백래쉬
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.
UMBRA- Single Preloaded Nut type Ball Screw Assembles
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