자동화기술/ 자동화를 위한 공압기기 선정방법 및 주의사항
오늘은 입니다.
등록번호: 문화 라-08507 / ISSN 1599-4643(국제표준연속간행물번호)
본 자료는 메탈넷코리아에서 취재.조사.편집 및 기술자료로 무단전제.복사하는 것은 불법입니다.
제휴.제안.질의 & 광고게재.신제품소개 및 자료문의: 월간 메탈넷코리아 편집부
제2회부산국제공작기계,공구및금형가공설비산업전시회
자동화를 위한 공압기기 선정방법 및 주의사항
1.공기압 실린더 선정순서
공기압 실린더를 선정하는 경우 다음 순서와 같은 항목에 의하여 선정한다.
①실린더 내경
②지지방법
③실린더 스트로크에 따른 경의 확인
④쿠숀유무
⑤방진망의 결정(자바라)

(1)실린더 튜브 내경의 결정
부하의 크기와 무게에 따라 실린더 튜브내경이 결정된다. 실린더의 힘은 무게보다 약 2배 가량으로 선정하는 것이 안전하다.
①전진시:F1=A1×P×β(kgf)
②후진시:F2=A2×P×β(kgf)
A1:전진시 피스톤의 면적(㎠)A1=(π/4)D2
A2:후진시 피스톤의 면적(㎠)A2=(π/4)D2-d2)
D:실린더내경(㎝)
d :피스톤 로드경(㎝)
P:작동압력(kgf/㎠)
β:실효율(%)
실린더의 실제출력은 실린더내 운동부의 저항, 배관 및 기기에 의한 압력손실에 의해 감소된다.
①통상사용시.............70%
②저속작동시.............80%
③고속작동시.............50%

일반적으로 사용압력의 강하등 기타 조건을 고려하여 튜브의 내경은 이론 출력에 대한 부하의 비율을 0.7이하로 선정한다. 빠른 속도를 요구할 경우 공급압력과 튜브내압과의 압축차를 발생시키는 공기 유량 및 부하량의 관성에 의해 영향을 받으므로 이러한 경우는 이론 출력에 대한 부하의 비율을 0.5이하가 되도록 선정하며 느린 속도를 요구할 시는 0.8이하가 되도록 선정한다.
1. 사용압력(kgf/㎠) 사용시 강하되는 압력의 하한치
2. 부하의 크기 : 이동 물체의 중량
3. 부하의 상태 : 부하의 설치상태 및 사용방법
4.필요스트로크(mm):장치에 필요한 실린더 스트로크
5.자동속도(mm/sec):실린더의 왕복속도
6.작동회수(회/min)
7.주변상황:온도, 진동, 분진, 전압
EX)내경 100㎜의 실린더를 작동압력 5kgf/㎠로 사용하였을 경우 전진시 실린더 출력을 구 하라.
해)전진시 실린더 출력(kgf)
=작동압력(kgf/㎠)×전진시 피스톤수압면적(㎠)×실효율(70%) =5×78.5×0.7=274 kgf

(2)실린더지지방법
공기실린더 선정시에는 구조설계, 사용용도, 설치방법애 따라 실린더를 고정시키는 지지형식을 잘 선택하여야한다.
다음 그림과 같이 부하의 이동에 따라 실린더의 각도가 틀려질 때의 움직을 잘관찰하여 선정에 고려하여야한다.




(3)스토로크 및 하중에 따른 로드경의 결정
1)로드경의 결정
실린더를 사용할 경우 스트로크에 따라 변하는 압축응력과 좌굴 하중을 고려하여야 하며 행정의 길이는 부하가 이동하는 거리와 같아야한다.
이동하는 부하가 목적 지점까지 안전하게 시간에 맞추어 도달하여야만 다음에 이루어 지는 제어동작이 연속적으로 작동한다.
피스톤 로드의 강도는 단순히 재질을 강하게 , 증 인장력이 높은 재질을 사용하거나 열처리를 한다고 해서 강해지는 것은 아니며 피스톤 로드의 좌굴 강도를 크게하는 것은 피스톤 로드경을 크게하는 방법이 최선이기 때문에 이것은 선정에 있어서 중요한 포인트이다.

EX)내경Ø100, FB형, 스토르크 1000mm에 사용하는 경우 선단 하중은 몇 KG까지 가능한가?(로드선단은 자유임.)
해석):
①FB형이고 로드 선단이 자유단이면 그림과 같은 형식이다 L=2D
②스트로크가 모두 전진 했을경우 L의 치수를 구한다
(FB형의 FR+A=225)
L=2D=2×(1000+1000+225)=4450
③좌굴표에서 W=50kg이하에 사용


2)로드길이의 결정
실린더 로드경의 선정과 더블어 로드가 견딜 수 있는 한계 하중을 고려하여야 한다.
로드의 한계하중식을 보면
P=m(π2EL2/L2S)
P:한계하중(kgf)
m:단말계수
E:종탄성 계수 2.1×106kg
L2:단면2차모멘트(cm4):(πd4/64)=0.049d4
L:로드의 길이
S:안전율
d:로드경(cm)


3)피스톤 로드의 좌굴계산
(1)좌굴을 이용하는 방법
1.선단하중의 한계를 구한다.
1-1)사용상태가 실린더 지지방법 그림①~⑫중 어느 형태인가를 결정한다
1-2)지지상태가 결정되면 그를 기준으로 L치수를 결정
1-3)실린더 좌굴표에 의해 L치수와 내경으로 최대 선단하중이 결정된다.
2.최대 스트로크를 구한다.
2-1)실린더 좌굴표에 의해 선단 하중과 내경으로 L치수를 구한다
2-2)사용상태가 실린더 지지방법 그림①~⑫중 어느 형태인가를 결정한다
2-3)지지상태가 결정되면 L치수에 의해 최대 스트로크가 결정된다.

3.표준 실린더 내경을 구할때
3-1)사용상태가 실린더 지지방법 그림①~⑫중 어느 형태인가를 결정한다
3-2)지지상태가 결정되면 그것에 맞추어 L치수를 구한다.
3-3)실린더 좌굴표에 의해 선단하중과 L치수로 부터 냐경을 구한다.
(2)피스톤 로드의 좌굴계산시 주의점
피스톤 로드의 좌굴계산은 먼저 실린더를 어떤 방법으로 정지시킬 것인지를 알아야한다.
실린더를 정지시키는 방법에는 스트로크를 모두 사용하여 로드 커버에서 정지시키는 내부 정지방식과 외부 스토퍼에 의해 정지시키는 외부정지 방법이 있으므로 하중에 대한 값이 변한다.

■내부정지 방식의 경우 하중게산
그림과 같이 실린더 스트로크 끝에서 정지하는 상태를 말한다.
①의 경우 하중W
②의 경우 하중=μ·W
μ:마찰저항



■외부정지 방식의 경우 하중게산
그림과 같이 외부 스토퍼에 의해 작동이 도중에 정지하는 상태로서 이경우 좌굴게산에 필요한 하중은 W가 아니고 실린더 이론출력(작동압력(kgf/cm×피스톤면적(㎠)이 된다.

(4)큐션의 유무
큐션은 전동차 문의 동작과 같은 거시이다.
행정의 길이 끝부분에 도달되기전에 속도가 급격히 줄어 충격을 방지하여 부하의 파손이나 기계적 충격을 없게하는 것 으로서 실린더 내부에 안전장치가 되어 있다.

(5)실린더 종류의 결정
실린더를 작동시킬 경우에는 공압실린더, 스피드콘트롤러, 전자변이 일치가 되어야한며 이것을 컴팩트하게 합친것으로 셀실린더, 밸브마운티드실린더 등이 있다. 실린더의 힘과 유량 등을 고려하여 선택하여야한다.




(6)전자변의 선정
전자변은 소요 유량이 충분히 공급될수 있는 기종으로 선택을 하여야한다.
전자변이 흐를수 있는 최대 유량은 각종 전자변 유량 특성표의 2차측 압력이 0kgf/㎠(bar) 일때이다
(7)공기 소모량
공기 소모량은 실린가 작동될 때에 대기로 방출되는 공기량을 1분간 평균치로 환산하는 것을 말한다. 공기소모량은 공기탱크 콤프레샤 등을 선정하는데 참고가 된다.
실린더 작동에 필요한 공기소비량은 다음 식으로 계산할 수가 있다.
Q=(A1×A2)l(P+1)N/1000
Q=공기소비량9l/min)
A1=헤드축 단면적(㎠)
A2=로드측 단면적(㎠)
L=스트로크(cm)
P=사용압력(kgf/㎠)
N=분당 왕복횟수

로드의 단면적 만큼 A2가 A1보다 적지만 실제로는 밸브와 실린더 사이의 배관, 실린더 내의 dead space등을 고려 A2=A1으로 하면
Q=2AL(P+1)N/1000
A=실린더 단면적(㎠)

①도포로 구하는 방법
EX)내경20m/m, 스트로크 100m/m(예 SMD-SD-20×100)의 미니 실린더가 사용공기압력 5kgf/㎠에서 1분당 10회 왕복운동 할 때에 공기 소비량은?
풀이) 사용공기 압력 5kgf/㎠의 선과 실린더 내경 20m/m 선과의 교차점에서 우측으로 평행선을 연장하고 스트로크 100m/m, 분당 왕복 횟수가 10회이므로 100×10=1000의 사선과 교차점에서 수직선으로 그으면 3.8l/min을 얻을 수가 있다.

공기소모량 도표

EX)실린더 내경이 Ø100mm 스트로크500mm 사용압력 5kgf/㎠ 분당 10행정일때 분당 공기소요량은?
풀이)실린더 내경 좌표 10cm지점과 스토르크좌표 50cm지점과의 선을 굿는다.(C선) 우측공기압 5kgf/㎠ 지점을 찾아 실린더 내경좌표와 스트로크 좌표 사이의 선(X측)에서 C선과 교차되도록 선을 우측 공기소비량 좌표까지 연장하면 23.6l가 나온다. 따라서 공기소비량은 47.2×10=472l/min가 된다

실린더 공기소모량


이론상의 출력표

(8)스피드 콘트롤러
스피드 콘트롤러가 별개의 기기로 되어 있어 어떠한 공압이라도 유량 조절을 할 수가 있다. (9)방진망의 결정
흙, 모래, 먼지, 바람, 비 등의 악조건으로 부터 피스톤 로드를 보호하기 위해서는 방진망을 설치한다.


2. 공압실린더 사용상의 주의점
(1)공압실린더 취부시 주의점
①실린더 자체에 직접적인 무리한 힘과 충격금지
②공압배관은 깨끗하게 FLUSHING하여 사용할 것.
③배관 작업시에 배관 내부에 쇠족각 등 이물질이 들어가지 않도록 할 것.
④부하가 ROD의 축방향에 정확하게 걸리도록 한다.
(부득이한 경우 floating joint를 사용한다<편심방지>)

(2)공압실린더 사용시 주의점
①사용 유체는 항상 깨끗 것을 사용할 수 있도록 청정화 시스템 상태를 수시 점검한다.
②급유 형식의 윤활유는 turbine oil 1종(ISO-VG-32)상당품을 사용한다.
③무급유형식 급유로 사용 하였을 경우에는 계속 급유한다.
④Pistion rod 표면에 흠집이 나지 않도록 주의 하여야 한다(외부 누설원인)
⑤분진 및 용접 spark가 튀는 악조건 하에서는 rod를 보호할 수 있는 특별한 장치를 설치한다.

(3)공압실린더 장기정검사항
①실린더 고정 볼트 및 너트 풀림상태 유무확인
②실린더 고정 Frame의 이완 및 이상유무 확인
③실린더의 작동상태
④속도 및 실린더 시간의 변화
⑤공압의 외부누설 및 로드의 표면흠짐 상태

(4)이물질이 공압기기에 미치는 영향
①필터 엘리멘트의 눈막힘 현상이 발생하여 압력강화
②Filter Drain의 배수기능 악화.
③유로중 이물질 누적현상으로 인한 유량감소
④작동부분 이물질 누적으로 인한 작동불량
⑤녹 발생으로 인한 작동불량
⑥SEAL 및 Diaphragm의 이상 마찰 및 파손.
⑦전자변 작동불량

3.공압기기 트러블 원인 및 대책
공압기기는 seal 재료의 고품질화와 표면처리, 전기재료, Electronics r기술의 현저한 발전으로 종래보다 긴 수명과 신뢰성이 높은 제품들이 공급되어 공압기기의 고장율도 감소되고 있으나 한편에서는 변함없는 트러블이 발생을 하게된다.
이러한 상황은 공압기기의 취급부주의와 보수점검의 문제들로 야기 되는 경우가 많다. 공압기기의 작동 유체로서는 압축성의 공기압을 사용하고 있는 까닭에 공기압에 본질적인 이해를 하지 않고서 취급을 한다면 트러블에 말려 들게 된다.
그러므로 다음과 같은 다양한 종류의 공압기기에 관한 트러블들을 열거하여 보면
①공압실린더, 공압하이드로실린더, 로타리액튜에이터, 중압기
②전자변, 속도제어변, 감압변, 공기압센서
③공기원, 공기압축기, 압축공기의 질
④윤활유에 관한 사항
트러블에 관한 내용은 초보자라도 알기 쉽게 항상 많이 일어나기 쉬운 트러블의 실예를 들어 그 발생원인과 해결방안을 설명하고자 한다.
공압기기 중에서 트러블이 많은 것은 공압실린더, 전자변인데 이것을 중점적으로 두고 기술한다. 공기압에 주된 트러블을 계통적으로 알아보면 다음과 같다.

(1)공기원(공기압축기)
공기원에서는 공기량 부족이 잘일어난다. 그래서 공기량에 적합한 공기압축기의 선정과 공기탱크의 설치 혹은 배관의 굵기를 변경함으로서 해결되는 예가 많다.
공기 압축기와 후부 냉각기 등에서는 냉각 효과의 저하, 또는 화재등이 실제로 일어남으로서 정기적인 보수와 정기정검을 통하여 이를 방지할 수가 있다.


(2)배 관
배관에서는 배관방법의 잘못으로 압력 강화가 크게 되든가 drain 발생과 배관 공사시의 용접 쇳가루, 전달시의 분말, 실테이프의 혼입, 녹쓰는일 등이 있다.
이 같은 요소 등의 트러블 방지에는 적절한 배관기술의 습득과 꼼꼼한 배관공사 작업의 확립이 공압기기의 신뢰성과 내구성 향상에 필요 불가결한 요소들이다.


(3)공기의 질과 윤활
압축공기 중에 drain 발생은 필할 수가 없으므로 drain 대책이 필요하다. 이때문에 자동배수기, 공압drayer등을 적당히 사용하여 동결방지 및 drain방지를 도모한다.
일윤활유에 관해서는 윤활기기의 취급의 부주의 또는 보수의 잘못 등으로 윤활유 부족이 야기되기 쉽다. 이러 방지하기 위해서는 윤활기술의 습득과 무급유기기 등과의 조합으로 장수명, 방청효과를 높여야한다.

(4)공압실린더
공압실린더에서는 공기의 압축성에 기인한 작동 속동의 불안정, 속도 부족, 중간 위치정지의 불확실, 공압큐션효과의 부족, 튀어나는 현상 등이 있다.
이것들에 관해서는 부하율과 공압실린더의 작동과의 관계, 동특성에 관해서는 이해를 깊이할 필요가 있다. 또 피스톤 로드의 파손, parking 파손 등의 트러블도 있는데 적절한 공압회로, 사용방법, 설치공사 등에서 상당히 방지할 수가 있다.

(5)전자변
전자변 중 Pilot형 전자변의 대부분은 Pilot압 부족, 조리개변에 의한 작동불량, 작동형 전자변에서는 spool의 작동불량에서 coil의 소손사고가 많다. 솔레노이드 부에서는 배선, 빗물, 온도 등 환경과의 관련 트러블이 많다.
전자변은 기계적인 변체의 섭동본체와 그것을 작동시키는 솔레노이드 부분의 기전일체로 된 기기 임으로 생산업체의 취급지시의 준수와 적절한 설치공사 보수가 트러블을 적게하는 가까운 길이다.

4.공압FINGER 선정방법 및 주의 사항
AIR FINGER는 작업대상물의 파지를 통한 위치결정을 작업대상의 목표물에 이송 또는 클램핑을 목적으로 사용하는 공압기기로서 자동화에서 필수 불가결한 기기이다.
AIR FINGER는 단동과 복동으로 나누어지며 AIR FINGER는 작업대상을 일정위치에 이송 고정을 하기 위해서는 제품의 중량을 감안한 제품의 선정이 상당이 중요하므로 파지력, 제품의 중량과 관계, 및 취부방법등에 대하여 상당히 주의 를 하여야 한다.

1).AIR FINGER의 파지력과 제품의 중량관계
AIR FINGER에서 제품의 중량은 파지력의 1/10보다 작은 것으로 하는 것이 안전하며 AIR FINGER에서 제품을 파지할때 작업대상물의 자세가 불안정 하면 낙하시킬수 있으므로 기구에 트러블이 발생하는 요인이 생기게 되므로 다음과 같은 사항을 유의하여야 한다.
① AIR FINGER와 JAW의 마찰계수를 적게 하여야한다
②이송도중 채터링 채터링 현상과 정지시 충격을 적게하여야한다(감속 했을 경우 관성저항 발생)
③제품의 위치와 AIR FINGER의 관계 불일치
④제품의 체적과 AIR FINGER의 체적과의 차이
⑤직선 또는 회전운동시의 관성

2).AIR FINGER 종류와 구조
AIR FINGER는 RINK LEVER AIR FINGER와 PARALLE AIR FINGER로 구별할 수가 있다

(1)RINK LEVER AIR FINGER RINK LEVER AIR FINGER는 RINK LEVER에 의한 각도 개.폐방식의 공압척으로서 가격이 저렴하고 COMPACT하며 척부분의 개페가 용이하다.
RINK LEVER AIR FINGER의 내부구조는 그림 1과 같고 외관은 사진 2와 같다.
그림 1


1) RINK LEVER AIR FINGER의 사용상의 주의점

AIR FINGER에 있어서 사용시에는 JAW의 길이는 AIR FINGER에 무리가 가지 않토록 가볍고 짧게 사용하여야 하며 JAW가 평행이 되는 위치에서 작업대상물을 CHUCKIMNG 하여야한다.

또한 직선 또는 선회 운동시에는 AIR SUSHION 및 SHOCK ABSORBER를 설치하여 충격을 완화 시켜야 한다.

이외 사용상의 주의 점을 보면 다음과 같다.


①AIR FINGER를 복수로 집중 배관할 경우 최저압 분산에 의해 개.폐 시간이 변동될 우려가 있으므로 단독으로 배관한다.

②AIR FINGER의 파지속도는 SPEED Controller를 사용하여 매분 작동횟수를 30~120회 정도로 작동하여야한다. 필요이상의 속도로 인한 충격은 정밀도와 수명에 악영향을 미친다.

③ 사용압력은 AIR FINGER에 적절한 사용범위 내에서 사용하여야한다.

④본체에 추가가공이 필요한 경우에는 제작사와의 사전 협의를 거처 사용하여야 동작불량을 방지할 수가 있다.

2) RINK LEVER AIR FINGER의 사용예
①ATTACHMENT
②제품의 길이가 큰경우 파지방법의 예




(2)PARALLE AIR FINGER
PARALLE AIR FINGER는 RACK & PINION에 의한 2JAW와 3JAW 평행 개.폐 방식의 CHUCK으로서 강력한 파지력을 발휘하기 위해서는 3JAW의 AIR FINGER를 사용하는 것이 좋다.
특히 원형 작업대상물을 파지 할경우에는 3JAW의 AIR FINGER가 가장 우수한 성능을 발휘할 수가 있다.

3)PARALLE AIR FINGER 사용시 주의사항
PARALLE AIR FINGER사용시에 주의 하여야할 점은 RINK LEVER AIR FINGER와 동일하나 다음과 같은 사항을 유의 하여야한다.
①작업 대상물을 잡는방법
안정된 파지를 하기 위해서는 중심을 잡는 것이 전제 조건이지만 작업물에 의한 Hand는 두개 이상 사용하는 것이 안전하다.(그림2)


그림 2 작업대상물을 잡는방법


그림 3 작업대상물을 지그에 장착하는 방법

③공작물의 치구로 투입시 주의사항
Hand에서 작업대상물을 지그에 투입할 경우 놓치는 경우를 고려하여 설게하여야 한다. 그렇치 못할 경우에는 Hand가 파손되는 현상이 발생할 우려가 있다.(그림3)

PARALLE AIR FINGER 내부구조



PARALLE AIR FINGER 파지력
상 호: 메탈넷코리아 매체사업부문(Metal Network Korea Company)
주 소: 서울특별시 구로구 구로 3동 212-26번지 E-Space 310호 (우편번호)152-053
문의전화번호: 02-3281-5037(代表)         팩스번호: 02-3281-0280
중국상해문의처: TEL:(021)6402-6190(代表)         FAX:(021)6402-8912
Copyright ⓒ 1992-2007[창립15년] Metal Network Korea Company All rights reserved.