로봇 관절용 선회 링 베어링 선택 방법

로봇공학용 선회링 베어링이란 무엇인가요?이 베어링은 하나의 링 세트로 축 방향 하중, 반경 방향 하중 및 기울기 모멘트를 모두 지지하는 대구경 베어링입니다. 따라서 로봇 관절은 별도의 축이나 베어링 스택 없이 회전할 수 있습니다. 하지만 허리 관절과 어깨 관절이 동일한 베어링에 가하는 하중이 매우 다르기 때문에 적절한 크기를 선정하는 것이 어렵습니다.

이 가이드는 새로운 로봇 축을 설계하거나 크기가 너무 작아 교체해야 하는 베어링을 설계하는 엔지니어를 위한 것입니다. 이 가이드를 마치면 하중 조건, 기울기 강성 목표, 백래시 한계, 그리고 공급업체에 보낼 수 있는 베어링 유형 목록을 확보하게 될 것입니다. 저는 200개 이상의 장비 프로젝트를 포함하여 중장비 및 동력 전달 분야에서 30년 이상 기계 설계 경력을 쌓았습니다.

사이즈 산정 시작 전 필요한 입력 정보

일부 입력값은 진행을 막습니다. 다른 입력값은 나중에 수정할 수 있습니다. 결과에 영향을 미치지 않는 숫자에서 진행이 멈추지 않도록 먼저 입력값을 정렬하세요.

입력	블록 크기 조정?	왜 중요한가
최대 확장 시 탑재체 질량 및 도달 거리	예	축하중과 기울기 모멘트를 설정합니다.
팔의 질량과 무게중심 위치	예	탑재물보다 더 많은 모멘트를 추가하는 경우가 많습니다.
관절축 방향(수직 또는 수평)	예	중력이 축방향인지 방사방향인지 결정합니다.
공구 끝단에서의 반복성 목표	예	각도 백래시 한계로 변환합니다.
최대 가속도 및 비상 정지 하중	첫 번째 시도를 기다릴 수 있습니다	정적 하중에 동적 요소를 추가합니다.
봉투: 외경, 케이블용 내경, 높이	첫 번째 시도를 기다릴 수 있습니다	베어링 시리즈 호환 제한
환경(먼지, 세척, 온도)	첫 번째 시도를 기다릴 수 있습니다	씰, 코팅 및 재질에 영향을 미칩니다.

팔의 질량을 아직 알 수 없는 경우 CAD를 사용하여 질량을 추정하고 임시 값으로 표시하십시오. 20% 정도의 오차는 시제품이 나온 후에 수정하는 것보다 지금 수정하는 것이 훨씬 쉽습니다.

단계별 선정 절차

1. 최악의 상황을 가정한 자세를 그려보세요.일반적으로 팔은 완전히 뻗어 수평을 이룹니다. 모든 질량과 베어링 중심과의 거리를 표시하십시오.
2. 축력, 반경력 및 기울기 모멘트를 계산하십시오.축 방향 힘과 방사 방향 힘은 무게(질량 × 9.81)에서 발생합니다. 모멘트는 각 힘에 베어링 중심 평면까지의 레버 암을 곱한 값입니다.검문소:로봇 팔과 탑재체의 모멘트 합은 CAD로 계산한 무게중심 결과와 몇 퍼센트 이내로 일치해야 합니다.
3. 동적 부하를 추가합니다.탑재체와 로봇 팔의 가속도를 포함시키십시오. 공급업체에 정적 등급에 적용하는 하중 계수를 문의하십시오.
4. 반복성 목표를 백래시 한계로 변환합니다.팁 오차 ≈ 도달 거리 × tan(각도 백래시). 도달 거리가 1,000mm일 때, 0.1°의 백래시는 약 1.75mm의 팁 오차를 발생시킵니다. 목표 정밀도가 이보다 더 정밀한 경우, 백래시 또는 예압이 중요한 요소가 됩니다.
5. 베어링 종류를 선택하세요.뒷부분에 나오는 유형표를 사용하십시오. 모멘트를 처리할 수 있는 가장 작은 단면부터 시작하여 강성을 확인하십시오.
6. 설치 구조를 확인하십시오.얇고 유연한 플랜지에 장착된 단단한 베어링도 기울어질 수 있습니다. 도면을 제출하기 전에 공급업체와 평탄도 및 볼트 체결 패턴을 확인하십시오.
7. 드라이브와 함께 사용하세요.외부 기어 톱니가 있는 베어링이 필요한지 아니면 통합 선회 구동 장치가 필요한지 결정하십시오. 이는 백래시 제어 방식을 결정합니다.

예시 자료 (실제 고객 사례가 아닌, 이해를 돕기 위한 수치입니다)

팔의 무게가 60kg이고 무게중심이 밑면에서 0.5m 높이에 있다고 가정해 봅시다. 탑재량은 20kg이고, 무게중심까지의 거리는 1.0m입니다. 허리 부분의 축하중은 (60 + 20) × 9.81 ≈ 785N입니다. 기울어짐 모멘트는 (60 × 0.5 + 20 × 1.0) × 9.81 ≈ 490N·m입니다.

저 값들은 정적인 값일 뿐입니다. 공급업체에서 제공하는 동적 계수를 곱한 다음, 카탈로그 표에 있는 숫자 하나만이 아니라 베어링의 정격 용량 곡선과 비교하십시오.

허리 관절과 어깨 관절: 하중, 모멘트, 강성 및 백래시 매트릭스

대부분의 제품 페이지에서는 로봇 공학용 선회 링 베어링을 허리 관절 부품으로만 설명하고 그 이상은 언급하지 않습니다. 하지만 어깨 관절도 마찬가지로 많이 사용되며, 요구 사항은 다릅니다. 아래 표는 요구 사항이 어떻게 달라지는지 보여줍니다.

선택 요인	허리 관절(수직축)	어깨 관절(수평축)	디자이너를 위한 활동
주 부하 경로	무게는 축을 따라 작용하므로 대부분 축 방향입니다.	무게는 축을 가로질러 작용하므로 대부분 방사형입니다.	베어링의 축 방향 또는 반경 방향 정격을 적절하게 선택하십시오.
기울기 모멘트 출처	팔과 탑재체가 받침대에서 뻗어 나옵니다.	링크 무게중심이 베어링 평면에서 벗어난 위치	모멘트는 탑재량뿐만 아니라 오프셋에서도 계산해야 합니다.
기울기 강성 필요	높음, 왜냐하면 공구에서 기울기가 곱해지기 때문입니다.	높으면 관절 정렬에도 영향을 미칩니다.	하중 등급뿐만 아니라 강성 데이터도 비교하십시오.
반동 효과	끝부분에서 각도 오차로 나타납니다.	중력 토크의 부호가 바뀔 때 오류가 반전되는 것을 제외하면 동일한 오류가 발생합니다.	팁 오차 공식을 사용하여 백래시 한계를 설정하십시오.
구동 장치에 작용하는 중력 토크	회전축에 관한 내용은 없습니다.	대부분의 자세에서 크고 한 방향으로만 움직입니다.	어깨 부분에서 토크 유지를 위한 구동 장치의 크기를 정하십시오.
일반적인 시동 베어링 유형	중간 하중에는 교차 롤러 또는 이중 열 볼 베어링, 무거운 하중에는 삼중 열 롤러 베어링을 사용합니다.	견고하고 단단한 접합부를 위한 교차 롤러	초기 추측값으로 간주하고 하중 곡선을 통해 검증하십시오.
일반적인 실패 징후	최대 도달 시 흔들림, 한쪽 레일 마모	방향 전환 시 속눈썹 마모, 하중이 가해지는 부위의 불균일한 마모	첫 서비스 시 속눈썹 및 한쪽 마모 여부를 점검하십시오.

이 내용이 적용되지 않는 경우:오프셋 축 관절, 균형추가 달린 로봇 팔, 병렬 링크 로봇은 이러한 패턴을 깨뜨립니다. 이러한 로봇의 경우, 표에 의존하는 대신 전체 부하 조건에서 테스트를 진행하십시오.

위의 예시에서 0.15m 오프셋을 가진 숄더 베어링은 약 785N × 0.15m ≈ 118N·m의 모멘트를 받게 됩니다. 490N·m의 중력 토크는 대부분 구동 장치를 통해 전달되고 베어링에는 거의 전달되지 않습니다.

어떤 베어링 유형이 어떤 연결부에 적합한가

다양한 설계 방식은 강성, 높이 및 비용 측면에서 서로 상충됩니다. 로봇 설계자들이 가장 많이 고려하는 유형들을 간단히 비교해 보겠습니다.

베어링 타입	가장 적합한	한계
단일 행 회전 링 볼 베어링	가벼운 하중에서 중간 하중까지, 컴팩트한 축	롤러형보다 기울기 강성이 낮음
더블 로우 볼 슬루잉 링 베어링	높이가 적당히 증가함에 따라 축하중과 모멘트 하중이 증가합니다.	한 줄짜리 봉투보다 더 큰 봉투가 필요합니다.
크로스 롤러 선회 베어링	높은 강성과 낮은 기울기가 요구되는 소형 관절	장착면의 평탄도에 민감함
3열 롤러 선회 베어링	무거운 탑재물과 큰 모멘트	대부분의 로봇 축에 필요한 것보다 크고 무거우며 비쌉니다.

경량 무기의 경우,경하중 선회 베어링충분할 수도 있습니다. 공급업체가 해당 시리즈의 강성 수치를 제공할 수 없다면, 계약하기 전에 요청하십시오.

흔히 저지르는 실수와 해결 방법

• 탑재량만을 기준으로 크기를 결정합니다.로봇 팔 자체의 질량은 종종 탑재물의 질량만큼 큰 모멘트를 발생시킵니다. 모든 링크를 포함하여 2단계에서 모멘트 합을 다시 계산하면 문제를 해결할 수 있습니다.
• 어깨 관절에 축방향 등급을 사용합니다.수평축은 무게를 방사형 하중으로 변환합니다. 방사형 하중 및 모멘트 용량 곡선과 비교하여 다시 확인하십시오.
• 테스트 전까지는 반발을 무시한다.방향 전환 시 팁 산란으로 나타납니다. 4단계로 돌아가서 실제 도달 거리를 사용하여 다시 계산하십시오.
• 얇은 플랜지에 장착.팔을 끝까지 뻗었을 때 마모가 고르지 않거나 기울어지는 현상이 나타납니다. 구조를 강화하거나 더 두꺼운 어댑터 링을 추가하십시오.
• 실링 및 코팅 검토는 생략합니다.먼지나 물에 노출되면 수명이 단축될 수 있습니다. 부품 번호를 최종 결정하기 전에 설치 장소에 적합한 보호 조치를 고려하십시오.

완료 확인

아래 항목들이 모두 참이면 선택이 완료된 것입니다.

• 축방향 하중, 방사방향 하중 및 모멘트 하중은 동적 계수를 더하여 최악의 자세에 대해 기록됩니다.
• 공급업체의 생산능력 곡선은 해당 물량에 대한 여유분을 보여줍니다.
• 백래시로 인한 팁 오차가 반복성 목표치보다 낮습니다.
• 장착 구조의 평탄도와 볼트 패턴이 확인되었습니다.
• 구동 방식은 기어 톱니가 있는 베어링 또는 통합 선회 구동 장치 중에서 선택됩니다.

절차를 변경하는 변형

정밀한 백래시 제어와 컴팩트한 패키징이 필요한 경우, 통합형 솔루션이 적합합니다.슬루 드라이브별도의 베어링과 기어를 교체할 수 있습니다.더블 웜 슬루 드라이브설계 변경은 두 개의 웜 기어를 서로 맞닿게 배치할 수 있기 때문에 백래시를 줄이는 한 가지 방법입니다. 비표준 볼트 패턴이나 케이블 구멍의 경우,맞춤형 선회 구동 장치이는 로봇 본체를 재설계하는 것보다 더 실용적인 경우가 많습니다.

뤄양 선회 베어링 유한회사는 15년 이상 선회 베어링과 선회 구동 장치를 제작해 왔으며, 2,000건 이상의 중장비 프로젝트에 자사 제품이 사용되었습니다. 아래 사례들은 로봇 팔은 아니지만, 유사한 하중 경로와 정밀도 요구 사항을 보여줍니다.

• 영국 맨체스터에 있는 자동화 장비 제조업체가 자동 턴테이블 시스템용 SP-I 0841-32.1 100대를 주문했습니다.
• 캐나다 브리티시컬럼비아의 한 임업 장비 제조업체가 정밀도 0.13° 이하의 WED14-86-25BHR.5 이중 웜 선회 구동 장치 30대를 주문했습니다.
• 텍사스주 휴스턴의 한 제조업체는 선회 플랫폼용 SEA21-125-25HR(2) 100대를 주문했습니다.

시제품의 경우, 표준 제품 최소 주문 수량(MOQ)은 1세트이며, 맞춤형 제품 최소 주문 수량은 5세트입니다. 3일 내 신속 시제품 제작 서비스를 제공하며, 24시간 이내에 기술 제안서를 보내드립니다. 당사 공장은 ISO 9001:2015 인증을 획득했으며, 모든 선회 베어링은 CMM 검사 및 동적 하중 시험을 거칩니다. 자세한 내용은 당사 웹사이트를 참조하십시오.선회 구동 품질 관리자세한 내용은 해당 페이지를 참조하십시오. 당사의 2년 연장 보증은 확인된 제조 결함에 한해 적용됩니다.

규격보다 작은 부품을 교체하는 경우, 하중 조건, 엔벨로프 및 백래시 목표값을 보내주십시오. 당사 엔지니어가 해당 시리즈와 수치를 대조하여 선택하신 로봇용 선회 링 베어링의 허용 오차 범위와 부족 범위를 알려드립니다.