직선운동 분야에서 크로스 롤러 베어링이 새로운 강자로 떠오르고 있다. 기존의 베어링이 여러 개 모여 수행하던 역할을 단 한 개만으로 해결할 수 있어 설치공간과 비용 그리고 설계 복잡성을 줄여준다.
목차
1. 크로스 롤러 베어링의 기초
2. 정확도와 레일(Accracy and Rails)
3. 케이지의 재질
4. 케이지 변형(크리프) 방지
5. 이동길이
6. 정격 하중 및 수명(Ratings and life)
7. 선형 크로스 롤러 베어링의 사용 동향
크로스 롤러 베어링은 직선운동 분야에서 볼 베어링 등의 여타 마찰감소 장치보다 정확하고 강하며, 보다 큰 부하를 지지할 수 있다. 또한 볼 베어링과 달리 모멘트 하중(부재상의 한 점에 작용하고, 부재를 회전시키려는 힘의 모멘트의 하중. 자료 건축용어사전), 반지름 방향 힘(Radial Force), 기울임 부하(Tilting Load) 등을 지지할 수 있다. 이러한 특징으로 한 개의 크로스 롤러 베어링이 여러 개의 볼 베어링을 대체할 수 있다. 공간을 절약하고 관련 비용을 절감할 수 있음을 뜻한다.
크로스 롤러 베어링은 부드러운 움직임을 필요로 하는, 비교적 짧은 고 정밀 선형 운동 응용사례에서 선호한다. 높은 수준의 가속 및 감속을 활용하는 선형 운동 응용사례에서 1억 5천만 회 가량 사용할 수 있을 정도로 내구성이 좋다. 2㎜ 내지 12㎜ 롤러 및 30㎜ 내지 600㎜ 길이의 응용사례서 특히 활용도가 높다.
오늘날에는 의료장비·실험장비·공작기계·기계공구·반도체 제조·클린 룸·진공 환경·자재관리·공장자동화 등의 사례에서 크로스 롤러 베어링을 찾아볼 수 있다. 또한, 최근 들어 점차 많은 분야에서 높은 정확도 및 정밀도를 요구함에 따라 크로스 롤러 베어링의 사용 역시 보편화될 것이다.
1. 크로스 롤러 베어링의 기초
크로스 롤러 안내면(Slideway)이라고도 불리는 크로스 롤러 베어링은 서로 직각으로 결합된 두 개의 베어링 및 레이스로 구성되어 있다. 캐리지 내의 레일을 따라 원통형 베어링 혹은 롤러가 장착되어있다. 롤러는 케이지와 함께 위치해 있어 마찰과 마모의 원인이 되는 롤러 대 롤러 접촉을 방지한다. 또한 롤러가 분리된 상태를 유지하므로 막힘 등의 고장에 대한 위험이 없다.
레일을 따라 다수의 원통형(실린더) 롤러를 장착한다면. 한 장치가 다른 장치에 대해 90。각도로 배치되고, 다시 그 장치에 대해 다른 장치가 90° 각도로 배치된다. 서로 직각으로 반복해서 설치되는 것. 이러한 배치를 통해 모든 방향에서 오는 부하를 지지할 수 있게 된다. 높은 전도 모멘트(Overturning Moment)는 물론이다.
크로스 롤러 베어링은 재순환 과정이 없어 순수한 축 방향 부하를 제외한 모든 부하를 지속적으로 운반한다. 또 십자형 구조로 인해 롤러에 절반의 부하만 가해진다.
원통형 롤러는 슬라이딩 레일에서 돌출된 V자 형상을 취하도록 장착되어 있다. 이는 부하를 운반하는 다른 레일의 V형 홈(노치)과 부합한다(들어맞는다).
롤러는 라인 전체에 걸쳐 여타 장치와 접촉할 수 있다. 라인의 특정 지점에만 접촉할 수 있는 볼 베어링과의 차이점이다. 크로스 롤러 베어링의 접촉면이 넓어지고, 보다 큰 하중을 운반할 수 있는 비결이기도 하다.
크로스 롤러 베어링은 베어링의 강성이 증가해 장치의 변형이 적고 정확도가 높다. 크로스 롤러는 베이스와 캐리지 사이의 접촉을 일관성 있게 유지하므로 부식이나 침식이 상대적으로 더디다.
모든 롤러의 접촉 지점의 영역과 부하용량에는 직접적인 상관관계가 있다. 접촉하는 영역이 넓을수록 부하 수용력 역시 커진다. 이 점을 활용하면 베어링 설계자가 롤러 가까이에 베어링을 장착함으로써 부하용량을 최대 250%까지 조절할 수 있다. 이로 인해 롤러가 동일한 공간을 활용했을 때 베어링이 감당할 수 있는 무게의 양을 늘린다.
크로스 롤러 베어링은 씰을 사용하지 않는다. 높은 정확도와 낮은 마찰을 실현하는 구조 덕이다. 하지만 손상 및 마모를 막기 위해 롤러로부터 오염물을 분리하는 작업은 항상 중요하다.
이러한 걱정을 불식시킬 수 있는 방법 중 하나는 (특히 IC 제조 및 실험실 장비에서)크로스 롤러 베어링을 활용한 장비를 깨끗하고 오염 걱정이 없는 환경에 설치해두는 것이다.
작동 수명을 100% 활용하기 위해서는 크로스 롤러 베어링에 윤활을 하는 것이 중요하다. 크로스 롤러 베어링을 위한 표준 윤활 방법은 리튬 비누 기반의 #00 그리스를 도포하는 것이다.
크로스 롤러 베어링을 활용해 장치를 구성하면 안전성 등의 이점을 얻는다. 또한 두 줄(Two-Row) 베어링의 혜택을 한 줄(Single-Row) 내에서 누릴 수 있다.
2. 정확도와 레일
크로스 롤러는 접촉 면적이 넓어 재순환 볼 베어링보다 장치의 변형이 적다. 또한 장치가 강하고 정확하며 일관된 움직임을 보장한다. 강성 또한 뛰어나 정확하고 정밀한 동작을 지속적으로 수행할 수 있다.
크로스 롤러 베어링은 재순환 볼 베어링과 비교했을 때 장착면(Mounting Surface)의 정확도 측면에서 보다 엄격하다. 장치의 강성이 높은데다 설계방식 또한 다르기 때문이다. 볼 베어링은 장치 결함(Imperfection)을 대략 5㎛에서 10㎛ 정도까지 교정할 수 있다. 반면 크로스 롤러 베어링은 2㎛ 미만의 결함까지 교정할 수 있다.
3. 케이지의 재질
롤러가 서로 얼마나 가깝게 배치되는지 결정하는 요인 중 하나는 케이지(혹은 리테이너)가 롤러를 제자리에 고정시킬 수 있는지의 여부다. 케이지 설계가 중요한 이유다.
케이지 설계 측면에서 중요한 요인 중 하나는 케이지의 재질이다. 금속과 플라스틱에 따라 차이를 보이는 것.
예전부터 주로 활용하던 금속 케이지는 탭을 사용한다. 롤러의 홈(노치)의 윗부분 및 아랫부분에 들어맞게 만들어진 탭은 롤러를 제자리에서 움직이지 않도록 고정하는 역할을 한다. 이는 한 롤러가 인접한 롤러 와 얼마나 가깝게 위치하는지, 즉 거리를 규정한다. 크로스 롤러 베어링의 부하 전달능력을 제한하는 셈이다.
금속 케이지는 가격이 상대적으로 저렴하다. 평범한 철 및 스테인리스강 재질로 만들 수 있는 것 또한 장점이다. 금속 재질은 우주공간 등 진공 환경에서의 호환성이 좋다.
반면 플라스틱 재질은 아웃가스(Outgas. 감압 상태에서 또는 가열이나 감압 가열 상태에서 공기를 분사하거나 다른 가스를 배출하는 현상. 자료 PCB/SMT/PACKAGE/DIGITAL 용어 해설집) 현상을 일으키며, 여타 전자기기 및 광학기기와 사용했을 때 문제를 일으킬 소지가 있다.
스테인리스강은 고온 응용사례 및 세척이 필요하거나 녹 혹은 부식이 없어야 하는 환경에서도 도움을 준다.
플라스틱 케이지는 각 롤러와 부드럽고 순조롭게 결합하며, 금속 케이지보다 부하에 장치를 더욱 많이 노출시키는 특징이 있다. 플라스틱 케이지는 또한 롤러 간의 거리를 보다 가깝게 유지하며, 같은 레일 안에 보다 많은 롤러를 부착할 수 있다.
최근 발전을 거듭한 플라스틱 케이지는 기술자들이 선택할 수 있는 설계 선택사항을 크게 늘렸다. 플라스틱 케이지를 활용하면 롤러와 롤러 사이의 공간이 줄어들어 보다 더 넓은 접촉 면적을 만들 수 있다. 플라스틱 케이지는 또한 장비가 차지하는 공간이 더 적다.
4. 케이지 변형(크리프) 방지
금속 케이지 및 플라스틱 케이지 모두, 장치가 베어링과 레일 사이에서 ‘떠 있는(Float)’구조를 가지고 있다. 이로 인해 시간이 지남에 따라 장치가 베어링의 세로 중심(Longitudinal Center)으로부터 밀려나버리는 경향이 있다. 이를 케이지 변형(케이지 크리프)이라고 한다.
케이지 변형 현상은 선형 베어링이 불완전한 행정(스트로크)을 만들 때 발생한다. 특히 베어링이 수직으로 장착되었을 때 이 현상이 자주 일어난다.
케이지는 슬라이드 이동을 제한할 수 있다. 케이지가 움직이고, 이후 베어링이 풀 스트로크를 만들면, 중심을 벗어난(Off Center) 케이지가 레일의 횡단 정지면(Endstop)을 치게 되고, 강제로 중앙 지점까지 미끄러지기 때문이다.
레일의 횡단 정지면을 때리고 미끄러지는 현상은 리테이너와 롤러 그리고 안내면에 손상을 가한다. 변형에 따른 효과를 상쇄하기 위해서는 보다 강하고 비싼 모터를 필요로 한다. 케이지 변형은 또한 롤러가 실제로 회전(Rolling)하지 않고 미끄러짐을 의미하며, 금속 간의 마찰을 야기한다. 금속 마찰은 장치의 마모 및 손상으로 이어진다.
크로스 롤러 베어링의 변형에 대한 대책을 마련하지 못한 경우, 기술자들은 정기적으로 직선운동을 만드는 장비들을 재조정하고 마모된 부품을 교체해주어야 한다. 변형은 높은 수준의 가속 및 감속이 필요한 응용사례에 특히 치명적이다. 고르지 못한 사전 부하(Preloading) 및 부하 배분, 혹은 수직 행정이나 기울어진 행정 역시 변형이 달갑지 않다.
변형을 방지하는 방법 중 하나는 두 개의 V자 홈이 있는 안내면 레일 사이에 롤러를 고정시킴으로써 리테이너의 미끄럼을 방지하는 것이다. 결과적으로 레일은 어떤 장착 방향에서든 사용할 수 있게 되며, 부하를 옮기는 데에 리니어 모터 등의 운동량이 낮은(Lower Momentum) 모터를 사용할 수 있다.
변형 방지 장치는 장비의 정지시간을 줄이고 유지비용을 낮춘다.
변형 방지 장치 중 하나인 랙 앤 피니언 장치는 레일 외부에 플라스틱 기어를, 내부에 금속 기어를 장착하고 있다. 이는 변형 방지에 효과적인 솔루션이다. 하지만 이러한 접근법을 활용하면 가격이 비싸며 작동이 실패했을 때의 장치 변경 혹은 마모된 베어링 구성요소의 교체 등이 불가능하다.
변형을 방지하는 또 다른 방법으로는 롤러와 함께 구 모양의 스터드(Stud. 사전에 따라 설명이 다르나, 공통적으로 ‘못’ 혹은 ‘막대’처럼 무언가의 이동을 막기 위해 세우는 장치를 말하고 있다. 편집자 주)을 사용하는 것이 있다. 스터드를 활용해 롤러의 둥근 표면을 선회하도록(Circling) 만드는 것. 롤러가 레일 내에서 회전함에 따라 구멍 혹은 표면에 움푹 들어간 곳(Dimple)과 맞물린다. 롤러는 궤도(Raceway Track)의 정 중앙에서 작동한다.
NB의 스터드 롤러(Sutd Roller) 설계는 레일의 방향이나 위치에 상관없이 장치의 미끄러짐을 방지한다. 스터드 롤러는 기어 기반의 변형방지 구조보다 부드러운 추적 운동(Tracking Motion)을 생성한다. 따라서 보다 조용하며, 보다 정확하다. 레일 중심에 맞추어 롤러를 포함한 모든 구성요소를 정리하고, 이러한 상태를 유지한다.
스터드 롤러 방식을 활용하면 사실 상의 유효 롤러 수가 20%에서 55%가량 증가한다. 롤러와 관로(Raceway) 표면의 접촉 면적은 42%에서 58%로 크게 증가하며, 정격하중 역시 140%에서 230%로 증가한다. 이는 선형 베어링 장착에 필요한 비용과 공간의 절감으로 이어진다.
크로스 롤러 베어링 및 변형 방지 장치의 비용은 장치의 복잡성에 따라 크게 달라진다. 또 사용자 정의 형식으로 설계해야 하는지, 그리고 제조업체가 이를 수용할 수 있는지의 여부에 따라 장치 비용이 상이하다. 스터드 롤러 접근법은 단순하고 간단한 미끄럼 방지 설계로, 표준 크로스 롤러 안내면과 가격이 같으며, 여타 변형 방지 장치에 비해 상당히 저렴하다. 표준 안내면을 대체하는 데에 재설계 비용이 들지 않는 것도 장점이다.
플라스틱 케이지를 사용하는 베어링은 행정길이가 주어진 레일의 길이보다 길 수 있다. 주어진 부하에 따라 케이지가 보다 짧아질 수 있기 때문이다.
크로스 롤러 베어링의 이동길이에 제한을 주는 요소 중 하나는, 각각의 응용사례에 따라 활용할 수 있는 공간이다. 앞서 언급한 바와 같이, 레일이 서로 반대 방향으로 움직임에 따라 실제로는 부하의 이동거리보다 두 배 긴 공간이 필요하다. 횡단 정지면(Endstop)은 선형 레일에 장착되어 있는 구성요소로, 물리적으로 이동길이에 제한을 두어 레일이 필요 이상으로 멀리 나가는 현상을 방지한다.
크로스 롤러 베어링은 긴 행정을 필요로 하는 응용사례에 부적합하다는 것이 업계의 정설이다. 크로스 롤러 베어링을 원활하게 작동하기 위해서는 별도의 공간이 필요하기 때문이다. 반면 크로스 롤러 베어링은 정지 상태와 운동 상태의 마찰 저항 간에 차이가 적거나 아예 없어(부하가 낮은 경우라도 마찬가지다) 행정이 짧은 응용사례에 적합하다.
6. 정격 하중 및 수명
다른 어떤 요소들보다 정확도가 중요한 경우라면 부하능력에 여유가 있는 제품을 선택하는 것이 바람직하다. 장치의 부하 한계에 다다르면 롤러 및 레일에 변형이 일어날 수 있기 때문이다. 이는 정확도 수치를 일시적 혹은 영구적으로 바꾸어놓는 원인이 된다.
오늘날 기술자들은 크로스 롤러 베어링을 활용할 새로운 응용사례 및 쓰임새를 계속해서 발견하고 있다. 하지만 마찰 감소 부품의 확산을 막는 세 가지 제한 요소가 존재한다.
1) 가장 주된 제한요소는 행정길이다. 선형 크로스 롤러 베어링의 이동길이는 응용사례 내에서 사용할 수 있는 레일 공간에 의해 제한을 받는다.
2) 두 번째로 치명적인 한계는 롤러의 움직임 및 분리를 방지하기 위한 케이지가 필요하다는 점이다. 케이지는 별도로 구매할 수 없다. 완제품으로 구매해야 함을 의미한다. 케이지는 복잡한 형상으로 구성되어있어 제작비용이 엄두도 못 낼 정도로 비싸다.
3) 또 다른 제한은 선형 크로스 롤러 베어링이 단단하고 편평한 관로를 필요로 한다는 점이다. 특히 높은 정확도와 긴 수명을 위해서는 견고한 관로가 필수적이다. 관로를 경화(硬化)하기 위해서는 비용적으로나 기술적으로나 어려움이 따른다. 최상의 정확도와 내구성을 위한 비용은 상상을 초월할 만큼 비싸다.
