자동화기술/ 자동화를 위한 유.공압 액츄에이터의 제어기술
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제2회부산국제공작기계,공구및금형가공설비산업전시회
자동화를 위한 유.공압 액츄에이터의 제어기술
유·공압 액추에이터란 油壓과 空氣壓이라고 하는 流體動力源으로부터 동력을 공급받아서 그것을 變位, 힘, 톨크(torque) 등의 기계적 동력으로 변환하여 負荷를 구동할 목적으로 사용되는 機器이다.

액츄에이터의 위치결정 기술은 액츄에이터의 變位出力을 제어하는 기술로써 일반적으로 로보트, FA, FMS의 構成裝置를 설계, 운용하는데 있어서 필요한 기본 기술의 하나이다.
특히 최근의 FMS에서는 자동차의 생산 라인에서 알 수 있듯이 동일 라인에서 다른 車種을 동시에 생산하는 이르바 多種混流生産을 실현하여 소비자의 개성화, 다양화한 요구에 대응한 제품을 적기에 생산하는 것이 매우 중요한 것으로 되어있디.

따라서 이들 FMS를 구성하는 생산장치 및 物流시스템 등에 사용되는 액츄에이터의 요구사양도 종래의 단일기종·대량생산 라인에 사용하던 사양과는 크게 달라지고 있다. 여기서는 각종 액츄에이터 특히 실린더를 중심으로 위치결정방법, 특징, 사용상의 주의할 점 등에 대하여 서술한다.

실린더의 위치결정 방식을 대별하면 기구적인 방법으로써 고정식으로 위치를 결정하는 방식과 액츄에이터의 위치를 신호로 검출하고 제어회로를 이용하여 위치를 결정하는 방식으로 분류할 수 있다. 신호검출에 의한 위치결정 방식을 세분화하면 오픈루프(Open Loop)방식과 피드백(Peed back)방식으로 분류할 수 있다.

피드백제어에서는 항상 제어값과 목표값을 비교하여 그 편차를 제어에 반영할 수 있으므로 高精度의 위치결정제어가 가능하다. 반면에 위치제어를 할 경우에 항상 실린더의 변위신호를 검출해 놓을 필요가 있고 기기구성이 복잡하며 高價이다. 따라서 일반적인 장치에서는 오픈 루프 또는 기구적인 위치결정 방식이 많이 사용되고 있다.

1. 기구에 의한 위치결정
기계적인 위치결정 방법은 종래부터 유압, 고기압 실린더의 위치결정에 많이 사용되고 있는 방법으로써 현재도 많이 사용되고 있다.
가장 간단한 방법으로는 실린더의 스트로크말단에서 위치를 결정하는 방법으며 이 방법의 위치결정은 1點만 가능하다. 複數點에서의 위치결정을 실현하기 위해서는 그림1과 같이 스트로크가 다른2개의 실린더와 밸브회로를 사용해야 한다. 그림에서는 3點의 위치결정을 실현한 예를 나타내고 있다.

이 방법을 이용할 경우에는 각 실린더의 스트로크에 대한 오차가 그대로 설정위치의 오차로 나타난다. 위치결정의 精度를 높이기 위해서는 실린더를 제작할 때의 치수정밀도 관리에 주의해야 한다.
유사한 機構形 위치결정 방식으로써 스토퍼9Stopper)를 이용하는 방법이 있으며 가장 간단한 방법으로는 스토퍼에 의해 실린더를 강제로 정지시키는 방법이다. 그림2는 양로드형 실린더의 한쪽 로드에 나사조정형 스토퍼를 조립한 스트로크조정용 실린더의 예를 나타낸다.

나사에 의해 스토퍼의 위치를 조정할 수 있기 때문에 실린더의 스트로크 오차와는 무관하게 위치결정이 가능하고 停止精度도 높으므로 많이 사용된다.


조정이 가능한 스토퍼 위치결정의 특징을 활용하고 位置決精點을 증가시킨 것으로써 그림3과 같은 실린더가 사용되고 있다. 양로드형 실린더에 회전식 스토퍼를 부착한 것으로써 회전식 스토퍼는 電動스텝모터와 베인형 회전식 액츄에이터로 구동된다.
위치결정점의 수는 4~6點이며 위치결정의 精度, 設精點數에 대한 원가를 생각하면 유리한 방법이다.

또, 그림4와 가티이 전기 서보모터로 임의 위치에 스토퍼를 이동시켜서 위치가 결정된 스토퍼에 피스톤을 밀어 붙여 위치를 결정하는 방식도 실용화되어있다.
이 방식은 소형 전기 서보모터에 의해 스토퍼의 위치결정을 수행하고 웜기어의 자기로크 기능을 이용하여 대출력 유압실린더의 위치결정을 가능하게 하는것이 특징이다.



스토퍼를 이용한 위치결정 방식은 低價이고 高價度의 위치결정이 가능하기 때문에 많이 사용되고 있으나 위치를 결정할 때 스토퍼에 충돌하는 面은충돌에 의한 충격을 상당히 받게 된다.

고속의 위치결정인 경우에는 충격이 속도의 제곱에 비례하여 크게 되므로 소음, 이상진동, 접촉면의 마모손상을 발생시킨다. 따라서 스토퍼를 이용한 위치결정의 경우에는 이 충격을 얼마 만큼 감소시키느냐 하는 것이 좋은 결과를 얻기 위하여 매우 중요하다.

2. 固定位置信號에 의한 위치결정
가장 간단한 예를 그림5에 나타낸다. 실린더의 위치를 외부에 설치한 리밋스위치 등의 검출기에 의한 제어신호로 받아들여서 3위치 밸브회로에 의해 위치결정을 하는 방법이다. 이 방법은 유압실린더의 위치제어에 사용되고 있는 방법으로써 그림6에 나타낸바와 같이 고속 구동후 감속하고 정치위치를 결정한다.

고속, 高精度의 위치결정을 위해서는 감속영역을 짧게 하고 크리프(Creep)속도라고 하는 일정 속도의 微速보내기를 해야 해야 한다. 이 방법은 앞에서 설명한 스토퍼 등의 기구부품을 필요로 하지 않는 간편한 방법이므로 이용 범위가 넓다.

공기압회로에서는 공기의 압축성때문에 이와같은 방법으로는 위치결정이 곤란하다. 유압원이 없는 공기압회로에서는 그림7에 나타낸 바와 같이 공기압-유압 변환기를 조합하여 유압회로와 같은 효과를 얻고 있다. 다만 변환기를 사용하는 경우는 압축공기의 공급압력이 0,5MPa(약5㎏/㎠)정도라는 것을 알아두어야 한다.

이 압력은 일반 유압원 공급압력의 1/10 이하인 낮은 압력이며 유압회로 구성기기의 압력손실에 대한 영향을 크게 받으므로 공·유압변환기와 실린더사이의 기기는 유량저항이 작은 것을 선정해야 한다.
그림8에는 이와 같은 목적을 달성하기 위하여 설계된 공기압-유압유닛을 사용한 회로의 예를 나타낸다.

공기압실린더의 위치결정은 브레이크 내장형 실린더가 많이 사용된다. 현재 시판되고 있는 것은 피스톤로드를 브레이크 슈로 직접 체결하는 방법과 피스톤의 직선운동을 볼스크류와 결합한 마찰판을 설치한 방식이 있다. 그림9에 피스톤로드 체결형, 그림10에 볼스크류·마찰판형의 구조도를 나타낸다.

브레이크의 安定性 面에서는 마찰면이 외부에 있고 일정한 조건을 유지하기 쉬운 볼스크류형이 유리하다. 그러나 스트로크가 길어지면 볼스크류의 좌굴강도와 허용 회전수 등의 제한을 받아서 사용범위가 한정된다.
그림11에 피스톤로드 체결형 브레이크 붙이 실린더에 의한 위치결정 제어회로의 예를 나다낸다. 브레이크 붙이 실린더를 사용 할 경우에는 다음과 같은 배려가 필요하다.
(1)브레이크의 작동을 빠르게 하기 위하여 브레이크 제어회로에 급속배기밸브를 설치하여 브레이크피스톤의 배압을 고속으로 배기한다.
(2)로드의 면적차에 의해 발생하는 추력을 보상하기위하여 감압밸브에 의해서 헤드쪽의 공급압력을 낮게 설정한다.
(3)브레이크를 해제했을때 실린더가 돌출하는 것을 방지하기 위하여 피스톤의 양쪽에 압력이 유지되도록 속도제어 밸브를 미터아웃(meter-out)회로로 연결한다.

3. 연속신호에 의한 위치결정
최근 실린더에 위치검출기구를 내장시켜 스트로크 전역에 걸쳐 연속적으로 피스톤 위치를 검출할 수 있는 실린더가 시판되고 있다.
검출기구에 따라서 아날로그형과 디지탈형으로 분류된다.
디지탈형의 예로써 그림12에 길이 측정 룰러·엔코더 방식, 그림13 및 그림14에 피스톤로드 磁性縞檢出方式의 구조도를 나타낸다. 앞에서 설명한 그림10의 볼스크류형 브레이크 실린더도 대표적인 예의 하나이다.

현재 디지탈형 검출기 붙이 실린더는 주로 전용 콘트럴러와 조합하여 오픈 루프에서의 위치결정에 사용되고 있다. 오픈루프에서의 위치결정은 ±0.1~0.5〔㎜〕의 精度로 실용되고 있다.

아날로그형 검출기 붙이 실린더로써 磁性遲涎線삽입방식의 구조예를 그림15에 나타낸다. 아날로그 출력을 갖는 이 형식의 실린더는 주로 서보밸브와 조합시켜 피드백제어에 사용되고 있다.
磁性遲涎線形센서가 비교적 비싸고 피스톤 로드의 내부에 센서를 삽입하여 사용하기 때문에 소형실린더에 적용하기는 곤란하지만 分解能이 1/10000로 높고 긴 스트로크의 검출이 가능하므로 유압서보시스템에 사용되고 있다.

또, 그림16에 나타낸 전기-유압실린더라고 하는 하이브리드형 위치결정 방식도 시판되고 있다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 電氣系 스텝모터와 이송나사로 밸브의 위치결정을 행하고 변위피드백은 밸브기구로 실현하여 高精度의 위치결정을 가능하게 하고 있다.

4. 전기 서보모터·볼스크류에 의한 위치결정
산업용 로보트 多點位置決定이 요구되는 시스템에서는 유공압실린더에 전기서보모터와 볼스크류를 사용하여 직선운동을 시키는 위치결정방법이 많이 사용되고 있다. 그 주된 원인은 다음과 같다.
(1)제어계와 동력계가 동일 동력계이고 연결이 원활하다.
(2)Package화된 시판품이 많고 간단히 위치결정제어와 가속도 제어가 가능하다.
(3)유압, 공기압 기술자에 비하여 전기 기술자의 수가 많아서 이용 기회가 많다.
지금까지 각종 액츄에이터에 의한 위치결정 방법에 대하여 설명하였다. 실제로 선정할 때는 액츄에이터를 어떤 용도에 사용할 것인가에 따라서 전기식, 유압식, 공기압식이 각각의 장단점을 갖게 된다. 선정시에는 사용목적, 사양 등 각 액츄에이터의 특징을 충분히 고려하여 선정해야 한다.

자칫하면 공기압계 기술자는 가능한 공기압 액츄에이터를 사용한 설계를 하기 쉽고 다른 전기계와 유압계 기술자도 마찬기지이다. 물론 자신이 알고 있는 기술에 의해 설계함으로써 확실하게 할 수는 있겠으나 요구된 사양에 가장 적합하다고는 할 수 없을 것이다.

따라서 액츄에이터를 선정할 경우에는 요구되는 조작력, 제어성, 안정성, 원가 등의 특징을 비교, 검토하여 가장 적합한 방식을 선정해야 한다.
표1은 전기·유압·공기액츄에이터에 대한 특징을 비교 분석한 것이다.
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