휴머노이드 로봇용 정밀 부품 – 액추에이터용 기어 가공 

두 기어 유형 모두 전기 모터의 빠른 회전을 느리고 강력한 관절 운동으로 변환하지만, 그 방식은 매우 다릅니다.  

웨이브 기어는 웨이브 제너레이터에 의한 플렉스스플라인의 탄성 변형을 이용하여, 좁은 설치 공간과 백래시 없이 단일 단계에서 매우 높은 감속비(최대 100:1)를 달성합니다. 유성 기어는 하중을 여러 개의 톱니 맞물림에 동시에 분산시켜 특히 높은 하중을 견딜 수 있지만, 높은 감속비를 얻기 위해서는 여러 단이 필요합니다. 휴머노이드 로봇에서는 관절 요구 사항에 따라 두 유형 모두 목적에 맞게 사용됩니다. 

플렉스스플라인은 정밀 가공 분야에서 가장 까다로운 톱니 가공 작업 중 하나입니다. 

벽 두께는 1mm 미만이며, 아주 작은 클램핑 힘이라도 탄성 변형을 일으켜 기어 가공 오류로 이어질 수 있습니다. 이에 EMAG는 클램핑 힘을 내부 전체 표면에 균일하게 분산시키는 유압식 확장 클램핑 마운트를 사용합니다. 여기에 경도 38–42 HRC의 고강도 소재와, 피치 공차가 단위 마이크로미터 수준인 DIN 4급 톱니 가공 품질 요구 사항까지 더해집니다. 

EMAG는 세 가지 핵심 부품 각각에 특화된 공정을 제공합니다. 

플렉스 스플라인의 경우, K 시리즈 머신에서 특수 초경 롤링 커터와 동기화 오차 보정 전략을 적용한 롤링 밀링 공정이 사용됩니다. 웨이브 제너레이터는 VLC 350 GT에서 선삭, 밀링 및 연마 공정을 결합하여 한 번의 셋업으로 완전히 가공됩니다. 유성 기어는 형상 밀링, 침탄 및 경질 정밀 가공으로 구성된 공정 체인을 거치며, 선택에 따라 쉘 밀링, 기어 치연삭 또는 프로파일 연삭이 적용됩니다. 

플렉스스플라인 제조는 연가공과 열후 가공이 긴밀하게 연계되어 이루어집니다. 

공정 체인은 형상 제작을 위한 연성 선반 가공으로 시작되며, 이어서 열처리(경화, 극저온 처리, 템퍼링) 및 기능면의 경질 선반 가공이 이어집니다. 그 후, 내부 보링에 호닝 처리를 실시하는데, 이는 치형 가공을 위한 정밀한 클램핑 기준 역할을 합니다. 마지막으로 디버링, 세척 및 블라스팅 공정이 진행됩니다. 오류가 치형의 최종 품질에 직접적인 영향을 미치므로, 각 단계는 다음 단계와 유기적으로 연계되어 있습니다. 

EMAG는 모든 부품에 적합한 기계 플랫폼을 제공합니다. 

플렉스 스플라인의 경우 K 160(외경 약 100mm까지, 개방형 구조)과 K 300(140mm까지, 강성을 높인 폐쇄형 프레임)을 사용할 수 있습니다. 웨이브 제너레이터는 VLC 350 GT(선삭, 밀링, 연마를 한 대의 기계에서 수행)에서 가공됩니다. 유성 기어의 경우, K 160은 휠 밀링에 적합하며, G 160, G 250 HS 또는 G 375 H는 후속 경질 정밀 연삭에 적합합니다. 

달성 가능한 품질 등급은 부품 및 공정에 따라 다르지만, 항상 최고 수준의 정밀도 범위에 속합니다. 

플렉스스플라인의 경우, EMAG는 DIN 3960/62 또는 ISO 1328 4등급에 부합하는 톱니 가공 품질을 입증적으로 달성하며, 피치 공차는 단위 마이크로미터 범위이고 진동도는 5 µm 미만입니다. 웨이브 제너레이터는 한 번의 클램핑 작업으로 완벽한 가공 덕분에 ≤ 3 µm의 동심도 및 대칭도 공차를 달성합니다. 유성 기어는 공정에 따라 DIN 등급 4~6으로 제작되며, 휴머노이드 로봇 공학 분야의 새로운 요구 사항으로 인해 경화 전 등급 4에 대한 수요가 점차 증가하고 있습니다. 

주요 적용 분야는 휴머노이드 로봇의 회전 액추에이터입니다. 

현재의 휴머노이드 로봇에는 어깨, 팔꿈치, 엉덩이, 무릎 관절에 분산된 최소 14개의 회전 액추에이터가 필요합니다. 플렉스 스플라인(Flexspline) 및 웨이브 제너레이터(Wave Generator)가 장착된 웰 기어는 백래시 없음, 소형화 및 높은 감속비가 결정적인 요소인 곳에 주로 사용됩니다. 행성 기어박스는 높은 토오크가 필요한 관절을 담당합니다. 정밀 모터가 장착된 로봇 손의 설계 및 개발이 증가함에 따라 소형 기어박스에 대한 수요도 증가하고 있으며, 이는 EMAG 제조 솔루션의 성장하는 응용 분야입니다. 

핵심은 짧은 사이클 타임, 낮은 불량률, 그리고 최소화된 세팅 작업입니다. 

Wave Generator를 사용하여 타원형 윤곽을 예비 밀링 및 정밀 연삭하는 방식을 결합하면, 순수 연삭 가공에 비해 가공 시간을 30~40% 단축할 수 있습니다. 한 번의 클램핑 작업으로 완벽한 가공을 수행함으로써 리드 타임을 단축하고, 불량 원인의 하나인 클램핑 에러를 제거할 수 있습니다. 유성 기어의 경우, "블랭크 연마"라는 대체 공정을 통해 예비 톱니 가공 단계를 생략함으로써 공정 체인을 단축합니다. 또한 G 375 H는 짧은 세팅 시간 덕분에 부품 형상이 자주 바뀌는 경우에도 경제적인 운영이 가능합니다.