KR20140033295A - 리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이디얼 베어링 외륜 홈의 깊이를 얕게 하면서도 레일과의 접촉각을 크게 하여 고정볼트에 작용하는 수평 방향의 힘을 최소화할 수 있고, 고하중에서도 2점 접촉 주행을 안정적으로 유지할 수 있는 리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링에 관한 것으로, 레이디얼 베어링의 외륜 표면에 반지름이 r인 원형 단면 레일과 접촉하면서 주행할 수 있는 홈의 단면을 상부 곡면과 하부 곡면으로 나누어 형성하되, 상기 홈의 하부 곡면은 상기 레일의 수평 중심선보다 상부에 위치한 제1중심과 상기 레일의 반지름보다 큰 제1반지름에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성하고, 상기 홈의 상부 곡면은 상기 레일의 수평 중심선보다 하부에 위치한 제2중심과 상기 레일의 반지름보다 큰 제2반지름에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성한 것을 특징으로 한다.

Description

리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링{RADIAL BEARING FOR LINEAR MOTION GUIDE}
본 발명은 리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링에 관한 것으로, 더 상세하게는 레이디얼 베어링 외륜 홈의 깊이를 얕게 하면서도 레일과의 접촉각을 크게 하여 고정볼트에 작용하는 수평 방향의 힘을 최소화할 수 있고, 고하중에서도 2점 접촉 주행을 안정적으로 유지할 수 있는 리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링에 관한 것이다.
근래, 레이디얼 베어링(radial bearing)을 이용한 리니어 모션 가이드(Linear Motion Guide)(이하, 레이디얼 베어링 리니어 모션 가이드라고 한다)가 소개되고 있다.
도 1 및 도 2에는 종래 레이디얼 베어링 리니어 모션 가이드의 대표적인 예들을 나타내었다. 레이디얼 베어링 리니어 모션 가이드는 직선방향으로 연장된 "凹"형 고정블럭(13a, 13b)의 양측 수직벽 내측에 원형 단면 레일(15a, 15b)을 압입하고, 가동블럭(17a, 17b)의 하부에 이 레일(15a, 15b)을 따라 주행할 수 있는 레이디얼 베어링을, 양측 레일(15a, 15b)에 1개씩 교대로 접촉하도록, 적어도 2개 이상 배치한 것이다. 자동화장치 등에서 가동블럭(17a, 17b)에는 직선 이동해야 하는 부하(負荷)가 실리고, 이 부하는 레이디얼 베어링(1a, 1b)의 외륜(15a, 15b)에 수직 하중으로 작용한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링(1a, 1b)은 환상(環狀)의 외륜(3a, 3b)과, 외륜보다 지름이 작은 환상(環狀)의 내륜(5a, 5b)과, 외륜과 내륜 사이에 개재(介在)되는 구름 볼(rolling ball)(7a, 7b)과, 내륜(5a, 5b) 내부에 삽입되어 내륜(5a, 5b)을 가동블럭(17a, 17b)에 고정하는 고정볼트(9a, 9b)를 포함한다. 가동블럭(17a, 17b)에는 너트 시트(nut seat)가 홈 형태로 형성되고 이 홈 내부에서 고정볼트(9a, 9b)가 고정너트(11a, 11b)에 체결된다. 도 1에 도시된 리니어 모션 가이드는 고정볼트(9a)와 고정너트(11a)가 서로 편심되게 결합되어 있다. 도 2에 도시된 리니어 모션 가이드는 고정볼트(9b)의 상부(너트 결합부)와 하부(내륜 결합부)가 서로 편심되게 형성되어 있다. 이러한 구조에 의하면, 고정볼트(9a, 9b)가 고정너트(11a, 11b)에 결합 된 상태에서 고정너트(11b)를 회전시키면, 레일(15a, 15b)에 대한 레이디얼 베어링(1a, 1b)의 상대 위치를 변화시킬 수 있고, 이를 통해 레일(15a, 15b)과 레이디얼 베어링(1a, 1b)의 외륜(3a, 3b)간의 접촉 예압을 조절할 수 있다.
레이디얼 베어링(1a, 1b)의 외륜에는 외주면을 따라 레일(15a, 15b)의 단면 일부를 삽입할 수 있는 홈이 형성된다. 도 1에 도시된 레이디얼 베어링(1a) 외륜(3a)에는 V형 홈(V)이 형성되고, 도 2에 도시된 레이디얼 베어링(1b)의 외륜(3b)에는 원형 홈(R)이 형성되어 있다. 이 홈의 형상에 따라, 레이디얼 베어링(1a, 1b)의 주행 상태, 레이디얼 베어링의 내구성, 레일의 내구성, 리니어 모션 가이드의 내하중성 등이 달라진다. 본 발명은 이 홈의 구조에 관한 것이다.
도 1 및 도 2에서, 레이디얼 베어링(1a, 1b)의 외륜(3a, 3b)은 레일(15a, 15b)에 항상 점(点) 접촉을 하면서 회전 주행한다. 도 1에서는 레이디얼 베어링(1a)의 외륜(3a)과 레일(15a)이 2개의 점(c1, c2)에서 점 접촉한다. 도 2에서는 레이디얼 베어링(1b)의 외륜(3b)과 레일(15b)이 1개의 점(c3)에서 점 접촉한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레이디얼 베어링(1a)의 홈이 V형 홈 일 경우, V형 홈의 깊이가 깊고 벌어진 각이 적을수록 접촉각(θ1)이 커진다. 레이디얼 베어링(1a)에 작용하는 하중은 수직 방향 하중이기 때문에 접촉각이 클수록 고정볼트(9a)에 작용하는 수평 방향의 힘이 작아지고, 반대로 접촉각이 적을수록 고정볼트(9a)에 작용하는 수평 방향의 힘이 커진다. 주행 중 레이디얼 베어링(1a)의 외륜(3a)에 작용하는 수평 방향의 힘은 고정볼트(9a)를 굴절을 야기하고 레이디얼 베어링(1a)의 수명을 단축시킨다. 그렇다고, 접촉각(θ1)을 키우기 위해 V형 홈(V)의 깊이를 제약없이 깊게 할 수 있는 것도 아니다. V형 홈(V)을 깊게 할 경우, 레이디얼 베어링(1a)의 강성을 크게 할 수 없기 때문이다. 도 1에서, V형 홈(V)을 깊게 하면, 수직 방향의 하중이 작용할 때 레이디얼 베어링(1a) 외륜(3a)의 V형 홈이 쉽게 벌어져, 레이디얼 베어링(1a)의 수명을 단축시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 레이디얼 베어링(1b)의 홈이 원형 홈(R)일 경우, 레이디얼 베어링(1b)과 레일(15b)간의 접촉은 원형 홈(R)의 상부 모서리 부근 한 지점에서만 이루어진다(접점 c3). 레이디얼 베어링(1b)의 원형 홈(R) 반경이 레일(15b)의 반경보다 더 커야 하고, 레이디얼 베어링(1b)에는 수직 방향의 하중이 작용하기 때문이다. 이와 같이 레이디얼 베어링(1b)의 외륜(3b)과 레일(15b)이 1점 접촉할 경우에는 레이디얼 베어링에 가해지는 수직 방향 하중이 접촉점을 중심으로 모멘트 하중(회전을 야기하는 하중)으로 작용하기 때문에, 회전시 레이디얼 베어링(1b)의 외륜(3b)과 내륜(5b)의 중심축이 달라져, 레이디얼 베어링(1b)의 주행 중 피칭(pitching) 요동이 생기고(주행 중 뒤뚱거리며 흔들리는 현상), 레일(15b)에 편마모를 야기한다. 따라서, 원형 홈(R) 외륜(3b)의 레이디얼 베어링(1b)을 이용한 리니어 모션 가이드에는 큰 하중을 적재하기 어렵고, 직선운동에서 핏칭 요동에 의한 직진정밀도가 떨어지며, 수명이 짧은 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 레이디얼 베어링 리니어 모션 가이드의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 레일과의 접촉각이 크고, 레일과 2점 접촉을 하면서도 레이디얼 베어링의 강성을 희생시키지 않는 리이어 모션 가이드용 레이디얼 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 레일과 2점 접촉을 하면서도 레이디얼 베어링의 외륜 폭은 V형 홈을 가진 레이디얼 베어링보다 더 컴팩트(좁게)하게 형성할 수 있는 리이어 모션 가이드용 레이디얼 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 홈의 단면을 곡면으로 하면서도 2점 접촉이 가능하게 하여, 레이디얼 베어링에 가해지는 수직 방향 하중이 접촉점을 중심으로 모멘트 하중(회전을 야기하는 하중)으로 작용하지 않게 한 리이어 모션 가이드용 레이디얼 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고 하는 또 다른 과제는 주행 중 레이디얼 베어링의 외륜과 내륜의 중심축이 항상 일치될 수 있는 리이어 모션 가이드용 레이디얼 베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고 하는 또 다른 과제는 레이디얼 베어링과 레일간의 2점 접촉이 매우 안정적으로 이루어져 레이디얼 베어링의 주행 중 피칭(pitching) 요동이 생기지 않고 정속 정밀 주행을 할 수 있는 리이어 모션 가이드용 레이디얼 베어링을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 과제는, 레이디얼 베어링의 외륜 표면에 반지름이 r인 원형 단면 레일과 접촉하면서 주행할 수 있는 홈의 단면을 상부 곡면과 하부 곡면으로 나누어 형성하되, 상기 홈의 하부 곡면은 상기 레일의 수평 중심선보다 상부에 위치한 제1중심과 상기 레일의 반지름보다 큰 제1반지름에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성하고, 상기 홈의 상부 곡면은 상기 레일의 수평 중심선보다 하부에 위치한 제2중심과 상기 레일의 반지름보다 큰 제2반지름에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성함으로써 해결할 수 있다.
본 발명에 의하면, 레이디얼 베어링 외륜 홈의 깊이를 얕게 하면서도 레일과의 접촉각을 크게 하여 고정볼트에 작용하는 수평 방향의 힘을 최소화할 수 있고, 고하중에서도 2점 접촉 주행을 안정적으로 유지할 수 있기 때문에, 내구성이 큰 고하중용 리니어 모션 가이드의 제조가 가능한 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 2점 접촉을 하게 하면서도 베어링 외륜의 폭을 최소화하여 레이디얼 베어링을 컴팩트하게 형성할 수 있고, 가공성 및 정밀주행성을 획기적으로 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 V자 홈 외륜의 레이디얼 베어링을 이용한 리니어 모션 가이드의 단면도이다.
도 2는 종래의 단일원호 홈 외륜의 레이디얼 베어링을 리니어 모션 가이드의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이디얼 베어링의 외륜 홈과 고정블럭의 레일을 함께 도시한 기하학적 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이디얼 베어링의 외륜 홈과 고정블럭의 레일을 함께 도시한 기하학적 구성도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 레이디얼 베어링의 외륜 홈과 고정블럭의 레일을 함께 도시한 기하학적 구성도이다.
도 6은 도 3에 도시된 외륜과 동심 고정볼트를 채용한 레이디얼 베어링에 대한 단면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 외륜과 편심 고정볼트를 채용한 레이디얼 베어링에 대한 단면도이다.
도 8은 도 6에 도시된 레이디얼 베어링을 이용한 리니어 모션 가이드의 단면도이다.
도 9는 도 7에 도시된 레이디얼 베어링을 이용한 리니어 모션 가이드의 단면도이다.
이하에서, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세히 설명한다.
도 6에 도시된 레이디얼 베어링(1c)과 도 7에 도시된 레이디얼 베어링(1d)은 고정축(9c, 9d)의 구조만 다를 뿐, 나머지 부분은 동일하다. 특히, 도 6에 도시된 레이디얼 베어링(1c)의 외륜(3c)과, 도 7에 도시된 레이디얼 베어링(1d)의 외륜(3d)은 모두 도 3 내지 도 5에 도시된 첨두아치형 홈(PA1, PA2, PA3) 중 어느 하나를 갖는다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 레이디얼 베어링의 외륜(3)과 이와 접촉하는 레일(15)을 함께 도시한 것이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 레이디얼 베어링의 외륜(3) 표면에, 반지름이 r인 원형 단면 레일(15)과 접촉하면서 주행할 수 있는 홈(PA1, PA2, PA3)을 형성하는 점에서는 종래 레이디얼 베어링과 같다.
본 발명의 특징은 레이디얼 베어링 외륜(3)의 홈(PA1, PA2, PA3) 단면을 상부 곡면(UA1, UA2, UA3)과 하부 곡면(LA1, LA2, LA3)으로 나누어 형성하여, 외륜(3)의 홈(PA1, PA2, PA3) 깊이가 얕으면서도 레일(15)과의 접촉각이 최대가 되도록 형성하는 데 있다. 이를 위해, 상기 홈(PA1, PA2, PA3)의 하부 곡면(LA1, LA2, LA3)은 상기 레일(15)의 수평 중심선(CL)보다 상부에 위치한 제1중심(CP1, CP3, CP5)과 상기 레일(15)의 반지름(r)보다 큰 제1반지름(R1, R3, R4)에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성한다. 또한, 상기 홈(PA1, PA2, PA3)의 상부 곡면(UA1, UA2, UA3)은 상기 레일(15)의 수평 중심선(CL)보다 하부에 위치한 제2중심(CP2, CP4, CP6)과 상기 레일(r)의 반지름보다 큰 제2반지름(R1, R2, R5)에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성한다. 도면에는 도시하지 않았지만, 상부 곡면(UA1, UA2, UA3)과 하부 곡면(LA1, LA2, LA3)가 만나는 모서리 부분은 두 곡면이 만나기 전에 라운드(round) 가공하면, 가공이 용이할 뿐만 아니라, 레이디얼 베어링 외륜(3)의 두께를 최대한 확보할 수 있다.
도 3에 도시된 실시 예에서는, 외륜 홈(PA1)의 하부 곡면(LA1)을 상기 레일(15)의 수평 중심선(CL)보다 상부에 위치한 제1중심(CP1)과 상기 레일(15)의 반지름 r보다 큰 제1반지름(R1)에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성하고, 상기 홈(PA1)의 상부 곡면(UA1)을 상기 제1중심(CP1)과 상기 레일의 수평 중심선(CL)에 대하여 대칭인 지점에 위치한 제2중심(CP2)과 제2반지름(R1)에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성한다. 즉, 제1중심(CP1) 및 제2중심(CP2)이 레일(15) 수평 중심선(CL)에 대하여 서로 대칭인 지점에 위치하고, 하부 곡면(LA1)의 반지름의 길이와 상부 곡면(UA1)의 반지름의 길이가 같은 경우의 실시 예이다. 이와 같이, 홈(PA1)을 형성할 경우, 하부 곡면(LA1) 및 상부 곡면(UA1)의 접촉각(θ3)이 같고, 접촉점에서의 접선의 기울기가 동일하다.
도 4에 도시된 실시 예에서는, 외륜 홈(PA2)의 하부 곡면(LA2)을 상기 레일(15)의 수평 중심선(CL)보다 상부에 위치한 제1중심(CP3)과 상기 레일(15)의 반지름 r보다 큰 제1반지름(R3)에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성하고, 상기 홈(PA2)의 상부 곡면(UA2)을 상기 레일의 수평 중심선(CL) 하부에 위치한 제2중심(CP4)과 상기 제1반지름(R3) 보다 작은 제2반지름(R2)에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성한다. 즉, 제1중심(CP3) 및 제2중심(CP4)이 레일(15) 수평 중심선(CL)의 상부 및 하부에 각각 위치하고, 하부 곡면(LA2)의 반지름의 길이와 상부 곡면(UA2)의 반지름의 길이가 서로 다른 경우의 실시 예이다. 이와 같이, 홈(PA2)을 형성할 경우, 하부 곡면(LA2)의 접촉각(θ5)이 상부 곡면(UA2)의 접촉각(θ4) 보다 크고, 하부 곡면(LA2) 접촉점(c7)에서의 접선의 기울기가 상부 곡면(UA2) 접촉점(c6)에서의 접선의 기울기보다 작다.
도 5에 도시된 실시 예에서는, 외륜 홈(PA3)의 하부 곡면(LA3)을 상기 레일(15)의 수평 중심선(CL)보다 상부에 위치한 제1중심(CP5)과 상기 레일(15)의 반지름 r보다 큰 제1반지름(R4)에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성하고, 상기 홈(PA3)의 상부 곡면(UA3)을 상기 레일의 수평 중심선(CL) 하부에 위치한 제2중심(CP6)과 상기 제1반지름(R4) 보다 큰 제2반지름(R5)에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성한다. 즉, 제1중심(CP5) 및 제2중심(CP6)이 레일(15) 수평 중심선(CL)의 상부 및 하부에 각각 위치하고, 하부 곡면(LA3)의 반지름의 길이와 상부 곡면(UA3)의 반지름의 길이가 서로 다른 경우의 실시 예이다. 이와 같이, 홈(PA3)을 형성할 경우, 하부 곡면(LA3)의 접촉각(θ7)이 상부 곡면(UA3)의 접촉각(θ6) 보다 작고, 하부 곡면(LA3) 접촉점(c9)에서의 접선의 기울기가 상부 곡면(UA3) 접촉점(c8)에서의 접선의 기울기보다 크다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 형성된 외륜 홈(PA1, PA2, PA3)은 그 단면 형상이, 서로 중심이 다르고 반지름이 같은 2개의 원호에 의하여 이루어지는 뾰족한 아치(arch) 형상을 갖는다. 이렇게 형성된 첨두 아치형 홈(PA1, PA2, PA3)은 중심부로 갈수록 곡면의 수평방향에 대한 접선 기울기가 V형 홈에 비하여 커져 홈의 깊이가 상대적으로 얕은 반면, 상단 및 하단의 모서리로 갈수록 곡면의 수평방향에 대한 기울기가 V형 홈에 비하여 작아져 레일 접촉각(θ3 ~θ7)은 커진다. 따라서, 수직 방향의 부하에 대한 내하중성이 커지고, 레이디얼 베어링의 강성이 커질 뿐만 아니라, 2점 접촉 주행이 안정적으로 이루어진다. 특히, 외륜 홈이 도 5에 도시된 구조를 가질 경우 고하중용 리니어 모션 가이드에 유리하다. 또한, 외륜 홈이 도 4에 도시된 구조를 가질 경우, 2접 접촉 주행이 안정적이기 때문에 저하중 정밀 주행용 리니어 모션 가이드에 유리하다.
본 발명에 따른 레이디얼 베어링의 내륜(5c, 5d)과, 볼(7c, 7d)의 열수(列數)와, 고정볼트(9c, 9d)는 도 6 및 도 7에 도시된 구조로 형성할 수도 있지만, 필요에 따라서 다양한 변형을 줄 수 있다.
도 8 및 도 9은 본 발명이 적용된 레이디얼 베어링 리니어 모션 가이드를 보여준다. 본 발명에 따른 레이디얼 베어링(1c, 1d)의 외륜(3c, 3d)과 레일(15c, 15d)은 큰 접촉각에서 2점 접촉이 안정적으로 이루어 지기 때문에 레이디얼 베어링(1c, 1d)에 가해지는 수직 방향 하중이 큰 경우에도 고정볼트에 수평 방향으로 작용하는 힘이 거의 없고, 레이디얼 베어링(1c, 1d)의 주행 중 뒤뚱거림이 없을 뿐만 아니라, 레일(15c, 15d)의 편마모가 없다. 따라서, 리니어 모션 가이드를 고하중에 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 정밀주행용으로 사용할 수 있고, 어느 경우에나 리니어 모션 가이드의 수명을 연장시킬 수 있다.
1a ~ 1d : 레이디얼 베어링 3, 3a ~ 3d : 외륜
5a ~ 5d : 내륜 7a ~ 7d : 볼
9a ~ 9d : 고정볼트 11a ~ 11d : 고정너트
13a ~ 13d : 고정블록 15, 15a ~ 15d : 레일
17a ~ 17d : 가동블럭

Claims (4)

  1. 레이디얼 베어링의 외륜 표면에 반지름이 r인 원형 단면 레일과 접촉하면서 주행할 수 있는 홈의 단면을 상부 곡면과 하부 곡면으로 나누어 형성하되,
    상기 홈의 하부 곡면은 상기 레일의 수평 중심선보다 상부에 위치한 제1중심과 상기 레일의 반지름보다 큰 제1반지름에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성하고, 상기 홈의 상부 곡면은 상기 레일의 수평 중심선보다 하부에 위치한 제2중심과 상기 레일의 반지름보다 큰 제2반지름에 의하여 형성되는 원호 형상으로 형성한 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1중심과 상기 제2중심은 상기 레일의 수평 중심선에 대하여 상하 방향으로 대칭인 지점이 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1반지름과 제2반지름은 서로 길이가 같은 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1반지름과 제2반지름은 서로 길이가 다른 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드용 레이디얼 베어링.
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