2015학년도

기계설계프로젝트 최종 보고서

과제명 : 원통캠에 따른 반달형 위빙 용접실험

(Half-moon shaped weaving welding experiment of using cylindrical cam)

(2014년 9월 ∼ 2015년 6월)

팀명: JOKER

기계공학 설계프로젝트 최종보고서를

붙임과 같이 제출합니다.

2015. 06. 10

대구대학교 기계자동차공학부

제 출 문

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본 보고서를 대구대학교 기계자동차공학부 설계프로젝트 과제

“원통캠에 따른 반달형 위빙 용접실험”의 결과보고서로 제출합니다.

(과제기간 : 14. 09 ~ 15. 06)

2015. 06. 10

담당교수 : 이동활      (인)

대표학생 : 박대형      (인)

참여학생 : 김도영       (인)

김현민      (인)

박제환      (인)

안윤기      (인)

윤혁수      (인)

최주영      (인)

보고서 작성 윤리 서약서

대구대학교 기계자동차공학부 학부장 귀하

본인은 보고서를 작성함에 있어 다음과 같이 연구 윤리 및 보고서 작성 윤리를 준수하였음을 서약합니다.

1. 본인은 다른 학생의 보고서를 복사(copy)하지 않았습니다.

2. 본인은 다른 사람의 보고서 내용 중 전부 또는 일부를 무단으로 도용하거나 인터넷에서 내려받기(download)하여 대체하지 않았습니다.

3. 본인은 보고서에 참고자료를 인용할 경우 원본의 출처를 반드시 표시하였습니다.

2015. 06. 10

담당교수 : 이동활      (인)

대표학생 : 박대형      (인)

참여학생 : 김도영       (인)

김현민      (인)

박제환      (인)

안윤기      (인)

윤혁수      (인)

최주영      (인)

최종보고 요약문

과제명	원통캠에 따른 반달형 위빙 용접실험
팀명	JOKER
팀원	박대형, 김도영, 김현민, 박제환, 안윤기, 윤혁수, 최주영
과제기간	2014 년 9 월 ~ 2015년 5 월
1. 과제내용 및 목표 - 용접 공학의 이론(입열량 공식, 시편의 각도와 두께선정, 실험방법 및 실험결과 분석방법)을 토대로 반달형 위빙 용접을 가능하게 하기 위한 조건 값(속도, 전류·전압, 시편의 재질·두께·그루브 각, 캠 회전주기 등)을 선정하고 기구학의 사이클로이드 공식을 이용해 설계·제작한 캠을 ‘런닝맨’팀이 제작한 자동 위빙 용접장치 기구부에 장착하여 반달형 위빙 용접실험을 한 뒤 용접된 시편을 가지고 문제점 및 결과 분석하여 최적의 캠을 선정한다. 이러한 결과를 통해 시중의 로봇 용접기에 필요로 하는 최적의 조건들을 접목 시켜 용접의 품질을 향상시키는 기대를 가지려 한다. 2. 개념설계 및 상세설계 1) 개념설계 용접 공학을 토대로 용접에 대한 기본적인 개념과 위빙용접의 목적, 종류, 장·단점 등의 이론의 개념을 이해하고 실험에 접목시킨다. -용접 : 두 개 이상의 금속을 가열·가압 등의 수단으로 국부적으로 접합시키는 것이다. -위빙용접 : 모재의 용접하고자 하는 부위에 용융물을 적절하고 일정하게 퍼지게 하는 것이다. -위빙용접 종류 : 반달형, 율형, 위핑, 삼각, 타원, 원형 등이 있다. -위빙용접의 장·단점 ·장점 : 충분한 용입이 되게 함으로써 용접결함을 효과적으로 저감시킨다. 일정한 비드형상을 만들며, 용착량이 많기 때문에 생산성이 높다. ·단점 : 한 위치에 머물러 있는 시간이 길기 때문에 입열량이 높아져, 용접부의 적절한 기계적 성질을 유지하지 못하는 경우가 생길 수 있다. 2) 상세설계 -캠(CAM) 신용접공학책(p124~125)을 인용하면 모재두께의 범위를 살펴보면 “아래보기 자세에서 용접 시 정상적인 단일층 용접으로 용접될 수 있는 가장 큰 용접두께는 8mm이다. 용접 시 10mm이상의 단일층 용접은 품질의 문제를 수반한다.” 이 내용을 근거로 본 팀은 캠의 높이차의 범위를 최대 8mm로 정하고, 측정 간격으로는 2mm로 선정했다. [2,4,6,8 (mm)]인 4가지의 캠을 기구학의 사이클로이드 공식을 기반으로 설계한다. (기구학의 캠 설계 방법과 ‘런닝맨’팀의 캠 설계 방법을 인용하여 본 팀이 원하는 캠 형상을 얻기 위해 재설계한다.) 캠 1바퀴의 회전주기(T)는 4.5초이며, 캠 회전속도는 13.33RPM으로 설계한다.

- 사이클로이드 공식(변위, 속도, 가속도를 통해 캠 형상 좌표 도출)

· 변위 : [eqn: s=H( {t} over {T} )- {1} over {2 pi } TIMES sin( {2 pi t} over {T} )] (상승), [eqn: s=H[1-( {t} over {T} )+ {1} over {2 pi } TIMES sin( {2 pi t} over {T} )]] (하강)

· 속도 : [eqn: v= {H} over {T} [1-cos( {2 pi t} over {T} )]] (상승), [eqn: v=- {H} over {T} [1-cos( {2 pi t} over {T} )]] (하강)

· 가속도 : [eqn: a= {2 pi H} over {T ^{2}} TIMES sin( {2 pi t} over {T} )] (상승), [eqn: a=- {2 pi H} over {T ^{2}} TIMES sin( {2 pi t} over {T} )] (하강)

· 캠 좌표(Rx) : [eqn: R _{x} =[R _{f} +R _{b} +s]sin EMPTYSET +R _{f} sin( EMPTYSET - delta )]

· 캠 좌표(Ry) : [eqn: R _{y} =[R _{f} +R _{b} +s]cos EMPTYSET +R _{f} cos( EMPTYSET - delta )]

- 시편 선정

60°각도의 그루브를 가진 시편의 재질은 SS400, 두께는 20T로 선정하였다.

이에 대한 근거는 재질의 특성 상 탄소함량이 많아지면 용접성이 나빠지고 용

접부의 강도가 비정상적으로 높아져서 문제를 일으키기 때문에 0.2~0.3%의 극

소량의 탄소함량을 가진 SS400을 선정하였다. 또한 SS400은 경도나 인성이 특

별히 높은 재질이 아니기 때문에 용접 시 문제점이 적다는 점에서 선정하였다.

3. 실험방법 및 결과

용접 전류와 전압값을 측정하기 위해서 전류와 전압값을 용접기에서 220A~280A의 전류와 22V~28V의 전압 범위에서 실험하는 것이 조건이다. 그리고 실험을 실시하는데 전압 값과 전류 값을 10배 차이를 두고 측정을 하였으며, (220A, 22V), (260A, 26V), (280A, 28V) 3가지의 조건을 주어 h= 2, 4, 6, 8 캠을 실험할 것이다.

h(mm)	솔리드 와이어	용접 전압(A)	용접 전류(V)	Y축 속도(mm/s)	캠 회전 주기(S)	보호가스	용접횟수
2, 4 6, 8	∅1.2	220	22	0.8~1.2 (0.2단위로 측정)	4.5	CO2	2
		260	26	1
		280	28	1

4. 결론

총 8회 실험으로 본 결과 솔리드 와이어-∅1.2mm, 아크길이-2mm, Y축 이송속도-1mm/s, 용접 전류, 전압-280A, 28V, T(캠 회전주기)-4.5s일 때, 입열량은 7840J/mm임을 알 수 있었고, 이때 최적의 캠(h=8mm)을 선정 할 수 있었다.

목 차

최종보고 요약문 제1장 과제내용 및 목표 제1절 목적 및 필요성 제2절 과제의 목표 제3절 기대효과 및 활용방안 제2장 개념설계 및 상세설계 제1절 후보과제 선정 제2절 최종과제 결정 제3절 개념설계 제4절 상세설계 제3장 실험 구성 및 조건 제1절 실험의 목표 제2절 실험의 구성 및 요구조건 제4장 실험 결과 및 결론 제1절 실험 결과 및 결과 분석 제2절 총평 참고문헌 부록 부록1 기구도면	1 3 4 7 8 12 27 27 32 36 38 39

제 1장. 과제내용 및 목표

제 1절 실험의 목적 및 필요성

현재 시중에는 여러 가지 다양한 용접법이 사용되고 있다. 하지만 대부분의 산업현장의 자동용접기에서 구현되는 용접은 대부분 직선용접법이다. 그루브 용접에서 두께가 두꺼운 모재는 다층에 걸쳐 작업을 해야 한다. 여기서 직선용접의 단점은 두꺼운 모재의 용접부에서 한 층을 작업하는데 여러 번에 걸쳐 용접해야 하는 번거로움이 있다. 하지만 본 팀이 실험하려는 위빙용접방법은 한 층에서 단 한 번의 작업만으로 모재에 용융물을 적절하게 채워 넣을 수 있다는 장점이 있다. 위빙 용접의 실험의 결과를 도출한 내용을 산업현장의 자동용접기에 접목시켜 용접의 품질을 향상시키고자 하는 목적을 가진다.

제 2절 실험의 목표

현재 많은 자동 용접기에서 사용되어지는 직선용접은 용접할 모재의 사이간격인 루트간격이 넓어지면 여러 번의 위치를 바꾸어야하며 중복되는 움직임을 필요로 한다. 그에 반해서 본 팀은 용접 시 위빙형상이 가능하게 만들어주는 자동위빙장치를 사용하여 위빙용접에 대한 실험을 실시할 것이다. 하지만 직선용접의 조건값은 여러 서적이나 논문 등에 기재되어 있는데 비해 위빙용접의 용접조건값은 쉽게 찾아보기 힘든 실정이다. 그리하여 본 팀은 위빙자동용접장치를 통해 각각의 변수들을 설정하여 실험을 하고 조건값을 찾아 향후 이와 유사한 위빙용접을 하는 사용자들이 조건값을 선정함에 있어서 본 팀의 결과를 통해 쉽게 접근을 하는 목표를 가진다.

제 3절 기대효과 및 활용방안

1) 본 팀이 제시한 최적의 조건값과 결과를 시중의 자동 위빙용접기에 접목 시켜 위빙용접의

품질이 향상될 것을 기대한다.

2) 위빙용접 사용자들에게서 위빙 용접법에 대한 빠른 이해와 이 실험의 결과물을 통한 용접

조건값에 대한 높은 신뢰성을 기대한다.

제 2장. 개념설계 및 상세설계

제 1절 후보과제 선정

1). 상판 회전이 가능한 고소 작업대

요구기능	기대성과	필요기술
- 블루투스를 이용한 움직임 제어 - 3m/s 주행능력 설정 - 트러스트 구조에 유압실린더를 설치한 상하 운동의 기능 - 회전이 가능한 상부 판	- 교육용	- CATIA 설계 - CAE 해석

2) 추진 스크류를 이용한 수륙양용탐사 로봇

요구기능	기대성과	필요기술
수면에 뜨기 위해 에어백 을 이용한 부양 장치 기능 추진 스크류형 휠 2개를 장착한 2륜 구동방식 주행 기능 캠을 장착하여 영상 송수신을 통한 탐사 기능 무선 송수신기(블루투스)를 사용한 주행을 원격제어 바퀴에 연결된 각각의 모터 rpm 조절을 통한 좌우 조향	탐사가 가능한 로봇	- 에어백식 부양장치 - 컨트롤러 조정을 통한 원격제어 영상 송수신기

3) 3륜 전기 오토바이

요구기능	기대성과	필요기술
친환경적이고 전기 에너지를 사용한 오토바이 25~30m/s 주행능력	환경보존	- 100kg 하중을 견딜 수 있는 바디 제작 1시간 주행이 가능한 모터선정

제 2절 최종과제 결정

아이디어 최종과제 (원통캠에 따른 반달형 위빙 용접 실험)

Fig 2-2-1.  ‘런닝맨’팀의 자동 위빙용접장치

3D모델링 개념도

⚫ 최종 과제로 결정한 이유

여러 후보과제 분석 결과, ‘런닝맨’ 팀에서 기구학적으로 완성시켰던 자동위빙장치를 사용하여 반달형 위빙 용접이 가능케 하는 원통형 캠의 설계·제작을 하고 실험을 통해 결과를 제시하기 위한 목적으로 인해 최종 과제로 <원통캠에 따른 위빙 용접 실험>이라는 과제를 선택하게 되었다.

제 3절 개념 설계

1)  용접의 개념

(1) 용접의 정의

용접이란 접합하고자 하는 2개 이상의 물체나 재료의 접합 부분을 융융 또는 반융융 상태에서 용가재(용접봉)를 첨가하여 접합하거나, 접합하고자 하는 부분을 적당한 온도로 가열한 후 압력을 가하여 서로 접합시키는 기술을 말한다.

(2) 용접의 종류

용접의 종류로는 아크용접(Arc welding), 가스 용접(Gas welding), 특수 용접이 있다. 본 팀이 실험에 사용하는 용접의 종류는 아크 용접이다. 여기서 아크(arc)란 음극과 양극의 두 전극을 일정한 간격으로 벌려놓고 전기를 흘려주면 두 전극사이에 불꽃방전이 발생하는 것을 말한다. 아크 용접의 종류에는 피복 아크 용접(Shield arc welding), 탄산 가스 아크 용접, 서브머지드 아크 용접(Submerged arc welding), 가스 금속 아크 용접(GMAW ; Gas metal arc weding)이 있다. 본 팀이 실험에 사용하는 가스 금속 아크 용접이란 용가재인 전극 와이어를 연속적으로 내보내어 아크를 발생시켜 접합시키는 방법이다.

(3) 용접의 자세

Fig 2-3-1.   용접자세의 종류

(a) 아래보기 자세 : 용접축이 수평에 가까우며 용접표면이 대략전인 수평면에 놓여있

는 곳에서 이음 위쪽으로부터 용접하는 용접자세이다.

(b) 수평 자세 : 용접선이 거의 수평을 이루는 이음부에 대하여 횡방향으로 비드를

놓는 용접자세를 말하며, 이러한 수평자세로 용접하는 것을 수평용접

이라고 한다.

(c) 수직 자세 : 용접점에서의 용접축이 대략적으로 수직으로 있고 용접표면이 대략적

으로 수직면에 놓여있는 용접자세이다.

(d) 위보기 자세 : 용접이음의 아래쪽으로부터 실시되는 용접자세이다.

본 팀이 사용하는 자동 용접장치는 아래보기 자세에 맞게 제작된 기구이므로 아래보기

자세로 용접을 한다.

(4) 위빙용접의 개념

위빙용접이란 상하좌우의 움직임을 구현하여 직선용접과 비교해서 모재의 용접하고자 하는 부위에 용융물을 더욱 적절하고 일정하게 퍼지게 하는 용접법이다.

보통 용접을 진행하는 과정에서 모재에 용융물을 채워야하는 부분이 넓은 경우 용접전류를 높게 해서 용융물을 채우는 것에 한계가 있다. 전류를 높게 하고 한곳에 집중하여 아크를 발생시키면 모재가 녹아내리기 때문에 위빙이라는 방법으로 아크가 한곳에 집중하는 것을 피하는 목적이 있고 용접토치를 좌우로 넓게 이동시켜가며 용접을 진행하여 용접비드를 넓게 퍼지게 하는 용접이다.

(5) 위빙용접의 종류

Fig 2-3-2.	용접자세에 따른 운봉종류

위빙용접의 종류는 직선, 원형, 부채꼴, 타원형, 삼각형 등 여러 가지가 있다.

본 팀이 사용하는 자동 용접장치의 위빙 용접의 종류는 아래보기 자세의 부채꼴 모양        과 동일한 반달형 모양의 위빙을 구현한다.

(6) 위빙용접의 장·단점

· 장점

-토치가 위빙용접하면서 그루브 면에 용입이 충분하게 함으로써 용접결함을 효과적으

로 저감할 수 있다.

-일자용접보다 위빙용접이 일정한 비드형상을 만들 수 있다.

-일자용접보다 위빙용접이 시간당 용착량이 많기 때문에 생산성이 높아진다.

· 단점

-한 위치에 머물러 있는 시간이 길기 때문에 입열량이 높아져, 용접부의 적절한 기계

적 성질을 유지하지 못하는 경우도 생길 수 있다.

3) 시장조사

시장조사는 본 팀이 기존의 ‘런닝맨’ 팀의 자동용접장치를 사용하기 때문에 자동용접장치

에 대한 시장조사를 통해 시장에 상용되고 있는 다양한 제품들에 대해 알아보고자 하는

목적을 가지고 조사하였다.

(1) ㈜파스코 자동용접기

Fig 2-3-3.	㈜파스코의 자동용접기

Fig 2-3-5은 ㈜파스코의 자동용접기로 Input판넬, 척(배관고정), 용접 토치, 컨트롤러 등을 탑재하여 모든 용접을 수동 조작 없이 컴퓨터 프로그램을 사용하여 자동으로 용접작업을 수행하는 자동용접기이다. SIZE는 50’`이하, 두께는 100mm까지 용접가능 하고 필요시 조절가능하다. 컴퓨터에 SIZE 및 재질, SPOOL의 특성 등의 DATA만 입력하는 간단한 조작으로 용접사 양성이 간단하고 작업 환경개선, 안전사고 발생을 최소화 할 수 있다. 불량률 평균 1%이하로 용접 품질이 우수하다.

본 팀이 실험하려는 자동용접기와의 유사점은 용접 전용기에 맞는 용접을 할 수 있으며, 용접 토치를 탑재하여 용접하며, 간단한 조작으로 작업 환경개선, 안전사고 발생을 최소화 하는 점이다. 차별점은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 자동으로 용접작업을 수행하며, 용접 전용기(SIZE, 두께) 다르다. 그리고 GMAW, GTAW 용접이며, 철계 금속과 STAINLESS STEEL 및 ALLOY 합금강에 적용이 가능하다.

4) 특허조사

본 팀의 선정된 주제인 ‘원통캠에 따른 위빙용접 실험’에서 캠을 이용한 용접에 대한 특허

조사를 실시하였다. 검색조건은 아래특허분석 범위에서 보는 바와 같다. 특허 분석의 DB

는 국내의 특허 정보 검색 서비스(www.kipris.or.kr)를 이용하였다.

(1) 캠 작동식 스트랩 용접 공구 및 그를 위한 방법

Fig 2-3-4.   캠 작동식 스트랩 용접 공구

Fig 2-3-8은 캠 작동식 스트랩 용접 공구로 출원번호는 10-1999-010446이다.

본 발명은 일반적으로 스트랩핑(strapping) 공구에 관한 것으로, 더 자세하게는 스트랩 인장 작용 공구를 조합하여 사용할 수 있는 개선된 플라스틱 스트랩 용접 공구 및 그를 위한 방법에 관한 것이다.

본 출원은 이와 함께 동시에 출원되고 일반 양도된 '스트랩 칼럼 강도를 줄이기 위해 베이스 플레이트를 갖는 스트랩 용접 공구 및 그를 위한 방법(Strap Welding Tool With Base Plate for Reducing Strap Column Strength and Method Therefor)'이라는 명칭의 공동 계류중인 미국 출원 번호 09/054,715에 관련된다.

유사점으로는 CAM을 이용한 기구학적 기능과 용접 시에 사용된다는 점이다. 차별점으로는 CAM을 이용한 용접 공구로 쓰이며, 스트랩 부분의 사이에 갭(gap)을 형성시킴으로써 진동 용접 패드에 의해 맞물릴 수 있는 스트랩 부분의 칼럼 강도를 줄이는 새로운 스트랩 용접 공구와 그를 위한 방법을 제공한다.

제 4절 상세 설계

1) 캠 설계

(1) 캠의 정의

캠이란  회전운동을 직선왕복운동 및 요동운동으로 바꾸는 기계요소 이다.

기계공학의 사전적 의미로는 미끄럼 또는 구름접촉을 하는 한 쌍의 기소 중에서 곡선윤

곽을 갖는 구동체를 캠(cam)이라고 하며, 이것과 접촉하여 운동을 전달받는 기소를 종동

절(follower)이라고 한다. 일반적으로 캠 기구는 캠-종동절로 이루어져 있으며, 본 팀이

사용하는 로봇 용접기 또한 캠-종동절의 구조로 이루어져 있다. 캠의 종류에는 평면캠,

입체캠이 있으며 본 팀이 설계하려는 캠은 입체캠이다. 입체캠의 종류는 다음 그림과 같다.

Fig 2-4-1.   입체캠의 종류

본 팀의 캠은 그림에 있는 원통캠이다. 원통캠은 원통표면에 폐곡선을 따라 홈을 판 것으

로 캠C가 회전하면 종동절 F는 캠축에 나란한 방향으로 직선운동을 한다. 다음은 종동절

의 운동에 대해 정의하고자 한다. 캠에 의하여 종동절에 주어지는 운동형태는 사이클로이

드 곡선을 이룬다. 사이클로이드란 직선을 따라서 원을 굴릴 때, 원 위의 한 점이 그리는

궤적을 뜻한다.

(2) 캠 설계의 목표

신용접공학책(p124~125)을 인용하면 모재두께의 범위를 살펴보면 “아래보기 자세에서       용접 시 정상적인 단일층 용접으로 용접될 수 있는 가장 큰 용접두께는 8mm이다. 용접      시 10mm이상의 단일층 용접은 품질의 문제를 수반한다.”

이 내용을 근거로 본 팀은 캠의 높이차의 범위를 최대 8mm로 정하여, 캠의 높이차 측정   간격으로는 2mm로 선정했다.

[2,4,6,8 (mm)]인 4가지의 캠을 기구학의 사이클로이드 공식을 기반으로 설계한다.

기구학의 캠 설계 방법과 ‘런닝맨’팀의 캠 설계 방법을 인용하여 본 팀이 원하는 캠

형상을 얻기 위해 재설계한다. 캠을 기구학의 사이클로이드 공식을 기반으로 설계하여

위빙용접결과를 통해 최적의 캠을 선정하는데 목표를 둔다.

캠 1바퀴의 회전주기(T)는 4.5초이며, 캠 회전속도는 13.33RPM으로 설계한다.

캠 설계 시 필요한  기구학의 사이클로이드 공식은 다음과 같다.

· 변위 : [eqn: s=H( {t} over {T} )- {1} over {2 pi } TIMES sin( {2 pi t} over {T} )] (상승),  [eqn: s=H[1-( {t} over {T} )+ {1} over {2 pi } TIMES sin( {2 pi t} over {T} )]] (하강)

· 속도 : [eqn: v= {H} over {T} [1-cos( {2 pi t} over {T} )]] (상승),  [eqn: v=- {H} over {T} [1-cos( {2 pi t} over {T} )]] (하강)

· 가속도 : [eqn: a= {2 pi H} over {T ^{2}} TIMES sin( {2 pi t} over {T} )] (상승),  [eqn: a=- {2 pi H} over {T ^{2}} TIMES sin( {2 pi t} over {T} )] (하강)

· 캠 좌표(Rx) : [eqn: R _{x} =[R _{f} +R _{b} +s]sin EMPTYSET +R _{f} sin EMPTYSET]

· 캠 좌표(Ry) : [eqn: R _{y} =[R _{f} +R _{b} +s]cos EMPTYSET +R _{f} cos EMPTYSET]

캠의 상승·하강 시 변위, 속도, 가속도의 데이터 값과 그래프 선도 해석을 통해 캠 형상

좌표값을 얻어 캠 단면의 최종 형상을 얻는다.

(3) 변위, 속도, 가속도 해석

본 팀이 설계하려는 캠의 운동은 상승-하강-상승-하강의 운동이므로 캠의 주기(T)는

4.5초에서 각 구간의 주기는 4.5/4의 값인 1.125초 이다. 위의 사이클로이드 변위, 속도,

가속도 공식을 이용해 각각의 캠 높이차[2,4,6,8(mm)]의 데이터 값과 그래프 선도를 분

석한다.

· 캠의 높이 차(h) = 2mm 일 때

Table 2-4-1. 2mm 캠의 변위, 속도, 가속도 데이터 값

시간	캠 회전각	변위	속도	가속도
(sec)	(deg)	(mm)	(mm/s)	(mm/s^2)
0	0	0	0	0
0.225	18	0.393	0.00043	0.218
0.45	36	0.786	0.00171	0.435
0.675	54	1.179	0.00385	0.653
0.9	72	1.572	0.00684	0.870
1.125	90	2	0	0
1.35	108	1.607	-0.00043	-0.218
1.575	126	1.214	-0.00171	-0.435
1.8	144	0.821	-0.00385	-0.653
2.025	162	0.428	-0.00684	-0.870
2.25	180	0	0	0
2.475	198	0.393	0.00043	0.218
2.7	216	0.786	0.00171	0.435
2.925	234	1.179	0.00385	0.653
3.15	252	1.572	0.00684	0.870
3.375	270	2	0	0
3.6	288	1.607	-0.00043	-0.218
3.825	306	1.214	-0.00171	-0.435
4.05	324	0.821	-0.00385	-0.653
4.275	342	0.428	-0.00684	-0.870
4.5	360	0	0	0

Fig 2-4-2.   2mm 변위 선도

Fig 2-4-3.   2mm 속도 선도

Fig 2-4-4.   2mm 가속도 선도

캠의 높이차가 2mm 일 때, 변위 선도에서 높이 차가 2mm 인 것을 확인할 수 있고, 속도, 가속도 선도에서 상승·하강의 최고점에서 0인 것을 확인할 수 있다.

변위, 속도, 가속도 선도를 확인하면 주기가 4.5초 인 것을 확인할 수 있다.

· 캠의 높이 차(h) = 4mm 일 때

Table 2-4-2. 4mm 캠의 변위, 속도, 가속도 데이터 값

시간	캠 회전각	변위	속도	가속도
(sec)	(deg)	(mm)	(mm/s)	(mm/s^2)
0	0	0	0	0
0.225	18	0.786	0.00086	0.435
0.45	36	1.572	0.00342	0.871
0.675	54	2.358	0.00769	1.305
0.9	72	3.144	0.01367	1.739
1.125	90	4	0	0
1.35	108	3.214	-0.00086	-0.435
1.575	126	2.428	-0.00342	-0.871
1.8	144	1.642	-0.00769	-1.305
2.025	162	0.856	-0.01367	-1.739
2.25	180	0	0	0
2.475	198	0.786	0.00086	0.435
2.7	216	1.572	0.00342	0.871
2.925	234	2.358	0.00769	1.305
3.15	252	3.144	0.01367	1.739
3.375	270	4	0	0
3.6	288	3.214	-0.00086	-0.435
3.825	306	2.428	-0.00342	-0.871
4.05	324	1.642	-0.00769	-1.305
4.275	342	0.856	-0.01367	-1.739
4.5	360	0	0	0

Fig 2-4-5.   4mm 변위 선도

Fig 2-4-6.   4mm 속도 선도

Fig 2-4-7.   4mm 가속도 선도

캠의 높이차가 4mm 일 때, 변위 선도에서 높이 차가 4mm 인 것을 확인할 수 있고, 속도, 가속도 선도에서 상승·하강의 최고점에서 0인 것을 확인할 수 있다.

변위, 속도, 가속도 선도를 확인하면 주기가 4.5초 인 것을 확인할 수 있다.

· 캠의 높이 차(h) = 6mm 일 때

Table 2-4-3. 6mm 캠의 변위, 속도, 가속도 데이터 값

시간	캠 회전각	변위	속도	가속도
(sec)	(deg)	(mm)	(mm/s)	(mm/s^2)
0	0	0	0	0
0.225	18	1.179	0.00128	0.653
0.45	36	2.358	0.00513	1.306
0.675	54	3.537	0.01154	1.958
0.9	72	4.716	0.02051	2.609
1.125	90	6	0	0
1.35	108	4.821	-0.00128	-0.653
1.575	126	3.642	-0.00513	-1.306
1.8	144	2.463	-0.01154	-1.958
2.025	162	1.284	-0.02051	-2.609
2.25	180	0	0	0
2.475	198	1.179	0.00128	0.653
2.7	216	2.358	0.00513	1.306
2.925	234	3.537	0.01154	1.958
3.15	252	4.716	0.02051	2.609
3.375	270	6	0	0
3.6	288	4.821	-0.00128	-0.653
3.825	306	3.642	-0.00513	-1.306
4.05	324	2.463	-0.01154	-1.958
4.275	342	1.284	-0.02051	-2.609
4.5	360	0	0	0

Fig 2-4-8.   6mm 변위 선도

Fig 2-4-9.   6mm 속도 선도

Fig 2-4-10.   6mm 가속도 선도

캠의 높이차가 6mm 일 때, 변위 선도에서 높이 차가 6mm 인 것을 확인할 수 있고, 속도, 가속도 선도에서 상승·하강의 최고점에서 0인 것을 확인할 수 있다.

변위, 속도, 가속도 선도를 확인하면 주기가 4.5초 인 것을 확인할 수 있다.

· 캠의 높이 차(h) = 8mm 일 때

Table 2-4-4. 8mm 캠의 변위, 속도, 가속도 데이터 값

시간	캠 회전각	변위	속도	가속도
(sec)	(deg)	(mm)	(mm/s)	(mm/s^2)
0	0	0	0	0
0.225	18	1.572	0.00171	0.871
0.45	36	3.144	0.00684	1.741
0.675	54	4.716	0.01539	2.611
0.9	72	6.288	0.02735	3.479
1.125	90	8	0	0
1.35	108	6.428	-0.00171	-0.871
1.575	126	4.856	-0.00684	-1.741
1.8	144	3.284	-0.01539	-2.611
2.025	162	1.712	-0.02735	-3.479
2.25	180	0	0	0
2.475	198	1.572	0.00171	0.871
2.7	216	3.144	0.00684	1.741
2.925	234	4.716	0.01539	2.611
3.15	252	6.288	0.02735	3.479
3.375	270	8	0	0
3.6	288	6.428	-0.00171	-0.871
3.825	306	4.856	-0.00684	-1.741
4.05	324	3.284	-0.01539	-2.611
4.275	342	1.712	-0.02735	-3.479
4.5	360	0	0	0

Fig 2-4-11.   8mm 변위 선도

Fig 2-4-12.   8mm 속도 선도

Fig 2-4-13.   8mm 가속도 선도

캠의 높이차가 8mm 일 때, 변위 선도에서 높이 차가 8mm 인 것을 확인할 수 있고, 속도, 가속도 선도에서 상승·하강의 최고점에서 0인 것을 확인할 수 있다.

변위, 속도, 가속도 선도를 확인하면 주기가 4.5초 인 것을 확인할 수 있다.

캠의 높이차 [2,4,6,8(mm)]의 그래프 선도를 확인해 보면 선도의 형태는 모두 같으며 주기 또한 4.5초로 동일한 값을 가진다.

캠의 운동 프로그램은 하나의 수학적 함수로 나타낼 수가 없고, 각 구간별로 별도의 함수들로 나타나게 된다. 이것을 구간함수라고 한다. 즉 변위, 속도, 가속도 함수는 불연속점을 갖지 않아야 한다.

(4) 캠 형상

캠 형상의 좌표(Rx, Ry)의 좌표를 구하기 위해 종동절의 롤러 반지름(Rf)는 5mm로

고정이며 캠 높이차[2,4,6,8(mm)]에 따라 달라지는 기초원의 반지름(Rb)을 결정하여

좌표 값을 구한다.

기초원 반지름(Rb)는 캠 높이 [2,4,6,8(mm)]에 따라 [15,20,25,30(mm)]의 크기를 설정

했으며, 각 캠에 따른 기초원의 지름은 30, 40, 50, 60 [mm]가 된다.

캠의 높이 차에 따라 기초원은 각 캠의 높이 차 만큼 오목해지는 타원형 모양의 캠을

가지는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 𝜙는 캠의 회전각도이며 s는 변위이다.

· 캠 좌표(Rx) : [eqn: R _{x} =[R _{f} +R _{b} +s]sin EMPTYSET +R _{f} sin EMPTYSET]

· 캠 좌표(Ry) : [eqn: R _{y} =[R _{f} +R _{b} +s]cos EMPTYSET +R _{f} cos EMPTYSET]

· 캠의 높이 차(h) = 2mm 일 때

Table 2-4-5. 2mm의 캠 좌표

Rx	Ry
(mm)	(mm)
15	0
14.63963	-4.75671
12.77116	-9.27883
9.509764	-13.0892
5.120951	-15.7611
0	-17
-5.13183	-15.7942
-9.5303	-13.1174
-12.7994	-9.29936
-14.6728	-4.7676
-15	0
-14.6396	4.756712
-12.7712	9.278828
-9.50976	13.08918
-5.12095	15.76105
0	17
5.131832	15.79418
9.530301	13.11739
12.79936	9.299365
14.67276	4.767599
15	0

Fig 2-4-14.   2mm 캠 단면 형상

캠의 높이차가 2mm일 때, 캠 좌표에 의한 캠 단면 형상의 사이즈는 30*34[mm]이며 오목한 타원형 모양의 단면을 가지는 캠을 확인 할 수 있다.

· 캠의 높이 차(h) = 4mm 일 때

Table 2-4-6. 4mm의 캠 좌표

Rx	Ry
(mm)	(mm)
20	0
19.76869	-6.42325
17.45215	-12.6798
13.1417	-18.0882
7.151784	-22.0115
0	-24
-7.1735	-22.0778
-13.1828	-18.1446
-17.5086	-12.7209
-19.835	-6.44498
-20	0
-19.7687	6.423251
-17.4522	12.67979
-13.1417	18.08818
-7.15178	22.01152
0	24
7.173498	22.07779
13.18276	18.14459
17.50857	12.72085
19.83496	6.444979
20	0

Fig 2-4-15.   4mm 캠 단면 형상

캠의 높이차가 4mm일 때, 캠 좌표에 의한 캠 단면 형상의 사이즈는 40*48[mm]이며 오목한 타원형 모양의 단면을 가지는 캠을 확인 할 수 있다.

· 캠의 높이 차(h) = 6mm 일 때

Table 2-4-7. 6mm의 캠 좌표

Rx	Ry
(mm)	(mm)
25	0
24.89776	-8.08979
22.13315	-16.0808
16.77365	-23.0872
9.182641	-28.262
0	-31
-9.21516	-28.3614
-16.8352	-23.1718
-22.2178	-16.1423
-24.9972	-8.12233
-25	0
-24.8978	8.089788
-22.1332	16.08075
-16.7736	23.08717
-9.18264	28.26198
0	31
9.215165	28.36141
16.83523	23.1718
22.21778	16.14233
24.99718	8.122334
25	0

Fig 2-4-16.   6mm 캠 단면 형상

캠의 높이차가 6mm일 때, 캠 좌표에 의한 캠 단면 형상의 사이즈는 50*62[mm]이며 오목한 타원형 모양의 단면을 가지는 캠을 확인 할 수 있다.

· 캠의 높이 차(h) = 8mm 일 때

Table 2-4-8. 8mm의 캠 좌표

Rx	Ry
(mm)	(mm)
30	0
30.02682	-9.75633
26.81416	-19.4817
20.4056	-28.0861
11.21351	-34.5124
0	-38
-11.2568	-34.645
-20.4877	-28.199
-26.927	-19.5638
-30.1594	-9.79968
-30	0
-30.0268	9.756325
-26.8142	19.48171
-20.4056	28.08615
-11.2135	34.51244
0	38
11.25683	34.64502
20.48769	28.199
26.927	19.5638
30.1594	9.799676
30	0

Fig 2-4-17.   8mm 캠 단면 형상

캠의 높이차가 8mm일 때, 캠 좌표에 의한 캠 단면 형상의 사이즈는 60*76[mm]이며 오목한 타원형 모양의 단면을 가지는 캠을 확인 할 수 있다.

캠의 높이차를 주어 타원형 모양의 단면을 통해 반달형 위빙용접이 구현이 가능하게 된다.

설계한 4가지의 캠을 사용하여 반달형 위빙용접 실험을 실시하여 용접결과를 확인 후 최적의 캠을 선정한다.

2) 시편, 시편받침대 설계

Fig 2-4-18. 시편모델링 입체도

Fig 2 -4-19. 시편받침대 모델링 입체도

시편의 재질은 SS400으로 결정했다. 그 이유는 강재의 강도에 가장 크게 영향을 미치는

것은 탄소함량이다. SS400의 경우 대략 탄소 함량이 0.2~0.3% 정도이다. 특별히 경도나

인성이 높은 재질은 아니기 때문에 절단 시 문제를 수반하지 않는다. 탄소함량이 많아지면

용접성이 나빠지고 특히 용접부의 강도가 비정상적으로 높아져서 문제를 일으키기도 한다.

그러므로 본 팀은 용접된 시편의 절단면을 보고 결과분석을 해야하므로 탄소함량이 비교

적 낮은 SS400으로 선정한다.

시편에 주어지는 그루브 각도 60°와 두께 20T는 기계설비공사의 자료의 조건 표에 기준하

여 선정한다. 그러므로 초기 설계조건값을 두께20T 와 그루브 각도 60°로 정의하였다.

또한 실제용접 시 시편에 생기는 백비드 형상으로 인한 시편받침대와 시편의 접착을 방지

하기 위하여 시편받침대의 중앙부에 반원 모양의 홈을 주어 설계한다. 용접기의 3차원 구동

의 구현으로 인한 위빙형상에 적합한 20T의 두께를 가지며 60°의 그루브 각도를 가진 시

편을 설계하여 원하는 목표치의 용접형상결과를 얻어내도록 설계하겠다.

<시편>                                     <시편받침대>

① SIZE : 50*100*20 [mm]                 ① SIZE : 150*200*15 [mm]

② 재질 : SS400                            ② 반원 홈 SIZE : 직경 20[mm]

③ 그루브 각도 : 60°

제 3장 실험 구성 및 조건

제 1절 실험의 목표

Fig 3-1-1.   h= 8mm 캠 형상

용접 공학의 이론을 토대로 반달형 위빙 용접을 가능하게 하기 위한 조건 값(시편의 재질∙두께∙그루브 각)을 가지고 최적의 이송속도와 용접 전류 ∙ 전압 값을 구하여 용접이 잘되는 최적의 캠을 선정한다.

제 2절 실험의 구성 및 요구조건

1) 실험의 구성요소(제품설명 추가 예정 + Y축 이동속도 스피트컨트롤러 사진)

Fig 3-2-1.   3차원 자동 위빙 용접기

“런닝맨”팀의 3차원 자동 위빙 용접기

Fig 3-2-2.   용접기 구성품

MGWEL – 352D	WIRE FEEDER	와이어 MC-50T, 1.2mm	마이크로 비디오 카 메라 - 단면형상확인

2) 실험의 요구조건

설계 전 원하는 위빙의 형상은 X축으로 23mm의 좌우 움직임(그루브 각에 의한 시편의 최

대 변위), Y축의 속도, Z축으로 2, 4, 6, 8mm의 상하운동을 합성 시켜 U자형태의 위빙형

상을 만들어내는 것이기 때문에 제품 제작 후 원하는 움직임이 나왔는지 확인하기 위해

2가지의 시험을 해보았다. (기존의 “런닝맨”팀은 X축 변위 20mm, Z축 변위 2mm를 가지

고 변위시험을 실시하였고, 저희 팀의 조건값에 맞게 기존의 시험과 같이 재설계하여 변

위 시험을 측정하였다.)

(1) X축 변위 시험

Fig 3-2-3.   X축 변위 시험

Table 3-2-1.   x축 변위 시험 데이터 값

(단위 : mm)

	1	2	3	4	5	6	평균
x축 변위	23	22.5	22	23	23	23	22.75
오차	0	0.5	1	0	0	0	0.025

X축의 변위를 확인하기 위해 토치부에 볼펜을 고정시키고, 시편받침대 위에 종이를 얹고 구동시키기로 하였다. X축의 움직임만 확인하기 위해서 Z축의 움직임을 일으키는 캠은 분리를 시키고 구동을 하였다. 오차를 확인하기 위해 6번의 반복 실험을 실시하였고 평균적인 오차는 1.086%이고 가장 오차가 크게 나오는 3번째 실험의 오차는 4.34%로 나왔다. 오차는 캠이 매끄럽지 않아 생긴 미세한 오차이거나 볼펜에 각도 유지실패로 인한 오차로 보인다.

(2) Z축 변위 시험

Fig 3-2-4.   Z축의 변위 시험

Table 3-2-2.   Z축 변위 시험 데이터 값

(단위 : mm)

h		2	4	6	8
실험결과	1	1.8	4.1	6.2	8
	2	1.8	4	6.5	7.8
	3	2	3.8	6.1	8
	4	2	4.5	6	8
	5	1.9	4	6	8
	6	1.8	4	6	8
평균		1.88	4.06	6.13	7.97
평균오차		-0.12	0.06	0.13	-0.03

Z축의 변위를 확인하기 위해 토치부에 볼펜을 돌려 고정시키고, 시편받침대 위에 판을 이용해 종이를 얹고 구동시키기로 하였다. Z축의 움직임만 확인하기 위해서 X축의 움직임을 일으키는 링크는 분리를 시키고 구동을 하였다. 이 역시 오차를 확인하기 위해 6번의 반복 실험을 실시하였다. 2mm 캠일때 평균오차 6% 이고 가장 큰 오차값을 가진 1,2,6번 실험에서는 10%의 오차가 나왔다. 4mm 캠일 때 평균오차 1.5% 이고 가장 큰 오차값을 가진 4번째 실험에서는 12.5%의 오차가 나왔다. 6mm 캠일 때 평균오차 2.16% 이고 가장 큰 오차값을 가진 2번째 실험에서는 8.33%의 오차가 나왔다. 8mm 캠일 때 평균오차 0.37%이고 가장 큰 오차값을 가진 2번 실험에서는 2.5%의 오차가 나왔다. Z축 실험은 토치부를 90° 회전시킨 상태에서 진행하므로 토치부에 고정이 불안정해서 생긴 오차와 Z축 변위를 측정할 수 있는 도구가 적합하지 않아 생긴 오차로 보인다.

(3) 용접 조건(전압/전류, Y축 이동속도)

Fig 3-2-5.   전류/전압 최적조건

용접 전류와 전압값을 측정하기 위해서 전류와 전압값을 용접기에서 220A~280A의 전류와 22V~28V의 전압 범위에서 실험하는 것이 조건이다. 그리고 실험을 실시하는데 전압 값과 전류 값을 10배 차이를 두고 측정을 하였으며, (220A, 22V), (260A, 26V), (280A, 28V) 3가지의 조건을 주어 h= 2, 4, 6, 8 캠을 실험할 것이다.

⋇ 위빙용접에 대한 조건표는 용접 공학서적, 논문 등에서도 표기되어 있지 않다. 단 논문에서는 용접하고자 하는 조건 값을 자체적으로 표현하고 진행하는 것을 볼 수 있다. 그리하여 본 팀은 자체적으로 4가지 변수를 선정하고 위빙 전용기에 이러한 조건 값을 적용하여 용접을 실시함으로써 최적의 전류 ∙ 전압 값을 찾겠다.

Table 3-2-3.   위빙용접 조건

h(mm)	솔리드 와이어	용접 전압(A)	용접 전류(V)	Y축 속도(mm/s)	캠 회전 주기(S)	보호가스	용접횟수
2, 4 6, 8	∅1.2	220	22	0.8~1.2 (0.2단위로 측정)	4.5	CO2	2
		260	26	1
		280	28	1

3) 실험 방법

(1) 위빙 형상간의 최적의 운봉 간격

Fig 3-2-6.   위빙 비드의 운봉 방법

용접봉의 끝을 Fig 3-2-6과 같이 반달형으로 운봉시키며 그 폭은 용접봉 지름의 2~3배가 적당하고, 만들고자 하는 비드의 폭보다 약간 좁게 운봉을 한다. 이 폭이 너무 넓으면 비드는 평평하게 되어 언더컷을 일으키기 쉽고 파형도 고르지 못하게 된다. 또 반달의 피치는 5~6mm가 되게 한다. 용접봉 끝의 운봉 속도는 반달형의 중앙을 빠르게 양쪽 끝으로 감에 따라 느리게 하여 끝에서는 봉을 잠시 정지한다.

반달의 중앙을 빨리 운봉하는 것은 양 끝보다 중앙이 너무 고온도로 과열되지 않게 하기 위해서이고, 끝에서 잠시 정지하는 것은 언더컷을 막아 비드 폭을 맞추기 위해서이다.

(2) 마이크로 비디오 카메라

Fig 3-2-7.   마이크로 비디오

카메라

강의 현미경조직 검출용으로 사용되는 부식액인 나이탈 100ml(질산5%와 알코올 95%를 혼합)에 약 30분동안 담궜다 뺀 절단면을 Fig. 3-2-7그림과 같은 마이크로 비디오 카메라로 정밀하게 관찰하였다. 이 장치물로 용접절단면의 용입의 상태를 확인한 결과 다음과 같다.

제4장 실험 결과 및 결론

제1절 실험 및 결과 분석

1) 220A, 22V일 때 (h = 8mm, T = 4.5s) Y축 이송속도 선정

Fig 4-1-1.   비드형상

Fig 4-1-2.   비드형상

Fig 4-1-3.   비드형상

Fig 4-1-1, Fig 4-1-2, Fig 4-1-3에서의 용접 실험에서는 기존의 “런닝맨”팀의 3차원 자동 용접 장치의 용접 여부를 판단하기 위하여 고정된 캠 주기에 임의의 Y축 속도 주어 실험한 결과 Y축의 속도가 증가함에 따라 운봉간격이 증가함을 알 수 있었다. 최적의 운봉 간격이 6mm이고 그때의 Y축 이송속력이 100mm 이동하는데 100s이므로 1.0mm/s임을 확인했다.

Y축 이송속도와 운봉간격 관계를 나타내자면 이러하다.

운봉간격 ∝ Y축 이송속도

(2) 220A, 22V, Y축 이동속도 1.0mm/s, T=4.5s 일 때 (h = 2, 4mm) 용접 결과

Fig 4-1-4.   비드형상

Fig 4-1-5.   위빙용접의 궤적

Fig 4-1-4에서 h=2, 4인 캠을 장착하여 용접한 결과이다. h=2, 4인 캠을 장착하여 용접 시  시편의 그루브 양끝 면에 용접이 되며 모재의 중앙부에는 용접이 되지 않는다.

Fig 4-1-5의 그림을 보면 2mm캠을 장착하여 토치부가 시편의 양 끝점에서의 높이차는 4mm이고 중앙부에서의 높이차는 약 14mm이다. 이러한 급격한 높이차로 인해 시편의 양 끝단에서만 용접이 이루어지고 토치부가 양끝점에서 중앙부로 이동할 때의 와이어에 송급 속도와 맞지 않아 와이어가 끊기는 것을 확인하였다.

이와 동일하게 4mm캠을 장착했을 때에도 높이차가 12mm로 인하여 동일한 현상이 일어난다.

이 현상은 전극을 접촉시켜서 강한 전류를 흐르게 되고 전극의 선단은 접촉저항에 의해 과열되므로 와이어 끊기는 현상이 발생한다. 따라서 2mm, 4mm의 캠은 적합하지 않다고 판단하였다.

(3) 220A, 22V, Y축 이동속도 1.0mm/s, T=4.5s 일 때 (h = 6, 8mm) 용접 결과

Fig 4-1-6.   h=6mm 절단면

Fig 4-1-7.   h=8mm 절단면

Fig 4-1-6에서의 조건은 캠 주기 4.5s, Y축 이송속도를 1.0mm/s 놓고 위빙용접을 실시한 결과 1회 용접 시 그루브 면 안쪽으로 용입이 안된 결과를 볼 수 있고, 2회 용접 시 위빙용접을 하는데 있어서 용접전류, 전압이 작아 용접이 안된 결과를 볼 수 있다.

Fig 4-1-7에서의 조건은 캠 주기 4.5s, Y축 이송속도를 1.0mm/s 놓고 위빙용접을 실시한 결

과 1회 용접시 그루브 면안쪽으로 용입이 안된 결과를 볼 수 있다. 사진을 보면 나타내어 있지는 않지만, 실험 결과물을 보면 안된 결과를 확인 할 수 있다. 2회 용접시 위빙용접을 하는데 있어서 용접전류, 전압이 작아 용접이 안된 결과를 볼 수 있다.

두가지 결과물을 놓고 보았을 때, h=6mm일때와 h=8mm일때의 구멍의 정도가 다른데 이것은 위빙용접시 캠의 높이차로 인한 결과를 볼 수 있고, 그렇기 때문에 h=6mm일 때보다는 h=8일 때 좋다는 것을 알 수 있다.

(4) 260A, 26V, Y축 이동속도 1mm/s, T=4.5s, h = 8mm일 때 용접 비드, 단면 형상

Fig 4-1-8.   h=8mm 비드형상

Fig 4-1-9.   h=8mm 절단면

Fig. 4-1-8에서의 조건은 260A, 26V, Y축 이송속도 1mm/s, T=4.5s일 때 비드 형상은 육안으로 확인 시 균일하게 나타난 것을 알 수 있고, 디지털버니어캘리퍼스를 사용하여 측정하였을 때 운봉간격은 5~6mm인 것을 확인할 수 있었다.

단면 형상은 비디오카메라와 I-Solution프로그램을 사용하여 관찰한 결과 1회 용접 시에 용접이 안 된 결과와, 용입이 안된 결과를 볼 수 있고, 2회 용접 시에는 용입이 된 결과를 볼 수 있었다. 따라서, 용접이 안 되고, 용입이 안된 결과를 분석해 볼 때, 용접전류와 전압이 낮아 안 되었다는 사실을 알 수 있었다.

(5) 280A, 28V, Y축 이동속도 1mm/s, T=4.5s, h = 8mm일 때 용접 비드, 단면 형상

Fig 4-1-10.   h=8mm 비드형상

Fig 4-1-11.   h=8mm 절단면

Fig. 4-1-10. 에서의 조건은 280A, 28V, Y축 이송속도 1mm/s, T=4.5s일 때 비드 형상은 육안으로 확인 시 균일하게 나타난 것을 알 수 있고, 디지털버니어캘리퍼스를 사용하여 측정하였을 때 운봉간격은 6mm인 것을 확인할 수 있었다.

Fig 4-1-11. 단면 형상은 비디오카메라와 I-Solution프로그램을 사용하여 관찰한 결과 1회 용접 시에 용접은 되었고, 용입이 미세하게 일어난 것을 알 수 있다. 2회 용접 시에는 용입이 된 결과를 볼 수 있었다. 따라서, 총 8회 실험으로 본 결과 솔리드 와이어-∅1.2mm, 아크길이-2mm, Y축 이송속도-1mm/s, 용접 전류, 전압-280A, 28V, T(캠 회전주기)-4.5s일 때,

입열량은 7840J/mm임을 알 수 있었고, 이때 최적의 캠(h=8mm)을 선정 할 수 있었다.

[eqn: H(입열)= {E(전압) TIMES I(전류)} over {v(속도)} ``[J/mm]]

제 2절 총 평

‘런닝맨’팀의 3차원 자동 위빙 용접 장치를 사용하여 반달형 위빙 용접을 수행한 후 비드     형상 및 단면에 대한 변수의 영향을 연구하였으며, 다음과 같은 결론에 도달하였다.

본 팀의 실험 과정으로는 Y축 이송속도를 찾고, 용접 전류, 전압값만을 높여서 용입 정도     와 기공을 줄이면서 실험했다.

실험 결과로 Fig 4-1-11.의 경우 용접 조건으로는 솔리드 와이어-∅1.2mm, 아크길이      -2mm, Y축 이송속도-1mm/s, 용접 전류, 전압-280A, 28V, T(캠 회전주기)-4.5s일 때,     입열량은 7840J/mm임을 알 수 있었고, 용접을 실시한 단면이 잘 나왔다는 것을 볼 수 있     었다.

다른 방안으로는 Fig 4-1-7.의 경우 1회 용접 시 용접 전류, 전압값은 220A, 22V였지만     잘 된 모습을 알 수 있고, Fig 4-1-9. Fig 4-1-11의 경우 2회 용접 시에는 용접 전류,      전압값이 260A, 26V / 280A, 28V였지만 잘 된 모습을 알 수 있었다.

이 점을 참고해보면 1회용접시에는 그루브 각이 60deg이지만, 용접을 하기에는 좁은 공간     이므로, 용접 전류와 전압값을 낮추고 1mm/s보다 Y축 이송속도를 좀 더 늦춘다면 용입이     잘 된 결과를 얻을 수 있을 것 같다. 고려해야 할 점은 Y축 이송속도를 늦추더라도 용접      전류와 전압값이 높으면 시편에 구멍이 생겨 용접 실패에 이어질 수 있고, 아크용접은 CO2     가스를 사용하여 용접을 하기 때문에 인체에 유해할 수 있으므로 주의해야 한다.

2회용접시에는 그루브 각이 60deg이고, 시편과 솔리드와이어가 같이 녹아 넓은 비드 폭을     용물로 채우고, 용입 정도가 좋아야 하기 때문에 이송속도를 1mm/s보다 크게 하고 용접      전류와 전압값을 높인다면 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것 같다. 고려해야 할 점은 Y축      이송속도가 너무 빠르면 용접결함으로 이어질 수 있는데, 이때 언더컷이 발생할 수 있다.       또한, Y축 이송속도가 너무 느리면 오버랩이 발생할 수 있다.

비드형상(비드폭, 용입 정도)은 용접전류, 전압, Y축 이송속도에 영향을 받는다는 것을 볼     수 있었다. Y축 이송속도가 증가하면 비드폭, 용입 정도가 감소하고, 용접전류, 전압의 증가     에 따라 비드폭과 용입정도는 상승함을 알 수 있었다.

이외에도 변수를 고려하지 못한, 솔리드 와어어 종류, 돌출 길이 및 굵기, CO2 GAS 유량,     용접토치와 시편사이의 거리, 용접 토치의 각도를 고려하면 실험 횟수 및 실패 확률을 줄이     므로 조건값 선정에 필요한 시편의 소모를 줄일 수 있고, 용접의 품질이 좋아 질 수 있다.

본 팀이 수행하지 못한 용접 결과 분석 방법으로는 용접 전에 시편의 무게를 재고, 일자      용접을 이용하여 1회 용접 후 무게를 재고, 반달형 위빙 용접을 이용하여 1회 용접 후 무     게를 잰다. 두 가지 용접수행 결과 1회 용접 시 일자 용접보다 반달형 위빙 용접의 용착량     이 더 많다는 것을 확인할 수 있고, 생산성이 더 높아지는 것을 볼 수 있다.

또 다른 방법으로는 두 가지 용접을 끝까지 용접을 완료한 후, 인장강도 테스트를 통해 어     떤 것이 더 좋은 것인지도 확인 할 수 있다.

실험 전에 용접프로그램 SYSWELD프로그램을 사용하여 용접을 미리 분석해보고 실험을     실시 할 수 있고, 실험횟수와 확률을 줄이고 시편의 소모를 줄일 수 있다.

실험을 진행함에 있어서 본 팀은 용접공학에 대한 지식이 필요했다. 용접 기본지식이 부족     하여 전문서적, 인터넷 검색 등으로 공부한 내용을 기반으로 하여서 시행착오를 겪어 새로     운 지식을 습득할 수 있는 좋은 기회가 되었다.

1년간 프로젝트를 수행하면서 느낀 점은 앞으로의 설계프로젝트의 발전을 위해서 설계프     로젝트 과목을 수강하기 전에 중간단계의 과목이 개설된다면 이해도가 높아지고 더 심화된     프로젝트가 진행될 것이라 예상된다.

[참고문헌]

[1] 조인영, 2007, “평면 캠 형상 정밀 가공기법에 관한 연구”, 학위논문(석사)--창원대학교 대학원 : 기계설계공학과, p.120-121

[2] 박재순, 2004, “전기용접의 효율적인 실기지도 방법에 관한 연구 : 맞대기이음의 결함요인 분석을 중심으로”, 학위논문(석사)--삼척대학교 산업대학원: 정밀기계공학과

[3] Robert L. Norton, 2009, “Norton의 기구학”, 출판 : McGraw-Hill Korea

[4] 정태환, 1999, “기 구 학”, 출판 : 문운당

[5] 이용일, 권호영, 2011, “용접공학의 이해”, 출판 : 문운당

[6] 고진현 외 6명,  2001, “신용접 공학”, 출판 : Prentice Hall

[7] 박주용, 2010, “용접 생산 공학, 출판” : GS 인터비전

[8] 기계설비공사,  “그루브 용접에 대하여”, (2015.04.21. 검색)

http://www.kyh.co.kr/machine/machine06.htm

[9] ‘런닝맨’, “3차원 자동 위빙 용접 장치”, p21-28 캠 해석,

p57-58 운용 및 시험 결과