"금요일에 만나요"의 두 판 사이의 차이

2021년 6월 17일 (목) 19:30 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 스텝 모터를 이용한 자이로스코프 식재료 혼합기

영문 : Gyroscopic Food Mixer Using Step Motor

과제 팀명

금요일에 만나요

지도교수

홍*식 교수님

개발기간

2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 전*솔(팀장)

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 배*지

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 이*호

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 한*진

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20184500** 유*리

서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 20154500** 한*규

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 개발 과제는 대량 혼합만 가능했던 기존 자동 혼합기를 소형화도 가능하케 하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 믹싱볼(mixing bowl)과 믹싱볼을 감싸는 서로 다른 2개의 수직 축의 회전 링을 회전 모터와 아두이노를 이용하여 재료가 모든 방향으로 혼합될 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다. 회전모터의 가속과 감속 그리고 내부볼의 돌기를 통하여 랜덤 방식의 회전을 구현한다. 가정에서도 쉽게 사용할 수 있고 식당, 군대 등에서 식재료를 대량으로 만들 때에도 주로 사용할 수 있다. 혼합되는 식재료에 따른 최적의 혼합 강도를 설정함과 아울러 식재료와 소스 등이 자동으로 혼합되어 인간의 노동과 시간을 절약하는데, 그 목적이 있다.

개발 과제의 배경

일반적으로 음식 재료를 혼합하는 방법은 두 가지이다. 첫째, 일반 그릇에 식재료를 넣고 주걱이나 비닐장갑을 활용하여 사람이 직접 혼합하는 방식이다. 이 방법의 경우 사람의 직접적인 노동이 필요하기 때문에 음식 재료를 혼합하는 동안 다른 업무를 하지 못한다. 두 번째로, 레미콘 믹싱 장치 등과 같이 기계 내부의 혼합기를 활용하여 자동으로 음식 재료를 혼합하는 방식이다. 레미콘 믹싱 장치는 재료를 넣고 장치를 작동시키면 혼합기가 돌아가고, 혼합기와 접촉하는 재료들을 움직여 혼합시키는 원리를 이용한다. 본 발명은 스텝 모터의 감속과 가속 방식과 자이로스코프 원리를 이용해 회전 방향에 랜덤성을 부여하여 혼합 성능을 향상시킨다.

본 발명은 가정에서의 소량 조리 뿐만 아니라 학교 급식실이나 군대, 대중식당 등에서 샐러드나 닭강정, 볶음밥 등을 대량으로 만들 때 주로 사용하는 음식물 혼합기에 관한 것이다.

종래에는 이와 같은 목적으로 사용하기에 적합한 음식물 혼합기가 없었기 때문에 대량의 식품을 일시에 제공할 수 없어 손님들이 장시간 대기하거나 아니면 미리 준비한 경우는 음식물이 식거나 굳어져서 음식맛을 상실케하는 폐단이 있었다. 또한 음식을 준비하는 사람의 노동력과 시간이 다소 많이 소요되는 문제점도 있었다.

식재료를 2개의 축을 이용하여 효율적으로 혼합함으로써 음식제조 시간을 단축시킬 수 있고, 음식의 종류에 따라 다양한 모드 중 하나를 적절하게 설정함으로써 재료의 본연의 맛을 살리고, 품질을 일정하게 유지시켜 준다. 이 뿐만 아니라, 부족한 인력을 대체하는 효과를 학교 급식실이나 군대, 대중 식당 등에 가져다줄 것이고, 홈메이드 음식의 접근성도 높일 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

식재료 혼합기의 본질에 맞게 식재료 혼합 성능 향상을 최우선 목표로 설정한다. 믹싱볼 내부에 돌기를 부착하여 구의 회전 랜덤성을 증가시킨다. 식재료에 따른 혼합 정도를 모터의 회전수를 다르게 하여 찾는다. 식재료가 구동 중에 누출되지 않는 것을 두 번째 목표로 믹싱볼 접합부에서 물을 통해 액체가 새고 있는지 측정한다. 믹싱볼 내부에 식재료를 넣고 빼기 위한 분리와 조립의 용이성, 가격 경쟁력 등을 각각의 기준에 맞게 목표를 설정한다.

개발 일정

구성원 및 추진체계

배예지 : 발명품의 디자인 설계, 발명품에 대한 피드백 후 디자인 수정, 최종 디자인 확정
전은솔 : 금요일에 만나요 팀장. 식품 기계 시장조사, 소재 결정 및 단가 조사
유혜리 : 발명품 실제 디자인 설계, 물품 구입 및 시제품 제작
이승호 : 시제품 제작 및 테스트 진행, 시제품에 대한 보완점 확인
한대규 : 시제품에 예상되는 이론값 실제값과 비교, 개선 방향 설정
한유진 : 개선점을 반영하여 제품의 디자인 및 설계 수정, 최종 제품 제작

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

1.발명품의 궁극적인 목적인 식재료 혼합 능력을 평가하기 위한 효과성 테스트

- 방법 : 발명품 내부에 양배추 샐러드와 소스 / 순살 치킨과 치킨 소스 / 만두소 재료를 넣고 각 식재료에 맞는 조리 속도와 조리 기구를 이용했을 때 식재료가 부서지거나 으깨지지 않고, 골고루 섞여 랜덤한 패턴을 완성하는데 얼마의 시간이 소요되는지 측정함.

- 개발목표치 : 3분 이하

2.발명품의 내구성과 관련된 축 강도 테스트

- 방법 : 발명품 내부에 튀김 가루와 같은 1.0kg의 식재료를 넣고 동작시켰을 때 축에 이상 없이 정상적으로 작동하는 시간을 측정함. (최대 20분 작동시킴.)

- 개발목표치 : 10분 이상

3.발명품 자체의 내구성 테스트

- 방법 : 발명품을 바닥에서 작동 / 미작동 상태에서, 1m의 높이에서 다양한 무게의 추를 자유 낙하시켜 충격을 가함. 이때, 이상 없이 정상 작동 가능한 추의 최대 무게를 확인함.

- 개발목표치 : 5kg 이상

4.발명품 정상 작동에 필요한 밀폐성 테스트

- 방법 : 발명품 내부에 물 200mL를 넣고 가장 느린 / 빠른 속도로 작동시켰을 때 회전에 의해 뚜껑 등의 이음새 부분 사이로 새어나오는 액체의 양을 측정함.

- 개발목표치 : 테스트 용량의 5% 이하

5.발명품의 수용 가능 용량 테스트

- 방법 : 발명품 내부에 물 / 튀김 가루를 넣어 뚜껑이 잘 닫히는 수준의 최대 용량과 가장 느린 속도로의 작동이 1분 동안 원활한 수준의 최대 용량을 모두 확인함.

- 개발목표치 : 모두 2L 이상

6.발명품의 오작동 테스트

- 방법 : 시간 계기판에 표시된 시간 간격이 실제 시간 간격과 일치하는지 5분간 핸드폰 타이머와 비교함.

- 개발목표치 : 1초 이하

개념설계안

◇ 본 조는 대량 혼합만 가능했던 기존 자동 혼합기를 소형화하여 가정이나 소규모의 식당에서도 쉽게 사용할 수 있는 방안에 대하여 고민해 보았다. 이에 혼합되는 식재료에 따라 최적의 혼합 강도를 설정하고 믹싱볼 내부의 날개를 재료에 맞게 교체할 수 있는 식재료 혼합기를 고안하였다. 이를 통해 식재료와 소스가 자동으로 혼합되어 사람의 노동력과 시간을 절약할 수 있다.

◇ 첫 번째로, 자이로스코프의 원리를 이용하여 믹싱볼을 회전시킨다. 혼합기의 전체적인 구조는 모터에 연결된 제 1 고리와 그 안쪽에 연결된 제 2고리, 믹싱볼로 구성되어 있다. 제 1축과 연결된 스텝 모터를 작동시키면 스텝 모터의 회전 속도에 따라 믹싱볼이 랜덤한 방향으로 돌아가며 식재료를 혼합할 수 있다.

◇ 다음으로 받침부에는 3개의 작동버튼 및 취소 버튼과 남은 작동시간을 보여주는 디스플레이가 정면 방향에 위치한다. 약 버튼, 중 버튼, 강 버튼은 혼합기의 회전 세기를 조절할 수 있으며, 한 번 누를 때마다 작동 시간이 30초씩 추가된다. 세기 조절 버튼을 누르면 해당 버튼의 아래에 위치한 작동표시 LED에 불빛이 들어와 현재 어떤 세기로 회전 중인지 확인이 가능하다. 또한 식재료 혼합을 중단하고 싶거나 다른 혼합 세기로 바꾸고 싶을 때에는 취소 버튼을 눌러 혼합을 중단할 수 있다.

◇ 축과 연결된 스텝 모터는 축 직경이 5mm 이므로 제 1축과 연결하여 효과적으로 토크를 전달하기 위해서 추가적인 장치가 필요하다. 이에 본 조는 커플링을 사용하여 모터의 동력을 전달하고 진동을 감소시켰다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

◇ 자이로스코프는 회전과 감속을 할 때 관성에 의해 랜덤 모션으로 운동한다. 본 조의 자이로스코프를 이용한 자동 식재료 혼합기는 믹싱볼이 2축에 위치하고, 회전 모터의 가속과 감속 그리고 믹싱볼 내부의 혼합형 돌기를 통해 랜덤 모션을 구현한다. 믹싱 시뮬레이션을 위해 Altair EDEM을 사용한다. 이산 요소 방법(DEM)을 기반으로 하는 EDEM 소프트웨어를 통해 우리는 고체의 동작을 정확하게 시뮬레이션하고 분석할 수 있고 프로세스에 대한 주요 정보를 제공받을 수 있다. 우리는 이를 통해 믹싱볼 내부의 입자 흐름을 분석하고 시각화할 수 있다.

◇ 축 지름

믹싱볼의 회전에 있어서 가장 많은 응력 집중이 발생하는 곳은 축이다. 이러한 축 지름을 이론적으로 계산해 보았다. 모터의 정격 출력 로 나타낼 수 있는데, 스텝 모터는 정격회전속도가 없기 때문에 출력을 표시하는 것은 불가능하다. 그러므로 우리가 사용하려는 NK245-03AT 스텝 모터의 순간 최대 토크를 통해 허용 가능한 축 지름을 구하였다. 우리가 사용하려는 모터는 홀딩 토크가 0.55Nm이다.

::

축은 3D 프린터의 소재인 PLA를 사용한다. PLA는 일반 플라스틱과 유사한 강도를 지니고 내충격, 내수성, 전기적 성질이 우수하다. 이러한 PLA는 전단 강도가 약 360kgf/cm2로 안전 계수를 1.2로 놓으면 허용 전단 응력 30Mpa로 나타난다. 원형축일 때, 허용 축지름은 2.15cm이다.

◇ 혼합 성능 실험

사각 양배추(10조각) + 돈까스소스(21.5ml)

- 소스를 먼저 넣고 양배추를 넣는다.

- 믹싱볼작동은 10초씩진행한다.

- 각 조건을 1번씩 진행한 뒤, 사각 양배추의 양면 사진을 찍어 소스가 묻은 면적을 계산한다.

- 소스가 묻은 면적/ 사각 양배추 하나의 면적의 비율을 계산하여 비교한다.

- 각 조건마다 정해진 시간 동안 섞는다.

- 정해진 5방향의 위치에서 섞인 밥을 1스푼 퍼담는다.

- 정해진 면적에 맞게 누른 후 분석한다.

상세설계 내용

부품도

◇ 받침부에 달려있으며, 식재료 혼합기의 작동 세기와 시간을 조절할 수 있도록 하는 작동버튼이다. 지름은 1cm로 제작하며, 받침부와 같은 플라스틱 재질로 제작한다. 작동 버튼을 포함하여 사용자가 버튼을 눌러 옵션을 선택할 수 있다. 옵션의 종류는 아래와 같다.

회전의 세기 – 약, 중, 강 모드 중 선택 가능
작동 시간 – 버튼을 누를 때마다 30초씩 추가
실행취소 – 실행취소 버튼을 눌러 설정한 작동시간이 되기 전에 취소 가능

◇ 다음으로는 믹싱볼 내부에 들어가는 교반축과 구 내부 돌기의 모양이다. 구 내부 돌기는 믹싱볼 한쪽에만 부착하여 비대칭으로 인한 자이로스코프 움직임을 더욱 확연하게 볼 수 있었다. 식재료가 이러한 돌기에 걸려 따라 올라가다가 떨어지며 혼합 성능이 대폭 상승했다. 우리는 혼합 식재료에 맞는 축을 생각해 보았다. 만두소나 반죽을 섞기 위한 교반축이다. 교반축이 반죽 속에서도 쉽게 돌아갈 수 있도록 저항이 적은 형태를 취하였다. 교반축도 자유롭게 회전할 수 있도록 축 양쪽에 무게를 추가하여 교반축에 걸리는 토크를 높혔다.

조립도

다음은 식재료 혼합기를 정면에서 보았을 때 조립도를 나타낸 것이다. 식재료 혼합기의 조립 순서는 다음과 같다.

믹싱볼 뚜껑 : 믹싱볼은 상부 뚜껑과 하부 용기로 분리된다. 뚜껑은 제 1고리로부터 탈부착이 가능하며, 뚜껑의 개폐가 가능하여 개별적으로 세척이 가능하다. 믹싱볼 외부의 버클은 식재료가 밖으로 새어나오지 않도록 하는 역할을 한다. 믹싱볼 위아래 틈에 의존하여 고정을 하게 될 경우 믹싱볼이 회전하면서 뚜껑이 분리될 수 있기 때문에 믹싱볼 외부에 2개의 버클을 부착하여 고정 역할을 하도록 한다.
제 1축 연결부 : 제 1축은 제 1고리과 연결되어 있다. 이를 조립하기 위해 제 1고리에 볼 베어링을 우선적으로 부착한 후, 제 2축을 볼 베어링 사이 틈으로 넣어 제 3축과 같은 방식으로 고정한다.
제 1축 연결부 및 모터 : 제 1축은 혼합기 본체의 모터와 제 1고리를 이어주는 역할을 한다. 이때에는 볼 베어링을 사용하지 않고, 모터의 힘으로만 회전한다. 모터의 축과 제 1고리를 연결하기 위해 양쪽 내경의 크기가 다른 카플링(coupling)을 사용하여 고정한다. 따라서 조립 순서는 받침부의 모터와 카플 링을 먼저 연결 후, 카플링의 반대 방향 구멍에 제 1축을 연결하여 고정한다.
버튼 및 시간 표시장치 : 아두이노 키트와 회로를 받침부에 먼저 연결한 후, 시간을 표시해주는 디스플레이와 3D프린팅을 통해 제작한 버튼 4개를 적절한 위치에 조립한다.
외부 덮개 : 모든 혼합기 요소들을 조립한 후 외부 덮개를 연결한다. 혼합기 받침부의 양쪽에 덮개 고정장치를 조립하고, 외부 투명 아크릴 덮개의 정면에 덮개 손잡이를 사용자가 여닫기 편한 위치에 조립한다.

제어부 및 회로설계

소프트웨어 설계

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

◇ 자이로스코프 모션 확인을 위한 프로토타입

◇ 프로토타입 설계 완성작

◇ 완성된 작품의 프로토타입 사진

포스터

완료작품의 평가

향후계획

냉각장치 적용

본 설계는 가정 및 학교 급식실이나 군대, 대중 식당 등에서 사용할 수 있는 고상과 액상의 음식 재료를 효율적으로 혼합할 수 있는 장치에 관한 것이다. 이러한 식재료를 섞기 위하여 동력전달장치인 스텝 모터가 작동하는데 저항에 의한 온도 상승이 높다. 고온에서의 스텝 모터와 스텝 모터 드라이버의 장시간 노출은 열화가 우려되기 때문에 성능 개선을 위해 추가적인 냉각 장치가 필요하다. 냉각 팬과 같은 장치를 달아 외부의 공기를 이용하여 장치를 효과적으로 냉각할 수 있다.

믹싱볼의 소재 변경

현재 믹싱볼의 성능을 평가하기 위해 내부가 보이는 아크릴 소재의 구를 사용하였다. 이에 따라 선택할 수 있는 구의 크기와 두께 등이 정해져 있고 쉽게 부셔져 제작하는 데에 어려움이 있었다. 하지만 실제 제품을 만들 때에는 강도가 뛰어나고 식재료와의 반응성도 적은 스테인레스나 알루미늄 소재를 사용하여 제작할 수 있다.

특허 출원 내용

내용

@@ 187번째 줄: / 187번째 줄: @@
 :
 :◇ 자이로스코프 모션 확인을 위한 프로토타입
-::::[[파일:프로토_금요일.jpg]]
+::::[[파일:프로토_모션확인.jpg]]
 :◇ 프로토타입 설계 완성작