캠 팔로워의 스타일, 구성, 설치 및 선택에 관한 가이드

회전 운동을 선형 운동으로 변환해야 하는 경우 캠 팔로워는 정밀도, 간편한 장착, 신뢰성 및 유지보수 이점을 제공한다. 캠 팔로워는 가장 간단하면서도 다재다능한 모션 제어 구성 요소 중 하나로, 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 캠 팔로워는 필수적인 메커니즘임에도 불구하고 종종 잊혀지는 제품이다. 하지만 장비의 모션 구성 요소를 지정할 때 캠 팔로워를 간과하는 것은 큰 실수라고 할 수 있다.

기본 스터드 캠 팔로워는 단순한 디자인으로 특정 애플리케이션 요구 사항과 환경에 맞게 다양한 버전으로 제공된다. 즉, 전체 시스템의 성능과 안정성은 캠 팔로워의 기본 사항과 사용 가능한 다양한 구성에 대한 이해에 따라 달라질 수 있다. 캠 팔로워를 잘못 선택하거나 잘못 장착하면 부적절한 로딩, 정렬 불량, 오염 및 조기 고장이 발생할 수 있다.

이 기사에서는 캠 팔로워 작동 원리, 하중 처리 기능, 구성 요소, 장착 및 유지보수에 대한 개요를 제공하고자 한다. 캠 팔로워의 기본 사항을 이해하면 기계 또는 시스템 성능을 극대화하고 긴 수명을 보장 하는 적합한 캠 팔로워를 선택할 수 있다.

캠 팔로워란 무엇인가?
 

캠은 다양한 기계에서 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 장치이다. 캠 팔로워는 캠 로브 프로파일에 롤링 접촉하여 선형 축에서 이동해야 하는 부품에 규정된 동작을 전달하는 가이드 메커니즘이다. 캠 팔로워는 비교적 저렴하며, 일부 기계에는 20~30개의 캠팔로워가 포함되어 있다. 전체 공장에서는 수백 또는 수천 개를 사용할 수도 있다.

공작 기계, 산업용 로봇, 컨베이어, 팔레트 교환기, 포장 기계, 전자 부품 생산, 사무 자동화 장비, 재봉틀 등이 대표적인 애플리케이션이다. 또한 내연기관(IC) 엔진의 밸브 개방 메커 니즘으로도 자주 사용된다. 다른 메커니즘도 캠 팔로워와 동일한 기능을 수행할 수 있지만 일반적으로 해당 애플리케이션에 적합하지 않다.

▲ 캠 팔로워는 일반적으로 육각렌치/ Allen 렌치를 사용하여 쉽게 설치하고 조일 수 있다.

캠 팔로워의 특성
 

적절한 캠 팔로워는 올바르게 설치하면 처짐이나 정렬 불량 없이 하중을 고르게 분산시킨다. 많은 캠 팔로워는 스터드와 회전하는 외부 링이 통합되어 있으며, 관통 구멍을 통해 결합 부품에 장착하는 제품도 있다. 외부 링이 두꺼운 장치는 일반 적으로 반경 방향 간격이 작아 하중 용량이 우수하고 충격 하중을 완화하고 충격과 진동을 완화하는 능력이 뛰어나다.

표준 캠 팔로워는 일반적으로 다양한 애플리케이션에 적합한 광범위한 스터드 직경을 제공한다. 대부분 베어링 외부의 제자리에 고정하기 위한 육각 피팅이 포함되어 있다. 최신 캠팔로워에는 스터드의 한쪽 또는 양쪽 끝에 육각 피팅이 포함 되어 있다. 이를 통해 설치자는 베어링이 기계의 어느 위치에 있든 더 정확하고 일관성 있게 잡고 조일 수 있다.

열악한 환경에서의 오염 방지 및 신뢰성 보장
 

많은 캠 팔로워가 스테인리스 스틸 버전으로 출시되어 세척이 잦은 장비에 탁월한 내식성을 제공한다. 또한 스테인리스 스틸 구조는 오일을 사용할 수 없는 곳이나 클린룸, 우주 또는 진공 환경에서도 적합하다. 실제로 일부 캠 팔로워는 우주 정거장과 인공위성에서 안테나나 태양 전지판을 열거나 닫는데 사용된다.

우주 및 진공 환경에서 사용되는 장비는 유지보수를 위해 접근할 수 없는 경우가 많고 윤활 그리스는 가스를 배출하여 민감한 부품을 오염시킬 수 있으므로 공급업체는 더 적합한 그리스를 권장한다. 이러한 환경에서는 금속 씰이 선호되는 경우가 많지만, 특정 요구 사항을 충족하기 위해 ‘Viton’과 같은 다른 씰 재료도 사용할 수 있다.

많은 적용 분야에서 효과적인 씰은 이물질 유입을 차단하고 그리스 누출을 방지하며 추력 하중과 같이 조기 고장을 유발할 수 있는 여러 조건으로부터 보호한다. 이러한 씰 중 하나인 IKO의 ‘ThrustDisk Seals’는 외륜, 스터드 헤드 및 측면 플레 이트의 숄더 사이에 합성수지 디스크가 장착 오류로 인한 축방향 하중을 처리하여 베어링 내부의 마찰과 마모를 방지하고 탁월한 내마모성과 내열성을 제공한다. ThrustDisk Seals 캠팔로워 제품군 외에도 고무 씰은 IKO의 C-Lube 및 미니어처캠 팔로워 제품군과 함께 제공된다.

애플리케이션 도전 과제
 

일부 캠 팔로워 모델은 까다로운 작동 조건을 견딜 수 있도록 특별히 설계됐다. 케이지형 캠 팔로워는 베어링의 니들을 고정 하여 정렬 불량으로 인한 마모와 마찰을 방지하고, 풀 컴플리 멘트(Full-complement) 유닛은 높은 레이디얼 하중을 견뎌 낸다. 다음은 몇 가지 일반적인 애플리케이션 과제와 이를 해결하기 위해 선택 과정에서 살펴봐야 할 캠 팔로워 기능이다.

• 무거운 페이로드: 외부 링이 두꺼운 캠 팔로워는 하중 면적이 더 넓고, 스터드가 무거운 캠 팔로워는 강도도 더 높다. 두 요소 모두 가이드 표면과 직접 접촉하여 더 무거운 하중에도 정확하고 부드러운 움직임을 보장한다. 이 구성 요소 외에도 일부 캠 팔로워에는 고강도 애플리케이션에서 일반적인 축 방향 하중과 함께 큰 반경 방향 하중을 처리하기 위해 두 줄의 원통형 롤러로 구성된 외부 링이 있다.

• 고르지 않은 하중: 고르지 않은 하중을 방지하려면 스터드에 편심 칼라가 고정된 캠 팔로워를 고려하는 것이 좋다. 회전하는 칼라는 반대쪽 트랙 표면에 대해 방사형 방향으로 쉽게 조정되는 균일한 라인을 만들어 외부 링 전체에 하중을 고르게 분산시킨다.

• 트랙 불량으로 인한 충격 하중: 때로는 캠 팔로워보다 결합 부품이 모션 품질에 더 큰 역할을 하는 경우가 있다. 이러한 상황에서는 고무 또는 코팅 처리된 외부 링이 열악한 트랙으로 인한 충격 하중을 완화할 수 있다. 코팅이나 재질에 따라 캠 팔로워의 외부 링에는 트랙 마모를 방지하는 데 도움이 되는 윤활 특성이 있을 수 있다.

• 공간 제약: 표준 캠 팔로워가 좁은 공간에 맞지 않는 경우에도 스터드 직경이 1.4밀리미터 이하인 캠 팔로워를 찾을 수 있다. 이러한 컴팩트한 디자인은 작은 외부 링 직경 내에 매우 얇은 니들 롤러를 사용한다. 다른 제품들은 조립 영역의 스터드 쪽에 종종 존재하는 공간 제한을 해결하는 마운팅 구조를 가지고 있다.

▲ IKO의 ThrustDisk 기술은 외륜, 스터드 헤드 및 슬라이드 플레이트의 슬라이딩 접촉 영역에 내장되어 축 하중을 처리한다.

캠 팔로워 선택시 고려 사항 및 트레이드 오프(Trade-Off)
 

캠 팔로워 선택시 애플리케이션에 따라 다양한 요소와 장단점을 고려해야 한다. 여기에는 하중과 그 방향, 속도, 처짐 및 오정렬, 작동 환경 및 유지보수 요구 사항이 포함되지만 이에만 국한되지 않는다. 장비에 진동 또는 왕복 동작이 필요한 경우 동일한 동작을 따르는캠 팔로워를 선택해야 한다.

무엇보다도 스터드와 외부 링이 예상 하중을 지탱할 수 있어야 한다. 스터드의 처짐 한계와 함께 트랙 용량에 따라 캠 팔로워의 하중 크기가 결정되며, 궁극적으로 캠 팔로워의 유형과 크기가 결정된다. 스터드 구조는 하중을 받으면 처짐이 발생하여 트랙 또는캠 사이에 정렬이 잘못되어 코너 하중이 발생하고 장치의 추력 하중 용량이 감소할 수 있다.

코너 하중에 대응하려면 크라운형 외부 링이 있는 캠 팔로워를 고려해야 한다. 높은 레이디얼 하중을 처리하려면 원통형 외부 링이 있는 풀 컴플리먼트(Full-complement) 캠 팔로워를 찾는 것이 좋다. 풀 컴플리먼트 캠 팔로워는 느린 속도에 더 적합한 반면, 케이 지형(cage-type) 캠 팔로워는 더 빠른 속도를 지원할 수 있지만 하중 등급이 낮다.

또한 케이지형은 롤러 간 접촉을 방지하고 더 빠른 속도를 관리할 수 있기 때문에 더 차갑게 작동할 수 있다. 견고하고 두꺼운 외부 링은 무거운 롤링이나 충격 하중을 견뎌낸다.

앞서 언급했듯이 공급업체는 세척 집약적이고 청결하거나 진공 환경을 위한 스테인리스 스틸 구조를 제공할 수 있으며, 옵션 으로 씰을 사용하면 오염을 방지할 수 있다. 윤활과 관련해서는 많은 캠 팔로워에 그리스가 사전 포장되어 제공되는데, 이는 특히 저속 애플리케이션에 적합하다.

오일 기반 윤활제는 장치와 함께 사전 공급될 수도 있지만 일반적으로 시간이 지나도 열화가 덜진행되므로 고속 애플리케이션에 적합하다. 더 긴 윤활 간격이 필요하거나 접근이 어려운 애플리케이션의 경우, IKO의 C-Lube 캠팔로워는 베어링 공간 내에 열경화성 고체 윤활제를 제공하여 오래 지속되고 유지보수 없이 작동할 수 있도록 한다.

마운팅 팁 및 모범 사례
 

캠 팔로워의 성능과 수명을 위해서는 올바른 마운팅이 중요하다. 그렇지 않으면 정렬이 잘못되어 베어링의 외부 링과 측면 플레이트 사이에 추력 및 금속 접촉이 발생할 수 있다.

기본 캠 팔로워는 드릴링 또는 탭 구멍에 볼트로 고정하거나 후단에 너트가 부착된 플레이트를 통해 고정할 수 있다. 이러한 장치는 육각 렌치나 드라이버를 사용하여 제자리에 고정할 수 있다. 대부분의 최신 장치에는 양쪽 끝에 육각형 구멍이 있어 어느 쪽에 서나 장착할 수 있다. 특히 캠 팔로워에 큰 충격 하중이 가해질 경 우, 스터드와 구멍 사이에 유격이 생기지 않도록 제조업체의 치수 공차 표를 준수해야 한다. 외부 링이 결합된 주행 표면과 잘 접촉 하지 않는 경우 크라운형 외부 링을 고려하는 것이 좋다.

일부 애플리케이션에는 수십 개 또는 100개 이상의 캠 팔로워가 필요할 수 있으므로 일관성이 중요하다. 표준 토크 렌치를 사용하고 모든 캠 팔로워에 대해 너트의 토크가 정확히 동일한지 확인해야 한다. 오염 물질이 없는 깨끗한 작업 환경을 유지하는 것도 간과해서는 안된다.

캠 팔로워 설계로 장착 문제 해결
 

캠 팔로워는 분명한 이점을 제공하지만, 설치에 어려움이 있을 수 있다. 예를 들어, 공간 제약으로 인해 설치자가 원하는 대로 캠 팔로워를 장착하지 못할 수 있다. 또한 캠 팔로워가 잘못 장착되면 정렬 불량으로 인해 충격 하중이 발생하여 베어링의 외륜과 측면 플레이트 사이에 마모와 마찰이 발생한 다. 그 결과는 고장과 다운타임이다.

다행히도 IKO와 같은 캠 팔로워 제조업체는 장착을 간소 화하고 오정렬 및 관련 영향을 완화할 수 있는 설계 기능을 개발했다. 이러한 캠 팔로워 중 하나는 스터드에 계단식 부분이 있어 사용자가 세트 스크류로 상단에서 고정할 수 있어 쉽게 부착할 수 있다.

또 다른 캠 팔로워인 IKO의 CFC...B는 특히 조립 영역의 스터드 쪽에 장착 공간이 제한된 애플리케이 션을 위해 설계되었다. 육각 소켓 헤드 볼트와 전용 플랜지 너트가 장착 구조에 포함되어 있어 스터드 쪽에 필요한 장착 공간을 최대 34%까지 줄여주는 더욱 컴팩트한 캠 팔로워를 만들 수 있다.

▲ IKO의 CFC...B 캠 팔로워는 짧은 스터드와 마운팅 구조로 어셈블리 스터드 쪽의 제한된 마운팅 공간을 해결한다.

자료제공: IKO(www.ikont.com)