4차 산업혁명이 대두되고 빠른 기술 혁신이 일어나는 현대사회에서 한 물품을 대량 생산하기보다 소비자가 원하는 제품을 소량 생산하여 판매되는 현상들이 나오고 있다. 또한 기존의 공작기계를 통한 가공 방식이 아닌 3D 프린터의 기술로 각종 제품들이 나오기 시작하면서 또 다른 가공의 한 방식이 출현하여 다품종 소량생산이 가속화되고 있는 실정이다. 다품종 소량생산 시스템으로 나아가는 시장 상황에서 기술력으로 따라가기 위해선 기계 스스로가 판단을 하여 기계 가공과 후처리를 하는 시스템을 개발하여 기계 스스로가 최적의 공정과정을 찾고 공정 처리 시간을 줄이는 시스템이 필요하다.
기계제품의 생산에 있어서 힘은 중요한 측정 요소 중 하나이다. 중공업, 선박 등의 플랜트 분야에서 크게는 MN단위의 유압장치의 힘 측정부터 작게는 미세 입자 간에 작용하는 pN에서 nN단위의 힘을 측정하는 힘 측정 장비가 필요하다. 힘 측정 장치는 외부로부터 가해진 힘에 의해 감지부가 물리적 변형이 발생하여 센서를 통해 전기신호를 검출한다. 힘 측정 장치에 측정을 위하여 사용하는 센서로는 압전소자, 압전필름, 스트레인 게이지 등 다양한 측정 센서가 사용되며, 일반적으로 힘을 측정하는 센서 개발은 힘의 크기나 방향을 측정할 수 있도록 제작된다. 하지만 힘 측정 장치는 현재 대부분이 소형화된 장치일뿐더러 단가가 높아 주로 연구용 장치로 많이 제작되는데, 이러한 문제 때문에 일반적인 제조 산업체는 기계가 제공하는 데이터로 객관적인 판단을 하는 것이 아니라 가공업자의 직관적인 판단에 의해 제품을 생산하는 실정이다.
본 연구에서는 생산업체에서도 적용이 가능한 대형 공구동력계를 설계 및 개발을 하고자 한다. 이를 위해서는 팔각링 형상 설계와 스트레인 게이지 부착위치 설정 및 적절한 휘스톤 브릿지 설계를 한다. 또한 센서에서 발생하는 노이즈를 하드웨어적인 방법과 소프트웨어적인 방법의 데이터 처리 필터를 적용하여 최종적으로 팔각링 로드셀(Octagonal ring load cell)을 이용하여 3축 분력 측정이 가능한 대형 공구 동력계를 설계 및 개발을 하려고 한다.
검증 실험 방법으로는 총 4가지로 나누어 실험한다. 첫 번째 실험은 단축 측정실험으로 설계한 팔각링 설계와 제작에 이상 유무를 판단하기 위해 진행하는 검증 실험이며 두 번째 실험은 2축 측정 실험으로 다축 측정 시 프로그램 작동 상태와 스트레인 게이지의 부착 위치에는 이상 유무를 검증하기 위해 진행하는 실험이다. 세 번째 실험은 3축 측정 실험으로 도출되는 데이터를 통하여 이론에서 도출한 변형률 값과 실제 측정 변형률 값과의 차이를 분석하고 보정을 통해 장치를 완성 및 실험식을 도출하는 실험이다. 마지막 실험은 소재 측 측정 실험으로 장치에 소재를 부착하여 소재에 힘을 가했을 때 나오는 데이터와 3축 측정 실험을 통해 나온 실험식 데이터 간의 비교를 분석하여 보정식을 도출시키는 실험이다.
단축 측정 실험 결과 B점에서 발생하는 변형률과 이론값과 비교하였을 때 약 2.68배 차이가 났으며 B점의 위치가 이론값은 39.6°에서 45° 위치로 변경되기 때문에 발생하는 오차로 판단되었다. A점에서 발생하는 변형률과 이론값과 비교하였을 때 약 1.17배 정도의 차이가 났으며 이론의 이상적인 상황과 실제 실험 상황의 차이 때문에 발생하는 오차로 판단되었다. 2축 측정 실험결과 스트레인 게이지 부착위치의 이상이 발견되었으며 문제의 해결을 위한 새로운 스트레인 게이지 부착 위치를 제안하였다.
3축 측정 실험 결과 X축에 힘을 가할 때 약 6.02배, Y축에 힘을 가할 때 약 5.61배, Z축에 힘을 가할 때 약 4.65배가 이론값과 차이가 났으며 이를 보상하여 실험식을 도출하였다. 변형된 수식은 유저가 도출하고 싶은 데이터 값으로 변환하여 사용이 가능하다. 각 축을 측정할 때 측정하는 축이 아닌 다른 축들에서는 변형률이 0에 가까운 값들이 도출되었으며 이는 이론값에 가까운 데이터를 도출시키는 장치를 제작하였음을 검증하였다. 소재 측 측정 실험 결과 3축 측정 실험을 통해 얻은 보정값을 통하여 보정을 하였음에도 불구하고 X축에 힘을 가할 때 약 1.05배, Y축에 힘을 가할 때 약 1.16배, Z축에 힘을 가할 때 약 0.94배가 이론값과 차이가 났다. 이는 소재의 물성치가 상부 플레이트의 물성치와 다르기 때문에 생기는 오차로 판단되며 오차를 통한 보정식을 도출하였다.

In the contemporary society with the emergence of the Fourth Industrial Revolution and fast technology innovation, there are number of phenomenon of small production of products desired by consumers rather than mass production of single item. In addition, with various products starting to come out with the 3D printer technology, not the processing method through existing machine tools, there is a method of another processing appeared to accelerate the multi-product and small-sized production. In order to catch up with the technology under the market situation to march forward with the multi-product and small-sized production system, the machine makes its own decision to develop the system with the machine processing and post processing in a way of finding the optimal processing process and requiring the system to shorten the processing time.
With respect to the production of machinery product, the power is one of the important measuring factors. In the plant fields of heavy industry, shipbuilding and others, it requires the force of MN-unit hydraulic device for large-scale and the force to measure the pN ~ nN unit that applies to finite particles in small scale. The force measurement device has the sensor part generating the physical modification by the force applied from outside to detect the electric signal through the sensor. As for the sensors that use to measure in the force measurement device, various measurement sensors, such as, piezoelectric effect element, piezoelectric film, strain gage and others, are used, and in general, the sensor development to measure the force would be manufactured to measure the size or direction of the force. However, the force measurement device is mostly small-scale device now with high unit price that it is mainly for research purposes, and because of such problem, general manufacturers produce the products by the intuitive decision of processor, not the subjective decision with the data provided by the machinery.
Under this study, the intention is to design and develop the large tool dynamometer possible to apply by manufacturers. For such a case, it works on octagonal ring shape design, strain gage position setting and appropriate Wheatstone Bridge design. Furthermore, the data processing filter is applied with the hardware method and software method for the noise generated from the sensor to design and develop the large tool dynamometer available to measure the 3-axis component measurement by finally using the octagonal ring load cell.
As for the method of verification experiment, the experiment is made by dividing into a total of 4 types. The first experiment is the verification experiment to process for determining any malfunction in the octagonal ring design and manufacturing devised with the shortened measurement experiment. The second experiment is the 2-axis measurement experiment that is processed to verify for any malfunction in the program operation condition for multi-axis measurement and position of the strain gage. The third experiment is the 3-axis measurement experiment that analyzes the difference of the strain value formulated from the theory through the formulated data and the actually measured strain value and it is the experiment to complete the device through calibration and formulating the experiment formula. And, the final fourth experiment is the experiment to formulate the calibrated empirical formula by comparing the data available when the force is applied to the material after attaching the material on the device and the experiment formula data available through the 3-axis measurement experiment.
When comparing the strain and theoretical value generated from the point B as a result of the single axis measurement experiment, there was approximately 2.68 times of difference and it was considered as the error generated from the change from 39.6° to 45° for the theoretical value of the point B. When comparing the strain and the theoretical value generated from point A, it has approximately 1.17 times of difference, and it was considered as the error generated from the difference of the ideal situation for theory and actual experiment situation. As a result of the 2-axis measurement experiment, it has detected the malfunction of the strain gage position and it proposes the new strain gage position for solving the problem.
As a result of the 3-axis measurement experiment, when the force is applied to the X-axis, it had approximately 6.02 times of difference with the theoretical value, and when the force is applied to the Y-axis, it had the difference of approximately 5.61 times, and when the force is applied to the Z-axis, it had the difference of approximately 4.65 times and the difference is compensated for formulating the experiment formula. The modification is the data value for user to formulate and is available to modify to use. In the axes that are not the axis to measure for each axis, the strain was formulated to be close to 0 and it is verified for manufacturing the device formulating the data close to the theoretical value. As a result of the material measurement experiment, it has the calibration through the calibration value obtained through the 3-axis measurement experiment, but notwithstanding such fact, it had the difference from the theoretical value for approximately 1.05 times when applying the force to the X-axis, approximately 1.16 times when applying the force to the Y-axis, and approximately 0.94 times when applying the force to the Z-axis. This is considered as an error caused for having the material property of the materials different from the material property on the upper plate and it formulated the calibrated empirical formula through the error.