공학설계 | 개념설계(1): 설계문제와 기능구조도

1. 공학설계

2. 제품기획

• 2.1. 요구사항목록

3. 개념설계

• 3.1. 설계문제와 기능구조도 ★
• 3.2. 동작원리와 설계대안

4. 기본설계

• 4.1. 시제품 레이아웃과 공학해석
• 4.2. 견실최적설계
  • 4.2.1. 문제 정의
  • 4.2.2. 제1차 실험 설계 및 수행
  • 4.2.3. 민감도 분석

5. 상세설계

• 5.1. 제작도면과 자재소요서

 

1. 개념설계

개념설계

   제품 기획 단계에서 요구사항목록을 완성했다면 본격적으로 설계 구성원들이 모여 개념설계를 시작한다. 개념설계 단계에서는 설계대안을 최대한 많이 창안하고 가장 유망한 설계대안을 선정하는 것을 목표로 하며, 이를 위해 설계문제를 최소 기능 단위로 분해하여 체계적으로 접근한다. 개념설계는 요구사항목록을 기반으로 다음과 같은 절차를 밟는다. 

●  설계문제 추출
●  기능구조도 작성
●  세부기능에 대한 동작원리 탐색
●  동작원리의 조합을 이용한 설계대안 창안
●  설계대안 비교 분석
●  최적 설계대안 선정

 

2. 설계문제 추출

설계문제 추출

   앞서 작성한 요구사항목록으로부터 설계하고자 하는 시스템이 어떤 기능을 하는지 설명하는 설계문제를 한 두 문장으로 추출한다. 이를 위해 요구기능 및 제한조건에서 아래와 같이 가장 핵심적인 사항들만 남기고 나머지는 삭제한다. 따라서 M이 아닌 O로 표기된 항목은 삭제한다.

●  본 시스템은 사용자가 물체를 배치하면 자동으로 장착 또는 고정할 수 있어야 한다.
●  본 시스템은 시스템에 장착된 물체의 위치를 XY 평면에 대하여 바꿀 수 있어야 한다.
●  본 시스템은 물체를 자동으로 탈착할 수 있어야 한다.
●  변위: XY 5.0 mm (중심선을 기준으로 ±2.5 mm)
●  분해능: XY 0.1 mm 이하
●  속도: XY 15 mm/s 이상
●  가속도: XY 200.0 mm/s² 이상
●  힘 용량: 7.0 N 이상
●  무게: 20.0 N (2.0kg)이하
●  전기에너지: AC 220V
●  공압에너지: 0.8 MPa 이하
●  본 시스템은 사용자로부터 조작 신호를 받을 수 있어야 한다.
●  본 시스템은 사용자에게 상태 표시를 할 수 있어야 한다.

 

   정량적인 요구사항은 시스템의 기능과 제한조건을 설명하는 정성적인 문장으로 바꾼다.

●  본 시스템은 사용자가 물체를 배치하면 자동으로 장착 또는 고정할 수 있어야 한다.
●  본 시스템은 시스템에 장착된 물체의 위치를 XY 평면에 대하여 정밀하게 바꿀 수 있어야 한다.
●  본 시스템은 물체를 자동으로 탈착할 수 있어야 한다.
●  본 시스템은 전기에너지 또는 공압에너지를 활용할 수 있다.
●  본 시스템은 사용자로부터 조작 신호를 받을 수 있어야 한다.
●  본 시스템은 사용자에게 상태 표시를 할 수 있어야 한다.

 

   이제 남아있는 문장들을 결합하고 한 두 문장으로 단순화하여 설계문제를 추출한다. 

본 시스템은 사용자가 물체를 배치하면 사용자로부터 조작 신호를 받아 전기에너지 또는 공압에너지를 활용하여 자동으로 물체를 장착하고 그 위치를 XY 평면에 대하여 정밀하게 바꾼다. 시스템으로부터 물체를 자동으로 탈착한 뒤 사용자에게 상태 표시를 한다. 

 

   요구사항목록을 작성할 때와 마찬가지로, 설계문제를 추출하는 과정에서 설계대안을 암시하는 문장이 포함되지 않도록 유의한다. 해당 설계문제와 관련된 경험과 지식이 있더라도 설계문제에 포함되지 않도록 하여 새로운 설계대안을 생각할 수 있는 가능성을 열어두어야 한다.

 

3. 기능구조도 작성

   설계문제를 기반으로, 시스템이 어떠한 입력을 받았을 때 어떠한 동작을 수행하여 어떠한 출력을 발생시키는지를 정의한다. 시스템을 구성하는 각 동작은 각 동작은 직사각형 모양의 기능블록 내에 기록한다. 이때 입력과 출력은 에너지, 재료, 신호로 구성되며, 입력을 시작으로 각 기능블록을 통과하여 출력까지 이어진다. 편의를 위해 에너지의 흐름은 가는 실선으로, 재료는 굵은 실선으로, 신호는 점선으로 구분한다. 이와 같은 방식으로 시스템의 단계별 기능을 표현한 도식을 기능구조도라고 한다. 기능구조도는 ▲전체 기능구조도와 ▲세부 기능구조도로 구성된다.

 

3.1. 전체 기능구도조

 

전체 기능구조도

   전체 기능구조도는 시스템에 어떠한 입력이 들어오고 어떠한 출력이 발생하는지를 도식화한 것이다. 설계문제를 기반으로 해당 기능을 수행하기 위해 필요한 입력이 무엇인지, 이 기능이 수행되었을 때 어떠한 출력이 발생할 것인지 생각하여 정리한다. 그리고 하나의 기능블록을 기준으로 왼쪽에는 입력 요소를, 오른쪽에는 출력 요소를 배치한다. 기능블록 내부에는 앞서 추출하였던 설계문제를 작성한다. 이로써 해당 시스템이 어떻게 동작하는지 도식으로 한눈에 볼 수 있게 되었다.

 

3.2. 세부 기능구조도

 

세부 기능구조도

   설계문제를 체계적으로 다루기 위해 전체 기능구조도에 있던 하나의 기능블록을 여러 개의 세부 기능블록으로 분해한다. 전체 기능블록을 점선으로 나타내고, 그 내부에 세부 기능블록을 배치한다. 세부 기능블록은 더 이상 나눌 수 없는 하나의 독립적인 기능을 담당하며, 각 기능블록마다 어떠한 입력을 받고 어떠한 출력을 발생시키는지 화살표로 나타낸다. 이때 세부 기능블록이 받는 입력은 해당 기능이 수행되기 위한 전제조건으로, 입력 중에 하나라도 없다면 그 기능은 수행되지 않는다. 오히려 세부 기능블록이 너무 많으면 설계 과정이 복잡해질 수 있으므로, 몇몇 세부 기능은 하나의 세부 기능으로 합쳐 취급할 수도 있다. 세부 기능구조도는 설계대안을 효율적으로 찾기 위한 것이므로 세부 기능을 얼마나 자세하게 전개할지 결정하는 것은 설계 구성원들의 판단에 달려있다. 한 시스템에 대해서 세부 기능은 10개 이하로 유지하는 것을 추천한다. 이로써 전체 구조도를 세부 기능구조도로 전개하였다.

 

 

 

 

 

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참고문헌
- 김종원. (2008). 공학설계: 창의적 신제품 개발방법론. 문운당.