1. 개요

운동 변환 기구는 입력부에서 발생한 운동을 작업부에 필요한 다른 형태의 운동으로 바꾸는 기계적 구조를 의미한다.

일반적으로 모터는 회전운동을 발생시키지만, 실제 기계의 작업부에서는 직선운동, 왕복운동, 요동운동, 간헐운동 또는 특정 곡선 궤적이 요구되는 경우가 많다. 따라서 입력운동과 출력운동 사이에 운동 변환 기구를 배치하여 작업에 적합한 운동을 생성한다.

운동 변환 기구의 기본적인 흐름은 다음과 같다.

동력원
→ 입력운동
→ 운동 변환 기구
→ 출력운동
→ 작업 수행

대표적인 예는 다음과 같다.

서보 모터의 회전운동
→ 볼스크루
→ 정밀 직선운동
→ 이송 테이블 위치결정

또는 다음과 같이 구성할 수 있다.

인덕션 모터의 연속회전
→ 크랭크·슬라이더 기구
→ 직선 왕복운동
→ 절단날 왕복작동

운동 변환 기구는 단순히 운동 방향을 변경하는 데 그치지 않는다. 출력부의 이동거리, 속도, 가속도, 정지시간, 힘, 토크 및 운동주기까지 결정하는 핵심 설계요소이다.

2. 운동 전달 기구와 운동 변환 기구의 차이

운동 전달 기구와 운동 변환 기구는 서로 밀접하게 연결되어 있지만, 기능적으로 구분할 필요가 있다.

2.1 운동 전달 기구

운동 전달 기구는 운동의 기본 형태를 유지하면서 다른 위치로 전달한다.

대표적인 예:

• 회전운동 → 회전운동

• 기어

• 벨트와 풀리

• 체인과 스프로킷

• 축과 커플링

2.2 운동 변환 기구

운동 변환 기구는 입력운동을 다른 형태의 출력운동으로 바꾼다.

대표적인 예:

• 회전운동 → 직선운동

• 회전운동 → 왕복운동

• 회전운동 → 요동운동

• 연속회전 → 간헐회전

• 직선운동 → 회전운동

• 단순회전 → 특정 곡선 궤적

2.3 복합 기능을 수행하는 기구

일부 기구는 운동 전달과 운동 변환 기능을 동시에 수행한다.

예를 들어 랙과 피니언은 기어의 맞물림을 통해 동력을 전달하면서 회전운동과 직선운동을 상호 변환한다.

볼스크루 역시 회전동력을 전달하는 동시에 회전운동을 정밀한 직선운동으로 변환한다.

따라서 실제 기계설계에서는 기구를 단순한 명칭보다 다음과 같은 기능 흐름으로 분석하는 것이 적절하다.

입력운동의 종류
→ 변환 원리
→ 출력운동의 종류
→ 힘과 속도의 변화
→ 작업부 적용

3. 운동 변환 기구의 주요 기능

3.1 운동 형태의 변환

입력운동을 작업부에 필요한 운동 형태로 변경한다.

예:

• 회전 → 직선

• 회전 → 왕복

• 회전 → 요동

• 직선 → 회전

• 연속 → 간헐

3.2 운동 방향의 변경

회전축과 출력운동의 방향을 다르게 구성할 수 있다.

예:

• 수평 회전축 → 수직 직선운동

• 수직 회전축 → 수평 왕복운동

• 직선 입력 → 제한각 회전

3.3 이동량과 스트로크의 결정

기구의 형상과 치수에 따라 출력부의 이동거리 또는 회전각이 결정된다.

예:

• 크랭크 반경에 따른 왕복 스트로크

• 나사 리드에 따른 1회전당 직선 이동량

• 캠 프로파일에 따른 팔로어 리프트

• 링크 길이에 따른 출력 궤적

3.4 속도와 가속도 특성의 생성

운동 변환 기구는 출력부의 속도와 가속도를 결정한다.

크랭크·슬라이더와 캠 기구에서는 입력축이 일정한 속도로 회전하더라도 출력부의 속도와 가속도는 계속 변화한다.

3.5 힘과 토크의 변환

입력토크를 출력 추력으로 바꾸거나 입력 직선력을 출력토크로 바꿀 수 있다.

예:

• 나사 기구: 회전토크 → 축방향 추력

• 랙과 피니언: 회전토크 → 직선력

• 레버: 입력력 → 증폭된 출력력

• 토글 기구: 작은 입력력 → 큰 클램핑력

3.6 운동주기와 타이밍 생성

캠, 제네바 및 인덱싱 기구는 출력부의 이동, 정지 및 복귀 시점을 기계적으로 결정한다.

3.7 특정 궤적 생성

링크 기구와 캠 기구는 단순 직선이나 원운동이 아닌 특정한 곡선 경로를 생성할 수 있다.

예:

• 제품 픽업 궤적

• 포장재 접기 궤적

• 로봇 그리퍼의 접근 경로

• 절단날의 동기 이동 궤적

4. 운동 변환 기구의 기본 분류

운동 변환 기구는 입력운동과 출력운동의 관계에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

4.1 회전운동을 직선운동으로 변환

• 나사 기구

• 볼스크루

• 랙과 피니언

• 벨트 구동 직선축

• 체인 구동 직선축

• 선형 캠

• 전동 실린더

4.2 회전운동을 왕복운동으로 변환

• 크랭크·슬라이더

• 스카치 요크

• 편심 기구

• 캠과 직동 팔로어

• 왕복 링크 기구

4.3 회전운동을 요동운동으로 변환

• 크랭크·로커

• 캠과 로커암

• 편심 링크

• 4절 링크

• 슬롯과 레버 기구

4.4 연속회전을 간헐회전으로 변환

• 제네바 기구

• 캠 인덱서

• 래칫과 폴

• 간헐기어

• 스타 휠

• 이스케이프먼트

4.5 직선운동을 회전운동으로 변환

• 랙과 피니언

• 크랭크 기구

• 레버와 링크

• 케이블과 드럼

• 직선 실린더와 로터리 링크

4.6 운동을 특정 궤적으로 변환

• 4절 링크

• 다절 링크

• 캠 기구

• 슬롯과 핀

• 팬터그래프

• 평행 링크

• 로봇 링크

4.7 힘을 증폭하거나 고정운동으로 변환

• 레버

• 토글 기구

• 웨지

• 편심 클램프

• 캠 클램프

• 나사 클램프

5. 나사 기구

5.1 정의

나사 기구는 나사산의 나선 형상을 이용하여 회전운동을 직선운동으로 변환하는 기구이다.

입력축 또는 나사가 회전하면 너트가 축방향으로 이동하거나, 너트가 고정된 경우 나사축 자체가 직선으로 이동한다.

5.2 주요 구성요소

• 나사축

• 너트

• 지지 베어링

• 축방향 하중 지지부

• 커플링

• 윤활장치

• 회전방지 가이드

• 이동 테이블

5.3 리드와 이동량

나사축이 한 바퀴 회전할 때 너트가 이동하는 거리를 리드라고 한다.

나사 회전수가 N일 때 직선 이동량은 다음과 같다.

x = L × N

여기서,

• x: 직선 이동량

• L: 나사의 리드

• N: 회전수

회전각을 사용하는 경우 다음과 같이 나타낼 수 있다.

x = Lθ / 2π

여기서 θ는 라디안 단위의 회전각이다.

5.4 직선 속도

나사축 회전속도가 n rpm인 경우 직선 속도는 다음과 같다.

v = Ln / 60

여기서,

• v: 직선 속도

• L: 리드

• n: 나사축 회전속도

리드가 커지면 동일한 회전속도에서 직선 속도는 증가하지만, 동일한 입력토크에서 발생 가능한 축방향 추력은 감소한다.

5.5 토크와 축방향 추력

이상적인 나사 기구에서 입력토크와 출력 추력의 관계는 다음과 같이 근사할 수 있다.

F ≈ 2πηT / L

여기서,

• F: 축방향 추력

• η: 나사 효율

• T: 입력토크

• L: 리드

동일한 토크에서 리드가 작을수록 큰 추력을 얻을 수 있지만 이동속도는 낮아진다.

5.6 주요 유형

사다리꼴 나사

• 구조가 단순하다.

• 높은 하중을 지지할 수 있다.

• 마찰이 비교적 크다.

• 조건에 따라 자기잠금 특성을 가진다.

• 수동 조정과 리프팅에 적합하다.

사각나사

• 동력 전달 효율이 비교적 높다.

• 큰 축방향 하중 전달에 적합하다.

• 제작이 어렵다.

• 프레스와 잭 등에 사용된다.

볼스크루

• 볼의 구름접촉으로 마찰이 작다.

• 효율이 높다.

• 정밀 위치결정에 적합하다.

• 백래시 제거용 예압을 적용할 수 있다.

• 역구동 가능성이 높다.

• 오염과 윤활 관리가 중요하다.

롤러스크루

• 나사와 롤러의 접촉으로 높은 하중을 지지한다.

• 강성과 수명이 우수하다.

• 고속 및 고추력 전동 액추에이터에 적합하다.

• 구조가 복잡하고 가격이 높다.

5.7 장점

• 회전운동을 정밀한 직선운동으로 변환할 수 있다.

• 큰 축방향 힘을 발생시킬 수 있다.

• 이동량을 회전수로 정확하게 제어할 수 있다.

• 구조가 비교적 단순하다.

• 서보 및 스테핑 모터와 결합하기 쉽다.

5.8 단점

• 긴 스트로크에서는 좌굴과 진동을 검토해야 한다.

• 고속 회전에서는 임계회전속도가 문제가 될 수 있다.

• 나사축 정렬 불량에 민감하다.

• 볼스크루는 오염과 충격에 취약할 수 있다.

• 사다리꼴 나사는 마찰과 발열이 크다.

5.9 주요 적용

• CNC 이송축

• 서보 프레스

• 전동 실린더

• 리프트

• 정밀 위치결정 테이블

• 충진 노즐 승강장치

• 클램핑 장치

• 높이 조절장치

6. 랙과 피니언 기구

6.1 정의

랙과 피니언 기구는 원형 피니언 기어와 직선형 랙 기어를 맞물려 회전운동과 직선운동을 상호 변환하는 기구이다.

피니언이 회전하면 랙이 직선으로 이동하며, 반대로 랙이 이동하면 피니언이 회전한다.

6.2 이동량

피니언의 피치원 반지름을 r, 회전각을 θ라고 하면 랙의 이동량은 다음과 같다.

x = rθ

피니언이 한 바퀴 회전할 때의 이동량은 피치원 둘레와 같다.

x = 2πr

모듈과 잇수를 사용하는 경우 피치원 지름은 다음과 같다.

d = mz

따라서 1회전당 이동량은 다음과 같다.

x = πmz

여기서,

• m: 모듈

• z: 피니언 잇수

6.3 토크와 직선력

이상적인 조건에서 피니언 토크와 랙의 직선력 관계는 다음과 같다.

F = ηT / r

여기서,

• F: 랙의 직선력

• T: 피니언 입력토크

• r: 피니언 피치원 반지름

• η: 전달 효율

6.4 특징

• 긴 이동거리 구현에 적합하다.

• 높은 속도로 이동할 수 있다.

• 구조가 비교적 단순하다.

• 랙을 연결하면 이동거리를 확장할 수 있다.

• 백래시가 발생할 수 있다.

• 기어 맞물림에 의한 소음이 발생할 수 있다.

• 윤활과 정렬 관리가 필요하다.

6.5 백래시 저감 방식

• 이중 피니언 예압

• 스프링 예압 피니언

• 분할 피니언

• 헬리컬 랙과 피니언

• 전자식 듀얼 모터 예압

• 정밀 등급 기어 적용

6.6 주요 적용

• 대형 갠트리 장치

• 레이저 절단기

• 플라즈마 절단기

• 자동문

• 엘리베이터

• 조향장치

• 대형 로봇축

• 장거리 직선 이송장치

7. 크랭크·슬라이더 기구

7.1 정의

크랭크·슬라이더 기구는 크랭크의 회전운동을 슬라이더의 직선 왕복운동으로 변환하는 대표적인 기구이다.

반대로 슬라이더의 왕복운동을 크랭크의 회전운동으로 변환할 수도 있다.

7.2 주요 구성요소

• 고정 프레임

• 크랭크

• 연결봉

• 슬라이더

• 회전 조인트

• 직선 가이드

7.3 스트로크

크랭크 반경을 r이라고 하면 일반적인 중심형 크랭크·슬라이더의 전체 왕복 스트로크는 다음과 같다.

S = 2r

따라서 원하는 스트로크가 결정되면 크랭크 반경은 다음과 같이 정할 수 있다.

r = S / 2

7.4 슬라이더 위치

크랭크 중심을 기준으로 한 슬라이더 위치는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

x = r cosθ + √(l² − r²sin²θ)

여기서,

• x: 슬라이더 위치

• r: 크랭크 반경

• l: 연결봉 길이

• θ: 크랭크 회전각

슬라이더의 속도와 가속도는 이 위치식을 시간에 대해 미분하여 구할 수 있다.

7.5 운동 특성

입력 크랭크가 일정한 각속도로 회전하더라도 슬라이더는 일정한 속도로 움직이지 않는다.

슬라이더는 행정 중앙부에서 높은 속도를 가지며 상사점과 하사점에서 순간적으로 정지한다.

연결봉 길이가 유한하기 때문에 전진행정과 복귀행정의 속도 및 가속도 특성이 완전히 대칭하지 않을 수 있다.

7.6 데드센터

크랭크와 연결봉이 일직선상에 위치하는 지점을 데드센터라고 한다.

• 상사점

• 하사점

데드센터에서는 슬라이더 속도가 0이 되며, 특정 조건에서는 큰 힘을 전달하거나 운동 방향을 반전시킨다.

7.7 장점

• 구조가 명확하고 신뢰성이 높다.

• 회전운동으로 반복적인 왕복운동을 만들기 쉽다.

• 큰 힘을 전달할 수 있다.

• 고속 반복운동에 적용할 수 있다.

• 제작과 유지보수가 비교적 쉽다.

7.8 단점

• 출력속도와 가속도가 비선형이다.

• 관성력과 진동이 발생한다.

• 슬라이더에 측압이 작용한다.

• 스트로크 변경이 쉽지 않다.

• 데드센터 부근에서 운동 특성이 급격히 변한다.

7.9 주요 적용

• 엔진

• 왕복 펌프

• 컴프레서

• 기계식 프레스

• 왕복 절단기

• 포장기계

• 충진장치

• 왕복 이송장치

8. 스카치 요크 기구

8.1 정의

스카치 요크 기구는 회전하는 크랭크 핀이 직선 슬롯 내부를 이동하면서 요크를 왕복시키는 기구이다.

회전운동을 단순조화 형태의 직선 왕복운동으로 변환한다.

8.2 이동량

크랭크 반경을 r, 회전각을 θ라고 하면 요크의 위치는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

x = r cosθ

전체 스트로크는 다음과 같다.

S = 2r

8.3 속도와 가속도

크랭크 각속도를 ω라고 하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

v = −rω sinθ

a = −rω² cosθ

출력운동은 이상적인 단순조화운동에 가까운 특성을 가진다.

8.4 장점

• 부품 수가 적다.

• 구조가 단순하다.

• 크랭크·슬라이더보다 전체 길이를 짧게 구성할 수 있다.

• 일정한 수학적 특성의 왕복운동을 생성한다.

• 스트로크가 크랭크 지름으로 명확하게 결정된다.

8.5 단점

• 핀과 슬롯 사이에 큰 미끄럼 마찰이 발생한다.

• 접촉면의 마모가 크다.

• 고속 및 고하중에서 윤활이 중요하다.

• 측면 충격과 소음이 발생할 수 있다.

• 슬롯 부분의 응력집중을 고려해야 한다.

8.6 주요 적용

• 밸브 액추에이터

• 소형 펌프

• 왕복 절단기

• 시험장비

• 진동 발생기

• 소형 자동화 장치

9. 편심 기구

9.1 정의

편심 기구는 회전축의 중심과 작동점의 중심을 일정 거리만큼 어긋나게 배치하여 회전운동을 왕복 또는 요동운동으로 변환한다.

편심량은 크랭크 기구의 크랭크 반경과 유사한 역할을 한다.

9.2 운동 특성

편심량을 e라고 하면 이상적인 출력 스트로크는 다음과 같다.

S = 2e

편심축이 회전하면 팔로어 또는 연결봉은 반복적인 왕복운동을 수행한다.

9.3 주요 유형

• 편심 디스크

• 편심축

• 편심 캠

• 조정식 편심 기구

• 이중 편심 기구

9.4 장점

• 구조가 간단하고 콤팩트하다.

• 작은 왕복 스트로크를 만들기 쉽다.

• 회전축과 일체화하기 쉽다.

• 반복운동 생성에 적합하다.

• 진동 및 피딩 장치에 적용하기 쉽다.

9.5 단점

• 회전 불평형이 발생할 수 있다.

• 베어링에 반복하중이 작용한다.

• 큰 스트로크에는 적합하지 않다.

• 진동과 소음이 발생할 수 있다.

• 고속 운전 시 동적 균형이 중요하다.

9.6 주요 적용

• 진동 피더

• 체질기

• 왕복 절단장치

• 소형 프레스

• 포장기계

• 펌프

• 교반 및 흔들림 장치

10. 캠과 팔로어 기구

10.1 정의

캠 기구는 캠의 형상에 따라 팔로어가 정해진 위치, 속도 및 가속도 특성으로 움직이도록 하는 운동 변환 기구이다.

캠은 회전운동을 직선운동이나 요동운동으로 바꾸며, 출력부의 이동과 정지시간을 기계적으로 프로그램할 수 있다.

10.2 주요 구성요소

• 캠

• 캠축

• 팔로어

• 롤러

• 복귀 스프링

• 가이드

• 베어링

• 프레임

10.3 캠의 주요 유형

판 캠

평면상의 캠 윤곽으로 팔로어를 움직인다.

원통 캠

원통 표면에 형성된 홈을 따라 팔로어가 움직인다.

배럴 캠

원통형 캠의 공간곡선 홈을 이용하여 복잡한 운동을 생성한다.

페이스 캠

캠의 단면 또는 정면에 형성된 홈이나 윤곽을 이용한다.

선형 캠

캠 자체가 직선으로 이동하면서 팔로어를 작동시킨다.

공액 캠

두 개의 캠이 팔로어를 양방향에서 구속하여 고속에서도 안정적인 접촉을 유지한다.

10.4 팔로어 유형

• 롤러 팔로어

• 평면 팔로어

• 구면 팔로어

• 나이프 에지 팔로어

• 직동 팔로어

• 오프셋 팔로어

• 요동 팔로어

10.5 캠 운동 구간

캠 1회전 동안 팔로어 운동은 다음과 같은 구간으로 구성된다.

• 상승 구간

• 정지 구간

• 하강 구간

• 복귀 후 정지 구간

10.6 주요 운동선도

등속 운동

속도는 일정하지만 시작과 종료 시 가속도가 급격하게 변한다.

저속 또는 충격이 중요하지 않은 장치에 제한적으로 사용된다.

등가속·등감속 운동

상승 구간 전반부에서 등가속하고 후반부에서 등감속한다.

가속도 변화점에서 저크가 급격히 변할 수 있다.

단순조화 운동

비교적 부드러운 속도와 가속도 특성을 가진다.

일반적인 중속 캠 장치에 사용된다.

사이클로이드 운동

시작과 종료점에서 속도와 가속도가 0이 되어 고속운전에 유리하다.

다항식 운동

3-4-5 다항식, 4-5-6-7 다항식 등을 사용하여 속도, 가속도 및 저크를 부드럽게 제어한다.

10.7 압력각

압력각은 팔로어 이동방향과 캠이 팔로어에 전달하는 힘의 방향 사이의 각도를 의미한다.

압력각이 지나치게 크면 다음 문제가 발생한다.

• 측압 증가

• 마찰 증가

• 가이드 마모

• 구동토크 증가

• 진동 발생

• 팔로어 이탈 가능성 증가

10.8 접촉 유지

팔로어가 캠 표면과 지속적으로 접촉하도록 다음 방식을 사용할 수 있다.

• 스프링 복귀

• 중력 복귀

• 공액 캠

• 홈 캠

• 유압 또는 공압 예압

10.9 장점

• 복잡한 운동을 하나의 회전축으로 구현할 수 있다.

• 이동, 정지, 복귀 타이밍을 정확히 설정할 수 있다.

• 여러 작업부를 기계적으로 동기화할 수 있다.

• 반복성이 높다.

• 전자제어 없이도 정해진 운동 사이클을 구현할 수 있다.

10.10 단점

• 캠 프로파일 설계와 제작이 복잡하다.

• 운동 변경 시 캠을 교체해야 할 수 있다.

• 접촉응력과 마모가 발생한다.

• 고속 운전에서는 팔로어 점프를 검토해야 한다.

• 윤활과 표면경도 관리가 필요하다.

10.11 주요 적용

• 포장기계

• 충진기

• 라벨러

• 자동조립기

• 프레스

• 밸브 구동

• 제품 이송 및 분리장치

• 실링장치

• 절단장치

11. 4절 링크 기구

11.1 정의

4절 링크 기구는 네 개의 링크를 네 개의 회전 조인트로 연결한 가장 기본적인 폐쇄형 링크 기구이다.

일반적으로 하나의 링크는 프레임에 고정되고, 나머지 링크가 입력, 연결 및 출력 링크 역할을 한다.

11.2 주요 구성

• 고정 링크

• 입력 크랭크

• 커플러 링크

• 출력 로커

• 네 개의 회전 조인트

11.3 주요 유형

크랭크·로커

입력 크랭크가 연속회전하고 출력 로커가 일정 각도 범위에서 요동한다.

더블 크랭크

입력 링크와 출력 링크 모두 연속회전할 수 있다.

더블 로커

입력과 출력 링크 모두 제한된 각도 범위에서 요동한다.

평행 링크

출력 링크가 입력 링크와 평행한 자세를 유지한다.

11.4 그라쇼프 조건

가장 짧은 링크를 s, 가장 긴 링크를 l, 나머지 두 링크를 p와 q라고 하면 다음 조건을 검토할 수 있다.

s + l ≤ p + q

이 조건을 만족하면 적어도 하나의 링크가 프레임에 대해 완전회전할 수 있는 조합이 존재한다.

11.5 기능

• 회전운동을 요동운동으로 변환

• 요동각 확대 또는 축소

• 특정 궤적 생성

• 비선형 속도 특성 생성

• 평행 자세 유지

• 운동 방향 변경

11.6 장점

• 구조가 비교적 단순하다.

• 캠보다 접촉 마모가 작다.

• 다양한 궤적과 운동비를 만들 수 있다.

• 고속 반복운동에 적용할 수 있다.

• 윤활 지점이 명확하다.

11.7 단점

• 링크 길이와 배치에 따라 운동 특성이 크게 달라진다.

• 조인트 유격이 누적될 수 있다.

• 복잡한 궤적 설계에는 해석이 필요하다.

• 특이점과 데드센터가 발생할 수 있다.

• 공간을 비교적 많이 차지할 수 있다.

11.8 주요 적용

• 로커암

• 와이퍼 기구

• 포장재 접기 장치

• 그리퍼 개폐장치

• 제품 이송장치

• 평행 개폐문

• 리프팅 기구

• 프레스 링크

12. 다절 링크 및 궤적 생성 기구

12.1 정의

다절 링크 기구는 6개 이상의 링크를 조합하여 4절 링크보다 복잡한 운동과 궤적을 생성하는 기구이다.

12.2 주요 유형

• 6절 링크

• 8절 링크

• 스티븐슨 링크

• 와트 링크

• 팬터그래프

• 평행 링크

• 로봇 링크

• 보행 링크

12.3 주요 기능

• 직선에 가까운 궤적 생성

• 특정 곡선 경로 생성

• 자세 유지

• 운동 확대 또는 축소

• 비대칭 왕복운동 생성

• 입력과 출력 사이의 비선형 관계 생성

12.4 장점

• 복잡한 운동을 기계적으로 구현할 수 있다.

• 캠과 비교하여 구름 또는 회전 조인트 중심으로 구성할 수 있다.

• 강성과 하중 전달능력을 높일 수 있다.

• 동일한 구동축으로 복수의 운동을 연계할 수 있다.

12.5 단점

• 설계와 운동학 해석이 복잡하다.

• 조인트 수 증가로 유격이 누적될 수 있다.

• 부품 수와 조립비용이 증가한다.

• 링크 간 간섭을 검토해야 한다.

• 동적 균형과 관성력이 복잡해진다.

13. 토글 기구

13.1 정의

토글 기구는 두 링크가 일직선에 가까워질 때 매우 큰 기계적 이득을 발생시키는 링크 기구이다.

주로 작은 입력력으로 큰 클램핑력이나 프레스력을 발생시키는 데 사용된다.

13.2 작동 원리

토글 링크가 일직선에 가까워질수록 출력부 이동량은 작아지고 출력력은 크게 증가한다.

완전히 일직선이 되는 위치는 데드센터가 되며, 이를 약간 넘어가면 오버센터 잠금상태를 만들 수 있다.

13.3 주요 기능

• 힘 증폭

• 클램핑

• 금형 잠금

• 위치 유지

• 오버센터 잠금

• 빠른 접근 후 강한 최종 가압

13.4 장점

• 작은 구동력으로 큰 출력력을 얻을 수 있다.

• 기계적 잠금상태를 만들 수 있다.

• 구조가 비교적 단순하다.

• 반복 클램핑에 적합하다.

• 작동속도와 클램핑력을 단계적으로 변화시킬 수 있다.

13.5 단점

• 데드센터 부근에서 응력이 크게 증가한다.

• 조인트 강성과 유격이 중요하다.

• 과도한 입력으로 부품이 손상될 수 있다.

• 운동범위가 제한적이다.

• 정확한 링크 길이와 정렬이 필요하다.

13.6 주요 적용

• 사출성형기 금형 클램프

• 기계식 프레스

• 토글 클램프

• 도어 잠금장치

• 지그와 고정구

• 포장 실링장치

14. 웨지 기구

14.1 정의

웨지 기구는 경사면을 이용하여 입력방향을 변경하고 힘을 증폭하는 기구이다.

직선 입력운동을 다른 방향의 짧은 직선운동으로 변환하는 데 사용된다.

14.2 이상적인 힘 관계

마찰을 무시하고 웨지 각도를 α라고 하면 입력력과 출력력은 기하학적 관계에 의해 결정된다.

웨지 각도가 작을수록 큰 힘을 발생시킬 수 있지만 이동거리는 감소한다.

14.3 자기잠금

웨지 각도와 마찰계수의 관계에 따라 외력이 제거되어도 웨지가 역방향으로 움직이지 않는 자기잠금 상태를 만들 수 있다.

14.4 장점

• 구조가 매우 단순하다.

• 큰 힘을 발생시킬 수 있다.

• 미세한 높이와 간격 조정에 유리하다.

• 클램핑과 위치고정에 적합하다.

• 별도의 복잡한 링크가 필요하지 않다.

14.5 단점

• 미끄럼 마찰과 마모가 발생한다.

• 윤활 상태에 따라 출력력이 달라진다.

• 고속 반복운동에는 적합하지 않을 수 있다.

• 측면 하중과 지지구조가 필요하다.

• 마찰에 의한 에너지 손실이 크다.

14.6 주요 적용

• 금형 높이조절

• 클램핑 장치

• 기계 레벨링

• 틈새 조정

• 프레스

• 공작물 위치결정

15. 제네바 기구

15.1 정의

제네바 기구는 연속적인 입력회전을 일정 각도의 간헐회전으로 변환하는 대표적인 인덱싱 기구이다.

구동 휠의 핀이 제네바 휠의 슬롯에 들어가 일정 각도만큼 회전시키고, 핀이 빠져나간 동안 출력 휠은 정지한다.

15.2 주요 구성요소

• 구동 휠

• 구동 핀

• 제네바 휠

• 슬롯

• 잠금 원판

• 입력축

• 출력축

15.3 인덱스 각도

제네바 휠의 슬롯 수를 N이라고 하면 한 번의 인덱싱에서 회전하는 각도는 다음과 같다.

θ_index = 360° / N

15.4 특징

• 이동과 정지를 기계적으로 반복한다.

• 구조가 비교적 단순하다.

• 일정한 인덱스 각도를 얻을 수 있다.

• 정지구간에서 출력축을 기계적으로 고정할 수 있다.

• 고속에서는 충격과 진동이 커질 수 있다.

• 입력핀과 슬롯에 높은 접촉응력이 발생한다.

15.5 장점

• 별도의 복잡한 제어 없이 간헐운동을 구현할 수 있다.

• 반복 위치가 명확하다.

• 구조와 제작이 비교적 쉽다.

• 정지구간을 확보하기 쉽다.

15.6 단점

• 입력핀 진입과 이탈 시 충격이 발생한다.

• 고속 운전에 제한이 있다.

• 슬롯 마모가 발생한다.

• 인덱스 각도 변경이 어렵다.

• 정밀 위치결정에는 추가 보정이 필요할 수 있다.

15.7 주요 적용

• 인덱스 테이블

• 필름 이송장치

• 자동조립기

• 포장기계

• 제품 분배장치

• 회전식 작업 테이블

16. 래칫과 폴 기구

16.1 정의

래칫과 폴 기구는 왕복 또는 회전 입력을 한 방향의 단계적 회전운동으로 바꾸거나 역회전을 방지하는 기구이다.

16.2 주요 기능

• 단방향 회전

• 단계 이송

• 역회전 방지

• 장력 유지

• 위치 유지

• 수동 인덱싱

16.3 주요 유형

• 외접 래칫

• 내접 래칫

• 단일 폴

• 이중 폴

• 왕복 레버식 래칫

• 오버러닝 래칫

16.4 장점

• 구조가 단순하다.

• 저속 간헐운동에 적합하다.

• 역회전 방지기능을 동시에 얻을 수 있다.

• 수동조작에 적용하기 쉽다.

• 유지보수가 비교적 쉽다.

16.5 단점

• 충격과 소음이 발생한다.

• 고속 운전에 적합하지 않다.

• 치형과 폴의 마모가 발생한다.

• 정밀한 속도 제어가 어렵다.

• 백래시가 비교적 크다.

16.6 주요 적용

• 수동 윈치

• 권취장치

• 장력 조절기

• 인덱싱 장치

• 역회전 방지장치

• 공급 피더

17. 캠 인덱서

17.1 정의

캠 인덱서는 특수 캠 프로파일을 이용하여 연속적인 입력회전을 정밀한 간헐회전으로 변환하는 장치이다.

17.2 주요 유형

• 배럴 캠 인덱서

• 글로보이달 캠 인덱서

• 평면 캠 인덱서

• 병렬 캠 인덱서

17.3 특징

• 정밀한 인덱스 각도

• 높은 반복정밀도

• 이동구간과 정지구간 설정 가능

• 제네바 기구보다 부드러운 가감속

• 고속 운전 가능

• 높은 강성과 하중 지지능력

17.4 장점

• 충격과 진동이 작다.

• 고속·고정밀 인덱싱에 적합하다.

• 정지구간에서 높은 위치강성을 확보할 수 있다.

• 여러 종류의 운동선도를 적용할 수 있다.

17.5 단점

• 구조와 제작이 복잡하다.

• 가격이 높다.

• 캠 프로파일 변경이 어렵다.

• 윤활과 조립정밀도가 중요하다.

• 과부하 보호장치가 필요할 수 있다.

17.6 주요 적용

• 고속 포장기계

• 로터리 조립기

• 검사장비

• 충진기

• 인쇄기

• 고속 인덱스 테이블

18. 스타 휠 및 이스케이프먼트 기구

18.1 스타 휠

스타 휠은 제품의 외형에 맞는 홈을 가진 회전체를 이용하여 제품을 일정 간격으로 분리하고 회전 이송한다.

주요 적용

• 병과 용기 이송

• 충진기

• 캡핑기

• 라벨러

• 포장 제품 정렬

• 원형 공정 이송

18.2 이스케이프먼트 기구

이스케이프먼트 기구는 연속적으로 공급되는 부품이나 제품을 한 개씩 분리하여 방출한다.

주요 유형

• 이중 스토퍼형

• 슬라이드 게이트형

• 회전 핑거형

• 캠 구동형

• 공압 실린더형

주요 적용

• 진동 피더

• 자동조립기

• 부품 공급장치

• 포장기계

• 검사장비

19. 운동 변환 기구의 핵심 설계 변수

19.1 입력운동

• 회전 또는 직선

• 입력속도

• 입력토크 또는 힘

• 회전 방향

• 연속 또는 간헐

• 정속 또는 가변속

19.2 출력운동

• 직선

• 회전

• 왕복

• 요동

• 간헐

• 특정 곡선 궤적

• 복합운동

19.3 이동거리와 회전각

• 직선 스트로크

• 요동각도

• 인덱스 각도

• 1회전당 이동량

• 반복 위치

• 행정 끝 위치

19.4 속도

• 최대 속도

• 평균 속도

• 순간 속도

• 복귀 속도

• 이동구간과 정지구간

• 속도 변동률

19.5 가속도와 저크

가속도는 기구에 작용하는 관성력을 결정한다.

F_inertia = ma

저크는 가속도의 시간 변화율이다.

j = da / dt

저크가 크면 다음 문제가 발생할 수 있다.

• 충격

• 진동

• 소음

• 제품 흔들림

• 링크와 베어링 피로

• 팔로어 이탈

19.6 힘과 토크

• 입력토크

• 출력 추력

• 최대 작업하중

• 순간 피크하중

• 클램핑력

• 관성하중

• 마찰저항

19.7 효율

운동 변환 과정에서는 마찰, 변형, 충격 및 윤활저항으로 에너지 손실이 발생한다.

η = 출력동력 / 입력동력

19.8 백래시와 유격

조인트, 기어, 나사 및 슬롯의 유격은 출력부의 위치오차와 충격을 증가시킨다.

정밀 위치결정 기구에서는 다음 항목을 관리해야 한다.

• 기어 백래시

• 나사와 너트 유격

• 핀과 부시 유격

• 캠과 팔로어 간극

• 링크 조인트 유격

• 가이드 유격

19.9 강성과 변형

기구의 변형은 실제 출력 위치와 힘에 영향을 준다.

검토 대상:

• 축 비틀림

• 링크 굽힘

• 프레임 변형

• 나사축 압축

• 베어링 변위

• 조인트 탄성변형

19.10 관성 및 동적 균형

고속 기구에서는 회전체와 왕복부의 관성력이 중요하다.

• 회전 불평형

• 왕복질량

• 관성모멘트

• 크랭크 밸런스

• 카운터웨이트

• 공진 주파수

• 프레임 진동

20. 운동 변환 기구의 일반 비교

20.1 나사 기구

적합한 조건:

• 정밀한 직선 위치결정

• 큰 축방향 추력

• 속도와 위치의 전자제어

• 비교적 긴 스트로크

주의사항:

• 임계회전속도

• 좌굴

• 윤활

• 정렬

• 백래시

• 오염

20.2 랙과 피니언

적합한 조건:

• 긴 이동거리

• 높은 이동속도

• 대형 장비

• 직선운동과 회전운동의 상호변환

주의사항:

• 백래시

• 윤활

• 기어 소음

• 랙 연결부 정밀도

• 피니언 지지강성

20.3 크랭크·슬라이더

적합한 조건:

• 반복적인 왕복운동

• 고속 사이클

• 큰 작업력

• 일정한 스트로크

주의사항:

• 진동

• 측압

• 관성력

• 조인트 마모

• 데드센터

20.4 스카치 요크

적합한 조건:

• 콤팩트한 왕복운동

• 단순조화형 운동

• 비교적 단순한 구조

주의사항:

• 슬롯 마모

• 미끄럼 마찰

• 윤활

• 충격

• 접촉응력

20.5 캠 기구

적합한 조건:

• 정해진 운동선도

• 정확한 타이밍

• 이동과 정지의 반복

• 복수 공정의 기계적 동기화

주의사항:

• 접촉응력

• 팔로어 점프

• 압력각

• 윤활

• 캠 제작정밀도

20.6 링크 기구

적합한 조건:

• 요동운동

• 특정 궤적

• 자세 유지

• 복잡한 운동비

주의사항:

• 조인트 유격

• 특이점

• 링크 간 간섭

• 운동학 해석

• 프레임 강성

20.7 인덱싱 기구

적합한 조건:

• 일정한 각도 이동

• 이동과 정지 반복

• 회전 테이블

• 제품 분배

주의사항:

• 인덱스 충격

• 반복정밀도

• 정지구간 강성

• 과부하

• 윤활

21. 운동 변환 기구 선정 절차

21.1 작업 기능 정의

먼저 작업부에서 수행해야 하는 기능을 정의한다.

예:

• 이동

• 승강

• 절단

• 클램핑

• 회전

• 요동

• 인덱싱

• 제품 분리

• 궤적 추종

21.2 출력운동 정의

• 운동 형태

• 이동거리

• 회전각도

• 스트로크

• 주기

• 정지시간

• 속도

• 가속도

• 반복정밀도

21.3 하중조건 분석

• 정적 작업하중

• 관성하중

• 충격하중

• 마찰저항

• 편심하중

• 반복하중

• 비상하중

21.4 입력 구동원 검토

• 인덕션 모터

• 서보 모터

• 스테핑 모터

• 공압 실린더

• 유압 실린더

• 수동 레버

• 스프링

• 중력

21.5 변환 원리 비교

• 나사

• 기어

• 크랭크

• 캠

• 링크

• 웨지

• 인덱싱

• 케이블

• 유체 액추에이터

21.6 운동 특성 검토

• 속도 변화

• 가속도

• 저크

• 정지구간

• 복귀운동

• 비대칭 운동

• 동기성

• 진동

21.7 강도와 수명 검토

• 링크 강도

• 축 강도

• 핀과 부시의 면압

• 캠 접촉응력

• 기어 치면강도

• 나사 좌굴

• 베어링 수명

• 피로수명

21.8 공간과 조립성 검토

• 설치공간

• 기구 운동범위

• 링크 간 간섭

• 작업부 접근성

• 분해와 조립

• 윤활 접근

• 교체공간

• 안전커버

21.9 제어방식 검토

• 순수 기계식

• 전자 캠

• 서보 제어

• 센서 피드백

• 위치제어

• 속도제어

• 토크제어

• 동기제어

21.10 최종 검증

• 운동학 해석

• 동역학 해석

• 구조해석

• 간섭 검토

• 시뮬레이션

• 시제품 시험

• 반복수명 시험

• 비상정지 시험

22. 주요 고장 형태

22.1 나사 기구

• 나사산 마모

• 볼 순환부 손상

• 백래시 증가

• 나사축 좌굴

• 임계속도 진동

• 윤활 부족

• 씰 파손

• 너트 과열

22.2 랙과 피니언

• 치면 마모

• 피팅

• 백래시 증가

• 랙 연결부 충격

• 피니언 베어링 손상

• 윤활 부족

• 정렬 불량

22.3 크랭크와 링크

• 핀 마모

• 부시 마모

• 링크 피로균열

• 축 굽힘

• 볼트 풀림

• 슬라이더 가이드 마모

• 측압 증가

22.4 캠과 팔로어

• 캠 표면 피팅

• 팔로어 롤러 손상

• 스코어링

• 스프링 피로

• 팔로어 점프

• 캠축 베어링 손상

• 프로파일 마모

22.5 인덱싱 기구

• 핀과 슬롯 마모

• 위치정밀도 저하

• 충격 파손

• 캠 표면 손상

• 출력축 베어링 손상

• 과부하에 의한 변형

• 잠금부 마모

22.6 공통 고장원인

• 과도한 하중

• 정렬 불량

• 윤활 부족

• 오염

• 조립오차

• 공진

• 과속

• 충격

• 부적절한 재료

• 프레임 강성 부족

23. 유지보수 및 점검

23.1 정기 점검 항목

• 이상 소음

• 진동

• 온도 상승

• 윤활상태

• 유격 증가

• 스트로크 변화

• 위치 반복성

• 링크 변형

• 볼트 풀림

• 캠과 롤러 접촉상태

• 나사축 오염

• 안전커버 상태

23.2 유격 점검

• 나사 백래시

• 랙과 피니언 백래시

• 핀과 부시 유격

• 링크 조인트 유격

• 캠 팔로어 간극

• 슬라이더와 가이드 유격

23.3 윤활 관리

윤활이 필요한 주요 부위는 다음과 같다.

• 나사와 너트

• 기어 맞물림부

• 핀과 부시

• 캠과 팔로어

• 베어링

• 슬롯과 핀

• 선형 가이드

23.4 상태기반 보전

센서와 측정장비를 이용하여 다음 항목을 관리할 수 있다.

• 진동

• 온도

• 모터 전류

• 구동토크

• 위치오차

• 반복정밀도

• 사이클 시간

• 소음

• 윤활유 상태

24. 식품기계에서의 운동 변환 기구

식품기계의 운동 변환 기구는 기능뿐 아니라 위생성, 세척성 및 오염방지를 함께 고려해야 한다.

24.1 주요 위생 요구사항

• 식품 잔류물이 축적되지 않는 구조

• 개방형 또는 세척 가능한 구조

• 수평면과 깊은 틈새 최소화

• 윤활유 누출 방지

• 식품 접촉부와 기구부의 분리

• 배수 가능한 프레임

• 부식에 강한 재료

• 공구 없이 분리 가능한 구조

• 세척 후 건조가 쉬운 구조

24.2 나사 기구

볼스크루와 리드스크루는 오염과 세척수에 노출되지 않도록 벨로즈, 커버 또는 별도 비위생구역에 배치하는 것이 적절하다.

24.3 캠 기구

캠과 팔로어는 윤활이 필요하므로 밀폐 구조 또는 식품접촉부와 분리된 구동실에 배치해야 한다.

24.4 링크 기구

링크와 조인트는 잔류물이 쌓이지 않도록 단순한 외형과 세척 가능한 간격을 확보해야 한다.

나사산이 노출된 조정 볼트나 복잡한 중첩 구조는 식품 접촉구역에서 최소화해야 한다.

24.5 체인 및 랙 기구

윤활과 오염 축적 가능성이 있으므로 직접 식품구역과 분리하거나 위생형 커버를 적용해야 한다.

24.6 공압 기구

공압 실린더는 구조가 단순하고 세척구역에 적용하기 쉽지만, 로드 씰과 배기공기로부터 오염이 발생하지 않도록 검토해야 한다.

24.7 주요 적용 사례

• 충진 노즐 승강

• 절단날 왕복운동

• 포장재 접기

• 실링 조 개폐

• 제품 분리 스토퍼

• 스타 휠 용기 이송

• 그리퍼 개폐

• 금형 클램핑

• 제품 배출장치

• 육류 압착 및 성형장치

25. 적용 사례

25.1 충진 노즐 승강장치

서보 모터
→ 커플링
→ 볼스크루
→ 리니어 가이드
→ 충진 노즐

주요 검토사항:

• 승강 스트로크

• 최대 속도

• 반복 위치정밀도

• 노즐 중량

• 세척환경

• 볼스크루 보호

• 비상 시 낙하방지

25.2 왕복 절단장치

인덕션 모터
→ 감속기
→ 크랭크·슬라이더
→ 절단날

주요 검토사항:

• 절단 스트로크

• 사이클 속도

• 순간 절단력

• 관성력

• 진동

• 날 교체성

• 안전커버

25.3 포장기 캠 구동장치

메인 모터
→ 감속기
→ 캠축
→ 복수 캠
→ 실링·절단·이송부

주요 검토사항:

• 공정 타이밍

• 캠 위상

• 정지구간

• 압력각

• 팔로어 접촉

• 윤활

• 동기 정확도

25.4 회전 인덱스 테이블

모터
→ 감속기
→ 캠 인덱서
→ 회전 테이블

주요 검토사항:

• 인덱스 각도

• 정지시간

• 테이블 관성

• 반복 위치정밀도

• 탑재하중

• 비상정지

• 과부하 보호

25.5 그리퍼 개폐장치

공압 실린더
→ 웨지 또는 링크
→ 좌우 그리퍼 핑거

주요 검토사항:

• 개폐 스트로크

• 파지력

• 평행도

• 제품 손상

• 속도

• 센서 위치

• 세척성

25.6 포장재 접기 링크

캠 또는 서보 모터
→ 4절 링크
→ 접기 암
→ 포장재 접기

주요 검토사항:

• 접기 궤적

• 제품 간섭

• 속도와 가속도

• 반복정밀도

• 링크 유격

• 조정범위

26. 기계식 운동 변환과 서보 운동의 비교

26.1 기계식 변환 기구

대표적인 방식:

• 캠

• 크랭크

• 링크

• 제네바

• 래칫

• 기계식 인덱서

장점:

• 복수 운동을 기계적으로 동기화할 수 있다.

• 반복성이 높다.

• 제어구조가 단순하다.

• 고속 반복작업에 적합하다.

• 정해진 사이클에서 안정적이다.

단점:

• 운동 변경이 어렵다.

• 기구 변경이나 부품 교체가 필요하다.

• 마모와 백래시가 발생한다.

• 제품 변경 대응성이 낮을 수 있다.

26.2 서보 기반 운동 변환

대표적인 방식:

• 서보 모터와 볼스크루

• 서보 모터와 랙·피니언

• 로터리 서보축

• 전자 캠

• 다축 동기제어

장점:

• 운동 프로파일 변경이 쉽다.

• 제품별 레시피를 적용할 수 있다.

• 위치와 속도를 정밀하게 제어할 수 있다.

• 기계식 캠 수를 줄일 수 있다.

• 진단 및 데이터 수집이 용이하다.

단점:

• 제어 시스템이 복잡하다.

• 모터, 드라이브 및 센서 비용이 증가한다.

• 전기적 오류와 통신오류를 고려해야 한다.

• 비상정지와 안전제어 설계가 필요하다.

26.3 하이브리드 방식

실제 산업기계에서는 기계식 변환과 서보 제어를 조합할 수 있다.

예:

서보 모터
→ 캠축
→ 링크 기구
→ 작업부

이 방식은 서보의 가변성과 기계식 기구의 강성 및 동기성을 함께 활용한다.

27. 결론

운동 변환 기구는 동력원에서 발생한 입력운동을 실제 작업에 필요한 출력운동으로 바꾸는 기계 시스템의 핵심 요소이다.

운동 변환 기구는 단순히 회전을 직선으로 바꾸는 구조에 한정되지 않는다. 출력부의 스트로크, 속도, 가속도, 저크, 정지시간, 힘, 토크, 궤적 및 반복주기를 결정하는 기계적 논리를 포함한다.

나사 기구는 정밀한 직선 위치결정과 큰 추력에 적합하고, 랙과 피니언은 장거리 고속 직선이동에 적합하다. 크랭크·슬라이더와 편심 기구는 반복적인 왕복운동에 유리하며, 캠은 정해진 운동선도와 공정 타이밍을 구현하는 데 적합하다.

링크 기구는 회전, 요동 및 특정 궤적을 생성할 수 있으며, 제네바와 캠 인덱서는 연속회전을 일정한 간헐회전으로 변환한다. 토글과 웨지 기구는 작은 입력운동으로 큰 출력력을 발생시키는 데 사용된다.

따라서 운동 변환 기구는 다음 순서로 설계하고 선정하는 것이 바람직하다.

작업 기능 정의
→ 출력운동 형태 정의
→ 스트로크와 회전각 결정
→ 속도·가속도·저크 분석
→ 하중과 토크 분석
→ 변환 원리 비교
→ 기구 치수와 구동원 결정
→ 강도·수명·진동 검토
→ 안전성·유지보수성·위생성 검토
→ 시뮬레이션 및 시제품 시험

운동 변환 기구를 올바르게 선정하고 설계하면 기계의 생산속도와 정밀도뿐 아니라 내구성, 에너지 효율, 유연성, 안전성 및 유지보수성까지 향상시킬 수 있다.