[창의공학설계]투척기 설계 1부

실험 목적

탁구공의 낙하길이에 영향을 미치는 변수와 level을 설정하여 투척기를 제작하고 DOE를 이용하여 element가 결과값에 어떻게 영향을 미치는지 알아본 뒤 원하는 결과를 얻기위한 최선의 방법을 알아낸다.

 

실험 이론 및 원리

1. 투척기(투석기)

투석기는 고대시대에 존재하는 공성용 특수무기로 성을 공격하는 사람들이 적의 성문이나 성벽을 부수거나, 적의 성문을 열기위해 병사들이 성벽에 다닥다닥 붙어 올라갈때 뒤에서 지원을 해주기 위해서 만들어졌다.

기본적인 원리는 1) 지렛대의 원리나 2) 사람의 머리카락, 동물의 힘줄, 밧줄 등을 꼬아서 생기는 탄력을 이용하여 돌을 날려보내는 방법을 이용하였다.

1) 지렛대를 어떻게 사용하는가하면 긴 막대나 판자를 시소처럼 가운데를 고정한다. 그리고 한쪽 끝에 날리고자 하는 돌보다 무거운 추를 달아 고정시키고 반대편에서 끈을 이용해서 추가 달린 쪽을 높이 올라가게 당겨서 고정시키고 여기에 날리고자 하는 돌이나 폭탄, 불 붙은 짚 등을 올려놓고 줄을 자르면 무거운 추가 내려가면서 가속되어 반대쪽 돌이 날라가게 된다.

 

2) 고무줄의 역사는 100년 정도 밖에 되지 않았기 때문에 옛날에는 고무줄을 대체할 만한 대용품이 필요했다. 고무줄이 개발되기 전에는 탄력성이 있는 대용품이 사람의 머리카락이였다. 전쟁에서 패한 포로들이나 노예의 머리를 땋아서 고무줄 대용으로 사용 하였다. 또는 밧줄이나 동물의 힘줄 등을 용수철처럼 꼬아서생기는 힘으로 돌을 날려보내는 방법을 사용하였다. 로마시대에는 작은 것을 캐터펄트(catapult), 대형의 것을 발리스타(Ballista)라 했다.

지렛대의 원리를 이용한 Catapult

사람의 머리카락이나 밧줄, 힘줄 등을 이용한 Catapult

 

2. 실험계획법

실험계획법은 1850년대에 영국에서 농업의 생산성향상을 위해 토양에 적합한 비료를 선정하기 위한 실험에서 출발하여 1932년에 R.A. Fisher가 실험의 배치방법으로서 난괴법과 라틴方格法을 창안하고 실험데이터의 해석방법으로 분산분석법을 사용함으로써 비로소 하나의 학문으로 출발하게 되었다.

그런데 실험계획법은 데이터의 해석면에서 보면 수리통계학의 응용이기 때문에 통계학에 기초가 없는 사람이나 또는 예비지식이 적은 사람은 매우 난해한 학문으로 생각하고 있고 배우는데 어려움을 겪고 있다.

본 책에서는 간단한 수법만 알면 쉽게 실험계획법을 배울 수 있도록 실험의 배치방법과 실험에서 얻은 데이터의 해석방법에 대해서 고찰하고자 한다. 특히 분산분석법을 기초로 한 요인배치법중 1원배치, 2원배치, 3원배치 등의 방법을 중점소개하기로 하였으며, 본 장에서는 이들의 기초가 되는 실험계획법의 기초사항들을 다루기로 한다.

 

1) 실험계획법의 정의

실험의 목적을 달성하기 위해서는 실험을 실시하기 이전에 실험에 대한 충분한 계획이 없이는 소기의 목적을 달성하기 어렵다.

실험계획법(design of experiments; DOE)이란 실험에 대한 계획방법을 의미하는 것으로, 해결하고자 하는 문제에 대하여 실험을 어떻게 행하고, 데이터를 어떻게 취하며, 어떠한 통계적 방법으로 데이터를 분석하면 최소의 실험횟수에서 최대의 정보를 얻을 수 있는가를 계획하는 것이라고 정의할 수 있다. 

따라서 하나의 실험계획법을 짰다고 하는 것은 해결하고자 하는 문제에 대하여 인자를 선정하고, 실험방법을 택하였으며, 실험순서를 정하고, 실험 후 얻어지는 데이터에 대한 최적분석방법을 선택하였다는 의미이다. 실험계획법에서 많이 사용되는 데이터의 분석방법으로는 분산분석(analysis of variance), 상관분석(correlation analysis), 회귀분석(regression analysis) 등이 있다.

 

2) 실험계획법의 목적

실험을 통하여 달성하고자 하는 목적은 실험에 대하여 영향을 미친다고 과학적으로 생각할 수 있는 무수히 많은 원인에 대하여 다음과 같은 것들을 알아내고자 하는 데 있다.

① 어떤 요인이 반응에 유의한 영향을 주고 있는가를 파악하고 그 영향이 량적으로 어느 정도 큰가를 알아내기 위하여 (검정과 추정의 문제)

② 작은 영향밖에 미치지 못하는 요인들은 전체적으로 어느 정도의 영향을 주고 있으며, 측정오차는 어느 정도인가를 알아내기 위하여 (오차항 추정의 문제)

③ 유의한 영향을 미치는 원인들이 어떠한 조건을 가질 때 가장 바람직한 반응을 얻을 수 있는가를 알아내기 위하여 (최적반응조건의 결정문제)

④ 이러한 실험의 결과에 따라 작업표준을 설정하기도 하며, 원료, 장치, 측정방법 등을 선택하는 기준을 제공하여 준다.

 

3) 실험계획법에 사용되는 기본 원리

실험계획에 사용되는 기본원리로서 다음의 다섯가지를 들 수 있으며, 실험을 계획하는 단계에서 실험자는 이 원리들을 항상 염두에 두고 실험계획을 작성하면 실험의 정도가 좋고 분석이 용이한 실험계획을 구상할 수 있다.

① 랜덤화의 원리 (principle of randomization)

이는 여러가지 기본원리 중에서 가장 중요한 것으로, 선정된 인자 외에 기타 원인들의 영향이 실험결과에 편기되게 미치는 것을 없애기 위한 방안이다. 따라서 랜덤화가 잘 되지 않은 실험으로부터 어떤 결론을 내릴 때에는 상당히 주의하지 않으면 안된다.

② 반복의 원리 (principle of replication)

실험은 각 수준의 조합에서 1회 행하는 것보다는 가능하면 반복하여 2회이상 행하는 것이 얻어지는 실험결과의 精度를 높일 수 있다. 반복을 시켜줌으로써 오차항의 자유도를 크게 해줄 수 있으며, 오차분산이 정도좋게 추정됨으로써 실험결과의 신뢰성을 높일 수 있다. 일반적으로 오차항의 자유도는 적어도 6, 많으면 20정도 되게 하는 것이 좋다. 그러나 반복을 실시하여 실험횟수가 증가하면 비용·시간이 많이 소요되므로 적은 횟수의 실험에서 정도좋은 결과를 얻을 수 있는 실험계획법을 구상하도록 한다.

③ 블럭화의 원리 (principle of blocking)

실험의 환경을 될 수 있는 한 균일한 부분으로 쪼개어 블럭(block)으로 만든 후에 블럭내에서 각 인자의 영향을 조사하는 것이 바람직하다. 실험전체를 시간적 혹은 공간적으로 분할하여 블럭을 만들어 주면 각 블럭 내에서는 실험환경이 균일하게 되어 精度좋은 결과를 얻을 수 있다.

블럭을 하나의 인자로 하여 그 효과를 별도로 분리하게 되므로 총변동에서 블럭간와 변동을 제외시키고 남는 것은 균일한 블럭내의 다른 인자들의 변동만이다. 이 원리를 이용한 대표적인 실험계획법이 난괴법(randomized block design)으로 실험일 등을 블럭으로 나누어 하나의 인자로 잡아준 것이다.

④ 교락의 원리 (principle of confounding)

교락법은 구할 필요가 없는 2인자 교호작용이나 고차의 교호작용을 블럭과 교락시키는 방법으로 검출할 필요가 없는 요인이 블럭의 효과와 교락하게 됨으로써 실험의 효율을 높일 수 있다. 교락법에는 완전교락(complete confounding)법과 부분교락(partial confounding)법 등이 있다.

⑤ 직교화의 원리 (principle of orthogonality)

요인간에 직교성을 갖도록 실험계획하여 데이터를 구하면 같은 실험횟수라도 검출력(power of test)이 더 좋은 검정을 할 수 있고, 정도가 더 높은 추정을 할 수 있는 것으로 밝혀져 있다.

교호작용 가운데 기술적으로 생각하여 무시될 수 있는 것을 주효과(main effect)와 교락시켜 실험의 크기를 줄일 수 있는 실험계획을 짜도록 고안된 표를 직교배열표(orthogonal array table)라고 하며, 직교배열표는 요인간의 직교성을 이용하여 만들어 놓은 표이다. 일부실시법(fractional factorial design)에 직교배열표는 매우 유용하게 사용된다.

 

3. 식스 시그마

기업에서 전략적으로 완벽에 가까운 제품 혹은 서비스를 개발하고 제공하려는 목적으로 문제를 정의하고, 현재의 수준을 정량화하고 평가한 다음 개선하고 이를 유지 관리하는 실무적 방법을 추구하는 방법론이다. 원래 모토로라에서 개발된 일련의 품질개선방법이였으며 품질 불량의 원인을 찾아 해결해 내고자 하는 체계적인 방법론이였다. 

이후 GE등 여러 기업에서 도입되어 발전하였으며 특히 1990년대와 2000년대 동안 많은 인기를 얻은 기업내 혁신을 위한 방법이다. 다른 품질경영관리기법인 총체적 품질경영기법(Total Quality Management)의 경우에는 생산품질자체에 집중하지만 식스 시그마는 회사의 모든 부서의 업무에 적용이 가능하며 각자의 상황에 알맞는 고유한 방법론을 개발하고 적용하여 정량적 기법과 통계학적 기법으로 향상 시킬 수 있다.

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