볼 스플라인이란?
볼 스플라인은 직동안내기계의 하나로, 주로 부드러운 직선 운동을 하고자 하는 곳에 사용되는 기계 요소입니다.
볼 스플라인에는 스플라인이라는 직선 운동의 축이 되는 샤프트의 길이 방향으로 연속적으로 파낸 홈이 있습니다. 샤프트 위에서 스플라인 너트라는 외통 부품으로 끼워 넣음으로써 축 방향의 부드러운 동작과 회전 동작을 한 축으로 구현할 수 있습니다.
볼 스플라인과 유사한 기계 요소는 여러 가지가 있지만, 그 중에서도 비교적 큰 하중을 받으면서 부드러운 직선 이동과 축 방향의 회전 동작을 동시에 전달하고자 할 때 가장 적합한 기계 요소입니다.
볼 스플라인의 사용 용도
볼 스플라인은 다양한 산업용 기계에서 회전 동작과 수직 동작이 동시에 필요한 경우에 사용됩니다. 예를 들어, 로봇의 팔 끝 동작, 회전 연마 장치와 같이 회전과 공작물에 대한 압착을 동시에 수행해야 하는 경우도 볼 스플라인의 사용 용도 중 하나입니다.
또한, 반송장치 등 부드러운 장행정 1축 동작이 필요한 경우에도 사용됩니다.
볼 스플라인의 원리
볼 스플라인은 볼의 회전과 스플라인의 맞물림에 의해 회전 토크가 전달됩니다. 먼저 구름은 가이드가 되는 샤프트 외부에는 여러 개의 가이드 홈과 스플라인 너트라는 외통 부품 내부에 임의의 곡률을 가진 타원형 궤도 사이에서 여러 개의 강구가 굴러가는 구조입니다.
강구에는 윤활유가 도포되어 있어 스플라인 너트와 스플라인 샤프트 사이에서 매우 작은 마찰력으로 굴러갑니다. 한편, 샤프트가 회전할 때 강구는 스플라인 홈에 맞물려 있기 때문에 샤프트와 스플라인 너트는 회전 방향이 틀어지지 않습니다. 이 두 가지 메커니즘을 통해 스플라인 축을 따라 직선 운동과 회전 운동을 하나의 축으로 실현할 수 있습니다.
볼 스플라인 선택 방법
모든 볼 스플라인의 내부 구조는 거의 동일합니다. 하지만 스플라인 축의 크기 등에 따라 대응할 수 있는 하중과 토크가 달라집니다. 따라서 사용하는 장비의 설계에 따라 적절한 스플라인 축의 크기를 선택하는 것이 중요합니다.
또한, 부식성 가스나 습기가 많은 공간에서의 사용이 예상되는 경우 소재를 스테인리스 재질로 하거나, 고청정도가 요구되는 상황에서는 볼의 윤활유를 전용 윤활유로 변경하는 등 사용 환경에 맞는 옵션을 검토하는 것도 빼놓을 수 없는 부분입니다.
볼 스플라인의 기타 정보
1. 로터리 볼 스플라인
로터리 볼 스플라인은 하나의 어셈블리에서 직선 및 회전 운동을 할 수 있는 메커니즘을 가지고 있는 기계 요소입니다. 일반적인 볼 스플라인에 더욱 독립적으로 부드러운 회전 운동을 할 수 있도록 크로스 롤러라는 메커니즘이 추가된 것이 특징입니다.
스플라인부와 회전부가 일체형이기 때문에 기존 메커니즘에 비해 부품 수를 대폭 줄일 수 있으며, 장착의 누적 오차를 줄일 수 있습니다. 또한, 볼 스플라인의 외통에 직접 크로스 롤러가 배치되어 있어 가볍고 콤팩트하게 구성할 수 있는 것이 특징입니다. 기존 기구보다 경량화 및 설치성이 향상됩니다.
로터리 볼 스플라인은 스칼라 로봇이라 불리는 수평 다관절형 산업용 로봇을 포함한 조립기, 로더, 레이저 밀링 가공 등에 사용됩니다.
2. 볼 스플라인과 리니어 부싱의 차이점
리니어 부싱은 롤링 가이드의 직동 메커니즘으로 리니어 샤프트와 함께 사용되며, 강구의 롤링을 이용하여 무한한 직선 운동을 합니다. 외관상 가장 큰 차이점은 샤프트에 스플라인 홈이 있는 것이 볼 스플라인, 샤프트에 홈이 없는 것이 리니어 부싱입니다.
리니어 부싱은 볼이 부싱에 대해 직선으로 배열되어 있어 볼과 축이 점접촉으로 슬라이딩합니다. 이에 비해 볼 스플라인은 볼이 스플라인 축의 홈 위를 회전하기 때문에 볼과 축의 접촉 면적이 넓고, 회전 방향으로의 이탈이 없기 때문에 토크도 동시에 전달할 수 있습니다.