1. 개요

기계 시스템에서 Mechanism과 Motion은 서로 분리된 개념이 아니다.

Motion은 부품이나 작업부가 시간에 따라 위치 또는 자세를 변화시키는 현상이고, Mechanism은 입력된 힘과 운동을 정해진 관계에 따라 출력 운동으로 변환하고 전달하는 기계적 구조이다.

즉, Motion은 기계에서 나타나는 결과적인 움직임이며, Mechanism은 그 움직임을 만들고 제한하는 구조적 수단이다.

기계의 기본적인 연결 관계는 다음과 같이 표현할 수 있다.

에너지원 → 액추에이터 → 동력 전달 요소 → 기구 → 출력 운동 → 작업

조금 더 상세히 표현하면 다음과 같다.

에너지 공급 → 힘 또는 토크 발생 → 운동 전달 → 운동 변환 → 운동 구속 → 출력 위치·속도·힘 형성 → 공정 수행

예를 들어 모터가 회전하는 것만으로는 제품을 직선으로 이송할 수 없다. 모터의 회전 운동을 볼스크루, 벨트, 랙과 피니언 등의 기구를 통해 직선 운동으로 변환해야 실제 이송 기능이 만들어진다.

따라서 Mechanism은 액추에이터가 발생시킨 원운동을 목적에 맞는 Motion으로 구성하는 연결 구조라고 할 수 있다.

2. Motion의 정의

Motion은 물체의 위치 또는 자세가 시간에 따라 변화하는 현상이다.

물체의 위치를 x, 회전각을 θ, 시간을 t라고 하면 직선 속도와 각속도는 다음과 같이 표현할 수 있다.

v = dx / dt

ω = dθ / dt

각 기호의 의미는 다음과 같다.

• v: 직선 속도

• x: 직선 위치

• ω: 각속도

• θ: 회전각

• t: 시간

Motion에는 단순히 이동 경로만 포함되는 것이 아니다. 다음과 같은 특성이 함께 포함된다.

• 운동 궤적

• 이동 거리

• 회전각

• 속도

• 가속도

• 이동 방향

• 반복 주기

• 정지 위치

• 위치 정밀도

• 운동 중 작용력

• 운동의 동기 관계

따라서 같은 직선 운동이라도 속도, 가속도, 반복 방식, 위치 정밀도에 따라 전혀 다른 기계적 성능을 가진다.

3. Mechanism의 정의

Mechanism은 하나 이상의 강체 부품과 관절, 가이드 또는 접촉 요소가 일정한 관계로 연결되어 입력 운동을 출력 운동으로 변환하는 기계적 구성이다.

Mechanism의 주요 기능은 다음과 같다.

• 운동 전달

• 운동 방향 변경

• 운동 형태 변환

• 이동 거리 확대 또는 축소

• 속도 변경

• 토크와 힘 변경

• 궤적 생성

• 운동 범위 제한

• 여러 축의 동기화

• 정지 위치 형성

• 기계적 잠금

• 반복 운동 생성

대표적인 Mechanism에는 다음과 같은 것들이 있다.

• 기어 기구

• 벨트 및 풀리 기구

• 체인 및 스프로킷 기구

• 볼스크루 기구

• 랙과 피니언

• 크랭크 슬라이더

• 4절 링크

• 캠과 팔로워

• 제네바 기구

• 토글 기구

• 래칫 기구

• 차동 기구

• 평행 링크

• 로봇 링크 기구

4. Machine, Mechanism, Motion의 구분

Machine, Mechanism, Motion은 서로 연결되어 있지만 의미가 다르다.

4.1 Machine

Machine은 에너지를 사용하여 특정 작업이나 공정을 수행하는 전체 시스템이다.

예를 들면 다음과 같다.

• 포장기

• 절단기

• 충진기

• 프레스

• 컨베이어

• 로봇

• 육가공기계

4.2 Mechanism

Mechanism은 Machine 내부에서 운동을 전달하거나 변환하는 기계적 구조이다.

예를 들면 포장기 내부의 다음 구조가 Mechanism에 해당한다.

• 필름 이송 롤러

• 실링 바 승강 링크

• 제품 푸셔

• 캠 인덱서

• 절단날 구동 기구

4.3 Motion

Motion은 Mechanism의 부품과 출력부에서 실제로 발생하는 움직임이다.

예를 들면 다음과 같다.

• 롤러의 회전

• 실링 바의 직선 왕복

• 절단날의 상하 이동

• 제품 푸셔의 전진과 복귀

• 인덱스 테이블의 간헐 회전

이들의 관계는 다음과 같다.

Machine은 공정을 수행한다.

Mechanism은 공정에 필요한 운동을 만든다.

Motion은 Mechanism에서 발생하는 실제 움직임이다.

5. Mechanism과 Motion의 기본 관계

Mechanism과 Motion의 관계는 다음의 네 가지 기능으로 정리할 수 있다.

5.1 운동 생성

액추에이터가 기구에 입력 운동을 제공한다.

예:

• 모터의 회전

• 실린더의 직선 이동

• 스프링의 복귀

• 중력에 의한 낙하

5.2 운동 전달

입력 운동을 다른 위치의 출력부로 전달한다.

예:

• 샤프트

• 기어

• 벨트

• 체인

• 링크

5.3 운동 변환

입력 운동의 형태를 다른 운동 형태로 바꾼다.

예:

• 회전 → 직선

• 회전 → 왕복

• 회전 → 요동

• 직선 → 회전

• 연속 회전 → 간헐 회전

5.4 운동 구속

출력 부품이 원하는 방향과 경로로만 움직이도록 제한한다.

예:

• 리니어 가이드

• 회전축과 베어링

• 링크 관절

• 캠 홈

• 곡선 레일

• 기계적 스토퍼

Mechanism은 운동을 발생시키는 것뿐 아니라, 불필요한 운동을 제거하여 필요한 자유도만 남기는 역할도 한다.

6. 전체 연결 구조

Mechanism과 Motion의 연결 구조는 기능적으로 다음과 같이 구분할 수 있다.

6.1 에너지 경로

에너지원 → 구동장치 → 동력 전달부 → 작업부

예:

전원 → 서보 드라이브 → 서보모터 → 감속기 → 링크 → 그리퍼

6.2 운동 경로

입력 운동 → 전달 운동 → 변환 운동 → 출력 운동

예:

모터 회전 → 감속 회전 → 크랭크 회전 → 슬라이더 직선 왕복

6.3 힘 전달 경로

액추에이터 힘 → 전달 부품 → 관절 또는 가이드 → 출력부 → 작업물

이 경로를 하중 경로 또는 Load Path라고 한다.

6.4 신호 경로

센서 → 제어기 → 드라이브 또는 밸브 → 액추에이터

6.5 피드백 경로

실제 위치·속도·힘 → 센서 → 제어기 → 보정 명령 → 액추에이터

전체 시스템은 다음과 같이 표현할 수 있다.

명령 → 제어기 → 액추에이터 → Mechanism → Motion → 작업

그리고 출력 결과는 다시 다음 경로로 돌아간다.

Motion → 센서 → 제어기 → 보정

7. 입력 운동과 출력 운동

Mechanism은 일반적으로 입력부와 출력부를 가진다.

7.1 입력 운동

입력 운동은 액추에이터나 외부 힘에 의해 기구로 공급되는 운동이다.

대표적인 입력 운동은 다음과 같다.

• 연속 회전

• 제한각 회전

• 직선 이동

• 왕복 이동

• 진동

• 수동 조작

• 중력 낙하

7.2 출력 운동

출력 운동은 Mechanism이 실제 작업에 필요한 형태로 만들어 낸 운동이다.

대표적인 출력 운동은 다음과 같다.

• 직선 이송

• 회전 이송

• 왕복 운동

• 요동 운동

• 간헐 회전

• 복합 궤적

• 클램핑 운동

• 절단 운동

7.3 입출력 관계

기구 설계의 핵심은 입력 운동과 출력 운동 사이의 관계를 정의하는 것이다.

출력 위치는 일반적으로 다음과 같이 표현할 수 있다.

q_out = f(q_in)

여기서 각 항목의 의미는 다음과 같다.

• q_in: 입력 위치 또는 입력각

• q_out: 출력 위치 또는 출력각

• f: 기구의 형상과 치수로 결정되는 변환 관계

예를 들어 볼스크루에서는 모터 회전수와 이동 거리의 관계가 다음과 같다.

x = n × L

• x: 직선 이동 거리

• n: 스크루 회전수

• L: 스크루 리드

8. 운동사슬

운동사슬 또는 Kinematic Chain은 여러 개의 링크가 관절을 통해 연결된 구조이다.

운동사슬은 입력 링크의 운동을 다른 링크로 순차적으로 전달한다.

8.1 링크

링크는 운동을 전달하는 강체 부품이다.

예:

• 레버

• 크랭크

• 커넥팅 로드

• 슬라이더

• 로봇 암

• 캠

8.2 관절

관절은 두 링크 사이의 상대 운동을 허용하면서 특정 방향의 운동을 제한하는 연결부이다.

대표적인 관절은 다음과 같다.

• 회전 관절

• 직선 관절

• 나사 관절

• 구면 관절

• 원통 관절

• 캠 접촉

• 기어 접촉

8.3 고정 링크

운동사슬 중 하나의 링크를 프레임에 고정하면 실제 기구가 된다.

즉, 모든 링크가 자유롭게 움직이는 구조는 운동사슬이고, 하나 이상의 링크가 기준 구조에 고정되어 입력과 출력이 정의되면 Mechanism이 된다.

9. 자유도와 운동 구속

자유도는 기구가 독립적으로 움직일 수 있는 운동 변수의 수이다.

3차원 공간에서 자유로운 강체는 최대 6자유도를 가진다.

• X축 이동

• Y축 이동

• Z축 이동

• X축 회전

• Y축 회전

• Z축 회전

Mechanism은 관절과 가이드를 통해 불필요한 자유도를 제거한다.

예를 들어 리니어 가이드는 이동체의 자유도를 한 방향의 직선 이동으로 제한한다.

회전축과 베어링은 축을 중심으로 한 회전 자유도만 허용한다.

기구의 자유도는 개념적으로 다음과 같은 관계를 가진다.

기구 자유도 = 전체 가능한 운동 - 관절과 구속에 의해 제거된 운동

자유도가 부족하면 기구가 움직이지 못하거나 과구속 상태가 된다.

자유도가 너무 많으면 출력 위치가 불안정해진다.

10. 구속과 안내의 역할

Mechanism에서 운동 생성만큼 중요한 것이 운동 안내이다.

액추에이터가 힘을 발생시키더라도 출력 부품을 적절히 안내하지 않으면 원하는 Motion을 얻을 수 없다.

10.1 직선 운동 안내

• 리니어 가이드

• 슬라이드 부시

• V가이드

• 롤러 가이드

• 프리즘 가이드

10.2 회전 운동 안내

• 볼베어링

• 롤러베어링

• 부시

• 피봇

• 턴테이블 베어링

10.3 곡선 운동 안내

• 캠 홈

• 곡선 레일

• 링크 궤적

• 로봇 다축 보간

구동 요소는 운동을 발생시키고, 안내 요소는 운동 방향과 궤적을 결정한다.

볼스크루는 축 방향 힘을 전달하지만, 이동 테이블의 모멘트와 횡하중은 일반적으로 리니어 가이드가 지지한다.

11. 액추에이터와 Mechanism의 관계

액추에이터와 Mechanism은 역할이 다르다.

11.1 액추에이터의 역할

액추에이터는 에너지를 기계적 힘 또는 토크로 변환한다.

대표적인 액추에이터는 다음과 같다.

• 전동 모터

• 서보모터

• 스테핑모터

• 리니어 모터

• 공압 실린더

• 유압 실린더

• 솔레노이드

• 압전 액추에이터

11.2 Mechanism의 역할

Mechanism은 액추에이터의 출력을 작업에 필요한 Motion으로 구성한다.

예:

서보모터 → 회전 토크 발생

볼스크루 → 회전을 직선 이동으로 변환

리니어 가이드 → 직선 경로로 구속

테이블 → 제품을 목표 위치로 이동

따라서 액추에이터는 운동의 에너지를 만들고, Mechanism은 운동의 형상과 관계를 만든다.

12. 운동 전달 기구

운동 전달 기구는 입력 운동을 멀리 떨어진 출력부로 전달한다.

12.1 샤프트 전달

회전축을 통해 토크와 회전을 전달한다.

12.2 기어 전달

기어 맞물림을 이용하여 속도, 토크, 방향을 변경한다.

12.3 벨트 전달

풀리와 벨트를 이용하여 떨어진 축 사이에 운동을 전달한다.

12.4 체인 전달

체인과 스프로킷을 이용하여 미끄럼 없는 회전 전달을 구현한다.

12.5 링크 전달

링크와 관절을 통해 운동을 다른 위치로 전달한다.

12.6 유체 전달

공기압 또는 유압을 통해 힘을 떨어진 액추에이터로 전달한다.

전달 기구를 선정할 때는 거리, 하중, 속도, 정밀도, 백래시, 소음 및 유지보수를 고려해야 한다.

13. 운동 변환 기구

Mechanism은 입력 Motion을 필요한 출력 Motion으로 변환한다.

13.1 회전에서 직선으로 변환

대표적인 기구:

• 볼스크루

• 리드스크루

• 랙과 피니언

• 벨트 슬라이더

• 캠과 팔로워

13.2 회전에서 왕복으로 변환

대표적인 기구:

• 크랭크 슬라이더

• 편심 캠

• 스카치 요크

• 편심축

13.3 회전에서 요동으로 변환

대표적인 기구:

• 크랭크 로커

• 4절 링크

• 캠 로커

• 섹터 기어

13.4 연속 회전에서 간헐 운동으로 변환

대표적인 기구:

• 제네바 기구

• 캠 인덱서

• 래칫과 폴

• 클러치와 브레이크

13.5 직선에서 회전으로 변환

대표적인 기구:

• 랙과 피니언

• 레버

• 링크

• 케이블 드럼

14. Mechanism이 Motion 궤적을 결정하는 방식

기구의 형상과 연결 조건은 출력부의 궤적을 결정한다.

14.1 가이드에 의한 궤적

리니어 가이드나 곡선 레일이 출력부의 경로를 직접 결정한다.

14.2 링크 길이에 의한 궤적

4절 링크나 다절 링크에서는 링크 길이와 관절 위치가 출력점의 궤적을 결정한다.

14.3 캠 프로파일에 의한 궤적

캠 기구에서는 캠 표면의 형상이 팔로워의 변위와 운동 법칙을 결정한다.

14.4 다축 제어에 의한 궤적

로봇이나 CNC에서는 각 축의 운동을 조합하여 출력점의 궤적을 만든다.

즉, Motion 궤적은 단순히 액추에이터의 이동 방향으로 결정되지 않고, Mechanism의 기하학적 구조에 의해 결정된다.

15. 위치 관계

Mechanism의 입력 위치와 출력 위치 사이에는 기하학적 관계가 존재한다.

일반적인 위치 관계는 다음과 같이 표현할 수 있다.

x_out = f(x_in, geometry)

또는 회전 입력과 직선 출력의 관계는 다음과 같이 표현할 수 있다.

x = f(θ)

여기서 geometry에는 다음 항목이 포함된다.

• 링크 길이

• 회전 반경

• 기어 피치

• 스크루 리드

• 캠 프로파일

• 관절 위치

• 가이드 방향

기구의 형상이 고정되어 있으면 입력 위치에 대한 출력 위치가 기계적으로 결정된다.

16. 속도 관계

출력 속도는 입력 위치와 기구의 변환 관계를 시간에 대해 미분하여 얻을 수 있다.

입출력 관계가 다음과 같다고 가정한다.

x = f(θ)

출력 속도는 다음과 같이 표현할 수 있다.

v = dx / dt

v = dx / dθ × dθ / dt

v = dx / dθ × ω

이 관계는 같은 입력 회전 속도에서도 기구의 위치에 따라 출력 속도가 달라질 수 있음을 의미한다.

예를 들어 크랭크 슬라이더에서는 크랭크가 일정한 속도로 회전하더라도 슬라이더 속도는 일정하지 않다.

슬라이더 속도는 스트로크 양 끝에서 0이 되고, 중앙 부근에서 커진다.

17. 가속도 관계

출력 가속도는 출력 속도의 시간 변화율이다.

a = dv / dt

Mechanism에서는 입력 속도가 일정하더라도 기하학적 관계가 비선형이면 출력 가속도가 계속 변할 수 있다.

가속도 변화는 다음 요소에 직접 영향을 준다.

• 관성력

• 모터 토크

• 링크 하중

• 베어링 반력

• 충격

• 진동

• 제품 흔들림

• 소음

• 피로 수명

따라서 기구 설계에서는 출력 궤적뿐 아니라 속도와 가속도 변화도 함께 검토해야 한다.

18. 힘과 토크의 관계

Mechanism은 운동만 변환하는 것이 아니라 힘과 토크도 변환한다.

18.1 레버

레버에서는 힘과 거리 사이에 다음 관계가 성립한다.

F_in × l_in = F_out × l_out

• F_in: 입력 힘

• l_in: 입력측 회전 중심 거리

• F_out: 출력 힘

• l_out: 출력측 회전 중심 거리

출력측 거리가 짧아지면 출력 힘은 커지지만 이동 거리는 작아진다.

18.2 감속기

이상적인 감속기에서는 출력 토크가 다음과 같이 증가한다.

T_out = T_in × i × η

• T_out: 출력 토크

• T_in: 입력 토크

• i: 감속비

• η: 효율

18.3 스크루 기구

스크루 기구는 작은 회전 토크를 큰 축 방향 힘으로 변환할 수 있다.

스크루 리드가 작을수록 같은 회전수에서 이동 거리는 줄어들지만, 더 큰 축 방향 힘을 얻기 쉽다.

Mechanism에서 힘의 증가는 일반적으로 이동 거리 또는 속도의 감소와 교환 관계를 가진다.

19. 동력 관계

이상적인 기구에서는 입력 동력과 출력 동력이 같다.

P_in = P_out

회전 동력은 다음과 같이 표현한다.

P = T × ω

직선 동력은 다음과 같이 표현한다.

P = F × v

따라서 이상적인 회전-직선 변환 기구에서는 다음 관계가 성립한다.

T × ω = F × v

실제 기구에서는 마찰과 변형에 의해 손실이 발생하므로 다음과 같이 표현한다.

P_out = P_in × η

• η: 기구 효율

기구가 힘을 증가시키면 출력 속도는 감소하고, 속도를 증가시키면 출력 힘은 감소하는 경향이 있다.

20. 직접 구동과 간접 구동

20.1 직접 구동

직접 구동은 액추에이터 출력이 부하에 직접 전달되는 방식이다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 리니어 모터

• 토크 모터

• 다이렉트 드라이브 회전 테이블

• 모터 롤러

장점:

• 백래시가 적다.

• 응답성이 높다.

• 부품 수가 적다.

• 전달 효율이 높다.

한계:

• 큰 액추에이터가 필요할 수 있다.

• 부하 관성의 영향을 직접 받는다.

• 열 관리가 중요하다.

• 액추에이터 비용이 높을 수 있다.

20.2 간접 구동

간접 구동은 감속기, 벨트, 스크루, 링크 또는 캠을 통해 운동을 전달하거나 변환한다.

장점:

• 힘과 토크를 증대할 수 있다.

• 모터 위치를 자유롭게 배치할 수 있다.

• 다양한 Motion을 생성할 수 있다.

• 큰 하중을 구동하기 쉽다.

한계:

• 백래시가 발생할 수 있다.

• 전달 손실이 발생한다.

• 마모 부품이 증가한다.

• 구조가 복잡해진다.

21. 직렬 기구 구조

직렬 기구는 여러 링크와 관절이 순차적으로 연결된 구조이다.

입력에서 출력까지 운동과 하중이 하나의 연속된 경로를 따라 전달된다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 다관절 로봇

• 크레인 붐

• 링크식 이송 암

• 직렬 감속기

• 다단 기어열

주요 특징

• 넓은 작업 범위를 만들기 쉽다.

• 복잡한 자세를 구현할 수 있다.

• 각 관절의 오차가 출력단에 누적될 수 있다.

• 출력부 강성이 낮아질 수 있다.

• 출력단 관성이 증가할 수 있다.

22. 병렬 기구 구조

병렬 기구는 여러 개의 링크 또는 액추에이터가 하나의 출력 플랫폼을 동시에 지지하고 구동하는 구조이다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 델타 로봇

• 스튜어트 플랫폼

• 병렬 링크 위치 결정 장치

• 3점 또는 4점 승강 장치

주요 특징

• 높은 강성을 확보할 수 있다.

• 하중을 여러 경로로 분산할 수 있다.

• 이동부 질량을 줄일 수 있다.

• 고속 운동에 유리하다.

• 운동학과 제어가 복잡하다.

• 작업 범위가 제한될 수 있다.

23. 폐쇄형 기구 구조

폐쇄형 기구는 링크가 하나 이상의 닫힌 고리를 형성하는 구조이다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 4절 링크

• 크랭크 슬라이더

• 토글 기구

• 평행 링크

• 병렬 로봇

폐쇄형 기구에서는 여러 링크의 위치 관계가 상호 구속된다.

따라서 하나의 입력만으로 여러 부품이 정해진 관계에 따라 움직일 수 있다.

다만 조립 공차와 관절 위치가 부정확하면 과구속, 끼임 또는 내부 응력이 발생할 수 있다.

24. 기계식 동기와 전자식 동기

24.1 기계식 동기

하나의 구동원을 기어, 벨트, 체인, 캠축 또는 라인 샤프트로 분배하여 여러 운동을 동기화하는 방식이다.

장점:

• 위상 관계가 기계적으로 유지된다.

• 제어 구조가 단순하다.

• 반복성이 높다.

한계:

• 운동 변경이 어렵다.

• 구조가 복잡하고 길어질 수 있다.

• 기계적 백래시와 마모가 발생한다.

• 한 부분의 이상이 전체 시스템에 영향을 줄 수 있다.

24.2 전자식 동기

각 축에 개별 서보모터를 사용하고 제어기에서 속도와 위치를 동기화하는 방식이다.

대표적인 기능은 다음과 같다.

• 전자 기어

• 전자 캠

• 마스터·슬레이브 제어

• 위치 보간

• 위상 보정

장점:

• 운동 조건을 프로그램으로 변경할 수 있다.

• 제품별 설정 변경이 쉽다.

• 축별 보정이 가능하다.

• 기계식 전달 부품을 줄일 수 있다.

한계:

• 제어 시스템이 복잡하다.

• 엔코더와 통신 성능이 중요하다.

• 통신 지연과 제어 주기의 영향을 받는다.

25. Mechanism과 제어 시스템의 연결

전통적인 기구에서는 운동 관계가 기계 형상에 의해 결정되었다.

현대의 자동화 장비에서는 Mechanism과 제어 시스템이 결합하여 Motion을 만든다.

기본 구조는 다음과 같다.

모션 명령 → 모션 컨트롤러 → 서보 드라이브 → 모터 → Mechanism → 출력 Motion

25.1 위치 제어

목표 위치와 실제 위치의 차이를 보정한다.

e_p = x_cmd - x_act

• e_p: 위치 오차

• x_cmd: 명령 위치

• x_act: 실제 위치

25.2 속도 제어

명령 속도와 실제 속도의 차이를 보정한다.

e_v = v_cmd - v_act

25.3 힘 또는 토크 제어

작업물에 가해지는 힘이나 축 토크를 목표값에 맞게 조절한다.

Mechanism은 제어 명령을 실제 기계 운동으로 변환하지만, 백래시, 마찰, 강성 및 관성은 제어 성능에 직접 영향을 준다.

26. 센서와 피드백 구조

센서는 Mechanism에서 발생한 실제 Motion을 측정한다.

26.1 위치 센서

• 엔코더

• 리니어 스케일

• 포텐셔미터

• 리졸버

• 근접 센서

• 리미트 스위치

26.2 속도 센서

• 엔코더 속도 계산

• 타코제너레이터

• 레이저 속도 센서

26.3 힘과 토크 센서

• 로드셀

• 토크 센서

• 압력 센서

• 스트레인 게이지

26.4 상태 센서

• 진동 센서

• 온도 센서

• 압력 스위치

• 도어 센서

• 제품 감지 센서

피드백 구조는 다음과 같이 표현할 수 있다.

명령 → 액추에이터 → Mechanism → Motion

Motion → 센서 → 제어기 → 보정 명령

27. 강성과 탄성 변형

실제 Mechanism은 완전한 강체가 아니다.

축, 링크, 프레임, 벨트, 체인, 커플링 등은 하중에 의해 변형된다.

기구의 변형은 개념적으로 다음과 같이 표현할 수 있다.

δ = F / k

• δ: 변형량

• F: 작용력

• k: 기구 강성

강성이 낮으면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

• 위치 오차

• 진동

• 정착 시간 증가

• 공진

• 가공 품질 저하

• 클램핑력 변화

• 출력 운동 지연

따라서 고정밀 Motion에서는 액추에이터 분해능뿐 아니라 전체 Mechanism의 강성을 함께 검토해야 한다.

28. 백래시와 유격

백래시는 운동 방향이 바뀔 때 기구 내부의 틈 때문에 입력 운동이 출력부로 즉시 전달되지 않는 현상이다.

대표적인 발생 위치는 다음과 같다.

• 기어 맞물림

• 감속기

• 볼스크루 너트

• 랙과 피니언

• 체인

• 링크 관절

• 커플링

백래시가 있으면 다음과 같은 문제가 발생한다.

• 방향 반전 위치 오차

• 반복 정밀도 저하

• 충격

• 소음

• 추종 오차

• 서보 불안정

저감 방법은 다음과 같다.

• 예압 적용

• 정밀 감속기

• 듀얼 피니언

• 예압 볼스크루

• 한 방향 접근

• 소프트웨어 보정

• 직접 구동

29. 마찰과 효율

마찰은 Mechanism의 운동을 방해하면서 에너지 손실과 열을 발생시킨다.

마찰은 다음 요소에 영향을 준다.

• 요구 모터 토크

• 저속 안정성

• 위치 반복성

• 기구 효율

• 발열

• 마모

• 수명

• 스틱슬립

특히 저속 운동에서는 정지 마찰과 운동 마찰의 차이로 인해 스틱슬립이 발생할 수 있다.

따라서 정밀 이송축에서는 가이드 방식, 윤활, 씰 저항 및 예압을 함께 검토해야 한다.

30. 관성과 Motion 응답

Mechanism의 각 부품은 질량과 관성을 가진다.

직선 운동에서는 질량이 가속력에 영향을 준다.

F = m × a

회전 운동에서는 관성 모멘트가 가속 토크에 영향을 준다.

T = J × α

• T: 가속 토크

• J: 관성 모멘트

• α: 각가속도

감속기를 사용하는 경우 출력측 관성은 모터측에 환산되어 작용한다.

기구의 이동 질량과 회전 관성이 크면 다음과 같은 영향이 발생한다.

• 모터 용량 증가

• 가속 시간 증가

• 제동 거리 증가

• 에너지 소비 증가

• 진동 증가

• 구조 하중 증가

고속 Mechanism은 가능한 한 이동부 질량을 줄이는 것이 중요하다.

31. Mechanism 유형과 대표 Motion

32. 대표 연결 사례 1: 볼스크루 이송축

볼스크루 이송축의 연결 구조는 다음과 같다.

서보 드라이브 → 서보모터 → 커플링 → 볼스크루 → 너트 → 이동 테이블

별도의 안내 구조는 다음과 같다.

프레임 → 리니어 가이드 → 이동 테이블

피드백 구조는 다음과 같다.

모터 엔코더 또는 리니어 스케일 → 제어기

역할 구분

• 서보모터: 회전 토크 발생

• 커플링: 회전 전달 및 정렬 오차 흡수

• 볼스크루: 회전 운동을 직선 운동으로 변환

• 리니어 가이드: 직선 경로 형성 및 모멘트 지지

• 테이블: 작업물 이동

• 엔코더: 실제 위치 검출

33. 대표 연결 사례 2: 크랭크 슬라이더

연결 구조는 다음과 같다.

모터 → 감속기 → 크랭크축 → 커넥팅 로드 → 슬라이더 → 작업부

운동 관계

• 모터: 연속 회전

• 감속기: 회전 속도 감소 및 토크 증가

• 크랭크: 회전 반경 생성

• 커넥팅 로드: 운동 전달

• 슬라이더: 직선 왕복 운동

• 작업부: 절단, 압착 또는 이송

주요 특성

• 스트로크는 크랭크 반경에 의해 결정된다.

• 슬라이더 속도는 일정하지 않다.

• 양 끝단에서 속도가 0이 된다.

• 방향 전환 구간에서 관성 하중이 커진다.

34. 대표 연결 사례 3: 캠과 팔로워

연결 구조는 다음과 같다.

모터 → 캠축 → 캠 프로파일 → 팔로워 → 출력 링크 또는 슬라이더

캠의 형상은 다음 특성을 결정한다.

• 출력 변위

• 상승 구간

• 하강 구간

• 정지 구간

• 출력 속도

• 출력 가속도

캠은 하나의 연속 회전 입력으로 복잡한 반복 Motion을 기계적으로 생성할 수 있다.

다만 운동 조건을 변경하려면 캠 형상을 변경해야 한다.

35. 대표 연결 사례 4: 공압 실린더 구동

연결 구조는 다음과 같다.

공기압축기 → 에어 탱크 → 밸브 → 공압 실린더 → 로드 → 작업부

제어 경로는 다음과 같다.

센서 → PLC → 솔레노이드 밸브 → 실린더

역할 구분

• 압축공기: 에너지 공급

• 밸브: 공기의 방향과 유량 제어

• 실린더: 압력을 직선 힘으로 변환

• 가이드: 로드의 측면 하중 지지

• 스토퍼 또는 센서: 위치 결정

공압 실린더 자체는 직선 Motion을 직접 발생시키지만, 정밀 안내와 위치 반복성을 위해 별도의 가이드와 스토퍼가 필요한 경우가 많다.

36. 대표 연결 사례 5: 인덱스 테이블

인덱스 테이블의 연결 구조는 다음과 같이 구성할 수 있다.

기계식 방식

모터 → 감속기 → 캠 인덱서 → 회전 테이블

서보 방식

서보모터 → 정밀 감속기 → 회전 테이블

기계식 인덱서는 캠 형상으로 이동과 정지를 만든다.

서보 인덱스는 프로그램으로 이동각, 속도, 가속도 및 정지 시간을 변경할 수 있다.

37. 대표 연결 사례 6: 다관절 로봇

다관절 로봇의 연결 구조는 다음과 같다.

서보모터 → 감속기 → 관절 → 링크 → 다음 관절 → 엔드이펙터

각 관절의 회전 Motion이 조합되어 엔드이펙터의 공간 위치와 자세가 결정된다.

관절 좌표를 q라고 하면 엔드이펙터 위치는 다음과 같은 관계로 표현할 수 있다.

X = f(q)

• q: 각 관절의 위치

• X: 엔드이펙터의 위치와 자세

• f: 로봇의 링크 구조에 의해 결정되는 운동학 관계

직렬 로봇에서는 관절 오차와 링크 변형이 끝단에 누적될 수 있다.

38. 기능에서 Motion으로 연결하는 과정

기계 설계에서는 먼저 Mechanism을 선택하는 것이 아니라, 필요한 기능을 Motion으로 변환한 후 적합한 Mechanism을 선정해야 한다.

기본적인 절차는 다음과 같다.

38.1 기능 정의

예:

제품을 다음 공정 위치로 이동한다.

38.2 필요한 Motion 정의

• 직선 이동

• 이동 거리 300 mm

• 이동 시간 1초

• 정지 반복 정밀도 ±0.1 mm

• 분당 30회 반복

38.3 하중 정의

• 제품 질량

• 이동 테이블 질량

• 마찰

• 가속도

• 외력

38.4 액추에이터 후보 선정

• 공압 실린더

• 서보모터

• 스테핑모터

• 리니어 모터

38.5 Mechanism 후보 선정

• 볼스크루

• 타이밍 벨트

• 랙과 피니언

• 직접 실린더 구동

38.6 안내 구조 선정

• 리니어 가이드

• 롤러 가이드

• 부시

• 가이드 실린더

38.7 센서와 제어 방식 선정

• 양단 센서

• 엔코더

• 리니어 스케일

• PLC

• 모션 컨트롤러

39. Mechanism 선정 기준

Mechanism을 선정할 때는 다음 요소를 함께 검토해야 한다.

39.1 출력 Motion

• 직선

• 회전

• 왕복

• 요동

• 간헐

• 복합 궤적

39.2 이동 범위

• 이동 거리

• 회전각

• 작업 영역

• 공간 제약

39.3 속도 조건

• 최고 속도

• 평균 속도

• 가속도

• 감속도

• 반복 주기

39.4 하중 조건

• 요구 힘

• 요구 토크

• 질량

• 관성

• 모멘트 하중

• 충격 하중

39.5 정밀도 조건

• 위치 정확도

• 반복 정밀도

• 경로 정확도

• 백래시

• 정착 시간

39.6 환경 조건

• 물과 세척제

• 분진

• 고온과 저온

• 부식

• 식품 접촉

• 위생 요구사항

39.7 유지보수 조건

• 윤활

• 마모

• 씰 교환

• 장력 조정

• 청소 접근성

• 부품 교환성

40. Mechanism과 Motion 설계 검증

40.1 운동학 검증

• 목표 위치에 도달하는가

• 원하는 궤적을 만드는가

• 이동 범위가 충분한가

• 링크 간 간섭이 없는가

• 특이점이 존재하는가

40.2 속도 및 가속도 검증

• 최고 속도

• 출력 속도 변화

• 가속도

• 저크

• 방향 전환 충격

40.3 힘과 토크 검증

• 액추에이터 토크

• 출력 힘

• 마찰력

• 관성력

• 베어링 반력

• 링크 하중

40.4 구조 검증

• 응력

• 변형

• 좌굴

• 비틀림

• 피로

• 공진

40.5 정밀도 검증

• 백래시

• 조립 공차

• 열변형

• 반복 정밀도

• 정착 시간

• 추종 오차

40.6 수명 검증

• 베어링 수명

• 가이드 수명

• 볼스크루 수명

• 기어 수명

• 벨트 피로

• 체인 마모

• 캠 접촉 피로

• 링크 핀 마모

41. 주요 고장 및 성능 저하 원인

Mechanism과 Motion의 연결이 적절하지 않으면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

41.1 액추에이터 용량 부족

• 목표 속도 미달

• 과열

• 위치 오차

• 스테핑모터 탈조

• 서보 과부하

41.2 가이드 용량 부족

• 테이블 기울어짐

• 마찰 증가

• 국부 마모

• 반복 정밀도 저하

• 걸림

41.3 백래시 증가

• 방향 반전 오차

• 충격

• 소음

• 위치 반복성 저하

41.4 강성 부족

• 출력 변형

• 진동

• 정착 시간 증가

• 가공 오차

41.5 정렬 불량

• 베어링 과부하

• 커플링 손상

• 볼스크루 마모

• 씰 손상

• 구동 토크 증가

41.6 윤활 불량

• 마찰 증가

• 발열

• 마모

• 소음

• 수명 감소

42. 안전 관점의 연결 구조

Mechanism과 Motion 설계에서는 운동 기능뿐 아니라 위험 에너지의 흐름도 분석해야 한다.

42.1 주요 위험

• 끼임

• 절단

• 충돌

• 말림

• 낙하

• 예기치 않은 복귀

• 잔류 압력

• 스프링 에너지 방출

• 관성에 의한 잔류 운동

42.2 안전 연결 구조

안전 센서 → 안전 제어기 → 구동 에너지 차단 → 브레이크 또는 정지 기구

42.3 기계적 안전 요소

• 스토퍼

• 브레이크

• 잠금 핀

• 토크 리미터

• 슬립 클러치

• 낙하 방지 장치

• 과부하 해제 장치

• 안전 커버

비상 정지에서는 모터 전원 차단만으로 충분하지 않을 수 있다. 수직축, 대형 회전체, 스프링 또는 유압 시스템은 별도의 기계적 에너지 제어가 필요하다.

43. 식품기계에서의 연결 구조

식품기계에서는 일반적인 운동 성능 외에 위생성과 세척성을 고려해야 한다.

주요 고려사항

• 식품 잔류가 발생하지 않는 구조

• 개방형 프레임과 접근 가능한 가이드

• 세척수에 강한 베어링과 모터

• 윤활유의 식품 접촉 방지

• 벨트와 체인의 세척성

• 링크 관절의 오염 방지

• 씰 구조

• 배수 구조

• 공압 배기의 제품 접촉 방지

식품 접촉 영역에서는 복잡한 링크와 노출된 나사 기구보다 세척이 쉬운 직접 구동 또는 밀폐형 구동 구조가 유리할 수 있다.

44. Mechanism과 Motion의 연결 구조 요약

Mechanism과 Motion의 전체 관계는 다음과 같이 정리할 수 있다.

기능 연결

요구 기능 → 필요한 작업 → 필요한 Motion → 적합한 Mechanism

에너지 연결

에너지원 → 액추에이터 → 힘 또는 토크

운동 연결

입력 Motion → 전달 → 변환 → 구속 → 출력 Motion

구조 연결

프레임 → 베어링·가이드 → 링크·축 → 출력부

제어 연결

명령 → 제어기 → 드라이브 → 액추에이터

피드백 연결

출력 Motion → 센서 → 제어기 → 보정

작업 연결

출력 Motion → 작업도구 → 제품 또는 공정

45. 결론

Mechanism과 Motion의 관계는 단순히 기구가 움직임을 만든다는 관계로만 설명할 수 없다.

액추에이터는 에너지를 힘과 토크로 변환하고, Mechanism은 그 힘과 토크를 전달하면서 운동의 방향, 거리, 속도, 궤적 및 힘의 크기를 다시 구성한다.

Motion은 Mechanism의 출력이지만, 동시에 Mechanism을 설계하기 위한 입력 조건이기도 하다.

즉, 설계자는 먼저 필요한 Motion을 정의하고, 그 Motion을 만들 수 있는 Mechanism을 선정해야 한다.

이 과정은 다음과 같이 표현할 수 있다.

기능 요구사항 → 필요한 Motion → 액추에이터 선정 → Mechanism 선정 → 안내 구조 선정 → 센서와 제어 구성 → 구조 및 수명 검증

좋은 Mechanism은 단순히 입력 운동을 출력 운동으로 바꾸는 구조가 아니다.

다음 조건을 함께 만족해야 한다.

• 필요한 궤적을 정확하게 만든다.

• 요구 속도와 가속도를 달성한다.

• 필요한 힘과 토크를 전달한다.

• 불필요한 자유도를 안정적으로 구속한다.

• 백래시와 변형을 제한한다.

• 충격과 진동을 최소화한다.

• 안전하게 정지하고 위치를 유지한다.

• 반복 운전에서 충분한 수명을 확보한다.

• 청소와 유지보수가 가능하다.

• 제어 시스템과 안정적으로 연결된다.

Mechanism은 Motion을 형성하는 물리적 논리이며, Motion은 기계가 기능을 수행하는 방식이다.

두 요소의 연결 관계를 정확하게 정의하는 것이 기계 구조, 구동 시스템, 제어 시스템 및 전체 장비 성능을 결정하는 출발점이다.