최적의 볼 스크류 선정을 위한 9가지 고려 사항

볼 스크류 어셈블리는 회전운동을 선형운동으로 또는 그 반대로 변환시킨다. 볼 스크류는 소형 실험실의 유체펌프에서 대형 갠트리 시스템에 이르기까지 다양한 자동화 분야에서 구성요소와 제품을 가이드, 지지, 배치 및 정확히 옮기는 일 등에 널리 사용된다. 주어진 분야에 맞는 볼 스크류는 총비용을 최소화하면서 정확도, 반복성 및 수명을 보장한다. 본문은 볼 스크류 어셈블리에 대한 개요와 모션시스템 설계자가 최적의 애플리케이션을 확보하기 위한 고려 사항을 설명한다.

볼 스크류 기초

볼 스크류 어셈블리는 볼 스크류와 순환 볼 베어링이 있는 볼 너트로 구성된다(그림 1). 볼 베어링에 의해 형성되는 스크류와 너트사이의 인터페이스는 볼 스크류와 볼 너트가 일치하게 움직인다. 볼 스크류에 가해지는 하중은 다수의 볼 베어링에 분산되어 각 볼에 상대적으로 낮은 하중이 가해진다. 롤링요소 설계로 인해 볼 스크류 어셈블리는 마찰 계수가 매우 낮아 기계적 효율성이 높다.

볼 스크류와 리드 스크류의 주요 차이점은 볼 스크류는 마찰을 최소화하고 효율성을 최대화하기 위해 재순환 볼 베어링 스크류를 사용한다는 것이다. 이로 인해 볼 스크류는 리드 스크류보다 비싸지만 더욱 높은 하중과 빠른 속도를 달성한다. 예측 가능한 수명을 달성할 수 있기 때문에 많은 분야에 적용된다. 또한 볼 베어링 어셈블리의 높은 비용은 일반적으로 90% 이상의 기계적 효율성으로 인한 감소된 전력으로 상쇄된다. 사용자 측면에서는, 볼 스크류의 증가된 부하 용량과 보다 긴 수명 및 예측 가능한 신뢰성은 리드 스크류에 비해 큰 장점이다.

부하용량 및 정밀도에 적합한 볼 스크류 어셈블리를 선정하는 것은 반복되는 과정이다. 볼 스크류 선택은 이동할 하중, 필요한 속도, 원하는 포지셔닝 정확도 및 반복성을 결정하는 것으로 시작한다. 볼 스크류 어셈블리의 직경, 리드 및 부하용량을 계산하여 애플리케이션을 구동할 수 있으며, 그 후에는 수명 주기, 장착 구성 및 환경 조건에 대한 내구성을 고려하여 선택을 세분화할 수 있다.

다음은 최적의 볼 스크류 선정을 위한 10단계 과정이다.

1. 부하 및 속도 요구사항을 설정한다.

2. 애플리케이션 기대수명을 결정한다.

3. 정확도 요구사항을 결정한다.

4. 반복성 요구사항을 결정한다.

5. 설치 문제를 평가한다.

6. 볼 너트를 인장 또는 압축 모드로 사용해야 하는지 결정한다.

7. 진동 및 고조파 문제를 고려한다.

8. 다른 디자인 가능성을 조사한다.

9. 취급 및 유지관리 요구사항을 이해한다.

10. 온라인 선택 및 구성 도구를 최대한 활용한다.

다음은 각 단계들을 살펴본다.

1. 하중 및 속도 요구사항 설정

구성요소 옵션을 고려하여 하중 또는 속도 사양을 수정하게 될 수도 있지만 이는 애플리케이션에 따라 다르다.
볼 스크류는 Ø6.3in(160mm)를 사용하여 동적용량이 337,213lb(1500kN) 이상인 높은 추력 하중을 처리하는 데 사용한다. 볼 스크류 어셈블리로 일반적으로 90% 이상 효율을 달성할 수 있으며, 최대 속도는 4500RPM이다.

2. 애플리케이션 기대 수명 결정

볼 스크류의 예상 수명은 작동 프로필(하루에 몇 시간, 일주일에 며칠, 연간 몇 주 동안 작동될 것인지)과 전체 수명 요구사항을 기반으로 정의해야 한다. 더욱 복잡한 애플리케이션의 경우 모션 프로파일을 작성해야 할 수도 있다. 모션 프로파일의 각 세그먼트는 시작 속도, 끝 속도, 시간 및 토크를 입력해야 한다.

그림 2의 각 볼 너트에 대해 지정된 동적 정격하중을 사용하여 어셈블리 수명을 계산한다. 곡선이 표시된 점을 통과하는 위에 있는 볼 너트가 이 예에 적합하다. 이 그래프에 표시된 예상수명은 개별 볼 너트 어셈블리에 대한 정격표에 나와 있는 최대 정적 부하용량을 초과하지 않는 조건이다. 그림 2의 화살표로 표시된 예에서 원하는 애플리케이션 기대수명(총 이동 거리)이 200만 in(5080만 mm)일 때 최대 정상 작동부하는 10,000lb(44,500N)가 된다.

3. 정확도 요구사항 결정

리드 정확도는 볼 스크류 정확도의 척도이다. 리드는 스크류를 한 번 360도 돌릴 때 회전하지 않는 볼 너트가 이동하는 거리를 나타낸다. 리드 정확도는 inch 단위로 제작된 볼 스크류에서 1 foot 당(또는 미터법 제품에서 300mm당) 허용 가능한 이동변동(실제 위치 vs 이론상 위치)으로 측정된다.

볼 스크류는 운송(T 등급) 및 포지셔닝(P 등급)의 두 가지 공차에서 사용할 수 있다. T 등급은 일반적으로 ±50 μm/300 mm 이상의 낮은 정밀도 수준이다. 설계자는 애플리케이션에 필요한 한 지점으로부터 다른 지점으로의 하중 변환을 지정한다. 애플리케이션이 외부 피드백 어셈블리를 구현하지 않고 하중의 절대 위치에 대한 데이터가 필요한 경우 ±23μm/300mm 이하의 정확도를 제공하는 높은 정밀도의 P 등급을 지정한다.

정확도 지정은 또한 위치 오차의 전체 누적을 정의한다. 이송 등급 오류는 누적 및 선형인 반면, 정밀 등급 오류는 제한된다. 운송 등급 볼 스크류는 정밀 등급보다 저렴하다. 그림 3은 볼 스크류의 사용 가능한 길이에 따른 운송 및 정밀 등급 변화를 비교한다.

4. 반복성 요구사항 결정

반복성은 작동 중에 지정된 위치로 돌아갈 수 있는 능력을 측정한다. 영향을 미치는 반복성은 축 방향 또는 반경 방향으로 측정할 수 있는 백래시로 알려진 너트와 스크류 사이의 자유로운 움직임이다.

볼 스크류 백래시는 주로 볼 베어링 직경과 관련이 있다. 축 방향 백래시를 측정하려면 스크류가 움직이지 않도록 고정하고 다이얼 게이지로 움직임을 측정하면서 볼 너트를 축 방향으로 밀고 당긴다. 또는 시스템의 볼 너트에 다이얼 표시기를 놓고 원래 위치로 앞뒤 1in 구동한다. 백래시는 0에서 벗어나는 변동이다. 반복성은 그 변화의 양적 값이며 볼 스크류는 낮은 백래시와 우수한 반복성이 특징이다.

너트에 예압을 가하면 백래시를 제어할 수 있다. 스킵 리드 예압(skip-lead preload)을 사용하면 리드가 볼 너트 내에서 오프셋되어 정확한 예압을 제공한다. 이러한 유형의 예압은 일반적으로 반복성과 높은 강성이 모두 필요한 곳에 사용한다. 이중 너트 조정이 가능한 예압은 압축 스프링을 사용하여 두 개의 볼 너트를 서로에 대해 축 방향으로 하중을 가하는 것을 포함한다. 일반적으로 반복성이 중요한 포지셔닝 애플리케이션에 사용한다.

예압을 사용하지 않는 경우 스크류와 너트 사이에는 축 방향 유격이 존재하며 크기에 따라 0.002~0.008 in(0.06~ 0.2mm)이다. 예압은 일반적으로 운송 또는 수직 적용에 사용하지 않는다. 예압을 가하지 않은 볼 너트는 구성요소 사이에 내부 간극이 있으므로 백래시가 존재한다. 그러나 예압 볼 너트에는 축방향 클리어런스가 없으므로 백래시가 제거되고 강성이 증가한다.

예압은 또한 스크류를 회전시키는데 필요한 토크를 증가시키며 동적용량에 대한 예압의 백분율로 측정된다. 동적 용량이 1500 lb이고 예압정격이 10%인 볼 너트에는 150 lb의 내부 예압이 있다. 정밀 볼 스크류는 일반적으로 예압 없이 사용한다. 볼스크류에 예압을 가하면 백래시가 제거되어 반복성이 향상되고 정확도에는 영향을 미치지 않는다.

예압을 가한 볼 너트는 일부 정밀 스크류 제품에서 사용할 수 있다. 복잡성, 추가 가공, 조립 및 검증/측정으로 인해 예압을 가하지 않은 너트보다 비용이 많이 든다. 볼 스크류 어셈블리는 이중 또는 단일 너트 구성으로 예압을 가할 수 있다.

예압에는 싱글너트 대형 볼(4점 접점), 싱글 너트 스킵 리드(2점 접점) 및 더블 너트(2점 접점)의 세 가지 주요 유형이 있다(그림 4). 단일 너트 예압은 전체 부하 용량을 유지하면서 가장 작은 패키지 크기를 유지한다. 스킵 리드 볼 너트는 볼 베어링의 절반만 각 방향으로 예압되므로 단일 너트 용량이 절반이다. 이중 너트 예압 어셈블리는 각 방향으로 하나의 볼 너트만 로드되기 때문에 단일 너트와 동일한 하중 용량을 갖는다.

스크류의 회전 여부도 반복성에 영향을 미친다. 표 1에 나와 있는 것처럼, 표준 예압으로 압연 생산된 볼 스크류는 최대 400kN의 정적 하중, 최대 130kN의 동적 하중, 최대 8m 길이 및 최대 직경 80mm 까지, 정밀 등급을 P3까지 지정할 수 있다. 더 크고 정밀한 클래스 애플리케이션에는 whirled 또는 접지 샤프트가 필요하다.

5. 설치 문제 평가

장착 유연성의 정도는 볼 스크류 옵션에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 끝단 지지대의 구성과 이동 거리는 볼 스크류의 하중과 속도 제한을 결정한다. 볼 스크류는 지지 또는 고정으로 구성된다. 지지점에는 굽힘 모멘트가 없다. 지지된 끝은 고정된 것보다 정렬 및 설치가 쉽기 때문에 설치 비용이 저렴하다. 고정단은 볼 스크류가 회전 베어링의 평면에 수직으로 유지되도록 두 개의 베어링을 기반으로 하기 때문에 굽힘 모멘트 하중에 저항한다. 고정은 뛰어난 강도와 높은 임계 속도를 제공한다.

그림 5는 네 가지 고정 옵션을 보여준다. 어셈블리는 양쪽 끝에서 고정되거나, 한쪽 끝에서만 고정되고 다른 쪽 끝에서는 지지되거나, 양쪽 끝에서 지지되거나, 한쪽 끝에서 고정되고 다른 쪽 끝에서 자유로울 수 있다.

또한 어셈블리는 최적의 성능과 수명을 달성하기 위해 구동 시스템, 베어링 지지대 및 하중과 적절하게 정렬되어야 한다.
기하학적 방향은 주요 설치 요소이다. 수평 방향에서 하중은 페이로드 중량에 마찰 계수를 곱한 것과 같다. 수직 방향에서 하중은 무게와 같다. 위치 요구 사항에 따라 볼 스크류 등급이 결정된다.

6. 볼 너트를 인장 또는 압축 모드로 사용해야 하는지 결정

인장 하중은 스크류를 축 방향으로 늘려서 잠재적으로 균열을 일으킬 수 있다. 압축 하중은 스크류에 축 방향으로 압력을 가하여 스크류를 휘게 만들 수 있다.
인장 상태의 볼 스크류는 너트의 정격 용량까지 하중을 처리할 수 있으므로 인장 모드에서 볼 너트를 사용할 때 너트의 정격 용량을 확인하면 된다.

압축 중인 볼 너트의 경우 그림 6의 압축 하중 차트를 사용해 설계 하중을 충족하거나 초과하는 직경을 선택한다. 이때 플롯된 점의 오른쪽 또는 위를 통과하는 곡선이 있는 스크류가 적합하다. 이 그래프에 표시된 적절한 압축하중은 개별 볼 너트 어셈블리 정격표에 나와 있는 최대 정적 하중 용량을 초과하지 않아야 한다.

예: 길이 85inch(2159mm), 시스템 부하 30,000 lb(133.5kN) 그리고 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 지지되는 고정 장치일 때 최소의 선택은 1.750 x 0.20 in. 볼 스크류 조립이다. 너트의 허용 압축하중을 계산하거나 제조업체에서 제공한 압축하중 그래프를 참조하여 필요한 하중을 충족하거나 초과하는 볼 스크류 직경을 선택한다.

볼 스크류는 축 방향 하중에서만 가장 잘 작동한다. 스크류는 모터의 토크에 의해 볼 너트에 발생하는 하중과 동일하고 반대인 축 방향 하중으로 전달해야 한다. 압축하중에서 좌굴(buckling)을 방지하는 볼 스크류의 능력을 기둥강도(column strength)라고 하며, 이는 길이 대 직경의 비율로 특징지어 진다. 압축하중은 기둥강도에 따라 달라진다.

양단이 고정된 볼스크류는 양단만 지지한 볼스크류보다 1.5배, 자유단이 있는 볼스크류보다 2.5배 길다. 좌굴 없이 같은 양의 하중을 지지할 수 있다. 기둥 강도는 긴 기둥의 압축 강도보다 훨씬 낮기 때문에 제어 설계의 매개변수이다.

7. 진동 및 고조파 문제

볼 스크류의 제한속도는 고유 진동수에 따라 달라지는 경향이 있다. 임계속도는 볼 스크류에 조화진동(harmonic vibrations)을 설정하는 회전속도이다. 임계 스크류 속도는 스크류의 루트 직경, 지지되지 않는 길이 및 끝 지지대 구성에 따라 다르다.

예를 들어, 양쪽 끝이 고정된 100in 길이, 1in-root 지름 볼 스크류의 고유 진동수는 약 18Hz이다. 양쪽 끝을 고정하지 않고 지지하면 동일한 볼스크류의 고유진동수가 약 8Hz로 감소한다. 스크류의 회전 주파수가 고유 진동수와 일치하면 약간의 불균형이 공진할 수 있다. 과도하게 구부러지면 스크류가 제대로 작동하지 않는다.

그림 7은 볼 스크류의 허용속도 대 길이를 보여준다. 플롯된 점의 오른쪽 또는 위를 통과하는 곡선이 있는 모든 스크류가 이 예에 적합하다. 그림 하단에 있는 4개의 끝단 고정 도면은 회전 샤프트를 지지하기 위한 베어링 구성을 보여주고 차트는 지지되지 않은 스크류 길이에 대한 임계 샤프트 속도에 대한 영향을 보여준다. 이 그래프에 표시된 허용 가능한 속도는 스크류 축에 적용되며, 모든 볼 너트 어셈블리에서 얻을 수 있는 속도를 나타내는 것은 아니다.

하중, 수명 및 속도 계산을 통해 선택한 볼 스크류 어셈블리가 설계 요구사항을 충족하거나 초과하는 것으로 확인되면 다음 단계로 진행한다. 그렇지 않은 더욱 큰 직경의 스크류는 부하 용량을 증가시키고 정격 속도를 증가시킨다.

리드가 작을수록 선형 속도는 감소하고(일정한 입력 모터 속도 가정), 모터 속도는 증가하고(일정한 선형 속도 가정), 필요한 입력 토크가 감소한다. 일정한 모터 속도를 가정할 때 리드가 높을수록 선형 속도도 증가한다. 일정한 선형 속도를 가정하여 입력 모터 속도를 줄일 수 있으며, 필요한 입력 토크를 높일 수 있다.
속도 요구사항을 충족할 볼 스크류의 리드를 다음과 같이 계산한다.

Lead(in)=TRavel Rate (in./min)/rpm 모든 볼 스크류에는 스크류의 과도한 진동/고조파 지점인 고유한 회전속도 제한이 있다. 이 임계 속도는 최종 구성에 따라 다르다(그림 5). 특정 볼 스크류 시스템의 임계속도를 결정하는 데 도움이 되도록 제조업체의 허용 가능한 속도 그래프를 사용해야 한다.

8. 다른 디자인 가능성 조사

볼 스크류 선택에서 고려해야 할 또 다른 요소는 볼 리턴 시스템, 애플리케이션 인터페이스, 환경 복원성 및 미터법 측정 척도이다.
볼 리턴 시스템 선택은 애플리케이션에 따라 비용, 설치, 소음 등이 달라진다. 유형은 다음과 같다.

• 인치 스크류에 사용하는 외부 리턴 튜브(External return tubes)는 비용 효율적이고 설치, 유지보수가 쉽다.

• 로우 리드 스크류에 사용하는 내부 버튼 리턴 시스템(internal button return systems)은 장착을 복잡하게 하는 외부 방사형 돌출부가 없어 콤팩트하며 외부 리턴보다 소음과 진동이 적다.

• 내부 버튼 리턴 시스템은 4점 접촉으로 단일 너트 및 예압 어셈블리에 자주 사용한다.

• 하이 리드 스크류에 사용하는 내부 엔드 캡 리턴(Internal end cap returns)은 장착을 복잡하게 하는 외부 방사형 돌출부가 없어 콤팩트하며, 소음과 진동도 외부 리턴에 비해 낮다.

애플리케이션 인터페이스에서 볼 너트 플랜지는 볼 너트를 부하에 부착한다. 스크류형 및 원통형 볼 너트가 대안으로 많은 옵션이 있다. 애플리케이션 인터페이스 요구사항을 달성하기 위해 대부분의 구성에 베어링 지지대 및 맞춤형 끝 가공을 사용할 수 있다.

환경 복원력(Environmental resilience)은 볼 스크류 선택에 영향을 줄 수 있는 또 다른 요소이다. 일부 솔루션은 어셈블리를 오염 물질로부터 보호하고 윤활유를 포함한 표준 와이퍼 키트를 제공한다. 다양한 환경 조건을 견디는 재료 및 코팅 옵션이 제공된다.

인치 또는 미터법 스케일의 선택은 애플리케이션에 따라 결정될 수 있으므로 프로세스 초기에 이에 대한 선택을 하면 옵션이 상당히 제한될 수 있다. 예를 들어, 인치 스케일로 시작하면 운송 등급 애플리케이션에만 사용할 수 있기 때문에 고정밀 요구사항을 해결할 수 없다. 운송 등급 정확도만 필요한 애플리케이션에서는 고정밀 미터법 스케일 볼 스크류를 사용할 수 있다. 또한 외부 볼 리턴 시스템을 사용하여 볼 베어링을 재순환시킬 수 있기 때문에 인치 등급 볼 스크류가 더 나은 선택이 될 수 있다.

외부 복귀 시스템은 내부 재순환 시스템보다 소음이 더욱 크고 덜 매끄럽고 더 많은 공간을 소비하는 경향이 있지만, 제조 비용이 저렴하고 많은 볼 베어링을 사용할 수 있으므로 하중 지지 용량 또는 기대 수명이 늘어난다.

9. 취급 및 유지관리 요구사항

볼스크류는 설치 전에 조심스럽게 다뤄야 한다. 볼 베어링에 대한 충격은 브리넬링(brinelling) 또는 균열을 통해 베어링 레이스를 손상시킬 수 있고, 스크류의 높은 하중이나 휘어짐으로 인해 구부러질 수 있다. 파편과 오염으로 인해 재순환 트랙이 막힐 수 있고 높은 습도나 비가 부식을 일으킬 수 있다.

따라서 윤활유를 바르고 어셈블리를 포장한 후 깨끗하고 건조한 장소에 보관해야 한다.
적절한 윤활은 볼스크류의 성능과 수명에 매우 중요하다. 윤활유는 볼과 홈 사이의 저항과 인접한 볼 사이의 미끄럼 마찰을 최소화하여 낮은 마찰을 유지한다. 윤활유는 계산된 볼 스크류의 수명을 보장한다.

오일은 제어된 유량으로 필요한 지점에 직접 적용할 수 있으며 볼 너트를 통과할 때 오염 물질을 제거한다. 또한 냉각을 제공할 수 있다. 반면 공정 유체를 오염시킬 가능성이 있기 때문에 적절하게 적용하려면 펌프와 계량 시스템이 필요하다.

그리스는 오일보다 저렴하고 사용 빈도가 낮으며 공정 유체를 오염시키지 않는다. 반면에 볼 너트 내부에 유지하기 어렵고 칩과 연마 입자와 볼 너트 이동 끝에 축적되는 경향이 있다. 기존 그리스와 비호환성도 문제를 일으킬 수 있으므로 주의 깊게 확인하는 것이 중요하다. 하중 전달 그리스는 어셈블리의 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있지만 전체 정격 하중은 변경되지 않는다.

일부 애플리케이션에서는 소음도 고려 사항이다. 큰 볼 스크류는 보다 큰 볼 베어링을 사용하므로 본질적으로 시끄럽다. 외부 반환 시스템은 내부 반환 시스템보다 더욱 시끄럽다. 스페이서 볼을 사용하면 볼 너트의 소음을 줄일 수 있지만 부하 용량을 줄일 수 있다. 그리스를 선택하고 적절하게 적용하면 전체 소음 수준도 줄일 수 있다. 백래시를 최소화하거나 제거하는 것도 어셈블리의 소음을 줄이는 방법이다.

유지보수 담당자는 기계의 정지시간을 방지하고 수명을 최대화하기 위해 볼 스크류를 주기적으로 검사해야 한다. 다음 점검을 수행하면 문제를 찾는 데 도움이 된다. 손상을 일으킬 수 있는 깨진 볼이나 부품 마모를 나타낼 수 있는 금속 조각이 있는지 확인한다.

• 틈새를 측정하여 구성품 마모를 확인한다.

• 레이스의 마모, 스폴링, 브리넬링 및 오염 여부를 확인한다.

• 스크류가 윤활 처리되어 있고 오염 및 부식이 없는지 확인한다.

• 모든 연결이 단단히 조여져 있고 진동 문제가 없는지 확인한다.

• 구동 시스템을 점검하여 토크가 일정하고 볼 스크류가 부드럽고 조용하게 작동하는지 확인한다.

• 소음 수준은 초기 작동시와 같아야 한다. 볼 너트의 이동은 부드럽고 규칙적이어야 한다. 소음 수준은 내부 손상을 의미한다.

결론

볼 스크류는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 탁월한 방법을 제공한다. 애플리케이션에 올바른 볼 스크류를 적용하려면 설계 엔지니어가 각각의 장점과 기능을 고려해야 한다. 올바른 기술을 선택하면 설계 복잡성을 줄이고 성능을 개선하며 어셈블리의 전체 비용을 절감할 수 있다.

자료 제공: Thomson(www.thomsonlinear.com)