준기구학적 설계

커플링의 순수한 기구학적 설계는 불가능하지는 않더라도 구현하기가 어렵다는 사실을 알게 되었다. 연구 결과에 따르면, 특정한 용도에 대해서 기구학적 설계원리에 의거하여 개발된 많은 실용적 커플링들이 순수한 기구학적 커플링과 비교해서 비교적 훌륭한 성능을 나타내었다. 몇가지 준기구학적 설계 사례에 대해서 살펴보기로 한다.
 구체의 직경이 V-그루브의 폭과 비슷한 전통적인 볼-그루브 커플링은 6점 접촉으로 인하여 하중지지 용량이 제한된다. 하중지지용량을 증가시키면서도 성능을 유지하기 위해서 슬로컴은 카누볼 형상을 개발하였다. 이 요소는 사다리꼴 블록과 접촉하는 반구형 요소를 사용하는 전통적인 볼그루브 커플링을 대체하였다. 이 설계에서는 길이 25mm의 작은 접촉영역 내에 직경이 1m에 달하는 볼을 집어넣을 수 있다. 카누볼 마운트를 표준형 V-그루브에 설치하면, 그루브 내의 동일한 위치에 접촉하는 등가직경의 볼에 비해서 훨씬 더 큰 접촉면적을 확보할 수 있다. 이 구조는 커플링의 하중지지용량을 현저히 증가시키면서도 반복도를 유지하였다. 
 준기구학적 커플링은 정밀 위치 결정을 위해서 탄성평균화와 기구학적 설계원리를 조합한 수동적 수단이다. 볼그루브 커플링의 정확한 구속(엄밀히 말해서 실제로는 거의 정확한 구속이다)과 비교해서, 준기구학적 커플링은 단순하고 회전대칭 형상의 결합유닛을 사용하여 약간의 과도구속을 구현하였다. 상부 플랫폼에 배치된 구형 표면을 접촉기구라고 부르며, 바닥면에 배치된 기구를 표적이라고 부른다. 각각의 접촉기구들은 각자의 표적과 선접촉을 이룬다. 준기구학적 커플링은 설계특성상, 접촉기구와 표적이 최초로 접촉할 때에 계면 절반의 수직 접촉표면 사이에 틈새가 남는다. 그런 다음, 계면을 안착시키고 간극을 없애기 위해서 예하중을 부가한다. 예하중은 접촉마찰을 극복하여주며, 접촉영역의 표면 불균일을 눌러주어 적절한 계면 안착위치를 확보해준다. 예하중이 부가되었을 때에 접촉기구와 표적에 발생한 변형은 완전탄성변형이거나 부분탄성-부분소성 변형이다. 간극이 닫히고 나면, 준 기구학적 선접촉이 아니라 커다란 수평방향 결합면이 형성되어 큰 수직강성이 발생한다. 이렇게 높은 수직강성은 부하가 크게 작용하는 기계에 적합하다. 
 이런 준기구학적 커플링의 탄소성 변형이 접촉영역에 버니싱 현상을 유발할 수 있다는 점에 주의하여야 한다. 앞서 논의했듯이, 표면조도는 반복도에 영향을 미치며, 따라서 이 버니싱 효과는 자가 폴리싱처럼 작용한다. 이 효과가 없다면, 커플링 제작과정에서 수행되는 값비싸고 많은 시간이 소요되는 폴리싱과 같은 기계가공공정이 필요하다. 따라서 이처럼 소성변형을 설계에 의도적으로 도입하는 것은 소성설계의 좋은 사례이다.
 준기구학적 커플링은 볼 그루브 커플링에 비해서 반복성이 떨어지며 크기를 알 수 없는 조립응력을 포함하고 있다. 그런데 단순한 형상 때문에 제작비용이 절감되어 기계요소에 직접 커플링을 가공해 넣을 수 있다. 6기통 자동차 엔진의 조립과 같이 일부 대량생산되는 정밀부품에서 비용과 성능 사이의 절충을 통해서 준기구학적 커플링이 사용되고 있다.
 탄성평균화는 정밀한 표면들 사이의 유연성을 이용하여 오차를 평균화함으로써 계면의 성능을 향상시켜 준다. 탄성평균화의 핵심은 개별 부품들이 서로 기하학적 유연성을 갖도록 힘을 받을 때에 넓은 영역에 분산된 다수의 형상들이 탄성변형을 통해서 이를 수용하는 것이다. 비록 탄성평균화를 통해서 얻은 정확도와 반복도는 결정론적 시스템에 비해서 높지 않지만, 탄성평균화 설계를 통해서 정확한 구속설계에 비해서 더 높은 강성, 낮은 국부응력 그리고 향상된 하중분산을 구현할 수 있다. 잘 설계되고 예하중을 받는 탄성평균화 커플링의 반복도는 대략적으로 접촉점들의 숫자의 제곱근에 반비례한다.
 탄성평균화의 일반적인 사례들 중 하나는 넓은 영역에 걸쳐서 비교적 균일하게 배치된 다수의 지지점들을 사용하는 다중 유연성 휘플트리 지지구조이다. 진보된 휘플트리 지지구조가 적용된 사례들 중 하나가 바로 다중반사경을 사용하는 천체망원경의 반사경 지지와 정렬기구이다. 더 친숙한 휘플트리 설계는 와이퍼 날이 차창과 접촉을 유지하며 날 전체에 균일하게 하중을 분산하기 위해서 사용되는 자동차 창문용 와이퍼 구조이다.