“극한의 상황”에서 정밀하게

이미 시작되고 있는 인더스트리 4.0 시대를 대비하기 위해, 사람과 기계 사이의 조화는 필요사항일 뿐만 아니라 전제조건이다. 사용하는 콤포넌트는 어려운 사용 조건에서도 정밀하고 정확하게 작동해야 한다. 이를 위해 제공되는 특별한 드라이브와 윤활제가 있다.

세바스챤 리베라(Sebastian Rivera): Harmonic Drive AG의 Aerospace, Defence and Special Environments 세일즈 엔지니어

“harsh environments(혹독한 환경)“이라도 부르는 특수한 영역에서 정밀 구동 기술에 대한 요구가 증가되고 있고, 새로운 틈새 시장이 생기고 있다. 이 분야에선 최고의 정밀도와 높은 토크 밀도 외에 부품의 신뢰도가 결정적이다. 수중에서 사용하거나 또는 군사적 목적으로 사용 중 콤포넌트를 교체하는 것은 상당히 어렵고 때론 불가능하기도 하다. 이러한 극한의 조건을 위해 Harmonic Drive는 고객을 지원할 목적으로 프로젝트 시작부터 넓은 스펙트럼의 특수 솔루션을 개발하고 있다. DIN ISO 9100에 따른 완벽한 구성 매니지먼트를 포함하여 사용하는 콤포넌트의 추적성부터 스테인레스 스틸에 대한 요건에 이르기까지 Harmonic Drive AG의 기어는 수많은 고객의 요건을 충족하고 있다.

그림 2: 기어 시리즈 CPL: 스트레인 웨이브 기어의 원리는 절대적인 제로 백래쉬에서 하나의 단계로 감속비와 높은 출력 밀도를 합친다.

높은 출력 밀도와 제로 백래쉬를 위한 스트레인 웨이브 기어

Harmonic Drive사의 스트레인 웨이브 기어의 원리는 특수 환경에 사용되는 수 많은 정밀 기어의 근간이 되고 있다. 웨이브 제너레이터, 플렉스 스플라인, 원형 스플라인 등 세 가지 콤포넌트로 구성되는 기어 원리는 무게와 출력 밀도에서의 유일무이한 장점을 절대적인 제로 백래쉬 조건에서 높은 기어비와 하나로 합쳤다. Harmonic Drive는 이 기어 원리를 이용하여 우수한 성능의 고품질 정밀 기어를 산업화하였고, 이 기어는 로보틱스, 공작 기계, 군사 기술, 항공 우주, 광학 그리고 정밀 엔지니어링 분야의 고객들이 주로 사용하고 있다. Harmonic Drive의 기어는 대부분 웨이브 제너레이터에 의해 구동되며, 플렉스 스플라인은 출력을 형성하고 원형 스플라인은 하우징에 고정 설치된다. 이 구성으로 30 ~ 160 사이의 한 단계 감속비가 가능하다. 크기에 따라 320 감속과 같이 고객별로 더 큰 감속비도 실현할 수 있다. 백래쉬가 있는 유성 기어와 달리 Harmonic-Drive 기어의 이 맞물림은 구름 접촉이 아닌 슬라이딩 접촉이다. 카탈로그 제품의 경우 특별히 이러한 특성에 맞게 개발된 고성능 윤활제를 사용한다. Flexolub-M0 구리스는 표준 사양을 넘어 더 넓은 온도 범위에 사용할 수 있도록 개선된 제품이다. 이 구리스를 사용하면 권장량을 사용할 때에 웨이브 제너레이터 베어링이 수명을 제한하는 콤포넌트로 인식되고, 따라서 톱니와 플렉시블 콤포넌트 (플렉스 스플라인)은 피로에 저항한다. 사용에 있어서 중요한 포인트는 수명, 토크, 저온 시 효율 등의 매개변수를 고려하여 최적의 윤활제량을 정하는 데에 있다. 가장 적합한 윤활제를 사용하려면 언급한 매개변수 사이에서 적절한 타협점을 찾아야 한다.

효율에 미치는 긍정적인 영향

사용 온도 범위는 더 넓고 사용량이 줄어든 윤활제는 온도가 낮을 때에 효율에 긍정적인 영향을 미친다. 이 경우 초고진공에 사용하는 등, 여타 주변 조건은 고려하지 않는다. 수 많은 우주 비행 프로젝트와 지상에서의 진공 사례에 대해서 구리스의 탈가스 거동을 사용한다. 탈가스 거동은 이른바 고진공 테스트를 이용하여 확인할 수 있다. 특히 ESA(유럽우주기구) 후원 프로젝트에 참여한 것은 우주 비행 기어의 지속적인 발전에 기여한다. ESA가 허용하는 우주 비행 윤활제는 산업 진공 사례에도 사용할 수 있다. 혹독한 사용 조건과 관련해서, 우주 비행에는 극한의 조건이 지배적이다. 극도로 낮은 온도는 윤활제를 진공 상태에서 사용한다는 점과 조합하여 매우 높은 효율을 요구한다. 우주 항공 분야에 사용할 때 초점은 전체 메커니즘의 신뢰도를 고려하느냐 하는 것이다. 정밀 메커니즘은 안테나를 위치 결정하기 위해 또는 솔라 패널을 태양 방향으로 배열하기 위해 인공 위성이나 연구 미션에 필요하다. 보통 우주 비행 메커니즘에 요구되는 수명은 대략 100,000 ~ 150,000회의 출력 회전이다. 따라서 기어는 슬립 링과 다른 콤포넌트와 같은 크기이다.

그림 3: 무게와 콤팩트한 구조를 극소화하기 위해 하우징에 통합된 원형 스플라인

통합 디자인이 장착 공간 및 무게를 줄인다

무게와 소요 공간은 특히 우주 항공 분야에서 드라이브 컨셉트를 선택할 때에 중요한 요소이다. Harmonic Drive 기어와 서보 드라이브를 통합함으로써 고객의 연결면을 확연히 최소화할 수 있다. 부품 개수와 나사 체결부 개수가 줄어들고 신뢰도를 높이는데, 많은 FMEA를 통해 입증된 바이다. 그림 3은 가능한 하우징 통합을 보여준다. 장착 공간과 무게 절감을 위해 톱니가 바로 하우징에 맞물린다. 바깥지름이 110mm에서 90mm로 줄어들었고, 그 결과 최대 토크과 관련하여 줄어든 강성은 사전에 FE 분석을 통해 점검 하고 극대화하였다. 콤포넌트를 통합할 수 있는 또 다른 방법은 웨이브 제너레이터와 플렉스 스플라인의 연결면을 통해 생긴다. 두 연결면은 나사 체결부 또는 미끄럼키 홈으로 설계하였다. 과부하가 높은 범위, 특히 고장인 경우에 테스트에서 안전 계수를 적용하여 증명해야 하는 과부하 범위에서 표준 연결부는 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 응용 사례에는 모든 연결면을 스플라이 방식의 록킹 시스템으로 실현할 수 있다. 이러한 록킹 시스템의 긍정적인 효과는 간단한 조립과 공정 비용 최적화이다. 또한 플렉스 스플라인을 고객 주문에 따라 직접 출력축으로 실현할 수 있다.

충격과 진동 저항이 입증된 드라이브

Alopex Drive도 아크초 범위의 포지셔닝 목적을 위해 옵션으로 출력측 센서 시스템을 갖춘 통합 구조를 제공한다. 이 구조는 고품질 서보 모터를 유격이 없는 기어와 조합하여, 극한의 환경 조건에 사용하기에 적합하다. MIL 표준에 따라 인증 받은 제품인 이 드라이브는 -46 ~ 63 °C의 넓은 온도 범위와 입증된 충격과 진동 저항을 특징으로 한다. 이동식 적용 사례를 위해 설계 개발한 결과, 이 저전압 드라이브는 지난 몇 년간 획득한 역량을 자신의 콤포넌트로 자유롭게 만들 수 있는 새로운 시리즈로 종합한다. Alopex Drive의 구조는 Harmonic Drive 솔루션 키트의 전략과 연결된다. 이는 소량 내지 중간 정도의 배치 크기에 최적화된 모듈 시스템으로, 이를 통해 프로토타입 단계에서 신속하고 유연하게 기술적으로 양산에 가까운 제품을 제작하고 테스트할 수 있다(박스 참조). 현재의 제품 라인을 통해 Harmonic Drive는 고객별 디자인을 소량이라도 경제적으로 제작할 수 있다.