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주아 진
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1 한국정밀공학회지제 34 권제 6 호 pp June 2017 / 405 J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 34, No. 6, pp ISSN (Print) / (Online) 특집 고정밀기어의설계및제조기술 원격무장고저시스템용사이클로이드감속기설계에관한연구 A Study on Design of Cycloid Reducer for Remote Weapons Systems 박진석 1,2, 김기훈 1,2, 김래성 3, 류성기 1,# Jin Seok Park 1,2, Ki Hun Kim 1,2, Lae Sung Kim 3, and Sung Ki Lyu 1,# 1 경상대학교대학원기계시스템공학과, 항공연 (Department of Mechanical System Engineering, ReCAPT, Gyeongsang National University) 2 SG Servo 기술연구소 (R&D Center, SG Servo Co., Ltd.) 3 경상대학교항공 IT 기계융합사업단 (Creative Aero-IT-Mech Convergence Engineering Education Program, Gyeongsang National University) # Corresponding Author / sklyu@gnu.ac.kr, TEL: , FAX: KEYWORDS: Cycloid reducer ( 사이클로이드감속기 ), Cycloid gear ( 사이클로이드기어 ), Remote weapons systems ( 원격무장시스템 ), High precision ( 고정밀 ), Planetary reduction gears ( 유성감속기어 ) An essential mechanical element in an industrial machine is a reducer, which transfers the rotation of an electrical motor or engine to another part with amplified torque. Some reducers, such as planetary reduction gears, a harmonic reducer, or a cycloid reducer, have been applied in various industries. Given the increase of demand for reducers with high precision, compact size, and high load capacity for use in industrial robots, the cycloid reducer has stood out. The cycloid reducer, compared with planetary reduction gears, has some merits, which include a larger reduction gear ratio at only one stage, higher durability, improved efficiency, and a larger torque because of its high tooth-contact ratio despite its being small. This paper presents a design technique for a cycloid reducer intended, because of those merits, for use in remote weapons systems of armed vehicles. In order to verify the performance of the cycloid reducer, we carried out experiments and analyzed the results systematically. Manuscript received: February 22, 2017 / Revised: March 22, 2017 / Accepted: April 16, 서론원격무장시스템은최근다양한형식의차량이나다른플랫폼에장착할수있는경량과중간중량의구경을가지며무장을위한원격조작식무장탑재대이다. 이런장비들은사수가안전하게무장을운용할수있도록해주기때문에최근들어많은현대식군용차량에도입되고있다. 또한기존의차량에손쉽게장착할수있다는장점을가지고있기때문에방위산업선진국에서는개발을완료하여실전에배치하여군전력증강을도모하고있다. 원격무장에적용되는감속기는소형으로큰토크전달이가능하고, 구조의최적화 (Compact) 가요구되며, 높은부하용량과고정밀도의위치제어가요구되는품목으로, 이러한요구조건을충족시키기위해서는사이클로이드 (Cycloid) 감속기와같은낮은 백래시 (Backlash), 고정밀도, 높은과부하대응, 고강성, 고효율이요구되는감속기가필요하다. 산업기계에서모터나엔진의회전력을피구동부까지전달하는데필요한핵심기계요소는증속이나감속의기능을수행하는감속기 (Reducer) 이다. 때로는증속의용도로사용하기도하지만, 대부분의기계장치에서는구동축보다피구동축이회전수조건보다는동력전달조건을요구하기때문에더많은힘을얻기위해감속기를사용한다. 1 감속기는엔진이나모터등으로부터출력되는고속회전을입력으로하여, 로봇, 자동화및정밀제어기기등에서요구되는안정도및정밀도를구현할수있도록일정비율로감속하여출력시키는장치로, 일반적으로다수의기어를조합하여기어의잇수차이로인한감속을도모하고있으며, 유성기어가선기어의주위를회전하면서감속이이루어지는유성기어시스템이대표적인예이 Copyright The Korean Society for Precision Engineering This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( 3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

2 406 / June 2017 한국정밀공학회지제 34 권제 6 호 다. 2-4 또한외국선진업체의피치감속기는유성기어구조의감속기를사용하고있다. 국내 H사는피치감속기의중량을줄이기위해사이클로이드기어형태의감속기를채택하고있다. 5 사이클로이드감속기는기존동력전달장치에서많이사용되고있는유성기어감속기에비하여 1단으로도큰감속비를가지고있으며치물림률이크므로소형으로큰토크전달이가능하며콤팩트한구조로높은부하용량과위치제어시고정밀도가요구되는로봇분야에서주로사용되고있다. 본연구에서는일반유성기어에비하여내구성및효율을향상시키고, 소형화의장점을가지고있는새로운사이클로이드모델을개발하고자한다. 따라서사이클로이드치형의장점을이용한원격무장고저시스템용감속기설계에관하여연구하고자한다. 각종기계장치의구동기는대부분모터와감속장치로구성되어있으며이러한장치의동특성이시스템의성능에큰영향을미치게된다. 특히정확한위치제어를요하는장치의경우에는이러한구동부분의정밀도와동특성이장치의정밀도를결정하기때문에감속기는기계장치의정도와진동및소음특성에영향을미치는부품으로기계적구성장치의핵심부품이다. 사이클로이드감속기는소치수차식감속기로기본원리는내접하는원의구름운동시에안쪽원의회전운동을이용하는것이다. 감속비는내기어와외기어의기어수의차에비례하고보통 1-2개의잇수차로감속기를구성하기때문에소치수차식감속기라부르고있다. 감속비는 1단의기구로상당히커지며, 소형으로부하용량을크게할수있기때문에로봇을비롯한정밀구동부에주로사용된다. 소치수차식감속기는구조적으로내접유성식과주족식감속기로구분한다. 6 사이클로이드감속기는사이클로이드곡선을이용한감속기로일반유성기어와달리높은감속비를가질경우구조상일반유성기어감속기에비해소형화의장점을가지고있다. 따라서본연구에서는유성기어감속기보다콤팩트한사이클로이드감속기설계시고려되어야할사항들을면밀히검토하고적용함으로써무인정찰용전차에사용되는원격무장고저시스템용사이클로이드감속기의요구조건인감속비 127 : 1, 백래시 1 Arcmin(1/60 deg) 이하, 감속기효율 70% 이상에준하는사이클로이드감속기를설계하였다. 또한요구조건을만족하는지평가하기위하여정격출력토크및속도, 감속비, 백래시, 로스트모션을측정하였다. 2. 사이클로이드감속기설계 2.1 사이클로이드기어및유성기어설계 감속비는식 (1) 과식 (2) 를활용하여계산된다. R 1 Z 2 = Z 4 i Z 1 1 = -- R (1) (2) Fig. 1 Reducer design configuration Fig. 2 Shape of cycloid reducer Table 1 Gear teeth numbers and gear ratio Division Z1 Z2 Z3 Z4 Gear ratio Gear teeth : 1 여기에서 R은속도비를나타내고, Z 1 은입력축의선기어잇수, Z 2 는유성기어의잇수, Z 3 는사이클로이드기어의잇수, Z 4 는핀의수, i는감속비를나타낸다. 사이클로이드감속기기어설계의구성도와사이클로이드감속기형상을각각 Figs. 1과 2에나타냈다. Table 1에식 (1) 과식 (2) 를통하여핀직경및선기어, 유성기어, 사이클로이드기어, Pin의잇수를정리하였으며최종감속비결과값을나타냈다. 2.2 사이클로이드치형설계사이클로이드치형은기본원위를다른반경을가진구름원이미끄럼없이구를때구름원의내부, 외부또는원주상에위치한고정된점의이동궤적에의해생성된다. 구름원의중심이기본원의내부에존재하는지, 외부에존재하는지에따라외피사이클로이드 (Epi-Cycloid) 곡선과내피사이클로이드 (Hypo-Cycloid) 곡선으로분류된다. 사이클로이드곡선은 Fig. 3에나타낸바와같이점 P의운동에의해생성된다는것을알수있다. 이때, 점 P의운동은회전운동과직선운동으로이루어져있으므로사이클로이드곡선을구하기위해, 점의운동을회전운동과직선운동으로분해하고,

3 한국정밀공학회지제 34 권제 6 호 June 2017 / 407 Fig. 3 Shape of point P that performs rotational motion Fig. 5 Shape of planetary gear tooth Fig. 4 Shape of cycloid tooth design 그두운동의합으로점 P의운동으로정의한다. Fig. 4에사이클로이드치형설계를나타내었으며 3D 모델링작도및시뮬레이션결과구동하는것을확인하였다. 사이클로이드치형설계는사이클로이드곡선이사이클로이드핀의사이클로이드곡선과겹쳐지거나떨어짐없이연결이되어야한다. 크랭크샤프트를 45 o 씩회전을시키며, 사이클로이드기어는원주의 336등분한, o 위치의사이클로이드핀을크랭크샤프트 1 회전시사이클로이드기어잇수 1 개회전하고사이클로이드핀 42 개중 1 개를회전이동하여작도하였다. 크랭크샤프트는각 45 o 회전하는위치마다반복하고사이클로이드핀의위치를작도를하였으며, 반복작도결과사이클로이드핀중심이동곡선과사이클로이드핀외경과사이클로이드기어와접촉면의이동곡선을작도하였다. 2.3 유성기어치형설계 Fig. 5는기어설계프로그램인 HEXGON을활용하여치형을작도하여표현한형상을나타내었으며, 선기어와유성기어의모듈, 압력각, 잇수, 전위계수, 중심거리, 치폭값을 Table 2에나타냈다. 2.4 기어강도설계본연구에서유성기어열의강도해석을수행하기위하여기어전문설계 / 해석프로그램인 HEXGON을사용하였으며, Table 3 에유성기어열의이뿌리파괴강도해석결과를나타내었고, Fig. Fig. 6 Tooth root fracture strength Table 2 Specification of planetary gear Division Module 6은해석프로그램을이용한결과를확인하였다. 이론적인강도해석을통해계산된원격무장고저각감속기의유성기어열에대하여치형설계및강도해석을수행하여강도조건을만족함을확인하였다. 3. 사이클로이드감속기제작 3.1 주요구성품및특징 Each pressure Teeth Potential coefficients Center distance (mm) Face width (mm) Sun gear Planetary gear Table 3 Tooth root fracture strength Division Safety factor Sun gear 2.58 Planetary gear 2.45 사이클로이드감속기는기본적으로선기어, 유성기어, 사이클로이드기어및캐리어로구성되며, 입력축의요소와사이클로이드기어의요소에따라회전속도및감속비가결정된다. Fig. 7은원격무장고저시스템용감속기구조및형상을나타

한국정밀공학회지 제 34 권 제 6 호 408 / June 2017 Fig. 7 Structure of cycloid reducer Fig.

12 Performance test results table 4. 시험결과 및 고찰 Fig. 9 Shape of planetary gear 4.

이론적으로 계산한 정격출력 및 토크가 도출되는지 확인하는 시 험이다. 감속기 성능시험 장치를 Fig.

10 Shape of a sun gear 수 있고 시험대상을 기준으로 양끝 단에 입력 및 출력 토크 및 속 도를 인가하기 위한 서보모터가 위치하며 이를 측정하기 위한 토

8에 2차 사이클로이드 기어의 제품 및 모델링을 나타내었 크, rpm 센서가 입력 및 출력 단에 각각 위치하고 있다.

기어감속부 출력축의 용 시작품에 대한 시험을 실시하여 정격 출력 토크 및 속도를 확 메인 기어 역할을 한다. 인하였다. 유성 기어의 시제품 및 모델링 형상을 Fig.

4 한국정밀공학회지 제 34 권 제 6 호 408 / June 2017 Fig. 7 Structure of cycloid reducer Fig. 11 Performance testing equipment Fig. 8 Shape of cycloid gear Fig. 12 Performance test results table 4. 시험결과 및 고찰 Fig. 9 Shape of planetary gear 4.1 정격 출력 토크와 속도 측정결과 및 고찰 정격 출력 토크 및 속도 측정시험이란 감속기의 핵심 구성품인 기어류를 포함한 모든 구성품이 조립된 감속기 조립체 상태에서 이론적으로 계산한 정격출력 및 토크가 도출되는지 확인하는 시 험이다. 감속기 성능시험 장치를 Fig. 11에 나타내었으며, 정격 출력토 크 및 속도, 백래시, 로스트모션, 비틀림 강성, 감속비를 확인할 Fig. 10 Shape of a sun gear 수 있고 시험대상을 기준으로 양끝 단에 입력 및 출력 토크 및 속 도를 인가하기 위한 서보모터가 위치하며 이를 측정하기 위한 토 낸 것으로 3D 디자인 프로그램인 Autodesk Inventor를 사용하여 3D 모델링을 하였다. Fig. 8에 2차 사이클로이드 기어의 제품 및 모델링을 나타내었 크, rpm 센서가 입력 및 출력 단에 각각 위치하고 있다. 본 연구에서 원격무장 고저용 사이클로이드 감속기는 20 rpm 일 때 정격출력토크는 248 Nm의 이론적인 값을 도출하였고 시험 으며, 사이클로이드 감속기의 핵심부품으로 기어감속부 출력축의 용 시작품에 대한 시험을 실시하여 정격 출력 토크 및 속도를 확 메인 기어 역할을 한다. 인하였다. 유성 기어의 시제품 및 모델링 형상을 Fig. 9에 나타내었으며, Figs. 12와 13은 출력토크 및 속도시험을 각 5 회씩 실시한 결과 1차 감속부의 유성 기어로 선기어로부터 입력된 동력을 크랭크 를 나타내고 있는데, 정격출력 토크는 속도 20 rpm일 때 248 Nm 샤프트로 전달하는 역할을 한다. 선기어는 전동기 및 서보모터의 의 값으로 나타났다. 입력 받을 구동력과 연결이 된다. 선기어의 시제품 및 3D 형상 을 Fig. 10에 나타냈으며 1차 유성감속부의 선기어 역할을 담당 한다. 4.2 감속비 시험 결과 및 고찰 감속비 시험은 감속기의 핵심 구성품인 기어류를 포함한 모든

한국정밀공학회지제 34 권제 6 호 June 2017 / 409 Fig. 13 Test results of reducer rated output Fig. 16 Test results of reducer backlash Fig. 14 Test results of reducer ratio Fig.

5 한국정밀공학회지제 34 권제 6 호 June 2017 / 409 Fig. 13 Test results of reducer rated output Fig. 16 Test results of reducer backlash Fig. 14 Test results of reducer ratio Fig. 17 Test results of lost motion 스테리시스곡선을생성후토크가 0인지점에서정역방향의비틀림각차이를계측하였다. Fig. 16은시작품에대해 5 회반복시험을실시하여백래시를측정한시험결과를나타냈으며, 다섯번의백래시시험을통하여백래시의평균값은 arcmin으로나타났다. Fig. 15 Backlash and lost motion testing equipment 구성품이조립된감속기조립체상태에서이론적으로계산한기어비가도출되는지를확인하는시험이다. 감속비측정은 Fig. 11 에나타낸감속기성능시험장치로측정하였으며감속비시험을각 5회씩실시하여결과를 Fig. 14에나타내었다. 감속비시험을각 5회씩실시한결과감속비의평균값은 127.0으로나타났다. 4.3 출력축백래시측정결과및고찰백래시시험은감속기의입력축에서출력축까지의기어맞물림시발생하는각도오차를확인하는시험으로써, 출력단에유격이생성될만큼의토크를인가후출력축백래시의합을계측하였다. Fig. 15는백래시및로스트모션시험을위한시험장치를나타내고있다. 정격토크의 ±100% 의토크를정역방향으로인가한히 4.4 출력축로스트모션측정결과및고찰사이클로이드감속기의구조적인특성상일반기어의백래시와는달리로스트모션이존재한다. 이것은물림률이일반기어에비하여상당히크기때문에백래시는극히미소하지만전달토크가작을때에는강성이극히작아서백래시와유사하게작용한다. 로스트모션의측정은먼저감속기의입력축을고정하고출력축에정역전으로작용하는정격토크를가할경우가해진토크와비틀림각이동일직선상을왕복하지않고히스테리시스루프곡선을그리게된다. 7 Fig. 15의시험장치에감속기를장착하여 5 회반복시험을실시하여출력축로스트모션을측정하였으며, 측정결과를 Fig. 17 에나타냈다. 다섯번의시험을실시한로스트모션의평균값은 arcmin으로나타났다. 5. 결론본연구에서는원격무장고저시스템용사이클로이드감속기의

6 410 / June 2017 한국정밀공학회지제 34 권제 6 호 핵심기술에관한원천기술과시스템의구조설계의검토를수행하여설계를진행하였고, 이를토대로사이클로이드감속기성능검증을위하여시험치구를설계, 제작하고감속기성능시험장치를사용하여성능시험을수행하여다음과같은결론을얻었으며, 정밀소형감속기의사이클로이드치형제작등감속기설계및제작기술을확보하였다. (1) 정격출력토크시험은 20 rpm일때정격출력토크는 248 Nm으로측정되었으며이는이론적인목표값 248 Nm의요구를충족하였다. (2) 감속비시험을통한시험결과값으로감속비 127.0를확인하였으며, 이론상에서계산된감속비인 127 : 1에서오차범위 ±0.02% 이내로분석되었다. (3) 백래시시험을통해백래시시험결과값은 arcmin으로나타났으며, 이론적목표값 1 arcmin 이하의요구를충족하였다. (4) 로스트모션시험을통하여로스트모션은 arcmin으로나타났고, 이론적인목표값 1 arcmin 이하의요구를충족하였다. REFERENCES 1. Kim, J. G., Park, Y. J., Lee, G. H., and Kim, J. H., Effect Analysis of Carrier Pinhole Position Error on the Load Sharing of Planetary Gear, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 4, pp , Lee, K. J. and Kim, J. M., Power Flow Analysis for Manufacturing of Planetary Gears in an 8-Speed Automatic Transmission (I): 1-3 Speeds, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 5, pp , Lee, K. J. and Kim, J. M., Power Flow Analysis for Manufacturing of Planetary Gears in an 8-speed Automatic Transmission (II): 4-8 Speeds, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 5, pp , Kim, J. G., Park, Y. J., Lee, G. H., Kim, Y. J., Oh, J. Y., et al., Effect Analysis of Carrier Pinhole Position Error on the Load Sharing and Load Distribution of a Planet Gear, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15, No. 5, pp , Min, Y.-S. and Lee, H.-W., A Study on the Design of Cycloidal Pitch Reducer for the 2MW-Class Wind Turbine, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 39, No. 9, pp , Kim, B. J., A Study on the Epitrochoidal Tooth Profile in a Cycloid Reducer, M.Sc. Thesis, Changwon National University, p. 5, Lee, C. W., Oh, S. H., Kim, J. W., and Jeon, H. S., Performance Evaluation of a Harmonic Drive with Cycloide Tooth Profile, Journal of the Research Institute of Production Engineering, Vol. 8, No. 1, pp , 1999.

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method