매카트로닉스 리포트 자료 #1

1. 연습문제 1-4 자동카메라에서 메카트로닉스의 응용 예를 조사해 보아라.

 자동카메라 초점 위치를 잡기 위한 렌즈 간격 조절 모터 제어 시스템

2. 연습문제 2-2 자동차의 주행 거리계의 메카니즘에 대해 조사하여 나타내라.

-          자동차의 속도계와 거리계는 회전수를 줄이기 위해 윔 기어를 이용하는데요.

 거리계를 보면 마지막에 있는 숫자 드럼은 10만 킬로미터마다 한 눈금씩 돌아가지만 그것을 움직이는 전동축은 그 사이에 수억 번 회전하게 됩니다.

속도계와 거리계는 플렉시블 케이블에 의해 작동되는데, 이 케이블 속에는 회전하는 도선이 들어 있는데 전동축에 달려 있는 큰 웜 기어에 의해서 돌아가는 작은 구동 기어에 연결되어 있습니다. 이처럼 속도계 내부에서 회전하는 도선이 자기 유도에 의해 속도계릐 지시 바늘을 돌리게 되지요.

 도선의 회전은 다음 웜 기어에 의해서 또 다시 감속되어 거리계를 회전시키게 됩니다. 또한 거리계 안에도 감속 기어가 있어 각각의 숫자 드럼이 오른쪽 숫자 드럼의 1/10의 속도로 회전하게 되어 있습니다.

3. 연습문제 4-2 PNPN 접합의 사이리스터의 동작원리를 2기의 트랜지스터의 결합으로 설명하라.

제어단자(G)로부터 음극(K)에 전류를 흘리는 것으로, 양극(A)과 음극(K) 사이를 도통(導通)시킬 수 있는 3단자의 반도체 소자이다. 실리콘제어정류기(Silicon Controlled Rectifier,SCR)라고도 불린다. PNPN의 4중 구조를 하고 있다. P형 반도체로부터 게이트 단자를 꺼내고 있는 것을 P게이트, N형 반도체로부터 게이트 단자를 꺼내고 있는 것을 N게이트라고 부른다. 원리는 그림과 같이 PNP 트랜지스터와 NPN 트랜지스터를 조합한 복합 회로와 등가이다.

게이트에 일정한 전류를 통과시키면 양극과 음극간이 도통(導通, turn on)한다. 도통을 정지(턴 오프)하기 위해서는, 양극과 음극간의 전류를 일정치 이하로 할 필요가 있다.

이 특징을 살려 한 번 도통시키면 통과전류가 0이 될 때까지 도통 상태를 유지해야 하는 곳에 사용된다(카메라의 strobe 제어 등). 특히 대전력을 제어할 경우 전류 0의 타이밍에 OFF가 되기 때문에 서지 방지가 뛰어나다.

4. 연습문제 6-2 유압 모터의 구조와 작동 원리에 대해 논하라.

2) 유압모터

A.기어모터
케이싱 내에 2개 이상의 기어가 조합되어 유압의 액체에 의해서 기어가 회전하는 형식의 유압 모터를 말한다.
기어 모터는 구조적으로 기어 펌프와 동일하며, 물림점 주위의 기어 이와 이로 둘러싸여 있는 기어 잇면에 작용하는 압력의 면적 차이에 의해서 회전력이 발생된다.
기어는 보통 평기어를 사용하거나 헬리컬기어를 많이 사용한다.
     
    
B.베인모터
로터 내에 캠 링에 접촉되어 있는 베인이 설치되어 베인과 베인 사이에 유입된 유체에 의해서 로터가 회전하는 형식의 유압 모터를 말한다.
기본구조는 베인퍼프와 유사하나 펌프의 경우와는 달리 배인을 캠링에 밀어 붙이는 기구가 필요하다.
종류로는 로커암식과 캠로터식이 있다.
 

 

C.피스톤모터
플런저 모터라고도 부르며 피스톤펌프와 구조가 유사하다. 기어모터나 베인모터에 비해 고압 작동에 적합하다.
종류로는 레이디얼피스톤모터와 액셜피스톤모터가 있다.
 
D.요동모터
360도 이내에서 회전운동을 하는 유압 엑츄에이터로 링크기구나 감속기구등을 사용하지 않고도 작은 크기로 큰 토크를 얻을 수 있다.
종류로는 베인식 요동모터와 피스톤식 요동모터가 있다.
     
     
    
유압구동시스템의 장점
   
1) 전동기에 비해 쉽게 급속정지 시킬 수 있으며, 광범위한 무단변속을 얻을 수 있다.
2) 소형이고 가벼우면서 강력힘 힘들 얻을 수 있다.
3) 반응속도가 매우 빨라, 힘과 속도를 자유롭게 변속이 가능하다.
4) 시동, 정지, 역전, 변속, 가속 등을 간단한 제어시스템으로 제어가 가능하다.
5) 과부하에 대한 안전장치나 브레이크가 용이하다.
7) 원격조작이 가능하고, 수동 또는 자동조작이 가능하다.
8) 내구성 및 윤활특성이 좋다.
9) 과잉하중으로부터 작업 장치를 쉽게 보호할 수 있다.

5. 연습문제 6-3 스테핑 모터의 작동원리에 대해 논하라.

아래그림과 같이 회전자(Rotor)둘레에 50개의 치(Teeth)가 있고, 고정자(Stator)의 내경에 48개의 치가 있는 모타를 예로 들어보자.
  

                        

그림에서 보는 바와같이  고정자의 치피치(Tooth-pitch)는 7.5˚이고 회전자의 치피치는 7.2˚이다.  따라서 회전자의 치 r 과 고정자의 치 s는 최소 0.3˚의 각도차를 가지고 있게된다.이제 A상을 여자시키면 회전자의 r1번과 고정자의 s1번, 그리고 r26번과 s25번치가 일치(Alignment)하게 된다.  이제 A상을 off하고 B상을 여자시키면 r7번과 s7번치, 그리고 r32번과 s31번치가 일치하도록 회전을 하게된다 ( 이는 고정자의 실질 상수가 8개이므로 A상을 여자시켰을 때 일치한 회전자의 치로부터 다음 B상에 가장 가까운 회전자의 치는 A상을 여자시켰을 때 일치한 치로부터 7 번째치가 되기 때문이다. ).   A상을 여자시켰을 때 r7과 s7의 각도차는
          ( 7.5˚ - 7.2˚ ) x 6 = 1.8˚
이기 때문에 기본회전스텝각은 1.8˚가 된다.
회전방향을 반대로 하고자하면 상기의 여자순서를 반대로 하면 된다.
실질적인 고정자와 회전자의 구조는 아래와 같다.

                       

6. 연습문제 7-4 정전 용량형 센서의 동작 원리와 특징을 기술하라.

정전용량형은 이전에 유도식이 인덕턴스 변화를 했던 것과 유사하게 발진회로의 커패시턴스(정전용량) 값을 변화시켜 근접 물질을 검출하는 방식입니다.


검출물체가 센서에 접근하면 검출전극과 대지 간 정전용량이 증가하는 것을 이용해 물체를 검출합니다.

우선 정전용량형 근접 센서는 접지전극을 갖는 것과 그렇지 않은 것 이 두 가지로 구성되어 있습니다. 여기 보면 좌측은 접지전극 갖는 거, 우측은 그렇지 않은 것입니다. 여기서 보상 전극은 무엇이나면 일반적으로 주전극과 접지 사이에 자기장 루프가 형성이 되는데요, 여기 보면 그 사이의 공간은 비어있게 됩니다. 이는 특히 외부에 오염물질이 달라붙으면 전극이 활동하는 데 방해되어 그 경향이 더욱 심해집니다. 이 때, 이를 극복하는 방법은 보상 전극을 하나 더 둬서, 주전극과 루프를 형성하게 하는 겁니다.

7. 연습문제 7-15 속도 및 회전 위치를 검출할 수 있는 방법에 대해 써라.

영구 자석을 이용한 속도 및 회전 위치 를 검출

8. 연습문제 8-4 PLC의 출현 배경과 특성에 대해 설명하라.

자동화 초기 단계에는 릴레이(유접점)가 활용됐는데, 릴레이 사용 시 단순함과 저렴함이라는 효과를 얻을 수 있었음에도 수명에 한계가 있는데다가 제어 환경 변화 시 모든 회로를 재구성해야 하는 번거로움이 발생했다.

이에 GM(General Motors)사가 자동차 조립 라인에 사용할 새로운 제어 장치를 구매하기 위해 제어장치가 구비해야 할 10가지 조건을 명시했고, 이것이 PLC의 출현 동기가 되었다.

1970년대 중반 여러 개의 프로세서가 장착된 PLC가 등장하기 시작했고, 70년대 후반부터 16bit 마이크로프로세서가 CPU로 채택됐다.

80년대에 들어와 전 산업 분야에서 일반화, 지능형 I/O 모듈과 고기능 통신 장치가 개발되어 상위 컴퓨터와의 통신이 원활해졌으며, 다양한 소프트웨어와 컴퓨터를 통한 프로그램 작성도 가능해졌다. 80년대 중반부터는 PLC, 컴퓨터, 로봇 등을 통합한 CIM(Computer Intergrated Manufacturing, 총합화 생산 시스템)의 개념이 발전하기 시작했고, 90년대에 이르러서는 퍼지 이론을 도입한 퍼지 모듈과 전용 퍼지 제어기가 등장했다.

이로 인해 작업 지시나 작업 정보를 컴퓨터로부터 수신하고 전송할 수 있게 되었고 이는 곧 고생산성으로 이어졌다.