모션 컨트롤 서보 시스템의 카플링 선정 방법

▷ 모션 컨트롤의 서보 시스템의 카플링 선정 방법

 

 

                               

 

 

 

 

 

모션컨트롤 설계를 위한 서보시스템의 커플링 선정방법

 

서보커플링을 사용하면 시스템의 많은 결함을 보완하고, 총체적인 출력향상을 가져올 수 있다. 특히 애플리케이션별로 요구되는 각각의 특성과 성능을 만족시킬 수 있는 최적의 커플링 선택은 모션컨트롤시스템에서 일반적으로 발생하는 문제를 사전에 방지하고, 성능을 극대화시킬 수 있으며, 이를 지속시키는 데에도 유리하다. 다양한 커플링 제품의 특성과 장점을 파악하고 이를 기반으로 다양한 변수에 대응할 수 있는 적합한 커플링을 선택해야한다.

해당 애플리케이션에 적합한 서보커플링을 선택하는 일은 전체 시스템디자인에서 매우 중요한 일이다. 디자인 프로세스초기에 미리 커플링에 대해 충분히 고려하고 시스템의 기능적인 목표에 부합할 수 있도록 커플링의 기능을 재점검한다면 모션 컨트롤 설계 시 일반적으로 발생할 수 있는 문제를 사전에 방지할 수 있다. 커플링들은 각각의 고유한 특성을 가지고 있기 때문에 여러 다양한 응용분야별로 가장 이상적인 제품을 선택할 수 있으며, 이것은 곧 하나의 커플링이 모든 종류의 설계에 적용될 수는 없다는 것을 의미하기도 한다. 현재 여러 종류의 커플링이 공급되고 있으며, 이러한 다양한 종류의 커플링은 설계자에게 시스템의 성능을 극대화하고 지속시킬 수 있는 최적의 커플링을 선택할 수 있는 기회를 제공하는 것이다. 샤프트의 편심이나 편각, 응답성, 토크, rpm, 관성, 베어링의 부하, 커플링 취부공간의 용이성 등의 특성에 따라 적합한 커플링을 선택해야한다. 따라서 설계를 하기 전에 미리 발생할 수 있는 여러 변수들을 파악하는 것이 중요하다. 이러한 이유로 서보커플링의 여러 가지 형태들이 생겨나게 되었고, 설계자들은 다양한 변수에 대응할 수 있는 적합한 커플링을 선택하는데 주의를 기울여야한다.

 

슬릿타입 플렉시블 커플링 (Slit type Flexible Coupling)

 

 

 

슬릿타입 플렉시블 커플링은 주로 알루미늄이나 스테인리스스틸 재질의 원통형 막대를 슬릿형태로 잘라 편심, 편각을 흡수하고 토크를 전달하는 커플링이다. 슬릿타입 플렉시블 커플링은 다양한 설계에 적용할 수 있는 기본적인 커플링으로 뛰어난 성능은 물론 가격도 경제적이라 할 수 있으며, 여러 조각이 조합된 형태가 아닌 하나의 몸통으로 이루어져 있어 백래쉬가 발생하지 않고 유지보수가 필요 없다는 장점을 가지고 있다. 슬릿타입 플렉시블 커플링은 슬릿을 어떻게 구성하느냐에 따라 다양하게 사용할 수 있다. 슬릿을 얼마나 깊게 만들고 얼마나 많은 슬릿을 만드느냐에 따라 편심과 편각을 흡수하는 정도가 달라지며 토크를 전달하는 능력도 차이가 나게 된다. 슬릿을 얇게 자르게 되면 상대적으로 큰 힘을 전달할 수 있지만 편심과 편각을 흡수하기에는 무리가 있고 슬릿을 두껍게 자르게 되면 편심과 편각을 쉽게 흡수하고 편심과 편각으로 생긴 베어링의 부하도 최소화할 수 있지만 아쉽게도 큰 힘을 전달하기에는 적합하지 않다. 또한 얼마나 많은 슬릿을 만들 것인가도 중요한 사항이다. 슬릿을 두껍게 많이 만들려면 여러 방향으로 휘어질 수 있어 편심과 편각을 흡수하는데 탁월한 능력을 가지게 되고, 얇고 적은 슬릿을 만들면 상대적으로 휘는 특성이 줄어들어 편심과 편각을 흡수하는데 무리가 따르게 된다. 편심과 편각으로 인한 부하가 바로 베어링에 부하를 주는 결과를 발생시키기 때문에 주의해야 한다. 응답성 면에서도 슬릿의 수와 두께에 따라 현저한 차이를 나타낸다. 슬릿이 두껍고 많으면 응답성이 떨어지고 반면 얇고 적으면 응답성이 좋아진다. 슬릿의 수와 두께에 따라 커플링의 특성에 많은 차이를 발생시키며, 또한 그 특성들이 항상 좋은 쪽으로나 항상 나쁜 쪽으로 나타나는 것이 아니다. 조건에 따라 스테인리스스틸 재질의 커플링을 제작하기도 한다. 일반적으로 스테인리스스틸 커플링은 부식에 강한 것은 물론이고 큰 토크를 전달하기가 용이한데다 응답성 또한 같은 규격과 구조의 알루미늄소재 커플링보다 월등한 성능을 발휘한다. 경우에 따라서는 약2배의 토크를 전달하기도 한다. 단점으로는 가격이 비싸며 무게가 상대적으로 무거워 관성 모멘트가 커진다.

 

올드햄타입 플렉시블 커플링 (Oldham type Flexible coupling)

 

 

 

올드햄 커플링은 2개의 허브와 2축을 연결해주는 하나의 스파이더로 구성된다. 주로 플라스틱 또는 금속으로 만들어지는 센터의 스파이더가 실질적으로 토크를 전달하는 부분이다. 사진에서 보는 것과 같이 중간에 위치한 플라스틱 스파이더의 각 반대편에 90도의 각을 이루어 홈을 만들고, 두 허브 부분은 홈에 맞물리는 돌기를 만들어 두 허브와 중간의 스파이더와 톱니가 맞물리듯이 결합이 되어 토크를 전달하게 된다. 스파이더의 홈과 허브의 돌기는 유격을 최대한 없애 꽉 끼이도록 한다. 이렇게 꽉 끼이도록 하는 것은 백래쉬를 최대한 없애기 위함이며, 물론 시간이 지나고 홈과 돌기가 마찰을 반복함으로 인해 마모가 발생하여 백래쉬가 발생할 수 있다. 그러나 플라스틱 스파이더는 저렴하고 교체하는 과정 또한 어렵지 않은데다 교체 후에는 전과 같은 동일한 성능을 발휘할 수 있다. 스파이더의 홈과 허브의 돌기가 미세하게 미끄러지면서 편심과 편각을 흡수해 원활한 토크를 전달하게 된다. 따라서 편심과 편각을 흡수하는데 저항요소는 스파이더의 홈과 허브의 돌기가 미끄러지면서 발생하는 마찰력밖에 없다. 편심과 편각이 증가한다고 해서 올드햄 커플링에 연결된 베어링 부하가 증가하지는 않는다. 일부 다른 커플링은 샤프트의 편심, 편각이 증가함에 따라 흡수하는 부분이 과도하게 휘어지면서 베어링의 부하를 증가시키는 경우가 발생하기도 한다. 올드햄 커플링은 비교적 적은 편심(<0.005인치)과 편각(<0.5도)을 흡수할 수 있으며, 회전수도 4000rpm으로 한정되어있다. 비교적 큰 편각에서 올드햄 커플링은 등속성을 잃어버린다. 3개의 조각으로 이루어진 구조로 인해 샤프트가 허브방향으로 전후진하는 동작을 흡수하지는 못하며 또한 샤프트를 커플링이 분리되지 않고 잘 지지할 수 있도록 조립해야한다. 편각이 없는 완전한 편심의 경우 올드햄 커플링은 비교적 많은 편심을 흡수한다. 대략 0.025inch ~ 0.1inch까지이며, 커플링의 크기가 큰 경우에는 이보다 큰 편심을 흡수하기도 한다.

 

죠타입 플렉시블 커플링 (Jaw type Flexible Coupling)

 

 

일반적으로 정교한 제어를 요하는 서보시스템의 설계에 스트레이트-죠(straight-jaw) 커플링은 적합하지 않다. 그러나 죠 커플링의 한 종류인 커브드-죠(Curved-jaw) 커플링은 서보 시스템 디자인에 매우 적합한 제품이다. 커브드 조 커플링은 변형을 감소시키고 고속회전 시에 발생하는 원심력의 영향도 제한하는 특성을 지니고 있다. 백래쉬가 없는 커브드죠 커플링은 두 개의 금속성 허브와 하나의 스파이더라고 불리는 별모양의 탄성체 인서트로 구성되어있고 스파이더는 두 금속성 허브의 죠 사이에 끼워지게 된다. 올댐 커플링과 마찬가지로 죠와 스파이더가 꽉 끼이게 됨으로써 백래쉬가 발생하지 않는다. 올댐 커플링보다 훨씬 압축되어 끼워져 있기 때문에 상대적으로 올댐 커플링보다 백래쉬가 발생할 빈도수가 적다. 그럼에도 불구하고 죠 커플링을 백래쉬가 전혀 없어야하는 장치에 사용할 때에는 유의해야 할 사항이 있다. 만약 탄성체인 스파이더가 흡수할 수 있는 한계치를 넘어서 토크가 증가하게 되면 압축되어 끼워있던 스파이더의 예압이 소멸되어 백래쉬가 발생되며, 이로 인해 예기치 않은 큰 문제를 발생시키기도 한다. 죠 커플링은 좋은 등속성을 가지고 있으며, 약40,000rpm까지 사용이 가능하지만 편심과 편각을 많이 흡수하지는 못한다. 특히 축 방향으로 생기는 움직임을 보정하기는 힘들다. 또한 다른 서보 커플링과 비교했을 때 상대적으로 큰 편심과 편각으로 인해 베어링에 큰 부하를 가져온다. 만약 스파이더가 깨지거나 변형이 일어난다 하더라도 죠 커플링은 토크전달을 끊지 못하는 특성이 있다. 다양한 재질의 스파이더를 제공하고 있으니 사용자는 기계의 성능에 맞는 스파이더를 채택해야 한다.

 

디스크 플렉시블 커플링 (Disk Flexible Coupling)

 

 

 

디스크 커플링(Disk Coupling)은 두 개의 허브와 토크를 전달하는 하나의 얇은 금속성(또는 합금)의 디스크로 구성되어 있다. 일반적으로 이 디스크를 허브에 고정하기 위하여 공차가 거의 없는 핀으로 고정을 하게 되는데, 그 이유는 고정하는 핀과 디스크 그리고 허브사이에서 발생하는 틈새를 가능한 한 없애 백래쉬와 틈새로 인한 흔들림의 발생을 최소화하기 위해서다. 때로는 두 개의 디스크로 구성된 커플링도 있는데 이때의 구성방식은 두 개의 디스크 사이에 부가적인 허브를 삽입하고, 각 끝단부에 허브를 결합하는 형태로 이루어진다. 중간에 삽입되는 허브는 일반적으로는 금속성 재질을 선택하지만 플라스틱 재질을 사용해 전기절연을 의도하기도 한다. 구조적으로 하나의 디스크를 가진 커플링은 편각을 흡수하기에는 용이하지만 복합적인 휨을 요하는 편심을 흡수하는 데는 무리가 있다. 허나 두 개의 디스크를 가진 커플링은 두 개의 디스크가 서로 별개로 반대방향으로 휠 수 있어 편심을 흡수하는데 있어 매우 용이하다. 일반적으로 디스크 커플링의 특성은 커플링 중 최상의 특성을 가진 벨로우즈 커플링의 특성에 견줄만하다. 특히 토크를 전달하는 방식은 아주 유사하다. 응답성 측면에서 살펴보면 디스크도 벨로우즈 만큼이나 단단하기 때문에 벨로우즈 보다는 약간 떨어지지만 좋은 응답성을 가지고 있다. 디스크는 아주 얇기 때문에 편심, 편각이 발생하면 쉽게 휘어지도록 만들어졌으며, 일반적으로 서보 커플링 중 가장 적은 베어링 부하를 발생시키면서 많게는 5도까지의 편각을 흡수하기도 한다. 한 가지 단점이 있다면 디스크 커플링은 아주 정교하고 예민해 잘못 사용하거나 부적절하게 취부를 하게 되면 손상을 입는 경우가 많다. 즉 최상의 효과를 원한다면 편심, 편각을 흡수하는 범위를 잘 고려해 특별한 주의를 기울여 디스크 커플링을 조립해야 할 것이다.

 

벨로우즈 플렉시블 커플링 (Bellows Flexible Coupling)

 

 

 

벨로우즈 커플링(Bellows Coupling)은 두 개의 허브와 얇은 금속성 벨로우즈로 구성되어있다. 일반적으로 허브와 벨로우즈는 용접을 하든지 아니면 접착제를 이용하여 결합한다. 다른 여러 재질도 사용 가능하지만 일반적으로 스테인리스스틸과 니켈 두 가지 재질이 주로 사용된다. 니켈 벨로우즈는 주로 전착(Electro Deposition)으로 만들어진다. 먼저 벨로우즈 모양의 단단한 형상을 만들고 이 형상에 니켈이 전착되도록 한다. 니켈이 형상위에 전착되고 나면 화학약품을 사용해 형상부분을 녹여 없애고 니켈재질의 벨로우즈만 남게 된다. 이러한 공정들은 두께를 조절하기에 아주 용이하고 정교하며, 다른 어떤 공정보다 좋은 결과를 가져온다. 이렇게 형성된 얇은 벨로우즈는 아주 예민하고 응답성이 좋아 소형이면서 아주 정교하고 예민한 기계의 제작에 접합하다. 한 가지 단점이 있다면 벨로우즈가 얇아 토크를 전달하는 능력이 약하다는 것이다. 이러한 단점을 보완하면서 일반적으로 고 토크에는 니켈보다 스테인리스스틸 재질의 벨로우즈를 사용하는데 이는 하이드로포밍(Hydroforming) 기법을 사용해 제작된다. 이 방법은 얇은 스테인리스스틸 튜브를 벨로우즈 모양을 갖춘 형틀에 삽입하고 유압을 사용하여 형태를 만들어 낸다. 벨로우즈는 모션컨트롤을 요하는 모든 기계에 가장 이상적인 토크전달을 구현해 낼 수 있다. 얇은 벨로우즈 형상이 편심, 편각은 물론 편심과 편각이 복합적으로 존재하는 축의 토크전달도 무난히 소화해 낼 수 있다. 일반적으로 벨로우즈커플링은 1도에서 2도까지의 편각도 흡수할 수 있으며, 0.01인치에서 0.02인치까지의 편심의 흡수도 가능하고, 축방향의 움직임도 보정할 수 있다. 얇은 벨로우즈의 특성으로 인해 관성에 의한 영향을 적게 받으며, 다른 커플링과는 달리 등속성이 상당히 좋은 제품이다. 또한 가장 중요한 요소는 힘을 전달하는데 있어 백래쉬가 발생하지 않고 응답성이 상당히 좋은데다 아주 높은 정교성은 물론 반복 정도도 가지고 있다는 점이다. 벨로우즈와 결합되는 허브의 재질을 알루미늄으로 선택함에 따라 관성의 영향을 최소화할 수 있으며, 이 또한 좋은 응답성을 주는 주요한 요소가 될 것이다.

 

리지드 커플링 (Rigid Coupling

 

 

 

리지드 커플링(Rigid Coupling)은 정교한 제어는 힘들지만 가격이 저렴하고 간단히 축과 축을 연결하기 위해 자체 제작이 가능한 제품이라고 알려져 있기 때문에 설계자들은 모션 컨트롤 설계 시 리지드 커플링을 사용하는 것을 고려할 생각조차 하지 않았다. 그러나 요즘은 작은 크기의 알루미늄 재질의 리지드 커플링을 사용하는 빈도가 늘고 있는 상황이다. 작지만 큰 토크를 전달할 수 있고 응답성이 좋은 것은 물론 백래쉬가 전혀 없기 때문이다. 이름에서 알 수 있듯이 리지드 커플링은 토크가 전달되면 휨 현상이 전혀 없이 힘을 전달하여 응답성에서는 뛰어나지만 편심이나 편각이 존재하면 부하가 바로 발생하게 된다. 만약 편심과 편각이 존재하게 되면 불필요한 부하가 발생해 축, 베어링, 커플링 자체에도 영향을 미처 기능적인 문제가 발생하게 된다. 이러한 종류의 커플링은 아주 빠른 회전에는 사용하기가 힘들다는 것이다. 그 이유는 빠른 회전으로 인해 발생하는 열이 축으로 전해져 팽창하게 되면 열팽창에 의한 오차를 보정하기가 힘들기 때문이다. 그럼에도 불구하고 만약 조립과정에서 편심과 편각을 완전히 없앨 수 있다면 리지드 커플링은 아주 훌륭한 성능을 발휘하게 된다. 모션 컨트롤 시스템 설계 시 가장 중요한 점은 리지드 커플링 자체에 편심과 편각이 존재하게 되면 베어링이나 시스템의 성능에 바로 악영향을 미친다는 것이다. 따라서 리지드 커플링을 사용할 때는 항상 편심과 편각을 최대한 없애는 작업을 해줘야한다. 편심과 편각을 없애기 위해서는 먼저 모터와 연결되는 기계부품의 체결을 느슨하게 풀어주어 자유롭게 움직일 수 있도록 해야 한다. 다음으로 정교하게 만들어진 커플링을 샤프트에 체결한다. 커플링을 샤프트에 체결한 후 모터와 커플링, 샤프트에 부하가 걸리지 않도록 유지하면서 느슨하게 풀어진 각 부품들을 다시 체결한다. 일반적으로 리지드 커플링의 양쪽 내경이 일직선상에 위치하도록 하기위해 정교한 연마작업을 수행해야한다. 연마작업을 하면 제작과정 중 발생되는 변형을 없애주면서 아주 정교한 내경을 만들 수 있다. 공차가 아주적은 그리고 아주 대칭인 커플링은 샤프트와의 접촉면이 최대가 되면서 동시에 큰 힘을 전달할 수 있는 능력을 가지게 된다. 리지드 커플링은 진동이 많이 발생하는 설계에는 사용하기 힘들다. 진동으로 인해 부품을 고정한 나사나 부품자체가 느슨해져 기계를 사용할 때 원활한 토크 전달에 문제가 발생하기도 한다. 이러한 진동에 의한 풀림을 방지하기위하여 나사에 나일론 풀림방지 처리를 하여 사용하는 경우도 있으며, 나일론 풀림방지 처리를 하면 스테인리스스틸 재질의 암 나사산의 마모를 방지하는 효과가 있다. 리지드 커플링을 체결하는 가장 간단한 방법은 세트 스크류를 사용하는 방법이며, 요즘은 샤프트에 손상이나 흠집을 내지 않고 큰 힘으로 잡아줄 수 있는 클램핑 방식을 선호하고 있다. 클램핑 방식의 또 다른 장점은 리지드 커플링의 분리가 쉬워 기계의 보수가 필요할 시 다른 부품을 풀지 않고 커플링을 분해하고 재조립이 가능하다는 것이다. 대부분의 클램핑 방식의 리지드 커플링은 육각렌치머리 스크류를 사용하며, 한축에 두 스크류를 가깝게 장착한다. 원통을 횡 방향으로 자른 형태를 지닌 클램핑 방식의 리지드 커플링은 다른 체결방식보다 큰 체결력을 가지고 있으며, 연결되는 샤프트의 크기에 약간의 편차가 있다 하더라도 무리 없이 사용이 가능하다. 다만 이러한 종류의 커플링을 장착할 때 주의해야할 사항은 스크류를 조금씩 번갈아가며 반복하여 체결해야 한다는 곳이다. 만약 이렇게 하지 않아 인접해 있는 스크류에 많은 힘이 가해져 체결이 되면 전체적으로 원하는 체결력을 얻을 수 없다.