리니어 액츄에이터Linear actuator란 직선 운동을 만들어내는 장치로, 자동차 제조·공정 산업·식음료 가공 등을 비롯하여 직선 운동이 요구되는 다양한 분야에서 활용되고 있다. 구동 방식에 따라 공압식, 유압식, 그리고 전기를 활용한 전동식으로 구분되는데, 최근에는 공간 활용성이 뛰어난 전동 액츄에이터가 널리 활용되고 있다. 전동 액츄에이터와 모터의 세부 사항, 그리고 장단점을 알아본다.
액츄에이터의 선택은 모션 시스템 설계에서 가장 중요한 사항 중 하나다. 구동 방식에 따라 각기 다른 장단점을 지니기 때문이다. 공압식 액츄에이터의 경우, 비용과 편의성이 우수하지만, 압축 공기 누출로 인한 오작동이 골칫거리이다. 유압 방식의 경우에는 큰 힘이 최대 장점이지만, 유체 누출로 인한 환경 오염의 위험성이 항상 지적된다.
이와 달리 전동 액츄에이터는 가속과 감속, 정확한 속도 제어 등 정밀성이 우수하며, 데이터 피드백으로 무한 포지셔닝 기능을 제공하여 복잡한 모션 프로파일을 처리할 수 있는 이점을 지닌다. 또 에너지 효율이 70~80%에 달해 10~15%의 공압 시스템이나 40~55%의 유압 시스템을 능가한다. 이외에도 PLC나 HMI 장치를 사용하여 제어 시스템에 쉽게 통합하고, 향상된 모션 제어를 구현하는 이점도 지닌다.
핵심은 정확성과 반복성
액츄에이터와 관련 사용자들이 첫 번째로 묻는 질문은 바로 “이 액츄에이터는 얼마나 정확한가?”이다. 이 물음에는 정확성, 반복성의 개념이 녹아 있다. 정확성과 반복성은 유관하지만, 동일하지는 않은 개념으로, 정확성은 액츄에이터가 명령된 위치에 올바르게 도달할 수 있는 능력을, 반복성은 시간 경과 후 특성 위치를 유지할 수 있는 능력을 말한다.
이 두 가지 핵심 특성의 상대적 중요도는 애플리케이션에 대한 이해에 달려 있다. 시장에는 다양한 정밀도와 반복도를 지닌 수많은 액츄에이터가 존재하는데, 애플리케이션 특성을 제대로 이해하고 있다면, 덜 정확하고 저렴한 액츄에이터를 사용하여 최상의 가치를 지닌 시스템의 설계도 가능하게 된다.
다음은 리니어 전동 액츄에이터를 선택할 때 반드시 던져야 할 질문이다. 이에 대한 응답은 더 손쉽게 액츄에이터를 선택할 수 있게 한다.
● 무엇이 이동해야 하는가?
● 얼마나 멀리, 그리고 얼마나 빠르게 이동해야 하는가?
● 적재물의 무게는 얼마인가?
● 시스템에 사용할 수 있는 공간은 어느 정도인가?
● 힘의 요구 사항은 무엇인가?
로드 혹은 로드리스
액츄에이터 선택 시 첫 번째 선택 사항은 로드 액츄에이터, 혹은 로드리스에 대한 결정이다.
먼저 로드 액츄에이터는 다양한 애플리케이션에서 무난한 선택이지만, 무거운 부하가 요구되는 환경이나 이동거리가 긴 경우에는 적합하지 않을 수 있다. 적재물의 하중이 로드의 처짐을 발생시켜 베어링과 씰을 마모시키고, 주요 위치 문제를 유발할 수 있기 때문이다.
이와 달리 로드리스 액츄에이터는 스트로크 길이 전체에 걸쳐 하중을 지지하기 때문에 더 무거운 하중을 운반할 수 있다. 또 로드리스 방식은 별도의 로드를 필요하지 않기 때문에 공간적 이점도 지닌다. 단, 로드리스 액츄에이터는 차폐없이는 가혹한 환경에 견딜 수 없다.
# 로드 액츄에이터 : 통합이 대세
공장 자동화 애플리케이션은 더 빠른 속도와 더 높은 정밀도를 필요로 한다. 전동 액츄에이터는 유압이나 공압식보다 초기 비용이 높지만, 빠른 속도와 정밀한 제어가 가능하다. 또한 에너지 효율이 높아 전체 비용적인 측면에서는 값비싼 초기 비용의 단점이 상쇄되며, 더 높은 신뢰성과 적은 유지 보수로 자동화 시스템을 구현할 수 있게 한다.
전동 리니어 모션의 트렌드는 액츄에이터와 컨트롤, 드라이브, 모터 및 기타 구성 요소의 통합이다. 전동 액츄에이터의 단점 중 하나는 복잡성인데, 모든 구성 요소가 결합되어 제공되는 통합 액츄에이터는 복잡성의 단점을 해소시킨다. 편리성으로 인기를 끈 공압 액츄에이터에 버금가는 편리성으로, 설치 및 조립 비용을 절감하여 비싸고 복잡한 솔루션이라는 세간의 인식을 불식시키며, 기계의 전체 설치 공간 감소라는 이점까지 제공한다.
# 로드리스 액츄에이터 : 공간적인 이점
로드리스 액츄에이터는 별도의 하중 지지 및 안내 요소가 필요 없기 때문에 비용과 설계 시간을 줄일 수 있게 한다. 로드형 액츄에이터와 달리 로드리스 액츄에이터의 스트로크는 전체 길이에 걸쳐 있으므로 공간적인 이점도 있다.
로드리스 액츄에이터는 다시 나사식 또는 벨트식으로 구분할 수 있다. 나사식은 파워 스크류 드라이브의 회전으로 직선 운동을, 벨트식은 타이밍 벨트 드라이브를 통해 구동 풀리에서 토크와 직선 운동을 생성하여 캐리지를 움직인다.
나사식과 벨트식 모두 신뢰성과 효율성, 긴 수명을 특징으로 하지만, 각기 다른 한계와 장점을 지닌다. 즉 모션 애플리케이션의 세부 사항에 따라 구동 방식을 결정해야 하며, 스트로크의 길이, 속도와 가속도 등이 살펴야 할 중요 요소이다.
더 적합한 모터는?
전동 액츄에이터에서 토크는 모터에 의해 발생되기 때문에 모터 유형의 선택도 중요하다. 모터의 결정 역시 애플리케이션의 매개 변수를 고려해야 한다. 전동 액츄에이터의 일반적인 모터 옵션은 스테퍼 모터와 서보 모터로, 두 가지 모터 유형의 장단점을 먼저 이해해야 한다.
먼저 서보 모터에 기반한 액츄에이터는 고속, 강약에 민감한 애플리케이션에서 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 서보 모터는 센서의 피드백과 컨트롤러 연결을 위한 추가 케이블을 요구한다.
■ 서보 모터의 장점
·위치 및 속도에 대한 높은 수준의 제어.
·폐쇄 루프 제어에 따른 높은 정확도
·속도 범위 전반에 걸쳐 토크 유지
■ 서보 모터의 단점
·더 복잡하고 더 많은 비용
·제어 루프의 튜닝으로 복잡성 추가
스테퍼 모터는 전체 회전을 동일한 단계로 나누는 브러시리스 DC 모터로, 스테퍼 모터가 장착된 전동 액츄에이터는 개방 루프 제어 기능이 있는 저속, 고토크 애플리케이션에서 활용된다. 특히 높은 반복성 애플리케이션에 적합하며 저렴한 비용의 이점도 있다.
■ 스테퍼 모터의 장점
·피드백 정보 없는 개방 루프 위치 제어
·비용 절감.
·저속에서의 높은 토크.
·높은 덴트 토크(권선에 전류가 인가되지 않을 때 모터를 회전시키는 데 필요한 토크)로 시스템 전원 오프 시 모터의 역 회전 방지
·3~5 % 정확도의 높은 재현성.
■ 스테퍼 모터의 단점
·불충분한 토크로 인한 정확도 부족(최대 토크 요구 사항보다 50% 이상의 모터가 요구되기 때문에 비용 증가의 요인이 있다.)
·모터 공진으로 인한 토크 손실과 소음
전동 액츄에이터에 모터를 부착하기 위해서는 어댑터 또는 하우징이 필요하다. 이러한 구성 하드웨어는 모터 유형과 장착하는 방법(인라인 또는 역병렬 구성)에 따라 달라진다.
인라인 구성은 모터의 구동축을 하우징을 통해 액츄에이터에 직접 연결하는 방식으로, 우수한 모터 지원을 제공하며 모터에서 액츄에이터로 최대 전력 전달을 허용한다. 단점은 이러한 유형의 구성이 수평 공간(모터 길이 + 액츄에이터 길이)을 차지한다는 점이다.
역병렬 구성은 공간 절약형(수평면에서)이다. 그러나 모터의 일부 동력이 기어 또는 벨트 구동으로 인해 손실된다.
