공학 기초
비틀림 강성 — 백래시로는 해결할 수 없고 대부분의 엔지니어가 너무 늦게 발견하는 사양
EP 시리즈 비틀림 강성 비교 — 90mm 프레임, 모든 시리즈
아래 차트는 0.90mm 프레임 크기의 모든 EP 시리즈에 대한 비틀림 강성 Ct 값을 나타내며, 적용 분야별 요구 사항 참조선이 표시되어 있습니다. 참조선 오른쪽에 있는 시리즈는 해당 적용 분야에 필요한 충분한 강성을 가지고 있으며, 왼쪽에 있는 시리즈는 그렇지 않습니다. 각 참조선은 하중 비례 컴플라이언스 오차를 해당 적용 분야의 위치 허용 오차 이하로 유지하는 데 필요한 최소 Ct 값을 보여줍니다.
표시된 값은 0.90mm 프레임에서 각 시리즈의 일반적인 출력 베어링 스팬, 샤프트 직경 및 기어 맞물림 컴플라이언스를 기반으로 한 엔지니어링 추정치입니다. 실제 Ct 값은 기어비, 하중 방향 및 베어링 예압에 따라 달라집니다. 사양이 중요한 용도의 경우 한국 에버파워에 확인된 Ct 값을 요청하십시오.
사각 플랜지
정사각형 R/A
라운드 인라인
라운드 R/A
직접 삽입
벨트 풀리
경제 라운드
EP-FAB/FABR — 최고의 강성, 사각 플랜지 디자인
EP-FAD/FADR/FADS — 중간 강성, 원형 플랜지
EP-FAL — 중간*, 벨트 준수성이 시스템 준수성에 추가됩니다.
EP-FPG — 경제성, 낮은 강성; 비정밀 구동 장치에 적합
적용 참조선은 CNC 5축(일반적인 절삭 토크 35 N·m 기준)의 경우 ±0.5 arc-min, 로봇 J1/J2(정격 관절 토크 80 N·m 기준)의 경우 ±1 arc-min, 컨베이어(일반적인 구동 토크 20 N·m 기준)의 경우 ±5 arc-min 이하의 컴플라이언스 오차를 유지하는 데 필요한 최소 Ct 값을 보여줍니다. δ = T / Ct 공식을 사용하여 계산했으며, 여기서 δ는 허용 가능한 컴플라이언스 오차입니다. 프레임 크기가 클수록(110mm, 142mm) Ct 값이 비례적으로 높아집니다.
계산 방법
규정 준수 오류 계산 방법 및 애플리케이션에 더 엄격한 시리즈가 필요한지 여부
설계 엔지니어링
동일한 프레임 크기에서 EP-FAB이 EP-FAD보다 더 단단한 이유 - 네 가지 구조적 차이점
오류 진단
위치 오류 진단 - 백래시 또는 규정 준수, 그리고 명시해야 할 사항
원인을 알 수 없는 위치 오차가 발생하는 서보 축을 진단하는 데 가장 유용한 도구는 백래시 오차와 컴플라이언스 오차를 구분하는 간단한 동작 테스트입니다. 두 가지 유형의 오차는 위치 추적 그래프에서 서로 다른 특징을 나타내므로 특수 장비 없이도 식별할 수 있습니다. 위치 표시 기능이 있는 서보 드라이브와 출력 축에 장착된 광 프로브 또는 표시기만 있으면 충분합니다.
| 오류 특성 | 백래시 오류 | 규정 준수 오류 | 진단 조치 |
|---|---|---|---|
| 나타날 때 | 방향 전환 시에만 나타나며, 등속 운동 중에는 사라진다. | 토크가 가해질 때마다 발생하며, 부하 크기에 비례하고, 양방향으로 나타납니다. | 위치를 모니터링하면서 일정한 속도로 이동하고, 일정한 위치에 하중을 가하십시오. |
| 오류 크기 대 부하 | 고정된 크기(=백래시 값); 부하 수준에 따라 변하지 않습니다. | 가해지는 토크에 비례하며, 부하가 두 배가 되면 값도 두 배가 됩니다. | 일정한 위치를 유지하고, 알려진 토크를 가한 후, 각도 변위를 측정합니다. 변위가 토크에 비례하면 컴플라이언스(compliance)를 의미합니다. |
| 서보 보상의 효과 | 보정을 통해 60~70%만큼 감소; 적절한 튜닝으로 P0 등급에서 사실상 제거됨 | 서보 백래시 보정의 효과는 없으며, 컴플라이언스 오차는 부하에 비례하고 데드존이 아닙니다. | 서보 보정을 활성화하고 다시 측정합니다. 오차가 지속되면 컴플라이언스 문제입니다. 오차가 감소하면 백래시 문제입니다. |
| 정답 | 더 엄격한 백래시 등급(P1→P0) 또는 더 나은 서보 보정 캘리브레이션 | 더 높은 Ct 값: FAB(동일한 프레임, 1.6배 더 강성 높음) 또는 더 큰 프레임 크기로 업그레이드; 외부 아웃보드 베어링 지원 | Ct_min = T / δ_compliance_budget을 계산합니다. 현재 시리즈 Ct < Ct_min인 경우 FAB 또는 더 큰 프레임을 지정합니다. |
| 잘못된 해결책 | 백래시 문제만을 해결하기 위해 FAB로 업그레이드하는 것은 비용만 증가시키고 이점은 없습니다. P0 보상이 이 문제를 해결합니다. | 규정 준수 문제만으로 P1 등급에서 P0 등급으로 업그레이드하는 것은 비용만 증가시키고 이점은 없습니다. 문제는 Ct입니다. | 오진은 예산 낭비로 이어집니다. 해결책을 제시하기 전에 진단 테스트를 실행하십시오. |
실용적인 현장 측정 - 10분 안에 반발과 규정 준수를 구분하는 방법
출력축에 다이얼 게이지 또는 레이저 변위 센서를 장착하고, 출력단에 알려진 토크 부하를 가하는 수단(알려진 반경에 있는 교정된 추 또는 고정된 정지점에 대한 토크 렌치)을 사용하면 다음 절차를 통해 단일 테스트 세션에서 백래시 오차와 컴플라이언스 오차를 구분할 수 있습니다.
이 4단계 테스트는 기본적인 측정 장비를 사용하여 약 10분 정도 소요되며, 백래시 등급 업그레이드, 시리즈 업그레이드 또는 둘 다 필요한지 여부를 결정하는 데 필요한 진단 데이터를 제공합니다. 결과는 사양 조치와 직접적으로 연결됩니다. 규정 준수 오류가 주된 경우 → 시리즈 또는 프레임 크기 업그레이드; 백래시 오류가 주된 경우 → 등급 업그레이드 또는 보정 튜닝 개선; 둘 다 필요한 경우 → 등급 및 시리즈 모두 업그레이드.
진단 테스트 실행 후 유용한 교차 검증 방법은 측정된 컴플라이언스 오차를 막대 그래프의 Ct 값을 사용하여 공식 δ = T/Ct로 예측한 값과 비교하는 것입니다. 측정된 컴플라이언스가 예측값과 거의 일치하면 컴플라이언스 메커니즘은 모델링된 대로(주로 기어 맞물림 및 베어링 컴플라이언스) 작동하고 있으며, 사양 업그레이드 경로가 명확합니다. 측정된 컴플라이언스가 예측값보다 상당히 높으면 추가적인 컴플라이언스 원인이 존재합니다. 일반적으로 기어박스 장착부의 기계 구조 유연성, 기어박스와 부하 사이의 커플링, 또는 보조 구동 요소(리드스크류 너트, 랙앤피니언 또는 커플링 조)의 백래시가 원인입니다. 이 경우 기어박스의 Ct 값만 업그레이드하는 것으로는 컴플라이언스 문제를 해결할 수 없으며, 구조적 컴플라이언스도 함께 고려해야 합니다. 한국에버파워는 진단 테스트 결과가 제공되면 이러한 분석을 지원해 드릴 수 있습니다.
또 다른 실용적인 시나리오는 백래시와 구조적 유연성이 동시에 작용하는 복합적인 경우입니다. 이는 기어박스의 백래시가 사용 수명 동안 누적되어 백래시 기여도가 높아지는 동시에 기계 구조 또한 마모 및 구조 고정 장치의 풀림으로 인해 약간 유연해진 오래된 기계에서 흔히 발생합니다. 이러한 복합적인 경우, 기어박스만 업그레이드(등급 또는 강성 향상)하는 것만으로는 문제를 해결할 수 없으며 구조적 유연성 문제도 함께 해결해야 합니다. 위의 진단 테스트는 두 가지 요인의 영향을 분리하여 엔지니어가 각각의 영향을 정량화하고 둘 중 하나 또는 둘 다에 대한 개선이 필요한지 판단할 수 있도록 합니다.
응용 사례
비틀림 강성이 시리즈 선택을 결정하는 다섯 가지 적용 사례
35 N·m의 절삭 토크와 315 mm 테이블 반경에서 ±0.05 mm의 위치 정밀도로 티타늄을 밀링 가공할 때, 컴플라이언스 공식을 사용하면 필요한 최소 토크(Ct_min)는 35 / [(0.546 arc-min 총 허용 토크 − 0.31 arc-min 백래시) × 1 arc-min/N·m] = 148 N·m/arc-min이 됩니다. 이는 모든 표준 유성 기어박스의 Ct 값을 초과합니다. 따라서 이 용도에 적합한 해결책은 EP-FAB 기어박스가 감속을 통해 회전 테이블을 구동하고, 400 N·m/arc-min 이상의 Ct를 제공하는 통합 크로스 롤러 베어링이 장착된 전용 CNC 틸팅 회전 테이블을 사용하는 것입니다. 이 구성에서 기어박스만으로는 강성을 확보할 수 없으며, 테이블 구조 자체가 강성을 제공합니다.
백게이지는 벤딩을 위해 공작물의 위치를 정렬합니다. 벤딩력은 벤딩 스트로크 동안 백게이지 구동부에 토크를 발생시킵니다. 일반적인 백게이지 토크 25 N·m와 ±0.1mm의 위치 정확도 요구 사항, 그리고 50mm 리드스크류 등가 반경을 기준으로 할 때, 컴플라이언스 예산은 (0.1/50 × 3438) − 백래시 = 6.87 − (2.5 × 0.4) = 5.87 arc-min입니다. 필요한 최소 토크(Ct_min)는 25/5.87 = 4.3 N·m/arc-min입니다. EP-FAD와 EP-FAB 모두 이 값을 쉽게 초과하며, FAD P1(Ct ~28)도 충분합니다. 그러나 EP-FAB P1이 지정된 이유는 백게이지의 돌출 하중(리드스크류 끝단의 게이지 플레이트 무게) 또한 기어박스 출력부의 컴플라이언스에 영향을 미치기 때문입니다. FAB의 더 견고한 출력 인터페이스는 위의 공식에서 반영되는 것보다 돌출 하중으로 인한 컴플라이언스 영향을 줄여줍니다.
10kg의 페이로드를 600mm 도달 거리에 둔 로봇 J2 어깨의 중력 토크는 최대 확장 시 10 × 9.81 × 0.6 = 58.9 N·m입니다. TCP 정확도 사양은 ±0.1mm입니다. J2 기어박스(TCP에서 J2 중심까지 400mm 거리)에서의 컴플라이언스 예산은 (0.1/400 × 3438) − (0.78 × 0.4) = 0.859 − 0.312 = 0.547 arc-min입니다. 필요한 최소 토크(Ct_min)는 58.9 / 0.547 = 107 N·m/arc-min입니다. 이는 EP-FAD 090(~28)을 초과합니다. 하지만 이 페이로드 등급에 사용되는 J2 기어박스는 일반적으로 110mm 또는 142mm 프레임이며, EP-FAD의 Ct 값은 110mm 프레임의 경우 비례적으로 더 높습니다(~55). 110mm EP-FAD에서 Ct ~55, 컴플라이언스 오차 = 58.9/55 = 1.07 arc-min - 예산 초과. 110mm EP-FAB로 업그레이드(Ct ~85): 컴플라이언스 오차 = 58.9/85 = 0.69 arc-min - 여전히 예산 초과. 결론: 고하중 로봇 J2의 경우, 등급 선택과 강성 분석을 함께 고려해야 하며, 142mm EP-FAB 또는 TCP 컴플라이언스 예산에는 기어박스뿐만 아니라 로봇 팔의 구조적 유연성도 포함해야 합니다.
정격 토크 100 N·m 및 ±2mm 정지 정확도를 갖는 AGV 구동 장치의 컴플라이언스 예산은 (2/75 × 3438) × arc-min/mm로 계산되지만, AGV 정지 정확도는 기어박스 컴플라이언스가 아닌 관성과 엔코더 해상도에 의해 좌우되므로 이 부분은 무시해도 됩니다. EP-FPG의 Ct가 약 8 N·m/arc-min인 경우에도 75mm 휠 반경에서 컴플라이언스 오차는 100/8 = 12.5 arc-min = 0.163mm에 불과합니다. 이는 ±2mm 정지 정확도 예산 범위 내에 충분히 들어갑니다. 따라서 비틀림 강성은 AGV 선택에 전혀 영향을 미치지 않으므로, Ct가 아닌 효율성(≥97%)과 비용을 고려하여 EP-FPG를 선택하십시오.
20m/min의 속도와 ±0.05mm의 절단 정밀도를 가진 고속 레이저 갠트리에서 고속 스캐닝 중 위치 오차는 정적 컴플라이언스가 아닌 서보 대역폭과 시스템의 기계적 공진 주파수에 의해 좌우됩니다. 기어박스의 Ct 값은 구동계의 비틀림 공진 주파수에 영향을 미칩니다. f_res = (1/2π) × √(Ct × (3438/360 × 2π) / (J_motor + J_reflected)), 여기서 J_reflected는 반사 관성 모멘트입니다. Ct 값이 높을수록 공진 주파수가 상승하여 서보가 공진을 발생시키지 않고 더 높은 비례 이득을 사용할 수 있으므로 가속도가 향상되고 동적 추적 정확도가 높아집니다. 레이저 절단의 경우, 올바른 사양은 최소 정적 Ct 값이 아니라 최소 공진 주파수이며, 일반적으로 f_res > 200Hz입니다. 갠트리에 사용되는 특정 모터/기어박스 조합에 대한 공진 주파수는 한국 에버파워에 확인하십시오.
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자주 묻는 질문 — 비틀림 강성
편집자: Cxm
