6축 로봇의 각 축에 적합한 하모닉 감속기와 RV 감속기 선택 방법

6축 로봇용 감속기를 선정할 때 고객은 흔히 간단해 보이는 질문을 합니다:

“첫 세 축에는RV 감속기를, 마지막 세 축에는하모닉 감속기를 사용해야 하나요?”

실제로 이 원칙을 모든 로봇에 일률적으로 적용하기는 어렵습니다.

보다 유용한 접근 방식은 다음과 같이 질문하는 것입니다:

- 각 축은 작동 사이클 동안 어느 정도의 등가 토크를 견뎌야 하는가?

- 가속, 감속, 비상 정지 및 공정 관련 충격 하중은 어느 정도로 큰가?

- 조인트에 작용하는 전도 모멘트는 어느 정도이며, 백래시와 비틀림 강성에 대한 애플리케이션의 민감도는 어느 정도인가?

- RV 감속기를 설치할 공간이 충분한가?

J1–J6이라는 축 명칭만으로 감속기를 선택하는 것보다 각 축의 이러한 요인을 평가하는 편이 더 신뢰할 수 있습니다.

1. RV 감속기와 하모닉 감속기의 선정 기준 이해하기

RV 감속기: 높은 강성, 큰 부하 용량 및 내충격성

정밀 유성 사이클로이드 감속기라고도 하는 RV 감속기는 일반적으로 높은 강성, 큰 부하 용량, 내충격성, 일체형 메인 베어링 및 안정적인 백래시 성능을 고려해 선정합니다.

인용된 Nabtesco RV-N 카탈로그 데이터를 예로 들면, 10N–500N 프레임 크기는 대략 다음 범위를 지원합니다:

- 정격 토크: 80–5,000 N·m

- 감속비: 31–171

- 로스트 모션: ≤1 arcmin

- 정격 작동점의 효율: 일반적으로 ≥85%로 지정

실제 효율은 작동 속도, 온도 및 윤활 조건에 따라 달라집니다.

각 프레임 크기에 대해 제시된 허용 출력 속도는 아래와 같습니다.

RV-E 및 RV-C 시리즈에는 앵귤러 콘택트 메인 베어링이 적용되며, 로스트 모션은 ≤1 arcmin으로 지정되어 있습니다. 해당 모델에 적용할 수 있는 경우, 충격 하중은 카탈로그 한도인 정격 토크의 약 5배를 기준으로 확인할 수 있습니다.

하모닉 감속기: 컴팩트한 크기, 경량 및 높은 감속비

하모닉 감속기는 일반적으로 컴팩트한 치수, 높은 감속비, 낮은 중량 및 작은 백래시를 고려해 선정합니다.

그러나 플렉스 스플라인의 부하 용량과 반경 방향 하중 및 전도 모멘트에 대응하는 능력은 RV 감속기보다 제한적일 수 있습니다.

이 글에서 참고한 정확도 등급은 아래에 정리되어 있습니다.

일반적인 애플리케이션에서 하모닉 감속기는 경량 손목 조인트와 협동 로봇의 말단 조인트에 자주 사용됩니다. RV 감속기는 어깨 조인트 및 기타 고부하 축에 더 많이 사용됩니다.

기구의 오버행이 길거나 상당한 충격 하중에 노출되는 경우, 하모닉 감속기만 사용하는 구성은 신중하게 검토해야 합니다.

작동 조건에 따라 선정

선정 원칙은 “부하가 크면 RV 감속기, 작으면 하모닉 감속기”보다 더 세부적입니다.

일반적으로 다음과 같은 경우 RV 감속기를 우선 고려합니다:

- 등가 토크가 큰 경우

- 가속, 감속, 비상 정지 또는 공정 충격으로 큰 하중이 발생하는 경우

- 조인트가 긴 오버행이나 큰 전도 모멘트를 지지하는 경우

- 애플리케이션이 비틀림 변형에 민감한 경우

일반적으로 다음과 같은 경우 하모닉 감속기를 우선 고려합니다:

- 설치 공간이 매우 제한적인 경우

- 필요한 토크가 비교적 낮은 경우

- 조인트 중량을 낮추는 것이 중요한 경우

- 중공축을 통한 케이블 배선이 필요한 경우

스폿 용접 건, 연삭 공구 또는 취급 중 충돌에 노출되는 장비를 장착한 손목 조인트에는 컴팩트한 RV 감속기가 유리할 수 있습니다. 조인트가 손목에 있다는 이유만으로 하모닉 감속기를 자동으로 선택해서는 안 됩니다.

2. J1 베이스 회전축: RV 감속기부터 검토하기

J1은 베이스 위에 위치한 로봇 구조물의 관성을 가속하고 감속해야 합니다.

자동차 용접이나 팔레타이징과 같은 애플리케이션에서는 3교대 연속 운전으로 인해 사용 수명과 장기적인 위치 결정 일관성에 대한 요구도 높습니다.

J1 감속기 선정 시 특히 중요한 요소는 다음 세 가지입니다:

1. 로봇이 완전히 뻗었거나 최대 도달 거리에 있을 때의 등가 토크와 피크 가속 토크.

2. 암 중량과 편심 페이로드로 인해 베이스에 발생하는 전도 모멘트와 반경 방향 하중.

3. 백래시와 로스트 모션이 로봇의 전체 반복 정밀도에 미치는 영향.

메인 베어링이 통합된 RV 감속기는 반경 방향, 축 방향 및 모멘트 하중의 일부를 지지하여 외부 베어링 구성을 단순화할 수 있습니다.

선정 시 다음 항목을 각각 확인해야 합니다:

- 정격 토크

- 허용 가속 및 감속 토크

- 최대 순간 토크

- 허용 굽힘 모멘트 또는 전도 모멘트

- 허용 반경 방향 및 축 방향 하중

RV 감속기 사이징 참고 자료에서는 일반적으로 작동 조건별 지속 시간을 반영한 등가 토크를 계산한 뒤 약 1.5–2.0의 안전율을 적용합니다. 출력 베어링 하중은 별도로 확인해야 합니다.

J1 등가 토크가 낮고 설치 공간이 매우 제한적인 소형 경량 6축 로봇의 경우, 감속비가 높은 정밀 유성 감속기나 하모닉 감속기도 검토할 수 있습니다.

페이로드가 약 50 kg 이상인 범용 산업용 로봇에서는 RV 감속기를 우선 검토하는 것이 일반적입니다.

3. J2 어깨축: 강성과 암 처짐 저항을 우선 고려하기

J2는 상완이 수평으로 뻗을 때 중력 토크가 가장 커집니다. 여기에 가속 토크가 더해지므로 어깨축은 말단 처짐과 경로 강성에 큰 영향을 줍니다.

상완 길이 650 mm, 하완 길이 600 mm인 페이로드 6 kg 아크 용접 로봇을 예로 들어 보겠습니다:

- 최대 J2 중력 토크: 약 595 N·m

- 가속을 포함한 J2 피크 토크: 약 1,249 N·m

이 구성에 대한 업계 사례에서는 감속비가 약 100인 RV-80E 감속기를 흔히 검토합니다.

더 작은 RV-40E도 검토할 수 있습니다. 제3자 자료에 인용된 사양은 대략 다음과 같습니다:

- 정격 토크: 412 N·m

- 허용 가속 및 감속 토크: 1,000 N·m

- 최대 순간 토크: 1,960 N·m

더 작은 감속기도 작동 요구 사항에 맞춰 검토할 수 있지만, 여유 용량이 제한적일 수 있습니다. 고정된 프레임 크기 권장에 의존하기보다 기동 및 정지 빈도, 부하 관성, 충격 조건을 고려해 최종 선택해야 합니다.

J2용 RV 감속기 선정 시 주요 확인 사항

정격 토크와 작동 여유

예비 선정 단계에서는 사이징 방법에 따라 계산된 RMS 토크 또는 등가 토크의 약 1.2–1.5배를 기준으로 정격 토크를 평가할 수 있습니다.

자동차 스폿 용접처럼 충격 하중이 큰 애플리케이션에는 더 큰 여유가 필요할 수 있습니다.

비틀림 강성

비틀림 강성은 하중에 따른 각도 변형을 결정하며, 작은 각도 위치 보정에도 영향을 줍니다.

고이득 제어를 사용하는 중가공, 스폿 용접 및 연삭 애플리케이션은 조인트의 컴플라이언스에 특히 민감합니다.

로스트 모션과 백래시

승인 검사는 정격 부하 조건, 작동 온도 및 전체 작동 범위에 걸친 양방향 움직임을 포함해야 합니다.

무부하 상태에서의 공칭 백래시 값만으로는 충분하지 않습니다.

효율과 열 거동

예비 추정에는 카탈로그 정격 작동점의 효율 ≥85%를 사용할 수 있습니다. 동력 전달 손실은 열을 발생시킵니다.

높은 사이클 속도로 연속 운전하는 경우 하우징 온도, 윤활 조건 및 필요한 디레이팅을 평가해야 합니다.

페이로드가 낮고 사이클 속도가 낮으며 중량이나 비용 제약이 엄격한 협동 로봇에서는 J2에 하모닉 감속기 또는 통합형 하모닉 조인트 모듈을 사용할 수 있습니다.

페이로드가 약 30–50 kg을 초과하거나 도달 거리가 길고 관성 충격 하중이 큰 산업용 로봇에는 일반적으로 RV 감속기가 더 적합합니다.

4. J3 팔꿈치축: 하완 부하와 사이클 속도에 따라 선정하기

J3에 반드시 RV 감속기가 필요한 것은 아닙니다.

하완, 손목 어셈블리 및 말단 페이로드가 발생시키는 중력 토크와 최대 각가속도에 따른 관성 토크를 함께 고려해 결정해야 합니다.

이러한 요구 사항이 비슷한 크기의 하모닉 감속기가 실용적으로 지원할 수 있는 부하 범위를 초과하는 경우, 특히 빈번한 정역전과 까다로운 기동 조건에서는 일반적으로 RV 감속기가 적합합니다.

하완과 말단 페이로드가 가볍고 로봇이 주로 조립, 디스펜싱 또는 경용접 작업을 수행한다면 하모닉 감속기가 적합할 수 있습니다.

동일한 6 kg 아크 용접 로봇을 예로 들면:

- 최대 J3 중력 토크: 약 198 N·m

- 가속을 포함한 J3 피크 토크: 약 342 N·m

업계 사례에서는 이 축에 감속비가 약 80인 RV-20E를 흔히 검토합니다.

도달 거리가 짧고 저속 조립 작업을 수행하는 3–10 kg급 소형 로봇에서는 중량과 설치 공간을 줄이기 위해 J3에 중형 또는 대형 하모닉 감속기를 고려하는 경우가 많습니다.

고하중 로봇은 베이스, 어깨 및 팔꿈치에 RV 감속기를 사용하고 경량 손목에는 하모닉 감속기를 사용할 수 있습니다. 또한 고하중 스폿 용접 로봇은 충격 조건에 따라 J4–J6에도 컴팩트한 RV 감속기가 필요할 수 있습니다.

따라서 J3의 선정 기준은 축 번호가 아니라 부하 스펙트럼에 따라 결정됩니다.

팔꿈치축 베어링 하중 별도 확인하기

J3용 RV 감속기를 선정할 때는 허용 굽힘 모멘트와 반경 방향 하중에 특히 주의해야 합니다.

하완이 길수록 하중의 편심이 커집니다. 따라서 출력 토크만을 기준으로 감속기를 선정하면 중요한 베어링 하중을 놓칠 수 있습니다.

관련 GB/T 37718 및 GB/T 37165 요구 사항에 따라 벤치 승인 시험을 수행할 때 굽힘 모멘트, 무게중심 거리, 가속 및 감속 중 발생하는 편심 관성력을 모두 포함해야 합니다.

5. J4–J6 손목축: 하모닉 감속기가 일반적이지만, 세 가지 조건에서는 RV 감속기 검토가 유리합니다

경량 및 중형 6축 로봇의 손목축은 일반적으로 설치 공간이 제한적이고 토크 요구 사항이 비교적 낮으며, 경량화와 낮은 백래시가 중요합니다.

하모닉 감속기는 높은 감속비, 얇은 형상 및 중공축 케이블 배선 옵션을 제공하므로 널리 사용됩니다.

그러나 다음 세 가지 조건에서는 더욱 신중한 평가가 필요합니다.

조건 1: 스폿 용접 건 손목 어셈블리

전극 클램핑력, 용접 건의 관성, 빈번한 기동 및 정지가 함께 작용하면 큰 충격 하중과 피로 하중이 발생할 수 있습니다.

이러한 조건에서는 플렉스 스플라인의 피로와 내충격성을 평가하는 것이 더욱 중요합니다.

고하중 스폿 용접 로봇의 J4–J6에는 컴팩트한 RV 감속기를 고려할 수 있습니다.

용접 건의 질량과 관성, 그리고 J4 회전, J5 굽힘 및 J6 공구 회전의 토크 스펙트럼을 함께 고려해 결정해야 합니다.

조건 2: 손목 어셈블리가 무겁거나 관성이 큰 말단 장치

예를 들면 다음과 같습니다:

- 대형 비전 시스템 하우징

- 중량 연삭 헤드

- 대구경 공구

이러한 장비는 J5에 큰 중력 토크를 발생시키고 J4에 지속적인 편심 하중을 가할 수 있습니다.

컴팩트한 RV 감속기와 고강성 하모닉 감속기 중에서 선택하기 전에 등가 토크와 전도 모멘트를 평가해야 합니다.

조건 3: 높은 강성이 필요한 작은 각도 동작

반도체 검사 및 정밀 조립 애플리케이션은 히스테리시스에 특히 민감할 수 있습니다.

토크가 매우 낮다면 하모닉 감속기가 여전히 우선 선택일 수 있습니다.

작은 각도 동작에 반경 방향 예압이 더해지는 경우에는 컴팩트한 RV 감속기나 특수 고강성 하모닉 감속기를 검토할 가치가 있습니다.

손목 감속기의 추가 확인 사항

RV-10N, RV-20N 및 RV-40N과 같이 정격 토크가 약 80–400 N·m 범위로 제시된 소형 RV 감속기의 주요 확인 사항은 다음과 같습니다:

- 허용 출력 속도

- 비틀림 강성

- 백래시

- 작동 온도에서의 성능

하모닉 감속기의 승인 검사는 관련 GB/T 30819-2024 등급을 따라야 합니다.

“≤10 arcsec”와 같은 제조업체 내부 사양을 국가 표준에 규정된 보편적인 값으로 간주해서는 안 됩니다.

6. 로봇 페이로드별 감속기 선정 예시 매트릭스

다음 매트릭스는 고객과 감속기 구성을 논의할 때 경험에 기반한 출발점으로 활용할 수 있습니다.

이 매트릭스는 예시용입니다. 실제 선정은 각 축에 대해 계산한 다음 다섯 가지 요구 사항을 기준으로 해야 합니다:

1. 등가 토크

2. 피크 하중 및 충격 하중

3. 전도 모멘트

4. 허용 백래시

5. 목표 사용 수명

7. 감속비와 백래시 외에 고려해야 할 사항은 무엇인가요?

1. 등가 출력 토크

각 작동 조건의 지속 시간을 고려해 전체 작동 사이클 동안의 토크를 평가합니다.

최대 순간값만으로는 감속기의 장기 부하를 설명할 수 없습니다.

 2. 허용 가속 토크 및 최대 순간 토크

가속 및 감속 중 허용 토크를 최대 순간 토크와 별도로 확인합니다.

스폿 용접 및 연삭 애플리케이션에는 공정 관련 충격에 대응할 충분한 여유가 필요합니다.

3. 로스트 모션, 백래시, 히스테리시스 및 전달 오차

이러한 파라미터는 전달 성능의 서로 다른 측면을 나타냅니다.

다음 조건의 데이터를 요청합니다:

- 무부하 조건

- 정격 부하 조건

- 작동 온도 조건

실온 또는 무부하 사양 하나만으로는 전체 성능을 파악할 수 없습니다.

4. 비틀림 강성 및 모멘트 용량

관련 부하 범위 전반에서 비틀림 강성을 평가해야 합니다.

로봇 조인트는 허용 모멘트 하중과 함께 굽힘 및 전도 강성도 확인해야 합니다.

5. 허용 반경 방향 및 축 방향 하중

출력 토크가 적정해 보이더라도 암이 길거나 페이로드가 편심되어 있으면 베어링에 큰 하중이 가해질 수 있습니다.

따라서 반경 방향 및 축 방향 하중 한도를 각각 확인해야 합니다.

6. 효율 및 온도 상승

예비 동력 전달 손실 추정에는 정격 작동점에서 카탈로그에 제시된 효율 ≥85%를 사용할 수 있습니다.

3교대 연속 운전의 경우 하우징 온도와 그에 따른 열 작동 조건을 확인해야 합니다.

7. 사용 수명 및 유지보수 요구 사항

관련 GB/T 35089, GB/T 37718, GB/T 37165 또는 CR 인증 요구 사항에 따라 백래시, 강성, 전달 오차, 모멘트 용량 및 정격 사용 수명을 포함하는 벤치 테스트 보고서를 요청합니다.

카탈로그의 사용 수명 정격은 일반적으로 정해진 속도 및 부하 조건을 기준으로 합니다. 예를 들어 일부 시리즈는 특정 기준 조건에서 정격 수명을 6,000시간으로 지정합니다.

실제 애플리케이션에서의 예상 사용 수명은 작업 사이클과 부하 스펙트럼을 사용해 평가해야 합니다.

감속기가 성능을 무기한 유지한다고 설명하지 마십시오. 정의된 작동 조건과 정기 검사 프로그램을 기준으로 카탈로그상의 사용 수명 목표를 명시하는 편이 더 유의미합니다.

8. 특정 로봇 프로젝트에 맞는 하모닉 감속기와 RV 감속기 선정 방법

6축 로봇의 첫 세 축에는 RV 감속기를, 마지막 세 축에는 하모닉 감속기를 사용해야 한다는 보편적인 원칙은 없습니다.

베이스축과 어깨축은 일반적으로 RV 기반 구성을 출발점으로 삼습니다.

팔꿈치축은 하완 질량, 페이로드 분포 및 사이클 속도에 따라 결정합니다.

손목축에는 하모닉 감속기를 출발점으로 삼는 경우가 많지만, 스폿 용접 건, 중량 고정구 및 심한 충격 하중이 있는 경우에는 컴팩트한 RV 감속기를 검토해야 합니다.

고객 제안서를 작성할 때는 모든 축에 대해 다음 다섯 가지 값의 항목을 계산합니다:

- 작동 사이클 동안의 등가 토크

- 피크 토크 및 충격 하중

- 전도 모멘트

- 허용 백래시

- 목표 사용 수명

이 결과를 바탕으로 적절한 RV 또는 하모닉 감속기의 프레임 크기를 결정합니다.

이 접근 방식은 단순히 “J1–J3에는 RV 감속기를 사용한다”고 말하는 것보다 명확한 엔지니어링 근거를 제공합니다. 또한 제안된 구성을 로봇의 실제 작동 요구 사항에 맞춰 설명하기도 쉽습니다.