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액추에이터를 정하기 위한 9가지 유용한 정보

용도에 적합한 액추에이터 선택 방법

서론:

리니어 가이드 액추에이터를 선정, 크기 조정 및 적용하기 위해서는 스트로크 길이와 듀티 사이클에서부터 정밀성과 정확성 요구 사항에 이르는 다양한 변수가 포함됩니다. 궁극적으로 원하는 어플리케이션에 적합한 액추에이터를 선택하기 위해서는 관련된 모든 사양을 면밀하게 점검해야할 뿐만 아니라, 프로젝트의 성능, 시간 및 예산 제약이 충족되어야 합니다. 액추에이터는 매우 다양한 산업 어플리케이션에서 유용합니다. 그리고 각 어플리케이션은 요구 사항이 다릅니다. 특정 제조 공정은 다른 공정보다 더욱 엄격하며 강력하고 신뢰성 있는 모션 부품이 필요할 수 있습니다. 원하는 어플리케이션에 적합한 액추에이터를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 가장 중요한 측면을 알아보겠습니다.

정밀성 및 정확성:

적합한 옵션을 선택하기 위해서는 어플리케이션에서 요구되는 정밀도, 정확성 및 반복 정도를 평가하는 것이 필수적입니다. 액추에이터가 활용되는 대부분의 어플리케이션에서는 50µm의 위치 반복 정도가 허용되며 벨트 O랙 및 피니언 구동 시스템을 통해 이를 달성할 수 있습니다. 수직 축 위해 그리퍼가 장착된 3축 직교좌표 로봇을 생각해 보겠습니다. 이 로봇은 다양한 위치로 이동하여 그리퍼가 케이스를 집어 팰릿으로 옮깁니다. 로봇이 이러한 작업을 수행하기 위해서는 신뢰할 수 있고 반복이 가능하며 정밀한 모션을 보여야 하지만, 이러한 상황에서는 매우 높은 정밀성은 요구되지 않습니다. 그러나 위치를 보다 정밀하게 지정해야 하는 작업의 경우에는 액추에이터 공급업체에게 리니어 인코더를 추가해주도록 요청해야 합니다.

 

그림 1 - 라인의 끝에서 케이스를 포장하는 수직좌표 시스템: Rollon의 포장 솔루션.

Rollon은 산업용 기계, 포장 및 물류, 의료 등 다양한 산업 분야의 리니어 가이드 시장에서 사업을 영위하는 세계적인 기업입니다. 액추에이터를 주력으로 하고 있으며 2015년 1월부터는 리니어 축 제품군을 확대하여 산업 자동화를 위한 리니어 가이드 엑추에이터 및 리니어 가이드 시스템 부품을 생산하는 이탈리아 기업인 Tecno Center를 인수했습니다.

하중 용량:

액추에이터가 처리해야 하는 하중, 모멘트 및 힘을 고려해봐야 합니다. 고강도 어플리케이션의 경우, 매우 까다로운 동적 하중 용량이 포함될 수 있습니다. 고속 및 가속 작업 중 액추에이터가 얼마나 많은 하중을 처리해야 할지 파악해야 합니다. 구동 용량, 동적 하중 용량 및 굽힘 모멘트에 대한 액추에이터의 사양을 근거 자료로 활용할 수 있습니다. 하중 용량은 엑추에이터의 내부 구조와 직접적인 관련이 있습니다. 많은 리니어 가이드 엑추에이터는 외부에서 보기에는 유사해 보이지만, 일부는 고속에서 높은 하중을 처리하도록 제작됩니다. 

이동 거리 및 공간:

시스템을 선택하면서 현장에서 요구되는 스트로크 길이 및 용적 엔벨로프를 파악해야 합니다. 예를 들어, 액추에이터가 로봇의 위치를 움직이는 데 사용됩니까? 선형 경로에서 로봇의 이동 거리는 얼마나 되어야 합니까? 아니면 액추에이터 여러 대를 사용하여 직교좌표 갠트리 시스템을 구축해야 합니까? 일부 상황에서는 페이로드 용량이 제한적인 로봇을 사용하는 것보다 고하중을 처리할 수 있는 견고한 고용량 액추에이터로 구성된 3축 갠트리 시스템을 구축하는 것이 좋습니다. 갠트리 시스템은 로봇 시스템보다 같거나 더 적은 용적 공간이 필요한 경우가 많습니다. 또한, 스트로크가 긴 경우에 랙과 피니언 구동 액추에이터를 사용하면 벨트를 사용 시 생길 수 있는 탄성에 의한 정밀도 저하를 방지할 수 있습니다. 

 

그림 2 - 대리석 조각용 직교좌표 로봇: Rollon의 산업용 장비 솔루션.

 

고하중 사이클:

어플리케이션에서 모션 프로파일, 고하중 사이클, 사이클 시간 및 잔류 시간과 수명 요건을 파악하는 것이 중요합니다. 많은 어플리케이션에서 액추에이터는 앞뒤로 이동할 때 거의 일정한 움직임이 요구됩니다. 액추에이터 공급업체에 유지보수 및 윤활 일정에 대해서도 질문해야 합니다. 일부 액추에이터는 20,000km를 작동한 후에 윤활하면 되지만, 보다 자주 윤활을 해야 하는 시스템도 있습니다. 

작동 환경:

액추에이터와 보다 큰 시스템이 어떤 환경에서 작동되는지도 파악해야 합니다. 먼지, 습기 또는 기타 오염물질로부터 액추에이터의 가동부를 보호하기 위해서는 특수 씰링이나 벨로우즈가 필요합니다

 

그림 3 - 물병 번들을 위한 직교좌표 시스템: Rollon의 포장 솔루션.

공간 방향:

액추에이터의 방향이 가용 공간에서 어떤 방향을 향해야 할까요? 하중과 힘의 방향은 고려해야 하는 중요한 요소입니다. 장착 옵션도 고려해야 합니다. 대부분의 작업에서는 수평 장착이 필요하지만, 다축 시스템의 경우 수직 장착이 필요한 경우도 있습니다. 액추에이터 공급업체가 초기 시스템 설계 작업을 수행할 때 더 많은 정보가 제공될수록 어플리케이션에서의 성공률이 높아지게 됩니다. 또한, 다축 환경에서 액추에이터 간의 연결도 고려해야 합니다. 일부 공급업체는 액추에이터를 서로 견고하게 연결하기 위한 브래킷과 교차 플레이트 등의 피팅을 제공하지만 최종 사용자가 이러한 연결 작업을 직접하게 하는 업체도 있습니다. 시스템이 부적절하게 연결되면 오정렬, 진동, 정확성 감소 등의 문제로 이어져 궁극적으로는 고장이 발생할 수 있습니다.

액추에이터 구조:

앞서 설명한 바와 같이, 언뜻 보기에 많은 액추에이터들이 외관이 유사합니다. 대부분의 액추에이터는 고강도 저중량을 위해 아노다이징 알루미늄 압출 방식으로 제작되지만 이를 제외하고는 유사한 점이 없습니다. 사용량이 많고 높은 하중이 요구되는 액추에이터를 선택할 때는 면밀한 조사가 필요합니다. 특히 가이드 시스템을 선정할 때 주의해야 합니다. 예압 적용 리니어 가이드는 전체 작동 시스템의 정확성, 반복정도 및 강도를 향상하는 데 도움이 됩니다. 고무 코팅 또는 플라스틱 가이드 휠은 처음에는 원활하게 작동하지만, 예압 적용 가이드보다 오래 또는 견고하게 작동하지는 않습니다. 베어링도 고려해야 합니다. 공작 기계 등급의 강철로 제작된 예압 적용 리니어 베어링은 사용 수명이 길고 시스템의 견고성과 정확성을 향상시킵니다. 벨트 구동 액추에이터의 경우에는 축과 풀리 구조를 살펴봐야 합니다. 강도 및 수명을 위해서는  강철 풀리가 바람직합니다. 또한 축과 풀리 어셈블리의 제작 방법도 고려해야 합니다. 일체형 강철로 제작된 어셈블리는 축에서 풀리가 미끄러져 움직이지 않는 반면, 여러 부품이 사용되는 시스템의 경우에는 풀리를 축과 조립 시 끼워 맞춤을 해야 합니다. 또한, 풀리에 끼워 맞춤하거나 일체형으로 제작되는 경량 플랜지가 사용되는 풀리보다는 견고한 볼트 장착 플랜지를 사용하여 벨트를 가이드하는 풀리를 사용하는 것이 좋습니다. 마지막으로 플라스틱 또는 청동 부싱이 아닌 예압 적용 레이디얼 볼 베어링이 사용되는 풀리를 사용하십시오. 이러한 사항이 적용된 고강도 액추에이터를 사용하면 가장 까다로운 어플리케이션에서도 큰 하중을 처리할 수 있습니다. 

속도 및 가속도:

원하는 작업을 수행하기에 적합한 액추에이터를 선택하려면, 우선 이동 속도와 필수 가속도 및 감속도를 파악해야 합니다. 액추에이터가 특정 지점에서 물체를 잡은 다음 팰릿으로 이동하기 위해 돌아가는 컨베이어 벨트의 속도를 신속하게 따라 잡아야 합니까? 아마 로봇은 픽 앤 플레이스 동작을 수행하는 몇 초 동안 대기하고 있다가 원래 위치로 복귀해야 할 것입니다. 이러한 세부 정보를 액추에이터 공급업체가 알아야 합니다. 일부 고하중 액추에이터는높은 하중을 5m/s의 속도에서 지원할 수 있는 반면 속도 및 하중 용량이 제한적인 액추에이터도 있습니다. 

기어박스와 모터 일치:

까다로운 작업을 위한 고속 벨트 구동 액추에이터를 선택할 때는 95% 이상의 경우 관성 일치 및 토크 배수를 위한 기어 박스 또는 감속기가 필요합니다. 일부 액추에이터 공급업체는 전체 액추에이터 어셈블리의 일부로 유성 기어박스를 통합하여 사양을 단순화합니다. 모터 크기 데이터도 고려해야 합니다. 액추에이터 공급업체에 모터 제조업체에 대한 자세한 어플리케이션 엔지니어링 데이터를 제공할 수 있는지의 여부를 문의하여 전체 시스템이 원하는 어플리케이션에 적합한지 확인하실 것을 권합니다. 일부 공급업체는 전체 견적의 일부로

이러한 예비 엔지니어링 설명서를 제공하기도 합니다.

 

     그림 4 - 산업 자동화를 위한 Rollon 액추에이터 시스템 라인: 다축 픽앤플레이스