기계공학기초 기계와 기계공학.

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1 기계공학기초 기계와 기계공학

2 1장. 기계와 기계공학 1-1 기계란 무엇인가 기계의 의미
뢸로(독일)- “기계란 외부에 대해서 저항력을 가지는 물체(고체 또는 강(鋼)제)의 결합으로 정해진 상대운동을 하면서 외부에서 주어진 에너지를 유용한 기계적 일로 변환시키는 구조물” 원동(原動)기구-외부에너지를 이용하여 동력을 발생하는 기구 동력전달기구 –원동기구에서 발생된 동력을 작업기구에 전달하는 기구 작업기구-전달된 동력을 이용하여 유용한 일로 변환하는 기구 외부에서 작용하는 힘에 대하여 늘어나거나 굴곡이 되는 등 변형되지 않는 저항력이 있는 물체의 결합으로 구성되어 있고 각 부분 사이에는 어느 정해진 범위 내에서 서로 관계를 가지고 상대운동을 해야 하고 외부에서 에너지를 받아들여 이 에너지를 유용한 일로 변환시켜야 한다.

3 1장. 기계와 기계공학 1-1 기계란 무엇인가 기계와 다른 용어와의 차이 도구 장치 기기
복수의 물체결합이지만 운동하는 부분이 없는 것 (드라이버, 해머 등) 장치 다수의 부품으로 구성되어 있지만 운동하는 부분이 없는 것 (증기보일러, 화학반응 탱크 등) 기기 내부에 운동하는 부분은 있지만 기계적 일을 하지 못하는 것 (시계, 계측기 등)

4 1장. 기계와 기계공학 1-1 기계란 무엇인가 근대이전의 기계의 발달 약 500만전 전부터 기계문명의 길을 걷기 시작
나무막대나 돌을 이용하여(손) 식물이나 동물을 식료품으로 삼아 외부의 적과 싸우기 시작 큰 힘을 내는 도구를 고안 인간의 손, 발의 힘의 한계로 인해 도구 류 점차 진보하고 복잡 지렛대, 도르래, 바퀴 축, 나사 등 15C 풍차나 수차 이용 수차 동력으로 제분소. 수평축 회전을 제분기 수직 축에 동력 전달하기 위해 기어 발명. 단조용 헤머를 움직이는데도 사용. 크랭크, 링크장치 등 고안

5 1장. 기계와 기계공학 1-1 기계란 무엇인가 인생에서 기계의 공죄(功罪) 기계의 공적 기계의 공죄
육체노동에서 해방, 풍요로운 물자 제공, 신속하게 이동능력제공 등 오랜 세월에 걸쳐 인류의 꿈을 실현 기계의 공죄 안일에 의한 인류 능력의 저하. 모든 것의 거대화, 인간 그 자체의 소형화 내지 주체성 상실. 전쟁수단의 거대화—인류멸망에 대한 불안 등.

6 1장. 기계와 기계공학 1-1 기계란 무엇인가 기계문명의 반성과 이용의 절제 기계의 대체적 목표—인간의 복리증진.
사용방법이 부적절하거나 무절제 사용이 문제. 인간의 주체성을 상실하여 기계에 사용 당함. 인간에게 적합한 업무의 범위 내에서 사용은 쾌적하고 건강 – (기계의 베이스에 무리를 당하면 업무는 무미건조하고 건강을 해침)

7 1장. 기계와 기계공학 동력기계(원동기구) 1-2 기계의 분류와 종류
화학적 에너지나 전기적 에너지 또한 열에너지와 유체 에너지(위치 또는 운동) 등 각종 에너지를 우리들이 이용하기 쉬운 기계적 에너지인 동력으로 바꾸는 기계 동력을 발생시키는 기계로써, 여러 가지의 내연 기관과 증기 원동기와 같은 외연 기관이 있다 열기관, 수차, 풍차 등

8 1장. 기계와 기계공학 동력기계의 종류 공급 에너지 동력기계의 명칭 실제의 보기 열 화석연료 원자연료 태양열 지열 해양온도차
공급 에너지 동력기계의 명칭 실제의 보기 열 화석연료 원자연료 태양열 지열 해양온도차 열기관 내연기관 가스기관,가솔린기관,경유기관,중유기관, 가스터빈 외연기관 증기기관,증기터빈,스털링 기관 유체 위치 수 력 수 차 펠턴 수차, 프란시스 수차 운동 조 력 프로펠라 수차 풍 력 풍 차 프로펠러 풍차, 입형 풍차 스털링 기관 원리 출력 피스톤의 상승으로 실린더 저온부에 있는 작동가스는 등온압축된다. 다음에 배제 피스톤이 하강해서 실린더 저온부에서 고온부로 부피가 일정한 상태에서 가스는 가열되면서 이동한다. 이때 이전 사이클에서 미리 가열되어 있는 재생기에서 예열되고 가열 코일에서 가열된다. 이것을 등적가열이라고 한다. 다음에 실린더 고온부에 있는 가스는 등온팽창하고, 배제와 출력의 두 피스톤은 함께 하강해서 일을 한다. 끝으로 출력 피스톤은 그대로 있고, 배제 피스톤만이 상승하기 때문에 작동가스는 실린더 고온부에서 저온부로 일정한 부피를 유지한 채 재생기와 냉각 코일에서 냉각되면서 이동한다. 이것을 등적냉각이라고 한다 펠턴수차

9 반동수차의 대표적 펠턴 수차

10 1장. 기계와 기계공학 작업기계 1-2 기계의 분류와 종류
동력 기계로부터 에너지를 받아 작업을 하는 기계로 부품을 가공, 생산하는 선반, 밀링 머신, 연삭기, 프레스 등의 공작 기계와 방직기, 식품 가공 기계 등 각종 제품을 생산하는 기계가 있다. 작업 기계에는 건설 기계, 광산 기계, 농업 기계 등이 있으며, 자동차, 철도 차량, 선박, 항공기 등의 운반 기계가 있다. 측정이나 검사 등에 이용되는 측정 기계, 광학 기계 등이 있으며, 가정용 기계로서는 세탁기, 청소기 등이 있으며 그 종류는 매우 다양하다. 공작기계—선반,보링, 연삭기, 용접기, 압연기,프레스 생산기계 제조기계—방적기,섬유기계,재봉틀,제분기,화학기계 등 운반기계 크레인, 호이스트, 컨베이어,송풍기,펌프 등 작업기계 건설기계 토목, 건축공업용 등 기 타 인쇄기, 염색기 등

11 1장. 기계와 기계공학 전달기계 1-2 기계의 분류와 종류
동력기계와 작업기계 사이에서 동력기계로 부터 기계적 에너지를 공급받아 작업기계에 전달하는 과정에서 작업에 적합하게 운동의 방향이나 또는 속도(힘의 방향 또는 크기)를 바꾸는 기계 구름접촉—마찰자, 기어 등 직접접촉 미끄럼 접촉—지랫대, 축 등 감기전동 벨트와 벨트풀리, 체인과 스프라켓, 로프와 로프풀리 전달기계 유치전동 수력 커플링 수압력 커플링 전기적 진동

12 1장. 기계와 기계공학 공학이란 ? 1-3 공학과 공학의 분류
1-3 공학과 공학의 분류 공학이란 ? -공업생산기술을 자연과학적 방법과 성과에 따라서 개발 ·실천하는 응용과학으로서, 세분화된 분야에서 체계화 되어있는 학문 -주로 기계· 장치 또는 가공된 자료 등 인위적인 자연이 대상이 됨 -인간이 직면하는 여러 문제를 해결하기 위하여 원료나 재료 ·기계 ·장치 ·에너지 등을 필요에 따라 체계화 함으로써 공학이 발전함 이학(수학,물리학,화학,생물학 등)을 기초로 하며, 여기에 “목적의식”을 가해서 물질,에너지,정보등을 매체로 해서 인간사회에 필요한 “제품”을 만들기 위한 학문체제

13 1장. 기계와 기계공학 공학 분야의 분류 공학의 분류 공학의 상세한 분류 응 용 역 학 기초기계공학 관련기계공학 전 기 공 학
응용수학, 통계수학, 응용물리학, 물리화학, 고체물성, 생물과학, 유동학, 핵물리 기초기계공학 공업재료공학, 재료역학, 기계역학, 기계요소공학, 유체역학, 유체기체, 열공학, 열전달 기계제작 관련기계공학 교통기계공학, 건설기계공학, 신업기계공학, 환경기계공학, 복합재료공학, 시스템공학 전 기 공 학 동력공학, 전자공학, 전자기공학, 전자계측제어공학, 통신공학, 조명공학, 음향공학 응 용 화 학 공업물리화학, 화학공학, 효소화학, 전기화학, 석유화학, 생물화학, 섬유화학, 플라스틱화학 금 속 화 학 금속물성학, 금속야금공학, 금속가공학, 금속성형공학, 철강공학, 용접공학, 자원공학 토 목 공 학 토목공학, 토질공학, 도로공학, 토목기계공학, 환경공학, 철도공학, 상하수도공학, 토목기초공학 건 축 공 학 건축구조공학, 건축재료공학, 환경공학, 건축사, 건축계획, 도시계획, 각종 건축물 구조화 기능 생산·관리공학 자원공학, 생산공학, 관리공학, 안전공학, 정보처리공학, 유통공학

14 1장. 기계와 기계공학 1-4 기계공학이란 어떤 학문 ? 기계를 대상으로 하는 공학
1-4 기계공학이란 어떤 학문 ? 기계를 대상으로 하는 공학 기계 및 이에 관련된 장치설비의 설계,제작,성능,이용,운전 등에 대하여 기초적,응용적 분야를 연구하는 공학의 부분 좁은 의미의 ‘기계’를 연구 ·개발하거나 제작하기 위해서는 각 장에서 설명하는 기본적인 학문을 기초로 하는 것을 통틀어 ‘기계공학’이라 부른다. 다종 다양한 부품을 가공하기 위해 FMS (Flexible Manufacturing System: 유연생산시스템) 을 실현하여 무인화 됨. 각종 수치제어 공작기계, 지능로봇, 컴퓨터가 유기적으로 관계 공장의 무인화 실현 자동제어, 계산기계, 생산관리, 인간공학, 공해문제 등도 기계공학의 대상

15 1장. 기계와 기계공학 1-5 기계공학에서의 규격과 단위 KS의 분류 공업규격(17개 영역)
-종류 ·형상 ·치수 등 국가가 어느 일정한 표준을 정한 것을 국가 규격이라 한다 -산업표준화법에 의한 한국산업규격 (Korea Industrial Standard) 줄여서 KS라 부른다 -예) KS B 1012 일 때 B는 기계공업 앞부분의 두 자리 10은 볼트 ·너트 뒤의 두 자리 12는 원칙으로 결정된 순서 A 기본 L 요업 B 기계 M 화학 C 전기 P 의료기 D 금속 R 수송기계 E 광산 V 조선 F 토건 W 항공 G 일용품 X 정보산업 H 식료품 Z 기타 K 섬유

16 1장. 기계와 기계공학 1-5 기계공학에서의 규격과 단위 단위 - 우리나라에서는 미터 단위계 사용
국제교류가 빈번해짐에 따라 각국에 공통적인 단위계인 국제단위계 (SI) 사용

17 SI단위를 사용하여야 하는 이유 국제협약의 준수
- 우리나라는 1960년 제11차 국제도량형총회 (CGPM)에서 국제 단위계인 SI단위(The International System of Unit)를 채택·결정 1961년 5월 10일 “계량법”을 제정·공포 1964년 1월 1일부터 토지와 건물을 제외한 모든 단위에 대해서 법정단위를 적용 1983년 1월 1일부터는 토지, 건물을 포함하여 모든 계량단위는 SI단위 사용을 의무화 

18 SI 단위의 특징 m kg s A K cd mol

19 SI 단위의 정의 길이의 단위 (미터) “미터는 빛이 진공에서 1/ 초 동안 진행한 경로의 길이이다.”(제17차 CGPM/1983) 질량의 단위 (킬로그램) “킬로그램은 질량의 단위이며 국제킬로그램원기의 질량과 같다.” (제3차CGPM/1901) 시간의 단위 (초) “초는 세슘-133 원자(133Cs)의 바닥상태에 있는 두 초미세 준위 사이의 전이에 대응하는 복사선의 주기의 지속시간이다.” (제13차 CGPM/1967) 전류의 단위 (암페어) “암페어는 무한히 길고 무시할 수 있을 만큼 작은 원형 단면적을 가진 두 개의 평행한 직선 도체가 진공 중에서 1 미터(m)의 간격으로 유지될 때, 두 도체 사이에 매 미터당 2 × 10-7 뉴턴(N)의 힘을 생기게 하는 일정한 전류이다.” (제9차 CGPM/1948)

20 SI 단위의 정의 열역학적 온도의 단위 (켈빈)
“열역학적 온도의 단위인 켈빈은 물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/ 이다.” (제13차 CGPM/1967) 물질량의 단위 (몰) 1. 몰은 탄소 12의 킬로그램에 있는 원자의 개수와 같은 수의 구성요소를 포함한 어떤 계의 물질량이다. 그 기호는 “mol”이다. 2. 몰을 사용할 때에는 구성요소를 반드시 명시해야 하며 이 구성요소는 원자, 분자, 이온, 전자, 기타 입자 또는 이 입자들의 특정한 집합체가 될 수 있다.” 제14차 CGPM(1971) 광도의 단위 (칸델라) “칸델라는 진동수 540×1012 헤르츠인 단색광을 방출하는 광원의 복사도가 어떤 주어진 방향으로 매 스테라디안 당 1/683 와트일 때 이 방향에 대한 광도이다.” (제16차 CGPM/1979)

21 非 SI 단위를 사용함으로써 발생하는 경제적 손실
수출 비용의 증가 1997년 9월12일 프랑스를 중심으로 EU의 SI단위 채택으로 2010년부터 한국의 수출 품목인 섬유 등에 대한 SI단위 표기를 의무화 하여 SI단위로 표시전환(라벨 등)에 따른 비용증가 예상 원가부담 증가 산업계에서 인치단위 계열의 부품, 제조설비, 제품 검사 측정장비와 미터 단위 의 제조설비, 검사측정 장비의 이중 구매로 인한 원가 부담 가중 부정확한 거래 척관 단위는 관습에 의하여 피계량물의 종류에 따라 무게와 면적이 달라지는 특성을 갖고 있어 소비자의 혼란을 초래하고 부정확한 거래 유도 구매자의 손실 발생 토지, 건물 거래시 평단위의 단가표시에 의한 거래에 의하여 20 평 아파트인 경우 66 ㎡이나 등기부 등본 상에는 통상 65.5 ㎡ 등으로 표기되어 있어 실제 거래면적은 공급자가 제시한 평수보다 적을 수 있기 때문에 구매자의 손실이 발생

22 비법정계량단위 사용으로 인한 피해사례는? 1999년 화성 탐사선 폭발 : 미국의 도량형과 관련된 가장 충격적이고도 상징적인 사건 은 Mar Climate Orbitor 사건일 것입니다. 1999년 9월 화성궤도를 돌다가 화성에 착륙할 예정이었던, 미국의 우주선 Mars Climate Orbitor는 최저고도 설정 잘못으로 추락하였습 니다. 1억2천5백만 달러가 한순간에 우주먼지가 된 것입니다. NASA는 개발팀들 중 일부 는 미터법을, 일부는 feet-mile 단위를 사용했던 탓에 생긴 착오로 인한 사고라는 발표를 하였습니다. 월 국내 K 항공사의 화물기 추락 : K항공사의 화물기가 중국 공항에 착륙을 시도 하다 추락한 사고가 발생했는데, 원인으로는 부조종사가 중국의 고도단위는 미터인데 피트로 순간적으로 착각하여 무리하게 하강을 시도하다 사고가 나기도 하였습니다. - 국경지역의 자동차 사고 : 미국과 캐나다 국경 지역에서는 자동차 사고가 종종 발생. 미국은 속도제한표시가 마일(mile)이고, 캐나다는 킬로미터(km)이기 때문에 국경을 넘은 운전자가 단위를 마일로 착각해 과속하다 사고가 발생하고 생명을 잃고 있습니다. - "평" 사용의 폐해 : 85 ㎡인 아파트는 평으로 환산하면 25.7평인데 부동산거래에서는 30 평, 32평, 35평으로 거래되고 있습니다. - "돈"사용의 폐해 : 많은 귀금속 판매업소에서 "돈"으로 계량없이 판매하고, 저울로 정확 히 무게(g)를 측정해서 구매한다면 누가 손해를 입을까요?

23 1장. 기계와 기계공학 1-6 공업과 기계공업 공업 - 공학을 기반으로 가공, 인간생활에 필요한 여러 가지 생산제품을 경제적으로 생산하기 위한 작업을 수행하는 작업체 공업 경공업 소비재를 생산 식료품, 섬유 ,요업,제재 및목제품,인쇄출판등 중공업 생산재를 생산 금속공업, 화학공업, 기계기구공업

24 1장. 기계와 기계공학 1-6 공업과 기계공업 기계공업
1-6 공업과 기계공업 기계공업 각종 제품의 원료가 되고 있는 금속재료, 비금속재료의 생산과 원료를 성형 가공하여 기계 기구류를 생산하는 공업 산업에서부터 가정용까지의 모든 기계와 부품을 만드는 공업을 통틀어 지칭 일반기계 수송기계 전기기계 정밀기계 (무 기)-----한국 5개 영역 기계로 분류

25 기계공업 1장. 기계와 기계공학 1-6 공업과 기계공업 주변공업 토목공업 건축공업 환경공업 화학공업 금속공업 자원공업 전기공업
1-6 공업과 기계공업 기계공업 주변공업 토목공업 건축공업 환경공업 화학공업 금속공업 자원공업 전기공업 기계공업과 다른 공업과의 관계

26 1장. 기계와 기계공학 1-6 공업과 기계공업 기계공업 분류 기계공업의 상세한 분류 금속재료 비금속재료 기계요소 절삭·공작기계
1-6 공업과 기계공업 기계공업 분류 기계공업의 상세한 분류 금속재료 철강(보통강, 특수강 등) 비철금속(알루미늄, 구리, 아연, 납 등) 비금속재료 무기재료(무기화학·약품류, 시멘트, 유리, 콘크리트) 화학공업(화학비료, 섬유원료, 염료, 잉크, 약품) 고분자 재료 (고분자 수지류 등) 기계요소 나사, 볼트, 너트, 기어, 스프링, 링크, 캠, 베어링, 축받이 절삭·공작기계 절삭·공작기계(선반, 연삭기, 보링 머신, 드릴링 머신, 평삭기, 기어기계, NC전용 공작기계 등) 소성·가공·기계 압연, 인발, 압출기계, 단조기계, 롤 성형기계, 프레스 성형기계 등 주조·용접기계 강 주조기계, 비철금속 주조기계, 플래시 용접기, 스폿 용접기 등 계측·제어기계 열·온도계측기, 유체용 계측기, 환경용 계측기, 시퀀스 제어기, 생산관리 제어기 등 유체기계 수력기계, 유압기기, 공기기계, 냉동기기, 펌프, 송풍기, 공기압축기 등 열기관 선박용 디젤기관, 건설용 내연기관, 운반용 내연기관, 증기동력기관, 화력발전기관, 원자동력로 등

27 1장. 기계와 기계공학 1-6 공업과 기계공업 기계공업 분류 기계공업의 상세한 분류 수송기계 전기기계 건설기계 하역기계
1-6 공업과 기계공업 기계공업 분류 기계공업의 상세한 분류 수송기계 자동차, 철도차량, 항공기, 선박 등 전기기계 가전기기(TV , 라디오, 전자 렌지 등) 통신무선기기, 음향기기, 전자계산기(컴퓨터, IC, 탁상계산기 등) 건설기계 하역기계 크레인, 컨베이어, 포크리프트, 셔블 트럭, 각종 건설기계, 광산기계, 농업기계(트랙터, 경운기, 방제기, 제초기, 콤바인, 탈곡기, 이앙기 등) 정밀기계 정밀측정기기, 계산기 및 주변기기, 전자부품용 정밀기기, 광학기계, 시계, 카메라, 이화학기계 화학기계장치 (환경기계) 화학 플랜트, 석유화학 플랜트, 시멘트 플랜트, 공해방지장치, 대기오염 방지 장치, 수질오염 방지장치, 폐기물 처리장치, 일반화학기계(열교환기, 집진기), 플라스틱 가공기계 등 산업기계 일반사무기계(계산기, 복사기), 전자계산기(디지털, 아날로그, 탁상), 계산기 시스템 수산기계, 방적·섬유기계, 의료용 기기, 종이 펄프기계, 포장기계, 산업용 로봇 등 생산관리 생산 시스템, 자동화 시스템, 물류 시스템 등