오늘날 제조현장에서는 캐리지 및 테이블에 탑재한 베어링을 원형 샤프트 레일 혹은 사각형 프로파일 레일에 장착하여 사용한다. 이를 리니어 베어링이라 한다. 정해진 대로 이동하는 선형 운동(Guided Linear Motion)을 필요로 하는 응용사례에 각각의 기술 및 제품을 적용할 때의 장점을 살펴보자.

선형 운동 관련 응용사례에 직면한 기술자들은, 많은 경우 사전에 설계된(Pre-Engineered) 리니어 베어링 및 가이드의 도움을 받는다. 

오늘날의 리니어 가이드에는 사각형(Square)과 원형(Round)이라는 두 가지 기본 형태가 있다. 설계자들은 어떤 종류의 리니어 가이드를 사용할지 고심하게 된다. 

사각형 형태의 레일은 특유의 설계로 인해 대규모의 연삭가공(Grinding)이 필요하며, 이로 인해 원형 레일에 비해 많은 비용이 든다. 

하지만 최근에는 제조기술이 발전하고 규모의 경제가 확대됨에 따라 사각형 레일 제품도 광범위한 응용사례에서 원형 레일과 경쟁할 수 있게 되었다.

두 형태 중 하나를 선택하는 기준은 여타 부품을 선택할 때와 다르지 않다. 장치 및 응용사례의 목적을 정의한 후, 부하용량·강도·정확도·평활도·크기·전체 비용 등의 요소들을 고려하는 것. 두 종류의 가이드가 지닌 기본적인 특성들을 알아보아야 하는 이유이다.

종류별 기본 특성

1. 사각형 레일(프로파일 레일이라고도 한다)은 상단과 하단이 평평하며, 양 측면에는 베어링의 볼 형태와 부합하는 레이스가 달려있어 오목한 형태를 띤다. 사각형 레일은 주로 높은 부하용량과 강도 그리고 정확도를 요구하는 공작기계 등에 쓰인다.

사각형 레일의 성능은 자체적인 형태와 레일 볼 트랙의 정밀한 가공 및 연삭 기술을 통해 결정된다. 

레일 및 캐리지에 볼이 들어있을 때, 레이스의 반경은 볼 자체보다 약간 큰 정도이다. 이러한 구조로 인해 부하가 가해질 때 장치가 평평하게 펴지면서 볼을 받쳐주며, 레이스와의 접지면적을 늘려 높은 부하용량을 얻을 수 있다. 

원통형 롤러(Cylindrical Roller)를 볼 베어링으로 대체하면 같은 크기로도 부하용량을 약 두 배까지 늘릴 수 있다.

사각형 레일은 정격 동적 하중의 3%에서 13%에 달하는 예비하중(Preload)을 가할 수 있다. 예비하중이 크면 베어링에 초기 편향(Initial Deflection)을 가함으로써 처짐의 정도를 일정 이하로 낮출 수 있다. 

초기 편향을 가하면, 13%의 예비하중을 받는다고 가정했을 때 약 1㎛/kN~4㎛/kN 가량의 강성을 제공한다. 그 덕에 프로파일 레일 구조의 베어링은 볼록한 볼 및 샤프트 표면의 원형 레일 구조에 비해 강도가 약 5배가량 높다.

사각형 레일의 주요 장점 중 하나는 높은 위치결정 정확도(Positioning Accuracy)다. 밀링 머신 및 연삭기에 특히 유용하게 쓰이는 이유다. 

사각형 레일은 10ft(약 304.8㎝) 가량의 길이에서 0.0002in.~0.001in. 정도이며, 일반적으로 베어링 가이드와 레일 사이에 3㎛/m 내지 10㎛/m 가량의 평행도(Parallelism)를 지니고 있다. 사각형 레일은 모멘트 하중이 가해지는 상황에서도 정밀성을 유지한다. 

사각형 레일은 단일 캐리지 및 레일 구조를 가지고 있다. 따라서 원형 레일에 비해 모멘트 하중이 가해지는 응용사례에 적합하다.

부하용량과 강도 그리고 정확도 등에서 사각형 프로파일 레일이 우위를 점하고 있다. 하지만 원형 레일 설계 또한 사각형 프로파일 레일과 비교하여 분명한 장점을 가지고 있다. 

  2. 원형 레일은 사각형 레일에 비해 일반적으로 단가가 낮고, 정렬 불량 및 오차(Misalignment) 그리고 부족한 평행도 측면에 관대하다. 원형 레일이 보다 거친 환경에서 활용하기 용이함을 뜻한다.

원형 레일은 일반적으로 프로파일 레일에 비해 작동이 원활하다. 볼 및 레일 사이에 있는 볼록한 표면이 접촉하므로 스커핑(Scuffing. 장치의 마찰 면이 긁혀 흠이 나는 것. 자료 기계공학용어사전)을 최소화한다. 

볼 부싱은 일반적으로 약간의 간격을 두거나 정격 동적 하중의 1%~2%에 해당하는 가벼운 예비하중을 지탱한 채 작동하는데, 이 또한 작업의 원활한 진행을 촉진하는 요소다.

상대적으로 정합도(Conformity) 및 예비하중이 높은 프로파일 레일 베어링은 작업 중 ‘자국(Notchiness)’이 생길 수 있다(하지만 대개는 작업에 문제가 되지 않는다). 

원형 부싱의 간단한 형태의 씰은 프로파일 레일의 와이퍼에 비해 적은 항력(Drag)을 가한다. 사각형 레일은 씰의 성능을 높이기 위해 와이퍼를 볼 트랙에 맞추어야 하는데, 이는 원형 리니어 베어링에 비해 항력을 높이는 원인이다.

원형 레일 베어링의 또 다른 장점은 주로 150㎛/m이상의 평탄도 오류(Flatness Error)로 정의되는, 평평하지 못한 표면에 장착되었을 경우에도 원활하게 작동된다는 점이다. 

사각형 레일 설계는 오류, 특히 평탄도 오류에 민감하다. 평탄도 오류는 원활한 작동을 방해하는 바인딩 현상 혹은 높은 항력 등을 초래해 수명을 크게 떨어트릴 위험을 내포하고 있다. 표면이 정교하게 처리되지 않으면 설치 과정에 조정 부품인 끼움쇠가 필요한데, 이는 가격을 상승시키는 주범이다. 

이에 반해 원형 레일은 용접된 관 모양의 틀(Tubular Frame) 혹은 작업 현장에 직접 설치할 수 있다. 또 볼 부싱을 원형 샤프트 주변에서 자유롭게 회전시킬 수 있다. 이 점을 활용해 두 개의 레일을 서로 다른 각도로 설치함으로써 사각형 레일 시스템에 비해 레일 높이를 자유로이 설정할 수 있다.

원형 레일은 10ft. 길이에서 0.01in.의 이동 직진도를 지탱할 수 있다. 이러한 정확도를 위해서 원형 레일은 끝부분에만 부착(마운트)되어야 한다. 하지만 다수의 지점에 부착되는 경우도 있다. 

원형 리니어 가이드는 축경이 12에서 24가량인 경간 틈(Spanning Gaps)을 이을 수 있어, 공장자동화 장비의 갠트리 시스템 및 픽 앤 플레이스 모듈 등 다양한 곳에서 유용하게 쓰인다. 운동 축은 샤프트의 양쪽 끝을 조율 및 고정함으로써 설정된다. 

이때 장비의 표면이 두 지점 사이에 존재하는지, 혹은 한 지점만 가지고 있는지의 여부는 큰 영향을 미치지 않는다. 장비의 정밀성은 오로지 최종적으로 끝부분을 지탱하는(End-Support Mounting) 장치의 정확도에 의해서만 영향을 받는다.

원형 레일은 설치가 비교적 간단하고 저렴하다. 반면 사각형 레일은 경간의 틈을 잇거나 최종적인 지탱을 위해 설계된 장치가 아니다. 사각형 레일은 강도가 높은 만큼 평탄도 및 평행도에 관한 엄격한 요건을 충족하는 직선적이고 지속적인 지지가 필요하다.

프로파일 가이드의 성능을 결정짓는 변수는 수㎛ 수준의 평행도이다. 장치를 철저하게 관리하지 않는다면 베어링의 작동이 불가능하게 되거나 베어링이 마모된다. 

이러한 문제를 방지하기 위해, 제조업체는 설치 설명서에 면밀한 장착면(Mounting Surface) 준비와 설치 허용오차 및 레일 평행도 등에 관한 내용을 담고 있다. 설치 설명서에는 레일 수직 오프셋·수직 및 수평 캐리지 오프셋·장착구멍(마운팅 홀)의 허용오차·볼트 체결력(토크)·단면접합(Butt Joints)에 관한 정보들 역시 망라한다.

단일 프로파일 레일은 전 방향으로 모멘트를 지탱할 수 있어 서로 다른 방향으로 놓인 표면(Divergent Surface) 위에 이중 레일을 정렬하는 데에 따른 문제를 해결한다. 

약 300㎜가량의 넓은 공간을 차지하는 응용사례의 경우, 중심을 벗어난(Off Center) 부하가 레일에 중대한 모멘트를 유도할 수 있어 하나의(싱글) 가이드를 적용하면 장치가 작동하지 않을 가능성도 있다. 따라서 적절한 프로파일 레일을 지정하기에 앞서 작업에서 발생할 것으로 예측되는 모멘트 하중 하의 모멘트율(Moment Rating) 및 강도를 확인해야 한다.

  설계 시 고려사항
리니어 가이드를 설계할 때 고려할 사항으로는 부하용량·정확도·강도·부드러운 움직임·속도·가속도 등이 있다. 또 크기·환경·설치 요건·제품 비용·설치비용 등도 고려해야 한다. 제품을 선택할 때 한두 가지의 변수를 추가하여 선택의 범위를 줄이면 리니어 가이드의 설계를 최적화할 수 있다.

설계를 시작하기에 앞서 레일의 유형을 선택하라. 사각형 레일과 원형 레일의 고정 기구(Mounting Fixtures)는 근본적으로 다르며, 작업 영역 또한 실제 크기에 따른 정격 하중에 따라 다양해진다. 예를 들어 장치가 작동하지 않는 경우, 하나의 사각형 레일을 다른 업체의 사각형 레일로 교체하는 것이 사각형 레일을 원형 레일로 교체하는 것보다 용이하다.

사각형 레일은 기계가 일정한 거리를 운행하며 감당할 수 있는 부하의 정도를 뜻하는 부하수명용량(Load-Life Capacity)이 상대적으로 높다. 이상적인 조건 하에, 레일이 미끄러지지 않으며 구름 접촉(Rolling Contact)을 하므로 장치의 마모가 최소화된다. 적절한 설정을 마친 사각형 레일의 수명은 주로 환경 및 적절한 윤활에 따라 좌우된다.

하지만 사각형 레일에는 몇몇 결정적인 응용사례에서 환경적인 정격감소(Environmental Derating)를 야기한다. 정격감소에 대한 사항은 생산업체의 안내서나 설계 지침에서 확인할 수 있다. 각 업체는 탈 중심적 하중·부하의 방향·사이클 시간(반복 작업의 1사이클에 필요한 시간. 자료 철도관련큰사전)·작동환경·윤활 종류 등의 요소들을 설명·제공한다.

설계 초기 단계에서 정격감소계수를 고려하는 설계자는 드물다. 하지만 전문가들은 정격감소계수를 중요시 여긴다. 예를 들어, 표준 반복사용률(Duty-Cycle Rating)이 400만in. 가량 이동할 수 있는(즉, 400만in.의 작동을 보장하는) 장치를 사용한다고 가정하자. 이 경우 제조업체는 가이드라인으로 제공하는 실제 동작 조건을 고려하여 정격 용량의 25% 내지 50%를 넘기지 않을 것을 권장할 것이다.

대부분의 주요 베어링 제조업체는 리니어 롤러 및 볼 가이드를 위한 웹 기반의 설계 도구 및 카탈로그를 제공한다. 카탈로그 내에는 크기·응용정보·설치정보 등을 포함한다. 

NB Corporation은 슬라이드 가이드의 이동 수명 계산 프로그램 및 리니어 가이드 선택에 대한 지침을 제공한다. 가이드에는 허용 하중·수명·강도·예비하중·동작 환경·마찰 저항력·필요 추력(推力)·윤활·온도 관련 고려 사항·RoHS 등의 준수·여부 취급 시 주의사항 등이 포함되어 있다.

리니어 롤러 혹은 볼 베어링 가이드는 각 장치마다 속도·가속도·허용오차·예비하중·온도 범위 등에 대한 고유한 사양을 가지고 있다. 이는 정하중과 동하중 그리고 모멘트 저항능력 등을 결정할 때 도움이 된다. 

또 업체가 제공하는 카탈로그 및 누리집을 참조하여 동정격 하중 및 특정 변수 및 조건에서의 베어링 작동수명을 구할 때 필요한 그래프와 식을 확인할 수 있다.

  활용 시 고려사항

1. 대부분의 응용사례에는 원형 레일과 사각형 레일을 모두 사용할 수 있다. 입맛에 따라 장치를 골라 쓸 수 있음을 의미한다. 

하지만 언제나 선택의 여지가 있는 것은 아니다. 예를 들어 사각형 레일을 판금(Sheet-Metal) 위에 설치하면 작동하지 않는다. 강성이 충분하지 않기 때문이다. 또한 원형 레일은 높은 정확도를 요구하는 응용사례에는 부적합하다.

2. 설치공간이 제한적인 경우도 있다. 일반적으로 프로파일 레일 베어링은 동일한 동정격 하중(Load Rating)을 가진 원형 볼 부싱 베어링에 비해 작다. 하지만 패키지의 크기 자체가 작아야 하는 경우에는 이중 샤프트(Dual Shaft) 리니어 가이드를 선택하는 것이 일반적이다.

이중 샤프트 리니어 가이드는 한 쌍의 병렬 원형 레일(Paraller Round Rail)에 장착되는 캐리지를 보유하고 있어 한 개의 장치만으로 여타 장치의 움직임을 제어할 수 있다.

현존하는 대부분의 이중 샤프트 가이드에는 레일 사이에 위치한 볼나사 등의 구동장치를 내장할 수 있다. 공간을 최대한 절약하기 위해서다. 각 장치는 선 조립(Preassembled)되어 장착 면에 접합할 수 있다. 따라서 한 쌍의 단일 레일(Single Rail) 가이드와 마찬가지로 평행한 장치의 조응(照應, Adjustment)과정이 필요 없다.

하지만 이중 샤프트 리니어 가이드가 언제나 올바른 선택인 것은 아니다. 예를 들어 막대한 오버헝 하중을 실을 경우, 서로 간격을 두고 떨어져 있는 두 개의 단일 레일 가이드를 사용하는 것이 바람직하다.

3. 설계의 유연성 역시 중요한 고려 사항이다. 리니어 가이드 장치를 특정한 작업에 적합하게 조정할 필요가 있다면, 일반적으로는 원형 레일 시스템을 조정하는 것이 사각형 레일 시스템을 조정하는 것에 비해 용이하다.

원형 축계(Shafting)를 사용하면 작업의 최종 지점까지 원활히 부하를 지지할 수 있고, 더 큰 결합체에서 구조부재(장치 내부에서 필수적인 구조물을 구성하는 부재)로 사용할 수도 있다. 또한 다양한 직경·납작하고 평평한(Flat) 표면·중심과 방사상 방향 모두에 구멍이 난 제품 등 여러 종류의 장치들을 수용한다.

볼 부싱은 인접한 부품의 구멍(Bore)을 직접적으로 연결하거나 필로 블록 내에 설치할 수 있다. 이를 통해 설치 및 변경 작업을 단순화한다.

프로파일 레일 리니어 가이드는 원형 레일 가이드에 비해 강성이 높다. 하지만 높은 강성은 양날의 검이기도 하다. 정확한 치수 및 규모를 가진 표면에 설치되어야만 원활하게 작동하기 때문이다.

높은 정밀도의 가이드를 필요로 하는 응용사례에는 프로파일 레일을 설치하기 위해 정밀하게 가공한 표면을 사용하기도 한다. 하지만 가이드를 설치하기에 앞서 표면에 연삭가공을 필요로 하는 경우에는 설치비용이 증가한다.

4. 높은 강성이 오히려 골칫거리가 되기도 한다.  비 공작기계(Non-Machinetool) 응용사례 중 대다수는 강성보다 컴플라이언스(탄성률, 즉 영률·변형 탄성률·부피 탄성률 등의 역수. 자료 화학대사전)를 요구하는 경우도 있다.

유연한(Compliant) 리니어 가이드는 프로파일 레일 가이드에 비해 장착면의 결함에 대해 덜 민감하며, 설치가 용이하고 가격이 저렴하다. 유연한 리니어 가이드를 선호하는 산업 분야로는 포장(패키징) 관련 응용사례 등이 있다.

포장 관련 장비의 주요 설계 요인으로는 원활한 이동·낮은 설치비용·저렴한 전체 비용 등이 있다. 이러한 요건이 중요시되는 응용사례에서는 프로파일 레일 리니어 가이드를 활용하기 부적합하며, 유연함을 갖춘 원형 레일이 보다 경제적인 선택이다.

하지만 제품을 선정할 때 반드시 강도와 유연성 중 하나만을 택해야 하는 것은 아니다. 원활한 동작이 가장 중요한 요소인 반도체 생산 분야 등에서는 낮은 부하 및 하중을 지탱하며 원활한 이동이 가능한 리니어 가이드를 필요로 한다. 이 경우 많은 반도체 제조업체가 프로파일 레일 가이드를 사용하기는 하지만, 경우에 따라 소형 원형 레일 가이드가 좋은 선택이 될 수도 있다.

  5. 리니어 가이드의 또 다른 중요한 특성으로는 내구성이 있다. 장비에 장착된 리니어 가이드는 물리적 접촉이 어렵다. 리니어 가이드에 부착된 베어링에 결함이 발생하면 장비는 물론, 생산라인 전체가 정지하게 되어 막대한 비용을 초래한다. 따라서 실제 사용 시의 조건을 고려하고, 견고한 안전율을 고려한 튼튼한 설계가 필요하다.

6. 장기간의 작동을 위해 자체적으로 윤활유를 공급할 수 있는 리니어 가이드가 등장했다. 오늘날 여러 발전소에서 쓰이는 리니어 가이드에 영구적으로 연결된 종합 윤활유 급유 시스템을 탑재하고 있거나, 주기적으로 윤활유를 공급하는 부품을 부착하고 있다. 

자체적으로 윤활유를 공급하는 가이드(자동 윤활 가이드Self Lubiricating Guide)를 사용하게 되면 윤활유 공급 시스템에 대한 필요성이 사라져 시스템의 유지비를 낮추게 된다.

7. 리니어 가이드를 선택할 때 흔히 범하는 실수 중 하나는 여러  종류의 선형 동작을 필요로 하는 장비 및 시스템에 한 가지 유형의 리니어 가이드만을 도입·사용하는 것이다.

의학 화상 분야를 예로 들어보자. 의료용 영상기기는 침대가 일종의 터널을 통과하게 하고, 터널에 부착된 감지 헤드를 통해 침대 위의 환자를 스캔한다. 터널 가운데에서 침대가 멈추면 감지기가 환자의 몸 구석구석을 이동하며 이상을 감지한다. 

각 장치는 독립적으로 작동하며, 각기 다른 움직임이 필요하다. 침상을 움직이는 것은 단순한 조정기능만으로도 수행할 수 있지만, 감지기를 이동하는 작업은 보다 높은 정밀도를 요구한다. 이 경우 감지기에 고 정밀 가이드를, 침상에는 상대적으로 저렴한 컴플라이언트 리니어 가이드를 적용하는 것이 바람직하다.

8. 시스템에 무거운 하중을 가하면, 이전까지는 없던 설계상의 결함이 갑작스레 나타난다. 
전문가들은 이 결함을 없애기 위해 다양한 대안을 고려하고 있다. 설계자들은 두 개의 병렬 단일 레일 가이드를 분리시켜 놓는 것이 무거운 하중을 지탱할 때 적절하다는 이유로, 두 개 이상의 레일을 사용하면 훨씬 더 무거운 하중을 지탱할 수 있을 것이라고 가정한다.

이런 유혹에 빠지는 원인은 좀 더 큰 크기의 레일을 구매할 때 발생하는 비용을 피하고 싶기 때문이다. 

레일의 크기를 키우면 보다 높은 비용이 드는 것이 사실이다. 하지만 세 개 이상의 레일과 캐리지를 사용하는 경우 시스템이 불안정해져 조잡한 동작으로 이어질 우려가 있다. 

설치가 정말 완벽하지 않은 이상, 레일과 캐리지는 의도치 않게 약간씩 틀어지기 마련이다. 다소의 어긋남에도 불구하고 원활한 동작이 가능할 만큼 정밀한 시스템을 설치하는 비용은 십중팔구 대형 레일을 사용하는 비용을 초과할 것이다.

  볼 스플라인, 또 다른 대안
볼 스플라인은 샤프트와 너트 그리고 볼 베어링이 달린 원형 레일 볼 부싱과 유사한 형태를 띤다. 

볼 스플라인은 볼 부싱과 달리 너트가 홈이 난(Grooved) 샤프트에 장착된다. 이로 인해 토크가 샤프트를 통해 너트로 이동하거나, 그 반대로도 작동할 수 있다. 이러한 특징으로 많은 응용사례에서 샤프트 혹은 너트가 고정된 구조물에 설치된 모습을 볼 수 있다.

스플라인 샤프트에 새겨진 홈 개수, 즉 볼과 홈 사이의 접촉점 수가 토크 등급을 결정짓는다. 예를 들어, 네 개의 홈이 새겨진 볼 스플라인 샤프트는 세 개의 홈이 새겨진 샤프트에 비해 높은 토크 등급을 가지고 있다.

스플라인 샤프트는 재료인 철을 정밀하게 연삭하거나(Precision Ground) 일반적으로 연삭하거나(Ground) 또는 편강(Drawn Steel Bar)을 사용하는지의 여부에 따라 차이가 난다. 

제조업체는 샤프트를 정확도·직진도·수직도·편심률·재질 등급 등의 특성에 따라 분류한다. 샤프트 홈이 전체적으로 높은 정확도와 직진도를 유지하도록 가공하는 것에는 어려움이 있다. 굳이 말할 필요도 없겠지만, 비 연삭(논 그라운드) 혹은 편강 스플라인 샤프트는 상대적으로 정확도가 낮다.

제조업체들은 일반적으로 정확도를 세 가지 등급으로 나눈다. 정밀(Precision, 가장 높은 정확도)·높음(High, 표준 등급. 일반적으로 재고품목으로 많이 사용한다)·보통 혹은 상업용(Nomal 혹은 Commerical, 주로 비 연삭 샤프트) 등으로 분류한다. 

하지만 한 제조업체의 최고 등급이 다른 업체의 표준 등급인 경우도 있다(업체마다 정확도에 대한 정의가 상이함을 의미한다). 정확도 등급을 비교하는 것은 결국 샤프트의 특성 및 성능을 비교하는 것으로 요약할 수 있다.

때로는 상대적으로 낮은 정확도가 용인되는 경우도 있다. 토크 전달·선형 이송·회전 동작·장치의 길이 등이 주된 관심사인 경우가 대표적이다. 이 경우 편강 혹은 비 연삭 스플라인 샤프트가 적절한 선택이다.