자이로스코프

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배경

자이로스코프는 겉모습이 믿을 수 없을 정도로 단순하고 어린이들이 깨닫지 못할 수도 있지만 몇 가지 기계적 원리를 소개하는 친숙한 장난감입니다. 정밀하게 가공된 금속으로 만들어진 복잡한 상판과 같은 자이로스코프는 각각 다른 선이나 축을 따라 방향이 지정된 두 개 이상의 원형 프레임 내에 설정될 수 있는 회전 바퀴입니다. 프레임워크는 어떤 각도로든 기울일 수 있으며 회전하는 동안 바퀴는 위치 또는 자세를 유지합니다.

그러나 자이로스코프는 단순한 장난감이 아닙니다. 그것은 많은 과학 및 운송 관련 도구의 일부입니다. 여기에는 나침반, 표적을 향해 어뢰를 조종하는 메커니즘, 항공모함과 같은 대형 선박이 파도 위에서 굴러가지 않도록 하는 장비, 비행기와 선박의 자동 조종사, 지구에 대해 미사일과 우주선을 안내하는 시스템(즉, , 관성 유도 시스템).

자이로스코프는 링 프레임워크에 장착된 중앙 휠 또는 로터로 구성됩니다. 링은 적절하게 짐벌 또는 짐벌 링이라고 합니다. 짐벌은 바퀴나 기타 구조를 지지하지만 자유롭게 움직일 수 있도록 하는 장치입니다. 링 자체는 한쪽 끝에서 스핀들 또는 축에 지지되며, 차례로 베이스 또는 기기 내부에 장착될 수 있습니다. 공간에서 원래 방향을 가리키는 로터 축의 특성을 자이로스코프 관성이라고 합니다. 관성은 단순히 정지할 때까지 계속 움직이는 움직이는 물체의 속성입니다. 공기에 대한 마찰은 결국 자이로스코프의 바퀴를 느리게 하므로 그 운동량이 줄어들게 됩니다. 그러면 축이 흔들리기 시작합니다. 관성을 유지하려면 자이로스코프가 고속으로 회전해야 하고 질량이 바퀴의 가장자리 쪽으로 집중되어야 합니다.

연혁

자이로 스코프는 인기있는 어린이 장난감이므로 그 조상이 세계에서 가장 오래된 장난감 중 하나 인 팽이라는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 단일 프레임 자이로스코프는 때때로 자이로톱이라고도 합니다. 반대로 상단은 프레임이 없는 자이로스코프입니다. 16세기부터 18세기까지 갈릴레오(1564-1642), 크리스티안 호이겐스(1629-1695), 아이작 뉴턴 경(1642-1727)을 포함한 과학자들은 회전과 그것을 설명하는 물리학 법칙을 이해하기 위해 장난감 상판을 사용했습니다. 1800년대 프랑스에서 과학자 Jean-Bernard-Léon Foucault(1819-1868)는 실험 물리학을 연구하고 지구의 자전을 증명하고 지구 표면을 이동하는 물체의 거동에 미치는 영향을 설명했습니다. 1850년대에 푸코는 짐벌 프레임에 장착된 로터의 운동을 연구하고 물레가 지구의 자전에도 불구하고 공간에서 원래 위치 또는 방향을 유지한다는 것을 증명했습니다. Foucault는 그리스 단어 gyros 에서 로터와 짐벌의 이름을 자이로스코프라고 명명했습니다. 및 스코피엔 "회전"과 "보기"를 의미합니다.

발명가들이 자이로스코프의 용도를 발견한 것은 1900년대 초반이 되어서였습니다. 독일의 엔지니어이자 발명가인 Hermann Anschuitz-Kaempfe는 자이로스코프의 안정적인 방향이 자이로컴퍼스에서 사용될 수 있음을 인식했습니다. 그는 일반적인 항법 및 방향 시스템이 비실용적인 해저 탐사를 위한 잠수정에서 사용하기 위해 자이로컴퍼스를 개발했습니다. 1906년, Otto Schlick은 독일 어뢰정 See-bar에서 빠르게 회전하는 로터가 장착된 자이로스코프를 테스트했습니다. 바다로 인해 어뢰정은 양쪽으로 15° 또는 총 30° 회전했습니다. 그의 자이로스코프가 최고 속도로 작동했을 때 보트는 총 1° 미만으로 굴러갔습니다.

미국에서 Elmer Ambrose Sperry(1860-1930)(전기 기관차 및 기계 변속기 개발의 업적으로 유명한 발명가)는 미국 전함 Delaware 에 설치된 자이로컴퍼스를 도입했습니다. 1909년에 그는 자이로스코프의 방향 감각을 사용하여 비행기의 경로를 유지하는 최초의 자동 조종사를 개발했습니다. Anschiütz Company는 1916년에 덴마크 여객선에 3프레임 자이로스코프를 기반으로 한 최초의 자동 조종 장치를 설치했습니다. 같은 해에 항공기용 인공 수평선도 설계되었습니다. 인공 수평선은 보이는 수평선이 구름이나 다른 조건에서 사라질 때 비행기가 어떻게 구르고(옆으로 이동) 또는 피칭(앞에서 뒤로 이동)하는지 조종사에게 알려줍니다.

선박에도 롤 감소가 필요했습니다. Sperry Company는 1915년에 2프레임 자이로스코프를 사용하는 자이로 스테빌라이저를 도입했습니다. 바다에서 배가 구르는 것은 승객을 배멀미하게 만들고, 화물을 이동시켜 손상을 일으키고, 선체에 응력을 유발합니다. Sperry의 자이로 스테빌라이저는 무겁고 비싸며 배에서 많은 공간을 차지했습니다. 1925년 일본이 선박을 안정화하기 위해 수중 지느러미를 고안했을 때 사용되지 않았습니다.

제2차 세계 대전 전후에 미사일 시스템과 비행 폭탄이 집중적으로 개발되는 동안 2프레임 자이로스코프는 3프레임 기기와 쌍을 이루어 각각 롤 및 피치 동작을 수정하고 자동 조향을 제공했습니다. 독일군은 이 조합을 V-1 비행 폭탄, V-2 로켓 및 무인 비행기에 사용했습니다. V-2는 초기 탄도 미사일로 간주됩니다. 궤도를 도는 우주선은 탐색 시스템에 작은 자이로스코프 안정화 플랫폼을 사용합니다. 안정적으로 유지되고 매우 높은 정확도로 방향을 정의하는 자이로스코프의 이러한 특성은 총과 레이더를 지원하는 총기 조준기, 폭탄 조준기 및 선상 플랫폼에 적용되었습니다. 이러한 메커니즘의 대부분은 제2차 세계 대전 중에 크게 개선되었으며 우주선에 자이로스코프를 사용하는 관성 항법 시스템은 우주 탐사가 점점 더 중요해짐에 따라 1950년대에 발명되고 완성되었습니다.

원자재

자이로스코프를 제조하는 데 사용되는 재료는 자이로스코프의 설계와 목적에 따라 비교적 단순한 것부터 매우 복잡한 것까지 다양합니다. 일부는 최고급 시계보다 더 정밀하게 제작됩니다. 그들은 작은 볼 베어링, 광택이 나는 귀중한 보석 조각 또는 공기나 가스의 얇은 막 위에서 회전할 수 있습니다. 일부는 전류에 의해 정지된 진공에서 완전히 작동하므로 아무 것도 만지지 않고 마찰이 발생하지 않습니다.

전동 모터와 금속 짐벌이 있는 자이로스코프에는 네 가지 기본 구성 요소 세트가 있습니다. 이들은 모터, 전기 부품, 프로그래밍된 작동을 위한 전자 회로 카드, 축과 짐벌 링입니다. 대부분의 제조업체는 하청업체로부터 모터와 전기 및 전자 부품을 구매합니다. 이들은 재고 품목이거나 자이로스코프 제조업체가 공급업체에 제공한 일련의 사양에 따라 제조될 수 있습니다. 일반적으로 자이로스코프 제조업체는 자체 짐벌과 축을 가공합니다. 알루미늄은 팽창 및 강도 특성으로 인해 선호되는 금속이지만 보다 정교한 자이로스코프는 티타늄으로 만들어집니다. 금속은 막대 스톡으로 대량 구매되어 가공됩니다.

디자인

자이로스코프 이론의 전기 및 기계 측면을 지침으로 사용하여 엔지니어는 짐벌의 휠 디자인을 선택하고 디자인에 적합한 금속 스톡을 선택합니다. 자이로스코프를 많이 사용하기 위한 디자인은 상당히 표준적입니다. 즉, 새로운 라인의 재설계나 디자인은 가장 기본적인 것부터 새로운 제품을 만드는 것이 아니라 기존의 디자인을 새로운 용도에 적응시키는 문제입니다. 그러나 설계에는 가장 기본적인 엔지니어링 관행을 준수하는 것이 포함됩니다. 공차, 여유 공간 및 전자 응용 프로그램은 매우 정확합니다. 예를 들어, 짐벌 휠의 설계와 이를 위한 가공 설계는 오류 허용 오차가 매우 작습니다. 짐벌의 단면은 전체에 걸쳐 균일해야 하며 그렇지 않으면 자이로스코프가 균형을 잃게 됩니다.

제조 공정

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짐벌과 짐벌 프레임은 다음을 사용하여 알루미늄 바 스톡으로 가공됩니다. 자이로스코프의 예. 디자인 프로세스의 일부로 개발된 도구. 그들은 닦고 청소하고 조립할 때까지 쓰레기통에 보관합니다. 조립을 위해 용기는 조립 라인을 따라 적절한 위치로 이동됩니다.

자이로스코프는 자동화보다 "터치 노동"의 중요성을 강조하는 간단한 조립 라인 프로세스에서 제조됩니다. 자이로스코프는 내부에서 외부로 조립됩니다. 모터는 자이로스코프의 심장이며 가장 먼저 설치됩니다. "일반" 자이로스코프 모터는 24,000rpm(분당 회전수)으로 회전하도록 동기화됩니다. 완벽하게 동기화되어야 하며 모터는 일반적으로 조립 전에 벤치 테스트를 거칩니다. 전기 연결이 모터에 추가됩니다.

내부 짐벌에서 시작하여 외부 짐벌 프레임으로 끝나는 짐벌과 프레임이 다음으로 조립됩니다. 베어링이 제자리에 놓입니다. 베어링의 "엔드 플레이"(맞춤 느슨함)는 일반적으로 0.0002-0.0008인치(0.006-0.024mm)의 매우 작은 허용 오차를 갖습니다.

가장 바깥쪽의 전기 연결부가 조립 라인에 부착되고 회로 카드가 추가됩니다. 마지막으로, 자이로스코프는 조립 프로세스가 끝날 때 보정됩니다. 베어링의 서스펜션과 캘리브레이션은 손으로 점검합니다. 제조업체는 보정의 경우에도 사람의 관찰, 테스트 및 수정이 자동화된 방법보다 더 신뢰할 수 있음을 발견했습니다.

자이로스코프는 물리학의 간단한 원리를 적용한 우아한 예입니다. 간단하기 때문에 제조업체는 모든 독점 기술을 철저히 보호합니다. 자이로스코프는 사용 범위가 넓은 단순한 장치이기 때문에 일부는 더 많은 제조 공정이 필요합니다. 위에서 설명한 제조 단계는 약 10시간이 걸리며 미사일 유도와 같은 애플리케이션을 위한 무료 자이로스코프가 생성됩니다. 더 이국적인 자이로스코프는 40시간의 조립 시간이 필요할 수 있습니다.

품질 관리

계측기는 유인 항공기, 무인 미사일, 기타 운송 및 무기 장치의 일부로 고장날 경우 재앙을 초래할 수 있기 때문에 자이로스코프 제조의 설계 및 조립 프로세스 전반에 걸쳐 품질 관리가 필수적입니다. 엔지니어, 과학자 및 디자이너는 고용되기 전과 직장에 있는 동안 고도의 교육을 받고 훈련을 받습니다. 조립 라인 작업자는 고용되기 위해 초기 교육을 통과해야 하며 정기적으로 예정된 지속적인 교육 세션이 있습니다. 자이로스코프 제조에서 충족해야 하는 많은 품질 표준을 측정할 수 있으므로 제조 전반에 걸쳐 공정 검사가 수행됩니다. 최고 수준의 품질 관리는 회사 외부의 검사자가 수행하며 정부 검사자를 포함합니다. 고객은 또한 자체 검사 및 승인 테스트를 수행합니다. 제조업체의 제품이 고객의 테스트에 실패하면 실패한 자이로스코프가 반환됩니다.

부산물/폐기물

자이로스코프 제조업체는 부산물을 생산하지 않지만 다양한 애플리케이션을 위한 전체 자이로스코프 라인을 만드는 경향이 있습니다. 그들은 또한 많은 폐기물을 생산하지 않습니다. 짐벌과 링을 가공하면 일부 알루미늄 칩이 생성되지만 이러한 칩은 수집되어 재활용을 위해 알루미늄 공급업체에 반환됩니다.

안전 문제

제조업체는 조명, 환기 및 인체 공학(반복적인 스트레스 부상의 가능성을 줄이는 편안한 좌석 및 작업대)에 대한 OSHA(Occupational Safety and Health Administration)의 명령을 준수합니다. 정전기 방전을 방지하려면 공장에서 습도를 유지해야 합니다. 소량의 세척 용제가 필요하지만 무해한(무해한) 감귤류 기반 세척제가 사용됩니다.

미래

안내 및 제어가 필요한 장치의 수가 늘어남에 따라 자이로스코프의 용도가 증가하고 있습니다. 자이로스코프의 기본은 물리학 법칙에 기반을 두고 있으며 결코 바뀔 수 없지만 기술은 진화하고 있습니다. 자이로스코프를 작동시키는 회전 질량을 제공하기 위한 기계적 및 전기적 방법은 점차 링 레이저와 마이크로기술로 대체되고 있습니다. 얇은 광섬유 코일은 자동차용 내비게이션 시스템에 응용할 수 있는 작고 가벼운 자이로스코프의 핵심입니다. 자이로스코프는 운송, 탐사 및 산업 분야의 수많은 도구를 균형 있게 유지하기 위한 단순하지만 정교한 도구이므로 보든 보이지 않든 미래에 분명히 자리를 차지할 것입니다.