3D 프린터로 에스컬레이터를 #1 [스텝 & 체인 설계]

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2019/03/15 - [메이킹/에스컬레이터 제작기] - 3D 프린터로 에스컬레이터를 #0 [구조 파악]

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이번부터 실질적인 작업 내용으로 포스팅 될 것 같다. 포스트를 읽다가 필자가 이상한 용어를 쓰는데 무슨 뜻인지 모르겠다면 #0에 설명해뒀으니 참고바란다.

일단 이전 포스팅에서 계획한 작업 순서에 따라서 스텝을 먼저 설계해보았다.

기본적으로 스텝은 단면으로 봤을 때 부채꼴 형태를 띠고 있다. 그리고 라이저 하단 양쪽에 롤러 두 개가 설치되어
인너 레일에 걸친 상태로 스텝이 이동하게 될 것이다. 그리고 트레드와 가까운쪽에 있는 조인트는 체인에 결합되어
체인이 돌아갈 때 같이 딸려 이동하게 될 것이다.

일단 트레드의 넓이는 임의적으로 50*25mm 로 정했다. 실제 제품의 크기를 축소할 수 있었다면 좋았겠지만,
스텝의 데이터시트를 못 찾아서 그냥 임의로 정했다.

스텝과 스텝은 계단 형태로 전개될 때나 다시 평평하게 모일 때 항상 한 스텝의 라이저와 다른 스텝의 트레드의 한 모서리가
맞물린 상태로 작동하게 되는데, 그렇다면 라이저의 라운드는 어떻게 만들어야 할까?

일단 결론부터 말하자면 라이저의 면은 트레드의 모서리가 닿는 지점의 연결이라 할 수 있다.

에스컬레이터의 단면을 봤을 때 평평한 곳에서의 스텝들은 왼쪽과 같이 정렬되고 체인은 스텝과 스텝 사이에 일정한 간격을 두고
연결되며 모든 스텝의 체인 조인트 위치는 모두 같다.

우선 스텝을 하나만 놓고 보겠다. 트레드의 한쪽 모서리와 스텝 바깥쪽 임의의 세모 지점을 X 길이로 이어놓았다. 여기서 스텝을 돌렸을 때,
돌린 후의 트레드의 한쪽 모서리와 세모지점의 거리는 X로 돌리기 전과 같다. 그렇다는건 스텝을 돌렸을 때 모서리 부분이 X를 반지름으로 한 궤적을 그리며 이동했다는 것이다.
앞서 말했지만 라이저의 면은 트레드의 모서리가 닿는 지점의 연결이라 했다. 즉, 라이저의 면은 트레드의 모서리와
스텝 바깥쪽 연결 지점 간의 거리를 반지름으로 하는 부채꼴이라는 것이다.

그렇다면 X의 값은 얼마가 되야될까? 모든 스텝의 체인 조인트는 모두 같은 위치에 위치하므로 임의의 세모지점은
다른 스텝의 트레드의 모서리이다. 고로 X의 값은 트레드의 길이가 되고, 이 두 지점을 이어주는 체인 한 마디의 양쪽 구멍 간격도 트레드의 길이가 된다.

그런데 실제 제품은 조인트의 위치가 트레드의 모서리가 아니라 모서리보다 대각선 아래로 치우친 곳에 위치하고 있다.
하지만 결국 다른 스텝도 다 이 위치에 조인트가 있기 때문에 문제는 없다.

다만 저렇게 조인트를 모서리가 아닌 그보다 아래 쪽에 위치시키는 이유는 조인트끼리 이어주는 체인에도 두께가 있기 때문에
체인이 스텝 위쪽으로 들어나게 된다. 뭐, 여러가지 다른 이유가 있을진 몰라도 일단 필자가 생각하기에는 그렇다.

한마디로 정리하자면 "라이저는 그냥 트레드 길이가 반지름인 부채꼴" 이다.(이거 설명하자고 이상한 얘기를 많이했다^^)

그리하여 드디어 모델링을 해보았다.

롤러의 위치와 체인 조인트의 위치를 많이 내렸다. 이유는 체인때문이다. 실제 에스컬레이터의 체인은 스텝에 비해 많이 작다.
하지만 지금 에스컬레이터를 작게 만든다고 스텝도 작게 만들고 있는데 실제 비율을 따져서 체인까지 작게 축소를 하면 애초에 만드는거 자체가
힘들어지기도 하고 만들었다해도 금방 고장날게 분명하다.
그래서 두께를 조금 큰 상태로 두었더니 스텝과 체인을 조립한 것을 전개했을 때 체인이 스텝 위로 들어가서 어쩔 수 없이 조인트의 위치를 많이 낮추어졌고,
조인트의 위치를 낮추다보니 체인과 롤러가 겹쳐저서 롤러의 위치도 많이 낮추었다. 조금 모양이 어색해보이지만 어차피 안보이는 부분이기도 하고 동작에도 큰 이상이 없을 것 같아보인다.
(그냥 스텝의 크기를 키워도 되지만 조그만하게 만들고 싶어서...)

롤러는 따로 만들지 않고 롤러대신 그냥 봉으로 대체하려 한다. 롤러를 만들기에는 너무 작고 봉으로도 충분히 레일에 걸칠 수 있기 때문에 그냥 이렇게 갈꺼다.

체인의 일부이다. 이걸 여러게 이어서 체인으로 만들거다. 길이는 조인트와 조인트 사이의 거리의 절반 크기(25/2 = 12.5)로 했다. 이유는 체인으로 동력을 전달하게 되는 건데 일단 스프로켓이 체인에 걸고 돌려줄만한 것이 촘촘하게 있어야 안정적으로 동력이 전달이 된다. 그런데 만약 그냥 조인트와 조인트를 바로 이어버리면 체인의 축과 축 간격이 25mm가 되버려 스프로켓의 크기에 비해 너무 커서 스프로켓에 들어갈 수 있는 홈의 개수도 줄어든다. 그래서 25mm 사이에 축을 하나 더 넣을 수 있게 그에 절반인 12.5mm로 했다.

이제 스텝과 체인을 조립을 해보았다. 생각대로 동작이 되기는 한다. 근. 데. 중요한 문제가 하나 발생했다.

왼쪽 사진과 같이 스텝이 상승하는 부분에서는 체인이 일직선으로 쫙 펴져서 라이저와 트레드의 모서리가 딱 맞는데,
만약 체인이 접혀지기 시작하는 부분에 들어가면 조인트와 조인트 사이에 체인 축이 돌아가면서 조인트와 조인트 사이의 거리가 줄어들어 라이저와 트레드 모서리가 겹치게 된다. 아주 큰 문제다. 하지만 해결 방법은 간단하다.

에스컬레이터의 스텝과 스텝 사이를 자세히 보면 트레드의 모서리와 라이저의 모서리가 엇갈려서 겹쳐있다. 한마디로 스텝과 스텝이 겹치게 되서 동작에 이상이 생기게 되면 그냥 겹칠 수 있게 만들어주면 되는 것이다.

필자의 계획으로는 라이저는 위 사진에 빨간 점선 이상을 못 넘어가게 하고 트레드는 라이저를 침범하여 겹칠 수 있게 만들까 한다. 그래서 재모델링을 한 결과,

이런 식으로 나왔다. 실제 에스컬레이터 처럼 라이저와 트레드가 맞물릴 수 있도록 홈을 만들어주었다. 스텝의 크기가 좀 컸다면 체인과의 비율이 맞아서 트레드가 자연스럽게 들어갔을텐데 좀 아쉽다. 하지만 조립해서 볼 경우 그렇게 나쁜거 같지는 않다.
(물론 필자는 그렇게 보인다는 거다.)
공차의 경우 라이저의 홈을 만들 때 양쪽으로 갭을 조금씩 더 줘서 프린트 될 때의 공차를 감안했다.
스텝 아래쪽 롤러가 달린 다리(?) 부분이 너무 길어서 각도를 틀어주는 방법으로 길이를 줄여줬다.

(아무래도 실제 부품과 똑같이 만드는 건 이번엔 안될거같다. 일단 만들고 다음에 다시 만들때 그때는 전체 크기를 늘려서 디테일을 살려볼까한다. 이번 회차는 일단 맛보기 메이킹으로 "원리를 파악해보자" 정도가 될거같다. 그래도 결코 완성도가 떨어지진 않을 거다. 그래야만 한다.)