자료 : 한국소음진동공학회 논문집 “산업용 로봇 감속기의 소음진동 평가에 대한 연구” 발췌,
퍼지 및 지능시스템학회 논문지 “휴먼 로봇을 위한 직선 치형을 갖는 로봇 감속기(RSR)의 설계 및 개발” 발췌
로봇산업이 최근 몇 년 관심을 받으며, 그 주요 부품인 모터와 감속기에 대한 관심도 높아졌다.
하지만 그 관심정도와 비교해 시장은, 특히 모터/감속기 전문기업의 수는 턱 없이 부족한 상태이기에 문제점이 계속해서 지적되고 있다.
이러한 가운데 국내 몇몇 중소 전문기업들이 주요 부품의 외산의존도를 낮추겠다며 국산화하는 등 힘겨운 시도가 눈에 띄고 있는데, 본 내용에서는 로봇용 모터/감속기의 개요 및 시장에 대해 전반적으로 살펴보고, 향후 로봇산업 발전 기여도에 대해 이야기하고자 한다. <편집자 주>
감 속 기
로봇의 신뢰도 및 위치결정도를 결정짓는 ‘감속기’
산업용 로봇은 고도의 기술을 결합한 첨단기술의 결합체로서 유연성과 지능화로 특징지을 수 있으며, 현재 생산자동화에 핵심적인 역할을 담당하고 있다.
이에 따라 로봇의 고속화 및 고성능화가 요구되며, 그 중에서도 시스템의 안정성은 정밀작업과 신뢰도 향상을 위해 우선 고려되어야 한다.
이 로봇은 제어시스템과 기계적 구동계로 이루어져 있는데, 기계적 구동계의 하나인 감속기는 자중에 의한 정적 변형, 관성력에 의한 동적변형, 구조적 공진영역 로봇의 기계적 특성을 결정짓는 구성품으로써 감속기의 특성에 따라 로봇의 신뢰도 및 위치정밀도를 결정짓는 중요한 요인이 된다.
하지만 현재 국내 산업에 사용되는 산업용 로봇의 감속기는 많은 양을 국외에서 수입하여 사용하고 있는 실정이다.
또한 로봇의 기계적 특성을 결정짓는 중요한 인자임에도 불구하고 감속기에 대한 정확한 평가방법 및 수단을 가지고 있지 않아서 감속기 제조업체에서 제공하는 제원(Catalog)만을 통해서 로봇 전체의 특성을 분석하고 있다.
- 로봇용 감속기 종류는?
로봇용 정밀 감속기는 여러 종류가 있으나 주로 쓰이는 것은 내접 유성 감속기와 주속 감속기로 나눌 수 있다.
내접 유성 감속기의 대표적인 제품으로는 사이클로이드(cycloid) 감속기(일명 RV 감속기)를 들 수 있으며, 주속 감속기의 대표적인 제품으로는 하모닉 감속기를 들 수 있다.
현재 공장 자동화에 사용되는 대부분의 로봇 중 상단 2~3개의 관절에서는 하모닉 감속기가 사용되고 있고, 하단부의 감속기는 대부분 사이클로이드 감속기가 사용되고 있으며, 대형 로봇의 경우 6개 관절 모두에 RV 감속기를 적용하고 있다.
하모닉 및 사이클로이드 감속기는 1단으로도 큰 감속비를 가질 수 있으며, 치 물림률이 크므로 소형으로 큰 토크전달이 가능하며 콤팩트한 구조, 높은 부하용량과 위치제어시의 고정밀도가 요구되는 로봇 분야에 지배적으로 사용되고 있다.
이들 감속기는 산업의 각 분야별 요구특성에 따라서 적절하게 사용되고 있으며, 치형 가공기술의 측정, 조립기술 등의 관련기술의 발전과 반도체 장비, 우주산업 등의 정밀제어용 로봇 등 사용되는 분야의 고기능화 요구에 의하여 전용화 된 형태로 발전해왔으며, 앞으로도 사용자의 요구에 적합한 형태로 개발될 전망이다.
- 감속기의 구조는?
감속기는 기본적으로 하우징 겸 치형인 내 기어, 편심운동을 하는 외 치차 기어 및 감속된 회전을 출력하는 출력부로 구성된다.
사이클로이드 감속기는 크게 두 가지 종류로 구분되는데, ‘일반형’과 ‘유성기어 일체형’이다.
일반형과 다르게 모터로부터의 입력축이 유성기어를 회전시키게 되며, 이 유성기어와 편심축은 일체형 구조로 되어 있어 이 편심축에 의해서 사이클로이드 기어의 중심 위치가 이동하게 된다.
이때 내 기어와 치 접촉을 행하여 사이클로이드 기어는 입력축 회전의 반대방향으로 자전하게 된다. 핀으로 구성된 내 기어 즉, 유성기어 일체형은 전체적인 감속기 시스템에서 2단 감속의 효과를 보이므로 입력 편심축에 의해 바로 사이클로이드 기어를 병진운동시켜 감속하게 되는 일반형보다는 같은 크기의 감속기에서 고 감속비를 얻을 수 있으므로 최근 들어서는 로봇에 이 형태의 감속기가 장착되는 것이 보편적인 추세이다.
- 감속기의 정밀도를 나타내는 arcmin은?
1arcmin이면 60분의 1도이며, 1분이라 한다.
감속기의 정밀도를 나타내는 값으로 백래시를 말하는데, 감속기의 입력축을 고정시킨 상태에서 출력축을 정해진 토크로 회전시켰을 때 나오는 값으로 명시하기도 하며, 메이커마다 기준이 다르다.
기어로 구성된 감속기가 기어 잇 사이의 유격으로 인해 발생하는 회전상의 오차 정도라고보시면 무리는 아닐 것이다.
예를 들어 백래시가 3arcmin이라면 3/60도 정도 유격이 있다고 볼 수 있는 것이며, 감속기의 technical data 중 tortional rigidity라고 해서 단위가 Nm/arcmin인 데이터가 있는데, 35Nm/arcmin이라면 이 감속기는 35Nm의 토크를 받으면 출력축이 1acrmin 만큼 더 돌아갈 수 있다는 표현이 된다.
이 또한 감속기의 정밀도를 정하는데 고려되는 지표가 되기도 한다.
주로 정밀한 백래시의 감속기가 사용되는 곳으로 아주 정밀하고 세밀한 가공을 해야 하는 가공기계나 로봇의 관절이나 로봇을 주행시키는 주행장치 등에 감속기가 적용될 수 있다.
원하는 위치에 가서 정지해야 함에도 불구하고 가령 3arcmin의 백래시라면 감속기가 3/60도 정도 더 회전해 버린다면 그만큼의 오차가 생길 수밖에 없다.
정밀 감속기에 대한 요구 높아지는 시장흐름
- 국내 감속기 시장의 과거와 현재
지금까지 국내외 감속기 산업의 가장 큰 수요처는 자동차, 건설, 중장비 등의 소위 전통산업이었다.
그러나 최근 감속기는 산업용 로봇을 비롯한 자동화 설비, 정밀기계, 의료기기 등의 첨단산업에까지 그 수요가 확대되는 양상을 보이고 있다.
모든 부품이 그렇겠지만, 감속기 산업도 국내 경기흐름과 밀접한 연관성을 갖고 있다.
이에 따라 IMF 외환위기 이전인 1996년에는 감속기의 생산 및 출하가 증가세를 기록했지만, IMF 외환위기가 닥친 1997년부터는 생산 활동자체가 위축되면서 감속기의 생산 또한 둔화되었고 이듬해인 1998년부터는 지속적인 경기침체에 의한 투자심리 위축으로 더욱 감소하기 시작했다.
그리고 경기가 다시 좋아지기 시작했던 1999년에는 감속기의 생산 및 출하도 함께 증가율을 기록했다.
또, 같은 기간 동안 감속기의 주된 수요산업인 자동차, 기계, 전기산업 등의 수출 및 내수판매 등의 증가는 감속기 산업의 생산활동을 촉진시킨 중요한 원인으로 작용했다.
이후 2000년에는 완만한 증가세를 보이다가 2001년부터 다시 경제가 침체되면서 생산량이 감소하고 있는 추세다. 그리고 이러한 감소세는 최근까지 계속되고 있는 상황이다.
우리나라에서 감속기의 국산화가 시작된 것은 1970년 초반부터였다.
그전까지만 해도 거의 대부분이 미국제품이었고, 아니면 중고제품을 수입해 적절하게 보수한 후 재사용하는 형식이었다.
그러다가 1970년대 후반 중공업 분야가 발달하면서 감속기에 대한 국산화 바람이 불기 시작했다.
그리고 이와 함께 업체수가 증가하면서 기술개발 및 국산화가 본격적으로 진행되기에 이르렀다.
- 로봇용으로 적합한 정밀감속기의 선방
최근 산업구도의 개편은 감속기 산업에도 변화를 가져왔다.
얼마 전까지만 해도 감속기는 효율성은 떨어지지만, 설계가 간단한 웜 감속기가 주류를 이뤘다.
그러나 산업 자체가 정밀해지고 복잡해지면서 보다 효율이 높은 동력원이 필요하게 됐다.
이에 따라 등장한 것이 바로 기어 감속기이다. 이후 기어 감속기는 고효율성을 무기로 감속기 시장에서 그 위치를 다져나가고 있다.
웜 감속기는 설치가 간편한 저효율의 제품이며, 기어 감속기는 효율이 높은 반면 복잡한 것이 단점이다. 이 두 제품은 그 성능에 있어 매우 상이하기 때문에 사용되는 곳도 상당히 다르다.
웜 감속기는 효율이 떨어지지만 간편하고 저소음이라는 장점이 있어 엘리베이터와 같은 곳에 주로 이용된다.
이와 비교해 기어 감속기는 복잡하고 소음이 심하지만 효율이 높기 때문에 중공업과 같이 고효율을 요구하는 산업현장에 적합한 제품이라고 할 수 있다.
그리고 이제는 로봇을 비롯한 반도체, 디스플레이 산업이 발전하며, 정밀감속기에 대한 관심을 높이며 시장을 확대시키고 있다.
특히, 로봇용 감속기 산업은 현재 FPD 산업의 호황으로 FPD 제조라인의 로봇시장이 활성화되고 있는 상황이다.
로봇시장이 선진외국의 독무대였는데, 이제는 국내에서도 그간 경험을 바탕으로 경쟁력 있는 중소 로봇제작사가 등장하고 있는 것이다.
현재, 로봇용 감속기를 비롯한 고정밀 감속기는 선진외국의 우수제품이 국내외 시장을 장악하고 있는 실정이며, 중급의 시장은 최근 몇 년 동안 대만 등지에서 중저가의 유성감속기가 다량으로 공급되어 국내시장을 석권하고 있어 몇 안되는 국내 중소업체의 입지가 더욱더 어렵게 느껴진다.
국내의 감속기 설계 제작에 관련된 원천기술이 미약하여 기술개발이 더디고 시장진입이 어려워 중소업체에서 개발 및 시설투자가 쉽지 않기 때문이라고 풀이된다.
감속기 선두주자 일본의 발 빠른 움직임
- 소형화, 정밀화, 저소음화, 저에너지화… 고북가치화에 주력
우리나라와는 달리 감속기 시장의 선두주자인 일본 업체들은 감속기의 소형화, 정밀화, 저소음화, 저에너지화 등을 중심으로 제품의 고부가가치화를 위한 기술개발에 주력하고 있다.
우선 산업용 로봇이나 공작기계 등에 활용되는 저소음과 소형화된 감속기는 기존 제품에 비해 약 10% 소음이 줄어들어, 향후 심야작업이나 의료용 로봇 등에 상용화될 것으로 보인다.
다음으로 고부가가치 감속기 중 하나로는 열전병합용 소형 치차(齒車)감속기를 들 수 있는데, 이는 현재 상용화된 제품의 절반 크기에 불과한데다 내구성이 향상된 것이다.
특히 최근 환경문제가 대두되고 있는 상황에서 병원 등에서 열전병합 설비 수요가 급증하고 있다는 점에서 향후 유망상품으로 부각될 전망이다.
- 저가의 중국 제품에 대응하기 위한 노력 이어져
이처럼 최근 들어 일본 업체들의 고부가가치 감속기 개발이 한층 강화되고 있다.
이는 일본 업체들의 경우에 범용 감속기 시장은 중국의 저렴한 제품에 의해 시장점유율을 잠식당하고 있기 때문에, 고부가가치 관련제품의 개발을 통해 경쟁력을 강화하려고하는 시도라고 볼 수 있다.
특히 일본업체들의 고부가가치 제품의 해외시장 개척은 거대시장인 중국 외에도 한국과 미국시장으로도 매우 활발하게 전개될 전망이다.
이는 일본의 내수가 해외생산 이전에 의한 공동화의 영향과 민간설비 투자 축소 등으로 감소하는 추세를 보이고 있는데, 이를 만회하기 위해 해외시장 개척을 더욱 강화할 것이기 때문이다.
즉, 일본 업체들은 중국에서는 범용제품 위주의 판매채널을 증가시켜 관련 신규 수요를 더욱 확대하는 한편, 한국과 미국에서는 고부가가치 제품에 대한 기술적 우위를 바탕으로 시장점유율을 제고시키는 노력을 병행할 것으로 보인다.
