Insight | Ball Screw #1 Definition and How it works

Do you know the popular ice cream in Korea called 'Screw Bar'?

The twisted shape of the Screw Bar resembles the helical design of a screw. Just as the twists in the Screw Bar help it hold its shape and make it easier to eat, the helical grooves in a screw help it perform its function. By using this analogy, let's first understand the basic concept of a screw, and then explore the ball screw in more detail.

한국에서 인기 있는 아이스크림인 "스크류바"를 아시나요? 스크류바의 꼬여 있는 모양은 나사의 헬리컬 디자인과 유사합니다. 스크류바의 꼬임이 모양을 유지하고 먹기 쉽게 하는 것처럼, 나사의 헬리컬 홈은 나사가 제 기능을 하도록 도와줍니다. 이 비유를 통해 나사 즉, 스크류의 기본 개념을 먼저 이해하고 볼 스크류를 알아보도록 할게요.

What is a Ball Screw? 🔩

볼 스크류란 무엇인가?

A ball screw, also known as a ball lead screw, is a mechanical component that converts rotational motion into linear motion. It consists of a screw (male thread type) and a nut (female thread type), with ball bearings placed between them to facilitate smooth motion. The presence of these ball bearings reduces friction, resulting in efficient power transmission and precise movement. This technology is crucial in various machine tools and transport systems, enabling precise control and high efficiency.

To better understand how ball screws convert rolling motion into linear motion, check out the video.

볼 스크류는 쉽게 말하면 스크류바와 같은 모양의 스크류 즉, 나사에 볼을 넣은 모양이라고 볼 수 있는데요. 한국말로는 주로 볼 스크류, 볼 나사 혹은 긴 수나사로 불립니다.

볼 스크류의 가장 중요한 목적은 회전 운동을 직선 운동으로 변환합니다. 볼 나사(수나사)와 볼 너트(암나사) 사이에 볼을 넣어 부드러운 구름 (Rolling) 운동을 만들어 동력을 전달하는 이송 나사입니다. 위의 영상에서 보이는 구슬같은 볼들은 마찰을 줄여 효율적인 동력 전달과 정밀한 움직임을 제공해서 이 기술은 특히 정밀한 움직임이 중요한 공작기계나 각종 운송 시스템에서 중요한 역할을 하고 있습니다.

볼 스크류가 어떻게 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는지 조금 더 빠르고 쉽게 이해하려면 동영상을 참고해주세요.

Structure of a Ball Screw 🔍

볼 스크류의 구조

So, what's look like inside of the ball screw? A ball screw is composed of balls, a nut, seals, ball recirculation parts, and the screw shaft.

First, the balls roll between the grooves of the screw and the shaft, enabling smooth movement. The screw shaft refers to the shaft with grooves machined on it, allowing the balls to roll freely. The nut has grooves that match the screw shaft, allowing linear motion when the screw shaft rotates. The seals prevent contaminants from entering the nut.

그렇다면 볼 스크류는 어떤 구조를 이루고 있을까요? 볼 스크류는 볼, 너트, 실, 그리고 볼의 순환 부품, 나사 축으로 이뤄져 있습니다. 우선, 볼은 나사의 홈과 축 사이를 굴러 움직이는 볼입니다. 나사 축은 볼이 굴러 쉽게 움직일 수 있도록 홈이 가공된 축을 이야기 합니다. 너트는 나사 홈이 가공되어 있어 나사 축의 회전에 따라 직진합니다. 씰(Seal)은 너트 내부에 이물질이 들어가지 않도록 막아주는 역할을 합니다.

Main Types of Ball Screws

볼 스크류의 종류는?

Now that we've explored the components of a ball screw, let's dive deeper into the various types of ball screws and their unique characteristics. Ball screws are primarily categorized into three types based on their ball circulation method.

앞서 볼 스크류의 구성 요소에 대해 살펴봤는데요, 이번에는 볼 스크류가 어떤 종류로 나뉘는지, 각각의 특징은 무엇인지 자세히 알아보고, 어떤 상황에서 어떤 종류의 볼 스크류를 선택해야 할지 함께 고민해 보도록 하겠습니다.

볼 스크류의 종류는 볼 (문과 번역 : 볼 나사와 볼 너트 사이의 구슬!) 순환 방식에 따라 3개의 종류로 나눠져요.

1. Return Pipe Type Ball Screw : The Most Common Type

리턴 파이프 타입 : 가장 많이 쓰이는 종류

A return pipe type ball screw is the most common type of ball screw, where the balls circulate around the screw shaft. A tube, known as the "return pipe," provides a path for the balls to follow.

Imagine a train running on a railway track; in a similar manner, the balls continuously circulate within the tube, enabling smooth rotational movement.

• Pros : Smooth ball circulation results in low friction and high efficiency.
• Cons : The return pipe can sometimes cause noise when the ball screw operates at high speeds.
• Application : Widely used in general industrial machinery, automation equipment, CNC machine tools, and various other applications.

볼이 나사 축 주변을 따라 순환하며 움직이는데, 이때 볼이 이동하는 경로를 제공하는 튜브를 '리턴 파이프'라고 합니다.

가장 널리 사용되는 리턴 파이프 타입은 볼이 튜브를 따라 순환하는 구조입니다. 마치 기차 레일 위를 달리는 기차처럼 볼이 튜브 안에서 끊임없이 순환하며 부드러운 회전 운동을 가능하게 합니다.

• 장점 : 볼의 순환이 원활하여 마찰이 적고 효율이 높고, 구조가 간단하고 제작이 용이하여 가격이 저렴합니다.
• 단점 : 고속 회전 시 소음이 발생할 수 있습니다.
• 적용 분야 : 일반적인 산업용 기계, 자동화 설비, CNC 공작기계 등 폭넓은 분야에 사용

2. Deflector Type Ball Screw : A Compact Alternative

디플렉터 타입: 리턴 파이프의 컴팩트한 버전

The deflector type ball screw is similar to the return pipe type, but instead of using a return pipe, it employs a deflector to guide the balls. The deflector directs the balls along the outer circumference of the screw shaft.

In essence, the balls circulate along the outer diameter of the screw shaft rather than through a tube, making it a more compact and simple design.

• Pros : Its simple structure allows for smaller, more compact designs, making it suitable for applications with limited space.
• Cons : The restricted space for ball circulation may limit its suitability for high-load applications.
• Application : Ideal for applications where space is limited or lightweight designs are required.

디플렉터 타입은 리턴 파이프 타입과 유사하지만, 리턴 파이프 대신 디플렉터라는 부품을 사용하여 볼의 순환을 유도합니다. 디플렉터는 나사 축의 외주면을 따라 볼을 안내하는 역할을 합니다.

즉, 튜브 대신 나사축의 외주경을 따라 볼이 순환하는 구조로, 구조가 간단하고 컴팩트한 것이 특징입니다.

• 장점 : 구조가 간단하여 소형화가 가능하고, 설치 공간이 협소한 곳에 적용하기 좋습니다.
• 단점 : 볼의 순환 공간이 제한적이어서 고하중에는 적합하지 않을 수 있습니다.
• 적용 분야 : 공간이 제한적인 환경이나 경량화가 필요한 장비에 적합

3. End Cap Type: A Novel Approach to Ball Circulation

앤드 캡 타입: 볼 순환의 새로운 시도

The end cap type ball screw features a unique structure where the balls circulate through the end caps of the nut. The balls are moved by the end cap and return to their original position through the through hole of the nut, enabling continuous motion. This type offers a distinct structure compared to other types and excels in high-speed rotation.

• Pros : Maintains stability even under high-speed operation. Suitable for high-precision tasks and applications requiring precise positioning due to low noise and vibration.
• Cons : The intricate design results in higher manufacturing costs and can make repairs and maintenance more challenging. Careful design considerations are necessary due to the restricted space for ball circulation.
• Application : Used in industries that require high precision, such as aerospace, semiconductor manufacturing, and precision measurement equipment.

앤드 캡 타입은 너트의 앤드 캡을 통해 볼이 순환하는 구조입니다. 앤드캡 (End Cap)에 의해 볼이 이동되며, 너트의 관통 캡 (Cap)에 의해 이동하여 원래 위치로 돌아가 무한 운동하는 방식이에요. 다른 타입에 비해 구조가 독특하며, 고속 회전 시에도 안정적인 성능을 발휘합니다.

• 장점 : 고속 회전과 고하중에 강하여 정밀도가 높은 작업과 소음이 적고 진동이 작아 정밀한 위치 제어가 필요한 분야에 적합합니다.
• 단점 : 구조가 복잡하여 제작 비용이 비싸고, 수리 및 유지보수가 어려울 수 있으며 볼의 순환 공간이 제한적이어서 설계 시 주의가 필요합니다.
• 적용 분야 : 항공 우주 산업, 반도체 제조 장비, 정밀 측정 장비 등 고정밀도가 요구되는 분야에 사용

What's the pros and cons about Ball Screw?

볼 스크류의 장점과 단점은?

Advantages 장점

• High Motion Efficiency: Ball screws utilize rolling friction rather than sliding friction, resulting in significantly higher efficiency. This means they require less power to move the same load compared to traditional sliding screws, leading to improved energy efficiency.  
• High Precision: Ball screws have very low backlash and high stiffness, enabling precise positioning. By applying preload, the axial clearance can be minimized, further enhancing precision.  
• High-Speed Operation: Due to the rolling motion of the balls, heat generation is reduced, allowing for high-speed operation and increased productivity.  

• 높은 움직임 효율 : 볼 스크류는 미끄럼 마찰 대신 구름 마찰을 이용하여 이송 효율이 매우 높습니다. 즉, 큰 힘을 들이지 않고도 움직일 수 있어 기존의 미끄럼 나사에 비해 훨씬 적은 동력으로 동일한 작업을 수행할 수 있어 에너지 효율성이 뛰어납니다.
• 뛰어난 정밀도 : 백래시가 매우 작고 강성이 높아 미세한 위치 제어가 가능합니다. 특히 예압을 통해 축 방향의 클리어런스를 최소화하여 더욱 높은 정밀도를 확보할 수 있습니다.
• 고속 이송 : 볼의 순환으로 인해 열 발생이 적어 고속 이송이 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있습니다.

Disadvantages 단점

• High Cost: Due to their precision and high performance requirements, ball screws are relatively expensive.  
• High Replacement Cost: If the ball nut is damaged, the internal balls are often damaged as well, requiring replacement of the entire assembly, which can be costly.
• Noise at High Speeds: At high speeds, ball screws can generate noise, which may affect the working environment.  

• 높은 가격: 정밀하고 높은 정확도를 요구하는 제품 특성상 가격이 비교적 높은 편입니다.
• 파손 시 교체 비용 부담: 볼 너트 파손 시 내부 볼까지 손상되어 전체를 교체해야 하는 경우가 많아 비용 부담이 큽니다.
• 고속 이송 시 소음 발생: 고속으로 작동할 때 소음이 발생하여 작업 환경에 영향을 줄 수 있습니다.

Written by Kang Seok Beom
Junior Mechanical Designer
ORSKOREA

Edited by Heo Jongsil
Global Sales Intern
ORSKOREA

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