1. 개요
클램핑 기구는 작업물, 제품, 공구, 금형 또는 기계부품을 기준면이나 위치결정 요소에 밀착시키고, 공정 중 발생하는 외력에도 위치와 자세가 변하지 않도록 유지하는 기구이다.
클램핑은 단순히 부품을 강하게 누르는 작업이 아니다. 적절한 클램핑 기구는 다음 기능을 수행해야 한다.
작업물을 기준면에 안정적으로 밀착
절삭력, 조립력, 성형력 및 관성력에 대한 저항
반복적인 위치 재현
작업물의 들뜸과 미끄럼 방지
작업물 변형 최소화
빠른 체결과 해제
클램핑 상태 유지
작업자와 설비의 안전 확보
자동화 시스템과의 연동
클램핑 기구의 대표적인 적용 분야는 다음과 같다.
가공용 지그와 치구
용접 고정구
조립장치
검사장비
프레스
포장기계
식품가공기계
금형 교환장치
공작기계 공구 고정
로봇 그리퍼
팔레트 고정
도어와 커버 잠금
진공 이송장치
반도체 및 디스플레이 장비
클램핑 기구를 설계할 때는 최대 클램핑력만 고려해서는 안 된다. 다음 항목을 함께 검토해야 한다.
위치결정 방식
클램핑 방향
필요한 클램핑력
작업물 강성
작업물 변형
공정하중
마찰계수
클램프 스트로크
접근공간
작동속도
반복정밀도
잠금성
해제 가능성
과부하
센서와 인터록
환경조건
유지보수성
안전성
2. 클램핑의 기본 개념
2.1 클램핑
클램핑은 외력을 이용하여 작업물을 기준면에 밀착시키고, 허용되지 않은 이동이나 회전을 방지하는 기능이다.
클램핑력은 일반적으로 다음 방향으로 작용한다.
기준면을 향하는 방향
위치결정 핀을 향하는 방향
작업물의 안정적인 지지영역 내부
공정하중과 반대되는 방향
작업물 변형이 최소화되는 방향
2.2 유지력
유지력은 클램핑된 작업물이 외력에 의해 움직이지 않도록 저항하는 힘이다.
유지력은 다음 요소에 의해 형성된다.
클램프의 직접 저항
접촉면의 마찰력
형상 맞물림
위치결정 핀과 스토퍼의 반력
진공압력
자기력
스프링력
유압 또는 공압력
2.3 클램핑 상태
클램핑 상태는 일반적으로 다음과 같이 구분한다.
완전 해제
접근
작업물 접촉
예비 클램핑
최종 클램핑
잠금
공정 유지
압력 해제
후퇴
2.4 클램핑의 목적
클램핑의 주요 목적은 다음과 같다.
위치 유지
자세 유지
미끄럼 방지
들뜸 방지
회전 방지
진동 억제
공정 정밀도 확보
제품 낙하 방지
밀봉 압력 제공
3. 위치결정과 클램핑의 차이
3.1 위치결정
위치결정은 작업물의 위치와 자세를 기하학적으로 정하는 기능이다.
대표적인 위치결정 요소는 다음과 같다.
기준면
위치결정 핀
다이아몬드 핀
V 블록
스토퍼
센터
네스트
3-2-1 로케이터
3.2 클램핑
클램핑은 작업물을 위치결정 요소에 밀착시키고, 그 상태를 유지하는 기능이다.
3.3 기본 설계 원칙
위치는 로케이터가 결정하고
클램프는 작업물을 로케이터에 밀착시킨다.
클램프 자체로 작업물의 위치를 결정하면 다음 문제가 발생할 수 있다.
마찰에 따른 위치편차
클램핑력 변화에 따른 위치이동
작업물 변형
반복정밀도 저하
과구속
작업물 들뜸
조립공차 민감도 증가
3.4 클램프와 로케이터의 역할 분리
클램프는 가능한 한 작업물을 기준면 방향으로 누르고, 공정하중은 위치결정 핀이나 스토퍼가 직접 받도록 설계하는 것이 바람직하다.
클램프가 모든 공정하중을 마찰로만 지지하도록 하면 매우 큰 클램핑력이 필요할 수 있다.
4. 클램핑 기구의 기본 분류
4.1 구동원에 따른 분류
수동 클램프
스프링 클램프
공압 클램프
유압 클램프
전동 클램프
서보 클램프
진공 클램프
자기 클램프
4.2 기구형식에 따른 분류
나사 클램프
레버 클램프
토글 클램프
캠 클램프
편심 클램프
웨지 클램프
링크 클램프
스윙 클램프
풀 클램프
푸시 클램프
콜릿 클램프
팽창 만드렐
4.3 클램핑 방향에 따른 분류
하향 클램프
측면 클램프
상향 클램프
인장 클램프
내경 확장 클램프
외경 압축 클램프
축방향 클램프
반경방향 클램프
4.4 작업물 접촉방식에 따른 분류
점 접촉
선 접촉
면 접촉
형상 맞춤
마찰 파지
진공 흡착
자기 흡착
탄성 패드 접촉
4.5 기능에 따른 분류
고정용 클램프
위치 유지용 클램프
센터링 클램프
밀봉용 클램프
공구 클램프
금형 클램프
제품 파지용 그리퍼
안전 잠금용 클램프
5. 클램핑 방향
5.1 기준면 방향 클램핑
클램핑력은 가능하면 작업물을 주 기준면 방향으로 누르도록 배치한다.
이 방식은 작업물 들뜸을 방지하고 반복정밀도를 높인다.
5.2 측면 클램핑
작업물을 측면 기준면 또는 위치결정 핀에 밀착시키는 방식이다.
측면 클램핑력이 지나치게 크면 작업물이 주 기준면에서 들릴 수 있으므로 하향 성분을 함께 제공하는 것이 좋다.
5.3 경사방향 클램핑
하향력과 측면력을 동시에 발생시켜 작업물을 두 기준면에 동시에 밀착시킨다.
대표적인 방식은 다음과 같다.
웨지 클램프
캠 클램프
경사 패드
링크 클램프
훅 클램프
5.4 중심방향 클램핑
여러 개의 죠가 중심을 향해 대칭 이동하여 작업물을 중심정렬하면서 고정한다.
5.5 클램핑 방향의 선정 원칙
작업물을 기준면에서 들어 올리지 않아야 한다.
공정하중의 방향과 반대되도록 배치한다.
작업물의 약한 방향으로 과도한 힘을 가하지 않는다.
지지점으로 둘러싸인 영역 안에 힘이 작용하도록 한다.
편심 모멘트를 최소화한다.
6. 클램핑력 산정의 기본 원리
클램핑력은 작업물이 공정 중 움직이지 않도록 충분해야 하지만, 작업물을 변형시킬 정도로 과도해서는 안 된다.
필요한 클램핑력은 다음 하중을 고려하여 산정한다.
절삭력
성형력
조립력
관성력
중력
충격력
진동
전도모멘트
원심력
압력차
7. 마찰을 이용한 미끄럼 방지
작업물에 수평 공정하중 (F_p)가 작용하고, 클램프 접촉면의 마찰계수가 (\mu)일 때 필요한 수직 클램핑력은 다음과 같이 근사할 수 있다.
F_clamp ≥ F_p / μ
안전율 (S)를 적용하면 다음과 같다.
F_clamp ≥ S × F_p / μ
예를 들어 공정하중이 500 N, 마찰계수가 0.2, 안전율이 2인 경우 필요한 클램핑력은 다음과 같다.
F_clamp ≥ 2 × 500 / 0.2
F_clamp ≥ 5,000 N
마찰계수가 낮을수록 필요한 클램핑력은 크게 증가한다.
8. 형상구속과 클램핑력
공정하중을 스토퍼나 위치결정 핀이 직접 지지하도록 설계하면 클램프는 작업물을 기준면에 밀착시키는 역할만 수행하면 된다.
이 방식의 장점은 다음과 같다.
필요한 클램핑력 감소
작업물 변형 감소
미끄럼 위험 감소
반복정밀도 향상
클램프 소형화
에너지 소비 감소
가능하면 공정하중을 마찰만으로 지지하기보다 형상구속 요소로 직접 지지하는 것이 바람직하다.
9. 전도모멘트에 대한 클램핑
공정하중 (F)가 기준면에서 높이 (h)만큼 떨어진 위치에 작용하면 다음 전도모멘트가 발생한다.
M = F × h
클램프와 지지점 사이의 유효거리를 (L)이라고 하면, 모멘트에 저항하기 위한 힘은 다음과 같이 근사할 수 있다.
F_resist = M / L
클램프 간격과 지지점 간격을 넓히면 필요한 클램핑력을 줄일 수 있다.
10. 관성력과 원심력
10.1 직선운동 관성력
이동 중인 작업물에는 다음 관성력이 작용한다.
F_inertia = ma
여기서,
m: 작업물 질량
a: 가속도
로봇 그리퍼나 고속 이송장치는 정적하중뿐 아니라 가속과 감속에 따른 관성력을 포함해야 한다.
10.2 회전운동 원심력
회전하는 작업물에는 다음 원심력이 작용한다.
F_c = mrω²
여기서,
r: 회전중심에서 질량중심까지의 거리
ω: 각속도
선반 척, 회전 지그 및 원심 이송장치에서는 원심력에 의한 파지력 감소를 검토해야 한다.
11. 안전율
클램핑력 산정에는 다음 불확실성을 고려한 안전율을 적용한다.
마찰계수 변화
공급압력 변동
작업물 치수편차
패드 마모
진동
충격
윤활유 또는 수분
작업물 표면상태
조립오차
센서오차
안전율은 적용분야에 따라 달라지며, 제품 낙하나 작업자 위험이 있는 경우 더 큰 값을 적용해야 한다.
그러나 안전율을 지나치게 크게 적용하면 작업물 변형과 설비 대형화가 발생할 수 있다.
12. 작업물 변형
12.1 과도한 클램핑의 문제
클램핑력이 지나치게 크면 다음 문제가 발생한다.
박판의 휨
원통부품의 타원화
플라스틱 부품의 눌림
표면 압흔
치수오차
가공 후 탄성복원
접착층 손상
씰 또는 가스켓 과압축
제품 균열
12.2 변형 저감방법
클램프 수를 늘린다.
접촉면적을 확대한다.
연성 패드를 적용한다.
클램프를 지지점 가까이에 배치한다.
힘을 대칭으로 배치한다.
힘 제어를 적용한다.
다단 클램핑을 적용한다.
작업물 내부에 보조지지를 설치한다.
진공이나 자기 클램핑을 검토한다.
12.3 평균 접촉압력
클램프 패드의 평균 접촉압력은 다음과 같다.
p = F / A
여기서,
F: 클램핑력
A: 접촉면적
실제 국부 접촉응력은 모서리와 표면 형상 때문에 평균값보다 클 수 있다.
13. 클램프 강성과 변형
13.1 시스템 강성
클램프 시스템 강성은 다음과 같다.
k = F / δ
여기서,
k: 강성
F: 클램핑력
δ: 전체 변위
13.2 전체 변형요소
클램프 암의 굽힘
링크의 압축과 인장
핀의 휨
부시 변형
프레임 변형
패드 압축
작업물 변형
실린더 변형
호스와 배관의 탄성
나사 변형
13.3 강성 향상방법
클램프 암을 짧게 한다.
단면계수를 증가시킨다.
하중경로를 짧고 직접적으로 구성한다.
프레임을 보강한다.
유격을 줄인다.
클램프를 기준면 가까이에 배치한다.
링크를 인장·압축 중심으로 설계한다.
고강성 베어링과 부시를 적용한다.
14. 수동 클램프
수동 클램프는 작업자가 손잡이, 레버, 나사 또는 핸들을 조작하여 작업물을 고정하는 방식이다.
대표적인 유형은 다음과 같다.
나사 클램프
토글 클램프
레버 클램프
캠 클램프
편심 클램프
래치 클램프
퀵 액션 클램프
14.1 장점
구조가 단순하다.
별도의 동력원이 필요 없다.
제작비용이 낮다.
고장 시 대응이 쉽다.
소량생산과 작업지그에 적합하다.
14.2 단점
작업자에 따라 클램핑력이 달라질 수 있다.
자동화가 어렵다.
반복작업에서 피로가 발생한다.
사이클 시간이 길어질 수 있다.
과도한 조임이 발생할 수 있다.
15. 나사 클램프
15.1 정의
회전토크를 나사의 축력으로 변환하여 작업물을 고정하는 클램프이다.
15.2 기본 출력력
나사 리드를 (L), 입력토크를 (T), 효율을 (\eta)라고 하면 축력은 다음과 같이 근사할 수 있다.
F ≈ 2πηT / L
15.3 장점
큰 클램핑력
미세한 힘 조정
구조가 단순함
자립 가능
표준부품이 풍부함
15.4 단점
작동속도가 느림
나사산 마모
반복작업에 불리함
작업자에 따른 힘 편차
나사산 오염에 민감함
15.5 주요 적용
바이스
가공 지그
프레스
공구 고정
수동 조립장치
조정식 스토퍼
16. 퀵 액션 나사 클램프
퀵 액션 나사 클램프는 긴 접근거리는 빠르게 이동하고, 최종 구간에서 나사로 큰 클램핑력을 발생시킨다.
대표적인 방식은 다음과 같다.
분할 너트
반쪽 너트
슬라이드 너트
캠 해제 너트
래칫 핸들
차동나사
슬라이딩 스핀들
장점은 작업시간을 줄이면서 나사 클램프의 높은 고정력을 유지할 수 있다는 것이다.
17. 토글 클램프
17.1 정의
토글 링크가 데드센터에 접근할 때 큰 힘을 발생시키고, 오버센터 위치에서 기계적으로 잠기는 클램프이다.
17.2 주요 유형
수직형 토글 클램프
수평형 토글 클램프
푸시·풀형 토글 클램프
래치형 토글 클램프
공압 토글 클램프
유압 토글 클램프
17.3 장점
빠른 개폐
큰 최종 클램핑력
오버센터 잠금
반복성이 좋음
수동 및 자동화 적용 가능
17.4 단점
링크와 핀의 내부하중이 큼
최종 위치에 따라 힘이 크게 변함
정확한 조정이 필요함
손 끼임 위험
링크와 부시 마모
17.5 설계 검토사항
토글각
오버센터 이동량
스토퍼 위치
클램프 패드 높이
해제력
핀과 부시 하중
링크 좌굴
작업물 두께편차
18. 레버 클램프
레버 클램프는 입력팔과 출력팔의 길이비를 이용하여 작업물을 누르는 방식이다.
18.1 장점
단순한 구조
빠른 작동
힘 방향 전환 가능
비교적 큰 클램핑력
제작과 유지보수가 쉬움
18.2 단점
큰 증폭비에는 긴 레버가 필요함
설치공간이 필요함
회전 궤적에 간섭 가능
작동각에 따라 출력력 변화
19. 캠 클램프
19.1 정의
회전하는 캠의 반경 또는 프로파일 변화로 클램프 부재를 이동시키는 방식이다.
19.2 주요 유형
원판 캠 클램프
나선 캠 클램프
웨지 캠 클램프
페이스 캠 클램프
캠 레버 클램프
19.3 장점
빠른 개폐
짧은 회전으로 작동
콤팩트한 구조
반복작업에 적합
19.4 단점
작업물 두께 변화 대응범위가 작음
캠면 마모
접촉응력
잠금조건 검토 필요
회전각에 따라 힘 변화
20. 편심 클램프
20.1 정의
회전축 중심과 원형 접촉부 중심의 편심을 이용하여 작은 회전으로 클램핑 변위를 만드는 방식이다.
20.2 스트로크
편심량을 (e)라고 하면 전체 이론 스트로크는 약 다음과 같다.
S ≈ 2e
20.3 장점
구조가 단순함
빠른 작동
작은 회전각
낮은 제작비용
레버와 결합하기 쉬움
20.4 단점
유효 스트로크가 짧음
두께편차 대응이 제한적임
마모에 민감함
높은 접촉응력
자립성 검토 필요
21. 웨지 클램프
웨지 클램프는 경사면을 이동시켜 입력방향과 다른 방향의 클램핑력을 발생시키는 방식이다.
21.1 특징
큰 클램핑력
하향력과 측면력 동시 발생 가능
낮은 설치높이
복수 클램프 동시구동 가능
자립 가능
21.2 단점
미끄럼 마찰
웨지면 마모
윤활상태에 따른 힘 변화
고착 가능성
해제력이 커질 수 있음
21.3 주요 적용
측면 클램프
금형 고정
팔레트 클램프
센터링 장치
확장 만드렐
공구 잠금
22. 래치 클램프
래치 클램프는 떨어져 있는 두 부품을 서로 당겨 밀착시키는 방식이다.
주요 적용은 다음과 같다.
도어
커버
케이스
금형
필터 하우징
운반용 컨테이너
래치형 토글을 사용하면 빠른 체결과 오버센터 잠금을 구현할 수 있다.
23. 스프링 클램프
23.1 정의
스프링력을 이용하여 지속적으로 클램핑력을 제공하는 방식이다.
23.2 특징
에너지 공급이 없어도 힘 유지
치수편차 흡수
간단한 구조
진동에 대한 추종성
페일세이프 설계 가능
23.3 주요 유형
압축 코일스프링
인장스프링
접시스프링
토션스프링
가스스프링
엘라스토머 스프링
23.4 적용
공구 클램프
브레이크
제품 홀더
안전 래치
스프링 클램프·공압 해제장치
24. 공압 클램프
24.1 정의
압축공기의 압력을 실린더 또는 액추에이터의 힘으로 변환하여 작업물을 고정하는 방식이다.
24.2 실린더 출력력
전진력은 다음과 같다.
F_extend = P × A_p × η
복귀력은 다음과 같다.
F_retract = P × (A_p − A_r) × η
여기서,
P: 공급압력
A_p: 피스톤 면적
A_r: 로드 단면적
η: 기계효율
24.3 장점
빠른 작동
자동화가 쉬움
구조가 단순함
비교적 청결함
표준부품이 풍부함
속도조절이 쉬움
24.4 단점
공기의 압축성으로 강성이 낮음
공급압력에 따라 힘이 변함
누기 가능성
압력상실 시 해제 가능성
큰 힘에는 비효율적일 수 있음
24.5 주요 적용
조립지그
용접 고정구
포장기계
제품 스토퍼
자동 도어
로봇 그리퍼
경량 프레스
25. 공압 클램프의 압력상실 대책
압력이 상실되면 작업물이나 제품이 풀릴 수 있으므로 다음 대책을 검토한다.
스프링 클램프·공압 해제
오버센터 토글
기계식 잠금핀
파일럿 체크밸브
압력스위치
축압기
비상지지장치
낙하방지장치
제품 낙하가 위험한 경우 공압력만으로 유지해서는 안 된다.
26. 유압 클램프
26.1 정의
유압을 이용해 큰 클램핑력과 높은 유지강성을 얻는 방식이다.
26.2 기본 출력력
F = P × A × η
유압은 공압보다 높은 압력을 사용하므로 작은 실린더로 큰 힘을 얻을 수 있다.
26.3 장점
매우 큰 클램핑력
높은 강성
안정적인 힘 유지
다점 동시구동
압력에 의한 힘 관리
소형 액추에이터 구성 가능
26.4 단점
누유 위험
시스템이 복잡함
펌프와 밸브 필요
온도와 점도 영향
유지보수 비용
청정 및 식품환경에 주의 필요
26.5 주요 적용
공작기계 지그
금형 잠금
팔레트 고정
프레스
중량물 고정
자동차 조립설비
27. 스윙 클램프
27.1 정의
클램프 암이 상승한 상태에서 회전하여 작업물 위로 이동한 후, 하강하면서 작업물을 누르는 기구이다.
27.2 작동순서
상승
→ 회전
→ 작업물 상부 진입
→ 하강
→ 클램핑
해제할 때는 반대 순서로 작동한다.
27.3 장점
작업물 투입공간 확보
자동 로딩에 적합
지그 상부 간섭 감소
낮은 지그 높이 구현 가능
27.4 단점
내부 캠구조가 복잡함
측면하중에 민감함
회전영역 간섭 검토 필요
칩과 이물질 유입에 주의
28. 링크 클램프
링크 클램프는 실린더의 직선운동을 링크를 통해 회전 또는 하향 클램핑 운동으로 변환한다.
28.1 장점
큰 개방공간
다양한 출력궤적
낮은 설치높이
자동화에 적합
클램핑력 방향 조정 가능
28.2 설계 검토사항
링크각
핀하중
링크 좌굴
클램프 암 처짐
데드센터 접근
해제 궤적
간섭
29. 풀 클램프
풀 클램프는 클램프 로드나 훅이 작업물을 아래 방향으로 당겨 기준면에 밀착시키는 방식이다.
29.1 장점
낮은 돌출높이
작업물 상부공간 확보
강한 하향 밀착력
팔레트 및 금형 고정에 적합
29.2 주요 적용
팔레트 클램프
풀 스터드 시스템
금형 고정
공작기계 테이블
교환식 지그
30. 전동 클램프
30.1 정의
전동모터, 감속기 및 나사기구를 이용하여 클램핑력을 발생시키는 방식이다.
30.2 기본 구성
모터
→ 감속기
→ 볼스크루·롤러스크루·사다리꼴나사
→ 클램프 슬라이더
→ 작업물
30.3 장점
공압과 유압 배관 불필요
위치와 속도 제어 가능
제품별 조건 변경 가능
클램핑 데이터 수집 가능
에너지 사용구간 제어 가능
30.4 단점
초기비용이 높음
제어시스템 필요
모터와 감속기 발열
과부하 보호 필요
정전 시 유지대책 필요
나사와 감속기 마모
31. 서보 클램프
31.1 정의
서보모터를 이용하여 위치, 속도, 토크 및 클램핑력을 정밀하게 제어하는 클램프이다.
31.2 제어방식
위치제어
속도제어
토크제어
힘제어
위치·힘 복합제어
다단 클램핑
31.3 장점
클램핑력 정밀제어
제품별 레시피 대응
힘–변위 데이터 저장
품질판정 가능
부드러운 접촉
작업물 변형 감소
31.4 주요 적용
배터리 조립
전자부품 조립
정밀 압입
검사장비
전동 바이스
서보 그리퍼
의료기기 조립
32. 클램핑력 제어
32.1 위치제어
정해진 위치까지 이동하여 작업물을 고정한다.
작업물 치수가 일정한 경우에 적합하지만, 치수편차가 크면 클램핑력 변화가 발생할 수 있다.
32.2 압력제어
공압 또는 유압 압력을 조절하여 클램핑력을 제어한다.
32.3 토크제어
모터 토크를 기준으로 클램핑력을 간접 제어한다.
32.4 직접 힘제어
로드셀이나 힘센서로 실제 클램핑력을 측정하고 폐루프 제어한다.
32.5 위치·힘 복합제어
작업물에 접근할 때는 위치제어를 사용하고, 접촉 후에는 힘제어로 전환한다.
33. 진공 클램핑
33.1 정의
작업물과 흡착패드 또는 진공테이블 사이의 압력차를 이용하여 작업물을 고정하는 방식이다.
33.2 이론적 흡착력
F = ΔP × A
여기서,
ΔP: 대기압과 흡착부 내부압력의 차
A: 유효 흡착면적
33.3 실제 설계요소
누설
표면거칠기
작업물 평면도
패드 변형
다공성
진공수준
가속도
안전율
흡착방향
33.4 장점
작업물 손상이 적음
얇은 판재 고정에 적합
상부 간섭이 적음
빠른 작동
다양한 제품형상에 대응 가능
포장재와 식품 파지에 적합
33.5 단점
다공성 재료에 불리함
표면오염과 누설에 민감함
진공상실 시 낙하 가능
측면하중에 약함
진공펌프 또는 이젝터 필요
34. 진공테이블
진공테이블은 넓은 작업물을 평면 위에 고정하는 방식이다.
34.1 주요 구성
진공포트
진공채널
씰 또는 가스켓
분할 흡착구역
필터
진공센서
진공펌프
34.2 적용
판금
목재 패널
복합재 판재
유리
웨이퍼
필름
인쇄물
포장재
34.3 설계 검토사항
비사용 구역 차단
누설량
가공 관통홀
절삭력
진공 분할제어
패드와 테이블의 평면도
35. 자기 클램핑
35.1 정의
자기력을 이용하여 강자성체 작업물을 고정하는 방식이다.
35.2 주요 유형
영구자석 클램프
전자석 클램프
전자영구자석 클램프
자기척
35.3 장점
넓은 면적에 균일한 고정력
작업물 상부 접근성 우수
빠른 클램핑
기계적 클램프 간섭 감소
반복성이 좋음
35.4 단점
비자성 재료에 적용 불가
잔류자기
금속칩 부착
얇은 작업물의 변형 가능
전자석은 정전 시 해제 위험
35.5 전자영구자석
전기신호는 자화상태를 변경할 때만 사용하고, 이후에는 전력 없이 흡착력을 유지한다.
정전 시 유지력이 필요한 금형과 팔레트 고정에 적합하다.
36. 콜릿 클램프
36.1 정의
슬릿이 있는 탄성 콜릿을 테이퍼면으로 밀거나 당겨 공구 또는 원통형 작업물을 원주방향으로 고정하는 방식이다.
36.2 장점
높은 중심정렬성
균일한 원주 클램핑
빠른 작동
높은 반복정밀도
소형 원통부품과 공구에 적합
36.3 단점
허용 직경범위가 제한적임
콜릿 규격별 교체 필요
슬릿과 테이퍼면 오염에 민감함
과도한 힘에 의한 작업물 변형
36.4 주요 적용
공작기계 공구홀더
선반
연삭기
소형 부품 조립
정밀 측정장비
37. 확장 만드렐
37.1 정의
작업물 내경에 만드렐을 삽입하고 외경을 확장하여 내부에서 작업물을 고정하는 방식이다.
37.2 주요 유형
테이퍼 만드렐
슬릿형 확장 만드렐
웨지 확장형
유압 팽창형
공압 팽창형
탄성 슬리브형
37.3 장점
외부 가공면 간섭 없음
중심정렬성이 좋음
원주방향 균일 고정
높은 반복정밀도
얇은 원통부품 가공 가능
37.4 단점
내경공차에 민감함
얇은 링의 변형 가능
과도한 확장에 의한 파손
정밀 제작 필요
38. 센터링 클램프
38.1 정의
두 개 이상의 클램핑 죠가 중심을 기준으로 대칭 이동하여 작업물을 자동으로 중심정렬하면서 고정하는 기구이다.
38.2 구동방식
좌우나사
랙과 피니언
대칭 웨지
링크
캠
동기 벨트
유압 동기회로
38.3 장점
자동 중심정렬
제품 크기 변화 대응
중심위치 반복성
로봇 그리퍼에 적합
셋업시간 단축
38.4 단점
구동부 유격이 중심오차로 나타남
죠 마찰차에 의한 편심
정밀조립 필요
대칭하중 관리 필요
39. 평행 그리퍼
39.1 정의
두 개의 핑거가 서로 평행한 상태로 접근하거나 후퇴하여 제품을 파지하는 기구이다.
39.2 주요 구조
랙과 피니언
웨지와 롤러
링크
좌우나사
캠 슬롯
공압 피스톤
전동 액추에이터
39.3 파지방식
외경 파지
내경 파지
마찰 파지
형상 맞춤 파지
연성 패드 파지
39.4 설계 검토사항
핑거 길이
파지점 위치
모멘트
파지력
제품 변형
가속도
센서
비상 시 제품 유지
40. 각형 그리퍼
각형 그리퍼는 핑거가 회전하면서 열리고 닫히는 구조이다.
40.1 장점
큰 개구폭
구조가 단순함
빠른 작동
협소한 설치공간에 적용 가능
40.2 단점
핑거 끝의 경로가 원호임
제품 크기에 따라 접촉각 변화
파지력 방향이 달라짐
정밀 중심정렬에는 제한적임
41. 연성 및 적응형 그리퍼
41.1 연성 그리퍼
탄성재료나 유연구조를 이용하여 제품 형상에 맞게 변형하면서 파지한다.
41.2 적응형 그리퍼
여러 관절이나 차동기구를 이용하여 다양한 형상의 제품에 자동으로 맞춘다.
41.3 장점
제품 손상 감소
형상편차 대응
다양한 제품 파지
깨지기 쉬운 제품에 적합
41.4 단점
위치정밀도가 낮을 수 있음
파지력 예측이 어려움
청소와 위생관리 어려움
반복수명 검토 필요
42. 다점 클램핑
여러 개의 클램프를 사용하면 큰 작업물이나 유연한 작업물을 안정적으로 고정할 수 있다.
42.1 장점
하중분산
작업물 변형 감소
넓은 면적의 안정적 고정
진동 억제
전도모멘트 저항
42.2 주의사항
클램핑 순서
힘 분담
높이편차
과구속
작업물 들뜸
프레임 변형
클램프 동기성
42.3 균등화 방식
스프링 보상
유압 병렬회로
이퀄라이저 링크
플로팅 패드
구면시트
개별 힘제어
43. 클램핑 순서
43.1 기본 순서
작업물 투입
→ 위치결정면 접촉
→ 위치 확인
→ 예비 클램핑
→ 최종 클램핑
→ 클램프 확인
→ 공정 수행
→ 힘 해제
→ 클램프 후퇴
→ 작업물 배출
43.2 순서가 중요한 이유
클램핑 순서가 부적절하면 다음 문제가 발생한다.
작업물 들뜸
위치결정 오차
비틀림
과구속
국부 변형
클램프 간 하중 불균형
43.3 권장 순서
주 기준면에 먼저 밀착
보조 기준면에 밀착
회전방지 기준에 밀착
중앙에서 외곽 방향으로 클램핑
강성이 높은 부분부터 클램핑
최종 공정점 가까운 곳을 안정화
44. 센서와 상태검출
44.1 클램프 완료센서
클램프가 최종 위치에 도달했는지 확인한다.
44.2 언클램프 완료센서
작업물 이동 전에 클램프가 완전히 후퇴했는지 확인한다.
44.3 압력센서
공압 또는 유압이 설정압력에 도달했는지 감지한다.
44.4 힘센서
실제 클램핑력을 직접 측정한다.
44.5 변위센서
작업물 두께, 클램프 위치 및 이상물체를 감지한다.
44.6 제품 존재센서
작업물이 정확히 투입된 경우에만 클램핑을 허용한다.
44.7 센서 사용 시 주의사항
위치센서만으로 실제 클램핑력이 확보되었다고 판단해서는 안 된다.
작업물 누락이나 이물질이 있어도 클램프가 최종 위치에 도달할 수 있으므로 압력, 힘 또는 변위를 함께 확인하는 것이 좋다.
45. 잠금과 페일세이프
45.1 잠금
잠금은 외부 동력이 제거되어도 클램핑 상태를 유지하는 기능이다.
대표적인 잠금방식은 다음과 같다.
오버센터 토글
저리드 나사
웨지 자립
래칫
기계식 잠금핀
브레이크
체크밸브
파일럿 체크밸브
45.2 페일세이프 클램프
전원이나 압력이 상실되었을 때 안전한 상태를 유지하는 클램프이다.
대표적인 방식은 다음과 같다.
스프링 클램프·공압 해제
스프링 클램프·유압 해제
기계식 잠금핀
오버센터 잠금
전자영구자석
모터 브레이크
축압기 보조
45.3 안전상 주의
마찰에 의존한 자립은 윤활, 마모, 진동 및 오염상태에 따라 변할 수 있으므로, 위험한 하중에는 별도의 확실한 잠금장치를 적용해야 한다.
46. 과부하 보호
46.1 과부하 원인
작업물 오삽입
이중 공급
작업물 치수초과
클램프 간섭
압력설정 과다
모터 토크 과다
잠금핀 미해제
이물질
센서오류
46.2 보호방식
압력 릴리프 밸브
감압 밸브
토크 리미터
슬립 클러치
서보 토크 제한
전단핀
스프링 완충
기계식 스토퍼
힘센서
소프트웨어 인터록
47. 클램프 패드
47.1 역할
클램프 패드는 클램핑력을 작업물에 전달하며 다음 기능을 수행한다.
표면손상 방지
마찰력 확보
각도편차 흡수
접촉압력 분산
제품 형상 대응
교체 가능한 마모부 제공
47.2 주요 형상
평면형
구면형
스위블형
톱니형
홈형
V형
곡면형
제품 맞춤형
47.3 주요 재료
경화강
스테인리스강
황동
알루미늄
우레탄
고무
실리콘
POM
UHMW-PE
PEEK
47.4 스위블 패드
작업물 표면의 각도에 맞게 회전하여 면접촉을 확보한다.
편심하중과 국부 압흔을 줄이는 데 유리하다.
48. 클램프 암 설계
클램핑력 (F)가 회전축에서 거리 (L)에 작용하면 굽힘모멘트는 다음과 같다.
M = F × L
굽힘응력은 다음과 같다.
σ = M / Z
여기서 (Z)는 단면계수이다.
캔틸레버형 클램프 암의 단순 처짐은 다음과 같다.
δ = FL³ / 3EI
암 길이가 증가하면 처짐은 길이의 세제곱에 비례하여 크게 증가한다.
48.1 설계 원칙
클램프 암을 가능한 짧게 한다.
하중방향과 강한 단면방향을 일치시킨다.
급격한 단면변화를 피한다.
핀 구멍 주변을 보강한다.
측면비틀림을 검토한다.
용접부를 최대응력점에서 피한다.
49. 핀과 부시 설계
49.1 평균 전단응력
단일 전단의 경우:
τ = F / A
이중 전단의 경우:
τ = F / 2A
49.2 평균 면압
핀 지름을 (d), 접촉두께를 (t)라고 하면:
p_b = F / dt
49.3 주요 검토사항
핀 전단
핀 굽힘
부시 면압
피로
윤활
경도차
핀 유격
이탈방지
교체성
50. 마찰과 윤활
50.1 주요 마찰부
토글 핀과 부시
웨지면
나사산
캠면
콜릿 테이퍼
기어와 랙
실린더 씰
클램프 패드
50.2 윤활방식
그리스
오일
자동급유
고체윤활
무급유 부시
드라이 코팅
50.3 윤활의 영향
윤활은 마찰과 마모를 줄이지만 웨지, 나사 및 일부 토글기구의 자립성을 낮출 수 있다.
윤활상태가 변경되면 실제 클램핑력과 해제력이 달라질 수 있으므로 설계계산과 시험에 반영해야 한다.
51. 재료와 표면처리
51.1 클램프 암과 링크
탄소강
합금강
주강
알루미늄 합금
스테인리스강
51.2 핀과 웨지
열처리 합금강
베어링강
침탄강
질화강
공구강
51.3 부시
청동
소결금속
베어링강
폴리머 복합재
PTFE 계열 부시
51.4 표면처리
침탄
질화
고주파 열처리
경질크롬
무전해 니켈
DLC 코팅
연삭
래핑
쇼트피닝
51.5 선정기준
하중
반복수명
마찰
마모
부식
세척
온도
식품 접촉
비용
52. 주요 고장 형태
52.1 클램핑력 부족
공급압력 저하
실린더 누설
링크 변형
암 처짐
패드 마모
나사 마모
모터 토크 부족
마찰계수 저하
52.2 과도한 클램핑력
압력설정 오류
토크설정 오류
작업물 두께 변화
센서오류
웨지 고착
과도한 오버센터
52.3 링크와 암 파손
굽힘피로
좌굴
핀 구멍 균열
용접부 균열
충격
안전율 부족
52.4 핀과 부시 마모
윤활 부족
높은 면압
정렬불량
오염
반복충격
경도 부족
52.5 유압·공압 고장
씰 누설
밸브 고착
호스 파손
압력저하
필터 막힘
공기 혼입
52.6 진공 고장
패드 손상
호스 누설
필터 막힘
표면오염
진공펌프 성능저하
53. 유지보수와 점검
53.1 일상점검
클램핑력 변화
이상소음
진동
누유와 누기
패드 손상
체결볼트 풀림
센서동작
클램프 스트로크
작업물 흔들림
해제상태
53.2 정기점검
링크와 핀 마모
부시 유격
나사산
웨지면
캠면
실린더 씰
공급압력
힘센서 교정
잠금장치
토크 리미터
53.3 예방보전 부품
핀
부시
클램프 패드
씰
스프링
호스
밸브
진공패드
베어링
윤활제
53.4 상태기반 보전
다음 데이터를 활용할 수 있다.
클램핑력
압력
모터전류
토크
클램프 변위
작동시간
누설량
진동
온도
반복 위치오차
54. 안전설계
54.1 주요 위험
손가락 끼임
압착
전단
클램프 암의 갑작스러운 회전
고압유체 분사
작업물 비산
제품 낙하
저장에너지 방출
수직하중 낙하
54.2 보호조치
고정식 커버
인터록 가드
양수조작
라이트커튼
안전스캐너
비상정지
안전속도
압력제한
기계식 잠금
잔압배출
경고표시
54.3 비상해제
비상상황이나 유지보수 시 작업물을 안전하게 해제할 수 있는 수단이 필요하다.
수동 배기밸브
수동 유압해제
기계식 릴리스
브레이크 해제
잠금핀 해제
보조지지대
55. 식품기계에서의 클램핑 기구
식품기계에서는 클램핑 성능과 함께 위생성, 세척성, 내식성 및 오염방지를 고려해야 한다.
55.1 주요 위생 요구사항
식품잔류물이 축적되지 않는 구조
깊은 틈새 최소화
노출 나사산 최소화
배수 가능한 표면
개방형 세척구조
윤활부와 식품구역 분리
내식성 재료
식품용 윤활제
공구 없이 분리 가능한 패드
세척 후 건조가 쉬운 구조
55.2 권장 재료
스테인리스강
POM
UHMW-PE
PEEK
식품용 실리콘
식품용 우레탄
식품 접촉용 고무
55.3 공압 클램프
배기공기와 윤활미스트가 식품에 직접 닿지 않도록 배기방향과 배관을 설계한다.
55.4 유압 클램프
유압유 누설위험 때문에 직접 식품구역에서 분리하고, 가능한 경우 위생구역 밖에 배치한다.
55.5 진공 클램프
식품, 트레이 및 포장재를 부드럽게 파지할 수 있지만 진공라인의 필터와 세척관리가 중요하다.
55.6 주요 적용
포장 실링 조
용기 위치고정
식품 절단용 홀더
성형금형 잠금
캡핑장치
포장재 파지
제품 반전 그리퍼
검사장치 고정
트레이 이송
진공 흡착패드
56. 반도체·정밀장비에서의 클램핑
정밀장비에서는 클램핑력보다 변형, 입자발생 및 미세위치 변화가 더 중요할 수 있다.
주요 요구사항은 다음과 같다.
낮은 접촉력
높은 반복정밀도
파티클 최소화
비접촉 또는 연성 접촉
진공환경 대응
비자성 재료
낮은 아웃가스
정전기 관리
힘센서 제어
대표적인 방식은 다음과 같다.
진공척
정전척
플렉셔 클램프
피에조 클램프
저하중 서보 클램프
57. 적용 사례
57.1 용접 지그 토글 클램프
작업물 위치결정
→ 토글 클램프 접근
→ 오버센터 잠금
→ 용접
→ 해제
주요 검토사항:
용접변형
열팽창
스패터
클램핑 순서
작업자 접근
해제력
반복수명
57.2 유압 가공 지그
작업물 투입
→ 위치결정
→ 지지실린더 작동
→ 다점 유압 클램핑
→ 압력확인
→ 가공
주요 검토사항:
절삭력
작업물 변형
클램핑 순서
압력관리
누설
칩 보호
언클램프 확인
57.3 포장 실링 조
필름 공급
→ 상하 실링 조 접근
→ 압착
→ 가열 및 유지
→ 해제
주요 검토사항:
실링압력
평행도
온도
유지시간
필름손상
세척성
끼임방지
57.4 로봇 평행 그리퍼
액추에이터
→ 웨지·랙·링크
→ 좌우 핑거
→ 제품 파지
→ 이송
주요 검토사항:
파지력
핑거 길이
가속도
제품변형
제품존재센서
비상유지
교환성
57.5 진공 패널 고정
진공펌프
→ 분할 진공채널
→ 흡착테이블
→ 판재 고정
주요 검토사항:
유효면적
누설
평면도
공정하중
필터
진공센서
비상유지
57.6 콜릿 공구 클램프
드로바 인장
→ 테이퍼 접촉
→ 콜릿 수축
→ 공구 고정
주요 검토사항:
인장력
테이퍼 정밀도
런아웃
반복정밀도
오염
마모
해제성
58. 해석 및 설계 도구
58.1 CAD 운동해석
클램프 스트로크
접근공간
링크각도
간섭
작업물 투입성
해제궤적
회전범위
58.2 구조해석
클램프 암 응력
프레임 변형
핀 구멍 응력
웨지 접촉압력
작업물 변형
나사응력
링크 좌굴
58.3 다물체 동역학
링크하중
조인트 반력
작동속도
충격
구동력
해제력
58.4 유체회로 해석
압력손실
실린더 속도
클램핑 순서
누설
축압기
비상정지
체크밸브 작동
58.5 제어 시뮬레이션
위치제어
토크제어
힘제어
위치·힘 전환
센서오차
클램핑시간
과부하반응
59. 클램핑 기구 선정 절차
59.1 작업 기능 정의
가공물 고정
제품 파지
금형 잠금
밀봉
압착
인장
내경 확장
위치 유지
도어 잠금
59.2 작업물 분석
재료
강성
형상
표면상태
치수편차
허용변형
접촉손상 가능성
식품 또는 청정 요구
59.3 공정하중 분석
절삭력
조립력
성형력
관성력
충격
전도모멘트
원심력
압력차
59.4 필요한 클램핑력 계산
마찰계수
형상구속 여부
하중방향
클램프 수
안전율
힘 분담
59.5 스트로크와 접근거리 정의
작업물 두께
치수편차
투입공간
후퇴거리
공구 접근성
로봇 간섭
작업자 접근
59.6 구동방식 선정
수동
스프링
공압
유압
전동
서보
진공
자기력
59.7 클램프 형식 선정
나사
토글
캠
편심
웨지
스윙
풀
링크
콜릿
센터링
59.8 강성과 변형 검토
암 처짐
프레임 변형
핀과 부시 유격
작업물 변형
접촉압력
힘 반복성
59.9 잠금과 안전 검토
전원상실
압력상실
자립성
기계식 잠금
비상해제
센서
과부하 보호
59.10 환경 검토
온도
분진
수분
세척
부식
식품 접촉
진공
클린룸
폭발위험
59.11 유지보수 검토
윤활 접근
패드 교체
핀과 부시 교체
씰 교체
센서 조정
힘 검증
분해공간
59.12 시험과 검증
최대 클램핑력 시험
반복수명 시험
작업물 변형 측정
힘 반복성 시험
압력상실 시험
정전 시험
비상해제 시험
충격시험
오염 및 세척시험
60. 결론
클램핑 기구는 작업물, 제품, 공구 또는 금형을 기준면과 위치결정 요소에 밀착시키고, 공정 중 발생하는 외력에도 위치와 자세를 안정적으로 유지하는 기구이다.
클램핑은 위치결정과 구분해야 한다. 위치결정 요소가 작업물의 정확한 위치를 정하고, 클램프는 작업물을 그 위치결정 요소에 밀착시켜 유지해야 한다.
나사, 토글, 캠, 편심 및 웨지 클램프는 기계적인 힘 변환을 이용한다. 공압 클램프는 빠른 작동과 자동화에 유리하고, 유압 클램프는 큰 힘과 높은 강성을 제공한다. 전동 및 서보 클램프는 위치와 힘을 정밀하게 제어하고 공정데이터를 수집할 수 있다.
진공 클램프는 박판, 필름 및 비자성 평판에 적합하며, 자기 클램프는 강자성체 작업물을 넓은 면적으로 고정하는 데 유리하다. 콜릿과 확장 만드렐은 원통형 작업물의 중심정렬과 원주방향 고정에 적합하다.
클램핑 기구는 큰 힘만을 발생시키도록 설계해서는 안 된다. 작업물 변형, 공정하중, 마찰, 위치결정, 구조강성, 압력상실, 전원상실, 해제 가능성 및 작업자 안전을 함께 검토해야 한다.
클램핑 기구는 다음 순서로 설계하고 선정하는 것이 적절하다.
작업 기능과 작업물 정의
→ 위치결정 방식 설정
→ 공정하중과 필요한 클램핑력 계산
→ 작업물 변형 허용치 검토
→ 클램핑 방향과 작용점 결정
→ 접근거리와 스트로크 결정
→ 구동방식과 클램프 형식 선정
→ 암·링크·핀·프레임의 강도와 강성 검토
→ 클램핑 순서와 힘 분담 검토
→ 잠금·페일세이프·비상해제 설계
→ 센서와 과부하 보호 설계
→ 환경·위생·유지보수성 검토
→ 반복수명과 실제 클램핑력 검증
적절하게 설계된 클램핑 기구는 가공정밀도, 조립품질, 생산성, 반복성, 제품안전 및 작업자 안전을 향상시키는 핵심적인 기계구성요소이다.