리니어 모션시스템의 수명을 위협하는 주요 요인 중 하나는 바로 첫 번째 스트로크에서 일어난다.

  리니어 베어링이 이동거리의 끝에 다다른 것을 어떻게 알 수 있을까? 캐리지가 벽을 때릴 때 알 수 있다. 엔지니어링 분야의 오래된 농담이다. 하지만 이를 현실적인 관점에서 생각해보자. 충돌에 관련한 문제는 결코 웃어넘길 수 있는 문제가 아니다.

‘하드 스탑(메커니즘의 이동 및 거리를 제한하는 기계적 장치)’이라고 완곡하게 표현하는 이 장치 내지 메커니즘은 통제불능의 굴대받이(필로 블록)가 베어링 끝단 혹은 중간에 있는 여타 장치와 충돌할 때 발생한다. 이 현상은 선형 축이 처음 작동할 때 가장 자주 일어난다. 첫 스트로크에 일어나는 단 한 번의 충돌만으로도 베어링에 손상이 생길 수 있다. 손상은 수리 혹은 교체 비용으로 이어진다.
 

장치를 가동함과 동시에 베어링이 충돌하는 이유는 대부분 인적 요인으로 설명할 수 있다. 제어 기술자는 장치가 작동할 때 설치 및 설비 세부사항을 살핌으로써 특정 응용사례에 완벽히 부합하는 모션 프로파일을 계산할 수 있다. 반면 잘못된 동작 매개변수를 입력하거나 리밋 스위치를 연결하는 데에 실패하는 등의 일반적인 실수가 선형 베어링에는 치명적인 문제로 발전한다.
 

충돌을 최소화하고 큰 지출 없이도 베어링이 긴 수명을 영위하게 하는 것은 그닥 어려운 일이 아니다. 그 방법에 대해 기술한다.

힙을 합치다

오늘날에는 기술자들 사이에 소통이 부족하다. 기계계를 만드는 기술자와 최종적으로 사용하는 기술자 사이에 소통이 일어나지 않는 것. 소통 부족은 충돌 가능성을 높인다. 선형 축이 직접 다루거나 처리할 수 없도록 설계된 모션 프로파일을 실행할 공산을 높이기 때문이다. 예를 들어 선형 축은 설계한 변수들(부하·속도·가속도·관성 부조화 등)에 의해 이동거리가 초과하더라도 작동할 수 있을 만큼 충분한 공간을 필요로 한다. 또한 다른 조건 하에서 작동하는 경우 초과한 이동거리만큼의 공간이 줄어들거나 사라질 수 있다.
 

이런 문제를 타개하기 위해 설계 및 제어 기술자 모두에게 실제 환경에서 작동하는 매개변수의 변화에 맞출 수 있도록 설계 수치에 충분한 여분을 남기는 감각이 필요하다. 만약 그렇게 하지 못했다면 덜 공격적인 모션 프로파일만이 충돌을 막을 수 있는 유일한 수단이다.

과도한 개발

베어링 고장 이외에도 충돌이라는 부정적인 결과를 만들어내는 요인은 다양하다. 그 중 하나가 바로 과도한 개발(Over-Engineering)이다. 이 문제에 빠지는 기술자들은 충돌을 막기 위해 노력을 기울이는 대신 충돌이 발생함에 대해 겸허히 수용한다. 이어 충돌에도 살아남을 수 있는 장치를 설계한다.
 

이를 실현하기 위해 기술자들은 범퍼 혹은 가스식 충격흡수기(쇼크 업소버)를 도입한다. 하지만 충격흡수기의 종류에 따라 최소 수 달러에서 최대 개당 100달러 이상의 추가 비용을 지불해야 한다. 이들 장치를 여러 축에 설치하려면 당연히 비용이 올라간다. 그 결과 작업자 고용 및 예비 부품에 대한 비용을 고려하기도 전에 추가 비용으로 인해 골머리를 앓을 수도 있다.

범퍼 및 충격흡수기는 자전거 보조바퀴와 같은 역할을 한다. 타는(즉, 활용하는) 방법을 알기만 하면 누구나 바로 사용할 수 있는 것. 마찬가지로 적절하게 설계 및 제어되고 있는 리니어 모션 시스템은 추가적인 보호 비용을 지출하지 않아도 부드럽고 안전하게 작동한다.
 

충돌을 막기 위한 또 다른 방법은 리니어 모션 구성요소를 보강하는 것과 관련이 있다. 기술자들은 충돌에서 살아남기 위해서가 아니라 응용사례가 요구하는 부하·속도·가속도 등을 충족시키기 위해 베어링 크기를 바꾸기도 한다. 
 

이 전략은 각 축에 많은 비용을 추가하지는 않는다. 하지만 전체 시스템에 대한 리니어 모션 구성요소의 크기 및 규모를 늘림으로써 비용을 높일 우려가 있다. 베어링의 크기 및 갯수 증가가 모터와 기어박스 그리고 프레임 요소의 크기 증대라는 결과로 이어짐을 고려한다면 더욱 그렇다.
 

베어링의 크기 및 규모 증가가 과도한 개발을 만연하게 만든다면, 총 비용이 30%가량 증가하는 것 정도는 드문 광경이 아닐 것이다.

  내충격성(耐衝擊性) 베어링 설계를 위한 당부

충돌은 대부분 처음 시작할 때 일어나지 않는다. 장치를 도입한 뒤 어느 정도 시간이 지나고 나서야 충돌을 확인할 수 있다. 추력 및 전력이 사라지거나 작업자가 실수로 제어에 대한 매개변수를 바꾸었을 때 충돌이 발생할 수 있다. 그리고 솔직히 말해 모든 기계들이 신중하고 꼼꼼하게 작동하는 것은 아니다.
 

위와 같은 이유로 기술자들에게는 내충격성을 염두에 두고 설계하는 감각이 필요하다. 그러기 위한 가장 좋은 방법은 무엇일까? 보통은 충격흡수기나 과하게 개발된 구성요소를 도입해 충돌을 보호하는 비용을 지불한다.
 

혹은 내충격성 형태의 선형 베어링을 선택할 수도 있다. 모든 베어링이 동등하게 만들어진 것은 아니다. 즉, 충돌에서 살아남기 위해 만들어진 특수 베어링이 존재한다는 뜻이다. 플라스틱 끝단으로 만들어진 굴대받이를 탑재한 볼 재순환 시스템은 충돌로 인한 손상에 민감한 것으로 악명 높다. 플라스틱이란 재질 특성상 무언가에 부딪히면 산산조각나기 때문이다. 굴대받이가 단 한 번이라도 충돌한다면 온 사방에서 볼 베어링을 볼 수 있을 것이다.
 

큰 롤러 요소를 기반으로 한 베어링은 아킬레스건이 없다. 볼나사 및 선로(Raceways)는 롤러 요소 내에 포함되어있다(플라스틱 캡 안에 들어있지 않다는 뜻). 
 

Rollon의 컴팩트 레일은 이런 베어링의 예다. 이 제품은 큰 충격을 받은, 심지어는 거의 산산조각난 엔드 캡을 가지고도 잘 작동한다. 충돌이 일어났을 때 레일에 손상이 일어나지 않았다면 교체가 가능한 롤러 및 굴대받이를 통해 레일을 바꾸지 않고도 쉽게 복원할 수 있다.
 

충돌 방지(회피)와 충돌로부터 장비를 보호하는 기능 중 하나를 골라야 할 때에는 충돌 자체를 방지함하는 것이 많은 돈을 절약할 수 있는 길이다. 예기치 않은 이동거리 초과에 대비하여 공간에 주의를 기울인 모션시스템 역시 충돌 가능성이 있음에 유의하자.
 

아직까지는 특정한 ‘하드 스탑’에 대비하는 것이 금전을 절약하는 길이다. 충돌에 강한 롤러 베어링을 사용하면 충격흡수기나 과하게 개발된 구성요소를 추가하는 비용이 필요 없다.