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

이 글에서는 이전 영상에서 만든 사이클로이드 드라이브의 업데이트 버전(19:1 감속비)을 CNC 가공 부품과 3D 프린팅 부품으로 각각 제작해 성능을 비교해보겠습니다.

이 사이클로이드 드라이브의 설계와 조립 방법을 설명하고, NEMA17과 NEMA23 스테퍼 모터로 구동하며 정확도와 하중 용량을 테스트하겠습니다.

다음 영상을 시청하거나 아래의 텍스트 튜토리얼을 읽어보세요.

사이클로이드 드라이브 개요

이전 영상에서 사이클로이드 드라이브가 무엇이고 어떻게 작동하는지 자세히 설명했으니, 익숙하지 않다면 그 영상을 참고하세요. 간단히 말해, 사이클로이드 드라이브는 콤팩트하면서 견고한 설계로 매우 높은 감속비를 제공하는 독특한 유형의 기어박스(감속기)입니다.

사이클로이드 드라이브는 5가지 주요 구성요소로 이뤄집니다: 고속 입력 샤프트, 편심 베어링, 두 개의 사이클로이드 디스크, 핀과 롤러가 있는 링 기어, 핀과 롤러가 있는 저속 출력 샤프트.

입력 샤프트가 편심 베어링을 구동, 편심 베어링이 두 디스크를 링 기어 하우징 내부 둘레를 따라 돌게 합니다. 편심 운동으로 사이클로이드 디스크 톱니(로브)가 링 기어 하우징 롤러와 맞물리며 역방향 회전을 감속된 속도로 만듭니다. 감속비는 링 기어 핀 개수에 따라 결정됩니다.

자세한 설명은 이전 영상과 거기서 만든 3D 프린팅 프로토타입(15:1 감속비, 115mm 직경) 참고.

이번 빌드에선 감속비를 높이면서 사이클로이드 드라이브를 더 콤팩트하게 만들고 싶었습니다. 이를 위해 볼 베어링 롤러 대신 직경이 훨씬 작은 부싱을 사용합니다.

롤러 직경이 가장 중요한 치수입니다. 핀 개수와 함께 기어박스 크기를 결정하니까요. 이 사이클로이드 드라이브 설계 과정을 설명하며 왜 그런지 보여드리겠습니다.

사이클로이드 드라이브 설계

먼저 롤러 직경을 8mm로 정했습니다. 쉽게 주문할 수 있는 부싱 치수였습니다. 19:1 감속비를 원했으니 링 하우징에 롤러 20개 필요. 8mm 직경 롤러 20개를 원 주위에 배치하는 스케치를 그렸습니다.

이 두 입력(롤러 직경, 개수)에 따라 링 기어 피치 직경 최소값이 결정됩니다. 이 값과 편심량(롤러 반지름의 절반보다 작아야 함)이 사이클로이드 디스크 형상 생성에 쓰이는 4대 주요 입력 파라미터가 됩니다.

사이클로이드 디스크 프로파일은 사이클로이드 곡선에서 나옵니다. 점이 미끄러지지 않고 직선을 따라 굴러갈 때 그리는 곡선, 또는 그 변형인 에피트로코이드(외부 원 둘레 위를 굴러가는 점의 자취, 외부 원 중심에서 떨어진 거리)입니다.

이런 곡선을 그리기 위해 Omar Younis가 SOLIDWORKS 교육 블로그에 쓴 문서의 파라메트릭 방정식을 사용할 수 있습니다.

이 파라메트릭 방정식을 SOLIDWORKS의 Equation Driven Curve 툴로 사이클로이드 디스크 만드는 법을 보여드리겠습니다.

방정식:

Equations by Omar Younis
N - Number of rollers
Rr - Radius of the roller
R - Radius of the rollers PCD
E - Eccentricity - offset from input shaft to a cycloidal disk
x = (R*cos(t))-(Rr*cos(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))-(E*cos(N*t))
y = (-R*sin(t))+(Rr*sin(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))+(E*sin(N*t))
===================
Values for this DIY Cycloidal Drive:
i = 19:1
N - 20
Rr = 8/2 = 4
R= 66/2 = 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))

두 파라메트릭 방정식을 넣으면 사이클로이드 디스크 형상 생성 가능. 당연히 우리 파라미터를 방정식에 맞게 써야 합니다. "t" 파라미터는 0~2*Pi 값 사용.

다만 2*Pi보다 살짝 작은 값 써야 곡선이 생성됩니다. 약간의 갭이 생기는데 스플라인으로 쉽게 연결 가능.

프로파일 익스트루드하고 편심 베어링 구멍과 출력 핀 구멍 뚫기. 출력 구멍 직경 = 핀 롤러 직경 + 2×편심량. 여기선 8 + 2×1 = 10mm 직경.

자, 이제 이 사이클로이드 드라이브를 만들어 실제 CNC 가공 부품과 3D 프린팅 부품으로 어떻게 작동하는지 보겠습니다.

3D 모델 및 STL 파일 다운로드

이 사이클로이드 드라이브의 3D 모델 STEP 파일 다운로드와 브라우저 탐색은 Thangs에서 가능:

Thangs에서 3D 모델 .STEP 파일 다운로드

3D 프린팅용 STL 파일 다운로드:

여기서 다운로드

SOLIDWORKS 파일 다운로드:

여기서 다운로드

도면:

도면 다운로드

CNC 가공 부품 주문 시 이 도면들을 사용했습니다.

CNC 가공 부품 주문

CNC 가공 부품은 PCBWay에서 주문했습니다. PCB 제조 서비스 외에도 CNC 가공, 3D 프린팅, 판금 가공, 사출 성형 서비스 제공.

주문 매우 간편. 3D 모델 업로드하고 부품 재료 선택. 거의 모든 재료 가능. 대부분 알루미늄 선택, 사이클로이드 디스크는 더 강한 재료 원해 스테인리스 스틸 선택.

표면 처리(아노다이징, 브러싱, 스프레이 페인팅 등), 표면 거칠기, 공차 선택 가능. 표준 공차보다 엄격한 공차 필요한 부품엔 도면에 특정 공차 명시해 포함.

여러 부품 추가해 한 주문으로 각각 견적 요청 가능.

예상 기간 내 도착, 각 아이템별 개별 포장으로 잘 보호돼 옴.

직접 설계한 게 금속으로 제조돼 나오는 건 꽤 만족스럽습니다. 부품 훌륭하고 설계와 정확히 일치. PCBWay 웹사이트 방문해 서비스 더 알아보세요.

3D 프린팅 버전은 PLA 재료로 직접 출력했습니다. 3D 프린팅 시 슬라이싱 소프트웨어의 구멍 수평 확장(Hole Horizontal Expansion) 기능 사용 중요.

보통 3D 프린팅 부품 구멍이 원래 크기보다 작게 나오는데 이 기능으로 보정해 더 정확한 치수 얻습니다. 제 값 0.07, 외곽 치수 보정용 수평 확장은 0.02mm. 본인 3D 프린터에서 테스트 프린트로 최적 값 찾아보세요.

사이클로이드 드라이브 조립

자, 사이클로이드 드라이브 조립 시작. 모든 부품 준비됐습니다. CNC 가공 버전 먼저, 그다음 3D 프린팅 버전.

이 사이클로이드 드라이브 조립에 필요한 모든 부품 목록:

• 6mm 강철 원통 봉 …………………..…. Amazon / AliExpress
  L=30mm x20개; L=22mm x6개 (드라이브 1개분)
• 8mm 부싱 ………………………………………. Amazon / AliExpress
  L=20mm x20개; L=15mm x6개 (드라이브 1개분)
• 볼 베어링 35x47x7 6807-2RS – x2 …. Amazon / AliExpress
• 볼 베어링 17x26x5mm 6803ZZ x2 …. Amazon / AliExpress
• 나사 인서트 ………………………..………. Amazon / AliExpress
• M3, M4 볼트(동네 철물점에서 구매) – 이 프로젝트에 필요한 볼트 전체 목록 며칠 내 추가 예정

공개: 위 링크는 제휴 링크입니다. 아마존 어소시에이트로서 자격 있는 구매로부터 수익을 얻습니다.

NEMA17 스테퍼 모터에 샤프트 커플러 고정. 커플러는 모터 전면 플레이트에서 2mm 떨어진 위치, 그럽 스크류 2개로 쉽게 고정. 베이스 플레이트 M3 볼트 4개로 스테퍼에 고정.

이 어셈블리에서 가장 큰 부품, 링 기어 롤러 하우징. 롤러(이 경우 부싱) 장착. 8mm 직경, 길이 20mm 부싱 필요. 주문 당시 그 치수 없어 10mm 길이 부싱 2개 사용.

이 부싱들이 꽂히는 핀은 6mm 직경, 길이 30mm. 하우징 바닥 구멍은 핀과 타이트 핏이라 단단히 고정. 힘줘 끼워야 함. 20개 롤러 장착, 19:1 감속비.

링 기어 하우징이 베이스 플레이트 위에 올라갑니다. 먼저 출력 롤러 고정용 거리 링 삽입.

편심 샤프트가 NEMA17 샤프트 커플러 위에 올라갑니다. 장착 전 17mm 내경, 26mm 외경 베어링 2개 삽입.

모든 게 완벽하게 맞습니다. 베어링 들어가는 공차를 간섭 핏으로 줘 베어링이 단단히 고정되게 했습니다. 그래서 힘줘 끼워야 했습니다.

이 어셈블리가 편심 베어링. 이제 두 사이클로이드 디스크를 편심 베어링에 장착. 이것도 간섭 핏이라 힘줘 끼워야 함. 실수로 디스크를 파우더 코팅 주문해 재료가 더해져 공차가 안 맞았습니다.

두 사이클로이드 디스크 사이에 거리 링 하나 넣어 베어링과 디스크 핏이 느슨해져도 디스크가 제자리 유지되게 함.

이 어셈블리 통째로 하우징에 넣거나 디스크 하나씩 넣기. 사이클로이드 디스크와 링 기어 롤러 사이 핏이 드라이브 성능 결정하는 핵심. 백래시 최소화하려고 최대한 타이트하게 만들려다 디스크가 안 들어가는 문제 발생.

원인: 파라메트릭 방정식에서 나온 사이클로이드 디스크 프로파일에 클리어런스/오프셋을 안 줬고, 파우더 코팅으로 크기 더 커짐. 게다가 가진 부싱들이 8mm보다 살짝 컸습니다.

해결 위해 새 디스크 주문하려다 로터리 툴로 디스크 프로파일 깎아내려 시도. 샌딩 후 실제로 디스크 장착 성공.

최선은 아니지만 성능 볼 겸 진행.

두 디스크를 하우징에 넣을 땐 180도 위상 차로 배치해야 함.

디스크에 구멍 있어 위치 맞춤용. 한 디스크 뒤집어 두 구멍 정렬. 장착 후 모터 전원 켜 편심 베어링, 링 기어 롤러와 사이클로이드 디스크 작동 확인.

사이클로이드 디스크가 입력 샤프트 반대 방향으로 편심 운동하며 19배 느린 속도 회전.

이 편심 운동이 사이클로이드 디스크 6개 구멍 통해 출력 샤프트로 전달. 출력 샤프트에 핀 6개 고정, 부싱 끼움. 핀 6mm 직경, 22mm 길이. 출력 샤프트 구멍은 간섭 핏으로 치수 잡아 단단히 고정, 힘줘 끼워야 함.

핀 고정 후 8mm 부싱 삽입. 15mm 길이 필요했으나 당시 구못해 10mm 부싱에 와셔로 보정. 영상에선 와셔 2개라 했지만 실제론 1개만 사용. 프로젝트 필요 부품 링크엔 올바른 치수 명시.

출력 샤프트 장착 전 거리 링과 베어링(입력/출력 샤프트 양쪽 지지) 삽입. 출력 샤프트 사이클로이드 디스크 구멍에 끼움.

출력 샤프트에 거리 링 하나 더, 35mm 내경 베어링 삽입.

맨 위 하우징 뚜껑 덮고 M6 볼트 45mm 6개로 조이면 조립 완료. 정말 잘 나왔습니다.

3D 프린팅 버전도 동일한 절차로 조립. 추가 단계: 출력 샤프트에 나사 인서트 박아 물건 부착 가능하게.

테스트

자, 두 사이클로이드 드라이버 준비됐으니 테스트로 성능 확인. 참고: CNC 가공 버전 무게가 3D 프린팅 버전보다 훨씬 무겁습니다.

토크

두 드라이브 나란히 놓고 10cm 거리에서 낼 수 있는 힘 측정으로 토크 테스트 시작.

둘 다 10cm 거리에서 약 45N 힘 출력, 토크로 환산하면 약 450 Ncm. CNC 가공 버전이 약간 더 높고 일관된 결과.

이 NEMA17 스테퍼 모터 정격 28Ncm이니 약 16배 토크 증가. 이상적 조건에서 19배 증가해야 하니 효율 약 85%.

NEMA23 스테퍼 모터 장착 시 성능 확인. 사이클로이드 드라이브를 NEMA17과 NEMA23 모두 쓸 수 있게 설계. 하지만 최대한 콤팩트하게 만들려다 보니 NEMA17→NEMA23 교체에 약간 작업 필요.

일부 부품 분해, 베이스 플레이트 NEMA23 구멍 맞게 교체, NEMA23 샤프트 더 커서 다른 샤프트 커플러 필요. 기본적으로 이 두 부품만 바꾸고 재조립.

3D 프린팅 버전도 NEMA23으로 교체. 분해 중 사이클로이드 디스크가 이미 마모 시작된 것 확인.

마모가 디스크 한쪽에 더 심한데, 3D 프린팅 시 아래쪽 면이던 부분. 처음 몇 레이어가 필라멘트 더 많이 압출돼서 그렇습니다.

가장 큰 NEMA23 스테퍼 모터로 둘 다 테스트해 드라이브 최대한 스트레스.

처음엔 같은 10cm 막대로 시작했는데, 스테퍼 모터 파워 25%쯤에서 이미 10cm 거리 130N 도달, 포스 미터 최대 200N이라 힘 측정 거리를 늘려 200N 이하로 유지해야 했습니다.

긴 소나무 막대 달아 50cm 거리에서 힘 측정 시도. 약 50N에서 소나무 막대 부러짐(약한 재질). 더 강한 합판 막대 교체해 50cm 거리 측정 성공.

약 60N 읽힘, 토크 환산 약 3000 Ncm = 30Nm. 꽤 인상적. 합판이 하중 아래 얼마나 휘는지 보세요.

20cm 거리 측정 시 약 170N, 약 34Nm 토크. 이 NEMA23 스테퍼 모터 정격 2.1Nm이니 다시 약 16배 토크 증가, 효율 약 85%.

하지만 3D 프린팅 버전에 NEMA23 테스트 시 20cm 거리 약 65N 읽힘.

토크 약 13Nm로 CNC 가공 버전 34Nm보다 현저히 낮음. 이 테스트로 두 버전 차이 확인. 3D 프린팅 버전은 강력한 NEMA23 스테퍼 출력을 감당 못 함. 스레드 인서트도 이 하중에서 고장.

백래시

정확도 테스트도 했습니다. 반복 정밀도는 CNC 가공과 3D 프린팅 둘 다 좋습니다. 하지만 하중 가하면 백래시 존재. CNC 가공 버전 약 12cm 거리에서 양방향 힘 가했을 때 약 4mm 플레이, 3D 프린팅 버전 약 15cm 거리에서 7mm 플레이.

축 플레이/백래시는 부싱 치수 부정확, 파우더 코팅 실수로 사이클로이드 디스크 프로파일 수동 샌딩한 탓. 같은 이유로 백래시 불일치도 발생, 축 위치마다 백래시 차이 남.

결론

더 좋은 부싱 쓰고 사이클로이드 디스크 프로파일을 적절한 치수와 클리어런스로 가공하면 확실히 더 나은 결과 가능.

3D 프린팅 버전 정밀도도 3D 프린팅 시 수평 확장 기능 실험, 디스크 폭 늘려 접촉 면적 키워 내구성 향상으로 개선 가능.

로봇 프로젝트 만들 때 이 타입 사이클로이드 드라이브 꼭 적용해볼 예정.

이 튜토리얼 즐겁게 보셨고 새로운 것 배우셨길 바랍니다. 댓글로 질문 자유롭게 남겨주세요.