서보 애플리케이션을 위한 커플링 선정 방법

Ringfeder

서보 애플리케이션에 적합한 커플링 스타일을 선택하는 일은 어렵지만은 않다. 토크, 강성, RPM 값, 샤프트 오정렬 같은 요소와 관련된 애플리케이션 요구사항을 이해하면 적절한 선택범위로 쉽게 좁힐 수 있다. 전형적인 서보 애플리케이션은 공작 기계, 포장 장비, 실험 및 측정 시스템, 반도체 제조, 기타 고속 모션 시나리오를 포함해 축 중심 리니어 모션이 필요한 자동화 시스템을 포괄한다.

커플링의 주된 역할은 연결된 샤프트 간에 토크를 원활히 전달하면서 방사형과 축 방향 또는 각도의 불일치를 보정하는 일이다.

커플링 선택을 조사할 때 올바른 시작 방법은 서보 커플링 요건 전부를 폭넓게 이해하는 것이다. 이를 설계 프로세스의 초기 단계에서 고려하면 특정 모션 애플리케이션에 대한 올바른 유형을 결정하는 데 도움이 된다.

반복되는 위치 정확도를 유지하려면 백래시가 없는 커플링을 찾아야 한다. 높은 회전 속도를 감당하기 위해서는 커플링의 질량균형이 잡혀 있어야 한다. 또, 대부분의 서보 커플링이 낮은 토크에서 100Nm 토크까지 설계됐음을 알고 있는 것도 중요하다.

서보 커플링은 샤프트 오정렬 및 유지보수가 필요 없도록 허용돼야 한다. 이와 같은 기준 전부를 충족하는 두 가지 유형 즉, 강성 금속 벨로우즈 커플링(rigid metal bellows couplings)과 유연한 서보 인서트 커플링(flexible servo insert couplings)이 있다. 많은 서보 애플리케이션은 기본 토크, 샤프트 크기, 라이프 사이클 등의 요구사항을 충족하기 위해 두 가지 유형 중 하나를 사용할 수 있다.

 

금속 벨로우즈 커플링의 특징 : 낮은 관성, 높은 강성

금속 벨로우즈 커플링은 대개 알루미늄 허브가 있는 스테인리스 스틸 벨로우즈로 구성된다. 소형 모델에는 통합 클램핑 허브 또는 고정 나사가 있어서 사용하기 간편하고 공간을 절약할 수 있다. 벨로우즈 개념엔 방사형과 축 또는 각도 샤프트 정렬을 보정하면서 자유롭게 구부릴 수 있는 얇고 균일한 벽이 있다. 균일한 벽은 모든 회전 지점을 따라 베어링 하중을 최소한으로 받는다. 반대로 다른 유형의 벨로우즈는 불규칙한 하중을 받을 수도 있다. 또한 금속 벨로우즈 커플링은 낮은 관성과 높은 강성을 제공하므로, 높은 정확도와 반복성을 요구하는 서보 애플리케이션에 적합하다.

최근 기계 가공 애플리케이션을 예로 들면, 모터가 양방향으로 회전하면서 모터와 볼 스크루 사이에 있는 약간의 오정렬을 보완하기 위해 커플링이 필요했다.

이런 상황에서 Ringfeder의 제로 백래시 DKN 20 금속 벨로우즈 커플링은 최상의 오정렬 기능과 비틀림 강성을 제공한다. 높은 비틀림 강성은 특정 공작기계 설치의 중요한 요건인 기계 정확도와 밀접한 관련이 있다. 비슷한 응용 분야에서 DKN 45 금속 벨로우즈 커플링은 레이저 조각 기계에 모터와 볼 스크루를 연결하는 데 사용됐다. 이 커플링은 정확한 위치 지정을 위해 비틀림 강성을 제공하는 특성에 따라 선정됐다.

서보 인서트 커플링의 진동감쇠 기능

서보 인서트 커플링은 보통 알루미늄 허브와 엘라스토머(elastomer) ‘스파이더(spider)’ 인서트로 만들어진다. 세트 스크루를 통한 클램핑 또는 능률적인 설계를 위한 통합 클램핑 허브가 특징이다.

또 다른 특징은 엘라스토머 인서트(insert)를 간단히 교환해 조정할 수 있는 유연함이다. 사용하기 쉽도록 색상이 구분돼 있다. 단단한 인서트는 금속 벨로우즈의 높은 강성을 얻는 반면, 부드러운 인서트는 댐핑 성능과 오정렬 허용 오차를 최대화한다.

진동 감쇠를 최적화하도록 선택할 수 있다. 이 커플링 설계는 방사형과 축 방향 및 각도 샤프트 오정렬에 대한 탁월한 공차가 특징이다. 그밖에도 뛰어난 토크 전달과 높은 각도 위치 정확도를 특징으로 갖는다.

최근 그라인딩 머신(grinding machine) 애플리케이션에서 커플링을 위한 핵심 요구사항은 백래시 없는 성능, 오정렬 보상, 높은 비틀림 강성을 포함한다. GWE 5112 서보 인서트 커플링은 높은 작동 공차, 탁월한 토크 전달, 진동 감쇠 기능을 기반으로 선택됐다. 백래시 없는 자동 조인트 커플링(backlash-free, self-aligning coupling)이며, 완벽한 동심 러닝(concentric running)을 보장한다. 최고 525Nm의 매우 높은 토크에 적합하다. 스테인리스 스틸 GWE 5104 서보 인서트 커플링은 기후 챔버(climate chamber)에 사용되는 테스트 스탠드에 적용됐다.

 

커플링의 중요 링크 역할

서보 커플링은 전체 자동화 시스템에서 핵심 링크 역할을 한다. 또한 기어 박스, 선형 액추에이터, 다른 유형의 커플링, 샤프트 잠금 장치와 같은 여느 동력 전달 구성 요소와 함께 작동해야 한다. 그밖에도 수축 디스크 및 잠금 장치와 같은 보완 부품과 잘 작동하는 커플링 설계를 선택하는 것이 중요하다.

금속 벨로우즈와 서보 인서트 커플링 중에서 선택을 고려할 때 애플리케이션의 주요 요구사항에 따른 팁을 염두에 둬야 한다.

• 금속 벨로우즈 커플링과 서보 인서트 설계 모두 토크 전달 면에서 뛰어나다. 그러나 금속 벨로우즈 스타일은 서보 인서트 디자인보다 백래시가 없고 관성이 낮다.

• 서보 인서트 커플링은 금속 벨로우즈 설계보다 진동 감쇠 및 강성 조정이 뛰어나다.

• 서보 인서트 커플링은 금속 벨로우즈 베어링보다 나은 오정렬 허용오차를 제공한다.

두 커플링 스타일 모두 매우 역동적이고 까다로운 서보 애플리케이션에 이상적이다. 두 옵션의 미묘한 차이점을 이해하면 전체 시스템의 마모가 적어지고 유지 보수가 줄어들 것이다. 또한 정확한 샤프트 정렬은 커플링뿐만 아니라 모터, 구동축, 액추에이터 및 베어링과 같은 관련 부품의 수명을 향상한다.

자료 제공 : Ringfeder(www.ringfeder.com)