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고성능 커플링(COUPLING)의 기초기술
 
고성능 커플링의 선정
 
월간 기계기술기자 | 2004.04.01 | 2004년 4월호
 
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액추에이터와 기계를 결합하는 고성능 커플링은 기계성능을 좌우하고 기계 시스템 평가에 큰영향을 미친다. 본고에서는 금속 커플링을 중심으로 종류와 특성, 커플링 전달능력을 결정짓는 토크 및 노백래시의 선택 등에 대해 살펴본다.
2. 고성능 커플링의 선정
커플링은 다양한 용도에, 다양한 종류가 사용되고 있다. 한마디로 커플링 선정이라 해도 부하변동이 심한 곳, 허용오차가 큰 곳, 백래쉬를 받아들이지 않는 곳 등 여러가지 용도에 맞는 선택이 필요 하다. 여기서는 다양한 용도 중에서도 동작제어에 있어서 고성능 커플링의 선정에 여러가지 내용의 포인트를 소개한다. 동작제어에 있어서 커플링의 선정은 가속시간, 감쇠시간을 얼마나 짧게 할수 있는가, 얼마나 정확한 위치에 위치결정하는 것이가능한가, 가속시, 감속시에 작용한다. 또한 순간적인 관성부하에 대응할 수 있는지 없는지의 고려가 필요하다.
동작제어에 의한 고성능 커플링의 조건
동작제어의 대표적 장치로서는 NC공작기계, 산업용로봇 등이 있다. 최근 몇년간의 서보모터의 진보에 의해 고속, 고정밀화가 실현되어 이것과 함께 동력전달의 한단락을 짊어진 커플링 고속, 고정밀화에 대응 가능한 것들을 추구하고 있다.여기서는 그 고속, 고정밀화에 대응가능한 고성능 커플링의 선정조건에 대해 소개하고자 한다.
 1) 고성능 커플링 선정으로서의 고려사항
 가. 전달 토크
 나. 회전수
 다. Back-lash
 라. 전달특성(비틀림 강성,공진등의 회피)
 마. 관성모멘트
 바. 심맞춤정도
 사. 축과의 체결방법
 아. 소음(회전시의 바람소리)
 자. 안전성
 2) 위의 경우를 고려한 가운데 고성능 커플링의 조건은 아래와 같다
 가. 소형으로 고토크의 전달이 가능한 것
 나. 축심의 오차를 크게 취할수 있는 것
 다. 장수명일 것
 라. 메인터넌스 불필요
 마. 균형이 좋을 것바. 자기 관성이 작을 것
 사. 소음 발생이 어려울 것
고성능 커플링 선정의 포인트
고성능 커플링을 선정하는데 있어서 몇가지의 포인트가 있다. 여기서는 고성능 커플링의 선정 포인트에 대해서 순서대로 확인한다
 
 1. 토크
  커플링을 선정하는 경우, 제일 먼저 확인할 필요가 있는 것이 허용 토크이다. 커플링 역할의 제일 토크전달이 가능한 커플링을 선정하는것이 기본이다.
  통상커플링 선정시에는 모터의 선정이 종료되어 있는 경우가 대부분이므로, 모터의 피크 토르크 기준으로 커플링을 선정하는 것이 가장 이상적이라 할수 있다. 서보모터 구동에 있어서 부하 특성은 <그림 1>에서 처럼 가속시, 그리고 정지시 큰 부하가 걸리기 때문에 커플링 자체의 이 피크 토크에 이길 필요가 있다 하지만, 모터의 피크 토크를 기준으로 커플링을 선정한 경우 아래와 같은 순서가 필요하므로, 너무 높은 성능의 커플링을 선정해 버리는 경우가 자주 있으므로 너무 여유를 갖지 않도록 선정에는 주의가 필요하다.
 
  실제 최대부하 <모터의 피크 토크 <커플링의 허용
 
 토크 커플링의 용도가 다종다양하게 사용된다는 것은 앞에서 게재한 대로다.
  산업용 로봇과 같이 직접부하를 구동하는 것, 공작기계, 실장기와 같이 이송나사를 출력쪽에 사용 하는 것 등에 각자의 쓰임이 다르다. 특히, 이송나 사를 사용하는 경우는 가감속도시간의 관성부하가 크게 되는 경우가 많고, 모터의 선정동향, 가속 시, 감속시의 관성에 의한 부하를 고려할 필요가 있다.
  아래 모터선정시의 가감속 토크와 총부하 토크의 생각을 나타낸다.
.
커플링을 모터의 피크 토크를 기준으로 선정하는 경우에는, 통상 모터의 선정시에 안전률을 고려하고 있기 때문에 극단적으로 부하변동이 심한 경우 이외에는 안전률을 일부러 고려할 필요는 없다고 말할 수 있다. 그러나 실제 부하로부터 환산하는 경우는, 안전률을 고려하는 것이 무난하다 할수 있다.
 <표 1>은 충격부하와 안전계수의 개략의 관계를 나타내는 것으로, 실제 부하의 보정부하에 대한 내용은 아래와 같다.
  TD= TA×K
 TD:보정토크 [N·m]
 TA:최대부하 토크 [N·m]
 K: 안전계수 커플링의 허용토크와 보정토크가 아래와 같이 되도록 커플링의 선정을 실시한다.
  TN≥TD
  TN:커플링의 허용토크 [N·m]
 
 2. 허용 회전수
 커플링의 허용회전수는 커플링자체의 재료의 강도, 구조, 형태등을 고려하여 결정되어있다. 종래의 동작제어에 있어서 모터의 회전수는 3000부터 5000[r/min]정도이고, 동작제어용의 커플링을 사용한 후에는 문제가 된 적은 없었다.
  그러나, 최근 공작기계(특히 MC)의 주축회전수가 가속적인 진보를 함에 있어 15000~ 20000[r/min]정도부터, 30000[r/min]이상의 속도도 등장하기에 이르렀다.
  이에따라 커플링도 고속회전의 대응이 필요하게 되었고, 커플링의 균형이 중요한 요소로 됐다.
  커플링은 축 이음에서 다른요소와 비교해, 관성이 큰 경우가 많고, 주축용에 사용하는 커플링은 불균형을 수정하여 사용하는 것이 일반적이 되었 지만, 어디까지나 커플링은축 요소의 일부분이기 때문에, 균형에 있어서는 축 전체로 생각할 필요가 있다.
  또한, 균형을 고려한 커플링<그림 2>의 제품화를하고 있는 커플링메이커도 있기 때문에 선정시에는 메이커와 협의를 하는 것이 필요하다.
 
 3.Back-lash
 서보 시스템에 있어서 기계계의 Back-lash, 즉틈은 치명적인 장애가 된다.
  동작제어용 커플링을 선정하는 경우 마찰부분이 없고, Back-lash less의 커플링을 선정할 필요가 있다.
  종래의 커플링의 축고정은 키 전달방식이 주류 였다. 그러나 키 전달의 경우, 꼭 Back-lash가 존재하기 때문에 동작제어용 고성능 커플링으로서는 부적합하다.
  동작제어용 커플링의 축고정 방법으로서는 마찰 고정방식이 최적으로, 마찰체결요소가 내장되어 있는 커플링<그림 3, 그림 4>이 적합하다고 말할 수있고, Back-lashless를 실현하기 위해서는 마찰체 결요소의 내장은 필요불가결한 조건이다.
 
 4. 허용 취부 오차
 허용 취부 오차는 다시말해서 허용편심량< 그림 5>허용 편각량<그림 6>, 허용 축방향변위<그림 7>의 것을 말한다.
  구동측의 축과 피동측의 축은, 중심선을 가능한한 일직선상으로 하여 사용하는 것이 바람직하다.
  그러나 이것을 달성하는 것은 사실상 불가능하고,이 오차에 의해 발생하는 반력이 진동, 소음, 축의 파손, 등 속성의 저하, 내구성의 저하 등의 원인이 된다.
  커플링은 동력의 전달은 물론, 구동축과 피동축의 오차를 흡수하는 것이 큰 목적의 하나이기 때문에 구동축과 피동축의 오차를 알아내 최적의 커플 링을 선정할 필요가 있다 허용 취부오차를 고려한 경우, 되도록이면 플렉 시블한 커플링을 선정할 필요가 있다 그러나 일반적으로는 플렉시블성과 강성은 상반되기 때문에, 플렉시블성만을 중요시한 나머지, 강성이 작은 커플링을 선정하면, 동작제어용의 커플링으로서 불충분하게 되므로, 쌍방을 고려하여 최적의 커플링을 선정할 필요가 있다.
  기계계의 구동축과 피동축의 오차를 가능한 제로에 가깝게하는 노력도 필요하게 된다.
 
 5. 강성
 커플링의 강성이라 함은 보통 회전방향에 대한 (비틀림강성)것을 말하고, 동작제어의 경우, 강성이 작으면 구동측에 대한 피동측의 늦어짐이 크게 되어 정지정밀도의 저하, 공진 등의 원인이 되기 때문에 중요한 요소의 하나로서 가능한한 강성이 높은 커플링을 선정할 필요가 있다.
  그러나, 기계계 전체의 강성은 커플링의 강성 이외에 모터의 강성, 이송나사의 강성 등복수의 요소에 의해 결정돼 있어 동작제어의 경우 커플링의 강성을 생각하는 것은 물론, 기계계 전체의 강성을 생각하는 것이 중요하다.
 
 6. 관성
 관성은 강성과 함께 동작제어에 있어서 고응답을 실현하기 위해 중요한 요소이다. 공작기계에 있어서는 Hi-lead이송나사의 채용에 의한 고속이 송을 실현, 한층 더 고속화 등 점점 더 커플링의 저관성화를 요구하게 됨은 틀림이 없다.
  관성도 강성의 경우와 함께 기계계의 성능은 커플링의 관성뿐만 아니라, 모터, 이송나사, Work 중량 등 종합적으로 생각할 필요가 있다.
 
 7. 축경
 커플링의 경우, 당연히 축경에 대응한 것을 선정 하게 되지만, 축경을 결정한후에 커플링을 선정한 경우, 사용 축경에 의해 과장사이즈의 커플링을 선정하는 경우가 되거나, 부하토크에 대해 축경의 사이즈가 적절하지 않고(고부하 토크임에도 불구하고 축경이 작은 경우) 마찰 체결부가 미끄러지는 등의 트러블이 발생할 가능성이 있기 때문에 주의가 필요하다.
 
 8. 공진
 서보 시스템에 있어서, 공진이 발생하면 제어불 가능이 되어, 커플링의 파손 등의 중대한 트러블이 발생하게 된다. 서보시스템의 공진은 기계계의 고유진동수와 서보모터의 응답주파수의 관계에 의해 발생, 공진을 막기 위해서는, 기계계의 고유진 동수를 모터의 응답주파수보다 높게 할 필요가 있다 기계계의 고유진동수는 아래의 식으로 계산할수 있다
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f: 기계계의 고유진동수[Hz]
 K: 기계계의 비틀림스프링정수[kgf·cm/rad]
 J: 기계계의 관성모멘트[kgf·cm/s2]
 위와같이 고유진동수는 관성과 강성의 비에 의해 결정한다. 서보 시스템에 있어서는 공진이 발생 하지 않는 시스템의 구축이 중요하고 공진회피는 필요불가결한 조건이다.
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선정의 순서
동작제어용의 고성능 커플링의 선정순서는 차트 <그림 8>와 같다.
  여기서는 이 차트에 따라서 하나의 예로서 <그림 9>와 같은 이송나사를 가진 기계계의 고성능 커플 링의 선정예를 소개하고자 한다.
 (1) 각 사양, 조건의 확인
 모터의 피크 토르크: 4[N·m]
 모터의 축경: φ14[mm]
 모터의 관성모멘트 : 0.37×10 -4 [kg·m2]
 모터의 응답주파수: 300[Hz]
 이송나사의 길이: 800[mm]
 이송나사의 외경: φ20[mm]
 이송나사의 리드: 10[mm]
 이송나사의 축경: φ12[mm]
 테이블의 중량: 10[kg]
 워크 중량: 10[kg]
 사용최고회전수: 3000[r/min]
 편심 축량: 0.15[mm]
 편각 축량: 1.5[° ]
 축방향변위량: 0.2[mm]
 
 (2) 커플링의 임의 선정
 동작제어용의 고성능 커플링은 판스프링 타입, 리지트 타입이 선정의 대상이 되지만, 구동측 축, 피구동측 축을 일직선상의 심맞춤을 하는 것은 매우 어렵다는 것은 앞에서 게재한 내용대로 이다.
  또한 볼스크류 축단에는 흔들림 등에 의한 취부 오차도 있기 때문에 리지트 커플링은 권장할 수 없다. 또한 마찰체결에 의한 축고정, 백래쉬도 동작 제어용의 고성능커플링의 필요조건이라고 말할수 있기 때문에, 일반적으로는 마찰체결요소 내장의 판스프링타입의 커플링을 선정하는 것이 무난 하다 할 수 있다.
  <표 1>에 마찰체결요소 내장의 판스프링 커플링의 사용표를 나타낸다. 이 사양표로부터 최종 확인 항목<표 2>의 1부터7의 조건을 만족하는 커플링을 임의 선정한다.
  임의 선정 커플링: SFC-035WD
 
 (3) 총 관성모멘트를 구한다
 1) 모터의 관성모멘트[JM] 조건으로부터
 JM= 0.37×10-4 [kg·m2]
 2) 커플링의 관성 모멘트 [JC] 커플링의 사양표로 부터
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위와 같이 확인사항을 모두 만족하고 있다는 것이 확인 되었다.
 
 7) 커플링의 결정
 확인항목<표 3>을 모두 만족하는 커플링을 임의 선정했다. 정식의 형식은 아래와 같이 된다.
  SFC-035WD-12B-14B
 이번의 예도 몇가지 있는 커플링의 선정 조건의한 예이지만, 그밖의 많은 조건에 따라서 각각에 맞는 선정이 필요하다. 실제로는 코스트 등을 고려해 선정 하는것도 참고로 생각해야 한다.

 
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