휴머노이드 로봇 부품 제조: 구성 요소 유형 및 가공 솔루션

휴머노이드 로봇은 모터, 감속기, 베어링, 센서, 구조 연결 장치, 전자 장치 및 열 관리 시스템을 하나의 기계로 결합해야 하며, 동시에 동적 하중을 반복적으로 견뎌야 하므로 경량화를 유지해야 합니다. 따라서 기계적 과제는 기존 산업 장비와는 다릅니다. 움직이는 질량의 모든 부분이 관절의 토크와 관성에 영향을 미치지만, 지나친 경량화는 강성, 베어링 정렬 및 피로 수명을 저하시킬 수 있습니다.

따라서 많은 휴머노이드 로봇 부품은 얇은 벽 구조, 깊은 내부 공동, 정밀 베어링 시트, 복잡한 다축 장착면 및 고강도 경량 소재를 사용합니다. 정밀 CNC 가공은 특히 시제품 및 소량에서 중량 생산 단계에서 관절 하우징, 액추에이터 부품, 출력 플랜지, 센서 본체, 카메라 마운트 및 구조 연결부에 널리 사용됩니다.

휴머노이드 로봇 아키텍처가 제조에 미치는 영향

모든 휴머노이드 로봇에 공통적으로 사용되는 단일 액추에이터 구조는 없습니다. 토크, 속도, 역구동 가능성, 패키지 크기, 충격 하중 및 제어 요구 사항에 따라 변형파 감속기, 유성 기어 감속기, 사이클로이드 시스템, 준직접 구동 액추에이터 및 선형 스크류 기반 메커니즘 등이 모두 사용될 수 있습니다.

이는 제조 과정에서 중요한데, 각 아키텍처마다 우선시하는 기능이 다르기 때문입니다. 변형파형 조인트는 정확한 감속기 정렬이 필요하고, 유성 기어 액추에이터는 베어링 지지 및 모터 통합에 더 중점을 둘 수 있으며, 선형 액추에이터는 정밀한 나사, 클레비스 및 슬라이딩 인터페이스가 필요합니다. 따라서 보편적인 "휴머노이드 로봇 허용 오차"는 없으며, 기능적 특징에 따라 도면 요구 사항이 결정되어야 합니다.

CNC 가공과 관련된 휴머노이드 로봇 부품

조인트 및 액추에이터 하우징

관절 하우징은 모터, 감속기, 베어링, 엔코더 및 경우에 따라 토크 센서를 지지하면서 구조적 하중을 관절에 전달합니다. 일반적인 하우징에는 큰 중앙 구멍, 마주 보는 베어링 시트, 모터 장착면, 케이블 배선 공간 및 여러 개의 경사진 인터페이스가 포함될 수 있습니다.

이러한 소재는 기하학적으로 연관된 여러 형상을 더 적은 셋업 횟수로 가공할 수 있기 때문에 5축 가공에 매우 적합합니다. 주요 제조 과제는 원재료의 상당 부분을 제거한 후에도 정렬 상태를 유지하는 것입니다.

정밀 감속기 인터페이스

변형파형, 유성 기어형, 사이클로이드형 시스템과 같은 감속기에는 특수 기어 부품이 포함되어 있지만, 주변의 기어박스 하우징, 출력 플랜지, 베어링 지지대 및 모터 어댑터는 일반적인 CNC 가공 부품입니다.

감속기의 성능은 모터 축, 베어링, 감속기 중심선 및 출력 인터페이스 간의 관계에 크게 좌우되는 경우가 많습니다. 따라서 공통 기준점 전략을 통해 이러한 관계를 유지하는 것이 기능이 없는 외부 표면에 지나치게 엄격한 공차를 적용하는 것보다 훨씬 중요합니다.

프레임리스 모터 하우징

소형 로봇 액추에이터는 프레임리스 모터를 관절 구조에 직접 통합하는 추세입니다. 이는 기존의 모터 케이스를 제거하여 패키징 효율성을 향상시키지만, 크기에 대한 책임은 가공된 하우징으로 전가됩니다.

하우징은 스테이터, 로터 베어링, 엔코더 및 감속기 입력축의 위치를 ​​동시에 지정해야 할 수 있습니다. 따라서 베어링 구멍, 스테이터 위치 지정 직경 및 장착면은 매우 중요한 가공 요소가 됩니다.

토크 센서 본체 및 플렉서블

유연한 로봇 제어를 위해서는 힘과 토크 감지가 중요합니다. 토크 센서 본체는 일반적으로 하중을 받으면 약간 변형되도록 설계된 얇은 탄성 빔, 스포크 또는 웹을 포함합니다.

제조상의 어려움은 견고한 하우징을 제작하는 것과는 다릅니다. 두께 대칭성, 잔류 응력 및 국부적인 형상이 센서의 강성과 감도에 영향을 미칩니다. 과도한 클램핑이나 비대칭적인 마감 처리는 외부 치수가 정확해 보이더라도 탄성 거동을 변화시킬 수 있습니다.

비전 센서 및 카메라 마운트

카메라 및 심도 센서 마운트는 기계적으로는 단순해 보일 수 있지만 센서 보정에 영향을 미칠 수 있습니다. 중요한 특징은 광축, 장착면, PCB 및 로봇 기준점 간의 관계입니다.

0.005mm와 같은 임의의 범용 공차를 지정하는 대신, 도면을 통해 보어 위치, 직각도, 다웰 홀 위치 및 광학 정렬에 영향을 미치는 특정 특징을 제어해야 합니다.

경량 구조 구성 요소

팔, 다리 및 몸통 프레임은 질량을 최소화하면서 동적 하중을 전달해야 합니다. 하중과 형상에 따라 알루미늄, 티타늄 및 탄소섬유강화플라스틱-금속 하이브리드 구조가 일반적으로 고려됩니다.

긴 CFRP 링크는 높은 비강성을 제공할 수 있으며, 정밀 가공된 알루미늄 또는 티타늄 끝단 부속품은 베어링, 패스너 또는 인접 조인트에 정확한 인터페이스를 만들어 줍니다.

정교한 손 부품

인간형 손에는 소형 축, 손가락 연결부, 힘줄 안내 장치, 풀리 캐리어, 베어링 시트 및 손바닥 구조가 포함되어 있습니다. 따라서 가공 과제는 대량의 재료를 제거하는 것에서 매우 미세한 형상과 공작물 고정을 제어하는 ​​것으로 바뀝니다.

PEEK는 절연체, 가이드, 부싱 및 일부 경량 구조물에 유용하지만, 손가락 끝 부분에 사용되는 표준 소재로 자동적으로 간주되어서는 안 됩니다. 실제 손가락 끝을 잡는 표면에는 엘라스토머 또는 기타 유연한 소재가 필요한 경우가 많습니다.

휴머노이드 로봇 부품 중 CNC 가공에 가장 적합한 부품은 무엇일까요?

휴머노이드 로봇 CNC 부품용 재료

7075-T651 알루미늄

7075-T651은 인장 강도가 약 572MPa, 항복 강도가 약 503MPa에 달하는 판재 특성을 지니고 있어 고하중 경량 구조물에 적합한 소재입니다. 특히 T651 조건은 기계적 응력 완화 처리가 되어 있어 정밀 가공이 필요한 부품에 유용합니다.

일반적인 적용 분야로는 조인트 하우징, 구조적 연결부, 고하중 플랜지 및 소형 액추에이터 부품 등이 있습니다. 하지만 T651 조건에서도 대량의 재료 제거는 잔류 응력을 해소할 수 있으므로 얇은 벽 형상과 가공 순서를 여전히 제어해야 합니다.

6061-T6/T651 알루미늄

일반적으로 6061강은 7075강보다 강도는 낮지만 내식성, 용접성, 양극 산화 특성이 우수하며 가격도 저렴합니다. 일반적인 T6/T651 강판의 인장 강도는 약 310MPa, 항복 강도는 약 276MPa입니다.

이 소재는 7075강의 높은 강도가 필요하지 않은 전자 장비 하우징, 중간 하중 접합부, 카메라 마운트 및 구조 프레임에 적합합니다.

Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V는 강철보다 밀도가 낮으면서도 높은 강도를 제공하며, 일반적인 어닐링 처리 후 최소 강도 값은 인장 강도 약 896MPa, 항복 강도 약 827MPa입니다. 이 소재는 사용 가능한 단면적 내에서 알루미늄으로 충분한 강도를 확보할 수 없는 경우에 유용합니다.

잠재적 응용 분야로는 고하중 연결 부품, 소형 샤프트 및 구조적 연결부가 있습니다. 단점은 티타늄의 열전도율이 낮아 절삭열이 공구 날 부근에 집중되기 때문에 가공 비용이 많이 든다는 것입니다.

강철

강철은 내마모성, 피로 수명 또는 소형화가 밀도보다 중요한 기어, 축, 핀 및 접촉 응력 부품에 여전히 중요한 재료입니다. 고강도 강철 부품은 알루미늄 부품보다 크기가 작을 수 있어 재료 밀도 측면에서의 불리함을 부분적으로 상쇄할 수 있습니다.

몰래 엿보다

PEEK는 구조적 강성보다 전기 절연성, 낮은 질량, 내마모성 또는 화학적 안정성이 더 중요한 경우에 유용할 수 있습니다. 적용 분야로는 부싱, 가이드, 절연체 및 일부 엔드 이펙터 부품이 있습니다.

CFRP

CFRP는 뛰어난 비강성을 제공하며 긴 로봇 링크에 효과적일 수 있습니다. 성능은 섬유 배향 및 적층 설계에 따라 달라지므로 "강철보다 5배 강하다"와 같은 표현은 지나치게 단순화된 것입니다.

CFRP는 일반적으로 적층 후 2차 드릴링 및 트리밍이 필요합니다. 이방성 구조로 인해 박리, 섬유 뽑힘 및 공구 마모가 중요한 가공 문제로 작용합니다.

휴머노이드 로봇 부품의 CNC 가공 과제

얇은 벽 하우징의 변형

접합 하우징은 두꺼운 금속 덩어리로 시작하여 대부분의 재료가 제거된 후 얇은 껍질 형태로 완성될 수 있습니다. 잔류 응력은 가공 과정에서 재분배되며, 체결력은 얇은 부분을 일시적으로 변형시킬 수 있습니다.

안정적인 공정에서는 먼저 전체 형상을 대략적으로 가공하고, 민감한 벽면 주변에 임시 지지대를 설치하여 부품이 안정화되도록 한 다음, 베어링 및 장착 부분을 마무리할 수 있습니다.

베어링 내경 및 축 정렬

베어링, 감속기 및 모터 축은 종종 공통된 기능적 중심선을 공유합니다. 직경 공차만으로는 충분하지 않으며, 진원도, 원통도, 런아웃 및 직각도 또한 중요할 수 있습니다.

가능한 경우, 관련 구멍 및 장착면은 공통된 설정 또는 공통된 기준 시스템을 사용하여 완성해야 합니다.

유연한 변속기 구성 요소

스트레인웨이브 플렉스스플라인 및 유사 부품은 의도적으로 유연성을 갖도록 설계되었습니다. 이러한 부품을 제조하려면 특수 기어 가공 공정, 열처리 및 박막 제어 기술이 필요합니다. 따라서 대부분의 일반 CNC 가공 업체는 고성능 기어 세트 전체를 가공하기보다는 하우징, 어댑터 및 출력 구조를 가공하는 데 더 적합합니다.

미니어처 부품

손가락 메커니즘에는 고정, 가공 및 검사가 어려운 작은 축, 슬롯 및 연결 부품이 포함될 수 있습니다. 공구 접근 제한, 최소 절삭 공구 직경 및 버 제거는 CAD 작업이 완료된 후가 아니라 설계 단계에서 고려해야 합니다.

토크 센서 플렉셔

굽힘 두께의 작은 변화는 외관 표면의 훨씬 큰 오차보다 센서 강성에 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 가공 시에는 대칭성, 제어된 재료 제거 및 낮은 잔류 응력을 우선시해야 합니다.

CFRP 가공

탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 드릴링 및 밀링 작업은 박리, 섬유 뽑힘, 공구 마모를 빠르게 유발할 수 있습니다. 이러한 작업에는 PCD 또는 다이아몬드 코팅 공구가 흔히 사용되며, 탄소섬유 분진은 마모성이 강하고 작업장 안전에 위험을 초래하므로 분진 제거가 필수적입니다.

CFRP와 금속을 겹쳐 쌓는 드릴링 작업은 두 재료에 서로 다른 절삭 조건이 필요하기 때문에 훨씬 더 어렵습니다.

5축 가공이 중요한 이유

5축 가공은 관절에 각진 인터페이스, 내부 구멍 및 여러 장착 방향이 포함되는 경우가 많은 인체 형상 부품에 유용합니다. 단일 설정에서 기하학적으로 관련된 형상을 더 많이 제작함으로써 기준점 전송 및 고정 장치 오류를 줄일 수 있습니다.

따라서 그 가치는 "5축이 자동으로 ±0.005mm의 정밀도를 달성한다"는 데 있는 것이 아니라, 접근성을 개선하고 형상 간의 관계를 보존한다는 데 있습니다.

허용 오차 누적 제어

모터 하우징, 두 개의 베어링, 감속기 및 출력 플랜지는 각각 개별 치수를 충족할 수 있지만 전체 연결부의 런아웃은 여전히 ​​과도할 수 있습니다. 올바른 접근 방식은 작동축에서 시작하여 모터, 베어링 및 감속기의 정렬을 제어하는 ​​​​요소를 파악하는 것입니다.

이러한 특징들은 엄격한 기하학적 공차를 적용받는 반면, 중요하지 않은 외부 치수는 완화될 수 있습니다. 이는 접합 성능과 가공 경제성을 모두 향상시킵니다.

표면 마무리

양극 산화 처리는 알루미늄 로봇 부품의 부식 및 마모 방지를 위해 널리 사용되지만, 코팅 두께에 따라 최종 치수가 달라집니다. 따라서 베어링 시트, 다웰 홀 및 정밀 가공에는 마스킹, 여유 공간 또는 코팅 후 가공이 필요할 수 있습니다.

티타늄 및 스테인리스 부품은 부동태 처리 또는 기타 마감 처리가 필요할 수 있습니다. 도면에는 최종 치수가 표면 처리 전 또는 후에 적용되는지 명확히 해야 합니다.

적층 제조와 CNC 가공의 결합

위상 최적화 및 금속 적층 제조 기술을 통해 기존의 절삭 공구 접근 제약 조건 대신 하중 경로 주변에 재료를 배치할 수 있습니다. 이를 통해 내부 격자 구조 또는 통합 어셈블리를 갖춘 경량 구조물을 제작할 수 있습니다.

하지만 베어링 보어, 기준면, 나사산과 같은 정밀 형상에는 여전히 CNC 가공이 필요합니다. 따라서 실용적인 공정으로는 적층 제조, 응력 제거, 기준면 가공, 5축 정밀 가공, 표면 처리 및 검사가 있습니다.

시제품에서 양산으로

CNC 가공은 CAD 데이터에서 직접 설계 변경을 구현할 수 있기 때문에 휴머노이드 로봇 개발에 매우 ​​적합합니다. 생산량이 증가함에 따라 고정 장치 반복 정밀도, 자동 프로빙, ​​공구 수명 모니터링, 팔레트화 및 통계적 공정 제어가 더욱 중요해집니다.

일부 빌릿 가공 부품은 최종적으로 단조, 주조 또는 근접 형상 가공 후 선택적 가공으로 전환될 수 있습니다. 따라서 설계가 완전히 확정되기 전에 제조 규모 확대를 고려해야 합니다.

품질 관리

검사는 기능에 따라 이루어져야 합니다. CMM은 기준면 관계 및 프로파일 측정에 유용하며, 진원도 측정기, 에어 게이지, 보어 게이지 및 표면 거칠기 측정기는 회전 인터페이스에 더 적합할 수 있습니다.

베어링 내경은 공칭 직경을 충족하더라도 원통도가 불량하거나 돌출부가 생기면 고장날 수 있으므로 크기와 기하학적 형상을 별도로 평가해야 합니다.

휴머노이드 로봇 CNC 부품에 대한 DFM 가이드라인

유용한 DFM 검토에서는 접합부 성능에 직접적인 영향을 미치는 공차를 파악하고, 불필요하게 얇은 벽을 피하고, 현실적인 내부 반경을 선택하고, 관련 정밀 형상을 배치하여 설정 횟수를 줄일 수 있도록 해야 합니다.

표면 마감 처리 또한 가공 전에 고려해야 할 사항입니다. 코팅 여유분이 최종 결합도에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. CAD 도면, 재질 등급, 수량, 기하 공차(GD&T), 결합 부품 정보 및 코팅 요구 사항을 제공하면 공급업체는 중요한 접합면과 일반 구조 형상을 구분하는 데 필요한 충분한 정보를 얻을 수 있습니다.

휴머노이드 로봇 부품용 맞춤형 CNC 가공

휴머노이드 로봇 제조는 근본적으로 무게, 강성, 정밀도 및 비용 간의 균형을 맞추는 것입니다. 관절 하우징은 정렬 상태를 유지하면서도 가벼워야 하고, 변속기 인터페이스는 불필요한 외부 공차 없이 정확한 형상을 가져야 하며, 센서 구조는 제어된 탄성 거동을 보여야 합니다.

정밀 CNC 가공은 액추에이터 하우징, 감속기 인터페이스, 출력 플랜지, 모터 구조물, 토크 센서 본체, 카메라 마운트 및 경량 구조 커넥터에 특히 유용합니다. 생산 전 설계 결함 해석(DFM) 검토를 통해 변형 위험, 공차 누적 문제, 비효율적인 공구 접근성 및 가공 비용 절감 기회를 파악하여 첫 번째 생산 배치 전에 문제를 해결할 수 있습니다.