산업용 로봇과 중장비는 왜 듀얼 디스크 RV 감속기를 선호할까요?

많은 엔지니어가 RV 감속기를 처음 접할 때 같은 질문을 합니다. 단일 사이클로이드 디스크만으로도 감속을 구현할 수 있다면, 산업용 로봇에 사용되는 RV 감속기는 왜 거의 항상 두 개의 사이클로이드 디스크로 설계될까요?

두 번째 디스크를 추가하면 부품 수가 늘어나고 조립이 복잡해지며 제조 비용도 높아집니다. 그렇다면 그 이유는 무엇일까요?

답은 한 문장으로 요약할 수 있습니다. 두 번째 디스크는 주로 감속을 제공하기 위한 것이 아니라 정밀도, 안정성, 하중 분배 및 사용 수명을 향상하기 위한 것입니다.

이 글에서는 당사의 RV 감속기 조립 모델과 운동 시뮬레이션을 사용하여 이중 디스크 구성이 산업용 로봇, 공작기계, 로터리 테이블 및 기타 중부하 정밀 전동 시스템의 주류 구조가 된 이유를 설명합니다.

참고: 이 글의 수치 데이터와 이미지는 시뮬레이션 계산을 기반으로 하며 참고용으로만 제공됩니다.

RV 감속기는 어떻게 작동합니까?

사이클로이드 핀휠 감속기라고도 하는 RV 감속기는 비교적 짧은 전동 체인을 가집니다.

입력축은 편심 메커니즘을 구동합니다. 편심 메커니즘은 사이클로이드 디스크를 지지하며, 이 디스크는 핀 하우징 내부의 핀과 맞물립니다. 생성된 운동은 سپس 출력 핀 메커니즘을 통해 출력부로 전달됩니다.

다음은 40개의 핀이 있는 핀 하우징, 크랭크축, 편심 베어링, 두 개의 사이클로이드 디스크 및 출력 디스크를 포함하는 당사 NX 조립 모델의 분해도입니다. 모델의 각 구성품은 전동 시스템의 엔지니어링 파라미터로부터 직접 생성됩니다.

감속 원리는 간단히 요약할 수 있습니다.

핀 하우징에는 40개의 핀이 있고 사이클로이드 디스크에는 39개의 톱니가 있습니다. 크랭크축이 한 바퀴 회전하는 동안 사이클로이드 디스크는 한 톱니 위치만큼 뒤로 이동합니다. 따라서 크랭크축이 39회전하면 출력부는 한 바퀴 회전합니다:

i = 39

운동 시뮬레이션은 이 전동 과정을 보다 직관적으로 이해할 수 있는 방법을 제공합니다.

단일 디스크 RV 감속기의 문제점은 무엇입니까?

문제 1: 반경 방향 힘의 불균형

사이클로이드 디스크는 편심 운동을 합니다. 편심 질량은 중심 주위를 회전하며, 맞물림 하중 또한 특정 구간에 집중됩니다.

당사의 수치 레버법 계산에서 40개의 핀 중 19개 핀은 기본 하중 지지 조건을 충족하며, 분석 조건에서는 약 15개 핀에 실제로 하중이 작용합니다.

계산 결과, 하중의 약 90%가 90° 구간 내 11개 핀에 집중되며, 하중 분포 계수는 다음과 같습니다:

Kγ = 1.71

단일 디스크 구성에서는 이 집중 하중 구간이 편심 질량과 함께 회전합니다.

그 결과 진동, 소음 및 베어링 하중이 증가합니다.

중부하 장비와 산업용 로봇 관절에서는 감속기가 높은 토크와 빈번한 가감속 조건에서 반복적으로 작동해야 하므로 이러한 영향이 더욱 중요해집니다.

이중 디스크 RV 감속기의 장점

이중 디스크 RV 감속기는 전동장치 내에 동일한 두 개의 사이클로이드 디스크를 축 방향으로 배치합니다.

디스크 A는 +e 편심에서 작동하고, 디스크 B는 −e 편심에서 작동합니다. 따라서 크랭크축의 두 편심부는 180° 간격으로 배치됩니다.

그러나 동일한 두 디스크를 180° 간격으로 단순히 설치하는 것만으로는 충분하지 않습니다.

디스크 B는 특정 위상각만큼 회전되어야 합니다:

Δφ = −180° / zc = −180° / 39 = −4.615°

이 세부 사항은 CAD 모델링 및 조립 과정에서 특히 중요합니다.

엔지니어가 첫 번째 사이클로이드 디스크를 단순 복제하고 두 디스크를 위상차 없이 설치하면 핀 구멍이 정확히 정렬되지 않아 의도한 백래시 감소 효과를 얻을 수 없습니다.

아래 비교의 왼쪽은 핀 구멍이 눈에 띄게 어긋난 잘못된 0° 위상 배치를 보여줍니다. 오른쪽은 올바른 −4.615° 위상 배치를 보여줍니다.

장점 1: 관성력 상쇄

디스크 A는 +e에서 작동하고, 디스크 B는 −e에서 작동합니다.

따라서 편심 질량은 반대 방향으로 움직이며, 이들의 1차 관성력은 대부분 서로 상쇄될 수 있습니다.

이는 진동을 줄이고 RV 감속기가 더욱 부드럽게 작동하도록 돕습니다.

산업용 로봇 관절에서 이는 이중 디스크 구조의 가장 직접적인 이점 중 하나입니다.

낮은 진동은 베어링 및 기타 전동 부품에 대한 동적 하중도 줄일 수 있습니다.

장점 2: 예압을 통한 백래시 감소

이중 디스크 구조가 백래시를 줄일 수 있는 이유를 이해하려면 먼저 백래시의 발생 원인을 알아야 합니다.

당사 모델에서는 레버 기반 계산을 사용하여 다섯 가지 주요 오차원을 출력 각도로 환산했습니다.

예시 공차 조건에서 출력 핀 구멍 간극은 계산된 총 백래시의 약 48%를 차지했으며, 이는 다른 네 가지 원인의 기여도를 합한 것과 거의 같았습니다.

사이클로이드 톱니 형상 자체가 차지하는 비율은 전체의 약 4분의 1에 불과했습니다.

이는 백래시의 상당 부분이 단순히 사이클로이드 톱니 형상이 아니라 간극 체인에서 발생한다는 의미입니다.

두 사이클로이드 디스크 간의 위상차는 이 간극의 일부를 보상할 수 있는 방법을 제공합니다.

위상을 조정하면 한 디스크는 간극의 한쪽 면에 위치시키고 다른 디스크는 반대쪽 면에 접촉시킬 수 있습니다.

이 원리는 예압 이중 너트 볼스크루의 백래시 방지 메커니즘과 유사합니다.

그러나 흔히 간과되는 중요한 엔지니어링 범위가 있습니다.

당사 계산에 따르면 조립 위상 범위는 약 다음과 같습니다:

ε* = 79″

위상 오차가 이 범위 내에 유지되면 백래시 감소 효과는 유효하게 유지됩니다.

위상 오차가 허용 범위를 초과하면 두 디스크가 서로 반대 방향으로 작용하여 부분적으로 걸릴 수 있습니다. 백래시는 계속 감소할 수 있지만 마찰과 온도 상승도 동시에 발생합니다.

따라서 이중 디스크 RV 감속기의 검수에서는 백래시와 무부하 토크를 모두 평가해야 합니다.

이 파라미터 중 하나만 보면 실제 조립 품질에 대해 오해를 불러일으킬 수 있습니다.

장점 3: 하중 분담

두 개의 사이클로이드 디스크는 병렬 하중 경로를 제공합니다.

이상적인 이론 조건에서는 각 디스크가 전동 하중의 약 50%를 부담합니다.

실제 감속기에서는 제조 공차와 위상 오차로 인해 하중이 완벽하게 분할되지 않습니다.

그럼에도 이중 디스크 구성은 하중 집중을 크게 줄입니다.

더 많은 톱니가 하중 전달에 참여할 수 있어 접촉 응력을 줄이고 마모 분포를 개선할 수 있습니다.

이러한 하중 분담 특성은 고토크 및 장기 사용 용도에서 특히 가치가 있습니다.

장점 4: 더 높은 비틀림 강성

이중 디스크 구성은 추가적인 병렬 전동 경로를 형성합니다.

이는 전동 시스템의 유효 비틀림 강성을 높이고 하중 시 출력단의 각도 변위를 줄일 수 있습니다.

용접 로봇, 물류 이송 로봇, 산업용 로터리 테이블 및 공작기계와 같은 용도에서는 변화하는 외부 하중 하에서도 출력부가 위치를 유지해야 하므로 비틀림 강성이 특히 중요합니다.

단일 디스크와 이중 디스크 RV 감속기 비교

추가된 사이클로이드 디스크는 부품 수와 조립 복잡성을 증가시키지만, 힘 균형, 하중 분담, 백래시 제어 및 비틀림 강성을 향상시킵니다.

이중 디스크 RV 감속기는 어디에 사용됩니까?

이중 디스크 RV 감속기는 높은 토크, 높은 강성, 정확한 위치 결정 및 장기 신뢰성이 요구되는 용도와 널리 연관되어 있습니다.

HONPINE RV 감속기는 현재 중부하 로봇 암, 산업용 포지셔너, 산업용 로터리 테이블 및 공작기계 시스템을 포함한 용도에 사용되고 있습니다.

산업용 로봇용 RV 감속기

산업용 로봇 관절은 사이클로이드 디스크 하나의 비용 절감을 우선시하지 않습니다.

다음 요소들의 조합이 필요합니다:

• 높은 위치 결정 정밀도

• 높은 비틀림 강성

• 낮은 백래시

• 높은 하중 용량

• 긴 사용 수명

• 안정적인 작동

• 높은 신뢰성

이중 디스크 RV 구조는 제조 및 조립 복잡성을 더하지만, 백래시 감소, 진동 제어, 하중 분담 및 강성 측면에서 이점을 제공합니다.

이러한 이유로 위상 예압을 적용한 이중 사이클로이드 디스크 RV 감속기는 산업용 로봇 관절에 널리 사용됩니다.

단일 디스크 RV 구성은 강성, 진동 및 장기간 중부하 운전에 대한 요구사항이 낮은 교육 시스템, 실험 장비 또는 비용 민감형 용도에서 더 일반적으로 사용됩니다.

산업용 포지셔너용 RV 감속기

산업용 포지셔너는 로봇 관절과 중요한 공통 특성을 가집니다. 즉, 출력축이 편심 하중과 전도 모멘트에도 노출되는 동시에 큰 하중을 처리하는 경우가 많습니다.

예를 들어 용접 포지셔너는 안정적인 위치를 유지하면서 공작물을 회전시켜야 합니다.

감속기의 백래시가 과도하거나 비틀림 강성이 부족하면 가속, 감속, 방향 전환 또는 용접 공정에서의 외부 하중 중에 출력부에 작은 각도 변위가 발생할 수 있습니다.

따라서 산업용 포지셔너에서는 다음 사항에 주의를 기울입니다:

• 출력 토크

• 비틀림 강성

• 백래시

• 허용 전도 모멘트

• 고주파 기동·정지 운전

• 장기 운전 수명

이러한 영역 역시 이중 디스크 RV 구조가 중요한 기계적 이점을 제공할 수 있는 분야입니다.

산업용 로터리 테이블용 RV 감속기

중부하 산업용 로터리 테이블, 로봇 로터리 테이블, 용접 테이블 및 정밀 위치 결정 테이블은 전동 시스템에 유사한 요구사항을 제시합니다.

요구사항은 단순히 테이블을 회전시키는 것이 아닙니다.

시스템은 큰 하중을 목표 위치까지 정확하게 회전시키고, 동작이 멈춘 후에도 안정적인 위치를 유지해야 합니다.

이러한 이유로 로터리 테이블에 사용되는 RV 감속기의 중요 파라미터는 다음과 같습니다:

• 백래시

• 비틀림 강성

• 축 방향 및 반경 방향 하중 용량

• 허용 전도 모멘트

• 출력 토크

• 위치 결정 정밀도

• 장기 운전 신뢰성

따라서 이중 디스크 RV 감속기는 높은 하중과 안정적인 위치 결정이 요구되는 회전 용도에 특히 적합할 수 있습니다.

이중 디스크 구성이 주류 RV 구조인 이유는 무엇입니까?

RV 감속기의 감속 기능은 사이클로이드 핀-치 전동에서 비롯됩니다.

추가된 사이클로이드 디스크는 감속비를 근본적으로 생성하지 않습니다.

그 주된 가치는 전동 시스템의 기계적 거동을 개선하는 데 있습니다.

단일 디스크 구조는 다음과 같은 기본적인 질문에 답합니다:

메커니즘이 감속을 구현할 수 있는가?

이중 디스크 구조는 더욱 까다로운 질문에 답합니다:

진동을 줄이고, 하중을 분배하며, 백래시를 제어하고, 강성을 높이며, 장기간 신뢰성 있게 작동할 수 있는가?

이러한 차이는 이중 디스크 RV 감속기가 산업용 로봇, 공작기계, 중부하 로터리 테이블 및 기타 정밀 전동 용도에 널리 사용되는 이유를 설명합니다.

따라서 이 예시의 작은 −4.615° 위상차는 단순한 CAD 조립 세부 사항 그 이상입니다. 이는 두 개의 사이클로이드 디스크를 협조적으로 작동하는 정밀 전동 시스템으로 만드는 핵심 요소 중 하나입니다.