Examples of the Capstone Design Project on Constructing Equipment for Incubating Specialists in Daegu University

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현장전문인력 양성을 위한 대구대학교 건설기계·부품 분야 캡스톤 디자인 사례

Examples of the Capstone Design Project on Constructing Equipment for Incubating Specialists in Daegu University

김세호․임학규․이동활 S. H. Kim, H. K. Lim and D. H. Lee

1. 서 론

건설기계·부품 산업은 소재 및 부품에서부터 완성 품에 이르기까지 기계 산업 전반의 기술이 종합적으 로 요구되는 기술 집약적 산업이며, 기술 개발 기간 이 길고 장기적인 기술투자가 필요한 자본 집약적 산업이다. 현재 국내 건설기계·부품 시장은 기술과 품질 주도의 선진국과 가격경쟁력 주도의 후발주자 사이에 놓인 상황이다. 기술 수준은 선진국인 미국, 일본등과는 약 10～50%의 큰 차이를 가지고 있으며, 후발주자인 중국이 약 20～30%의 차이로 급격히 추 격하고 있는 상황이다.

기술개발 부문을 살펴보면 매출액 대비 연구개발 투자규모는 선진국 대비 1/2 수준에 머무르고 있는 실정이며, 연구개발 투자규모는 선진국 대비 1/8～

1/10 수준에 머무르고 있다. 건설기계·부품산업의 연 구인력은 기계산업 전체 연구인력에 대비하여 10%

수준으로 매우 낮으며, 기업 내의 전체 인력 대비하 여 대기업은 17% 수준이나 중소기업의 경우 2% 수 준으로 매우 낮다. 건설기계·부품 생산과정은 설계·

생산기술이 핵심적으로 수반되어야 하나 석박사급 인력과 현장형 연구개발을 위한 학사급 인력이 부족 한 상태이다.¹⁾

2012년도부터 산업통상자원부, 경상북도, 경산시의 지원을 받아 한국생산기술연구원에서 주관하고 있는 차세대 건설기계·부품 특화단지 조성사업의 일환으 로 대구대학교는 건설기계·부품 현장전문인력 공급 을 위하여 “차세대 건설기계·부품 인력양성사업”을 수행하고 있다. 사업의 성공적 수행을 위하여 공과대 학 기계·자동차공학부 내에 특성화트랙을 신설하여 운영하고 있다. 트랙 내 다양한 프로그램 중 학생들 이 건설기계·부품에 대한 적응력을 높이고 설계, 제 작, 검증과정에 직접 참여하여 시제품을 제작하는 경 험을 쌓는 목적으로 종합설계(capstone design) 교과 목 이수를 의무화하였다.

본고에서는 대구대학교 건설기계·부품 특성화 트 랙 내에서 실시되고 있는 캡스톤 디자인 사례를 소 개하고 지도교수와 팀단위 학생활동의 성과를 보이 고자 한다.

2. 캡스톤 디자인 교과과정

2.1 교과과정 소개

대구대 기계·자동차공학부 학생은 졸업요건 만족을 위하여 2개의 종합설계(캡스톤 디자인) 교과목을 의무 이수하여야 한다. 특성화 트랙 이수 학생들은 학부내에 개설된 종합설계 교과목을 이수하되 트랙이수 학생이 팀을 이루어 건설기계·부품 관련 시제품을 설계하고 제작하는 과정을 거치도록 하였다. 표 1은 관련 교과목 개설현황을 도시한 것이며, 교과목은 학부내의 산업체 경력 15년 이상의 산학협력교원 2명이 전담하여 보다 실질적인 설계 및 제작이 이루어지도록 하였다.

종합설계 과정에서 학생들에게 강조한 실무기술로 는 도면해독, 2, 3차원 CAD를 활용한 구조설계, 구 조 CAE, 모터 또는 유공압 회로를 활용한 구동부 설 계 및 구현, 제어 기술로 건설기계·부품 기업에서 활 용할 수 있는 요소기술을 중점으로 하였다.

표 1 건설기계·부품 종합설계 교과목 개설현황

학기 과목명 학점 담당교수 수강인원

이동활

24 10

(2)

3

임학규

29 7

3

임학규

29 9

’14-2

(1)

3

이동활

38 13

3

이동활

37 0

(1)

3

임학규

28 11

3

임학규

30 0

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2.2 팀편성 및 과목진행

산학협력교원이 지도교수를 전담하고 학생들의 분 반을 조정하여 건설기계·부품 관련 종합설계가 진행 되었다. 트랙 1기 학생은 2013학년도 2학기～ 2014학 년도 1학기에 걸쳐 33명이 7팀으로 종합설계 교과목 을 이수하였다. 현재 2기 24명이 4팀으로 과목을 수 강하여 건설기계·부품 관련 설계 및 제작 작업을 수 행하고 있다. (표 2, 표 3)

표 2 건설기계·부품 종합설계 이수현황 (1기)

전공 팀명 인원 교수 주제

기계

C.E.M 5

이동활

소형 휠 로더

WATER

ENG 3

작업자 환경개선을 위한 원격제어 백호우

FAMILY 5

교육용 미니어처 굴삭기

Innovation 5

축소형 스키드 로더

자동차

신세계

5

임학규

굴삭기 크러셔 경량화 및 고강도강 설계

C.M.R 4

자동 철근 결속기

ICM 7

냉각회로를 주입한 중장비 브레이커 실린더

표 3 건설기계·부품 종합설계 이수현황 (2기)

전공 팀명 인원 교수 주제

기계

C.C 7

이동활

다양한 지반에서 주행이 가능한 축소형 크롤러

Super Nova 6

자율주행 백호우

자동차

아리솔

5

임학규

지게차

Side holder

이조판서

6

^{크레인경량화 및}_{고강도설계}

2.3 기업연계형 유도

건설기계·부품 분야의 시제품 설계 및 제작을 위 해서는 고체역학, 구조설계, 구조해석, 동특성 파악, 유공압, 제어 및 메카트로닉스 등의 다양한 전공지식 이 수반되어야 한다. 또한, 건설기계·부품에 관련된 경험이 필요하나 인력양성사업 실시 이전에는 건설 기계공학개론, 유공압공학개론 등 특성화 과목이 개 설된 바 없어 전문지식 부족으로 학생들이 설계과정 에서 많은 어려움을 겪을 것으로 예측되었다. 따라 서, 산업체 전문가의 멘토링을 통한 학생들의 애로기 술 해결을 실시하였다. 총 9건의 멘토링이 실시되었 으며, 기업체 및 전문가 방문 및 기술자문을 통하여 실무에 가까운 시제품 설계 및 제작이 가능하였다.

(표 4, 그림 1)

3. 캡스톤 디자인 사례

본 장에서는 대구대 특성화 트랙 이수학생들이 실 시한 캡스톤 디자인을 위한 시제품 설계 및 제작과 정 중 축소 건설기계장비 시뮬레이터, 작업장치 (attachment) 및 요소부품 제작의 사례에 대하여 소 개하도록 한다.

표 4 산업체 전문가 멘토링 내역

일시 조명 기업명 자문자 자문주제

’13.11.14 CMR ㈜

하나 김

OO

^{자동철근 결속기}_{원리 및 문제점}

’13.11.27

신세계

DMA

박

OO

^{크러셔의 문제점}_{및 개선점}

’14.03.14 CMR ㈜

하나 김

OO

^{자동철근 결속기}

설계 최적화

/

모델링

’14.03.25 ICM

^대모엔지_니어링 홍

OO

브레이커 메커니즘 및 작동원리

/

문제점

기구설계 방안

그림 1 산업체 전문가 멘토링 사례

3.1 축소 건설기계장비 시뮬레이터

본 절에서는 축소 건설기계장비 설계 사례로 축소 형 스키드로더, 소형 유압 굴삭기 시뮬레이터, 축소 형 무인 백호우 제작 사례를 소개하고자 한다. 주로 유압이나 DC 모터 등을 활용하여 시제품을 원격조 정하여 이동 및 작업성능을 발휘할 수 있는 제품을

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제작한 사례이다.

축소형 스키드로더 설계를 위하여 팀원이 업무분 장을 통하여 특허·시장조사, 제품 개념설계, 3차원 CATIA를 활용한 제품 상세설계를 실시하였고, 주요 동력전달부품의 구조해석을 실시하여 설계안을 검증 및 수정하였다. 최종 설계안을 바탕으로 기구부의 가 공 및 제작을 수행하였다. 기구 제어는 DC 모터 활 용 구동 및 블루투스 무선조정, 라인 트레이싱이 가 능하도록 하였으며, 제어 Logic 설계 후 각 제어 모 듈을 조립하고 테스트를 실시하였다. 각 기구부의 제 어를 통하여 스키드 로더 축소모델을 완성하였고, 축 소모델 제작을 성공하였다. 시연에서 적재능력 5kgf, 적재 2kgf, 라인 트레이싱 1cycle 당 180 sec 수준의 결과를 보였다. (그림 2)

(a) 특허/사양조사 (b) 개념설계

(c) 3차원 설계 (d) 구조부 CAE

(e) 제어 Logic 설계 (f) 구조부 조립

(g) 시제품 완성 및 시연 그림 2 축소형 스키드 로더

(a) 개념설계 (b) 3차원 설계

(c) 부품상세설계 (d) 유압 회로설계

(e) 기구부 조립 (f) 시제품 시연 그림 3 소형 유압 굴삭기 시뮬레이터

(a) 구조부 설계 (b) 제어부 설계

(c) 작동장치 CAE (d) 구조부 조립

(e) 제작된 시제품 그림 4 축소형 무인 백호우

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소형 유압 굴삭기 시뮬레이터 제작은 모의 굴삭 기 운전체험과 건설기계·부품 분야 교육을 위한 목 적으로 제작되었다. 유압장치, 굴삭기 회전부, 바디 및 작업장치를 개념설계 및 3차원 상세설계를 이용 하여 수행하였다. 붐과 암의 운동을 위한 유압회로 구성 및 역학 계산을 실시하였다. 구조부 제작 및 제어 모듈 제작을 통하여 시제품 제작을 완성하였 다. (그림 3)

작업자 환경개선을 위한 축소형 무인 백호우 제 작을 위하여 각 구조부를 3차원 설계를 실시하고 제작 및 조립하였으며, 유압장치를 활용한 제어부 제작 및 개발을 수행하였다. 결과로 최고 주행속도 1m/s, 원격제어 가능거리 8～10m, 굴삭능력 4～8L 의 성능을 만족하는 무인 백호우를 제작하였다.

(그림 4)

3.2 작동장치 및 요소부품 제작

본 절에서는 건설기계장비의 작동장치 및 요소부 품 제작 사례로 브레이커 성능개선안 및 크러셔 경 량최적화 사례에 관하여 소개하고자 한다.

(a) 기업현장 방문 및 자료수집

(b) 브레이커 모델링

(c) 설계수정안 도출 (d) 브레이커 시제품

(e) CAE를 통한 성능검증

그림 5 냉각회로를 추가한 브레이커 실린더 기존 유압 브레이커의 열팽창 및 고착 등의 문제 를 해결하기 위하여 냉각기능을 추가한 건설기계 유 압 브레이커 설계 및 제작을 하였다. 브레이커 실린 더 내에 냉각회로를 추가할 수 있도록 실린더를 수 정제작 하였으며, 냉각에 의한 실린더-피스톤 간극 감소 효과를 열전달 CAE를 통하여 간접적으로 검증 하였다. (그림 5)

(a) 대상 크러셔 (b) CAE 모델링

(c) 3차원 위상최적화 (d) 최종설계안 도출

(e) 부품설계 (f) 최종시제품 그림 6 크러셔 커터 경량최적설계

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건설기계 작동장치인 회전식 크러셔 커터에 고강 도강을 적용할 경우 경량설계를 실시하기 위하여 설 계최적화 프로그램인 Optistruct를 활용한 최적설계 를 실시하였다. 위상최적화 기능을 이용한 굴삭기 경 량최적설계를 실시하였으며, 해석결과를 이용한 커터 의 3차원 설계를 실시하였다. 이후 3차원 프린팅을 이용한 모형 축소 시제품을 제작하였다. (그림 6)

4. 캡스톤 디자인 성과

제3장에 설명한 바와 같이 건설기계·부품 특성화 트랙 학생들이 팀을 이루어 제품 조사, 사양 확정, 개념 설계 및 상세설계, 제어 로직 작성, 기구부 제 작 및 조립, 성능시험 등 일련의 작업을 수행하였다.

작업 수행 과정에서 건설기계·부품에 관련된 많은 실무지식 및 능력을 습득한 것으로 자체평가하고 있 다. 우수 시제품 제작팀의 학생들이 제작된 제품을 보완하여 교내외 캡스톤 디자인 경진대회에 참가하 였다. 총 3건의 수상실적을 올렸으며, 이는 본 특성 화 트랙에서 지원한 종합설계의 결과물이 최신 설계 기술을 반영하고 있으며 자체적인 경쟁력을 가진다 는 점을 검증한 결과라고 생각된다. (표 5, 그림 7, 8)

표 5 경진대회 입상내역

순번 팀명

/

개인 일시 대회명 수상명 구분

1 WATER

ENG 2014.8

로봇캡스톤챌린지 실용장려 교외

2

윤석주

2014.8 AOC2014

동상 교외

3 C.M.R. 2014.8

캡스톤경진대회 장려상 교내

그림 7 캡스톤 디자인 경진대회 발표장면

그림 8 외부 경진대회 수상관련 사진

5. 결 론

본고에서는 학부생 대상 건설기계·부품 인력양성 을 위한 특성화 트랙의 실무교육 프로그램인 캡스톤 디자인 교육과정 및 성과에 대하여 간략한 설명을 하였다. 건설기계·부품 기업과 대학 간의 미스매치를 해소하고 많은 전문인력이 기업으로 유입되기 위해 서는 관련분야 전문지식의 교육 뿐만 아니라 종합설 계 과정 등을 통한 실무과정의 교육이 기업의 도움 을 받아 실시되어야 한다. 특히 몇가지의 산학연계형 과제의 경우 학생의 실무 향상도가 크게 향상된 것 을 확인할 수 있었으며, 해당학생에 대한 관련 기업 의 관심도 및 취업연계 등의 선순환 효과가 있는 것 으로 파악되었다. 종합설계 등의 실무형 강좌가 건설 기계·부품기업 맞춤형 인력을 양성하는 계기가 되었 으면 하는 바램이다.

후 기

본 논문은 산업통상자원부, 경상북도, 경산시가 지 원하는 “차세대 건설기계·부품 기술지원 기반조성사 업”의 일환으로 수행된 결과입니다.

참고 문헌

1) 김성동, 조승호, 이일영, 허준영, 황성호, 건설기계 특화단지 운영을 위한 효율적 인력양성프로그램 방안 도출 용역(최종보고서), 유공압건설기계학회, 2013.

2) 대구대학교 건설기계부품 인력양성사업단, 2014학 년도 건설기계부품 특성화트랙 종합설계 (Capstone Design) 최종보고서, 2014.

[저자 소개]

김세호(책임저자)

E-mail : [email protected] Tel : 053-850-6685

1972년 1월 27일생.

2002년 KAIST 기계공학과 박사과정 졸

업. 1998년 일본 기계기술연구소 초빙연

구원. 2002년～2004년 현대기아연구개발

본부 선임연구원. 2004년～현재 대구대학교 기계·자동차공학

부 부교수. 현재 동대학 차세대 건설기계부품 인력양성사업

단장. 한국정밀공학회, 한국자동차공학회, 한국소성가공학회,

유공압건설기계학회 정회원, 공학박사

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임학규

E-mail : [email protected] Tel : 053-850-4580 1960년 2월 8일생.

2004년 경북대학교 생물산업기계공학과 박사과정 졸업. 2000∼2006년 영남대학 교 기계공학과 산학협동교수. 2006년～

2008년 ㈜영광산업 연구소장. 2012년～현재 대구대학교 기 계·자동차공학부 조교수. 한국정밀공학회, 한국농업기계학회, 한국노인의료복지학회 정회원, 공학박사

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