ZW3D 랙과 피니언 구속 설정 방법, 기어를 돌리면 랙이 움직이게 만드는 법

3D CAD에서 부품을 각각 모델링하는 것까지는 어렵지 않은데, 여러 부품을 조립한 뒤 실제 기계처럼 움직이게 만드는 과정에서 막히는 경우가 많습니다.

대표적인 예가 바로 랙과 피니언(Rack & Pinion)입니다.

화면상에서는 기어와 랙이 서로 맞물려 있는데 피니언 기어를 회전시켜도 랙이 움직이지 않는다면, 모델링 자체의 문제가 아니라 구속 조건이 제대로 설정되지 않았을 가능성이 있습니다.

이번 글에서는 ZW3D를 이용해 랙과 피니언의 구속 조건을 설정하고, 피니언의 회전 운동을 랙의 직선 운동으로 연결하는 방법을 알아보겠습니다.

특히 ZW3D 어셈블리 기능을 처음 사용하는 분들도 이해할 수 있도록 최대한 쉽게 설명해 보겠습니다.

랙과 피니언이란?

먼저 랙과 피니언이 무엇인지 간단하게 알아보겠습니다.

피니언(Pinion)은 일반적으로 우리가 생각하는 동그란 형태의 톱니바퀴입니다.

반면 랙(Rack)은 톱니가 일자로 길게 배열된 부품입니다.

이 두 부품을 서로 맞물리게 하면 피니언이 회전하면서 랙을 좌우로 이동시킬 수 있습니다.

쉽게 말하면,

피니언의 회전 운동 → 랙의 직선 운동

으로 바꿔주는 기계 구조입니다.

자동화 장비나 각종 기계장치, 이송 장치 등에서 자주 사용되는 구조이기 때문에 3D CAD 기구 설계나 어셈블리 작업을 한다면 알아두면 좋은 기본적인 메커니즘입니다.

ZW3D에서 랙과 피니언을 배치하는 것만으로는 움직이지 않습니다

ZW3D에서 랙과 피니언 형상을 각각 만든 다음 톱니끼리 맞춰서 배치했다고 가정해 보겠습니다.

겉으로 보기에는 제대로 조립되어 있습니다.

하지만 여기서 피니언을 마우스로 돌려보면 어떻게 될까요?

피니언만 회전하고 랙은 그대로 있는 경우가 있습니다.

왜냐하면 3D CAD는 두 부품이 화면상에서 맞닿아 있다고 해서 자동으로 서로의 운동 관계까지 이해하는 것은 아니기 때문입니다.

따라서 ZW3D에서는

“이 기어가 회전하면 이 랙은 일정한 비율로 이동해야 한다.”

라는 조건을 따로 설정해야 합니다.

이것이 이번 작업의 핵심인 구속 조건입니다.

1. 랙과 피니언 형상 불러오기

먼저 ZW3D 어셈블리 환경에서 사용할 랙과 피니언 부품을 불러옵니다.

랙은 일직선으로 톱니가 배열된 형상이고, 피니언은 원형 기어 형태입니다.

두 부품의 톱니가 서로 맞물릴 수 있도록 적절한 위치에 배치합니다.

이 단계에서는 완벽한 움직임을 구현하는 것이 목적이 아닙니다.

먼저 부품이 실제 조립 상태와 비슷한 위치에 있도록 기본 위치를 잡아주는 과정이라고 생각하면 됩니다.

2. 피니언의 기준축 설정하기

다음으로 중요한 작업은 피니언의 회전축을 정확하게 지정하는 것입니다.

피니언은 아무 방향으로 움직이면 안 되고, 중심축을 기준으로 회전해야 합니다.

따라서 ZW3D에서 피니언의 중심 원통이나 기준축을 이용해 회전 기준을 설정합니다.

쉽게 생각하면 톱니바퀴 가운데에 막대기를 하나 끼운다고 생각하면 됩니다.

그 막대기를 중심으로 기어가 빙글빙글 돌게 만드는 것입니다.

이 기준축이 정확하게 설정되어야 이후 랙과 피니언의 운동 관계도 정상적으로 설정할 수 있습니다.

3. 피니언의 불필요한 움직임 제한하기

3D CAD의 어셈블리 환경에서는 아무런 구속 조건이 없는 부품이 여러 방향으로 자유롭게 움직일 수 있습니다.

하지만 실제 피니언 기어는 보통 중심축 위치가 고정되어 있고 회전만 가능합니다.

따라서 피니언이 앞뒤 또는 좌우로 움직이지 않도록 필요한 구속 조건을 적용합니다.

즉,

• 위치는 고정

• 중심축 유지

• 회전은 허용

하는 상태를 만들어주는 것입니다.

이 과정을 제대로 설정해야 피니언을 회전했을 때 기어 자체가 옆으로 밀려나는 등의 이상한 움직임을 방지할 수 있습니다.

4. 랙의 이동 방향을 설정합니다

이번에는 랙입니다.

랙 역시 아무 방향으로나 움직이는 것이 아니라 한 방향으로만 직선 이동해야 합니다.

예를 들어 랙이 좌우 방향으로 움직이는 구조라면 위아래 또는 앞뒤 방향의 움직임은 제한해야 합니다.

피니언과 마찬가지로 랙에도 필요한 구속 조건을 설정해 원하는 방향으로만 움직일 수 있도록 만들어 줍니다.

쉽게 말해 랙을 하나의 레일 위에 올려놓는 것과 비슷합니다.

레일 밖으로 움직이지 못하고 정해진 방향으로만 움직이게 만드는 것입니다.

5. 랙과 피니언의 위치를 맞춰줍니다

이제 피니언과 랙의 톱니가 정상적으로 맞물릴 수 있도록 두 부품의 위치를 조정합니다.

이 과정에서 중요한 것은 단순히 화면상으로 가까이 붙여놓는 것이 아닙니다.

피니언의 회전 중심과 랙의 이동 방향이 올바른 관계를 갖도록 위치를 설정해야 합니다.

기어가 너무 높거나 낮으면 톱니끼리 제대로 맞물리지 않고, 랙의 방향이 틀어져 있으면 원하는 운동을 구현하기 어렵습니다.

따라서 실제 기계가 조립된다고 생각하면서 위치 관계를 잡아주는 것이 좋습니다.

6. 기어의 원 길이를 확인하는 이유

랙과 피니언의 움직임을 정확하게 연결하려면 피니언이 한 바퀴 회전했을 때 랙이 얼마나 움직여야 하는지 알아야 합니다.

이 부분이 매우 중요합니다.

예를 들어 피니언이 한 바퀴 회전했는데 랙의 이동 거리를 아무 숫자로 설정한다면 실제 기어 운동과 맞지 않게 됩니다.

따라서 기어의 크기와 관련된 값을 확인하여 회전량과 이동량 사이의 관계를 설정해야 합니다.

쉽게 비유하면 자동차 바퀴와 같습니다.

작은 바퀴와 큰 바퀴가 한 바퀴 돌았을 때 이동하는 거리가 서로 다른 것처럼, 피니언의 크기에 따라 랙이 이동해야 하는 거리도 달라집니다.

7. ZW3D 랙과 피니언 기계적 구속 설정

이제 이번 작업에서 가장 중요한 단계입니다.

ZW3D의 구속 기능을 이용하여 피니언의 회전과 랙의 직선 이동을 연결합니다.

앞 단계까지는 각각의 부품이

• 피니언은 회전할 수 있고

• 랙은 직선으로 움직일 수 있는

상태를 만든 과정이었습니다.

이제 두 움직임을 서로 연결합니다.

즉,

피니언이 회전하면 → 랙이 자동으로 이동

하도록 설정하는 것입니다.

이 기계적 구속이 설정되면 두 부품은 더 이상 각각 따로 움직이는 것이 아니라 하나의 기계 구조처럼 연동됩니다.

8. 회전량과 이동 거리 설정하기

랙과 피니언의 구속 관계를 만들 때는 회전과 이동 사이의 비율도 중요합니다.

피니언이 특정 각도만큼 회전하면 랙이 얼마만큼 이동할지를 설정해 주는 과정입니다.

정확한 값을 적용하면 실제 랙과 피니언 구조와 비슷한 움직임을 ZW3D 화면에서 확인할 수 있습니다.

기계 설계를 진행할 때 이러한 기능을 활용하면 단순히 완성된 3D 모델만 보는 것이 아니라,

“실제로 이 부품을 조립했을 때 어떻게 움직일 것인가?”

까지 미리 확인할 수 있습니다.

9. 피니언을 직접 돌려 움직임 확인하기

모든 구속 설정이 완료되었다면 마지막으로 실제 움직임을 테스트합니다.

피니언 기어를 회전시키면 랙이 함께 움직이는지 확인합니다.

정상적으로 설정되었다면

피니언 회전 → 랙 직선 이동

이 자연스럽게 연결되는 모습을 확인할 수 있습니다.

바로 이 부분이 랙과 피니언 구속 작업의 최종 결과입니다.

처음에는 단순히 화면 위에 놓여 있던 두 개의 부품이 구속 조건을 적용한 이후에는 실제 기계처럼 서로 영향을 주고받으며 움직이게 됩니다.

ZW3D 구속 기능을 사용하면 무엇이 좋은가?

3D CAD를 사용하는 목적이 단순히 부품의 모양을 그리는 것에만 있는 것은 아닙니다.

특히 기계 설계에서는 여러 부품을 조립했을 때 정상적으로 움직이는지 확인하는 것도 중요합니다.

ZW3D 어셈블리 및 구속 기능을 이용하면 설계 단계에서 부품 간의 운동 관계를 확인할 수 있습니다.

예를 들어,

• 기어와 기어의 회전 관계

• 랙과 피니언 움직임

• 회전축이 있는 부품

• 슬라이드 방식의 직선 이동

• 여러 부품이 연결된 기구 구조

등을 3D 환경에서 미리 확인할 수 있습니다.

실제 제품을 제작하기 전에 이러한 움직임을 확인하면 설계 오류를 발견하거나 기구 구조를 검토하는 데 도움이 됩니다.

ZW3D 랙과 피니언 작업 핵심만 정리하면

이번 작업의 핵심은 의외로 간단합니다.

① 랙과 피니언 부품 배치
→ ② 피니언 기준축 설정
→ ③ 피니언 회전 구속
→ ④ 랙 직선 이동 구속
→ ⑤ 두 부품의 위치 정렬
→ ⑥ 랙과 피니언 기계적 구속 설정
→ ⑦ 회전 및 이동 관계 확인
→ ⑧ 실제 움직임 테스트

이 순서로 이해하면 됩니다.

중요한 점은 기어와 랙의 모양만 제대로 만들어 놓는다고 자동으로 움직이는 것이 아니라는 것입니다.

두 부품이 어떤 방식으로 움직여야 하는지 ZW3D에 알려주는 구속 조건 설정이 반드시 필요합니다.

ZW3D 처음 사용한다면 구속 조건부터 익혀보세요

ZW3D를 처음 접하면 3D 모델링 기능에 먼저 관심을 가지는 경우가 많습니다.

하지만 실제 기계 설계 업무에서는 각각의 부품을 만드는 것만큼 부품을 조립하고 정확한 움직임을 만들어주는 어셈블리 기능도 중요합니다.

랙과 피니언은 회전 운동과 직선 운동의 관계를 이해하기 좋기 때문에 ZW3D 구속 기능을 연습하기에 적합한 예제입니다.

처음에는 어렵게 느껴질 수 있지만,

기준축 → 위치 구속 → 이동 방향 → 기계적 구속

순서로 하나씩 설정하다 보면 전체 구조를 어렵지 않게 이해할 수 있습니다.

ZW3D 도입 및 기술지원이 필요하다면

ZW3D를 검토하고 있지만 어떤 제품 구성이 필요한지 모르거나, 기존에 사용하던 3D CAD를 대체할 수 있을지 고민하고 계신다면 실제 업무 환경을 기준으로 비교해 보는 것이 중요합니다.

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