메카 월드

  카티아 초급 두번째 포스팅으로 포켓 명령어에 대해서 살펴보겠습니다. 포켓 명령어는 지난 포스팅에서 다룬 패드 명령어와는 반대되는 개념입니다. 즉, 패드는 밑바탕 그림을 이용해 형상을 생성하는 명령어라고 하면, 포켓은 형상을 제거하는 명령어입니다. 다음 그림과 같이 지난 포스팅에 그린 직육면체 모양에서 시작해 보도록 하겠습니다. 밑바탕을 그리는 면을 선택해야 하는데, 직육면체의 윗면을 클릭해서 선택하고 '스케치' 아이콘을 클릭합니다.

  면을 선택하고 스케치 화면에 들어가면 아래와 같이 2차원 평면에 들어가지고 스케치에서 쓸 수 있는 메뉴들로 바뀝니다. '프로파일' 에서 '사각형'을 선택한 뒤, 사각형을 생성하는 두 점을 찍어서 아래와 같이 그립니다. 사각형의 한 변이 직육면체의 면 바깥쪽에 그릴수 있도록 해보겠습니다.

  이제 밑 바탕을 그렸으니 스케치를 빠져나가는 아이콘을 클릭해서 3차원 형상을 그릴 수 있도록 해보겠습니다.

  3차원 파트 디자인에서 Sketch-Based Features 에 있는 pocket 명령어를 사용합니다.

  포켓 명령어가 활성화된 상태에서 방금 스케치에서 그린 사각형을 클릭하면 새롭게 대화창이 뜹니다. Type 을 Dimension 으로 선택한 후 길이를 8.5mm 로 입력한 뒤 미리보기를 눌러보면 형상을 확인할 수 있습니다. 원하는 형상이 맞으면 OK 를 눌러 형상을 완료합니다.

  아래는 포켓에 의해 형상이 제거된 완성된 모습입니다.

  이번에는 왼쪽 폴더식 구조에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 패드가 있고 포켓이 있는데, 포켓 하위에는 다시 스케치가 있습니다. 이 스케치를 더블 클릭하면 스케치 내용을 수정할 수 있습니다. 앞으로 형상을 그린 뒤 수정이 필요한 경우에는 폴더 구조에서 수정하고자 하는 항목을 더블 클릭해서 수정하면 됩니다. 스케치를 그릴 때 치수를 주지 않았죠? 스케치.2를 더블 클릭해서 치수를 기입해 보도록 하겠습니다. 

  더블 클릭하면 아까 그린 스케치에 사각형이 보일 것입니다. 제약 조건을 이용해서 폭의 치수는 23.3 mm 로 입력해 보겠습니다. 제약 조건을 이용하는 방법은 지난 포스팅을 참고해 주세요. 그리고 V 축과의 거리는 23.3를 2로 나눈 값으로 입력해 봅니다. 숫자를 입력해야 하는 창에서는 간단한 사칙연산도 가능하니 계산해야 할 경우가 있다면 직접 수식을 만들어서 입력해도 됩니다. 23.3/2로 입력해 보았습니다.

  11.65로 계산된 결과로 치수가 표시되었습니다. 사각형에서 상측 선분의 위치도 제약조건으로 지정해 주었습니다. 여기까지하면 사각형의 치수는 모두 지정이 되었습니다.

  아직 맨 아래 선분은 흰색으로 초록색 선분이 아닌데도 제약조건에 의해 모두 지정해 주었다는 것은 무슨 의미일까요? 흰색 선분이 어느 위치에 있던지 그 치수는 중요한 변수가 아니기 때문입니다. 단지 직육면체의 면 밖으로만 벗어나 있으면 포켓으로 파내는 형상은 동일하기 때문이죠. 이 상태에서 스케치를 빠져나오는 '워크벤치 종료' 아이콘을 클릭하면 수정된 스케치 도면이 적용되어 포켓 형상이 바뀐 모습을 확인할 수 있습니다.

  오늘은 3차원 파트 디자인에서 자주 쓰이는 포켓(Pocket) 명령어에 대해서 살펴보았습니다. 패드와 포켓은 가장 많이 쓰는 카티아 명령어입니다. 결국엔 스케치에서 밑바탕 그림을 그리고, 높이를 지정해 주어서 그 형상을 만들거나 파내는 것이니 몇번 사용해 보시면 쉽게 사용하실 수 있을 겁니다.

  그럼 방문해 주신 분들 좋은 하루 보내세요~

  카티아는 제품 디자인을 위한 3D 설계 툴입니다. 저는 카티아를 접한지 이게 거의 10년 되가는 듯 하네요. 대학에 처음 다닐 때 오토캐드를 통해서 기계 부품의 도면을 그리는 수업을 듣게 되었습니다. 보통 기계 부품을 도면으로 나타낼때 삼각법이라는 방법을 이용해서 부품의 측면이나 전면, 그리고 위에서 본 모습을 그리는 연습을 많이 했었습니다. 그런데 2차원 도면을 그리는 방법으로 오토캐드를 사용하다가 3차원 곡면의 형상을 그릴 경우에는 많은 어려움에 봉착하게 되었습니다. 예를 들어 자동차 디자인과 같은 경우입니다. 그래서 3차원 형상을 그리는데 많이 사용하는 설계툴인 카티아를 새롭게 공부하면서 이제는 제품 설계도 어느 정도 할 수 있는 기본 능력은 갖추게 된 것 같습니다.

  카티아는 참 기능이 다양한 설계 툴입니다. 단순히 디자인만 하는 것이 아니라, 디자인 된 제품을 여러가지로 해석할 수 있는 다양한 툴 등을 제공하고 있죠. 기구학 해석, 응력 해석 등등 저도 모르는 많은 기능들이 숨어 있습니다. 이 많은 기능들을 모두 사용할 수 있도록 공부하기에는 오랜 시간과 함께 경험이 쌓여야 할 것으로 보입니다. 제가 포스팅하는 카티아(CATIA) 초급에서는 카티아를 처음 다루는 분들을 대상으로 제품을 디자인할 수 있는 기본적인 내용에서부터 차근차근 살펴보려고 합니다. 

  제가 사용하고 있는 카티아는 V5 R19 버전입니다. V5 R14 때부터 카티아를 사용해 왔던것 같은데 초급 내용에서는 두 버전 상의 큰 차이는 없는 것으로 생각됩니다. 그럼 이제부터 카티아를 공부해 보도록 하겠습니다. 

  다음 화면은 카티아가 시작하면 구동되는 첫 화면입니다.

  '시작'에서 '기계디자인' 그리고 'Part Design'으로 들어갑니다. 우선 초급에서 사용하는 거의 모든 기능은 이 Part Design 에서 사용한다는 것을 기억해 주세요.

  잠깐 마우스 사용법에 대해서 알아보고 시작하는 것이 좋을 것 같습니다. 

  1. 확대나 축소 : 마우스 휠을 클릭한 상태에서 우클릭 한번 하고 마우스를 위아래로 움직여 보세요.

  2. 화면의 이동 : 휠을 클릭한 상태에서 마우스를 움직입니다.

  3. 화면의 3차원 회전 : 마우스 휠을 클릭한 상태에서 우클릭 누른 채로 마우스를 움직이면 됩니다.

  위와 같이 3가지 방법으로 화면의 이동 및 변환을 통해 설계된 제품의 형상을 관찰할 수 있는데, 처음에는 익숙하지 않으실 겁니다. 계속 사용해 보면서 몸으로 익히셔야 할 듯 합니다.

  Part Design 으로 들어오면 아래와 같은 화면이 뜹니다.

  왼쪽에는 설계된 부품이 어떠한 과정을 거치면서 만들어 졌는지를 폴더식으로 보여줍니다. 그리고 오른쪽, 아래쪽에는 많은 아이콘들이 있는데 숨어 있는 아이콘들도 많이 있습니다. 먼저 3차원 형상을 그리기 이전에 2차원 그림을 그려야 하는데 이것을 카티아에서 '스케치'라고 합니다. 2차원 스케치를 그리려면 어느 면에다가 그려야 할 지를 정해주어야 하겠죠? 아래와 같이 중간에 xy 평면을 클릭해서 주황색으로 선택된 모습이 보이실 겁니다. 왼쪽 트리에도 xy 평면을 선택했다고 표시가 되네요. 이 상태에서 오른쪽 아이콘 중에 '스케치' 라는 아이콘을 클릭합니다.

  오늘은 간단한 직육면체를 3차원으로 그려볼텐데요. 그 밑바탕 그림을 이제 스케치에서 그리면 됩니다. 다음과 같이 격자가 있는 2차원 평면, 즉 아까 선택한 xy 평면으로 들어오게 됩니다. 저는 자주 사용하는 메뉴들을 화면 안쪽으로 꺼내놓고 사용하는데 '스케치 도구', '프로파일', '작업' 등이 이에 해당합니다. 

  '프로파일' 에서 '직사각형' 을 선택해 보겠습니다.

  그러면 스케치 도구가 확장되는데 아래 그림과 같이 두번째에 활성화되어 있는 '점에 스냅' 이라는 것은 격자위에만 클릭이 가능하도록 제한을 주는 기능입니다. 저는 소수점 단위로 설계하는 경우가 많기 때문에 '점에 스냅'을 해제하고 2차원 스케치 화면위에 아무 곳이나 클릭할 수 있도록 해서 사용합니다.

  이제 직육면체의 밑바탕 사각형을 그려보겠습니다. 화면 아무 곳이나 한 점을 클릭하고, 다시 오른쪽 아래로 내려와서 아무 점이나 클릭을 하면 기본 사각형이 그려집니다. 아래와 같이 사각형이 그려지셨나요?

  사각형을 그렸는데 크기가 몇인지 지정해 주지 않고 임의로 그린 사각형입니다. 이제 사각형의 치수를 지정해 주어야 하는데 이때 사용하는 메뉴가 바로 '제약조건'에 있는 아이콘들입니다. '제약조건' 메뉴도 자주 사용하니 화면 안쪽으로 꺼내놓겠습니다. 메뉴바를 꺼내는 방법은 기타 다른 프로그램들과 비슷한데, 오른쪽 메뉴 아이콘들이 있는 곳에서 빈공간을 우클릭하면 표시하고자 하는 메뉴들이 목록으로 뜰 텐데 거기서 선택하시면 됩니다.

  그럼 본격적으로 치수를 정해 보도록 하겠습니다. '제약조건' 아이콘을 클릭합니다.

  그러면 제약조건 아이콘이 주황색으로 활성화가 되는데 이 상태에서 사각형의 왼쪽 선분과 오른쪽 선분을 클릭합니다. 그리고 마우스를 움직여 보면 치수를 표시해 주는 화살표가 보일텐데 원하는 위치에 세번째 클릭을 하면 치수가 그 위치에 표시가 될 겁니다. 아래 그림과 같이요. 혹시 클릭 순서가 헷갈리거나 뭔가 잘못 선택되었다 싶으시면 ESC 키를 마구 눌러서 그 기능을 사용하지 않도록 빠져나오면 됩니다.

  처음에 그린 사각형이 임의의 크기의 사각형이었기 때문에 치수의 숫자를 더블 클릭해서 그 크기를 원하는 크기로 변경해 줍니다. 

  저는 40mm 로 정해보았습니다. 동일한 방법으로 위쪽과 아래쪽 선분 사이의 간격도 40mm 로 정해줍니다. 그러면 아래와 같이 길이가 40mm 인 정사각형이 생기겠죠? 여기서 한가지 더 알아볼 내용이 있습니다. 

  스케치 도면에서 사용되는 선분의 색깔입니다. 지금까지 그린 선분은 흰색 선분입니다. 그런데 그린 선분이 앞으로 사용하다보면 몇가지 다른 색깔들로 표현될텐데, 예를 들면, 초록색, 자주색, 갈색, 노란색 등등입니다. 오늘은 초록색에 대해서만 살펴보도록 하겠습니다. 차근차근 설명해 보도록 하죠.

  위 정사각형은 그 크기가 정해졌습니다. 제약조건을 사용해서 말이죠. 하지만 부품의 설계를 할때는 위 정사각형이 절대 좌표를 기준으로 어느 위치에 그려져 있느냐도 중요한 변수가 됩니다. 즉, 위 선분의 위치를 정가운데에 표시되어 있는 H와 V라는 좌표축과 떨어진 거리를 지정해 주어야 합니다.

  제약조건을 사용해서 같은 방법으로 아래와 같이 V축과 오른쪽 선분이 떨어진 거리를 지정해 주겠습니다.

  동일한 방법을 사용해서 위쪽 선분은 H축과 거리를 지정해 줍니다. 모두 20mm 로 지정해 주면 좌표 중심에 있는 정사각형이 그려집니다. 제약조건을 모두 걸어주니 이제 선분의 색깔이 초록색으로 변경된 것이 보이시죠? 초록색으로 변경되었다는 것은 이제 무엇을 의미하는지 살짝 감이 오시나요? 선분의 위치가 변경불가능하도록 제약조건이 모두 설정되었다는 것을 의미합니다. 앞서 흰색 선으로 선분이 그려져 있을때는 그 선분을 마우스로 클릭해서 드래그 하면 다른 위치로 이동할 수 있습니다. 하지만 초록색으로 선분 색이 지정되면 그 선분의 위치 및 길이가 지정되었기 때문에 이동불가능하게 되는 것이죠. 설계를 하다보면 대부분의 형상을 이루는 선은 초록색으로 제약조건을 걸어야 하는 것이 맞습니다. 언제 나도 모르게 드래그가 되서 그 위치가 변경될 수도 있을지 모르니까요.

  2차원 스케치가 완성이 되었습니다. 이제 3차원 형상을 그릴 수 있는 메뉴로 넘어가기 위해서 아래 그림의 오른쪽 아이콘을 클릭합니다. '워크벤치 종료' 라는 스케치를 빠져나오는 명령입니다.

  3차원 화면으로 넘어오면 아래 그림과 같이 xy 평면에 정사각형이 그려져 있는 것을 보실 수 있을 겁니다. 이제 이 정사각형을 밑바탕으로 하는 3차원 직육면체를 그려보도록 하죠. Sketch-Based Features 메뉴에 첫번째 아이콘, pad 명령어 입니다.

  아래 그림과 같이 패드 아이콘이 주황색으로 활성화 된 상태에서 정사각형을 클릭하면 대화창이 새롭게 뜹니다. 높이를 지정해 주어야 하는데 여러가지 방법이 있지만, 오늘은 치수를 직접 지정해 주는 방법을 사용해 보겠습니다. Type 에서 Dimension 을 선택하면 됩니다. 그리고 높이를 나타내는 Length 를 20 mm 로 설정하고 미리보기를 눌러보겠습니다.

  아래와 같이 직육면체가 그려지는 모습을 볼 수 있습니다. 높이를 12로 변경하고 미리보기를 누르면 그에 맞게 직육면체가 그려질 겁니다. 원하는 치수를 기입하고 OK 를 누르면 완성이 됩니다.

  간단히 PAD 명령어를 사용해서 직육면체를 완성했습니다.

  2차원 스케치에서 밑바탕을 그리고 3차원 명령어인 pad 를 이용해서 직육면체를 완성해 보았습니다. 기본적인 방법에 대해서 설명했으니 카티아에서 설계는 이러한 방법을 통해 그려진다는 것을 이해하시면 될 듯 합니다. 다음 포스팅에서는 또 다른 기능에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

  방문해 주신 모든 분들 좋은 하루 보내세요~

  자이로 센서와 가속도 센서는 실생활에서도 많이 쓰이는 센서가 되었습니다. 스마트폰에 장착되어 있는 자이로, 가속도 센서의 경우 사용자가 움직이는 모션을 감지하여 그에 맞는 다양한 반응을 수행할 수 있도록 합니다. 이 외에도 자이로 센서와 가속도 센서는 기본적으로 움직이는 물체의 자세를 측정할 때 많이 쓰이는 센서입니다. 오늘은 이 두가지 센서의 특성에 대해서 알아보려고 합니다. 

  움직이는 물체의 자세를 측정하는데 많이 쓰이는데, 특히 로봇의 자세를 제어할 때 많이 쓰입니다. 거꾸로 세워진 진자라는 의미를 가지는 Inverted Pendulum 을 유투브에 검색해 보면 많은 동영상이 있는데 이러한 것이 자세 제어의 예가 되겠습니다. 다음 동영상 한번 보세요. 

<출처 : 유투브 'LEGO NXT Balancing Road TwoWheels Robot' 검색>

  로봇의 자세를 의미하는 각도는 롤, 피치, 요(Roll, Pitch, Yaw)로 나타냅니다. 비행기의 항법 장치에 필수적인 요소이기도 합니다. 요는 z축 방향 회전을 의미하고, 롤은 좌우로 회전하는 것을 의미합니다. 좌우라고 표현하니까 헷갈릴 수도 있는데, 자동차를 기준으로 생각해 본다면 코너를 돌때 한쪽 방향으로 쏠려서 기울어지는 것을 롤이라고 합니다. 마지막 피치는 자동차가 브레이크를 잡아서 앞으로 쏠릴때 기울어지는 방향을 의미합니다.

  이러한 자세 측정에는 그 기준이 있습니다. 즉, 중력방향을 기준으로 얼마나 기울어져 있는지를 나타내는 값이 롤과 피치입니다. 롤과 피치를 측정하기 위해 사용하는 센서가 바로 가속도 센서와 자이로 센서입니다. 보통 MEMS 기술을 적용한 칩형태의 센서가 스마트 폰에 많이 장착되어 있죠. 다음은 가속도 및 자이로 센서로 유명한 Invensense 사의 제품입니다. 

  자이로와 가속도 센서의 큰 차이를 먼저 이야기 하자면 단위를 먼저 말씀드리는 것이 좋겠네요. 자이로는 각속도를 측정하므로 단위가 (degree/sec) 입니다. 그리고 가속도 센서는 단위로 (g) 를 사용합니다. 그럼 이제 가속도 센서와 자이로 센서를 비교해서 살펴보도록 하겠습니다.

  가속도 센서는 Accelerometer 로 말 그대로 가속도를 측정하는 센서입니다. 가속도 센서가 3축이라 함은 센서가 3차원에서 움직일 때 x축, y축, z축 방향의 가속도를 측정할 수 있다는 의미입니다. 기본적으로 가속도 센서는 가만히 정지한 상태에서 중력 가속도를 감지하기 때문에 z축 방향으로 -g 만큼의 값을 출력합니다. 그러면 이러한 가속도 센서를 이용해서 어떻게 자세, 즉 기울어진 각도를 측정할 수 있을까요?

  먼저 움직이는 물체와 견고하게 센서가 장착되어 있는 상태에서 시작합니다. 센서의 초기 출력은 모두 0이라고 합시다. 이 상태에서 물체를 y축 방향으로 45도 기울여 보면, 기울어진 상태에서 z축 방향과 x축 방향으로 동일한 값의 가속도가 측정됩니다. 아래 그림 보시면 쉽게 이해가 되실텐데 중력방향으로 g 가 측정되어야 하므로 0.707g 만큼 z축과 x축 방향으로 값이 출력됩니다. 결과적으로는 z축과 x축 값의 비율을 atan 에 넣으면 그 결과값이 45도, 즉 기울어진 값을 알수 있습니다.

  간단히 가속도 센서를 이용해서 각도를 측정하는 방법은 위와 같습니다. 하지만 간단한 만큼 문제점이 있습니다. 정지된 상태에서 물체가 움직이기 시작하면 그때 측정되는 값은 기울기를 나타내지 않을 수 있습니다. 예를 들어 45도 기울어진 위와 같은 상태에서 오른쪽으로 가속을 해본다고 가정해 보죠. 그러면 x축과 z축에서 측정되는 가속도는 변하게 됩니다. 한쪽값이 더 커지겠죠? 그러면 이 상태에서 atan 에 대입한다고 하더라도 45도 값은 나오지 않게 됩니다. 즉 움직임이 생겨서 어느 한쪽 방향으로 가속도가 생기게 되면 결과적으로 이 값이 중력에 의해 측정되는 가속도값과 구분이 안되게 됩니다.

  * 정지하지 않은 움직임 상태에서는 가속도 센서만으로 기울기 값을 측정할 수가 없습니다.

  자이로 센서는 가속도를 측정하는 가속도 센서와 달리 각속도를 측정합니다. 자이로스코프가 각속도를 측정하는 기구인데 MEMS 기술을 적용한 칩형태의 자이로센서도 각속도를 측정하는 기능을 가지는 것입니다. 각속도는 시간당 회전하는 각도를 의미하죠? 다음과 같은 예를 들어서 자이로 센서값이 어떻게 측정되는지 알아보겠습니다.

  1. 수평한 자세를 유지하고 있는 상태를 가정합시다. 이때는 정지 상태이니 당연히 각속도도 0도/sec를 나타낼 것입니다.

  2. 이 물체가 10초 동안 50도만큼 기울어진다고 봅시다. 이 10초동안은 0이 아닌 각속도 값을 가지게 됩니다. 10초 동안의 평균 각속도는 5도/sec 가 될것입니다.

  3. 기울어지는 동작을 한 후 다시 멈춰서 50도를 유지한다고 봅시다. 이때는 다시 각속도가 0도/sec 가 됩니다. 

1번 2번 3번 과정을 거치면서 각속도는 0 -> 5 -> 0으로 바뀌었습니다. 그런데 각도는 어떻게 바뀌었나요? 0도에서 점차 증가해서 50도가 되었습니다. 각속도에서 각도를 구하려면 전체 시간에 해당하는 만큼 적분을 해야합니다. 자이로 센서는 이와 같이 각속도를 출력으로 내보내기 때문에 전체 시간동안 이 각속도를 적분하면 기울어진 각도를 계산할 수 있습니다. 그런데 자이로 센서에도 문제점은 존재합니다. 적분의 문제점이지요. 센서에서 측정되는 각속도는 노이즈가 생기든 어떠한 이유에 의해 측정값에 에러가 계속 생기는데, 이 오차가 적분시에는 누적이 되어서 최종 값이 드리프트 되는 현상이 생깁니다.

  * 자이로 센서에서 측정되는 각속도를 이용하면 시간이 지날수록 각도는 오차가 생겨 기울기 값이 변하게 됩니다.

  앞서 가속도 센서와 자이로 센서를 이용해서 물체가 기울어진 각도를 측정하는 방법에 대해서 알아보았습니다. 하지만 각각의 문제점이 존재하는데 정리하면 다음과 같습니다.

  정지한 물체가 움직이기 시작한 후 다시 정지하는 동작을 한다면...

  정지상태의 긴 시간의 관점에서 보면 가속도 센서에 의해 계산된 기울어진 각도는 올바른 값을 보여줍니다. 그러나 자이로 센서에서는 시간이 지날 수록 틀린 값을 나타냅니다.

  반대로, 움직이는 짧은 시간의 관점에서 보자면 자이로 센서는 올바른 값을 보여줍니다. 하지만 가속도 센서는 기울어진 각도와는 영 다른 계산값이 나올겁니다.

  결론적으로는 가속도센서와 자이로센서를 모두 사용해서 각각의 단점을 보상할 수 있는 알고리즘을 적용해서 롤 또는 피치 값을 계산하게 되는 것입니다. 많이 적용하는 보상 방법 및 필터링으로는 칼만필터를 사용하는 경우가 많이 있는데, 이 부분까지 알려면 공부를 많이 해야겠습니다.

  Yaw 값 측정에 대해서는 간단히만 알아보죠. Yaw 의 회전축은 z축방향, 즉 중력방향과 같습니다. 따라서 가속도센서보다는 자이로 센서의 z축 값을 측정해서 이 값을 이용해 yaw 값을 계산하고 드리프트되는 오차를 보상하는 다른 센서를 추가적으로 사용합니다. 바로 마그네토미터, 즉 지자기센서입니다. 3축 지자기 센서를 적용해서 yaw 방향을 측정하는 것입니다. 

  자이로는 온도가 변하면 그 값이 같이 변하는 특성이 있다고 합니다. 그래서 정확한 출력을 계산해야 할 경우 온도센서도 함께 사용해서 오차를 보상해야 합니다. 그래서 각도측정 센서를 찾아보면 보통 가속도센서, 자이로센서, 지자기센서, 온도센서를 내장한 9축 자세 측정 센서라고 합니다.

  각도를 측정하는 것이 상당히 까다롭네요. 다음에는 제가 가지고 있는 9축 자세센서에 대해서 포스팅 해보도록 하겠습니다. 방문해 주신 모든 분들 좋은 하루 보내세요~

  굴삭기 운전 기능사 필기 공부를 요약하면서 지금까지 내연기관의 기계적인 구동 방법 및 구조에 대해서 알아보았습니다. 이제 내연기관과 직접적으로 연동되는 전기 장치에 대해서 살펴보려고 합니다. 전기 장치는 크게 전동기와 발전기로 나눌 수 있습니다. 간단히 두가지 전기 장치의 특성을 비교해 볼까요?

  전동기는 전기 에너지를 동력 에너지로 바꾸는 장치이고, 발전기는 이와 반대로 동력 에너지로부터 전기 에너지를 얻어내는 장치입니다. 이 두가지 전기 장치가 왜 내연기관과 연동되어 사용되어야 하는지 간단히 말씀드리면 다음과 같습니다. 

  전동기는 우리가 쉽게 쓰는 용어로 바꾸면 모터입니다. 이 모터가 사용되는 부분은 바로 시동을 걸 때 사용하는 시동모터, 스타터 모터입니다. 디젤 엔진에서 처음 시동이 걸릴때 어떻게 시동이 걸리는지 살펴보면 다음과 같습니다. 맨 처음 첫 폭발이 생겨야 그 다음부터 연속적으로 피스톤이 움직일 수 있게 됩니다. 이렇게 첫 폭발이 이루어 지려면 크랭크축을 외부에서 임의로 돌려 피스톤이 압축행정을 할 수 있도록 해주어야 하는데, 이 외부 동력원이 바로 시동 모터입니다.

  발전기는 간단합니다. 전기를 만들어 내야 하는 이유는 차량에서 쓰이는 모든 전기 장치에 전력을 공급해 주어야 하기 때문입니다. 발전기에서 생성된 전력은 배터리를 충전하는데 사용되는 것이지요.

  이제부터는 시동모터와 발전기에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

  시동모터는 다음과 같이 생긴 부품입니다.  아래쪽이 우리가 흔히 볼 수 있는 모터처럼 생겼고 그 위에 하나의 뭉치가 더 붙어 있습니다. 아래 쪽 모터 오른쪽에 보면 살짝 피니언 기어가 보이는데, 이 피니언 기어를 직접 돌려주는 동력은 아래쪽 큰 모터가 담당합니다. 그리고 위쪽의 뭉치는 솔레노이드 스위치인데, 피니언 기어를 오른쪽으로 밀어서 확실하게 다른 기어와 맞물릴수 있도록 하면서 동시에 회전을 시작하게 하는 스위치입니다. 

  시동 모터 안쪽 부품을 살펴보면 조금 더 쉽게 그 움직이는 모습을 알 수 있습니다. 아래 그림 보시죠. 위쪽 시동모터의 내부 모습인데 왼쪽 오른쪽이 뒤바뀌어 있음을 참고해 주세요.

  모터 안쪽에 무엇이 있는지 아마 어렸을 때 한번씩은 다 분해해 보셨을 것으로 생각됩니다. 3번과 4번이 피니언 기어를 돌리는 모터의 핵심 부품에 해당하고, 6번 부품이 솔레노이드 스위치 입니다. 6번과 2번이 링크로 연결되어 있는데 솔레노이드 스위치에 의해서 이 링크가 움직이게 되고 이에 따라서 피니언 기어가 왼쪽으로 슬라이드 될 수 있도록 설계되어 있습니다. 솔레노이드 스위치도 왕복운동을 하는 장치인데 이에 따라서 2번 피니언 기어 뭉치가 왼쪽으로 움직이게 됩니다. 다음 사이트에 가서 보시면 동작되는 모습을 쉽게 이해하실 수 있을테니 방문해 보시기 바랍니다.

  http://cafe.naver.com/qnrqndnstn/2181

  그림을 통해 움직이는 모습을 이해하셨나요? 시동모터는 크랭크축을 시동시에 회전할 수 있도록 해주는 부품입니다. 다음 그림에서 볼 수 있듯이 큰 링기어가 플라이휠에 부착이 되어 있는데 이 플라이 휠은 크랭크축과 직접 연결되어 있는 부품입니다. 따라서 시동모터의 피니언 기어가 회전하면 링기어가 회전하면서 결과적으로 크랭크축을 회전시키고 피스톤을 움직일 수 있게 합니다.

  앞서 시동 모터의 그림에서 2번 부분에 대해서 조금 더 자세히 살펴보면 오버러닝 클러치라는 부품입니다. 시동이 걸려있는 상태에서 피니언 기어가 플라이 휠의 링기어와 물려있더라도, 그 회전력을 모터의 핵심 부품인 3번 쪽으로 전달하지 않도록 하는 기능을 합니다. 물론 시동이 걸린 상태에서 시동 스위치는 키지 않아야 합니다. 그리고 시동 모터에는 전류가 많이 흐르므로 스타트 릴레이 부품을 사용합니다.

  시동 모터는 직권식, 분권식, 복권식으로 나눌 수 있습니다. 이를 구분하는 것은 전동기의 핵심 부품인 계자 코일과 전기자 코일이 직렬로 아니면 병렬로 연결된 것인지에 따라 직권식, 분권식으로 나누는 것입니다. 복권식은 두가지 특성을 다 가지고 있도록 설계한 것입니다. 직권식이 기동 회전력이 크고, 건설기계에서 보통 직류 직권 전동기가 많이 사용됩니다.

  다음과 같은 경우에 시동 장치가 잘 동작하지 않으니 정비할 때 참고하시면 됩니다.

  1. 배터리 방전 또는 배터리 단자와 터미널 접촉이 되지 않을 때

  2. 시동 스위치 또는 배선이 불량일 때

  3. 연료량 점검 및 시동 모터의 고장 여부 점검

  4. 겨울철에는 엔진오일이 뻑뻑해지고, 배터리 용량이 줄어들며, 부하의 증가로 크랭크 축 회전수가 떨어진다.

  발전기는 직류 및 교류 발전기로 나눌 수 있습니다. 직류발전기를 Generator, 교류발전기를 Alternator 라고 합니다. 구성 요소를 살펴보면 직류발전기는 전기자, 계자코일 및 계자철심, 그리고 정류자와 브러시로 구성되어 있습니다. 그리고 교류 발전기의 구성 요소는 스테이터, 로터, 슬립링과 브러시 및 정류기입니다. 여기서 정류기는 교류를 직류로 바꾸는 역할을 합니다.

  건설 기계에서는 통상 3상 교류 발전기를 많이 사용합니다. 그 특성은 다음과 같습니다.

  1. 내구성이 좋고 고속 사용이 가능합니다.

  2. 저속에서 충전성능이 좋습니다.

  3. 배터리에서 발전기로 흐르는 역류가 없으므로 컷아웃 릴레이가 필요없습니다.

  4. 브러시 및 정류자 고장이 적고, 정비가 간단합니다.

  교류 발전기의 스테이터는 외부에 고정되어 있는 상태이며, 이 안에 전자석이 되는 로터가 회전함에 따라 스테이터에서 전류가 발생하는 구조입니다. 로터는 외부 풀리가 벨트로 크랭크 축과 연결되어 회전하게 됩니다.

  아래 그림은 발전기가 설치된 모습을 볼 수 있는 그림입니다.

  발전기는 차량에서 매우 중요한 기능을 담당합니다. 발전기가 고장나면 배터리 충전이 안되고, 이에 따라 배터리가 방전이 되면 차량에서 쓰이는 모든 전기 장치에 전력을 공급할 수 없게 됩니다. 배터리가 충전이 안되면, 충전 경고등이 들어오며, 많은 전류를 필요로 하는 헤드 램프 점등 시에 약하게 불이 들어오는 것을 확인할 수 있습니다. 발전기의 로터는 엔진의 동력을 얻어 회전하기 때문에 벨트 장력이 적절하게 유지되는지 확인해야 합니다.

  오늘은 굴삭기 운전 기능사 필기 요약 8번째 포스팅이었습니다. 전기 장치에 해당하는 시동모터 및 발전기에 대해서 살펴 보았습니다. 그럼 방문해 주신 분들 좋은 하루 보내세요~

  굴삭기 운전 기능사 필기 내용 중 내연기관에 대한 내용을 포스팅하고 있습니다. 지금까지는 엔진에서 흐르는 액체에 대해서 알아보았습니다. 즉, 엔진오일, 연료, 냉각수가 엔진에서 어떤 기능을 하는지에 대해서 알아보았는데, 오늘은 엔진에서 흐르는 기체에 대해서 살펴볼까 합니다. 기체는 공기가 들어가서 배기가스가 나오는 과정으로 요약할 수 있습니다. 

  엔진룸의 모습을 먼저 한번 보시겠습니다. 엔진이 있고 오른쪽 부분에 쭈글쭈글한 굵은 호스가 있습니다. 그리고 이 끝부분에 연결되어 있는 사각박스가 있습니다. 이 부분에서부터 공기가 흡입되어 엔진으로 들어가게 됩니다.

<출처 : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Honda_K24A_Engine_01.JPG>

  달리는 차 앞부분에서 공기가 들어간 후에 위에 사각 박스, 즉 에어필터를 거치게 됩니다. 에어 필터는 다음과 같이 생긴 부품인데 보통 엔진오일을 교환할 때 같이 교환해 주는 부품입니다. 건식 방법의 에어 필터인데 공기를 필터링해서 이물질이 엔진 내부로 들어가지 못하도록 하는 역할을 합니다. 엔진 내부의 연소실에서는 피스톤이 빠르게 왕복운동하기 때문에 이물질이 들어가게 되면 마모를 발생시키게 됩니다. 필터를 오래 사용해서 공기가 잘 흐르지 못하게 막히게 되면 흐름 저항이 생기므로 공기가 엔진으로 잘 들어가지 못하게 됩니다. 이렇게 되면 연소가 불안정해지고, 이에 따라 엔진 출력이 저하되는 문제가 생깁니다.

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Air_filter>

  공기는 이 에어필터에서 이물질이 여과된 뒤 앞서 보았던 굵은 호스를 거쳐 엔진 내부로 들어가게 되는데 이 사이에 스로틀 밸브가 있습니다. 엔진의 출력을 조절하기 위해서 스로틀 밸브가 설치되어 있는 것인데 흡입되는 공기량을 조절할 수 있습니다. 그래서 운전자가 밟는 가속 페달이 이 스로틀 밸브와 직접적으로 연동되어 있습니다. 가속 페달을 밟아서 스로틀 밸브가 차츰 열리게 되면 흡입되는 공기량이 늘어나고 이에 따라 엔진 출력이 증가하게 됩니다.

  다음 그림은 엔진 내부의 단면을 볼 수 있도록 자른 그림입니다. 이 엔진에서 윗 부분을 보면 공기를 흡입하여 연소실로 보낼 수 있는 흡기 매니폴드가 설치되어 있는 모습을 볼 수 있습니다. 흡기 다기관이라고도 하는데 단면이 보이시죠? 흡입된 공기를 각 실린더로 잘 분배해서 보낼 수 있도록 하며, 유체역학적으로 공기의 흐름을 방해하지 않도록 설계되어 있습니다. 흡입된 공기는 예전 포스팅에서 다루었던 흡기 밸브가 열림에 따라 연소실 내부로 들어가게 되고, 연료와 혼합되어 폭발을 하게 됩니다. 아래 엔진은 실린더가 8개인 V8 엔진인데 잘린 단면 사이로 피스톤이 두개가 보입니다. 각 실린더에서는 다시 연소가 되고 남은 배기 가스가 빠져나오게 되는데 이 배기 매니폴드는 아래쪽 검은 색의 관입니다. 아래쪽 전면에 4개의 실린더에서 나오는 배기가스가 뭉쳐져셔 하나의 관으로 빠져나오는데, 반대쪽 4개의 실린더에서도 똑같이 배기가스가 나오는 관이 보이실 겁니다. V자 형태의 대칭 형상으로 안보이는 부분은 상상해 보시기 바랍니다.

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/V8_engine>

  엔진의 종류에 따라 설계 도면이 다르겠지만, 아래 그림은 흡기 다기관의 그림입니다.

  실린더 내부 연소실로 흡기 다기관을 통해 들어온 공기는 연소가 된 후 배출 가스가 됩니다. 공기의 성분은 질소, 산소, 이산화탄소로 이루어져 있습니다. 공기는 연료와 섞여서 연소라는 화학작용을 통해 배기가스가 생성되는데 이 배기 가스 또한 위 원소들의 조합으로 이루어지는 화학물질이 만들어 집니다. 물, 질소, 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등입니다.

  H, N, O, C로 이루어진 기체들이 배기가스를 만들어내는데, H20, N2, CO2, CO, HC, NOx 로 표현합니다. 이 중에서는 인체에 무해한 물질도 있지만, 유해한 물질도 있습니다. 그래서 유해한 물질의 경우는 그 배출량을 제한할 수 있도록 규제가 법률로 정해져 있습니다. 대표적인 유해 가스는 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소 입니다.

  유해 가스가 생성되는 이유는 무엇일까요? 우선 불완전연소가 있습니다. 불완전연소가 되면 탄화수소, 일산화탄소가 생성되기 때문에 최대한 완전 연소를 시킬 수 있도록 해야 합니다. 그리고 연소 온도가 너무 높아지게 되면 질소산화물이 생성됩니다. 이를 막기 위해서는 분사 시기를 늦추고 연소실 내에서 공기가 잘 퍼져 있도록 해야 연소 온도를 낮출 수 있습니다.

  배기 가스는 대부분 배기 밸브가 열리게 되면 배기 매니폴드를 통해 빠져나가게 되는데, 피스톤과 실린더 내벽 사이에 틈이 마모로 인해 틈이 생기게 되면 이 사이로 빠져나갈 수도 있습니다. 이를 블로바이라고 합니다. 그러면 크랭크 축과 엔진 오일이 있는 쪽으로 흘러가서 슬러지를 만들어 내기 때문에 이를 외부로 배출할 수 있도록 해야 합니다.

  배기 매니폴드를 거친 배기 가스는 최종적으로 소음기(머플러)를 거쳐서 차량 외부로 배출됩니다. 차량 하부에서 볼 수 있는 머플러 그림은 아래와 같습니다.

<출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminized_steel>

  앞서 설명했던 배기 매니폴드와 배기관이 연결되어 있으며 소음기를 지나면서 배기가스가 배출될 때 나는 소음을 줄여주게 됩니다. 배기관이 직진 형태가 아니라 꼬여있는 것은 배기가스의 속도를 줄여서 소음을 줄여주는 효과를 내기 위해서 입니다. 하지만 배기가스가 배출되는데 저항이 생기면 원활한 배기 행정이 이루어지지 못할 수 있으므로 엔진 출력이 떨어지는 문제가 발생할 수 있습니다. 소음기에는 배기 가스의 정화 역할을 할 수 있는 백금촉매가 들어 있습니다.

  공기의 전체적인 흐름에 대해서 알아보았습니다.

  이번에는 터보차저와 슈퍼차저에 대해서 이야기 해보겠습니다. 이 두 장치는 모두 흡기 매니 폴드를 통해 들어가는 공기의 양을 늘려서 엔진의 출력을 높이기 위해 사용되는 장치입니다. 과급기라고도 하는데, 터보차저와 슈퍼차저는 그 구동되는 동력이 다를 뿐 결국엔 실린더 내부로 흡입되는 공기량을 늘려줍니다. 다만, 공기만 많이 들어간다고 해서 연소되는 폭발력이 증가하는 것이 아니라 그만큼 연료도 더 많이 들어가서 혼합이 되어야 합니다. 그 비율이 정해져 있는데 과급기를 설치할 경우 연료 분사 노즐에서 더 많은 연료가 분사될 수 있도록 해주어야 합니다.

  터보차저는 흡입되는 공기를 압축하기 위해 돌아가는 터빈이 배기 매니폴드에서 나오는 배기가스가 흐를 때 생기는 힘으로 돌아갑니다. 그리고 슈퍼처자는 이 터빈을 크랭크 축과 벨트로 연동해서 돌아가는 것이 차이점입니다. 두 장치 간의 장단점이 있는데 배기 가스의 흐름을 이용하는 터보 차저는 그 제어가 정확하게 이루어지지 않아서 반응성이 느리다는 단점이 있습니다. 또한 엔진 속도가 느릴때는 배기가스가 빠르게 흐르지 않기 때문에, 이 힘을 이용하는 터보 차저는 저속일 때 공기 과급이 잘 되지 않습니다.

  이번 포스팅에서는 공기가 어디에서 어디로 흘러 연료와 만나 폭발을 하고 배기가스가 되는지 알아보았습니다. 방문해 주신 분들 좋은 하루 보내세요!