볼 리턴 시스템, 볼 스크류 선택 및 볼 스크류 윤활.

특정 용도에 맞는 볼 스크류를 선택하면 기계의 정확성, 반복성 및 수명을 보장하는 동시에 총 소유 비용을 최소화할 수 있습니다.

볼 스크류 드라이브는 회전 운동을 직선 운동으로 또는 그 반대로 변환하며, 최대 750,000lb(Ø6.000인치 볼 스크류 어셈블리 사용 시 정적 하중 용량 750,000lb 이상)의 높은 추력을 가하거나 견딜 수 있으며, 일반적으로 90% 이상의 효율을 제공합니다. 볼 스크류는 다양한 자동화 응용 분야에서 부품 및 제품을 안내, 지지, 위치 지정 및 정확하게 이동시키는 데 도움을 줍니다.

볼 스크류 드라이브는 볼 스크류와 볼 너트로 구성되며, 볼 베어링이 순환식으로 배열되어 있습니다. 스크류와 너트 사이의 접촉면은 볼 스크류와 볼 너트에 각각 장착된 볼 베어링에 의해 형성되며, 이 베어링들은 볼 베어링의 형상에 맞춰 회전합니다. 볼 스크류에 가해지는 하중은 다수의 볼 베어링에 분산되므로 각 볼 베어링에는 상대적으로 낮은 하중이 가해집니다. 이러한 구름 요소 덕분에 볼 스크류 드라이브는 마찰 계수가 매우 낮아 높은 기계적 효율을 제공합니다.

볼 스크류와 리드 스크류의 가장 큰 차이점은 볼 스크류에 마찰을 최소화하고 효율을 극대화하기 위해 재순환 볼 베어링을 사용한다는 점입니다. 볼 스크류는 리드 스크류보다 가격이 비싸지만, 높은 하중을 견딜 수 있고, 빠른 속도를 낼 수 있으며, 수명이 예측 가능하기 때문에 많은 용도에서 추가 비용을 충분히 감수할 만한 가치가 있습니다.

볼 스크류 드라이브는 일반적으로 90% 이상의 기계적 효율을 제공하므로, 전력 소모량 감소로 인해 비용이 상쇄되는 경우가 많습니다. 볼 스크류는 리드 스크류에 비해 하중 지지력이 높고 수명이 길며 신뢰성이 예측 가능하다는 장점이 있습니다.

반복성 및 정확도

정확도는 모션 시스템이 명령 위치에 얼마나 근접하는지를 나타내는 척도로, 예상 위치와 실제 위치 간의 최대 오차로 정의됩니다. 반복성은 위치 결정 시스템이 작동 중에 원래 위치로 복귀하는 능력을 의미합니다. 볼 스크류 드라이브는 뛰어난 반복성(백래시는 볼 베어링 직경에 따라 다르지만 일반적으로 0.005~0.015인치 범위)과 정확도(정밀 볼 스크류의 경우 ±0.004인치/피트, 정밀 플러스 등급 볼 스크류의 경우 ±0.0005인치/피트)를 제공합니다.

리드 정밀도는 볼 스크류의 정밀도를 측정하는 가장 일반적인 지표입니다. 리드는 회전하지 않는 볼 너트가 스크류를 360° 한 바퀴 회전시킬 때 이동하는 거리를 나타냅니다. 리드 정밀도는 허용 가능한 이동 오차(실제 위치와 이론 위치의 차이)를 1피트(약 30cm) 또는 300mm(약 91mm) 단위로 측정합니다. 볼 스크류는 정밀 플러스 등급과 이송 등급으로 나뉘며, 정밀 플러스 등급은 전체 이동 거리에 걸쳐 리드 오차 누적을 엄격하게 제어합니다.

백래시는 너트와 스크류 사이의 자유로운 움직임을 말하며, 축 방향과 반경 방향으로 측정할 수 있습니다. 축 방향 백래시를 측정하는 가장 좋은 방법은 스크류의 움직임을 고정한 상태에서 볼 너트를 축 방향으로 밀고 당기면서 다이얼 게이지로 움직임을 측정하는 것입니다. 또한, 시스템의 볼 너트에 다이얼 게이지를 장착하고 1인치 앞뒤로 움직여 원래 위치로 되돌리는 방식으로도 백래시를 측정할 수 있습니다. 이때 측정값이 0에서 벗어난 정도가 백래시입니다. 반복성은 볼 스크류의 백래시를 정량적으로 나타낸 값입니다.

프리로드가 없는 볼 너트는 구성 요소 사이에 내부 유격이 있어 백래시가 발생합니다. 프리로드가 있는 볼 너트는 축 방향 유격이 없으므로 백래시가 제거되어 강성이 향상됩니다. 프리로드는 또한 스크류를 돌리는 데 필요한 토크를 증가시키며, 동적 용량 대비 프리로드 비율로 측정됩니다(동적 용량이 1500lb이고 프리로드 등급이 10%인 볼 너트는 내부 프리로드가 150lb입니다). 정밀 나사산 볼 스크류는 일반적으로 프리로드 없이 사용됩니다. 볼 스크류에 프리로드를 가하면 백래시가 제거되어 반복성이 향상되지만 정밀도에는 영향을 미치지 않습니다.

프리로드 볼 너트는 프리시전 플러스 스크류 및 일부 프리시전 스크류 제품에 적용됩니다. 프리로드 볼 너트는 복잡한 구조, 추가 가공, 조립 및 검증/측정으로 인해 일반 너트보다 가격이 높습니다. 볼 스크류 어셈블리는 이중 너트 또는 단일 너트 구성으로 프리로드할 수 있습니다. 프리로드 방식에는 크게 단일 너트 오버사이즈 볼(4점 접촉), 단일 너트 스킵 리드(2점 접촉), 이중 너트(2점 접촉)의 세 가지 유형이 있습니다. 단일 너트 프리로드는 최대 하중 용량을 유지하면서 패키지 크기를 최소화합니다. 스킵 리드 볼 너트는 각 방향으로 절반의 볼 베어링만 하중을 받기 때문에 유사한 크기의 단일 너트에 비해 하중 용량이 절반입니다. 이중 너트 프리로드 어셈블리는 각 방향으로 하나의 볼 너트만 하중을 받기 때문에 단일 너트와 동일한 하중 용량을 가집니다.

볼 스크류 제조 방법에는 여러 가지가 있지만, 일반적으로 정밀형과 정밀 플러스형 두 가지 범주로 분류됩니다. 정밀 나사산 볼 스크류의 레이스는 냉간 압연 공정을 통해 성형됩니다. 너트는 스크류의 성능에 맞춰 정밀 가공됩니다. 이 방식은 운송용 인치 시리즈 스크류의 경우 ±0.004인치/피트 정도의 리드 정밀도를 제공하는 비교적 높은 정밀도를 자랑합니다. 정밀 플러스형 나사산 볼 스크류는 스크류와 너트 모두 정밀 연삭 공정을 통해 생산됩니다. 정밀 플러스형 나사산 볼 스크류는 정밀 플러스형 인치 시리즈 스크류의 경우 ±0.0005인치/피트의 리드 정밀도를 제공하여 훨씬 높은 정밀도를 구현합니다. 정밀 플러스형 볼 스크류는 가공 시간이 더 오래 걸리기 때문에 정밀 스크류보다 가격이 높습니다.

볼 리턴 시스템

일반적으로 세 가지 유형의 볼 리턴 시스템이 사용됩니다. 외부 리턴 튜브는 주로 인치 스크류에 사용되며 비용 효율적이고 설치, 유지 보수 및 수리가 용이합니다. 내부 버튼 리턴 시스템은 일반적으로 리드 스크류가 낮은 경우에 사용됩니다. 이 시스템은 크기가 작고 외부 돌출부가 없어 장착이 간편하며 외부 리턴 방식보다 소음과 진동이 적습니다. 내부 버튼 리턴 시스템은 4점 접촉, 단일 너트 및 프리로드 어셈블리에 자주 사용됩니다. 내부 엔드 캡 리턴은 일반적으로 리드 스크류가 높은 경우에 사용됩니다. 이 시스템 또한 크기가 작고 외부 돌출부가 없어 장착이 간편하며 외부 리턴 방식보다 소음과 진동이 적습니다.

볼스크류 선택

특정 용도에 필요한 하중 용량과 수명을 제공하는 볼 스크류 어셈블리는 반복적인 과정을 통해 선택하는 것이 가장 좋습니다. 설계 하중, 시스템 방향, 이동 거리, 필요 수명 및 필요 속도를 고려하여 볼 스크류 어셈블리의 직경과 리드를 결정합니다. 그런 다음 정확도 및 반복성 요구 사항, 치수 제약 조건, 장착 구성, 사용 가능한 전력 요구 사항 및 환경 조건을 기준으로 개별 볼 스크류 구성 요소를 선택합니다.

먼저 적용 분야에 필요한 위치 정확도와 반복성을 결정하십시오. 인치 볼 스크류는 크게 두 가지 등급으로 나뉩니다. 트랜스포트(Transport) 등급과 프리시전 플러스(Precision Plus) 등급입니다. 트랜스포트 등급 볼 스크류는 대략적인 움직임만 필요하거나 위치 결정에 선형 피드백을 사용하는 용도에 사용됩니다. 프리시전 플러스 등급 볼 스크류는 정확하고 반복 가능한 위치 결정이 매우 중요한 경우에 사용됩니다. 트랜스포트 등급 스크류는 스크류의 유효 길이 전체에 걸쳐 누적 변동을 허용합니다. 프리시전 플러스 등급 스크류는 스크류의 전체 유효 길이에 걸쳐 정밀한 위치 결정을 위해 리드 오차의 누적을 최소화합니다.

볼 스크류 어셈블리를 기계에 어떻게 장착할지 결정하십시오. 엔드 서포트의 구성과 이동 거리는 볼 스크류의 하중 및 속도 제한을 결정합니다.

인장 하중을 받는 볼 스크류는 너트의 정격 용량까지 하중을 견딜 수 있습니다. 압축 하중을 받는 볼 너트의 경우, 제조사에서 제공하는 압축 하중표를 사용하여 설계 하중을 충족하거나 초과하는 볼 스크류 직경을 선택해야 합니다. 예를 들어, 그래프의 점이 지나거나 그 위쪽 및 오른쪽에 있는 모든 스크류는 다음 예시 적용에 적합합니다. 이 그래프에 표시된 적절한 압축 하중은 개별 볼 너트 어셈블리의 정격표에 명시된 최대 정적 하중 용량을 초과해서는 안 됩니다. 따라서 길이 85인치(2159mm), 시스템 하중 30,000lb(133,500N), 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 지지된 경우, 최소 선택 사양은 1.750 x 0.200 정밀도 플러스 인치 볼 스크류 어셈블리입니다.

다음 공식을 사용하여 요구되는 속도를 낼 수 있는 볼 스크류의 리드를 계산하십시오.

리드(인치) = 이동률(인치·분⁻¹)/rpm

애플리케이션 수명 예측

볼 너트 어셈블리의 수명은 각 볼 너트에 지정된 동적 하중 등급을 사용하여 계산할 수 있습니다. 그래프의 곡선이 표시된 지점을 통과하거나 그 위에 있는 모든 볼 너트는 예시에 적합합니다. 이 그래프에 표시된 적정 수명은 개별 볼 너트 어셈블리의 등급표에 명시된 최대 정적 하중 용량을 초과하지 않습니다. 이 예시에서 원하는 적용 수명(총 이동 거리)은 200만 인치(5,080만 mm)입니다. 따라서 최대 정상 작동 하중은 10,000 파운드(44,500 N)입니다.

나사 임계 속도 결정

임계 스크류 속도는 조립체의 회전 속도가 조화 진동을 발생시키는 조건입니다. 임계 속도는 스크류의 루트 직경, 지지되지 않은 길이, 그리고 단부 지지 구성에 따라 달라집니다. 대부분의 제조업체 차트에서, 그래프의 곡선이 표시된 지점을 통과하거나 그 위쪽 및 오른쪽에 있는 모든 스크류는 다음 예시에 적합합니다. 네 개의 단부 고정 도면은 회전축을 지지하기 위한 베어링 구성을 보여주고, 차트는 지지되지 않은 스크류 길이에 대한 임계 축 속도에 미치는 영향을 보여줍니다. 이 그래프에 표시된 허용 속도는 선택된 스크류 축에 적용되는 속도이며, 관련된 모든 볼 너트 조립체에서 달성 가능한 속도를 나타내는 것은 아닙니다.

하중, 수명 및 속도 계산 결과 선택한 볼 스크류 어셈블리가 설계 요구 사항을 충족하거나 초과하는 것으로 확인되면 다음 단계로 진행하십시오. 그렇지 않은 경우, 스크류 직경을 키우면 하중 용량과 속도 등급이 증가합니다. 리드 길이가 짧을수록 선형 속도는 감소하고(모터 입력 속도가 일정하다고 가정), 모터 속도는 증가하며(선형 속도가 일정하다고 가정), 필요한 입력 토크는 감소합니다. 리드 길이가 길수록 선형 속도는 증가하고(모터 입력 속도가 일정하다고 가정), 모터 입력 속도는 감소하며(선형 속도가 일정하다고 가정), 필요한 입력 토크는 증가합니다.

볼 너트가 적용 분야에 어떻게 결합될지 결정하십시오. 볼 너트 플랜지는 볼 너트를 하중에 고정하는 일반적인 방법입니다. 나사식 볼 너트와 원통형 볼 너트는 결합 방식을 제공하는 대안입니다.

사전 하중이 가해진 볼 너트는 시스템의 유격을 제거하고 강성을 향상시킵니다. 와이퍼 키트는 어셈블리를 오염 물질로부터 보호하고 윤활유를 포함합니다. 대부분의 볼 스크류에는 베어링 지지대와 단부 가공 옵션도 제공됩니다.

볼 스크류는 설치 전에 조심스럽게 다뤄야 합니다. 볼 베어링에 충격이 가해지면 브리넬링이나 균열을 통해 베어링 레이스가 손상될 수 있습니다. 스크류에 높은 하중이 가해지거나 휨이 발생하면 휘어질 수 있습니다. 조립품은 포장된 상태로 윤활 처리하고 깨끗하고 건조한 곳에 보관해야 합니다. 이물질이나 오염 물질이 재순환 트랙을 막을 수 있으며, 높은 습도나 비는 부식을 유발할 수 있습니다.

시스템 장착 또한 중요한 고려 사항입니다. 볼 너트는 축 방향으로만 하중을 받아야 하며, 방사 방향 하중이 가해지면 어셈블리의 성능이 크게 저하됩니다. 또한 최적의 성능과 수명을 위해서는 어셈블리가 구동 시스템, 베어링 지지대 및 하중과 올바르게 정렬되어야 합니다.

볼 스크류 윤활

볼 스크류 어셈블리는 적절한 윤활 없이 작동시켜서는 안 됩니다. 윤활유는 볼과 홈 사이의 구름 저항과 인접한 볼 사이의 미끄럼 마찰을 최소화하여 볼 스크류 어셈블리의 낮은 마찰 이점을 유지시켜 줍니다.

오일은 필요한 지점에 직접 제어된 유량으로 분사할 수 있으며, 볼 너트를 통과하면서 오염 물질을 제거합니다. 또한 냉각 효과도 제공합니다. 하지만 오일은 공정 유체를 오염시킬 가능성이 있으므로, 오일을 적절하게 분사하려면 펌프와 계량 시스템이 필요합니다.

그리스는 오일보다 가격이 저렴하고 도포 빈도가 낮으며 공정 유체를 오염시키지 않습니다. 그러나 그리스는 볼 너트 내부에 유지하기 어렵고 볼 너트 이동 끝부분에 칩이나 마모성 입자가 쌓이는 경향이 있습니다. 기존 그리스와 재윤활 그리스의 호환성 문제는 심각한 문제를 야기할 수 있으므로 호환성 확인이 중요합니다. 하중 지지 그리스는 어셈블리의 수명을 연장하는 데 도움이 되지만 전체 하중 등급은 변경되지 않습니다.