엔지니어를 위한 에어베어링 설계 ver.1
엔지니어를 위한 에어베어링 설계 ver.1
엔지니어를 위한 정밀 베어링 설계에어베어링 응용 가이드면 OK ver.1
베어링 기술은 기계 기술자에 있어서 오래된 문제 중 하나이다. 지난 세기에 개발된 구름베어링은 전기 모터와 자동차 바퀴와 같은 응용분야에서 한계에 부딪친 평면베어링을 극복한 혁명적인 발전이었다. 마찬가지로 오늘날의 구름베어링의 경우도 반도체 제조, 고정밀 스캐닝, 고속장비와 같은 응용분야에서 기술적인 한계에 부딪치고 있다. 이렇듯 에어베어링은 베어링 설계에 있어 필연적인 다음 단계를 의미한다.
자료제공/ ㈜대곤 코퍼레이션(www.daekhon.co.kr)
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구름 베어링과는 다르게 에어베어링은 서로 접촉하지 않는 표면 사이에 무마찰 하중 베어링 접촉면이 형성되도록 얇은 압축 공기막을 이용하고 있다. 에어베어링은 접촉하지 않으므로 기존의 베어링과 관계된 마찰, 마모, 윤활처리 문제를 피할 수 있으며, 정밀 위치와 고속 응용분야에서 이점을 가질 수 있다.
에어베어링의 유체막은 베어링 표면에 공기 유량을 공급하여 베어링 갭(Gap)을 형성시킴으로써 만들어진다. 유체막은 통상적으로 그림2에 R1으로 표시된 것처럼 공기의 유량을 제한하는 오리피스(Orifice)1나 다공질(Porous Media)2을 통해 만들어진다. 공기는 베어링 갭을 통해 일정하게 유출되지만, 제한조건(Restriction)을 지나는 압축 공기의 유량이 갭을 통해 흐르는 유량과 일치하도록 제한조건을 설계한다. 이것이 베어링 아래 압력을 유지하고 사용하중을 지지하는 갭, 제한조건(R2)이다. 만일 공기압이 제한조건(R1) 없이 갭에 가해지면, 상승 높이는 보다 높아지고 공기 소비량이 증가되며, 강성(Stiffness)3은 적절한 제한조건으로 성립된 것 보다 낮아진다. 이러한 제한 조건을 에어베어링 보상이라고 한다. 이것은 특정한 응용분야에서 상승, 부하, 강성에 대해 베어링을 최적화시키는데 사용되고 있다.
짚고 넘어가기
왜 에어베어링을 사용하는가?
에어베어링은 구름베어링에 비해 다양한 장점을 가지고 있으며, 좌표측정기, 정밀 공작기계, 반도체 웨이퍼 가공기, 클린룸(Clean Room), 고속정밀 위치 환경 등과 같은 응용분야에서 선택, 사용되고 있다. 에어베어링의 주요 장점들을 간단히 정리하면 아래 같으며, 설계 엔지니어의 특정 관심사 중의 몇 가지(마찰, 마모, 강성, 부하용량) 등은 더 자세히 기술된다.
무마찰: 정지 마찰이 없이 때문에 무한 분해능과 매우 높은 반복정밀도가 가능하다.
무마모: 무접촉은 가상적으로 마모가 없다는 것을 의미하며, 결과적으로 기계성능이 일정하고 분진 발생이 적다는 것을 의미한다.
직선운동: 구름베어링은 표면처리와 가이드 면의 불규칙성으로 인해 직접적인 영향을 받는다. 비접촉하는 에어베어링은 이 오차를 평균화한다.
조용하고 부드러운 작동: 롤러나 볼을 순환시키는 것은 경질 요소가 로딩(Loading), 언로딩(Unloading)되며, 귀환관(Return Tube)에서 방향이 바뀔 때 노이즈(Noise)와 진동을 발생시킨다. 이것은 특히 스캐너의 분해능에 두드러진 영향을 끼칠 수 있다.
높은 감쇠: 유체막 베어링인 에어베어링은 높은 막감쇠(Film Damping) 효과를 가지며, 결과적으로 높은 동적 강성 및 뛰어난 제어성(Controllability)을 가질 수 있다.
오일 제거: 에어베어링은 오일 윤활을 사용하지 않으므로 오일과 관련된 문제들을 없앨 수 있다. 에어베어링은 양의 공기압이 분진을 밀어내기 때문에, 먼지가 많은 환경(건조기)에서 경로면은 건조하게, 베어링은 자동적으로 청정한 상태를 유지할 수 있다. 반면 오일 윤활은 래핑(Lapping)으로 인한 슬러리(Slurry)4가 생길 수 있다.
고속성: 볼 또는 롤러로 인한 슬립이 없으므로 고속-고가속도가 가능하다.
효율성과 정밀성
무마찰이 주는 이점들
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| 평변 에어베어링 |
슬라이드가 움직이기 시작할 때 마찰은 감소되며, 스크류는 비틀림 변형이 풀리면서 원하는 위치로 슬라이드를 움직인다. 이런 현상은 평면 운동 시스템에서 가장 두드러지며, 부착-미끄럼(Stick-Slip)5이라고 한다. 이것은 구름베어링과 폐루프 되먹임(Closed-Loop Feedback)을 사용하는 기계에서 위치 결정(Positioning) 또는 대역폭(Bandwidth)6 문제를 발생시킬 수 있다.
오늘날 중공작기계 슬라이드는 마찰의 정지마찰계수와 동마찰계수의 차이가 평면베어링과 비교하여 10배까지 감소되며, 구름베어링을 사용하여 0.0001"(≒0.0025mm) 이내로 위치시킬 수 있다. 그러나 구름베어링도 한계에 부딪치고 있다. 이를 테면 전자 자본설비 산업의 몇몇 분야에서는 0.00001"(≒0.00025mm) 위치조차도 매우 정밀도가 떨어지는 것으로 간주되고 있다. 구름베어링 제조회사는 캘리포니아 맞춤(California Fit)으로 알려진 필요조건을 만족시키기 위한 노력으로(강성을 조정하는) 예하중(Preload)을 감소시켜 왔으나 예하중을 효과적으로 감소시키는 데에는 한계가 있었다.
에어베어링에서는 정지 및 동마찰계수 사이에 차이가 없다. 따라서 부착-미끄럼 문제는 완전히 배제된다. 에어베어링의 마찰은 운동에 기인한 공기 전단력의 함수이므로, 속도가 0 일 때는 이론적으로 운동 분해능이 무한대인 무마찰이 된다.
이렇듯 마찰은 효율성에 직접적인 영향을 미친다. 사실 초기 에어베어링 특허 중의 하나는 수직 증기 구동 발생 터빈에 사용되었으며, 웨스팅하우스(Westinghouse)에 의해 출원된 것이었다. 웨스팅하우스는 공기의 점성이 오일 점성보다 수 백배가 낮으므로, 오일 전단력으로 인한 에너지 손실을 감소시킬 수 있다는 사실을 알고 있었다. 불행하게도 웨스팅하우스는 당시(1890) 에어베어링을 작동하기 위해 필요한 고정밀, 대형 베어링 표면을 가공하기 힘들었다.
한편 오늘날 대형 터빈은 여전히 유체역학 베어링에 기초한 오일을 사용하지만, 새롭게 시장에 출시된 마이크로 터빈의 상당수가 효율성 향상을 위해 공기역학 베어링 시스템을 채용하고 있다.
마찰은 또한 정밀도에도 영향을 미친다. 오래된 격언을 상기해보자. 정밀기계에서 3가지 중요한 오차의 원인은 무엇인가? 첫째도 열, 둘째도 열, 셋째도 열이다. 마찰은 열을 발생시키고, 열은 정밀 엔지니어에게는 최대의 적이다. 예를 들면 스핀들이 가열될 때 축이 늘어난다. 또한 열이 주축(Headstock)으로 전도됨에 따라 팽창하게 되고, 회전 중심으로부터 멀어진다.
대부분의 경우 에어베어링은 구름베어링 또는 평면 베어링에 비해 주어진 응용분야에서는 열을 상당히 적게 발생시킬 것이다. 이것은 에어베어링이 열을 발생시키지 않는다고 말하는 게 아니라 상당한 열이 측정되기 전에 초당 100ft(≒30m) 이상의 상대속도로 움직일 수 있다는 것이다
비접촉 요소로 인한
무마모, 친환경 설계
설계 엔지니어에서 기계적인 마모는 또 다른 근심의 원인이다. 고등기계는 보다 빠르고 보다 높은 신뢰성이 요구된다. 사실 현재 시판되는 기계들은 연간 10억 번을 움직이도록 만들어진다. 그러나 베어링의 수명을 평가하기 위해 속도, 가속도, 로딩부하 계산을 하도록 엔지니어를 채용하여 기계의 가속 테스트를 수행하는 것은 비실용적이다. 이것은 비접촉을 특성으로 가진 에어베어링에서는 피할 수 있는 문제라고 할 수 있다. 속도, 가속도, 하중은 마모 요소가 아니며, 에어베어링의 수명에 영향을 미치지 못한다.
에어베어링에 있어 마모의 형태는 부식이며, 공기의 청정도가 가장 큰 영향을 줄 수 있다. 에어베어링은 기존의 베어링 마모 개념과는 다르며, 연간 10 억 사이클을 10 년 동안 작동한 후에도 최초의 성능과 똑같은 성능을 정확하게 발휘할 수 있다. 이것은 기계 신뢰성에 대해 평가했을 때 장점으로 작용할 수 있다. 마모가 제거되었다고 고객에게 말하는 장비업체에 있어, 통계적 공정관리에 영향을 미칠 수 있는 변수는 경쟁력을 발휘할 수 있는 장점이 될 것이다.
에어베어링의 비접촉 특성은 마모로 인해 발생하는 부스러기와 오일 윤활에 더 이상 걱정이 필요하지 않다는 것을 의미하며, 클린룸, 의학, 조제학, 식품가공환경 등에 사용하는데 최적의 성능을 발휘한다는 것을 의미하고 있다. 또한 에어베어링은 부식성이 강한 소금이나 설탕 공장과 같이 건조하고 더러운 환경에서 뛰어난 특성을 발휘한다. 이런 환경에서는 오일 윤활은 래핑으로 인한 슬러리가 생기는데, 에어베어링은 일정한 공기가 베어링에서 분출되기 때문에 가볍고 건조한 분진을 날려버리는 자기정화 효과를 가질 수 있다.
에어베어링의
강성과 부하용량 분석
에어베어링에 대해 일반적인 잘못된 생각은 정밀 응용분야에서 요구되는 강성을 가지지 못한다는 것이다. 하지만 실제로 60psi(≒ 400kPa)에서 작동하는 직경 6"(≒150mm) 베어링은 1000lbf(≒450kgf)의 부하를 가진 상태에서 2,000,000lbf/in(≒2000kgf/m)보다 큰 강성을 가진다. 다시 말하면 파운드 당 50만분의 1인치 보다 적은 변형이 발생한다는 것이다.
어떠한 영역의 부하에서 베어링을 테스트하고 공기 갭에 대한 변화를 측정하면 그림4에서 보여지는 것과 같은 강성선도를 만들 수 있다. 여기서 기울기는 선형이 아니며, 막이 얇아 짐에 따라 강성이 증가한다는 점에 주목해야 한다. 압력과 표면적은 모두 강성에 비례적으로 영향을 미치며, 에어베어링 강성에 있어서 가장 중요한 인자는 보상의 개념과 보상을 사용하는 것이라고 할 수 있다.
보상은 공기 갭 안의 공기 유량을 제어하는 방식이며, 에어베어링 강성에 대한 진정한 해답이다. 보상의 목적은 갭 그 자체를 제한하기에 앞서 공기량을 제한하는 것이라고 할 수 있다. 압력이 베어링 아래에 남아있지 않으려면 공기 갭이 제한되어야 하며, 대신 대기압과 평형을 이루어야 한다. 그러나 강성을 주는 공기 갭 안의 공기를 어떻게 제한하여 생성되는 압력을 유지할 수 있는가?
60psi(≒400kPa) 압력으로 오리피스를 통하여 흐르는 유동이 베어링 상에 150lb(≒68 kg) 부하를 가지고 300μin(≒0.08mm) 상승하여 움직이도록 된 갭을 통해 흐르는 유동과 같은 경우를 생각해 보자. 직경 2.5"(≒68.5mm) 베어링은 거의 5in2(≒4000mm2)의 면적을 가지므로 베어링 면 아래의 평균압력은 30psi(≒200kPa)가 될 것이다.
또한 부하가 200lb (≒1380kPa)로 증가한다고 가정해 보자. 이것은 에어베어링 아래의 평균압력을 증가시키고 공기 갭은 200μin(≒ 0.05mm)로 압축된다. 축소된 갭은 제한조건을 증가시키고 유동이 감소된다. 오리피스에 의해 억제되어 비축된 압력은 에어베어링에 강성을 주는 복원력을 발생시켜 갭에 있는 압력을 증가시키게 한다
이외에도 보상은 강성과 안정성을 위한 부하용량(Load Capacity)의 조정이라는 것을 상기하는 것으로부터 알 수 있다. 보상이 없을 경우에 베어링의 이론적 최대부하용량은 표면적과 입력되는 압력의 곱으로 기술될 수 있다. 이 값과 같은 부하는 베어링을 착지시킬 수 있다.
에어베어링은 실제로 전체 표면에 대해 같은 압력을 형성하지 못하며, 베어링 모서리 주위에 누출이 있기 때문에 완벽하게 이론적으로 부하를 움직이지 못한다. 오리피스로부터 분출된 공기는 오리피스로부터 이동함에 따라 압력 곡선으로 사상(Mapping)될 수 있는 갭에서의 압력 구배(Gradient)7를 발생시키며, 갭을 통해 팽창할 수 있다.(그림5참고)
이 압력 곡선은 오리피스와 홈의 수량과 위치에 의해 영향을 받으며, 특히 베어링 하부에 가장 일정한 압력분포를 만들어 주는 다공질에 의한 보상과 같이, 사용된 보상 타입에 의해 영향을 받는다.
베어링 강성을 증가시키기 위해 보상을 할 때 베어링 하부의 평균 압력은 보통 공급 압력의 약 50%이므로 에어베어링은 일반적으로 공급 압력에 대해 50%의 효율을 가진 것으로 생각 할 수 있다. 이 경험 법칙은 베어링 모양과 크기에 따라 수정된다. 작고 좁은 베어링과 같이 베어링 모서리 부근의 면적 퍼센트가 많은 베어링은 보다 낮은 효율성을 가질 것이다. 반면 보다 큰 베어링은 보다 높은 효율성을 가질 수 있다. 이것이 엔지니어들이 큰 베어링보다 작은 베어링을 만들기 위해 더 많이 도전하는 이유 중의 하나이다.
에어베어링은 부하용량이 비록 구름베어링에 비해 작지만, 공작기계에서의 전통적인 평면베어링처럼 단위 면적당 같은 부하로 움직일 수 있다. 그러나 오늘날의 고속, 경량 기계 응용분야에 있어서는 이것으로 충분하다고 할 수 있다.
표면적×공급 압력=접지력
표면적× 공급 압력 × 효율 = 부하 용량
각주
1 Orifice: 유량의 조절 ·측정 등에 사용되며, 가공하기 쉬워 보통 원형으로 만듬. 지름 D 인 유관 도중에 관의 지름 d(D＞d)의 오리피스를 삽입하면, 그 직후에서 유속이 변화하여 압력이 떨어짐(베르누이의 정리). 오리피스의 바로 앞과 직후에서의 유체의 압력차를 검출함으로tj 유량을 구할 수 있음.
2 Porous Media: 재료 중에 기공이 많이 포함되어 있는 물질.
3 Stiffness: 하중에 대한 변형 저항을 말하는 것으로, 이것은 가로 탄성 계수(또는 횡탄성 계수)와 세로 탄성 계수(또는 종탄성 계수)로 평가. 인장 강도와는 무관.
4 Slurry: 고체의 입도가 작고, 또한 고체 농도가 높은 진흙 모양인 물건의 총칭
5 Stick-Slip: 두 접촉면을 미끄러지게 할 때 겉보기의 마찰력이 톱날 모양의 변동 특성을 나타낸다. 그 마찰력의 상승 부분에서 양 마찰면이 부착하여 어느 값(정마찰력)에 이른 다음 갑자기 양면이 미끄러지는 진동 특성을 나타내는 현상을 말한다.
6 Bandwidth: 일반적으로 주파수 특성 곡선상의 최고 이득점으로부터 3dB 만큼 이득이 내려간 두 점 사이의 폭. 대역 필터의 통과 주파수 범위
7 Gradient: 어떤 기준이 되는 선 혹은 면에 대한 기울기를 말한다.
*뉴웨이정밀의 에어베어링 응용 가이드에 대한 연재는 총 5회로 이번 1회 연재 이후 Theme Report를 통해 2007년 5월까지 연재됩니다.
연재 내용
Ver.1 에어베어링의 이해
Ver.2 에어베어링 기술의 종류와 응용
Ver.3 에어베어링의 선택과 설계
Ver.4 에어베어링의 셋업 및 사용
Ver.5 진공예하중 베어링, 에어부싱, 회전 테이블 응용사례
