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고성능 커플링 (COUPLING)의기초기술
 
Theme Series 현장리포트(2)
 
월간 기계기술기자 | 2004.01.01 | 2004년 1월호
 
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액추에이터와 기계를 결합하는 고성능 커플링은 기계성능을 좌우하고 기계 시스템 평가에 큰 영향을 미친다. 본 고에서는 금속 커플링을 중심으로 종류와 특성, 커플링 전달능력을 결정짓는 토크 및 노백 래시의 선택 등에 대해 살펴본다
4.관성
커플링의 관성모멘트는 모션 제어에 있어서 비틀림 강성과 마찬가지로 중요하고, 고속응답, 정밀한 위치 결정에 영향을 끼친다.
 1)고유 진동수와 관성
 커플링을 포함한 기계의 관성과 로스트 모션은 서보기구가 제어할 수 있는 고속응답성 (시스템 게인)을 결정하는 중요한 항목이다.
  즉, 기계계의 고유진동수에 따라 서보계의 제어응 답이 결정되어 버리는 일도 있다.
  서보기구의 고유진동수는 다음과 같은 식으로 표시 된다.
  위의 식 K는 앞에서 말한 로스트 모션에 상당하여 기계계의 비틀림 강성을 의미한다. 구동측 관성 모멘 트는 서보모터 자체의 로터 관성에 의해 결정된다. 피동기측 관성 모멘트는 이송나사, 로봇 등에서는 팔(arm)이 된다. 커플링의 관성 모멘트는 구동측과 피동측에 각각 1/2씩 걸린다.
  기계의 관성과 고유진동수와의 관계는 위의 식으로 표현되고 서보 시스템의 고응답화는 고유 진동수를 얼마나 높이느냐에 달려 있고 기계계의 저관성화, 고강성화는 바로 그러한 이유에서이다.
 즉 아무리 고강성을 달성했다고 하더라도 그 관성이 몇 배나 커지면 기계계의 고유진동수가 저하되어 서보 시스템의 응답성을 저해한다.
 2) 관성 모멘트의 저감
 <그림 1>은 표준형의 형상이고 <그림 2>는 관성을 저감화한 일례인데 표준형에 비해 50%~60% 저하되 었다.
  여기에서 중요한 점은 커플링의 자기 관성이 경감될 때에, 커플링 자체의 안전성, 강도 강성·성 능면, 비용면에서도 만족되어야 함이 전제 조건이다.
  자기 관성을 경감시키면 커플링으로 하여금 보다 소형이고 보다 큰 토크를 전달할 수 있게 되고 그 방향을 향해 외경이 작을수록 그리고 길이 방향으로 짧을수록 자기관성은 작아진다.
  그러나 커플링의 자기관성이 경감하면 당연히 한도가 생긴다. 그러므로 알루미늄 합금이나 신소재 사용 그리고 신제조법을 적용함으로써 중량 경감에 따른 관성의 경감화를 도모한다. 이 경우 강도, 강성, 균형성, 고속 회전에 의해 커플링에서 오는 내력의 영향, 그리고 미소한 축심 오차 흡수성도 함께 고려해야 한다.
  기계계의 관성은 커플링에만 그치지 않고 축, 볼나사 등의 서보 메커니즘 전체적으로 고려해야 한다.
 3) 관성 측정 방법
 단순한 형상에 대한 커플링의 관성 모멘트는 쉽게 계산하여 구할 수 있다. 그리고 최근에는 CAD 등을 사용하여 복잡한 형상이라도 정확히 구할 수 있게 되었다.
  <그림 3>은 그 전부터 사용하던 방법인데 측정물을 실로 매달아 회전 모멘트를 가하고 그 회전 유동주기에서 관성 모멘트를 간단히 구할 수 있으므로 참고로
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5 전달상의 특성
1) 장착오차와 반력
 탄성 커플링은 장착오차를 엘리먼트의 탄성을 이용 하기 때문에 장착오차에 비례해서 반력은 커진다. 한편 보정 커플링은 마찰부의 슬라이드를 이용하기 때문에 비교적 큰 편심에서도 반력은 작다.
  커플링의 장착오차에 따른 반력은 전달 상에서는 변동 토크가 되어 전달 손실(loss)이 된다.
 즉 모터축과 부하측의 장착오차가 크고, 게다가 커플링도 반력이 클 경우에는 변동 토크도 커서 모터에 대한 부하용량이 커진다. 따라서 고효율, 고성능을 달성하려면 장착오차에 대한 반력이 작은 커플링을 선택하여 기계의 장착오차를 가능한 한 줄이는 것이 바람직하다.
 2) 회전 전달 오차
 고성능 커플링 요건의 하나로 회전 전달 오차를 들수 있고 복사기나 프린터 등의 분야에서는 회전방향의 위치결정 정밀도와 등속성이 중요하다.
  대형품에서는 자동차의 FF(전륜구동)차에 등속 조인트가 사용되어 장착오차가 크더라도 등속성을 유지 한다. 일반 산업기계의 모션 제어에 있어서 노 백래쉬 (No Backlash) 용도로 탄성 커플링을 적용하는 일이 많아 장착오차에 대한 회전 전달 오차를 크게 보면 변동한다.
  그리고 보정 커플링은 장착오차로 인한 영향은 작으나 탄성 커플링에서는 장착오차의 영향을 받는다.
  <그림 4>과 같이 엘리먼트를 2개 조립한 형태의 커플링에서는 장착오차로 인한 회전 전달 오차가 서로 상쇄되므로 비교적 작다.
 3) 비틀림 강성
 모터 축이 회전하고 동시에 토크가 기계계에 작용하고 있더라도 목적하는 피구동체가 움직이지 않고 모터의 출력(축회전력과 토크)이 서보계 스프링 성분에 흡수되는 것을 모터축에서 본 로스트 모션이라고 한다. <그림 5>는 로스트 모션을 모델화한 그림이다.
 이 그림에서 보면 물체를 곡선대로 움직이려고 하는데 손에 들고 있는 막대의 강성이 약하여 힘을 가하면 막대가 휘어진다. 막대가 물체M을 움직이게 하는 힘에 비해 강성이 약하면 손으로 힘을 가함에 따라 막대는 구부러지고 그 구부러진 막대의 스프링계수에 비례해 물체에 힘이 작용한다. 이 막대의 힘이, 물체가 움직이는데 필요한 힘을 초과하면 물체는 겨우 움직 이기 시작한다.
  즉, 서보계에서 커플링의 로스트 모션은 비틀림 강성에 의해 결정되고 강성이 높을수록 로스트 모션은 작아진다. 커플링의 고(高)비틀림 강성화는 탄력재(element flexiure)와 축체결 부분의 형상에 의해 거의 결정된다. 탄력재의 강성은 통상, 축의 강성보다 크다.
 4) 감쇠(減衰) 특성
 커플링의 감쇠 특성은 탄력재가 고무나 수지일 경우 감쇠성은 크다. 그러나 모션 제어에서 고성능 커플 링은 그 특성에서 볼 때 금속제 커플링을 사용하는 경우가 많아 감쇠특성을 기대하기는 어렵다. 감쇠성이 있는 금속을 채택하면 그 효과는 기대할 수 있으나 모션 제어가 시스템 전체에 미치는 효과와 비용면에서 비교가 된다.
 5) 고유 진동수와 서보 메커니즘의 진동 발생 (發振)
 서보 메커니즘에서는 그 시스템의 고유 진동수가 중요한 포인트이고 시스템의 응답성은 고유 진동수에 의해 결정된다. 커플링의 고유 진동수는 관성과 비틀림 강성에 의해 결정되고 관성에 반비례하며 비틀림 강성에 비례한다.
  따라서 저(低)관성이고 고(高)비틀림 강성을 지닌 커플링은 고유 진동수가 높아진다. 그러나 모션 제어에 있어서는 시스템 전체의 고유 진동수가 시스템 전체에 미치는 영향을 검토할 필요가 있다. 그리고 시스템에 대한 커플링의 관성, 시스템에 대한 커플링의 비틀림 강성으로써 검토해야 하며 또한 시스템 전체적으로 가장 적당한 설계가 필요하다.
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TAG :  고성능커플링  관성모멘트  금속판스프링  액추에이터  전륜구동
 
 
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