공장 조립 라인, 자재 취급 스테이션 또는 소규모 제조 셀에서 부품을 정확하게 이동하는 것을 본 적이 있다면 작업 뒤에 3축 서보 로봇이 있을 가능성이 높습니다. 이 작고 신뢰할 수 있는 로봇은 단순성, 경제성 및 일관된 성능으로 인해 많은 작업에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 하나를 구입하거나 현재 설정을 업그레이드하려는 경우 거의 항상 나오는 질문 중 하나는 3축 서보 로봇의 각 축의 부하 운반 용량은 얼마나 됩니까?
저는 이러한 로봇 공급업체로서 거의 매일 이런 질문을 받습니다. 그것은 사소한 것이 아닙니다. 특히 개별 축의 부하 용량을 잘못 계산하는 것은 조기 마모, 가동 중지 시간 또는 부품 손상으로 이어지는 일반적인 실수입니다. 수년에 걸쳐 저는 소규모 신생 기계 공장부터 대규모 자동차 부품 제조업체에 이르기까지 모든 사람들과 함께 일해 왔으며 각 축의 부하를 올바르게 설정하는 것이 로봇의 수명을 어떻게 좌우하는지 직접 보았습니다.
먼저, 우리 모두가 동일한 내용을 가지고 있는지 확인하기 위해 조금 뒤로 돌아가 보겠습니다. 3축 서보 로봇에는 거의 항상 어깨, 팔꿈치 및 손목 축이라고 불리는 3개의 기본 이동 축이 있습니다. 어떤 사람들은 용어를 혼동하지만, 부하 용량을 고려하면 각 축을 로봇 팔의 특정 부분을 움직이는 관절로 생각하는 것이 가장 쉽습니다. 기본 축(종종 J1 축이라고도 함)은 팔 전체를 왼쪽 및 오른쪽으로 회전시키고, 어깨 축(J2)은 위쪽 팔을 들어올리고 낮추고, 팔꿈치 축(J3)은 팔뚝을 확장하거나 수축하며, 일부 작은 3축 설계에서는 손목이 회전 관절이 아닌 고정 엔드 이펙터로 단순화될 수 있습니다. 잠깐만요. 사실, 일부 공급업체에서는 주요 3개의 관절만 계산하므로 J1, J2, J3 및 엔드 이펙터의 그립은 축이 아닌 별도의 도구입니다. 이는 부하를 측정하는 방법을 변경하기 때문에 중요한 차이점입니다.
이제 부하 운반 용량은 전체 로봇에 대한 단일 숫자가 아닙니다. 이는 각 축마다 다르며 몇 가지 요소, 즉 각 팔 부분의 길이, 움직이는 속도, 엔드 이펙터의 무게(그리퍼 또는 흡입 컵 등), 심지어 로봇을 시작하고 중지하는 빈도에 따라 달라집니다. 예를 들어, 무거운 부품을 천천히 움직이는 로봇은 동일한 부품을 최고 속도로 움직이는 로봇보다 더 높은 유효 하중을 갖게 됩니다. 왜냐하면 가속 및 감속으로 인해 관절에 힘이 추가되기 때문입니다.
여기서 공급하는 표준 3축 서보 로봇을 기반으로 각 축을 분류해 보겠습니다.
로봇팔 전체를 수평으로 회전시키는 기본축인 J1축부터 시작합니다. 이것은 베이스의 "어깨"이며 위쪽 팔, 팔뚝, 엔드 이펙터의 전체 무게와 운반되는 모든 하중을 지지하는 역할을 합니다. 그럼 내하력이 가장 높은 축이겠죠? 실제로 항상 그런 것은 아닙니다. 잠깐만, 아니, 여기서는 정확히 해보자. 자재 취급 및 간단한 조립을 위해 설계된 대부분의 3축 로봇의 경우 J1 축은 팔을 완전히 확장한 상태에서 전체 페이로드를 처리하도록 제작되었습니다. 로봇의 최대 도달 범위가 1미터이고 팔을 끝까지 확장하는 경우 J1은 해당 전체 부하와 확장된 길이로 인해 생성된 레버 암의 토크를 지원해야 합니다. 고객이 흔히 범하는 실수는 "내 부품이 5kg이면 모든 축이 5kg을 처리할 수 있다"고 생각하는 것입니다. 그러나 그것은 전혀 사실이 아닙니다. 팔이 완전히 확장되면 J1 축은 5kg의 부품뿐만 아니라 회전하면서 바깥쪽으로 당기는 무게의 힘에도 저항해야 합니다. 이것이 표준 3축 서보 로봇의 경우 모델에 따라 J1 축의 부하 용량이 10kg에서 20kg 사이인 이유입니다. 그러나 그것은 완전한 도달 범위에 있습니다. 최대 도달 범위의 절반에서 작동하는 경우 J1은 일부 더 무거운 모델에서 최대 30kg까지 더 많은 하중을 처리할 수 있습니다.
다음은 윗팔을 올리고 내리는 어깨축인 J2축이다. 이 축은 팔의 아래쪽 부분과 팔뚝, 페이로드를 지지하는 역할을 담당하지만 J1처럼 수평 회전의 전체 토크에 저항할 필요는 없습니다. 대신, 팔이 위아래로 움직일 때 수직 하중을 처리해야 합니다. 대부분의 작동 범위에서 부하 용량은 J1보다 약간 낮습니다. 예를 들어 중간 팔 확장 시 J2 축은 일반적으로 8kg에서 15kg 사이를 처리할 수 있습니다. 여기에서 절충점은 속도입니다. 위치 간에 팔을 빠르게 움직이는 경우 J2는 위쪽/아래쪽 동작을 가속화하기 위해 더 많은 토크를 생성해야 하므로 더 빠른 속도에서는 유효 부하 용량이 떨어집니다. 그렇기 때문에 우리는 항상 고객에게 로봇의 속도를 부하 요구 사항에 맞추라고 조언합니다. 최대 부하에 가까운 최대 속도로 로봇을 실행하면 J2 축의 베어링이 조기에 마모되어 결국 수리 비용이 많이 듭니다.
그리고 팔뚝을 확장하고 수축시키는 팔꿈치 축인 J3 축이 있습니다. 이는 세 개의 주요 축 중 가장 낮은 하중 전달 능력을 갖는 축이며 종종 가장 간과되는 축입니다. J3 축은 팔이 완전히 확장되거나 수축될 때 팔뚝, 엔드 이펙터 및 페이로드의 무게만 지탱합니다. 팔뚝은 지렛대이기 때문에 팔뚝을 끝까지 쭉 뻗을 때 J3는 팔 끝의 굽힘력에 저항해야 합니다. 적재 용량은 일반적으로 모델과 작동 범위에 따라 5kg에서 10kg 사이입니다. 이 축을 까다롭게 만드는 것은 팔 끝 부분에 가장 가깝기 때문에 여기에 작은 과부하 부분이라도 관절에 상당한 스트레스를 줄 수 있다는 것입니다. 나는 몇 년 전에 작은 금속 스탬핑을 옮기기 위해 3축 로봇을 구입한 고객을 기억합니다. 그는 확장된 팔뚝 끝에 부품을 적재하고 있었고, 6개월 동안 J3의 기어박스를 계속 망가뜨렸습니다. 그는 J3의 용량이 다른 두 개보다 낮다는 것을 깨닫지 못했기 때문에 5kg 등급의 축에 8kg 부품을 얹고 있는 것으로 나타났습니다. J3 용량이 더 높은 모델로 전환하자 가동 중지 시간이 거의 0으로 떨어졌습니다.
이제 이 숫자가 고정되어 있지 않기 때문에 이러한 숫자를 변경하는 요인에 대해 이야기해 보겠습니다. 먼저 팔 길이입니다. 우리는 도달 범위가 500mm, 800mm이고 심지어 더 긴 도달 범위를 갖춘 모델을 보유하고 있습니다. 하지만 더 긴 도달 범위 응용 분야의 경우 많은 고객이 확장된 작업에 더 높은 정밀도를 제공하는 5축 서보 로봇과 같은 다축 로봇으로 전환합니다. 잠깐만요, 응용 분야에서 3축이 제공할 수 있는 것보다 더 많은 유연성이 필요한 경우, 더 높은 부하와 더 복잡한 경로를 위해 제작된 범용 5축 서보 로봇과 5축 AC 서보 구동 매니퓰레이터를 포함하여 당사의 5축 라인이 훌륭한 옵션입니다. 또 다른 요인은 엔드 이펙터입니다. 공압 그리퍼의 무게는 1kg인 반면 맞춤형 유압 그리퍼의 무게는 5kg일 수 있으며, 각 축의 하중을 계산할 때 해당 무게를 페이로드에 추가해야 합니다. 이는 로봇 견적 시 항상 확인하는 사항입니다. 사용 중인 툴링의 무게를 물어보고 이에 따라 용량 권장 사항을 조정할 수 있습니다.
속도는 또 다른 큰 문제입니다. 당사의 모든 부하 용량 등급은 연속 사용을 위한 표준 작동 속도를 기준으로 합니다. 하루 종일 100% 속도로 로봇을 실행하는 경우 로봇의 수명을 연장하려면 실제 페이로드를 15~20% 줄여야 합니다. 느리고 정밀한 작업에 사용하는 경우 정격 용량에 더 가까이 다가갈 수 있습니다. 또한 듀티 사이클 - 로봇을 얼마나 자주 중지하고 시작하는지. 사이클 시간이 매우 빈번한 애플리케이션(2초마다 부품을 집고 배치하는 등)은 모든 축에 더 많은 스트레스를 가하므로 여기서는 부하가 낮을수록 좋습니다.
"더 높은 부하 용량이 필요한 경우 3축 로봇을 업그레이드할 수 있는 방법이 있습니까?"라는 질문을 자주 받습니다. 짧은 대답은 다음과 같습니다. 일반적으로 각 축의 모터, 기어박스 및 베어링의 크기는 특정 부하에 맞게 크기가 정해져 있기 때문입니다. 그렇기 때문에 처음에 올바르게 설정하는 것이 중요합니다. 무거운 페이로드를 처리하거나 베이스에서 멀리 떨어진 곳으로 부품을 이동해야 하는 애플리케이션을 처리하는 경우 3축이 가장 적합하지 않을 수 있으며 암이 더 긴 모델이나 다축 설계에서 더 나은 성능을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 넓은 작업 영역에 도달해야 하는 경우 당사의 전문적인 슈퍼 긴 팔 길이 매니퓰레이터는 일관된 부하 용량을 유지하면서 확장된 도달 범위를 위해 제작되었습니다.
많은 사람들은 3축 로봇이 다른 유형과 어떻게 비교되는지 궁금해합니다. 50kg 이상의 부품 이동과 같은 매우 높은 부하 응용 분야의 경우 병렬 로봇이 옵션일 수 있지만 매우 빠르고 가벼운 탑재량에는 더 좋습니다. 3축 서보 로봇은 부하 용량, 비용 및 단순성 사이에서 적절한 균형을 유지하므로 인기가 높습니다. 5축 로봇보다 프로그래밍하기 쉽고 중소형 작업 셀을 위한 대형 산업용 암보다 더 컴팩트합니다. 물론, 귀하의 요구가 증가할 경우 표준 3축 모델보다 훨씬 더 높은 총 부하를 처리할 수 있는 무거운 고속 다이캐스팅 작업을 위해 설계된 5축 다이캐스팅 로봇 라인도 있습니다.
다음은 수년간 고객과 협력하면서 배운 팁입니다. 로봇의 전체 페이로드만 보지 말고 특히 J3 축의 경우 각 축의 개별 부하 용량을 살펴보세요. 대부분의 제조업체는 로봇 사양서에 총 페이로드를 나열하지만 실제로 장기적인 안정성을 위해 필요한 축당 용량을 분류하지는 않습니다. 우리 회사에서는 고객이 당황하지 않도록 도달 거리, 속도 및 기타 사양과 함께 각 축의 부하 용량에 대한 전체 분석을 항상 제공합니다.
또 다른 일반적인 실수는 두 번째 팔을 잘못 판단하는 것입니다. 모멘트 암은 축에서 하중의 무게 중심까지의 거리입니다. 예를 들어 800mm 팔뚝 끝에 10kg 부품이 있다면 모멘트는 10kg * 0.8m = 8kg·m로 J3축에 많은 힘이 가해진다. 같은 부분을 팔뚝을 따라 반쯤 움직이면 모멘트가 10kg * 0.4m = 4kg·m로 떨어지므로 J3축이 이를 쉽게 처리할 수 있습니다. 그렇기 때문에 하중이 각 축을 기준으로 어디에 위치하는지 이해하는 것이 하중의 무게를 아는 것만큼 중요합니다.
각 축에 필요한 부하 용량이 무엇인지 여전히 확신할 수 없는 경우 가장 좋은 방법은 당사 팀에 문의하는 것입니다. 우리는 수백 명의 고객이 특정 애플리케이션, 탑재량, 도달 범위 및 속도 요구 사항에 따라 올바른 3축 서보 로봇을 선택하도록 도왔습니다(또는 다축 모델로 업그레이드). 예를 들어, 전자 산업의 고객은 회로 기판을 처리하기 위해 5kg J1 용량의 소형 3축 로봇이 필요할 수 있고, 금속 스탬핑 분야의 고객은 대형 스탬핑을 이동하기 위해 더 무거운 20kg J1 모델이 필요할 수 있습니다. 또한 우리는 고객과 협력하여 시간이 지남에 따라 고객의 요구 사항이 변할 경우 설정을 조정하고 엔드 이펙터와 기타 구성 요소 통합에 대한 지원을 제공합니다.
또한 3축 서보 로봇을 선택할 때 부하 용량이 유일한 요소는 아니라는 점을 언급하고 싶습니다. 정밀도, 반복성, 에너지 효율성 및 프로그래밍 용이성은 모두 중요하지만 부하 용량이 기본입니다. 모든 올바른 장소에 도달할 수 있고 빠르게 움직일 수 있으며 프로그래밍하기 쉬운 로봇은 J3 축에 과부하가 걸려 고장이 나면 쓸모가 없습니다.
명확하게 하기 위해 간단한 요약으로 마무리하겠습니다. 표준 3축 서보 로봇의 경우 각 축에는 고유한 부하 용량이 있으며, J1(기본) 축이 가장 강하고 그 다음으로 J2(어깨), J3(팔꿈치) 축이 가장 약합니다. 이 수치는 팔 길이, 속도, 엔드 이펙터 무게, 하중이 축에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 따라 달라집니다. 로봇을 한계까지 밀어붙여 더 많은 유지 관리 및 가동 중단 시간을 초래하는 것보다 필요한 부하를 과소평가하고 필요하다고 생각하는 것보다 조금 더 높게 설정하는 것이 항상 더 좋습니다.
3축 서보 로봇 시장에 있거나 더 무겁거나 더 유연한 응용 분야를 위해 다축 솔루션으로 업그레이드를 고려하고 계시다면 저희가 도와드리겠습니다. 우리 팀은 사양을 안내하고, 축당 부하 용량에 대한 질문에 답하고, 귀하의 작업에 적합한 로봇을 찾는 데 도움을 드릴 수 있습니다. 소형 범용 모델이 필요하든, 특정 산업을 위한 특수 로봇이 필요하든, 당사는 귀하의 요구에 맞는 옵션을 제공합니다.
참고자료:
- 산업용 로봇: 부하 용량 및 축 성능, 로봇 산업 협회, 2022
- 서보 로봇 설계: 토크 및 부하 계산, 기계 공학 저널, 15권, 3호, 2021년
- 자재 취급 로봇 애플리케이션: 페이로드에 대한 일반적인 오해, Manufacturing Engineering Magazine, 2023
- 산업용 로봇의 성능 사양, ISO 10218-1:2011
부하 요구 사항, 응용 분야 요구 사항에 대해 논의하거나 맞춤형 견적을 요청하려면 당사 팀에 문의하여 귀하의 작업에 적합한 3축 서보 로봇을 선택하는 데 대한 전문적인 지침을 받으십시오.