유체동력 리니어 액추에이터 vs 전기 기계식 액추에이터 선택 방법

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리니어 구동은 공장 자동화, 패키징, 의료 기기 그리고 기타 광범위한 제품과 공정에서 중요하다. 리니어 액추에이터는 보통, 차압으로 작동하는 유체 동력 액추에이터와 전기 모터로 구동되는 전자 기계 액추에이터, 두 유형이 있다. 액추에이터의 유형은 기계의 성능, 초기 비용, 운영 비용을 좌우한다. 따라서 리니어 액추에이터의 주요 유형의 장단점을 잘 파악하여 선택할 필요가 있다.

공압식 액추에이터의 일반적인 단점은 두 위치 사이에서 상대적으로 가벼운 하중을 앞뒤로 움직이며, 각 끝의 이동은 액추에이터의 기계적 한계 또는 하드 스톱(hard stops)으로 제어하는 것이다.
이는 뱅뱅 애플리케이션(bang-bang applications)이라고 하는데, 액추에이터가 이동 한계나 각 끝에 도달할 때 발생하는 노이즈 때문이다. 위치 제어는 끝에서 외에 어떤 지점에서도 필요하지 않다. 공압식 액추에이터는 대개 낮은 초기 비용과 빠른 속도로 단순한 모션 애플리케이션에 이상적이다.

유압 액추에이터는 같은 프레임 크기의 공압 실린더보다 25배 이상의 힘을 갖는 고강도 장비에 쓰인다. 이들은 90psi(또는 그 이하)에서 작동하는 공압 실린더와 비교해 2,500psi의 전형적인 라인 압력에서 작동한다. 유압 액추에이터는 공압 액추에이터와 마찬가지로 모션 프로파일을 제어하기 어렵고 비용이 많이 드는 제약이 있다.

모션과 힘에 대한 제어

반면에 기계 장치가 점차 정교해지고 생산적이며 안전해짐에 따라, 모든 운동 범위에서 위치와 속도, 힘의 제어가 점점 더 필요하다. 비례 조정기와 밸브를 써서 공압기로 더 정확히 제어할 수 있지만, 설치 시스템의 비용과 복잡성, 유지관리 비용이 상당히 높아진다.

또한 공기의 압축으로 공압식 액추에이터의 제어 수준에 한계가 있을 수도 있다. 즉, 특정 용도에 느리고 제어된 속도를 제공하지 못하거나 어려움을 겪는다.
한 대형 포장재 OEM은 제품 프로파일과 기계의 라인 속도를 조정하면 모션 프로파일을 제어하고 사이클 시간을 쉽게 변경할 수 있다는 장점을 발견했다. 처음에는 힘이 약하지만 매우 빠른 움직임을 보인다. 기본적으로 ‘위치로 이동’이다. 제품을 실제로 누를 때 액추에이터는 더 감속했다가, 프레스 단계가 최대한 제어되도록 확인한 다음, 매우 빠른 속도로 되돌아온다.

제품의 특성은 매우 부드러운 움직임이 필요하며, 전체 모션 프로파일은 최소한의 전력 사용량을 보장하는 방식으로 수행된다. 전력은 액추에이터가 실제로 움직일 때만 소모된다.
전기 기계식 액추에이터는 엔지니어가 모션 프로파일을 완벽히 제어할 수 있기 때문에 복잡한 애플리케이션에 적합하다. 많은 액추에이터에는 속도와 위치를 정확하게 제어하기 위한 통합 엔코더가 있다.

다른 것들은 또한 토크를 제어하고 모니터링해 힘을 가할 수 있는 능력을 부여한다. 전기 기계식 작동 시스템은 프로그래밍할 수 있다. 때문에 기계를 끄고 재구성하지 않고 소프트웨어에서 힘과 동작 프로파일을 변경할 수 있다.

공압에서 전자 기계 액추에이터로 전환한 중공 성형 장비 제조업체의 엔지니어는 “전자 기계식 액추에이터가 더 빠르고 예측 가능합니다. 이전에는 공기압의 기계 변동 때문에 공정 변동이 있었습니다. 전기 기계적 구동으로 우리는 속도와 전체 이동 프로파일을 변화시킬 수 있기 때문에 더 정확히 제어할 수 있습니다. 이로 인해 부품 품질이 향상되고 불량품이 줄어들었습니다.”라고 했다.

한 제품에서 다른 제품으로 바꿀 때 전기 기계식 액추에이터 관리가 더 용이해져 시스템을 전환할 필요가 없어졌다. 그 결과 다양한 크기의 패키지를 한 번에 처리할 수 있어, 패키징 애플리케이션 작동 시간을 상당히 줄일 수 있다. 최근에 한 포장 회사의 엔지니어는 “대부분의 애플리케이션은 공압식이지만 전자 기계식으로 옮기고 있습니다. 왜냐하면 더 안정적이고 제어할 수 있기 때문입니다. 전환 시간은 포장에서 가장 중요합니다. 시간을 줄일 수 있다면, 기꺼이 사용할 것입니다.”라고 말했다.

에너지 소비량

대체 리니어 모션 기술 중에, 에너지 소비는 점차 중요해지고 있다. 유체 동력은 추가 에너지를 쓰지 않아도 일정한 압력을 유지할 수 있다는 장점이 있다. 반면에, 공압 액추에이터를 구동하는 데 쓰이는 압축기는 작업을 수행하지 않을 때에도 계속해서 작동해야 한다. 공기 누출로 인한 손실은 공압 시스템의 운영 비용을 높인다. 한 식음료 업계 공장 운영 책임자는 “공기를 라인까지 공급하는 것은 골치 아픈 일이며 낭비입니다. 그 라인에서 누수가 생기면 수천 달러가 들 수 있습니다.”라고 말했다.

또한 공압 혹은 유압 장치는 2단계 에너지 변환 공정을 거치므로 상대적으로 에너지 효율이 낮다.
반면 전기 기계식 액추에이터는 작업을 수행할 때만 전력을 쓰기 때문에 거의 모든 애플리케이션에서 상당한 에너지 절감 효과를 제공한다. 전기 기계식 액추에이터에 쓰이는 볼이나 롤러 나사는 보통 90% 범위의 높은 수준의 효율을 제공한다.

친환경 작동

리니어 액추에이터는 음식, 음료, 포장, 의료, 전자 제품 제조 산업과 같이 깨끗한 작업이 필요한 애플리케이션에서 더 자주 쓰인다. 유압식 액추에이터를 쓰면 사용한 오일의 누출이나 폐기가 문제될 수 있다. 공압식 액추에이터는 압축 공기 공급 장치의 오일과 기타 불순물로 비슷한 문제를 나타낸다. 배출된 공기는 보통 방출 전에 불순물을 제거하기 위해서 필터링해야 한다.
반면에 전기 기계식 액추에이터는 환경에 미치는 영향이 적으며 청정 작동이 중요한 애플리케이션에 상당히 환영받는다. 작업장의 소음 감소 또한 중요한 요소이다. 전기 기계 시스템은 여기에 적합하다.

총 소유 비용은 대부분의 장치에서 중요하게 고려된다. 새 축을 추가하면 실린더, 밸브, 호스, 부속품만 필요하기 때문에 유체 동력 액추에이터는 보통 비용상의 이점을 갖는다.
반면 전기 기계식 액추에이터는 유체 동력을 쓸 수 없을 때 비용이 적게 든다. 유체 동력을 사용할 때도 가능하지만, 새로운 축을 처리할 때 추가 비용이 든다. 앞서 언급한 총 소유 비용을 고려할 때 에너지 소비도 중요한 요소이다.

전기 기계식 액추에이터에 지불한 초기 비용을 회수하는 데 걸리는 시간은 용도에 따라 당연히 달라지지만, 에너지 소비 감소로 1년 이내에 발생하는 것은 경우는 드문 일이 아니다.
전기 기계식 액추에이터는 공압식 또는 유압식 액추에이터보다 지정과 설계가 쉽기 때문에 설계 프로세스의 복잡성을 줄여준다.
애플리케이션의 액추에이터 크기를 결정하는 데는 세 단계가 필요하다.

부하를 측정하고 듀티 사이클을 결정하며 스트로크와 후퇴 길이를 지정한다. 하중은 기계 시스템을 시뮬레이션하는 소프트웨어 패키지나 액추에이터의 로드 셀을 써서 측정해 결정할 수 있다. 전자 기계식 액추에이터는 기어비, 리드 스크루, 모터와 전자 제어 매개변수를 변경해서 핵심 성능 변수에 예측할 수 있게 영향을 주는 방식이다. 따라서 모든 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 제조업체가 쉽게 구성할 수 있다.

요약하면, 세 가지 요인으로 유체 동력에서 전자 기계 방식으로 전환되고 있다. 첫 번째는 제어 가능성을 개선하고 전환 시간을 단축하며 정확성과 신뢰도를 높여 생산성을 향상하는 것, 두 번째는 에너지 효율성을 높이고 가동 시간을 늘리고 유지보수를 줄임으로써 장비의 운영비용을 줄이는 것

그리고 세 번째는 전기 기계 시스템이 유체 동력 시스템보다 더 깨끗하고 조용하다는 것이다.
전자 기계 액추에이터 공급 업체는 OEM이 비용과 성능, 안정성을 균형이 있게 조정해서 해당 애플리케이션에 이상적인 액추에이터를 지정할 수 있다.

자료 제공: Thomson(www.thomsonlinear.com)