로봇관절모듈은 산업용 로봇의 핵심 실행단위로 동력전달, 자세조절, 정밀제어 등 핵심 기능을 담당한다. 그 구성은 로봇의 부하 용량, 동작 정확도, 응답 속도 및 신뢰성을 직접적으로 결정합니다. 산업용 등급 조인트 모듈은 일반적으로 통합 방식(민간 또는 연구 등급 분할 구조와 다름)으로 설계되며 핵심 구성 요소는 기계 구조, 구동 시스템, 감지 피드백 시스템, 윤활 및 보호 시스템의 네 가지 모듈로 나눌 수 있습니다. 각 모듈은 함께 작동하여 "전원 입력 모션 변환 정밀 제어"의 완전한 폐쇄-루프를 달성합니다. 자세한 분해는 다음과 같습니다.
1, 기계 구조 모듈(코어 하중-베어링 및 모션 전달)
기계적 구조는 '고강성, 경량, 고정밀 전동'이라는 세 가지 요구 사항을 동시에 충족해야 하는 조인트 모듈의 물리적 기반입니다. 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다.
1. 고조파 감속기/RV 감속기(핵심 전송 부품)
기능: 변속기의 정확성과 강성을 보장하면서 모터의 고속-낮은 토크 출력을 저속{1}}고토크로 변환합니다. 조인트 모듈의 '전력 증폭 코어'입니다.
유형 및 애플리케이션 시나리오:
고조파 감속기: 파동 발생기, 유연한 휠 및 견고한 휠로 구성되며 변속비 범위는 50{3}}320이고 복귀 간격은 1분 이하입니다. 가볍고 컴팩트한 구조로 중소형 하중 로봇(하중 10~50kg)의 팔뚝, 손목 등 관절에 적합합니다.
RV 감속기: 사이클로이드 바람개비, 유성 캐리어 및 니들 기어 하우징으로 구성되며 변속비 범위는 30{3}}120이고 복귀 간격은 0.5각분 이하입니다. 강성이 강하고 내충격성이 뛰어나 대형 로봇(하중 50kg 이상)의 베이스, 붐, 숄더 등 주요 관절에 적합합니다.
2. 모터 출력축 및 커플링
모터 출력 샤프트: 고강도 합금강으로 제작되었으며 표면을 침탄 및 담금질 처리하여 내마모성과 비틀림 강도를 보장하며 감속기의 입력단에 견고하게 연결되어 있습니다.
커플링 : 모터축과 감속기의 입력축 사이의 동축 오차를 보상하기 위해 사용되며 고정식 커플링(키 연결, 확장 슬리브 등)과 탄성 커플링(고무 패드, 골판지 튜브형 등)으로 구분됩니다. 고정식 커플링은 전송 지연을 방지하기 위해 산업용 로봇에 일반적으로 사용됩니다.
3. 쉘 및 설치 플랜지
쉘: 알루미늄 합금으로 제작되었으며, 알루미늄 합금은 경량 요구 사항에 적합하고, 주철은 고강성 시나리오에 적합합니다. 쉘의 내부 디자인에는 감속기 설치 챔버, 모터 설치 시트, 센서 설치 홈, 외부 예약 방열 리브 및 밀봉 홈이 포함됩니다.
설치 플랜지: 조인트 모듈과 로봇 암 세그먼트를 연결하기 위한 표준 인터페이스를 사용하여 플랜지 표면을 정밀 가공(평탄도 0.01mm 이하)하여 설치 정확도를 보장합니다.
4. 출력축 및 베어링 부품
출력 샤프트: 감속기의 출력 끝에 연결되어 로봇 팔 섹션에 토크를 전달하는 데 사용됩니다. 표면은 정밀 가공이 필요하며 끝은 키홈, 나사 구멍 또는 확장 슬리브 인터페이스로 설계되었습니다.
베어링 부품: 일반적으로 크로스 롤러 베어링 또는 하모닉 베어링이 사용됩니다. 크로스 롤러 베어링은 강한 하중-지지 용량(반경+축 복합 하중)과 높은 강성을 갖습니다. 하모닉 베어링은 하모닉 감속기와 일치하는 데 적합하며 조인트 회전 정확도를 보장하려면 베어링의 정확도 수준이 P4 이상에 도달해야 합니다.
2, 드라이브 시스템 모듈(전원 출력 및 제어 코어)
구동 시스템은 조인트 모듈에 동력을 공급하여 속도와 토크를 정밀하게 조정합니다. 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다.
1. 서보 모터(전원)
유형: 산업용 로봇의 관절 모듈은 모두 영구 자석 동기 서보 모터를 사용하며 이는 높은 출력 밀도, 높은 응답 속도, 낮은 관성 등의 특성을 가지고 있습니다. 설치 방법에 따라 내부 유형(모터와 감속기가 하우징에 통합됨)과 외부 유형(모터가 플랜지를 통해 하우징에 연결됨)으로 구분됩니다.
주요 매개변수: 정격 출력(100W-15kW), 정격 속도(3000-6000rpm), 회전자 관성(0.01-0.5kg · m²), 토크 상수(0.1-5N · m/A), 기어박스 변속비(모터 출력 토크 x 변속비=조인트 출력 토크)와 일치합니다.
2. 서보 드라이브(제어 장치)
기능: 상위 컴퓨터(로봇 컨트롤러)로부터 제어 명령(위치, 속도, 토크 신호)을 수신하고 PID 조절을 통해 PWM 신호를 출력하여 서보 모터를 구동하여 작동하고 과전류, 과전압, 과부하 및 과열과 같은 보호 기능을 달성합니다.
핵심 기술 : 위치 모드(관절 회전 각도 제어), 속도 모드(관절 속도 제어), 토크 모드(출력 토크 제어)를 지원합니다. 일부 고급-드라이버는 전자 기어박스, 진동 억제 및 적응형 제어 알고리즘을 통합하여 동작의 부드러움과 정확성을 향상시킵니다.
3. 전원 케이블 및 인터페이스
전원 케이블: 유연한 케이블(굴곡 저항 1,000만 회 이상)을 사용하여 서보 모터의 3상 전원(U/V/W) 및 브레이크 신호를 전송하며, 외피 재질은 PVC 또는 PUR로 내유성, 내마모성, 내{2}}간섭 특성이 있습니다.
인터페이스: 산업 표준 인터페이스를 채택하여 전원 인터페이스와 신호 인터페이스는 전자기 간섭을 피하기 위해 별도로 설계되었습니다.
3, 센서 피드백 시스템 모듈(정밀 제어 및 상태 모니터링)
센서 피드백 시스템은 관절 위치, 속도, 토크 등에 대한 실시간 데이터를-수집하여 폐쇄 루프 제어의 기초를 제공하며 로봇 동작 정확성을 보장하는 핵심입니다. 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다.
1. 위치 센서(핵심 피드백 구성 요소)
유형: 주류는 광전, 자기 전기 및 용량성 유형으로 구분되는 절대값 인코더를 채택합니다. 산업용 로봇에서는 광전 절대값 인코더가 주로 사용됩니다(해상도 17비트 이상, 일부 고급{2}}제품은 최대 25비트).
설치 방법: 서보 모터의 꼬리 부분에 직접 설치하거나(모터 속도를 감지하기 위해) 감속기의 출력 샤프트를 통해 연결합니다(조인트의 실제 위치를 직접 감지하고 전송 오류를 제거하기 위해).
기능: 관절의 절대 위치 정보(각도 값)를 실시간 출력합니다. 상위 컴퓨터는 이 데이터를 바탕으로 위치 오차를 계산하고 서보 모터의 작동 상태를 조정하여 관절 위치 정확도(반복 위치 정확도 ±0.02mm 이하)를 보장합니다.
2. 속도 센서
일반적으로 위치 센서(예: 엔코더의 속도 측정 기능)와 통합되어 관절 속도는 엔코더 펄스 신호의 주파수를 감지하여 계산됩니다. 일부 고급-조인트 모듈은 저속 작동 중 속도 감지 정확도를 향상시키기 위해 홀 센서 또는 속도 생성기를 추가로 설치합니다.-
3. 토크 센서(옵션 구성품)
기능: 하중 모니터링, 충돌 감지 및 힘 제어 작업(예: 조립 및 연마)을 위한 조인트의 출력 토크를 감지합니다.
유형: 스트레인 게이지, 탄성 자석, 광학. 스트레인 게이지 토크 센서는 저렴하고 정확도가 높으며(± 0.5% FS) 산업용 로봇의 주류 선택입니다. 출력축과 암부 사이 또는 감속기 내부에 설치됩니다.
4. 온도 센서 및 진동 센서
온도 센서: 모터 권선 및 감속기 하우징에 설치되어 부품 온도를 감지합니다. 온도가 임계값(보통 80-100도)을 초과하면 서보 드라이브는 과열 보호를 작동시킵니다.
진동 센서: 관절 작동 중 진동 진폭과 주파수를 감지하기 위해 가속도 센서를 사용하고 결함 경고(예: 감속기 마모, 베어링 손상)에 사용되며 고급 산업용 로봇 관절 모듈에서만 구성됩니다.-
4, 윤활 및 보호 시스템 모듈(신뢰성 보증)
윤활 및 보호 시스템은 조인트 모듈의 수명을 연장하고 산업 현장의 열악한 환경에 적응하는 데 사용됩니다. 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다.
1. 윤활 부품
윤활제: 점도 지수가 높고 내마모 및 노화 방지 특성을 갖는 특수 그리스가 감속기에 사용되며 윤활유 또는 그리스는 모터 베어링에 사용됩니다.
윤활 구조: 감속기는 내부에 오일 주입구와 오일 배출구가 있도록 설계되었으며 일부 고급 제품에는 자동 윤활 시스템(시간 및 정량 오일 주입)이 장착되어 있습니다. 윤활 그리스 관찰 창은 유지 관리가 용이하도록 하우징 외부에 예약되어 있습니다.
2. 씰링 부품
정적 밀봉: 쉘과 플랜지, 모터와 쉘 사이의 연결을 위해 O-링과 플랫 개스킷을 사용하여 윤활유 누출 및 먼지 유입을 방지합니다.
동적 씰링: 출력 샤프트 및 하우징의 회전 부분에 사용되는 뼈대 오일 씰과 V- 모양의 씰링 링을 사용합니다. 스켈레톤 오일 씰은 중속 및 저속 시나리오에 적합합니다.-
3. 보호 코팅 및 방열 구조
보호 코팅: 쉘 표면을 양극 산화 처리(알루미늄 합금) 및 페인팅(주철)으로 처리하여 -부식 및 내마모-저항 특성을 갖습니다. 일부 제품은 실외 또는 열악한 작업장 환경에 적합한 3가지 방지 코팅(염수 분무 방지, 습도 방지, 곰팡이 방지)을 사용합니다.
방열 구조: 모터 하우징은 방열 리브로 설계되었으며 일부 고전력 조인트 모듈에는 방열 팬 또는 수{1}}채널이 장착되어 장기간 작동 중에 모터와 드라이버의 안정적인 온도를-보장합니다.