로봇 공학 및 코봇: 서보 모터용 정밀 라미네이션 스택

로봇 팔이 PCB에 칩을 올려놓거나 코봇이 인간에게 부품을 부드럽게 넘겨주는 모습을 보면, 실제로는 매우 얇은 철판 더미가 완벽하게 제 역할을 하는 것을 보고 있는 것입니다.

그 시트 - 그 서보 모터 내부의 라미네이션 스택 - 조용히 로봇이 부드럽고 안전한 또는 불안정하고 시끄러운코봇 관절이 10년 동안 시원하게 작동하든, 3년 만에 스스로 요리하든 상관없습니다. 하지만 로봇과 코봇에 대한 대부분의 논의에서 로봇과 코봇은 거의 언급되지 않습니다.

이 문서에서는 라미네이션 스택을 최고급 디자인 레버 프로젝트가 끝날 때 주문하는 상품이 아니라 로봇과 코봇에 사용됩니다.

• 다음 섹션에서 자세히 알아보겠습니다:
  • 서보 모터와 라미네이션 스택이 코봇의 정확성, 안전성 및 '촉감'으로 직접 연결되는 방법
  • 어느 재료, 두께 및 결합 방법 실제로 중요한 이유(그리고 그 이유)
  • 지오메트리가 다음과 같은 트릭을 사용하는 방법 기울어진 스택 및 슬롯 없는 디자인 코깅 토크 및 소음 완화
  • 다음에 따라 스택 기술을 다르게 선택하는 방법 산업용 로봇 대 코봇
  • 실용적인 체크리스트 다음에 라미네이션 스택을 지정할 때 사용할 수 있습니다.

1. 서보 모터, 로봇 공학 및 코봇: 라미네이션이 갑자기 더 중요해진 이유

서보 모터는 로봇공학의 근육과 같은 존재로, 작고 토크가 높으며 피드백 센서에 의해 지속적으로 모니터링되어 정확한 위치와 속도를 맞출 수 있습니다. 서보 모터는 인코더 또는 리졸버와 연결하여 명령된 위치와 실제 위치를 비교하고 실시간으로 수정하기 때문에 로봇, CNC 기계 및 자동화 라인에서 주로 사용됩니다.

산업용 로봇의 경우 일반적으로 요약은 간단합니다: 높은 토크 밀도, 속도 및 가동 시간. 그러나 코봇은 추가적인 제약 조건을 추가합니다: 후진 주행성, 낮은 코깅, 낮은 음향 소음 및 내재된 안전성 사람이 부딪혔을 때. 이러한 '부드러운' 속성은 제어 소프트웨어뿐만 아니라 마그네틱 코어 내부에서 일어나는 일, 즉 적층 스택의 영향을 많이 받습니다.

• 로봇과 코봇 모두 라미네이션 스택이 영향을 미칩니다:
  • 토크 밀도 및 효율성(킬로그램당 얼마나 많은 토크를 쥐어짜는지)
  • 저속에서의 부드러움(코깅 토크, 토크 리플 및 "느낌")
  • 열 거동 및 수명(코어 손실, 핫스팟 분포)
  • 소음 및 진동(NVH) - 특히 사람 주변에서 중요한 문제
  • 코봇의 백드라이브 가능성 및 규정 준수 동작과 같은 안전 특성

2. 라미네이션 스택 내부: 얇은 강판, 큰 결과 초래

대부분의 고성능 서보 모터는 여전히 다음을 사용합니다. 전기 강철 라미네이션0.5-6.5% 실리콘과 합금된 저탄소 철로, 높은 투과성과 낮은 코어 손실을 위해 선택되었습니다. 이 시트는 일반적으로 0.1-1.0mm 두껍게 펀칭하거나 자른 다음 그 사이에 단열재를 쌓아 와류를 차단합니다.

더 얇은 시트는 다음을 의미합니다. 와전류 손실 감소 서보 드라이브가 더 높은 PWM 주파수를 사용하고 로봇 조인트가 더 높은 극 수와 속도로 이동함에 따라 점점 더 큰 문제가 되고 있습니다. 동시에 더 얇아지면 비용과 제조 복잡성이 증가하기 때문에 라미네이션 공급업체는 스탬핑 다이, 버, 코팅에 집착합니다.

로봇 및 코봇 서보 모터의 주요 라미네이션 파라미터

• 로봇 디자이너는 라미네이션 디자인을 세 개의 다이얼이 결합된 디자인이라고 생각하면 됩니다:
  • 머티리얼 시스템 - 선택한 전기강(또는 대체강) 등급
  • 지오메트리 - 톱니 모양, 슬롯/폴 조합, 기울기 및 스택 높이
  • 조립 품질 - 접합 방법, 버 제어 및 정렬 정밀도

3. 결합 방법: 스택을 결합하는 방식에 따라 코봇의 '느낌'이 달라집니다.

수백 장의 얇은 시트는 마술처럼 서로 붙어 있지 않습니다. 다음과 같은 방법을 사용하여 결합합니다. 접착 본딩, 자체 본딩(백락), 기계적 연동, 리벳팅/볼팅, 클리어링 및 용접.

연구에 따르면 끊임없는 줄다리기를 위해서는 다음이 필요합니다. 기계적 강도 및 제조 가능성을 고려해야 합니다. 자기 성능 망가뜨리기 단열재를 손상시키거나 잔류 응력 및 뒤틀림을 유발할 수 있습니다. 접착제 기반 접합은 코어 손실이 적고 절연성이 좋은 반면, 용접이나 적극적인 기계적 인터록은 신중하게 제어하지 않으면 손실과 소음이 증가할 수 있습니다.

결합 방법과 서보 라미네이션 스택에 미치는 영향 비교

• 특히 코봇의 경우, 본드 또는 자체 본드 스택 가 매력적인 이유는 다음과 같습니다:
  • 와전류 손실을 줄여 발열 및 드리프트 감소
  • 로봇이 사람 옆에서 작업할 때 중요한 진동과 소음을 감쇠합니다.
  • 토크를 보다 선형적으로 일정하게 유지하여 힘 추정 및 제어를 간소화합니다.

4. 스택의 기하학적 구조: 코깅, 리플 및 노이즈와의 싸움

로봇 관절을 손으로 백드라이브할 때 "삐걱거리는" 느낌이 든다면, 로봇 관절이 코깅 토크 - 영구 자석과 고정자 및 라미네이션의 상호작용으로 인해 발생하는 기생 토크입니다.

디자이너는 다음과 같은 방법을 사용하여 이 문제를 해결합니다. 전자기 설계 및 라미네이션 형상슬롯/극 조합 조정, 자석 모양 변경, 치아 끝 형상 변경, 라미네이션 스택 기울이기. A 기울어진 로터 또는 고정자 축을 따라 적층을 약간 비틀어 슬롯 고조파가 스택 길이를 따라 '평균화'되어 토크 상수와 효율에 거의 영향을 주지 않으면서 코깅 토크와 토크 리플을 크게 줄입니다.

• 로봇 공학 및 코봇의 경우 라미네이션 레벨 지오메트리 레버가 포함됩니다:
  • 기울어진 로터/스테이터 스택 - 코깅, 토크 리플 및 음향 소음을 줄이며, 특히 저속 "크리프" 이동 및 사람 근처에서 작업하는 코봇에 중요합니다.
  • 슬롯리스 또는 톱니 없는 고정자 설계 - 톱니가 없는 링 모양의 적층 코어를 사용하여 고가의 토크 감지 조인트에 도움이 되는 고착을 거의 제거합니다.
  • 최적화된 슬롯/폴 조합 - 대칭을 깨고 고조파를 분산시키는 분수 슬롯 설계
  • 치아 끝 성형 및 노칭 - 특정 부하 범위에서 포화 및 토크 리플을 줄이기 위한 로컬 조정
  • 조리개 및 ID/OD 비율 - 특히 기어박스나 센서가 로터 내부에 있는 프레임리스 모터에서는 더욱 그렇습니다.

5. 산업용 로봇과 코봇: 서로 다른 라미네이션 우선순위

울타리가 쳐진 셀에서 불꽃을 던지는 산업용 용접 로봇은 인간 작업자 옆에서 전자제품을 조립하는 코봇과는 매우 다른 위험 프로필을 가지고 있습니다. 하지만 두 경우 모두 라미네이션 스택이 작업할 수 있는 토크, 부드러움 및 열 포락선을 정의합니다.

For 산업용 로봇라미네이션 설계는 다음을 우선시하는 경향이 있습니다. 토크 밀도, 효율성 및 비용특히 대량의 경우 더욱 그렇습니다. 기어박스, 단단한 구조, 영리한 제어 루프가 많은 것을 숨길 수 있기 때문에 약간 높은 코깅 토크는 종종 용인될 수 있습니다.

For 코봇 및 외골격 스타일 시스템역구동성과 낮은 피상 임피던스가 핵심입니다. 고토크 밀도 조인트 모터는 종종 낮은 기어비 또는 준직결 구동 아키텍처와 짝을 이루는데, 이러한 구조에서는 이 두 가지를 모두 충족해야 합니다, 모든 걸림돌과 마찰이 사람이 물리적으로 느끼는 것으로 증폭됩니다..

• 라미네이션 스택을 디자인할 때는 두 클래스를 다르게 취급하세요:
  • 산업용 로봇 조인트
    • 비용을 절감하고 처리량을 높일 수 있다면 연동 또는 용접 스택을 사용할 수 있습니다.
    • 완벽하지는 않지만 우수한 코깅 성능을 목표로 하며, 드라이브와 기어박스가 결함을 감추는 데 도움을 줍니다.
    • 사람의 편안함이 아닌 듀티 사이클과 주변 환경에 의해 설정되는 경우가 많습니다.
  • 코봇 및 인간과 대화하는 로봇
    • 매우 부드러운 토크를 위해 본딩/셀프 본딩 스택 및 비뚤어진 라미네이션을 선호합니다.
    • 손실과 온도 편차를 줄이기 위해 더 얇은 라미네이션과 더 나은 코팅을 추진합니다.
    • 백드라이브 시 음향 시그니처와 촉감에 많은 신경을 씁니다.

6. 제조 현실: 로봇 동작에 공차가 나타나는 방식

서류상으로만 보면 라미네이션 스택은 완벽한 모양을 쌓아놓은 것에 불과합니다. 공장 현장에서는 버 높이, 코팅 견고성, 샤프트 맞춤과 같은 디테일이 모터에 실제 개성을 부여합니다.

고속 프로그레시브 스탬핑 및 래피드 스탬핑 프레스는 다이당 수백만 개의 타격을 할 수 있는 라미네이션 생산의 핵심 장비입니다. 올바르게 사용하면 엄격한 공차와 높은 적층률을 제공하지만, 부주의하게 사용하면 단열재를 관통하는 버가 남게 되어 층간 손실과 가청 소음이 증가합니다. 많은 공급업체는 스탬핑을 다음과 같이 보완합니다. 레이저 절단, 단일 노칭 및 로터리 노칭 프로토타입이나 큰 직경의 경우 인터로킹, 본딩 또는 인라인 용접을 통해 스택을 조립합니다.

또한 시뮬레이션한 모터가 실제 모터인지 확인하기 위해서는 CMM 검사, 비전 시스템, 철 손실 테스터, 프랭클린 층간 저항 테스트 등의 검사가 필수적입니다.

• 로봇 및 코봇 성능에 큰 영향을 미치는 제조 선택 사항:
  • 버 제어 - 낮은 버로 코팅을 보호하고 코어 손실과 소음을 줄입니다.
  • 코팅 선택 및 적용 - 견고하고 균일한 절연으로 모터의 수명 동안 낮은 손실과 안정적인 왜곡을 유지합니다.
  • 스태킹 및 결합 프로세스 안정성 - 일관된 압력, 온도 및 정렬로 배치 전반에 걸쳐 백드라이빙 및 코깅 동작을 일관되게 유지합니다.
  • 샤프트와 스택 간 연결 (예: 정밀 형상 구멍, 프레스 핏, 인서트) - 런아웃, 진동 및 조인트의 장기적인 신뢰성에 영향을 미칩니다.

7. 클래식 라미네이션 그 이상: SMC, 축방향 플럭스 및 미래의 로봇 조인트

적층형 전기 강판이 여전히 지배적이지만, 다음과 같은 방향으로 나아가고 있습니다. 연자성 복합재(SMC) 및 전기차, 로봇 공학 등 고성능 드라이브의 축 방향 자속 아키텍처에 사용됩니다. SMC는 절연 철 분말을 3D 형태로 압착하여 사용하므로 기존 적층 방식에 비해 진정한 3차원 자속 경로와 간소화된 조립으로 모터를 설계할 수 있습니다.

로봇 공학 및 코봇의 경우 다음과 같은 기회가 열립니다. 더 평평하고 팬케이크 같은 관절, 통합 냉각 경로, 단순 적층 시트에서는 어렵거나 불가능한 토폴로지를 구현할 수 있습니다. 하지만 SMC는 재료 비용, 달성 가능한 자속 밀도, 공정 성숙도 측면에서 나름의 장단점이 있기 때문에 당분간은 많은 설계가 신중하게 최적화된 적층 스택에 계속 의존할 것입니다.

• 한계를 뛰어넘는다면 고려해 보세요:
  • 하이브리드 코어 - 활성 영역의 클래식 라미네이션과 3D 경로가 도움이 되는 SMC 또는 가공된 플럭스 가이드를 결합합니다.
  • 축 방향 플럭스 서보 설계 - 세심하게 펀칭된 축방향 라미네이션 또는 SMC 코어를 통해 짧은 축 길이에 높은 토크 밀도를 제공합니다.
  • 고급 코팅 및 비정질 합금 - 코어 손실을 더 줄이고 단단히 포장된 팔의 관절 온도를 낮게 유지합니다.

8. 실용적인 체크리스트: 다음 로봇 또는 코봇 라미네이션 스택 설계하기

이쯤 되면 돌릴 수 있는 버튼이 너무 많아서 압도감을 느끼기 쉽습니다. 혼란스럽지 않게 하기 위해 다음과 같이 인간 수준의 디자인 체크리스트 다음에 로봇 조인트의 라미네이션 스택을 지정할 때 안내할 수 있습니다.

• 1. 데이터 시트가 아닌 상호작용부터 시작하세요.
  • 물어보세요: 사람이 이 관절을 밀면 어떤 느낌이 들까요? 이는 코깅 토크, 소음 및 후진성을 얼마나 공격적으로 관리해야 하는지 알 수 있습니다.
• 2. 손실 및 온도 예산을 명시적으로 정의합니다.
  • 드라이브 주파수 및 듀티 사이클을 통해 코어 손실과 구리 손실을 대략적으로 예산으로 계산합니다. 이를 사용하여 라미네이션 두께와 강종을 결정합니다.
• 3. '느낌' 목표에 맞는 가입 방법을 선택합니다.
  • 코봇과 정밀 축: 자체 접착 또는 접착 스택으로 기울어집니다.
  • 중공업용 조인트: 테스트를 거친 경우 인터로킹 또는 용접이 허용될 수 있습니다.
• 4. 왜곡 여부를 조기에 결정합니다.
  • 스큐는 툴링 선택과 적층 공정 변경이 필요합니다. 프로토타입을 제작한 후가 아니라 라미네이션 사양 단계에서 결정하세요.
• 5. 가상의 허용 오차가 아닌 제조 가능한 허용 오차로 고정합니다.
  • 라미네이션 공급업체와 협력하여 다이 기능, 버 제한 및 코팅 시스템을 성능 모델에 맞게 조정하세요.
• 6. 6. real 가입 및 스태킹 프로세스.
  • 레이저로 절단하고 볼트로 고정된 프로토타입은 생산 과정에서 연동되거나 접착된 스택과는 다르게 작동합니다. 최종 공정에 가까운 것으로 검증하세요.
• 7. 사람이 느끼는 감정을 측정합니다.
  • 단순히 효율만 측정하는 것이 아니라 코깅 토크, 토크 리플, 백드라이브 토크 및 음향 스펙트럼을 플로팅하세요. 이는 운영자와 최종 사용자가 실제로 경험하는 것입니다.

라미네이션 스택을 다음과 같이 처리하는 경우 전략적 구성 요소 대신 로봇과 코봇이 더 부드럽고 조용하며 예측 가능하고 안전하게 움직일 수 있습니다.

다음에 누군가가 코봇 관절이 얼마나 "자연스럽다"고 극찬할 때, 그 관절은 매우 얇고 조심스럽게 결합된 강철 조각 더미에서 시작되었다는 것을 알게 될 것입니다.