기구학적 설계와 실제 적용

3개의 병진운동과 3개의 회전운동으로 이루어진 6자유도를 사용하여 메커니즘 내에서 다른 부품에 대한 특정 부품(또는 링크)의 위치와 배향을 나타낼 수 있다. 따라서 메커니즘 내에서 특정 부품의 위치를 정밀하게 결정하기 위해서는 이 6자유도 중에서 N개의 자유도를 구속해야만 한다. 설계인자들은 N자유도의 운동에 저항력을 제공하여 위치와 배향을 유지하도록 만들어주는 수단으로서, 일반적으로 연결 조인트가 사용된다. 다시 말해서, 메커니즘을 구성하는 부품이 원래 있어야 할 곳에 위치해 있다면, 메커니즘은 원래 설계된 기능을 수행할 것이다. 구속조건이 적용되면, 자유도가 감소하며 부품은 있어야 할 곳에 위치한다(즉, 부품의 위치가 결정된다.)
 과도구속이나 과도구속 설계에 의한 예상치 못한 영향을 피하는 것이 정밀기계에서 정확한 구속 또는 기구학적 설계의 가장 중요한 목적이다. 계측프레임과 같은 민감한 부품이나 시스템을 치수가 변하는 지지기구나 가공공차로부터 분리하기 위해서 이런 설계방법이 사용된다. 정확한 구속 메커니즘에서, 부품의 각 자유도는 설계상의 요구조건에 따라서 개별적으로 고려되며 구속된다. 이와 같이, 정확한 구속기구는 필요한 방향으로의 운동을 구속하기 위해서 최소 숫자의 구속을 사용하며, 여타의 자유도는 건드리지 않는다. 해석과정에서는, 미지수의 숫자와 방정식의 숫자가 동일한 변위 및 힘에 대한 벡터루프들을 사용하여 정확한 구속 메커니즘을 정의할 수 있다. 부품의 형상에 임의의 가공공차가 존재하는 경우에 부품의 위치를 결정하기 위해서 이 방정식들을 사용할 수 있다. 그러므로 정확한 구속 메커니즘의 정확도는 가공공정과 직접적인 상관관계를 가지고 있으며, 이를 손쉽게 보정할 수 있다. 반면에 반복도는 마찰, 조인트 조립체의 공차효과, 환경오염, 그리고 열오차 등과 같은 조립공정 인자들에 의존한다.
 순수한 기구학적 설계를 실제로 구현하는 것은 어려운(비싼) 일이며, 접촉위치에서의 높은 응력발생, 하중지지용량의 제약 그리고 메커니즘의 강성한계 등과 같은 단점을 가지고 있기 때문에, 특정한 용도에는 사용이 제한된다. 정말공학 설계 교재에서는 약간 꼼수에 해당하는 설계기법인 준기구학적 설계가 사용된다. 꼼수란 설계과정에서 약간의 절충이 이루어졌다는 것을 의미한다. 다양한 유형의 기구학적 설계가 가지고 있는 장점과 단점을 이해하고 메커니즘 내에서 사용할 구속장치의 구현 가능한 현실적인 대안을 찾아내기 위해서 이런 절충을 수행하는 것이 중요하다.
 순수한 기구학적 설계와 준기구학적 설계의 개념을 설명하기 위해서, 스미스와 체번드가 제시하는 회전축 설계 사례에 대해 살펴보자. 강체 링크로 연결되어 있는 두 구체를 사면체 홈과 V-그루브를 사용하여 지지한 설계시안을 가정해보자. 이 5점접촉 시스템은 올바른 구속하에서 1축회전을 수행한다. 그런데 두 개의 사면체 홈을 사용하여 강체링크로 연결된 두 개의 구체를 구속하면 어떤 일이 벌어질까? 이는 과도구속 메커니즘에 해당하므로 회전은 가능하겠지만 반복도가 나빠진다. 이는 구체들 사이를 연결하는 강체 링크의 길이가 정확할 때에만 구체들이 사면체 홈 속에 정확히 안착되기 때문이다. 하지만 이를 위해서는 부품들을 정확한 치수로 가공해야만 하기 때문에 엄격한 공차관리에 따르는 비용 증가가 초래된다. 설계의 일반원칙에 따르면 순수한 기구학적 설계에서 벗어나면 가공비용의 증가가 초래된다.
 이제, 앞서와 동일한 회전축 사례에 대해서 하중을 지지하기 위한 축설계에 대해서 살표보기로 하자. 점접촉은 일반적으로 하중지지 목적에 적합하지 않기 때문에, 적절한 베어링을 사용하여 축방향 회전을 유지하면서 회전축 위치를 유지시킬 수 있다. 기구학적 구속원리에 따르면 회전축의 한쪽은 자유도를 가지고 있는 베어링을 사용하며, 다른 쪽은 4자유도를 가지고 있는 베어링을 사용하여야 한다. 이런 경우에 어떤 베어링을 선정하여야 하겠는가? 깊은 볼 홈베어링은 5자유도를 구속하는 마운팅기구이다. 자동조심 베어링의 내륜은 외륜에 대해서 3축 방향 모두 회전할 수 있기 때문에, 기구학적으로는 사면체 홈에 안착된 구체와 등가이다. 롤러베어링의 내륜은 x축 방향으로 자유롭게 회전할 수 있으며, 병진운동도 가능하다. 이 베어링은 직선형 V-그루브에 안착된 구체와 등가이다. 축방향 하중이 존재한다면 테이퍼롤러베어링을 사용할 수도 있다. 그런데 회전축에 훨씬 더 큰 하중이 부가된다면 구름요소 베어링으로는 충분치 못하며, 평면형 동수압 또는 정수압 베어링을 사용하여야 한다.