비교는 정중히 거부합니다, ‘크로스 롤러 베어링’
비교는 정중히 거부합니다, ‘크로스 롤러 베어링’
  • 김종율 기자
  • 승인 2018.11.28 14:57
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차이점부터 응용사례까지 … 선택 시 고려해야 할 요인들
항상 빠른 속도를 추구해야 하는 마이크로프로세서 왕국이 점차 몰락하고 있다. 각 응용사례에 적절한 베어링을 찾기 어려워지기 때문이다. 하지만 분명히 행복한 결말이 존재한다.
자료|NB Corporation of America(www.nbcorporation.com)
마이크로프로세서 제조나 진단 장비 그리고 자동화 등의 분야에서 기술적인 성취를 보임에 따라 점차 정밀한 모션제어가 필요하다. 

리니어(선형) 베어링은 집적회로 생산, 픽 앤 플레이스, 머신비전을 활용한 검사, 제품 이송, 컴퓨터 제어를 받거나 정밀하게 수직 방향으로 움직이는 현미경 스테이지 등 다양한 분야에서 큰 부하를 지탱하고 작업을 수행하기 위해 끊임없이 발전해야 했다. 보다 좁은 공간에서 안정성과 정확성을 높여야 했음은 물론이다.

암 연구 분야는 리니어 베어링의 발전을 보여주는 좋은 예다. 현미경은 10억 개가 넘는 세포 사이에 숨어있는 단 하나의 암세포를 찾기 위해 주로 표본 검사에 의존한다. 영상을 촬영해 적절한 필터를 움직임으로써 삼색(三色) 영상을 만들어낸다.
세포 표본의 다색 영상을 촬영하는 정밀한 기구나 계기 등을 자동적으로 움직이게 하기 위해서는 다른 장비와의 협력이 필요하다. 이에 리니어 베어링은 완벽한 위치조정을 위한 특별한 요구사항에 봉착했다. 문제를 해결하기 위한 매개변수로는 제품 내부의 여분의 공간과 이동거리, 움직일 수 있는 부하의 양 그리고 정확도 등이 있다.
 
사람들은 흔히 리니어 베어링을 볼 베어링을 통합한 것이라고 생각하는 경향이 있다. 이 말인즉슨 베어링 내에 있는 (보통 금속 재질로 만들어진) 볼이 순환하면서 장치 내의 각 움직이는 부분들 사이에서 일어나는 마찰이 감소함을 의미한다. 이러한 재순환 볼 베어링에는 부싱, 볼스플라인, 리니어가이드 그리고 슬라이드 등이 통합되어있다.
 
제조기술을 포함한 여러 과학기술이 발전함에 따라 더욱 정밀한 작업이 필요하다. 이 때문에 등장한 이 장비가 바로 크로스 롤러 베어링이다. 이 베어링은 마찰 감소장치의 명예의 전당에 오르기도 한 제품이다. 오늘날 현미경뿐 아니라 웨이퍼 제조, 로봇, 머신비전 검사 등의 다양한 고성능 기술들이 모두 크로스 롤러 베어링에 크게 의존하고 있다.
 
크로스 롤러 리니어 베어링?
크로스 롤러 안내면(Slideway) 혹은 크로스 롤러 베어링은 기계적인 직선운동(리니어) 구성요소 중 가장 정밀하고 정확한 제품이다. 
 
크로스 롤러 베어링은 볼 베어링과 유사한 형태를 띠고 있다. 작동방법 또한 그렇다. 베어링 내에 있는 부품들이 원형(공 모양)이 아닌 원통형이라는 것이 차이점이다. 롤러는 각각 90° 각도로 십자형으로 교차한다. 또한 ‘테이블’ 및 ‘베드’라고 일컫는 두 개의 평행한 가이드 사이를 오간다. 롤러는 V자 홈이 난 베어링 선로, 혹은 가이드를 벗어난 궤도 표면(Raceways Ground)에 배치되어있다. 가이드 및 테이블의 이동은 제품 끝단에 다다랐을 때 멈추게 된다.
 
그 흔한 쓰임이 증명하듯, 재순환 볼 베어링은 다양한 이점을 가지고 있다. 재순환 볼 베어링은 사실상 제약 없는 이송을 자랑하며 가격 역시 상대적으로 저렴하다. 
 
하지만 부하용량이 낮고 수명이 짧으며 베어링이 순환을 반복하면서 부하의 위치가 자주 바뀐다. 크로스 롤러 베어링과 비교했을 때 단점으로 작용한다. 
 
크로스 롤러 슬라이드는 접촉선을 제공한다. 볼 베어링의 점접촉과 비슷하지만, 한결 폭넓은 접촉면을 통해 더 큰 부하를 옮길 수 있다. 단단하고 잘 휘지 않아 변형의 가능성이 적으며, 볼 베어링의 점접촉 방식보다 더 높은 정확도를 자랑한다. 또한 크로스 롤러의 캐리지와 베이스 사이의 접촉이 일관적이기 때문에 부식 속도가 늦다. 
 
볼 베어링은 재순환하는 과정에서 재순환 경로를 따라 부하를 옮길 때 진동이 일어난다. 하지만 크로스 롤러 베어링은 재순환 구성요소를 가지고 있지 않기 때문에 진동의 원인 자체가 없다.
 
부하 용량: 합성수지 Vs. 금속
롤러 대 레일 접촉은 부하 용량을 결정하는 열쇠다. 물론 롤러가 베어링보다 더 넓은 접촉면을 제공한다. 또한 롤러는 일반적으로 부하를 운반하는 전 과정에 걸쳐 재순환 자체가 없다. 따라서 볼 베어링보다 더 큰 강도 및 더 높은 부하 용량을 보장한다. 반면 볼은 보통 단일 지점에만 접촉한다. 물론 접촉지점의 수를 늘리기 위해 베어링의 내륜 및 외륜 표면을 곡선 모양으로 설계할 수 있기는 하지만, 부족한 것이 사실이다.
 
크로스 롤러의 접촉면적과 부하 용량 사이에는 직접적인 상관관계가 있다. 롤러 대 레일 접촉을 더욱 크게 설계함으로써 부하 용량을 250% 가까이 향상시킬 수 있다. 각 롤러들을 가까이 배치하면 보다 많은 롤러를 한 곳에 집적할 수 있으며 동일면적 대비 더 많은 무게 및 부하를 운반할 수 있게 된다.
 
케이지가 롤러를 보호하는 방법 또한 동일면적 대비 롤러 접촉면적의 양을 결정짓는 요소다. 롤러와 롤러 사이의 간격은 인치 당 부하를 견디고 작업을 수행할 수 있는 롤러 표면을 계산할 수 있는 인자다. 따라서 케이지의 설계 방식이 전체 장비에 중요한 역할을 한다.
 
기존에 주로 사용하던 금속 케이지는 롤러의 접촉면적 면에서 어느 정도의 한계를 가지고 있다. 케이지가 롤러를 ‘붙잡고’ 있기 때문이다. 하지만 최근 합성수지 축받이통(Retainer)이 개발됨에 따라 설계 시 보다 많은 선택을 할 수 있게 되었다.
합성수지 재질의 축받이통 및 케이지를 이용하면 롤러와 롤러 사이에 작은 공간을 두고도 더 많은 접촉면적을 형성할 수 있다. 또한 장치 내에서 더 얇고 작은 공간을 차지할 수 있다.
 
금속과 합성수지로 만든 케이지는 서로 완전히 다른 방식을 사용해 롤러를 수용한다. 금속 케이지는 롤러의 상단과 하단 끝부분에 노치(V자 모양의 홈 혹은 표시를 의미한다. 편집자 주)를 새겨 롤러를 수용한다. 반면 합성수지 축받이통은 롤러에 그 크기를 맞춘다. 합성수지 축받이통은 장치의 전체 모양을 유지하면서도 구성요소를 안전하게 수용할 수 있다. 합성수지 축받이통은 장비의 필수적인 접촉면적을 전부 노출시키므로 장비의 모든 부분이 부하와 접촉한다. 또한 롤러를 수용 및 보호할 때 접촉면적에 지장이 가지 않는다.
 
합성수지 케이지에 롤러를 집어넣으면 좀 더 오밀조밀하게 배치할 수 있다. 다른 재질의 케이지와 비교했을 때, 같은 길이 내에 수용할 수 있는 롤러 개수가 많아진다. 따라서 같은 부하 용량을 유지하면서 케이지 길이를 더 짧게 만들거나, 동일한 길이의 케이지에 더 많은 롤러를 적재해 부하 용량을 높일 수 있다. 
 
합성수지 케이지는 금속 케이지와 비교했을 때 접촉면적이 30%~58%가량 높아진다.

금속 케이지는 가격이 저렴하며, 스테인리스강이나 철 등 다양한 재질로 만들 수 있다. 따라서 잠재적으로 물에 노출되거나 녹이 슬 가능성이 있는 고온 혹은 의학 분야에도 사용할 수 있다. 또한 금속 재질은 진공환경에도 적합하다. 합성수지는 기체를 배출할 위험이 있기 때문이다(배기가스는 특히 고진공 환경에서 문제를 일으킬 수 있다).
 
이동길이
기본적으로는 더 긴 레일이 있으면 더 긴 이동길이를 확보할 수 있다. 하지만 크로스 롤러 베어링은 약간 다르다. 이동에 필요한 만큼만 긴 축을 가지고 있는 재순환 볼 베어링과 대조적으로, 크로스 롤러 베어링은 스트로크할 때 모든 레일 부품이 두 배 길어진다. 크로스 롤러 베어링 내부에 있는 두 레일이 서로 반대 방향으로 이동하기 때문이다. 따라서 레일 길이보다 두 배가량 넓은 거리를 이동할 수 있다.
 
하지만 일부 경우 이러한 원칙이 통하지 않는다. 크로스 롤러 리니어가이드 제품이 재순환 크로스 롤러 혹은 십자형으로 교차하지 않는, 즉 4방향으로 순환하지 않는 롤러가이드 제품 등이 그렇다. 이들은 극히 예외적으로 레일이 반대방향으로 이동할 필요가 없다.

합성수지 케이지를 사용하면 주어진 레일 길이에 대한 스트로크 길이가 더 길어진다. 케이지 길이가 주어진 하중에 비해 더 짧아지기 때문이다.
장치의 이동범위
이동길이를 제한하는 가장 우선적인 요소는 응용사례 내에서 사용할 수 있는 공간의 크기다. 레일이 서로 반대 방향으로 이동하면 부하를 운반하기 위해 필요한 공간은 총 거리의 두 배 가량이 된다. 
 
멈춤장치(End Stop) 또한 이동길이를 제한하는 요소다. 장치는 종단에 다다를 때까지 서로 반대 방향으로 확장한다. 이는 크로스 롤러 베어링이 긴 스트로크를 필요로 하는 일부 응용사례에는 부적합함을 의미한다. 반면 정지상태와 운동상태 사이의 마찰저항은 적거나 아예 없다(부하가 적은 환경이더라도 마찬가지다). 따라서 크로스 롤러 베어링은 미세한 모션제어에 더욱 적합하다.
 
장비의 적용
모션제어 응용사례에 사용되는 가속 및 감속이 매우 빠른(30㎜~600㎜ 길이 범위와 2㎜~12㎜의 롤러 길이)장비는 최대 1억 5천만 사이클을 견딜 수 있는 내구성을 가지고 있다. 케이지의 변형방지장치(안티 크립 매커니즘)가 없는 크로스 롤러 베어링의 경우, 케이지 변형은 가이드 교체·기계 재조정·재설치 작업 등의 작업이 불가결하다. 이러한 작업은 높은 가속도·고르지 못한 사전설치 작업 및 하중분포·방향(경사지거나 수직으로 된 작업 방향 등은 파행을 야기한다) 등에도 영향을 미친다.
 
매끄러움
순환이 없는 장치가 가져다주는 이점은 마찰저항의 변동이 적으므로 장치가 부드럽고 매끄럽게 작동한다는 점이다. 크로스 롤러 베어링은 케이지 측면에서 제약이 있고 재순환 과정이 없으며 볼 베어링을 사용하는 리니어 베어링만큼이나 조용하다.
 
정확도와 편차
크로스 롤러 베어링은 볼 베어링보다 한결 넓은 접촉면적을 보장한다. 즉, 탄성변형을 낮출 수 있다. 단단한 구조 덕에 크로스 롤러는 지속적이며 정확한 운동을 제공한다.
 
크로스 롤러는 장착면의 부정확에 좀 더 엄격하다. 리니어 베어링의 강도와 작동원리를 활용해 설계되었기 때문이다. 재순환 볼 베어링보다 부정확한 장착면에 더 민감하고, 더 엄하다. 재순환 볼 베어링의 정밀도는 5 내지 10미크론의 편차 허용범위를 가지고 있다.

크로스 롤러 베어링은 정확도가 높은 축에 속하는 장비다. 이러한 정확도를 보장하기 위해서는 장착면 역시 매우 정확해야 한다. 종종 엄격한 기준에 맞추어 연마한 베어링을 활용해 장치를 고정할 수 있다. 장착면의 최대 허용 비틀림은 2미크론 가량이다.
 
적합성·호환성
케이지가 볼 대 볼 혹은 롤러 대 롤러 접촉을 방해한다면 더 많은 마찰 및 마모를 야기하게 된다. 크로스 롤러 베어링을 감싸고 있는 케이지가 금속으로 만들어졌든 합성수지로 만들어졌든 여타 재질로 만들어졌든, 케이지는 크로스 롤러 베어링의 크기를 조금씩 바꾸어놓게 된다. 이 점은 필요한 설계에 적합한 크기로 맞추는 데에 영향을 미친다. 
 
스토퍼 또한 크기에 영향을 미치는 요인이며, 따라서 최적화 과정에도 입김이 닿는다고 말할 수 있다.
 
합성수지는 금속 케이지와 대조적이다. 크로스 롤러를 좀 더 가까이 배치할 수 있는 것. 이는 같은 공간 안에 더 많은 롤러를 탑재할 수 있음을 의미한다. 합성수지 케이지는 보다 많은 접촉면적을 제공하므로 부하용량 또한 높다. 
제조업체에 연락을 취함으로써 스트로크 길이를 파악하는 것이 좋다. 최종 주문에 들어가기 전에 레일과 케이지의 길이를 정해야 하기 때문이다.
 
스토퍼와 케이지의 재질 및 설계와 더불어 호환성에 영향을 미치는 또 다른 요인이 있다. 변형방지장치의 설계가 그것이다. 이에 대해서는 ‘변형방지장치’에서 좀 더 자세히 다룰 것이다. 

외부 변형방지장치는 교체나 호환에 대한 필요성을 사전에 없앤다. 따라서 내부 메커니즘 활용이 한결 편해진다.
 
케이지 변형
순환하지 않는(Non-recirculation) 선형 구성요소에서 축받이통은 레일 사이를 돌아다니며 중앙으로부터 조금씩 이동한다. 롤러 케이지가 중앙 지점으로부터 이동하면 슬라이드의 움직임을 방해 및 제한하기 시작한다. 만약 지속적으로 풀 스트로크를 사용하지 않는다면, 시간이 지남에 따라 슬라이드가 조금씩 움직이게 된다. 수직 방향으로 장착되었을 때 특히 그렇다. 
 
만약 축받이통이 한 번이라도 움직이고 난 뒤 풀 스트로크를 다시 사용하게 된다면, 축받이통은 다시 한 번 중심에 다가가기 위해 레일의 종단, 즉 멈춤장치에 부딪히고, 미끄러지게 된다. 
 
이 작업에는 강력한 모터가 필요하다. 또한 축받이통과 롤러 그리고 안내면에 손상을 입을 수 있음을 염두에 두어야 한다. 높은 예압은 작업을 어렵게 만드는 주범이며, 케이지가 부딪혀 손상을 입을 위험도 있다.
 
케이지 변형은 일종의 손상으로 간주할 수 있다. 케이지에 변형이 발생하면 롤링 구성요소가 회전하는 대신 미끄러지게 된다. 구성요소의 손상을 가속화하는 증상인 금속간 마찰의 원인이다.
 
변형방지장치
변형방지라는 용어는 안내면에 위치한 두 V자 홈이 난 선로 사이에서 크로스 롤러를 고정시키고 있는 축받이통의 모든 미끄러짐 혹은 이로 인한 작업 불이행을 방지하는 기법을 말한다. 장치의 미세한 움직임을 사전에 방지함으로써 장치 휴지시간이 줄어들며 유지보수 비용 역시 감소된다.
 
변형방지장치는 축받이통이 미끄러지는 현상을 사전에 제거한다. 따라서 안내면을 현존하는 어떠한 설치 형태로도 사용할 수 있으며, 리니어 모터와 같이 탄력(가속도)이 낮은 모터와 병용할 수 있다. 
 
제조업체는 케이지의 미끄러짐 현상을 방지하기 위한 몇 가지 접근법을 활용하고 있다. 랙 앤 피니언 방식이 대표적이다. 레일에 부가장치를 설치하는데, 레일 외부에 플라스틱 기어를, 레일 내부에 금속 기어를 설치한다. 

기어를 사용하지 않는 방식도 있다. 케이지 미끄러짐 방지 방식(Anti-Cage Creep Mechanism)이 그것이다. 이 장치는 롤러와 그 표면 주변을 둘러싼 둥근 볼로 이루어져있다. 장치를 활용하면 움직임을 부드럽게 추적할 수 있으며, 외부에 톱니 기어를 부착한 케이지 미끄러짐 방지보다 한결 조용한 작업을 보장한다. 특허 출원 중인 ‘Studroller’ 설계는 미끄러짐을 방지할 수 있다.
 
중앙 롤러에 스터드(Stud)를 배치한 후 레일 경로를 따라 기계 가공을 진행하면 축받이통이 미끄러지지 않게 된다. 이 해결책은 고 가속·수직 방향 설치·고르거나 균등하지 않은 부하 배분 등의 환경에 적합하다.
 
변형방지장치를 탑재한 크로스 롤러 베어링 시스템의 구축비용은 상황에 따라 달라진다. 설계 복잡성은 물론, 응용사례에 알맞은 시스템을 직접 설계해야 하는지, 사용자가 원하는 사항들을 전부 수용하도록 설계했는지의 여부 등에 따라 가격은 천차만별이다. Studoller는 가장 단순한 미끄러짐 방지 설계 장치이다. 기어 제어 혹은 야외 제어용 장비와는 대조적으로 볼 베어링을 탑재했다. 따라서 이 장치의 구축비용은 표준형 안내면과 거의 비슷할 정도다. 여타 변형방지장치의 절반 수준의 가격에 불과하다. 표준형 안내면을 대체할 필요가 없어 재설계 비용 또한 없다.
 
응용사례
크로스 롤러 베어링은 고 정밀 응용사례에서 많은 인기를 누리고 있다. 매우 부드러운 움직임을 필요로 하며 지나치게 긴 스트로크 이동이 필요하지 않은 사례에서 각광받는다. 현미경 스테이지·의학 분야·반도체 제조 및 가공·광학장치의 실험단계·장비제조·포토닉스(빛에 관계된 사항을 다루는 과학 기술로, 특히 광자Photon을 이용하는 기술. 출처 IT용어사전) 통신·무균실(클린 룸)·진공환경·자재 관리·자동화 기계 등이 주요 활용분야다.

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