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기계공작 측정

기계공작 측정개 설 학 과 : 기계공학부담당 교수님 : 박O O실 험 일 자 : 2019-051.실험목적p12.이론적배경p13.실험장치p54.실험방법p95.실험결과p96.고찰p117.추가이론p121. 실험목적눈금에 따라 치수를 읽을 수 있는 연속 측정방식의 길이측정을 실험하고 측정분해능과 측정방식에 따라 알아본다.2.이론적 배경1)아베의 원리와 아베 오프셋①아베의 원리고정도 길이 측정 시스템을 실현 하기 위해서는 측정할 길이를 측정 시스템의 눈금선과 동일선상에 두어야한다. Carl Zeiss사의 공동창립자 중 한 사람인 아베(Abbe)가 제시한 측정 원리이다.②아베 오프셋측정물의 중심선A와 눈금선 B의 거리(h)이다. 만능측장기를 예로 들어 설명하겠다. 그림1에서 보듯이 만능측장기의 측정물의 중심선A와 눈금선B가 완전한 평행이라하더라도 (실제로는 불가함) 측미현미경의 중심선 C가 A와B에 완전히 직각을 이루지 않을 때,theta 만큼 각도가 생긴다. 따라서 측정값은delta image theta h 의 오차를 갖게 된다. 아베오차를 줄일기 위해서는 h를 0으로 하는 방법이 필요하다.그림2와 같이, 눈금선을 측정물의 중심에 일치시키면,B ^{{prime }}}과 같이theta 만큼 기울어져 있다 하더라도 그 오차delta는{theta ^{2} l} over {2}이 오차를 작게 할 수 있다. 이렇게 할 수 없는 경우에는 측미현미경의 기울기가 있더라도 그 영향이 나타나지 않도록 보정해야한다.표 1 아베의 원리를 만족하지 않는 경우표 2 아베의 원리를 만족하는 경우표 3 아베의 원리를 지킬 수 없는 경우 오차보정법2)아베의 원리와 준하는 측정기와 어긋나는 측정기 조사①아베의 원리에 준하는 측정기-마이크로미터:마이크로미터는 버니어캘리퍼스,하이트게이즈와 달리 아베원리를 만족한다.표 4 마이크로미터②아베의 원리에 어긋나는 측정기-버니어캘리퍼스: 버니어캘리퍼스는 아베 원리를 충족시키지 못하기 때문에 아베 오프셋을 줄이기 위해서는 피 측정물을 턱 내부에서 어미자에 가깝게 하눈금을 보다 세분해서 읽기 위한 눈금으로 어미자 눈금 (n-1)개의 눈금을 개 또는 n/2개 등분하여 분해능을 얻어낸다. 본 실험에선, 한 눈금이 1mm인 어미자의 19개 눈금을 20등분한 아들자(즉 한 눈금이 0.05mm)로 이루어진 버니어 캘리퍼스(분해능이 0.05)를 사용했다. 즉 아들자 한 눈금량은 19/20 = 0.95mm가 되기 때문이다. 아래의 표는 아들자 눈금 매김방식에 따른 버니어 캘리퍼스의 분해능을 보인다.표 7 버니어캘리퍼스의 분해능어미자의 눈금 [mm]아들자의 눈금매김 방법분 해 능 [mm]19mm를 10등분0.119mm를 10등분19mm를 20등분0.0539mm를 20등분49mm를 50등분0.023.실험장치1)자우리가 어려서부터 사용해 온 자는 물체에 부착시켜 눈금을 읽는 방식으로 길이를 측정한다. 기계공작에서는 주 측정대상인 강과 비슷한 열팽창을 지니도록 강철로 제작된 강철자를 주로 사용한다. 원기(standard)에 맞추어 보통 0.5 , 1mm 간격으로 눈금이 새겨지며, 총길이는 보통 1m까지로 제한한다. 이 이상의 길이측정에는 강철 줄자를 사용한다.표 8 버니어캘리퍼스2)버니어 캘리퍼스버니어캘리퍼스는 물체의 외경, 내경, 깊이 등을 0.05 mm 정도의 정확도로 측정할 수 있는 기구이다. 프랑스의 수학자인 피에르 버니어에 의해 만들어진 쉽고 정밀하며 직접 읽을 수 있는 길이 측정기이다. 어미자와 어미자를 따라 움직이는 아들자(vernier)로 이루어져 있는 캘리퍼스이며, 아들자캘리퍼스라고도 한다. 전체적인 그림은 위의 버니어 캘리퍼스를 참고한다. 읽는 방법은 아래와 같다. ④의 cm 눈금과 ⑤의 인치 눈금이 그려져 있는 중앙의 긴 자가 어미자이고, 어미자에 대해 상대적으로 움직일 수 있고⑥과 ⑦의 눈금이 그려져 있는 부분이 아들자인데, ③의 부분도 아들자의 일부이다. ①의 부분으로는 물체의 외경이나 두께를 측정하고, ②의 부분으로는 내경을, ③의 부분으로는 깊이를 측정한다. ⑧은 아들자의 어미자에 대해 움직임을 제어하는 일종의 잠 측정물에 밀착해서 측정한다.②내측 측정:가능한 내측 JAW를 깊게 삽입하여 측정:내경을 측정 할 때는 지시치가 최대가 되는 점의 값을 읽는다:홈 폭을 측정 할 때는 지시값이 최소가 되는 점의 값을 읽는다③깊이 측정:깊이(depth)기준 문을 공작물에 밀착하여 측정표 9 외측측정, 내측측정, 깊이측정3)마이크로 미터표 10 마이크로미터마이크로미터는 아베원리를 만족하는 정밀측정기이다. 마이크로미터는 정밀나사를 이용한 것으로 수나사가 암나사 속에서 1회전할 때 나사 축은 그 나사의 피치만큼 이동한다. 그림과 같이 마이크로미터의 앤빌은 프레임에 고정되어 있으며, 스핀들의 피치는 0.5mm로 정확하게 만들어진 정밀나사로 심블에 고정되어 있다. 심블의 원둘레를 50등분하여 분해능 0.01mm를 갖는다. 측정하고자 하는 물건을 앤빌과 스핀들의 측정면 사이에 끼워 물리고 슬리브와 심블의 눈금을 읽어 치수를 측정한다. 그러나 측정 시 나사압력이 과도하게 작용하면 접촉압력이 측정값에 영향을 미치므로 마이크로미터에 달려있는 압력조절 래치스톱을 이용한다. 측정값을 읽는 방법은 우선 슬리브의 눈금을 읽고 심블의 눈금과 기준선이 만나는 심블의 눈금을 읽어 슬리브의 측정값에 더해주면 된다. 여기서는 분해는 0.01mm까지 읽은 것이지만 숙련자는 0.001mm까지 눈금을 읽을 수 있다.이 밖에 공기마이크로미터와 전기마이크로미터가 있으며, 이것들은 미소한 길이를 정확하게 측정할 수 있는 점에서는 마이크로미터와 같으나 원리상으로는 다르다. 공기마이크로미터는 일정한 압력의 공기를 내뿜게 하여 그 유출량과 압력변화에 의해서, 전기마이크로미터는 치수변화를?전기저항·인덕턴스 등의 전기량의 변화로 바꾸어 미소한 치수를 측정하는 것이다. 측정시 주의사항은 영점조절을 해야한다. 그리고 측정기와 동일한 온도조건에서 측정물을 측정한다. 그리고 측정시 압력은 영점 조정시의 압력과 동일하게 줘야한다.4) 하이트게이지하이트 게이지는 아래의 사진과 같이 슬라이더에 버니어눈금이 있어 버니어 높이게이지라고도 불린다.으로 치수를 읽는다. 최근에는 다이얼 및 디지털식 하이트 게이지도 있다. 아베오차의 영향과 기둥의 휨에 의한 진직도 영향 때문에 하이트 게이지 역시 0.1-0.02mm 내의 정밀도 수준 요구 측정에 사용된다. HT형,HM형,HB형이 있다. 가장 많이 사용되는 HT형 하이트게이지이다. 몸체안에 어미자가 들어 있어 어미자 이동장치로 이동이 가능하고 원하는 위치에 고정 시킨다. 그 이후 나사를 천천히 돌려 슬라이더를 이동시킬수 있어서 미세한 조정이가능하다. 스크라이버 밑면이 정반 면에 닿아, 정반으로부터 높이를 측정할 수 있으며 슬라이더를 미세하게 이동시킬수 있는 조정나사가있다.표 11 HT형 하이트게이지5)피치게이지피치란 ?나사산의 서로 대응하는 두 점을 축선(軸線)에 평행하게 측정한 거리라고 한다. 이를 측정할때 나사의 규격을 측정 사용하는 것으로, 나사산 게이지라고도 한다. 나사의 산과 산 사이의 거리인 피치를 측정한다. 미터계와 인치계가 있다. 미터계의 경우에는 나사의 피치(㎜)가, 인치계에서는 1인치당 나사의 산 수가 게이지에 인자되어 있으므로 그 수치를 읽으면 된다. 피치 게이지는 나사 검사용 또는 나사 규격이 불분명한 부품을 대상으로 한 현물 비교를 위하여 쓰인다. 아래 사진과 같이 각종 피치를 지닌 강판을 겹쳐 한 세트로 구성되어 있다.표 12 피치게이지4.실험방법1)주어진 시편을 가지고 버니어캘리퍼스,마이크로 미터 등을 이용해 시편의 치수를 측정한다.2)측정한 치수를 바탕으로 설계프로그램을 통해 도면을 제작한다.5.실험결과1)시편 치수 (시편 번호: 6)표 13 시편 부위와 기호표 14 시편6번① 버니어 캘리퍼스(단위 : mm)표 15 버니어캘리퍼스로 측정한 각 L.D L1L2L3L4L54.522.025.010.061.5D1D2D3D417.019.023.528.5② 마이크로미터(단위 : mm), 영점조절시 눈금위치 0mm표 16 마이크로미터로 측정한 DD1D2D316.518.022.02)도면 작성ANSYS 19.0사용.표 17 시면 측면도표 18 시하고 L4를 빼주는 방식으로 값을 정하였다. L5는 이를 통해 나온값 L1+L2+L3+L4를 한 것이 아니라 전체 L5를 측정하였다. 이는 전체 측정한 L5 =L1~L4길이의 합과 일치한다. L1~L4의 측정 값의 크기는 L3>L2>L1>L4이다. 이는 시편을 육안으로 보았을 때의 대략적인 길이와 유사하다. 각 원기둥의 지름 D1~D4또한 이런 육안으로 본 크기 순과 측정값의 순서가 같다. 이러한 사실은 큰 오차는 없이 측정이 이루어졌다고 할 수 있다. 하지만 작은 오차가 생길 수 있다. 이는 뒤에 추가이론에서 서술하겠다.이제, 마이크로미터 부분을 보자. 0점조절시 눈금의 위치는0mm였다. 마이크로미터의 D1=16.5, D2=18.0, D3=22.0 으로 나왔다. 이는 버니어캘리퍼스의 D1~D3보다 전부 작은 값이다. 두 측정값의 절대오차는 각각 0.5mm, 1mm, 1,5mm 이다. 두 측정값중 필자는 버니어 캘리퍼스의 값이 더 정확하다고 생각한다. 왜냐하면 첫 번째, 마이크로미터가 아베의 원칙을 만족하는 측정기기이기는 하지만, 랫치스톱을 과도하게 돌려 시편에 힘이 가했을 가능성이 있다. 이러면 시편에 변형이 생겨 측정값이 작아질 수 있기 때문이다. 하지만 버니어 캘리퍼스는 이러한 가능성이 적다. 두 번째, 또한 측정기의 버니어캘리퍼스는 (이상적인)반지름r인 원통지름을 측정할 때 반드시 2r인 부분이 측정된다. 하지만 마이크로미터는 원통 중심선과 마이크로미터 축(앨빈-스핀들축) 이 일치하지 않게 물릴 경우 2r보다 작게 측정될 수 밖에 없다.이것들을 포함하여 측정이 이루어 질 때 설계값과 시편의 오차가 발생할 요인은 매우 많다. 계통오차(systematic error), 우연오차(random error), 과실오차(mistake error)가 있는데 이를 풀어서 생각해보자. 첫 번째, 완벽한 공작기계란 존재하지 않는다. 두 번째, 애초에 생산공정에서 불량으로 시편이 만들어졌다. 세 번째, 이런 시편에 응력집중을 막기위한 필렛이나 용접부의 비드가 존재로 인해 들이다.

공학/기술| 2020.04.21| 15페이지| 1,000원| 조회(134)

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