정밀기계요소와 원리

많은 경우 일반적으로 사용되는 기계부품들에 대해서는 기능적 요구조건들을 충족시키는 성능을 갖춘 상용품을 구매하여 공정에 조립해 넣을 수 있다. 이런 경우 이런 메컼니즘들을 조립할 수 있으며, 표준 기계요소 설계방정식과 원리들을 사용하여 해석할 수 있따. 이에 대해서는 부디나스와 니스베트, 스폿스와 슙 또는 주비날과 마르셰크 등을 참조하기 바란다. 
 성능 요구조건이 현존하는 기술에 근접하거나 이를 넘어서는 정밀기계의 경우, 해결책을 선정하고 이를 구현할 때에는 매우 세심한 고찰이 필요하며, 기존의 해결책들을 사용할 수 없는 경우에는 새로운 설계를 창출해야 한다. 이 장의 목적은 기계오소들을 정밀기계에 활용하기 위한 적용방안과 한계에 대해서 살펴보기로 한다. 이 장은 기초이론, 베어링 그리고 작동기의 세 부분으로 나누어져 있다. 하위의 절들에서는 계측기와 기계들에서 일반적으로 사용되는 베어링과 작동기들의 유형에 대해서 다루고 있다. 이런 주제들의 선정과 이 장의 구성은 도시되어 있는 일반적인 측정기기 또는 기계를 염두에 둔 것이다. 측정용 프로브나 수직축에 대해서 회전이 가능한 절삭공구와 같은 엔드이펙터를 장착한 기계는 수직 방향으로의 병진운동이 가능하다. 엔드이펙터가 맞닿을 시편은 고분해능 단거리 이송 스테이지 위에 고정되며, 이 스테이지는 다시 장거리 이송용 안내기구 위에 설치된다. 마지막으로 모든 구성부품들은 견실한 프레임이 설치된다. 다양한 부품들에 대한 측정은 이 책의 전체에 걸쳐서 다루고 있으며, 11.5절에서는 특히 계측에 초점을 맞추고 있다.
 기계는 모든 메커니즘, 공정 및 디바이스들을 포함한다. 궁극적으로, 기계의 목표는 특정한 운동을 통하여 일을 수행하는 것이다. 망원경의 정렬을 맞추거나 절삭공구를 시편 쪽으로 이송하건에 상관없이, 정밀기계는 정밀하게 값을 알고 있거나 제어된 운동을 통해서 이 일을 전달하며, 많은 경우, 이를 가능한 한 빨리 수행하는 것을 목표로 한다. 하지만 속도를 높이기 위해서는 큰 힘과 변위뿐만 아니라, 큰 출력이 필요하다. 뉴턴의 운동법칙에 따르면, 부품을 빠른 속도로 가속하기 위해서는 큰 힘이 필요하지만 후크의 법칙에 따르면 큰 힘은 뒤틀림을 유발한다. 따라서 특정한 기계부품에 대해서 살펴볼 때에는, 기계를 베어링에 의해서 연결되어 있는 탄성체로 이루어진 일반적인 기계장치로 간주하는 것이 도움이 된다.
 대부분의 작업장이나 제조업체에서는 다양한 공작기계를 사용한다. 흥미로운 점은 저가형 공작기계가 다량의 소재를 가공하는 반면에 (다이아몬드 선삭기와 같은) 고가의 정밀 공작기계는 소량의 다듬질 가공만을 수행하며, 가공속도도 느린 편이다. 그러므로 공작기계의 성능한계는 이를 구성하는 소재의 강도에 의존하지 않는다. 이들 사이의 가장 큰 차이점은 정밀가공기의 경우에 절삭력에 의한 변형이 훨씬 더 작다는 점이다. 따라서 제어된 동력전달의 경우, 특히 힘과 계측루프가 서로 일치하는 요소들의 경우에, 운동제어의 한계는 주로 힘이 전달되는 부품들(힘전달 루프)의 강성에 의해서 영향을 받는다.
 그림 7.2에서는 선반 가공기의 주요 요소들을 불록선도로 나타내어 보여주고 있다. 선반 가공기의 목표는 주축의 축선방향으로 정렬된 공구의 위치를 제어하여 기준점 P에서 공구에 힘을 가하여 시편으로부터 소재를 가공하는 것이다. 실제의 경우, 공작기계의 운동을 제어하기 위해서, 편리한 위치에 설치되어 있는 직선 스케일을 사용하며, 이 스케일은 시편에 대해서 이상적인 축선과 실제 측정축 사이에 약간의 부정렬이 존재한다. 이 오프셋과 부정렬로 인하여 현저한 코사인 오차와 아베 오차가 초래된다.
 뉴턴의 운동법칙에 따르면, 공구에 가해진 모든 힘들은 시편에 반력을 생성하며, 이는 다시 주축에 전달된다. 모든 부품들은 탄성소재로 만들어지며, 여기에 힘이 가해지면 응력이 유발된다. 이 응력은 다시 변형률을 유발하여 변형이 초래된다. 정밀도를 유지하기 위해서는 응력이 소재의 탄성 범위 이내로 유지되어야 하며, 따라서 선반 조립체의 모든 부품들에 대해서 힘과 변형 사이에는 선형 관계가 유지되어야 한다. 동적 효과가 없는 경우에 구조물 주변에 배치된 모든 부품들을 통과하는 힘은 동일한 값을 갖는다.
 단순하게 공정을 구성하는 모든 부품들을 강성이 Kx인 선형 스프링으로 단순화시킬수 있다.(여기서 하첨자는 동일한 방향으로 작용하는 힘 성분에 의한 변형의 방향을 나타낸다). 그림 7.2에 도시되어 있는 선반 주변의 구성부품들을 따라가면서, 시편과 주축은 축방향으로 직접 작용력을 받는다. 그러므로 두 요소들을 축방향 강성값을 가지고 있으며, 직렬 연결된 두 개의 스프링들로 모델링할 수 있다. 여타의 부품들(특히 주축대와 공구대)에 가해지는 힘들은 굽힘 모멘트를 생성한다. 이 경우, 총 강성은 전단, 직접응력 및 굽힘 등의 성분들로 이루어지며, 이들 각각을 합산하면 유연성(강성의 역수)이 얻어진다. 일반적으로 모든 부품들은 변형을 일으키며, 힘전달루프 내에서 이 변형이 누적된다. 따라서 유효강성으로부터 공구 선단부에 부가된 힘에 의한 시편의 운동을 산출할 수 있다.
 대칭성은 정밀설계에서 중요한 역할을 한다. 이 장 전체에 걸쳐서 대칭성이 수많은 장점을 가지고 있다는 것을 설명하고 있으며, 설계자가 이를 쉽게 알아볼 수 있을 것이다. 많은 구조에서 기계가 유연성을 갖는 주요 원인은 응력 증폭기처럼 작용하는 굽힘 모멘트에 의해서 유발되는 변형 때문이다. 하중이 대칭면을 통과하여 이로 인한 반력을 대칭면의 양쪽에서 작용하는 동일한 구조력이 지지하는 구조를 만들어서 모멘트를 저감할 수 있다. 전형적으로 반력의 대칭은 응력분포의 대칭을 초래한다. 그 결과, 이 응력은 메커니즘 위에 그려진 대칭선이 변형을 일으키더라도 직선을 유지하며, 더 중요한 것은 대칭선을 따라서 메커니즘의 부품들 위에 배치된 물체들이 기계적 변형을 일으킨 후 에도 서로에게 정렬을 유지한다는 점이다. 온도 변화뿐만 아니라 온도구배가 대칭축과 정렬을 맞추고 있거나 또는 서로 직교하는 메커니즘의 열팽창에 대해서도 동일한 논리가 적용된다.