기계를 구성하는 단위인 도구, 기구, 장치, 기계의 정의와 이를 설계하기 위하여 갖춰야 할 공학적인 기초 지식과 전문 지식은 무엇이 있는지 알아보고 더 나아가 설계와 제도의 차이점에 대해서 그 내용을 정리하였습니다.
기구설계 또는 기계설계란? 기계의 기능에 대한 목적에 따라, 요구되는 성능에 따라, 이를 만족시키는 기구를 결정하고 이 기구에 대한 조립되는 각 부품의 재료와 그 형상, 치수를 상세히 결정하는 과정을 이야기합니다.
여기 설계 과정 중 도면제도 작업 전까지의 과정으로 기능에 적합한 기구를 선정하여, 각 부품에 작용하는 힘의 관계를 계산하고 안전하면서 경제적인 재료를 선택하여 결정하는 과정을 설계 계획이라고 합니다. 그리고 이후 전체 조립도·부분 조립도·부품도와 같이 도면을 제도하여 완료하는 것을 기구설계 또는 기계설계라고 합니다.
설계의 방법으로 먼저 유효하게 작용하는 기구와 장치를 선정하여 결정하고 각 구성 요소 등에 대한 외력, 관성, 진동 등을 고려하여 내력과 변형률의 크기를 계산합니다. 그리고 이에 적합한 재료를 골라서 기계가 안전하고 정확하게 구성 요소의 성능을 발휘할 수 있도록 부품의 형상과 상세 치수를 결정합니다.
이 밖에 표준화된 기술의 적용과 경험적 요소도 아울러 생각하고 기계 공작법 등을 고려하여 설계에 반영합니다.
기계 구성단위의 분류
기계를 구성하는 단위는 도구, 기구, 장치, 기계로 나눌 수 있습니다.
도구/공구(tool) : 외부의 힘에 의해 작동을 하지만, 개별 부품 간의 상호 운동은 없음.
예시) 대패, 망치 등
기구(instrument) : 여러 개의 단일 부품들이 서로 조립되어 있지만, 유용한 기계적인 일을 하는 것이 아닌 사람의 지각을 도와주는 보조역할을 함.
예시) 저울, 측량기 등
장치(apparatus) : 복잡한 여러 가지의 기계 부품들로 구성되어 있으나, 구성 부품들 간의 상호 운동이 없이 단일 에너지 변환 운동을 함.
예시) 보일러, 화학반응 탱크 등
기계(machine) : 외부 에너지를 공급받아 제한된 기계적인 일을 하거나 다른 복합적인 에너지로 변환시키기 위하여, 각 기계 부품들이 일정한 상호 운동을 할 수 있도록 몇 개의 부품 및 기구와 장치를 조립한 것.
예시) 밀링&선반과 같은 가공기계, 수동 드릴링 머신 등
설계와 제도의 차이점은?
설계와 제도는 밀접하게 관련된 개념이지만, 엄연히 다른 의미를 갖습니다.
설계는 창의적인 아이디어를 바탕으로 최적의 방안을 구상하는 과정이며, 제도는 설계된 내용을 도면 등의 형태로 표현하여 실제로 구현할 수 있도록 돕는 과정입니다. 설계와 제도는 상호 보완적인 관계이며, 요구 성능을 발휘하는 결과물을 얻기 위해서 어느 한 가지도 소홀해서는 안 되는 중요한 요소입니다.
1. 상호 운동을 위한 기계의 각 부품의 구조와 형상에 따른 강도, 강성, 신뢰성, 수명 등을 고려한 공학적 지식 필요.
2. 기계 4대 역학(재료, 동, 열, 유체), 기계재료, 기계가공법과 같은 기계 전문적인 지식 필요.
3. 기계 제작의 생산성, 편의성, 경제성을 포함한 기계의 유지/보수의 관리성까지 다양한 시각의 지식 필요.
1. 기계 제조뿐만 아니라 부품의 취급에서 설치, 운전, 정비, 개조, 재료 구매 등과 같이 다용도로 활용할 수 있기 때문에 기계에 대한 기술적 지식이 필요.
2. 일정한 투상법과 제도 규칙에 따라 정확한 의사 전달을 위하여 도면의 형상 표현에 대한 기본 지식 필요.
3. 점, 선, 문자, 기호 등을 이용하여 간단하고 명확하고 정확한 도면 작성 위한 전문적인 지식이 필요.
4. 세계 공용어의 역할을 위한 표준화에 대한 기초 지식이 필요.
설계를 위한 공학적 지식은?
기계설계의 목적에 따른 과정으로 기계를 제작하면서 먼저 유용하게 작용하는 최적의 기계요소를 선정하고 각 기계요소의 외력과 관성 그리고 진동 등을 고려하여 내력과 변형률의 값을 계산하고 이에 적합한 재료를 선정합니다. 마지막으로 기계가 안전하고 정확하게 각 요소의 성능을 발휘할 수 있도록 형상과 치수를 결정합니다.
이밖에 경험적 요소도 아울러 생각하고 공작 등을 고려하여 설계합니다.
이렇게 요구 성능에 만족하는 기계의 설계를 성공적으로 완료하기 위하여 필수로 갖춰야 할 지식으로는 기계요소에 작용하는 응력의 상태, 형상, 재료 및 제작 방법에 대한 종합적인 전문 지식이 필요하며, 기초 공학 지식과 전문 공학 지식은 다음과 같습니다.
기초 공학 지식
1. 기계 각 부의 상호 운동 관계와 같은 기구학적 지식
2. 상호 운동에 따른 힘의 관계와 같은 기계역학적 지식
3. 재료 또는 부품의 응력과 변형의 관계와 같은 재료역학적 지식
4. 재료의 선정 및 특성의 관계와 같은 재료과학적 지식
5. 기계요소의 성질에 대한 관계와 같은 기계요소적 지식
6. 기계를 제작하는 방법에 대한 관계와 같은 기계공작적 지식
전문 공학 지식
1. 유체역학，유체기계와 같은 우체역학적 지식
2. 열역학, 증기공학, 내연기관, 열전달 등과 같은 열역학적 지식
글을 마치며,
기계설계는 기계공학적 지식을 바탕으로 시스템 엔지니어링으로 발전하고 있습니다. 진보되는 공작기술과 재료의 발전, 기계 자동화 기술의 발전, 자동제어 기술의 발전으로 수많은 기술의 복합체로 나날이 새로운 기술과 기계가 탄생하고 있으며, 이를 잘 활용할 수 있는 응용력을 지속적으로 요구되고 있기 때문에 설계자분들의 고군분투를 조용히 응원하겠습니다.
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