로드리스 전동 액추에이터 수명·성능 극대화 위한 10가지 팁

전동 로드리스(rodless) 액추에이터는 하중을 지지하고 운반할 수 있다는 점에서 로드형(rod-style) 액추에이터에 비해 특별한 이점이 있다. 이것은 하중 지지를 위한 베어링 및 안내 요소의 필요성이 없게 되므로 비용과 설계 시간을 줄인다.

로드형 액추에이터와는 달리 로드리스 액추에이터의 스트로크는 본체 길이 내에 완전히 있으므로 로드형 액추에이터보다 작업 공간이 더 작다. 또한 전동 로드리스 액추에이터는 스크류 또는 벨트 구동이 가능하며 각 스타일은 응용 분야에 따라 고유 장점이 있다. 그러나 전동 로드리스 액추에이터의 사이징에는 단순히 힘과 스트로크를 계산하는 것 이상이 필요하다.

다음은 로드리스 스타일 액추에이터를 사용하는 애플리케이션에서 최적의 성능, 신뢰성 및 효율성을 달성하기 위한 상위 10가지 팁을 소개한다.

팁 1. 하중을 정확하게 계산하자

애플리케이션을 위한 로드리스 액추에이터를 설계할 때 해결해야 하는 몇 가지 하중과 힘이 있다. 로드리스 액추에이터가 의도한 대로 작동하려면 모터, 선택한 스크류 또는 벨트, 가이드/베어링 시스템, 기계적 감속 장치(기어박스, 타이밍 벨트)를 세 축 모두의 예상 부하에 맞추는 것이 중요하다.

애플리케이션의 정확한 정적 및 동적 부하를 파악하고 이를 액추에이터의 최대 및 연속 부하 용량과 일치시키면 애플리케이션이 비용 효율적이고 신뢰할 수 있다. <그림1> 참조

팁 2. 오버사이징 하지 말자

불확실성이 엔지니어링 분석에 영향을 미치면 액추에이터의 용량을 과도하게 하려는 경향이 있다. 이것은 유체 동력 애플리케이션으로부터의 습관적인 접근 방식이다. 엔지니어는 부하에 대한 부정확한 지식, 가용 공압의 변동, 액추에이터 스트로크 끝에서 가속 및 감속 동작을 완전히 제어할 수 없는 것을 보상하기 위해 유체 동력 응용 분야에 2:1 안전 계수를 구축하는 것이 일반적이다.

오버사이징은 일반적으로 생산 증가 또는 애플리케이션 변경으로 인해 미래에 더 높은 부하를 예상하여 수행된다. 그러나 이러한 대형화는 값비싼 실수가 될 수 있다.

액추에이터의 용량을 애플리케이션의 매개변수와 적절하게 일치시켜 과대한 크기를 피해야한다. 액추에이터 제조업체에서 제공하는 사이징 프로그램, 그래프 및 공식을 통해 보다 더 쉽고 정확하게 이 작업을 수행할 수 있다. <그림2> 참조

팁 3. 모멘트를 계산하자

로드가 없는 액추에이터는 로드를 밀거나 당기는 로드 스타일 액추에이터와 달리 하중을 전달한다. 이러한 차이로 인해 하중의 위치, 크기 및 무게를 기반으로 액추에이터의 하중 지지 플랫폼의 베어링 시스템에 가해지는 다양한 모멘트(토크)를 계산해야 한다. 중심에서 벗어난 또는 측면 하중의 경우 전달되는 하중의 질량 중심에서 액추에이터의 하중 전달 플랫폼 중심까지의 거리를 결정하고 결과 굽힘 모멘트를 계산한다.

예를 들어, 하중의 질량 중심에서 실린더의 하중 전달 장치 중심까지의 거리가 3 in 하중이 30 lb.인 경우 My(Y축의 피치 모멘트) = 3 in X 30 lb = 90 in-lb이다.

Mx 축(roll)과 Mz 축(yaw)에 대해 유사한 모멘트를 계산해야 한다. 하중이 하중 전달 장치의 중심에서 멀어질수록 결과 모멘트가 커진다. 게시된 굽힘 모멘트는 일반적으로 최대값이며 한 가지 유형의 모멘트만 적용된다고 가정한다. 또한 스트로크 끝 가속 또는 감속에 의해 동적 굽힘 모멘트가 생성된다.

일부 애플리케이션에는 위에서 설명한 모멘트 중 2개 이상을 포함하는 복합 모멘트가 포함되어 있다. 액추에이터가 결합된 모멘트 힘을 처리할 수 있는지 여부를 결정하기 위해 각각을 평가하고 계산해야 한다.

팁 4. 속도 제한 및 관성 효과를 고려하자

스크류 구동 액추에이터에서는 더 높은 속도에서 스크류 whip을 방지하기 위해 중요한 속도 제한을 인식한다.

스크류가 임계 속도에 도달하면 <그림 3>과 같이 진동 또는 ‘whip’ 하기 시작한다. 임계 속도 제한은 스크류 길이와 직경에 따라 다르다. 스트로크 길이가 증가함에 따라 스크류 지지 베어링 사이의 거리가 증가하여 특정 속도 이상의 스크류 진동이 발생한다. 이 진동은 지지 베어링을 조기에 마모시키고 진동, 소음 및 치명적인 고장을 유발할 수 있다.

벨트 구동 액추에이터에서는 속도 및 하중과 관련된 큰 관성으로 인해 움직이기 어려울 수 있다. 이 관성은 감속할 때 드라이브 모터에 과도한 역기전력을 발생시켜 드라이브 전자 장치, 시스템 안정성 및 전체 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

또한 위치 지정 품질이 저하될 수 있다. 애플리케이션에서 관성을 계산한 다음 관성 부하를 처리할 수 있도록 액추에이터 및 구동 모터 또는 기어 배열의 크기를 조정한다.

팁 5. 듀티 사이클을 염두에 두자

듀티 사이클은 작동 시간과 전동 액추에이터의 휴지 시간의 비율로 정의되며 백분율로 표시된다. 2초 동안 움직이고 2초 동안 정지하는 액추에이터의 듀티 사이클은 50%이다. 작동에 대한 듀티 사이클의 영향을 과소평가하면 과열, 더 빠른 마모 및 조기 부품 고장으로 이어질 수 있다.

듀티 사이클의 영향을 과대평가하면 대형화로 인해 초기 비용이 높아질 수 있다. 지나치게 보수적인 듀티 사이클 추정치는 종종 애플리케이션에 대한 불완전한 이해에서 비롯된다. 이것은 듀티 사이클, 이동 시간 및 속도를 고려할 수 있는 사이징 소프트웨어 프로그램을 사용하는 또 다른 이점이다. <그림 4> 참조

팁 6. 장착 옵션을 신중하게 선택하자

긴 스트로크의 로드리스 액추에이터의 편향을 방지하려면 장착 강성을 보장하기 위해 지지점의 수와 위치를 고려하는 것이 중요하다. 장착면은 직선이어야 한다. 전체 액추에이터 ‘엔벨로프(envelope)’, 즉 액추에이터와 모터의 길이와 너비를 고려하는 것도 중요하다.

전체 엔벨로프를 고려하지 않으면 사용할 수 있는 모터의 크기가 제한되거나 애플리케이션 레이아웃을 변경해야 할 수 있다. 전체 액추에이터 길이와 실제 작동 스트로크 길이는 내부 기능을 수용하는 데 필요한 ‘dead length’로 인해 다를 수 있다.

팁 7. 구동 시스템

로드리스 액추에이터는 인라인 또는 역병렬(RP, reverse-paralle) 모터 장착/구동 시스템을 사용할 수 있다. 역병렬 시스템은 더 콤팩트한 엔벨로프를 제공하는 반면에, 기어 또는 벨트 감소 드라이브의 추가로 인해 전체 시스템 효율성을 감소시킨다. 인라인 모터 장착은 가장 효율적인 드라이브 시스템과 최고의 동적 성능을 제공한다.

어떤 경우에는 성능 특성이 가장 일치하지 않을 수 있는 역병렬 드라이브를 지정하는 것보다 인라인 모터 드라이브를 위한 공간을 만들기 위해 애플리케이션을 변경하는 것이 더 좋다.

팁 8. 수명 기대치를 기능과 일치시키자

스크류 또는 벨트 및 베어링 수명은 하중, 굽힘 모멘트, 속도, 듀티 사이클 및 환경에 크게 영향을 받는다. 모든 액추에이터의 유효 수명은 대부분의 기계적 작업을 수행하거나 가장 많은 부하를 전달하는 구성 요소의 내구성에 따라 다르다.

리드 스크류 드라이브가 대표적인 예이다. 리드 스크류의 서비스 수명은 어떤 이유로든 스크류가 고장 나기 전에 스크류가 달성한 실제 수명으로 정의할 수 있다. 고장의 가능한 원인 중에는 피로, 과도한 마모, 부식, 오염, 불충분한 구조적 강도 또는 응용 분야에서 요구하는 기능의 손실이 있다.

일반적으로 기대 수명은 동적 하중과 밀접한 관련이 있다. 액추에이터의 최대 수명을 달성하려면 아래 <그림 5>와 같이 총 부하가 액추에이터의 설계 매개변수 내에서 유지되어야 한다.

팁 9. 정확도 요구사항을 확인하자

액추에이터 시스템의 정밀도가 선형 모션의 정확도, 백래시, 직진도 및 평탄도에 대한 애플리케이션 요구 사항을 충족하거나 초과하는지 확인한다. 스크류 구동 액추에이터에서 스크류 선택은 정확도, 백래시 및 반복성에 매우 중요하다. 진직도와 평탄도를 최적화하려면 정밀 프로파일 베어링이 있는 캐리어 시스템을 선택한다.

벨트 구동 액추에이터에서 정확도는 일반적으로 ±.010”/ft로 제한된다. 벨트 드라이브의 기계 시스템 정확도는 벨트 톱니와 스프로킷(도르래) 홈 사이의 맞춤에 의해 영향을 받는다.
이 맞춤은 제조 정확도와 적절한 벨트 장력, 벨트 스트레치 및 시스템 강성(특히 하중 하에서 벨트 톱니가 휘어진 정도)의 기능이다. 벨트 구동 반복성은 일반적으로 ±.001" 미만이며 시간이 지남에 따라 벨트가 늘어나는 영향을 받을 수도 있다.

팁 10. 환경적 요인을 살피자

액추에이터가 작동할 환경은 성능, 내구성 및 유지보수에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 고온은 씰, 윤활, 벨트, 베어링 및 모터 수명에 영향을 줄 수 있다. 극도로 낮은 온도도 성능, 윤활 및 마모에 영향을 줄 수 있다.

액추에이터에 적절한 IP(침수 보호) 등급이 없으면 기름, 물, 공격적인 청소 절차 또는 연마 입자로 인한 오염으로 인해 씰이 파손될 수 있다. IP 등급은 액추에이터가 움직이지 않을 때 정적 조건만 다루므로 동적 조건(진동, 열, 추위, 움직임)도 고려해야 한다.

자료제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)