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전동 액추에이터와 유압실린더 장점과 단점 비교
Tolomatic

유압 장치는 수세기 동안 프로세스를 자동화하는 데 사용됐다. 유압은 제분소의 회전바퀴부터 복잡한 실린더, 밸브 및 로직 배열이 있는 현대식 오일 기반 시스템에 이르기까지 매우 정교한 자동화를 제공해왔다. 기술이 발전함에 따라 이제는 전동 시스템을 이용해 우수한 제어, 유연성, 효율성 등을 구현하고 있다. 본문에서는 전동 액추에이터와 유압 실린더의 기술과 특징 비교를 통해 장단점을 알아본다.
  유압 장치는 높은 출력 밀도, 상대적으로 비용 효율적인 구성요소 그리고 지점 위치지정이 단순함으로 인한 장점을 갖고 있다. 하지만 애플리케이션 요구사항이 점점 까다로워져서 유압 시스템은 선형 변환기와 서보 유압 시스템을 함께 사용해야한다.
  이때 전동 시스템이 유압 기술을 대체할 수 있는 옵션이 된다. 전동식 액추에이터로 전환할 수 있는 애플리케이션의 경우 힘과 속도 및 듀티 사이클을 결정할 때 주의해야하는 부분이 있다. 적합한 전동 액추에이터를 선택하기 위해 유압 실린더의 밀거나 당기는 힘(actual force)을 결정해야 한다.
  애플리케이션에 맞는 전동 액추에이터를 선택하기 위해, 정확한 사양을 결정하는 방법을 사례를 통해 소개한다.



Part 1: 힘 결정(Determining force)
힘 측정을 위한 올바른 방법
추력, 속도 및 듀티 사이클 요구사항을 통해 전동 액추에이터 크기 및 성능을 최적화할 수 있다. 모션 프로파일에 대한 주의를 소홀히 하면, 과대한 크기 및 고비용의 결과를 낳게 된다.
  유압 실린더는 힘 = 면적 x 압력(Force = Area x Pressure)의 기본 공식을 사용하여 실린더 보어 내부의 압력오일을 통해 작업을 제공하므로 허용 가능한 오차 범위 내에서 힘을 추정할 수 있다. 이때 엔지니어가 자주하는 실수는 실제압력을 결정하는 대신 정격 시스템 압력을 공식에 적용하는 것이다. 정격 압력을 적용하면 액추에이터가 필요 이상으로 커지고 많은 비용이 든다.
  실린더 힘을 계산하는 가장 정확한 방법은 유압 실린더의 블라인드 엔드(피스톤 측)와 로드 엔드의 압력을 측정하는 것이다.



이러한 압력 측정을 사용하여 실린더의 각 측면에 대한 힘을 계산할 수 있다. 로드 엔드 힘에서 블라인드 엔드 힘을 빼면 실린더의 출력 힘을 알 수 있다(아래 공식 참조).

예: 이 애플리케이션에는 서보 유압 밸브로 작동하는 1.5”(45mm)로드가 있는 3.5”(100mm) 보어 실린더가 있다. 실린더의 확장 스트로크 동안 보이는 최대 압력은 1,500 PSI(103 Bar)이다.
  실린더의 로드 끝에서 아래쪽(또는 저장소로의 복귀 라인) 압력은 1,000 PSI(69 Bar)이다. 압력 차이에 대한 힘(force)을 사용하여 다음 공식으로 필요한 확장 추력을 결정할 수 있다.

Force = [A1 x P1]-{A2 x P2]
area = π x r2
A1 = 피스톤 표면적
A2 = 실린더의 유효 표면적
P1 = 블라인드 엔드(피스톤 측) 압력(PSI) 또는(Bar)
P2 = 로드 엔드 압력(PSI) 또는(Bar)
r = 보어 또는 샤프트 크기의 반경

영역 2의 경우, 먼저 피스톤 표면적을 계산한 후 로드 영역을 뺀다. 이렇게 하면 실린더 내에서 오일이 접촉하는 유효 표면적의 힘만 계산된다.

A1 = [(π x 1.752)
A2 = [(π x 1.752) -(π x 0.752)]
P1 = 1500 PSI
P2 = 1000 PSI
그리고, [(π x 1.752) x 1500]-{[(π x 1.752)-(π x 0.752)] x 1000}
Force =(9.62 x 1500) -(7.85 x 1000)

각 실린더 끝의 면적이 결정되면, 면적에 압력을 곱하고 차이를 빼는 마지막 단계로 힘 추정치를 알 수 있다.

Force = 14430-7850
Lbf Force = 6580
kN Force = 29.28kN(metric)

유효로드 엔드 영역과 반력을 고려하여 최종 계산이 크게 감소되었다. 피스톤의 면적에 압력을 곱하면 14431 lbf 또는 64 kN의 힘이 생성된다. 유압 실린더에서 하나 또는 두 개의 보어를 선택하는 것은 유압 시스템 구성요소 비용에 큰 영향을 미치지 않는다. 하지만 전자 기계 시스템에 이와 동일한 방식을 활용하면 시스템 비용에 상당한 영향을 미친다.
  이 방법이 유압 실린더를 전동식 실린더로 변환할 때 결과에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대한 설명을 위해 동일한 예제의 세 가지 힘 계산 결과를 비교해 본다.

옵션 1 – 시스템 압력 및 피스톤 영역만 해당:
Force = Area x Pressure Force =(π x 1.752) x 2500
Force = 9.62 x 2500
Lbf Force = 24,050
kN Force =107.02(metric)

옵션 2 – 실제 압력(작업 포트) 및 피스톤 영역만 해당:
Force = Area x Pressure
Force =(π x 1.752) x 1500
Force = 9.62 x 1500
Lbf Force = 14430
kN Force = 64.21(metric)

옵션 3 – 작업 포트 차동 압력/힘 계산:
Force =(A1 x P1) -(A2 x P2)
Force = [(π x 1.752) x 1500] - {[(π x 1.752) -(π x 1.752)] x 1000}
Force =(9.62 x 1500) -(7.85 x 1000)
Force = 14,430 - 7850
Lbf Force = 6580
kN Force = 29.28(metric)

옵션 1과 옵션 2를 비교하면 40% 감소됐고, 옵션 1과 옵션 3은 70% 이상 감소됐다. 이것은 시스템 압력과 피스톤 영역만을 사용하는 것이 추정된 힘에 얼마나 큰 영향을 미치는지를 보여준다.
  유압 실린더에서 밸브로 다시 돌아가는 높은 압력이 있는 애플리케이션(일반적으로 서보 유압 애플리케이션에서 볼 수 있음)에서 실린더 양쪽에 작용하는 힘을 이해하면 적절한 크기를 지정해 필요한 힘을 정확한 수준으로 낮출 수 있다(즉, 서보 모터, 감속기 및 전동 액추에이터).

즉 높은 배압과 로드 직경을 고려하지 않으면 전동 액추에이터가 커져서 애플리케이션의 투자 수익률에 영향을 미칠 만큼 값 비싼 솔루션이 될 수 있다.
  올바른 전동식 액추에이터 대안을 선택하려면 유압 실린더의 힘을 측정하는 방법이 중요하다. 힘 계산에 정격 시스템 압력을 사용해서는 안 된다. 전동 액추에이터의 크기가 커져서 추가 비용이 발생하고 ROI가 어려워진다. 유압 실린더 포트와 실린더의 양쪽 끝에서 가능한 한 가깝게 차동 출력을 측정하면 더욱 정확한 추력 결과를 얻을 수 있으므로 적합한 전동식 액추에이터를 선택할 수 있다.





Part 2: 모션 프로필
기계 공정에서 유압 실린더를 변환하는 것은 애플리케이션에서의 힘을 결정하는 그 이상의 의미가 있다. 이는 프로세스에 대한 근본적인 이해를 통해 최종 전동 시스템이 기존 유압 시스템을 대체할 수 있도록 최적화되기 때문이다. 이를 사소한 세부 사항으로 간주하면 액추에이터의 크기뿐만 아니라 서보 모터, 기어 감속기 및 서보 증폭기에도 큰 영향을 미쳐 비용이 증가한다.
  part 1에 설명된 대로 힘 요구사항을 계산한 뒤 모션 프로필과 부하 프로필을 분석하면 적합한 모션 제어 구성요소를 선택할 수 있다. 애플리케이션의 모션 프로파일을 이해하는 것은 액추에이터와 서보 모터 모두에 중요하다. 이러한 구성요소를 지정할 때 애플리케이션 엔지니어는 최대 요구사항(속도 및 부하)을 살펴볼 뿐만 아니라 이 두 매개 변수에 대한 평균 또는 연속 정격을 이해해야 한다.
  서보 모터와 드라이브 나사(롤러 또는 볼)에는 수명을 달성하는 구성요소를 온도 한계 내로 유지하도록 설계된 피크 및 연속 작동 영역이 있다. 주변 온도 및 일반 환경도 모터 및 액추에이터 선택에 영향을 미칠 수 있다.



최대, 연속 속도 및 힘을 포함한 모션 프로파일 결정
모션 제어 구성요소는 프로세스 전반에 걸쳐 짧은 시간 동안 정격의 피크 영역에서 작동한다. 그러나 하나의 모션 사이클 동안 평균 속도와 힘은 구성요소(파워 스크류, 서보 모터, 감속기, 서보 드라이브)의 연속작동 영역 내에 있다. 속도와 힘이 구성요소의 연속작동 영역을 초과하면 예상 수명이 줄어들 수 있다. 유압 분야는 매우 일정한 속도를 가지므로 최고 속도와 연속 속도를 매우 쉽게 결정할 수 있다.
  실린더가 고정되어 있을 때 속도와 힘 모두 평균 또는 연속적으로 작동한다. 이렇게 체류 시간 없이 애플리케이션 크기를 조정하면 매우 빠른 속도 및 힘의 평균이 생성되어 필요한 만큼의 액추에이터 또는 모터를 사용할 수 있다. 거리와 이동을 완료하는 데 걸리는 시간을 합하여 이제 최고 및 연속 평균 속도를 계산할 수 있다.

계산방법은 다음과 같다:
D = 요소의 거리(Distance of element)
T = 요소 시간(Time of element)



평균부하를 결정하려면 전체 사이클의 부하 조건을 결정해야한다. 이전 본문에서 설명한 방법을 활용하면,
Force = (A1 x P1) - (A2 x P2)

모든 하중 시나리오가 정리되면 다음 공식을 사용하여 평균 힘을 결정할 수 있다.



더욱 정확하게는
FRMS = RMS Force
Fi = Force during inverval i
∑ = sum
i = 1… n



평균 힘과 평균 속도가 결정되면, 시스템의 성능을 최적화하기 위한 다른 고려사항을 확인해야 한다. 그 중 하나는 프로세스 자체를 살펴보고 개선 사항이 있는지 확인하는 것이다. 주어진 프로세스 동안 유압 애플리케이션이 전체 스트로크(확장 및 후퇴)를 순환하게 된다.



  트랜스 듀서 또는 서보 유압 밸브를 사용할 때 위치, 속도, 가 감속 및 힘을 완전히 제어하기 위해 전동 액추에이터 시스템의 유연성을 활용하면 제어 개선을 할 수 있다.



예를 들어, 전동 액추에이터는 반복적인 프레스 작업을 수행하기 위해 1 인치 또는 25mm 만 확장 및 후퇴해야 할 수 있다. 유압 실린더가 전체 스트로크 길이를 실행해야 하는 경우 툴링 또는 서비스를 변경하기 위해 전체 후퇴를 수행할 수 있다. 이와 같은 공정 개선을 통해 필요한 속도와 힘을 최소화하여 전동 액추에이터 솔루션을 최적화할 수 있다.

기타 모션 제어 고려 사항
전동식 액추에이터의 추가 특성에는 가변 속도, 가감속 및 힘 제어가 있다. 그리고 위치, 속도, 가속도 및 힘/전류를 지속적으로 모니터링하는 서보 제어도 활용한다. 정밀한 속도 제어가 필요한 애플리케이션(예: 유체 분배 또는 확장 스트로크에서 두 가지 다른 속도가 필요한 프레스 애플리케이션)에서 전동 액추에이터 시스템은 프로그래밍이 가능하고 제어를 개선할 수 있으며, 사이클 시간을 최소화하고 프로세스 반복성을 크게 높일 수 있다.
  가 감속과 관련하여 전동 시스템은 유압 장치가 급정지 할 때 발생하는 진동이나 충격을 시작과 정지에서 완전히 제어할 수 있다. 이러한 가감속 제어는 장비 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라 모션 프로파일의 사이클 시간을 개선한다.

마지막으로, 전동식 액추에이터 시스템은 전류를 완벽하게 제어하여 서보 모터의 토크와 파워 스크류를 통한 힘을 발생시킨다.
  전동 시스템은 순간적으로 전류를 제어, 변경 또는 상승하여 밀리 초 단위로 힘을 생성할 수 있는 반면 유압 장치는 압력을 생성하는 데 시간이 필요하다. 전동식 액추에이터 시스템의 새로운 기능과 유연성을 이해함으로써 프로세스를 개선하고 전동 액추에이터 시스템의 동작 프로필(평균 힘 및 평균속도)을 줄여 부품 크기와 비용을 더욱 최적화할 수 있다.
이제, 전동식 액추에이터에 필요한 힘이 적절하게 결정되었다. 모션 요구사항(속도 및 정지시간)이 정의됐으며 서보 모션 제어의 기능을 활용하여 프로세스를 개선했다. 모터 요구사항에 따라 적절한 크기의 액추에이터가 결정됐다. 나머지 단계는 모터 크기, 기어 감속기, 구동 전압 및 케이블 연결을 결정하는 것이다.

Part 3: 기술 선택
힘과 속도를 결정되면 액추에이터 드라이브 나사, 서보 모터 및 드라이브, 감속기를 선택하여 모션 시스템을 완성해야 한다. 이외에도 애플리케이션에는 크기, 무게, 수명, 환경 및 기술 선택 등 영향을 미치는 요소에 대한 요구사항이 각각 다르다.

액추에이터 선택
전동 액추에이터는 여러 동력 전달 메커니즘과 함께 사용할 수 있다. 구현할 스크류 기술에 대한 결정을 내리려면 모든 애플리케이션 데이터가 필요하다. 적용 속도, 추력, 듀티 사이클, 서비스 수명 및 유지 관리 사항도 고려해야한다.
  예를 들어, 매우 짧은 거리에 걸쳐 매우 높은 하중으로 움직이는 액추에이터에 유성 롤러 나사와 최적화된 모션 프로파일을 사용하면 처리량과 수명을 늘릴 수 있다. 다음은 유압 교체를 위해 로드 스타일 액추에이터에서 사용하는 세 가지 유형의 스크류 기술이다.

애크미/사다리꼴 나사(브론즈 너트형)– 조용하고 비용 효율적이다. 이 나사는 높거나 지속적인 듀티 사이클이 필요하지 않은 애플리케이션에 적합하다. 설계상 낮은 효율 등급(<40%)을 통해 자체 잠금이 가능하고 충격 부하 및 진동에 대한 탄력성을 가질 수 있다. 이 나사는 40% 이하의 듀티 사이클에 가장 적합하다.

볼 스크류– 애크미 스크류에 비해 매우 효율적이고 저소음이며 비용이 높다. 경화된 볼의 재순환에 의해 효율성과 성능이 향상된다. 경화강을 사용하면 수명 방정식을 계산하는 방법을 사용하여 일관된 성능을 제공한다. 이 나사 유형을 사용할 때는 모션 주기에 작은 움직임이 있거나 심각한 충격 부하의 가능성에 대한 신중한 고려가 필요하다. 이러한 유형의 조건은 나사에 하중 및 조기 마모를 유발할 수 있다.
  볼 나사는 이러한 응용 분야에 사용할 수 있지만 일반적으로 증가된 응력을 상쇄할 수 있는 크기가 증가한다. 모터 브레이크의 사용은 전력손실 상황에서 부하가 드리프트 되거나 떨어지지 않고 유지하는 데 필요하다.



롤러 나사– 고효율, 저소음, 높은 비용이 증가된다. 롤러 나사는 유압을 대체하는 분야에 사용된다. 볼 스크류와는 달리 이 기술은 롤링 및 슬라이딩 요소의 조합을 사용하여 추력 하중을 잘 분산시킨다. 하중 분산을 위한 증가된 표면적은 반복적인 이동 영역에서 높은 응력에 대한 탄력성을 제공한다.
  또한 전력 밀도가 매우 높고 유압 실린더를 대체하기 위해 가장 컴팩트한 액추에이터 패키지를 제공한다. 롤러 나사는 또한 볼 나사와 마찬가지로 수명계산 방정식을 사용한다. 볼 스크류만큼 효율적이지는 않지만 드리프트 또는 낙하 부하를 방지하기 위해 모터 브레이크가 필요하다.

모터/드라이브/기어의 선택
감속이 높은 추력이 필요한 유압 시스템을 대체할 때 모터, 드라이브 그리고 기어는 매우 중요하다. 대형 프레임 크기의 서보 모터는 일반적으로 최대 6000RPM의 범위를 갖는 소형 서보 모터(115mm 프레임 미만)에 비해 저속에서 매우 높은 토크와 1500-3000RPM 사이의 제한을 둔다. 모터 크기를 최소화하고 속도를 유지하기 위해 올바른 비율의 감속기를 찾는 데 인내와 끈기가 필요할 수 있다.
  수직 또는 Fail-in-place 애플리케이션에 볼 및 롤러 나사를 사용할 때는 모터 브레이크와 함께 원하는 크기의 서보 모터를 사용할 수 있는지 확인하는 것이 중요하다. 모터가 선택될 때까지 서보 드라이브에 필요한 전력 요구사항을 제대로 이해하고 있어야한다. 대부분의 서보 드라이브 제조업체는 다양한 크기와 전력 범위를 가지고 있다.
  까다로운 또 다른 사항은, 사용자가 외부 논리 제어가 필요한 단일 축 인덱싱 드라이브, 다양한 수준의 논리 제어가 필요한 독립형 단일 축 드라이브 또는 다축 모션 컨트롤러가 필요한 경우다. 설계 단계에서 모션 제어 전문가 또는 제조업체로부터 드라이브 및 컨트롤러를 선택에 대한 도움을 받으면 보다 올바른 선택을 할 수 있다.



환경적 고려사항
설계 및 구성요소의 선택 단계에서 액추에이터, 드라이브 및 케이블링을 위한 설치 환경을 고려해야한다. 전동식 액추에이터는 매우 혹독한 환경에서도 자동화 프로세스에서 안정적으로 구동되는 것이 입증됐다.
  액추에이터의 서비스 수명을 늘리는 씰, 코팅, 개스킷, 윤활유 및 환경 등이 있다. 액추에이터 제조업체 또는 숙련된 모션 제어 전문가와 협의하면 애플리케이션에 적합한 옵션을 효율적으로 찾을 수 있다. 마지막으로, 위험 지역 인증 여부에 따라 모터 및 기계 옵션의 가용성이 제한될 수 있다. 이러한 부분도 제조업체와 상의하면 요구사항에 충족될 수 있는지 확인하는 데 도움이 된다.

요약
본문에 제시된 지침을 따르면 선택한 전동 액추에이터가 가장 비용 효율적인 솔루션으로서 아주 오랜 시간동안 효율적이며 효과적으로 작동할 수 있다.
  첫째, 올바른 전동 액추에이터 크기를 결정하는 데 유압 실린더가 수행하는 작업량과 실린더의 힘을 정의하는 것이 중요하다. 이는 나머지 모션 시스템 성능에도 영향을 미친다. 둘째, 모션 및 로딩 프로파일을 이해하면 최적의 액추에이터 성능을 위한 모터 및 드라이브를 선택할 수 있다. 셋째, 올바른 스크류 선택을 통하여 애플리케이션에 맞는 최상의 전동 액추에이터 기술을 결정하고 성능을 극대화할 수 있는 모터, 드라이브, 감속기를 결정할 수 있다.
  그리고 애플리케이션에 필요한 환경 또는 안전문제에 대해 제조업체와 논의하여 모션 시스템에서 선택된 모든 구성요소가 지정된 조건에서 잘 부합되는지를 확인한다. 이러한 모든 변수를 정의하는데 들어간 노력이 시스템에 최적화된 전동 액추에이터 솔루션을 제공할 것이다.

자료 제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)


  기자 : 편집부 
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  날짜 : 2022-01

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