산업용 로봇은 지난 10년 동안 엄청난 변화를 겪었습니다. 협업 로봇과 소형 로봇 팔로의 업계 전환은 제조 우선순위의 근본적인 변화를 반영합니다. 즉, 더 작은 설치 공간, 더 높은 탑재량 용량, 공간 제약 내에서 전례 없는 정밀도 등이 있습니다. 이러한 발전으로 인해 단일 구성요소, 즉 각 조인트의 베어링 시스템에 대한 특별한 요구 사항이 발생했습니다.
기존 베어링 솔루션은 이러한 경쟁 요구 사항을 충족하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 표준 볼 베어링은 정밀한 다방향 하중에 필요한 강성이 부족합니다. 테이퍼 롤러 베어링은 과도한 공간을 차지합니다. 업계에는 초박형 프로파일을 유지하면서 방사형, 축방향 및 모멘트 하중과 같은 결합된 하중 용량을 동시에 제공할 수 있는 혁신이 필요했습니다. 이러한 필요성으로 인해 크로스 롤러 베어링 기술이 탄생했으며, 이 범주 내에서 RB2508 베어링 현대 로봇공학의 결정적인 솔루션으로 등장했습니다.
협업 로봇은 인간 작업자와 공유 공간에서 작동하므로 컴팩트한 크기뿐만 아니라 탁월한 안정성과 반복성이 필요합니다. 관절의 약간의 위치 변동은 안전과 작업 정확성을 모두 손상시킬 수 있습니다. 이러한 로봇은 일반적으로 6~7도의 자유도를 가지며, 각 관절에는 높은 강성과 최소한의 무게를 결합한 베어링 솔루션이 필요합니다.
제조업체는 점점 더 공간 제약이 있는 조립 라인, 창고의 픽 앤 플레이스 시스템, 머리 위에 장착되는 애플리케이션 등 제한된 환경에 로봇 팔을 통합하고 있습니다. 소형화는 더 이상 선택 사항이 아닙니다. 그것은 경쟁의 필요성입니다. 엔지니어는 동일한 페이로드 용량과 정밀도를 더 작은 크기에 담아야 하므로 부품 공급업체의 혁신 압력이 가중됩니다.
10년 전에는 10kg의 산업용 암이 엔드 이펙터에서 3~5mm 반경 방향 런아웃을 견딜 수 있었습니다. 오늘날의 정밀 응용 분야(수술 로봇 공학, 정밀 조립, 반도체 제조)에서는 0.5mm 미만의 런아웃을 요구합니다. 이는 초소형 하우징에도 불구하고 탁월한 강성을 제공하는 베어링 솔루션으로 해석됩니다.
주요 시장 통찰력: 글로벌 협동 로봇 시장은 2030년까지 연평균 30%가 넘는 성장률을 보일 것으로 예상되며, 이는 미크론 수준의 정확도를 유지하면서 제한된 공간에서 작동할 수 있는 소형 정밀 등급 베어링 솔루션에 대한 수요를 직접적으로 주도할 것입니다.
크로스 롤러 디자인은 기존 베어링 형상에서 벗어났습니다. 단일 궤도에 동일한 롤링 요소가 배열된 대신 크로스 롤러 베어링은 동일한 베어링 링 내에서 서로 90도 각도로 배향된 롤러를 사용합니다. 이 구성을 통해 베어링은 단일 소형 구성 요소를 사용하여 반경 방향(X 및 Y 축), 축 방향(Z 축) 및 모멘트 하중 등 여러 방향의 하중을 수용할 수 있습니다.
에 대한 RB2508 크로스 롤러 베어링 , 이 아키텍처는 탁월한 성능 지표로 변환됩니다.
고품질 크로스 롤러 베어링은 전동체와 궤도 모두에 경화강을 사용합니다. 이러한 재료 선택은 부품 전체에 걸쳐 일관된 경도를 보장하여 기존 표면 경화 베어링을 괴롭히는 표면 아래 피로 균열을 방지합니다. 표면 처리에는 일반적으로 마찰을 최소화하고 서비스 수명을 연장하는 데 필수적인 0.2 마이크로미터 미만의 거칠기 값을 달성하기 위한 정밀 연삭이 포함됩니다.
정밀 등급 크로스 롤러 베어링의 특징은 통합 예압 시스템입니다. 약간의 여유 공간(내부 움직임 허용)으로 작동하는 표준 베어링과 달리 예압 크로스 롤러 베어링은 전동체와 궤도 사이의 지속적인 접촉을 유지합니다. 이 디자인은 유격을 제거하고 로봇 관절의 중요한 요구 사항인 베어링 강성을 극적으로 증가시킵니다.
예압은 일반적으로 다음을 통해 달성됩니다.
전통적인 볼 베어링은 롤링 요소와 궤도 사이의 점 접촉에 의존합니다. 이 기하학적 구조는 하중 전달 능력을 제한하고 하중에 따른 컴플라이언스(탄력성)에 기여합니다. 크로스 롤러 베어링은 선 접촉을 사용하여 더 넓은 표면적에 하중을 분산시킵니다. 에 대한 RB2508 베어링 , 이는 동일한 크기의 볼 베어링보다 축 강성 값이 5~10배 더 크고 반경 방향 강성은 3~6배 향상됩니다.
실질적으로 RB2508 베어링이 장착된 로봇 팔 관절은 기존 베어링을 사용하는 시스템의 경우 0.5mm에 비해 확장된 듀티 사이클에서 0.1mm 이내의 위치 반복성을 나타냅니다.
로봇 관절은 복잡한 동시 로딩 조건에서 작동합니다.
단일 RB2508 베어링은 설계 범위 내에서 세 가지 하중 유형을 모두 수용합니다. 대체 솔루션에는 일반적으로 여러 베어링 세트(경사방향 하중을 위한 볼 베어링, 축방향 하중을 위한 테이퍼 롤러 베어링) 또는 복잡한 하우징 배열이 필요합니다. 크로스 롤러 설계는 이러한 기능을 하나의 구성 요소로 통합하여 조립 복잡성, 비용 및 잠재적인 오류 지점을 줄입니다.
많은 현대 로봇은 프레임 없는 모터와 통합 드라이브 전자 장치를 조인트 하우징 내에 직접 사용합니다. 기존 베어링 솔루션은 과도한 반경 방향 공간을 소비하여 모터 직경을 제한하거나 외부 구성 요소 배열이 필요합니다. RB2508의 얇은 벽 구조는 더 큰 모터 자석과 제어 전자 장치를 위한 내부 공간을 보존하여 모터 토크 출력을 직접적으로 향상시키고 전체 조인트 질량을 줄입니다.
산업 환경에서는 섭씨 5도에서 섭씨 50도까지의 온도 변화가 나타나며 특수 응용 프로그램에서는 이 범위를 더욱 확장합니다. 열팽창은 베어링 간극에 문제를 야기합니다. 예압 크로스 롤러 베어링은 이러한 온도 편위를 통해 일관된 예압을 유지하는 스프링 메커니즘을 통합하여 기존 베어링의 정밀도를 손상시킬 수 있는 틈새 확장을 방지합니다.
다음 표는 일반적인 로봇 어깨 관절 응용 분야에 대한 기존 대안과 크로스 롤러 베어링을 비교하는 방법을 보여줍니다.
| 사양 | 크로스롤러 (RB2508) | 복열 볼 베어링 | 테이퍼 롤러 세트 |
|---|---|---|---|
| 방사상 강성 | 매우 높음 | 보통 | 높음 |
| 축 강성 | 매우 높음 | 낮음 | 보통 |
| 모멘트 부하 용량 | 우수 | 나쁨 | 박람회 |
| 구성 요소 수 | 1개 단위 | 2-4개 단위 | 3-6개 단위 |
| 설치 복잡성 | 낮음 | 보통 | 높음 |
| 외경(대략) | 64mm | 68-75mm | 75-90mm |
| 위치 반복성 | /- 0.1mm | /- 0.3-0.5mm | /- 0.2-0.4mm |
이 비교는 근본적인 이점을 보여줍니다. 단일 RB2508 베어링은 여러 기존 베어링 세트의 결합된 성능을 제공하는 동시에 반경 방향 공간을 덜 소비하고 조립을 단순화합니다.
크로스 롤러 베어링은 하우징 설계의 정확성을 요구합니다. 외부 링에는 일반적으로 H7 공차 맞춤(반경 방향 이동이 없도록 꼭 맞는 맞춤)이 필요한 반면, 내부 링 보어에는 동심도를 유지하기 위해 P5 이상의 공차 등급이 필요합니다. 이러한 치수의 런아웃은 베어링의 유효 강성을 직접적으로 감소시키고 마모를 가속화할 수 있습니다.
크로스 롤러 베어링은 예압으로 인해 최소한의 내부 틈새로 작동합니다. 이 설계는 기존 베어링에 비해 상대적으로 낮은 마찰을 발생시키지만 고유한 윤활 요구 사항이 발생합니다.
고속 응용 분야(>200RPM)에서 오일 기반 시스템은 일반적으로 설치 복잡성이 증가하지만 그리스에 비해 베어링 수명을 3~5배 연장합니다.
예압 베어링은 틈새 기반 설계보다 약간 더 많은 열을 발생시킵니다. 최대 부하에서 지속적으로 작동하는 로봇 팔의 경우 주변 온도 제어가 중요합니다. 대부분의 정밀 등급 크로스 롤러 베어링은 최대 섭씨 80도까지 지정된 강성을 유지하며 섭씨 100도 이상에서는 성능 저하 가속도를 유지합니다.
효과적인 열 관리 전략에는 다음이 포함됩니다.
엔지니어는 RB2508의 정확한 특성을 이해하여 이를 공동 설계에 효과적으로 통합할 수 있습니다.
| 매개변수 | 가치 | 단위 | 메모 |
|---|---|---|---|
| 보어 직경(d) | 25 | mm | 일반적인 사양 |
| 외경(D) | 64 | mm | 컴팩트한 프로필 |
| 폭(B) | 8 | mm | 초박형 벽 |
| 동정격하중(Cr) | 3,500 | N | 100만 주기 정격 |
| 동적 축방향 하중(Ca) | 1,980 | N | 100만 주기 정격 |
| 모멘트 부하 용량 (Cm) | 180 | Nm | 정격 속도에서 |
| 예압력 | 400-600 | N | 표준사양 |
| 최대 속도 | 500 | RPM | 그리스 윤활 |
| 작동 온도 | -10~80 | 섭씨 온도 | 표준 범위 |
| 무게 | 대략. 200 | 그램 | 컴팩트한 패키지 |
동적 하중 정격(반경 방향은 Cr, 축 방향은 Ca)은 피로 파열이 시작되기 전에 베어링이 백만 회전을 완료하는 하중을 나타냅니다. 낮은 속도(일반적으로 10~100RPM)에서 작동하는 로봇 관절의 경우 실제 베어링 수명은 이 정격보다 5~10배 연장될 수 있습니다. 모멘트 부하 용량은 베어링이 과도한 편향 없이 견딜 수 있는 최대 굽힘 모멘트를 나타내며, 이는 로봇 응용 분야에서 일반적인 오프셋 부하 시나리오에 중요합니다.
RB2508을 포함한 RB 시리즈는 외부 링에 통합된 예압 메커니즘을 사용합니다. 웨이브 스프링 또는 디스크 스프링은 일관된 압축력을 가하여 내부 롤러 열과 외부 궤도 사이의 접촉을 유지합니다. 이 디자인은 다음을 제공합니다.
RU 시리즈는 내부 링에 통합된 예압 스프링을 사용합니다. 이 대체 접근 방식은 다음을 제공합니다.
로봇 조인트 응용 분야의 경우 RB2508과 같은 RB 시리즈 베어링은 일반적으로 우수한 예압 안정성과 반경 방향 강성으로 인해 RU 시리즈 베어링보다 성능이 뛰어납니다. RU 시리즈는 외부 링의 소형화가 가장 중요한 선회 링 응용 분야에서 선호됩니다. 표준 로봇 팔, 손목 조립품 및 협동 로봇 관절의 경우 RB2508이 최적의 선택입니다.
크로스 롤러 베어링의 성능 이점은 전적으로 설치 정밀도에 달려 있습니다. 권장 사례는 다음과 같습니다.
크로스 롤러 베어링은 시운전 기간을 제어할 수 있다는 장점이 있습니다. 새로운 로봇 팔의 경우:
현대 로봇 플랫폼에는 조인트 베어링 주위에 진동 및 온도 센서가 점점 더 많이 통합되고 있습니다. 이를 통해 구성 요소 수명을 연장하는 예측 유지 관리 전략이 가능해집니다. 주요 모니터링 매개변수는 다음과 같습니다.
잘 관리된 시스템의 크로스 롤러 베어링은 일반적으로 교체가 필요하기 전에 10,000~15,000시간 동안 작동합니다. 서비스 수명을 극대화하기 위한 전략은 다음과 같습니다.
협동 로봇은 일반적으로 상부 암 베이스(어깨 피치 축)에 RB2508 또는 이와 동등한 크로스 롤러 베어링을 장착합니다. 이 관절은 원위 팔 구조의 전체 중량과 페이로드를 지탱하고 페이로드 오프셋으로 인한 모멘트 하중을 경험하며 안전한 인간 협업을 위해 탁월한 위치 반복성이 필요합니다. RB2508의 결합된 부하 용량과 얇은 프로파일 덕분에 산업 미학을 유지하면서 정밀한 성능을 제공하는 소형 숄더 하우징에 통합할 수 있습니다.
최신 로봇 손목은 콤팩트한 어셈블리에 3개의 회전 축(롤, 피치, 요)을 사용합니다. 각 축은 RB2508 스케일 또는 더 작은 변형의 크로스 롤러 베어링을 사용할 수 있습니다. 이 베어링의 최소 방사형 엔벨로프는 기존 베어링 솔루션으로는 불가능한 사양인 80mm 미만의 손목 직경 내에서 3축 통합을 가능하게 합니다. 손목에 장착된 도구는 회전축에 근접함에도 불구하고 상당한 기울임 힘을 생성하므로 높은 모멘트 부하 용량이 매우 중요합니다.
SCARA(선택적 규정 준수 조립 로봇 암) 시스템은 캔틸레버 하중을 지지하는 베어링과 함께 수직 장착을 사용하는 경우가 많습니다. RB2508의 탁월한 축 강성은 정밀 조립 작업에서 부품 정렬을 손상시킬 수 있는 수직 편향을 방지합니다. 응용 분야에는 구성 요소 배치 정확도가 8시간 근무 동안 0.1mm 이내로 유지되어야 하는 회로 기판 조립이 포함됩니다.
델타 로봇은 3개의 평행 운동 체인을 사용하며, 각 관절은 메커니즘이 극한 속도(초당 2미터 이상)로 가속 및 감속할 때 높은 동적 하중을 받습니다. 크로스 롤러 베어링의 예압은 백래시를 최소화하는데, 이는 이러한 속도에서 궤적 정확도에 매우 중요합니다. RB2508 스케일 베어링을 사용하면 델타 로봇 형상을 정의하는 소형 조인트 하우징이 가능합니다.
실제 조인트 하중을 특성화하여 베어링 선택을 시작합니다. 다음을 수행하여 로드 프로필을 생성합니다.
실제 하중 범위가 설정되면 베어링 동적 정격 하중과 비교하십시오. RB2508의 하중 범위는 대부분의 5~15kg 협동 로봇 암과 최대 20kg의 산업용 암에 적합합니다.
로봇 관절은 지속적인 경부하부터 간헐적인 고부하까지 다양한 듀티 사이클로 상대적으로 낮은 속도(일반적으로 10-200RPM)로 작동합니다. 크로스 롤러 베어링은 이 스펙트럼 전반에 걸쳐 탁월합니다. 조인트 속도가 300RPM을 초과하는 경우 윤활 시스템 설계(오일-공기 선호)가 과도한 온도 상승 없이 고속 작동을 지원할 수 있는지 확인하십시오.
RB2508은 폭이 8mm로 매우 얇기 때문에 더 큰 크로스 롤러 베어링과 구별됩니다. 공간 가용성이 허용되는 경우 엔지니어는 더 높은 동적 하중을 수용하기 위해 더 큰 베어링(예: RB3010 또는 유사)을 선택하는 경우가 있습니다. 그러나 공간이 제한된 애플리케이션의 경우 RB2508은 사용 가능한 부하 용량과 설치 범위 간의 최적의 균형을 나타내는 경우가 많습니다.
0.2mm 미만의 위치 반복성을 요구하는 응용 분야(정밀 조립 및 수술용 로봇 공학에서 일반적)는 크로스 롤러 베어링의 고유한 강성 이점을 활용합니다. 적용 요구 사항이 0.5mm의 반복성을 허용하는 경우 기존 베어링 솔루션이 비용 효율적인 대안이 될 수 있습니다.
크로스 롤러 베어링은 기존 대안보다 단가가 높지만 하우징 단순화, 베어링 수 감소 및 서비스 수명 연장을 고려할 때 총 조인트 비용이 크로스 롤러 솔루션을 선호하는 경우가 많습니다. 2개의 볼 베어링과 1개의 테이퍼 베어링 세트(3개의 구성 요소)가 필요한 조인트는 단일 RB2508을 사용하는 동일한 성능보다 엔지니어링 및 제조 비용이 저렴하지만 단일 베어링 솔루션은 강성과 반복성 측면에서 다중 베어링 접근 방식보다 성능이 뛰어난 경우가 많습니다.
초고속 응용 분야에서 밀도 및 열 전도성 문제를 줄이는 세라믹 하이브리드 베어링에 대한 연구가 계속되고 있습니다. 현재 RB2508 구현에서는 전체적으로 강철을 사용하지만 미래의 변형에는 질화규소 롤링 요소가 통합되어 섭씨 120도에 가까운 온도에서 더 낮은 열팽창과 확장된 작동 수명을 제공할 수 있습니다.
베어링 제조업체에서는 온도, 진동 및 축 위치를 모니터링하기 위해 점점 더 베어링 링 내에 센서를 내장하고 있습니다. 이러한 스마트 베어링 개념을 RB 시리즈 설계에 통합하면 추가 외부 계측 없이 실시간 상태 평가가 가능합니다. 미래의 "스마트 RB2508"은 로봇 제어 시스템에 지속적인 진단 데이터를 제공할 수 있습니다.
현재 RB2508 설계에서는 고정된 예압 값을 사용합니다. 새로운 설계에서는 특정 응용 분야 요구 사항에 맞게 베어링 강성을 현장에서 조정할 수 있는 조정 가능한 예압 메커니즘을 탐구합니다. 이 기능은 더 넓은 하중 스펙트럼에 걸쳐 단일 베어링 모델 적용 가능성을 확장할 수 있습니다.
표준화된 하중 등급 대신 차세대 베어링 설계 도구를 사용하면 특정 하중 프로필에 대한 맞춤형 최적화가 가능합니다. 최소한의 축방향 또는 모멘트 하중으로 주로 방사형 하중을 받는 조인트는 해당 프로파일에 최적화된 베어링을 사용할 수 있으므로 성능을 유지하면서 잠재적으로 비용과 무게를 줄일 수 있습니다.
크로스 롤러 베어링은 볼 베어링의 점 접촉과 비교하여 선 접촉 형상을 사용하므로 강성이 훨씬 더 높고 결합 하중(경사 방향, 축 방향 및 모멘트)을 동시에 수용할 수 있는 능력이 있습니다. 단일 RB2508 크로스 롤러 베어링은 여러 기존 베어링을 대체하면서 공간을 덜 차지하고 뛰어난 위치 반복성을 제공할 수 있습니다. 이는 공간이 부족한 소형 로봇 팔에 특히 유용합니다.
예압력은 롤링 요소와 궤도 사이의 일정한 접촉을 유지하여 기존 베어링의 특징인 틈새를 제거합니다. 이는 백래시를 제거하고 베어링 강성을 극적으로 증가시켜 현대 로봇이 요구하는 정밀한 반복성을 가능하게 합니다. 통합된 스프링 메커니즘으로 인해 예압은 작동 온도 범위 전체에서 안정적으로 유지됩니다.
적절한 윤활 및 오염 제어 기능을 갖춘 잘 관리된 시스템에서 RB2508 베어링은 일반적으로 교체가 필요하기 전까지 10,000~15,000시간 동안 작동합니다. 수명은 실제 부하 조건, 속도, 온도 및 유지 관리의 엄격함에 따라 크게 달라집니다. 경량 애플리케이션은 20,000시간이 소요될 수 있는 반면, 고강도 시스템은 8,000시간 후에 교체가 필요할 수 있습니다.
많은 경우 그렇습니다. RB2508의 콤팩트한 프로파일 덕분에 하우징 공차와 윤활 시스템을 조정할 수 있는 경우 직접 대체가 가능한 경우가 많습니다. 그러나 우수한 강성을 위해서는 극적으로 증가된 조인트 강성으로 인한 진동을 방지하기 위해 서보 컨트롤러 조정이 필요할 수 있습니다. 호환성 평가에는 구현 전 상세한 치수 분석 및 동적 시뮬레이션이 포함되어야 합니다.
오일-공기 윤활 시스템은 지속적인 작업에 선호되며 제어된 간격으로 정밀한 오일 방울을 전달합니다. 이 접근 방식은 항력을 최소화하고 예압 온도를 일정하게 유지하며 그리스 윤활에 비해 베어링 수명을 연장합니다. 그리스 윤활 설계는 적당한 듀티 사이클과 낮은 속도 요구 사항을 갖춘 밀폐형 응용 분야에 적합합니다.
약 180뉴턴미터에 달하는 RB2508의 모멘트 부하 용량은 등가 외경의 테이퍼 롤러 베어링의 모멘트 부하 용량을 크게 초과합니다. 이러한 장점은 과도한 편향 없이 틸팅 하중을 수용할 수 있는 교차 롤러 형상의 능력에서 비롯됩니다. 상당한 오프셋 탑재하중이 있는 응용 분야의 경우 크로스 롤러 베어링에는 추가 모멘트 하중 지지 구조가 필요하지 않은 경우가 많습니다.
외부 링에는 반경 방향 이동을 방지하고 적절한 하중 분산을 보장하기 위해 H7 공차(밀착)가 필요합니다. 내부 링 보어는 동심도를 유지하기 위해 P5 이상의 공차 등급을 요구합니다. 장착 표면에서 런아웃이 0.05mm를 초과하면 베어링 성능이 저하되고 마모가 가속화됩니다. 설치 전 정밀 가공과 검사가 필수입니다.
예. 제조업체는 다양한 크기 범위에 걸쳐 크로스 롤러 베어링 시리즈를 제공합니다. 더 작은 변형(RB2006, RB1006)은 더 가벼운 작업이나 공간이 제한된 응용 분야를 수용하는 반면, 더 큰 변형(RB3010, RB3015, RB4015)은 더 무거운 로봇 팔 또는 선회 링 응용 분야에 향상된 부하 용량을 제공합니다. 각 변형은 크로스 롤러 설계의 기본 성능 이점을 유지하면서 부하 및 속도 기능을 확장합니다.
표준 RB2508 베어링은 섭씨 영하 10도에서 영하 80도 사이에서 안정적으로 작동합니다. 윤활유 점도가 감소하고 예압 스프링 힘이 감소함에 따라 성능 저하가 섭씨 80도 이상에서 가속화됩니다. 섭씨 120도까지 작동하도록 설계된 고온 변형은 특수 윤활제와 스프링 재료를 사용하므로 비용이 증가합니다. 하우징 설계 및 냉각 시스템을 통한 효과적인 열 관리로 베어링 수명이 크게 연장됩니다.
크로스 롤러 베어링은 동적 응용 분야에서 탁월합니다. 예압과 우수한 강성은 가속 중 백래시와 편향을 최소화하며 이는 궤도 정확도에 중요합니다. 선 접촉 형상은 볼 베어링에 비해 더 큰 표면에 충격 하중을 분산시켜 최대 응력 집중을 줄입니다. 극한의 가속도를 사용하는 고성능 로봇 설계는 저속 연속 모션 응용 분야보다 교차 롤러 베어링의 이점을 더 많이 얻습니다.
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