볼 스플라인은 토크 및 직선 운동을 일제히 전달하거나 여기에 저항(Resist)하는 특별한 모션컨트롤 요소다. 긴 축을 중심으로 회전하는 선형 슬라이드를 생각해보라.

볼 스플라인은 다른 운동 요소(Motion Element)에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 비슷한 크기의 슬라이드 부싱(볼 슬라이드 또는 선형 베어링으로도 알려져 있는)의 5배에서 12배에 달하는 동하중을 처리할 수 있다는 것과, 극도로 낮은 마찰을 가진 선형 움직임과 토크 전달이라는 두 가지 역할을 동시에 수행한다는 것 등이 대표적 장점이다. 

볼 스플라인을 대체하기 위해서는 볼 스플라인의 각각의 역할을 독립적으로 수행하는 두 종류의 자동화 장치가 필요하다. 이 경우 시스템 비용과 복잡성 그리고 공간에 대한 요구사항이 늘어남은 물론이다.

볼 스플라인은 홈이 있는 정밀한 샤프트와 특수한 너트라는 두 개의 요소로 구성되어 있다. 해당 너트는 고정되어 있으며(Captive) 볼 구성요소가 재순환되는 순환로(서킷)를 포함한다. 이 너트는 볼나사 너트와 유사하다. 볼 스플라인의 나사는 0°의 각도를 갖는 것이 차이점이다.  

볼 스플라인 샤프트는 일반적으로 샤프트의 길이를 줄이는 홈을 2에서 6개가량 가지고 있다. 홈의 숫자는 장치에 가해지는 부하와 샤프트 직경에 따라 달라진다.

6개의 홈을 가진 카운트 샤프트는 가장 높은 부하용량을 가지고 있다. 하지만 카운트 샤프트를 사용하기 위해서는 6개의 개별적인 트랙을 수용하기 위한 상당히 큰 너트가 필요하다(이는 비용 증가로 이어진다).

스플라인 샤프트 직경은 특정한 한도 이하로 떨어지지 않는다. 4개의 홈이 나 있는 볼 스플라인을 가장 흔하게 볼 수 있는 이유이다. 직경이 짧은 볼 스플라인의 경우 2개의 홈을 가진 구조가 보다 일반적이다. 
  볼 스플라인은 크게 두 종류의 홈 형상을 가지고 있다. 고딕호(Gothic Arc) 와 원호(Circular Arc)가 그것이다. 

고딕호는 그 특유한 모양으로 인해 호의 4개 지점에서 각각 볼베어링과 접촉하게 된다. 샤프트 홈의 2개 지점, 너트 홈의 2개 지점이 그것이다. 

원호는 반원 모양과 흡사하다. 원형 홈을 가까이에서 관찰하면 이 홈들이 타원 안쪽으로 가늘고 길게 늘어진 것을 볼 수 있다. 원호 형상은 2개의 지점에서 볼 베어링과 접촉한다. 하나의 지점은 샤프트에, 다른 지점은 너트에 있다. 

고딕호는 강성이 높고 백래시가 낮다. 하지만 추가적인 접촉으로 인한 볼 미끄러짐(Slippage)과 더 높은 마찰이라는 단점이 있다. 이에 비해 원호는 낮은 관성의 움직임이 있고 적용된 회전력의 광범위한 변화가 발생하지 않는 설계에 적합하다. 반면 백래시가 크다.

고딕호의 홈은 높은 강도를 필요로 하는 응용사례에 적합하다. 고딕호는 볼 스플라인의 토크 등급을 한 단계 높여준다.




샤프트의 종류
볼 스플라인은 일반적으로 정확도 범위에 따라 세 종류의 제품을 사용할 수 있다. 샤프트 제조 방법에 따라 샤프트의 종류가 달라진다.

우선 정밀성과 백래시 측면에서 최소한의 요구사항만 충족하는, 보편적인 용도로의 사용을 고려한 인출형(Drawn Type) 샤프트가 있다. 

인출형 샤프트는 강철 샤프트를 끌어 당기는 방식으로 만들어졌다. 인출형 샤프트는 압출가공과 굉장히 유사하다. 차이점이 있다면, 인출형 샤프트는 원하는 형상을 얻기 위해 당기는 방식으로 제조되지만, 압출가공은 가압(Pushed)하는 방식으로 만들어진다. 

인출형 샤프트는 제작비용이 가장 저렴하며, 가장 긴 길이로 활용할 수 있다. 간단한 점대점 움직임이 필요하거나 토크 전달만을 필요로 할 경우 인출형 샤프트가 가장 경제적인 선택이다. 

정확도가 어느 정도 필요한 경우라면 그라운드 샤프트가 적절한 선택이다. 그라운드 샤프트는 홈과 샤프트 길이를 샤프트 내부에 내장한 제품이다. 인출형 샤프트보다 일관적인 움직임을 보장한다.

정확도가 매우 중요한 응용사례라면 그라운드 볼 샤프트를 사용하는 것이 바람직하다. 그라운드 볼 샤프트는 그라운드 샤프트와 유사한 방식으로, 하지만 보다 섬세한 공정을 거쳐 만들어진다. 이 샤프트는 매우 좁은 공간 내에도 샤프트의 형태를 온전히 유지할 수 있다.

예비하중에 대하여
볼 스플라인의 강도의 대부분은 볼 베어링의 예비하중(Pre-Load)에 의한 제어를 받고 있다.

볼 베어링의 정확한 선택은 예비하중의 정도를 좌우한다. 너트 트랙과 샤프트 홈 사이의 부정적인 영향을 끼치는 간격(Negative Clearance)을 제어할 수 있기 때문이다. 

레이디얼 플레이(반지름 방향의 유극遊隙으로 축과 베어링이 헐거워져서 덜걱거리는 것. 자료 기계공학용어사전)은 예비하중 증가에 큰 영향을 받는다. 백래시를 제어하기 위해 볼나사 너트에 큰 볼을 집어넣는 것과 같은 이치다.

볼 스플라인을 장착해보자
볼 스플라인 장착에는 기본적으로 세 가지 방법이 있다. 설계 의도에 따라 가장 적절한 한 가지 방법을 선택하면 된다.

1. 샤프트의 양 끝을 고정하여 회전만을 허용할 수 있다. 샤프트의 양 끝을 특정 장소에 고정하며, 샤프트 끝 부분에는 베어링을 장착한다. 이 경우 샤프트는 회전만을 수행하며, 너트는 샤프트를 따라 앞뒤로 움직인다.

2. 샤프트의 한쪽 끝만 고정하고, 반대쪽 끝은 지지대 없이 그대로 둘 수 있다. 이러한 배치는 필요한 부품 개수를 줄인다는 장점도 있지만, 볼 스플라인의 최대 속도와 기대수명을 낮춘다는 단점도 있다. 지지대 없는 회전축은 진동과 ‘채찍’, 즉 격렬한 움직임에 민감하다. 반면 기계 장치에 좋은 영향을 끼치는 경우는 매우 드물다.

3. 너트를 고정하여 샤프트를 통한 다양한 이동 작업을 수행할 수 있다. 드릴 프레스 스핀들 제품에서 찾아볼 수 있는 형태다. 이러한 응용사례에 적용하기 위해서는 특수한 볼 스플라인 너트가 필요하다. 너트 둘레에 레이디얼 베어링(회전축과 수직 방향으로 작용하는 하중을 받을 경우 사용하는 베어링. 자료 기계공학용어사전)을 장착하는 것. 이를 로터리 볼 스플라인이라고 일컫는다.

로터리 볼 스플라인에는 주로 앵귤러 컨택트 베어링을 사용한다. 하지만 하중이 높은 경우 크로스 롤러 베어링으로 대체할 수도 있다.

샤프트의 끝부분을 지지하는 장치를 ‘End Fixity’, 즉 고정단이라고 일컫는다. 고정단은 그 종류가 제각각이다.

특정 볼 스플라인이 가지고 있는 고정단의 종류와 품질은 베어링이나 부싱 혹은 기타 요소에 의해 좌우된다. 이들 요소가 변화함으로 인해 시스템을 구성하는 변수들이 계속해서 변화한다. 고정단에 의해 좌우되는 변수로는 다음과 같은 것들이 있다.
·최대 분당 회전 수(RPM)

·최대 샤프트 길이

·최대 병진(변형, Translational) 속도

·기계적 효율

·고유 진동 수

제조업체가 제공하는 문서를 면밀히 검토함으로써 적절한 제품을 선정할 수 있다. 표와 공식들은 ‘무작정 크기만 하면 되는(Looks Big Enuff)’ 접근법보다 과학적인 선택에 도움을 준다.

  볼 스플라인 선택 시 고려사항
볼 스플라인을 선택할 때의 고려사항으로는 다음과 같은 것들이 있다.

1. 내식성(耐蝕性)이 필요한가?

볼 스플라인을 만든 철의 종류를 고려해야 한다. 스테인리스강이라고 하더라도 모든 종류가 동일한 품질을 가지고 있는 것은 아니다. 스테인리스의 등급 및 품질은 제각각이며, 각 종류마다 부식성 요소에 견딜 수 있는 다양한 성능을 가지고 있다.

먼지 및 부스러기 등은 어떨까? 이물질이 많은 환경에서는 솔이나 샤프트 닦이를 너트에 설치해야 할 수도 있다. 혹은 모든 샤프트를 덮을, 주름을 가진 관(벨로즈)이 필요할 수도 있다.

2. 물리적 제약은 어떠한가?
설치를 방해하는 물리적인 제약으로는 무엇이 있는가? 무조건적으로 작은 볼 스플라인에 크기를 맞추면서도 부하요건을 충족해야 하는가? 볼 스플라인의 정격 하중을 초과하기 시작하면 장치의 기대 수명이 크게 줄어든다.

3. 정확성은 얼마나 중요한가?
상업용 인출형 샤프트로도 요구사항을 충족할 수 있는가, 아니면 가격대가 높지만 보다 정밀한 그라운드 샤프트가 필요한가? 

물론, 기술자가 기존 목표보다 과도한 사양으로 설계하는 것에 대한 충동을 떨치기란 결코 쉬운 일이 아니다. 하지만 모든 응용사례가 바다 속이나 염분이 가득한 현장에서 이루어지지 않는다는 점을 상기해야 한다. 

실제로 작업 과정에서 발생하는 추가비용과 향후의 이익 그리고 시스템의 복잡성 등 다양한 요소들 사이에서 균형을 잡기 위해 노력해야 한다.

4. RPM·변형 속도·백래시
시스템이 다양한 부하와 속도 변화를 겪는가, 혹은 동일한 속도와 움직임만을 반복하는가?

너트 혹은 샤프트에 대한 관성 모멘트를 고려하라. 백래시는 관성 모멘트가 높을 때 확연하게 드러난다. 설계가 흔들림이나 떨림을 견딜 수 있는가?

설계가 원하는 사양을 충족하는가? 제조업체의 이론상으로는 부족함이 없던 백래시에 대한 사양이 실제로 적용했을 때 전혀 다를 경우라도 그러한가? 볼 스플라인의 백래시는 볼 베어링이 샤프트와 접촉하며 만드는 원주(圓周)에서 측정하는 것이 일반적이다. 

장치의 흔들림을 방지하거나 부하 및 속도의 변화에 대응하기 위해서는 두 개의 너트 및 보다 높은 베어링 예비하중이 필요하다. 하지만 대부분의 경우 원호에서 고딕호로 변경하는 것만으로도 충분한 대책이 될 수 있다.

캔틸레버(굽힘) 하중에도 특별한 주의를 기울여야 한다. 캔틸레버 하중이 커지면 너트 혹은 샤프트 축과의 거리가 멀어짐으로 인해 백래시 역시 현저하게 증가한다.

윤활
양이 적거나 질적으로 좋지 못한 혹은 부적절한 윤활은 예상보다 훨씬 빠른 부품 교체를 야기한다. 부하와 속도는 윤활유의 사용기간을 결정하는 요인이다. 보다 정확한 윤활유 사용기간을 파악하기 위해서는 정확한 서비스 일정 혹은 자동 윤활 수단이 중요하다.

제조업체는 일반적으로 작업 속도에 따라 적절한 윤활을 위한 몇 가지 권장사항을 제공한다. 또한 너트를 작동시키기 위해 유지해야 하는 최소한의 그리스 양을 제시하기도 한다.

무수한 활용사례
볼 스플라인은 다양한 모션컨트롤 시스템에 적합한 제품이다. 픽 앤 플레이스 머신, 워터젯, 자동 공구교환장치, DNA 실험의 피펫 조절, 디스크 드라이브 제조, 도금 및 칠 공정, 자재 운반, 제품 조립, 권선 공정, 포장 장비, 용접 기계, 로봇… 심지어는 헬리콥터 역시 고려 대상이다.

볼 스플라인은 굉장히 사용자 친화적인 장치다. 사용자가 변경할 수 있는 여지가 많기 때문이다. 

볼 스플라인의 샤프트 크기는 직경 4m에서 100m까지 주문할 수 있다. 고딕호 혹은 원호 외의 특수 형태의 홈도 만들 수 있다. 샤프트 끝 부분 역시 사용자가 원하는 형태로 가공할 수 있다. 나사산이나 기계 축 홈(Keyways) 등의 맞춤형 기능 역시 샤프트 내에 잘라 넣거나 갈거나 꺼내어놓을 수 있다.

그 뿐만이 아니다. 심공(Gun drilled) 샤프트를 사용하여 공간을 절약할 수 있다. 와이어 배선이나 유체 혹은 공기를 옮기는 과정에 도움이 된다. 

또한 내식성과 윤활성을 높이기 위해 표면처리를 가할 수도 있다. 너트는 언제나 다양한 규격품의 형태로 제공된다. 일반적으로 열쇠구멍 모양, 플렌지 모양, 블록 모양 등을 주로 사용한다.

결론
지금까지 볼 스플라인의 선정 및 선택에 필요한 모든 지식을 다루었을까? 결코 아니다. 하지만 볼 스플라인이 무엇이며, 어떻게, 어디에 사용되는지에 대한 아주 간단한 지침 정도는 될 수 있다. 또한 볼 스플라인을 사용할 때에 주의해야 할 몇 가지 요소들 또한 다루었다.

여러분들의 노력에 좋은 결과가 있길 바라며, 마지막으로 장치의 흔들림(Wobble)에 주의하길.