자동화와로봇viewpds.jihak.co.kr/tsoldb/%ea%b5%90%ea%b3%bc%ec%84... ·...

*결합용기계요소

*전동용기계요소

*축용기계요소

*관용기계요소

*기타기계요소

기계요소와 동력의 전달

*전기의발생과이용

*간단한 전기·전자

부품

*전기회로의기초

전기·전자의 이해

*공장자동화

*로봇의활용

공장 자동화와 로봇의 활용

*로봇의종류와구성

*로봇의구성

로봇의 종류와 구성

자동화와 로봇

교과서 170~187쪽 1̀. 기계요소와동력의전달

2. 전기·전자의이해

3. 공장자동화와로봇의활용

4. 로봇의종류와구성

2 자동화와로봇

■지식·이해면

－기능에따른기계요소와동력전달장치의원리를설명할수있다.

－전기의전달과정과전기·전자부품의기능, 원리를설명할수있다.

－자동제어를통한공장자동화와로봇의활용예를설명할수있다.

■기능면

－상황에따라기능에맞는기계요소를선택할수있다.

－전기회로를구성할수있다.

■가치·태도면

－공장자동화와로봇의활용가치를설명할수있다.

－전기를정격용량에맞추어안전하게사용할수있다.

학습목표

단원의내용구성

기초전기·전자기술, 자동제어및자동화기술을이해하고, 기계를구성하는요소와동력전달

장치의원리를이해하며, 생활속에로봇의활용및제조기술과관련된직업세계를설명할수있다.

214 Ⅳ. 제조 기술과 자동화

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학습지도계획

소단원 학습 주제

➊결합용기계요소

➋전동용기계요소

➌축용기계요소

➍관용기계요소

➎기타기계요소

➊전기의발생과

이용

➋간단한전기·전자

부품

➌전기회로의기초

➊공장자동화

➋로봇의활용

➊로봇의종류와

구성

➋로봇의구성

스스로정리하기

수업형태

강의, 탐구,

ICT 활용

학습

강의, 조사

강의, 조사

강의, 조사

문제해결

평가방법

학습지평가

발표평가

발표평가

발표평가

자기평가,

교사평가

지도 방법

•회전을 돕는 기계요소와 동력을 전달하는 기계요소

의종류를찾아보게하고, 그 동작과활용예를 ICT

자료로제시한다.

•결합용, 관용, 기타 기계요소의 종류를 찾아보게 하

고, 그원리와동작, 활용예를 ICT 자료로제시한다.

•전기의발생과전달과정, 간단한전기·전자부품을

실례와실물을보여주며설명한다.

•간단한전기회로를구성하여보여주며기초원리를

설명하고, 전기를 안전하게 사용하고 있는지 조사하

게한다.

•자동차생산과정을통해자동제어와공장자동화가

어떻게이루어지는지설명한다.

•자동제어기술이적용된로봇이활용되는분야를조

사하게한다.

•로봇의종류에대해실례를들어설명한다.

•사람과로봇을비교하며로봇의구성을설명하고, 로

봇을구성하는부품들을조사하도록지도한다.

학습한내용을상기하여학습자스스로배운내용을

점검하고, 교사가피드백을한다.

시간

2－1. 기계요소와

동력의전달

2－2. 전기·전자의

이해

2－3. 공장자동화와

로봇의활용

2－4. 로봇의종류와

구성

중단원마무리

4

2

1

1

1̀. 기계요소, 전기·전자부품들의사진이나동영상을ICT 자료로제시하며설명한다.

2. 각기계요소와전기·전자부품이어떻게활용되는지에초점을두고학습하도록지도한다.

3. 창의쑥쑥활동을이용하여창의력과문제해결능력을키울수있게지도한다.

4. 전기회로의기초원리에대해서는건전지와전구를다양하게조합하여설명한다.

5. 전자제품에기록된정격용량을확인하여안전한사용법을생각해볼수있도록한다.

6. 자동제어기술을기초로공장자동화와로봇이발전함을연계성있음을설명한다.

지도상의유의점

2. 자동화와 로봇 215

Ⅳ.제조기술과자동화

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|‘생각열기’활동을통해 |

각종기계, 전기·전자, 컴퓨터의발달로산업용로봇과지

능형로봇이발달하여생활에편의를제공하고, 사람을대신

하여위험한일을수행하고있음을알고자동화와로봇에대

한호기심을느낄수있다.

이렇게도와주세요

기계, 전자, 자동제어의발달이로봇의발달로이어짐을

알고그연계성을학습할수있도록한다.

풀이

•우리나라에서개발된로봇은어떤것들이있을까?

답⃞1999년센토/ 2004년휴보, 우리나라최초의2족보행

휴머노이드/ 2005년마루와아라, 네트워크기반형휴

머노이드/ 2009년휴보2, 두발로달리는휴머노이드/

2011년마루Ⅲ, 모션캡처기술적용

•미래의로봇은어느분야에서활용될까?

답⃞산업용, 서비스용, 교육용, 의료·복지용, 군사용, 탐사

용, 방재용등

| 소단원동기유발 |

자전거는여러가지기계요소가유기적으로결합되어움직

이는데, 자전거를통해기능에따른기계요소에대해흥미를

가질수있게한다.

예⃞사람이페달을움직이면크랭크에그힘이전달되어회전

운동으로바뀌고, 앞쪽에있는큰스프로킷이체인을회전

시키면서뒷바퀴축의작은스프로킷을회전시킨다. 그힘

이바퀴에전달되어자전거는앞으로움직인다.

| 배경지식 |

자전거의기원

1791년프랑스의한귀족이두개의바퀴가달린셀레리페

르를타고나타났는데, 이는‘빨리달리는기계’라는뜻이다.

1808년독일의드라이스남작은삼각형의나무차체에바퀴

와안장을부착하고, 마차의바퀴를줄인드라이지네자전거

를만들었다. 이것은탑승자가마치걷거나뛰는것처럼발로

땅을번갈아차면서앞으로달리게한것이었다. 이기계의가

장획기적인점은바로조정이가능한앞바퀴였다.

170


도입

■소단원 2－1. 기계요소와동력의전달

■학습목표

•기능에따른기계요소의종류를구분할수있다.

•기계요소의작동원리를설명할수있다.

■교수·학습자료

[교사준비물] 교과서, 지도서, 학습활동자료, PPT

자료, ICT 매체

[학생준비물] 교과서, 노트, 필기도구

■수업형태 강의, 탐구, ICT 활용학습

참고자료

•한국전력공사 http://www.kepco.co.kr

•카이스트 http://www.kaist.ac.kr

•커리어넷 http://www.career.go.kr

차시안내1~4 | 8

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기계와기계요소

여러개의부품으로이루어져일정한상대운동을하며, 외

부에서에너지를받아일을하는장치를기계라하며, 기계를

구성하는여러개의부품을기계요소라고한다. 상대운동은

한물체의운동으로다른물체의위치가변화하는운동을말

한다.

기계의기본원리

기계는기계적에너지를조절할수있는빗면, 지렛대, 도

르래, 바퀴, 나사, 쐐기등여섯종류의간단한기본기계를이

용하여만든다. 기계의기본원리를이용하면단순하면서도

작은힘으로많은일을할수있으며, 오늘날에도매우중요하

게사용되고있다.

①빗면의 이용: 높은산을오를때경사가완만한길로오르

면멀리돌아가야하지만, 힘이덜드는것과같이비스듬

히기울어진면을이용하여작은힘으로같은양의일을할

수있다.

일의양＝힘×이동거리, W＝Fs

②지렛대의이용: 지렛대는막대기를하나의점으로받쳐작

은힘으로큰힘을내는도구로, 받침점의위치를조절함

에따라물체를더쉽게들어올릴수있다. 힘점이나작용

점중하나가올라가면다른하나는내려오는형태로, 병

따개를이용하여병뚜껑을여는것이나가위등이지렛대

의원리를이용한대표적인예이다.

171


전개

자전거에사용된기계요소

•전동용기계요소: 크랭크, 스프로킷(변속기)과체인

•제동용기계요소: 브레이크, 브레이크레버, 브레이크패드

•완충용기계요소: 안장스프링, 바퀴, 쇽업쇼버

•축용기계요소: 차축(허브축), 볼또는롤러베어링

•관용기계요소: 프레임

•조향용기계요소: 핸들

‘탐구하기’활동을통해

자전거를 구성하고 있는 기계요소들의 종류와 그 기능에

대해연계성있게생각해볼수있다.

구성부분 부품및기계요소

각부분을지지하는몸체

외부로부터동력을

받아들이는부분

동력을전달하는부분

동력을받아일을하는부분

관(프레임)

페달, 브레이크레버, 핸들

크랭크, 큰 스프로킷, 체인,

작은 스프로킷, 브레이크

와이어

바퀴, 브레이크패드

1m300N

200`N

1`m1.5`m

▲ 지렛대의 이용▲ 빗면의 이용

●


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도르래의이용

도르래는바퀴를이용하여힘의방향을바꾸거나작은힘

으로무거운물체를들어올릴수있게만든도구이다. 기중기

와같은건설기계, 컨베이어벨트나엘리베이터와같은수송

기계등이도르래를이용한예이다.

바퀴의이용

바퀴의원리는미끄럼마찰을굴림마찰로변화시켜물체의

이동시저항을줄이는데있다. 바퀴와굴대의재료는처음에

는목재였으나, 금속이도입되면서주요부품에금속을사용

하게되었다. 이어서고무바퀴, 공기를넣는고무타이어의

발명과함께동력기관과결부하여비약적으로발달하였다.

⑴결합용기계요소

나사산의모양에따른특성

①삼각나사

나사산의모양이삼각형모양으로, 재료를잘파고들어갈

수있고한번결합하면잘풀리지않지만, 큰힘이걸렸을때

뾰족한부분에응력이집중되어부러질수있다. 비교적작은

힘이걸리는곳의결합용나사로쓰인다.

②사각나사

삼각나사에비하여풀어지기쉬우나저항이작고나사산의

단면적이넓어비교적큰힘을전달하는동력전달용잭, 나사

프레스, 선반의리드등에쓰인다.

③사다리꼴나사

사각나사보다마찰이작아빠르게회전하고강력한동력을

전달하는선반의리드나사에쓰인다.

④둥근나사

먼지, 모래등이쉽게빠질수있어백열전구의연결부, 시

멘트믹서기계등에쓰인다.

172

원통의표면에홈을판것을수나사, 내면에홈을판것을

암나사라 하고, 원뿔의 표면에 홈을 판 것을 테이퍼 나사라

고한다.

나사는둘또는그이상의부분품을죄어서고정시키는목

적으로 가장 많이 사용되고 있으며, 볼트·너트가 대표적인

예이다. 나사는 결합용으로 쓰일 뿐만 아니라, 회전 운동의

속도를바꾸거나, 작은회전력으로큰힘을내는곳등에이

용되며, 또 수나사와 암나사의 상호 운동에 의한 회전 운동

과직선운동의상호전환기구로도이용되는등그응용범

위가매우넓다.


나사의규격

나사는기계의부품을비롯하여많은곳에사용되므로, 그

치수와모양등이규격화되어있다. 수나사의바깥지름을호

칭치수라하며, 나사의크기를나타낸다. 이호칭치수를기

준으로나사산의모양, 피치 등이 정해지는데, 한국 산업 규

격에규정되어있다.

예⃞ 10`mm 나사: 수나사의바깥지름이 10`mm인나사

보충자료

●

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나사와관련된명칭

①나사산: 나사에서볼록하게나온부분을나사산이라하며,

오목하게들어간부분을나사골이라고한다.

②수나사의바깥지름과골지름: 수나사나사산의지름을바깥

지름이라하고, 나사골의지름을골지름이라고한다.

③암나사의 골지름과 안지름: 암나사나사골의지름을골지

름이라하고, 볼록하게나온부분의지름을안지름이라고

한다.

④호칭 치수: 수나사의바깥지름과암나사의골지름이같은

크기여야두나사를결합할수있고, 수나사의바깥지름을

호칭치수로서나사의크기를나타낸다.

⑤피치와리드: 나사산에서바로그다음나사산까지거리를

피치(pitch)라하며, 나사가한바퀴돌때축방향으로움

직인거리를리드(lead)라고한다. 한줄나사의피치와리

드는같지만, 여러줄나사의리드는피치와나사의줄수

를곱한것과같다.

리드＝피치×나사의줄수

양초나사만들기

173


키(key)의이용

키는풀리, 기어등과그것들에끼이는축사이의회전미

끄럼을방지하기위해사용되는기계요소이다.

•묻힘키: 풀리와축에홈을파서끼우는키

•새들 키: 축의 모양에 맞추어 키의 아랫면을 깎아서 끼우

는키

•평키: 축의윗면을편평하게깎고, 그면에끼우는키

‘토의하기’활동을통해

쐐기보다나사를많이사용하는이유에대해토의해봄으

로써 쐐기와 나사에 적용된 원리와 그에 따른 특성을 알 수

있다. 또한, 오른나사와 왼나사를 돌리는 방향에 따라 사용

환경이다르다는것을알수있다.

•풀이•

못이나 쐐기는 두 물체를 결합할 때 망치를 이용해 순간

큰 힘을 가해야 한다. 이때 못이 휘거나 튀기도 하고, 손

을찧는경우가있다. 또한, 결합후진동에의해틈이벌

어져 못이 빠지는 경우도 있다. 나사는 드라이버로 비교

적작은힘으로도두물체를결합할수있다.

② 양초에 직각 삼각형 모양의 종이

를 감아 나사선을 만든다.

① A4 용지를 길이 방향으로 반으

로 접고 잘라 직각 삼각형을 만

든다.

④ 나사선이 표시된 부분이 나사의

골이 되도록 조각도를 이용해서

파낸다.

③ 종이를 감아 풀로 고정하고 칼로

나사선을 따라 양초에 자국이 남

도록 표시한다.

오른나사를사용하는예 왼나사를사용하는예

일반적인나사, 의자와책

상의 높이 조절용 나사,

수도꼭지, 전구 결합 나

사, 문과 창문 잠금 나사,

볼펜뚜껑, 병뚜껑등

선풍기 및 환풍기의 날개

고정부, 자전거왼쪽페달

조임나사, 가스통의연결

부, 턴버클의 한쪽 나사

등

●


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⑵전동용기계요소

마찰차전동

두마찰차가구름접촉을통해회전하므로약간의미끄럼

이있어비교적작은힘을사용하고, 확실한동력전달이필요

없는곳에사용된다. 동력을전달하면서마찰차를이동시킬

수있는변속장치나자동차의클러치등에주로사용된다.

기어전동

서로맞물리는기어이의개수차이와기어의지름비율에

따라회전속도, 회전수등이달라진다. 기어전동은동력전

달이확실하고내구성도좋아비교적가까운거리에동력을

전달하고자할때많이사용된다. 특히, 시계의기어상자, 자

동차변속기와같이각종기계의회전속도와힘의크기를정

확히변경하고자할때사용된다.

벨트전동

벨트는천, 끈, 가죽등으로만들고풀리는벨트가빠지지

않게홈을낸마찰차의형태로만든다. 벨트와벨트풀리사이

에서미끄럼이발생할수있으므로정확하지않은동력의전

달에적합하다. 또한, 동력을전달하면서부러질위험이적어

놀이기구와같이큰동력을전달하는데에적합하다.

벨트와벨트풀리의미끄럼을방지하기위해접촉면을넓

게하면서쐐기의작용을발휘하는V벨트를이용한다. 또한,

풀리와벨트의마찰력을높이기위해천, 고무, 로프등의재

료를이용하기도한다. 벨트와벨트풀리는자동출입문개폐

장치, 재봉틀기기의동력장치, 자동차의팬벨트등으로널

리쓰이고있다.

체인전동

원판에이가나있는스프로킷과스프로킷의이와맞물리

는체인을이용하여동력을전달하는방식이다.

기어처럼미끄럼이없어정확하게동력을전달할수있으

나소음과진동을일으키기쉬워고속회전이나정숙한운전

이필요한곳에는적합하지않다. 이러한단점을보완하기위

해체인의형태를변화시킨사일런트체인을이용한다. 사일

런트체인은고속에서도비교적조용하므로차량의타이밍

벨트로활용되기도한다.

174

기어크기에따른회전수와동력의변화

•주동축의기어가종동축보다작을때

종동축의 회전수는 주동축보다 적어지고, 동력의 크기는

커진다. 자동차의출발시나오르막길을올라갈때사용하면

적절하다.


D¡ D™D¡ D™

•주동축의기어가종동축보다클때

종동축의 회전수는 주동축보다 많아지고, 동력의 크기는

작아진다. 자동차의 주행 속도를 빠르게 올릴 때 사용하면

적절하다.

D¡ D™D¡ D™

●

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캠전동

회전운동을직선운동이나왕복운동으로바꿀수있기때

문에움직이는장난감(오토마타), 물레방아, 놀이기구, 내연

기관등에널리사용된다.

링크장치

몇개의링크를핀이음으로조합하여만든장치로서, 기본

적으로4절링크를많이활용한다. 3절링크는움직일수없

고, 5절링크이상은불규칙한움직임을보인다.

링크장치의구성

고정절의주위에서회전운동을하는것을크랭크라하며,

고정절주위에서왕복운동을하는것을레버라고한다.

①레버－크랭크기구: 가장긴링크를고정하면, 그것에이웃

하는2개의링크는한쪽은크랭크가되고다른쪽은레버

가된다. 회전운동을왕복운동으로바꾸거나그반대의

운동을얻고자할때이용된다.

②양크랭크기구: 가장짧은링크를고정하면, 그것에이웃하

는2개의링크는함께회전운동을한다. 통풍기등에이용

된다.

③슬라이더회전기구: 한링크의길이를0으로하고, 다른링

크를따라서움직이게한다. 내연기관, 증기기관등에이

용된다.

175


▲ 캠과 캠 전동

0$E

E

D

D

C

C

B

BA

AA

F F

90$ 180$ 270$ 360$

▲ 캠 궤적

캠의이용

•물레방아: 회전하는 물레방아의 축에 연결된 공이를 들어

올려방아를찧는것은캠의원시적인형태라고할수있다.

•가솔린엔진의흡배기밸브의개폐: 크랭크축의회전운동

을캠에전달시키면캠에접하는종동절에의해흡배기밸

브를개폐한다.


기어나 풀리의 다양한 동력 전달 방법을 생각할 수 있는

기회를제공하여창의적으로응용할수있는능력을키울수

있다.

•주동축과종동축사이에마찰차나기어를끼워넣는다.

•벨트로풀리를엇갈려건다(엇걸기).

●


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⑶축용기계요소

축

축은기계에서회전운동으로동력을전달하는회전체의

중심막대로, 기어, 벨트풀리, 핸들등을끼워회전시킨다.

①차축: 축이몸체에고정되어바퀴만회전

②전동축: 축과회전체가고정되어함께회전

③크랭크축: 왕복운동을회전운동으로전환

축의분류

①축의단면모양에따른분류: 축은둥근모양이많이사용되

며, 축의속이꽉차있는중실축과축의속이비어있는

중공축이있다.

②축의바깥모양에따른분류: 직선축, 크랭크축, 플렉시블

축등이있다. 특히, 크랭크축은직선운동을회전운동으

로바꾸는데사용된다.

③축에작용하는힘에따른분류: 차축은주로휨작용만을받

는회전축이나정지축으로철도차량의차축, 자동차앞

바퀴축등이있다.

④스핀들과전동축: 스핀들은주로선반이나드릴링머신등

의공작기계에서비틀림작용을받는축으로, 변형량이

적고길이가짧을때사용된다. 전동축은힘과비틀림을

동시에 받으며 전동을 목적으로 사용되는 회전축으로서

공장의동력전달축, 자동차의뒷차축등이있다.

베어링

베어링은회전축을받쳐주는기계요소로, 하중이회전축

에가해질때축의마찰저항을적게받도록지지하여축의회

전을돕는역할을한다.

축에작용하는힘의방향에따른베어링의분류

①레이디얼베어링: 축에대하여직각방향의하중을받는베

어링

②트러스트베어링: 축에대하여축방향의하중을받는베어링

구조에따른베어링의분류

①미끄럼베어링: 베어링과축면이미끄러지며회전한다.

②구름베어링: 볼이나롤러베어링이축면에구르면서회전

한다.

176


전동축과차축의회전을원활하게하기위해베어링을어

느부분에위치시켜야할지토의해봄으로써베어링을사용

하는환경을알수있다.

•풀이•


•전동축은 회전체와 축이 같이 회전하므로 프레임에 끼인

축이잘회전할수있게베어링을설치해야한다. 즉, ㉠과

같이프레임과회전축사이에위치해야한다.

•차축은회전축이프레임에고정되어있고회전체, 즉바퀴

만회전을하므로㉡과같이축과바퀴(회전체) 사이에베

어링이위치해야한다.

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⑷관용기계요소

관이음

직선관을잇거나방향을바꿀때에관이음을사용한다. 관

의모양에따라엘보, 티, Y, 크로스, 밴드등이있다.

밸브

유체의흐름을단속하거나방향을바꿀때또는유체의압

력을조절할때사용하는기계요소이다. 밸브의구조는유체

의흐름을막는밸브와이것이들어있는밸브박스및이를

조종하는부분으로되어있다.

유체의흐름을정지시키는스톱밸브에는유체의입구와

출구가일직선상에있는글로브밸브, 유체의입구와출구가

직각으로된앵글밸브가있으며, 유체를한쪽방향으로만흐

르게하는체크밸브가있다.

콕은플러그를90̀。회전시킴으로써완전히열리거나닫히

게되므로개폐시간이짧다. 또한, 콕은스톱밸브보다조작

이간단하며, 저압일때주로사용한다. 가정에서사용하는

도시가스의중간밸브에많이쓰이고있다.

| 중요내용정리및강조 |

⑴결합용기계요소: 나사, 핀과키, 리벳

⑵전동용기계요소: 마찰차, 기어, 벨트와풀리, 체인과스프

로킷

⑶축용기계요소: 전동축, 차축, 베어링(볼, 롤러, 미끄럼)

⑷관용기계요소: 엘보, 티, Y, 크로스, 스톱밸브, 콕, 체크밸브

⑸기타기계요소

①완충용기계요소: 판스프링, 코일스프링

②제동용기계요소: 브레이크, 브레이크패드

| 과제제시 |

‘우리집에서사용하는가전제품의종류조사하기’를과제

로제시한다.

| 차시학습예고 |

다음시간에는‘전기·전자의이해’에대하여학습하게됨

을예고한다.

177


정리

1 결합용기계요소, 전동용기계요소, 축용 기계요소,

관용기계요소, 완충용기계요소, 제동용기계요소

2 체인과스프로킷, 링크(페달과크랭크부분)

3 각도가작은비탈길을오르는것이힘이덜드는원

리처럼 나사선을 펼친 삼각형의 기울기가 쐐기의

기울기보다더작은각도를이루고있기때문이다.

핵심 Check

자동차의브레이크는차량의속도를줄이거나정지시키는

기능을하는데, 디스크브레이크나드럼브레이크는모두제

동력발생장치에서발생한힘을이용해차량의속도를줄이

거나, 차량을직접정지시킨다.

자동차의브레이크

보충자료

▲ 디스크 브레이크 ▲ 드럼 브레이크


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일상생활에서거의매순간사용하고있는전기이지만, 그

존재를생각하지못하고당연히있는것으로느끼는경우가

많다. 가정에서사용하는가전제품을살펴보고, 전기를이용

하는생활을되돌아보며전기의생산과전달, 안전하고효율

적인사용에이르기까지전과정에대하여생각해봄으로써

전기에대한흥미를유발할수있게한다.

예⃞컴퓨터, 텔레비전, 라디오, 스피커, 카메라, 휴대전화, 밥

솥, 선풍기, 에어컨, 세탁기, 형광등, 게임기등

| 배경지식 |

전기의이용

전기에너지는산업분야와가정에서각종전기·전자제품

에사용되고있다. 전기를사용한다는것은전기의에너지를

변환시켜유효한일을하는것을말하는데, 공장에서는전동

기를이용하여제품을만들고, 전기도금을이용하여회로기

판을만든다. 또한, 전기자동차, 바코드판독기, 로봇, 휴대

전화, 놀이기구등전기는현대생활의필수품이되었다.

⑴전기의발생과이용

전기의생산

발전소에서는물의역학적에너지, 화석연료의화학에너

지, 원자력등여러가지에너지자원을이용하여고온·고압

의증기를만들어터빈을회전시켜전기를생산한다. 수력, 화

력, 원자력발전소에서는기본적으로같은원리로전기에너

지를생산하며, 이외에도태양광발전, 풍력발전, 조력발전,

지열발전등다양한방법으로전기에너지를생산하고있다.

전기의전달

발전소에서생산된전기는송전탑과변전소를거쳐전기를

사용하는장소까지송전선을통해보내게된다. 이때변전소

까지전기를보내는것을송전이라하고, 변전소에서사용하

는장소까지전기를보내는것을배전이라고한다.

발전소에서생산된전기는전력손실을줄이기위해승압

변압기를이용하여전압을높여송전하고, 전기를사용하는

곳근처에서는강압변압기로전압을낮추어공급하여안전

하게사용할수있게한다.

178


도입 전개

■소단원 2－2. 전기·전자의이해

■학습목표

•전기의발생에서이용까지과정을설명할수있다.

•전기회로의구성에따라전기량을예측할수있다.



자료


■수업형태 강의, 조사

차시안내5~6 | 8

가정내전기의사용

송·배전을 통해 가정으로 들어온 전기는 가장 먼저 전력

량계를거치게된다. 전력량계는배선용차단기가모여있는

분전반으로연결되어있으며, 배선용차단기는집안에서전

기가 누전되거나 과전류가 흘러 문제가 일어나면 자동으로

전원을 차단하는 스위치이다. 분전반에서 전선이 여러 개로

나뉘어집안의콘센트, 전등등으로전기를공급한다.

●

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⑵간단한전기·전자부품

스위치

①텀블러스위치: 가장흔히볼수있는형태의스위치로서전

류를흐르게하거나차단하는방법으로조명기구와같은

전기기구를작동시킨다.

②풀스위치: 끈을당겨회로를여닫는스위치로서보조조명

기구에흔히사용된다.

③전환·누름 스위치: 전류의세기와같이흐르는상태를변

화시켜전기기구를작동시키는스위치이다.

전기신호를처리하는부품

①저항기: 전기저항은전류의흐름을방해하는것을말한다.

저항기는전류값을조절하기위해서사용하는부품으로,

대부분의전자제품에사용된다. 고정저항기는저항값이

정해져있고색띠로전기저항의크기를나타내며, 가변

저항기는손잡이를돌리거나좌우로이동시켜저항값을

필요에따라조절할수있어음향기기의소리조절등에

쓰인다. 전기저항의단위는옴(Ω)이다.

②콘덴서: 두개의금속판을서로마주보게하고, 그사이에

절연물을끼워넣어전기를모으는부품으로축전기라고

도한다. 콘덴서에축적할수있는전기의양을정전용량

이라하며, 마주보는금속판의면적이넓을수록, 간격이

좁을수록정전용량이커진다. 콘덴서의용량을나타내는

단위는패럿(F)인데, 일반적으로축적되는전기의양은매

우적다.

③다이오드: p형반도체와n형반도체를접합시켜만든것으

로, 전류를한쪽방향으로만흐르게하는특성이있기때

문에주로정류회로에많이사용된다. 또한, 라디오방송

의전파에서저주파음성을분리해내는검파회로에도이

용된다.

④트랜지스터: p형반도체와n형반도체를교대로접합한전

자 부품으로, 전류를 증폭시키거나 스위치 역할을 한다.

반도체세개를붙여만든것으로다리가세개로구성되어

있으며, 각 다리의 명칭은 이미터(E), 베이스(B), 컬렉터

(C)라고한다.

179


E

BE

B

C Cp

n n

E

EB

BC

C

p pn

이미터에는총전류가흐르게되고베이스가전류의흐름

을 제어하며 증폭된 신호가 컬렉터로 흐르게 된다. 접합 순

서에따라 npn형혹은 npn형트랜지스터라고한다. 트랜지

스터의전원연결은이미터쪽에그려진화살표방향으로전

류가흐르도록연결한다. 트랜지스터는증폭작용과전자신

호를위한스위치나게이트역할을하여대다수의전자회로

에사용된다.

●

▲ npn형

▲ pnp형


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여러가지전기회로도기호

지도시유의사항

전기회로와전기회로도는학생들이많이어려워하는부

분이다. 전기저항과전원(건전지)의직렬연결, 병렬연결에서

각각의 특징과 옴의 법칙을 적용하여 전류와 전압, 저항을

계산해보는연습을반복하여정확히개념을이해하게지도

한다.

⑶전기회로의기초

전기회로

전기가흐르는통로를전기회로라고한다. 이때건전지와

같이전류를공급하는것을전원이라하고, 전구와같이전기

에너지를소비하는것을부하라고한다. 전기회로는반드시

전원을중심으로되돌아오는폐회로로구성되어야한다.

전기회로의구성

전구두개를전기회로에연결할때, 두가지방법으로만

들수있는데전구를연이어연결한것을부하의직렬연결이

라하고, 전구를나란히연결한것을부하의병렬연결이라고

한다. 이렇게연결된회로를각각직렬회로, 병렬회로라고

한다.

전기회로기호

전기회로를도면으로나타낼때, 회로의각부분을실물

그대로나타내는것이어려우므로간략하게나타낸기호를

사용한다. 이처럼전기회로의각부분을기호로나타낸그림

을전기회로도라고한다.

소비전력과전력량

전기제품에는소비전력이표시되어있다. 이것은전류가

단위시간별로발생하는에너지의양을나타낸것이다. 전력

은와트(W)로표시하는데, 1W는1초에소비되는1J의에너지

이다. 이전력값이작을수록전기에너지소비량이적다.

전력은전류와전압의곱으로나타내며, 전력이일정시간

동안하는일의양을전력량이라하고, 전력과시간의곱으로

계산한다. 이를매달측정하여전기요금을산출하므로소비

전력이작은가전제품을선택하여사용하고, 그사용시간을

줄이면전기요금을적게낼수있다.

180


pnp(LED)

npn

E C

B

E

IC

C

B

M

▲ 에너지 절약 마크▲ 소비 전력량 등급 마크

●

●

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⑴전기의발생과이용과정

①송전: 발전소, 1차변전소, 송전선로, 2차변전소, 변압

기, 인입선, 전력량계, 배선용차단기, 콘센트, 스위치

②전기의이용: 빛, 전자파, 열, 동력, 정보통신등

⑵배선기구: 단선, 연선, 각종스위치, 콘센트와플러그

⑶전자 부품: 변압기, 다이오드, 콘덴서, 집적회로, 반도체,

저항, 트랜지스터등

⑷전기회로의구성: 전원, 도선, 부하

①옴의법칙: I＝ (I: 전류, V: 전압, R: 저항)

②정격용량: 정격전압, 정격전류, 정격전력

| 과제제시 |

‘가정에서사용하는전자제품의정격용량조사하기’를과

제로제시한다.


다음시간에는‘공장자동화와로봇의활용’에대하여학습

하게됨을예고한다.

형성평가

1. 다음의각과정을바르게쓰시오.

⑴ ( 송전 )과정: 발전소→1차변전소→송전선로→2차

변전소

⑵ ( 배전 )과정: 2차변전소→변압기→인입선

⑶ ( 옥내 배선 )과정: 인입선→전력량계→배선용차단

기→조명회로및콘센트회로

2. 서로관련있는것끼리연결하시오.

⑴변압기 • •전압을변경한다.

⑵다이오드 • •약한신호를증폭한다.

⑶콘덴서 • •교류를직류로변경한다.

⑷트랜지스터• •일정전류를저장했다가방출한다.

3. 다음을완성하시오.

⑴전기회로의기본구성요소는전원, ( 부하 ), ( 도선 )

이다.

⑵전기회로의전압, ( 전류 ), 저항의관계를 ( 옴 )의법칙

으로정리할수있다.

VR

181

가전제품의 정격 전압, 정격 전류와 같은 정격 용량을 살

펴보고 사용상 주의 사항을 알아봄으로써 안전하게 가전제

품을사용할수있다. 또한, 전기용품안전관리법에따른소

비전력을확인해봄으로써경제적으로전기를소비할수있

는학습의기회가된다.


정리

1 발전소→ 1차 변전소→송전선로→ 2차변전소

→변압기→인입선→전력량계→배선용차단기

→콘센트, 스위치, 전기기구

2 다이오드

3 정격전압, 정격전류, 정격전력

핵심 Check

●


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산업현장과가정에서일상적으로일을하는동안일어날

수있는산업재해나안전사고의종류를찾아보고, 이것을막

기위한방법으로사람을대신하여로봇을활용할수있음을

생각해보게한다. 이를통해로봇의개념을자동화와연관지

을수있게하며, 로봇이멀리있는것이아니라이미산업현

장이나가정에서깊이활용되고있다는것을알게하여흥미

와관심을이끌어낸다.

| 배경지식 |

포드시스템

포드사의디트로이트공장에서시작한대량생산시스템

으로, ‘일에사람이가는’대신‘사람에게일을가져가는’착

상에서실현된생산시스템이다. 이를위해컨베이어벨트를

통해제작공정에따라순서대로배치된작업자앞에재료가

옮겨지면작업자는각자맡은공정을반복하여작업에임하

는생산시스템이다.

⑴공장자동화

순차제어

공장의자동화시스템에폭넓게이용되며, 조업관리측면

에서도중요한역할을한다. 인원삭감, 재현성확보, 생산속

도증대와설비의효율향상뿐만아니라, 품질향상과균일성

의확보, 위험방지등큰효과를거둘수있다.

되먹임제어

목표값과실제제어량의차를계산하여입력조건을구하

는제어방법으로, 목표값과출력결과가일치할때까지되풀

이하여제어한다.

⑵로봇의활용

로봇의정의

로봇은대상을인식하며움직일수있는기능을갖고프로

그램된작업을수행하는자동기계라고할수있다. 또한, 로

봇은사람의일을대신하거나도움을줄수있어야하고, 자

동장치로움직여야하며, 주변의상황에스스로반응할수있

어야한다.

182


도입 전개

■소단원 2－3. 공장자동화와로봇의활용

■학습목표

•자동제어와공장자동화의개념을설명할수있다.

•로봇이활용되는분야를설명할수있다.



자료



차시안내7 | 8

•산업 현장: 제품 제작에 필요한 재료를 제작 단계에 따라

자동으로옮겨주는컨베이어벨트가있다. 로봇팔은용접,

절삭, 도장, 조립 등 일정한품질을유지해야하거나좁은

작업공간에서어려운일을해야할경우사람을대신하여

수행한다.

•가정: 세탁기는때를제거하기위해빨래하는동작을다양

한 회전으로 대신하며, 로봇 청소기는 스스로 돌아다니면

서청소한다.

●

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로봇의활용분야

•산업용로봇: 환경이열악한곳에서사람이하기어렵고힘

든일을하여인간의노동을보완한다.

•서비스용 로봇: 가정에서설거지, 빨래, 청소, 조리, 정리·

정돈, 심부름등가사를도와주는지능형로봇

•오락용로봇: 사람들의호기심을자극하여즐거움을제공하

거나안정시켜주는로봇

•교육용로봇: 능동적인학습을지원할수있어지식기반사

회의새로운교육수단으로각광받고있다.

•의료·복지용로봇: 의사의손을대신하는로봇팔을이용하

여정교한수술을할수있는로봇

•군사용 로봇: 부품의내구성과신뢰도가높은기술을필요

로하며, 자율이동기술에대한연구가필요하다.

•탐사용로봇: 우주, 해저, 화산, 지하등사람이접근하기어

려운극한환경에서작업하는지능형로봇

•방재용 로봇: 화재, 홍수, 지진과같은재난을예방하거나

재난극복에활용되는로봇


⑴공장자동화

①자동제어: 미리정한순서와시간에따라작동하는순차

제어와주변상황을감지하여작동하는되먹임제어

②공장자동화: 자동제어기술과공작기계, 전기·전자기

기, 컴퓨터의 발달로 인해 CAD, CAM, CNC, CIM,

FMS 등으로제품의설계, 생산, 판매, 관리를자동으로

수행하는것

⑵로봇의활용분야

산업용, 서비스용, 오락용, 교육용, 의료·복지용, 군사용,

탐사용, 방재용

| 과제제시 |

‘사람처럼생각하고행동하는로봇조사하기’를과제로제

시한다.


다음시간에는‘로봇의종류와구성’에대하여학습하게됨

을예고한다.

183


정리

•컴퓨터 이용 설계(CAD): 컴퓨터의 설계 프로그램을 이용

하여제품의형태, 구조등을선과각종기호로표시한도

면으로 표현할 수 있다. 대표적인 프로그램으로 Auto

CAD와스케치업등이있다.

•컴퓨터수치제어(CNC): 컴퓨터에제품의가공치수를입

력하면 NC 공작 기계가그 값에 따라 각 기계 축의 운동

을제어하며제품을가공한다.

•컴퓨터이용생산(CAM): 생산준비, 생산과정, 생산관리

등전반적인제조업무에컴퓨터를활용하는것이다. CAD

와CAM은상호독립적으로발전되어왔으나최근에는두

개의시스템을 CAD/CAM의일체의것으로보는것이일

반적이다.

•컴퓨터통합제조(CIM): 컴퓨터에의한통합적생산시스템

을뜻하며, 컴퓨터를이용해기술개발, 설계, 생산, 판매에

이르기까지하나의통합된체제로제조를수행한다.

•유연생산시스템(FMS): 가공기계, 창고, 유통, 컴퓨터제

어 시스템등을하나로통합하여공장자동화를실현하는

시스템으로, 시장의변화에유연하게대처할수있다.

1 순차제어, 되먹임제어

2 산업용, 서비스용, 오락용, 교육용, 의료·복지용, 군

사용, 탐사용, 방재용

3 로봇청소기, 로봇완구, 교육용로봇등

핵심 Check

●


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사람처럼생각하고행동하는로봇은학생들에게큰관심을

일으킬수있는주제이다. 실제로경험한것이나영화에등장

하는로봇까지다양한사례를제시할수있게유도하고, 사례

별로로봇의종류를구분해보는것도흥미를촉진할수있다.

또한, 로봇의발전방향이인간과유사한로봇을만드는것임

을알게하여학습동기를유발시킨다.

예⃞겉모양이사람과닮은로봇은휴머노이드, 장기와피부등

이사람과유사한로봇은안드로이드, 필요부위에인공

장치를이식한결합체를사이보그라고한다.

| 배경지식 |

각나라의로봇에관련된기초기술을살펴보면, 조선시대

의‘자격루’는일정한물의양을감지하여2시간마다시간을

자동으로알려주는로봇의기초적인능력을지녔다. 일본에

도시대에는자동으로움직이는인형인‘카라쿠리’가있었다.

18세기프랑스에는‘톱니바퀴오리’나‘세명의예술가(문필

가, 음악가, 미술가)’라는오토마타(automata)가있었다.

⑵로봇의구성

로봇의구성요소

①센서부: 외부조건을센서로받아들이는부분이다. 사람의

감각기관에해당하는것으로카메라로영상을, 마이크로

음성을감지한다. 센서는사람의눈이나귀등과같은역

할을하는부품으로, 외부의환경을감지하는곳에사용한

다. 대표적으로적외선, 가시광선등의빛을인식하는광

센서, 열에너지를감지하는온도센서등여러가지용도

로활용되고있다.

184


▲ 여러 가지 센서

■소단원 2－4. 로봇의종류와구성

■학습목표

•로봇의종류와구성을설명할수있다.



자료



차시안내8 | 8

적외선센서의극성확인

구분

뒷면

수광센서발광센서

옆면

ⒺⒸ⊖⊕

도입 전개

●

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②제어부: 외부의조건에반응하여움직임을로봇에게알려

주는일을하며, 사람의두뇌와컴퓨터의프로그램과같

다. 로봇이조건에맞는행동을할수있게미리적절한행

동을지시하는것을말한다.

③중앙 처리 장치(CPU): 동작수행에필요한값을입력받아

해석, 연산, 비교, 처리하여상황에맞는행동을판단해서

명령을내리는장치이다. 일반적으로중앙처리장치는컴

퓨터시스템에서주로사용하였으나현재는전자제품, 자

동제어기계, 로봇등다양한분야에서정보를처리하기

위해활용된다.

④동력부와동작부: 로봇이실제로행동을하는부분으로, 사

람의뇌에서각근육으로명령을전달하여몸이움직이는

것처럼로봇은전선, 모터, 스피커등으로동작한다.

프로그램

컴퓨터를실행시키기위해차례대로작성된명령어의모음

을말한다. 본래‘미리쓴다’는뜻을지닌라틴어에서유래한

말로, 1946년 과학잡지‘네이처’에게재된에니악(ENIAC)

관련기사에서처음으로사용되었다. 순서에따라한번에하

나씩실행되는명령어로구성되어있어컴퓨터나로봇이수

행해야하는절차를나타낸다.

컴퓨터프로그램은컴퓨터가인식할수있는언어로구성

되어 있다. 근본적으로 컴퓨터는 그렇다(yes)와 아니다(no)

두가지상태만을받아들이고처리할수있으므로0과1로만

이루어진이진법언어를사용한다. 이것은C와C＋＋, 베이직,

델파이등의프로그래밍언어로만든문자코드를컴파일러

를통해컴퓨터가인식할수있게변환시킨것으로기계어라

고도한다.

전동기

모터라고도하며, 전기를이용하여회전운동을하는부품

이다. 장난감에들어있는작은전동기에서부터선풍기, 세탁

기와같은가전제품까지각종가전제품에널리활용되고있

다. 로봇에도다양한동작을하기위해회전속도와각도를조

절할수있는많은전동기가사용되는데, 이를서보모터라고

한다.

185

일반모터에비해서보모터는성능면에서다음과같은특

성이있다.

•가속, 감속, 응답성이좋다.

•시동및정지가빈번한경우에적합하다.

•속도제어범위가넓고, 저속에서도매끄럽게회전한다.

로봇을설계하고개발하는로봇연구원에대한직업을탐

구해볼수있다.


●

●


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⑴로봇의종류

①휴머노이드: 겉모양이사람과닮은로봇

②안드로이드: 피부와장기가사람의조직과유사한로봇

③사이보그: 인공장치를이식한생물결합체

④소프트웨어로봇: 소프트웨어의형태로존재하는로봇

⑵로봇의구성

①센서부: 적외선·광·음향센서등으로주변상황을감지

②제어부: 중앙 처리 장치(CPU)와 프로그램으로 판단과

명령을수행

③동력부와동작부: 모터와각종기계요소로동작을수행

| 과제제시 |

‘스스로정리하기’를과제로제시한다.


다음시간에는‘제조기술체험과문제해결활동’에대하

여학습하게됨을예고한다.

형성평가

1. 서로관련이깊은것끼리연결하시오.

⑴휴머노이드• •인공장기를단사람

⑵안드로이드• •장기와피부등사람과유사한로봇

⑶사이보그드• •겉모양이사람과닮은로봇

2. 로봇의구성과사람의인체를비슷한것끼리연결하시오.

⑴센서부• •인간의두뇌

⑵제어부• •인간의오감

⑶동력부• •인간의팔다리와관절

⑷동작부• •인간의심장과근육

3. 다음에서설명하는것은무엇인가? ( 서보모터 )

186


1 •센서부: 주변상황을감지한다.

•제어부: 중앙 처리장치와프로그램에의해상황

을판단하고동작을명령한다.

•동력부와동작부: 명령에 따라모터를움직여결

합된기계요소가작동한다.

2 지능형로봇

3 중앙처리장치(CPU)

핵심 Check

정리

현재개발되고있는로봇

•스마트무인비행기: 한국항공우주연구원이헬기와프로

펠러비행기의장점을결합하여수직이착륙과고속비행

이가능한틸트로터형신개념항공기로개발하고있다.

•중고도 무인 정찰기(MUAV): 고도 10`km 상공에서 지상

목표물을정찰하는비행기로, 국방과학연구소가2006년

부터자체개발중이다.

•배달전문로봇휴보Q: KAIST 휴머노이드로봇연구센터

에서휴보 2 제작기술을응용해개발하고있는고속이동

로봇이다. 시속 40`km로 달려도 컵 속의 물이 한 방울도

넘치지않는배달전문로봇이다.

●

전기에너지를운동에너지로바꾸는장치중하나로

서자체의회전속도와각도를감지하여회전수와속도,

각도등을제어할수있는부품이다.

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휴머노이드아시모와휴보

휴머노이드는머리, 몸, 팔, 다리등인간의신체와유사한

형태를지닌로봇으로, 인간의행동을가장잘모방한지능형

로봇이다.

휴머노이드의발전은1996년일본의P－2(키180̀cm, 무게

210̀kg)로부터시작되었다. P－2는이전에개발된로봇과비

교할수없는인간친화적인외모를지녔고, 계단오르내리

기, 옆걸음, 곡선보행등부드러운관절운동과동적인직립

보행을시연할수있었다. 이후 P－3을거쳐 2000년아시모

(ASIMO)가개발되었다.

아시모는키120̀cm, 무게50̀kg으로약30개의호출신호

를알아듣고반응하며사람의얼굴이나음성을인식할수있

다. 평지, 계단, 경사면에서자유롭게걸어다닐수있는데보

행속도는시속3̀km 정도이다.

우리나라의 대표적인 휴머노이드 휴보(HUBO)는 키

120̀cm, 무게55̀kg으로시속1.25̀km(1분에65걸음)로보행

할수있다. 외부의소리와사물을감지할수있어장애물을

피해걸어다니고, 다섯손가락을독립적으로움직이며, 가벼

운춤까지출정도로부드러운동작을구현한다.

안드로이드

안드로이드는로봇중에서도우수한전자두뇌와인공피부

까지갖추어외관상인간과똑같아보일정도의로봇이다. 문

화·예술공연분야에주연배우로출연하고패션모델로활

동하고있는우리나라의EveR－3은키167̀cm, 몸무게65̀kg

으로기쁨, 슬픔, 두려움등의12가지감정까지표현할수있

으며, 동시에여러명의얼굴을구별해낼수있는시각기능

도갖추고있다. 몸체는인공피부로되어있고, 로봇주도대

화를할수있으며, 2개국어를인식하고합성하는기능을갖

추었다.

사이보그

일반적으로뇌이외의수족, 내장, 피부등을교체한개조

인간을말한다. 이미근전류로움직이는의족·의수등생체

기능대행로봇이개발되었으며, 인공심장이식도행해지고

있다.

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읽기자료

•자동제어와공장자동화: 순차제어, 되먹임제어, 산업용로봇

•로봇

－ 분류: 산업용, 개인및전문서비스용, 기타

－ 종류: 휴머노이드, 안드로이드, 사이보그, 소프트웨어로봇

•전기회로의기초: 전기회로도, 옴의법칙, 직렬연결, 병렬

연결, 정격용량

•간단한전기·전자부품

－ 전기부품: 단선, 연선, 스위치, 콘센트, 플러그

－ 전자부품: 변압기다이오드, 콘덴서, 저항, 트랜지스터

•발전과전기의이용: 송전, 배전, 옥내배선

•기능에따른기계요소

－ 결합용: 나사, 핀, 키, 리벳

－ 전동용: 마찰차, 기어, 벨트와풀리, 체인과스프로킷, 캠, 링크

－ 축용: 축, 베어링

－ 관용: 관, 이음쇠, 밸브

－ 기타: 스프링, 브레이크

스스로정리하기

1

⑴ 전동, 축, 관 ⑵ 전원, 부하, 도선, 전기회로도

⑶ 정격용량, 정격전압, 정격전류, 정격전력

⑷ 공장자동화

⑸ 센서부, 제어부, 동력부

2


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