효율적인 리니어 모션 구동을 위한 레일 및 베어링 선택 방법

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선형 레일의 두 가지 유형은 원형과 사각형이다. 이 중 하나를 선택하는 기준은 다른 기계 구성 요소를 고르는 것과 차이가 없다. 설계를 구체화하고, 시스템의 목표를 정의하고, 과거의 실수와 성공으로부터 배우면 된다. 그러나 경험이 부족한 사람은 실수할 수 있으므로, 설계 오류를 최소화하기 위해 요약된 학습 코스가 중요하다. 각 유형의 근본적인 특성을 학습하거나 애플리케이션에서 가장 중요한 것에 연관시켜 보는 방법이 좋다.

원형 레일 기술은 60년, 사각 레일은 35년 동안 연마됐다. 내재된 대부분의 디자인 문제는 오래 전에 해결됐다. 재료는 극적으로 개선됐고 엔지니어들이 선형 레일 기술을 ‘정밀과학’으로 승화시켰다. 대부분의 문제는 오용과 잘못된 적용으로부터 생겨난다. 오용은 주로 개인 편향과 편견, 계산 착오, 감각적인 판단 등에서 비롯된다. 즉, 상대적으로 작은 선형 사각 레일은 부하와 속도 및 기타 요구 사항을 충족시킬 수 있지만, 막상 머신에 조립되고 나면 다운사이징 돼서 약하다는 것이 눈에 확연하게 들어온다.

직선 볼 부싱(ball bushing) 가이드의 한 유형에 대한 선택은, 전적으로 특정 용도에 준하며 비교적 사용하기 어렵다. 대개 특정 사각 레일 구성 요소는 원형 레일보다 비용이 많이 들지만 다른 요구 사항과 전체 시스템 비용도 고려할 필요가 있다. 이런 항목에는 레일 시스템이 장착된 머신 베드(machine bed)에 대한 비용이 포함되며, 이에 따른 필요한 위치 정확도 및 선형 레일 서브 시스템을 사용할 수 있는 전체 공간 환경도 고려돼야 한다.

일을 시작하기 전에 레일의 유형부터 정해야 한다. 해당 애플리케이션에 두 가지 방법 모두 사용 가능할 것 같다면 중요한 특성과 아래에 논의되는 내용과 제조업체 카탈로그 기반의 임시 계산만으로 파악할 수 있는 사항을 확인해야 한다.

원형 레일

사각형 레일이 출현하기 전에는 원형 레일이 모든 직선운동 제어상황을 충족할 것으로 기대했다. 그러나 사람들은 더 작은 공차를 요구하는 공작기계 사용자로서 밀링(milling)과 스크래핑(scraping)의 고전적인 방법을 선호했다. 원형 레일이 머시닝 센터의 공차 요구 사항을 충족하지 못하자 주변 장치에 활용됐다.

그렇다고 원형 레일이 쓸모없거나 가치가 떨어진 것은 아니다. 장점이 결점보다 압도적이기 때문이다. 일반적으로 원형 레일은 사각 레일보다 비용이 적게 들지만, 모든 용도에 대한 우선 기준이 되면 안 된다.

사실, ‘비용이 더 들기 때문에, 더 좋아야만 한다.’는 것은 잘못됐다. 원형 레일이 원활하게 작동하는 특정 용도에서 사각 레일은 작동이 안 될 수도 있다. 예를 들어, 원형 레일은 대부분 기계에서 오정렬과 병렬성 불량 및 모멘트 하중을 더 수용한다.

또한, 원형 레일은 사각 레일 시스템에 비해 레일 높이의 변동도 다소 허용한다. 이 경우에 진행 직진도 0.001인치를 유지할 수 있다. 뿐만 아니라 작은 전동 요소(rolling element)는 원형 레일의 움직임을 부드럽게 하는 경향이 있다.

정확도를 달성하기 위해 여러 지점이나 전체를 지지하는 방법도 있지만, 끝부분만 지탱해도 충분하다. 이렇게만 해도 레일이 문제없이 틈을 메우고 다른 지지대로 안전하게 이동할 수 있다. 원형 레일 시스템이 한 개의 샤프트 레일 어셈블리를 필요로 할 때(1개 샤프트나 1개의 레일 혹은, 4개의 베개 블록이 있는 2개의 엔드 블록) 준비 비용은 사각 레일보다 적게 든다. 원형 레일은 사각 레일과 동일한 장착 강성을 필요로 하지 않는다.

이에 반해 하나의 구성 요소는 다른 구성 요소에 영향을 미치지 않는다. 원형 레일에서는 교체될 수 있지만 마모 시 전체 조립품을 교환해야 한다.

사각 레일 소개

초기에 사각 레일은 공작기계에 적용하는 것을 목표로 했고, 이에 더불어 공작기계 산업 분야에서 무더기로 원형 레일을 대체했다. 사각 레일은 더 견고하고 강성이 더 크지만 평면도와 평행도에 대한 엄격한 요구로 인해 꾸준한 지지대가 필요하다.

그러나 기계 제조업체의 정밀 가공된 머신 베드(machine bed)가 있어 문제되지 않는다, 제조업체는 원형 레일에 비해 더 작고 강성이 큰 사각 레일 시스템을 선호한다.

제한된 공간에서 더 작은 패키지의 더 높은 부하 용량을 고려하면, 사각 레일은 비교적 비용이 적게 든다. 때로는 사각 레일의 크기를 늘려야 할 때도 있으며 머신 크기의 나머지 부분과 비교할 때 상대적으로 너무 작다고 판단되면 안 맞을 수도 있다.

원형 레일에 비교했을 때 사각 레일의 가장 큰 장점은 높은 위치 정확도이다. 사각 레일은 특히 밀링 및 연삭 애플리케이션에 적합하고 원형 레일보다 훨씬 정확도가 뛰어나다. 10ft 길이 기준에서의 정확도는 0.0002 에서 0.001in이며 원형 레일의 경우 0.01in이다.

또한, 순간 로드에 대해서도 이 정밀도를 유지할 수 있다. 단일 캐리지 및 단일 레일이 원형 레일보다 적합하다. 이에 더해 사각 레일은 높은 정확도로 더 높은 부하를 감당할 수 있기 때문에, 대부분의 사용자는 사각 레일을 더 신뢰한다.

단일 사각 레일 장치로 순간 하중을 처리할 수 있지만 늘 권장되지는 않는다. 하중의 균형을 맞추거나 균일한 무게분산을 위해서는 두 개 이상의 유닛을 사용해야 한다. 사각 레일은 완전한 시스템이며, 레일과 캐리지에 대해 한두 개의 부품만 필요로 하기에 손쉽게 사용할 수 있다. 반면 원형 레일은 여러 부품으로 구성된다.

사각 레일은 높은 수명 용량을 갖는다. 이는 지정된 길이의 주행거리를 유지하는 로드의 양으로 정의된다. 예를 들어 20,000N 용량은 100km 등급을 기준으로 한다. 미끄러지지 않기 때문에 마모가 적으나 롤링 접촉이 있다. 사각 레일의 수명은 주로 처해진 환경 조건과 적절한 윤활 및 유지보수에 달려 있다.

그러나 다른 모든 조건들이 동등하다면, 원형 레일은 패키지가 단단하지 않고 약간의 변형에 민감하지 않기 때문에 조금 더 관대하다. 사각 레일은 충격이 구름요소에 영향을 미치지 않을 때 충격에 대한 높은 용량과 저항을 갖지만 파편과 충격에 더 민감하다.

마모 측면을 고려할 때, 원형 레일은 자연스러운 파편 보호능력을 가지고 있다. 사각 레일 트랙은 직접 접근이 어렵지만 반드시 파편을 막을 필요는 없다. 젤라틴 유체가 레일에 들어가면 원형 레일이 사각 레일보다 잘 작동한다. 사각 레일이 일부 이동구간을 위로 당길 수 있기 때문이다. 반면 원형 레일은 당기는 경향이 적다.

일반 지침

기계 구성 요소를 배치하기 전에 사용할 레일 유형을 선택해야 한다. 장착 고정체는 원형 및 사각 레일에 따라 다르며, 작동 영역은 실제 크기에 대한 정격 하중과 같이 다양하다. 만약 작동이 안 된다면 사각 레일을 다른 브랜드로 변경하는 것이 동일한 브랜드의 사각 레일에서 원형 레일로 변경하는 것보다 쉽다.

모든 제조업체는 한 유형 내에서 어느 정도의 호환성을 허용하는 표준을 따른다. 효율은 두 가지 각도에서 접근할 수 있다.

하나는 항력 계수 또는 마찰을 다루고, 마찰이 적으면 입력 에너지가 낮은 것이다. 원형 레일을 밀면 사각 레일보다 마찰이 조금 더 낮고 동작은 더 부드럽다. 그러나 사각 레일은 효과적으로 주행시킬 수 있는 충분한 힘을 제공한다. 일부는 또한 전체 크기의 관점에서 효율성을 고려한다. 사각 레일이 작을수록 로드가 커짐에 따라 패키지는 작아진다.

즉각적인 충격 하중과 같은 충격 부하가 모든 경우에 발생할 수 있으며 모든 베어링은 충격에 민감하다. 충격에 대한 영향은 적용에 따라 다르다.

사각 레일은 작은 유닛보다 무거운 하중을 처리할 수 있으므로 충격이 임팩트에 가깝지만, 충격은 레일 시스템에서 정상 하중(nominal load)으로 포함시켜 표현된다. 무거운 기계에서 충격은 단지 질량 덩어리이기 때문에 단점으로 작용하는 것만 제외하면 큰 차이는 없다.

출력 감소

사각 레일은 제조사의 핸드북이나 디자인 가이드에서 흔히 볼 수 있는 몇 가지 중요한 출력 감소를 일으킨다. 아쉽게도 출력 감소(deratings) 요인은 원형 또는 사각 레일의 초기 설계단계에서 충분히 고려되지 않는다.

예를 들어 미국의 표준 사이클은 유럽 시장의 경우 200만 인치, 50km, 100km 또는 400만 인치로 표현한다. 표준에서는 레일 시스템을 정격 용량의 25%나 50% 이상으로 사용하지 말 것을 권장한다.

자료 제공 : Thomson(www.thomsonlinear.com)