시스템에 대한 충격 부하를 줄이면 액츄에이터를 더 신속하게 작동시킬 수 있다. 

액츄에이터의 충격 에너지(속도, 부하)를 줄이기 위한 방법으로, 설계자들은 범퍼, 혹은 에어 쿠션이라는 두 가지 유형을 사용한다. 
먼저 범퍼는 일반적으로 탄성재료를 사용해 피스톤 또는 엔드 캡의 일부로 통합되어 설계된다. 이러한 신축성 범퍼는 충격 소음을 줄이는 데에는 효과적이지만, 적은 양의 에너지만 흡수할 수 있어 느린 속도와 작은 부하, 혹은 짧은 스트로크 용도로만 제한되며, 높은 하중과 속도로 작동할 때에는 실린더와 장치의 손상을 방지하기 위한 추가적인 완충장치가 요구된다. 

높은 하중, 빠른 속도, 긴 스트로크 등 범퍼의 한계를 넘어서는 상황에서 활용되는 게 에어 쿠션이다. 그런데 에어 쿠션은 비싸며, 숙련된 정비 인력을 요구한다. 실린더의 작동 압력, 속도, 부하에 따라 에어 쿠션의 니들 밸브를 조정해야 하기 때문으로, 공기 압력, 속도 또는 하중의 변화에 에어 쿠션을 다시 조정하지 않는다면, 사이클 시간이 느려지고 충격 및 진동이 증가하여 조기 고장이 야기된다. 

만약 충격에 따라 에어 쿠션의 양을 자동 조정한다면, 조정에 따른 공정 중단을 방지하여 생산성을 높이고, 숙련된 정비 인력에 대한 비용을 줄일 수 있다. 즉 충격 자동 대응식 에어 쿠션을 통해 전체적인 생산성을 높이고 유지관리 비용을 절감할 수 있다.

조정이 까다로운 에어 쿠션
에어쿠션은 공기를 활용한 대표적인 완충·제동장치이다. 피스톤의 동작 시 실린더 내에 갇혀지는 공기를 활용하함으로써 원하는 제동과 충격 완화를 이뤄내는 원리로, 니들 밸브를 제어함으로써 원하는 효과를 이뤄내게 된다. 

실린더의 사이클마다 고정된 부피의 공기를 가두지만, 고도로 압축될 수 있는 공기의 특성이 문제이다. 에어 쿠션은 실린더의 하중, 속도, 공기 압력 등에 의해 성능이 크게 영향을 받으며, 중량·시스템 압력 또는 속도의 변화에 따라 밸브의 정교한 재조정이 요구된다.

예를 들어 니들-밸브를 빠르게 닫으면, 초기 반작용력이 높아져 감속이 빠르게 이뤄지며, 피스톤의 방향이 여러 번 변경되어 진동과 긴 사이클 시간을 유발하는 스트로크 바운스가 발생된다. 반대로 니들-밸브를 과도하게 열면, 스트로크의 끝에 너무 빨리 도달하여 피스톤과 엔드 캡 사이에 큰 충격이 발생된다. 

[그림 1]은 일반적인 에어-쿠션 이미지로, 빨간색이 니들-밸브를 통해 배출되는 공기를 나타낸다. [그림 2]의 좌측 그래프는 부절절하게 조정된 에어 쿠션의 압력 곡선으로, 스트로크의 끝으로 피스톤이 이동하는 동안 압력이 불규칙하게 변동하며 진동을 초래함을 보여준다. 이와 달리 [그림 2]의 우측 그래프에서는 적절한 조정을 통해 신속한 압력을 형성해 부드럽게 감속됨을 알 수 있다.  

충격 에너지에 자동 대응
자기 조정식 쿠션^{Self-adjusting cushioning}은 수동 조정 필요성을 없애주는 새로운 유형의 쿠션 시스템이다. 이 시스템의 핵심은 피스톤의 노치에 있다. 자기 조정식 쿠션은 원칙적으로는 수동 조정식 쿠션과 같은 방식으로 작동하지만, 쿠션 챔버를 조정 가능한 단면(PPV 조정 나사)에 전적으로 의존하는 것이 아니라 쿠션 피스톤에 파인 세로 홈인 노치를 통해 압축 공기가 빠져나갈 수 있게 함으로써 쿠션 길이와 무관하게 에어 쿠션을 배출할 수 있도록 하는 것이다. 

완충 공기의 단계적 배출을 제공하는 이러한 혁신적인 공기 채널 구조는 실린더의 일반적인 부하와 속도에 맞춰 자동으로 완충 공기를 배출함으로써 시스템이 최적의 최종 위치 쿠션을 얻을 수 있게 한다. 공압식 쿠션 챔버의 배기 흐름은 댐핑 행정을 통해 변화하기에 실린더 노치를 활용하는 이 에어 쿠션 방식은 다양한 애플리케이션에서 활용할 수 있다.  

[그림 3]은 일반적인 조정식 에어 쿠션과 자기 조정식 에어 쿠션에 대한 비교이다. 일반적 에어 쿠션에서 피스톤의 전체 길이를 따라 일정하게 유지하기 위해서는 실린더 속도에 따라 조정이 필요한 반면, 자기 조정식 에어 쿠션에서는 스로틀 크로스 섹션이 쿠션 피스톤을 따라 감소함을 알 수 있다. 쿠션 피스톤의 스로틀 크로스 섹션이 스피드 컨트롤 밸브의 스로틀 크로스 섹션보다 작을 경우 쿠션 피스톤이 작동하기 시작하기 때문에 실린더 속도에 따라 유효한 쿠션 길이를 얻을 수 있다. 

더 부드럽게 충격 해소
자기 조정식 에어 쿠션의 원리는 [그림 4]로 쉽게 이해할 수 있다.

[그림 4]에서 시작 부분 스로틀 단면(그림 안 ①)은 실린더의 최대 허용 속도를 정의하는데, 이는 가능한 한 커야 하며, 쿠션용 피스톤은 매우 얇기 때문에 직사각형 단면들이 가장 좋다. 이들은 작은 깊이로 큰 볼륨에 도달한다. 쿠션 끝 부분의 스로틀 단면(그림 안 ②)은 쿠션 효과에 도달할 수 있는 최소 허용 속도를 정의하며, 이 스로틀 횡단면은 가능한 한 작아야 한다. 이에 대한 해법은 V자 모양의 크로스 섹션으로 더 큰 깊이를 제공한다. 

이를 통해 자기 조정식 쿠션은 비교적 일정한 감속도를 얻을 수 있으며, 일정한 압력으로 최종 위치로 부드럽게 이동한다. [그림 4]이 자기 조정식 에어 쿠션의 압력 그래프로, 일정한 압력 곡선이 형성됨을 확인할 수 있다. 

자기 조정식 쿠션의 장점은 상당하다. 리니어 액츄에이터의 종단 댐핑 조정은 매우 시간소모적인 작업으로, 작동 부하 상태에서만 효과적으로 조정이 가능하여 액츄에이터의 설치부터 시운전까지 필요로 한다. 이때까지 자동화 공급업체는 항상 가능한 한 빨리 작업을 완료하라는 압력을 받게 된다.

또한 액츄에이터는 종종 완전하지 않게 조정된다. 언더 댐핑으로 더 강한 충격에 노출되거나, 더 큰 소음과 마모, 혹은 오버 댐핑으로 사이클 시간 증가에 직면하는 경우를 쉽게 볼 수 있는데, 자기 조정식 에어 쿠션 시스템은 이러한 우려를 제거할 수 있게 한다. 

자기 조정식 에어 쿠션 시스템의 경우, 실린더의 설치와 설정에 걸리는 시간을 평균 5분 가량 절감시킬 수 있다. 60개의 실린더 구동식 라우팅 스테이션을 지닌 패키지 분류 시스템과 같은 애플리케이션의 경우, 이는 5시간의 작업 시간 단축 효과를 가져다 준다.

오현식 기자 다른기사 보기