서보 드라이브 시스템에서 기계식 토크 리미터를 사용하는 이유는 무엇인가?

R+W Couplings

서보 드라이브 시스템에서, 기계의 파라미터 프로그램의 토크 제한을 설정하는 것은 비교적 쉽다. 이 경우 모터에만 전자 토크 제한을 한다. 많은 경우에, 제조 공정은 모터에서 멀리 떨어진 기계적 동력 전달 부품에서 이루어진다. 그러므로 안정성의 관점에서, 모터의 전자 장치는 기어, 커플링, 샤프트, 더 나아가 드라이브 라인의 질량에 영향을 주지 않는다.

결과적으로 서보 드라이브나 모터의 토크를 모니터링하는 PLC가손상을 방지할 만큼 과토크 상태를 빠르게 회복하지 못한다. 회전 장비의 경우, 종종 전자 기기로 측정하지 못하는 회전 관성이 많은 기어 박스와 샤프트가 있다. 또한 리니어 애플리케이션은 정지하거나 충돌할 때, 그것을 구동하는 회전 장치에 관성이 생기게 된다. 정밀 기계식 토크 제한기와 안전 커플링은 막힘과 오작동이 발생할 가능성이 있을 때 좋은 옵션이 된다.

기계 충돌 시 어떤 일이 발생하는지 알고자할 때, 충격력 방정식(impact force equation)이 유용하다.

여기서, F=힘(N), m=질량(kg), v=속도(m/s), s=정지 거리(m)이다. 이 방정식에서 충돌로 생기는 힘이 정지 거리에 반비례하고, 질량과 속도에는 정비례한다는 것을 알 수 있다. 즉, 장치가 커질수록, 또 움직이는 속도가 빨라질수록, 충돌 시 더 큰 충격이 가해진다. 정지 거리는 충격력에 반비례하기 때문에, 충돌 거리가 짧을수록 충돌로 인해 더 많은 힘이 전달된다. 회전 관성과 토크도 같은 원리다.

  T=토크(Nm), ω=각속도(rad/S), t=가속이나 감속 시간(S), J=관성 회전 모멘트(kg*m^2)이다. 여기서도 정지 시간이 토크에 반비례함을 알 수 있다.

이 방정식이 일반적인 산업용 드라이브 애플리케이션에 적용될 때 1~3밀리초 범위의 정지 시간으로 인한 토크는 천문학적으로 높아진다. 많은 경우에, 역학 에너지는 모터에 충격 후에 추가 전류를 공급하는 중요한 역할을 한다. 그러나 많은 엔지니어는 전류와 토크를 제어하면서 이 법칙을 쉽게 잊는다. 기계식 동력 전달 부품의 질량 관성 모멘트를 찾는 것과 기기들이 얼마나 빨리 움직일지는 비교적 쉽게 알 수 있다. 오히려 기계가 어떻게 충돌할 것이며, 그것으로 어떤 일이 발생할 것인지를 파악하는 것이 어렵다.

회로에 다양한 수준의 과부하 보호 기능을 넣는 것은 전기 설계의 관행이다. 대부분의 산업용 제어 박스는 각 분기 회로에서 주 차단기나 퓨즈, 보호 기능을 갖추고 있다. 많은 개별 장치에는 자체 과부하 보호 장치가 있다.

그러나 이 개념은 기계를 만드는 데, 때로는 기계적 퓨즈의 벨트와 체인, 커플링과 같은 드라이브 부품 만들 때, 기계 설비의 측면에서 확고하게 자리 잡지는 못했다. 그보다는 드라이브 라인을 보호하기 위해 퓨즈 역할을 하는 일련의 전단 핀(shear pin)으로 기계를 만든다.

한편, 볼 디텐트 토크 리미터(ball-detent torque limiter)의 안정적인 기술은 최근 수년간, 다이나믹 드라이브 애플리케이션에 더 적합하도록 개선되었다.
정밀 볼 디텐트 토크 리미터는 근본적으로 퓨즈 대신에 사용하는 기계식 회로 차단기이다. 보통 부품이 고장 나면 교체해야 하지만, 토크 제한기는 수명이 다할 때까지 여러 번 작동과 재설정을 할 수 있다.

유지 보수와 예비 부품, 과부하 후의 가동 중지 시간을 없애는 것 외에도, 전단 핀보다 기계식 토크 제한기를 사용하거나, 과토크 상태에서 벨트나 커플링을 분리했을 때 얻는 이점은 훨씬 명확하다. 정밀 볼 디텐트 토크 제한기는 전형적으로 ±5%의 정확도를 유지한다. 전단 핀은 설계와 건축 자재에 따라 ±20% 범위이다. 대부분의 정밀 기계식 토크 제한기는 설정을 조정할 수 있으므로, 설치 후 분리 토크 값을 미세 조정할 수 있다.

기계식 토크 제한기를 전자 토크 제한기와 함께 사용하면, 시스템의 여러 지점에서 충돌이 발생할 수 있는 장치 근처에 설치할 수 있다는 장점이 있다.
기계식 토크 제한기는 과토크 상태를 즉시 감지하고 신속하게 해제하도록 설계되어, 대부분 서보모터와 같은 전자 장치가 과토크 상태가 되기 전에 드라이브 라인을 분리할 수 ​​ 있다.

대부분의 기계식 토크 제한기는 기계와 전자의 통합 설계가 가능하다. 전자 근접 스위치는 과부하 발생 시 작동하는 구동 장치 근처에 배치할 수 있다. 이 시스템은, 과토크가 발생하면 시스템 일부를 차단하는 PLD나 프로세스 컨트롤러로 과부하를 감지하고 그것을 분리하기 때문에 유용하다.
토크 제한기는 기계의 여러 부분에 배치할 수 있으므로, 근접 센서를 사용하여 고장을 매우 빠르게 감지할 수 있다.

요약하면, 피크 프로세스 토크값(peak process torque value)은 항상 서보모터의 구동계나, 서보 드라이브 매개 변수로 프로그래밍된 관련 전류 제한을 통해 계산되어야 한다. 그래야 과부하 상태에서 모터를 보호할 수 있다. 프로세스에서 토크를 제한하는 가장 좋은 방법은 기계식 토크 제한기를 고장이 발생한 부분에 최대한 가깝게 설치하는 것이다(프로세스 유지 보수와 제한기 재설정 가능).

근본적으로, 기계 제작자는 기계 충돌을 없애기 위해 여러 장치를 한꺼번에 사용해서는 안 된다. 회로 차단기와 퓨즈, 전자 제한기는 전기 설계 시 여러 단계에서 사용해야 한다. 토크 제한기와 보호 장치, 범퍼는 기계 설계에 사용해야 한다.

자료 제공: R+W Couplings(www.rw-america.com)