15살 개발자 지망생이 만든 사이클로이드 감속기와 파이썬 생성기

• 15살 개발자 지망생이 사이클로이드 감속기(cycloidal gearbox)와 그걸 생성하는 파이썬 스크립트를 공개함

  • 사이클로이드 감속기는 회전 속도를 낮추고 토크를 키우는 감속기 구조임
  • 이번 프로젝트의 핵심은 완제품 판매가 아니라, 파이썬으로 만든 사이클로이드 생성기가 실제 하드웨어 설계에 쓸 만한지 검증하는 쪽에 가까움

• 감속비 목표는 1:9였음. 손으로 돌리는 테스트 버전부터 NEMA 17 스테퍼 모터용 버전까지 여러 번 만들었음

  • 첫 hand-cranked 버전은 파이썬 생성기의 타당성을 확인하기 위한 테스트용이었고, 감속비는 1:9였음
  • 이후 NEMA 17과 같은 풋프린트에 들어가는 마이크로 사이클로이드 감속기도 시도함
  • 작은 설계는 필요한 공차가 너무 빡빡했고, 3D 프린팅 정밀도로는 충분히 맞추기 어려워 실패함

• 결국 작동한 버전은 NEMA 17에서 돌릴 수 있도록 크기를 키운 설계였음

  • 버전 2보다 풋프린트가 커져서 공차를 더 넉넉하게 잡을 수 있었음
  • 이게 실제로 동작한 첫 NEMA 17 구동 버전임
  • 하드웨어 프로젝트에서 “작게 만들면 멋지다”와 “실제로 돌아간다”는 꽤 자주 충돌하는데, 딱 그 사례임

• 파이썬 스크립트는 Fusion 360의 Scripts and Add-Ins에서 실행하는 방식임

  • 저장소를 clone한 뒤 Fusion 360에서 Shift + S로 Scripts and Add-Ins를 열고, cycloidal_generator 폴더를 스크립트로 추가해 실행함
  • 수동 CAD 모델링이 아니라 파라미터를 넣으면 형상이 생성되는 구조라, 값을 바꿔 반복 실험하기 좋음

• 사이클로이드 프로파일은 SolidWorks의 “Building a Cycloidal Drive” 글을 바탕으로 한 두 개의 주요 파라메트릭 방정식에서 나옴

  • 좌표는 x = R cos(t) - E cos(Nt) - r cos(t + psi), y = R sin(t) - E sin(Nt) - r sin(t + psi) 형태로 계산함
  • psi는 atan2를 포함한 보정각이고, 핀 수와 편심량에 따라 프로파일이 달라짐
  • 감속비는 1 : (N - 1)이고, 로터는 입력축과 반대 방향으로 회전함

• 설계 파라미터도 꽤 구체적으로 공개돼 있음

  • 외곽 핀 수 N과 피치 반경 R은 고정 하우징 형상을 정하고, 로터는 N-1개의 로브를 가짐
  • 편심량 E는 입력축 offset 거리이며, 제약 조건은 R > E * N임
  • 외곽 핀 반경 r은 roller pin 반경이고, undercut 한계인 r_max에 대해 검증됨
  • profile offset은 3D 프린팅 clearance를 위해 양수 방향으로 줄 수 있음

• 실제 공개된 구성은 꽤 메이커 프로젝트답게 현실적인 숫자로 잡혀 있음

  • 기어비는 1:9이고, N=10 외곽 핀과 9개 로터 로브를 사용함
  • 외경은 9.0cm, 즉 90mm임
  • 구동 모터는 NEMA 17 스테퍼 모터 42bygh40-A24dh임
  • 출력 재료는 PLA이고, 주요 하드웨어는 M3 x 8 나사 4개와 6704 베어링 2개임
  • 3D 프린트 clearance를 위해 전체에 +0.15mm tolerance offset을 적용함

• 이 프로젝트의 재미는 “수식으로 되는데요?”에서 끝나지 않았다는 점임

  • 마이크로 버전은 이론상 설계돼도 3D 프린팅 공차 때문에 실패함
  • 작동 버전은 크기를 키워 현실적인 clearance를 확보했음
  • 소프트웨어로 생성한 CAD 모델이 실제 물리 세계에서 맞물리려면, 수식뿐 아니라 재료, 프린터 정밀도, 베어링, 나사, 조립 공차까지 같이 봐야 한다는 걸 보여줌

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기술 맥락

• 이 프로젝트의 선택은 ‘손으로 CAD를 그리는 대신 파라미터와 수식으로 감속기 형상을 생성한다’는 거예요. 감속기처럼 핀 개수, 편심량, 반경 하나만 바뀌어도 전체 프로파일이 바뀌는 구조에서는 스크립트 생성이 반복 실험에 훨씬 유리하거든요.

• 실패한 마이크로 버전이 중요한 이유는 설계가 틀렸다는 뜻이 아니라 제조 방식의 한계를 보여주기 때문이에요. NEMA 17과 같은 풋프린트에 넣으려면 공차가 아주 작아지는데, 일반 3D 프린팅 PLA 출력물은 그 정도 정밀도를 안정적으로 보장하기 어렵습니다.

• 작동 버전은 풋프린트를 키워 공차를 확보하는 쪽을 골랐어요. 작게 만드는 목표를 일부 포기했지만, 대신 실제로 돌아가는 감속기를 얻은 셈이에요. 하드웨어에서는 이 트레이드오프가 자주 나오고, 여기서는 그 판단이 결과로 증명됐어요.

• 개발자 관점에서 보면 Fusion 360 스크립트가 꽤 좋은 접점이에요. 파이썬 코드가 CAD 형상을 만들고, 그 형상이 3D 프린터와 베어링, 모터를 거쳐 실제 토크 측정으로 이어지니까요. 소프트웨어가 물리 설계를 자동화할 때 어디까지 책임져야 하는지 감이 옵니다.