리니어 슬라이드는 단순한 작업부터 다축 로봇 움직임을 요구하는 분야에 이르기까지 다양한 범위에 투입되고 있는 장치다. 모든 장비가 그렇겠지만, 리니어 슬라이드를 도입할 때에도 올바른 제품 선정·부하 용량 계산·과부하 등 다양한 고려사항이 존재한다. 리니어 슬라이드를 사용하고자 할 때 살펴보아야 할 사항에 대해 알아보자.
Q. 공압 리니어 슬라이드란 무엇인가?
A. 공압 리니어 슬라이드는 공기 실린더 동력원과, 정확한 선형 경로로 작업할 수 있도록 도와주는 안내기구(Guide Mechanism)를 결합한 장치다. 오늘날 일반적으로 사용하는 안내기구로는 베어링 블록과 두 개의 안내축(Guide Shaft)을 하나의 툴바에 연결한 것이 있다.
리니어 슬라이드는 단순한 공정작업부터 다축 로봇 움직임을 요구하는 분야에 이르기까지 다양한 작업을 수행한다.
Q. 기계 제작자가 응용사례에 가장 적합한 모델을 찾는 방법은?
A. 장치가 가진 몇 가지 기본적인 요소들을 바탕으로 판단하는 것이 바람직하다. 힘·부하 능력·스트로크(행정)·작동 속도가 그것이다. 기본적 요소들을 응용사례가 필요로 하는 사항에 따라 선택하는 것이 바람직한 선정 방법이다.
리니어 슬라이드가 출력하는 힘(Output Force)을 확인하는 작업도 중요하다. 실린더의 피스톤 영역과 압력을 곱함으로써 계산할 수 있다(F = PA). 여기서 주의해야 할 점은 슬라이드가 행정에서 길어졌다 줄어드는 과정을 반복하면서 각기 다른 힘을 만들어낸다는 점이다. 피스톤 로드가 피스톤 한쪽 면의 면적을 줄이기 때문이다.
조립 및 압착 등의 작업을 할 때에는 초기에 예상했던 것보다 더 많은 힘이 필요할 가능성을 고려해야 한다. 이를 위한 준비사항으로는 구멍(Bore)의 크기를 더 크게 만들고, 조절 장치(레귤레이터)를 사용해 급기(Air-Supply)의 압력을 맞추는 것이 있다. 슬라이드의 출력 힘을 높이고자 한다면 압력을 높임으로써 목적을 달성할 수 있다.
무언가를 들어올리는(Lifting) 응용사례에서는 슬라이드가 최소한 들어올리는 무게의 두 배 만큼의 힘을 출력할 수 있어야 한다. 동력이 부족한, 즉 무게를 간신히 들어올리기만 하는 슬라이드는 느린 움직임·급정지·움직임 제어 불능 등의 현상을 일으켜 제대로 작동하지 못하게 된다.
마지막으로 적은 힘 및 작은 내경(內徑)이 필요한 응용사례에서는 힘이나 내경에 대한 요구사항을 무시하는 경우가 있다. 하지만 적절한 내경 크기를 가진 슬라이드를 선택하면 충분한 양의 공기를 공급함으로써 부드럽고 제어가 원활한 움직임을 보장한다. 단, 지나치게 큰 내경은 불필요한 공기와 에너지를 낭비하는 셈이므로 피하는 것이 바람직하다.
Q. 부하 용량은 어떠한가?
A. 슬라이드는 직선 운동의 전체 범위에 걸쳐 작업 부하(Workload)를 지지 및 지원할 수 있어야 한다. 여기에 응용사례가 필요로 하는 정밀도를 유지하는 것은 두말할 필요도 없다. 대부분의 작업 부하는 툴바에 연결되어있다. 장치가 툴바를 통해 왕복하는 과정에서 오버헝 하중을 생성한다.
부하 용량(Load Capacity)을 결정짓는 요소로는 두 가지가 있다. 안내축이 굴절(편향)을 견디는 힘과 선형 베어링이 하중을 지지하는 능력이 그것이다.
오버헝 작업 부하가 선형 베어링의 앞 가장자리에 바람직하지 않은 부하를 생성한다고 하더라도, 대부분의 베어링은 이보다 훨씬 높은 정격 하중을 가지고 있고, 따라서 원활한 작동을 보장한다.
하나의 선형 볼 베어링이 가지고 있는 슬라이드가 오버헝 하중 상황에서 20lb 하중과 0.005in. 편향을 가질 수 있다고 가정하자. 하지만 네 개의 베어링이 모이면 수백 lb의 정격 하중을 달성할 수 있다.
특정한 베어링이 과잉 생산 능력(Overcapacity)을 가지고 있으면 부적절하고 나쁜 부하 조건에서도 높은 정밀도 및 긴 수명을 보장한다. 슬라이드의 부하 용량에 대한 자료는 안전한 부하 한계 및 적재 한계를 명시하며, 따라서 툴바의 편향에 대한 양을 예측할 수 있다. 보통 1/1000in. 수준이다.
Q. 과부하에 대한 특별한 고려사항이 있는지?
A. 볼 베어링이든 슬리브형 베어링이든, 선형 베어링은 베어링의 전체 길이에 걸쳐 부하가 인가될 때 가장 큰 부하를 지지할 수 있다. 이러한 이유로 토글 프레스(프레스의 일종으로, 플라이휠의 회전 에너지의 일부분만을 1회의 작업에 사용하는 프레스기계. 소성 가공 중에서 압출가공에 쓰인다. 출처 금속용어사전) 혹은 두 작업장소 사이의 고정 장치 등 큰 부하가 걸리는 응용사례는 양 끝단의 부하를 지지하는 캐리지로 구성되어있는 리니어 슬라이드를 통해 원활하게 제어할 수 있다.
일반적인 운반 방식으로는 왕복 운동을 하는 슬라이드의 설치판에 하중이 실리는 방식과, 고정 슬라이드 및 부하판(Load Plate)과 왕복 운동을 하는 안내축을 연결하는 방식이 있다. 하지만 캐리지 부하(운반 부하)가 가이드 샤프트식 리니어 슬라이드에 적용되면, 아무리 높은 부하 용량을 가지고 있더라도 샤프트의 방향을 바꾸는(즉, 샤프트의 동작을 막는) 원인이 된다. 이러한 현상은 특히 긴 스트로크를 가지고 있는 분야에서 자주 볼 수 있다.
중심 보조 멤버(Centre Support Member)를 안내축에 탑재하면 부하 용량을 극적으로 높일 수 있다. 이러한 보조장치를 통해 장치의 편향이 보통 과부하 상태에서 0.005in. 미만으로 줄어든다. 필요 이상으로 큰 직경의 안내축을 통해 장치를 복잡하게 설계하는 것보다 적절한 보조장치를 추가하는 것이 더 작은 장치를 만드는 방법임을 명심하자. 슬라이드 제조업체는 보통 다양한 스트로크와 부하 조건 하에서의 최대 편향을 예측하는 자료인 ‘안전 하중 도표’를 제공한다.
Q. 스트로크에 대해 대략적으로 설명한다면?
A. 리니어 슬라이드의 작업 스트로크(Working Stroke)는 보통 0.5in. 부터 수 ft에 이르기까지 그 범위가 다양하다. 스트로크 범위는 1in. 단위로 증가한다.
설계자는 보통 스트로크를 응용사례가 요구하는 것보다 약간 길게 설정한다. 그 다음 선택적으로 장비를 정지할 수 있는 기능을 탑재한다. 이음 고리를 고정시키거나 나삿니가 있는 멈춤 볼트·멈춤 너트를 배열하는 것이 대표적이다.
물리적인 정지 기능은 ±0.001in. 정지 정확도를 반복적으로 달성할 수 있도록 만든다.
속도가 빠르면 스트로크 마지막 부분에서 갑작스럽게 멈출 때의 충격력 또한 높다. 내장 혹은 외장 우레탄 범퍼를 통해 이 충격을 완화할 수 있다. 하지만 이는 멈춤 정확도(Stopping Accuracy)가 별로 중요한 문제가 아닐 경우에 한한다. 유압완충기(Hydraulic Shock Absorber) 및 내부 실린더 공기 완충장치(쿠션)을 사용함으로써 조절이 가능한 멈춤 기능을 활용하면, 완충 기능과 함께 정밀한 정지를 보장받는다.
고속 응용사례야말로 선형 볼 베어링의 주 무대다. 선형 볼 베어링은 최대 초당 100in. 의 이동속도도 소화할 수 있기 때문이다. 하지만 짧은 스트로크와 빠른 왕복 운동은 피하는 것이 바람직하다. 운동 방향이 바뀔 때 볼 순환로(Ball Circuit)의 관성이 볼을 트랙에서 미끄러지게(Skid)하는 경향이 있기 때문이다. 스트로크가 짧고 왕복이 빠른 응용사례에서는 일반 슬리브형 베어링을 사용하는 것이 바람직하다.
Q. 다른 고려사항이 있다면?
