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"Back-lash" (백-래쉬)란 무엇인가? 자동화(FA) < 자동화부품요소 |
by techno | 2009-07-14 |  |
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 "Back-lash" (백-래쉬)란 무엇인가?
 기어(Gear)의 산(山)과 나사(Screw)의 산(山)은 형상과 특성은 달라도 회전운동과 면(面) 접촉을 기반으로 동력을
전달한다는 동일한 목적과 운동 특성을 가지고 있습니다.
기어와 나사는 각각의 이빨이 맞물려 돌아가면서 정해진 비율 안에서 회전 운동력을 전달하거나, 회전운동의 힘을 직선
운동의 힘으로 변환하여 전달하게 되는데, 서로 맞물려 있는 이빨과 이빨 사이에는 일정한 틈새(유격(裕隔) Clearance)
가 있게 마련이어서, 이 틈새는 각각의 이빨들이 정해진 운동을 수행할 수 있는 필요 공간으로 작용하게 됩니다.
면(面) 접촉으로 인한 운동력의 전달에서 접촉된 면들 사이에 틈새가 전혀 없다면, 운동을 진행할 수 없다는 것은 너무나도
당연한 일이며 "운동력의 전달을 위한 필수불가결한 유격"은 반드시 허용되어야만 합니다.
그러므로 그 필수불가결한 유격을 가진 기어와 나사 운동에서는 운동을 시작할 때, 또는 진행하던 방향으로의 운동을
멈추고 난 후, 역 방향으로 다시 운동을 시작할 때에 어김없이 운동력이 전달되지 않는 공간이 발생하게 되며 이런
상태를 일컬어 Back-lash의 발생이라고 표현하고, 운동력이 전달되지 않은 공간만큼의 거리를 Back-lash 양으로 표현
한다는 것입니다.
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Ga = Axial Play (축 방향 유격 )
a = Angle of Contact ( 접촉 각도 )
F = Force ( 운동 하중 방향 )
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그러나 Ball Screw Assembles의 Screw와 Nut 사이에는 Ball이 존재하며, 이 Ball은 Nut와 Screw 간의 운동을 면(面) 접촉
운동이 아닌 점(点) 접촉의 '구름운동'으로 전환해 주게 되고, 그로 인하여 Screw와 Nut 사이에 발생할 수도 있는 Back-lash를
극히 적은 값으로 최소화하거나 완전한 "0" 상태로도 구현할 수 있도록 해 줍니다.
즉, 정 회전을 시작하거나 역 회전을 시작할 때에도 Screw 고유의 정밀도에서 허용하는 오차 이외에는 운동의 전달에서
발생할 수도 있는 오차를 완벽하게 없앨 수도 있게 된다는 것입니다.
위에서 설명한 필수불가결한 유격이 Ball을 이용한 구름운동 방식으로 인해서 없어졌다고 하더라도 통상적인 Ball Screw
Assembles에서는 아래의 몇 가지 이유로 인한 Back-lash가 발생할 수 있습니다.
1) 축 방향 클리어런스 (Axial Clearance)
나사 운동에서의 구조적인 원인이나 가공 시의 오차에 의해서 발생하게 되는 축 방향 유격을 말합니다.
2) Nut의 축 방향 탄성 변위 (Axial elastic deformation of Nut)
Nut에 가해지는 급격한 하중에 의하여(통상 운동의 시작점에서 발생함) 일시적으로 Nut에 탄성 변형이 일어날 수 있으며
이 변형 값이 Balk-lash로 작용할 수 있습니다.
3) Screw의 신장과 신축 (Elongation and contraction of Screw shaft)
운동 시에 가해지는 하중이나 자체적인 처짐의 발생, 또는 발열과 냉각으로 인한 Screw Shaft의 신장과 신축으로 인한 변형
값도 Back-lash로 작용할 수 있습니다.
4) 비틀림에 의한 축 방향 변형 (Axial deformation due to tortional forces)
과격하고 집중적인 운동으로 인해서 Screw에는 비틀림이 발생할 수도 있으며 이 비틀림은 나사 산의 각도와 단면에 변형
을 가져오게 됩니다. 이러한 변형 역시 Back-lash의 원인으로 작용합니다.
위에 표기된 각각의 Back-lash 발생 요인은 Ball Screw Assembles 뿐만이 아니라 일반적인 동력 전달용 구동기기와 Bearing
등의 구동계 전체에서도 공통적으로 고려해야 하는 사항입니다.
특히 위에 표기한 각각의 요인 중에서 축 방향 클리러런스와 Nut의 축 방향 탄성 변위에서 기인하는 Back-lash를 최소화
하기 위해서 Ball Nut Assembles를 조립할 때 사전에 일정량의 부하를 부가하는 방법을 사용하고 있는데, 이와 같은 작업을
일컬어 [ 예압을 건다 ]라고 표현합니다.
[ 예압 ]이라는 용어에 대해서는 다음 장에 보다 상세하게 설명하겠습니다.
그러나 Back-lash가 전혀 없는 상태로 제품을 선정하시는 것이 반드시 적정한 것만은 아닙니다.
앞에서 설명드린 바와 같이 Back-lash는 나사 기구의 원활한 운동을 위해서는 일정 부분 있어야만 하는 것이고, 구름운동
기구인 Ball Screw Assembles나 Ball Bearing 등이 유격이 전혀 없는 상태에서도 원활하게 운동을 하기는 하겠지만, 유격이
전혀 없는 상태의 운동기구에서는 종종 과다한 발열이 일어나거나 과다한 표면의 마모를 촉진시키기도 하는 등, 기구의
운동 수명에는 분명히 일정한 영향을 끼친다는 것입니다.
그러므로 설계하시는 기계 및 장치에서 과연 어느 정도의 Back-lash를 허용할 수 있는지를 결정하는 것은 기구의 수명을
비롯한 전반적인 제작 운용 비용의 측면에서 적정하게 결정하셔야 할 중요한 부분입니다.
그런 측면에서 Ball Screw Assembles의 사양을 선정하실 때, Nut Assembles와 관련하여 가장 우선적으로 고려하셔야
할 부분은 아래의 세 가지가 될 것입니다.
1) 설계하시고자 하는 기계 및 장치의 용도에 비추어 볼 때, 허용할 수 있는 Back-lash 량은 어느 정도인가?
2) 설정된 Back-lash량에 근거한다면, Nut를 Single Nut로 선정할 것인가 또는 Double Nut로 선정할 것인가?
3) 선정한 제품의 수명은 각각 어느 정도의 차이를 보이며, 구입 비용과 운용 비용은 어떤 차이를 보이는가?
 반드시 유의하셔야 할 점은 Single Nut와 Double Nut 사이에 하중 및 속도 대응 능력의 차이는 전혀 없다는 점입니다.
다만 Double Nut Assembles의 경우에는 Ball을 삽입할 수 있는 공간의 여유가 보다 많으므로 Ball의 감김 수를 크게
할 수 있고, 이 경우에는 하중 대응 능력이 상승하게 됩니다.
대부분의 Ball Screw 제조 Maker에서 생산하는 Single Nut 제품은 통상 0.01mm ~ 0.15mm 정도의 축 방향 Back-lash를
가지고 있습니다.
그러나 근래에는 몇몇 제조 Maker에서 각각의 특성화된 방법을 이용하여 Single Nut의 구조에서도 Back-lash가 0.00mm
로 완전히 제거되거나 대형 Size의 제품에서도 최대 0.055mm 정도까지 최소화된 Back-lash를 나타내는 새로운 제품들이
제작, 공급되고 있습니다.
당사에서 소개해 드리는 UMBRA GROUP의 제품에도 Back-lash를 완전히 없앤 "Single Preloaded Nut" 제품이 대부분의
규격 모두에서 다양하게 공급됩니다.
UMBRA- Single Preloaded Nut type Ball Screw Assembles
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| "예압" ((預壓) (Preloaded))은 무엇이며 왜 필요한가?자동화(FA) < 자동화부품요소 |
| by techno | 2009-07-14 | |
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"예압" ((預壓) (Preloaded))은 무엇이며 왜 필요한가?
앞 장에서 Back-lash에 대한 전반적인 내용을 설명드리면서, Ball Nut Assembles를 조립할 때 축 방향 Clearance와
Nut의 축 방향 탄성 변위 등에서 기인하는 Back-lash를 최소화하기 위해서 사전에 일정한 양의 부하를 부가하는
방법을 사용하고 있으며, 이와 같은 작업을 일컬어 [ 예압을 건다 ]라고 표현한다고 하였습니다.
예압(豫壓) 이라는 한자어를 보시면 아실 수 있듯이, "[미리, 사전에] 압력[부하]을 가한다"는 뜻이 되겠는데, 이것은
Ball Nut와 Screw를 조립하면서 Nut와 Screw, Ball 사이에 존재하는 Back-lash를 줄이기 위해 미리 Ball과 Screw, Nut
사이에 설정량 만큼의 부하를 가하는 방식의 조립 방법을 말합니다.
이렇게 예압을 걸어서 Back-lash를 줄여준다면 분명히 Ball Screw Assembles의 위치 결정 정밀도는 높아지게 됩니다.
그러나 앞에서 말씀드렸듯이 과다한 예압을 걸어 놓은 제품에서는 운전 온도의 상승으로 인한 위치 결정 정밀도 저하 현상이
발생할 수도 있고, 마모를 촉진하는 원인으로 작용하며, 결국 제품의 수명을 저하시키게 됩니다.
각각의 Ball Screw Assembles 제조 Maker 들은 아래에 소개되는 방법 중의 한 가지 방법으로 예압을 부가하며 각각의 예압
부가 방식에는 고유의 장단점이 존재합니다.
그러므로 고객들께서는 현재 선정하고 있는 Maker의 제조 방식에 대해서 보다 정교한 검토를 하시는 것이 같은 구매 비용을
투자하시면서도 과다한 운용 비용이 투여되는 실수를 줄이실 수 있을 것입니다.
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 Traction Preloaded
통상 Double Nut Type에서 사용하는 예압 방식이며 두 개의
Nut를 각각 바깥쪽 방향으로 강제 이동시켜서 규정된 Torque
만큼 예압을 부가하는 방법입니다.
주로 Spacer를 삽입하는 경우가 많으나 Spring을 삽입하여서
예압을 부가하는 경우도 있습니다.
가장 많이 채용되는 예압 부가 방식이라고 할 수 있으며
중(中)예압, 중(重)예압, 고(高)예압 부가에 모두 적합한 방식
입니다.
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Compression Preloaded
역시 Double Nut Type에서 사용하는 예압 방식이며 두 개의
Nut를 각각 안쪽 방향으로 강제 이동시켜서 규정된 Torque
만큼 예압을 부가하는 방법입니다.
Spacer를 사용하기도 하지만, 주로 Pin을 삽입하여서 두 개의
Nut를 고정시키는 경우가 많으며, 역시 중(中)예압, 중(重)예압
고(高)예압 부가에 적합한 방식입니다.
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Over(Larger) sized Preloaded
Single Nut Type에서 사용하는 예압 방식입니다.
문자 그대로, 규정된 것보다 큰 크기의 Ball을 삽입하여 Ball
이 Nut와 Screw 사이에서 4 점 접촉을 할 수 있도록 하면서
규정된 Torque 만큼 예압을 부가하는 방법입니다.
구성과 조립 방법이 간단하여서 많은 제조 Maker에서 사용
하는 방식입니다만, 예압을 많이 부가하기에 어려운 방식
이면서도 발열과 이상 마모에 가장 노출되기 쉬운 방식
입니다.
경(輕)예압, 중(中)예압에 적합한 방식입니다.
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Integral Preloaded
Single Nut Type에서 사용하는 예압 방식입니다.
Single Nut의 중앙 부위나 Ball이 순환하는 부위의 중앙 위치에
서 규정된 Torque 크기 만큼의 Lead 위치를 변형시켜서 Nut
내부의 Ball 조합이 바깥쪽 방향으로 예압이 걸리도록 합니다.
이 방식은 근래에 개발된 방식이며, Spacer나 Pin Spring 등의
가변성 부품을 사용하지 않는다는 장점과 함께 Ball, Screw
Nut의 접촉을 각각 2 점 접촉으로 유지할 수 있도록 하는 특유
의 장점이 있는 방식입니다.
UMBRA에서 생산하는 Preloaded Single Nut는
Integral Preloaded 방식을 이용하여 Back-lash를 완전히 방지한
제품을 공급합니다. |
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제품의 구매 비용과 유지 비용을 절감하고, 제작기간을 단축한다는 측면에서 유럽 지역의 Ball Screw 제품의 사용 추세는 이제
필수불가결한 몇몇 기계 장치를 제외하고는 Preloaded Single Nut System을 선택하는 것으로 급속히 변환되고 있습니다.
그러나 그동안 Back-lash를 제거하기 위하여 Single Nut System에서 채용하였던 Over Size Preloaded 방식에서 나타나는 여러 가지
단점으로 인해서 완전하게 Double Nut System을 대체할 수는 없었고, 지난 수 십년 동안 Double Nut를 주로 공급하는 일본 제품에
길들여져 온 우리 시장에서는 별 다른 고민 없이 Double Nut System을 선택하는 것으로 설계 상의 고민을 회피해 온 것도 사실
입니다. 지금부터 UMBRA GROUP의 Integral Preloaded Single Nut의 사용을 적극 검토해 보십시오.
보다 저렴한 비용과 빠른 제작기간 안에서 안정적인 제품을 공급받으실 수 있을 것입니다.
본 방식은 경(輕)예압, 중(中)예압에 적합한 방식입니다.
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Multi-Start Integral Preloaded
UMBRA GROUP에서 개발한 신 개념의 예압 방식이며
대 리드(Larger Lead) Type의 Single Nut에서 Back-lash를
완벽하게 최소화하면서도 강력한 하중 대응력을 발휘할 수
있도록 하기 위하여 개발된 것입니다.
보통 2 곳의 Ball 순환 부위가 있는 Nut System에서 4 곳
이상의 순환 부위가 있는 System으로 개발된 UMBRA의
제품은 빠른 속도와 강력한 하중 대응력이라는 두 가지
만족을 모두 충족시킬 수 있는 획기적인 방안입니다.
또한 각 줄의 Ball 조합이 서로 반대 방향으로 예압이 걸리므로
매우 안정적이고 부드러운 운동성을 나타내게 됩니다.
이 방식은 경(輕)예압, 중(中)예압, 중(重)예압 모두에 매우
적합한 방식입니다.
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위에서 보신 바와 같이, Ball Screw Assembles는 Back-lash를 최소화하고, Nut Assembles의 축 방향 탄성 변형을 최소화하며
강성을 높이고, 위치 정밀도를 향상시키는 등의 여러 가지 운동 능력 향상을 위하여 적정 규모의 예압을 부가합니다.
물론 이송 속도를 위주로 하거나, 특별히 높은 위치 정밀도가 필요하지 않은 경우에는 예압을 전혀 부가하지 않은 상태의 Not
Preloaded Single Nut를 사용하는 것이 당연합니다.
앞에서도 설명드렸듯이, 적정한 예압 부가는 많은 장점을 보장하는 반면 사용 목적에 부합하지 않는 예압 부가는 Ball Screw
Assembles의 수명을 단축시키고, 불필요한 비용 증가를 유발하는 등 단점이 존재하기 때문입니다.
고객들께서는 제조 Maker에서 지정하는 바에 따라서 몇 가지 등급으로 예압 부가를 지정하실 수 있습니다.
편의를 위하여 예압 부가 정도를 수치로 설명한다면 아래와 같습니다.
1) 경(輕) 예압 : Nut Assembles의 동 정격 하중(Dynamic Load) 값의 2%에 해당하는 압력
2) 중(中) 예압 : Nut Assembles의 동 정격 하중(Dynamic Load) 값의 5%에 해당하는 압력
3) 중(重) 예압 : Nut Assembles의 동 정격 하중(Dynamic Load) 값의 7%에 해당하는 압력
4) 고(高) 예압 : Nut Assembles의 동 정격 하중(Dynamic Load) 값의 10%에 해당하는 압력
다만, 경 예압, 중 예압, 고 예압 등의 호칭은 각각의 제조 회사별로 상이할 수 있으므로, 고객들께서 각각
의 예압 부가 정도를 지정하실 때에 반드시 '%'로 표기되는 수치를 이용하여 주문하시는 것이 합당합니다. |
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| "기본 동 정격 하중" (Dynamic Load)은 무엇인가?자동화(FA) < 자동화부품요소 |
| by techno | 2009-07-14 | |
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"기본 동 정격 하중" (Dynamic Load)은 무엇인가?
앞 장에서 예압에 대한 설명을 드리면서 예압 부가 정도의 기준이 " Nut Assembles의 동 정격 하중((動 定格 何重
(Dynamic Rated Load)"이라고 하였고 이 때 처음으로 동 정격 하중이라는 용어가 나왔습니다.
이 용어는 보통 Ball 또는 Roller를 기반으로 점 접촉 및 선 접촉 운동을 하는 Bearing에 관련되어서 사용되던 것이며
[일정한 방향과 일정한 크기의 하중을 가했을 때, 1,000,000회전만큼의 정격 수명이 얻어질 수 있는 상태]를 말합니다.
여기에서 '정격 수명(Rating life)'이란 [일정한 수량의 베어링을 동일한 조건에서 운동시켰을 때, 그 중에서 90%
이상의 베어링들이 회전에 의한 피로 현상을 일으키지 않고, 회전할 수 있는 총 회전수 또는 총 시간]을 말합니다.
조금 알아듣기 어려운 단어들이 잔뜩 나열되지요?
위에서 표현된 내용을 조금 수월하게 풀이하자면 이런 내용입니다.
고객께서 어떤 Bearing이나 Ball Screw Assembles 100 Set를 구입하셔서 필요한 기계 장치에 장착하셨다고 가정해 보는 겁니다.
그 기계 장치는 장착된 Bearing이나 Ball Screw에는 가변성이 없는 일정한 방향과 크기의 하중을 가하고 있으며, 100 Set 모두
에게 예상되지 않는 운동조건이 없이 동일한 조건을 유지한 상태에서 1,000,000회전만큼을 중단 없이 가동하시는 겁니다.
그 후에 전체 100 Set의 Bearing이나 Ball Screw 중에서 90 Set 이상의 제품이 손상없이 유지되고 있었다면 그 당시의 운전 조건
에 가해졌던 하중이 곧 [동 정격 하중]이 된다는 것입니다.
상세하게 설명을 드리는 김에, 당사에서 소개하는 UMBRA Ball Screw Assembly 실제 제품을 기준으로 다시 설명드리면
당사에서 소개하는 UMBRA Ball Screw Assembles Catalogue의 Dimensional Tables 중에서 주홍색으로 인쇄된
부분을 보시면 GENERAL SECTION Part가 있습니다.
이 부분에서 SINGLE PRELOADED NUT WITH SHIFTED PITCH 부분을 찾아 보시면, 아마도 어렵지 않게 요즘 대형 공작
기계에서 많이 사용되는 S1S80-10M5(80x10R-7.144X5+5)규격의 NUT SPEC.을 찾으실 수 있을 것입니다.
이 규격을 상세하게 설명한다면 [ Screw Diameter 80, Lead 10, 오른 나사, Ball Diameter 7.144, Ball 감김 수 5+5 ] 의 형식으로
설명될 것이며, 이 제품의 동 정격 하중은 99,700N(10,174.2 Kg)으로 표기되어 있습니다.
그러므로 UMBRA Ball Screw Assembles S1S80-10M5 규격의 제품은 10,174 Kg 정도의 축 방향 하중을 가하여 동일한
조건으로 운동시키면, 100Set 중에서 90Set 이상은 1,000,000회전까지 손상 발생 없이 가동할 수 있다는 뜻이 되는 것입니다.
1,000,000회전이라는 숫자를 가동 시간으로 표현한다면, 제품을 100RPM(분 당 회전 수)이라는 규정 속도로 가동한다면 166.66
시간이 될 것이며, 이것은 보통 8시간을 가동하는 기계에서 21일 정도의 시간으로 계산될 수 있을 것입니다.
그러나 이 시간이 해당 제품의 '전체 수명'이라는 것은 절대 아닙니다. 미리 혼동하지 마시기 바랍니다.
(전체 수명은 뒤에서 다시 설명드립니다.)
이제 조금 알아듣기 편하시게 설명이 되었는지요?
그러므로 동 정격 하중(Dynamic Load)은 각각의 Ball Screw Assembles가 어느 정도의 전체 수명을 가질 수 있는지를 계산
하고자 할 때, 중요한 기초 자료가 되는 "상수(常數)"로 작용합니다.
또한 Ball Screw Assembles의 Screw Diameter, Lead, Ball Diameter와 감김 수 등의 기본적인 규격이 동일하다면 Nut
Assembles의 형식이 Single Nut이거나, Double Nut이거나, 예압의 유무와 상관없이, 동 정격 하중 값은 모두 동일한 수치를
나타냅니다.
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| "기본 정 정격 하중" (Static Load)은 무엇인가?자동화(FA) < 자동화부품요소 |
| by techno | 2009-07-14 | |
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"기본 정 정격 하중" (Static Load)은 무엇인가?
기본 정 정격 하중 (靜 定格 何重 (Static Rated Load))이라는 용어 역시 Bearing 기기에서 관련된 용어로 [최대 응력을 받고
있는 기구의 접촉부에서 '전동체(轉動體)'의 영구 변형량과 '궤도윤(軌道輪)'의 영구 변형량의 합계가 전동체 직경의 0.0001배
가 되는 방향과 크기가 일정한 정지하중(定止 何重)] 이라고 설명할 수 있습니다.
이 설명 역시 수월하게 이해하시기는 어렵겠습니다.
한꺼번에 이해하실 수 있도록 Ball Screw Assembles를 기준으로 다시 설명 드리겠습니다.
Ball Screw Assembles의 Nut 내부에 있는 "Ball"이 위에서 말하는 '전동체'가 되겠습니다.
그렇다면 Screw와 Nut에 가공되어 있는 "Ball의 궤도"가 위에서 말하는 '궤도윤'이 될 것입니다.
역시 UMBRA Ball Screw Assembles S1S80-10M5 규격의 제품을 기준으로 볼 때, 이 제품의 정 정격 하중 값은 312,800N
(31,920.6 Kg)이고 Ball의 크기는 7.144mm이므로, [정지된 상태에서 일정한 방향으로 31,900Kg 정도의 하중이 가해진다면
Ball과 Screw 및 Nut의 궤도에서 영구적인 변형이 발생할 수도 있으며, 그 변형량은 7.111x0.0001의 값인 0.000714mm가
된다는 뜻입니다.
Ball Screw Assembles의 경우에는 일반적으로 기본 정 정격 하중 값이 문제가 되는 경우는 없습니다.
전체 수명을 계산할 경우에도 기본 동 정격 하중 값을 상수로 적용하며, 정 정격 하중 값을 기준으로 해서 제품의 선정 당시에
고려해야 하는 계산 근거로 사용하는 경우가 극히 일부분이기 때문입니다.
다만, 회전수를 10 RPM 이하로 사용하는 기계 장치의 경우에는 정 정격 하중 값이 축 방향 최대 하중 값의 1~3 배 수 정도가
되는 것으로 선정하시기를 권장합니다.
즉, UMBRA Ball Screw Assembles S1S80-10M5 규격의 제품을 사용하는 기계장치가 10RPM 이하로 설계되었다면
이 기계 장치에 가해지는 축 방향 하중 값은 최대 31,900 Kg 이거나 가능하다면 10,600 Kg 정도에 머무는 것이 좋겠다는
것입니다.
사용 RPM이 극히 낮은 경우에 이런 기준을 정한다는 것은, 정 정격 하중 값이 "정지" 상태에서의 탄성 변형 기준점을 확인
하는 척도이고, 사용 RPM이 10 RPM 이하의 경우에는 정지 상태와 동일하거나 비슷한 조건으로 볼 수 있다는 것입니다.
만약에 이 기계장치의 축 방향 하중 값이 최대 31,900Kg을 넘는다면 동일한 규격에서 Ball의 크기가 크거나 Ball의 감김 수가
많아서 정 정격 하중 값이 큰 제품을 선정한다거나, Screw Diameter를 100으로 상향 조정해서 선정하시는 것이 올바른 선정
이 될 것입니다.
정 정격 하중 값의 경우에도 Ball Screw Assembles의 Screw Diameter, Lead, Ball Diameter와 감김 수 등의 기본 규격이 동일
하다면 Nut Assembles의 형식이 Single Nut이거나, Double Nut이거나, 또는 예압의 유무와 상관없이 모두 동일한 수치를
나타냅니다.
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| "위험 속도" (Critical Speed (한계 속도)) 란 무엇인가?자동화(FA) < 자동화부품요소 |
| by techno | 2009-07-14 | |
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"위험 속도" (Critical Speed (한계 속도)) 란 무엇인가?
Nut의 형식과 하중에 관련된 부분이 해결되었으니, 이제 속도에 관련된 검토를 해야 하겠습니다.
일반적으로 Bearing과 같이 회전과 관련된 운동기구들은 RPM으로 표시되는 제한 속도나 최대 속도 등으로 표현되는
수치를 이용해서 그 운동기구의 성능을 표현하기도 합니다.
즉, 어느 정도의 회전수까지 사용할 수 있는냐? 는 것으로 고성능이냐 저성능이냐를 구별한다는 것인데, 이런 판단은 사실
매우 적정하지 못한 판단입니다.
실질적으로 Bearing이 조립되어 사용되는 기구 및 장치는 단순히 회전한다는 능력 이외에도 광범위한 부분에서의 성능이
필요합니다. 하중의 크기는 물론 방향과 가변성 등의 여러 조건에 대응해야 하므로 회전만 잘 한다고 해서 그 성능이 높다고
판단할 수는 없다는 것입니다.
회전운동을 한다는 측면에서는 Ball Screw 역시 어느 정도의 회전수까지 사용할 수 있느냐는 부분이 매우 중요한 부분입니다.
고객께서 얻고자 하시는 직선운동의 이송속도를 결정하는 부분이니까요.
그러나 Ball Screw Assembles와 같이 환봉(丸棒:Round Bar) 형태의 제품일 경우에는 자중(自重)에 의한 처짐이 존재하므로
고속의 회전으로 인해서 극대화된 처짐량이 Screw에 무리를 주어서, 변형이 발생하거나 파손되지 않아야 한다는 특별한
주의 사항을 기준으로 회전 속도를 검토해야 합니다.
그러므로 Ball Screw Assembles의 위험 속도(한계 속도)는 각각의 Screw 길이를 기준으로, 어느 정도의 회전수에 도달
하면 Screw에 변형이 발생하거나 파손이 일어나게 될 것인지를 나타내는 수치라고 이해하시면 정확하겠습니다.
또한 Screw를 위험 속도 이상으로 회전시키면, 과다하게 발생하는 진동으로 의하여 이송 정밀도 값에도 적지 않은 영향을
끼치게 됩니다.
그러므로 대부분의 Ball Screw Assembles 제조 Maker들이 설계자들에게 권장하는 사용 속도는, 계산되는 각각의 위험 속도
값의 80% 정도입니다.
또한 통상적인 사용 속도 값이 2,000 RPM을 넘는 기계 장치의 경우에는 사전에 제조 Maker 들과 협의하여 줄 것을 요청하고
있습니다.
다만 한 가지 기억하셔야 할 것은, Ball Screw의 경우에는 이동하는 Nut가 Screw의 일정부분을 계속 지지해 주는 이동형 지지
Bearing의 역할을 하고 있고, 통상적인 운동방식이 한 방향 만으로의 회전이 아니라 정 방향 회전과 역 방향 회전을 반복하는
보완 운동이기 때문에 회전 운동 시에 발생하는 진동 진폭의 값이, 통상적인 전동 축에서 발생하는 진동 진폭보다는 매우
작은 편이라는 것입니다.
Ball Screw Assembles의 위험 속도 값은 계산을 통하여 구하던지, Catalogue에 기재된 그래프 등을 통해서 어렵지 않게
구할 수 있습니다.
그래프를 보면 통상적으로 가늘고 긴 제품이 낮은 회전에서도 위험한 상태에 도달하는 것을 쉽게 알아볼 수 있습니다.
이러한 현상 역시 Screw의 굵기가 가늘거나 길어질수록 처짐이 커진다는 것이고, 회전 시의 진폭 역시 커진다는 것을 확인해
주는 것이지요.
반면에 동일한 제품에서도 Screw의 장착 방법에 따라서 계산되어지는 위험 속도 값이 달라지는 것도 확인하실 수 있는데
Screw를 장착하는 Bearing의 조합 방식에 따라서 동일한 규격의 Screw에서도 허용되는 사용 속도 값을 높일 수도 있다는
점을 잘 기억하셔서 설계에 적용하시는 것이 좋겠습니다.
그 밖에도 Ball Screw와 양단 지지부의 조립 시에 발생할 수 있는 편심(偏心) 값, 외부로부터 Screw에 가해지는 부하의 양과
Screw의 처짐을 방지해 주는 별도의 지지(Support) 장치의 유무에 따라서 Screw의 사용 속도는 매우 다른 값을 나타낼 수도
있습니다. 그러므로 Ball Screw Assembles의 잠재 능력을 최대치로 사용하시려 한다면, 좋은 계산 수치를 보이는 크기의 제품
을 우선 선정하시는 것 보다는 적정한 지지 장치의 선택과 조립 방식의 선택 등의 조건을 우선적으로 설계에 반영하시는 것
이 타당한 방법입니다.
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| "정밀도 등급" 은 무엇이며 어떻게 적용하는가?자동화(FA) < 자동화부품요소 |
| by techno | 2009-07-14 | |
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"정밀도 등급" 은 무엇이며 어떻게 적용하는가?
Ball Screw Assembles에서의 정밀도란, Screw에 전달되는 회전력을 변환하여 직선 운동으로 움직이는 Nut Assembles가
과연 어느 정도의 정밀함을 가지고 설계자가 요구하는 거리를 이송할 수 있는가?를 나타내 주는 개념일 것입니다.
즉, Motor에서 발생되는 회전수가 구현하고자 했던 계산 상의 거리와, Nut Assembles가 실질적으로 이동한 거리에서
어느 정도의 차이가 날 수 있는가를 표현하는 것인데, 이러한 실질적인 이동 거리의 차이는 앞에서 설명드린 Nut와 Screw
간의 Back-lash에서도 발생할 수 있고, Screw 자체의 가공 정밀도에서도 발생하게 됩니다.
그러므로 이번 장에서 설명하는 정밀도 등급은 Screw 자체의 '가공' 정밀도 부분을 말하며, Back-lash가 예압의 부가로
인해서 없어질 수 있는 반면에, 이번 장에서 표현되는 정밀도는 "근원적이고 영속되는" 개념의 오차이므로 등급으로
지정하여 표시하는 것입니다.
Ball Screw의 정밀도에 영향을 미치는 요소는 크게 나누어서
1) Screw의 Lead 가공 정밀도 - Lead 가공 오차와 변동 값
2) Screw 장착부(Both End) 가공 정밀도 - Bearing 장착부위의 직각도, 편심도 등의 오차
3) 예압 토르크(Torque) 변동 비율 - Nut Assembles에 부가된 예압 Torque의 변동 오차로 구분되며, 각각의 정밀도
등급별로 규정된 허용 오차가 ISO 3408-03(또는 DIN 69 051)에 규정되어 있고 대부분의 제조 Maker에서는 통일된 규정에
따라 Catalogue에 각각의 내용을 게재하고 있습니다.
Screw의 Lead 정밀도를 구분하는 등급은 통상 0, 1, 3, 5, 7, 9(또는 10)의 순서와 형식으로 구성됩니다.
제조 Maker에 따라서 C0, C1, C2...의 형식으로 구분하기도 하고, P0, P1, P2...의 형식이나 T5, T7...의 형식으로 구분하기도
합니다. (전조(Rolled) Screw와 연삭(Ground) Screw에 따라 구분하기도 합니다.)
또 예외적으로 어떤 제조 Maker들은 통상 사용하지 않는 2, 4, 6 등급의 제품을 제조하는 것으로 표현하는 경우도 있는데
어차피 고객들께서 유념하셔야 하는 부분은 각각의 Maker가 등급을 표시하는 기호나 숫자가 아니라 등급별로 규정되는
Lead 오차의 정도와 그것이 설계하시는 기계 장치에 적합한 것인가를 확인하시는 일일 것이며, 여기에서는 ISO 규정에
따라서 표시하겠습니다.
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제조 방식
구분 |
연삭(硏削) Ground Screw |
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전조(轉造) Rolled Screw |
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일반 구분 |
정밀급 Ball Screw |
일반급 Ball Screw |
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ISO 등급 |
0 |
1 |
3 |
5 |
7 |
9(10) |
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정밀도 |
고(高) 정밀도             저(低) 정밀도 |
위에서 보시듯이 Ball Screw의 Lead 정밀도를 나타내는 숫자가 크면 클수록 정밀도는 낮아집니다.
그런 측면에서 전조 방식으로 제조되는 Rolled Screw의 경우에는 5급까지 만의 제품이 생산되며 연삭 가공을 실시하는
Ground Ball Screw의 경우에도 통상 5급 이하의 제품은 생산하지 않는 경우가 많습니다.
각각의 정밀도 등급에서 나타내는 실질 허용오차는 ISO 규정에 맞추어서 각각의 Maker들이 게재하여 배포하는 Catalogue에
상세하게 표시되어 있으며, 그 유형을 한 눈에 확인해 볼 수 있도록 그래프로도 표시해 주고 있습니다.
다만, ISO에서 규정한 허용오차의 수치는 "최대 수치"를 표기한 것이므로 보다 실질적인 제품 별 허용 오차는 각각의 제품
승인도면을 이용하여 확인하실 수 있습니다.
각각의 Ball Screw 제조 Maker들은 각자의 실적과 경험에 비추어서 고객들께서 설계하시고자 하는 각각의 기계 장치 별로
어느 정도 등급의 제품을 사용하는 것이 좋은지를 추천합니다.
아래에 제시되는 범례는 UMBRA 기술진이 추천해 드리는 항목입니다.
그러나 가장 우선적으로 고려해야 하는 것은 고객들께서 설계하시는 기계장치 별로 요구되는 고유의 위치 결정 정밀도에
대한 적합한 자체 기준을 설정하시는 것이며, 이것은 구매 비용 및 유지 비용에 막대한 영향을 미칩니다.
그러므로 아래에 표시되는 범례는 단순한 추천 항목 또는 사용 예제로만 확인하시는 것이 좋습니다.
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MACHINE TYPE |
AXIS |
PRECISION CLASS |
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1 |
3 |
5 |
7 |
9(10) |
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CNC Machine Tools |
Lathe |
X |
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Z |
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Milling Machine |
X-Y |
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Z |
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Work Center |
X-Y |
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Z |
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Plotter |
X-Y-Z |
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Drilling Machines |
X-Y |
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Z |
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Grinders |
X |
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Z |
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Universal and Special Machines |
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Other CNC Machines |
Electrical Discharge Machines |
X-Y |
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Z |
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Wire-Cut
Electrical Discharge Machines |
X-Y |
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Punching Press |
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3D Control Machine |
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| Ball Screw Assembles의 "재질"은 무엇이며 "열처리"는 어떻게 할까?자동화(FA) < 자동화부품요소 |
| by techno | 2009-07-14 | |
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Ball Screw Assembles의 "재질"은 무엇이며 "열처리"는 어떻게 할까?
각각의 Ball Screw 제조 Maker들은 지난 수 십년에 걸쳐서 보다 내마모성이 좋고 비틀림에 강한 소재를 구현하기 위하여
노력해 왔습니다.
각각의 제조 회사마다 원소재와 열처리 방식이 다를 수 있습니다만, Nut의 경우에는 침탄 열처리를 통해서 전체적인
강도를 높이고, Screw의 경우에는 표면 열처리를 통해서 외부면 만을 강화하고 내부에는 고유의 인성이 남아있도록
한다는 면에서는 동일한 방식을 취하고 있습니다.
몇 년 전부터 UMBRA를 비롯한 몇몇 유럽 지역의 제조 회사들은 Screw의 열처리 방식을 고주파 열처리 방식에서
중주파 열처리 방식으로 변경한 소재를 사용하고 있습니다.
이 방식은 Screw 소재의 표면 깊숙이 침탄 열처리를 한 것과 같은 효과를 얻어낼 수 있으며, 통상적으로 '후 변형'에 취약한
고주파 열처리의 취약점을 획기적으로 개선하는 효과를 얻고 있습니다.
 
[중주파 열처리된 소재의 절단면] [ Screw 원소재 적재 모습 ]
원소재의 절단면을 보시면 아시겠지만, 표면에서 일정 부분까지의 원형으로 침탄 경화층과 같은 조직이 형성되어 있는 것을
보실 수 있습니다.
아직까지도 많은 제조 회사들은 나사산 부위의 1차 가공 후에 고주파 열처리를 해서 약 3~5mm 정도의 경화층을 얻는 방식
으로 열처리를 시행하고, 그 후에 궤도 부분을 연마 처리합니다만, UMBRA를 비롯한 일부의 업체들은 위에서 보시는 것처럼
원소재 상태에서 중주파 열처리를 통한 8~12mm정도의 경화층을 형성하고, 표면을 연마 처리하여 기본적인 크기와 진직도를
확보한 후에, 특수한 장비와 Tool을 이용하여 Ball이 순환할 궤도를 가공합니다.
그러므로 하중을 지지하게 되는 궤도의 측면은 물론 하부의 가장 깊은 곳까지 3~5mm정도의 경화층이 유지된 Screw Shaft를
제작할 수 있습니다.
아래쪽에 제시하는 표는 UMBRA에서 사용하는 각 부위의 원소재를 표기한 것입니다.
고객들께서 추후에 제품을 구매하시면 아래의 내역보다는 보다 상세한 원소재의 성분 성적서가 제출될 것입니다만, 고객들
께서는 아래의 표를 통해서 일반적인 재질 내역을 확인하실 수 있을 것입니다.
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COMPONENT |
MATERIAL |
Hardness |
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SCREW |
STEEL (Surface-Hardened) |
C53 |
HRc 56~60 |
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STEEL (Surface-Hardened)` |
42 CrMo4 |
HRc 58~62 |
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STAINLESS STEEL (Surface-Hardened) |
Cronidur 30 |
HRc 56~59 |
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BALL NUT |
STEEL (Core-Hardened) |
100 Cr6 |
HRc 60~65 |
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STEEL (Cemented) |
18 NiCrMo5 |
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STAINLESS STEEL (Core-Hardened) |
Cronidur 30 |
HRc 56~59 |
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BALLS |
STEEL (Core-Hardened) |
100 Cr6 |
HRc 62~67 |
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STAINLESS STEEL (Core-Hardened) |
AISI 440C |
HRc 56~59 |
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* Ceramic |
Si3 N4 |
Vickers Hardness
load 500g : 14 GPa |
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RETURNS |
Brass |
P-CuZn40 PB2 |
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STEEL (Core-Hardened) |
C40 |
HRc 56~60 |
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STAINLESS STEEL (Core-Hardened) |
15-5 PH |
HRc 56~59 |
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STAINLESS STEEL (Core-Hardened) |
AISI 416 |
* Ceramic Ball은 UMBRA에서 공급하는 HYBRID BALL SCREW System에서 사용하며, 이에 대한 상세한 내용은
본 Web-site와 Catalogue를 통해서 확인하시기 바랍니다.
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| Ball Screw Assembles의 "수명" 은 어떻게 계산할까?자동화(FA) < 자동화부품요소 |
| by techno | 2009-07-14 | |
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Ball Screw Assembles의 "수명" 은 어떻게 계산할까?
기계 장치 및 이송 장치를 설계하시는 고객들 중에서 적지 않은 분들이, 가끔 Ball Screw를 제조하는-또는 판매하는- 회사에
상담을 하시면서 "이 규격의 Ball Screw Assembles에는 어느 정도의 하중을 실어서 이송할 수 있는지?"를 문의하십니다.
즉, 현재 설계하시는 기계 장치 및 이송 장치의 하중이 선택하고자 하는 Ball Screw Assembles에 적합한 것인지를 확인하고
싶어하시는 것입니다.
그러나 Ball Screw Assembles는 물론이고 일반적으로 구름운동을 수행하는 Bearings는 단순히 하중을 기준으로 선정할
수 없습니다.
지금까지 설명드렸던 Ball Screw Assembles의 선정과 관련된 주요 항목들 모두는 그래서 필요한 것이고 수명에 대한 내용을
제일 마지막에 설명드리는 것도 그러한 이유입니다.
Ball Screw Assembles를 선정하시면서 가장 중요하게 생각하셔야 하는 부분은 선택하신 제품이 고객께서 설계하시는 장치에
부착되어서 어느 정도의 수명을 가지게 될 것인가?를 고려하시는 것입니다.
즉, 설계하시는 기계 장치의 기본적인 목표수명이나 기대수명과 비교하여 적합한 제품을 선정하시는 것이 Ball Screw 제품은
물론 연관되는 각종 조합 제품들의 초기 구매 비용 및 유지 비용에 적정성을 가지게 하는 중요한 선택이 되기 때문입니다.
통상적으로 Ball Screw Assembles를 제작하는 여러 회사들은 아래의 항목 별 수명 시간을 일반적인 표준 수명 시간으로 추천
하고 있습니다.
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기계 및 장치 항목 |
표준 수명 시간 |
수명 일자 |
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공작 기계 |
20,000 시간 |
100 개월 |
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산업 기계 및 이송 장치 |
10,000 시간 |
50 개월 |
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자동제어 기계 및 계측 장치 |
15,000 시간 |
75 개월 |
* 수명 일자는 1일 8시간 / 1개월 25일 가동을 기준으로 설정하였습니다.
Ball Screw Assembles의 수명을 산정하시는 방법은 제조 회사들이 제공하는 Catalogue에 매우 상세하게 설명되어 있으므로
이곳에서 부연할 필요는 없겠습니다만, 그 내용을 간략하게 설명드린다면
1) Ball Screw Assembles의 수명이 종료되는 시점은?
Balls, Screw의 궤도면, Nut의 궤도면 어느 쪽에서나 반복적으로 가해지는 응력에 의해서 피로 현상이 발생하고 그로 인해
박리(薄離 Flaking)현상이 일어나기 시작하는 순간을 말합니다.
Ball Screw Assembles가 규정된 수명 시간을 넘어 계속 사용될 경우에 통상 Nut와 Screw의 궤도면에 원형으로 형성되는
0.2mm 정도 크기의 Pitting이 발생하며, 점차 그 주위에 Crack이 발생하여 성장하게 됩니다.
성장된 Crack은 결국 박리(Flaking)현상으로 진전되며, 박리된 조각이 Ball에 영향을 미치고 연속해서 다른 궤도면과 Ball에
영향을 전달하면서 급속하게 마모가 촉진됩니다.
  
Pitting 현상 Crack 현상 Flaking 현상
2) Ball Screw Assembles의 수명을 나타내는 단위는?
Ball의 총 회전수입니다. 즉, 박리 현상이 발생하는 순간까지의 총 회전수를 수명으로 표시하며 계산된 총 회전수에
도달하기까지의 시간을 환산하여 수명으로 산정합니다.
3) 앞에서 기본 동 정격 하중에 대한 설명을 드리면서 "정격 수명"이라는 용어를 풀이해 드린 것을 기억하실 것입니다.
여러분께서는 제조회사들이 제공하는 계산 식에 의거하여 설계하시는 기계 장치의 '평균 속도', '평균 하중', 정격 수명',
'구동 Torque', '구동력' 등을 산출하실 것이며, 기계의 작동 시간과 Ball Screw의 작동시간을 이용하여 '요구 수명'을 산출하실
수 있을 것입니다.
이렇게 계산된 '요구 수명' 값과 '평균 하중' 값을 이용하여 필요한 동 정격 하중 값을 확인하시게 되며 확인된 동 정격 하중
값에 부합하는 제품을 Catalogue의 Dimension Table에서 찾으시면 되는 것입니다.
4) 그 후 선정된 제품의 회전수 수명이, 처음 설정하신 목표 수명 값보다 너무 높거나 낮지 않은지 재 확인하시는 것으로
적정한 Ball Screw의 Size를 선정해 내실 수 있을 것입니다.
반드시 유념하셔야 하는 것은, Screw의 회전수가 10 RPM을 넘지 못하는 저속에서의 사용이 예상되는 경우에는 기본 동 정격
하중 값을 이용하여 수명을 확인하시면 큰 오차가 발생하게 된다는 점입니다.
저속 회전에서의 수명 확인은, 기본 정 정격 하중 값을 이용하시기를 권장합니다.
여기까지의 설명을 보시면서 느끼셨겠습니다만, Ball Screw Assembles의 선정에 있어서 가장 우선시되어야 하는 항목은 고객
께서 설계하시는 기계 장치의 목표를 설정하시는 것입니다.
즉, 기계 장치가 가져야 할 정밀도, 강도, 속도, 수명에 대한 목표를 우선 설정하시고 그 목표에 부합되는 Ball Screw가 어떤 것
인지를 선택하셔야 한다는 것입니다.
또한 Ball Screw Assembles를 제조하는 Maker들이 권장하는 각각의 사용 조건들을 준수하시고, 적절한 윤활이 유지될 수
있도록 해 주시는 등, 목표와 사용 조건이 부합되는 환경을 구성하셔야 합니다.
근래에 들어서는 Ball Screw Assembles가 적용되는 분야의 한계를 없애기 위한 다양한 노력이 결실을 보이고 있습니다.
예전에는 적용할 수 없었던 속도와 온도, 하중 값 등의 가혹한 조건에서도 훌륭하게 역할을 수행하는 새로운 디자인과 소재
들을 적용한 신제품들이 공급되고 있는 것입니다.
그러므로 각각의 제조 회사들이 제시하는 신제품에 대한 정보를 꼼꼼히 챙기셔서 고객께서 설계하시는 기계 장치에의 적용
을 검토하는 것도, 일반적인 사용 조건의 탐색에 못지 않게 중요한 일입니다.
당사의 Web-Site에서 제공하는 이러한 정보들이 고객들의 사전 사후 비용을 줄여드리고, 효율을 높이는 일에 조금이라도
기여할 수 있기를 희망합니다.
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나선형의 골이 가공된 축(Screw)을 회전시키면 그 나선형의 골을 따라서 움직이는 물체(Nut)는 직선으로
추천
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