CNC 가공 vs 3D 프린팅 사이클로이드 드라이브: 설계·조립·성능 비교

사이클로이드 드라이브 개요

이전 영상에서 사이클로이드 드라이브 원리 상세 설명(참고: 이전 영상). 요약: 초고감속비·소형·강건 설계의 특수 감속기. 5대 구성요소: 고속 입력축, 편심 베어링, 사이클로이드 디스크 2개, 핀/롤러 달린 링 기어 하우징, 저속 출력축(핀/롤러). 입력축→편심 베어링→디스크 2개 편심 운동→링 기어 롤러와 맞물려 역방향 감속 회전. 감속비 = 링 기어 핀 개수 - 1. 이전 버전: 15:1, 115mm 직경.

이번 신버전: 감속비 ↑(19:1), 크기 ↓. 롤러로 볼 베어링 대신 소구경 부싱(8mm) 채택. 롤러 직경이 핀 개수와 함께 기어박스 크기 결정하므로 핵심 치수.

설계 프로세스

1. 롤러 직경 8mm(구매 용이 부싱 치수) 확정.
2. 목표 감속비 19:1 → 링 하우징 롤러 20개 필요. 8mm 롤러 20개 원주 배치 스케치.
3. 두 입력(롤러 직경, 개수)으로 링 기어 피치 서클 직경 최소값 산출. 편심량(E < 롤러 반경=4mm)과 함께 디스크 형상 생성 4대 파라미터 완성.
4. 디스크 프로파일: 사이클로이드 곡선(직선 위 구르는 점 자취) 변형인 에피트로코이드(Epitrochoid) 곡선. 오마르 유니스 매개변수 방정식(SOLIDWORKS Equation Driven Curve) 활용.

N=20, Rr=4, R=33, E=1
x = (33*cos(t))-(4*cos(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))-(1*cos(20*t))
y = (-33*sin(t))+(4*sin(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))+(1*sin(20*t))
t: 0 ~ 2π (미만값으로 갭 생성 후 스플라인 연결)

프로파일 돌출 → 편심 베어링 구멍, 출력 핀 구멍(직경 = 롤러 직경 + 2×편심량 = 8+2=10mm) 가공. 실물 제작·테스트 진행.

3D 모델 및 STL 다운로드

• STEP 파일: Thangs에서 다운로드
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• SOLIDWORKS 파일: 다운로드
• 도면: 다운로드 (CNC 발주용 공차 명시)

CNC 가공 부품 발주 (PCBWay)

PCBWay(PCB 제조 외 CNC 가공, 3D 프린팅, 판금, 사출 서비스 제공) 이용. 3D 모델 업로드 → 소재 선택(대부분 알루미늄, 디스크는 내구성 위해 스테인리스) → 표면 처리(아노다이징, 브러싱 등), 조도, 공차 선택. 엄밀 공차 필요 부품은 도면 첨부. 다수 부품 단일 주문 견적 가능. 예상 납기 내 도착, 개별 포장 양호. 직접 설계한 파트가 금속으로 구현되는 뿌듯함. PCBWay 서비스 자세히 보기.

3D 프린팅 버전: PLA, 슬라이서 '구멍 수평 확장' 필수(구멍 작게 나오는 것 보정). 본인 설정: 구멍 확장 +0.07mm, 외곽 확장 +0.02mm. 프린터별 테스트 프린트로 최적값 탐색 필요.

조립

필요 부품: 6mm 핀(30mm×20, 22mm×6), 8mm 부싱(20mm×20, 15mm×6), 베어링 6807×2, 6803×2, 쓰레드 인서트, M3/M4 볼트·너트.

CNC 가공 버전 조립

1. NEMA 17 샤프트 커플러 고정(모터 전면판에서 2mm 간격, 그럽 스크류 2개), 베이스 플레이트 모터에 4개 M3 볼트 고정.
2. 링 기어 롤러 하우징: 8mm 부싱 20mm 20개 장착(구매 시 20mm 없던 관계로 10mm 2개 조합). 핀 6mm×30mm, 하우징 바닥 구멍과 간섭 핏으로 단단 고정(압입 필요). 20개 롤러 = 19:1 감속비.
3. 하우징 베이스 플레이트 위 장착 → 출력 롤러 고정용 거리 링 선삽입.
4. 편심축 조립: 17mm 내경/26mm 외경 베어링 2개 편심축에 압입(간섭 핏 설정으로 힘 필요). 이 어셈블리 = 편심 베어링.
5. 사이클로이드 디스크 2개 편심 베어링에 압입(이쪽도 간섭 핏). 분말 도장 의뢰 실수로 두께 증가해 결합 더 타이트. 디스크 사이 거리 링 추가(결합 풀림 방지).
6. 디스크 2개 하우징 동시 또는 순차 삽입. 디스크-롤러 간극이 성능 좌우. 타이트하게 설계하려다 파우더 코팅+부싱 실치수 오차로 안 들어감. → 로터리 툴로 디스크 프로파일 샌딩해 강제 장착(권장 안 함, 결과 참고용).
7. 디스크 180도 위상 차 배치(구멍 뒤집어 정렬). 모터 구동 → 디스크 편심 운동, 입력축 역방향 1/19 속도 회전 확인.
8. 출력축: 6mm 핀 22mm 6개 간섭 핏 압입 → 8mm 부싱 15mm(구매 시 10mm+와셔 보정, 링크는 정확한 치수). 거리 링+베어링(입출력축 동시 지지) 선삽입 후 출력축 디스크 구멍에 결합.
9. 출력축 상단 거리 링+35mm 내경 베어링 → 하우징 뚜껑 M6×45mm 볼트 6개로 마감. 완성도 높음.

3D 프린팅 버전 조립

동일 절차. 추가: 출력축에 쓰레드 인서트 삽입(부착물 연결용).

테스트

참고: CNC 버전 무게가 3D 프린팅 버전보다 상당히 무거움.

토크 테스트

NEMA 17: 양쪽 모두 10cm 거리 약 45N(450Ncm) 출력. CNC 버전이 약간 높고 일관성 있음. NEMA 17 정격 28Ncm → 16배 증폭. 감속비 19:1 기준 약 85% 효율.

NEMA 23 업그레이드: 베이스 플레이트·샤프트 커플러만 교체(콤팩트 유지 위해 최소 부품 교체). 3D 프린팅 버전 분해 시 디스크 마모 확인(바닥면 레이어 라인 과압출로 인한 마모 집중).

최대 NEMA 23(2.1Nm) 장착. 10cm 스틱으론 25% 출력서 130N 도달(포스 미터 한계 200N) → 50cm 소나무 스틱 파손(50N) → 합판 50cm로 교체. 50cm 거리 60N(3000Ncm=30Nm) 측정. 20cm 거리 170N(34Nm). NEMA 23 정격 2.1Nm → 16배 증폭, 85% 효율 유지.

3D 프린팅 버전 NEMA 23: 20cm 거리 65N(13Nm)만 출력. CNC 34Nm 대비 현격 저하. 강력 모터 토크 감당 못 함. 쓰레드 인서트도 파손.

백래시 테스트

반복 정밀도: 둘 다 양호. 하중 가하면 백래시 발생.

• CNC: 12cm 거리 양방향 약 4mm 플레이.
• 3D 프린팅: 15cm 거리 양방향 약 7mm 플레이.

원인: 부싱 치수 부정확 + 디스크 프로파일 수동 샌딩(파우더 코팅 실수) → 백래시 불균일(위치별 편차).

결론

정밀 부싱 사용, 디스크 프로파일 적정 클리어런스 가공 시 성능 대폭 향상 가능. 3D 프린팅 버전도 수평 확장 실험, 디스크 폭 확대/접촉면 개선으로 정밀도/내구성 향상 여지 큼.

이 타입 사이클로이드 드라이브 향후 로봇 프로젝트에 적극 적용 예정.