서보 시스템 성능 유지를 위한 커플링 적용 방법

NBK

플렉서블 커플링은 구동축을 고정하고 토크를 전달하는 동시에 측면, 각도 및 축과 같은 여러 형태의 오정렬을 허용하는 기계요소다. 애플리케이션 요구에 따라 다양한 플렉시블 커플링 유형이 개발되고 있다. 특정 피드백 메커니즘이 있는 서보 시스템에서 사용되는 커플링은 고정밀 및 고속 응용분야에 필수 요구사항인 정적 비틀림 강성 및 백래시가 없다.

사용자는 정적 비틀림 강성 기능(그림 1)과 함께 디스크 커플링을 사용하는 데 익숙하다. 최근 서보모터의 기술 향상으로 인해 속도 응답 주파수가 크게 향상되었다. 진동(헌팅 이라고도 함) 발생은 디스크 또는 벨로우즈 유형(그림 2)과 같은 높은 정적 비틀림 강성 커플링을 사용하는 서보 시스템에 게인 설정이 적용될 때 발생하는 경향이 있다.
높은 게인 설정에서 서보 시스템을 작동하는 동안 헌팅을 해결할 수 있는 잠재적 솔루션은 커플링에 진동 감쇠 기술을 장착하는 것이다.

안정화 시간이 생산성에 미치는 영향

통합 감쇠기술은 속도를 높이기 위해 안정화 시간을 크게 줄이면서 전체적으로 생산성을 높일 수 있다. 볼 스크류가 있는 피드 스크류 기계와 서보 모터 시스템 간의 상호 작용은 작동문제를 보여준다.
서보 모터와 볼 스크류를 모두 사용하는 피드 스크류 관련 애플리케이션의 경우 이상적인 시나리오는 서보 모터의 명령에 따라 정확하게 작동이 진행하는 것이다. 그러나 실제 시나리오에서는 실행된 명령이 지연되는 상황이 발생할 수 있다. 지연된 응답은 잘못된 포지셔닝의 요인이며, 이 지연된 응답을 안정화 시간이라고 한다(그림 1 참조).

안정화 시간을 줄이려면 높은 서보 모터 게인과 응답 작동이 필요하지만(그림 2) 상당한 게인 증가는 비생산적인 헌팅 현상으로 이어질 수 있다. 사실상 헌팅은 애플리케이션의 작동 평형을 왜곡하고 서보 모터 제어를 비활성화한다. 헌팅을 억제하면서 게인을 높이려면 커플링의 기계적 특성을 검토하는 등 서보 모터 매개 변수를 체계적으로 조정해야 한다.

테스트에 따르면 서보 모터에 디스크 또는 벨로우즈 커플링이 포함되어 있을 때 게인을 높이면 훨씬 쉽게 헌팅이 발생하는 것으로 나타났다. 헌팅이 발생하면 일반적인 통념은 전체 회전 시스템의 강성을 높이기 위해 높은 비틀림 강성을 가진 커플링으로 전환하는 것을 제안한다. 그러나 전체 시스템의 비틀림 강성은 볼 나사의 비틀림 강성에 따라 달라진다.

표 1은 다른 커플링을 사용하는 전체 시스템의 비틀림 강성의 계산된 값을 보여준다. 디스크 커플링의 비틀림 강성 값은 높은 게인 고무 유형의 커플링 값인 240N.m/rad에 비해 450N.m/rad이다. 값을 엄격하게 검토하면 디스크 커플링이 비틀림 강성 값이 1.9배 높다는 결론을 내릴 수 있다.

추가 조사에 따르면 디스크 커플링이 있는 전체 시스템의 비틀림 강성은 전자의 경우 79 N.m/rad이고 후자의 경우 68 N.m/rad로 실제 차이가 약 1.2배이다. 즉, 볼 스크류의 비틀림 강성은 커플링이 아닌 전체 시스템의 비틀림 강성이 더욱 큰 요인이 된다. 커플링을 변경하는 것만으로는 전체 시스템의 비틀림 강성을 충분히 개선하지 못하거나 헌팅 발생을 방지할 수 없다.
특히 속도 응답 주파수(그림 3)에서 서보 모터의 기술 발전으로 인해 헌팅을 피하기 위한 진동 감쇠 기능이 더욱 커졌다. 궁극적으로, 비틀림 강성과 함께 진동 감쇠는 정확한 반복 위치를 통해 정확도를 보장할 수 있다.

1. 목적

커플링의 정적 비틀림 강성과 액추에이터의 위치 반복성 간의 관계를 확인하기 위해 테스트가 수행되었다.

2. 테스트 장비

3. 방법

테스트 방법론은 JIS B 6192(일본 산업 표준) 프로토콜을 준수하며 테스트 장비는 정지위치 정확도의 정확도를 7배 측정한 높은 게인의 고무 유형, 디스크 유형 및 턱 유형 커플링을 사용했다. Max의 간격 및 Min 값을 계산하고 각 값을 비교했다(테스트 결과 참조). 위치의 원점은 최대 범위 라이너 스트로크의 중심과 가장자리 모두에 설정된다. 테스트 매개 변수로서의 최대값은 ±로 작성됐으며 절반 값은 아래와 같다.

4. 테스트 조건

5. 테스트 결과

6. 결론

정적 비틀림 강성은 액추에이터의 위치 반복성에 심각한 영향을 주지 않는다. 위에 언급된 미크론 미만 값의 변동은 액추에이터의 정밀성 때문일 수 있다.

높은 게인을 갖는 고무 커플링의 독특한 구조

높은 게인의 고무 타입 커플링은 양면의 알루미늄 허브를 진동 감소 고무로 몰딩하여 백래시를 방지하면서도 유연성을 유지하는 완전 통합 구조이다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 고무로 안감을 댄 내부 집게 모양 구조는 최적의 비틀림 강성과 댐핑을 허용한다.

Bode 플롯(그림 5)은 높은 게인의 고무 유형 커플링이 보다 높은 비틀림 강성값으로 디스크 커플링의 용량을 훨씬 넘는 이점에 대하여 잘 보여준다. 0dB와 Bode 플롯에서 위상 지연이 있는 지점사이의 게인폭은 -180°이며 이를 게인 마진이라고 한다. 서보 시스템에 대한 지침은 게인 마진을 10 ~ 20dB 사이로 설정하도록 규정한다. 서보 모터 게인이 증가하면 게인 마진이 감소한다. 게인 마진이 10dB 아래로 떨어지면 헌팅이 발생하는 경향이 있다.

디스크 유형의 제한 게인(헌팅이 발생하는 서보 게인)을 고무 유형의 마진과 비교하면 고무 유형의 17.40dB이 디스크 유형의 9.90dB 값을 능가한다. 게인 마진이 10dB 이상이기 때문에, 높은 게인을 갖는 고무 타입의 서보 모터 게인은 디스크 타입보다 안정화 시간을 줄여 생산성을 높일 수 있다.

표 2는 커플링 유형과 서보 모터 게인의 차이에 따른 안정화 시간 차이를 보여준다. 서보 모터의 게인이 같으면 커플링의 차이로 인해 안정화 시간에 차이가 없다. 그러나 서보 모터 리미트 게인을 비교할 때 안정화 시간은 디스크형 리미트 게인(25)의 경우 12ms, 고 게인 고무형 리미트 게인(32)의 경우 3ms이다. 헌팅을 억제하고 서보 모터 게인을 향상시키는 고무 타입은 안정화 시간을 보다 효과적으로 줄일 수 있다.

<테스트 장치>
볼 나사 축 직경: φ15, 서보 모터: 100W

<시험 조건>
모터 회전: 3,000 min-1, 가감 속 시간: 50ms,
공작물 하중: 3.0 kg, 부하 관성 모멘트 비율: 3.5

고무 내구성

고무는 댐핑 특성을 부여하기 위한 부품으로 사용되며, 2007년 높은 게인을 갖는 커플링이 등장한 이후 내구성에 대한 데이터가 축적되었다. 그림 6은 1억 번의 구동 테스트 후에도 고무로 인한 성능 저하가 없음을 보여준다.

향후 이슈

서보 모터는 향후 보다 높은 정밀도, 빠른 속도, 주파수 응답을 가질 것으로 예상된다. 정밀한 서보 시스템 성능을 유지하기 위해 높은 비틀림 강성과 댐핑을 커플링 기술에 지속적으로 요구될 것이다.

자료 제공: NBK(www.nbk.com)