회전 볼 스플라인의 모든 것
회전 볼 스플라인의 모든 것
  • 오현식 기자
  • 승인 2017.04.24 09:02
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토크전달·정밀도 ‘우위’ … 뛰어난 설계효율과 경제성

수많은 자동화와 의료 분야, 혹은 실험실 응용 프로그램은 극한의 환경에서도 오랜 시간동안 세밀하고 정확하게 동작하는 강력한 내구성을 지닌 시스템을 필요로 한다. 회전 볼 스플라인의 기술을 이해하고 고객(사용자)의 요구 상황에 어떻게 응용할지 파악하게 된다면 디자인에서 핵심 구성 요소를 전반적으로 이해할 수 있을 것이다. 자료 | NIPPON BEARING(www.nbcorporation.com)

 
회전 볼 스플라인을 처음으로 사용할 때 전달 토크 이외에도 회전하는 너트가 볼 스플라인 축(샤프트)에 추가돼 장치의 선형 및 회전 운동을 동시에 가능케 할 수 있음을 유념해야 한다. 이러한 기능은 로봇 공학·검사·와이어 와인딩·인덱싱·전송·운송·적재·코팅·다이 세트(프레스형을 고정시키는 것)·몰딩·광 측정·인쇄 및 서적 바인딩·포장 등 여러 분야에 다양하게 사용될 수 있다.

그러나 이와 같은 분야의 장치들을 제조함에 있어 사용되는 기술 조합을 기반으로 적합한 구성 요소를 선택하기란 상당히 어려운 일이다. 장치 디자인 측면에서 회전 너트가 앵귤러 콘택트 볼 베어링, 또는 교차 롤러 베어링에 탑재돼 있는지를 고려해야 할 뿐 아니라 응용 프로그램의 스트로크 길이와 속도, 로드와 설치 공간, 나아가 설치 방향까지도 고려해야 한다. 또 회전 볼 스플라인의 성능은 현재 사용되는 다른 볼 스플라인 기술의 영향권에 존재한다.

디자인의 기초 원리
전반적으로 선형 또는 회전 볼 스플라인 기술을 선택할 때 영향을 주는 여섯 가지 주요 설계 요인이 있다. 설계 요인 중 4개는 볼 콘택트의 면적에 직접적으로 관련되어 있으며 전반적인 기능들에 상당한 영향을 끼친다. 나머지 다른 두 가지 기술은 강성과 장착 방법이다.

표준 볼 스플라인은 ▲홈이 있는 축(샤프트) ▲스플라인 너트 ▲볼 베어링으로 구성된다. 볼 스플라인 너트는 홈이 있는 축(샤프트)에 장착되어 축에서 너트가 회전하는 것을 방지한다. 이로 인해서 축을 통해 토크가 너트까지 전달되거나 아니면 그 반대의 경우도 가능하게 된다.

대부분의 응용 프로그램은 축 또는 너트가 고정된 구조에 반듯이 장착되어야 한다. 축이 고정되면, 축의 각 끝은 회전을 지지하게 해주는 레이디얼(방사형) 베어링의 장착을 가능케 하기 위해 조절되어야 한다. 너트가 고정된다면, 레이디얼 베어링은 너트의 외경에 장착되어 전체 조립의 부피를 증가시킨다. 게다가, 너트는 다양한 규격의 베어링을 장착하기 위해서 쉽게 조절되지 않는다.

이것이 바로 회전 볼 스플라인이 효과적이고 경제적임을 보여주는 부분이다. 왜냐하면 회전 볼 스플라인 자체에 이미 볼 스플라인 너트가 내장되어 있기 때문에 사용자가 레이디얼 서포트 베어링을 직접 찾고, 장착·조립할 필요를 제거할 수 있게 한다. 회전 볼 스플라인 너트의 전체 규격이 레이디얼 서포트 베어링이 추가된 표준 볼 스플라인 너트보다 더 작다는 점도 또다른 이점이다.

스플라인 축
스플라인 축은 정밀-그라운드, 그라운드 또는 압연강봉(바)인지 여부에 따라 달라지며, 기본 재질의 등급에 따라서도 달라진다. 제조업체들은 축을 지면 축의 저항력, 단면에 대한 직각도, 지지 부품과 관련된 부분 장착 부품의 편심률(타원의 두 초점 간 거리의 장축에 대한 비), 그리고 재질의 강도와 같은 특징에 따라 등급을 나누고 있다.

이러한 요인들 외에도 높은 정밀도를 위한 축 그루브의 가공 방법을 제어하여 완벽한 직선이 되도록 하는 것은 매우 어렵다. 가장 낮은 정확도를 보이는 스플라인 축은 그라운드보다 철근을 늘려서 얇게 만드는 금속 가공 공정이다.

주요 관심사가 토크 전달과 직선 이동, 회전 운동 또는 길이이므로 응용 프로그램에서 비교적 낮은 정도의 정확도가 허용되는 경우, 철근을 늘려서 얇게 만드는 금속 가공 공정의 비 그라운드 스플라인 축(샤프트)이 최선의 선택일 수도 있다. 일부의 철근을 늘려 얇게 만드는 금속 가공 공정의 축은 그라운드 스플라인에 사용되는 너트와 같은 것을 사용할 수도 있지만 적재량은 너트가 비 그라운드 전선로 그루브를 따라 움직이기 때문에 줄어들 것이다. 하지만 저렴하며 길이가 5미터에 이르므로 자재 운반·취급 응용 프로그램에 적합하다.

일반적으로, 제조업체들은 정확도 등급을 가장 높은 정확도 등급인 ‘정밀함(Precision)’, 표준 등급인(일반적으로 재고품목이 속하는) ‘높음(High)’, 그리고 비 그라운드 축인 ‘커머셜(Commercial)’ 등으로 구분한다. 한 제조업체에서 최고 등급에 속하는 제품이 다른 제조업체에서는 표준 등급에 속할 수 있기 때문에 구매하기 전에 사양을 항상 점검해야 한다. 정확도 등급을 비교한다는 것은 축의 직경 저항력, 직진도, 직각도, 그리고 편심률을 비교한다는 것이다.

스플라인 그루브와 토크 등급

▲ 원형(또는 타원형) 아크와 고딕 아크의 접촉 영역 차이
스플라인 축의 홈 수와 홈에서의 볼 접촉점 수는 토크 등급을 나타내는 특성이다. 4개의 홈이 있는 축을 가진 볼 스플라인은 3개 또는 2개의 홈이 있는 축보다 높은 토크 등급을 지닌다. 마찬가지로 4점 접촉 디자인이 있는 고딕 양식의 홈은 접촉점이 2개인 타원형 아치형 홈보다 높은 등급이 된다. 4점 접촉은 또한 하중 용량과 강성을 증가시킨다.

따라서 4홈 스플라인과 4포인트 볼 접촉의 경우 스플라인 축당 총 접촉부는 16개인 반면 홈 당 3개의 홈과 2개의 접촉부는 12개의 접촉점만 갖게 된다. 다양한 볼 스플라인은 정확히 동일한 크기를 갖고 있을 수 있지만 동시에 매우 다른 토크 등급을 가질 수 있다.

홈이 있는 스플라인 축은 유사한 크기의 장치 위에 슬라이드 부시 구성 요소의 하중 용량과 수명 연장(5~12 배의) 을 위해 더 많은 접촉 영역을 제공한다. 스플라인 축에는 최대 6개의 홈이 있을 수 있는데, 시장에 출시된 그루브 디자인들에서는 두 지점 또는 네 지점에서 전동면 홈과 접촉하는 볼 방식이 표준처럼 여겨지고 있다. 타원형 홈은 볼이 두 개의 반대 위치에서 접촉할 수 있게 하며, 접촉 위치에 수직인 볼의 측면에서 약간의 간격을 허용한다.

2개의 홈 장치에 대해서 고려해야 할 사항은 다음과 같다. 축 회전 방향의 변화는 원호형 너트가 백래시(한쌍의 기어를 맞물렸을 때 치면 사이에 생기는 틈새)를 일으키는 원인이다. 고딕 아치에는 접촉 영역의 차이가 더 크기 때문에 볼의 안쪽 부분이 외부보다 빠르게 회전해야 하며 이로 인해 미끄러짐이 발생하고 마찰이 증가한다. 이러한 이유로 원호 홈은 보다 작고 마찰에 민감한 볼 스플라인에 사용된다.

가장 인기 있는 것은 너트가 나란히 배치되고, 활성 및 재순환 경로가 있는 4그루브 형태이다. 보다 조밀한 시스템을 제조할 뿐만 아니라 모든 볼 트랙이 전동면과 접촉함을 의미하기 때문이다. 4점 볼 투 그루브 고딕 아치 디자인은 굴절을 유발할 수 있는 2그루브 장치와 관련된 간격을 제거한다. 따라서 로봇 응용 프로그램과 같이 고도의 정밀도가 요구되는 응용 프로그램에 가장 적합하다. 4점 접촉은 또한 응용 프로그램의 부하 용량과 강성을 높여 더 큰 모멘트 부하를 처리할 수 있다. 전형적으로 더 큰 규격의 스플라인은 고딕 아치 접촉 그루브를 사용한다.

상당히 높은 하중을 위해 하나의 축이 더 추가된 구성을 사용할 수도 있다. 이 경우, 스플라인 축과 함께 반 삼각형 돌출부를 사용한다. 가장 큰 단점은 축의 끝을 가공하기가 상당히 어려우며 강성이 낮다는 점이다. 스플라인 축이 직진성을 유지하기가 어려워 진동에도 취약하다. 둥근 그루브 스플라인 축은 횡단 면적 때문에 더 뻑뻑하다.

추가적인 축 구성 외에도 앵귤러 콘택트 볼 베어링을 사용하는 제품이 시장에 출시 되어 있다. 이와 같은 방식은 장치의 소형화를 보장하며 더욱 높은 회전수(rpm)를 지원한다. 부하 용량이 언급된 다른 시스템과 유사할 경우, 앵귤러 콘택트 볼 베어링 장치는 크기는 25까지만 올라간다.

너트 저항력
정밀 그라운드 전동면(철근을 늘려서 얇게 만드는 금속 가공 공정보다)은 너트와 홈이 있는 스플라인 축의 볼 모양에 보다 적합하다. 마주 보는 전동면은 동일한 접촉각을 가지기 때문에 특히 의료 혹은 실험실 응용 프로그램에서 주요 요구사항인 백래시가 제거되기 때문이다. 그루브 스플라인 축과 볼 사이의 간격은 너트와 그루브가 있는 스플라인 축 전동면을 정확하게 연삭하여 적절한 볼 크기로 설치하면 견고하게 제어할 수 있다.

너트와 전동면의 길이는 전체 회로를 구성하기에 무척 중요하다. 전동면의 볼 중 절반 정도는 전동면의 부하 지지 부분에 있고, 나머지 절반은 재순환 경로에 위치한다. 따라서 너트가 길수록 적재를 지지하는 볼이 보다 활발하게 움직이게 된다. 다시 말해 너트의 전동면에서 활성인 볼이 보다 많을수록 너트가 지탱할 수 있는 보다 향상된 모멘트 하중(물체에 회전을 일으키는 능력이 있는 하중)을 일으키게 된다.
모멘트 하중(물체에 회전을 일으키는 능력이 있는 하중)량을 늘리기 위해서는 많은 수의 너트를 동시에 사용해야 한다. 그러나 하중이 너트에 안전하게 장착되지 않으면 오히려 정확도가 떨어질 수 있다. (박스 기사 참조)

공장에서 각 스플라인 너트를 개별적으로 미리 적재해야 스플라인 축 홈과 너트 홈 사이의 간격을 줄일 수 있다. 진동이 적고 토크의 변동이 적은 곳에서는 표준 예압이 선형 운동을 하기에 충분하다.
경미한 비틀림, 모멘트 하중(물체에 회전을 일으키는 능력이 있는 하중), 진동이 가해지는 하중의 경우 가벼운 예압이 선호되기도 한다. 예하중(축력)은 레이디얼과 회전 플레이를 제거할뿐 아니라 하중에 따른 처짐을 줄여 강성을 보장하고 정밀도를 높일 수 있다. 이를 통해 까다로운 작업 환경을 처리할 수 있는 견고한 구조가 만들어 진다.

최종 고려 사항 중 하나는 불필요한 예하중을 사용하면 전체 베어링의 수명과 부드러움은 감소되지만 마찰과 작동 중에 필요한 추력을 증가시킬 수 있다는 점이다.

예하중 고려 사항
언급했듯, 예압은 스플라인 너트와 축(샤프트) 사이의 느슨한 부분을 채운다. 따라서 하중을 회전시킬 때 축을 회전시키면 약간의 간격 문제로 인해 거의 움직이지도 않은 상태에서 너트가 즉시 뒤따른다. 예하중 등급이 높을수록 볼이 홈에 더 가까워지고 마찰이 더 커지기 때문에 특정 적용 분야에 적합한 예압 등급을 선택하고 부드러운 스핀들 운동을 유지하면서 수명과 강성, 그리고 정확성을 최대화하는 것이 중요하다.

위에 설명된 것과 같은 표준 및 사용자 정의 예압은 대부분의 제조업체에서 수행한다. 예압은 또한 하중 하에서 조립 변형을 줄임으로써 스플라인의 강성을 높이는 데 사용될 수도 있다. 적합한 상황에서, 보다 큰 직경의 볼을 삽입하면 응용 프로그램에 대한 스플라인 조립을 적재 할 경우 변형량이 줄어들게 되어 조립이 보다 견고하고 정교해진다.

교차 롤러
교차 롤러 베어링은 볼 베어링과 유사하게 동작하지만 회전식 너트 내에 장착된 베어링은 볼 형상이 아닌 원통형이라는 점이 다르다. 롤러는 90도 각도로 서로 교차하고 너트에 부착된 스플라인 너트 외경과 회전 플랜지에 V홈이 있는 베어링 경로 또는 홈 사이를 이동한다.

교차된 롤러 베어링은 볼 베어링의 접촉점 대 접촉선을 제공함으로써 회전 요소 하나당 더 무거운 하중을 전달할 수 있는 넓은 접촉면을 형성한다. 이는 볼의 점 접촉에 비해 더욱 강한 강성과 적은 변형, 더 높은 정확도를 제공함을 의미한다. 단점은 마찰력의 증가로 인한 속도 제한이다.

회전 지지(서포트) 베어링으로 볼이 내장된 앵귤러 콘택트 베어링과 교차 롤러 베어링은 특정 용도에 따라 두 가지 유형의 로딩(또는 혼합 적재)이 가능할 수 있으므로 축 방향 및 레이디얼 하중을 지원할 수 있다. 앵귤러 접촉 베어링은 2열의 볼을 사용하여 이를 구성하지만, 교차 롤러 베어링은 (속도 및 마모 문제와 같은 몇 가지 단점을 가지고 있지만) 단일 행의 볼이 이를 수행한다.

▲ 표준 교차 롤러 베어링의 회전 볼 스플라인 시스템
교차 롤러의 이점과 결점
규격을 비교하면, 교차 롤러 베어링에 탑재된 회전 지지 베어링인 회전 볼 스플라인과 볼 베어링에 탑재된 회전 지지 베어링에서 크기가 상이하다는 것을 확인할 수 있다. 회전 너트와 스플라인 너트가 하나의 장치로 만들어졌기 때문에 교차 롤러 베어링 장치가 더 조밀하다.

교차 롤러는 스플라인 너트의 바깥 실린더에 직접적으로 부착된다. 교차 롤러 회전 지지 베어링은 더욱 가늘고, 크기면에서 상대적으로 향상된 적재 용량을 갖는다. 추가적으로 교차 롤러는 전동체(전동요소) 1개당 볼 베어링보다 큰 접촉 면적을 제공하여 탄성 변형을 줄인다. 이는 각 롤링 요소가 더 뻣뻣해 전반적인 베어링 강성도 커지고 편향도가 낮다는 것을 의미한다.

미크론 범위에서 베어링의 조합으로 인한 작은 굴절이 모션 구성 요소의 끝에서 증대될 수 있다. 따라서 견고하고 정확한 볼 스플라인 기계 정확도를 대폭 향상 시킬 수 있다. 연속적으로 회전하는 응용 프로그램의 경우 넓은 교차 롤러의 접촉 면적이 사용되기 때문에 볼 베어링보다 더욱 급속도로 마모가 진행된다.

이 때문에 앵귤러 콘택트 타입 시스템이 연삭기 또는 컨베이어 벨트의 스핀들 드라이브 샤프트를 구동하기 위한 보다 적합한 선택일 수 있다. 교차 롤러는 부착된 그리퍼가 아이템의 각도를 변경할 때, 혹은 반 또는 4분의 1만큼 동작하는 것을 포함해 전후로 회전할 때 효과적이다.

회전 속도를 비교할 경우, 앵귤러 접촉 방식 장치는 고속 제한 최대 동작속도 하에서 마찰 뿐만 아니라 발열을 증가시키는 교차 롤러 시스템보다 전동체당 더 큰 접촉 면적으로 인하여 유리하다.
표준 16mm 크기(스플라인의 직경)에서 두 가지 유형을 비교하는 경우에는, 교차 롤러형 너트가 4000rpm인 반면에 앵귤러 접촉 방식 너트의 최대 회전 속도는 1080rpm이다.



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