유체동력 실린더, 한계를 뛰어넘자!
유체동력 실린더, 한계를 뛰어넘자!
  • 김종율 기자
  • 승인 2018.11.26 11:58
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더 많은 힘과 수명을 얻는 비결
유체동력은 산업용 응용사례에서 활용하고 있는 기술이다. 유체동력을 활용한 실린더는 오늘날 대부분의 공장자동화 및 공정자동화에서 빛을 발하고 있다. 유체동력 실린더를 활용했을 때의 이점에 대해 알아보고, 실린더의 성능과 수명을 향상시키는 방법을 살핀다.
 
유체동력은 일반적으로 산업용 응용사례에서 활용하는 기술이다. 주로 선형(직선) 운동을 제공하는 실린더와 함께 쓰인다. 
유압 및 공압 송전시스템(Power Transmission System)이 제공하는 이점은 다음과 같다. ▲힘과 속도를 간단하고 정확하게 제어할 수 있고, ▲힘 대 무게 비율이 높으며, ▲힘이나 토크 출력이 일정하고, ▲폭발의 위험이 없어 위험한 환경에서도 안전하게 작동할 수 있다.
 
기술적 측면에서, 유체동력 실린더의 경쟁자는 전기기계 선형 액추에이터(Electromechanical Linear Actuator)다. 이러한 전기기계 장비의 예로는 모터 구동 볼나사 등이 있다. 전기기계 장비는 소음이 적고 깔끔하며 정밀한 작업은 물론이고 유연한 다위치 기능(Muitlpositioning Capabilities)을 제공한다.

응용사례가 필요로 하는 요구사항은 가장 알맞은 장비 선택에 영향을 미치는 요소다. 공압 시스템은 상대적으로 낮은 힘과 적은 비용 그리고 깨끗한 작업을 필요로 하는 사례에서 그 솜씨를 뽐낸다. 

산업현장에서 압축공기는 전기 시스템만큼이나 유용하게 사용된다. 공압식 구성요소의 설치를 간소화하는 공기 압축기는오늘날 대부분의 공장에서 흔히 볼 수 있다. 하지만 공압식 기계(Air-Powered Machine)를 작동하는 데에 드는 비용이 유압 장치에 비해 높을 수 있다는 것이 단점이다. 

이에 반해 유압 설계는 실린더와 밸브 그리고 전원장치 등을 구축하기까지 초기비용이 많이 든다. 하지만 유압 설계는 더 높은 압력에서도 작동할 수 있는 것이 장점이다. 이는 더 높은 힘을 출력할 수 있음을 의미한다.

 
실린더 크기 조정
설계자 및 기술자는 다양한 요소를 고려해야 한다. 작업에 필요한 힘, 하중 상쇄, 안전계수 등이 필요한 것. 이를 위해서는 액추에이터의 크기를 적절하게 설정해야 한다. 공압 실린더가 과하게 크면 지나치게 많은 공기를 소모하게 되며 장기적인 관점에서 보았을 때 적절한 크기의 장치보다 작동 및 유지비용이 높아진다. 반대로 지나치게 작은 실린더는 장치 성능을 줄일 뿐 아니라 안전을 보장하지 못한다는 문제가 있다.

공압 실린더의 크기를 적절하게 조정하는 작업은 사용할 수 있는 공기 압력에 따라 달라진다. 부하 크기·실린더 캐리어에 대한 부하의 방향·실린더의 사용하중지점(Working Load Point)비례한 무게중심, 주기시간(Cycle Time)·스트로크·부하가 움직이는 실제 속도 등을 통해 사용할 수 있는 공기 압력을 결정한다.
 
실린더의 가장 일반적인 구성은 복동(複動, Double Acting)이다. 복동 실린더는 로드가 확장함에 따라 가압 유체를 실린더의 캡 끝단으로 이동하며, 피스톤 로드가 움츠러들면 유체를 로드 끝단으로 옮긴다. 유압 시스템 구성에서는 피스톤 반대쪽에 있는 유체가 흘러들어간다.

한 방향으로 높은 힘을 가하는 경우(부하가 움직인 뒤 일정 기간 동안 상태를 유지해야 하는) 한 방향으로만 작동하는 단동실린더가 적절한 대안이다. 
 
단동실린더는 스프링을 이용해 길이를 늘이거나 줄인다. 전자는 작업을 유지하는 데에 자주 사용되고 있다. 후자는 단순한 브레이크 관련 응용사례에 널리 퍼져있으며, 나아가서는 복잡한 자재관리 작업에도 쓰인다.
 
공압 실린더의 부하용량은 그 종류에 상관없이 일부의 사용할 수 있는 공기 압력을 기반으로 하고 있다. 실린더가 지정된 작업을 수행할 때에는 다소의 작업여유(Spare Capacity)가 필요하다. 만약 특정한 실린더의 절대최대출력(Absolute Maximum Output)이 필요한 경우에는 구멍이 더 큰(Larger Bore Size) 실린더 혹은 다른 형태의 실린더가 필요하다.
실린더를 선택할 때에는 힘 혹은 물리력을 기반으로 한다. 하지만 액추에이터 자체가 부하를 견뎌야 할 경우에는 이러한 기준만으로는 부족한 감이 있다. 이로 인해 굽힘 모멘트(휨 모멘트라고도 한다)가 중요한 설계 요소로 부상하고 있다. 실린더 로드가 전반적인 직선운동의 작업량(작업 부하)을 지탱해야 하는 경우 축단하중(Overhung Load)이 발생할 수도 있다. 

굽힘 모멘트의 능력을 결정짓는 두 가지 요소가 있다. 꺾이거나 굴절을 방지할 수 있는 로드의 강도와 부하를 뒷받침하는 선형 베어링의 성능이 그것이다. 지나친 굽힘 모멘트로 인해 발생하는 문제를 해결하기 위해서는 리니어 슬라이드 가이드의 도움을 받아야 한다. 공압 리니어 슬라이드는 공기 실린더 전력원과 안내장치를 결합했다. 안내가이드 장치는 정밀한 선형 경로에 걸쳐 작업 부하를 지탱하는 역할을 한다. 일반적으로 사용하는 안내장치로는 일반 공구 바에 두 개의 가이드 축을 부착한 베어링 블록이 있다. 다른 선택사항으로는 사각형 모양을 한 장치가 있다. 장치는 2차원 평면에서 안내함으로써 측면 하중과 모멘트 하중을 동시에 다룰 수 있다.

힘을 높여라
작동 중인 장비의 운전 조건 및 변수를 변경해야 하는 경우도 있다. 이 때 변경된 응용사례가 실린더가 만들어낼 수 있는 것보다 더 많은 힘을 필요로 할 수도 있다. 전체 시스템을 다시 설계하는 데에 따르는 시간과 비용이 부담스러운 상황이라면, 실린더에 부스터를 장착하는 것이 해답일 수 있다. 부스터는 제 기량을 발휘하지 못하는 기존 응용사례에 추가적인 힘을 제공하는 장치다.
 
부스터가 추가적인 물리력(힘)을 제공할 수 있는 대표적인 사례는 다음과 같다.
·시설 내에 공기압이 불충분한 경우
·기존 실린더의 성능을 뛰어넘는, 추가적인 힘을 필요로 할 경우
·압력 손실을 보상해야 하는 경우

기껏해야 80psi만을 사용할 수 있는 공장 내에서 몇몇 작업은 극도로 거대한 부품이나 제품 없이는 수행할 수조차 없다. 예를 들어 물병 제조업체가 무결성 검사를 진행한다고 가정하자. 용기의 높은 품질을 위해서는 175psi 가량의 압력을 가해야 한다. 이 경우 부스터를 추가함으로써 액추에이터의 힘을 2~4배가량 높여 응용사례가 필요로 하는 압력을 제공한다.
 
부스터는 한 가지 시스템뿐 아니라 다양한 시스템에 적용할 수 있다. 즉, 용도 변경이 가능한 것. 고정부터 튜브 굽힘에 이르기까지 다양한 특수 응용사례에서 작업을 적절하게 수행하기 위해 더 많은 힘을 필요로 한다. 부스터는 이러한 사례에 다양하게 투입되어 장치 성능을 높일 수 있다.
 
한 가지 예를 들자면, 0.125in.의 금속 스트립을 만드는 기계의 규격을 0.187in.로 변경하자 작동 속도가 떨어졌다. 사용자는 여기에 부스터를 추가함으로써 문제를 해결했다. 대부분의 실린더는 공장에서 일반적으로 활용하는 것보다 높은 정격 압력을 가지고 있다는 점을 채용한 결과다.
 
마지막으로, 부스터는 압력 손실을 보상할 수 있다. 일관적이고 한결같은 압력이 중요한 응용사례에는 부스터가 필수적이라고 할 수 있다. 압축기의 작업이 최고기(Peak Period)에 이르면 압력이 떨어질 수 있으며, 이에 대한 적절한 보상이 없으면 일부 응용사례는 고통을 면치 못한다. 신문 인쇄 공정을 예로 들어보자. 이 공정에서는 롤에 75psi가량의 압력을 일정하게 가해야 한다. 균일한 잉크 도포를 위해서다. 부스터가 안전장치 역할을 하지 않으면 압력이 떨어지고, 이로 인해 품질이 저하되며, 신문은 폐기물로 전락하고 만다.

하지만 방향제어밸브는 최대 압력이 100psi~125psi가량 되는 제품이 대부분이다. 부스터를 사용한 회로는 한계를 초월하게 되고, 씰이 손상되는 결과를 낳는다. 따라서 부스터를 장착하기 전에 모든 관련부품들의 사양과 설계를 확인해 좋지 않은 결과를 막아야 한다.

부스터가 연속적으로 사용하기 위해 설계된 장치가 아니라는 것 또한 염두에 두어야 한다. 시스템은 후속적으로 일어나는 행동을 통합 및 저장할 수 있어야 한다. 동시에 액추에이터의 크기와 반복주기 등을 감안해 배열해야 한다. 대부분의 부스터는 자동으로 작동하고, 최대 압력을 출력할 때 멈추며, 후속 압력이 떨어질 때 다시 작동하도록 설계되었다.

기타 고려사항
새로운 혹은 개조한 설계에 직경이 큰 실린더를 탑재할 만큼의 공간이 남아있지 않고(즉 공간에 제약이 있으며), 동시에 부스터를 선택할 수 없는 경우에도 출력되는 힘을 높일 수 있는 방법은 남아있다. 
 
접근법 중 하나로 여러 피스톤을 쌓음으로써 같은 공간 내에서 더 많은 공간을 창출하는 것이 있다. 이를 탠덤 실린더 설치라고 일컫는다. 이러한 다단식 접근법은 높은 신뢰성을 제공하는 열쇠다. 
 
탠덤 실린더는 두 개의 편로드(Single Rod) 엔드 실린더를 연결한 것과 같은 효과를 낸다. 각 피스톤은 평범한 로드 및 로드 캡 끝단을 통해 연장되어있는 두 번째 로드와 상호 연결되어있다. 각 피스톤 챔버는 압력 혹은 내경(Bore Diameter)의 증가 없이도 높은 힘을 생성하는 복동 구성을 실현한다.

스트로크 고려사항
일반적으로 실린더의 편로드는 힘과 운동을 전송하기 위해 로드의 엔드 캡으로부터 돌출된 배럴만큼의 길이를 가지고 있다. 이중 로드 엔드 실린더(Double Rod-End Cylinder)는 그 이름에서 알 수 있듯 두 개의 로드를 가지고 있다(하나는 피스톤의 각 면에 부착되어있다). 두 개의 캡 끝단을 통해 길이가 늘어난다. 이중 로드 엔드 실린더는 두 개의 로드를 동시에 움직일 수 있으므로 로드와 빈 피스톤 사이의 차동 영역을 없앤다. 피스톤의 양 측이 동일한 공간(및 실린더 용적)을 가지고 있으므로 동일한 확장 및 수축 속도를 자랑한다.

다양한 스트로크 길이가 필요하다면 듀플렉스 실린더(Duplex Cylinder)를 고려할 수 있다. 이 장치는 서로 연결되지 않은 여러 실린더로 이루어져있다. 로드 중 하나가 두 번째 로드의 끝단이 아닌(Nonrod End) 부분까지만 튀어나오는 방식으로 작동한다. 따라서 하나의 장치로 다양한 길이의 스트로크를  제공할 수 있다.
 
실린더와 공압 비례제어밸브를 함께 사용함으로써 실린더의 최소 스트로크와 최대 스트로크 사이에서 다위치 기능을 실현한다.

총 스트로크 길이가 긴 경우(일부의 경우 16ft 이상) 텔레스코핑 실린더가 적합하다. 이 실린더는 다양한 네스트 구성 스테이지(Nesting Stage)를 갖고 있다. 실린더 배럴 및 피스톤 로드 역할을 모두 할 수 있다. 스테이지들을 전부 동시에 확장시킬 수도, 한 번에 하나씩만 확장시킬 수도 있다.
 
실린더 수명을 늘려라
적절한 설정은 큰 혜택을 선사한다. 실린더의 성능을 최대화할 수 있는 것. 예를 들어 온도에 대해 고려해보자. 온도는 실린더 씰과 윤활에 영향을 미친다. 작업환경의 온도가 유난히 덥거나 춥다면 특정하게 변형된 씰을 사용함으로써 시설을 보호할 수 있다.
 
부식성의 세척 작업 역시 실린더를 공격하는 요인이다. 특수 마감처리 혹은 특수한 재료를 활용하면 부식에 따른 영향을 최소화할 수 있다. 특수한 설계를 통해 실린더 내부의 유체를 깨끗하게 유지할 수 있다.
 
공기의 질이 떨어지면 부식이 앞당겨지며 씰의 수명이 낮아진다. 청결한 공기를 지속적으로 공급하지 않으면 공압 구성요소는 빠른 손상 및 마모는 물론 고장에 이르게 된다. 실제로 공기는 먼지 및 이물질로 가득하며 압력이 수시로 변한다. 전체 샵(물건을 만들거나 수리하는 곳. 여기서는 공장의 일부를 의미한다) 중 단 한 군데에서라도 이러한 현상이 발생하면 공장 전체가 마비될 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해서는 공기를 청결하게 만드는 작업이 필요하다.
 
공기를 깨끗하게 유지하려면 우선 먼지와 습기에 초점을 맞춰야 한다. 샵에서는 공장 자체의 공기정화 기능으로 인해 어느 정도 걸러진 공기를 활용하고 있다. 하지만 미크론 수준만으로는 보다 민감한 부품들을 원활히 작동시키지 못할 가능성이 있다. 또한 생산라인 안에 수분이 침투하면 시간이 지남에 따라 실린더를 부식시키는 원인이 된다.
 
두 번째로 고려해야 할 사항은 압력이다. 생산현장 내에서의 공기압은 큰 폭으로 변화할 수 있다. 특히 수요전력 등이 최대한으로 오르면 이에 따른 기압 변화 또한 커진다. 기압이 너무 자주 변화하면 다양한 문제가 일어나는데, 예를 들어 조립공정에서 토크가 부족한(Undertourquing) 제품을 조립할 때 품질 측면에 문제가 발생할 수 있다.
 
마지막으로 윤활을 고려해야 한다. 사람들이 원하는 마지막 단계는 바로 금속 대 금속 접촉이다. 적절한 윤활이 없으면 마찰로 인해 공압식 장치의 수명이 급격히 줄어든다.이러한 문제를 막고자 한다면, 일부의 경우 특수 표면마감 혹은 특수 재질을 사용한 실린더를 활용하는 것이 대안이 될 수 있다.

하지만 대부분의 경우 적절한 공기 대비 시스템(Air-Preparation System)을 권장한다. 공기 대비 시스템은 다단계 공정을 수행하는 장비이다. 여기에는 일반적으로 세 가지 구성요소가 필요하다. 필터와 조절장치(Regulator) 그리고 윤활장치(혹은 FRL) 등이 있다. 필터는 먼지와 습기를 없애는 장치로, 여러 미크론 수준에서 사용할 수 있다. 조절장치는 운영자가 사용하는 압력을 정확하게 조절하는 장치로, 일관성 있는 압력을 제공한다. 윤활장치는 질 좋은 유증기(Oil Mist)를 공기 중에 더함으로써 제품 수명을 늘린다.

주문제작을 잊지 말라
기존에 있던 제품을 바꾸거나 특정한 응용사례에 알맞은 설계를 새로이 하는 경우, 기존의 규격 제품에는 불필요했던 것들을 새로이 고민해야 한다. 즉, 새로운 고려사항이 생겨나는 것.

사용자는 ▲제조공정 전반에 걸쳐 회사와 긴밀하게 협업하는 제조업체를 찾아야 한다. ▲제조업체는 번득이는 아이디어를 제공하고 필요한 경우 대안을 제시할 수 있어야 한다. 또한 ▲가능한 한 생산일정을 준수함과 동시에 고품질 제품을 신속하게 제공하기 위해 전념해야 한다. 마지막으로 ▲필요하다면 산업 전반적으로 자리를 잡은 품질관리기준을 준수해야 한다. 예를 들어 ISO-9001은 품질관리 및 보증을 위한 체계로, 전 세계적으로 공인되어있는 표준이다.

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