1. 개요

간헐기구는 연속적으로 입력되는 회전운동이나 왕복운동을 일정한 주기로 반복되는 이동과 정지운동으로 변환하는 기계기구이다.

인덱스 기구는 간헐기구의 한 유형으로, 출력축이나 작업 테이블을 미리 정해진 위치 또는 각도까지 이동시킨 후 일정 시간 정지시키는 장치이다.

기본적인 작동 흐름은 다음과 같다.

연속 입력운동
→ 가속
→ 일정 각도 또는 거리 이동
→ 감속
→ 정지 및 위치 유지
→ 다음 사이클 반복

대표적인 적용 사례는 다음과 같다.

• 회전 테이블의 공정별 위치결정

• 포장재의 일정 길이 이송

• 용기의 충진 위치 분배

• 부품의 한 개씩 공급

• 조립공정의 스테이션 이동

• 필름의 간헐 공급

• 제품의 일정 피치 분리

• 절단과 실링을 위한 정지구간 확보

간헐기구의 성능은 단순히 정해진 각도만큼 이동하는 것으로 결정되지 않는다. 실제 설계에서는 다음 항목을 함께 고려해야 한다.

• 인덱스 각도

• 이동시간

• 정지시간

• 가속도

• 저크

• 출력축 관성

• 반복 위치정밀도

• 정지 중 강성

• 백래시

• 충격과 진동

• 과부하 보호

• 수명과 유지보수성

2. 간헐기구와 인덱스 기구의 차이

2.1 간헐기구

간헐기구는 연속운동을 주기적인 이동과 정지운동으로 바꾸는 모든 기구를 포괄한다.

출력운동은 다음과 같은 형태가 될 수 있다.

• 간헐회전

• 간헐직선운동

• 단계적 이송

• 한 방향의 래칫운동

• 일정 주기의 개폐운동

• 제품 한 개씩 분리

• 주기적인 방출운동

대표적인 예는 다음과 같다.

• 제네바 기구

• 래칫과 폴

• 간헐기어

• 이스케이프먼트

• 스타 휠

• 캠 구동 스토퍼

2.2 인덱스 기구

인덱스 기구는 출력축 또는 테이블을 정확한 목표 위치로 이동시키고, 정지구간에서 그 위치를 유지하는 기구이다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 캠 인덱서

• 제네바 인덱서

• 서보 인덱스 테이블

• 래칫 인덱스 장치

• 정밀 회전 테이블

• 직선 인덱스 컨베이어

2.3 주요 차이

간헐기구는 이동과 정지의 반복 자체에 중점을 둔다.

인덱스 기구는 다음과 같은 위치결정 성능을 추가로 중요하게 다룬다.

• 목표 위치의 정확도

• 반복 위치정밀도

• 정지상태의 강성

• 외력에 대한 위치 유지

• 이동 중 가감속 특성

• 공정 간 동기성

따라서 모든 인덱스 기구는 간헐운동을 수행하지만, 모든 간헐기구가 정밀 인덱스 기구인 것은 아니다.

3. 간헐 및 인덱스 기구의 주요 기능

3.1 연속운동의 분할

모터의 연속회전을 여러 개의 독립된 이동구간으로 분할한다.

예:

모터 연속회전
→ 60도 회전
→ 정지
→ 다시 60도 회전
→ 정지

3.2 일정 피치 이송

제품, 필름, 체인 또는 컨베이어를 일정한 거리만큼 이동시킨다.

3.3 정지구간 확보

충진, 절단, 실링, 검사 또는 조립작업을 수행할 수 있도록 일정 시간 동안 작업물을 정지시킨다.

3.4 공정 위치 분배

하나의 회전 테이블에 여러 작업 스테이션을 배치하고, 제품을 순차적으로 이동시킨다.

3.5 제품 분리

연속적으로 공급되는 제품을 한 개 또는 일정 수량씩 분리한다.

3.6 공정 동기화

이송, 절단, 실링, 배출 등 여러 동작의 위상관계를 기계적 또는 전자적으로 동기화한다.

3.7 위치 유지와 잠금

출력부가 정지한 동안 외력이나 관성력으로 움직이지 않도록 기계적으로 고정한다.

3.8 역회전 방지

래칫, 원웨이 클러치 또는 잠금기구를 이용하여 출력축의 역회전을 방지한다.

4. 기본 동작 주기

인덱스 기구의 한 사이클은 일반적으로 다음 구간으로 구성된다.

4.1 가속구간

출력부가 정지상태에서 움직이기 시작하여 최대속도까지 가속한다.

4.2 이동구간

출력부가 목표 위치를 향해 이동한다.

운동선도에 따라 이동 중에도 속도가 계속 변할 수 있다.

4.3 감속구간

목표 위치에 도달하기 전에 속도를 줄인다.

4.4 정지구간

출력부가 목표 위치에서 정지하여 공정작업을 수행한다.

4.5 잠금구간

필요한 경우 정지 중 출력부를 기계적으로 구속하거나 브레이크로 고정한다.

5. 주요 시간 및 각도 변수

5.1 사이클 시간

한 번의 이동과 정지를 완료하는 전체 시간을 사이클 시간이라고 한다.

t_cycle = t_index + t_dwell

여기서,

• t_cycle: 전체 사이클 시간

• t_index: 인덱스 이동시간

• t_dwell: 정지시간

5.2 사이클 주파수

분당 인덱스 횟수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Cycles per minute = 60 / t_cycle

단, t_cycle은 초 단위이다.

5.3 인덱스 각도

출력 테이블의 등분 수가 N일 경우 한 번의 인덱스 각도는 다음과 같다.

θ_index = 360° / N

예를 들어 8스테이션 테이블의 인덱스 각도는 다음과 같다.

θ_index = 360° / 8 = 45°

5.4 정지비

전체 사이클에서 정지시간이 차지하는 비율은 다음과 같다.

Dwell ratio = t_dwell / t_cycle

5.5 이동비

전체 사이클에서 인덱스 이동시간이 차지하는 비율은 다음과 같다.

Index ratio = t_index / t_cycle

따라서 다음 관계가 성립한다.

Dwell ratio + Index ratio = 1

6. 간헐 및 인덱스 기구의 기본 분류

6.1 기계식 간헐기구

• 제네바 기구

• 래칫과 폴

• 간헐기어

• 불완전기어

• 스타 휠

• 이스케이프먼트

• 캠 구동 스토퍼

• 원웨이 클러치식 이송기구

6.2 기계식 정밀 인덱스 기구

• 배럴 캠 인덱서

• 글로보이달 캠 인덱서

• 평면 캠 인덱서

• 패럴렐 캠 인덱서

• 롤러 기어 캠 인덱서

• 터렛 캠 인덱서

6.3 전기·서보식 인덱스 기구

• 서보 모터 직접구동

• 서보 모터와 감속기

• 서보 회전 테이블

• 다이렉트 드라이브 토크 모터

• 스테핑 모터 인덱스

• 리니어 모터 인덱스

6.4 유체식 간헐기구

• 공압 실린더와 래칫

• 유압 인덱스 실린더

• 로터리 액추에이터와 잠금핀

• 실린더 구동 이스케이프먼트

6.5 출력형태에 따른 분류

• 간헐회전형

• 간헐직선형

• 단계이송형

• 회전 테이블형

• 직선 트랜스퍼형

• 제품 분리형

• 한 방향 누적형

7. 제네바 기구

7.1 정의

제네바 기구는 연속적인 입력회전을 일정 각도의 간헐회전으로 변환하는 대표적인 기계식 인덱스 기구이다.

구동 휠의 핀이 제네바 휠의 슬롯 안으로 들어가 출력 휠을 회전시키고, 핀이 슬롯에서 빠져나오면 출력 휠이 정지한다.

7.2 주요 구성요소

• 구동 휠

• 구동 핀

• 제네바 휠

• 방사형 슬롯

• 잠금 원판

• 잠금면

• 입력축

• 출력축

• 지지 베어링

7.3 작동 원리

제네바 기구의 한 사이클은 다음과 같다.

구동 핀이 슬롯에 접근
→ 핀이 슬롯으로 진입
→ 제네바 휠 회전
→ 핀이 슬롯에서 이탈
→ 잠금 원판이 출력 휠 고정
→ 정지구간 유지

7.4 인덱스 각도

슬롯 수를 N이라고 하면 한 번의 인덱스 각도는 다음과 같다.

θ_index = 360° / N

슬롯 수가 많아질수록 한 번의 이동각도는 작아진다.

7.5 주요 유형

외접 제네바

구동 휠과 제네바 휠이 외부에서 접촉하는 가장 일반적인 형태이다.

내접 제네바

구동 핀이 내부 제네바 휠의 슬롯을 구동한다.

외접형보다 부드러운 운동특성을 얻을 수 있는 경우가 있다.

구면 제네바

축이 교차하는 공간배치에서 간헐회전을 전달한다.

선형 제네바

회전 입력을 직선형 간헐이동으로 변환한다.

7.6 장점

• 구조가 비교적 단순하다.

• 별도의 복잡한 제어 없이 이동과 정지를 만들 수 있다.

• 인덱스 각도가 구조적으로 결정된다.

• 정지구간에서 기계적 잠금이 가능하다.

• 제작비용이 비교적 낮다.

• 저속 및 중속 장치에 적용하기 쉽다.

7.7 단점

• 핀이 슬롯에 진입하고 이탈할 때 충격이 발생한다.

• 고속 운전 시 진동과 소음이 증가한다.

• 핀과 슬롯에 높은 접촉응력이 발생한다.

• 출력 가속도와 저크 특성이 제한적이다.

• 인덱스 각도와 정지비 변경이 어렵다.

• 백래시와 슬롯 마모가 위치정밀도에 영향을 준다.

7.8 주요 적용

• 소형 인덱스 테이블

• 필름 이송장치

• 포장기계

• 자동조립기

• 제품 분배장치

• 검사 위치 전환장치

• 저속 회전식 공급장치

8. 래칫과 폴 기구

8.1 정의

래칫과 폴 기구는 왕복운동이나 제한각 회전운동을 한 방향의 단계적 회전운동으로 변환하는 기구이다.

래칫 휠의 치형과 폴이 맞물려 역회전을 방지한다.

8.2 주요 구성요소

• 래칫 휠

• 구동 폴

• 정지 폴

• 구동 레버

• 복귀 스프링

• 축

• 스토퍼

8.3 작동 원리

구동 레버의 전진
→ 구동 폴이 래칫 휠을 한 피치 회전
→ 정지 폴이 위치 유지
→ 구동 레버 복귀
→ 구동 폴이 다음 치형으로 이동

8.4 주요 유형

• 외접 래칫

• 내접 래칫

• 단일 폴

• 이중 폴

• 양방향 선택형 래칫

• 수동 레버식 래칫

• 공압 구동 래칫

• 롤러 래칫

8.5 장점

• 구조가 단순하다.

• 제작과 유지보수가 쉽다.

• 단계적 이송과 역회전 방지를 동시에 수행한다.

• 수동, 공압 및 기계식 구동에 적용하기 쉽다.

• 저속·저빈도 장치에 경제적이다.

8.6 단점

• 치형과 폴의 충돌로 소음이 발생한다.

• 백래시가 크다.

• 고속운전에 적합하지 않다.

• 치형과 폴이 마모된다.

• 정밀 위치결정에 한계가 있다.

• 출력운동이 부드럽지 않다.

8.7 주요 적용

• 수동 윈치

• 권취장치

• 체인 장력조절기

• 단계 이송장치

• 수동 인덱스 테이블

• 공급 피더

• 역회전 방지장치

9. 간헐기어 및 불완전기어

9.1 정의

간헐기어는 기어 원주 일부에만 치형을 형성하여, 치형이 맞물리는 구간에서는 출력축을 회전시키고 치형이 없는 구간에서는 정지시키는 기구이다.

불완전기어라고도 한다.

9.2 주요 구성

• 완전기어 또는 구동기어

• 불완전 출력기어

• 치형 구간

• 무치형 구간

• 잠금장치

• 정지위치 결정장치

9.3 특징

• 기어비에 의해 이동각을 설정할 수 있다.

• 비교적 큰 토크를 전달할 수 있다.

• 구조가 간단하다.

• 치형 진입 시 충격이 발생할 수 있다.

• 정지 중 별도의 잠금이 필요할 수 있다.

9.4 설계 검토사항

• 최초 맞물림 치형의 충격

• 치끝 간섭

• 백래시

• 치면강도

• 정지위치 잠금

• 윤활

• 회전속도

• 치형 가공정밀도

9.5 주요 적용

• 저속 공급장치

• 카운팅 장치

• 포장재 단계이송

• 단순 회전식 분배장치

• 교육용 기구

• 저비용 자동화기구

10. 이스케이프먼트 기구

10.1 정의

이스케이프먼트 기구는 연속적으로 공급되는 부품이나 제품을 일정한 수량 또는 한 개씩 분리하여 다음 공정으로 방출하는 간헐기구이다.

회전축의 인덱싱보다는 제품 흐름의 제어에 중점을 둔다.

10.2 기본 작동

제품 연속 공급
→ 전방 스토퍼가 첫 번째 제품 유지
→ 후방 스토퍼가 다음 제품 차단
→ 전방 스토퍼 해제
→ 첫 번째 제품 배출
→ 전방 스토퍼 복귀
→ 후방 스토퍼 해제
→ 다음 제품 전진

10.3 주요 유형

• 이중 스토퍼형

• 슬라이드 게이트형

• 회전 핑거형

• 스타 휠형

• 캠 구동형

• 공압 실린더형

• 서보 분리형

• 진공 픽업형

10.4 설계 검토사항

• 제품 크기와 형상

• 공급압력

• 제품 간 마찰

• 제품 손상 가능성

• 걸림

• 공급속도

• 센서 위치

• 스토퍼 응답시간

• 이중 공급 방지

• 세척성

10.5 주요 적용

• 진동 피더

• 부품 공급장치

• 병과 용기 공급

• 포장기계

• 조립기

• 검사장비

• 제품 카운팅 장치

11. 스타 휠 기구

11.1 정의

스타 휠은 제품 형상에 대응하는 포켓 또는 홈을 가진 회전체를 이용해 제품을 일정 피치로 분리하고 회전 이송하는 기구이다.

11.2 주요 기능

• 제품 간격 형성

• 제품 방향 유지

• 회전공정으로 제품 전달

• 투입과 배출의 동기화

• 제품 위치결정

11.3 주요 구성요소

• 스타 휠

• 중심축

• 제품 포켓

• 가이드 레일

• 입구 스크루

• 출구 가이드

• 구동기구

• 안전커버

11.4 장점

• 용기와 제품을 안정적으로 분리할 수 있다.

• 회전식 충진 및 캡핑 장치와 결합하기 쉽다.

• 제품 피치를 정확하게 유지할 수 있다.

• 연속식과 간헐식 운전 모두에 적용할 수 있다.

11.5 단점

• 제품 형상이 바뀌면 스타 휠을 교체해야 할 수 있다.

• 제품 치수 편차에 민감하다.

• 잘못된 진입 시 걸림과 제품 손상이 발생할 수 있다.

• 가이드와 포켓 사이의 간격 설정이 중요하다.

11.6 주요 적용

• 병 충진기

• 캡핑기

• 라벨러

• 용기 검사장치

• 포장제품 분배

• 식품 용기 이송장치

12. 캠 인덱서

12.1 정의

캠 인덱서는 특수한 캠 프로파일과 롤러 팔로어를 이용하여 연속 입력회전을 정밀한 간헐회전으로 변환하는 장치이다.

제네바 기구보다 부드러운 가속과 감속을 구현할 수 있으며, 고속·고정밀 인덱싱에 적합하다.

12.2 주요 구성요소

• 입력 캠축

• 캠

• 터렛 또는 출력 휠

• 캠 팔로어 롤러

• 출력축

• 베어링

• 하우징

• 윤활시스템

• 프리로드 구조

12.3 작동 원리

입력 캠이 연속회전하면서 캠 프로파일이 출력 터렛의 롤러를 순차적으로 밀어 출력축을 정해진 각도로 회전시킨다.

정지구간에서는 캠 프로파일이 출력축의 위치를 양방향으로 구속하여 높은 정지강성을 제공한다.

12.4 주요 특징

• 높은 반복 위치정밀도

• 부드러운 가속과 감속

• 낮은 백래시

• 높은 정지강성

• 고속 운전 가능

• 큰 출력토크

• 다양한 인덱스 각도

• 정해진 운동선도 적용 가능

13. 배럴 캠 인덱서

13.1 구조

원통형 캠의 외주면에 가공된 공간곡선 홈이 출력 터렛의 롤러와 맞물린다.

13.2 특징

• 입력축과 출력축을 평행 또는 특정 방향으로 배치할 수 있다.

• 콤팩트한 구조를 만들 수 있다.

• 고속 인덱싱에 적합하다.

• 롤러와 캠 홈의 정밀가공이 중요하다.

13.3 주요 적용

• 조립기계

• 포장기계

• 공정 이송장치

• 소형 인덱스 테이블

• 부품 방향전환장치

14. 글로보이달 캠 인덱서

14.1 구조

글로보이달 형상의 캠이 출력 터렛에 원주방향으로 배치된 여러 롤러와 맞물린다.

14.2 특징

• 여러 롤러가 순차적으로 하중을 전달한다.

• 높은 토크와 정지강성을 확보할 수 있다.

• 백래시를 작게 관리할 수 있다.

• 고속·고하중 인덱스 테이블에 적합하다.

• 가공과 조립정밀도가 매우 중요하다.

14.3 주요 적용

• 대형 회전 인덱스 테이블

• 자동차 부품 조립라인

• 공작기계 자동화

• 고속 포장장비

• 검사 및 가공 스테이션

15. 평면 캠 인덱서

15.1 구조

평면 캠 또는 디스크 캠의 프로파일이 출력 터렛의 롤러를 구동한다.

15.2 특징

• 구조 이해가 비교적 쉽다.

• 특정 배치에서 얇고 평평한 구조를 만들 수 있다.

• 중소형 하중에 적합하다.

• 캠 프로파일의 정밀도와 롤러 예압이 중요하다.

16. 패럴렐 캠 인덱서

16.1 구조

평행한 두 개 이상의 캠이 출력축에 설치된 롤러를 양측에서 구동한다.

16.2 특징

• 출력축을 양방향에서 구속할 수 있다.

• 높은 정지강성과 낮은 백래시를 확보할 수 있다.

• 비교적 큰 하중을 전달할 수 있다.

• 조립 및 위상조정이 중요하다.

17. 롤러 기어 캠 인덱서

17.1 정의

롤러 기어 캠 인덱서는 캠과 다수의 롤러가 기어처럼 연속적으로 맞물리면서 출력축을 인덱싱하는 정밀기구이다.

17.2 특징

• 구름접촉 중심의 운동

• 낮은 마찰

• 높은 위치정밀도

• 높은 정지강성

• 긴 수명

• 고속운전 가능

• 예압을 통한 백래시 감소

17.3 주의사항

• 윤활상태가 중요하다.

• 롤러 베어링 수명을 검토해야 한다.

• 과부하 충격을 피해야 한다.

• 캠과 롤러 정렬이 중요하다.

18. 캠 인덱서의 운동선도

18.1 운동선도의 역할

운동선도는 인덱스 이동구간에서 출력축의 변위, 속도, 가속도 및 저크가 어떻게 변화하는지를 정의한다.

같은 인덱스 각도와 이동시간이라도 운동선도에 따라 다음 성능이 달라진다.

• 최대속도

• 최대가속도

• 최대구동토크

• 진동

• 충격

• 제품 흔들림

• 정지 후 안정시간

• 베어링과 캠 수명

18.2 등속운동

속도를 일정하게 유지하는 방식이다.

이론적으로는 단순하지만 시작과 종료 시 속도가 급격히 변하므로 큰 충격이 발생한다.

정밀 고속기구에는 적합하지 않다.

18.3 등가속·등감속 운동

이동구간 전반부에서 일정하게 가속하고 후반부에서 일정하게 감속한다.

등속운동보다 개선되지만 가속도 변화점에서 저크가 불연속적일 수 있다.

18.4 단순조화운동

사인 또는 코사인 관계를 이용하여 변위를 생성한다.

속도와 가속도가 비교적 부드럽지만 이동 시작과 종료점에서 가속도가 0이 아닐 수 있다.

18.5 사이클로이드 운동

이동 시작과 종료점에서 속도와 가속도를 0으로 만들 수 있다.

고속 인덱싱에 널리 사용되며 충격과 잔류진동을 줄이는 데 유리하다.

18.6 다항식 운동

3-4-5, 4-5-6-7 등의 다항식을 이용하여 변위, 속도, 가속도 및 저크를 부드럽게 연결한다.

정밀 서보 및 캠 설계에서 사용된다.

18.7 수정 사인 및 복합 운동선도

하중, 속도 및 정지 안정성을 최적화하기 위해 여러 운동선도를 조합한다.

19. 속도, 가속도 및 저크

19.1 출력 평균각속도

인덱스 각도를 θ_index, 이동시간을 t_index라고 하면 평균각속도는 다음과 같다.

ω_avg = θ_index / t_index

단, 각도는 라디안 단위를 사용하는 것이 적절하다.

19.2 실제 최대속도

실제 최대속도는 운동선도의 형태에 따라 평균속도보다 크게 나타난다.

따라서 모터와 캠을 선정할 때 평균속도만으로 판단해서는 안 된다.

19.3 각가속도

출력축과 테이블의 관성토크는 각가속도에 비례한다.

T_inertia = Iα

여기서,

• T_inertia: 관성토크

• I: 출력부의 질량관성모멘트

• α: 각가속도

19.4 저크

저크는 가속도의 시간 변화율이다.

j = dα / dt

저크가 크면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

• 기계 충격

• 진동

• 소음

• 제품 흔들림

• 체결부 풀림

• 롤러 및 베어링 피로

• 정지 후 긴 안정시간

20. 관성과 구동토크

20.1 질량관성모멘트

회전 테이블과 탑재물의 관성은 질량뿐 아니라 회전축으로부터의 거리에도 크게 영향을 받는다.

질량이 회전축에서 멀리 배치될수록 관성모멘트가 증가한다.

20.2 총 관성

출력축에 작용하는 총 관성은 다음 항목을 포함한다.

• 회전 테이블

• 지그와 치구

• 제품

• 출력축

• 커플링

• 기어와 풀리

• 회전 암

• 감속기 출력부

20.3 필요 구동토크

필요 구동토크는 개념적으로 다음과 같이 구성된다.

T_required
= T_inertia + T_friction + T_process + T_disturbance

여기서,

• T_inertia: 관성토크

• T_friction: 마찰토크

• T_process: 작업토크

• T_disturbance: 외란 및 충격토크

20.4 감속기의 영향

감속기를 사용하면 모터 측에서 보는 부하관성이 감속비의 제곱에 따라 감소한다.

그러나 다음 요소가 추가된다.

• 감속기 백래시

• 효율손실

• 비틀림 탄성

• 추가 관성

• 유지보수 요소

21. 정밀도 관련 개념

21.1 인덱스 정확도

명령 또는 설계된 목표 위치와 실제 정지위치 사이의 차이이다.

21.2 반복 위치정밀도

동일한 조건에서 같은 위치로 여러 번 이동했을 때 정지위치가 얼마나 일관되게 반복되는지를 나타낸다.

반복정밀도가 좋아도 절대 위치오차가 존재할 수 있다.

21.3 누적 피치오차

여러 인덱스 위치를 순차적으로 이동할 때 각 위치의 오차가 누적되는 현상이다.

21.4 백래시

운동방향이 반전될 때 입력이 움직여도 출력이 즉시 반응하지 않는 기계적 유격이다.

21.5 로스트 모션

기어 백래시뿐 아니라 다음 요소를 포함하는 전체적인 입력·출력 손실운동이다.

• 캠과 롤러 간극

• 베어링 유격

• 축 비틀림

• 커플링 탄성

• 하우징 변형

• 조인트 유격

21.6 정지 반복성

정지구간에서 공정하중이 작용해도 출력위치가 얼마나 안정적으로 유지되는지를 의미한다.

22. 정지강성과 잠금

22.1 정지강성

정지강성은 출력축이 정지한 상태에서 외부토크에 의해 얼마나 적게 변위하는지를 나타낸다.

정지강성이 낮으면 다음 문제가 발생한다.

• 가공 중 위치 이동

• 충진 위치 변화

• 조립오차

• 진동

• 제품 품질 편차

22.2 기계적 잠금 방식

• 캠 양면 구속

• 잠금 원판

• 인덱스 핀

• 테이퍼 잠금핀

• 허스 커플링

• 페이스 기어 클램프

• 디스크 브레이크

• 웨지 잠금

• 토글 잠금

22.3 인덱스 핀

출력 테이블이 목표 위치에 도달한 후 정밀 핀이 부시 또는 홀에 삽입되어 위치를 고정한다.

높은 정밀도와 강성을 얻을 수 있지만 다음 사항을 검토해야 한다.

• 핀 삽입 전 위치오차

• 핀 끝 형상

• 부시 마모

• 삽입 충격

• 이물질

• 해제 확인센서

22.4 허스 커플링

방사형 치형이 형성된 두 개의 원판을 축방향으로 맞물려 높은 반복정밀도와 강성을 얻는 위치결정 방식이다.

정밀 회전 테이블과 공작기계에 사용된다.

23. 서보 인덱싱

23.1 정의

서보 인덱싱은 서보 모터의 위치제어를 이용하여 출력축 또는 테이블을 원하는 각도와 시간으로 이동시키는 방식이다.

23.2 기본 구성

서보 모터
→ 커플링 또는 감속기
→ 출력 테이블
→ 엔코더 피드백
→ 위치제어기

23.3 장점

• 인덱스 각도를 자유롭게 변경할 수 있다.

• 이동시간과 정지시간을 프로그램할 수 있다.

• 제품별 레시피 대응이 가능하다.

• 속도와 가속도 프로파일을 변경할 수 있다.

• 정·역회전이 가능하다.

• 복수 위치와 불규칙 피치를 설정할 수 있다.

• 진단과 데이터 수집이 쉽다.

23.4 단점

• 제어시스템이 복잡하다.

• 모터와 드라이브 비용이 증가한다.

• 정지 중 외력에 대한 강성이 기계식 캠보다 낮을 수 있다.

• 감속기 백래시의 영향을 받을 수 있다.

• 안전제어와 브레이크가 필요할 수 있다.

• 전원 차단 시 위치 유지대책이 필요하다.

23.5 주요 적용

• 다품종 조립기계

• 가변 피치 포장기

• 로봇 셀

• 검사 테이블

• 가공 위치전환장치

• 유연생산시스템

24. 다이렉트 드라이브 인덱스 테이블

24.1 정의

다이렉트 드라이브 방식은 감속기 없이 토크 모터가 회전 테이블을 직접 구동하는 구조이다.

24.2 장점

• 감속기 백래시가 없다.

• 높은 위치정밀도를 확보할 수 있다.

• 고속 가감속이 가능하다.

• 기계부품 수가 적다.

• 유지보수 요소가 감소한다.

• 다양한 인덱스 패턴을 적용할 수 있다.

24.3 단점

• 큰 토크 모터와 드라이브가 필요하다.

• 모터 발열이 커질 수 있다.

• 큰 부하관성이 모터에 직접 작용한다.

• 정전 시 위치 유지장치가 필요할 수 있다.

• 높은 제어성능과 엔코더 정밀도가 필요하다.

25. 스테핑 모터 인덱싱

25.1 특징

스테핑 모터는 펄스 수에 비례하여 일정 각도씩 회전하므로 소형 인덱스 장치에 적용하기 쉽다.

25.2 장점

• 구조와 제어가 비교적 단순하다.

• 저비용 위치제어에 적합하다.

• 낮은 속도에서 높은 유지토크를 얻을 수 있다.

• 반복되는 일정 피치 이송에 적합하다.

25.3 단점

• 탈조 가능성이 있다.

• 고속토크가 감소한다.

• 공진과 진동이 발생할 수 있다.

• 폐루프 서보보다 부드러움이 떨어질 수 있다.

• 큰 관성부하에는 제한이 있다.

25.4 적용

• 소형 회전 테이블

• 라벨 공급기

• 소형 포장기

• 부품 공급기

• 간단한 필름 이송장치

26. 기계식과 서보식 인덱스의 비교

26.1 기계식 캠 인덱서

적합한 조건:

• 고속 반복사이클

• 고정된 인덱스 각도

• 높은 정지강성

• 높은 반복정밀도

• 대량생산

• 장기간 동일한 공정

장점:

• 기계적 동기성이 높다.

• 정지 중 강성이 높다.

• 복수 공정을 하나의 메인축으로 동기화할 수 있다.

• 반복운전에서 안정적이다.

단점:

• 운동조건 변경이 어렵다.

• 제품 변경 시 기구 교체가 필요할 수 있다.

• 캠 및 롤러의 정밀가공이 필요하다.

26.2 서보 인덱스

적합한 조건:

• 제품 변경이 잦은 장비

• 다양한 인덱스 각도

• 가변 사이클

• 불규칙한 위치배열

• 데이터 기반 제어

장점:

• 프로그램 변경으로 운동을 수정할 수 있다.

• 개별 공정을 독립적으로 제어할 수 있다.

• 진단과 모니터링이 쉽다.

단점:

• 제어가 복잡하다.

• 정지강성을 별도로 확보해야 할 수 있다.

• 감속기와 브레이크의 영향을 받는다.

26.3 하이브리드 방식

서보 모터와 기계식 캠 또는 잠금장치를 결합할 수 있다.

예:

서보 모터
→ 캠 인덱서
→ 회전 테이블

또는 다음과 같이 구성할 수 있다.

서보 모터
→ 회전 테이블
→ 정밀 인덱스 핀
→ 작업 중 기계적 잠금

이 방식은 서보의 유연성과 기계식 잠금의 강성을 결합한다.

27. 인덱스 테이블

27.1 정의

인덱스 테이블은 작업물을 여러 공정 위치로 순차 이동시키는 회전식 플랫폼이다.

27.2 주요 구성

• 회전 테이블

• 인덱스 구동장치

• 중심축

• 베어링

• 하우징

• 지그와 치구

• 잠금장치

• 위치센서

• 안전커버

27.3 테이블 형식

• 수평 회전 테이블

• 수직 다이얼 테이블

• 링형 인덱스 테이블

• 중공 회전 테이블

• 리프트 앤드 인덱스 테이블

• 정밀 클램프 테이블

27.4 주요 검토사항

• 테이블 직경

• 스테이션 수

• 탑재하중

• 편심하중

• 관성모멘트

• 인덱스 시간

• 정지시간

• 반복정밀도

• 정지강성

• 공정하중

• 베어링 수명

• 배선과 배관

28. 직선 인덱스 기구

28.1 정의

직선 인덱스 기구는 제품이나 지그를 일정한 직선거리만큼 단계적으로 이동시키는 장치이다.

28.2 주요 유형

• 워킹 빔

• 리프트 앤드 캐리

• 팔렛 체인 인덱스

• 캠 구동 직선 인덱스

• 서보 벨트 인덱스

• 랙과 피니언 인덱스

• 공압 실린더 인덱스

28.3 워킹 빔

제품이나 팔렛을 들어 올린 후 전진시키고 다시 내려놓는 방식이다.

기본 순서

상승
→ 전진
→ 하강
→ 복귀

장점

• 이송 중 제품 마찰을 줄일 수 있다.

• 공정 위치에서 안정적으로 지지할 수 있다.

• 일정 피치 이송에 적합하다.

단점

• 링크와 캠 구조가 복잡할 수 있다.

• 상하 및 전후운동의 동기화가 필요하다.

• 설치높이가 증가할 수 있다.

28.4 팔렛 인덱스 컨베이어

체인, 타이밍 벨트 또는 리니어 모듈로 팔렛을 일정 피치씩 이송한다.

버퍼, 정지장치 및 위치결정핀을 함께 사용할 수 있다.

29. 위치센서 및 검출

29.1 원점센서

기구의 기준위치를 설정한다.

29.2 인덱스 완료센서

출력부가 목표 위치에 도달했는지 확인한다.

29.3 잠금 확인센서

인덱스 핀이나 클램프가 완전히 작동했는지 확인한다.

29.4 해제 확인센서

테이블이 이동하기 전에 잠금장치가 해제되었는지 확인한다.

29.5 제품 검출센서

제품의 존재, 방향 및 위치를 확인한다.

29.6 토크 및 과부하 검출

모터 전류, 토크 센서 또는 기계식 토크 리미터를 이용하여 걸림과 과부하를 감지한다.

30. 과부하 보호

30.1 과부하 원인

• 제품 걸림

• 지그 간섭

• 제품 이중 공급

• 잠금핀 미해제

• 베어링 손상

• 이물질

• 공정하중 증가

• 비상정지 중 관성 충격

30.2 보호 방식

• 토크 리미터

• 슬립 클러치

• 전단핀

• 서보 토크 제한

• 모터 전류 감시

• 기계식 스토퍼

• 충격흡수 커플링

• 안전 클러치

30.3 토크 리미터

설정토크를 초과하면 구동부와 출력부 사이의 동력전달을 차단하거나 미끄러지게 한다.

과부하 해제 후 자동복귀형과 수동복귀형이 있다.

31. 충격과 진동

31.1 주요 발생원인

• 급격한 가속과 감속

• 높은 저크

• 기계적 백래시

• 핀과 슬롯 충돌

• 캠과 롤러의 접촉 불량

• 테이블 편심

• 제품 배치 불균형

• 프레임 강성 부족

• 공진

31.2 저감 방법

• 부드러운 운동선도 적용

• 이동시간 증가

• 출력부 경량화

• 질량을 회전중심 가까이 배치

• 프리로드 적용

• 프레임 강성 증가

• 충격흡수장치 적용

• 동적 균형

• 정밀 조립

• 감쇠재 및 방진마운트 적용

31.3 정지 안정시간

출력부가 목표 위치에 도달한 후 진동이 허용범위 이내로 감소하는 데 필요한 시간이다.

정지 안정시간이 길면 실제 공정에 사용할 수 있는 정지시간이 감소한다.

32. 베어링 및 축 설계

32.1 출력축 하중

출력축에는 다음 하중이 작용할 수 있다.

• 방사하중

• 축방향하중

• 전도모멘트

• 편심하중

• 충격하중

• 반복하중

32.2 베어링 구성

• 앵귤러 콘택트 볼 베어링

• 테이퍼 롤러 베어링

• 크로스 롤러 베어링

• 원통 롤러 베어링

• 4점 접촉 베어링

• 턴테이블 베어링

32.3 중공축

배선, 공압호스, 진공라인 또는 센서를 회전중심으로 통과시키기 위해 중공출력축을 사용할 수 있다.

이 경우 다음을 검토해야 한다.

• 케이블 굽힘

• 로터리 조인트

• 슬립링

• 공압 로터리 유니온

• 방수와 세척

• 정비 접근성

33. 윤활 및 밀봉

33.1 주요 윤활부

• 캠과 롤러

• 기어 맞물림

• 출력축 베어링

• 제네바 핀과 슬롯

• 래칫 치형

• 링크와 부시

• 체인과 스프로킷

33.2 윤활 방식

• 오일 배스

• 그리스 윤활

• 순환 윤활

• 자동 급유

• 밀폐형 베어링

• 무급유 부시

33.3 밀봉

다음 오염물의 유입을 방지해야 한다.

• 분진

• 세척수

• 제품 조각

• 금속분

• 세제

• 부식성 액체

주요 밀봉 방식은 다음과 같다.

• 오일 씰

• 립 씰

• 라비린스 씰

• O링

• 가스켓

• 벨로즈

• 밀폐 하우징

34. 재료 및 표면처리

34.1 캠

필요 특성:

• 높은 표면경도

• 접촉피로 저항

• 내마모성

• 치수안정성

적용 가능한 재료와 처리는 다음과 같다.

• 합금강

• 침탄

• 질화

• 고주파 열처리

• 정밀연삭

34.2 롤러

• 베어링강

• 열처리강

• 정밀연삭

• 고경도 표면

34.3 제네바 핀과 슬롯

충격과 면압에 견딜 수 있는 재료와 충분한 표면경도가 필요하다.

34.4 테이블 및 하우징

• 탄소강

• 주철

• 알루미늄 합금

• 스테인리스강

• 용접 프레임

강성, 진동감쇠, 중량 및 부식성을 함께 고려한다.

35. 간헐 및 인덱스 기구의 선정 절차

35.1 작업 기능 정의

• 회전 위치전환

• 직선 피치이송

• 제품 분리

• 필름 이송

• 팔렛 이동

• 공정 정지

• 조립 위치결정

• 검사 위치전환

35.2 출력조건 정의

• 인덱스 각도 또는 거리

• 스테이션 수

• 이동시간

• 정지시간

• 사이클 속도

• 회전방향

• 반복 위치정밀도

• 정지강성

35.3 하중조건 분석

• 탑재질량

• 질량관성모멘트

• 편심하중

• 공정토크

• 축방향하중

• 전도모멘트

• 충격하중

• 비상정지하중

35.4 기구형식 비교

• 제네바

• 래칫

• 간헐기어

• 캠 인덱서

• 서보 인덱스

• 다이렉트 드라이브

• 워킹 빔

• 공압식 인덱스

35.5 운동특성 검토

• 속도

• 가속도

• 저크

• 정지 안정시간

• 운동선도

• 잔류진동

• 동기성

35.6 정밀도 검토

• 인덱스 정확도

• 반복 위치정밀도

• 백래시

• 로스트 모션

• 누적 피치오차

• 정지 중 변위

35.7 환경조건 검토

• 온도

• 분진

• 수분

• 세척

• 부식

• 식품 접촉

• 클린룸

• 진공

• 폭발위험

35.8 유지보수 검토

• 윤활 접근

• 캠과 롤러 교체

• 센서 조정

• 토크 리미터 복구

• 베어링 교체

• 분해공간

• 청소

• 예비부품

35.9 최종 검증

• 운동 시뮬레이션

• 관성 및 토크 계산

• 구조해석

• 베어링 수명

• 반복정밀도 시험

• 최대하중 시험

• 과부하 시험

• 비상정지 시험

• 장기 내구시험

36. 주요 고장 형태

36.1 제네바 기구

• 구동핀 마모

• 슬롯 마모

• 슬롯 모서리 파손

• 잠금면 마모

• 백래시 증가

• 충격 피로

• 축과 베어링 손상

36.2 래칫 기구

• 래칫 치형 마모

• 폴 끝단 파손

• 스프링 피로

• 역회전

• 치형 건너뜀

• 축 유격

• 충돌소음 증가

36.3 캠 인덱서

• 캠 표면 피팅

• 롤러 베어링 손상

• 캠과 롤러의 스코어링

• 예압 감소

• 백래시 증가

• 윤활 부족

• 출력축 베어링 손상

• 하우징 변형

36.4 서보 인덱스

• 엔코더 오류

• 감속기 백래시 증가

• 모터 과열

• 커플링 풀림

• 브레이크 마모

• 제어 파라미터 불량

• 통신오류

• 탈조 또는 위치추종오차

36.5 공통 고장원인

• 과부하

• 제품 걸림

• 윤활 부족

• 오염

• 축 정렬 불량

• 과도한 가속도

• 프레임 강성 부족

• 베어링 수명 초과

• 조립오차

• 센서 오작동

37. 유지보수 및 점검

37.1 일상 점검

• 이상 소음

• 진동

• 온도 상승

• 윤활 누유

• 반복 위치 변화

• 사이클 시간 변화

• 센서 작동

• 잠금장치 작동

• 제품 걸림

• 안전커버 상태

37.2 정기 점검

• 캠과 롤러 접촉면

• 제네바 핀과 슬롯

• 래칫 치형

• 출력축 유격

• 베어링 상태

• 커플링 체결

• 토크 리미터

• 브레이크

• 인덱스 핀과 부시

• 테이블 수평도

37.3 정밀도 점검

• 각 스테이션 위치오차

• 반복 위치정밀도

• 누적 피치오차

• 축 흔들림

• 테이블 런아웃

• 정지 중 변위

• 백래시

37.4 상태기반 보전

다음 항목을 이용할 수 있다.

• 진동

• 온도

• 모터 전류

• 구동토크

• 엔코더 위치오차

• 사이클 시간

• 윤활유 상태

• 소음

• 베어링 주파수 분석

38. 안전설계

38.1 끼임 및 충돌 위험

인덱스 테이블과 고정 프레임 사이에는 끼임점과 전단점이 형성된다.

필요한 보호조치는 다음과 같다.

• 고정식 가드

• 인터록 도어

• 안전거리

• 라이트커튼

• 안전 스캐너

• 비상정지

• 안전속도

• 토크 제한

38.2 예상하지 못한 재시작

제품 걸림을 제거하거나 센서를 복구한 후 기계가 갑자기 재시작하지 않도록 해야 한다.

38.3 저장에너지

다음 에너지가 남아 있을 수 있다.

• 회전체 관성

• 압축공기

• 유압압력

• 스프링

• 수직하중

• 브레이크 해제력

38.4 정비 잠금

정비 시 전기, 공압, 유압 및 중력에너지를 차단하고 기계적으로 잠가야 한다.

39. 식품기계에서의 간헐 및 인덱스 기구

식품기계에서는 인덱싱 성능뿐 아니라 위생성, 세척성, 부식 및 윤활유 오염을 함께 고려해야 한다.

39.1 주요 위생 요구사항

• 식품 잔류물이 축적되지 않는 구조

• 세척 가능한 개방구조

• 깊은 틈새 최소화

• 수평면 최소화

• 배수 가능한 표면

• 윤활부와 식품구역의 분리

• 밀폐형 하우징

• 내식성 재료

• 세척 후 건조 가능

• 공구 없이 교체 가능한 포맷 부품

39.2 캠 인덱서

캠과 롤러는 윤활이 필요하므로 밀폐 하우징 내부에 배치하고 식품구역과 분리하는 것이 바람직하다.

39.3 스타 휠

제품 형상에 직접 접촉하므로 다음을 고려해야 한다.

• 식품용 플라스틱 또는 스테인리스강

• 공구 없는 교체

• 개방형 포켓

• 세척 가능한 가이드

• 배수구조

• 제품 손상 방지

39.4 이스케이프먼트

제품 잔류물이 스토퍼 주변에 축적되지 않도록 구조를 단순화해야 한다.

공압 배기공기가 식품에 직접 닿지 않도록 배기방향도 검토해야 한다.

39.5 체인 및 래칫

노출된 윤활체인과 래칫은 직접 식품구역에서 가급적 피하고, 별도의 구동구역 또는 위생커버 내부에 배치한다.

39.6 주요 적용

• 용기 충진 위치 인덱싱

• 육가공 제품 분배

• 트레이 공급

• 포장 필름 간헐이송

• 실링과 절단 위치 정지

• 제품 검사 테이블

• 용기 캡핑

• 제품 배출 분배

• 라벨 위치결정

40. 적용 사례

40.1 회전식 충진기 인덱스 테이블

서보 모터 또는 캠 인덱서
→ 회전 테이블
→ 용기 지그
→ 충진 위치

주요 검토사항:

• 스테이션 수

• 인덱스 각도

• 충진 정지시간

• 액체 흔들림

• 테이블 관성

• 세척성

• 용기 감지

• 넘침 방지

40.2 포장 필름 간헐이송

서보 모터
→ 이송 롤러
→ 포장 필름
→ 실링 및 절단 위치

주요 검토사항:

• 필름 이송피치

• 장력

• 인쇄마크 센서

• 슬립

• 가속도

• 필름 늘어남

• 정지정밀도

40.3 자동조립 인덱스 테이블

기어드 모터
→ 캠 인덱서
→ 회전 테이블
→ 다수의 조립 스테이션

주요 검토사항:

• 공정시간

• 최대 공정하중

• 지그 반복정밀도

• 정지강성

• 과부하 보호

• 작업자 안전

• 불량품 배출

40.4 제품 이스케이프먼트

진동 피더
→ 이중 스토퍼
→ 한 개씩 제품 배출
→ 조립위치 공급

주요 검토사항:

• 제품 겹침

• 공급압력

• 스토퍼 마모

• 제품 손상

• 센서 위치

• 공압 응답시간

• 걸림 복구

40.5 스타 휠 용기 이송

인피드 스크루
→ 스타 휠
→ 충진 또는 캡핑 공정
→ 아웃피드 스타 휠

주요 검토사항:

• 용기 피치

• 포켓 형상

• 가이드 간격

• 제품 변경성

• 공구 없는 교체

• 동기화

• 세척성

40.6 워킹 빔 이송장치

캠 또는 서보 구동
→ 상승
→ 전진
→ 하강
→ 복귀

주요 검토사항:

• 이송 피치

• 팔렛 중량

• 상승높이

• 위치결정

• 링크 간섭

• 사이클 속도

• 낙하방지

41. 간헐 및 인덱스 기구의 해석도구

41.1 CAD 모션해석

다음 항목을 확인할 수 있다.

• 운동범위

• 간섭

• 속도

• 가속도

• 저크

• 조인트 반력

• 정지시간

• 제품 궤적

41.2 다물체 동역학 해석

• 테이블 관성

• 캠과 롤러 접촉력

• 베어링 하중

• 구동토크

• 충격

• 진동

41.3 유한요소해석

• 캠 접촉응력

• 터렛 변형

• 출력축 강도

• 하우징 강성

• 테이블 변형

• 고유진동수

• 피로수명

41.4 제어 시뮬레이션

서보 인덱스에서는 다음을 검토할 수 있다.

• 위치추종오차

• 속도 프로파일

• 토크 피크

• 정지 안정시간

• 공진

• 제어 게인

• 비상정지 응답

42. 결론

간헐기구는 연속적인 입력운동을 이동과 정지가 반복되는 출력운동으로 변환하며, 인덱스 기구는 출력부를 정해진 위치까지 정확하게 이동시킨 후 안정적으로 유지하는 장치이다.

제네바 기구는 구조가 단순하고 경제적이지만 고속에서 충격과 진동이 커질 수 있다. 래칫과 폴은 단계이송과 역회전 방지에 적합하지만 정밀도와 고속성에는 한계가 있다. 스타 휠과 이스케이프먼트는 제품의 분리와 일정 피치 공급에 효과적이다.

캠 인덱서는 정해진 운동선도에 따라 부드러운 가속과 감속을 구현하며, 높은 반복정밀도와 정지강성을 확보할 수 있다. 따라서 고속 포장기계, 자동조립기 및 정밀 회전 테이블에 적합하다.

서보 인덱스는 인덱스 각도, 이동시간 및 운동 프로파일을 프로그램으로 변경할 수 있어 다품종 생산과 유연한 자동화에 유리하다. 그러나 높은 정지강성이 필요한 경우에는 인덱스 핀, 브레이크 또는 기계적 클램프를 함께 적용해야 할 수 있다.

간헐 및 인덱스 기구는 다음 순서로 설계하고 선정하는 것이 바람직하다.

작업 기능 정의
→ 인덱스 각도 또는 이송거리 결정
→ 스테이션 수와 사이클 시간 결정
→ 이동시간과 정지시간 배분
→ 하중과 관성 계산
→ 기구형식 선정
→ 운동선도와 가감속 특성 검토
→ 구동토크와 베어링 하중 계산
→ 위치정밀도와 정지강성 검토
→ 과부하 보호와 안전설계
→ 윤활·유지보수·위생성 검토
→ 시뮬레이션 및 내구시험

적절하게 설계된 간헐 및 인덱스 기구는 기계의 생산속도, 위치정밀도, 공정 동기성, 안정성 및 유지보수성을 향상시키는 핵심 구성요소가 된다.