산업용 로봇용 정밀 감속기: 기존 변속 방식에서 백래시 자동 보상 기술까지

안녕하세요, HONPINE의 기술 이사 Theodore Li입니다. 오늘은 산업용 로봇용 정밀 감속기에 대해 말씀드리겠습니다.

정밀 감속기란?

일반적으로 사용되는 산업 분류에 따르면, 정밀 감속기는 보통 낮은 전달 오차와 백래시를 특징으로 하며, 정밀도 요구사항은 일반적으로 각분 수준 또는 그 이상에 이릅니다.

백래시는 위치 결정 성능에 영향을 미치는 핵심 요인 중 하나입니다. 맞물리는 기어 사이의 간극은 입력축과 출력축 사이에 유격을 발생시켜 위치 결정 정확도, 반복 정밀도 및 모션 제어 성능에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다.

주요 전달 메커니즘에 따라 정밀 감속기는 일반적으로 네 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다.

정밀 사이클로이드 감속기

RV 감속기와 사이클로이드 핀휠 감속기가 대표적인 예입니다. 이들은 높은 부하 용량과 충격 하중에 대한 우수한 내성을 제공하지만, 구조가 비교적 복잡하고 제조 비용이 높을 수 있습니다.

하모닉 감속기

하모닉 드라이브는 플렉스스플라인의 탄성 변형을 이용하여 운동과 토크를 전달합니다. 이 구조는 높은 감속비, 컴팩트한 크기 및 높은 전달 정밀도를 제공하지만, 비틀림 강성과 부하 용량은 일부 강성 전달 구조보다 낮을 수 있으므로 고하중 조건에서는 적용 제품의 선정이 특히 중요합니다.

정밀 유성 감속기

유성 기어 전달은 높은 효율, 높은 토크 밀도 및 비교적 강성적인 전달 구조를 제공합니다. 그러나 기존 유성 기어 구조는 특수 정밀 전달 기술과 비교할 때 일반적으로 단일 단계 감속비와 백래시 측면에서 한계에 직면합니다.

산업용 로봇이 정밀 감속기에 더 높은 요구를 제시하는 이유는 무엇인가?

산업용 로봇 응용 분야는 고도로 전문화된 세그먼트로 발전했습니다. 서로 다른 가반하중 수준, 공정, 운동 프로파일 및 관절 구성은 전달 정밀도, 토크 용량, 강성 및 사용 수명에 서로 다른 요구사항을 제시합니다.

따라서 적합한 정밀 감속기는 산업용 로봇 유형에 따라 다를 뿐 아니라, 동일한 로봇 내에서도 관절마다 달라질 수 있습니다.

가반하중 10 kg 미만의 6축 로봇

경량 6축 로봇의 경우, 컴팩트한 크기와 정밀도가 우선시되는 경우가 많습니다.

특히 로봇에 높은 감속비와 정밀한 모션 제어를 갖춘 컴팩트한 전달 장치가 필요한 경우, 6개 관절 모두에 하모닉 감속기를 사용할 수 있습니다.

하모닉 드라이브의 컴팩트한 크기, 낮은 중량, 높은 감속비 및 정밀도는 제한된 기계적 공간 내에서 작동하는 경량 로봇에 적합합니다.

가반하중 10–50 kg의 6축 로봇

중간 가반하중 6축 로봇은 자동차 부품 핸들링, 금속 가공 및 가반하중, 운동 정확도, 안정성 간의 균형이 요구되는 기타 산업 작업에 일반적으로 사용됩니다.

이러한 로봇은 서로 다른 관절의 요구사항에 따라 하모닉 감속기와 RV 감속기를 조합하여 사용할 수 있습니다.

예를 들어, 컴팩트한 크기, 높은 감속비 및 정밀한 움직임이 중요한 손목 및 엔드이펙터 관절에는 하모닉 드라이브를 사용할 수 있으며, 더 높은 강성과 부하 용량이 필요한 고하중 관절에는 RV 드라이브를 사용할 수 있습니다.

가반하중 50 kg 초과의 6축 로봇

고가반하중 6축 로봇은 까다로운 작동 조건에서도 높은 부하 용량과 안정적인 정밀도를 요구합니다.

RV 감속기는 높은 강성을 제공하고 상당한 반경 방향 및 축 방향 하중을 견딜 수 있는 전달 구조를 갖추고 있어 고하중 로봇 관절에 널리 사용됩니다.

이러한 특성은 고가반하중 로봇이 자재 핸들링, 용접, 기계 가공 및 대형 공작물을 포함하는 기타 작업에 사용될 때 특히 중요합니다.

가반하중 20 kg 미만의 SCARA 로봇

SCARA 로봇은 위치 결정 정확도와 반복 정밀도에 특히 높은 요구를 제시합니다.

따라서 회전 관절에는 우수한 정확도와 동적 응답성을 갖춘 전달 시스템이 필요합니다. 회전 관절에는 하모닉 드라이브를 사용할 수 있으며, 수직 Z축 메커니즘에는 유성 기어 전달, 벨트 구동 또는 기타 적합한 직선 운동 구조를 사용할 수 있습니다.

병렬 및 델타 로봇

병렬 및 델타 로봇은 높은 속도와 높은 구조 강성을 특징으로 하며, 관절 전달 요구사항은 로봇의 구조와 운동 프로파일에 큰 영향을 받습니다.

많은 병렬 로봇은 고속 운동을 지원하고 낮은 반사 관성을 유지하기 위해 베이스 관절에 비교적 낮은 감속비의 유성 기어박스를 사용합니다.

설계에 따라 베이스 관절에 사이클로이드 또는 하모닉 드라이브를 사용할 수도 있습니다.

추가 축 또는 암 말단 메커니즘에는 일반적으로 유성 기어박스가 사용됩니다. 그러나 고정밀 조립 응용 분야에서는 위치 결정 성능을 향상시키기 위해 말단 관절에 하모닉 감속기를 선택할 수도 있습니다.

기존 유성 감속기가 정밀도 과제에 직면하는 이유는 무엇인가?

많은 정밀 제조 응용 분야에서 하모닉 및 RV 전달 시스템은 전통적으로 산업용 로봇 분야에서 중요한 위치를 차지해 왔습니다.

기존 유성 감속기는 높은 효율, 강성 및 토크 밀도에도 불구하고, 역사적으로 특수 하모닉 또는 RV 전달 시스템과 동일한 수준의 정밀도와 컴팩트한 통합을 달성하는 데 어려움을 겪어 왔습니다.

고급 정밀 유성 기어박스는 여전히 매우 낮은 백래시를 달성할 수 있으며 까다로운 응용 분야에 적합합니다. 일부 정밀 유성 제품은 60 arcsec 미만의 백래시 수준을 달성할 수 있어 높은 위치 결정 정확도가 필요한 응용 분야에 대안을 제공합니다.

그러나 공급업체와 구성에 따라 높은 정밀도에는 더 높은 제품 비용과 더 긴 리드타임이 수반될 수 있습니다.

산업용 로봇 시장이 지속적으로 확대되고 로봇 제조업체가 더 빠른 개발 주기와 더 유연한 공급망을 요구함에 따라, 새로운 정밀 유성 전달 구조에 기회가 창출되고 있습니다.

정밀 유성 기어 전달에 대한 HONPINE의 접근 방식

HONPINE은 유성 기어 전달에 대한 차별화된 접근 방식을 연구해 왔습니다.

HONPINE은 자체 보상 백래시 기술을 도입하여 유성 기어 전달 시스템의 정밀도, 강성 및 정밀도 유지 성능을 향상시키고자 합니다.

이 기술은 장기간 작동 중 전달 정확도 유지가 특히 중요한 산업용 로봇 및 공작기계 등의 응용 분야를 위해 설계되었습니다.

목표는 단순히 초기 백래시를 줄이는 것이 아니라, 기계 부품이 시간이 지남에 따라 마모될 때 정확도를 유지하는 정밀 전달의 근본적인 과제 중 하나를 해결하는 것입니다.

자체 보상 유성 액추에이터는 어떤 기술적 과제를 해결할 수 있는가?

전통적인 정밀 전달 시스템은 피할 수 없는 문제에 직면합니다. 기계적 마모는 전달 정확도에 점진적으로 영향을 미칠 수 있습니다.

장기간 작동 중 지속적인 기어 맞물림과 반복적인 하중 사이클은 결합 부품 간의 유효 간극을 변화시킬 수 있습니다. 백래시가 증가하면 유격이 커질 수 있고 위치 결정 정확도는 점진적으로 저하될 수 있습니다.

산업용 로봇 및 공작기계와 같은 장비의 경우, 이러한 정밀도 손실은 궁극적으로 공정 품질, 반복 정밀도 및 사용 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.

자체 보상 백래시 기술은 이 문제에 대한 다른 접근 방식을 제공합니다.

마모 중 자동 백래시 보상

기존의 수동적 백래시 감소 구조와 달리, 자체 보상 전달 장치는 전달 시스템 내에 적응형 보상 메커니즘을 통합합니다.

전달 부품이 마모되면, 이 메커니즘은 유효 기어 간극의 변화를 보상하여 더욱 안정적인 전달 관계를 유지할 수 있습니다.

목적은 장기간 작동 중 전달 정확도가 저하되는 속도를 줄이고 감속기의 유효 정밀 수명을 연장하는 것입니다.

이러한 차이는 중요합니다.

초기 백래시를 줄이는 것과 사용 수명 전반에 걸쳐 낮은 백래시를 유지하는 것은 서로 다른 두 가지 엔지니어링 목표입니다. 따라서 정밀 전달 장치는 초기 백래시 사양뿐만 아니라 장기간 작동 후 전달 정확도가 어떻게 변화하는지도 평가해야 합니다.

하모닉 드라이브를 위한 자체 보상 백래시 기술

HONPINE의 자체 보상 방식은 유성 기어 전달에만 국한되지 않습니다.

당사는 장기간 작동 중 낮은 유효 백래시를 유지하도록 설계된 듀얼 플렉스스플라인 자체 보상 하모닉 드라이브 구조도 개발했습니다.

듀얼 플렉스스플라인 자체 보상 하모닉 드라이브

HONPINE 듀얼 플렉스스플라인 하모닉 드라이브는 내측 및 외측 플렉스스플라인과 리미팅 링을 포함하는 구조적 배열을 사용합니다.

이 구조는 작동 중 유효 백래시를 지속적으로 억제하고 안정적인 전달 성능을 유지하도록 설계되었습니다.

HONPINE의 내부 제품 테스트 및 비교 데이터에 따르면, 이 구조의 유격은 지정된 테스트 조건에서 유사한 해외 하모닉 감속기의 약 절반 수준일 수 있습니다.

실제 성능은 특정 제품 크기, 테스트 방법론, 하중 조건 및 측정 시스템에 따라 달라지므로, 직접 비교는 항상 동등한 테스트 조건에서 수행해야 합니다.

초기 정밀도에서 정밀 수명까지

정밀 전달 시스템에서 초기 정확도는 엔지니어링 방정식의 한 부분일 뿐입니다.

감속기는 신품 상태에서 우수한 백래시를 달성할 수 있지만, 전달 장치가 마모됨에 따라 백래시가 크게 증가하면 부품의 실질적인 정밀 수명은 제한될 수 있습니다.

이것이 HONPINE의 개발 초점이 초기 전달 정밀도에서 작동 수명 전반의 정밀도 유지로 확장되는 이유입니다.

산업용 로봇, 공작기계 및 휴머노이드 로봇의 경우, 이는 초기 백래시와 위치 결정 성능뿐만 아니라 반복 운동, 하중 및 마모 조건에서 전달 특성이 어떻게 변화하는지도 평가한다는 의미입니다.

자체 보상 백래시 기술은 기어 시스템의 초기 기계적 공차에만 의존하는 대신 전달 간극의 변화를 능동적으로 보상함으로써 이러한 장기 성능 과제를 해결하기 위한 것입니다.

결론

정밀 감속기의 발전은 더 낮은 초기 백래시를 단순히 추구하는 단계를 넘어가고 있습니다.

산업용 로봇, 공작기계 및 휴머노이드 로봇에는 정밀도, 강성, 컴팩트한 크기, 토크 밀도 및 장기 정확도 유지 성능을 결합한 전달 시스템이 필요합니다.

하모닉 및 RV 전달 시스템은 정밀 로봇 분야에서 여전히 중요한 기술이며, 기존 유성 기어 전달은 효율, 강성 및 토크 밀도 측면에서 계속해서 장점을 제공합니다.

자체 보상 유성 및 하모닉 드라이브의 기회는 장기간 작동 중 전달 간극 변화에 보상할 수 있는 메커니즘을 도입하여 이러한 성능 특성 간의 격차를 해소하는 데 있습니다.

HONPINE은 자체 보상 유성 액추에이터부터 듀얼 플렉스스플라인 하모닉 드라이브, 휴머노이드 로봇용 경량 PEEK 기반 하모닉 드라이브에 이르기까지 이 개념을 중심으로 정밀 전달 기술을 지속적으로 개발하고 있습니다.

당사의 목표는 전달 장치가 출고될 때 단순히 높은 정밀도를 달성하는 것이 아닙니다. 더 중요한 질문은 로봇 또는 기계의 사용 수명 전반에 걸쳐 그 정밀도를 얼마나 유지할 수 있는가입니다.