다축 모션 솔루션 최적화 구현을 위한 ‘볼 스플라인’ 활용 방법

모션 시스템 설계자는 복잡한 고속 다축 모션이 필요할 때 정교 하게 사전 패키징된 로봇 암을 먼저 떠올릴 수 있다.

또는 몇 개의 축만 필요한 경우 각 축에 대해 별도의 프로파일 또는 원형 레일을 구성하는 것을 고려할 수도 있다. 하지만 이러한 옵션 사이에 종종 잊혀지는 볼 스플라인 기술이 숨어 있다. 이 다축 모션 솔루 션은 수년 전부터 사용되어 왔으며 오늘날의 많은 복잡한 모션 체계와 여전히 관련이 높다. 볼 스플라인은 단일 샤프트에 회전 및선형 모션을 통합하는 독특한 아키텍처를 사용하여 좁은 공간에서 복잡한 모션 체계를 구현할 수 있는 유연성을 제공하며 모션 제어에서 1석 2조의 효과를 제공한다. (그림 1)

<그림1> 단일 샤프트에서 회전 및 선형 모션을 가능하게 하는 볼 스플라인은 다양한 작동 조건에서 높은 신뢰성과 기대 수명을 제공한다. (이미지 출처: Thomson Industries)

회전과 선형 모션 통합
 

볼 스플라인을 사용하면 직선 운동과 회전 운동을 모두 변환할 수있다. 이는 두 개의 독립적인 동작을 수행하는 공통 샤프트의 구현을 통해 이루어진다.(그림2) 샤프트를 보면 길이를 따라 ‘스플 라인’이라고 하는 축 방향 접지 홈이 있다.

이 배열에는 축 방향 접지 홈을 따라 이동하며 회전 운동 또는 반경 방향 모멘트 하중을 고정하는 볼 스플라인 너트도 포함된다. 각 너트는 베어링을 통해 지지되며, 대부분의 경우 메커니즘에 의해 지지되는브래킷에 부착된 원형 튜브와 같은 공통 고정 지점을 통해 지지된다. 각너트는 각각의 운동 축을 제어하는 모터(종종 벨트 구동)에 의해 독립적으로 구동된다.

<그림2> 볼 스플라인은 단일 샤프트에서 선형 및 회전 운동을 모두 가능하게 함으로써 로봇 설계에 소형화, 부하 용량, 속도 및 정확도 증가 등 다양한 이점을 제공한다. (이미지 출처: Thomson Industries)

축 회전을 구동하기 위해 볼 스플라인 너트를 돌린다. 이 너트에는 축을 따라 자유롭게 움직일 수 있는 일련의 볼이 들어 있다(즉, 너트는 마찰을 최소화하면서 샤프트를 따라 미끄러질 수 있다). 회전하면 동일한 볼이 스플라인 절단 홈을 통해 샤프트에 수직으로 힘을 가하여 샤프트를 회전시킨다. 선형 운동을 구동하기 위해 스플라인 샤프트는 유압, 공압 또는 전기 피스톤과 같은 선형 액추에이터를 사용하여 앞뒤로 움직인 다.

스플라인 너트가 샤프트의 길이를 따라 움직이면 볼 베어링이홈 안에서 굴러간다. 미끄러지는 대신 구르는 방식은 마찰 계수와 마모 계수가 낮고 부드럽고 정밀한 선형 이동과 빠른 속도를 가능하게 한다. 볼 베어링은 너트 내부를 순환하며 샤프트와 지속적으로 롤링 접촉을 제공한다.고정/지지대 덕분에 이 배열은 비틀림 하중에도 매우 강하다.

즉모터에 의해 구동되지 않는 한 샤프트가 회전에 저항한다. 샤프트가 확장·축소·고정되어 있을 때 외부에서 비틀림 하중이 가해지면 스플라인 너트에 의해 지지되어 해당 하중을 견뎌낸다. 이 기능은 샤프트의 ‘2 대 1’ 모션 거래 외에도 애플리케이션 설계에서그 유용성만큼이나 중요하다. 단일 샤프트에서 이 기능을 구현하면 여러 가지 이점이 있다. 공간 활용도를 높이고, 마찰을 최소화하면서 하중 용량, 속도, 정확 도를 높이며, 최소한의 유지보수로 내구성을 향상시킬 수 있다.

공간 활용도 향상
 

여러 축을 하나로 압축하면 볼 스플라인이 기존 베어링 솔루션보다 훨씬 더 공간 효율적이다. 이 설계는 동급의 선형 베어링보다더 적은 수의 구성 요소와 움직이는 부품, 더 큰 하중 용량을 해당 공간 내에서 구현할 수 있다는 의미로 해석된다.

더 높은 하중 용량
 

넓고 정밀하게 연마된 홈이 하중 전달 능력을 높이고 강성과 강성을 개선하여 기존 베어링 어셈블리보다 최대 2배 더 큰 모멘트 하중을 처리할 수 있다. 또한 볼 스플라인은 샤프트 길이에 따라 더많은 하중을 분산시킨다.따라서 국부적으로 응력이 집중될 수 있는 기존 베어링보다 더 높은 하중을 견딜 수 있다. 볼 스플라인은 공구 교환 및 픽 앤 플레이스 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있는 중심을 벗어난 하중에도 더 효과적이다.

거의 없는 마찰
 

볼 가이드 시스템은 스플라인 샤프트 홈과 너트 내 레이스에 의해 안내되는 롤링 볼의 접선 지점과의 정밀한 접촉을 통해 마찰이 거의 없는 동작을 제공한다.

더 빠른 속도
 

볼 스플라인은 토크를 전달하고 마찰을 최소화하면서 스플라인 너트를 축 방향으로 변위시키는 데 작은 힘만 필요하다. 따라서 기존 볼 스크류에 비해 속도가 약 20% 향상되고 작동이 더 부드 러워진다. 볼 스플라인은 최대 2m/s의 속도를 처리할 수 있다.

높은 정밀도와 정확도
 

볼 스플라인은 높은 정밀도와 정확한 위치 설정이 가능하여 정밀한 제어가 필요한 분야에 이상적이다. 백래시가 없어 방향을 변경할 때 회전 유격이나 동작 손실이 없다. 볼 스플라인은 무거운 하중에서도 이러한 정밀도와낮은 마찰을 유지하여 정확하고 일관된 동작을 보장한다.

간편한 설치 및 유지보수
 

일반적으로 플랜지 너트를 고정하기 위해 거친 보어와 장착 구멍을 뚫고 탭핑하거나 원형 너트의 경우 거친 보어와 키홈만 있으면 쉽게 설치할 수 있다. 볼 스플라인은 설계가 단순하기 때문에 문제 해결과 유지 관리가 더쉽다. 유지보수 팀은 프로파일 레일 및볼 스크류의 높은 유지보수 요구 사항과 달리 스플라인을 샤프트 에서 빼내고 윤활유를 바른 다음 다시 끼우기만 하면 된다.

높은 내구성
 

볼 스플라인은 볼 베어링 포인트 접점이 증가하여 응력이 감소하고 하중 용량이 증가하기 때문에 기존 베어링에 비해 수명이 더길어진다. 볼에 가해지는 스트레스가 적을수록 더 무거운 하중을 견딜 수 있으며, 마모에 강하고 시간이 지나도 일관된 성능을 제공한다. 볼 스플라인은 종종 먼지나 이물질과 같은 오염 물질로부터 볼 베어링을 보호하는 씰과 보호 커버로 설계되어 수명을 더욱 연장할수 있다. 볼 스플라인 구조는 하중 균형을 맞추기위해 볼을 적절 하고 세심하게 배치해야 하는 레이디얼 베어링과 달리 모든 각도 에서 안전한 하중 용량을 제공한다.

비용 절감
 

두 축의 모션을 수행하는 이 대체 방식은 초기 비용을 크게 절감할 수 있으며, 물량이 많을수록 절감 효과는 배가된다. 패키지형 다축 시스템에 비해 볼 스플라인은 훨씬 저렴하다. 또한 부품 수가 적고 움직이는 부품 이동이적기 때문에 프로파일 레일 어셈블 리보다 경제적이다. 가격 대비 모멘트 하중 저항이 우수하고 설치시 표면 준비가 덜 필요하다. 원형 레일 어셈블리와 비교할 때 볼스플라인의 비용은 비슷하지만 설치 공간이 더 작고 축수가 더적다. 또한 장기적인 관점에서 볼 때 유지보수가 필요한 부품 수가 적어 시간과 비용을 모두 절감할 수 있다.

▲ (사진 왼쪽부터) 볼 스플라인은 CNC 가공, 제지 공장 드럼, 픽 앤 플레이스 및 기계 자동화를 비롯한 다양한 응용 분야에 이상적이다. (이미지 출처: Thomson Industries)

애플리케이션
 

선형 모션과 회전 모션을 모두 통합하는 모션 설계자는 볼 스플라인 기술을 평가하여 동일한 샤프트에 구성하는 것이 이점이 있는지 확인해야 한다. 다음은 볼 스플라인 기능을 활용한 공장 자동화, 운송, 의료 및 연구 분야의 몇 가지 애플리케이션 사례이다.

공장 자동화    

• 반복 가능한 픽 앤 플레이스 조립, 예를 들어 암이 조립 단계에서 물체를 집어 올리고 회전하여 다른 단계에 놓는 고속 반도체 물체 배치와 같은 작업이다.

• 가공 및 밀링 작업에서 CNC 공구 위치 지정     

• 충전 및 캡핑 메커니즘의 정밀한 제어를 위한 포장 장비

운송    

• 플랩 전개 및 스로틀 조정과 같은 항공기 제어     

• 회전, 포 높이 조정, 차량 조종을 용이하게 하는 군용 차량

의료 및 연구   

• 로봇 보조 수술 절차를 안내하는 수술용 로봇     

• CT 스캐너 또는 기타 고정밀 이미지 획득 장치의 정밀한 동작을 용이하게 하는 의료용 영상 장치     

• 현미경 스테이지 및 샘플 포지셔닝과 같은 실험실 분석

볼 스플라인은 여러 축에서 모션이 필요한 기계 설계자에게 매력적인 솔루션이다. 패키지형 다축 시스템에 비해 볼 스플라인은 더 적은 공간을 필요로 하고 더 빠른 속도로 배치할 수 있으며, 마찰이 적고 정밀도가 높으며수명이 길고 예측 가능하며 유지보수가 쉽다. 또한 비용도 저렴하다.

볼 스플라인은 패키지형 로봇 팔을 대체할 수도 있지만, 공간 효율성과 백래시가 없어 수직 스트로크를 연장하거나 더 무거운 반경 방향 및 축 방향 하중을 지원하는 어셈 블리의 구성 요소로 사용할 수 있다. 비즈니스 운영이 더욱 복잡해지고 디지털화, AI 및 모빌리티의 발전으로 자동화 전략에 더 많은 모션 축이 도입됨에 따라 볼 스플라 인의 고유한 성능과 다용도성이 앞으로 많은 가치를 발할 것으로 기대를 모으고 있다.

자료제공: Thomson(www.thomsonlinear.com)