Q. 공압 리니어 슬라이드란 무엇인가?

A. 공압 리니어 슬라이드는 가이드 기구와 공기 실린더 동력원을 결합한 장비로, 정확한 직선 경로를 따라 부하를 지지하는 역할을 한다.

공압 리니어 슬라이드에 사용하는 가이드 기구는 대부분 일반적인 공구 바(Toolbar)에 연결되어있는 두 개의 가이드 축과 베어링 블록 등으로 이루어져 있다.

리니어 슬라이드는 간단한 프레스 작업부터 다축 로봇 움직임을 요구하는 응용사례까지 다양한 작업을 수행한다.

Q. 장비개발자가 응용사례에 가장 적합한 제품을 결정하는 방법은?

A. 리니어 슬라이드를 선택하는 작업은 몇 가지 기초적인 요소들이 좌우한다. 주어진 응용사례에 필요한 힘·부하 능력·행정(스트로크)·동작 속도 등이 대표적이다. 

리니어 슬라이드가 출력하는 힘은 실린더의 피스톤 면적과 압력을 곱하는 것으로 구할 수 있다(F = PA). 슬라이드 중 대부분은 행정이 확장하고 축소할 때 다른 힘을 만들어낸다. 피스톤 봉(피스톤 로드라고도 한다. 피스톤에 고정되어 피스톤 운동을 밖으로 전달하는 역할을 한다)이 피스톤 한쪽 면의 범위를 줄이기 때문이다.
 

조립이나 프레스 공정 등의 작업에는 처음에 예상했던 것보다 더 큰 힘이 필요할 수도 있다. 사전에 이를 해결하기 위한 방안으로는 내경(Bore)의 크기를 더 키우고 급기의 압력을 낮추기 위한 조절기(레귤레이터)를 사용하는 것 등이 있다. 슬라이드의 출력 힘이 상승할 때 급기의 압력 역시 덩달아 증가할 수 있으므로 주의해야 한다.

들어 올리는(Lifting) 응용사례에서는 들어 올리고자 하는 무게보다 최소 두 배는 되는 양의 출력 힘이 필요하다. 동력이 부족해 부하 혹은 무게를 ‘간신히 들어올릴 뿐인’ 슬라이드는 속도가 느리고, 움직임이나 멈춤이 갑작스러워 덜컥거리며, 제어가 불가능한 움직임을 만드는 등 부적절한 작동의 원인으로 작용한다.

보다 적은 힘 및 작은 내경 크기가 필요한 응용사례는 상대적으로 주의를 소홀히 하기 쉽다. 부드럽고 제어가 용이한 움직임을 위해서는 충분한 양의 공기를 공급할 수 있는 크기의 내경을 선택하는 것이 중요하다. 하지만 지나치게 큰 직경은 공기와 에너지를 불필요하게 낭비하는 결과를 초래하므로 이 역시 피해야 한다.

Q. 슬라이드이 바람직한 부하 능력(Load Capacity)은?

A. 슬라이드는 직선운동 거리의 전 범위에 걸쳐 응용사례가 필요로 하는 정확도와 정밀도를 유지함과 동시에 작업 부하를 지지할 수 있어야 한다. 작업 부하 중 대부분은 왕복하는 공구 바에 집중되어있다. 이는 오버헝 하중을 생산하는 주범이다. 부하 능력을 결정하는 것은 결과적으로 편향 혹은 굴절 등에 견딜 수 있는 가이드 축의 강도와, 부하를 지지하기 위한 선형 베어링의 강도라는 두 가지 요소에 달려있다.

오버헝 하중이 선형 베어링의 앞쪽(Leading Edge) 부분에서 달갑지 않은 하중 및 부하를 만들기는 하지만, 대부분의 베어링은 이보다 훨씬 큰 정격 하중을 갖고 있으며, 따라서 이러한 문제도 원활하게 처리할 수 있다. 예를 들어 오버헝 하중이 가해지는 상황에서 선형 볼 베어링을 탑재한 슬라이드는 20lb 부하와 0.005in.의 편차를 자랑하지만, 네 개의 베어링은 총 수백 파운드에 달하는 정격 하중을 버틸 수 있다. 이러한 베어링의 과잉 능력(Overcapacity)은 좋지 못한 부하 조건에서도 높은 정밀도와 긴 수명을 보장한다. 

슬라이드의 부하 능력에 대한 기술 자료를 통해 안전한 부하 한도를 확인하고 공구 바의 편향이나 휨의 정도를 예측할 수 있다. 편향 혹은 휨의 정도는 천 분의 일 in. 단위로 표시하는 것이 일반적이다.

Q. 부하가 무거울 때 특별히 고려해야 할 사항이 있다면?

A. 선형 베어링은 (볼 형태이든 슬리브 형이든) 그종류에 상관없이 베어링의 전 길이에 걸쳐 부하가 작용할 때 가장 큰 하중을 지지하게 된다. 이러한 이유로 토글 프레스 혹은 두 부하 지점(Work Location) 사이의 고정 장치(리벳)을 왕복하는 등 과부하(Heavy Load) 상태인 경우, 양 끝의 부하를 지지할 수 있는 캐리지로 구성된 리니어 슬라이드가 이러한 장치를 가장 잘 다룰 수 있다. 

캐리지에는 보통 두 가지 형태가 있는데, 하나는 부하가 왕복운동을 하는 슬라이드의 설치판(Mounting Plate)에 작용하는 경우이며, 다른 하나는 비 유동적인 슬라이드 및 가이드 축을 왕복하는 로드 플레이트에 작용하는 경우이다. 하지만 높은 부하 능력에도 불구하고 가이드 축 형태의 리니어 슬라이드에 가해지는 캐리지의 부하는 축의 편향 및 휨을 야기하므로 주의해야 한다. 특히 행정이 긴 경우 이러한 현상이 일어나기 쉽다.

각종 보조 장치(Centersupport Members)를 가이드 축에 부착하면 부하 용량을 극적으로 높일 수 있다. 보조 장치의 지원을 통해 부하가 큰 경우에도 편향을 0.005in. 미만으로 낮출 수 있다. 긴 길이의 가이드 축을 사용하면 슬라이드를 과잉 설계(Overengineer)하지 않고 보조 장치를 추가함으로써 더 작은 제품을 사용할 수 있다. 오늘날 슬라이드 제조업체는 대부분 다양한 행정 및 부하 조건에서 편향의 최댓값을 예측하는 ‘안전 부하표’를 제공하고 있다.

Q. 주로 사용하는 행정으로는 무엇이 있는가?

A. 리니어 슬라이드의 작동 행정은 보통 0.5in.부터 수 피트에 달하기까지 그 범위가 다양하며, 보통 1in. 간격으로 행정을 높일 수 있다. 설계자들은 일반적으로 응용사례가 필요로 하는 것보다 약간 더 긴 행정을 도입해 멈추는 것을 조절할 수 있도록(Adjustable Stops) 만든다. 이음고리(Collar)를 고정하거나, 나사산이 있는 멈춤 나사·고정 너트 등을 준비하는 것이 대표적이다. 하드 스톱(기구의 이동을 제한하는 기계장치)은 ±0.001in.의 정지 정확도를 실현한다.

  Q. 리니어 슬라이드의 작동 속도는 얼마나 중요한가?

A. 속도는 간과하기 쉬운 설계 요소 중 하나다. 하지만 속도를 무시하면 최악의 결과를 낳게 되므로 반드시 주의 깊게 살펴야 한다. 외부 정지 기능이 없는 공압 리니어 슬라이드의 안전 속도는 일반적으로 초당 6in.~8in. 범위이다. 만약 행정이 짧은 경우 가속이나 감속 등의 요인을 무시하면 잘못된 결과를 초래한다. 예를 들어 1in. 행정을 0.16초 안에 수행하는 장치의 평균 속도는 초당 6in. 이라고 계산하기 쉽다. 하지만 실제 최종 속도는 이보다 훨씬 빠르다. 상당한 시간에 걸쳐 가속하기 때문이다.
 

속도가 빠르면 행정의 마지막 부분에서 갑작스럽게 멈출 때 큰 충격력을 만든다. 속도가 빠른 만큼 정지했을 때의 반작용도 큰 것. 만약 정지정도가 큰 고려사항이 아니라면 내부 혹은 외부에 우레탄 범퍼를 탑재함으로써 어느 정도의 완충을 꾀할 수 있다. 유압완충기(충격흡수장치) 혹은 내장형 실린더 공기 완충장치를 정지에 사용하면, 완충작용과 정밀한 정지라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있다.

선형 볼 베어링이야말로 높은 속도를 가장 잘 처리할 수 있는 장치다. 최대 초당 100in. 까지 제어할 수 있다. 하지만 행정이 짧고, 빠르고 잦은 왕복운동을 하는 응용사례에서는 볼 베어링을 피하는 것이 좋다. 볼 순환로(Circuit)의 관성은 방향이 반전될 때 볼을 트랙에서 ‘미끄러지게(Skid)’ 하는 경향이 있다. 따라서 대안으로 일반적인 슬리브 형 베어링을 사용하는 것이 바람직하다.

Q. 다른 고려사항이 있다면?

A. 오늘날 장비 설계자들은 다양한 표준 리니어 슬라이드 중 원하는 것을 선택할 수 있다. 대부분의 제조업체가 각 제품의 기술적인 성능 자료를 제공하고 있어, 제품 선택과 크기 조정이 용이하다. 또한 다양한 선택사항이 있어, 사용자의 주문 및 특정한 작업 형태에 따라 제품 변경 및 제작이 용이하다. 선택사항으로는 ▲공구 바 형태 ▲베어링 형태 및 종류 ▲정지 조절 여부 ▲충격흡수 여부 ▲공기 완충장치 ▲유압완충기 ▲장비 컨트롤러에 피드백을 제공하는 센서 등이 있다.