유압에서 전동 액추에이터로의 성공적 전환을 위한 3단계 가이드

수십 년간 공장 자동화 분야의 주류 기술로 자리 잡아온 유압 액추에이터는 여전히 널리 사용되고 있다. 하지만 최근 전동 실린더의 기술 발전이 이어지면서 더 많은 기계 설계자들이 “과연 어떤 기술이 더 적합한가?”라는 질문을 던지고 있다. 이에 대한 답은 점점 더 전기 구동 방식으로 기울고 있는 추세이다.

목재, 포장, 의료기기 등 다양한 산업 분야에서 유압식에서 전동 액추에이터로 전환해야 할 이유는 충분하다. 유압 실린더는 견고하고 매우 높은 힘을 낼 수 있다는 장점이 있지만, 전동 액추에이터는 훨씬 유연한 모션 제어 기능을 제공하며, 부품 수가 적고 환경 및 안전 측면에서도 위험 요소가 적다. 특히 정밀한 공정 제어가 가능해 제품 품질 향상, 불량률 감소, 생산성 증대, 전반적인 수익성 개선에도 기여할 수 있다.

이처럼 유압에서 전기로의 전환을 고려하고 있다면, 낯선 기술 세계로 발을 들이는 듯한 부담을 느낄 수 있다. 그러나 다행히도, 이 전환 과정은 단 세가지 간단한 단계만으로도 충분히 이뤄낼 수 있다.

<1단계> 실린더의 실제 요구 하중 파악하기

유압식에서 전동 액추에이터로 전환하는 첫 번째 단계는 시스템이 실제로 필요로 하는 하중(force)을 정확히 아는 것이다. 이는 단순히 압력과 면적을 곱하는 기본적인 계산식(Force = Area × Pressure)을 넘어서는 작업이다.

이 공식은 일반적으로 유압 시스템의 최대 정격 압력을 기준으로 계산되며, 그 결과 값은 실제보다 훨씬 큰 전동 실린더를 선정하게 만들 수 있다. 이는 불필요한 비용 증가로 이어진다. 따라서 과도하게 큰 전동 실린더를 선택하지 않기 위해서는 시스템이 실제로 작동 중일 때의 유압을 측정하는 것이 바람직하다.

측정 지점은 설치 접근성에 따라 달라질 수 있지만, 작업 지점 즉 유압 실린더에 가까울수록 더 정확한 값을 얻을 수 있다. 정밀한 수치는 어렵더라도 실제 하중의 ±15% 범위 내에서 추정된 값만으로도 충분히 의미있는 데이터를 확보할 수 있다.

<그림1> 실제 애플리케이션 요구 사항을 판단할 때 압력을 측정해야 하는 위치

측정 방법은 일반적으로 세 가지가 있다.

① 첫 번째는 밸브에서 압력을 측정하는 방법이다. 유압에서 전기 구동으로 전환할 때 흔히 사용하는 방식이지만, 실린더에서 가장 먼 지점이기 때문에 실제 값과 측정값 사이에 오차가 발생할 수 있다.

② 두 번째는 밸브와 실린더 사이에서 압력을 측정하는 방법이 다. 이 방식은 더 나은 선택이지만, 니들 밸브나 인라인 액세서 리의 영향으로 압력 값이 달라질 수 있다.

③ 세 번째이자 가장 정확한 방법은 실린더에서 직접 압력을 측정하는 것이다. 실린더 자체에서 측정하면 가장 정확한 값을 얻을 수 있으나, 이 지점은 접근이 어려울 수 있다.

<그림2> 유압식에서 전기식 실린더로 전환할 때 실제 하중 요구를 계산하는 데에는 유효 단면적을 고려한 방식이 가장 권장되는 방법이다.

특히, 실린더 양쪽 포트에서 압력을 측정하면 가장 신뢰도 높은 하중 계산이 가능하다. 실린더는 피스톤 측과 로드 측의 단면적이 다르기 때문에 확장(Extend) 포트와 수축(Retract) 포트 모두에 게이지를 설치하는 것이 좋다. 이렇게 얻은 데이터를 바탕으로 유효 단면적을 계산하고(그림2 참조), 해당 면적에 작용하는 압력을 통해 실제 하중과 이에 상응하는 반작용력을 분석할 수 있다.

또한 작동 압력뿐 아니라 시스템의 리턴(복귀) 압력도 함께 측정할 것을 권장한다. 대부분의 유압 시스템에서 리턴 라인은 미미한 역압만을 가지지만, 특정 회로에서는 실린더와 밸브 사이에 높은 복귀 압력이 발생할 수 있다. 이 경우 리턴 압력 또한 실린더의 출력 하중에 영향을 미친다.

각 유압 시스템의 구성은 다르므로, 실질적인 데이터를 기반으로 한 세밀한 접근이 전동 액추에이터로의 성공적인 전환을 가능하게 한다. 이 점을 설명하기 위해 다음두 가지 하중 계산 예시를 살펴보자.

방법 1: 시스템 정격 기준

• 실린더 내경: 1.5인치

• 실린더 로드: 0.75인치

• 시스템 최대 압력: 1,500 PSI

힘 = 면적 × 압력힘 = (0.75² × π) × 1,500

힘 = 2,650 lbf

방법 2: 유효 단면 압력 기준

• 실린더 내경: 1.5인치

• 실린더 로드: 0.75인치

• 요구 압력(P₁): 1,200 PSI

• 백프레셔(P₂): 250 PSI

힘 = (면적₁ × P₁) - (면적₂ × P₂)

힘 = (0.75² × π × 1,200) - ((0.75² - 0.375²) × π × 250)

힘 = (1.767 × 1,200) - (1.327 × 250)

힘 = 1,788 lbf

1,788lbf라는 값은 2,650lbf와 비교해 약 40% 감소한 수치로, 실 제 애플리케이션 데이터를 사용해 전동 액추에이터의 과도한 선택을 피하는 것이 얼마나 중요한지를 보여준다.

<2단계> 모션 프로파일 정의하기

유압식에서 전기식 기술로 전환하는 다음 단계는 시스템의 모션 프로파일, 사이클 속도, 처리량(Throughput)을 명확히 이해하는 것이다. 이때 가장 중요한 질문 중 하나는 다음과 같다. 귀하의 애플리케이션에서 더 중요한 것은 사이클 속도인가, 아니면 선형 속도인가?

다시 말해, 일정한 주기로 움직이는 것이 중요한가, 아니면 일정 시간 내에 특정 거리를 이동하는 것이 중요한가? 이 질문에 대한 답변은 모션 프로파일(그림3 참조)에 직접적인 영향을 미치며, 궁극적으로 액추에이터와 드라이브의 크기 선정 방식에도 영향을 준다.

예를 들어, 고사이클 작업에서는 빠른 움직임이 필요하다. 이는 액추에이터가 더 빠르게 가속 및 감속할 수 있어야 함을 의미한다. 따라서 모션 프로파일에는 액추에이터가 얼마나 빠르게 최고 속도에 도달하고, 다시 얼마나 빠르게 정지해야 하는지에 대한 정보가 포함되어야 한다.

<그림3> 애플리케이션에서 사이클 속도와 주기 중 어떤 요소가 더 중요한지에 대한 판단은 모션 프로파일에 영향을 주며, 결과적으로 부품 선택에도 영향을 미친다. 예를 들어, 이 두 가지 모션 프로파일은 모두 초당 6인치의 이동을 나타내지만 서로 다른 방식 으로 표현되어 있다.

<3단계> 신뢰할 수 있는 사이징 소프트웨어 활용하기

유압 액추에이터에서 전동 액추에이터로 전환할 때, 우수한 사이징 소프트웨어는 필수적인 도구다. 예를 들어, Tolomatic에서 제공하는 사이징 소프트웨어는 사용자의 애플리케이션 요구 사항에 따라 적합한 전동 액추에이터의 크기와 모델을 선정할 수 있도록 지원한다.

이 도구는 설정된 속도, 하중, 수명 요건을 바탕으로, 가장 적합한 액추에이터를 자동으로 계산하고 제안해 준다. 이 과정은 △ 모터 장착 방식 △액추에이터의 설치 방향 △스트로크 길이 △사용 환경 조건 등과 같은 핵심 파라미터를 정의하는 것부터 시작된다.

다음으로, 사용자가 지정한 각 스트로크 구간(segment)에 대해 하중 및 속도를 설정하면 된다. 구간의 수와 특성은 애플리케이션에 따라 자유롭게 지정할 수 있다. 마지막 단계에서는, 사용자가 입력한 조건과 모션 프로파일에 부합하는 Tolomatic의 제품 목록이 자동으로 표시되며, 그 중 가장 적합한 모델을 선택할 수 있다.

전동 액추에이터의 실제 적용 사례
 

전동 액추에이터가 유압 시스템을 대체하고 있는 대표적인 산업중 하나가 목재 산업이다.

최근 한 제재소에서는 톱날을 이동시키는 작업에 환경 친화적인 솔루션을 도입하고자 했다. 이 솔루션은 나무에 오염을 일으키지 않으면서도, 제재소의 습하고 먼지가 많은 작업 환경을 견딜 수 있는 견고함이 요구됐다. 또한, 작업 중 원목이 장비에 자주 부딪히는 환경이기 때문에 충격 저항성도 필수 조건이었다.

기존 유압 시스템은 밀 내부의 온도 변화로 인해 여러 문제가 발생하고 있었다. 저온 시 시동 지연, 실(seal) 마모 가속, 성능 저하 등이 대표적인 문제였다. 

이러한 문제를 해결하기 위해 도입된 것이 롤러 스크류가 적용된 RSA 시리즈 전기 로드 액추에이터였다. 이 제품은 IP67 등급의 밀폐 성능과 넓은 온도 범위에서도 안정적인 작동이 가능한 특수 그리스를 사용해 혹독한 환경에서도 안정적으로 동작했다. 결과 적으로 이 액추에이터는 기존 유압 실린더를 대체할 수 있는 환경 친화적 솔루션으로서 장비의 신뢰성을 높이고, 유지보수 부담을 줄이며, 다운타임을 최소화하는 데 성공했다.

<Tip> 유압 또는 전기 선택시, 고려해야 할 기타 요소들

유압 액추에이터에서 전동 액추에이터로 전환할 때 다음과 같은 주요 요소들을 고려해야 한다.

• 실린더 외형 및 장착 방식: 전동 액추에이터는 유압 액추에이터를 단순히 교체하는 형태로 적용되기 어렵다. 일반적으로 더 많은 공간이 필요하며, 장착을 위한 별도의 설계 작업이 요구된다.

• 좁은 공간에서의 고하중 작동: 전동 액추에이터도 고하중을 구현할 수 있지만, 유압식만큼의 동력 밀도를 갖추고 있지는 않다. 따라서 추가 공간이 필요하며, 매우 협소한 공간에서는 사용이 어려울 수 있다.

• 스트로크 길이, 속도 및 하중: 스트로크 길이가 60인치를 초과할 경우, 나사 축의 좌굴 및 임계 속도 한계로 인해 전동 액추에이터의 최대 속도 및 출력이 감소할 수 있다.

• 모바일 애플리케이션: 12/24V DC 전동 액추에이터 옵션도 존재하지만, 하중(4,000lbf 미만) 및 작동 주기(약 10%) 측면에서 제한적이다. 건설, 광산, 농업 등 충격 하중이 큰 애플리케이션에서는 문제가 발생할 수 있다.

• Two-position 애플리케이션: 전동 액추에이터는 2위치 동작만 요구되는 애플리케이션에서 초기 투자 비용이 유압식보다 높을수 있다. 하지만 누유 없음, 유틸리티 비용 절감, 유지보수 감소, 환경 리스크 제로 등 총 소유 비용(TCO)을 고려하면 투자 대비 수익(ROI)을 달성할 수 있다.

자료제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)