핑 모터(출력토크 1270N/mm) 를 FASTECH 社의 EzM-56M-A 스테핑 모터(출력토크 1000N/mm)로 교체하였다.

스테핑 모터는 4개의 모터상(A, A/, B, B/)에 의해, 입력 펄스 수에 대응하여 일정 각도를 회전시키는 모터이다. 입력 펄스 수와 모터의 회전 각도가 완전히 비례하므로 정확한 회전을 구현할 수 있다는 것, 복잡한 회로에 비해 제어는 상대적으로 매우 간단한 점 등이 특장점이다. 본 프로젝트에 선정한 Ezi-Servo 스테핑 모터의 경우 기존 스테핑 모터(Open Loop System)와 다른 점으로는 ①탈조에 의한 위치 오차 없이 확실한 위치 결정 가능, ②Open Loop 제어 시스템의 경우 탈조를 고려하여 모터 토크의 50%정도 밖에 사용하지 못하는 반면 Ezi-Servo 스테핑 모터의 경우 100% 사용 가능, ③Open Loop 제어 시스템의 경우 모든 동작 속도에서 정전류 구동을 하지만 Ezi-Servo의 경우 부하에 따라 전류를 제어하기 때문에 보다 고속의 운전이 가능한 점(최대 3000RPM) 등이 있다. 또한 서보 모터와 다른 점으로 ①게인 조정의 불필요(부하에 따라 게인 자동 조정), ②정지 후 미세진동 없이 위치 유지 가능, ③Hunting이 발생하지 않는 등의 우수한 과도 특성, ④복잡한 회로에 비해 매우 간단한 제어 방식 등이 있다.

<그림38. 스테핑 모터의 장점 중 Huntung(우)_출처 : 조선대학교>

<그림39. 스테핑 모터의 회전의 한 주기_출처 : 조선대학교>

<그림40. 스테핑 모터의 회전의 한 주기(1상 여자방식)_출처 : 조선대학교>

<그림40. 스테핑 모터의 회전의 한 주기(2상 여자방식)_출처 : 조선대학교>

스테핑 모터의 여자 방식은 크게 1상 여자방식, 2상 여자방식, 1-2상 여자방식으로 나뉜다. 본 프로젝트의 Ezi-Servo 스테핑 모터의 경우 1상, 2상 여자방식을 지원하고 기본값은 2상 여자방식으로 설정되어 있다. 2상 여자방식은 1상 여자방식과 동일하게 각 상에 순차적으로 펄스를 대입하되 1상에서처럼 1개가 아닌 2개의 코일을 동시에 여자시킨다. 이 경우 전류는 1상에 비해 많이 흐르게 되어 소비전력이 증가하나 토크가 증가하고 정지상의 오버슈트나 언더슈트가 작아지고 과도 특성이 좋아져 진동 억제에 효율적이므로 본 프로젝트에서는 2상 여자방식을 사용하여 스테핑 모터를 제어한다.

<그림41. 모터 제어 알고리즘 순서도>

<그림42. 순서도 기호 범례>

위 순서도는 본 프로젝트에 적용될 반지 확장기의 제어에 관한 알고리즘 순서도로, 개념 설계 제안서에서 제시한 개념적인 제품의 거동을 순서도로 나타내고 각 기호에 대해 설명하였다. 먼저 초기 변수로 StepN, SensorStatus, Button, RealStepN, GoalStepN을 부여하고 각 변수의 의미는 아래와 같다.

① StepN : 모터의 스텝 수를 의미하는 정수형 변수다. 0~100 사이의 값을 가질 수 있다.

② SensorStatus : 제품의 상, 하단에 위치한 센서의 상태에 대한 변수이다. 각 센서는 대상이 인식되지 않으면 0, 인식하면 1의 값을 가진다고 할 때, 양 센서가 모두 인식하는 경우는 발생하지 않으므로 이를 제외하면 총 가지의 경우가 발생한다. 그러므로 SensorStatus가 0일 경우 중간 상태, 1일 경우 하단 센서가 인식한 경우(바닥 상태에 도달한 경우), 2일 경우 상단 센서가 인식한 경우(맨 윗부분에 도달한 경우)로 정의한다.

③ Button : 사용자가 누르는 Up, Down, OK 버튼에 관한 변수이다.

④ RealStepN : 실제 모터가 인식하는 스텝 수이다. StepN의 경우 프로그래밍 측면에서 직접 접근하는 변수이나 RealStepN은 모터 드라이버 측면에서 직접 접근하는 변수이다. 본 알고리즘에서는 StepN을 GoalStepN으로 전달한 후 RealStepN에 반영하는 방법으로 접근하되 RealStepN을 직접 조작하진 않는다.

⑤ GoalStepN : 실제로 사용자가 원하는 스텝 수를 저장하는 변수이다. 사용자가 StepN을 조작하여 원하는 스텝 수를 결정하면, 이는 GoalStepN으로 전달된다.

초기 변수 설정 후 초기 위치를 설정한다. FindInitPosition() 및 SensorStatus가 1인지(바닥 상태에 도달하였는지) 확인하는 절차를 반복하며 초기 상태로 장치를 준비시킨다. 초기 위치로 설정이 완료된 후 스텝 수를 0으로 초기화하며 반지 확장기가 가동될 초기 준비 상태를 마치게 된다.

그 후 3개의 스위치(OK, Up, Down) 입력을 사용자로부터 받아들인다. Up, Down 버튼을 통해 목표 스텝 수를 설정한다. 다만 스텝 수는 장치의 안전을 위해 0~100 사이로 제한된다. 목표 스텝 수 설정 후 OK 버튼을 누르게 되면 설정한 스텝 수가 목표 스텝 수(GoalStepN)으로 설정되고 본격적인 모터 제어에 들어가게 된다.

모터의 실제 스텝 수(RealStepN)가 목표 스텝 수(GoalStepN)에 도달할 때까지 스텝 수는 2 증가, 1 감소를 반복한다. 선형적으로 0부터 목표 스텝 수에 증가만 하는 식으로 선형 증가를 시킬 수도 있으나, 목표 스텝 수까지 한 번에 스텝을 올리게 된다면 장치뿐만 아니라 반지에 큰 응력이 지속적으로 가해지게 될 염려가 있다. 그러므로 스텝수를 2 증가, 1 감소시켜 시간은 약 2배로 걸리지만 응력을 분산시키고 변형 경화를 이용하는 방향으로 제어 방향을 모색한다. 단, 목표 스텝 수와 별개로 어떠한 원인으로 제어가 잘못 되어 목표 스텝 수가 잘못 설정되었을 경우에 대비하여 추가적으로 센서에 의한 위치 제한 방법도 마련하여, 스텝 수와 관계없이 SensorStatus가 2인 경우(맨 위에 도달한 경우) 즉시 작동을 멈추고 초기 위치로 돌아가게끔 제어한다.

정상적으로 목표 스텝 수에 도달하여 반지 확장이 완료된 경우, 알고리즘 도입부의 초기 위치 설정 프로세스와 동일한 방법으로 초기 위치로 장치를 원복시켜 초기 상태로 돌아간다.

모터 변경, 센서 추가 등의 모든 변경된 사양을 종합하여 알고리즘을 개선한 결과는 아래와 같다.

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

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포스터

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개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

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부록

참고문헌 및 참고사이트

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소프트웨어 프로그램 소스

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