1. 개요
유연기구는 외력, 위치오차, 형상편차 또는 충격이 작용할 때 구조적으로 일정한 변형이나 상대운동을 허용하여 힘과 운동을 전달하거나, 대상물과 장치 사이의 정렬오차를 흡수하는 기계기구이다.
일반적인 강체기구는 각 부품이 거의 변형되지 않는다고 가정하고 회전축, 핀, 베어링 및 슬라이더를 통해 운동한다. 반면 유연기구는 다음 요소 중 하나 이상을 이용한다.
재료의 탄성변형
얇은 판이나 빔의 굽힘
비틀림변형
플렉셔 힌지
유연 커플링
플로팅 조인트
구면 조인트
탄성 부싱
고무 및 엘라스토머
스프링 지지
공압식 순응성
수동 정렬 자유도
다축 미세변위 허용구조
유연기구의 주요 목적은 다음과 같다.
조립오차 흡수
위치 및 각도오차 보정
충격과 진동 완화
작업물 손상 방지
접촉력 제한
삽입과 조립 안정화
백래시 제거
반복정밀도 향상
과부하 시 변위 허용
다축 접촉 적응
밀폐 및 청정구조 구현
부품 수와 조립공정 감소
대표적인 적용 분야는 다음과 같다.
정밀 위치결정장치
반도체 및 디스플레이 장비
로봇 그리퍼
자동조립장치
핀 삽입과 커넥터 체결
공작기계
측정기와 센서
광학장비
포장기계
식품가공기계
의료기기
소프트 로봇
진공장비
우주·항공장비
유연 커플링과 축 연결장치
유연기구는 오차와 충격을 흡수할 수 있다는 장점이 있지만, 과도한 변형, 피로파손, 크리프, 기생운동 및 불안정한 강성변화가 발생하지 않도록 설계해야 한다.
2. 유연기구의 정의
유연기구는 구조적 변형 또는 제한된 상대운동을 이용하여 원하는 기능을 구현하는 기구이다.
기능적 관점에서 다음과 같이 정의할 수 있다.
유연기구는 강체 사이의 상대위치 오차와 외력을 수용하면서, 필요한 방향의 운동과 힘은 전달하고 불필요한 방향의 하중은 줄이는 기계기구이다.
유연기구에는 다음 두 가지 개념이 포함된다.
2.1 탄성변형형 유연기구
부품 자체의 탄성변형을 이용한다.
플렉셔 힌지
판스프링 가이드
탄성 빔
다이어프램
벨로즈
탄성 핑거
일체형 그리퍼
2.2 상대운동형 유연기구
조인트, 플로팅 부품 또는 스프링 지지를 이용해 제한된 상대운동을 허용한다.
플로팅 조인트
구면 조인트
자동정렬 커플링
스프링 플로팅 플레이트
원격 중심 순응기구
고무 부싱
3. 유연성과 강성
유연성은 하중에 대해 변형을 허용하는 정도이며, 강성의 역수로 이해할 수 있다.
직선운동에서는 다음 관계를 사용할 수 있다.
F = kx
따라서 유연성 (C)는 다음과 같다.
C = x / F = 1 / k
여기서,
F: 작용력
k: 강성
x: 변위
C: 유연성 또는 컴플라이언스
회전운동에서는 다음과 같이 표현한다.
T = k_θ θ
C_θ = θ / T = 1 / k_θ
여기서,
T: 토크
(k_θ): 회전강성
θ: 회전각
(C_θ): 회전 컴플라이언스
유연기구는 모든 방향으로 부드러워야 하는 것이 아니다. 필요한 방향으로는 유연하고, 힘을 전달해야 하는 방향으로는 충분히 강해야 한다.
4. 방향성 유연성
유연기구의 핵심은 방향에 따른 강성차이를 만드는 것이다.
예를 들어 평행 판스프링 가이드는 이동방향으로는 쉽게 변형되지만 다음 방향으로는 높은 강성을 유지할 수 있다.
측면방향
회전방향
수직방향
비틀림방향
이를 방향성 강성 또는 이방성 강성이라고 한다.
이상적인 유연기구는 다음 특성을 가진다.
원하는 자유도에서는 낮은 강성
제한해야 할 자유도에서는 높은 강성
작동범위 내에서 예측 가능한 강성
낮은 기생운동
안정된 반복성
5. 유연기구와 탄성 복원기구의 차이
탄성 복원기구와 유연기구는 서로 관련되지만 설계목적이 다르다.
5.1 탄성 복원기구
변형에너지를 저장하고 원래 위치로 복귀하는 기능이 중심이다.
예:
압축스프링
인장스프링
비틀림스프링
가스스프링
5.2 유연기구
오차, 충격, 위치편차 및 접촉하중을 수용하면서 운동이나 힘을 전달하는 기능이 중심이다.
예:
플렉셔 가이드
플로팅 조인트
원격 중심 순응기구
탄성 그리퍼
유연 커플링
5.3 기능의 중복
플렉셔 힌지는 탄성변형을 이용하므로 복원기능을 가지면서 동시에 운동을 안내하는 유연기구이다.
6. 유연기구와 강체기구의 비교
6.1 강체기구
운동은 핀, 베어링, 슬라이더 및 조인트에서 발생한다.
장점:
큰 운동범위
큰 하중 전달 가능
운동해석이 비교적 단순함
부품별 교체 가능
단점:
백래시
마찰
윤활 필요
마모
조립오차
파티클 발생
6.2 유연기구
운동은 구조의 탄성변형 또는 제한된 부유운동으로 발생한다.
장점:
백래시가 작거나 없음
마찰이 작음
윤활을 줄일 수 있음
높은 반복정밀도
부품 수 감소
청정환경 적용 가능
공차 및 정렬오차 흡수
단점:
운동범위 제한
피로수명 검토 필요
과도변위에 취약
비선형 거동
기생운동
제작오차 영향
일부 구조는 교체가 어려움
7. 유연기구의 기본 분류
7.1 재료변형형
플렉셔 힌지
판스프링
탄성 빔
다이어프램
벨로즈
탄성 링
슬릿 구조
7.2 스프링 지지형
스프링 플로팅 플레이트
스프링 지지 그리퍼
다축 스프링 마운트
예압형 순응기구
7.3 조인트형
구면 조인트
유니버설 조인트
플로팅 조인트
자동조심 베어링
볼 조인트
7.4 연성재료형
고무부싱
엘라스토머 마운트
실리콘 핑거
우레탄 패드
소프트 그리퍼
7.5 유체형
공압 순응기구
공기스프링
저압 그리퍼
유압 완충형 조인트
7.6 자기형
자기 커플링
자기 플로팅 지지
비접촉 순응기구
8. 자유도
기계부품은 공간에서 최대 6개의 자유도를 가진다.
X축 직선이동
Y축 직선이동
Z축 직선이동
X축 회전
Y축 회전
Z축 회전
유연기구는 필요한 자유도만 허용하고 나머지 자유도는 제한해야 한다.
예를 들어 핀 삽입용 순응기구는 다음 자유도를 일부 허용할 수 있다.
X, Y 방향 미세이동
X, Y축 미세회전
필요에 따라 Z축 탄성 이동
하지만 삽입방향의 추진력은 안정적으로 전달해야 한다.
9. 컴플라이언스 행렬
다축 유연기구에서는 힘과 변위의 관계를 행렬로 표현할 수 있다.
{δ} = [C]{F}
또는,
{F} = [K]{δ}
여기서,
{δ}: 직선 및 회전변위 벡터
{F}: 힘과 모멘트 벡터
[C]: 컴플라이언스 행렬
[K]: 강성행렬
대각항은 각 축의 직접 유연성을 나타내고, 비대각항은 한 방향의 힘이 다른 방향의 변위를 발생시키는 결합효과를 나타낸다.
정밀 유연기구에서는 비대각항을 줄여 축간 결합을 최소화하는 것이 중요하다.
10. 플렉셔 기구
플렉셔 기구는 재료의 탄성변형을 이용하여 운동을 구현하는 유연기구이다.
대표적인 형태는 다음과 같다.
플렉셔 힌지
블레이드 플렉셔
평행 플렉셔
크로스스프링 피벗
원형 노치 힌지
다이어프램 플렉셔
카티시안 플렉셔 스테이지
플렉셔 기구는 정밀도와 반복성이 필요한 장치에 적합하다.
11. 플렉셔 힌지
플렉셔 힌지는 국부적으로 얇게 만든 부위가 굽혀지면서 회전운동을 제공한다.
11.1 주요 형상
직선 노치형
원형 노치형
타원형 노치형
포물선형
코너 필렛형
크로스축형
11.2 주요 설계변수
최소 두께
노치 반경
힌지 폭
재료 탄성계수
허용 회전각
축방향 하중
반복횟수
11.3 장점
백래시 없음
높은 반복정밀도
윤활 불필요
조립부품 감소
진공과 클린룸에 적합
11.4 단점
회전범위 제한
노치부 응력집중
피로파손 가능
과도한 축방향하중에 취약
12. 블레이드 플렉셔
얇고 긴 판재의 굽힘변형을 이용해 특정 방향의 이동이나 회전을 허용한다.
블레이드 플렉셔의 특징은 다음과 같다.
한 방향으로 낮은 굽힘강성
판의 폭방향으로 높은 강성
구조가 단순함
비교적 큰 변위 가능
평면형 제작에 적합
적용 분야:
정밀 가이드
센서
계측장비
광학 마운트
미세 위치조정장치
13. 평행 플렉셔 가이드
두 개 이상의 평행한 판스프링을 이용하여 이동부가 거의 평행하게 직선이동하도록 하는 기구이다.
13.1 장점
슬라이딩 마찰 없음
백래시 없음
높은 반복성
윤활 불필요
일체형 제작 가능
13.2 단점
이동 중 미세한 기생변위 발생
이동범위 제한
판스프링 피로
큰 측면하중에 취약
13.3 적용
미세조정 스테이지
힘센서
로드셀
반도체 정렬장비
광학 포커스 장치
14. 크로스스프링 피벗
두 개의 얇은 판스프링을 교차배치하여 가상의 회전중심을 형성하는 기구이다.
장점:
마찰이 매우 작음
높은 회전 반복정밀도
백래시 없음
비교적 명확한 회전중심
단점:
판스프링 응력
제한된 회전각
축방향하중 영향
조립 정렬이 중요함
적용:
정밀 저울
각도 센서
광학 미러
정밀 회전기구
15. 복합 플렉셔 기구
여러 플렉셔 요소를 조합하여 다축운동 또는 병진운동을 구현한다.
대표적인 구조는 다음과 같다.
이중 평행 플렉셔
4절 링크형 플렉셔
다축 플렉셔 스테이지
직렬형 플렉셔
병렬형 플렉셔
카티시안 플렉셔
복합구조는 기생운동을 줄이고 정밀도를 높일 수 있지만, 응력분포와 축간결합 해석이 복잡해진다.
16. 플로팅 기구
플로팅 기구는 부품 또는 장착판이 제한된 범위에서 자유롭게 이동하거나 회전할 수 있도록 하는 구조이다.
16.1 주요 목적
조립오차 흡수
중심 자동정렬
공차보상
접촉면 균등화
측면하중 감소
축 정렬 개선
16.2 대표적인 형태
플로팅 플레이트
플로팅 너트
플로팅 조인트
플로팅 커넥터
플로팅 그리퍼
플로팅 베어링 하우징
17. 플로팅 조인트
플로팅 조인트는 실린더 로드와 이동부 사이에 설치되어 축의 편심과 각도오차를 흡수한다.
17.1 주요 기능
로드와 가이드의 평행도오차 보정
실린더 측면하중 감소
씰 마모 감소
조립성 향상
축 고착 방지
17.2 주의사항
플로팅 조인트가 큰 오정렬을 지속적으로 보상하도록 설계해서는 안 된다.
기본적인 축 정렬을 확보한 후 잔여오차를 흡수하는 용도로 사용해야 한다.
18. 플로팅 너트
플로팅 너트는 너트가 장착부 안에서 미세하게 움직일 수 있도록 하여 볼트와 구멍의 위치편차를 흡수한다.
주요 적용:
판금조립
커버
항공기 구조
자동차
장비 패널
반복 조립부
장점:
조립공차 흡수
빠른 조립
볼트 삽입성 향상
체결부 정렬 개선
주의사항:
회전방지
이탈방지
체결 후 위치안정성
진동
부식
19. 자동정렬 기구
자동정렬 기구는 접촉력이 발생하면 대상물의 형상이나 중심에 맞춰 스스로 위치를 조정한다.
대표적인 방식은 다음과 같다.
구면시트
테이퍼 가이드
플로팅 플레이트
스프링 지지
롤러 가이드
원격 중심 순응기구
자동정렬은 조립성 향상에 유리하지만, 정렬 후 위치를 확실히 유지하는 별도의 지지나 잠금이 필요할 수 있다.
20. 구면 조인트와 자동조심 구조
구면 조인트는 여러 회전방향의 각도오차를 허용한다.
대표적인 요소는 다음과 같다.
볼 조인트
구면 베어링
로드 엔드
구면 와셔
자동조심 베어링
20.1 장점
각도오차 흡수
편하중 감소
조립성 향상
하중분포 개선
20.2 단점
유격
마찰
윤활 필요
마모
회전중심 이동 가능성
21. 원격 중심 순응기구
원격 중심 순응기구는 실제 기구의 위치와 떨어진 지점에 가상의 순응 중심이 형성되도록 설계한 기구이다.
영문으로는 일반적으로 다음과 같이 표현한다.
Remote Center Compliance, RCC
RCC는 로봇 조립공정에서 핀과 구멍, 샤프트와 베어링, 커넥터와 소켓의 정렬오차를 보정하는 데 사용된다.
22. RCC의 작동원리
삽입물과 구멍 사이에 위치오차가 있으면 접촉력이 발생한다.
RCC는 이 접촉력에 의해 삽입물이 구멍 중심방향으로 이동하거나 회전하도록 한다.
일반적인 과정은 다음과 같다.
삽입물 접근
→ 모서리 접촉
→ 측면력 및 모멘트 발생
→ 순응기구 변위
→ 중심 자동정렬
→ 삽입 진행
RCC는 로봇의 위치정밀도가 완벽하지 않아도 안정적인 조립을 가능하게 한다.
23. RCC의 주요 설계요소
순응 중심의 위치
X·Y 방향 강성
회전강성
삽입방향 강성
최대 허용변위
최대 허용각도
복원력
마찰
댐핑
허용 삽입력
순응 중심을 적절하게 배치하면 접촉력이 정렬을 방해하는 대신 정렬을 유도하게 할 수 있다.
24. 수동 순응과 능동 순응
24.1 수동 순응
스프링, 플렉셔, 고무 또는 조인트의 기계적 특성만으로 오차를 흡수한다.
장점:
제어가 단순함
응답이 빠름
전원 불필요
신뢰성이 높음
비용이 낮음
단점:
강성 고정
작업별 최적화 한계
상태변화 대응 제한
24.2 능동 순응
힘센서, 위치센서 및 액추에이터 제어를 이용해 접촉력이나 위치를 조정한다.
장점:
힘과 위치를 유연하게 제어
다양한 작업 대응
상태감시 가능
강성 가변 가능
단점:
센서와 제어기 필요
제어지연
비용 증가
고장모드 증가
24.3 하이브리드 순응
기계적 수동 순응성과 능동 힘제어를 함께 사용한다.
25. 유연 커플링
유연 커플링은 두 축 사이의 토크를 전달하면서 편심, 각도오차 및 축방향 변위를 일부 허용하는 축 연결장치이다.
대표적인 종류는 다음과 같다.
빔 커플링
헬리컬 커플링
벨로즈 커플링
디스크 커플링
올덤 커플링
조 커플링
타이어 커플링
그리드 커플링
26. 빔 및 헬리컬 커플링
원통형 부품에 나선형 슬릿을 가공하여 탄성변형을 허용한다.
26.1 장점
일체형 구조
백래시가 작음
윤활 불필요
소형화 가능
제작과 조립이 단순함
26.2 단점
토크용량 제한
비틀림강성이 낮을 수 있음
피로수명 검토 필요
축방향 및 편심오차에 따른 추가응력
26.3 적용
엔코더
소형 서보
계측기
정밀 이송축
27. 벨로즈 커플링
얇은 금속 벨로즈의 탄성변형으로 축 오정렬을 흡수하면서 토크를 전달한다.
장점:
높은 비틀림강성
백래시가 매우 작음
정밀 서보에 적합
비교적 낮은 관성
진공 적용 가능
단점:
가격이 높음
과도한 오정렬에 취약
벨로즈 피로
충격하중에 민감함
28. 디스크 커플링
얇은 금속 디스크 또는 판의 굽힘변형을 이용해 오정렬을 허용한다.
장점:
높은 비틀림강성
윤활 불필요
고속회전에 적합
높은 토크 전달
백래시가 작음
단점:
축 정렬 요구
과도한 편심에 의한 피로
조립오차에 민감함
디스크 손상 시 급격한 성능저하
29. 올덤 커플링
중앙 디스크가 두 허브의 직교 홈 사이에서 미끄러지며 평행 편심을 흡수한다.
장점:
비교적 큰 평행 편심 허용
구조가 단순함
저속 및 중속에 적합
전기절연 재료 사용 가능
단점:
중앙 디스크 마모
미끄럼마찰
고속에서 진동 가능
백래시 발생 가능
30. 엘라스토머 커플링
고무 또는 우레탄 요소를 사용하여 축 오정렬과 충격을 흡수한다.
대표적인 형태:
조 커플링
타이어 커플링
핀·부시 커플링
고무 디스크 커플링
장점:
진동과 충격 완화
설치오차 흡수
소음감소
간단한 유지보수
단점:
비틀림변형
온도 영향
노화
크리프
화학약품 영향
31. 유연 그리퍼
유연 그리퍼는 대상물의 형상과 위치편차를 수용하면서 파지력을 분산시키는 그리퍼이다.
대표적인 방식은 다음과 같다.
스프링 지지 핑거
플렉셔 핑거
고무 패드 핑거
공압 소프트 핑거
케이블 구동 연성 핑거
언더액추에이티드 그리퍼
유연 그리퍼는 다음 대상물에 적합하다.
형상이 불규칙한 제품
변형되기 쉬운 제품
식품
유리와 세라믹
전자부품
다품종 제품
32. 언더액추에이티드 그리퍼
구동기 수보다 관절 자유도가 많은 그리퍼이다.
하나의 액추에이터로 여러 관절을 움직이며, 대상물과 접촉하면 각 핑거가 형상에 맞게 수동적으로 조정된다.
32.1 장점
다양한 형상 파지
구동기 수 감소
제어 단순화
접촉력 분산
위치오차 흡수
32.2 단점
정확한 핑거 위치제어 제한
힘분포 예측이 어려움
링크와 케이블의 마찰
작은 부품 파지에 제한
반복정밀도 저하 가능
33. 소프트 그리퍼
고무, 실리콘 또는 유연 폴리머의 변형을 이용해 제품을 감싸거나 눌러 파지한다.
33.1 작동방식
공압 챔버 팽창
진공에 의한 수축
케이블 인장
형상기억 재료
유전탄성 액추에이터
33.2 장점
연약한 제품 손상 감소
복잡한 형상 적응
넓은 접촉면적
작업물 위치오차 허용
안전한 인간협업 가능성
33.3 단점
낮은 위치정밀도
재료 피로와 찢김
압력과 온도 영향
세척과 위생관리
해석 및 수명예측이 어려움
34. 탄성 핑거와 플렉셔 그리퍼
금속 또는 플라스틱의 얇은 탄성부를 변형시켜 핑거를 개폐한다.
장점:
일체형 제작
백래시 없음
부품 수 감소
높은 반복성
윤활 불필요
소형부품에 적합
단점:
파지범위 제한
최대변형 제한
피로파손
과부하에 취약
파지력 조정범위 제한
35. 힘 제한기구
유연기구는 액추에이터의 이동과 작업물 접촉 사이에 탄성변위를 허용하여 접촉력을 제한할 수 있다.
선형 탄성요소의 경우 다음과 같이 근사한다.
F = kx
작은 강성을 적용하면 위치오차가 발생해도 접촉력 증가를 줄일 수 있다.
적용:
압입
프레스 피팅
검사 프로브
라벨 부착
연성 제품 파지
전기접점 검사
실링장치
36. 시리즈 탄성 액추에이터
액추에이터와 출력부 사이에 탄성요소를 직렬로 배치한 구동장치이다.
영문으로는 다음과 같이 표현한다.
Series Elastic Actuator, SEA
탄성요소의 변형을 측정하면 출력힘이나 토크를 추정할 수 있다.
36.1 장점
충격흡수
힘제어 성능 향상
사람과의 접촉안전성 향상
기어 충격 감소
에너지 저장 가능
36.2 단점
위치정밀도 감소
응답지연
공진 가능성
제어 복잡성
탄성요소 피로
37. 가변강성 기구
작업상태에 따라 강성을 변경할 수 있는 기구이다.
대표적인 방식은 다음과 같다.
스프링 예압 변경
레버 작용점 변경
캠 프로파일 이동
병렬 스프링 선택
공압압력 변경
자성요소 조정
링크기하 변경
가변강성 기구는 다음 상황에 유리하다.
자유공간에서는 높은 위치정밀도
접촉 중에는 낮은 강성
충격 시에는 큰 변위 허용
작업물에 따라 파지력 변경
38. 공차보상 기구
유연기구는 제조공차와 조립공차를 흡수하는 데 사용된다.
대표적인 적용:
볼트 구멍 위치편차
커넥터 결합
패널 조립
센서 접촉
씰 압착
부품 높이편차
용접 지그
자동조립
공차보상량은 허용변위와 복원력을 함께 고려해야 한다.
과도한 유연성은 부품 위치의 불안정과 조립정밀도 저하를 유발한다.
39. 열팽창 보상
서로 다른 재료와 긴 구조물은 온도변화에 따라 상대변위가 발생한다.
선팽창량은 다음과 같다.
ΔL = αLΔT
유연기구를 이용한 열팽창 보상방식은 다음과 같다.
플로팅 지지
슬라이딩 지지
벨로즈
플렉셔
탄성 와셔
스프링 지지
장공
한쪽 고정·한쪽 자유지지
열팽창을 완전히 구속하면 큰 열응력과 변형이 발생할 수 있다.
40. 충격완화 기구
유연기구는 충격 시 변위를 허용하여 최대 충격력을 줄일 수 있다.
운동에너지는 다음과 같다.
E_k = 1/2 mv²
탄성요소에 저장되는 에너지는 다음과 같다.
U = 1/2 kx²
충격에너지를 흡수하려면 탄성변위와 감쇠를 함께 고려해야 한다.
탄성만 사용하면 저장된 에너지가 다시 방출되어 반발과 진동이 발생할 수 있다.
41. 진동절연
유연 마운트는 기계와 지지구조 사이의 진동전달을 줄인다.
대표적인 요소:
고무 마운트
코일스프링 마운트
공기스프링
와이어로프 아이솔레이터
엘라스토머 부싱
진동절연 설계에서는 다음을 검토한다.
기계 질량
마운트 강성
고유진동수
가진주파수
감쇠
무게중심
마운트 위치
작동주파수가 시스템 고유진동수와 가까우면 공진으로 진동이 증가할 수 있다.
42. 감쇠와 유연성
유연성은 변형을 허용하고 에너지를 저장하지만, 감쇠는 에너지를 소산한다.
대표적인 감쇠요소는 다음과 같다.
고무
우레탄
점성 댐퍼
마찰패드
유압 쇼크업소버
공압 오리피스
와이어로프
안정적인 순응동작을 위해서는 적절한 감쇠가 필요하다.
감쇠가 부족하면 다음 문제가 발생한다.
접촉 후 반동
반복진동
조립시간 증가
센서신호 불안정
감쇠가 지나치면 응답이 느려질 수 있다.
43. 기생운동
유연기구에서 원하는 운동 이외에 발생하는 불필요한 변위를 기생운동이라고 한다.
예:
직선이동 중 높이변화
회전 중 회전중심 이동
X축 이동 중 Y축 변위
압축 중 비틀림
그리퍼 개폐 중 핑거 각도변화
기생운동을 줄이는 방법은 다음과 같다.
대칭구조
이중 플렉셔
병렬기구
긴 탄성요소
적절한 힌지 배치
유한요소해석
형상 최적화
44. 백래시와 반복정밀도
플렉셔 기반 유연기구는 접촉식 관절이 없기 때문에 이론적으로 백래시가 없다.
그러나 실제 반복정밀도에는 다음 요소가 영향을 준다.
재료 히스테리시스
마찰
온도
크리프
잔류응력
센서 분해능
장착부 변형
과도한 하중
연성재료형 유연기구는 금속 플렉셔보다 히스테리시스와 크리프가 클 수 있다.
45. 비선형성
유연기구는 변형이 커지면 선형 관계에서 벗어날 수 있다.
주요 비선형 원인은 다음과 같다.
대변형
기하학적 비선형
접촉
재료 비선형
고무의 초탄성
마찰
좌굴
스냅스루
작은 변위에서는 선형모델을 사용할 수 있지만, 큰 변형에서는 비선형 해석이 필요하다.
46. 응력집중
플렉셔 노치, 슬릿 끝단, 구멍, 모서리 및 두께변화부에는 응력집중이 발생한다.
응력집중을 줄이는 방법은 다음과 같다.
충분한 필렛 반경
점진적인 두께변화
날카로운 모서리 제거
표면조도 개선
가공흔적 방향관리
적절한 열처리
응력집중부 위치 변경
피로수명이 중요한 경우 최대응력뿐 아니라 표면상태와 반복응력 범위를 함께 검토해야 한다.
47. 피로수명
유연기구는 반복적으로 탄성변형되기 때문에 피로가 중요한 설계요소이다.
피로수명에 영향을 주는 요소는 다음과 같다.
응력진폭
평균응력
반복횟수
재료
표면거칠기
가공결함
부식
사용온도
잔류응력
과부하 이력
피로수명을 향상시키는 방법은 다음과 같다.
최대변형 제한
응력집중 완화
고피로강도 재료 적용
표면연마
샷피닝
부식방지
과도변위 스토퍼
적절한 안전율 적용
48. 크리프와 응력완화
고무, 실리콘 및 플라스틱 기반 유연기구는 장시간 하중을 받을 때 크리프와 응력완화가 발생할 수 있다.
48.1 크리프
일정한 하중에서 변형이 시간에 따라 증가하는 현상이다.
48.2 응력완화
일정한 변형을 유지할 때 힘이 시간에 따라 감소하는 현상이다.
48.3 영향
파지력 저하
씰 압착력 저하
위치변화
예압 감소
정렬성능 저하
48.4 대책
사용변형률 감소
내크리프 재료 선정
온도 저감
금속스프링과 조합
정기적인 힘검사
교체주기 설정
49. 재료선정
49.1 스프링강
높은 탄성한도
우수한 피로강도
플렉셔와 탄성 핑거에 적합
49.2 스테인리스강
내식성
식품기계
의료기기
진공 및 습윤환경
49.3 알루미늄 합금
경량
가공성 우수
비교적 낮은 탄성계수
정밀 일체형 기구에 적용
49.4 티타늄 합금
높은 비강도
내식성
비교적 낮은 탄성계수
항공·의료·정밀기구
49.5 구리 합금
전도성
비자성
전기접점
판스프링
49.6 엔지니어링 플라스틱
경량
낮은 마찰
전기절연
크리프 검토 필요
49.7 엘라스토머
큰 변형
높은 감쇠
형상적응성
온도와 노화 검토 필요
50. 제조방법
유연기구는 다음 방법으로 제작할 수 있다.
절삭가공
와이어 방전가공
레이저 절단
워터젯 절단
판금 프레스
에칭
사출성형
적층제조
고무성형
실리콘 주형
정밀 플렉셔에서는 가공에 의해 발생하는 모서리, 버, 열영향부 및 잔류응력이 피로수명에 영향을 줄 수 있다.
51. 적층제조 유연기구
3D 프린팅을 이용하면 복잡한 일체형 유연기구를 제작할 수 있다.
51.1 장점
복잡한 형상
일체형 제작
부품 수 감소
내부구조 설계
빠른 시제품 제작
맞춤형 소프트 그리퍼
51.2 단점
적층방향에 따른 강도차이
표면거칠기
치수정밀도
재료 피로특성
내부결함
반복성
플렉셔의 굽힘방향과 적층방향을 고려하여 설계해야 한다.
52. 유연기구의 예압
유연기구에 예압을 적용하면 다음 효과가 있다.
접촉 유지
유격 제거
진동 억제
기준위치 확보
복귀성 향상
양방향 힘 전달
그러나 예압이 지나치면 다음 문제가 발생한다.
작동범위 감소
최대응력 증가
피로수명 감소
마찰 증가
작업물 변형
액추에이터 부하 증가
53. 과도변위 방지
유연기구는 허용변위를 초과하면 소성변형 또는 파손이 발생할 수 있다.
대표적인 보호방법은 다음과 같다.
기계식 스토퍼
제한핀
케이블
보조링크
고무 범퍼
센서 기반 정지
소프트웨어 위치제한
과부하 클러치
스토퍼는 정상동작에서는 접촉하지 않고 비정상상태에서만 작동하도록 설계하는 것이 바람직하다.
54. 파손안전 설계
유연기구가 파손되어도 위험한 부품 이탈이나 제품낙하가 발생하지 않도록 해야 한다.
주요 대책:
이중 탄성요소
안전케이블
보조지지
보호커버
파손감지센서
이동범위 제한
안전핀
파손 후 하중을 받는 백업구조
로봇 그리퍼나 승강장치에서는 유연요소 파손이 작업물 낙하로 이어지지 않도록 별도의 기계식 유지장치를 적용할 수 있다.
55. 상태검출
유연기구의 상태는 다음 센서를 이용해 확인할 수 있다.
변위센서
위치센서
힘센서
토크센서
스트레인게이지
근접센서
압력센서
비전센서
진동센서
주요 감시항목은 다음과 같다.
최대변위
접촉력
복귀위치
강성변화
피로균열
영구변형
조립완료
파지상태
56. 안전설계
유연기구의 주요 위험은 다음과 같다.
저장에너지의 갑작스러운 방출
플렉셔 파손
탄성부품 비산
손가락 끼임
연성 핑거 파손
가압식 소프트 액추에이터 파열
작업물 낙하
과도한 접촉력
정비 중 갑작스러운 복귀
보호대책은 다음과 같다.
보호커버
과도변위 스토퍼
압력제한
이탈방지
예압 제거절차
파손감시
교체주기
보조지지
잔류에너지 방출
57. 식품기계의 유연기구
식품기계에서는 유연성뿐 아니라 위생성, 세척성, 내식성 및 파손부품의 이탈방지를 고려해야 한다.
57.1 주요 적용
제품 형상에 적응하는 그리퍼
제품 가이드
눌림방지 스토퍼
실링부 압력균등화
센서 플로팅 마운트
커버와 도어의 공차보상
컨베이어 가이드
57.2 주요 요구사항
식품잔류물 축적 방지
개방형 세척구조
내식성 재료
식품용 엘라스토머
윤활 최소화
파손부품 이탈방지
세척약품 내성
표면균열 관리
57.3 주의사항
복잡한 슬릿, 얇은 노치 및 플렉셔 내부는 세척이 어려울 수 있으므로 직접 식품접촉구역에서는 위생성을 우선 검토해야 한다.
58. 포장기계의 유연기구
포장기계에서는 다음과 같은 용도로 사용된다.
필름 장력보상
제품 가이드
실링조 압력균등화
라벨 부착 롤러
센서 높이보상
커터 충격완화
제품 위치편차 흡수
퀵 체인지 부품 정렬
주요 요구사항:
빠른 응답
높은 반복수명
낮은 관성
제품손상 방지
분진과 필름조각에 대한 내성
간단한 청소와 교체
59. 공작기계의 유연기구
공작기계에서는 다음과 같은 용도로 사용된다.
정밀 플렉셔 스테이지
공구 측정 프로브
축 커플링
센서 접촉기구
베어링 자동정렬
열팽창 보상
연삭 접촉력 제어
공구충돌 완화
공작기계에서는 유연성이 가공정밀도를 저하시키지 않도록 작동방향과 하중방향의 강성차이를 명확히 설계해야 한다.
60. 로봇과 자동화장비의 유연기구
주요 적용은 다음과 같다.
RCC 조립기구
플로팅 그리퍼
유연 핑거
시리즈 탄성 액추에이터
충돌완화 조인트
툴체인저 정렬기구
케이블 유연지지
센서 플로팅 마운트
주요 설계요소:
로봇 위치정밀도
조립공차
접촉력
순응방향
복귀성
강성
반복수명
작업물 낙하방지
61. 반도체 및 정밀장비의 유연기구
반도체와 정밀장비에서는 다음 특성이 중요하다.
백래시 없음
파티클 발생 최소화
윤활 불필요
높은 반복정밀도
낮은 마찰
진공 적합성
열안정성
대표적인 적용은 다음과 같다.
웨이퍼 정렬
광학미러 조정
정밀 포커스
미세 스테이지
센서 프로브
진공 밸브
나노 위치결정
62. 적용 사례
62.1 핀 삽입용 RCC
핀이 구멍에 접근
→ 핀과 구멍 모서리 접촉
→ 측면력 발생
→ RCC가 횡방향 이동과 회전을 허용
→ 핀이 구멍 중심으로 정렬
→ 삽입 완료
주요 검토사항:
위치오차
각도오차
순응 중심
횡방향 강성
회전강성
삽입력
최대변위
62.2 플로팅 공압실린더 연결부
실린더 전진
→ 가이드 이동부와 미세한 축오차 발생
→ 플로팅 조인트가 편심 흡수
→ 측면하중 감소
→ 안정적인 직선운동
주요 검토사항:
허용 편심
허용각도
로드하중
조인트 유격
반복수명
윤활
62.3 유연 제품 그리퍼
핑거 접근
→ 제품 접촉
→ 탄성 핑거 변형
→ 제품형상에 적응
→ 접촉력 분산
→ 안정적인 파지
주요 검토사항:
제품강성
파지력
핑거 변형량
마찰계수
피로
제품손상
62.4 플렉셔 정밀 스테이지
액추에이터 입력
→ 평행 플렉셔 변형
→ 이동판 직선이동
→ 위치측정
→ 입력 제거 시 원위치 복귀
주요 검토사항:
이동거리
최대응력
기생변위
강성
고유진동수
반복정밀도
62.5 유연 커플링
모터축 회전
→ 커플링 토크 전달
→ 축 편심과 각도오차에 의해 탄성변형
→ 종동축 회전
→ 베어링 측면하중 감소
주요 검토사항:
전달토크
비틀림강성
회전속도
허용편심
허용각도
피로수명
63. 해석 및 설계도구
63.1 정적해석
하중과 변위
방향별 강성
최대응력
접촉력
허용오정렬
예압
63.2 비선형 구조해석
대변형
접촉
고무 초탄성
좌굴
스냅스루
재료 비선형
63.3 피로해석
응력진폭
평균응력
반복횟수
노치효과
표면결함
온도와 부식
63.4 운동해석
자유도
순응 중심
기생운동
링크운동
조립궤적
간섭
63.5 동역학해석
고유진동수
공진
감쇠
충돌
복귀시간
진동전달률
63.6 최적화
최소응력
최대 이동범위
방향별 강성비
최소질량
기생변위 최소화
피로수명 최대화
64. 유연기구 선정 절차
64.1 요구기능 정의
조립오차 보정
자동정렬
힘 제한
충격완화
진동절연
공차보상
백래시 제거
형상적응
64.2 필요한 자유도 정의
직선이동 방향
회전방향
허용변위
허용회전각
제한해야 할 자유도
64.3 하중조건 정의
직선력
토크
충격
반복횟수
정적하중
동적하중
편하중
64.4 유연기구 유형 선정
플렉셔
플로팅 조인트
구면 조인트
RCC
유연 커플링
엘라스토머
유연 그리퍼
공압 순응기구
64.5 강성 설계
작동방향 강성
제한방향 강성
강성비
복원력
예압
축간결합
64.6 변위와 응력 검토
최대변위
최대응력
탄성한도
응력집중
과도변위
안전율
64.7 동적특성 검토
고유진동수
공진
감쇠
응답속도
충격
반복진동
64.8 수명 검토
피로
마모
크리프
응력완화
부식
온도
재료노화
64.9 환경조건 검토
습도
세척
화학약품
진공
클린룸
식품접촉
고온·저온
분진
64.10 시험과 검증
힘–변위 시험
강성시험
반복수명 시험
오정렬 보상시험
삽입시험
충격시험
진동시험
과도변위 시험
파손시험
65. 결론
유연기구는 구조의 탄성변형, 제한된 상대운동 또는 연성재료의 변형을 이용하여 힘과 운동을 전달하면서 위치오차, 형상편차, 충격 및 조립공차를 수용하는 기계기구이다.
유연기구는 모든 방향으로 부드러운 구조가 아니다. 필요한 방향으로는 충분한 변위를 허용하고, 하중을 지지하거나 위치를 유지해야 하는 방향으로는 높은 강성을 확보하는 방향성 설계가 핵심이다.
플렉셔 기구는 백래시와 마찰이 거의 없고 높은 반복정밀도를 제공하므로 정밀 위치결정, 반도체 및 광학장비에 적합하다. 플로팅 조인트와 구면 조인트는 실린더, 축 및 조립부의 정렬오차를 흡수한다.
원격 중심 순응기구는 로봇의 핀 삽입과 커넥터 체결 과정에서 접촉력을 이용해 부품을 자동으로 정렬한다. 유연 커플링은 축의 편심과 각도오차를 흡수하면서 토크를 전달하고, 유연 그리퍼는 다양한 제품형상과 위치편차에 적응한다.
유연기구는 조립성, 접촉안정성 및 충격흡수성을 향상시키지만, 지나치게 낮은 강성은 위치정밀도와 하중지지능력을 감소시킬 수 있다. 반대로 강성이 지나치게 높으면 오차흡수와 충격완화 기능이 저하된다.
유연기구의 설계에서는 강성과 변위뿐 아니라 응력집중, 피로, 기생운동, 비선형성, 공진, 감쇠, 크리프 및 온도영향을 함께 검토해야 한다. 특히 플렉셔와 탄성 핑거는 정상작동 중 반복변형을 받으므로 정적강도보다 피로수명이 더 중요할 수 있다.
유연기구는 다음 순서로 설계하고 선정하는 것이 적절하다.
요구기능과 조립오차 정의
→ 필요한 자유도와 제한 자유도 결정
→ 하중·토크·충격조건 분석
→ 유연기구 유형 선정
→ 방향별 강성과 허용변위 결정
→ 복원력과 예압 결정
→ 최대응력과 응력집중 검토
→ 기생운동과 비선형성 검토
→ 피로·크리프·온도영향 검토
→ 공진·감쇠·응답속도 검토
→ 과도변위 및 파손안전 설계
→ 환경·위생·청정도 검토
→ 힘–변위·수명·조립성능 시험
적절하게 설계된 유연기구는 기계의 정밀도와 반복성을 유지하면서도 조립오차, 제품편차 및 외부충격에 대한 적응성을 높이는 핵심적인 기계구성요소이다.