유압 실린더에서 전동 실린더로 변환하는 방법

Tolomatic

유압 실린더는 전통적으로 고 성능 리니어 모션을 위한 기술이다. 그 기술은 힘 단위당 낮은 비용으로 높은 힘을 전달하며 견고하고 배치가 간단하다. 그러나 고려해야 할 만한 새로운 기술이 있다. 바로 고출력 전기 실린더다. 고출력 전기 실린더는 유압 실린더보다 유연하고 정밀하다. 본문에서는 각 기술의 성능 및 비용 그리고 유압식의 애플리케이션을 전동 엑추에이터로 변환하는 권장 방법들을 비교했다.

유압 실린더와 전기 액추에이터의 비교

먼저, 다음과 같은 핵심 매개 변수를 비교해 본다: 출력, 모션 제어, 시스템 크기, 온도 공차, 데이터 수집, 환경적인 우려 및 유지보수 비용이다.

힘

유압 실린더는 [124.1 ~ 206.8 bar(1800 ~ 3000 psi)]의 높은 가용 압력을 나타낸다. 즉 ‘힘 = 압력 x 면적’ 의 관계에서, 76.2 mm(3 인치) 실린더 조차도 151.8 bar(2200 psi)에서 66.3 kN(15,000 lbf)를 달성하기 때문이다.

롤러 스크류식 전기 리니어 액추에이터는 50,000 lbf(225.5 kN) 이상의 힘을 전달할 수 있어 많은 애플리케이션에서 충분하다.
전기 액추에이터를 사용하면 순간적으로 힘이 발생한다. 서보 모터를 통한 전류는 롤러 나사를 구동하고 즉시 힘을 발생시키는 토크를 생성한다. 유압 액추에이터에서는 힘이 도달하고 압력이 상승할 때까지 기다려야 함으로 응답이 느리게 된다.

또는 액추에이터는 압력(에너지)을 지속적으로 저장해야 하므로 비효율적이다.
서보 드라이브/모터가 있는 전기 액추에이터는 위치, 속도, 가속/감속, 출력 등을 무한대로 제어할 수 있다. 조정도 즉시 가능하며, 정확도 및 반복도는 유압보다 훨씬 낫다.

설치 공간

작업 장소에서 유압 실린더 자체는 설치공간이 작지만, 유압과 유량을 조절하는 유압 파워 유닛(HPU)은 많은 공간이 필요하다.(그림 4 참조)
작업 장소에서 전기 액추에이터 자체는 약간 더 큰 공간을 차지하지만 전체 시스템 공간은 더 작다. 일반적으로 유압 실린더 와 HPU에 비해 훨씬 작다.

온도 허용 오차

유압 실린더는 온도에 민감 할 수 있다. 추위에서는 유압 액추에이터 성능이 느려 지고 일정하지 않으며, 고온에서는 오일이 분해되고 밀폐에 문제가 생긴다.
전기 액추에이터는 필요한 작업량에 대해 원하는 온도에서 작동하도록 선택할 수 있다. 추위에 빠르게 반응하기 위해 극한 온도 그리스(옵션)로 지정할 수 있다.

데이터 수집

표준 유압 작동 시스템에는 데이터 수집 기능이 없으며, 데이터 수집을 위해서 값 비싼 센서 또는 서보 유압 장치를 추가해야 한다. 전기 액추에이터의 서보 시스템에서는 감지 기능이 엔코더와 전류 제어를 통해 내장되어 있다.(그림 5 참조)

환경 위험

유압 시스템은 오일 누출 발생이 쉬우므로 안전 위험을 유발하고 제품을 오염 시키며 환경을 오염시킬 수 있다. 전기 시스템은 가장 깨끗한 리니어 모션 기술 중 하나이다.

유지보수 비용

유압 실린더는 올바르게 유지 보수 할 때 수명이 길어진다. 그러나 유지 보수(새로운 씰, 오일 및 필터)는 기계 가동 중지 시간을 의미 할 수 있다. 전기 액추에이터가 해당 애플리케이션에 적합하게 사이징이 된 경우, 유지 보수가 필요하지 않으므로 가동 중지 시간이 없다.

유압 시스템은 전력을 운동으로 변환하는 데 40-55% 만 효율적이며, 전기 리니어 액추에이터 시스템은 일반적으로 75-80% 효율로 작동한다. 이러한 효율성 차이로 인해 전력 사용에 큰 차이가 생길 수 있다. 전력비용은 장치의 총 소유 비용에 크게 기여한다.(그림 6 참조)

유압에서 전기 엑추에이터로 변환하는 방법

많은 애플리케이션에서 전기 액추에이터 시스템은 유압 시스템보다 소유 비용이 낮으며 우수한 성능을 제공한다. 유압을 전기식 액추에이터로 변환하는 이점은 분명하지만 변환 과정에는 몇 가지 문제가 있다. 그러나 실제 출력과 모션 데이터를 확보하고 제조업체의 사이징 소프트웨어에 정보를 입력하면 변환에 대한 정확한 권장 사항이 산출된다.

실제 필요한 출력에 대한 요구 사항

유압 실린더를 선정할 때 오버 사이징이 일반적이다. 다음은 유압 실린더가 오버 사이징 됐을 때 애플리케이션의 요구 사항을 결정하는 세 가지 방법이다.

1. 최대 힘(peak force)을 결정한다.

실린더가 거의 작업을 수행할 수 없을 때까지 유압 시스템의 압력을 측정한다. 이것은 최대 힘에 대한 근사치이다. 실제 힘을 얻으려면 ‘힘 = 압력 x 면적’ 공식으로 실제 압력을 사용한다.

주의: 이 과정은 전체 확장 및 복귀 사이클에 대한 힘을 매핑하는 것이 아니라 애플리케이션의 최대 힘만 식별한다.(이것은 정확한 전기 액추에이터 크기를 결정하는 데 중요한 내용이다.) 전체 스트로크에 걸쳐 최대 힘을 가정하면 예상 수명이 크게 단축된다. 액추에이터의 L10 수명 공식을 사용하여 전기 롤러 스크류 액추에이터의 예상 수명을 계산한다.(액추에이터 수명 참조)

2. 로드셀(load cell)을 설치한다.

로드셀을 사용하여 실린더의 전체 스트로크에 대한 힘 프로파일을 측정한다. 이를 통해 전기 액추에이터의 정확한 크기, 즉 스트로크의 모든 지점에서 최대 힘과 힘을 정확하게 측정하는 데 필요한 모든 힘 정보가 제공된다.(로드 셀 판독 값을 분석하려면 PC 또는 데이터 수집 시스템에 저장해야 한다.)

이 방법에는 어려움이 있을 수 있다. 기존 설비의 로드 끝에 로드 셀을 장착 할 공간이 없을 수 있다. 또는 액추에이터 로드(rod)와 애플리케이션 하중 사이에 로드 셀을 장착하기 쉽도록 기구 변경이 필요할 수도 있다.

3. 프로토 타입 서보 모터 전기 액추에이터 시스템을 설치한다.

서보 드라이브의 전류 트레이스를 사용하여 전기 액추에이터의 토크/힘 프로파일을 역 계산한다. 전류, 토크 및 힘이 모두 비례하기 때문에 이 방법을 사용할 수 있다. 모터를 통한 전류가 많을수록 더 많은 토크와 액추에이터에서 더 많은 힘이 나온다.

방정식을 사용하여 힘을 계산한다:

힘 = 정격 힘(측정된 전류/ Kt)
(정격 힘과 Kt는 제조업체 사양에 제공된다)

결과는 이론적 계산에 근거한 액추에이터 힘의 근사치이며, 실제 결과는 최대 10 %까지 달라질 수 있다.

속도 매핑

모든 모션 프로파일에는 전기 액추에이터로 변환할 때 고려해야 할 힘 이외의 매개 변수가 있다. 이동 속도는 중요한 매개 변수이다. 속력 또는 속도는 시간 변화율에 따른 거리 변화율이다.(거리/시간)
비디오로 움직임을 기록하고 타임 스탬프와 이동한 거리를 사용하여 각 움직임에 필요한 속도에 근접하도록 제안한다.

전기 액추에이터 권장 사항

실제 힘 및 모션 데이터가 있는 경우 사양을 충족하는 제품에 대한 권장 사이징을 위해 제조업체의 사이징 소프트웨어에 정보를 입력 할 수 있다. 예를 들어 Tolomatic 사이징 소프트웨어는 단 3 단계만으로 권장 사항을 제공한다.

1. 프로젝트 매개 변수 정의
2. 모션 프로파일 설명
3. 제품을 선택한다.

결론

전기 액추에이터는 많은 애플리케이션에서 유압 실린더보다 우수한 성능을 제공할 수 있다. 즉, 높은 정확도 및 반복성, 프로그래밍 가능한 동작 매개 변수 제어, 더 나은 데이터 수집 및 보고 기능 등이다. 전기 액추에이터는 또한 최소한의 유지 보수만으로 효율적인 전기 사용과 다운 타임을 줄여 총 소유 비용을 줄일 수 있다.

전기 액추에이터의 힘 성능이 크게 향상되었다. 롤러 나사가 있는 전기 액추에이터는 50,000 lbf(225.5 kN) 이상을 제공할 수 있다.
유압 실린더의 크기를 세 배로 늘리는 일반적인 관행으로 인해 애플리케이션의 힘 요구 사항이 부풀려지는 경우가 있다. 애플리케이션의 실제 요구 사항을 확인하는 방법에는 여러 가지가 있다. 정확한 속도 및 거리 데이터와 함께이 정보를 제조업체의 사이징 소프트웨어에 입력하여 권장하는 전기 리니어 액추에이터 모델을 생성 할 수 있다.

유체 동력 사이징의 위험

유체 압력의 변동이 일반적이며 유체 구동 실린더의 비용이 낮기 때문에 이러한 실린더의 크기는 애플리케이션 분야에 필요한 것보다 2~3 배 더 큰 것이 일반적이다.
엔지니어는 이 크기를 안전 마진으로 간주할 수 있다.

그러나 과다한 사이징이 실제 힘 요구 사항을 모호하게 만들어, 실제 요구가 실린더 정격보다 현저히 낮은 경우에는 그 과다 사이징이 휠씬 더 높게 나타난다.

실린더가 커지면 ‘힘 = 압력 x 면적’ 이기 때문에 힘이 커진다. 실린더의 보어와 오일 압력이 증가함에 따라 출력이 빠르게 증가한다(그림 7 참조). 과다 사이징 된 실린더의 힘 출력은 애플리케이션 사양보다 훨씬 높다.

이러한 것이, 전기 액추에이터로 전환할 경우 두 가지 도전을 야기시킨다.

1. 철저한 조사 없이는, 애플리케이션의 힘 요구 사항이 전기 리니어 액추에이터가 제공할 수 있는 것보다 훨씬 높은 것처럼 보일 수 있다. 그것이 애플리케이션에서 전기 액추에이터로의 변환을 불가능하게 보일 수 있다.

2. 전기 액추에이터의 구매 가격이 유압 실린더보다 높을 수 있다. 전기 액추에이터의 과다 사이징은 높은 구매비용으로 이어질 수 있다.

자료 제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)