선형 베어링에 대한 종합 가이드: 알아야 할 모든 것

1. 리니어 베어링 및 기타 리니어 모션 가이드 구성 요소

리니어 모션 가이드 구성 요소는 이송, 핸들링, 위치 지정 및 조립을 위한 자동화 모션 메커니즘에서 가장 일반적으로 사용되는 구성 요소입니다.

여기에서는 선형 베어링, 슬라이딩 가이드, 무급유 부싱을 비교하고 선형 베어링의 사용법에 대해 중점적으로 설명합니다.

(1) 선형 베어링의 특징 비교

세 가지 선형 모션 안내 구성 요소의 특징을 대략적으로 비교하면 아래 표에 요약되어 있습니다.

다음은 위의 기능과 구성의 관계에 대한 소개입니다.

(2) 선형 가이드 부품의 특성과 구조 간의 상관관계.

1. 부하 전달 능력에 따른 성능 차이:

• 선형 베어링 및 자체 윤활 부싱.

a) 선형 베어링 또는 자체 윤활 부싱이 있는 가동 부품은 일반적으로 양쪽 끝의 지지 구조물에 의해 지지되는 샤프트(가이드 레일)에 조립되어 모션 기능을 수행합니다. 큰 하중을 운반할 때 샤프트는 쉽게 변형됩니다([사진 1] 참조).

(또한 수직으로 선형으로 안내할 때는 샤프트가 움직이는 구성 요소의 하중을 지지할 필요가 없으므로 하중 문제를 무시하는 간단한 구조를 사용할 수 있습니다.)

• 선형 가이드

b) 이동식 구성 요소는 하중 지지 특성이 우수한 베이스에 장착된 고정 가이드 레일 위에서 움직입니다([사진 2] 참조).

선형 베어링 및 자체 윤활 부싱 => 양쪽 끝에 고정된 샤프트(가이드 레일)의 선형 운동 => 경중량 하중의 선형 운동.

선형 가이드 => 베이스에 고정된 가이드 레일에서의 선형 동작 => 가벼운 하중에서 무거운 하중까지 선형 동작.

2. 마찰 계수에 따른 성능 차이:

여기서 가이드 슬라이딩 방식(롤링 또는 표면 슬라이딩)의 차이에 따라 성능 차이가 결정됩니다. 마찰 계수의 차이는 구동 액추에이터의 선택과 직접적인 관련이 있습니다.

a) 작은 마찰 저항 = 작은 마찰력 = 작은 토크 모터로 구동 가능 = 회전 운동을 선형 운동으로 변환할 수 있습니다.

b) 큰 마찰 저항 = 큰 마찰력 = 큰 토크 또는 추력 구동이 필요함 = 선형 실린더로 직접 구동 가능.

사용 시 주의사항

마찰 계수의 크기는 구동 장비의 성능과 작동 중 발생하는 열의 양에 영향을 미칩니다. 자체 윤활 부싱은 열 발생이 많은 연속 고속 작동에는 적합하지 않습니다.

실린더를 사용할 경우 모터처럼 초기/정지 속도를 제어할 수 없습니다. 충격 흡수 장치 및 댐퍼와 같은 유연한 제동 장치를 설치하면 고속 작동 및 진동 억제가 가능합니다.

3. 가이드 정밀도에 따른 성능 차이:

기본적으로 성능은 베어링과 가이드 레일 사이의 간격에 따라 결정됩니다.

a) 선형 베어링의 경우 원통형 샤프트를 가이드 레일로 사용하고 베어링과 가이드 레일 사이의 간격을 "간섭 맞춤: g6" 또는 "전환 맞춤: h5"로 설정하여 베어링이 최소 "간극"의 상태로 미끄러지도록 합니다.

b) 리니어 가이드의 경우 전용 가이드 레일을 사용하며, 고정밀 베어링과 간극이 작은 타입(0~3μm) 또는 가압 타입(-3~0μm)의 가이드 레일을 짝을 이룹니다.

c) 선형 베어링에 비해 자체 윤활 부싱은 가이드 레일(샤프트) 사이의 간격이 커서 가이드의 정밀도가 떨어집니다.

사용 시 주의사항

볼과 가이드 레일 사이의 접촉 상태는 선형 베어링과 선형 가이드에 따라 다릅니다. 선형 베어링은 접촉 부분이 국부적으로 큰 하중을 견디는 점 접촉 상태를 갖습니다.

리니어 가이드의 가이드 레일과 볼 베어링 사이의 접촉부는 홈 형태를 채택하여 볼이 가이드 레일 표면과 표면 접촉 상태가 되므로 접촉 하중이 분산됩니다.

또한 슬라이딩 부분의 접촉 상태와 관련하여 둘 사이의 하중 전달 능력 특성에도 차이가 있습니다. ([그림 1] 및 [그림 2] 참조).

• 선형 베어링 => 점 접촉 상태 => 고르지 않은 수직 하중 분포 => 고부하 조건에 적합하지 않습니다.
• 선형 가이드 => 표면 접촉 상태 => 분산된 수직 하중 분포 => 상대적으로 높은 하중을 견딜 수 있습니다.

4. 환경 저항성 및 유지보수성 정보:

이러한 성능 차이는 구성 재료의 차이에 의해 결정됩니다.

a) 선형 베어링과 선형 가이드는 윤활유(그리스) 효과로 인해 장기적인 신뢰성을 얻을 수 있으므로 작업 환경이 윤활유의 환경 저항 지수를 초과할 수 없습니다.

b) 자체 윤활 부싱은 일반적으로 다음과 같은 환경에서 사용됩니다. 윤활유환경 저항성과 유지 관리성이 우수합니다.

2. 리니어 타입과 플랜지 타입의 차이점

아래에서는 선형 베어링(리니어형과 플랜지형)의 외형적 차이점과 조립 시 주의해야 할 사항에 대해 설명합니다.

(1) 선형 베어링의 리니어 타입 및 플랜지 타입

[사진 1]은 리니어 타입을, [사진 2]는 플랜지 타입을 보여줍니다.

플랜지 타입의 [사진 2] 선형 베어링은 다음과 같은 장점이 있습니다:

리니어 베어링과 플랜지 샤프트 슬리브의 일체형 구조를 채택하여 더욱 콤팩트한 구조를 갖췄습니다([그림 1]).

별도로 제작된 플랜지와 결합된 선형 베어링에 비해 저렴한 비용, 짧은 납기, 안정적인 품질 등의 장점이 있습니다.

[그림 1]은 플랜지 선형 베어링의 컴팩트한 구조를 설명하는 개략도입니다. 플랜지가 있는 선형 베어링의 조립 구조와 샤프트 슬리브의 모양이 너무 긴 반면, 플랜지 선형 베어링은 일체형 구조를 채택하여 더 콤팩트합니다. 이 컴팩트한 디자인 덕분에 하중 지지 성능을 유지할 수 있습니다.

(2) 선형 유형과 플랜지 유형 구분하기

선형 또는 플랜지 선택 베어링 유형 다음 기준에 따라 선택합니다: 하중을 견디는 경우 선형 베어링의 플랜지 유형을 선택합니다.

선형 베어링 설치 주변의 주변 공간과 시공 표면을 고려하여 선택하세요. 선형 베어링 관련 설치 방법 및 주의 사항은 항목 (3)을 참조하세요.

선형 베어링은 샤프트 회전을 위해 자동 이동식과 축 고정식으로 나뉩니다. 그림 2는 샤프트를 안내 축으로 하는 X-Y-Z-θ 구동 플랫폼의 구조를 보여줍니다. 베어링은 이에 따라 분류됩니다.

• a) X축: 선형 베어링은 자체 이동 및 플랜지 유형입니다.
• b) Y축: 선형 베어링은 고정(Θ축 방향)되어 있으며 A축 방향으로 움직일 수 있습니다.
• c) Z축: 선형 베어링은 Z축 방향으로 고정되어 있으며 Y축 방향으로 움직일 수 있습니다.

리니어 타입의 경우 원하는 고정 강도에 따라 스냅 링 또는 스토퍼 플레이트 고정 방법을 선택합니다.

a) 섹션의 X축 가동 부분은 선형 베어링이 지지하는 가동 부분 무게의 관성력에 영향을 받습니다. 선형 베어링을 단단히 고정해야 합니다.

b) 선형 베어링은 베어링 시트에 고정되어 있으며 실린더를 사용하여 샤프트 구조를 구동하기 때문에 선형 베어링의 축 고정은 마찰의 반력 만 견딜 수 있으므로 선형 유형에는 컴팩트 한 디자인이 채택되었습니다. 또한 Y축 리니어 베어링은 θ 구동 플랫폼의 회전축을 기준으로 두 축의 반대 방향으로 설정되어 회전 토크 대비 높은 강성을 확보할 수 있습니다.

c) 이동식 샤프트의 방향에서 고려하면 b)와 동일하며 큰 힘을 견디지 못합니다.

(3) 선형 베어링의 설치 방법 및 주의 사항.

(1) 선형 베어링의 설치 방법

선형 베어링은 일반적으로 스냅 링 또는 스토퍼 플레이트를 사용하여 설치합니다([사진 3] 및 [그림 3] 참조).

(2) 선형 베어링의 설치 각도에 대한 주의사항

샤프트 직경과 종류, 베어링의 볼 열 수에 차이가 있기 때문에 선형 베어링에는 일반적으로 4~6열의 볼이 동일한 각도로 배열되어 있습니다. 선형 베어링을 수평으로 사용할 경우, [그림 4]의 왼쪽과 같이 볼 행이 바로 위 위치에 있으면 하중이 집중될 수 있으므로 설치하지 않도록 주의하세요.

[그림 4]는 5열 볼 베어링을 나타낸 것으로, 정격 하중 값의 비율은 아래와 같습니다(오른쪽 ÷ 왼쪽). 따라서 위 그림에 표시된 설치 각도에 최대한 가깝게 설치해야 합니다.

• 정격 정하중(우측 ÷ 좌측) = 1.46
• 정격 동적 부하(오른쪽 ÷ 왼쪽) = 1.19

3. 단일 라인, 이중 라인, 확장형 및 표면 처리된 베어링의 차별화.

(1) 베어링 길이 및 가이드 성능

선형 베어링은 베어링 길이에 따라 네 가지 유형으로 나눌 수 있습니다:

• [1] 단일 라인
• [2] 이중 줄
• [3] 확장
• [4] 고객 디자인(두 가지 단일 라인 유형 사용).

베어링 길이의 차이는 다음과 같이 가이드 성능에 직접적인 영향을 미칩니다:

• a) 하중 지지력
• b) 안내 정확도

a) 베어링 길이와 하중 지지력 간의 관계

베어링의 길이가 길수록 지지점이 많아지고 각 베어링 접촉점에 필요한 하중이 작아집니다. 이 결론은 선형 베어링의 세 가지 유형 [1], [2], [3]의 정격 하중이 길이에 따라 순차적으로 증가하는 실제 상황을 통해 도출할 수 있습니다.

따라서 더 긴 선형 베어링 길이를 선택하면 제품의 하중 지지력(=수명 및 안정성 증가)을 향상시킬 수 있습니다([그림 1]).

b) 베어링 길이와 가이드 정확도 간의 관계

베어링 길이가 길수록 안내 정확도가 높아집니다.

베어링의 평균화 효과: 선형 가이드 베어링의 길이를 늘리면 베어링 지지대 수가 증가하고 가이드 표면의 오차 계수(표면 거칠기 및 굽힘 변형)를 평균화하여 오차 계수의 영향을 절반 이하로 억제할 수 있습니다.

따라서 베어링 길이를 늘리면 하중 지지력과 안내 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

따라서 고정밀 작업 환경에서는 [그림 4] 타입([그림 4]의 두 가지 단일 라인 타입의 전용 설계를 사용하는) 선형 베어링이 어느 정도 자주 사용됩니다([그림 4]).

(2) 가이드 레일(샤프트) 변형 계산([그림 5])

선형 베어링과 샤프트로 구성된 선형 메커니즘에서 샤프트의 변형은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다:

δ = (W * a³ * b³) ) / (3 * e * i * l³)

어디에:

• a: 지지대 끝점에서 하중 위치까지의 거리
• b: a의 반대쪽 지지대 끝점에서 하중 위치까지의 거리
• L: 샤프트 지지대 사이의 거리
• E: 영의 계수
• I: 단면의 면적의 두 번째 순간
• I = πd⁴/64 ≈ 0.05d⁴
• d: 샤프트 직경
• W: 선형 베어링이 지지하는 하중(단위: N)

a = b = L/2일 때, δ = W * L3 / (9.6 * E * d4).

따라서 샤프트 변형을 줄이려면 샤프트 직경을 늘리거나(효과 4배) 샤프트 지지대 사이의 거리를 단축하는 설계 방식을 채택해야 합니다(효과 3배).

(3) 부품 소재 및 표면 처리의 특성 및 적용 사례

구성 재료, 표면 처리와 선형 베어링의 적용 사례는 다음 표에 나와 있습니다:

표면 처리의 비교 특성.

4. 단순 자동 장비에 선형 베어링 적용 사례 4.

선형 베어링의 특징은 아래에 설명되어 있습니다:

1. 중간 성능의 간단하고 저렴한 가이던스 베어링. (높은 가성비)
2. 마찰 계수가 낮아 드라이브를 쉽게 선택할 수 있습니다. (저가형 실린더 또는 중간 가격대의 모터 유형)
3. 이 기능을 동기식 벨트를 통해 조용하고 가벼운 주행 구조 설계를 구현할 수 있습니다.
4. 수직 방향 안내의 경우 무게 중심 구동 방식을 사용하면 간단하고 컴팩트한 구조 설계가 가능합니다.

선형 베어링의 용도와 특성은 간단한 자동화 장비에 적용된 예를 통해 아래에 설명되어 있습니다.

(1) 스테퍼 모터 및 동기식 벨트 드라이브

동기식 벨트 드라이브 구조는 정숙성, 가벼움, 저렴한 비용, 오일링이 필요 없는 등의 장점이 있습니다. X/Y/Z 축 작업대 상황의 경우, 일반적인 설계 개념은 상단 Y축을 경량화하여 하단 X축 모터의 부하를 줄이는 것입니다.

따라서 Y축은 종종 동기식 벨트를 사용하여 구성됩니다.

a) [그림 1]은 일반적인 X/Y/Z 3축 드라이브 메커니즘을 보여줍니다.

X축은 리니어 가이드로 만들어지고 Y축과 Z축은 리니어 베어링을 사용하여 구성됩니다. 드라이브 시스템은 동기식 벨트와 볼 스크류를 사용합니다.

b) [사진 1]은 IC 칩 실장 장치에서 Y축의 적용 사례를 보여줍니다. Y축 방향은 동기식 벨트에 의해 왕복 운동으로 변환됩니다.

c) [그림 2]는 다음과 같은 특징을 가진 단축 로봇의 적용 예시를 보여줍니다:

1. 지지력과 안내 정확도를 향상시키기 위해 스팬이 큰 두 개의 선형 베어링을 사용합니다.
2. 동기식 벨트와 풀리의 설계와 구조는 롤링 풀리 원리([그림 3])를 사용하여 모터 동력의 고효율과 고정밀 위치 제어를 달성합니다.
3. 동기식 벨트 드라이브는 가볍고 조용합니다.
4. 동기식 벨트와 샤프트는 위아래로 평행하게 배열되어 있으며, 단축 구조에서도 샤프트와 선형 베어링 사이의 상대 회전을 억제할 수 있습니다.

움직이는 도르래의 원리:

그림 3의 리프팅 물체를 S 거리만큼 올리려면 로프 잠금 장치를 높이의 두 배로 움직여야 하지만 필요한 힘은 리프팅 물체 무게의 절반에 불과하므로 리프팅 물체를 쉽게 들어 올릴 수 있습니다.

이동 거리의 2배

모터 회전의 최소 분해능을 향상시킬 수 있는 위치 정확도
풀리의 반동 및 공회전 오차를 절반으로 줄입니다.
모터의 고속 회전(2배) 구동으로 모터 효율이 높습니다.

1/2배의 부하

저전력 모터로 구동할 수 있습니다(감속 기어 등이 필요 없음).

(2) 스테퍼 모터 및 볼 스크류 드라이브

볼 스크류의 구동 방식은 다음과 같은 특징이 있습니다: [1] 모터의 회전 운동을 직선 운동으로 직접 변환하고 [2] 볼 스크류 피치에 감속기 기능이 있습니다. 구동력의 전달 효율과 모터 효율이 상대적으로 높습니다.

[그림 4]는 Y축이 선형 베어링과 볼스크류를 사용하는 구동 메커니즘입니다. 이는 일반적으로 단위 이송이 필요하거나 위치 정확도 요구 사항이 있는 메커니즘에 적용됩니다.

추가 정보:

a) 스테퍼 모터의 특성

스테퍼 모터는 저속 범위(일반적으로 시동 및 감속 시)에서 높은 토크를 생성하는 특성이 있어 단거리 이동 및 다점 위치 제어에 적합합니다.

b) 목표 위치 정확도를 달성하는 데 필요한 모터의 필요 정밀도

목표 위치 정확도 = ±0.01(mm). 볼 스크류 리드를 10(mm/rev)으로 선택할 경우 스테퍼 모터의 필요한 정밀도(분할)는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

(3) 실린더 드라이브

[그림 5]는 클램프 메커니즘에서 실린더 구동용으로 사용되는 베어링의 예이고, [사진 2]는 마그네틱 커플링을 사용하는 실린더 구동 메커니즘의 예입니다. 둘 다 선형 베어링(화살표로 표시)을 사용하여 안내합니다.

실린더 드라이브는 시동 및 정지 속도를 제어할 수 없으므로 정지 시 충격을 줄이기 위해 버퍼를 사용해야 합니다([사진 2] 참조).

(4) 수직 안내의 예

플랜지가 있는 리니어 베어링을 사용하면 수직 가이드를 구현할 수 있습니다. 선형 베어링의 설치를 고정하기 위해 특별한 지지 구조가 필요하지 않으므로 간단하고 컴팩트한 구조 설계가 가능합니다(슬라이딩 가이드의 경우 고정 가이드 레일을 위해 수직 장착 기판을 설치해야 함).

사진 4]의 구조와 유사하게 컨베이어 벨트 하부의 리프팅 가이드([그림 6])와 위치 결정 메커니즘([그림 7])도 플랜지형 선형 베어링을 사용합니다.