정밀 감속기 및 모터 종합 분석

이 글은 정밀 감속기의 4대 주요 범주에 대해 가장 포괄적인 분석과 소개를 제공하며, 특히 정밀 모터를 중심으로 그 향후 발전 동향을 설명합니다.

정밀 감속기의 분류

정밀 감속기는 주로 하모닉 감속기, 유성 감속기, RV 감속기, 그리고 사이클로이드 핀휠 감속기로 분류됩니다.

정밀 하모닉 감속기

하모닉 감속기는 탄성 변형을 통해 전달을 실현하는 새로운 유형의 감속 메커니즘입니다. 이는 기존의 강성 기계식 전달 방식에서 벗어나, 유연한 부품을 사용하여 기계적 동력 전달을 구현합니다. 하모닉 감속기는 주로 웨이브 제너레이터, 내부 치형을 가진 강성 기어(circular spline), 외부 치형을 가진 유연 기어(flexspline)의 3가지 기본 구성요소로 이루어집니다.

웨이브 제너레이터는 양끝이 flexspline의 내벽에 밀착되도록 가압하는 캠 부품입니다. flexspline은 큰 탄성 변형이 가능한 박벽 기어입니다. 웨이브 제너레이터가 flexspline 내부에 삽입되면, flexspline의 단면은 원형에서 타원형으로 변형됩니다. 장축의 양끝에서는 flexspline의 치형이 circular spline의 치형과 완전히 맞물리고, 단축의 양끝 부근에서는 치형이 circular spline으로부터 완전히 이탈합니다.

하모닉 감속기는 큰 감속비, 컴팩트한 외형, 적은 부품 수, 높은 전달 효율이 특징입니다. 일반적으로 로봇의 전완, 손목 또는 손에 설치됩니다.

하모닉 감속기는 차동 치형 운동을 통해 감속과 토크 증폭을 실현합니다. 일반적인 작동 원리는 웨이브 제너레이터를 입력으로 하고, circular spline을 고정하며, flexspline을 출력으로 하는 구성을 채택합니다. 타원형 웨이브 제너레이터는 모터 축에 연결되어 원형 flexspline 내부에 설치되며, 탄성 변형을 강제로 발생시킵니다. 장축에서는 flexspline의 치형이 circular spline의 치형과 완전히 맞물리고, 단축에서는 완전히 이탈하며, 나머지 영역은 과도 맞물림 상태에 있습니다. 웨이브 제너레이터가 연속적으로 회전하면 flexspline은 반복적으로 변형되고 차동 치형 운동이 발생합니다. 맞물림 상태는 맞물림, 완전 치합, 이탈, 재맞물림 과정을 거치며 계속 변화하고, 이로 인해 flexspline은 circular spline에 대해 웨이브 제너레이터의 회전 방향과 반대 방향으로 천천히 회전하여 운동을 전달합니다.

정밀 유성 감속기

정밀 유성 감속기는 주로 태양기어, 유성기어, 유성 캐리어, 링기어로 구성됩니다. 그 감속 원리는 기어 전달에 기반합니다. 작동 중에는 서보 모터 또는 기타 원동기가 태양기어를 회전시키고, 태양기어와 유성기어의 맞물림으로 유성기어가 자체 축을 중심으로 회전합니다. 동시에 유성기어는 하우징에 고정된 내부 링기어와 맞물려, 회전하면서 링기어를 따라 구름 운동을 하며 태양기어 주위를 도는 “공전” 운동을 형성합니다.

유성기어는 운동을 유성 캐리어에 전달하며, 유성 캐리어는 출력축과 연결되어 출력 토크를 전달합니다. 일반적으로 여러 개의 유성기어가 동시에 작동하여 하중을 분담하고 공동으로 출력을 구동합니다.

정밀 유성 감속기는 주로 단단과 다단 구조로 제공됩니다. 다단 유성 감속기는 단단 설계를 기반으로 여러 단을 추가한 것으로, 각 단은 태양기어, 유성기어, 링기어로 구성되어 직렬 구조를 형성함으로써 출력 속도를 더욱 낮추고 토크를 증가시킵니다. 여러 유성기어가 하중을 분산하여 부하 용량을 향상시키지만, 기어 맞물림이 추가될 때마다 전달 효율은 감소합니다. 컴팩트성을 유지하기 위해 다단 유성 감속기는 일반적으로 공통 링기어를 공유하며, 이 링기어는 하우징 역할도 수행합니다.

정밀 RV 감속기

RV 감속기는 1단 유성기어 감속기와 2단 사이클로이드 핀휠 감속기로 구성된 2단 감속 시스템입니다.

1단 감속: 태양기어는 모터와 연결되며, 모터가 태양기어를 회전시킵니다. 태양기어는 유성기어를 구동하고, 유성기어는 크랭크축과 연결되며 그 전후단은 유성기어와 RV 기어(사이클로이드 디스크)에 연결됩니다. 유성기어가 회전하면 크랭크축도 동일한 속도로 회전합니다. 유성기어의 치수가 더 많기 때문에 그 회전 속도는 입력 기어보다 낮아져 1단 감속이 이루어집니다.

2단 감속: 입력축은 1단의 크랭크축입니다. 2개의 사이클로이드 디스크(RV 기어)가 니들 베어링을 통해 크랭크축의 편심부에 장착됩니다. 하우징의 핀 링에 있는 핀의 수는 사이클로이드 디스크의 치수보다 1개 더 많습니다. 크랭크축이 1회전할 때, 사이클로이드 디스크는 1회의 편심 운동 사이클을 완료하고 크랭크축과 반대 방향으로 1치 회전하여 추가 감속을 실현합니다.

사이클로이드 핀휠 감속기

사이클로이드 핀휠 감속기는 정밀 사이클로이드 전달 기술을 채택하며, 이는 1926년 독일 엔지니어 Lorenz Braren에 의해 처음 제안되었습니다. 이는 에피사이클로이드 치형을 사용하는 소치차 유성 전달 방식입니다. 주요 구성요소가 사이클로이드 디스크와 핀휠이기 때문에 사이클로이드 핀휠 감속기라고 불리며, RV 감속기의 한 종류입니다.

구체적으로 “사이클로이드”는 사이클로이드 디스크의 실제 프로파일을 의미하며, 이는 짧은 에피사이클로이드의 등거리 곡선입니다. 내접 구름 방식에 따르면, 구름 원이 고정된 기준 원 내부를 미끄럼 없이 구를 때 사이클로이드 궤적이 생성됩니다. 구름 원에 고정된 한 점은 구름 운동 중 짧은 에피사이클로이드를 그립니다. 이 궤적상의 점들을 중심으로 동일 반지름의 원을 그리면, 이 원들의 포락선이 사이클로이드 디스크의 실제 치형을 형성합니다.

서로 다른 감속기의 특성과 적용 시나리오

RV 감속기는 고정밀, 큰 감속비, 높은 강성, 강한 과부하 용량, 긴 수명, 높은 피로 강도가 특징이며, 저진동, 저소음, 저에너지 소비를 갖습니다. 일반적으로 다리, 허리, 팔꿈치 관절과 같이 큰 토크가 필요한 로봇 관절과 중하중 산업용 로봇에 사용됩니다. 보통 1축, 2축, 3축에는 RV 감속기가 사용됩니다. 넓은 감속비 범위, 안정적인 정밀도, 높은 피로 강도, 높은 강성과 토크 용량 덕분에 RV 감속기는 로봇 팔과 베이스 같은 중하중 위치에서 특히 유리합니다.

하모닉 감속기는 크고 유연한 감속비, 높은 정밀도, 컴팩트한 크기, 경량, 부드러운 전달, 저소음, 밀폐 공간에서의 운동 전달 능력이 특징입니다. 기존 감속기와 비교할 때 하모닉 감속기는 더 작은 크기와 더 낮은 중량으로 동일한 출력 토크를 달성할 수 있어 로봇의 전완, 손목, 손에서 장점을 가집니다. 그러나 시간이 지남에 따라 운동 정밀도가 저하되므로, 일반적으로 경하중 산업용 로봇이나 대형 로봇의 말단 축, 그리고 항공우주, 정밀 가공, 의료 장비에 사용됩니다.

유성 감속기는 컴팩트한 크기와 긴 수명으로 인해 서보, 스테퍼, DC 구동 시스템에 널리 사용됩니다. 그러나 단단 유성 감속기는 감속비가 제한적이며, 높은 토크를 구현하려면 크기와 중량을 증가시키는 다단 구성이 필요합니다. 적용 분야에는 모바일 로봇, 신에너지 장비, 고급 공작기계, 지능형 운송이 포함됩니다. Tesla의 Optimus 로봇은 정교한 손에 유성 감속기를 사용하며, 일부 로봇 제조업체는 다리와 고관절에 유성 감속기를 적용합니다.

사이클로이드 핀휠 감속기는 다치 맞물림으로 인해 높은 하중 용량, 비교적 높은 전달 정밀도, 컴팩트한 크기, 경량, 부드러운 전달을 제공합니다. 구조는 복잡하고 정밀도는 하모닉 감속기보다 약간 낮지만, 높은 하중 용량 덕분에 휴머노이드 로봇의 허리와 엉덩이 같은 고하중 관절에 적용될 잠재력이 큽니다.

서로 다른 정밀 감속기의 비교

하모닉 감속기: 작동 원리는 웨이브 제너레이터의 운동이 flexspline의 변형을 구동하고, 소치차를 통해 circular spline과 맞물려 감속을 실현하는 것입니다; 구조는 웨이브 제너레이터, flexspline, circular spline으로 구성됩니다; 단가가 더 높음; 중량이 더 낮음; 전달 정밀도가 높음; 효율이 비교적 높음; 감속비가 큼; 설계 수명이 김; 비틀림 강성이 비교적 높음; 장점은 높은 감속비, 높은 정밀도, 컴팩트한 구조, 경량임; 단점은 하중 용량이 제한적이고 수명이 더 짧다는 점입니다.

유성 감속기: 작동 원리는 태양기어의 구동 하에 유성기어가 회전하는 것입니다; 구조가 단순하며 태양기어, 유성기어, 링기어로 구성됩니다; 단가가 더 낮음; 중량이 더 낮음; 전달 정밀도는 보통임; 효율이 높음; 감속비는 중간 수준임; 설계 수명이 김; 비틀림 강성이 높음; 장점은 구조가 단순하고 단단 설계가 컴팩트하다는 점임; 단점은 감속비가 낮고 출력 토크가 낮다는 점입니다.

RV 감속기: 유성 단계와 사이클로이드 단계의 2단 전달 방식입니다; 많은 부품으로 이루어진 복잡한 구조입니다; 단가가 높음; 중량이 더 높음; 전달 정밀도가 높음; 효율이 높음; 감속비가 큼; 설계 수명이 김; 비틀림 강성이 높음; 장점은 강한 하중 용량, 높은 비틀림 강성, 안정적인 정밀도입니다; 단점은 크기가 크고 적용 시나리오가 제한된다는 점입니다.

사이클로이드 핀휠 감속기: 작동 원리는 편심 운동이 소치차를 이용해 사이클로이드 디스크가 핀휠 주위를 공전하도록 구동하는 것입니다; 구조는 사이클로이드 디스크, 핀휠, 편심축을 포함합니다; 단가가 비교적 높음; 중량이 더 낮음; 전달 정밀도가 비교적 높음; 효율이 높음; 감속비가 큼; 설계 수명이 김; 비틀림 강성이 높음; 장점은 큰 하중 용량, 컴팩트한 크기, 경량, 부드러운 전달입니다; 단점은 제조가 복잡하고 하모닉 감속기와 비교해 정밀도가 낮다는 점입니다.

정밀 감속기의 원리, 파라미터, 장점 및 단점

정밀 감속기의 핵심 기술 지표에는 비틀림 강성, 감속비, 전달 효율, 전달 정밀도, 전달 오차, 기동 토크, 로스트 모션, 백래시가 포함됩니다.

비틀림 강성은 토크 하에서 비틀림 변형에 저항하는 부품의 능력, 또는 정격 부하 토크와 탄성 각변형의 비율을 의미하며, 구조 설계, 베어링 지지 방식, 베어링 유형, 기어 강성 및 정밀도, 감속비의 영향을 받습니다.

감속비는 입력 속도와 출력 속도의 비율입니다; 감속비가 클수록 출력 속도는 낮아지고 토크는 높아지며, 기어 치수와 감속 단계 수의 영향을 받습니다.

전달 효율은 출력 동력과 입력 동력의 비율이며, 감속비, 속도, 부하 토크, 온도, 윤활 조건, 재료 선택, 전달 단계, 구조 설계, 기어 정밀도, 기어 위치 결정, 조립 품질의 영향을 받습니다.

전달 정밀도와 전달 오차는 단방향 입력 회전 시 실제 출력 각도가 이론 각도와 얼마나 일치하는지를 설명하며; 설계, 가공, 조립, 윤활의 영향을 받습니다.

기동 토크는 무부하 기동에 필요한 토크이며, 구조 설계, 감속비, 마찰 계수, 베어링 품질의 영향을 받습니다.

로스트 모션은 입력축이 방향을 반전할 때 출력축에서 발생하는 각도 지연을 의미하며, 설계, 제조 품질, 마모, 설치, 조정의 영향을 받습니다.

백래시는 출력과 하우징을 고정한 상태에서 정격 토크의 ±2%를 교대로 가할 때 입력에서 발생하는 작은 각변위를 의미하며, 기어 정밀도, 베어링 정밀도, 유막 두께, 공작기계 정밀도, 조립 정밀도, 작동 온도의 영향을 받습니다.

정밀 모터가 미래 트렌드인 이유

정밀 모터는 정밀 감속기와 모터를 결합한 일체형 모듈입니다. 산업 자동화, 휴머노이드 로봇, 반도체 장비, 의료 기기의 급속한 발전과 함께 감속기–모터 일체형 솔루션에 대한 수요는 계속 증가하고 있습니다.

하모닉 기어 모터란 무엇입니까？

하모닉 기어 모터는 하모닉 기어, 프레임리스 토크 모터, 브레이크, 엔코더, 구동 유닛으로 구성됩니다. 로봇 산업의 핵심 부품으로서, 하모닉 기어 모터 기술의 발전은 더욱 높은 유연성과 더 넓은 적용 시나리오를 향해 특수 로봇과 휴머노이드 로봇의 발전을 계속 촉진할 것입니다. 로봇 분야를 넘어, 로봇 관절 모터는 반도체 장비, 태양광 장비, 정밀 의료 장비, 3C 장비, 광학 장비 및 기타 분야에서도 사용됩니다.

유성 감속기 모터란 무엇입니까？

유성 감속기 모터는 로봇 동력 시스템의 핵심 부품입니다. 유성 감속기, 프레임리스 토크 모터, 브레이크, 엔코더, 드라이버를 결합한 고집적 설계를 통해 부피와 중량을 크게 최적화하고 정밀한 관절 운동 제어를 구현합니다. 그 결과 더 큰 토크, 더 작은 크기, 더 가벼운 중량을 실현합니다. 하모닉 기어 모터와 비교할 때 유성 감속기 모터는 더 작은 감속비, 더 높은 출력 속도, 더 높은 토크 밀도를 특징으로 하여 중저하중 적용 분야에 더욱 적합합니다. 특정 고객 요구사항에 맞춘 맞춤형 서비스도 제공됩니다. 고속 성능, 충격 저항성, 컴팩트하고 경량인 설계 등의 장점으로 표준 유성 관절 모듈은 휴머노이드 로봇, 특수 로봇, 물류 AGV, 산업 자동화를 위한 선호 솔루션이 되었으며, 로봇 성능 향상과 적용 시나리오 확대를 촉진하고 있습니다.

플랜지 RV 감속기란 무엇입니까?

플랜지 일체형 RV 감속기는 첨단 기계를 위해 설계된 고정밀 감속 장치입니다. 내부 메커니즘은 밀폐된 유닛 내부에 사이클로이드 기어와 유성 기어의 독특한 2단 조합 구조를 특징으로 합니다. 이 감속기는 플랜지가 통합된 완전 조립 상태로 공급되며 특수 그리스가 사전 윤활되어 있어, 추가 준비 없이 서보 모터에 직접 설치하여 즉시 사용할 수 있습니다.

RV 감속기는 산업용 로봇, 특히 페이로드가 20 kg 이하인 로봇 팔의 베이스 및 고하중 관절(1번부터 4번 관절)에서 일반적으로 사용됩니다. 페이로드가 20 kg를 초과하면 일반적으로 6개 모든 관절에 RV 감속기가 장착됩니다. 이러한 감속기는 위치 정밀도 유지에 중요한 역할을 합니다.

플랜지 일체형 RV 감속기는 기존 RV 감속기 설계에 플랜지 실을 통합하여 개발된 특수 버전입니다. 표준 RV 감속기와 마찬가지로 플랜지 일체형 모델은 2가지 유형으로 분류됩니다: 솔리드 샤프트형 Flange-Integrated E Series와 중공 샤프트형 Flange-Integrated C Series입니다.

정밀 감속기는 성능 업그레이드와 더 깊은 메카트로닉스 통합이 동시에 이루어지는 방향으로 발전하고 있습니다. 특히 하모닉 감속기는 모터, 엔코더, 브레이크, 센서 및 기타 부품과 하모닉 감속기를 결합하는 메카트로닉스 통합을 채택하여 고부가가치 모듈형 제품을 제공해야 하며, 이를 통해 휴머노이드 로봇, 반도체 장비, 광학 시스템, 정밀 측정 산업에서 더 나은 적용이 가능해집니다.