액추에이터에 대해 자세히 알고 싶습니다..

공압 액추에이터

액추에이터란 에너지를 사용하여 기계적인 일을 하는 기구를 말하는 것으로, 공압 액추에이터는
압축공기의 압력 에너지를 기계적인 에너지로 변환하여 직선운동, 회전운동 등의 기계적인 일을 하는 기기로서 구동 기기라고도 한다.

   1. 공압 실린더

   1-1 공압 실린더의 기본구조

   1-1-1 실린더 튜브

실린더의 외곽을 이루는 부분으로서 피스톤의 움직임을 안내하기 때문에 피스톤의 미끄럼 운동 및내압이 걸리므로 내압성과 내마모성이 요구된다.
 이와 같은 기계적 성능을 높이기 위해 튜브에는 20[μm]정도의 경질 크롬 도금하고 그 표면을 1.6S 이하의 표면 거칠기로 다듬질한다.
재질로는 고력 알루미늄관, 기계구조용 압연강관, 황동관 등이 일반적으로 사용되어 왔으나, 최근에는 소형 실린더에 스테인리스관 또는 플라스틱 튜브도 사용된다.

   1-1-2 피스톤

피스톤은 공기 압력을 받는 실린더 튜브 내에서 미끄럼 운동을 하며 때로는 고속으로 헤드
커버에 충돌하기도 한다. 그러므로 피스톤은 충분한 강도와 내마모성이 요구된다. 피스톤 외주에는 피스톤과 튜브 사이에 누설을 방지하기 위해 패킹이 조립된다. 재질로는 부하의 정도에 따라 강, 회주철, 알루미늄 합금 등이 사용된다.

   1-1-3 피스톤 로드

피스톤과 연결되어 피스톤의 출력을 외부에 전하는 로드이다. 피스톤 로드는 작용하는 부하에 따라 인장, 압축, 굽힘, 진동 등의 하중에 견딜 수 있는 충분한 강도와 내마모성이 요구된다.
재질로는 S 45C 정도의 기계구조용 탄소강에 내식성, 내마모성을 향상시키기 위해 경질크롬 도금한 것이 많다. 특수한 용도로는 스테인리스계를 사용하는 경우도 있다.

   1-1-4 헤드 커버, 로드 커버

실린더 튜브의 양 끈에 설치되어 피스톤의 행정거리를 결정한다. 급배기 포트, 피스톤 포드
부싱, 쿠션기구 등을 내장하는 부품으로서 재질은 부하에 따라 아연, 주철, 알루미늄 합금, 합금강 등이 사용된다.

   1-2 공압 실린더의 분류

공압 실린더는 작동 형식에 따라 크게 단동식 실린더와 복동식 실린더로 구분되며, 그  밖에도 로드의 형식, 큐션 기구 및 급유의 유무, 설치방법에 따라 여러 종류의 실린더가 있다.

   1-2-1 피스톤 형식에 따른 분류

공압 실린더는 피스톤 형식에 따라 피스톤형, 램형, 비피스톤 형 등으로 분류되며 피스톤형은
일반적인 공압 실린더와 같이 피스톤과 피스톤 로드를 갖춘 구조이다.
램형은 피스톤 직경과 로드 직경의 차가 없는 가동부를 갖는 구조로서 복귀는 자중이나 외력에 의해 이루어지며 공압용으로는 별로 사용되지 않는다.
비피스톤형은 가동부에 다이어프램이나 밸로즈를 상용한 형식으로 미끄럼 저항이 적고 최저 작동 압력이 약 0.1[kgf/㎠]정도로 낮은 압력에도 고감도가 요구되는 곳에 사용된다.

   1-2-2 작동 형식에 따른 분류

작동 형식에 따라서는 단동 실린더, 복동 실린더, 차동 실린더로 분류되며, 단동 실린더는 한
방향 운동에만 공압이 사용되고 반대 방향의 운동은 스프링이나 자중, 또는 외력 으로 복귀된다.

   1-2-3 장착 형식에 따른 분류

공압 실린더의 장착 형식은 크게 고정형과 요동형으로 나누어지며, 실린더를 기계나 장치에 부착하는 방법에 따라 결정된다.
고정형은 실린더 본체를 고정하고 로드를 통하여 부하를 움직이는 형식으로 KS규격에서는 푸트형(LB), 플렌지형(FA, FB)이 있다.
요동형은 부하의 움직임에 따라 실린더 본체가 요동하는 형식으로 크레비스형(CB), 또는 트러니언형(TC)이 있으며 로드 선단에 너클을 사용하는 경우가 많다.

   1-3 공압 실린더의 종류

   1-3-1 단동 실린더(Single acting cylinder)

단동 실린더는 한 방향의 운동에만 압축 공기를 사용하고 반대방향의 운동에는 스프링이나 피스톤및 로드의 자중 또는 외력에 의해 복귀시킨다.
복귀운동용 스프링이 내장된 단동 실린더로서 이와 같은 실린더는 스프링 때문에 행정거리가 제한되는데 보통 150mm 정도가 최대 행정 길이이다.
주요 용도로는 클램핑, 프레싱, 이젝팅 등의 용도에 사용된다.

   1-3-2 복동 실린더(Double acting cylinder)

복동 실린더는 압축 공기를 양측에 번 갈아가며 공급하여 피스톤을 전진 운동시키거나 또는
후진운동을 시키는 실린더이다. 따라서 전진 운동 및 후진 운동 모두 일을 할 수 있다.
실린더의 운동속도가 빠르거나, 실린더로 무거운 물체를 움직일 때에는 관성으로 인한 충격으로 실린더가 손상을 입게 된다. 이와 같은 것을 방지하기 위해 피스톤 끝 부분에 쿠션기구를 장착한 실린더가 있다.
원리는 피스톤이 헤드 커버나 로드 커버에 닿기 전에 쿠션링이 공기의 배출 통로를 차단하여 공기는 교축된 좁은 통로를 통해 빠져나가므로 배압이 형성되어 실린더의 속도가 끝단에서 감소하게 된다.

   1-3-3 양로드 실린더 (Double rod cylinder)

피스톤 로드가 양쪽에 있는 양로드형 실린더로 피스톤 로드를 잡아주는 베어링이 양쪽에 있어
왕복운동이 원활하며, 로드에 걸리는 수평 하중에도 어느 정도 견딜 수 있다. 또한 운동 부분에 리밋 스위치 등 검출용 기구를 설치할 수 없는 곳에서는 작업을 하지 않는 반대측에 설치할 수 있고 실린더가 전진 및 후진 때  낼 수 있는 힘이 같다는 장점이 있는 실린더이다.

   1-3-4 탠덤 실린더(Tendem cylinder)

두 개의 복동 실린더가 서로 나란히 연결된 복수의 피스톤을 갖는 공압 실린더를 탠덤 실린더라
한다. 이 실린더의 구조는 두 개의 피스톤에 압축 공기가 공급되기 때문에 피스톤 로드가 낼 수 있는 출력은 2배가된다.
탠덤 실린더는 공압 실린더가 사용압력이 낮아 출력이 작기 때문에 실린더의 직경은 한 정되고 큰 힘을 필요로 하는 곳에 사용된다.

   1-3-5 다위치형 실린더

2개 이상의 복동 실린더를 동일 축 선상에 연결하고 각각의 실린더를 독립적으로 제어함에 따라
몇 개의 위치를 제어하는 것으로 위치 정밀도고 비교적 높게 제어할 수 있다.

   1-3-6 로드리스 실린더(Rodless cylinder)

공압 실린더에는 피스톤 로드가 없는 형식도 있다. 로드가 없는 실린더라 해서 로드리스
실린더라 불리우는 이 실린더는 일반 공압 실린더가 피스톤 로드에 의한 출력 방식은 달리 피스톤의 움직임을 요크나 마그넷, 체인 등을 통하여 행정길이 범위 내에서 테이블을 직선운동 시켜 일을 하는 것이다. 따라서 로드리스 실린더를 사용하면 설치면적이 극소화되는 장점이 있으며, 전진시 후진시의 피스톤 단면적이 같아 중간 정지특성이 양호하다는 이점도 있다.

   1-3-7 기타 실린더

공압 실린더에는 위에 설명한 종류 외에도 가변 행정 실린더나, 슬라이드 실린더, 유압 기구와
조합한 하이드로 체커(hidro checker), 차동형 실린더, 충격 실린더, 텔레스코프 실린더 등이 있다.
또한 각종 요소와 조합하여 상용상의 편리를  추구한 것으로 전자 밸브 붙이 실린더, 스피드 컨트롤러 내장형 실린더, 브레이크 붙이 실린더, 프리 마운트 실린더 등이 있다.

 

 2. 공압 모터

공압 모터는 압축 공기 에너지를 기계적 회전 에너지로 변환하는 액추에이터를 말하며 정회전,
정지, 역회전 등은 방향제어 밸브에 의해 제어된다. 공압 모터는 오래 전부터 광산, 화학 공장, 선박 등 폭발성 가스가 존재하는 곳에 전동기 대신 사용되어 왔으며, 특히 최근에는 저속 고토크 모터, 가변 속도 모터 등의 출현으로 방폭이 요구되는 장소 이외에 호이스트, 컨베이어, 교반기 등 일반 산업 기계에도 널리 사용된다.

   2-1 종류

공압 모터는 구조원리에 따라 베인식, 피스톤식, 기어식, 터빈식 등의 공압 모터가 있으나
산업용에는 베인식 모터가 주로 사용되고 터빈식은 치과용 의료기기에 많이 쓰인다.
베인식은 구조가 간단하고 무게가 가볍기 때문에 많이 사용된다. 작동원리는 베인 압축기의 반대로 케이싱 안쪽으로 베어링이 있고 그 안에 편심 로터가 있다. 이 로터에 가공되어 있는 슬롯에 3~10개의 베인이 삽입되어 있다.
압축 공기에 의해 베인이 회전하게 되면 원심력에 의하여 케이싱 내벽 쪽으로 힘이 작용되어 각 공간을 밀폐시킨다. 또한 모터가 회전하기 전에도 적은 양의 공기만으로 베인이 내벽에 밀착되므로 실 효과가 있으며 슬롯에 스프링을 넣어 밀봉효과를 높인 구조도 있다.
베인식 고압 모터의 출력은 0.075~7.5[Kw]정도이며 회전수는 무부하 상태에서 3000~15000
[rpm]정도이다.

   2-2 특징

공압 모터의 특징은 종류나 구조에 따라 약간의 차이는 있지만 일반적인 특징은 다음과 같다.

① 공압 모터는 전동기와 비교할 때 시동 · 정지가 원활하며 출력/중량비가 크다.   ② 공기의 압축성 때문에 회전 속도는 부하의 영향을 쉽게 받으나 과부하에 대해 안전하다.   ③ 폭발성 분위기 속에서도 안전하게 사용할 수 있다.   ④ 속도 제어와 정 · 역회전의 변환이 간단하다.   ⑤ 사용 주위 온도, 습도 등의 분위기에 대하여 전동기만큼 큰 제한을 받지 않는다.   ⑥ 공압 모터의 자체 발열이 적다. 또한 각 섭동부의 마찰열은 압축 공기의 단열 팽창으로 냉각       된다.   ⑦ 압축공기 이외에 질소가스, 탄산가스 등도 사용할 수 있다.   ⑧ 공기 탱크를 설치하면 정전시 단시간 동안은 비상운전이 가능하다.

 

3. 공압 요동형 액추에이터 공압 요동형 액추에이터는 출력축의 회전각도가 제한되어 있는 공압 모터와 같으며 압축공기 에너지를 기계적인 회전운동 에너지로 변환하여 일정각도 사이를 왕복 회전시키는 것으로 볼 밸브의 자동개폐, 자동문의 개폐, 노의 반전장치, 인덱스 테이블의 구동 등에 이용되어 지고 있다.    3-1 종류와 구조 요동형 액추에이터에는 공압 모터와 같은 구조인 베인식과 피스톤의 직선운동을 기계적인 나사나 기어 등을 이용하여 회전운동으로 변환시켜 토크를 얻는 피스톤식으로 크게 나누어진다. 그림은 베인식 요동형 액추에이터로 요동각도 90˚, 180˚ 270˚등이 표준이다. 피스톤식 요동형 액추에이터에는 랙 피니언스, 나사식, 크랭크식, 요크식 등으로 분류되며 이중 가장 많이 이용되고 있는 랙 피니언식 요동형 액추에이터의 구조를 그림에 나타냈다.