기계설계에서 이상적인 설계 과정의 고려사항은 사용자의 요구사항이 명확하게 반영이 되어 있으며, 기능을 구현하기 위하여 안정적이고 경제적인 재료의 선정과 쉽게 형상화할 수 있으며, 조립의 편의성 등을 고려하여 설계 도면을 완성하는 것입니다.
사용자가 요구하는 기능 및 성능(사양) 등 구체적인 목표와 정해진 조건에 맞추어 표준화된 요소 기술을 활용하여 기계 장치를 단계적으로 형상화하는 일련의 과정으로 정의할 수 있습니다. 또한, 좋은 설계, 이상적인 설계라는 것은 그 결과가 쉽게 제작이 가능하며 경제적이고 사용자가 요구한 기능이 잘 발휘되는 장치 또는 장비를 설계 도면으로 구현하는 것입니다.
- 기계설계란 무엇인가? -
기계설계 시 갖춰야 할 지식에 대해 알아보기
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기계설계에서 설계 과정이라 함은 쉽게 말해서 결정된 목표에 맞춰 계획된 일련의 과정을 단계 별로 진행하여 정해진 일자에 설계를 완료하는 것을 말합니다.
조금 더 자세한 내용으로 기계를 설계할 때, 먼저 그 기계의 사용 목적에 만족하는 기구를 결정하고 동력 전달을 위해 기구의 각 부분이 부담하여야 하는 하중을 계산하여서 사용될 재료와 형상, 치수 등을 결정합니다. 다만, 설계 제작 도면을 작성할 때는 선택된 가공법으로 작업함에 있어서 발생되는 경제적인 문제점 등을 고려하여야 합니다.
앞서 목차에서 기계설계의 과정을 단계 별로 정리하였으며, 각 단계에서 이상적인 설계 과정을 위한 고려사항은 무엇인지에 대해서 알아보겠습니다.
1. 문제영역의 정립 - 사용자의 요구사항 파악
- 시장을 조사하고 사용자 요구 파악
- 설계되는 기계의 특성을 파악
- 주요 경쟁사들의 기계를 파악
- 기계 설계 시에 영향을 주는 산업표준과 같은 제한조건 파악
기계설계의 첫 단계는 수요분석 및 예측을 통한 설계 필요성과 사용자의 요구사항을 파악하고 그 목표를 설정하는 것입니다. 특히 설계목표는 기계의 성공 여부를 가름하는 중요한 것으로 기술예측 등을 통한 기술적 가능성을 검토하여 설계기획에 반영해야 합니다.
2. 문제의 정의 - 설계 목표(기계의 사양 정리)
- 정확하고 명확한 설계사양의 정립
- 설계 과정을 향상시킬 수 있는 자료수집과 분석
- 기술적, 비기술적 요구사항을 반영한 설계사양의 정립
- 기계의 특징이 되는 기술의 상대적인 중요성 정립
기계에 대한 요구가 명확해지면 개발 계획을 세우는데 그 첫단계로 중요한 것은 설계목표의 설정입니다. 이는 기계에 대한 사용자의 요구(기계 사양)를 명확히 정의하는 것이며, 그 요구에 대한 구체적 설계 결과는 최종적 기계의 품질 특성으로 나타남으로써 결국 기계의 가치를 좌우하게 되는 까닭입니다.
따라서, 개발계획 초기단계에서 기계의 품질 특성에 관하여 충분한 검토가 이루어져야 합니다. 기계의 품질로서 요구되는 요소에는 물성적, 기능적, 인간적, 시간적, 경제적, 생산적, 시장적 요소가 있으며, 개발되는 기계의 특성은 어떠한 품질요소를 강조하느냐에 따라 결정됩니다.
3. 개념설계 창안 - 컨셉 설계(기계의 구동 방식 결정)
- 창의적인 아이디어 도출
- 아이디어를 활용한 설계적 반영 여부 판단
- 기계의 구동에 따른 설계적 기능과 구성요소의 결정
먼저 개념설계란 어떤 기계에 대한 개략적인 생각으로 요소 기술을 기본으로 하여 대표적이고 보통적이면서 전체를 나타내는 설계 과정으로 상세설계를 위한 방향성을 제시하는 단계입니다.
설계자는 개발 기계의 개념 창출과 평가의 목적으로 기획 단계에서의 결과를 이용해야 합니다. 개념 창출 과정에서 사용자의 요구 사항은 기능적 설계모델 개발의 기초로서 사용되며, 기계가 어떻게 작동할 것인가를 결정할 수 있는 기법을 적용하는 대상이 됩니다. 이러한 기능적 접근 방법을 통한 이해는 양질의 기계를 제작 가능케 하는 개념설계에 필수적입니다.
4. 개념설계의 분석 및 평가 - 설계 자료 해석(설계 검증)
- 기계 성능의 개략적인 예측과 분석
- 설계사양과 개념설계의 기준 비교
- 이상적인 설계를 위한 반복적인 분석과 개선
- 개념설계의 요소 기술의 해석과 정확한 평가 검증
상세설계 기술과 기계 제조 기술이 아무리 뛰어나도 개념설계에서 잘 못 결정된 오류는 수정하기 어렵고 복잡하며 기계사양과 사용함에 있어 치명적인 단점이 됩니다. 이와 같이 설계 과정에서 중요한 개념설계는 다양한 기준에 의하여 종합적 평가를 거친 후, 최종적으로는 경제성 측면에서 그 실현 가능성까지도 검토되기도 합니다.
개념설계의 종합적 평가 항목으로 첫번째, 사용자의 요구 사항 및 그 우선순위가 반영되었는가? 두번째, 공학적 요구 조건 및 설계 목표(사양)가 반영되었는가? 세번째, 설계 계산 시 사용되는 가정 또는 조건 등이 반영되었는가? 네번째, 계산 내용(규격 사용 가능 여부, 현실성 등)이 정확한가? 등의 명확한 기준으로 검증할 수 있습니다.
5. 제품설계의 개발 - 상세 설계(요소 기술 결정), 설계 제작 도면화
- 개념설계를 기본으로 공학적인 하드웨어로 변환
- 설계사양에 맞는 재질, 형상, 후처리, 공차, 생산법 등을 결정
- 상세설계는 기계제작의 기초로 중요 구동부의 시제품 제작을 결정
- 기계사양과 제조공정의 상호과정을 고려한 설계 방식 결정
상세설계는 개념설계의 데이터를 기반으로 기계를 구성하는 각 요소인 운동학적 구성, 재료의 선택, 요소의 강도와 중량 등을 결정하고 제작도를 그려나가는 것입니다.
여기서 중요한 포인트는 기계의 성능을 유지하면서 제작 효율을 향상시키기 위하여 형식 및 치수의 단순화, 치수와 재료의 통일화 및 규격화, 공작법의 개선 및 공정의 감소, 조립과 조정의 합리화 등을 반영하여 상세설계를 진행합니다.
글을 마치며,
이상적인 설계 과정이라는 것은 빠르고 간결하고 명확하게 설계의 목적을 달성하는 것입니다. 하지만 설계라는 직무의 특성상 많은 난관에 부딪히기 때문에 모든 과정을 거치면서 업무를 수행하기보다는 경험을 바탕으로 때로는 주변의 협력으로 기본은 지키면서 유연하게 대처하는 것이 우리가 목표하는 가장 이상적인 설계 과정이 아닐까 생각해 봅니다.
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