매카트로닉스 리포트 자료 #2

1. (연습문제 1-2) 메카트로닉스의 발전에 대해 논하라.

메카트로닉스는 메카니즘, 메카닉스와 일렉트로닉스의 합성어로서 1975년경 일본에서 만들어져 1980년을 전후로 정착된 조어이다.

즉, 메카트로닉스의 메카는 기구나 기계요소등의 기계기술을 의미하고, 트로닉스는 제어 알고리즘이나 제어요소등의 전자기술을 의미한다. 따라서 메카트로닉스는 기계적 요소와 전자적 요소를 모두 적재적소에 사용하여, 종래의 기계적이거나 아날로그적 혹은 하드웨어적인 자동화를 전자적, 디지털적 혹은 소프트웨어적인 자동화로 바꾸는 기술을 의미한다. 그리고 이러한 특징을 가진 계(system)나 기기를 메카트로닉스계 또는 메카트로닉스 기기라고 한다.

메카트로닉스의 사고방식은 1960년대 자동화 및 에너지 절감을 위해서 주창되었던 "기전일체화", 즉 기계와 전기, 전자를 일체화 시켜 그 기능을 향상시키고자 한 생각과 같은 것이다. 그러나 메카트로닉스가 종전의 "기전일체화" 기술과는 다른 최대의 특징은 마이크로프로세서를 포함한 마이크로일렉트로닉스라는 새롭고도 유용한 구성요소가 더해져서 소프트웨어 즉, 프로그래밍 측면의 기능이 강화된 점이다.

2. (연습문제 1-3) NC 공작기계에서 메카트로닉스의 응용 부분을 조사해 보아라.

CNC 시스템은 크게 NCK(Numerical Control Kernel, 수치 제어 커널), HMI(Human Machine Interface, 인간 기계 상호작용), PLC(Programmable Logic Controller, 프로그래밍 가능 로직 컨트롤러)를 포함하고 있는 CNC(Computer Numerical Control, 컴퓨터 수치 제어)부와 서보 드라이브 및 모터, 스핀들 드라이브 및 모터로 나뉘어 구성되어 있다.

이 중 CNC는 코드화된 데이터를 포함하는 가공 프로그램(NC 파트 프로그램)을 통해 공작기계의 기능과 모션을 제어하는 고부가가치 장치이며, 공작물 또는 공구의 모션, 피드, 절삭 깊이, 속도와 같은 입력 파라미터(매개변수), 스핀들 모터와 절삭유의 작동 및 정지 기능을 제어한다.

NCK는 CNC의 핵심 부분으로, 사용자가 작성한 가공 프로그램을 해석해 축 동작 명령으로 변환시키고, 위치 제어, 오차보상 등을 수행함으로써 서보 시스템을 제어해 공작물 가공이 이뤄지도록 지원한다.

HMI의 경우 기계(제어기)와 작업자 간의 상호작용이 원활하게 이뤄지도록 조정하는 인터페이스로, 기계 조작 명령, 기계 상태의 화면 표시, 가공 프로그램 작성, 외부와의 통신 등을 수행한다.

PLC는 공구 및 공작물의 교환 제어와 기계 입출력 신호처리 등과 같은 시퀀스 제어를 담당하며, 축 동작을 제외한 각종 보조적인 기계 동작을 제어한다. 서보 모터 및 드라이브는 CNC의 지령에 따라 공작기계의 축이 정확한 위치로 이송되도록 하는 역할을 수행하는 장치이며, 스핀들 모터 및 드라이브는 공작물 또는 공구를 정·역방향으로 회전시키고, 회전 속도를 제어해 절삭에 필요한 동력을 공급한다.

3. 로봇에서 메카트로닉스의 응용 부분을 조사해 보아라.

①    기구(mechanism) : 기계적인 운동 전달과 관련이 있는 기계 장치 및 요소로서 구현하고자 하는 동작을 실현하는 기계 요소들의 조합

②    구동기(actuator) : 기구를 움직이기 위한 구동원. 다양한 종류의 모터(직류모터, 교류모터, 서보모터, 스테핑모터 등등), 유압이나 공압을 이용하는 실린더 등 기구에 운동을 부여하는 동력원

③    검출기(sensor) : 기구부를 통해 발생하는 결과 및 각종 상태를 측정하는 장치. 기구의 상태로는 위치, 속도, 가속도, 힘, 거리, 소음 등 매우 다양. 이러한 물리량을 전압이나 주파수의 아날로그 신호로 변환. 컴퓨터로 메카트로닉스 시스템을 제어할 경우 컴퓨터는 아날로그 신호를 인식할 수 없으므로 A/D변환기(Analog to Digital converter)를 통해 센서의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해야 함.

④    제어기(controller) : 검출기로부터 획득된 신호를 바탕으로 구동기나 기구의 상태가 원하는 상태로 되었는지의 여부를 판단하고 만약 다르다면 수정 동작을 지령하는 프로그램 및 관련 장치

예)사람의 몸과 산업용 로봇의 비교

  메카트로닉스 시스템 관점에서의 사람과 로봇의 비교

 

4. (연습문제 1-5) 메카트로닉스의 효용을 설명하라.

1)     유연성의 향상

-      메카트로닉스화의 최대 효용은
기계에 신기능을 갖게 하여 유연성을 향상시키는 것에 있음

-      대부분은 마이크로프로세서의 작용에 의한 것임

2)     비접촉화, 저소음 정지 기기화와 고신뢰화 향상

-      비접촉화 이뤄짐 : 최근 반도체 스위치로 치환된 소위 브러시리스 모터 출현 압도적으로 트러블이 적어졌고 동시에 전자화 됨으로써
가동부가 작게 되고 저소음 정지 기기화가 실현되었음

3) 소형 경량화와 고신뢰화

- 메카트로닉스는 일렉트로닉스와 기구의 융합에 의한 산물

- 일렉트로닉스를 담당하는 전자 회로가 반도체 회로의 IC화 등에 의해 메카트로닉스 장치의 소형화에 기여함

- 반도체 회로의 IC화가 부품 개수의 감소로 연결되어 신뢰성을 향상시킴

4) 고정도화, 고속화

- 기구 주체의 기기에서는 얻을 수 없는 고정도화, 고속화가
디지털 제어나 소프트웨어 서보의 실현,
파워 일렉트로닉스 분야의 기술 진전에 의해 가능하게 되었음

 

 

 

 

 

5. (연습문제 1-6) 메카트로닉스의 구성요소를 설명하여라.

1)     메커니즘

2)     액추에이터와 그의 구동장치 (actuator and drive system)

-      액추에이터 : 메커니즘을 움직이기 위해서는 필요한 구동원

전력을 이용하는 모터
(직류 모터, 교류 모터, 펄스 모터, 리니어 모터 등),
유압이나 공압을 이용하는 모터 등이 있음

-      구동장치 : 컨트롤러(계산기)로부터의 지령을 파워 업 하여
액추에이터에 전달하기 위한 파워일렉트로닉스

-      장치파워일렉트로닉스가 발달함에 따라
모터를 움직이게 하는 전력 제어계는
소형화되고 제어도 간편하게 되고 있음

-      직류 모터, 교류 모터 : 간단하면서도 고정밀로 제어할 수 있음

 

 

 

 

3)     센서 (sensor)

센서는 정밀도나 정확도가 문제이며, 어떤 환경에서도 확실하게 동작해야 함

 

4)     컨트롤러 (controller)

- 제어 기술은 소프트웨어 기술임

- 센서로부터의 신호를 바탕으로
액추에이터나 메커니즘 상태가 바람직한 값(목표값)으로 되어 있는지를 판단하여 다르다면 수정 동작을 지령하도록 프로그램을 만드는 기술

- 폐루프 시스템을 구성하고 있는 경우가 많음

피드백계 혹은 피드백 제어계라고도

5)     메카트로닉스에 있어서의 정보와 에너지의 흐름:

-      는 당연히 질량을 갖는 것이며
계산기로부터의 출력인 신호만으로는 움직이지 않음

-      트로닉스 시스템에서는
에너지원(전원, 유압원, 공기압원 등)이 필요함