크로스 롤러 베어링의 기본 원리

Nippon Bearing

크로스 롤러 베어링은 볼 베어링처럼, 일반적인 마찰 감소 장치보다 직선 운동에 더 높은 정확성과 강성, 중량을 지원한다. 또한 볼 베어링과는 달리 모멘트 하중이나 반지름 방향 힘, 틸팅(tilting) 하중을 지원한다. 하나의 크로스 롤러 베어링이 두 개 이상의 볼 베어링을 대체하므로 공간이 절약되어 관련 자재 비용이 절감된다.

크로스 롤러 베어링은 부드러운 움직임이 요구되는 비교적 짧은 직선 운동을 하는 고정밀 리니어 모션 애플리케이션에 적합하다. 또한, 2~12mm 롤러와 30~600mm 길이를 사용하면, 가속과 감속도가 높은 직선 운동 애플리케이션에서도 1억 5천만 사이클이 지속되는 내구성이 있다.

이 베어링은 의료와 실험실 장비, 기계 공구, 반도체 가공, 클린 룸, 진공 환경, 재료 취급, 자동화 기기에 사용된다. 기술이 더 까다로워지면 정밀도가 높은 크로스 롤러 베어링이 더욱 보편화될 것이다.

 

크로스 롤러 베어링 기본 사항

크로스 롤러 슬라이드 웨이(slide way)로도 불리는 크로스 롤러 베어링은 두 세트의 베어링과 레이스가 서로 직각으로 결합되어 있다. 원통형 베어링이나 롤러는 캐리지의 레일을 따라 장착된다. 롤러는 케이지로 고정해 롤러 간의 접촉을 방지하여 마찰과 마모를 증가시킨다. 롤러를 분리하면 걸림의 위험이 없다.

레일을 따라 원통형 롤러의 번호를 매기면, 짝수 번째 롤러는 홀수 번째 롤러에 90°로 장착된다. 즉, 롤러는 방향을 서로 바꾼다. 따라서 크로스 롤로 라인은 높은 틸팅 모터를 포함하여 모든 방향의 하중을 지지한다. 리니어 레일을 잇는 볼 베어링처럼 재순환하지 않으므로 모든 롤러는 순수 방사형을 제외하고 항상 하중을 받는다. 십자형의 배열에 따라, 롤러의 절반만이 한 번에 하중을 받는다.

원통형 롤러는 슬라이딩 레일 상에 돌출 V형으로 장착된다. 이것은 하중을 받게 되는 다른 레일의 해당 V 노치와 맞물린다.

롤러는 볼 베어링의 점 접촉이 아닌 선 접촉을 한다. 이것은 더 넓은 접촉면과 더 무거운 하중을 견디는 크로스 롤러 베어링을 제공하며, 베어링의 강성을 높여 변형이 적어 더 정확하다. 또한, 교차된 롤러가 캐리지와 베이스 사이에 일관되게 접촉하여 침식이 더 느리다.

롤러의 접촉면과 하중은 직접적인 상관관계가 있다. 즉, 면적이 클수록 용량이 커진다. 따라서 롤러를 서로 가깝게 설치하면 최대 250%까지 하중 용량을 조정할 수 있다. 이렇게 하면 한 공간에 롤러가 더 많이 들어가 베어링이 지지하는 면적당 무게가 증가한다.

크로스 롤러 베어링은 높은 정밀도, 적은 마찰과 자체 구조로 실링을 사용하지 않는다. 그러나 손상과 마모를 방지하려면 롤러에서 오염 물질을 멀리해야 한다. 특히 IC 제조와 실험 장비는 이것을 주의해야 한다.

크로스 롤러 베어링에 윤활을 가하여 작동 수명을 최대화하는 것도 중요하다. 표준 윤활제는 lithium-soap-based #00 그리스이다.

크로스 롤러 베어링의 구성은 설계자에게 단일 행 공간의 안정성과 2열 베어링의 모든 이점을 제공한다.

 

정확도와 레일

크로스 롤러의 넓은 접촉 면적으로, 베어링은 재순환 볼 베어링보다 덜 변형되고 더 강하고 정확하며 일관된 모션을 생성하므로 크로스 롤러도 일관되고 정확하게 움직인다.

크로스 롤러는 강성과 자체 설계 구조로 재순환 볼 베어링보다 장착 면의 부정확성이 덜하다. 볼 베어링은 5~10미크론 정도의 불완전성을 감당할 수 있지만, 크로스 롤러 베어링은 초정밀도를 위해 불완전성이 2미크론 보다 작아야 한다.
 

금속과 플라스틱 케이지

롤러의 간격은 모든 위치에 고정된 케이지(또는 리테이너)로 결정되므로 설계가 중요하다. 케이지 재질은 디자인에 중요한 요소이다.

전통적인 금속 케이지는 캐리지의 탭을 사용하여 롤러의 상단과 하단에 있는 노치에 맞춰 위치를 유지한다. 이는 롤러의 간격을 제한하여 크로스 롤러 베어링의 하중 전달을 제한한다.

금속 케이지는 덜 비싼 일반 강이나 스테인리스강으로 만든다. 금속은 우주 공간을 포함한 진공 공간의 작업에 더 적합하다. 플라스틱은 가스를 배출하여 전자 장치와 광학 장치에 문제를 일으킬 수 있기 때문이다. 스테인리스강은 또한 고온 애플리케이션과 세척이 필요한 곳, 녹이 슬면 안 되는 곳에 적합하다.

각 롤러 주위에 부드럽게 끼워진 플라스틱 케이지는 금속 케이지보다 하중에 더 민감하다. 또, 따라서 플라스틱 케이지는 더 짧아지거나, 금속 버전보다 많은 롤러를 끼워 하중 용량을 증가시킨다. 실제로 플라스틱 케이지는 금속 케이지보다 접촉 면적은 30~58%, 하중 용량도 250% 증가한다.

최근에 개발한 플라스틱 케이지로 엔지니어의 설계 옵션이 늘었다. 이제 롤러 사이의 공간은 줄이고 접촉면은 더 확보할 수 있다. 플라스틱 케이지는 두께도 더 얇아질 수 있다.
 

케이지 크립 방지

금속과 플라스틱 케이지는 모두 베어링 레일 사이에 효과적으로 떠 있다. 그러나 시간이 지나면 베어링의 길이 방향 중심에서 밀리는 경향이 있다. 이 현상은 리니어 베어링이 부분 스트로크일 때, 특히 수직으로 맞물릴 때 발생한다. 케이지가 움직인 후 베어링이 풀 스트로크를 하려 하면, 케이지의 움직임은 제한된다. 중심을 이탈한 케이지는 레일 엔드 스토퍼를 치고 미끄러져 강제로 중심에 놓이게 된다.

이때 리테이너와 롤러, 슬라이드 웨이가 손상될 수 있다. 크리프 효과를 상쇄하기 위해서 더 강력하고 값비싼 모터가 필요할 수도 있다. 케이지 크리프는 롤러는 구르지 않고 미끄러지며, 이때 금속 간 마찰이 생겨 마모되는 것을 뜻한다.

크로스 롤러 베어링에 크리프 방지 장치가 없으면 기술자는 정기적으로 리니어 모션 장비를 재조정하고 마모된 장치는 교체해야 한다. 강한 가속과 감속, 일정하지 않은 프리로드, 하중 분산, 수직과 경사 스트로크가 필요한 애플리케이션의 경우 특히 위험하다. 다행히 두 개의 V 홈이 있는 활주로 레일 사이에 롤러를 유지하여 리테이너가 미끄러지지 않도록 하는 크리프 방지 장치가 있다. 따라서 레일은 장착 방향에 상관없이 사용할 수 있으며, 리니어 모터와 같은 저모멘텀 모터(lower-momentum motors)를 사용하여 하중을 이동시킬 수 있다. 또, 크리프 방지 장치는 가동 중단 시간과 유지 보수 비용을 줄여준다.

일종의 크리프 방지 장치인 랙 앤 피니언(rack-and-pinion) 메커니즘은 외부의 플라스틱 기어와 레일 내부의 금속 기어로 되어 있다. 이것은 효과적이지만, 비용이 많이 들고 고장 나거나 마모된 베어링 부품을 교체하지 못한다.

다른 크리프 방지 방법은 롤러의 표면 중간에 동그란 스터드를 두른 롤러를 사용하는 것이다. 롤러가 레일에서 회전하면, 스터드는 1열로 난 구멍이나 홈에 맞물려, 장치가 궤도 중앙에 정확하게 멈추게 한다. NB의 Studroller라고 불리는 이 디자인은 레일의 방향이나 위치에 상관없이 미끄러지지 않도록 하며, 기어 중심의 크리프 방지 메커니즘보다 매끄러운 추적 모션을 생성하므로 더 조용하고 정확하다. 레일 중앙에 맞춰 롤러를 정렬시키면 모든 구성 요소가 정렬된다.

Studroller 방식을 사용하면 유효 롤러 수가 20% 증가하여 55%가 된다. 롤러와 궤도면 간의 접촉 면적은 42%에서 58%로 점차 증가하여, 정격 하중도 140% 증가하여 230%가 된다. 이는 리니어 베어링을 장착하는 데 필요한 비용과 공간을 줄여준다.

크리프 방지 장치가 달린 크로스 롤러 베어링은 애플리케이션의 복잡성에 따라 주문 제작하거나 공장에서 생산한다. 따라서 가격은 천차만별이다. 가장 단순한 미끄럼 방지 장치인 Studroller 방식은 표준 크로스 롤러 슬라이드 웨이와 가격이 같다. 이는 다른 크리프 방지 장치 비용의 절반에 해당한다. 표준 슬라이드 웨이를 대체하는 재설계 비용은 없다.

 

이동 거리

리니어 슬라이드 레일의 크로스 롤러 베어링은 레일 길이로 스트로크나 이동 거리가 결정된다. 전체 레일 어셈블리는 스트로크의 두 배가 되어야 한다. 크로스 롤러 베어링이 포함된 두 레일 모두 반대 방향으로 움직이기 때문이다. 즉, 전체 어셈블리는 이동 거리의 두 배인 공간 내부로 이동해야 한다(직선 운동에 사용되는 재순환 볼 부싱은 필요한 이동 거리만큼만 샤프트가 필요하다. 이는 움직이는 유일한 구성 요소가 부싱이기 때문이다).

만약 베어링에 플라스틱 케이지를 사용하게 된다면, 케이지는 하중을 받아 더 짧아지므로, 레일 위에서 스트로크 수는 더 많아진다.

따라서 크로스 롤러 베어링의 이동에 대한 유일한 제한은 애플리케이션에서의 작동 공간이다. 언급했듯이, 레일이 서로 반대 방향으로 움직이므로 공간은 짐이 이동할 거리의 두 배가 필요하다. 엔드 스톱(end stop)은 물리적으로 이동 거리를 제한하는 리니어 레일에 장착된 장치로, 레일이 멀리 가는 것을 막는다.

 

평가와 수명

크로스 롤링 베어링의 동하중 등급은 50km의 이동 표준을 바탕으로 한다. 즉, 90% 이상이 일정한 무게로 보통의 작동 조건에서 최소 50km 이상 이동한다. 애플리케이션 요구 조건보다 하중이 높으면 베어링은 더 오래 사용하거나 더 까다로운 조건을 견딘다.

정확도가 생명이므로, 여유 하중을 고려하여 베어링을 선택해야 한다. 롤러와 레일은 한계 하중에 가까워지면 변경되고, 때로는 영구적으로 정확도도 변경된다.

자료 제공: Nippon Bearing(www.nbcorporation.com)