초고속 서보시스템을 위한 방진고무 커플링

신개발 방진고무 커플링은 각종 시뮬레이션을 통한 최적 설계로 방진고무와의 접착력 및 동력전달 특성 극대화, 구동축과 종동축에서 발생하는 진동의 절연 및 흡수, 제로 백래시 및 경량화로 초고속 서보 시스템의 이상적인 동력전달을 실현한다. 또한, 기존 금속재질의 유연체를 적용한 커플링이 낮은 주파수에서 공명을 일으키는 것과 달리 1000Hz 이상의 높은 1차 고유진동수를 가지고 있어 고속회전에 부합되는 특성을 나타낸다.

초고속 서보시스템

모터를 동력원으로 하는 서보 시스템은 일반기계, 반도체 장비, 공작기계, 산업용 로봇, 정밀측정기 등의 산업 분야는 물론 의료기기, 생활가전, 홈오토메이션 등의 실생활에까지 광범위하게 사용된다.
서보 시스템은 동력원인 모터로부터 시작해서 커플링, 볼나사, LM 가이드, 서포트 베어링 및 각종 센서 등으로 구성되어 있으며, 최근의 서보 시스템 개발은 초고속 서보 시스템 또는 초정밀 서보 시스템과 같이 적용 시스템의 성능을 최적화하는 방향으로 설계되고 있다.
특히, 초고속 서보 시스템은 글로벌 경제 위기 이후 생산성 향상을 통한 가격 경쟁력 확보가 관건인 산업계의 주요 트렌드로 자리잡고 있다. 따라서 초고속 서보 시스템 개발자는 서보 시스템을 구성하는 부품의 선정에 있어 초고속 성능을 최우선에 두고 적정 정밀도와 수명 등의 성능을 고려해서 각 구성품을 선정 또는 설계하고 있다.

커플링

커플링은 모터부의 구동축과 이송 시스템의 종동축을 연결해주는 동력전달 부품으로, 양축 간의 편심, 편각, 축변위(End-play) 등의 축 비정렬(Mis-alignment)을 흡수 또는 완화시켜주는 역할이 주된 기능이다. 축 비정렬(편심, 편각, 축변위)은 각 부품의 가공오차, 조립오차 및 운전 중 발생되는 부하토크에 의한 탄성변형, 진동 등에 의해 필수적으로 발생하며, 구성품의 변형, 파손, 시스템의 과도한 진동과 소음, 수명 단축 및 정밀도 저하를 유발한다.
따라서 초고속 서보 시스템 설계자는 설계 의도나 장비의 특성에 맞는 최적의 커플링을 선정하여 적용해야 하나, 특성화된 커플링을 공급받지 못하여 일반적으로 통용되고 있는 커플링을 사용함으로써 장비의 성능 저하와 추가 보수비용이 발생해왔다. 이런 초고속 서보 시스템의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것이 초고속 서보 시스템용 방진고무 커플링이다.

방진고무 커플링

방진고무 커플링은 초듀랄루민재질의 허브 사이에 가볍고 진동 흡수가 뛰어난 HNBR 계열의 방진고무를 유연체로 사용함으로써 미스얼라인먼트의 흡수 및 동력전달을 수행하는 커플링으로, 허브의 형상과 방진고무의 특성이 커플링의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다.
신개발 방진고무 커플링은 각종 시뮬레이션을 통한 최적 설계로 방진고무와의 접착력 및 동력전달 특성 극대화, 구동추과 종동축에서 발생하는 진동의 절연 및 흡수, 제로 백래시 및 경량화로 초고속 서보 시스템의 이상적인 동력전달을 실현한다.
또한, 기존 금속재질의 유연체를 적용한 커플링이 낮은 주파수에서 공명을 일으키는 것과 달리 1000Hz 이상의 높은 1차 고유진동수를 가지고 있어 고속회전에 부합되는 특성을 나타낸다.



방진고무 커플링의 유연체인 HNBR은 초기 NBR 폴리머분자 구조에서 이중결합 부분이 수소화(Hydrogenation)된 것으로 뛰어난 기계적 특성과 강도를 지닌다. 물리적 특성과 내마모성이 뛰어나며 자동차 연료 시스템, 탄화수소계 및 디젤 연료, 냉매 R-11, R-12, R-13, R-134a, 산화방지제, 유압유, 오일 첨가제, 오존, 묽은 산과 염기, 오존 등에 대한 저항성이 뛰어나다.
HNBR은 또 기존의 NBR보다 기계적, 화학적 물성이 뛰어나 방진고무 커플링의 유연체 특성에 매우 적합하다. 그림 2는 방진고무 유연체의 최대 응력변화를 해석한 결과와 변화를 나타낸다.



그림 3은 방진고무 커플링과 타 커플링의 외부하중에 대한 진동흡수 성능을 비교한 그래프이다.



방진고무 커플링의 응답성

방진고무를 적용한 커플링의 가장 큰 장점은 진동 절연 및 흡수를 통해 시스템 안정에 기여한다는 것이다. 그러나 자칫 시스템의 응답성을 저해한다면 이것은 본래의 기능을 하지 못하는 결과와 같을 수 있다. 따라서 시스템에 대한 응답특성을 검토해야 할 필요가 있다.
초고속 서보 시스템의 경우 급격한 가·감속 및 역전운전으로 시스템 전체의 높은 응답성을 요구하고 있다. 특히 서보 시스템에 가장 많이 사용되고 있는 디스크 커플링의 응답성에 대한 검토는 필수적이라 하겠다.
방진고무 커플링의 응답성을 검토하기 위해선 서보 시스템을 정회전, 정지, 역회전을 통해 발생하는 이송계 변위의 오버슈트를 측정과 비교함으로써 평가할 수 있다.
그림 4는 방진고무 커플링의 응답특성을 나타낸 그래프이다. 회전수 3,000rpm으로 정회전 중 급정지 시의 오버슈트량은 약 14micron으로 나타났다.



이 값은 그림 5의 디스크 커플링의 응답특성에서 나타난 약 43micron의 33% 수준으로 뛰어난 응답특성을 보여주고 있다.



이러한 특성은 방진고무 커플링의 허브 형상과 일체형 구조에 의한 것으로 디스크 커플링의 구조보다 높은 응답성을 가지는 것으로 파악된다.

맺음말

이와 같이 허브의 최적 설계, 유연체의 최적 재질 선정 및 결합방식의 적용을 통해 초고속운전과 높은 응답성을 요구하는 서보 시스템에 적합한 방진고무 커플링 개발로 성일기공은 산업 전반에 널리 사용되는 서보 시스템의 경쟁력을 조금이나마 향상시킬 수 있는 제품을 공급할 수 있었다.
또한, 내구성과 신뢰성 확보를 위한 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 성일기공은 이러한 제품개선 및 신제품 개발에 대한 노력을 꾸준히 수행함으로써 초고속 서보 시스템의 100% 국산화 및 국가 장비산업의 경쟁력 제고에 기여할 수 있었다.

김성묵 성일기공 대표이사