신개념 최적 설계
서보 시스템의 이상을 실현하다
서보 시스템은 인간의 힘으로 처리하던 일의 대부분을 자동화 설비가 할 수 있게 기반을 제공해 주는 인류 최고의 발명 중 하나이다. 따라서 그 적용 분야가 일반기계, 반도체 장비, 공작기계, 로봇 등의 기계산업은 물론 생활가전, 홈오토메이션 등의 실생활에까지 광범위하게 퍼져있다.
서보 시스템은 동력원인 모터로부터 시작해서 커플링, 볼나사, LM 가이드, 서포트 베어링 및 각종 센서 등으로 구성되어 있다. 서보 시스템의 설계 시 운전거리(Stroke), 운전속도, 운전시간 등의 운전조건과 부하하중, 시스템 강성(Stiffness), 가·감속 특성, 위치정밀도, 손실동력, 마찰, 진동, 소음 및 수명 등을 고려하여 적절한 부품을 선정 또는 설계하여야 한다.
따라서 설계자는 각각의 부품 성능과 수명 등을 고려하는데, 그 중 고려사항으로 가장 적게 취급되는 것이 바로 모터 구동축과 시스템의 부하축을 연결하는 축이음 요소인 커플링이다.
커플링
커플링은 모터부의 구동축과 이송 시스템의 종동축을 연결해주는 동력전달부품으로, 양축 간의 편심, 편각, 축변위(End-play) 등의 축 비정렬(Mis-alignment)을 흡수 또는 완화시켜주는 역할이 주된 기능이다.
축 간 비정렬(편심, 편각, 축변위)은 양축 가공오차, 각 부품의 조립오차 및 운전 중 파생되는 부하토크에 의한 탄성 변형, 진동 등에 의해 필수적으로 발생하며, 제품의 변형, 파손, 과도한 진동과 소음, 수명 단축 및 정밀도 저하를 유발한다.
따라서 서보 시스템의 설계자는 커플링 선정 시 다양한 설계 요소에 대해 상세히 검토해야 하나 실제의 경우 이를 실행하는 설계자는 거의 없다. 그 이유는 커플링이 다른 부품에 비해 서보 시스템에 미치는 영향이 매우 적다고 판단하기도 하지만, 커플링 자체가 충분한 설계 마진을 가지고 제작되었기 때문이다.
일반적으로 커플링은 상용 토크의 두 배에 이르는 최대 토크를 가지고 있으며 커플링 제조업체 자체적으로 1.1~3.0 이상의 안전계수를 추가적으로 부여하고 있다. 따라서 서보 시스템의 설계자는 커플링에 대해 기술적으로 상세히 검토하지 않고 토크 및 미스얼라인먼트에 대한 검토만으로 쉽게 선정하여 사용하고 있다.
그러나 커플링 설계자는 미스얼라인먼트의 흡수를 위한 유연성과 충분한 동력전달을 위한 큰 비틀림 강성이라는 상반된 개념을 충족시키며 충분한 설계안전 계수까지 확보해야 하는 문제에 직면하는데 이것이 커플링에 최적 설계가 적용되어야 하는 이유이다.
다양한 종류의 커플링 중에 가장 널리 사용되며 정밀도를 요구하는 반도체 장비와 로봇 분야에서 가장 선호하는 특성을 지닌 것이 디스크 커플링이다.
디스크 커플링
디스크 커플링은 초듀랄루민재질의 허브 사이에 유연체로 사용되는 스테인리스 디스크판을 여러 장 겹쳐서 단열 또는 복열로 배치되어 비교적 큰 미스얼라인먼트를 흡수하고 충분한 동력전달 특성을 나타내는 커플링으로, 디스크판의 형상이 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. 따라서 고정밀, 고강성 디스크 커플링에 대한 시장의 요구에 대응하기 위해 디스크의 형상을 개선한 신개념 디스크 커플링을 개발했다.
신개발 디스크 커플링은 각종 시뮬레이션을 통한 최적 설계로 디스크판 유동 면적의 극대화, 지지홀의 수를 늘림으로써 볼트 주변에 집중된 힘의 분산과 디스크판의 유연성 확보로 서보 시스템의 이상적인 동력전달을 실현한다.
디스크판을 부쉬에 의한 패키지로 조립하여 디스크의 장수명을 위해 부품 하나하나에 세심한 배려를 하였다. 부쉬는 외경이 홀보다 크고 모서리에 R 형상이 되어 편심, 편각, 엔드플레이 등에 의해 발생되는 휘어짐에 대한 내구성 확보와 디스크판 여러 장을 부쉬에 조합하여 패키지화함으로써, 디스크의 고정도 조합은 물론 각종 하중 발생 시 디스크의 변형을 방지하고 보호한다. 또한, 조립공정마다 동심도를 측정, 조절하여 양쪽 홀의 동심도를 완벽하게 조정하여 조립된 상태이다.
신개발 디스크 커플링은 큰 비틀림 강성을 가지고 있으며, 탁월한 운동성을 지닌 일체형으로 반영구 기대수명을 나타내며, 고속회전으로 단일방향 및 양방향의 성능이 동일하여 주로 고정밀 측정장치, 고속운동 제어 시스템, 임계하중 동력계 및 정밀엔코더 등에 많이 사용되고 있다.
디스크판 최적화 설계
앞서 언급했던 디스크판의 형상으로 가장 보편적으로 취급되는 것이 원형 디스크판이다. 원형 디스크판은 비틀림 강성이 우수하고 제조가 쉬워 가장 널리 사용되었다. 그러나 최적화의 관점에서 보면 비효율성을 지닌 형상임은 부인하기 어렵다.
그림 1의 시뮬레이션 결과(왼쪽)에서 동력전달에 영향이 적은 청색 부분이 많이 분포되어 있음을 알 수 있다. 따라서 동력전달에 영향이 적은 청색 부분을 절개하여 유동면적을 넓히면서 비틀림 강성의 저하가 최소가 되도록 최적화 설계를 적용하여 설계 변경했다. 또한, 지지홀의 수를 늘림으로써 부쉬와 홀 주위의 응력 집중현상을 완화하고 효과적인 동력전달이 될 수 있도록 했다.
그림 1의 시뮬레이션 결과(오른쪽)에서 보듯이 청색 부분이 상당히 감소된 것을 볼 수 있다. 또한, 비틀림 강성의 저하도 미미하고 제품의 신뢰성에 가장 큰 기준이 되는 설계안전 계수의 감소는 거의 없는 것을 확인했다. 그리고 큰 비틀림 강성이 필요한 경우 여러 장의 디스크판을 추가로 조립하여 사용하는데 급격한 유연성의 감소가 일어나지 않기 때문에 효과적인 미스얼라인먼트의 흡수가 가능하다. 또한, 소량이지만 질량의 감소로 인한 관성모멘트의 감소 효과는 고속운전하는 서보 시스템의 요구에 더욱 능동적으로 대처할 수 있게 될 것이다.
디스크 커플링의 성능개선에서 디스크판의 형상 최적화는 지속적으로 진화하는 서보 시스템의 다양한 요구에 부합하는 방향으로 끊임없이 수행되어야 한다.
클램프 성능 개선
디스크 커플링의 클램프는 축과 커플링의 결합을 통해 원 활한 동력전달이 이루어지게 하는 부분이다. 일반적으로 세트 스크류를 이용한 방법과 C형 클램프를 이용하는 방법 및 키이를 삽입하여 보다 강하게 결합하는 방법 등 다양한 클램프의 방법이 존재한다.
보통 키이를 적용하면 가장 확실한 동력전달이 이루어지나 키이를 적용하기 어려운 경우 볼트의 체결력에 기반을 두어 축과 결합하는데 축과 커플링 사이에서 슬립이 발생할 수 있다. 따라서 강력한 체결력을 내기 위해 테이퍼 타입의 클램프를 적용했다.
테이퍼 타입의 경우 적용 가능한 볼트의 수가 비약적으로 증가하기 때문에 강력한 체결력을 보일 수 있고 방사형의 배치를 통하여 불균형 질량을 줄일 수 있으므로 진동과 소음이 감소되는 효과가 있다.
테이퍼 타입의 클램프 설계는 볼트의 체결력과 축 그리고 클램프의 마찰계수에 의한 슬립 토크를 충분히 높일 수 있는지가 설계의 핵심이다. 그러나 마찰계수는 비선형 요소로 이론과 부합되지 않는 경우가 많기 때문에 성능시험을 통한 설계 검증이 필요하다. 그림 3은 커플링 전용 비틀림 시험기를 이용하여 측정한 테이퍼 타입 클램프의 측정화면과 내경 및 체결 토크의 변화에 따른 슬립 토크의 변화를 나타낸 그래프이다.
테이퍼 타입의 클램프는 C형 타입의 클램프보다 약 2.5배 이상의 슬립 토크를 나타내고 있으며, 동일한 체결 토크를 사용하는 해외제품과 비교해도 뛰어난 성능을 나타내었다. 특히 철강계열의 테이퍼부를 사용하는 해외제품에 비해 질량 관성 모멘트가 우수한 알루미늄합금을 사용하여 고속회전에 적합한 테이퍼형 클램프를 개발했다.
맺음말
이처럼 최적화 설계, 최적의 재질 선정 및 결합방식의 적용을 통해 고속운전 및 고동력전달에 적합한 디스크 커플링의 개발을 통하여 산업 전반에 널리 사용되는 서보 시스템의 경쟁력을 조금이나마 향상시킬 수 있는 제품을 공급할 수 있었다. 또한, 내구성 및 신뢰성 확보를 위한 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 이러한 제품개선에 대한 노력을 꾸준히 수행되고 있기에 해외브랜드와의 경쟁에서 대등한 위치를 차지하고 소비자에게 인정받을 수 있는 것으로 생각된다.
김성묵 성일기공 대표이사
