내장형 통합 로드 타입 리니어 액추에이터의 장점

Tolomatic

소개

로드(rod)와 로드리스(rodless) 기술을 모두 사용하는 다양한 리니어 액추에이터 장치를 이용해 질량을 직선 운동으로 이동할 수 있다. 더 적은 힘(<1,000lbf)을 요구하는 로드형(rod-style) 작동은 보통 공압 실린더와 전동 실린더 두 가지 솔루션이 있었다. 최근에 제어와 드라이브, 모터, 기타 구성 요소를 액추에이터에 통합하는 전동 리니어 모션은 이와 같은 인식을 바꾸기 시작했다. 또한 통합 액추에이터라는 새로운 범주의 전동 로드형 제품이 출시됐다.

공압식 로드형 실린더는 비용 효율적이고 간단히 적용할 수 있어 널리 쓰여 왔다. 통합형(모션 컨트롤러, 드라이브나 증폭기, 모터, 커플링, 모터 마운트와 결합)이나 전통적인 전동 로드형 액추에이터는 에너지 효율적이고 환경 친화성을 갖췄다. 또한 유연성과 지속성을 특성으로 시장에서 널리 사용되고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 전동 로드형 액추에이터는 가격이 비싸고 복잡한 솔루션으로 인식됐다.

이 기사에서는 모션 애플리케이션 적용 시 로드형 공압 실린더와 전동 액추에이터, 통합 전동 액추에이터의 장단점을 살펴본다. 또한 구매와 운영, 설치 비용, 설치 공간, 부품 수를 줄이는 측면에서 각 기술의 효과를 비교한다.

공압 실린더 솔루션

공압 모션 제어 시스템에는 다음 항목을 활용하는 압축 공기 인프라를 포함해서 많은 보조 구성 요소가 필요하다.

•압력을 발생시키는 공기 압축기
•압축 공기의 습도를 조절하는 응축기(건조기)
•플랜트 시설 전체에 압축 공기를 분배하기 위한 배관(파이프/튜브) 인프라
•압축 공기를 플랜트 배관 인프라에서 개별 작업 지점으로 라우팅(Routing)하기 위한 드롭 라인(액세스 포인트)

각 액세스 포인트에는 공기를 여과하고 압력을 조절하며, 작동 지점에서 액추에이터를 윤활해 성능을 지속시키는 FRL(Filter Regulator Lubricator)이 필요하다. FRL은 단일 공압 실린더나 다수의 공압 실린더 블록을 윤활한다. 각 공압 실린더는 솔레노이드 작동식 에어 밸브(적용 분야에 따라 2개나 3개의 지점에 있음)와 배관을 공압 실린더에 연결해야 한다.

솔레노이드를 작동시키기 위한 논리 장치(logic device)도 필요하다. 솔레노이드 작동식 에어 밸브는 선택한 위치에 따라 압축 공기 흐름을 로드형 공압 실린더로 향하게 해 연장이나 수축할 수 있는 서로 다른 경로를 갖는다.

공압 실린더는 오랜 기간 자동화 산업에서 널리 쓰였다. 주요 장점은 저렴한 가격이다. 또한 간단한 디지털 I/O 신호로 간단하게 작동시킬 수도 있다. 따라서 작동을 위한 모션 제어 구성 요소에 심층적인 지식이 필요 없다. 일부 공압 시스템에는 이더넷과 같은 네트워크 통신으로 신호를 수신하는 분산 솔레노이드 블록이 통합돼 있다.

이 밖에도 장치를 쉽고 경제적으로 재구축할 수 있어 수명이 길다는 장점이 있다. 또한 실린더 크기와 장착, 인터페이스 등 세부 사항에 대한 산업 표준이 있어 쉽게 교체할 수 있다.
그러나 공압 시스템은 전동 시스템에 비교했을 때 압축 공정과 사용 중 에너지 손실이 발생해서 환경 친화적이거나 에너지 효율적이지 못하다. 모든 공압 인프라의 주요 단점은 공기 누출과 압축 공기가 분산되면서 생기는 에너지 손실이다. 약간의 누출로 운영 비용이 크게 증가해서 제조 효율성이 떨어진다.

압축 공기 시스템은 전체 시스템 효율의 50~70%로 작동하는 전동 장치에 비교해 약 10%의 효율로 작동한다고 알려졌다. 이를 에너지 소비로 바꿔 말하면, 공압 실린더는 매년 전동 액추에이터보다 훨씬 많은 에너지(전동)로 작동한다는 것이다.

공압 실린더의 또 다른 단점은 성능과 기능 활용에 제한된다는 것이다. 예를 들어 공압 실린더로 속도를 조절하거나 스트로크 중간 위치를 정하거나, 여러 위치를 프로그래밍하는 것이 어렵다. 이런 문제를 해결하려면 공압 시스템의 복잡성은 기하급수적으로 증가해야 한다. 그렇기 때문에 정확한 위치와 속도 제어, 다중 포지셔닝이 필요한 애플리케이션은 전동 액추에이터를 선호한다. 또한 공압 실린더는 각 스트로크에서 공기의 압축과 방출 때문에 소음이 발생한다.

전동 액추에이터 솔루션

기존 전동 액추에이터 솔루션에서 액추에이터가 작동하는 데 많은 부품이 필요하다. 그러나 공압 실린더가 있는 시스템처럼 복잡한 인프라가 필요하지는 않다.
전원은 단순히 선간 전압이지만 디지털 드라이브와 모터, 커플러, 모터 마운트, 액추에이터, 케이블, 인클로저, 전기 캐비닛 등과 같은 다양한 구성 요소가 필요하다. 일부 전동 액추에이터 솔루션에는 시스템에 모션 컨트롤러나 PLC가 필요할 수도 있다.

전동 액추에이터 솔루션은 일반적으로 완벽하게 프로그래밍할 수 있으며, 높은 수준의 애플리케이션용 유연성을 제공한다. 더 복잡한 애플리케이션을 위해 여러 액추에이터의 모션을 세밀하게 조정할 수 있다.

기존 전동 액추에이터 솔루션(액추에이터와 모터 마운트, 커플러, 모터, 드라이브)의 주요 단점은 초기에 많은 투자가 필요하다는 것이다. 필요한 구성 요소의 가격은 공압 운동 축(실린더, 솔레노이드/밸브, 배선)의 3~10배이며 통합 전동 액추에이터 솔루션(액추에이터, 전원 공급 장치)보다 2배 이상 높다. 게다가 전동 솔루션의 총 사용 기간은 공압 액추에이터 솔루션보다 적다.

또한 조립하고 설치하는 데 소요되는 비용도 있다. 기존 전동 액추에이터 솔루션을 설치하려면 캐비닛의 드라이브에 케이블을 연결하거나 배선해야 한다. 전체 비용이 높아지고 시스템 설치 공간이 증가한다. 공압과 통합 전동 액추에이터 솔루션에는 보통 추가 캐비닛 공간이 필요하지 않다.

통합 전동 액추에이터 솔루션

보통 통합형 전동 액추에이터에는 모션 컨트롤러와 드라이브, 앰프, 모터, 커플링, 모터 마운트, 액추에이터가 소형 패키지로 구성돼 있다. 따라서 비용을 절감하고 더 효율적인 운영을 위해 올인원 솔루션을 제공한다.

통합 전동 액추에이터는 공압과 기존 전동 액추에이터 솔루션의 장점을 결합한다. 또한 일반적으로 기존의 전동 솔루션보다 비용이 저렴하다. 그 덕분에 공압에서 전동 기술로 전환하는 것과 관련된 비용 문제를 해결할 수 있다.

그뿐만 아니라 24~48VDC 전원 공급 장치가 추가된 독립형 모드에서 작동한다. 대부분의 모션 제어 시스템에는 센서와 스위치, 디지털 I/O 같은, 다른 로직 장치에 사용할 수 있는 전압 범위가 포함돼 있다. 통합 액추에이터의 구성과 사용 방법에 따라 케이블링 요구 사항은 전원 공급 장치나 개별 I/O 라인, 통신으로 제한된다. 이는 장비 전체와 캐비닛의 전선관(wire ways)에 케이블을 연결하는 데 드는 조립 비용을 크게 줄인다.

통합 액추에이터는 기존 전동 액추에이터 솔루션에 필요한 인프라와 비교하여 간단하다. 그러나 별도의 전원 공급 장치에 의존해 작동한다는 단점이 있다. 기존 전원 공급 장치가 필요한 전원 요구 사항을 충족하지 않으면 업그레이드하거나 시스템에 전원 공급 장치를 추가해야 한다.

통합 액추에이터는 광범위한 높은 듀티 사이클 산업 분야에 적합하지만 속도와 힘과 관련해서 성능이 제한된다. 이는 복합기 패키지의 간결한 특성 때문이다. 액추에이터(모터, 드라이브, 컨트롤러)에 포함된 통합 전원 구성 요소는 모두 열을 발생시켜 액추에이터의 최대 속도와 힘 기능을 제한한다. 더 높은 힘과 속도를 얻기 위해서는 기존의 전동 액추에이터와 공압 실린더 솔루션이 필요하다.

통합 전동 액추에이터 솔루션은 유연성과 효율성, 작은 설치 공간이 필요한 광범위한 중소형 산업용 모션 제어 애플리케이션에 적합하다.

자료 제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)