기계

기계(machine)

기계(machine)의 어원은 그리스어의 메차니마(μηχάνημα)와 라틴어의 마키나(machina)에서 유래한 것으로 "정밀한 고안품과 발명품"이라는 뜻이다. 동력을 써서 움직이거나 일을 하는 장치이며‘기계’에는 ‘기계(器械)’와 ‘기계(機械)’가 있는데, ‘기계(器械)’는 연장, 연모, 그릇, 기구 따위를 통틀어 이르거나 구조가 간단하며 제조나 생산을 목적으로 하지 아니하고 사용하는 도구를 통틀어 이르는 말이고, ‘기계(機械)’는 동력을 써서 움직이거나 일을 하는 장치를 이르는 말이다.

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개요

기계는 넓은 의미에서는 에너지를 변환시키거나 전달시키는 장치의 총칭이며 사전적 정의는 인력을 직접 쓰지 아니하고 자연의 원동력을 이용하여 여러 부품이 조합되어 어떤 일정한 일을 하는 장치이다. 1875년 독일의 F.루르는 운동학상 기계의 정의를, "기계란 저항 있는 물체의 조합으로 한정된 상대 운동을 하고, 공급된 에너지를 유효한 일로 바꾸는 것이 라고 하였다. 이 정의에 의하면 톱, 드라이브, 끌, 대패 등은 상대운동을 하지 않음으로 기계가 아니라 공구(tool)라고 부른다. 건축물의 골조나 철교, 철탑 등도 상대 운동이 없음으로 구조물(structure)이라 부르고, 실험이나 측정 등의 일정한 목적을 두고 만든 것은 기기로 표시하여 구별하며, 특히 간단한 구조의 것은 기구라고 하며 동력을 써서 움직이거나 일을 하는 장치이다. 여기서 동력을 제공하는 근원은 사람이나 동물의 힘에서부터 원자력에 이르기까지 매우 다양하다. 사람이나 동물의 힘을 동력으로 사용하는 장치는 기구라고 분리해서 부르는 경우도 많기는 하지만, 기계에 포함해서 지칭하는 경우가 없지는 않으며 그 경우도 틀린 용법은 아니므로 주의가 필요하다. 보통 기계는 하나의 작업을 뛰어난 수준으로 이뤄내기 때문에 한 번의 작업을 좋은 성적으로 여러 번 해내는 사람(직업) 혹은 그냥 같은 작업을 여러 번 하는 사람(직업)에 기계라는 칭호(별명)가 붙는다. 예를 들면 번역하는 기계, 안타 치는 기계 등등이 있다. 또한 가끔 '과학=기계'라고 착각하는 경우가 있다. 천재소년 지미 뉴트론이나 덱스터의 실험실이 좋은 예이다. 이유는 단순하다. 과학적 지식이 별로 없는 일반인들에게는 물리학 공식 하나를 보여주는 것보다 뭔가 전문적인 느낌의 기계장치를 만지는 모습을 보여주는 것이 더 와닿기 때문이다. 그러나 이는 틀린 생각이다. 기계는 자연적인 현상, 즉 과학을 응용해서 만들어진 것이기 때문이며 기계는 과학(자연과학)이 아니라 공학의 영역이라고 봐야 한다. 또한, 기계를운용하는 데 있어 장수 할 수 있는 비결은 반복성(Repeatability)과 정밀성(Accuracy)을 동시에 관리, 허용 치수 안으로 들어오도록 하는 것 등등이 있다.

역사

단순한 기계의 개념은 기원전 3세기경 그리스의 철학자 아르키메데스와 함께 기원하였으며, 그는 단순한 아르키메데스 기계들을 연구했다. 지대, 도르래, 나사. 나중에 그는 지렛대에서 기계적 확대율의 원리를 발견했으며 유럽의 산업혁명이 가능케 한 도구이며 동시에 인류를 지구상에서 가장 영향력 있는 생물로 만들어 내기도 한 도구이기도 하다. 흔히 현대문명과 함께, 아울러 미래 문명을 가리켜 기계문명이라 부를 정도로 없어서는 안 될 중요한 요소이다. 초기의 도구는 선사 시대로 거슬러 올라간다. 인간이 손을 단지 사지 이외의 다른 곳으로도 사용할 수 있다는 것을 깨닫게 되었다. 그 이후로, 인간은 새로운 작업과 일자리를 용이하게 하기 위해 기계를 발명하기 시작했다. 첫 번째 간단한 기계는 직기였는데, 기계의 역사적 원천은 알려지지 않았다. 이러한 초기 버전 중 일부는 메소포타미아에서 신석기 시대 (4500-3500 BC)에, 노란 황제 (2698-2598 BC)의 시간 동안 알려지지 않았고, 중국의 전통에, 페르시아 제국 (600-500 BC), 심지어, 일부 남아메리카 원주민 부족들조차 알려지지았다. 14 세기 초에 물은 수차의 발명과 중요한 역할을 했다. 15 세기에 레오나르도 다빈치 이후 1626년 니콜라스브리엇에 의해 완성 래미네이터, 트리며 및 보도 로커로 알려진, 에칭 동전 세 가지 기본 시스템의 첫 번째 비행기를 설계하였다. 다빈치 다이어그램 (DA Vinci diagrams)은 미래의 합성 기계를 위한 가이드 역할을 했다. 일부 디자인은 글라이더, 전쟁 탱크 및 목재 자체 추진 차량으로 구성되었다. 1642 년, 프랑스의 수학자 블레이즈 파스칼 (Blaise Pascal)은 최초의 기계식 덧셈과 뺄셈 계산기를 발명하였다. 파스칼은 1650년 유압 프레스의 제작자이기도 한데, 그 작업은 레버와 비슷한 점이 있다. 산업혁명은 17세기에 영국에서 개발되었으며 유럽과 북미의 많은 지역을 거쳐 19세기 중반에 끝나는 기술적, 사회적 및 경제적 변화의 과정이다. 가장 중요한 혁신 중 하나는 증기 엔진과 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것이었다. 1712 년 타머스 세이버리(Thomas Savery)와 그의 파트너 타머스 뉴커먼(Thomas Newcomen)은 주석과 석탄 광산에서 물을 펌프질하는 대기압 증기 엔진을 설계했습니다. 나중에 제임스 왓(James Watt)이라는 스코틀랜드 엔지니어가 뉴커먼(Newcomen)의 디자인을 개선하여 산업 혁명을 일으켰다. 영국 헨리 모즐리(Henry Maudslay)는 건설 및 제조 산업을 위한 시장 기계화 부품 시장의 필요성을 다루는 최초의 제조업체 중 하나였다. 대량 생산 기계가 처음으로 사용되었다. 19 세기는 전기 에너지가 기계 에너지로 변환되어 첫 번째 선형 모터와 함께 DC 모터를 발생시키고 증기 엔진을 대체했다. 20 세기에는 당시의 혁명적인 변화를 가능케 한 전자 공학과 컴퓨터 과학에 상당한 진보가 있었다. 20 세기 초반에 이러한 진보는 2 차 세계 대전의 출현과 함께 세기 중반에 개발된 새로운 혁신과는 완전히 다른 것으로 나타났다. 모든 진화 과정과 마찬가지로 증기 기관은 AC 및 DC 모터로 대체되었다. 1910 년부터 자동차 산업은 새로운 측정 시스템의 사용에 힘입어 마이크로미터를 고정밀 도로 보편적 인 척도로 표준화했다. 1970 년 초 컴퓨터 조작과 컴퓨터 자동화에 도움이 되는 수치 제어의 개념이 만들어졌다. 전자 기기와 기계 사이의 융합은 새로운 메카트로닉스 시대의 시작으로 현재까지도 계속 발전을 하고 있다.

구성 요소

• 전원 : 기계를 시동할 수 있는 기본 에너지 또는 연료의 형태이다. 전기, 기름, 가솔린, 알코올 등이 있다.
• 모터 : 모터 자체는 기계 에너지의 다른 유형의 에너지 (운동, 화학, 전기)의 기계를 변형한다. 모터는 축을 중심으로 회전하거나 피스톤을 번갈아 움직일 때 가능하다. 또한 기계 에너지를 동역학으로 변환시키는 모터를 변압기라고 한다. 압축기 및 펌프도 이 범주에 속한다.
• 메커니즘 또는 전송 : 다른 구성 요소는 일련의 기계요소로 구성되어 그룹화될 때 시스템이 원하는 동작 또는 최종 동작에서 모터가 제공하는 에너지를 변환하는 기능 하며 또한 이 기능은 기계의 하나 이상의 요소 사이에서 전원을 전송할 때 수행되며 또한 메커니즘은 속도, 힘, 궤적 및 에너지를 다른 유형으로 각각 변환한다.
• 주조 : 주조는 모터와 메커니즘을 지원하는 견고한 구조가 포함된다. 주조의 기능은 기계의 모든 요소의 연결 또는 연결을 보장하는 것이다. 또한 프레임 설계 시 안전을 위해 여러 측면을 고려해야 한다.
• 규제 및 제어 시스템: 필요한 작업에 기계를 결합하여 기계의 작동 및 강도를 조절하는 데 사용되는 제어 구성 요소이다. 스위치, 버튼, 표시기, 센서 등을 제어한다.
• 보안 : 기계의 위험 없이 작동을 보장한다. 수행한 작업에 도움이지는 않지만, 기계를 사용하는 사용자를 보호하는 역할을 한다. 정기적인 유지 관리가 제대로 작동하려면 필수적인 구성 요소이다.

분류

건설기계

건설기계의 예

건설기계(建設機械, 영어: Construction Equipment) 또는 중장비(重裝備, 영어: Heavy Equipment)는 건설 공사에 사용되는 기계를 말한다. 또한 건설기계는 일반적으로 대량의 토사를 처리하기 위해서 튼튼하고 강력하게 만들어져 있다. 그리고 각종 작업 기계는 유압장치(油壓裝置)에 의해서 조작되는 일이 많다. 강력하고 제어가 용이한 유압 계통의 기술 발전이 이들 건설기계의 출현에 크게 공헌하였다. 특히 강한 충격을 받는 부분 버켓(Bucket) 혹은 블레이드(Blade)의 굴착 부분) 혹은 마모가 제일 심한 부분에는 고장력강(高張力鋼)이나 특수합금(特殊合金) 및 내마모합금(耐磨耗合金)이 쓰이고 있다. 이들은 제2차 세계대전 후 눈부시게 진보하여 대형 고능률의 것, 기동성이 높은 것 등이 속속 출현하였다. 그 결과 공법이 바뀌고 공사 기간이 단축되었으며 공사의 내용이 비약적으로 향상되었다. 대한민국에서의 건설기계관리법에 따르면, "건설기계"라 함은 건설공사에 사용할 수 있는 기계로서 대통령령이 정하는 것을 말한다.

범용 공작기계의 종류

종류	용도
굴삭기계	토사나 바위를 파내는 기계(굴삭기 등)
상차기계	굴삭한 토사나 바위를 운반기계에 올리는 기계(로다 등)
굴삭운반기계	굴삭과 동시에 운반할 수 있는 기계(도자 등)
크레인 원치	자제를 끌어올리는 기계(크레인류)
기초공사용 기계	지하 기초 공사에 사용되는 기계(파일 드라이버 등)
천공 기기	암석이나 지층에 구멍을 뚫는 기계(보링 머신 등)
정지 및 노반용 기계	도로의 기초 노반을 깎아내는 기계(모터 그레이다 등)
로울러	도로, 비행장 등의 표면을 다지는 기계(로드로·울러 등)
골재 제조용 기계	골재를 만들거나 고르는 기계(크러셔 등)
콘크리트 기계	콘크리트를 만들거나 공급해주는 기계(콘크리트 펌프 등)
포장기계	도로나 비행장의 표면을 포장하는 기계(휘니셔 등)
작업선	해저나 하저의 준설, 굴삭 등에 사용되는 선박류(준설선 등)
도로유지 및 제설 기계	도로상의 설치, 제설 작업을 하는 기계(제설차 등)
보조 기계	각종 공사에 쓰이는 기계 장치 등을 통칭
시험과 측정용 기계류	건설공사에 필요한 시험 측정에 쓰이는 기계

공작기계

공작기계의 예

공작기계(工作機械)는 각종 기계를 만드는 기계이다. 영어로는 Mather Machine이라고 하며 직역하면 "엄마 기계" 라는 뜻이다. 기계의 중요한 부분은 절삭·소성가공·전기적 가공법 등으로 만들어 내는데, 이와 같은 가공을 하는 기계는 모두 공작기계라고 부를 수 있으나, 대체로 금속 절삭 공작기계만을 공작기계라 부르는 경우가 많다. 이 경우 소성가공 공작 기계는 금속가공기계라고 부른다. 또 공작기계에 의해 가공되는 물건을 공작물이라 한다. 공작기계는 공작물과 공구 사이에 상대운동 부여함으로써, 공작물을 원하는 형상과 치수로 만들어 내는데, 운동은 기본적으로는 직선운동과 회전운동의 조합으로써 이뤄졌다. 가령 원통형으로 깎는 선반(旋盤)의 경우 공작물을 회전시키면서 바이트를 가져다 대면 둥글게 깎인다. 바이트를 회전축에 평행인 방향으로 이동해 가면 원통으로 깎여진다. 직경을 바꾸려면 바이트를 공작물의 반경 방향으로 직진시키면 된다. 바이트 대신에 숫돌바퀴를 사용하면 원통형 연삭(硏削)이 가능하다. 이것이 롤 연삭기인데, 선반의 운동에 원형 연삭 숫돌의 회전운동이 첨가된 것이다. 절삭운동을 주운동으로 하고 절삭 위치를 조금씩 이동하는 절삭이송 운동과, 파고 들어가는 위치를 바꾸는 이송운동을 종운동이라 한다면, 이것들에 대하여 직진·회전 중의 어느 것을 부여하느냐에 따라서 여러 가지 공작기계가 생산된다.

범용 공작기계의 종류

공작기계 명	주운동	종(從)운동	종운동	공작물의 기본 형상
보통선반	회전(공작물)	직진(바이트)	직진(바이트)	원통
수평형밀링머신	회전(커터)	직진(테이블)	직진(새들니)	평면
직립드릴링머신	회전(송곳)	직진(쿠일)	직진(테이블)	원통구멍
속파기밀링머신	회전(송곳·커터)	직진(쿠일)	직진(테이블새들)	원통구멍·평면
평삭기	직진(테이블)	직진(새들)	직진(슬라이드)	평면
롤연삭기	회전(숫돌바퀴)	회전(공작물)	직진(테이블)	원통
각(角)테이블 평면연삭기	회전(숫돌바퀴)	직진(테이블)	직진(새들헤드)	평면
호브(hob)반	회전(커터)	회전(테이블)	직진(호브새들)·테이블새들	평톱니바퀴
톱니바퀴형삭기(피니온형)	직진(커터)	회전(테이블)	직진(새들니)	평톱니바퀴

기계공학

기계공학(機械工學, Mechanical Engineering)의 기원은 인류가 도구와 기구를 발명하여 사용하기 시작한 구석기시대의 타제석기(打製石器)라 할 수 있으며 도구가 발전한 신석기시대의 마제석기(磨製石器)는 진화의 흔적이라 할 수 있을 것이다. 수학(數學, mathematics), 기초과학 등이 발전하면서 학문이 세분화되어 1800년경에 기계공학 분야가 등장하였고 19세기 말에 전기공학(電氣工學, electrical engineering), 토목공학(土木工學, civil engineering), 화학공학(化學工學, chemical engineering)과 더불어 기계공학의 의미가 부여되었다고 할 수 있다. 석기시대에는 무거운 물체를 움직이게 하는 지렛대의 원리, 청동기시대에는 주조(鑄造)와 단조(鍛造)를 이용한 무기 제작 기술이 사용되었다. 고대 그리스시대의 아르키메데스(Archimedes, 약 기원전 287~212)는 양수기, 투석기 등을 개발하였고, 지렛대의 원리를 이론으로 정립하였다. 또한 헤론(Heron)은 기계장치, 자동문 장치, 측량술 등을 발명하여 사용하였다. 과학기술의 발전으로 증기터빈, 기중기, 증기기관, 증기기관차, 거중기 등과 같이 보다 진보된 기계장치가 개발되면서 기계공학의 독립적인 이론체계가 형성되었다. 기계공학은 4대 역학을 기반으로 기계 및 관련 장치 설비의 설계, 제작, 성능, 이용, 운전 등에 관하여 기초적 또는 응용적 분야를 연구하는 공학이다. 일반역학, 운동학, 열역학, 유체역학, 그리고 에너지의 중심 개념에 대한 확실한 이해를 필요로 하며 다른 지식들과 아울러 제품 생산 라인, 공업용 장비, 냉난방 장치, 모터 장치, 비행 장치, 수영 장치, 로봇, 의료 장치 등의 설계 및 분석을 행할 수 있다. 최근에는 학문의 복합화, 융합화 추세에 따라 극초미세 MEMS 나노기술, 인간의 질병치료와 연관된 인공장기 등 인체의 공학적 해석을 시도하는 스포츠과학기술 등도 새로운 기계공학 분야로 그 범위가 매우 크다.

참고자료

• 온라인 가나다, 〈기계와 기기의 의미〉, 《국립국어원》, 2008-04-23
• 〈기계〉, 《나무위키》
• 〈기계의 기원에서 현재까지의 역사〉, 《Thpanorama》
• 〈기계의 6 일반 구성 요소〉, 《Thpanorama》
• 〈건설기계〉, 《위키백과》
• 〈공작기계〉, 《위키백과》
• 〈기계공학〉, 《위키백과》

같이 보기

• 장치
• 기기
• 기구
• 기계력
• 기계화
• 엔진
• 모터
• 에너지

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