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중소기업 기술혁신개발사업 최종보고서

마이크로 충격시험기 개발

년 월 일2003 5 30

주 관 기 업 파워엠엔씨

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제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 마이크로 충격시험기 개발 에 관한 중소기업 기술혁신개발사업“[ ] ”

개발기간 과제의 최종보고서로 제출합니다( : 2002.4. ~2003.3. ) .

년 월 일2003 5 30

주관기업 : 주 파워엠엔씨( )과제책임자 : 전 재 영개발참여기업 :위탁연구기관 :

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요 약 서 초 록( )

과 제 명마이크로 충격시험기 개발

(Development of Micro Impact Tester)

주 관 기 업 주 파워엠엔씨( ) 과제책임자 전재영

개 발 기 간 개월2002. 4. ~ 2003. 3. ( 12 )

총개발사업비

천원( )

정부출연금 69,000 총개발

사업비102,673

기업부담금현금 22,031현물 11,642

위탁연구기관

개발참여기업주요기술용어

개(6~10 )충격시험기 납땜 접합부 결함 충격에너지 자동반복, , , , ,

기술개발목표1.

전자 통신기기 및 부품의 내충격 강도특성 시험을 통해 접합부의 성능평가,

및 최적 접합 공정조건을 제시할 수 있는 마이크로 충격시험기 및 측정시스템

을 개발

기술개발의 목적 및 중요성2.

마이크로일렉트로닉스 및 이들을 응용한 전자 정보통신기기는 세기 정보화, 21

사회의 중심에 서 있으며 시장 또한 거대하여 일본의 경우 연간 약 조원, 400

정도로 추정되고 있다 중국시장에서 가장 경쟁력 있는 한국제품이. Cellular

핸드 폰 임을 생각한다면 우리나라의 경제가 정보통신기기에 거는 기Phone ( ) ,

대는 참으로 크다고 할 것이다.

우리나라의 자동차제품이 우수한 품질에도 불구하고 중국시장에서 거의 판매

가 되지 않는 이유도 사후 수리 서비스부족과 높은 고장률 때문이라고 한다.

특히 정보통신기기는 그 특성상 잠시라도 사용하지 않으면 업무가 중단되기

때문에 이의 신뢰성 문제는 기기의 사활을 걸만큼 중요하다고 할 것이다.

본기기의 통신장비의 여러 고장 요인 중에서 전자부품 납땜 접합부의 충격강

도 측정 및 내구성 실험이 가능한 장비로 전자제품의 신뢰성 향상에 그 목적

이 있다.

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기술개발의 내용 및 범위3.

전자 통신기기의 사용 환경에 맞는 시험방법 및 시험장치 개발- ,

충격하중 측정 및 고속신호처리 알고리즘 개발-

반복시험용 무인 자동 운전 및 측정기록시스템 개발-

시험결과 분석 및 관리시스템 개발-

기술개발 결과4.

모터를 이용한 해머자동 이송장치 설계완료-

의 솔더 접합부 결함 발생 검사- PCB

동특성 힘 센서를 이용하여 충격량을 디지털 값으로 측정-

기대효과5.

- 기술적 측면

전자 정보 통신기기의 접합부 강도에 대한 객관적 데이터 확보,•

전자 정보 통신기기의 부품 강도에 대한 표준화된 검사,•

접속부에 대한 경박 단소화로 기술 개발에 기여•

- 경제적 측면

국내 전자 정보 통신기기의 고장률 감소로 제품 신뢰성 향상,•

전자 통신 기기의 매출 및 수출 증대에 기여,•

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목 차

제 장 연구개발 과제의 개요1

제 절 연구 개발 목표1

제 장 국내외 기술 개발 현황2

제 절 국내 기술개발 현황1

제 절 국외 기술 개발 현황2

제 장 연구 개발 수행 내용 및 결과3

제 절 마이크로 충격시험기 설계 및 제작1

제 절 시험기 설치 및 실험2

제 장 연구개발 목표 달성도 및 대외 기여도4

제 절 연구 개발 목표 및 달성도1

제 절 대외 기여도2

제 장 연구 개발 결과의 활용 계획5

제 절 개발제품의 판매 수출 등 사업화 방법1 ㆍ

제 장 참고문헌6

부록

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개발품 마이크로충격시험기( , POWER MnC)

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제 장 연구개발 과제의 개요1

최근 휴대전화나 카메라 일체형PHS(Personal Hand-phone System), Note PC,

등의 휴대정보기기의 금속한 보급에 따라 각종 전기 전자기기는 소형화 경량VTR , , ,

화 고기능화 고속화의 요구가 높아짐에 따라 집적회로 의 소형화도 요구되고, , (IC)

있다 이로 인하여 기술이 사용되고 있다 표면실장기술. SMT . (SMT: Surface Mount

은 전자부품을 에 접속할 때 부품구멍에 의하지 않고 표면의 접속Technology) PCB

패턴에 솔더린을 통해 접속하는 기술을 의미한다 이 기술에 의해 부품의 미소화. ,

리드핀의 협칩화에 대응이 가능해져 고밀도 실장이 실현되고 있다 그러나 솔더 접.

합부는 아주 작고 접속강도가 약하기 때문에 충격이나 휨 등의 외부로부터의 응력,

에 대하여 탈락과 솔더 접합부의 크랙이 발생하는 등의 접속 신뢰성이 확보되지 않

은 경우가 많다 전자부품의 접합부에 대한 신뢰성을 평가할 수 있는 마이크로 충.

격시험기는 국내외적으로 개발된 것이 아직 보고 되지 않고 있어 본 실험기가 신뢰

성 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.

제 절 연구 개발 목표1

전자 통신기 단자부 및 부품에 대한 온도 및 충격에 따른 부품 성능의 판별 및 단,

자 접속부에 대한 최적의 조건을 제시할 수 있는 마이크로 충격시험기 시스템을 개

발하고자 한다.

총괄1.

의 솔더 접합부의 충격에 대한 신뢰도를 평가하기 위한 마이크로 충격시험기PCB

설계 및 제작

필요성2.

마이크로일렉트로닉스 및 이들을 응용한 전자 정보통신기기는 세기 정보화 사회, 21

의 중심에 서 있으며 시장 또한 거대하여 일본의 경우 연간 약 조원 정도로 추, 400

정되고 있다 이러한 거대 시장은 향후 중국의 가입으로 상상하기 어려울 정. WTO

도로 커질 것으로 생각되며 중국시장에서 가장 경쟁력 있는 한국제품이, CeIIuIar

핸드 폰 임을 생각한다면 우리나라의 경제가 정보통신기기에 거는 기대는Phone ( ) ,

참으로 크다고 할 것이다.

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우리나라의 자동차제품이 우수한 품질에도 불구하고 중국시장에서 거의 판매가 되

지 않는 이유도 사후 수리 서비스 부족과 높은 고장률 때문이라고 한다 특히 정보.

통신기기는 그 특성상 잠시라도 사용하지 않으면 업무가 중단되기 때문에 이의 신

뢰성 문제는 기기의 사활을 걸만큼 중요하다고 할 것이다 그러므로 마이크로 충격.

시험기는 전자 부품의 접속부의 신뢰성 검증 및 향상에 그 필요성이 있다.

가 기술적 측면.

가 정보통신기기를 떨어뜨리거나 사용 중 충격이나 큰 진동을 받을 때 부품과 이( ).

들 단자의 접합부가 받는 손상은 가장 흔하게 일어나는 현상이지만 국내의 전자, .

정보통신기기 업계에서는 이의 평가방법이 체계적으로 이루어 지지 않고 있다 즉. ,

국내의 전자 정보통신기기 업계는 제품을 일정한 높이에서 제품이 파손되어 성능이

나오지 않을 때까지 손으로 낙하시키는 다소 원시적인 방법을 쓰고 있다 이 방법.

은 각 전자 부품이나 이들 단자의 개별적인 신뢰성이나 강도를 파악할 수 없어서

어떤 부품에 문제가 발생했는지를 파악할 수가 없으며 이로 인해 문제의 해법을,

찾는 데에 많은 어려움을 겪고 있다.

나 단자부가 미소화함에 따라 강도가 저하되며 이로 인해 신뢰성 저하는 필연적( ). ,

인 결과이다 그러나 제품을 사용하기 위해서는 경박 단소화 되더라도 신뢰성은 그.

대로 유지되어야 한다는 데에 어려움이 있다 그러므로 본 과제에서는 마이크로 충.

격시스템을 개발하여 제품의 신뢰성을 높이고 국내 전자 정보통신기기의 고장률을,

감소시켜 대 고객 신뢰성 향상에 기여할 것으로 기대된다.

나 경제 산업적 측면. ㆍ

가 우리나라 제품은 일본 제품의 년간 누적 고장율의 약 배에 달하며 고장률( ). 5 3

은 매년 일본은 감소하는 데에 비해 우리나라는 일정하게 유지되고 있다 이러한.

문제를 해결함으로써 수출 경쟁력강화에 기여할 것으로 예상된다.

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다 사회 문화적 측면. ㆍ

가 체제에 돌입하면서 이제는 선진국에서 후진국에 이르기까지 무역의 보( ). WTO

호 장벽이 무너지고 지역간 블록이 허물어져 각국의 기업은 세계시장을 무대로 품

질과 가격의 경쟁력에서 절대 우위를 지키지 못하면 살아나기 힘들어졌다 고도화. ,

정밀화되는 산업구조에서 측정분야의 발전과 지원 없이는 제품의 경쟁력 확보와 선

진국과의 경쟁에서 승리 없이는 힘들므로 국가 경쟁력 우위 차원에서 매우 중요하

게 인식되고 있다.

개발품의 사양3.

가 불확도. : 0.2%

나 용량. : 10 J

다 단위변환기능. : J, kgf-m

라 특징 고정밀 자동형 제어 방식. : (High Accuracy), (Automatic Operation) GUI

개발 목표 및 연구 범위4.

가 기술개발 목표.

가 마이크로 충격시험기의 개발을 통하여( ).

전자 통신기 단자부 및 부품에 가해진 충격량을 자동으로 계산. ,①

전자 통신기기의 접속부가 사용 환경 조건에 따라 어떻게 반응하는지를 측정. ,②

가능

충격에 따른 부품 성능의 고장 유무를 판별.③

단자 접속부에 대한 최적의 작업조건을 확보.④

나 기술개발 내용 및 범위.

가 하중 부가 구조물 개발( ).

전자 통신기기의 사용 환경에 맞는 하중 부가 구조물 개발,

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나 충격량 감지 센서 개발( ).

부가된 하중을 감지하여 충격량으로 변환할 수 있는 시스템 개발

다 자동 하중 부가 장치 개발( ).

위치 제어 모터를 사용하여 필요한 충격 에너지 위치까지 자동으로 추 이동

라 흡수 에너지 지시 장치 개발( ).

시험부품에 부가된 하중을 충격 에너지로 환산하여 로 표시DigitaI

마 데이터 처리 프로그램 개발( ).

전자 통신기기 시험부품에 부가된 하중 환산된 충격량과 일련의 시험 결과를, ,

하면서 결과물을 저장할 수 있는 프로그램 개발Monitoring

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제 장 국내외 기술 개발 현황2

제 절 국내 기술개발 현황1

국내의 전자 정보통신기기 업계는 제품을 일정한 높이에서 제품이 파손되어 성능.

이 나오지 않을 때까지 손으로 낙하시키는 다소 원시적인 방법을 쓰고 있다 본 재.

품의 개발사례는 없으며 본 개발 대상품과 관련된 당사의 기술 개발 실적은

대용량 샤르피 충격시험기 개발 납품 안산 가스공사1) / ( )

고속충돌 시험기 개발 납품 원자력 연구소 등이 있다2) / ( ) .

마이크로 충격시험기는 충격에너지 측정 및 모터 클러치 등의 기구를 제어하는 기,

술로 계측 및 제어분야 기술이 결합되어 있으며 국내의 경우 요소기술은 동등수준,

이나 표준 규격을 마련하지 못하여 기술개발이 표류하고 있는 실정이다.

제 절 국외 기술 개발 현황2

일본의 경우 요코하마대학 에서 마이크로 낙중시험기가 실험실( Professor Shiratori)

적으로 개발되어 신뢰성 평가에 응용되고 있다 그러나 이러한 낙중시험기는 본 과.

제에서 개발하려는 충격시험기에 비해 범용적이지 못하고 장치가 복잡하다는 단점,

을 가지고 있다.

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제 장 연구 개발 수행 내용 및 결과3

제 절 마이크로 충격시험기 설계 및 제작1

본 과제에서 설계하고자 하는 충격시험기의 용량은 이다 일반적으로 충격시험10J .

기 용량의 이내에서 사용한다 용량이 이하인 경우에는 작업대에 고정하지80% . 4J

않고 사용해도 무방하다.

기계 설계 및 제작1.

가 충격 시스템 설계 인자.

가 시험기 설치( ).

일반적으로 시험기 용량의 이내에서 사용한다 따라서 시험기는 최대 용량을80% .

지탱할 만한 지지대 위에 단단하게 설치하여야 한다 시험기는 진자 무게의 배. 40

이상 되는 철강위에 볼트로 고정시켜야 하며 시험기의 전후좌우 수평도는 3/1000

이내 이어야 한다 수평도의 측정은 기초대 위에 시험기를 올려놓은 다음 수평기를. ,

타격 위에 놓고 행한다 이 때 수평이 맞지 않으면 시험기 바닥과 기초대 사ANVIL .

이에 강판을 끼워서 수평을 조절하여야 한다 단 이때 사용하는 강판은 연강의 재.

질을 사용해서는 안 되며 넓고 편평한 강판을 사용하여 시험기의 밑면과 기초대의

위쪽면의 접촉을 가능한 한 넓게 고정시켜야 한다.

나( ). HAMMER

는 그 한쪽 끝에 회전축을 갖고 다른 쪽 끝에 충격 점을 가진 구조이어야HAMMER

하며 축방향 놀음이 이하 반지름 방향 놀음이 이하로 축방향과0.2mm , 0.06mm

반지름 방향의 움직임이 없게 설치하여야 한다 이 움직임을 측정하는 방법은.

를 자유롭게 늘어뜨린 다음 축방향과 반지름 방향으로 각각 흔들어 보아HAMMER

눈에 뜨일 만큼의 움직임이나 소음이 나면 을 조절하거나 대체하여야한다Bearing .

다 낙하장치( ).

낙하장치는 를 들어올린 위치에 확실히 유지시킬 수 있어야 하며Hammer Hammer

를 자유로이 낙하시킬 수 있는 구조로서 가 움직일 때는 초기의 충격이나Hammer ,

옆 흔들림 등이 없어야 한다 정지장치가 의 움직임에 마찰을 주지 않아야. Hammer

하며 낙하장치가 마모되면 초기 의 높이가 변하여 오차를 나게 되므로 주, Hammer

의하여야 한다.

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라 시험기 용량( ).

시험기의 용량은 의 무게에 초기 높이를 곱하여 결정한다 의 무Hammer . Hammer

게는 충격점에서 저울로 무게의 까지 측정하며 초기높이는 타격점Hammer 0.05%

에서 를 들어올린 위치까지의 거리를 측정하거나 타격점에서 의Hammer , Hammer

회전축 중심까지의 거리와 가 수평면에서 올라간 각도를 측정하여 구한다Hammer .

어느 경우나 초기 높이의 까지 측정한다 위의 방법으로 계산된 실제 용량과0.1mm .

시험기의 공칭 용량과의 차이는 공칭 용량의 를 초과하여서는 안 된다 타격점1% .

의 결정은 다음과 같은 방법으로 행한다.

에 반투명한 도료를 칠한다. Hammer .①

높이가 표준 시편의 반 가 되는 시편을 시편 지지대 위에 놓는다. (5mm) .②

를 충격면에 살짝 댄 후 충격면에 표시된 점을 보고 타격점을 결정한. Hammer③

다.

마 타격점과 타격중심( ).

타격점은 충격실험을 할 때 충격점을 충격면에 접촉시켰을 때 생기는 접촉부문의

중심점이다 타격중심은 가 회전 운동할 때 그 와 질량이 같고 동. Hammer Hammer

일한 역학적 효과를 나타내는 질량의 위치를 말한다 그러므로 의 수평을. Hammer

유지한 상태에서 타격점의 하중을 측정할 나오는 질량이 실지 충격시험기의 용랑계

산에 사용되는 하중이 된다 타격점과 타격중심의 차이는 회전축 중심에서 타격점.

까지 거리의 이내이어야 한다 회전축 중심에서 타격점까지의 거리는 까1% . 0.1mm

지 정확하게 측정해야 한다.

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를 이내로 진동시켜 회 왕복운동에 요하는 시간을 초 까지. Hammer 15° 100 0.2①

측정한다.

같은 과정을 회 반복 실시하여 회 왕복에 요하는 평균시간을 구한다. 5 1 .② ①

다음 식으로부터 회전축 중심에서 타격중심까지의 거리를 구한다. .③

의 타격중심은 타격점과 가능한 한 일치하는 것이 바람직하며. Hammer ,④

의 회전축 중심선에서 타격중심까지의 거리와 타격점까지의 거리와의 차는Hammer

이하이어야 한다±5mm .

바 시험기의 마찰손실( )

시험기의 마찰손실은 시험기 용량의 이내이어야 한다 마찰손실을 결정하기0.75% .

위한 방법은 다음과 같다 를 들어 올린 위치에서 충격면을 제거하고 자유. Hammer

롭게 쳐 내려 반대쪽으로 쳐 올라갔을 때의 올라간 각도와 그 후 회 왕복후의 쳐5

올라간 각도로부터 계산한다.

손실

θ1 가 초기 높이에서 처음 반대쪽으로 쳐 올라간 각도: Hammer

θ2 가 초기 높이에서 처음 반대쪽으로 쳐 올라간 이후 회 반복한 다음: Hammer 5

쳐 올라간 각도로부터 계산한다.

사 에너지 지시 시스템( )

충격에너지를 측정하기 위하여 를 사용한다 여기서Load cell, Acceleration Sensor .

검출된 에너지는 다음과 같은 특성을 나타내야 한다.

를 최대용량에 놓고 자유낙하 시켰을 경우 지침이 점을 가리키는가를. Hammer 0①

확인한다.

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를 들어올려 까지 높이를 측정하고 여기에 의 무게를 곱. Hammer 0.1% Hammer②

하여 에너지를 구한다 마찰손실을 시험기 용량에서 제하여 흡수에너지를 계산하는.

데 사용한다.

교정에 사용되는 장비의 사양은 다음과 같다.

정확도 이내Height Gage : 0.1mm

수준기 정확도 이내: 1/10000

저울 정확도 해머 무게의 이내: 0.05%

정확도 초 이내Stop Watch : 0.1

아 이외의 설계입력사항( ).

중점사항 마찰저항감소 로드셀 충격치 측정 시편. : , ,①

휴대폰의 무게를 표 과 같이 조사한 결과 내외임을 알 수 있었으며 이. 1 200g②

를 이용하여 사람의 키 위치에서 떨어졌을 경우 충격량인 정도를 기준으로4J 10 J

을 시험기의 용량으로 결정하였음.

휴대폰이 경량화 되는 추세이므로 더 큰 용량의 회로를 검사할 경우가 발생하기(

어려울 것으로 판단됨)

진자의 무게와 길이는 진자의 속도 와 용량에 의해서 결정 속도는 플. (3.5m/s) . (③

라스틱 충격 시험기의 규격을 이용하였음)

충격시험 중 시험기의 흔들림을 방지하기 위하여 진자의 배 이상의 무게 밑. 40③

지지

진자의 회전측은 의 오차 범위 안으로 수평을 이룸. 1/1000④

와 회전축이 의 오차범위로 수평을 이룸. Test specimen supports 1/1000⑤

의 축과 의 회전 경로가 수직을 이루며 만남. Test specimen Pendulum⑥

의 밑면과 시편의 표면이 평형을 이룸. Striker⑦

마찰저항이 전체 용량의 를 넘지 않음. 0.25%⑧

전체 마찰저항 및 공기저항에 의한 에너지손실이 를 초과하지 않음. 0.75%⑨

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자유 상태에서는 진자와 시편과의 사이가 이하 상태로 유지. 2.5 mm⑩

진자의 회전경로와 시편의 축은 의 정밀도로 수직을 이룸. 3:1000⑪

와 사이의 차가 이하. Initial potential energy nominal value 1%⑫

진자의 무게의 에 해당하는 하중을 가할 때 축의 반경방향으로. 4% 0.075 mm,⑬

축 방향으로 이하의 유격0.75 mm

진자의 주기는 반복 측정 시 오차가 초를 넘지 않음. 0.2⑭

휴대폰 모델명 회사명 무게MITS - M330 삼성 145gSCH - X780 삼성 105.3gSD - 1110 LG 82.6gSCH - X720 삼성 82.7gSCH - X650 삼성 98g

X650 + NAVI - KIT 삼성 98gX700 + N - KIT 삼성 98gSCH - X700 삼성 98gSCH - X600 삼성 98gMEXIO - S151 삼성 240gMOTO - 730 모토로라 85.2g

표 헨드폰의 무게 조사표1

분동 용량은 이며 분동의 중심에서 타격점까지의 거리는 이므로 충10kg , 0.45m⑮

격력을 로 설정하기 위해 걸쇠부의 각도를 조절할 수 있도록2J, 4J, 6J, 8J, 10J

하여야 한다 인 경우 인 경우 인 경우 인 경우. 2J 17.35°, 4J 24.6°, 6J 30.25°, 8J

인 경우 로 설정하여 사용하면 된다35.07°, 10J 40° .

충격랑 분동무게 회전중심에서 타격점까지 거리= * * (1-COS ( ))α

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나 설계 결과( ).

위의 입력사항을 토대로 설계된 은 그림 과 같다Technical illustration 1 .

IMPACT FORCE MIN.=2J, MAX.=10JWEIGHT 216kgfOUTER

DIMENSION600×510×735

MAGNETICCLUTCH&MOTOR

DC 24V, 3A, Torque 10kg-m

GEARED MOTORAC 220V, RPM 2.33,

Reduction 1/750, Torque19.9kg-m

그림 전체 조립1 PREVIEW

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메인 프레임①

-WEIGHT: 191kg

기구 설명 를 양쪽 플레이트로 고정되어 있고 베어링을 끼워 마찰을- : Main Shaft

최소로 하였다 에 전자 클러치 브레이크 그 뒤에 하. Main Shaft & AC Geared Motor

여 전동으로 상승을 하게 된다 상부 무게 중심이 되는 위치에 아이볼트를 체결하.

여 운반할 때의 편의성을 고려하였다 모델링을 이용하여 설계한 내용은 그림. 3D

와 같다2 .

그림 메인 프레임2 PREVIEW

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LATCH DEVICE②

-WEIGHT: 4.2kg

기구 설명 충격 양을 각도 높이로 조절하는 장치로 진자가 상승 하였을 때 근접- :

센서가 작동하여 정지하면서 걸쇠에 걸리게 된다 솔레노이드 전자석 를 사용하여. ( )

걸쇠의 개폐를 자동으로 제어할 수 있다 그림 은 걸쇠부에 장착된 솔레노이드 및. 3

근접센서이다 그림 에서는 실제 시험기에 부착된 모습을 볼 수 있다. 4 .

그림 걸쇠부3

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그림 솔레노이드 설치모습4

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WEIGHT(Pendulum)③

기구 설명 정확한 충격값을 얻기 위해서 진자의 무게를 정확해야 한다- : .

진자 설계 검토 식-

진자 무게: 10kgf

회전반경: 450mm

최대상승각도 도: 40

위의 계산을 적용하여 설계된 진자의 설계 모델링은 그림 와 같다- 5 .

그림 진자5 PREVIEW

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ANVIL④

기구 설명 충격 블록에 진자가 타격하였을 때 충격량이 충격센서에 집중되도록- :

설계하였고 뒤쪽에 가속도계를 부착하여 가속도에 대한 데이터도 고려하였다 충격.

센서 앞에 충격 판을 끼워 맞춤 부착하여 재질의 특성에 따른 데이터 값을 얻을 수

있다 그림 은 부분을 모델링한 것이다 그림 은 하중 센서를 장착하는 모습. 6 Anvil . 7

이다.

그림 타격면6 PREVIEW

재질 종류 철과 비철의 충격값을 비교함- : SM45C, AL6061 ( )

그림 장착7 Force Sensor

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ENCODER SET⑤

기구 설명 진자 에서부터 타격점까지의 각도를 측정함- : LATCH .

엔코더의 고정은 개의 를 각도로 고정하였고 와 플렉3 SET SCREW 120 Main Shaft

시블 커플링으로 연결되어 있다 그림 은 본 실험에서 사용도니 의 분해. 8 2048P/R

능을 갖는 엔코더 이다 그림 는 엔코더를 부착한 모습을 모델링한 그림이다. 9 .

그림 엔코더8 2048P/R

그림 엔코더 부착 부9 PREVIEW

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전자 클러치 브레이크MAGNETIC CLUTCH & BRAKE( & )⑥

기구 설명 펜들이 자유 낙하할 때는 된 상태로 회전이 원활히 되고 진자가- : OFF

에 타격을 한 후 다시 튀기는 현상이 발생하지 않도록 브레이크를 작동ANVIL (ON)

시켜 진자를 정지 시킨다 충격에너지를 측정한 흐름 클러치를 작동시켜 진자로 초.

기 낙하 위치로 자동복귀 시킨다 그림 은 전자 브레이크와 클러치의 모델링이. 10

다.

그림 전자 브레이크 클러치10 ,

기어드 모터GEARED MOTOR( )⑦

기구 설명 브레이크가 작동하여 진자 정지하면 클러치가 작동 하여 기어드- : (ON)

모터로 까지 상승시킨다 모터 헬리컬 기어 웜 기어 구성 으로 의 감LATCH . , , ) 1/750

속비의 출력이 나오고 분당 회전하고 토크는 이다 그림 은 기어 모2.33 19.9kg . 11

터의 모델링 결과이다.

그림 기어 모터11

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그림 모터 클러치 브레이크 조립12 , ,

그림 는 진자의 축에 클러치 모터 브레이크 기어 박스 등이 조립된 것을 위에12 , ,

서 바라본 것이다.

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SOLENOID⑧

전원- : AC 220V 60Hz

작동거리- : 20mm

작동방법 당기는 타입- : PULL( )

당기는 힘- : 4kg

분동무게 마찰계수(10kg)x (0.4)xcos40=3.06kg

그림 은 진자를 자동으로 자유낙하 시키기 위해서 사용된 솔레노이드를 모델링한13

것이다.

그림 솔레노이드13 PREVIEW

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전기 제어부 설계 및 제작2. /

가 시스템 구조.

시스템 구성은 컨트롤 박스와 메인 컴퓨터로 구성되어 있다 컴퓨터에서 제어하면.

서 계측된 데이터를 입력받아 자동으로 충격량을 측정한다 또한 컨트롤 박스안의.

별도의 회로에서 통전실험을 수행하여 그 결과를 통신을 이용하여 컴퓨터로RS232

전송하여 준다 시스템의 주요 구성품은 아래와 같으며 실제 연결된 전기적인 구성. ,

도는 부록에 첨부되었다.

가( ). AD Card

본 카드는 채널 아날로그 신호를 받을 수 있다 한 채널만 사용8 Differential Input .

시 최고 까지 샘플링을 할 수 있으며 은 이다 포트200kHz , Resolution 12bit . 8

과 을 받을 수 있다 이를 이용하여 하중신호와 가속도 신호를DigitaI Input Output .

고속 샘플링이 가능하여 충격 시에 발생하는 신호를 해석할 수 있게 한다 실지 실.

험 시에는 가속도계와 를 동시에 사용하기 때문에 각각 샘플Force Sensor 100kHz

링 속도를 신호처리에 사용하였다.

Analog Input : 16 SE/ 8 DI①

Sampling Rate(S/s) : 200k②

Input Resolution(bits) : 12③

Maximum Input Range(V) : ±10④

Digital 1/0 : 8⑤

나 절대치 엔코더( ).

충격시험기의 기계적 마찰과 공기마찰에 대한 보상을 위하여 고성능 엔코더를 이용

하여 진자의 초기 낙하 높이와 마찰력을 알아낸다 이를 위하여 절대치 엔코더를.

사용함으로 클러치나 모터에서 발생되는 자기력에 의한 노이즈의 영향을 최소화 할

수 있다 선택된 절대치 엔코더의 사양은 분해능을 갖는 것으로. 8192 P/R RS422

통신을 이용하여 절대위치를 얻을 수 있다 절대치 신호가 시리얼 전송 방식을 사.

용하고 있기 때문에 배선 선수가 큰 폭으로 적어지게 된다.

- 28 -

사용전압 : 5V DC①

분해능 : 2048 P/R②

신호 인크리멘탈 신호와 엡솔루트 신호 겸용:③

통신방식 수신 칩 필요: RS422 (DN1811 )④

다 모터( ). AC

진자의 회전축에 부착하여 진자를 초기 낙하 위치까지 이동시키기 위하여 사용한

다 모터를 선정하기 위하여 토크를 결정하여야 한다 진자의 무게는 이며 진. . 10kg ,

자의 길이는 이다 진자 회전속도는 제어를 위하여 이하로 한다 그0.45m . 2.5RPM .

러므로 위의 사양을 만족하는 모터를 안전율을 고려하여 선택하였다.

Torque = 10kg x 0.45m = 4.5kgf mㆍ

RPM = 1750/750 = 2.33

RPM : 2.33①

Torque : 19.9kgf m② ㆍ

감속비 : 1/750③

라 솔레노이드( ).

솔레노이드는 코일에 전류가 흐르면 코일 주위에 생성된 자기력은 플런저를 코일

쪽으로 끌어당기는 작동을 한다.

솔레노이드는 진자를 낙하 위치에서 프로그램을 이용하여 자유낙하 시키기 위하여

사용한다 걸쇠부와 연결되어 있어서 전압을 인가함으로서 걸쇠부를 당겨서 진자가.

자유낙하 할 수 있도록 설정하는 역할을 한다 단 동으로 사용되므로 전원이 차단.

되었을 때에는 원 상태로 되돌아오도록 스프링을 부착하여야 한다.

마찰계수는 절의 경우 정도이며 작동하중은 이므로 의 용량이 필요하0.4 , 10kg 4kgf

다 작동상 도 이상의 각도에서 사용하지 않으므로 필요용량은 이므로 안전. 45 2kgf

율을 감안하여 아래의 사양을 선정하였다.

- 29 -

작동전압 : 220V AC①

작동거리 : 20 mm②

정적용량 : 4kgf③

작동방식 : PULL④

마 광파이버 센서( ).

충격응력을 측정하기 위한 트리거 신호를 사용하기 위하여 광 파이버 센서를 사용

하여 타격지점의 전방에 설치하였다 광원은 적색 램프를 사용하며 응답속도는. LED

이다 최소검출 물체는 으로 민감하여 진자의 회전을 타격 전에 감지하0.5msec . 1φ

여 트리거 신호로 사용하기에 적합하다.

작동전압 : 12V DC①

응답시간 이하: 0.5ms②

광원 적색 변조광: LED( )③

내외란광 태양광 이하 백열등 이하: (1100 Ix ), (3000 Ix )④

바 근접 센서( ).

모터를 이용하여 진자를 초기위치로 이동시키는 과정에서 걸쇠부의 위치까지 다다

르면 모터의 전원을 단속하여 진자가 정지하게 하기 위하여 사용한다.

작동전압 : 12V DC①

응답주파수 : 800 Hz②

검출거리 : 2mm③

표준검출체 : 8*8*1mm④

사 전자 브레이크 및 클러치( ).

클러치란 동일축상에서 구동측과 피구동측이 전자석을 이용하여 작동 시(ON/OFF)

키는 것으로 동력을 전달 차단시키는 기능을 말한다 코일에 전원이 공급되면 자속, .

이 발생하여 로터와 아마추어간에 자기회로가 형성되어 흡입력이 발생되면서 로터

의 라이닝면과 아마추어 디스크가 밀착되면서 마찰력이 발생하여 동력을 전달한다.

전원이 차단되면 자속이 소멸되기 때문에 복원스프링에 의해서 로터와 아마추어의

면이 해방된다 전자브레이크는 회전체와 정지체로 구분되어 있으며 제동 감속이나. ,

정지상태를 유지하는 기능을 갖는다 코일에 전원이 공급되면 자속이 발생되어 요.

크와 아마추어간에 자기회로가 형성되어 아마추어가 요크의 라이닝면에 밀착되어

마찰력이 발생한다 전원이 소실되면 자속이 소멸되기 때문에 복원 스프링에 의해.

요크와 아마추어 면이 해방되어 회전체는 자유상태가 된다.

- 30 -

충격이 가해지기 때문에 동력 전달부가 클러치에 의해 분리가 되도록 하는 것이 내

구성 면에서 안전하다 그리고 진자가 충격 면에서 튀기는 바운딩 현상을 제거하기.

위하여 브레이크를 사용한다 안전율을 고려하여 아래의 사양으로 선택하였다. .

작동전압 : DC-24 3A①

토르크 : 10kgf-m②

아 가속도계 힘센서( ). ,

피에조 타입의 힘센서를 사용하여 압축 충격 응력 환경에서 잘 측정할 수 있도록

특별히 제작된 사양이다 충격 면은 곡률을 가지고 있어서 충격 시에. "Edge

이 센서의 중앙에 걸리는 타입이다 계속되는 타격으로 인하여 충격 면이Loading" .

손상되는 경우 쉽게 교체가능 하다 타격면의 재질을 철이나 알루미늄 플라스틱 등. ,

으로 대체하여 충격면의 반발력에 따른 영항을 비교 평가할 수도 있다 자체 무게.

가 가벼워서 빠른 충격으로 인한 의 영향이 적어 반복 펄스나 급속한Inertia Force

변화 구간에서 사용이 가능한 타입이다.

가속도계는 급격하게 높고 짧은 가속도를 측정하기 위하여 적합한 피에조 타입이

다 충격은 의 물체를 높이에서 바닥에 떨어뜨릴 때 안에 이상. 1kg 1m , 10ms 1000g

의 가속도에 달한다 이를 측정하기 위하여 빠른 응답성과 높은 가속도까지 측정.

가능한 센서가 필요하다 이를 바탕으로 선정된 센서의 사양은 다음과 같다. .

- 31 -

.① 가속도계 사양

. Sensitivity㉮

. Frequency Range㉯

. Amplitude Range㉰

. Resolution㉱

. Sensing element㉲

1mV/g

1~10000Hz

±5000g

0.02g

ceramic

.② 힘 센서의 사양

. Compression Range㉮

. Voltage Sensitivity㉯

. Upper Frequency Limit㉰

22kN

0.22mV/N

75k

나 컨트롤 박스.

그림 는 컨트롤 박스 내부의 구성부품의 배치도 및 실지 컨트롤 박스의 내부14,15

사진이다 컨트롤 박스 내부의 구성 부성품은 아래와 같다. .

가 구성부품( )

보드PICBASIC①

보드DIO②

POWER SUPPLY(24V)③

POWER SUPPLY(15V.5V)④

단자대⑤

덕트⑥

ICP SIGNAL CONDITIONER⑦

ICP SIGNAL CONDITIONER⑧

- 32 -

PULSE COUNTER⑨

전자접촉기M.C( )⑩

그림 컨트롤 박스 내부의 배치도14

그림 컨트롤 박스15

- 33 -

나 구성부품 사양 및 기능( )

보드PICBASIC①

의 마이크로프로세서를 기본으로 하는 미니 마이컴 보드로써 비PICBASIC 2000 12

트 채널 비트 채널의 컨버터와 개의 포트를 가지고 있다 보드의2 , 8 8 A/D 34 I/O . NI

부족한 포트를 충당하며 바로 밑에 위치하는 보드를 구동하여 모터 클러DIO DIO ,

치 솔레노이드 브레이크의 역할을 담당한다 와 통신을 통하여, , ON/OFF . PC RS232

통신을 하며 추가의 시스템 변경할 때 유저모드의 프로그램의 간단한 변경으로 추

가 작업이 용이하다.

보드DIO②

모듈 가 장착되어 으로부터의 명령을 받은 가RELAY(220V,6A) 6EA PICBASIC RELAY

구동하여 모터 클러치 브레이크 솔레노이드 등을 동작시킨다, , .

POWER SUPPLY(24V)③

의 대용량 파워서플라이로 클러치 및 브레이크에 전원을 공급한다4.5A .

POWER SUPPLY(15V,5V)④

모듈 펄스 카운터 및 시그널 컨디셔너에 전원을 공급한다PICBASIC , ICP .

단자대⑤

각종 전원의 라인을 공급하는 역할을 한다.

덕트 케이블 전선관⑥

ICP SIGNAL CONDITIONER⑦

가속도 및 하중센서의 앰프로서 터미널 보드에 연결되어 로 데이터가 전송됨NI PC .

PULSE COUNTER⑧

엔코더로부터 온 신호를 해석하기 쉽도록 파형 변환을 해주고 터널 보드에 연결NI

되어 로 데이터가 전송됨PC .

- 34 -

전자접촉기M.C( )⑨

보드의 릴레이를 거쳐 나온 신호로 작동되며 모터의 기능을 한다 모터DIO On,Off .

보호를 위한 일정온도 이상이 발생할 경우 자동으로 정지하는 기능이 있어 과부하

에 차단되도록 되어있다.

다 계통도( )

그림 은 전기제어의 흐름을 알아보기 쉽게 계통도로 나타낸 것이다 외부입력신16 .

호들은 터미널을 거쳐서 에 있는 로 들어오게 된다 그리PC Multi Function Board .

고 보드를 거쳐서 외부 구동 부를 제어하게 된다 또한 모듈을 이용DIO . PIC BASIC

하여 의 통전실험을 결과 전압을 수집하게 되고 이를 에 통신을 이용하여PCB PC

내용을 전송한다.

그림 전기 제어부의 계통도16

- 35 -

다 작동방식.

컨트롤 판의 전원을 시키고 사용한다 모든 작동제어는 사용자 편의를 고려하ON .

여 제어 컴퓨터에서 로 이루어진다 모터를 이용하여 초기 낙하 높이 위치GUI .

의 위치에 의해 결정 까지 상승시킨다 근접센서의 신호에 의해서 모터는 정(Latch ) .

지한다 초기 낙하 위치에 진자가 고정되어진다 전기식 솔레노이드를 이용하여 고. .

정 받침을 제거함으로써 진자는 낙하하게 된다 충격량을 가속도계와 하중센서를.

이용하여 측정한 후 초기 위치로 진자를 복귀 시킨다.

제어 프로그램 제작3.

가 개발환경.

주 운영 체제는 이며 개발언어는 을 사용하여Window Visual Basic 6.0

환경을 구축하였다 기반의 환경에서 작동되므로 일GUI(Graphic User Interface) . PC

반 사용에 능숙한 사용자들이 쉽게 장비를 컨트롤 할 수 있도록 하였다PC .

나 제어프로그램 구성.

프로그램은 환경을 이용하여 사용자가 쉽게 제어 할 수 있도록 하였으며 사GUI , NI

의 를 이용하여 데이터를 계측하고 신호를 처리하PCI 6024E Multi Function Board

며 실험 수행 정지 종료 버튼과 통전실험 결과 표시 부 시간 타격수 등을 이용, , , , ,

하여 제어를 조절하는 부분 데이터 취득 보드 환경설정 그래픽 사용자 확대 사용, ,

부 충격에너지 표시부 등으로 이루어져 있다 프로그램의 구동 순서도는 그림, . 17

과 같다 실험은 제어와 시간 제어 모드로 나뉘게 된다 사용자가 설정한 시. Cycle .

간동안 반복하여 충격실험을 수행할 수 있으며 또한 사용자가 원하는 횟수만큼 반

복 충격을 가하도록 실험할 수 있게 되어 있다.

- 36 -

그림 프로그램 순서도17

다 화면구성.

가 메인화면( )

그림 은 메인화면구성 내용을 보여주고 있다 프로그램을 구동할 때 초기 화면은18 .

아래와 같으며 사용자가 버튼을 클릭하면 실험이 진행 된다 메뉴항목을 이용Start .

하여 실험에 필요한 내용을 점검하고 셋팅할 수 있다.

- 37 -

메인화면에서는 사용자가 실험을 하기 위해 필요한 정보를 입력한다. ‘Test Mode

부문에서 시간을 설정하고 정해진 시간동안 충격실험을 계속 진행할 것인지Set ’

아니면 충격횟수를 입력하고 정해진 횟수 동안 충격을 가하여 실험할 것인지를 결,

정한다 부분에는 의 솔더 접합부의 결함 유무를 검. ‘PCB Circuit Test Result’ PCB

사하기 위하여 전압 신호의 진폭을 감시하다가 솔더 접합부의 크랙이나 단락의 발

생시에 결함이 발생한 채널을 램프 신호로 표시하게 된다 결함이 발생한 채널이.

시간이

그림 메인 화면 구성18

나 수를 창에 기록하여 저장할 수 있다 충격 실험이Cycle ’ Test Informal ion ‘ .

진행되면 발생되는 하중신호와 가속도 신호를 센서를 이용하여 측정하고 ’ Load &

창에 그래프로 표시한다 영역에Acceleration Graph' . Load & Acceleration Graph

서 마우스를 끌면 해당되는 영역을 확대하여 볼 수 있다 이때 부분. ‘Graph Zoom'

을 이용하여 이전 화면이나 나중화면으로 이동할 수 있다 부분. ’ Impact Energy'

에서는 하중과 가속도 신호를 분석하여 나온 충격량을 표시한다 의 버. ‘Tool Box'

튼을 이용하여 실험을 시작하거나 잠시 멈추거나 정지할 수 있다.

- 38 -

나 테스트 화면( ) DIO

모터 클러치 브레이크 솔레노이드를 직접 구동하여 테스트하기 위하, , ,

그림 채널19 DIO Information

여 창을 사용한다 그림 는 창을 실행한 화면이다 엔코더의DIO Test . 19 DIO test .

방향신호와 근접센서 광센서는 입력신호는 정해진 시간간격으로 연속해서 감시하,

고 있으며 나머지 구동부는 선택된 신호를 적용버튼을 이용하여 제어 신호를, DIO

통하여 외부구동 시스템을 작동시키게 된다.

- 39 -

다 마찰테스트 화면( )

그림 20 Friction Test Result

그림 은 마찰실험을 수행할 경우 사용되는 창을 보여주고 있다 시20 Friction Test .

스템의 마찰을 측정하여 에너지 값을 보정해 주며 본 시험기의 성능을 평가할 수

있다.

창을 이용하여 마찰실험을 진행하는 동안의 과정과 상태를 표시한Status Display

다 엔코더로부터 읽어온 펄스는 정 방향 회전 신호와 역방향 회전신호로 분리하여.

읽은 후 높이를 계산하는데 사용한다 회의 진동 후 초기 높이와 나중 높이를 측. 11

정하여 그 차이를 이용하여 마찰 에너지를 계산한다 진자의 낙하 높이가 바뀌거나.

마찰 테스트를 수행한지 오래된 경우는 위의 마찰에너지 측정 창을 이용하여 시스

템의 마찰을 측정하여 수정하여 주어야 한다 마찰에너지는 충격에너지를 측정하는.

과정에서 쓰이게 되므로 수시로 업데이트 하여야 한다.

- 40 -

라 솔더 접합부 결합발생 감지( )

그림 21 PCB Test Result

그림 은 의 솔더 접합부의 결함 유무를 통전실험을 통하여 측정하는 화면을21 PCB

보여주고 있다.

를 통하여 읽은 솔더란 접합부의 전압신호는 그래프를 이용하여 각 채널마다PCB

변화량을 체크할 수 있도록 하였다 는 초기에는 모두 상태에 있으. Status Lamp On

며 사용자가 지정한 하한값이나 상한값을 벗어나면 된다 상한값과 하한값은, Off .

회로마다 측정되는 전압의 범위가 다르기 때문에 사용자가 임의적으로 설정할 수

있도록 하였다 부분을 이용하여 각 채널이 어떤 회로를 의미. Channel Information

하는지 사용자가 입력할 수 있도록 하였으며 이 내용은 설정내용 저장 버튼을 이,

용하여 저장할 수 있다.

- 41 -

마 하중 가속도 센서( ) , Zero Setting

그림 22 Sensor Signal Test

그림 는 실험에 앞서 하중센서와 가속도 센서의 신호를 테스트 하는 것이다 신22 .

호가 편향 되었을 경우 버튼을 이용하여 현제의 전압을 로 설정할 수Zero Set Zero

있다.

- 42 -

하중신호와 가속도 신호는 초기 엠프를 작동시킬 경우 정상상태로 되는데 시간이

소요된다 이를 확인하고 또한 값이 된 경우 영점을 설정하기 위하여 사용. Floating

된다 왼쪽은 하중신호를 그래프로 표시한 것이며 오른쪽은 가속도 센서의 신호를. ,

그래프를 이용하여 표시한 것으로 버튼을 이용하여 평균값을Zero Set Zero Oftset

값으로 설정하여 실험을 시작한다.

라 신호처리.

피에조 형식의 로드셀을 이용하여 하중을 실시간으로 측정한다 실시간 시간 하중.

그래프에서 하중을 진자의 질량으로 나누어 주면 시간 가속도 그래프를 얻을 수 있-

다 시간 가속도 그래프를 적분하면 초기속도 항을 추가하여 시간 속도 그래프를. - -

얻을 수 있다 다시 한번 시간에 대하여 적분하면 시간 변위 그래프를 얻을 수 있. -

다 결론적으로 변위 하중 그래프를 적분하여 충격량을 구할 수 있다. - .

적분상수에서 초기 속도를 결정하기 위해서 초기 진자 높이에서의 에너지와 마찰손

실을 알아야한다 마찰 손실을 구하기 위해서 고 분해능 엔코더를 이용하여 실험을.

실시하였으며 그 결과 진자를 초기 높이에서 자유롭게 낙하하였을 경우 마찰로 인,

하여 반대쪽으로 쳐 올라가는 높이가 초기 높이에 미치지 못 할 것이다 이를 측정.

하여 마찰손실을 얻을 수 있다 마찰 손실을 구하는 방법은 자세한 방법은 기계. 1.

설계 및 제작 부문에 자세히 기술되어 있다.

초기 에너지를 구하기 위하여 진자를 초기 낙하 위치에 오도록 하고 걸쇠를 이용하

여 고정한 다음 엔코더를 이용하여 각도를 측정한다 각도를 알면 다음의 식에 의.

해서 초기높이를 구할 수 있다.

여기서 는 진자가 중력방항으로 자유로운 경우를 기준으로 초기 낙하 위치에 해당β

하는 걸쇠부에 고정되었을 때까지의 각도를 의미한다 은 진자의 타격점에서 회전. L

중심까지의 거리를 의미한다.

- 43 -

초기 속도는 위에서 구한 높이에 해당되는 포텐셜에너지와 마찰 손실과의 차이를

감안하여 다음식과 같이 구할 수 있다.

가속도계를 이용하여 실시간으로 시간 가속도 값을 구할 수 있다 이 값에 진자의- .

하중을 곱하면 시간 하중 그래프를 얻을 수 있다 또한 적분하여 시간 속도 항을- .

얻을 수 있다 이때 필요한 초기 속도 항은 위의 식을 이용하여 동일하게 구할 수.

있으며 같은 방법으로 시간 변위 그래프와 변위 하중그래프를 얻고 이를 이용하여

결론적으로 충격에너지를 구하여 하중 센서에서 구한 값과 비교할 수 있다.

- 44 -

제 절 시험기 설치 및 실험2

기판 부착1. PCB

를 진자에 장착하는 방법은 두 가지가 있다 충격방향에 따라 를 충격 면PCB . PCB

에 나란하게 장착하는 방법과 충격 면에 수직으로 부착하는 방법이 있다 시편을.

어떻게 부착하는가에 따라 충격방향에 대한 솔더 접합부의 결함 발생의 경향을 분

석하는데 이용할 수 있다 실지 충격 해머에 를 부착한 모습은 그림 와. PCB 23,24

같다 각각 수평 수직방향 설치 모습이다. .

그림 진자에 를 충격 면에 수평 장착23 PCB

- 45 -

그림 진자에 를 충격 면에 수직 장착24 PCB

분동무게측정2.

분동의 무게를 측정하여 진자의 타격 높이에서의 위치에너지를 이론적으로 구할 수

있으며 이를 이용하여 충격시점에서 진자의 속도를 예측할 수 있다 절의 신호처. 3

리부문에서 자세한 내용을 확인할 수 있다 진자의 무게를 측정하는 방법은 아래의.

그림 와 같다 수준계를 이용하여 진자와 의 수평을 맞춘다 그 상태25 . Base Plate .

에서 지지대를 이용하여 진자를 에 수직으로 세운다 지지대의 밑에는Base Plate .

전자저울이 설치되어 있어서 지지대와 진자의 무게를 측정한다 그리고 진자를 제.

거하고 지지대만의 무게를 측정하여 진자와 지지대의 측정된 무게에서 빼주면 진자

의 무게가 나온다.

위와 같은 방법으로 측정된 본 시험기의 진자의 무게는 이다6.875kg .

- 46 -

그림 진자의 무게측정25

- 47 -

그림 수평시 진자가 타격면과 나란히 정렬26

전체 시스템의 마찰 측정3.

진자를 타격 높이에서 자유롭게 낙하시킬 경우 진자는 자유롭게 스윙을 한다 반대.

쪽으로 최대높이에 다다르고 나서 다시 초기위치로 되돌아오는 것을 한 번의 스윙

으로 보았을 때 회 반복한다 회 반복 후 마찰손실로 인하여 소모된 에너지만11 . 11

큼 진자는 초기 높이에 못 미치는 높이까지만 상승하게 된다 그러므로 초기 낙하.

높이와 마찰 손실로 인하여 발생하는 높이차를 측정하여 마찰에너지로 환산한다.

이때 마찰에너지는 공기마찰과 기계적 마찰이 포함된다 진자의 높이를 측정하기.

위하여 의 엔코더를 이용하였다 진자의 회전축에 부착하여 마찰에너지로2048P/R .

인한 진자의 상승높이 감소분을 정밀하게 측정할 수 있었다 이를 이용하여 진자가.

타격면에 다다를 때까지의 마찰에너지를 계산하여 적용할 수 있으며 진자가 타격,

면에 다다를 때의 속도를 정확하게 계산하기 위하여 사용 된다 속도를 계산하는데.

마찰에너지를 적용하는 부분은 장의 신호처리 부분에 설명되어 있다 마찰에너지3 .

를 측정한 결과 본 시스템은 진자가 초기 낙하 높이에서 타격면에 다다를 때까지

의 에너지 소모가 발생하는 것으로 측정되었다 이는 전체에너지의 로0.006J . 0.44%

설계기준치인 이하로 마찰저항이 설계 기준치보다 아래에 있음을 확인할 수0.75%

있었다.

- 48 -

그림 마찰에너지 측정결과27

타격점까지의 거리측정4.

타격점까지의 거리를 측정하기 위해서 초 이상의 분해능으로 측정 가능한 초시0.2

계를 이용하여 진자를 중력방향에서 도 이하의 각도로 상승시킨다 그리고 왕복15 .

운동을 행한다 진자가 회 왕복할 동안의 시간을 측정하여 회 왕복 시 걸리는. 100 1

시간을 환산한다 회 왕복시 측정된 시간을 아래의 식에 대입한다. 1 .

실험한 결과 회 왕복시 초의 시간이 측정되었다 회 왕복시 주기는100 130.47 . 1

초이며 위의 식에 대입하면 축 중심에서 타격점까지의 거리는 로1.3047 422.85mm

측정되었다.

- 49 -

충격에너지 측정5.

충격시의 하중신호와 가속도 신호를 검출하였다.

그림 가속도계의 충격 응답28

가속도계의 응답은 진자의 충격으로 발생한 충격파가 전달되어 큰 폭의 충격파가

계측된 것을 볼 수 있다 이에 비하여 하중신호는 그림 와 같이 충격시험기의 진. 29

자가 충돌할 때의 하중을 잘 나타내고 있다 그러므로 하중신호를 이용하여 신호처. ‘

리 부문에 기술된 에너지 계산식을 적용하여 변위 및 전달된 에너지를 측정하였다’ .

그림 은 변위 하중 곡선이며 이를 적분한 양이 충격에너지로 그림 과 같다30 - 31 .

두 물체가 충돌하는 동안 변형과 반발을 일으키는 내력은 충돌하는 동안에 어떻게

변화되거나 치환되는지 알 수 없으므로 일과 에너지 원리는 충돌 문제를 해석하는

데 사용할 수 없다 충돌시의 에너지 손실은 소리의 발생과 재료의 부분적인 변형.

뿐만 아니라 열에너지 등으로 변형되기 때문에 일어난다 그러므로 진자의 낙하 높.

이에서 계산된 초기 위치에너지와 하중센서에서 측정된 에너지와는 차이가 있다.

그러나 반발계수를 알고 있다면 충돌 시 손실된 에너지를 이론적으로 해석이 가능

하다.

- 50 -

두 물체가 짧은 시간동안 충돌할 때 두 물체의 충돌전의 속도 차와 충돌후의 속도

차의 비로 반발계수를 정의한다 완전 탄성체의 충돌 시에는 반발계수가 이고. ‘1’

완전 소성충돌에서는 반발계수가 이 된다 그러나 반발계수는 충돌하는 물체의‘0’ .

크기와 모양뿐만 아니라 충돌속도에 따라서 상당히 변한다 그러므로 본 실험에서.

충돌전후의 진자와 의 속도를 정확히 측정해야하지만 이는 다른 정밀 측정 장Anvil

비를 요하게 된다 본 실험 장비에서는 장비의 마찰에너지 부분까지를 의. ASTM

충격시험기에 해당하는 절차에 따라 측정하여 보정하였다Charpy .

그림 의 충격응답29 Force Sensor

- 51 -

그림 변위 하중 곡선30 -

그림 하중신호에서 측정된 충격 에너지31

- 52 -

최대에너지에 도달했다고 에너지가 감소하는 것은 진자가 타격면에 타격 시 전체

에너지가 전달되었다가 진자가 타격면에서 튀기면서 에너지를 다시 소모하기 때문

이다 에너지가 감소하는 크기는 타격면의 성질에 따라 다르다 본 실험에서. . PCB

기판에 전달되는 충격에너지는 그림 에서 측정된 에너지의 최고 값을 취하기로31

한다.

본 시험기에서는 하중 센서를 싸고 있는 덮개의 재질을 바꿀 수 있으며 이를 적용

하여 타격면과 충격에너지의 관계 및 충격 시간과 슬더란 접합부의 결함발생 빈도

의 관계 등을 실험할 수 있다 이는 헨드폰에 충격에너지가 전달될 경우 어떤 바닥.

재질에 떨어지는가에 따른 솔더란 접합부의 결함발생 빈도의 차이를 실험 할 수 있

다는 것을 보여준다 그림 는 이를 모사하기 위하여 부착한 하중 센서의 덮개 사. 32

진이다 왼쪽과 오른쪽은 각각 철과 알루미늄 재질로 만든 것이다. .

그림 철 알루미늄 하중센서 덮개32 ,

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그림 충격 실험 시 프로그램 화면33

프로그램을 이용하여 자동 반복 충격시험을 수행할 경우 충격 시에 발생하는 하중

의 변화를 확인할 수 있다 그림 은 충격 시험을 수행하였을 때 측정된 하중센서. 33

신호를 이용하여 하중의 변화를 그래프로 나타내고 있는 모습이다 그림 는 위의. 34

하중신호를 이용하여 프로그램 상으로 해석한 가속도 속도 변위 변위 하중곡선, , , ,

시간 에너지 곡선 등을 보여주고 있다 이는 충격시험을 수행한 후 메뉴항목을 이- .

용하여 수행할 수 있으며 자세한 내용은 제어프로그램 제작 부분에서 확인할 수 있

다.

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그림 가속도 속도 변위 에너지 곡선들34 , , ,

솔더란 접합부의 결함으로 인한 측정 전압변화6.

에는 저항과 칩을 이용하여 회로를 구성하였다 회로PCB(Printed Circuit Board) IC .

를 어떻게 구성하느냐에 따라서 측정되는 전압은 차이가 날수 있다 몇 의 저항을. Ω

거치는가에 따라서 평균 측정전압은 차이가 있다 그림 은 칩을 이용하. 36,37 74LS08

여 회로를 구성하여 출력 전압을 측정한 것이다 를 로 사AND GATE . 5V Full Range

용하여 의 분해능으로 아날로그 값을 디지털로 변화시켰다 아날로그1024(10Bit) .

신호를 검출하기 위한 회로는 을 이용하여 구성하였다MICOM .

아날로그 신호를 디지털화하여 통신으로 에 전송하였다 프RS232 Main Control PC .

로그램에서는 통신을 통하여 현제 으로 입력되는 전압의 변화를 감지 할 수MICOM

있다.

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계통도는 그림 와 같다35 .

그림 의 솔더란 접합부 결함 검출 계통도35 PCB

솔더란 접합부에 이상이 없이 폐회로를 구성하고 있는 경우 측정되는 전압신호는

아래 그림 과 같다 전압신호의 변화가 미비하여 거의 일정한 전압을 유지하는36,37 .

것을 알 수 있다 반면에 솔더란 접합부가 떨어진 경우는 전압신호의 진폭이 증가.

한 것을 확인할 수 있었다 평균 전압은 회로의 구성에 따라서 변화하므로 평균 전.

압으로는 솔더란 접합부의 결함 유무를 판단할 수 없다 솔더란 접합부의 결함을.

측정하기 위하여 측정되는 전압의 진폭을 이용하였다 사용자가 전압의 진폭을 정.

하고 정해진 진폭 범위를 벗어나서 신호가 진동하는 경우 접합부의 결함이 발생된

것을 프로그램 상에서 알리고 기록하도록 하였다 실지 실험에 적용된 는 그림. PCB

과 같다38 .

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그림 의 연결이 끊어지지 않은 경우 전압신호36 Soldering Joint

를 의 분해능(Digitalization : 5V 10Bit )

그림 의 연결이 끊어진 경우 전압신호37 Soldering Joint

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그림 용38 Soldering Joint Test PCB

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제 장 연구개발 목표 달성도 및 대외 기여도4

제 절 연구 개발 목표 및 달성도1

개발목표 개발 내용 달성도

충격시험 기구 개발반복 충격시험이 가능한 내구성을 갖도록제작마찰저항이 최소가 되도록 설계※

100%

충격량 감지시스템 개발피에조 타입의 힘 센서와 가속도 센서를이용하여 짧은 시간동안의 충격량을 디지털 값으로 측정

100%

자동하중부가장치 개발

모터를 이용한 해머자동 이송장치 설계완료자유 낙하 시 클러치를 이용하여 마찰※

최소화 함

100%

데이터획득장치

충격량 지시장치개발

힘 센서와 가속도 센서를 이용하여 충격량을 측정하여 사용자가 모니터링 할 수 있으며 최대 크기 및 충격치를 그래픽으로,확인 할 수 있음

100%

충격시스템프로그램 개발

초기 마찰 속도 등을 고려하여 실시간으,로 힘을 측정하여 충격량을 계산할 수 있는 알고리즘 개발

100%

충격시험기 설계 완료1.

가 모터 전자 클러치 제어를 이용한 자동 하중부가장치의 설계를 완료하였음. , .

나 상 전원 사용. AC 220V, 60Hz, 3 .

다 일정 하중의 진자를 자유낙하 하여 시편에 충격에너지를 전달함. .

라 본 장치의 적용으로 일정한 충격량을 시편에 반복적으로 가할 수 있음. .

마 충격 횟수에 따른 내구성 평가를 수행할 수 있음. .

사 제어장치는 제어. PC base

아 전자 브레이크를 이용하여 를 제거함. Rebound Effect

자 충격에너지를 화면에 표시하여 현제 충격량을 표시. PC

차 진자는 모터를 이용하여 초기 위치까지 자동으로 이동하여 리셋 됨. .

카 전자 통신기기의 접속부가 충격에 의해 결함이 발생하는지 온라인으로 표시. ,

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충격량 감지 시스템 완료2.

가 수 마이크로 초에 실험이 종료되므로 응답성이 빠른 을 이. Dynamic Load Cell

용하여 하중을 측정하였다.

충격량 감지센서의 설계기준치( : 0.05 % of FS)

나 위치 포테셜 에너지를 이용하여 시편에 충격을 가한 후 하중을 동적으로 측정.

하여 시간에 따른 하중곡선을 구한 다음 그래프를 적분하여 충격량을 구하는 방법

을 사용함.

다 의 고분해능 엔코더를 이용하여 시스템의 마찰에너지를 측정함. 2048P/R

진자를 이용하여 타격하는 실험장비의 경우 진자의 부분의 힌지에서 마찰이Arm

발생한다 통상 충격용량의 의 마찰이 존재한다. 1~2% .

자동 통전 실험 시스템 완료3.

가 보드의 회로의 전압을 온라인으로 측정하여 충격이후의 솔더란 접합부의. PCB

결함이 발생하는가를 확인할 수 있다.

나 사용자가 원하는 기판을 부착할 수 있으며 원하는 부분의 전압을 결선을 수정.

하여 측정할 수 있다.

다 접합부를 직접 눈으로 보지 않아도 확인이 가능함 이상 유무를 더욱 정확히. . (

알기 위해서는 시편을 분리하여 고배율 렌즈를 이용하여 확인하는 과정이 필요하

다. )

자동 시험 측정 프로그램 완료4.

가 충격에너지 따라서 흡수에너지의 결과가 어떻게 달라지는지 분석할 수 있음. .

나 충격을 시험편에 가할 경우 데이터 획득 시간은 충격시간인 임. 1ms .

식 충격시험기 기준(Drop )

다 하중측정은 의 가능한 카드 선택. 200ks/s Dynamic Samp ling (NI PCI 6024E)

라 프로그램은 이용하여 사용자가 쉽게 프로그램을 익힐 수 있도록. Visual Basic

화면구성

- 60 -

마 충격흡수에너지는 진자의 자유 상태에서 진동 시 를 표시하며 의 정. zero , 0.2%

확도로 읽을 수 있음.

바 정밀도. : Within +1% .

사 모든 결과 데이터는 파일로 컴퓨터에 저장할 수 있게 됨. .

제 절 대외 기여도2

본 과제를 통하여 개발된 마이크로 충격시험기는 업계의 관련 기술 진보에 비1. IT

하여 낮게 평가되던 내구성 및 에서 질의 향상 및 객관적인 데이터의 확보가 가AS

능해졌다.

마이크로 충격시험기의 규격화가 이루어지지 않은 상황에서 본 시험기를 이용하2.

여 기술선도의 역할이 가능해졌다.

상품화 성공으로 해외 시장으로의 경쟁력 확보가 가능해 졌다3. .

- 61 -

제 장 연구 개발 결과의 활용 계획5

제 절 개발제품의 판매 수출 등 사업화 방법1 ㆍ

본 과제를 통해 개발된 을 상품화하여 국내 영업을 진행할 계획 임 먼저Prototype .

국내의 시잠을 중점적으로 마케팅할 것이며 이는 성능검증 및 경험 축적의 기PCB

회를 제공할 것이다 이후 기술 장벽이 허술하며 수요급증이 예상되는 중국을 비롯.

한 동남아 신흥 공업 국가를 중심으로 시장 점유율을 높여 나갈 것이다.

생산 계획1.

생산 시설은 주관기업의 기존 설비 시설을 그대로 활용할 수 있으므로 추가의 투자/

가 필요 없음 원자재 역시 수입품 비중이 이내이며 대부분의 자재 및 부. 5~10%

품이 국내에서 원활한 수급이 가능함.

시장 분석 시장 규모2. ( )

본 개발 장비의 독점적인 기술 확보 등을 통하여 특허 등 추정한 본 개발 제품의( )

매출 예상액은 아래 표 과 같다1 .

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표 본 개발제품의 추정 매출 예상액[ 1 ]

계산 근거 :▶

개발 년 후 국내시장 개사 만원 대 억원1 ; 2,000 * 2% * 2,000 / = 8

개발 년 후 국내시장 개사 만원 대 억원3 ; 2,000 * 5% * 2,000 / = 20

개발 년 후 국내시장 개사 만원 대 억원5 , 2,000 * 8% * 2,000 / = 32

국내 관련 업체 법인 수 적용soldering ( ) 50%☞

세계시장 중국시장과 일본 등 선진국 시장 고려;▶

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제 장 참고문헌6

1. ASTM E23-96

"Standard Test Method for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials"

2. ASTM A370

"Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel

Products"

3. ISO R442

"Verification of pendulum Impact Testing Machines for Testing Steels"

4. BSI EN 10045-1

"Charpy Impact Test on Metallic Materials"

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부록

조립 도면1. MAIN FRAME

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조립 도면2. LATCH DEVICE

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조립 도면3. DEAD WEIGHT

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조립 도면4. ANVIL

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조립 도면5. ENCODER SET

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전자 제어부 계통도6.

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회로 구성도7. PCB

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전자 제어부 외부 결선도8.

- 72 -

전자 제어부 릴레이 결선도9.

- 73 -

전자제어부 터미널 결선도10.

- 74 -

성적서11. Force Sensor

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가속도 센서 성적서12.

- 76 -

엠프 성적서13. 480E09

- 77 -

로드셀 엠프 사양14. -1

- 78 -

로드셀 엠프 사양15. -2

- 79 -

근접센서16.

- 80 -

광파이버 센서17.

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솔레노이드 사양18. (4kgf)

- 82 -

19. Geared Motor