로봇 관절 구동 아키텍처 - 헬리컬 기어의 활용 사례
산업용 로봇은 관절 감속기에 두 가지 유형의 기어를 사용합니다. 소형 고비율 어깨 및 팔꿈치 관절에는 스트레인 웨이브(하모닉) 드라이브가 사용되고, 손목 관절과 SCARA 로봇의 회전축에는 토크 밀도와 역구동성 요구 사항으로 인해 스트레인 웨이브 방식보다 헬리컬 기어가 유리한 소형 헬리컬 유성 기어 스테이지가 사용됩니다. 협동 로봇(코봇)은 주로 헬리컬 유성 기어 스테이지를 사용하는데, 이는 힘 감지 안전 규정 준수를 위해 스트레인 웨이브 드라이브에 비해 금속 톱니 헬리컬 기어의 높은 역구동성(낮은 마찰)이 중요하기 때문입니다. AGV(자동 유도 차량)의 휠 구동 장치는 단일 또는 이중 스테이지를 사용합니다. 헬리컬 기어 허브 모터와 휠 사이에 감속기가 있습니다.
로봇 및 서보 헬리컬 기어의 백래시 요구 사항
로봇 관절과 서보 구동식 위치 결정 축에서 백래시는 위치 오차로 직접 나타납니다. 관계는 다음과 같습니다.
출력에서의 각도 오차 = 백래시 j_t / (d_pinion × tan(1/i))
공구의 선형 오차 = 각도 오차 × 공구 암 길이
피치 직경이 50mm인 피니언, 1mm의 백래시(피치 원에서의 j_t = 1mm), 그리고 기어비 i = 20:1인 정밀 로봇 손목 관절의 경우, 출력축의 각도 오차는 약 0.5°이며, 이는 공구 도달 거리 500mm에서 4mm의 위치 오차에 해당합니다. 따라서 로봇 관절의 백래시 요구 사항이 명확해집니다. 엔드 이펙터에서 mm 수준의 반복 정밀도를 얻으려면 관절 출력단에서 1분 미만의 백래시가 필요합니다.
| 애플리케이션 | 필수 출력 백래시 | 입력에서의 등가 j_t (÷ 기어비) | DIN 3967 등급 |
|---|---|---|---|
| CNC 공작기계 축 (고정밀) | < 5 arc-초 ≈ 0.0014° | 0.002–0.010 mm | 클래스 h |
| 산업용 로봇 관절(표준형) | < 1–3 아크분 ≈ 0.02–0.05° | 0.01–0.03 mm | g–h 클래스 |
| 협동 로봇(코봇) 관절 | < 5–15 아크분 | 0.02~0.05mm | 클래스 g |
| AGV 휠 구동 | < 0.1–0.5 mm 선형 | 0.03~0.10mm | f~g반 |
| 서보 패키징/라벨링 축 | < 0.05–0.2 mm 선형 | 0.02~0.06mm | 클래스 g |
서보 헬리컬 기어용 백래시 제로 솔루션
방법 1 — 엄격한 치형 두께 공차 (DIN 3967 h급)
구체적으로 명시하십시오 헬리컬 기어 DIN 3967 h급(밀착형) 피니언을 사용합니다. M2~M4에서 h급은 0~0.06mm의 공칭 백래시를 제공합니다. ±0.01mm의 정밀도로 제작된 하우징 중심 거리와 결합하면 조립 백래시는 일반적으로 0.005~0.020mm로, g급 위치 결정 축에 충분합니다. 이는 추가적인 기계적 복잡성 없이 가장 저렴한 솔루션입니다. 단점은 기어가 마모됨에 따라 백래시가 증가하고 교체 없이는 재조정할 수 없다는 것입니다.
방법 2 — 스프링 장착 분할 기어(가위형 기어)
가위형 기어는 두 개의 동일한 부품으로 구성됩니다. 헬리컬 기어 동축으로 장착된 휠 사이에 비틀림 스프링이 있으며, 이 스프링은 미리 비틀려져 두 부분이 맞물리는 피니언의 양쪽 측면에 동시에 밀착되도록 합니다. 즉, 한쪽은 오른쪽 측면에, 다른 쪽은 왼쪽 측면에 접촉합니다. 스프링의 예압은 피니언 양쪽의 치면 접촉을 일정하게 유지함으로써 백래시를 제거합니다. 마모가 발생하면 스프링이 자동으로 보상하여 기어 수명 동안 거의 0에 가까운 백래시를 유지합니다. 단점은 예압 토크(일반적으로 정격 토크의 5~15%)가 구동 마찰 손실을 증가시키고 최대 구동 효율을 감소시킨다는 것입니다.
방법 3 — 이중 모터 역회전 방지 예압
두 개의 동일한 서보 모터가 각각 동일한 기어에 맞물리는 피니언을 구동합니다. 헬리컬 기어 휠(또는 랙)은 제어된 토크 바이어스로 작동됩니다. 한 모터는 시계 방향으로 밀고 다른 모터는 반시계 방향으로 저항하여 두 피니언의 측면이 동시에 휠에 접촉하도록 합니다. 이로써 기계식 스프링이나 분할 기어 메커니즘의 회전 관성 없이 백래시가 제거됩니다. 서보 제어는 출력에서 상쇄되는 낮은 수준의 차동 토크를 적용합니다(두 모터 모두 원하는 방향으로 토크를 발생시키지만, 바이어스 토크는 서로 상쇄됩니다). 이는 30m/min 이상의 고속 정밀 CNC 축과 두 축 간의 정확한 동기화가 필요한 갠트리 기계에 적합한 솔루션입니다.
반사 관성 — 기어비가 서보 응답에 영향을 미치는 이유
서보 모터가 부하를 구동할 때 헬리컬 기어 감속비 i를 사용하는 경우, 모터는 부하 관성 J_load뿐만 아니라 반사 관성 J_reflected = J_load / i²도 받게 됩니다. 10:1 감속기의 경우, 부하 관성은 모터의 유효 관성에 1%만 기여하며, 기어 자체와 모터 회전자가 관성을 지배합니다. 이것이 바로 서보 시스템의 관성 정합 문제입니다.
J_total (모터에서의) = J_motor + J_gear_pinion + J_load / i²
최대 서보 대역폭을 얻으려면 J_total과 J_motor의 비율을 최소화해야 합니다. 높은 기어비는 J_reflected/J_motor를 감소시키지만, 기어 자체에 관성이 있습니다. 최대 대역폭을 위한 최적의 기어비는 J_reflected(부하로부터의) ≈ J_motor일 때 발생하며, 이때 i_opt = √(J_load / J_motor)가 됩니다. J_load = 0.05 kg·m² 및 J_motor = 0.0005 kg·m²인 로봇 관절의 경우, i_opt = √(0.05/0.0005) = √100 = 10:1입니다. 따라서 이 값을 최소화해야 합니다. 헬리컬 기어 따라서 (로봇 관절에 중공 기어 본체를 사용함으로써) 본체 관성은 서보 루프 최적화를 위한 백래시 최소화만큼 중요합니다.
협동 로봇의 역구동성 — 헬리컬 기어가 선호되는 이유
협동 로봇(코봇)은 사람이 밀었을 때 안전하게 작동해야 합니다. 즉, 관절이 역회전 가능해야(하중이 모터를 역방향으로 구동할 수 있어야 함) 관절 힘-토크 센서가 접촉을 감지하고 안전 시스템이 가해지는 힘을 제한할 수 있습니다. 관절 감속기의 마찰력은 역회전 가능 여부를 결정하는 요소입니다.
에이 헬리컬 기어 5:1~20:1 비율의 유성 기어단은 97~99%의 맞물림 효율을 가지며, 이는 약 1~3°의 마찰각에 해당합니다. 이 마찰각은 자체 잠금 마찰각보다 작으며, 조인트는 정방향 구동력의 1.05~1.10배의 힘으로 역회전합니다. 통합된 힘-토크 감지 기능을 통해 안전한 작동을 보장합니다.
50:1~160:1의 감속비에서 사용되는 변형파(하모닉 드라이브) 감속기는 일반적으로 역구동이 불가능합니다. 높은 감속비와 파동 발생기의 마찰로 인해 출력이 입력을 구동할 수 없기 때문입니다. 변형파 드라이브를 사용하는 협동 로봇 설계에는 수동적인 기계적 순응 제어 방식이 아닌 능동적인 순응 제어(토크 센서를 이용한 임피던스 제어) 방식이 필요합니다.
한국 에버파워 - 정밀 서보 및 로봇 헬리컬 기어 공급
정밀 회플러 연삭 헬리컬 기어 로봇 관절 및 서보 자동화 애플리케이션용 — DIN 클래스 4–5, Ra ≤ 0.3 µm, 최소 백래시를 위한 DIN 3967 클래스 g–h에 따른 치두께, 기어 분석기를 통한 정확도 등급 및 치두께 편차 인증 획득
한국 에버파워는 정밀한 제품을 생산합니다. 헬리컬 기어 M0.5~M8 규격, DIN 규격 4~6, 치형 g~h 등급(낮은 백래시)의 서보 및 로봇 애플리케이션용으로, 20CrMnTi 재질에 HRC 58~62 경도로 침탄 처리되어 컴팩트한 크기에 최대 하중 용량을 제공합니다. 가위형 기어(스프링 분할형) 설계의 경우, 한국 에버파워는 공칭 치형 두께에서 ±1µm 이내의 정밀도로 제작된 매칭 페어를 제공하여 양쪽 기어 반쪽에 동일한 예압을 보장합니다. 헬리컬 기어 제조업체한국의 에버파워는 모든 정밀 기어 주문에 대해 반사 관성 계산(J_gear = 0.5 × m × r²)을 제공하여 서보 시스템 설계자가 기어박스 설계 전에 관성 매칭에 필요한 정보를 얻을 수 있도록 합니다. 자세한 내용은 다음을 참조하십시오. 헬리컬 기어 제품군.
자주 묻는 질문
반복성은 로봇이 동일한 접근 방향에서 이전에 방문했던 위치로 돌아갈 수 있는 능력입니다. 접근 방향이 항상 동일하다면 백래시의 영향을 받지 않습니다. 정확도는 사전 보정 없이 절대 직교 좌표에 도달할 수 있는 능력입니다. 절대 위치는 로봇 관절이 시계 방향에서 왔는지 반시계 방향에서 왔는지에 따라 달라지기 때문에 정확도는 백래시의 직접적인 영향을 받습니다. 대부분의 산업용 로봇은 반복성(±0.01~0.05mm)은 명시하지만 절대 정확도는 명시하지 않습니다. 따라서 제어 시스템에서 백래시 보정을 사용하는 것이 백래시 제로를 명시하는 것보다 더 효율적입니다. 헬리컬 기어절대적인 정확도가 중요한 힘 제어 조립 작업에 사용되는 협동 로봇은 기어의 유격이 최소화되고 완벽한 운동학적 보정이 필요합니다.
일반적으로는 그렇지 않습니다. 로봇 관절은 백래시 외에도 낮은 반사 관성(표준 기어박스는 상대적으로 무거운 기어 본체를 가짐), 컴팩트한 축 길이(표준 기어박스는 고정된 하우징 치수로 인해 관절의 크기에 맞지 않을 수 있음), 그리고 비틀림 강성(표준 기어박스는 급가속 시 비틀림이 발생하여 서보 대역폭을 제한할 수 있음)을 요구합니다. 정밀 유성 기어는 이러한 요구를 충족합니다. 헬리컬 기어 케이블 배선을 위한 중공 출력 샤프트, 경량 알루미늄 하우징 및 정밀 출력 플랜지를 갖춘 서보 애플리케이션 전용으로 설계된 스테이지가 적합한 제품입니다. 한국의 에버파워는 이러한 소형 서보 스테이지용 유성 기어 부품(태양 기어 및 유성 기어)을 생산하며, 하우징 및 조립은 일반적으로 로봇 제조업체의 설계에 따라 이루어집니다.
실내 물류 로봇용 AGV 휠 드라이브에는 일반적으로 M2~M4가 사용됩니다. 헬리컬 기어 단일 또는 이중 단계 기어박스에서 모터 속도(3000~6000RPM)를 휠 속도(100~400RPM)로 감속합니다. 컴팩트한 휠 허브 형상으로 인해 기어 직경은 외경 30~80mm로 제한되며, M2~M4 등급에서 15~40개의 톱니를 확보하여 필요한 기어비를 충족합니다. 재질: 물류 AGV의 일반적인 24시간 연속 작동 환경에서 긴 수명을 보장하기 위해 침탄 처리된 20CrMnTi. 정밀도 등급: DIN 6~7등급(IP67 밀폐형 하우징 환경 및 AGV의 적당한 속도로 인해 DIN 5 등급의 정밀도는 필요하지 않음).
서보 및 로봇 관절용 헬리컬 기어헬릭스 각도 β = 20~25°가 표준이며, 이는 정밀 산업용 기어와 동일한 범위입니다. 헬릭스 각도가 클수록 전달 오차가 감소(소음 감소)하지만 서보 모터 샤프트에 작용하는 축 방향 추력이 증가하며, 이는 모터 샤프트 베어링이 축 방향 하중을 항상 지지하지 못하는 경우가 있습니다. 서보 애플리케이션의 경우, 서보 모터 출력 샤프트에 내장된 앵귤러 콘택트 베어링이 적당한 축 방향 추력을 흡수합니다. 그러나 β = 25°를 초과하면 축 방향 하중이 모터 샤프트 베어링의 축 방향 정격을 초과할 수 있으므로 기어박스 입력 샤프트에 외부 스러스트 베어링이 필요할 수 있습니다. 한국 에버파워는 모든 서보 기어 주문에 대해 예상 축 방향 추력(F_a = F_t × tan β)과 모터 샤프트 베어링의 축 방향 정격을 비교하여 확인해 드립니다.
정밀 서보 및 로봇 헬리컬 기어 문의
백래시 요구 사항, 기어비, 출력 토크 및 관성 제약 조건을 제공해 주십시오. 한국 에버파워는 모듈, 톱니 수, DIN 등급 및 톱니 두께 등급을 확인하며, 모든 서보 기어 주문에 대해 반사 관성 계산 및 백래시 인증서를 기본으로 제공합니다.
M0.5–M8 · DIN 클래스 4–6 · 클래스 g–h 백래시 · 관성 계산 · 가위형 기어 쌍 · 최소 주문 수량 1개
편집자: Cxm
