1. 개요

링크기구는 여러 개의 강체 링크를 회전 조인트, 직선 조인트 또는 기타 기계적 조인트로 연결하여 입력운동을 원하는 출력운동과 궤적으로 변환하는 기구이다.

일반적으로 모터, 실린더 또는 작업자가 제공하는 단순한 회전운동이나 직선운동을 다음과 같은 운동으로 바꾸기 위해 사용한다.

• 제한된 각도의 요동운동

• 직선 왕복운동

• 평행 개폐운동

• 특정한 곡선 궤적

• 비대칭 왕복운동

• 힘이 증폭된 클램핑운동

• 여러 작업부의 동기운동

• 자세를 유지하는 이동운동

링크기구의 기본적인 기능 흐름은 다음과 같다.

구동원
→ 입력 링크
→ 연결 링크
→ 운동 및 힘의 전달
→ 출력 링크
→ 작업부 운동

예를 들어 모터의 연속회전을 포장재 접기 암의 요동운동으로 변환하는 장치는 다음과 같이 구성할 수 있다.

모터의 회전운동
→ 감속기
→ 입력 크랭크
→ 커플러 링크
→ 출력 로커
→ 접기 암의 요동운동

링크기구는 캠기구와 달리 대부분의 운동 전달이 회전 조인트나 직선 조인트를 통해 이루어진다. 따라서 적절하게 설계하면 접촉면의 미끄럼과 마모를 줄이고, 비교적 큰 하중을 전달할 수 있다.

그러나 링크 길이, 조인트 위치 및 프레임 배치에 따라 출력운동이 크게 달라지므로 체계적인 운동학적 해석이 필요하다.

2. 링크기구의 기본 용어

2.1 링크

링크는 기구를 구성하는 비교적 강성이 높은 부재이다.

링크는 이상적인 운동학 해석에서는 변형되지 않는 강체로 가정하지만, 실제 설계에서는 굽힘, 비틀림, 인장, 압축 및 좌굴이 발생할 수 있다.

대표적인 링크 형태는 다음과 같다.

• 직선 막대형 링크

• 판형 링크

• 삼각형 링크

• 레버형 링크

• 크랭크

• 로커

• 슬라이더

• 링크와 축이 일체화된 구조

하나의 링크가 두 개 이상의 조인트를 가질 수도 있다.

2.2 고정 링크

고정 링크는 기구의 기준이 되는 프레임 또는 베이스이다.

고정 링크는 움직이지 않으며, 다른 링크의 회전축이나 가이드를 지지한다.

하나의 기구에서 어떤 링크를 고정하느냐에 따라 같은 링크 조합이라도 전혀 다른 운동이 발생할 수 있다.

2.3 입력 링크

입력 링크는 모터, 실린더, 작업자 또는 다른 기구로부터 운동을 받아 링크기구에 전달한다.

대표적인 입력 링크는 다음과 같다.

• 연속회전 크랭크

• 제한각 회전 레버

• 직선 이동 슬라이더

• 캠에 의해 구동되는 로커

• 실린더와 연결된 링크

2.4 출력 링크

출력 링크는 링크기구에서 생성된 최종 운동을 작업부로 전달한다.

출력 형태는 다음과 같이 다양하다.

• 연속회전

• 요동운동

• 직선 왕복운동

• 평행 이동

• 곡선 궤적운동

• 클램핑운동

2.5 커플러 링크

커플러 링크는 입력 링크와 출력 링크를 연결하는 중간 링크이다.

커플러 링크의 특정 지점은 일반적으로 복잡한 곡선 궤적을 그리는데, 이를 커플러 곡선이라고 한다.

커플러 곡선을 이용하면 다음과 같은 운동을 생성할 수 있다.

• 직선에 가까운 궤적

• 타원형 궤적

• 정지에 가까운 구간을 포함하는 궤적

• 빠른 복귀 궤적

• 제품을 들어 올린 후 이동시키는 궤적

2.6 조인트 또는 운동쌍

조인트는 두 링크를 연결하면서 상대운동을 허용하는 부분이다.

기계학에서는 조인트를 운동쌍 또는 키네마틱 페어라고도 한다.

3. 조인트의 유형

3.1 회전 조인트

회전 조인트는 두 링크가 하나의 축을 중심으로 상대 회전하도록 한다.

대표적인 구성은 다음과 같다.

• 핀과 부시

• 축과 베어링

• 힌지

• 피벗

• 볼트와 슬리브

회전 조인트는 평면 링크기구에서 가장 일반적으로 사용된다.

설계 검토사항

• 핀 전단응력

• 핀 굽힘응력

• 부시 면압

• 조인트 유격

• 윤활

• 축방향 이탈 방지

• 반복 피로

• 부식과 오염

3.2 직선 조인트

직선 조인트는 두 링크 사이에 하나의 방향으로만 직선 상대운동을 허용한다.

대표적인 구성은 다음과 같다.

• 슬라이더와 가이드

• LM 가이드

• 샤프트와 리니어 부시

• 도브테일 가이드

• 슬롯과 블록

직선 조인트는 크랭크·슬라이더, 더블 슬라이더 및 직선 이송 기구에 사용된다.

3.3 구면 조인트

구면 조인트는 하나의 중심을 기준으로 여러 방향의 회전을 허용한다.

대표적인 구성은 다음과 같다.

• 볼 조인트

• 구면 베어링

• 로드 엔드 베어링

구면 조인트는 공간 링크기구, 로봇, 조향장치 및 조립오차를 흡수해야 하는 기구에 사용된다.

3.4 원통 조인트

원통 조인트는 동일한 축을 중심으로 회전운동과 직선운동을 함께 허용한다.

텔레스코픽 샤프트나 특정 공간기구에 적용할 수 있다.

3.5 나사 조인트

나사 조인트는 회전운동과 축방향 직선운동이 일정한 리드 관계로 결합된 조인트이다.

조정 링크, 클램핑 장치 및 미세 위치조정 기구에 사용된다.

3.6 고차 운동쌍

두 링크가 면이 아닌 선 또는 점 형태로 접촉하는 운동쌍이다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 캠과 팔로어

• 기어 맞물림

• 롤러와 트랙

• 핀과 슬롯의 일부 접촉

일반적인 링크기구는 주로 회전 및 직선 조인트와 같은 저차 운동쌍으로 구성된다.

4. 링크기구의 자유도

4.1 자유도의 개념

자유도는 기구의 위치를 완전히 결정하기 위해 필요한 독립적인 입력변수의 수를 의미한다.

일반적인 단일 구동 링크기구는 자유도가 1이다.

예를 들어 4절 링크는 입력 크랭크의 회전각 하나가 정해지면 나머지 링크의 위치가 결정되므로 자유도가 1이다.

4.2 평면기구의 자유도 계산

평면기구의 자유도는 일반적으로 다음 식을 이용하여 계산할 수 있다.

M = 3(N − 1) − 2J₁ − J₂

여기서,

• M: 기구의 자유도

• N: 고정 링크를 포함한 전체 링크 수

• J₁: 회전 조인트나 직선 조인트와 같은 1자유도 저차 운동쌍의 수

• J₂: 캠 접촉과 같은 고차 운동쌍의 수

4.3 4절 링크의 자유도

4절 링크는 다음과 같이 구성된다.

• 전체 링크 수: N = 4

• 회전 조인트 수: J₁ = 4

• 고차 운동쌍: J₂ = 0

따라서,

M = 3(4 − 1) − 2(4) = 1

즉, 하나의 입력으로 전체 기구를 구동할 수 있다.

4.4 구속조건과 과구속

자유도 계산식은 링크와 조인트가 이상적으로 구성되었다는 가정에 기반한다.

실제 기구에서는 다음과 같은 이유로 계산값과 실제 동작이 달라질 수 있다.

• 중복된 구속

• 축 정렬 불량

• 조인트 변형

• 링크 탄성

• 조립오차

• 공간적인 비틀림

• 유격

과구속 기구는 이론적으로는 움직일 수 있더라도 실제 제작오차 때문에 걸림이나 과도한 베어링 하중이 발생할 수 있다.

5. 링크기구의 기본 분류

링크기구는 링크 수, 조인트 유형, 운동 형태 및 기능에 따라 분류할 수 있다.

5.1 링크 수에 따른 분류

• 4절 링크

• 5절 링크

• 6절 링크

• 8절 링크

• 다절 링크

• 병렬 링크기구

5.2 조인트 유형에 따른 분류

• 회전 조인트 링크기구

• 회전·직선 조인트 혼합기구

• 구면 조인트 공간기구

• 슬롯 링크기구

• 나사 조인트 포함 기구

5.3 출력운동에 따른 분류

• 회전운동 생성기구

• 요동운동 생성기구

• 직선 왕복운동 생성기구

• 평행운동 생성기구

• 궤적 생성기구

• 힘 증폭기구

• 간헐운동 생성기구

5.4 기능에 따른 분류

• 운동 변환 링크

• 궤적 생성 링크

• 자세 유지 링크

• 운동 확대·축소 링크

• 클램핑 링크

• 빠른 복귀 링크

• 다축 동기 링크

• 하중 균형 링크

6. 4절 링크기구

6.1 정의

4절 링크기구는 네 개의 링크를 네 개의 회전 조인트로 연결한 가장 기본적인 폐쇄형 링크기구이다.

구성요소는 다음과 같다.

• 고정 링크

• 입력 링크

• 커플러 링크

• 출력 링크

4절 링크는 단순한 구조로 다양한 회전, 요동 및 궤적운동을 생성할 수 있기 때문에 기계설계에서 가장 널리 사용된다.

6.2 링크 명칭

크랭크

고정 링크에 대해 완전히 회전할 수 있는 링크이다.

로커

고정 링크에 대해 제한된 각도 범위에서만 요동하는 링크이다.

커플러

입력 링크와 출력 링크를 연결하는 부동 링크이다.

프레임

두 개의 고정 회전축 사이를 연결하는 고정 링크이다.

7. 그라쇼프 조건

7.1 정의

그라쇼프 조건은 4절 링크에서 하나 이상의 링크가 완전회전할 수 있는지를 판단하는 기본 조건이다.

가장 짧은 링크를 s, 가장 긴 링크를 l, 나머지 링크를 p와 q라고 하면 다음 조건을 사용한다.

s + l ≤ p + q

7.2 그라쇼프 링크기구

다음 조건을 만족하면 그라쇼프 링크기구이다.

s + l < p + q

적절한 링크를 고정하면 최소한 하나의 링크가 완전회전할 수 있다.

7.3 그라쇼프 한계조건

다음과 같은 경우를 변화점 기구 또는 체인지 포인트 메커니즘이라고 한다.

s + l = p + q

특정 위치에서 링크들이 일직선으로 배열될 수 있으며, 운동 방향이 불확실하거나 특이점이 발생할 수 있다.

7.4 비그라쇼프 링크기구

다음 조건에서는 어떤 링크도 고정 링크에 대해 완전회전할 수 없다.

s + l > p + q

일반적으로 더블 로커 형태가 된다.

8. 4절 링크의 주요 유형

8.1 크랭크·로커 기구

가장 짧은 링크에 인접한 링크를 고정하면, 짧은 링크는 연속회전하고 반대쪽 출력 링크는 요동한다.

입력과 출력

• 입력: 연속회전

• 출력: 제한각 요동

주요 적용

• 와이퍼

• 요동식 피더

• 포장재 접기 암

• 댐퍼 작동기

• 펌프 로커

• 제품 밀어내기 장치

8.2 더블 크랭크 기구

가장 짧은 링크를 고정하면 양쪽 인접 링크가 모두 완전회전할 수 있다.

주요 특성

• 입력과 출력 모두 회전운동

• 회전속도는 일정하지 않을 수 있음

• 두 회전축의 위상관계를 기계적으로 연결

주요 적용

• 기관차 연결봉

• 평행 크랭크

• 다축 동기장치

• 회전 이송장치

8.3 더블 로커 기구

입력 링크와 출력 링크가 모두 제한된 범위에서 요동한다.

주요 적용

• 현가장치

• 도어 힌지기구

• 로봇 관절 링크

• 요동식 클램프

• 조절 레버

8.4 평행사변형 링크

서로 마주보는 링크 길이가 각각 같은 4절 링크이다.

출력 링크가 입력 링크와 평행한 자세를 유지한다.

주요 기능

• 자세 유지

• 평행 이동

• 동일 각도 전달

• 작업물 방향 유지

주요 적용

• 평행 그리퍼

• 리프팅 테이블

• 조명 스탠드

• 로봇 말단 자세 유지

• 평행 도어

8.5 역평행사변형 링크

서로 마주보는 링크의 길이는 같지만 링크가 교차하도록 구성한 기구이다.

입력과 출력의 회전 방향을 반대로 만들거나 특수한 궤적을 생성하는 데 사용된다.

8.6 사다리꼴 링크

대향 링크의 길이가 서로 다른 비평행 4절 링크이다.

자동차 조향장치의 아커만 링크처럼 좌우 출력각을 다르게 만들기 위해 사용할 수 있다.

9. 크랭크·슬라이더 기구

9.1 정의

크랭크·슬라이더는 하나의 회전 조인트를 직선 조인트로 변경한 4절 링크의 변형이다.

크랭크의 회전운동을 슬라이더의 직선 왕복운동으로 변환하거나, 반대로 직선 왕복운동을 회전운동으로 변환한다.

9.2 주요 구성요소

• 프레임

• 크랭크

• 연결봉

• 슬라이더

• 회전 조인트

• 직선 가이드

9.3 스트로크

중심형 크랭크·슬라이더에서 크랭크 반경을 r이라고 하면 전체 스트로크는 다음과 같다.

S = 2r

9.4 슬라이더 위치

연결봉 길이를 l, 크랭크 각도를 θ라고 하면 슬라이더 위치는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

x = r cosθ + √(l² − r²sin²θ)

이 식을 시간에 대해 미분하면 속도와 가속도를 구할 수 있다.

9.5 오프셋 크랭크·슬라이더

슬라이더의 이동 중심선과 크랭크 회전중심을 일정 거리만큼 어긋나게 배치한 기구이다.

오프셋을 적용하면 다음과 같은 특성을 얻을 수 있다.

• 전진과 복귀 시간의 차이

• 특정 구간의 속도 조절

• 공간 배치 개선

• 데드센터 위치 변경

9.6 주요 적용

• 엔진

• 압축기

• 왕복 펌프

• 기계식 프레스

• 절단기

• 충진기

• 왕복식 이송장치

10. 더블 슬라이더 기구

10.1 정의

더블 슬라이더 기구는 두 개의 직선 조인트를 포함하는 폐쇄형 링크기구이다.

입력과 출력 링크 중 두 개가 각각 다른 방향으로 직선운동을 수행한다.

10.2 주요 유형

• 타원 트래멀

• 스카치 요크

• 올덤 커플링의 운동학적 구조

• 교차 슬라이더

10.3 타원 트래멀

서로 직각인 두 가이드에서 움직이는 슬라이더를 하나의 링크로 연결한다.

연결 링크 위의 특정 점은 타원 궤적을 그린다.

적용

• 타원 작도기

• 특수 궤적 생성기

• 교육용 기구

• 윤곽 가공 보조기구

10.4 스카치 요크

회전하는 크랭크 핀이 슬롯 내에서 이동하며 요크를 왕복시킨다.

출력 변위는 다음과 같이 표현할 수 있다.

x = r cosθ

장점

• 구조가 단순함

• 부품 수가 적음

• 콤팩트한 왕복기구

• 단순조화운동에 가까운 출력

단점

• 핀과 슬롯의 미끄럼 마찰

• 접촉면 마모

• 고속에서 충격과 발열

• 윤활 필요

11. 크랭크·로커 및 요동 링크

11.1 작동 원리

연속회전하는 입력 크랭크가 커플러를 통해 출력 로커를 왕복 회전시킨다.

출력 로커의 요동각은 다음 항목에 의해 결정된다.

• 입력 크랭크 길이

• 커플러 길이

• 출력 로커 길이

• 고정축 사이의 거리

• 조립 위치

11.2 운동 특성

입력축이 일정한 속도로 회전해도 출력 로커의 각속도는 일정하지 않다.

출력 로커는 양 끝 위치에서 순간적으로 정지하고 중간 구간에서 속도가 증가한다.

11.3 주요 적용

• 제품 밀기

• 포장재 접기

• 도어 개폐

• 스윙 노즐

• 와이퍼

• 요동식 절단기

• 작업물 반전장치

12. 빠른 복귀 링크기구

12.1 정의

빠른 복귀 기구는 작업행정과 복귀행정의 소요시간을 다르게 만드는 링크기구이다.

일반적으로 작업행정은 비교적 느리게 진행하고, 부하가 없는 복귀행정은 빠르게 수행한다.

12.2 주요 유형

• 크랭크·슬롯 레버 기구

• 오프셋 크랭크·슬라이더

• 휘트워스 빠른 복귀기구

• 드래그 링크형 빠른 복귀기구

12.3 시간비

빠른 복귀비는 일반적으로 다음과 같이 정의할 수 있다.

빠른 복귀비 = 작업행정 시간 / 복귀행정 시간

복귀행정이 더 빠른 경우 이 비는 1보다 크다.

12.4 주요 적용

• 셰이퍼

• 슬롯터

• 기계식 절단기

• 프레스 공급기

• 왕복 가공장치

13. 토글 링크기구

13.1 정의

토글 기구는 두 개의 링크가 거의 일직선으로 펴질 때 매우 큰 기계적 이득을 발생시키는 링크기구이다.

작은 입력력으로 큰 출력력을 얻기 때문에 클램핑, 금형 잠금 및 가압기구에 사용된다.

13.2 작동 원리

두 링크가 일직선에 가까워질수록 출력 이동량은 감소하고 출력력은 증가한다.

이상적인 기구에서는 완전한 일직선 위치에서 기계적 이득이 매우 커지지만, 실제 출력력은 다음 요소에 의해 제한된다.

• 링크 탄성변형

• 조인트 유격

• 프레임 강성

• 핀과 부시 강도

• 구동원 최대하중

• 마찰

13.3 데드센터와 오버센터

링크가 완전히 일직선이 되는 위치를 데드센터라고 한다.

데드센터를 약간 넘어가도록 설계하면 외력이 작용해도 쉽게 풀리지 않는 오버센터 잠금상태를 만들 수 있다.

13.4 주요 적용

• 토글 클램프

• 사출성형기 금형 잠금

• 포장 실링장치

• 도어 잠금장치

• 기계식 프레스

• 지그와 고정구

14. 평행 링크기구

14.1 정의

평행 링크기구는 이동하는 출력 링크의 각도를 일정하게 유지하거나 입력 링크와 평행한 자세를 유지하는 기구이다.

14.2 주요 기능

• 물체의 수평 자세 유지

• 평행 개폐

• 상하 이동 중 방향 유지

• 회전각 복제

• 두 작업부의 동기운동

14.3 주요 유형

• 평행사변형 링크

• 팬터그래프

• 평행 그리퍼 링크

• 평행 리프트 링크

• 스콧 러셀형 직선운동 링크

14.4 주요 적용

• 평행 그리퍼

• 작업대 승강장치

• 로봇 말단 자세 유지

• 포장재 파지장치

• 의료기기 암

• 조명 및 모니터 암

15. 팬터그래프

15.1 정의

팬터그래프는 여러 개의 링크를 평행사변형 형태로 연결하여 한 점의 운동을 확대, 축소 또는 복제하는 기구이다.

15.2 운동비

입력점과 고정점 사이의 거리비에 따라 출력 궤적의 확대율 또는 축소율이 결정된다.

이상적인 팬터그래프에서 출력 궤적은 입력 궤적과 기하학적으로 유사하다.

15.3 주요 기능

• 운동 확대

• 운동 축소

• 궤적 복사

• 평행 이동

• 접근거리 확대

15.4 주요 적용

• 도면 확대·축소기

• 승강장치

• 전차 집전장치

• 로봇 매니퓰레이터

• 확장형 지지대

• 가위식 링크장치

16. 가위식 링크기구

16.1 정의

가위식 링크는 여러 쌍의 교차 링크를 연속적으로 연결하여 짧은 입력 이동으로 큰 승강 또는 확장 거리를 얻는 기구이다.

16.2 주요 특성

• 접힌 상태에서 높이가 낮음

• 큰 수직 이동거리 확보 가능

• 비교적 큰 하중 지지 가능

• 상승 위치에 따라 기계적 이득 변화

• 초기 상승 시 큰 구동력이 필요할 수 있음

16.3 주요 적용

• 시저 리프트

• 승강 작업대

• 차량 리프트

• 컨베이어 높이 조절

• 병원용 침대

• 확장형 플랫폼

16.4 설계 검토사항

• 링크 압축 및 좌굴

• 중앙 핀의 전단과 굽힘

• 하부 슬라이더 하중

• 구동 실린더 위치

• 최저 위치에서의 구동력

• 측면 흔들림

• 안전 스토퍼

• 낙하방지장치

17. 직선운동 생성 링크기구

17.1 개요

회전 조인트만으로 완전한 직선운동을 생성하는 것은 일반적으로 복잡하지만, 특정 링크 비율을 이용하면 직선 또는 직선에 가까운 궤적을 만들 수 있다.

17.2 주요 유형

• 포셀리에·리프킨 링크

• 와트 직선운동기구

• 체비셰프 링크

• 호킨 직선운동기구

• 스콧 러셀 기구

• 로버츠 링크

17.3 정확 직선기구

포셀리에 링크와 같은 기구는 기하학적으로 정확한 직선 궤적을 생성할 수 있다.

그러나 부품 수가 많고 설치공간이 크기 때문에 현대 기계에서는 제한적으로 사용된다.

17.4 근사 직선기구

와트 링크와 체비셰프 링크는 특정 구간에서 직선에 가까운 궤적을 생성한다.

구조가 비교적 단순하여 현가장치, 가이드 및 보행기구에 사용할 수 있다.

1

8. 6절 링크기구

18.1 정의

6절 링크기구는 여섯 개의 링크를 조합한 폐쇄형 링크기구이다.

4절 링크보다 복잡한 궤적과 속도 특성을 만들 수 있다.

18.2 주요 유형

• 와트형 6절 링크

• 스티븐슨형 6절 링크

• 복합 4절 링크

• 다중 루프 링크기구

18.3 주요 기능

• 복잡한 커플러 궤적 생성

• 긴 정지구간 생성

• 입력과 출력 사이의 비선형 운동비 형성

• 빠른 접근과 느린 작업행정

• 자세 제어

• 링크 기반 픽앤플레이스 운동

18.4 장점

• 하나의 입력으로 복잡한 출력운동 구현

• 캠보다 접촉응력과 미끄럼을 줄일 수 있음

• 높은 하중 전달 가능

• 기계적 동기화 가능

18.5 단점

• 운동학 해석이 복잡함

• 조인트 유격 누적

• 링크 간 간섭 가능성

• 부품 수와 조립비 증가

• 동적 균형 검토가 어려움

19. 8절 및 다절 링크기구

19.1 정의

8절 이상의 다절 링크는 복수의 폐쇄 루프와 여러 출력 링크를 사용하여 매우 복잡한 운동을 생성한다.

19.2 주요 적용

• 로봇 그리퍼

• 보행 로봇

• 포장기 픽앤플레이스 장치

• 차량 현가장치

• 항공기 랜딩기어

• 접이식 구조

• 변형 가능한 기계구조

19.3 설계상의 특징

다절 링크는 복잡한 운동을 순수 기계적으로 구현할 수 있지만 다음 항목을 체계적으로 관리해야 한다.

• 자유도

• 특이점

• 조립 가능성

• 링크 간 충돌

• 조인트 공차

• 동적 하중

• 윤활 및 유지보수

• 제조원가

20. 공간 링크기구

20.1 정의

공간 링크기구는 링크와 조인트가 하나의 평면이 아닌 3차원 공간에서 움직이는 기구이다.

20.2 주요 조인트

• 회전 조인트

• 직선 조인트

• 구면 조인트

• 유니버설 조인트

• 원통 조인트

• 나사 조인트

20.3 주요 유형

• 유니버설 조인트

• 로봇 매니퓰레이터

• 스튜어트 플랫폼

• 공간 4절 링크

• 구면 4절 링크

• 차량 조향 및 현가 링크

20.4 장점

• 3차원 자세와 위치 제어 가능

• 복잡한 공간 경로 생성 가능

• 여러 방향의 하중 전달 가능

20.5 단점

• 운동학 및 동역학 해석이 복잡함

• 조립오차 영향이 큼

• 특이점 분석 필요

• 공간 간섭 검토가 어려움

21. 병렬 링크기구

21.1 정의

병렬 링크기구는 하나의 출력 플랫폼을 여러 개의 독립된 링크 체인이 병렬로 지지하고 구동하는 기구이다.

21.2 대표적인 구조

• 델타 로봇

• 스튜어트 플랫폼

• 병렬 그리퍼

• 5절 병렬 링크

• 패러렐 매니퓰레이터

21.3 장점

• 높은 구조 강성

• 낮은 이동부 질량

• 빠른 운동 가능

• 높은 위치 반복정밀도

• 하중 분산

21.4 단점

• 작업공간이 제한적임

• 순기구학 또는 역기구학이 복잡함

• 특이점이 존재함

• 링크 간 간섭 가능성

• 정밀한 조립과 보정 필요

21.5 주요 적용

• 고속 픽앤플레이스 로봇

• 시뮬레이터

• 정밀 위치조정 플랫폼

• 공작기계

• 검사장비

• 식품 포장 로봇

22. 링크기구의 위치해석

22.1 목적

위치해석은 입력 링크의 위치가 주어졌을 때 나머지 링크의 위치와 출력 링크의 각도를 구하는 과정이다.

주요 해석결과는 다음과 같다.

• 각 링크의 각도

• 조인트 좌표

• 출력 변위

• 커플러 점의 궤적

• 운동 가능범위

• 데드센터 위치

22.2 그래픽 해석

도면에서 링크 길이와 회전각을 이용하여 기하학적으로 위치를 구하는 방식이다.

장점

• 원리를 이해하기 쉬움

• 초기 설계 검토에 유용

• CAD 스케치로 빠르게 확인 가능

단점

• 높은 정밀도 확보가 어려움

• 반복 계산이 불편함

• 최적화에 부적합함

22.3 해석적 방법

삼각함수, 벡터 및 복소수 방정식을 이용하여 링크 위치를 계산한다.

4절 링크의 폐루프 벡터식은 개념적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

r₁ + r₂ + r₃ + r₄ = 0

또는 고정 링크를 기준으로 다음과 같이 표현할 수 있다.

입력 링크 벡터 + 커플러 벡터
= 고정 링크 벡터 + 출력 링크 벡터

22.4 수치해석

비선형 연립방정식을 반복 계산하여 링크 위치를 구한다.

복잡한 다절 링크 및 공간기구에서는 수치해석과 컴퓨터 시뮬레이션이 일반적으로 사용된다.

23. 속도해석

23.1 목적

속도해석은 입력 링크의 각속도가 주어졌을 때 다음 항목을 계산한다.

• 출력 링크 각속도

• 조인트 선속도

• 슬라이더 속도

• 커플러 점 속도

• 상대속도

23.2 상대속도 관계

회전하는 링크 위 두 점 A와 B의 속도관계는 다음과 같이 표현할 수 있다.

v_B = v_A + ω × r_B/A

여기서,

• v_A: 점 A의 속도

• v_B: 점 B의 속도

• ω: 링크의 각속도

• r_B/A: A에서 B로 향하는 위치벡터

23.3 순간중심법

평면운동을 하는 링크는 특정 순간에 어떤 한 점을 중심으로 회전한다고 볼 수 있다.

이 점을 순간회전중심이라고 한다.

순간중심법은 4절 링크의 속도비와 각속도를 그래픽하게 분석하는 데 유용하다.

24. 가속도해석

24.1 목적

가속도해석은 링크 및 조인트에 작용하는 관성력을 평가하기 위해 필요하다.

계산 대상은 다음과 같다.

• 접선가속도

• 법선가속도

• 코리올리 가속도

• 슬라이더 가속도

• 출력 링크 각가속도

24.2 회전 링크의 가속도

회전 링크 위 점 B의 가속도는 다음 성분으로 구성된다.

a_B = a_A + α × r_B/A − ω²r_B/A

여기서,

• α × r: 접선가속도

• ω²r: 법선 또는 구심가속도

24.3 코리올리 가속도

회전하는 링크의 슬롯 안에서 슬라이더가 상대 이동하는 경우 코리올리 가속도가 발생한다.

a_c = 2ωv_r

여기서,

• ω: 슬롯 링크의 각속도

• v_r: 슬롯에 대한 슬라이더의 상대속도

크랭크·슬롯 레버 및 일부 빠른 복귀기구에서 중요하다.

25. 커플러 곡선과 궤적 생성

25.1 커플러 곡선

커플러 링크 위의 특정 점이 입력 링크의 운동에 따라 그리는 궤적을 커플러 곡선이라고 한다.

같은 링크기구에서도 점의 위치를 바꾸면 전혀 다른 궤적을 얻을 수 있다.

25.2 주요 궤적 유형

• 폐곡선

• 타원형 궤적

• 직선 근사구간

• 정지에 가까운 구간

• 루프형 궤적

• 비대칭 왕복궤적

25.3 활용 사례

• 제품 픽업과 이송

• 포장재 접기

• 제품 밀어내기

• 보행기구의 발 궤적

• 절단날 동기 이동

• 용기 반전

• 부품 조립경로

26. 전달각

26.1 정의

전달각은 일반적으로 4절 링크에서 커플러 링크와 출력 링크 사이의 예각을 의미한다.

전달각은 입력 링크에서 출력 링크로 힘이 얼마나 효율적으로 전달되는지를 판단하는 중요한 지표이다.

26.2 이상적인 전달각

전달각이 90도에 가까울수록 출력 링크에 유효하게 전달되는 힘 성분이 커진다.

전달각이 지나치게 작아지면 다음 문제가 발생한다.

• 출력토크 감소

• 조인트 반력 증가

• 마찰 증가

• 진동

• 걸림

• 링크와 베어링 수명 저하

26.3 설계 고려사항

전체 운전범위에서 최소 전달각을 확인해야 한다.

정확한 허용범위는 속도, 하중 및 용도에 따라 달라지지만 고하중 기구에서는 전달각이 지나치게 작아지는 구간을 피하는 것이 중요하다.

27. 데드센터와 특이점

27.1 데드센터

입력 링크와 커플러 또는 커플러와 출력 링크가 일직선이 되어 운동 전달능력이 급격히 변하는 위치이다.

데드센터에서는 다음 현상이 발생할 수 있다.

• 출력속도 0

• 운동 방향 반전

• 매우 큰 기계적 이득

• 구동방향 불확실

• 기구 잠금

27.2 특이점

특이점은 기구의 자유도, 속도비 또는 힘 전달특성이 정상적인 상태와 달라지는 위치이다.

병렬 링크와 로봇기구에서는 특이점에서 다음 문제가 발생할 수 있다.

• 특정 방향의 제어 상실

• 매우 큰 조인트 속도

• 강성 저하

• 예상하지 못한 움직임

• 구동 토크 증가

27.3 설계 대응

• 운전범위에서 특이점 제외

• 기계적 스토퍼 적용

• 링크 길이 조정

• 추가 구속 또는 보조 링크 적용

• 센서와 제어 인터록 적용

• 오버센터를 의도적으로 활용하는 경우 안전성 검토

28. 기계적 이득

28.1 정의

기계적 이득은 입력력에 대한 출력력의 비율이다.

기계적 이득 = 출력력 / 입력력

링크기구의 기계적 이득은 링크 각도에 따라 계속 변할 수 있다.

28.2 속도비와 힘의 관계

에너지 손실을 무시하면 입력동력과 출력동력은 같다.

입력력 × 입력속도
≈ 출력력 × 출력속도

따라서 출력속도가 낮아지는 위치에서는 출력력이 증가할 수 있다.

28.3 적용

• 토글 클램프

• 프레스 링크

• 레버형 클램프

• 가위식 리프트

• 금형 잠금장치

29. 링크기구의 운동 합성

29.1 정의

운동 합성은 요구되는 출력운동을 만족하도록 링크 길이, 조인트 위치 및 기구형식을 결정하는 과정이다.

29.2 함수 생성

입력각과 출력각 사이에 특정한 관계를 만들기 위한 설계이다.

예:

• 입력 90도 회전 시 출력 30도 요동

• 입력축 회전과 출력축 비선형 관계

• 밸브 개도와 레버각 관계

29.3 경로 생성

커플러 점이 지정된 여러 위치를 통과하도록 링크를 설계한다.

• 픽앤플레이스 궤적

• 접기 암 궤적

• 제품 우회 이송경로

29.4 운동 생성

출력 링크가 특정 위치와 자세를 동시에 만족하도록 설계한다.

• 작업물을 수평 자세로 이동

• 그리퍼가 제품에 특정 각도로 접근

• 포장재를 이동하면서 회전

29.5 정밀점

요구되는 함수 또는 궤적을 정확하게 만족해야 하는 설계 위치를 정밀점이라고 한다.

정밀점 사이에서는 일정한 구조오차가 발생할 수 있다.

30. 링크 길이 선정

30.1 주요 검토항목

• 요구 출력 스트로크

• 요동각

• 속도비

• 설치공간

• 전달각

• 데드센터

• 링크 간 간섭

• 프레임 위치

• 조인트 반력

• 제작가능성

30.2 링크 길이비

절대 길이보다 링크 길이의 비율이 운동 특성에 큰 영향을 미친다.

전체 크기를 동일 비율로 확대하면 이론적인 각도관계는 유지되지만 다음 항목은 달라진다.

• 링크 질량

• 관성모멘트

• 굽힘변형

• 필요한 구동토크

• 고유진동수

• 설치공간

31. 동역학 및 하중해석

31.1 정적 하중

저속으로 작동하거나 정지상태에서 큰 힘을 전달하는 기구에서는 정적 하중해석이 중요하다.

검토항목은 다음과 같다.

• 링크 축력

• 굽힘모멘트

• 핀 전단력

• 부시 면압

• 프레임 반력

• 구동토크

31.2 관성하중

고속 기구에서는 링크의 질량과 가속도에 의해 관성력이 발생한다.

F_inertia = ma

회전 링크의 관성토크는 다음과 같다.

T_inertia = Iα

여기서,

• I: 질량관성모멘트

• α: 각가속도

31.3 동적 균형

회전 및 왕복 링크의 관성력은 진동과 프레임 하중을 발생시킨다.

대응 방법은 다음과 같다.

• 카운터웨이트

• 대칭 링크 배치

• 두 기구의 위상 반대 배치

• 링크 경량화

• 가속도 저감

• 프레임 강성 향상

• 방진 마운트

31.4 조인트 반력

조인트 반력은 링크의 강도뿐 아니라 핀, 부시 및 베어링 수명을 결정한다.

최대 작업하중만이 아니라 관성력과 충격하중을 포함하여 계산해야 한다.

32. 링크의 구조설계

32.1 인장과 압축

직선형 링크는 주로 인장 또는 압축하중을 받는다.

압축 링크는 좌굴을 검토해야 한다.

32.2 굽힘

작용선과 링크 중심선이 일치하지 않거나 중간부에 하중이 작용하면 굽힘이 발생한다.

32.3 비틀림

공간기구나 편심하중이 작용하는 링크는 비틀림을 받을 수 있다.

32.4 피로

반복 작동하는 링크는 평균응력과 변동응력을 함께 고려한 피로설계가 필요하다.

응력집중이 발생하기 쉬운 위치는 다음과 같다.

• 핀 구멍

• 단면 변화부

• 용접부

• 나사부

• 키홈

• 날카로운 코너

32.5 단면 형태

• 평판형

• 원형봉

• 사각 파이프

• 원형 파이프

• I형 또는 채널형

• 박스형

• 리브 보강형

중량을 줄이면서 강성을 확보하기 위해 중공 단면과 리브 구조를 사용할 수 있다.

33. 핀과 부시 설계

33.1 핀에 작용하는 하중

• 단일 전단

• 이중 전단

• 굽힘

• 면압

• 반복하중

• 충격하중

33.2 부시의 역할

부시는 핀과 링크 사이에서 마찰과 마모를 줄이고 교체 가능한 마모부품 역할을 한다.

33.3 주요 부시 유형

• 청동 부시

• 소결함유 부시

• 폴리머 부시

• 복합재 부시

• 스테인리스 부시

• 니들 베어링

• 구면 부시

33.4 설계 검토사항

• 허용 면압

• 미끄럼 속도

• PV값

• 윤활

• 조립공차

• 축 정렬

• 사용온도

• 세척과 부식

• 교체성

34. 유격과 백래시

34.1 유격의 영향

링크 조인트의 유격은 다음 문제를 일으킬 수 있다.

• 출력 위치오차

• 충격

• 소음

• 진동

• 반복정밀도 저하

• 핀과 부시 마모 가속

• 하중 분포 불균일

34.2 유격 저감 방법

• 정밀 핀과 리머 구멍

• 교체형 부시

• 예압 베어링

• 이중 링크

• 스프링 예압

• 테이퍼 핀

• 조정형 부시

• 구면 베어링 적용

34.3 열팽창과 끼워맞춤

유격을 지나치게 작게 하면 온도 상승, 오염 및 조립오차 때문에 기구가 걸릴 수 있다.

사용온도와 재료의 열팽창계수를 고려하여 적절한 공차를 설정해야 한다.

35. 마찰과 윤활

35.1 주요 마찰부

• 핀과 부시

• 슬라이더와 가이드

• 슬롯과 핀

• 로드 엔드 베어링

• 링크와 와셔

• 씰 접촉부

35.2 윤활 방식

• 그리스 윤활

• 오일 윤활

• 자동 급유

• 고체 윤활

• 무급유 부시

• 밀폐형 베어링

35.3 윤활 설계

다음 항목을 검토해야 한다.

• 윤활 접근성

• 급유 주기

• 누유 방지

• 오염 유입 방지

• 사용온도

• 하중과 속도

• 식품용 윤활제 필요성

36. 링크기구의 재료

36.1 탄소강

강도, 가격 및 가공성의 균형이 좋아 일반 산업기계의 링크에 널리 사용된다.

36.2 합금강

고강도, 내피로성 및 내마모성이 필요한 핀, 축 및 고하중 링크에 사용된다.

36.3 스테인리스강

부식, 세척수 및 식품 접촉 가능성이 있는 환경에 사용된다.

36.4 알루미늄 합금

이동부 질량을 줄이고 고속응답을 높이기 위해 사용한다.

강성과 피로강도를 충분히 검토해야 한다.

36.5 엔지니어링 플라스틱

저하중 링크, 가이드, 부시 및 경량기구에 사용할 수 있다.

대표적인 재료는 다음과 같다.

• POM

• PA

• PEEK

• UHMW-PE

• PTFE 복합재

36.6 복합재료

탄소섬유 복합재는 높은 비강성과 낮은 관성이 필요한 고속 링크에 사용할 수 있다.

조인트 삽입부와 체결부의 국부강도를 별도로 검토해야 한다.

37. 링크기구의 구동방식

37.1 모터 구동

• 인덕션 모터

• 브레이크 모터

• 서보 모터

• 스테핑 모터

• 기어드 모터

모터의 회전운동은 크랭크, 편심축 또는 캠축을 통해 링크기구로 전달된다.

37.2 공압 실린더 구동

구조가 단순하고 빠른 왕복운동에 적합하다.

링크기구와 결합하면 다음 기능을 구현할 수 있다.

• 평행 그리퍼

• 토글 클램프

• 회전 개폐

• 양측 동기운동

• 힘 증폭

37.3 유압 실린더 구동

큰 힘과 부드러운 속도제어가 필요한 링크기구에 적용한다.

37.4 수동 구동

• 핸드 레버

• 페달

• 핸드 크랭크

• 손잡이

• 캠 레버

인체공학, 조작력 및 끼임 방지를 고려해야 한다.

37.5 스프링 및 중력 구동

복귀, 하중 보상 및 접촉력 유지를 위해 사용한다.

38. 기계식 링크와 서보제어의 비교

38.1 기계식 링크기구

장점:

• 하나의 구동원으로 여러 운동 동기화 가능

• 반복성이 높음

• 제어구조가 단순함

• 큰 하중 전달 가능

• 고속 반복작업에 적합

단점:

• 운동 변경이 어려움

• 제품 변경 시 링크 치수나 조정 필요

• 조인트 마모와 유격 발생

• 복잡한 궤적 변경에 한계

38.2 서보 직접구동

장점:

• 운동 프로파일 변경이 쉬움

• 제품별 레시피 적용 가능

• 위치, 속도 및 토크 제어 가능

• 기계부품 수 감소 가능

• 진단과 데이터 수집 용이

단점:

• 모터와 제어시스템 비용 증가

• 전기 및 소프트웨어 복잡성 증가

• 안전제어 필요

• 고하중에서는 감속기나 보조기구 필요

38.3 하이브리드 방식

서보 모터와 링크기구를 조합하면 다음 장점을 얻을 수 있다.

• 링크기구의 힘 전달능력

• 서보의 가변 운동

• 전자 캠 기능

• 제품 변경 대응

• 기계적 동기성

예:

서보 모터
→ 크랭크
→ 4절 링크
→ 접기 암

39. 링크기구의 선정 절차

39.1 작업 기능 정의

• 회전

• 왕복

• 요동

• 평행 이동

• 궤적 생성

• 클램핑

• 승강

• 제품 이송

• 자세 유지

39.2 출력운동 정의

• 이동거리

• 회전각

• 스트로크

• 궤적

• 속도

• 가속도

• 정지시간

• 반복주기

• 반복정밀도

39.3 하중조건 분석

• 정하중

• 관성하중

• 충격하중

• 편심하중

• 반복하중

• 마찰저항

• 비상하중

39.4 기구형식 비교

• 4절 링크

• 크랭크·슬라이더

• 더블 슬라이더

• 빠른 복귀기구

• 토글

• 팬터그래프

• 가위식 링크

• 6절 링크

• 병렬 링크

39.5 운동학 검토

• 자유도

• 링크 위치

• 속도

• 가속도

• 전달각

• 데드센터

• 특이점

• 궤적 오차

• 링크 간 간섭

39.6 동역학 검토

• 구동토크

• 관성력

• 조인트 반력

• 진동

• 충격

• 동적 균형

• 프레임 하중

39.7 구조 및 수명 검토

• 링크 강도

• 좌굴

• 피로

• 핀 전단

• 부시 면압

• 베어링 수명

• 프레임 변형

• 체결부 풀림

39.8 환경 검토

• 온도

• 수분

• 분진

• 부식

• 세척

• 식품 접촉

• 진공

• 클린룸

• 폭발 위험

39.9 유지보수 검토

• 윤활 접근

• 핀과 부시 교체

• 링크 조정

• 유격 측정

• 분해공간

• 안전커버

• 고장 진단

39.10 최종 검증

• CAD 운동 시뮬레이션

• 간섭 검토

• 유한요소해석

• 시제품 시험

• 반복수명 시험

• 최대하중 시험

• 비상정지 시험

• 세척성 검증

40. 주요 고장 형태

40.1 링크 파손

• 인장 파손

• 압축 좌굴

• 굽힘 파손

• 피로균열

• 용접부 균열

• 핀 구멍 변형

40.2 핀과 부시 손상

• 핀 마모

• 부시 마모

• 면압에 의한 소성변형

• 윤활 부족

• 부식

• 핀 이탈

• 고착

40.3 조인트 유격 증가

유격이 증가하면 위치정밀도와 반복정밀도가 저하되고 충격과 소음이 증가한다.

40.4 링크 변형

과하중이나 프레임 강성 부족으로 링크가 영구 변형되면 기구의 궤적과 전달각이 바뀔 수 있다.

40.5 체결부 풀림

반복 진동으로 볼트, 너트, 스냅링 및 고정나사가 풀릴 수 있다.

40.6 베어링 손상

• 피로 박리

• 윤활 부족

• 과도한 축 정렬오차

• 충격

• 오염

• 부식

• 과열

40.7 공통 고장원인

• 과부하

• 조립오차

• 정렬 불량

• 윤활 부족

• 오염

• 공진

• 과속

• 프레임 강성 부족

• 부적절한 재료

• 안전율 부족

41. 유지보수 및 점검

41.1 정기 점검항목

• 이상 소음

• 진동

• 링크 변형

• 핀과 부시 유격

• 볼트 풀림

• 윤활상태

• 균열

• 부식

• 출력 스트로크 변화

• 반복 위치오차

• 안전커버 상태

41.2 유격 측정

다음 위치의 유격을 주기적으로 확인해야 한다.

• 회전 핀

• 부시

• 로드 엔드

• 슬라이더

• 슬롯

• 베어링

• 조정 링크

41.3 예방보전 부품

• 핀

• 부시

• 베어링

• 로드 엔드

• 스냅링

• 체결볼트

• 윤활제

• 씰

• 스프링

41.4 상태기반 보전

다음 항목을 센서 또는 계측기로 관리할 수 있다.

• 진동

• 소음

• 구동모터 전류

• 구동토크

• 위치오차

• 사이클 시간

• 베어링 온도

• 유격 증가

• 프레임 변형

42. 안전설계

42.1 끼임과 전단 위험

링크기구에는 링크 사이, 링크와 프레임 사이 및 회전축 주변에 끼임점과 전단점이 형성된다.

다음 보호조치가 필요하다.

• 고정식 커버

• 인터록 도어

• 안전거리

• 라이트커튼

• 양수조작

• 비상정지

• 속도 제한

42.2 예상하지 못한 운동

데드센터 통과, 중력하중 및 저장된 스프링 에너지로 인해 예상하지 못한 움직임이 발생할 수 있다.

42.3 낙하방지

수직 승강 링크에는 다음 장치를 검토해야 한다.

• 기계식 스토퍼

• 브레이크

• 잠금핀

• 체크밸브

• 세이프티 너트

• 이중 지지

• 낙하방지 래치

42.4 유지보수 잠금

정비 중 기구가 움직이지 않도록 에너지 차단 및 잠금절차를 적용해야 한다.

43. 식품기계에서의 링크기구

식품기계의 링크기구는 운동 성능뿐 아니라 위생성, 세척성, 부식 및 오염방지를 함께 고려해야 한다.

43.1 주요 위생 요구사항

• 식품 잔류물이 축적되지 않는 단순한 형상

• 깊은 틈새와 겹침부 최소화

• 수평면 최소화

• 배수 가능한 표면

• 세척 가능한 조인트

• 윤활유 누출 방지

• 식품 접촉부와 구동부 분리

• 부식에 강한 재료

• 공구 없이 분리 가능한 구조

• 세척 후 건조가 쉬운 구조

43.2 링크의 배치

가능하면 링크와 조인트를 직접 식품구역 밖에 배치하고, 작업부만 위생구역으로 연결하는 것이 바람직하다.

43.3 핀과 부시

• 스테인리스 핀

• 식품용 무급유 부시

• 밀폐형 베어링

• 식품용 그리스

• 외부 나사산 최소화

• 분해 세척 가능한 구조

43.4 중공 링크

중공 링크를 사용하는 경우 내부로 세척수가 침투하지 않도록 완전 밀폐하거나, 반대로 완전 개방하고 배수 가능하도록 설계해야 한다.

불완전하게 밀폐된 중공 구조는 오염과 부식의 원인이 될 수 있다.

43.5 주요 적용 사례

• 충진 노즐 승강

• 절단날 왕복운동

• 포장재 접기

• 실링 조 개폐

• 평행 그리퍼

• 제품 밀어내기

• 용기 반전

• 육류 성형 프레스

• 제품 분리 스토퍼

• 검사장치

44. 적용 사례

44.1 포장재 접기 기구

서보 모터 또는 캠축
→ 입력 크랭크
→ 4절 링크
→ 접기 암
→ 포장재 접기

주요 검토사항:

• 접기 궤적

• 제품 간섭

• 포장재 손상

• 속도와 가속도

• 링크 유격

• 조정범위

• 세척성

44.2 평행 그리퍼

공압 실린더
→ 중앙 링크 또는 웨지
→ 좌우 평행 링크
→ 그리퍼 핑거

주요 검토사항:

• 개폐 스트로크

• 파지력

• 좌우 동기성

• 평행도

• 제품 손상

• 조인트 유격

• 센서 배치

44.3 왕복 절단장치

모터
→ 감속기
→ 크랭크·슬라이더
→ 절단날

주요 검토사항:

• 스트로크

• 절단력

• 사이클 속도

• 관성력

• 측압

• 진동

• 안전커버

44.4 토글 클램핑 장치

실린더
→ 구동 레버
→ 토글 링크
→ 클램프

주요 검토사항:

• 클램핑력

• 오버센터 거리

• 링크 응력

• 핀 면압

• 해제력

• 비상해제

• 반복수명

44.5 가위식 승강장치

유압 또는 전동 액추에이터
→ 가위 링크
→ 승강 플랫폼

주요 검토사항:

• 최저 위치 구동력

• 최대하중

• 좌굴

• 측면 안정성

• 낙하방지

• 플랫폼 수평도

• 핀 수명

44.6 제품 픽앤플레이스 링크

서보 모터
→ 6절 링크
→ 그리퍼
→ 제품 이송

주요 검토사항:

• 커플러 궤적

• 정지구간

• 제품 자세

• 속도와 저크

• 링크 간 간섭

• 반복정밀도

• 동적 균형

45. 링크기구용 해석 및 설계 도구

45.1 CAD 운동해석

CAD의 모션 기능을 이용하여 다음 항목을 확인할 수 있다.

• 조립 가능성

• 운동범위

• 링크 간 간섭

• 궤적

• 속도

• 가속도

• 조인트 반력

45.2 다물체 동역학 해석

복잡한 링크의 관성력, 접촉력 및 구동토크를 분석한다.

45.3 유한요소해석

• 링크 응력

• 핀 구멍 응력집중

• 프레임 변형

• 좌굴

• 피로

• 고유진동수

45.4 최적화

다음 설계변수를 대상으로 최적화를 수행할 수 있다.

• 링크 길이

• 조인트 위치

• 커플러 점

• 전달각

• 최대 구동토크

• 궤적 오차

• 중량

• 응력

46. 결론

링크기구는 여러 개의 링크와 조인트를 조합하여 단순한 입력운동을 필요한 출력운동, 힘 및 궤적으로 변환하는 대표적인 기계기구이다.

4절 링크는 가장 기본적인 링크기구로서 회전운동, 요동운동 및 커플러 궤적을 생성할 수 있다. 크랭크·슬라이더는 회전운동과 직선 왕복운동을 상호 변환하며, 토글 링크는 데드센터 부근에서 큰 힘을 발생시킨다.

평행 링크와 팬터그래프는 물체의 자세를 유지하거나 운동을 확대·축소하는 데 사용된다. 6절 및 다절 링크는 더욱 복잡한 궤적, 비대칭 운동, 정지구간 및 픽앤플레이스 운동을 구현할 수 있다.

링크기구의 설계에서는 단순히 링크의 형태만 결정해서는 안 된다. 자유도, 그라쇼프 조건, 전달각, 데드센터, 특이점, 속도, 가속도, 관성력, 조인트 반력, 유격, 마찰, 강성 및 피로수명을 함께 검토해야 한다.

따라서 링크기구는 다음과 같은 순서로 설계하고 선정하는 것이 바람직하다.

작업 기능 정의
→ 출력운동 및 궤적 정의
→ 기구형식 선정
→ 자유도와 운동범위 검토
→ 링크 길이 및 조인트 위치 결정
→ 위치·속도·가속도 해석
→ 전달각·데드센터·특이점 검토
→ 하중·구동토크·조인트 반력 해석
→ 링크·핀·부시·프레임 강도 검토
→ 안전성·유지보수성·위생성 검토
→ 시뮬레이션 및 시제품 시험

링크기구를 올바르게 설계하면 하나의 단순한 구동원으로 복잡한 운동을 안정적으로 구현할 수 있으며, 기계의 생산성, 정밀도, 내구성, 안전성 및 유지보수성을 함께 향상시킬 수 있다.