1. 개요

안내기구는 기계의 이동부가 설계자가 의도한 방향과 궤적을 따라 움직이도록 지지하고 유도하는 기계요소 또는 기계구조이다.

구속기구는 이동부가 허용된 운동 이외의 방향으로 움직이지 못하도록 자유도를 제한하는 구조이다.

두 기구는 서로 밀접하게 연결되어 있다.

예를 들어 리니어 가이드는 테이블이 한 방향으로 이동하도록 안내하면서 다음 운동을 동시에 구속한다.

• 횡방향 이동

• 수직방향 이동

• 피칭 회전

• 요잉 회전

• 롤링 회전

즉, 하나의 직선 자유도만 허용하고 나머지 자유도를 제한하는 것이다.

안내기구와 구속기구의 기본적인 역할은 다음과 같다.

하중 지지
→ 허용 운동 정의
→ 불필요한 자유도 구속
→ 위치와 자세 유지
→ 마찰과 유격 관리
→ 정밀하고 안정적인 운동 구현

대표적인 적용 사례는 다음과 같다.

• 공작기계 이송 테이블

• 자동화 설비의 직선축

• 슬라이딩 도어

• 프레스 램

• 컨베이어 측면 가이드

• 승강장치

• 로봇 직선축

• 포장기계의 필름 가이드

• 실린더 로드 안내

• 회전축 베어링 지지

• 제품 정렬 및 위치결정

안내기구의 성능은 단순히 움직임을 가능하게 하는 것만으로 판단할 수 없다. 실제 설계에서는 다음 요소를 함께 검토해야 한다.

• 허용 자유도

• 구속 자유도

• 하중 방향

• 정밀도

• 강성

• 마찰

• 유격

• 예압

• 속도

• 가속도

• 수명

• 윤활

• 오염

• 조립오차

• 유지보수성

2. 안내와 구속의 기본 개념

2.1 안내

안내는 이동체가 정해진 경로를 따라 움직이도록 방향과 위치를 유지하는 기능이다.

대표적인 안내 형태는 다음과 같다.

• 직선 안내

• 회전 안내

• 곡선 안내

• 나선 안내

• 평면 안내

• 공간 경로 안내

2.2 구속

구속은 물체의 자유도를 제한하는 기능이다.

예를 들어 평면상에서 움직이는 물체는 다음과 같은 자유도를 가질 수 있다.

• X축 이동

• Y축 이동

• Z축 이동

• X축 회전

• Y축 회전

• Z축 회전

3차원 공간에서 강체는 총 6개의 자유도를 가진다.

기계의 이동부가 X축 방향으로만 이동해야 한다면 나머지 5개 자유도를 구속해야 한다.

2.3 안내와 구속의 관계

안내기구는 허용할 운동을 정의하고, 구속기구는 허용하지 않을 운동을 제한한다.

따라서 실제 기계요소는 대부분 두 기능을 동시에 가진다.

예:

• 리니어 가이드: 직선운동 안내 + 회전 및 측방향 구속

• 베어링: 회전운동 안내 + 축 중심 위치 구속

• 키와 키홈: 축과 허브 사이 회전 구속

• 스플라인: 회전 구속 + 축방향 이동 허용

• 핀과 슬롯: 특정 방향 운동 허용 + 나머지 방향 구속

3. 자유도와 구속조건

3.1 강체의 자유도

3차원 공간에서 하나의 강체는 다음 6개의 자유도를 가진다.

병진 자유도

• X축 이동

• Y축 이동

• Z축 이동

회전 자유도

• X축 회전

• Y축 회전

• Z축 회전

기계설계에서는 필요한 운동만 남기고 나머지 자유도를 제거해야 한다.

3.2 완전 구속

물체의 모든 불필요한 자유도를 정확하게 제한한 상태이다.

예를 들어 고정 지그에 장착된 공작물이 6자유도 모두 제한되면 완전 구속상태가 된다.

3.3 불완전 구속

필요한 자유도보다 더 많은 자유도가 남아 있는 상태이다.

불완전 구속은 다음 문제를 일으킬 수 있다.

• 흔들림

• 위치오차

• 진동

• 제품 이동

• 가공오차

• 반복정밀도 저하

3.4 과구속

동일한 자유도를 둘 이상의 구속요소가 중복하여 제한하는 상태이다.

과구속은 이상적인 형상에서는 문제가 없을 수 있지만 실제 제작오차가 존재하면 다음 문제가 발생한다.

• 조립 불량

• 걸림

• 베어링 과부하

• 마찰 증가

• 조기 마모

• 열팽창에 의한 고착

• 프레임 변형

3.5 정확구속

필요한 자유도를 중복 없이 정확히 제한하는 설계이다.

정확구속 설계는 기구학적으로 결정된 구조라고도 한다.

대표적인 원리는 다음과 같다.

• 3-2-1 위치결정

• 세 점에 의한 평면 결정

• 두 점에 의한 방향 결정

• 한 점에 의한 최종 위치 결정

• 운동학적 커플링

4. 안내기구의 기본 분류

안내기구는 운동 형태와 접촉방식에 따라 분류할 수 있다.

4.1 운동 형태에 따른 분류

• 직선 안내기구

• 회전 안내기구

• 곡선 안내기구

• 나선 안내기구

• 평면 안내기구

• 공간 안내기구

4.2 접촉방식에 따른 분류

• 미끄럼 안내

• 구름 안내

• 유체막 안내

• 공기막 안내

• 자기부상 안내

• 탄성변형 안내

4.3 구속원리에 따른 분류

• 형상 구속

• 힘에 의한 구속

• 중력 구속

• 스프링 구속

• 유압·공압 구속

• 자기력 구속

• 진공 구속

4.4 구조에 따른 분류

• 레일과 슬라이더

• 축과 부시

• 도브테일

• V 가이드

• 평면 가이드

• 롤러 가이드

• 크로스 롤러 가이드

• 링크 안내기구

• 캠과 팔로어

• 슬롯과 핀

5. 직선 안내기구

5.1 정의

직선 안내기구는 이동부가 하나의 직선 경로를 따라 움직이도록 지지하고 유도하는 기구이다.

직선 안내기구는 자동화 장비, 공작기계, 로봇, 포장기계 및 이송장치에서 가장 널리 사용된다.

5.2 기본 기능

• 직선 이동방향 유지

• 횡방향 변위 제한

• 회전운동 억제

• 하중 지지

• 정밀 위치 유지

• 마찰 감소

• 반복운동 지원

5.3 주요 유형

• 미끄럼 가이드

• 샤프트와 리니어 부시

• 프로파일 레일 가이드

• 크로스 롤러 가이드

• V 롤러 가이드

• 텔레스코픽 가이드

• 정압 가이드

• 공기베어링 가이드

• 플렉셔 가이드

6. 미끄럼 안내기구

6.1 정의

미끄럼 안내기구는 두 접촉면이 서로 미끄러지면서 이동부를 안내하는 구조이다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 평면 슬라이드

• 도브테일 가이드

• 박스 가이드

• V-평면 가이드

• 원통형 슬라이드

• 슬라이드 부시

6.2 장점

• 구조가 단순하다.

• 큰 하중을 지지할 수 있다.

• 충격과 진동 감쇠성이 좋다.

• 접촉면적이 크다.

• 공작기계의 중절삭에 적합하다.

• 오염환경에서 비교적 강할 수 있다.

6.3 단점

• 마찰이 크다.

• 스틱슬립이 발생할 수 있다.

• 윤활상태의 영향을 크게 받는다.

• 마모로 인해 유격이 증가할 수 있다.

• 고속운동에 제한이 있다.

• 정밀한 면가공이 필요하다.

6.4 스틱슬립

스틱슬립은 정지마찰과 운동마찰의 차이로 인해 이동부가 부드럽게 움직이지 않고 붙었다 미끄러지는 현상이다.

다음 문제를 일으킬 수 있다.

• 저속 이송 불균일

• 위치제어 불안정

• 진동

• 표면 품질 저하

• 소음

• 조기 마모

6.5 스틱슬립 저감방법

• 저마찰 재료 적용

• 적절한 윤활

• 접촉면 가공정밀도 향상

• 안내면 압력 감소

• 정압 윤활 적용

• 저속제어 개선

• PTFE 계열 라이너 적용

7. 도브테일 가이드

7.1 정의

도브테일 가이드는 사다리꼴 단면의 홈과 슬라이더를 맞물려 직선운동을 안내하는 구조이다.

7.2 특징

• 상하 및 횡방향 구속 가능

• 구조가 콤팩트함

• 큰 하중 지지 가능

• 조정용 기브 적용 가능

• 공작기계와 수동조정축에 적합

7.3 기브

기브는 도브테일 가이드의 유격을 조절하기 위한 쐐기형 또는 평판형 부품이다.

기브 조정이 지나치게 느슨하면 유격이 증가하고, 지나치게 조이면 마찰과 발열이 증가한다.

7.4 주요 적용

• 선반의 공구대

• 밀링머신 슬라이드

• 정밀 바이스

• 수동 위치조정 테이블

• 측정기기

• 소형 프레스

8. 박스 가이드와 평면 가이드

8.1 박스 가이드

박스 가이드는 넓은 직사각형 접촉면을 사용하여 이동부를 안내하는 구조이다.

장점

• 높은 하중용량

• 높은 강성

• 우수한 진동 감쇠

• 중절삭에 적합

단점

• 마찰이 큼

• 윤활관리 필요

• 제작과 스크레이핑에 높은 정밀도 필요

• 고속 이송에 불리함

8.2 평면 가이드

평면과 평면이 접촉하는 가장 단순한 안내구조이다.

한 면만으로는 측방향 구속이 부족하므로 V 가이드, 측면 가이드 또는 별도의 키 구조와 함께 사용한다.

9. V-평면 가이드

9.1 정의

V형 가이드와 평면 가이드를 조합하여 이동부를 안내하는 구조이다.

V 가이드는 중심과 측방향 위치를 결정하고, 평면 가이드는 수직하중을 지지하면서 열팽창을 허용한다.

9.2 장점

• 중심정렬성이 좋다.

• 과구속을 줄일 수 있다.

• 열팽창에 유리하다.

• 비교적 높은 정밀도를 얻을 수 있다.

9.3 적용

• 공작기계 베드

• 측정장비

• 정밀 슬라이드

• 장거리 이송 테이블

10. 샤프트와 리니어 부시

10.1 정의

원형 샤프트를 따라 리니어 부시가 이동하는 직선 안내구조이다.

10.2 주요 구성

• 경화 샤프트

• 리니어 볼 부시

• 하우징

• 샤프트 지지대

• 씰

• 윤활부

10.3 장점

• 구조가 단순하다.

• 조립이 쉽다.

• 비교적 저렴하다.

• 다양한 표준품이 있다.

• 긴 스트로크 구성에 적합하다.

10.4 단점

• 프로파일 레일보다 모멘트 강성이 낮다.

• 샤프트 처짐을 검토해야 한다.

• 개방형 샤프트에서는 지지구조가 필요하다.

• 회전방향 구속을 위해 두 개 이상의 샤프트가 필요할 수 있다.

• 오염과 정렬오차에 민감할 수 있다.

10.5 주요 적용

• 소형 자동화장치

• 프린터와 스캐너

• 포장기계

• 검사장비

• 조립지그

• 저하중 이송축

11. 프로파일 레일 리니어 가이드

11.1 정의

프로파일 레일과 순환 볼 또는 롤러가 내장된 블록을 이용하여 직선운동을 안내하는 고정밀 구름 안내기구이다.

11.2 주요 구성요소

• 가이드 레일

• 가이드 블록

• 볼 또는 롤러

• 리테이너

• 엔드캡

• 씰

• 윤활 포트

• 체결볼트

11.3 볼 타입

볼의 점접촉 또는 타원접촉을 이용한다.

특징

• 낮은 마찰

• 고속운전 가능

• 다양한 크기

• 높은 위치정밀도

• 비교적 낮은 구동력

11.4 롤러 타입

원통 롤러의 선접촉을 이용한다.

특징

• 높은 하중용량

• 높은 강성

• 작은 탄성변위

• 공작기계와 고하중축에 적합

• 가격과 조립정밀도 요구가 높음

11.5 장점

• 낮은 마찰

• 높은 정밀도

• 높은 반복성

• 예압 적용 가능

• 다방향 하중 지지

• 모멘트 하중 지지

• 표준화된 제품군

11.6 단점

• 충격과 오염에 민감할 수 있다.

• 설치면 정밀도가 중요하다.

• 레일 평행도 오차에 민감하다.

• 국부하중이 크다.

• 윤활과 씰 관리가 필요하다.

12. 리니어 가이드의 하중

리니어 가이드에는 다음과 같은 하중이 작용할 수 있다.

12.1 수직하중

가이드 레일에 수직으로 작용하는 하중이다.

12.2 횡하중

가이드 레일 측면 방향으로 작용하는 하중이다.

12.3 인장하중

블록이 레일에서 들어 올려지는 방향으로 작용하는 하중이다.

12.4 피칭 모멘트

이동방향에 수직인 축을 중심으로 테이블을 앞뒤로 기울이는 모멘트이다.

12.5 요잉 모멘트

수직축을 중심으로 테이블을 좌우로 회전시키는 모멘트이다.

12.6 롤링 모멘트

이동방향 축을 중심으로 테이블을 비트는 모멘트이다.

가이드 블록의 수, 간격 및 레일 간 거리는 이러한 모멘트 하중을 기준으로 선정해야 한다.

13. 예압

13.1 정의

예압은 가이드의 구름요소와 레일 사이에 미리 내부하중을 부여하여 유격을 제거하는 방법이다.

13.2 장점

• 유격 감소

• 강성 향상

• 진동 감소

• 반복 위치정밀도 향상

• 충격 시 접촉 안정성 증가

13.3 단점

• 마찰 증가

• 발열 증가

• 구동력 증가

• 수명 감소 가능성

• 조립오차에 대한 민감도 증가

13.4 선정 기준

예압은 다음 조건에 따라 결정한다.

• 요구 정밀도

• 하중

• 진동

• 가속도

• 구동모터 용량

• 설치오차

• 사용온도

• 수명

14. 크로스 롤러 가이드

14.1 정의

원통형 롤러를 서로 직교하도록 교차 배치하여 직선운동을 안내하는 정밀 가이드이다.

14.2 특징

• 높은 강성

• 작은 탄성변위

• 부드러운 운동

• 높은 직진도

• 모멘트 하중 지지

• 콤팩트한 구조

14.3 단점

• 스트로크가 제한될 수 있다.

• 오염에 민감하다.

• 조립과 예압 조정이 중요하다.

• 가격이 높을 수 있다.

14.4 주요 적용

• 정밀 측정장비

• 광학장치

• 반도체 장비

• 정밀 스테이지

• 현미경

• 소형 고정밀 이송축

15. 롤러 및 V 롤러 가이드

15.1 정의

롤러가 레일이나 V형 트랙 위를 구르면서 이동부를 안내하는 구조이다.

15.2 장점

• 긴 이동거리 구현 가능

• 구조가 비교적 단순함

• 오염환경에 대응하기 쉬움

• 대형 구조물에 적용 가능

• 유지보수성이 좋음

15.3 단점

• 정밀 리니어 가이드보다 위치정밀도가 낮을 수 있다.

• 롤러와 레일의 마모가 발생한다.

• 예압과 편심조정이 필요하다.

• 레일 연결부에서 충격이 발생할 수 있다.

15.4 주요 적용

• 대형 슬라이딩 도어

• 갠트리 장비

• 물류장비

• 용접 자동화

• 커버와 가드

• 장거리 이송장치

16. 텔레스코픽 가이드

16.1 정의

여러 단계의 레일이 서로 중첩되어 접힌 길이보다 긴 인출 스트로크를 제공하는 안내기구이다.

16.2 주요 유형

• 2단 레일

• 3단 레일

• 완전 인출형

• 부분 인출형

• 중하중형

• 잠금형

• 스테인리스형

16.3 주요 적용

• 장비 서랍

• 배터리 인출대

• 제어반

• 유지보수 플랫폼

• 슬라이딩 작업대

• 차량 장비

16.4 설계 검토사항

• 인출 스트로크

• 처짐

• 편심하중

• 잠금

• 반복수명

• 충격

• 오염

• 설치방향

17. 회전 안내기구

17.1 정의

회전 안내기구는 축 또는 회전체가 정해진 회전축을 중심으로 움직이도록 지지하고 위치를 유지하는 기구이다.

17.2 주요 유형

• 미끄럼 베어링

• 볼 베어링

• 롤러 베어링

• 크로스 롤러 베어링

• 턴테이블 베어링

• 정압 베어링

• 공기 베어링

• 자기 베어링

17.3 주요 기능

• 회전중심 유지

• 방사하중 지지

• 축방향하중 지지

• 모멘트 지지

• 마찰 감소

• 축 흔들림 억제

• 회전정밀도 확보

18. 미끄럼 베어링

18.1 정의

축과 베어링 표면 사이에서 미끄럼운동이 발생하는 회전 안내요소이다.

18.2 장점

• 구조가 단순하다.

• 큰 하중을 지지할 수 있다.

• 충격하중에 강하다.

• 진동 감쇠성이 좋다.

• 저속·고하중에 적합하다.

• 분할형 구조가 가능하다.

18.3 단점

• 마찰이 비교적 크다.

• 윤활이 중요하다.

• 기동마찰이 크다.

• 마모와 발열이 발생한다.

• 고속 정밀회전에 제한이 있을 수 있다.

18.4 주요 적용

• 대형 기계축

• 크랭크축

• 힌지

• 저속 회전축

• 중장비

• 진동장치

19. 구름 베어링

19.1 볼 베어링

볼의 구름접촉을 이용한다.

장점:

• 마찰이 작다.

• 고속회전에 적합하다.

• 표준화가 잘 되어 있다.

• 축방향 및 방사하중을 조합하여 지지할 수 있다.

19.2 롤러 베어링

원통 롤러, 테이퍼 롤러 또는 구면 롤러를 사용한다.

장점:

• 높은 하중용량

• 높은 강성

• 선접촉

• 고하중축에 적합

19.3 회전 구속 설계

축을 정확히 지지하려면 다음 요소를 검토해야 한다.

• 고정측과 자유측 배치

• 축방향 위치결정

• 열팽창 허용

• 예압

• 끼워맞춤

• 윤활

• 씰

• 조립공차

20. 고정측과 자유측 베어링

20.1 고정측

고정측 베어링은 축의 방사방향 위치와 축방향 위치를 모두 결정한다.

20.2 자유측

자유측 베어링은 방사하중을 지지하면서 축방향 열팽창을 허용한다.

20.3 필요성

양쪽 베어링을 모두 축방향으로 완전히 고정하면 열팽창 시 큰 내부하중이 발생할 수 있다.

따라서 긴 축이나 온도변화가 큰 장비에서는 고정측과 자유측을 구분하는 것이 중요하다.

21. 곡선 안내기구

21.1 정의

곡선 안내기구는 이동부가 직선이 아닌 원호 또는 임의의 곡선경로를 따라 움직이도록 유도하는 구조이다.

21.2 주요 유형

• 곡선 레일

• 원호 가이드

• 캠과 팔로어

• 핀과 슬롯

• 링크 궤적

• 곡선 롤러 트랙

21.3 주요 적용

• 회전 도어

• 제품 우회이송

• 곡선 컨베이어

• 포장재 접기

• 로봇 말단 궤적

• 제품 방향전환

• 커버 개폐

22. 핀과 슬롯 기구

22.1 정의

핀과 슬롯 기구는 핀이 슬롯 내부를 따라 이동하도록 하여 특정 궤적을 생성하거나 운동방향을 제한하는 구조이다.

22.2 주요 기능

• 직선 또는 곡선 경로 안내

• 회전운동과 직선운동의 결합

• 운동범위 제한

• 요동운동 생성

• 위치 동기화

22.3 설계 검토사항

• 핀과 슬롯 간극

• 접촉면압

• 미끄럼속도

• 윤활

• 슬롯 모서리 응력집중

• 충격

• 마모

• 이탈방지

23. 링크를 이용한 안내기구

23.1 정의

링크기구의 기하학적 관계를 이용하여 이동부의 경로와 자세를 제한하는 방식이다.

23.2 주요 유형

• 평행사변형 링크

• 스콧 러셀 기구

• 와트 직선운동기구

• 체비셰프 링크

• 4절 링크

• 다절 링크

23.3 장점

• 별도의 긴 레일 없이 운동경로 생성 가능

• 회전 조인트 중심으로 구성 가능

• 복잡한 궤적 구현 가능

• 기계적 동기화 가능

23.4 단점

• 완전한 직선운동을 얻기 어려울 수 있다.

• 링크 유격이 누적된다.

• 설치공간이 필요하다.

• 속도와 자세가 비선형으로 변할 수 있다.

• 운동학적 해석이 필요하다.

24. 유체막 안내기구

24.1 정압 유압 가이드

외부 펌프로 공급된 압력유가 이동면 사이에 유막을 형성한다.

장점

• 접촉마찰이 매우 작다.

• 높은 강성

• 스틱슬립이 거의 없음

• 높은 정밀도

• 큰 하중 지지 가능

• 우수한 진동 감쇠

단점

• 유압공급장치 필요

• 구조가 복잡함

• 누유와 오염 관리 필요

• 비용이 높음

• 온도와 점도 영향

24.2 동압 가이드

상대운동에 의해 유체압력이 형성되어 하중을 지지한다.

정지상태에서는 충분한 유막이 형성되지 않을 수 있다.

25. 공기베어링 가이드

25.1 정의

압축공기를 안내면 사이에 공급하여 비접촉 공기막으로 이동부를 지지하는 안내기구이다.

25.2 장점

• 거의 무마찰

• 마모가 매우 적음

• 높은 직진도

• 미세 위치제어 가능

• 청정환경에 적합

• 스틱슬립 없음

25.3 단점

• 하중용량이 제한적임

• 외부 공기공급 필요

• 먼지와 표면손상에 민감함

• 강성이 상대적으로 낮을 수 있음

• 비상 시 접촉방지구조 필요

25.4 주요 적용

• 반도체 장비

• 정밀 측정기

• 광학 스테이지

• 좌표측정기

• 초정밀 가공기

• 디스플레이 제조장비

26. 자기 안내 및 자기베어링

26.1 정의

자기력을 이용해 이동부를 비접촉 상태로 지지하고 안내하는 기구이다.

26.2 주요 유형

• 영구자석형

• 전자석형

• 능동 자기베어링

• 수동 자기부상

• 리니어 자기 가이드

26.3 장점

• 비접촉

• 마모 없음

• 고속운전 가능

• 윤활 불필요

• 진공 및 청정환경 적용 가능

26.4 단점

• 제어시스템이 복잡할 수 있다.

• 비용이 높다.

• 정전 시 보조베어링 필요

• 하중방향과 안정성 설계가 복잡하다.

• 자기장 영향 검토 필요

27. 플렉셔 안내기구

27.1 정의

플렉셔 안내기구는 재료의 탄성변형을 이용하여 마찰과 유격 없이 제한된 범위의 운동을 허용하는 기구이다.

27.2 주요 특징

• 조인트 마찰 없음

• 백래시 없음

• 윤활 불필요

• 높은 반복정밀도

• 매우 작은 운동에 적합

• 일체형 제작 가능

27.3 단점

• 이동범위가 제한적임

• 반복 피로 검토 필요

• 하중용량이 제한될 수 있음

• 응력집중 관리 필요

• 운동강성이 비선형일 수 있음

27.4 주요 적용

• 정밀 스테이지

• 광학 조정기

• 미세 위치결정

• 반도체 장비

• 센서

• 정밀 클램프

• 마이크로 메커니즘

28. 형상 구속기구

28.1 정의

부품의 기하학적 형상과 맞물림을 이용하여 특정 방향의 운동을 제한하는 방식이다.

28.2 대표적인 요소

• 키와 키홈

• 스플라인

• 핀

• 슬롯

• 홈

• 스토퍼

• 턱

• 톱니

• 세레이션

• 다각축

28.3 장점

• 구조가 명확하다.

• 큰 힘과 토크를 전달할 수 있다.

• 위치가 기하학적으로 결정된다.

• 제어장치 없이 구속 가능하다.

28.4 단점

• 유격이 발생할 수 있다.

• 응력집중이 생긴다.

• 마모가 발생한다.

• 조립공차에 민감할 수 있다.

• 충격이 발생할 수 있다.

29. 키와 키홈

29.1 정의

키는 축과 허브 사이에 삽입되어 상대회전을 방지하고 토크를 전달하는 기계요소이다.

29.2 주요 유형

• 평행키

• 테이퍼키

• 반달키

• 새들키

• 접선키

• 스플라인

29.3 구속 기능

키는 축과 허브 사이의 회전자유도를 제한한다.

일반적인 평행키 구조에서는 축방향 이동이 별도로 제한되지 않을 수 있으므로 너트, 스냅링, 어깨 또는 클램프를 추가한다.

29.4 주요 고장

• 키 전단

• 키 면압 손상

• 키홈 변형

• 프레팅

• 유격 증가

• 축 피로균열

30. 스플라인

30.1 정의

스플라인은 축 외주와 허브 내주에 여러 개의 치형을 형성하여 토크를 전달하는 구조이다.

30.2 특징

• 큰 토크 전달

• 하중 분산

• 중심정렬성

• 축방향 이동 허용 가능

• 반복 조립 가능

30.3 주요 유형

• 평행측면 스플라인

• 인벌류트 스플라인

• 세레이션

• 볼 스플라인

30.4 볼 스플라인

볼의 구름접촉을 이용하여 축방향 이동은 허용하면서 회전은 구속한다.

주요 적용

• 로봇 승강축

• 회전방지 실린더

• 정밀 이송축

• 자동화 장치

• Z축

31. 위치결정 핀

31.1 정의

위치결정 핀은 두 부품 사이의 상대위치를 정확하게 결정하고 반복 조립 시 위치를 재현하는 요소이다.

31.2 주요 유형

• 원통 핀

• 테이퍼 핀

• 다웰 핀

• 다이아몬드 핀

• 볼록 핀

• 인덱스 핀

31.3 원형 핀과 다이아몬드 핀 조합

두 개의 원형 핀을 사용하면 홀 간 거리오차로 과구속이 발생할 수 있다.

일반적으로 다음과 같이 구성한다.

• 첫 번째 원형 핀: X와 Y 위치 결정

• 두 번째 다이아몬드 핀: 한 방향만 구속

이 방식은 조립공차를 흡수하면서 정확한 위치를 결정한다.

32. 3-2-1 위치결정 원리

32.1 정의

3-2-1 원리는 공작물이나 부품의 6자유도를 최소한의 접촉점으로 제한하는 기본 위치결정 방법이다.

32.2 3점 지지

첫 번째 기준면을 세 점으로 지지하여 다음 자유도를 제한한다.

• 한 방향 병진

• 두 방향 회전

32.3 2점 지지

두 번째 기준면을 두 점으로 지지하여 다음 자유도를 제한한다.

• 한 방향 병진

• 한 방향 회전

32.4 1점 지지

세 번째 기준면을 한 점으로 지지하여 마지막 병진 자유도를 제한한다.

32.5 장점

• 과구속 방지

• 명확한 위치결정

• 조립공차 관리 용이

• 반복정밀도 확보

• 지그 및 검사구 설계에 적합

33. 스토퍼와 엔드 스톱

33.1 정의

스토퍼는 이동부의 최대 이동거리 또는 정지위치를 기계적으로 제한하는 요소이다.

33.2 주요 유형

• 고정 스토퍼

• 조정식 스토퍼

• 완충 스토퍼

• 고무 범퍼

• 우레탄 범퍼

• 유압 쇼크 업소버

• 볼트형 스토퍼

33.3 설계 검토사항

• 충돌에너지

• 접촉응력

• 반복수명

• 정지정밀도

• 소음

• 탄성변형

• 체결강도

• 비상하중

33.4 충돌에너지

이동부의 운동에너지는 다음과 같다.

E = 1/2 mv²

회전체의 경우 다음과 같다.

E = 1/2 Iω²

스토퍼와 쇼크 업소버는 이 에너지를 안전하게 흡수하도록 선정해야 한다.

34. 클램핑 구속기구

34.1 정의

클램핑 구속기구는 외력을 가하여 이동부나 작업물을 기준면에 밀착시키고 위치를 유지하는 장치이다.

34.2 주요 유형

• 나사 클램프

• 토글 클램프

• 캠 클램프

• 편심 클램프

• 웨지 클램프

• 유압 클램프

• 공압 클램프

• 자기 클램프

• 진공 클램프

34.3 위치결정과 클램핑의 차이

위치결정 요소는 부품의 위치를 결정한다.

클램프는 부품을 위치결정면에 밀착시켜 움직이지 않도록 유지한다.

클램프로 위치를 결정하려고 하면 마찰과 변형에 의해 반복정밀도가 떨어질 수 있다.

35. 힘에 의한 구속

35.1 스프링 구속

스프링 힘으로 팔로어, 가이드 또는 제품을 기준면에 밀착시킨다.

35.2 중력 구속

자중을 이용하여 이동부를 레일이나 기준면에 접촉시킨다.

35.3 공압 구속

공압 실린더로 이동부나 제품을 클램핑한다.

35.4 유압 구속

큰 힘과 안정적인 유지력이 필요한 장치에 적용한다.

35.5 진공 구속

평판, 필름, 유리, 판재 등을 흡착하여 위치를 유지한다.

35.6 자기력 구속

강자성체를 자기력으로 고정한다.

36. 안내 정밀도

안내기구의 주요 정밀도 항목은 다음과 같다.

36.1 직진도

이동부가 이상적인 직선경로에서 벗어나는 정도이다.

36.2 평행도

두 레일이나 기준면이 서로 평행한 정도이다.

36.3 평면도

안내면 전체가 이상적인 평면에서 벗어나는 정도이다.

36.4 회전정밀도

회전축의 흔들림과 중심변화를 나타낸다.

36.5 런아웃

회전부의 표면 또는 축 중심이 회전하면서 변동하는 정도이다.

36.6 반복 위치정밀도

동일한 위치로 반복 이동했을 때 위치가 일관되게 재현되는 정도이다.

36.7 유격

외력이 반대방향으로 작용할 때 이동부가 자유롭게 움직이는 양이다.

37. 강성과 변형

37.1 안내강성

외력이 작용할 때 안내부가 변형에 저항하는 능력이다.

k = F / δ

여기서,

• k: 강성

• F: 하중

• δ: 변위

37.2 주요 변형원인

• 레일 휨

• 샤프트 처짐

• 블록 탄성변형

• 베어링 변형

• 체결면 변형

• 프레임 비틀림

• 접촉부 탄성변형

37.3 강성 향상방법

• 레일 크기 증가

• 레일 간 거리 확대

• 블록 간 거리 확대

• 블록 수 증가

• 예압 적용

• 프레임 단면 강화

• 체결면 정밀도 향상

• 하중중심을 안내면 가까이 배치

38. 마찰과 구동력

38.1 기본 마찰력

미끄럼 안내에서 마찰력은 다음과 같이 근사할 수 있다.

F_friction = μN

여기서,

• μ: 마찰계수

• N: 수직하중

38.2 구름 안내

구름 안내는 미끄럼 안내보다 마찰이 작지만 다음 저항이 존재한다.

• 구름접촉 변형

• 씰 저항

• 윤활저항

• 예압

• 리테이너 저항

38.3 필요한 구동력

F_drive
= F_friction + F_process + ma + F_disturbance

여기서,

• F_friction: 마찰력

• F_process: 작업하중

• ma: 관성력

• F_disturbance: 외란력

39. 정렬과 조립오차

39.1 주요 조립오차

• 레일 평행도 오차

• 높이차

• 비틀림

• 축 중심 불일치

• 베어링 하우징 편심

• 장착면 평면도 오차

• 체결변형

39.2 조립오차의 영향

• 마찰 증가

• 국부하중

• 블록 수명 감소

• 걸림

• 발열

• 진동

• 위치정밀도 저하

• 소음

39.3 대응방법

• 기준면 설정

• 정밀 가공

• 조정용 시임

• 측정용 다이얼 게이지

• 레이저 정렬

• 순차 체결

• 토크 관리

• 자기정렬 베어링

• 구면 조인트 적용

40. 열팽창

40.1 영향

안내부와 프레임의 온도가 변하면 다음 문제가 발생할 수 있다.

• 레일 길이 변화

• 축 팽창

• 예압 변화

• 구속력 증가

• 위치오차

• 걸림

• 베어링 내부하중 증가

40.2 대응방법

• 고정측과 자유측 구분

• 장공 적용

• 열팽창 공간 확보

• 동일 재료 사용

• 대칭구조

• 온도제어

• 보정 알고리즘

• 절대위치 센서

41. 윤활과 밀봉

41.1 윤활 목적

• 마찰 감소

• 마모 방지

• 발열 감소

• 부식 방지

• 수명 연장

• 소음 감소

41.2 윤활 방식

• 그리스 윤활

• 오일 윤활

• 자동 급유

• 오일 미스트

• 고체 윤활

• 무급유 부시

41.3 씰과 커버

• 와이퍼 씰

• 립 씰

• 벨로즈

• 텔레스코픽 커버

• 롤업 커버

• 레일 캡

• 라비린스 구조

41.4 오염관리

다음 오염물의 유입을 방지해야 한다.

• 분진

• 절삭칩

• 제품 조각

• 물

• 세제

• 금속가루

• 점착성 물질

42. 재료와 표면처리

42.1 가이드 레일

• 베어링강

• 합금강

• 탄소강

• 스테인리스강

• 표면경화강

42.2 미끄럼 안내면

• 주철

• 청동

• PTFE 복합재

• POM

• UHMW-PE

• 터사이트 계열 재료

42.3 표면처리

• 침탄

• 질화

• 고주파 열처리

• 경질크롬

• 무전해 니켈

• 연삭

• 래핑

• DLC 코팅

42.4 선정기준

• 하중

• 속도

• 마모

• 부식

• 윤활

• 세척

• 비용

• 식품 접촉 가능성

43. 안내기구 선정 절차

43.1 필요한 운동 정의

• 직선

• 회전

• 곡선

• 평면

• 공간

• 미세운동

43.2 자유도 정의

• 허용할 자유도

• 제한할 자유도

• 회전방지 필요 여부

• 축방향 이동 허용 여부

43.3 하중 분석

• 수직하중

• 횡하중

• 축방향하중

• 모멘트

• 충격하중

• 반복하중

• 편심하중

43.4 성능조건

• 스트로크

• 속도

• 가속도

• 정밀도

• 반복정밀도

• 강성

• 마찰

• 수명

43.5 환경조건

• 온도

• 습기

• 분진

• 세척

• 부식

• 식품 접촉

• 진공

• 클린룸

• 폭발위험

43.6 구조 비교

• 미끄럼 가이드

• 샤프트와 부시

• 프로파일 레일

• 롤러 가이드

• 정압 가이드

• 공기베어링

• 플렉셔

• 링크 안내

43.7 구속방식 검토

• 형상 구속

• 핀

• 스토퍼

• 클램프

• 스프링

• 브레이크

• 진공

• 자기력

43.8 최종 검증

• 정적 강성시험

• 직진도 측정

• 반복 위치시험

• 최대하중 시험

• 충격시험

• 수명시험

• 오염시험

• 세척시험

• 온도시험

44. 주요 고장 형태

44.1 마모

• 레일 마모

• 부시 마모

• 롤러 마모

• 슬롯 마모

• 핀 마모

• 가이드면 스코어링

44.2 피팅과 박리

구름접촉부에서 반복 접촉응력으로 표면 피로손상이 발생할 수 있다.

44.3 소성변형

과도한 하중으로 레일, 블록, 핀 또는 스토퍼가 영구 변형될 수 있다.

44.4 고착

• 윤활 부족

• 오염

• 정렬 불량

• 열팽창

• 부식

• 과도한 예압

44.5 유격 증가

마모나 체결풀림으로 유격이 증가하면 정밀도와 강성이 저하된다.

44.6 피로파손

• 레일

• 볼

• 롤러

• 핀

• 체결볼트

• 플렉셔 힌지

44.7 씰 손상

씰이 마모되면 오염물이 침투하고 윤활제가 유출될 수 있다.

44.8 공통 고장원인

• 과부하

• 충격

• 윤활 부족

• 오염

• 조립오차

• 정렬 불량

• 과도한 예압

• 부적절한 재료

• 프레임 강성 부족

• 유지보수 부족

45. 유지보수와 점검

45.1 일상 점검

• 이상 소음

• 진동

• 발열

• 움직임 불균일

• 윤활상태

• 씰 손상

• 레일 오염

• 체결풀림

• 유격

• 스트로크 이상

45.2 정기 점검

• 직진도

• 평행도

• 레일 체결토크

• 블록 유격

• 샤프트 처짐

• 베어링 상태

• 스토퍼 손상

• 클램프 작동

• 위치결정 핀 마모

45.3 예방보전 부품

• 가이드 블록

• 리니어 부시

• 베어링

• 핀

• 부시

• 씰

• 와이퍼

• 윤활제

• 스토퍼

• 쇼크 업소버

45.4 상태기반 보전

다음 데이터를 활용할 수 있다.

• 구동모터 전류

• 마찰력

• 진동

• 온도

• 위치오차

• 속도변동

• 소음

• 유격

• 윤활상태

46. 안전설계

46.1 끼임과 전단 위험

가이드와 이동부 사이, 스토퍼 주변, 링크 사이에는 끼임점과 전단점이 형성될 수 있다.

46.2 보호조치

• 고정식 커버

• 벨로즈

• 인터록 도어

• 안전거리

• 라이트커튼

• 비상정지

• 속도 제한

• 토크 제한

46.3 낙하와 이탈 방지

수직 가이드에는 다음 장치를 검토해야 한다.

• 브레이크

• 안전너트

• 낙하방지 래치

• 보조가이드

• 이중 케이블

• 기계식 스토퍼

• 체크밸브

46.4 레일 이탈방지

가이드 블록이나 롤러가 레일에서 빠지지 않도록 엔드 스토퍼와 이탈방지 구조를 적용한다.

47. 식품기계에서의 안내 및 구속기구

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

47.1 주요 위생 요구사항

• 식품 잔류물이 축적되지 않는 구조

• 깊은 틈새 최소화

• 노출 나사산 최소화

• 배수 가능한 표면

• 세척 가능한 가이드

• 윤활부와 식품구역 분리

• 내식성 재료

• 밀폐형 베어링

• 식품용 윤활제

• 세척 후 건조가 쉬운 구조

47.2 리니어 가이드

가능하면 식품 직접 접촉영역 밖에 배치하고, 벨로즈나 위생커버로 보호한다.

47.3 샤프트와 부시

스테인리스 샤프트와 식품용 폴리머 부시를 적용하면 윤활부를 줄일 수 있다.

47.4 제품 측면 가이드

제품에 직접 접촉하는 가이드는 다음 요소를 고려한다.

• UHMW-PE

• POM

• 스테인리스강

• 공구 없는 폭 조정

• 모서리 라운드

• 세척 가능한 지지대

• 제품 손상 방지

47.5 위치결정 핀과 스토퍼

제품 잔류물이 축적되지 않도록 단순한 외형과 개방구조를 적용한다.

47.6 주요 적용

• 충진 노즐 승강

• 실링 조 안내

• 절단날 직선 안내

• 포장 필름 측면 안내

• 용기 정렬 가이드

• 트레이 위치결정

• 제품 폭 조정

• 그리퍼 운동 구속

• 검사 테이블

• 제품 스토퍼

48. 적용 사례

48.1 서보 직선축

서보 모터
→ 볼스크루
→ 프로파일 레일 가이드
→ 이동 테이블

주요 검토사항:

• 스트로크

• 하중

• 가속도

• 레일 간격

• 블록 수

• 예압

• 직진도

• 윤활

• 커버

48.2 충진 노즐 승강장치

전동 액추에이터
→ 리니어 가이드
→ 노즐 브래킷
→ 충진 노즐

주요 검토사항:

• 노즐 무게

• 승강속도

• 흔들림

• 반복 위치정밀도

• 세척수

• 낙하방지

• 식품구역과 구동구역 분리

48.3 컨베이어 제품 가이드

조정 핸들
→ 폭 조정축
→ 측면 가이드
→ 제품 정렬

주요 검토사항:

• 제품 폭

• 마찰

• 제품 손상

• 곡선부 안내

• 공구 없는 조정

• 세척성

• 잠금

48.4 프레스 램 가이드

프레스 구동부
→ 램
→ 박스 가이드 또는 4면 가이드
→ 금형

주요 검토사항:

• 편심하중

• 가이드 간극

• 윤활

• 강성

• 평행도

• 마모조정

• 충격

48.5 회전 인덱스 테이블

인덱서
→ 출력축
→ 크로스 롤러 베어링
→ 회전 테이블

주요 검토사항:

• 방사하중

• 축하중

• 전도모멘트

• 회전정밀도

• 정지강성

• 축 흔들림

• 중공축

48.6 정밀 플렉셔 스테이지

피에조 액추에이터
→ 플렉셔 가이드
→ 정밀 이동 플랫폼

주요 검토사항:

• 이동범위

• 강성

• 반복정밀도

• 피로수명

• 응력집중

• 온도

• 센서 피드백

49. 해석 및 설계 도구

49.1 CAD 조립 및 운동해석

• 자유도 확인

• 구속조건 검토

• 간섭

• 스트로크

• 회전범위

• 조립 가능성

• 스토퍼 위치

49.2 구조해석

• 레일 변형

• 샤프트 처짐

• 블록 하중분포

• 프레임 비틀림

• 스토퍼 응력

• 핀과 부시 면압

• 플렉셔 응력

49.3 다물체 동역학

• 이동부 관성력

• 가이드 반력

• 접촉력

• 충격

• 진동

• 구동력

49.4 공차해석

• 레일 평행도

• 핀 위치

• 홀 간 거리

• 조립오차

• 열팽창

• 누적공차

50. 결론

안내기구는 이동부가 정해진 방향과 궤적을 따라 움직이도록 지지하고 유도하는 구조이며, 구속기구는 불필요한 자유도를 제한하여 위치와 자세를 유지하는 구조이다.

직선 안내에는 미끄럼 가이드, 샤프트와 리니어 부시, 프로파일 레일, 크로스 롤러 가이드 및 공기베어링 등이 사용된다. 회전 안내에는 미끄럼 베어링, 볼 베어링, 롤러 베어링 및 크로스 롤러 베어링이 사용된다.

형상 구속에는 키, 스플라인, 핀, 슬롯 및 스토퍼가 사용되며, 힘에 의한 구속에는 스프링, 클램프, 유압, 공압, 진공 및 자기력이 이용된다.

안내기구를 선정할 때는 단순히 하중용량만 검토해서는 안 된다. 자유도, 정밀도, 강성, 마찰, 예압, 모멘트 하중, 정렬오차, 열팽창, 윤활, 오염 및 유지보수성을 함께 고려해야 한다.

과구속은 제작오차와 열팽창으로 인해 마찰과 내부하중을 증가시킬 수 있으므로, 가능한 경우 정확구속 원리와 고정측·자유측 구성을 적용하는 것이 바람직하다.

안내 및 구속기구는 다음 순서로 설계하고 선정하는 것이 적절하다.

필요한 운동 정의
→ 허용 자유도와 구속 자유도 정의
→ 하중과 모멘트 분석
→ 안내방식 선정
→ 구속 및 위치결정 방식 선정
→ 정밀도와 강성 검토
→ 마찰과 구동력 계산
→ 정렬오차와 열팽창 검토
→ 윤활·밀봉·오염대책 검토
→ 안전성과 유지보수성 검토
→ 시뮬레이션 및 수명시험

적절하게 설계된 안내기구와 구속기구는 기계의 운동정밀도, 반복성, 강성, 안정성, 수명 및 안전성을 향상시키는 핵심 구성요소가 된다.