리니어 모션 가이드의 조기고장 피하려면, 베어링 마모·오염 등 정확히 파악해야

리니어 가이드나 액추에이터를 시스템에 구현할 때, 리니어 구성 요소가 얼마나 잘 작동하고 얼마나 오래 지속되는지에 대해 기대감을 갖는 것은 당연한 일이다. 그러나 이러한 기대치를 충족하려 면 신중한 제품 선택은 물론이거니와 마모, 오염, 오정렬, 충격 등 다양한 위협에 대한 예방 조치가 필요하다. 이러한 위협을 무시하면 생산 시간과 비용이 소요되며 충돌 또는 조기 오류가 발생할 수 있다. 이번 기사에서는 리니어 모션 장치가 직면할 수 있는 일 반적인 위협에 대해 설명하고 가이드를 최대한 활용하는 데 도움이 되는 팁을 제공하고자 한다.

마모: 움직이는 부품이 있는 모든 기계 장치에 대한 위협

리니어 가이드 선택은 가이드가 의도한 애플리케이션에서 어떻 게 사용될 것인지부터 이해하는 것이 중요하다. 성공적인 설계를 구현하려면 리니어 가이드가 최소한 하중을 지지하고 정확하게 배치되는 것에 중점을 두어야 한다. 하중 처리는 움직이는 부분이 있는 기계 장치에 대한 가장 일반적인 위협인 마찰과 마모에 큰 영향을 미치기 때문이다. 기계 장치는 모든 것이 원활하게 작동할 때 발생하는 정상적인 마모이든, 신뢰성과 성능을 위협할 수 있는과도한 마모이든 관계없이 발생된다.

다음과 같은 특정 조건은 마모를 가속화할 수 있다.

• 부적절한 로딩: 과도한 정하중은 브리넬링 문제와 결국 동적 마 모 및 조기 파손으로 이어질 수 있다. 또 예압이 높으면 베어링 블록 내부에 열이 추가되어 조기 마모가 발생할 수 있다.

• 오염: 많은 가이드와 액추에이터는 먼지를 견딜 수 없다. 현대식 제조 공정에서는 마모를 유발하는 마모성 오염 물질을 많이 배 출할 수 있다. 먼지와 이물질은 레일에 쉽게 쌓일 수 있으며 결 과적으로 베어링 블록 내부에 쌓일 수 있다. 경우에 따라 베어링 이 완전히 먼지에 막혀 장비가 정지될 수 있다. 특히 골판지 포 장 기계는 마모성 판지 먼지가 심하다.

• 마찰: 오염과 부적절한 윤활은 가이드의 롤링 요소와 전동면 사이에 금속 대 금속 접촉을 일으킬 수 있다. 과도한 마찰은 금속 입자 생성을 유발하여 피팅, 프레팅 또는 스폴링 조건을 초래할 수 있다.

• 속도: 베어링의 제한 속도 이상으로 지속적으로 움직이는 하중 은 과도한 열과 조기 마모를 유발할 수 있다.

• 부적절한 설치: 일부 가이드는 제대로 설치되지 않은 경우 바인딩으로 인해 일정한 내력 부하가 발생한다. 이로 인해 베어링이 조기에 마모되어 더 빈번하고 비용이 많이 드는 베어링 교체로 이어질 수 있다.

오정렬: 고장의 주 원인

예상 수명 계산에 따라 몇 년 동안 지속되어야 하는 리니어 가이드는 원활하게 작동하는데 필요한 형상 공차에 정렬되지 않은 경 우, 단 몇 달 또는 경우에 따라 단 몇 주 후에 종료될 수 있다. 레일 이 장착 중에 베어링에 대해 충분한 평면 및 평행이 불충분하거나, 또는 기계 프레임이 베어링 레일의 수평축, 수직축에서 동일 평면에 있지 않는 경우 오정렬이 발생한다.

그 결과 과도한 점하 중을 포함한 가이드의 롤링 요소와 레이스웨이 표면에 불균일한 하중이 가해진다. 이러한 고르지 않은 하중은 일반적으로 움직이는 기계 요소가 통과할 때마다 롤링 요소와 레이스웨이 표면의 구멍이 커질 때 마모를 유발한다. 피팅이 발생하면 가이드에 소음이 발생하고 느려 져 결국 피로 스폴링(fatigue spalling)으로 인해 고장이 난다.

기타 고장 원인

리니어 모션 장치는 다음과 같은 이유로 조기 고장이 발생할 수 있다.

• 진동: 진동은 많은 산업용 기계 애플리케이션에서 흔히 발생한다. 여기에는 베어링 간극, 부적절한 예압, 규정 준수 구조, 빈번 한 정지-시작 급속 가속 토크 및 동작 또는 과도한 하중이 포함된다. 그 결과 가이드를 약화시킬 수 있는 진동 및 충격 하중이 발생한다.

• 충돌 및 충격: 충돌 또는 ‘하드 스톱’은 제어할 수 없는 캐리지가 베어링의 엔드 스톱이나 다른 중간 대상에 부딪힐 때 발생한다. 리니어 축을 처음 시작할 때 가장 자주 발생한다. 단 한 번의 충 돌로 관련 중단 시간 및 비용과 함께 교체가 필요한 지점까지 베어링이 손상될 수 있다.

• 부적절한 윤활: 리니어 가이드와 액추에이터가 건조하고 더러워진다. 적절한 윤활이 없으면 마찰로 인해 찌그러짐, 패임, 프레팅 또는 스폴링의 형태로 과도한 마모가 발생할 수 있다. 잘못된 윤 활유를 사용하면 장치가 손상될 수 있다. 많은 리니어 베어링은 리튬 기반 광유 그리스를 사용하는 반면, 흑연 또는 몰리브덴 기반 그리스는 잠재적으로 손상을 일으킬 수 있다. 솔벤트 기반 윤활제는 피해야 하다. 과도한 윤활은 베어링 시스템의 윤활 부족 만큼 해로울 수 있다.

조기 고장을 피하는 전략

조기 고장을 방지하고 비용을 낮게 유지하는 가장 좋은 시기는 기계 설계 단계이다. 베어링이 설치된 후 문제가 발생하면 비용이 기하급수적으로 증가한다. 충분한 통찰력, 적절한 유지 관리 및 예방 조치에 대한 주의를 통해 리니어 모션 가이드 및 액추에이터 의 길고 안정적인 수명을 보장할 수 있다.

다음은 몇 가지 유용한 권장 사항이다.

• 적절한 하중 처리: 가이드를 선택할 때 의도한 속도와 가속도에서 하중을 처리하도록 설계되었는지 확인한다. 우수한 모션 가이드 제조업체는 고객이 추력, 동적 하중 및 굽힘 모멘트와 같은 하중 관리 및 정확한 위치 지정에 영향을 줄 수 있는 요소를 평가하도록 지원한다. 부하 관리에는 기계 제작 중에도 주의가 필요하다. 더 높은 가속도 적용을 위해 예압을 추가하는 경우, 너무 많은 예압은 과도한 열과 마모를 유발할 수 있음을 기억해야 한다. 그리고 가이드를 제대로 장착했는지 확인해야 한다. 오정 렬은 볼, 롤러 및 전동면을 손상시킬 수 있는 불균일한 하중을 생성한다.

• 오정렬 방지: 설계에 가이드가 두 개 이상 필요한 경우 제조업체의 사양 내에서 정확하게 정렬해야 하다. 가능하면 가이드를 기준 표면에 미리 정렬하고 모든 측정값이 정확한지 확인한다. 그렇지 않으면 상당한 시행 착오로 인해 프로세스에 많은 비용이 발생한다. 가이드는 꽉 조이는 부분이 없고 동작이 거의 균일하고 마찰이 없을 때까지 점진적으로 정렬되어야 하며, 맞춤형 고정 장치, 볼트 조정 및 심을 사용할 때마다 제자리에 고정되고 분리되어야 한다.

원치 않는 뒤틀림 또는 휘어짐을 방지할 수 있을 만큼 충분히 단단한 장착 표면을 만들기 위해 프레임을 보강해야 할 수도 있다. 오정렬을 해결하는 더 쉬운 방법은 오정렬을 허용하도록 설계 된 가이드를 찾는 것이다. 예를 들어 Rollon의 콤팩트 레일 시리 즈 롤러는 궤도 내에서 충분한 회전 및 측면 자유도를 가지고 있 어 모든 축에서 큰 오정렬을 상쇄할 수 있다. 또 다른 Rollon 가 이드인 벨트 구동 Uniline 시스템은 컴팩트 레일을 사용하여 탠 덤 액추에이터가 조화롭게 작동하도록 한다.

• 청결 유지: 장치를 오랫동안 사용하려면 장치를 깨끗하게 유지해야 하다. 고객이 오염을 방지할 수 있도록 리니어 모션 가이드 및 액추에이터 제조업체는 일반적으로 베어링 씰과 벨로우즈 또는 기타 유형의 커버를 내장하거나 부속품으로 제공한다. 이러한 구성 요소는 클린룸 환경이나 금속 칩으로부터 모션 시스템 을 물리적으로 보호하는 것이 매우 중요한 머시닝 센터 내부에서 특히 바람직하다.

중장비 애플리케이션의 경우 Rollon의 알루미늄 양극 처리 ELM 액추에이터는 먼지와 오염 물질을 견딜 수 있도록 설계되었다. 액추에이터 라인의 일부로 내부 부품을 보호하기 위해 폴리우레탄 실링 스트립으로 완전히 밀봉되어 제공되며 선택적인 벨로우즈는 중요한 환경에서 사용할 수 있다.

중간 정밀도 애플리케이션의 경우, 작은 롤러와 달리 오염 물질 을 대체하거나 전복시킬 수 있는 더 큰 직경의 롤러가 있는 베어링을 찾아야 한다. Rollon의 Compact Rail과 같은 일부 가이드에는 오염 물질이 롤러나 레일 표면을 손상시키는 경우에도 원활 하게 작동할 수 있는 대구경 롤러가 보완된 Slider Paks가 있다.

• 윤활 및 유지보수: 정기적인 윤활도 중요하다. Rollon에서 제공하는 모든 액추에이터와 가이드는 미리 윤활 처리되어 있으며, 특정 시간 또는 이동 거리 동안 시스템을 윤활하는 그리스 팩도 포함한다. 다른 장치는 사실상 유지 보수가 필요 없도록 설계되었다.

예를 들어 Rollon의 Speedy Rail 제품군은 롤러와 레일 사이에 윤활유 필름이 필요 없이 정격 수명이 80,000km 이상인 폴리머 코팅 강철 롤러를 사용한다. 이것은 지속적인 작동을 요구하는 자동화 프로세스에 특히 매력적이다. 또한 베어링 캐리지에 통합되는 자체 윤활 와이퍼는 ‘영구 윤활’ 가이드에 대한 저렴하고 깨끗한 대안이다. Rollon은 최대 200만 주기 동안 윤활을 자 체 윤활 와이퍼가 있다.

• 듀티 사이클에 맞는 액추에이터 선정: 자동화 셀 및 기타 산업 기 계에는 예상 수명 사이클, 스트로크, 속도 및 가속도가 있다. 이러한 지표를 사용하여 기계 수명을 결정하기 위해 엔지니어는 가이드가 몇 시간 동안 사용될 것인지 알고 적절한 부하 요구사 항에서 작동하는지 확인해야 하다. 가이드는 모터의 토크 및 속도 등급과 기어박스의 토크 등급 내에서 작동해야 하다.

모터가 너무 크면 샤프트가 비틀림 및 주기 응력을 처리할 수 있어야 한다. 또한 페이로드의 관성과 리니어 모션 시스템의 모든 움직이는 부품은 최적의 작동을 위해 모터 관성과 일치해야 한다. 올바 른 액추에이터 제조업체는 이러한 계산을 지원하고 모터 및 기 어박스를 추천할 수 있다.

• 충격 및 충돌 방지: 충돌을 완화하는 가장 좋은 방법은 예기치 않은 오버 트래블을 허용하도록 세심하게 설계된 모션 시스템을 사용하여 처음부터 충격을 피하는 것이다. 충돌 전에 모터를 중지하기 위해 컨트롤러에 위치 데이터를 보낼 수 있는 근접 센서 및 제한 스위치와 같은 외부 구성 요소를 추가한다.

마지막으로 작업자가 의도한 동작 프로필 내에서 리니어 장치를 실행하는지 확인한다. 리니어 축이 초과 이동을 허용하더라도 조건이 바뀌면 추가 공간이 사라질 수 있다. 이러한 예방 조치에도 불구하고 때때로 강한 충격 충돌 정지가 여전히 발생할 수 있다. 이러한 상황에서 고품질 액추에이터에는 엘라스토머 범퍼가 내장되어 있어 손상을 방지할 수 있다. 외 부에 장착된 충격 흡수 장치는 충격을 완화하고 충돌 손상을 더 잘 완화할 수 있다.

• 정확하고 반복 가능한 포지셔닝 보장: 오정렬, 마모 또는 충돌이 없더라도 정확하고 반복 가능한 동작에 대한 기대치를 충족하지 못하는 가이드는 고객에게는 ‘실패’를 의미할 것이다. 모터와 기 어박스를 선택할 때 액추에이터의 리니어 진행에 대한 위치 피드백을 제공하기 위해 로터리(증분 또는 절대) 엔코더를 추가하는 것에 대해 모션 가이드 제조업체에 문의한다. 위치 정확도와 반복성을 보장하기 위해 적절한 크기, 해상도 및 설정을 갖춘 모터 엔코더를 권장할 수 있다. 액추에이터 제조업체의 기계적 반복성 사양을 확인하여 요구 사항을 충족하는지 확인한다.

올바른 공급업체는 조기고장 방지에 도움

리니어 베어링 고장을 방지하는 데 있어 특별한 리니어 시스템은 없다. 이것이 바로 Rollon이 자체 시스템에 품질을 직접 구현하는 이유이다. 예를 들어, 당사의 리니어 가이드는 무거운 단면 알루 미늄 압출 바디와 유도 경화 및 연마된 레이스웨이를 특징으로 하 여 오염에 견디면서 높은 부하 용량을 달성한다.

또한 액추에이터 라인은 업계에서 가장 강력한 알루미늄 압출 바디를 제공한다. 주요 기능으로는 알루미늄 양극 산화 구조의 자립형 액추에이터와 사실상 유지 보수가 필요 없는 작동이 있다. 자체 지지형 액추에이터를 사용하면 고객이 장치의 끝을 지지하 기만 하면 하중이 가해지는 처짐을 최소화할 수 있다.

Rollon은 액추에이터가 과도한 편향 없이 처리할 수 있는 최대 부하를 계산하는 데 도움을 줄 수 있다. 또한 더 나은 인장 강도와 정확성을 위해 벨트 구동식 액추에이터에 사용되는 풀리를 가공하고 충격 및 내충격성을 위해 Kevlar 또는 강철 강화 벨트를 제공한다.

선택 과정에서 베어링 제조업체가 고객의 사양을 이해하는지 확인한다. 표준 제품이 귀하의 요구사항을 완전히 충족하지 못하는 경우 맞춤화 옵션을 제공하는 베어링 파트너를 찾는다. 많은 베어링 제조업체는 표준 부품만 제공하므로 필요에 맞는 부품을 찾을 때까지 여러 공급업체를 탐색한다. 대부분의 경우 Rollon은 고객이 애플리케이션에 가장 적합한 액추에이터를 구 성하고 의도한 부하 및 듀티 사이클에 맞는 크기인지 확인하도록 도울 수 있다.

베어링의 길고 고장 없는 수명 보장

리니어 모션 가이드는 일반적으로 기계의 필수 부품이므로 조기 고장으로 인해 베어링을 교체하면 상당한 가동 중지 시간과 교체 비용이 발생한다. 리니어 가이드는 시간이 지남에 따라 응력, 마 찰, 열 및 마모 유발 조건에 취약하다. 즉 신중한 선택, 기계 설계 단계에서 보호 조치에 대한 조기 주의 및 정기적인 유지보수 일정을 통해 길고 고장 없는 수명과 고객 만족을 보장할 수 있다.

Rollon은 강화 및 연마된 레이스웨이, 헤비 듀티 알루미늄 돌출 부, 낮은 백래시 유성 기어박스, 강철 및 케블라 코드로 강화된 타이밍 벨트, 정밀 볼 나사, 랙 및 피니언 드라이브, 액세서리 및 엔지 니어링 지원을 통해 긴 서비스 기간 동안 안정적이고 반복 가능한 성능을 제공하는 최적의 리니어 모션 시스템을 제공할 수 있다.

자료제공: Rollon(www.rollon.com)