공압 요동형 액추에이터

공압 요동형 액추에이터에 대해 알아보자.

요동형 액추에이터는 출력축의 회전 각도가 유한하지 않기 때문에 공압 모터와 동일하고, 압축 공기의 에너지를 회전하는 운동 에너지로 변경되어 일정 각도 사이를 왕복 회전시키는 것으로서 볼 밸브의 자동으로 열리고 닫히는 것, 자동문의 개폐, 산업용 로봇의 움직임 및 컨베이어의 방향 변경 등 여러가지 장치에 이용된다.

구조와 종류

요동형 액추에이터의 원리

요동형 액추에이터의 원리는 압축 공기의 팽창 에너지를 동원하여 기계적인 왕복 회전 운동으로 변경시키며, 베인형 공압 모터와 동일한 구조인 베인식과 공압 실린더 피스톤의 직선 운동을 기계적인 나사나 기어 등을 이용하여 회전 운동으로 변경시켜서 토크를 얻는 피스톤식으로 크게 나뉜다.

베인식 요동형 액추에이터의 구조

베인식 요동형 액추에이터의 구조는 베인형 공압 모터와 동일하지만 회전 각도가 제한되어 있으며 출력은 베인의 수압 면적과 사용 공기 압력으로 결정된다. 베인의 개수에 따라 싱글 베인형과 더블 베인형이 있으며 베인의 개수가 많을수록 요동 각도는 작지만 토크는 크게 된다. 싱글 베인형은 270~300도, 더블 베인형은 90~ 0도, 3중 베인형은 60도 이내의 요동 각도로 되어 있다. 베인식 요동형 액추에이터는 그 구조 상 공기를 완전히 밀봉하는 것은 매우 어렵지만 약간의 공기 누설이 발생된다. 

랙 피니언식 요동형 액추에이터는 피스톤에 직선으로 연결된 랙의 중심에 있는 피니언을 회전시킴으로써 토크를 얻는다. 요동형 액추에이터 중에서 가장 효율이 높고 내부 완충 장치도 사용할 수 있지만, 구조가 조금 복잡하고 인식하기 어려운  단점이 있다. 효율은 실린더의 출력과 기어와 베어링의 전달 효율을 곱한 것으로 랙의 압력각으로 인해 생기는 분력으로 피니언 기어의 배면이나 피스톤에 측면 추력이 가해져 마찰이 증가하지만 80~90%의 효율을 얻을 수 있다.

나사식 요동형 액추에이터의 원리

나사식 요동형 액추에이터는 실린더의 피스톤이 이동하면서 출력축에 가공된 나사홈을 따라 직선 운동이 회전 운동으로 되어 있어 출력의 반사 이익을 받도록 되어 있다. 나사식은 행정 거리를 증폭시킴으로써 요동 각도를 크게 할 수 있어 360도 이상도 가능하지만 일반적으로 시중에서 판매되고 있는 것은 100~370도이다. 나사식은 외적인 형태가 커지고 회전을 방지하기 위해 스토퍼로 인해 마찰이 커지는 단점이 있다. 효율은 거의 80% 정도이다.

크랭크식 요동형 액추에이터

크랭크식 요동형 액추에이터는 피스톤의 직선 운동을 크랭크로 사용하여 회전하는 운동 등으로 변경하는 것으로 요동 각도는 구조가 110도 이내로 제한한다. 요크식 요동형 액추에이터는 크랭크식처럼 요동 각도가 제한되어 있지만 출력 토크는 요동 각도에 따라서 약간 변경된다.  

공압 모터의 선정법

공압 모터를 선정할 때는 토크의 크기, 사용 회전수, 출력, 사용 공기 압력 등을 중심으로 메이커의 토크 출력 곡선에서 선택하고 부수적으로 감속기의 유무, 브레이크의 사용 유무, 정/역전의 존재 유무, 장착 방법 등을 종합적으로 고려하여 선정해야 한다. 공압 모터의 용량, 토크, 회전수, 출력을 결정한 후 실제로 사용하는 공기 압력의 70~80%의 토크 출력 곡선에서 선택한다. 또한 공기 소비율은 최대 출력의 70~80% 정도일 때가 가장 좋으므로 이 회전수 영역에서 사용하도록 설정한다. 공압 모터에 감속기를 붙여 시동 토크를 개선하는 것이 좋은가, 저속/고토크형 공압 모터를 사용하는 것이 좋은가를 각각 검토하여 결정한다. 압축공기 흐름을 방향 제어 밸크 등으로 차단하여 공압 모터를 정지시켜도 내부누설로 인해 모터를 로킹 할 수 없을 때는 브레이크를 사용해야 하며 압축공기가 중단되고 장시간 정지시킬 때는 안전상 브레이크를 병용한다. 정회전, 역회전이 요구될 때는 양방향 회전이 가능한 사양을 선택하고 정회전과 역회전의 특성이 서로 다른 경우도 있으므로 주해야 한다. 공압 모터의 사용 가능한 온도는 다른 모터에 비해 비교적 폭넓고 가혹한 조건에도 사용할 수 있지만, 사용 윤활유는 적정한 것을 선정해야 한다. 특히 저온일 때는 시동토크가 떨어질 우려가 있어서 주의가 필요하다. 정전 시에 비상용으로 공압 모터를 사용할 때는 공기 소비량에 안 맞는 공기탱크를 설치한다.