공압식 로드리스(Rodless) 실린더 선정 시 고려해야 할 사항

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오류#1 : 가용 공기압의 과대 평가

가용 공기압을 과대 평가하면 액츄에이터 성능이 저하되거나 오작동이 발생할 수 있다. 가장 좋은 해결책은 게이지로 기압을 확인해 안전한 엔지니어링 실습을 통해 정확한 판독값을 얻고 구축하는 것이다. 예를 들어, 플랜트는 100 PSI의 압력을 공급할 수 있지만 플랜트의 여러 위치에서 가변적인 수요주기로 인해 압력이 10% 변동될 수 있다. 즉, ‘실제 사용 가능한 공기압’은 90 PSI이다. 공기압의 5~10 % 변동은 매우 일반적이며 적용분야에 적합한 실린더를 선택하는 데 큰 차이를 만들 수 있다. 게이지의 기압에서 10% 압력 손실 계수가 가장 좋다.

오류#2 : 액츄에이터의 작동 스트로크 및 전체 길이의 부정확한 결정

실제로 내부부품의 간섭으로 인해 사용할 수 없는 액츄에이터 스트로크의 일부와 스트로크 끝부분에 도달하는 데 물리적으로 공간이 필요하게 된다. 이것은 일반적으로 액츄에이터의 ‘dead length’라고 한다. 이 길이는 제조업체에 의해 결정되므로 각 액츄에이터의 치수 정보에 표시돼 있어야 한다. 액츄에이터의 전체 길이(OAL)를 올바르게 결정하려면, 이동거리(작동 스트로크)를 알아야 하고 액츄에이터의 각 끝부분에 주어진 데드길이를 추가해야 한다. 보조캐리어 및 기타 액츄에이터 옵션을 추가하면 액츄에이터의 데드길이가 늘어난다. 예를 들어 두 개의 캐리어가 있는 Tol-O-Matic 실린더의 경우, 실린더의 OAL을 결정하기 위해 전체 데드길이, 작동 스트로크 및 캐리어 중심 간의 거리를 더해야 한다. 옵션을 주문할 때 추가적인 데드길이가 필요한지를 제대로 결정하기 위해 제조업체가 제공한 치수 정보를 참조하는 것이 중요하다.

아래 그림에서, 장착캐리어 메커니즘에 필요한 비작동(데드) 간은 액츄에이터의 각 끝에서 3.94인치로 정의된다. 이 경우 액츄에이터는 7.88인치의 전체 데드스페이스가 필요하다. 이 데드스페이스는 전체 액츄에이터의 길이를 결정하기 위해 원하는 작업 스트로크를 추가해야 한다. 이 예시에서 액츄에이터는 16.12 인치의 작동 스트로크를 가져가야 한다. 전체 길이를 결정하려면, 작업 스트로크(이동거리)에 전체 데드길이를 더해야 한다.

오류#3 : 실린더의 초과 또는 미달 사이징

실린더를 사이징 할 때, 큰 것이 반드시 좋은 것은 아니다. 결국은 돈과 공기 소비량이 늘어날 수 있다. 반면, 실린더의 미달 사이징은 몇 달러 절약될 수 있지만 최적의 적용성능 또는 적절한 작동 안전 계수가 제공되지 않는다. 가장 생산적인 적용성능은 액츄에이터가 안전 여유 계수를 사용해 하중, 힘 및 휨 모멘트 성능 기준으로 적절하게 사이징될 때 얻을 수 있다. 실린더를 적절하게 사이징 하려면 다음과 같은 적용요구사항을 알아야 한다.

• 주어진 공기 압력
• 하중의 크기
• 하중의 방향 (실린더 캐리어에 대한 상대 위치)
• 캐리어에 부착된 질량의 최종 속도
• 작동 스트로크 길이
• 사이클 속도
• 사이클 시간
• 실린더의 하중 전달 장치에 대한 질량의 COG
• 엑츄에이터의 방향

이러한 인자를 알았으면, 주어진 기압에 따라 실린더의 하중(추력)을 결정해야 한다. 실린더는 지정된 용량 범위 내에서 작동해야 한다. 만약 적용이 해당 실린더에 대해 최대 레벨에서의 성능을 요구한다면 더 큰 구멍 크기 또는 더 높은 성능을 가진 다른 실린더 스타일을 고려해야 한다. 구멍 크기가 결정되면 하중의 크기와 방향도 고려해야 한다. 종종 실린더를 생성되는 힘만 보고 선택한다. 하중이 액츄에이터에 의해 지지돼야 하는 경우, 하중 요건 하에서 일관되게 수행할 수 있는지를 결정하기 위해 실린더의 베어링 및 하중지지 시스템의 굽힘 모멘트 용량을 아는 것이 중요하다. 힘 요구 사항을 결정할 때 동적 모멘트 하중도 고려해야 한다. (실수#5 : 동적 하중의 영향을 참조.) 잘못된 실린더 선택은 성능저하와 수명단축, 심한 부품 마모와 실린더 손상 등의 결과로 이어질 수 있다.

오류#4 : 결과적인 모멘트(토크)의 영향을 고려하지 않음

실린더의 하중 위치와 크기에 따라 실린더 자체에 적용되는 굽힘 모멘트가 결정된다. 하중이 하중 전달 장치의 중앙 위 및 바로 위에 놓여 있더라도 가속 시에는 굽힘 모멘트가 발생한다. (실수#5: 동적 로딩의 영향을 참조.) 실린더가 결과적인 모멘트를 감당할 수 있는지를 결정하는 것이 중요하다. 편심 또는 측면하중의 경우, 부하되는 하중의 질량중심으로부터 실린더의 하중전달장치의 중심까지의 거리를 결정하고 결과 굽힘 모멘트를 계산하면 된다.

예: 실린더의 하중 전달 장치의 중심으로부터 하중의 중심까지의 거리 =3inch. 부하되는 하중은 30 lbs이다. My=3inchx30lbs=90 in-lbs.

모멘트 방향

Mx 모멘트(롤, roll)

모멘트 Mx는 x축으로부터 떨어진 거리에 적용되는 하중에 의해 생성된다. 한 예가 실린더의 하중 전달 장치의 측면에 중심을 둔 하중이다. Mx 모멘트는 x축을 중심으로 회전을 만든다. 빨간색 화살표는 실린더 캐리어 및 베어링 시스템에서 결과로 나타나는 ‘롤’동작의 방향을 나타낸다. 하중이 실린더의 하중 전달 장치의 중심으로부터 멀어질수록 결과적인 순간은 더 커진다.

My 모멘트 (피치, pitch)

My 모멘트는 y축으로부터 거리를 둔 하중에 의해 만들어지고, My 모멘트는 y축을 중심으로 회전을 만든다. 빨간색 화살표는 실린더의 캐리어 및 베어링 시스템에서 발생하는 ‘피치’동작의 방향을 나타낸다. 하중이 실린더의 하중 전달 장치의 중심으로부터 멀어 질수록 결과적인 순간은 더 커진다.

Mz 모멘트 (요-, yaw)

Mz 모멘트는 ‘z’축으로부터 거리를 두고 가해진 하중에 의해 생성된다. Mz 모멘트는 z축을 중심으로 회전을 만든다. 빨간색 화살표는 실린더의 캐리어 및 베어링 시스템에서 결과로 나오는 ‘요’동작의 방향을 나타낸다. 하중이 실린더의 하중 전달 장치의 중심으로부터 멀어질수록 결과적인 순간은 더 커진다. 게시된 굽힘 모멘트는 일반적으로 최대값이며 한 가지 유형의 모멘트만 적용된다고 가정한다. 특정 용도에서는 복합 모멘트(위에서 설명한 모멘트 2개 이상 포함)가 발생할 수 있다. 실린더가 결합된 모멘트 힘을 가질 수 있는지를 결정하기 위해 제조자의 방정식에 따라 각각을 평가하고 계산할 필요가 있다.

오류#5 : 동적 모멘트 로딩의 영향을 간과

로드형(rod style) 실린더와는 달리 로드리스(rodless)실린더는, 스트로크 끝마다 가속 및 감속 중에 부하를 지지해야 한다. 측면하중 또는 돌출하중이 있을 때 동적 모멘트를 계산해 어떤 로드리스 실린더가 최종힘을 감당하는 데 가장 적합한지 결정해야 한다.

동적부하

다음 그림(실린더의 윗면에서 볼 때)은 실린더와 하중케리어 대한 동적부하의 영향을 보여준다. 이 상태는 감속(스트로크의끝)과 가속(스트로크의시작)에서 발생한다. 첫 번째 그림에서, 볼은 실린더의 캐리어에 Mx 모멘트를 가하는 오버 헤드 측면하중을 나타낸다. 두 번째 그림은 실린더가 스트로크의 한쪽 끝에 도달할 때 발생하는 상황을 보여준다. 케리어가 멈추면 관성은 로드를 앞으로 움직이도록 해 실린더에 동적 비틀림 모멘트(Mz)를 생성한다.

실린더가 스트로크의 다른 끝까지 순환할 때도 똑같은 일이 발생한다. 합성된 동적 모멘트는 액츄에이터의 정격용량을 초과할 수 있다. 반복된 사이클 후에 액츄에이터가 적절히 선택되지 않으면 설계된 수명 기대치를 달성하지 못할 수 있다. 충돌흡수 장치(실린더에 장착됨)는 일반적으로 동적 하중의 관성 효과를 보완하는 데 도움이 되는 용도에 사용된다. 또한 정지 장치를 이동 하중의 무게 중심에 가장 가까운 곳에 배치하는 것이 좋다. (이 항목에 대한 추가 정보는 ‘오류#7-쿠션 또는 충격흡수장치 용량의 잘못된 선정’을 참조.)

오류#6 : 평균 및 충돌속도 사이의 중요성을 이해하지 못함

모든 로드리스 실린더의 속도계산은 평균속도와 충돌속도를 구별해야 한다. 예 : 24인치 액츄에이터를 1초 동안 주행하면 평균 속도가 초당 24인치가 된다. 쿠션의 관성력을 적절하게 결정하려면 최종 또는 충돌속도를 아는 것이 중요하다. 최종(충돌)속도를 결정하기 위한 합리적인 가이드 라인은 평균 속도의 2배 (2 x 24 in / sec = 48 in / sec 충돌속도)이다.

오류#7 : 쿠션 또는 충격흡수장치 용량의 잘못된 선정

대부분의 로드리스 액츄에이터에는 내부장치가 장착돼 스트로크 끝에서 하중을 완화한다. 실린더의 쿠션 능력을 결정하기 위해 최종 또는 충돌속도를 알고 있어야 한다. 여기에 표시된 차트에서 최종 속도는 초당 50인치로 결정되고 주행하중은 5파운드이다. 이 두 점의 교차점은 레벨이 실린더의 쿠션 용량(노란색 선으로 표시됨) 내에 있음을 나타낸다. 충격 흡수 장치 또는 외부 하중 정지 장치가 필요한지 결정하기 위해 하중위치와 실린더에 작용하는 결과 모멘트에 대해 고려해야 한다.(오류#4 및 5의 정적 및 동적 모멘트 참조.)

다음 예에서 실린더는 스트로크 끝에 위치한 충격 흡수 장치와 접촉 할 때 10lb로드를 주행하고 초당 80인치의 최종 속도로 주행한다. 하중은 0.50 인치의 충격 흡수 스트로크 내에서 정지돼야 한다. 실린더의 하중 전달 장치에 가해지는 Mz와 등가의 힘은 실린더의 정격 용량 한계 내에 있어야 한다. 충격 흡수 장치 또는 외부 하중 정지 장치가 필요한지 결정하기 위해 하중 위치와 실린더에 작용하는 결과 모멘트에 대해 고려해야 한다.(오류#4 및 5의 정적 및 동적 모멘트 참조.)

이를 확인하려면 다음을 수행해야 한다.

Mz = z 축에 대한 모멘트
Vf = 속도 (최종)
a = 감속도

g = 386.4 in / sec2 (표준 중력)
s = 충격 스트로크
P = 하중
L = 실린더의 하중 전달 장치로부터의 하중 거리

오류#8 : 이탈, 가속 및 마찰력으로 모션지연은 고려하지 않음

다른 힘과 손실이, 요구하는 모션을 발생시키는 총 힘에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것이 중요하다.

이탈력

모든 로드리스 실린더에는, 무부하상태에서 스스로 움직이기 위해 일정량의 에너지 또는 힘이 필요하다. 이 힘을 이탈력(breakaway)이라고 한다. 실린더의 성능을 검토할 때 이탈력이 계산에서 포함됐는지 확인해야 한다. 공압식 애플리케이션의 경우, 주어진 가속을 달성하기 위해서는 여유분의 힘을 포함시키는 것이 제일 좋다.

가속력

질량을 가속을 시키는 데 필요한 힘의 크기는 일반적으로 모션을 유지하려는 힘보다 크다. 필요한 힘의 양은 일반적으로 하중을 운동에 유지하는 데 필요한 힘보다 크다. 액츄에이터와실린더의 분리력을 선택 시, 하중의 마찰저항을 필요한 가속력에 더해야 한다.

마찰력

마찰력은 두 재료가 서로의 재료 표면이 엇갈려 슬라이딩할 때 발생한다. 마찰 정도는 두 재료 사이의 마찰 숫자(마찰 계수)로 정의된다.

마찰 계수

마찰 계수는 재료 및 접촉하는 표면과 마찰(슬라이딩 또는 롤링)의 유형에 따라 그 값이 다르다. 엔지니어링 테이블에서 여러 다른 마찰계수를 참조할 수 있으며, 재료와 마찰 경우에 따라 사용돼야 한다. 수평 적용의 경우, 마찰힘을 벗어나기 위해 필요한 힘의 계산은 아래와 같다. (하중의 무게에 마찰 계수를 곱함)

예) 100 파운드의 정격 마찰을 극복하기 위해 필요한 계수

강재 - 0.58 58 파운드
플라스틱 위의 플라스틱 - 0.15 15 파운드
볼 베어링 - 0.001 0.1 lb

오류#9 : 수직 vs 수평 적용

실린더가 응용 분야에서 수직으로 장착되는 경우 추가 하중과 공기 및 하중을 고려해야 한다. 수직으로 장착된 실린더는 중력의 힘을 먼저 극복해야 부하가 위쪽으로 가속될 수 있다. 수직으로 장착된 실린더는 이를 달성하기 위해 수평으로 적용된 실린더보다 더 많은 힘을 생성해야 한다. 수직 적용에서 필요한 수평력의 두 배가 가능한 실린더의 크기를 정하는 것이 가장 좋다.

또한 특정 유형의 공압식 로드리스 액츄에이터는 어느 정도의 공기누출이 있을 수 있다. 액츄에이터가 일정 시간 동안 하중을 수직으로 유지해야 하는 경우 공기 누설량은 해당 위치를 얼마나 잘 유지할 수 있는지에 영향을 미친다. 어떤 상황에서는 부하를 안전하게 제어하기 위해 다른 유형의 고정 장치(예 : 브레이크) 또는 외부 유도 시스템이 필요할 수 있다. 외부 유도부하가 있는 수직 애플리케이션은 중력의 영향으로 인해 여전히 순간 하중을 받는다. 예를 들어, 액츄에이터의 하중 전달 장치로부터 12인치의 브래킷암으로 50lb의 하중은 600in-lb의 모멘트 하중을 받는다.

오류#10 : 환경의 영향을 과소 평가

환경적 사항을 고려하지 않으면 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 극도의 고온 또는 저온, 외부 연마재, 더럽거나 젖은 상태, 부식성 유체 및 공기의 질은 실린더 수명에 영향을 줄 수 있는 환경 조건 중 일부에 지나지 않는다. 실린더와 접촉하는 미립자 또는 유체로 인한 마찰 마모(연마제, 천공, 접착제 및 부식성)의 영향은 조기 마모와 유지 관리 증가 및 장비 고장 가능성을 유발할 수 있다. 대부분의 제조업체는 정상 작동 조건을 기준으로 실린더 성능을 설정한다. 실린더가 좋지 않은 환경조건에서 작동해야 하는 경우, 실린더가 성능을 낼 수 있는지를 제조업체와 논의하는 것이 가장 좋다.

요약

로드리스 실린더를 사이징시 고려해야 할 중요한 사항이 많이 있다. 주어진 공기압을 알고 올바른 작동 스트로크와 전체 길이를 결정하는 것은 비교적 간단한 절차이다. 모멘트 하중, 동적 하중 및 돌출압력의 영향을 고려하는 것은 더 복잡 할 수 있다. 올바른 공압 로드리스 제품을 결정하기 위해서는 다양하게 고려해야 하므로 매우 신중해야 한다. 그러나 많은 적용분야에서, 로드리스 실린더의 공간 절약 특징과 일체형 부하지지 시스템은 직선운동을 위한 이상적인 선택이다.

자료 제공 : Tolomatic (www.tolomatic.com)