오늘날 제어시스템으로는 유압식 및 공압식 제어시스템이 있다. 두 종류 모두 자동화 장비 부분에서 확고한 입지를 다지고 있다. 사실 두 시스템이 가지고 있는 능력과 시스템 안에서 활약하는 역할은 굉장히 유사하다. 하지만 유압식 시스템은 고유의 장점을 통해 다른 혜택을 제공한다.

  유압식 시스템은 공압식 시스템이 제공하는 것보다 더 큰 힘을 필요로 하는 응용사례에서 고려할 수 있는 시스템이다. 반면 공압식 시스템은 보다 저렴한 가격을 통해 효율적 성능을 얻고자 할 때 적합하다.

힘·정밀도·속도·내구성 및 가격이 시스템 종류를 결정하는 열쇠다.

유체동력의 장점

유체동력은 몇 가지 분명한 장점을 가지고 있다. 유체동력 실린더 및 모터는 작으면서도 강한 장치다. 전기드라이브보다 크기 대비 힘의 비율이 높다. 이 덕에 같은 엔빌로프(Envelope)를 통해 더 많은 힘을 생성하거나 더 적은 엔빌로프로도 전과 동일한 힘을 생성한다. 이는 항공기 분야나 모바일 장비와 같이 장치 전체의 무게에 대해 걱정하고 있는 경우 특히 중요한 요소라고 할 수 있다.  시스템을 설치한 공간에 제약이 있는 경우에도 눈여겨봄직하다.
 

유체동력 시스템은 또한 기술자에게 설계 면에서 유연성을 제공한다. 펌프 혹은 압축기와 멀리 떨어진 위치에도 설치할 수 있기 때문이다. 한 펌프 혹은 압축기를 통해 여러 실린더 및 액추에이터에 동시에 전력을 공급할 수 있다. 따라서 유체동력을 사용하면 대부분의 응용사례에서 적은 공간을 가지고 설계할 수 있다. 또 설치 방향에도 제한을 받지 않는다.
 

유체동력 시스템을 선택했을 때 얻을 수 있는 또 다른 이점은 바로 안전성이다. 유압식 및 공압식 액추에이터는 휘발성이 있는(즉, 사용하기 불안한) 장소를 비롯한 여러 위험 지역에서도 방폭(防爆)장비 없이 사용할 수 있다.
 

유체동력 장비는 그 특성상 어려운 환경에서도 역할을 수행할 수 있다. 유체공기 내의 먼지와 얼룩 그리고 때 역시 큰 영향을 미치지 못한다. 효과적인 여과 기능을 가지고 있기 때문이다. 마찬가지로 젖어있거나 습한 환경에서도 견뎌낼 수 있고, 공격적인 세정 환경 속에서도 제 능력을 발휘할 수 있으며, 심지어 물 속에서도 작동할 수 있는 확실한 방수 능력을 가지고 있다. 고온 및 작동·정지가 잦은 환경에서도 일상적으로 작동한다.

 
실린더 선택하기

유체동력 액추에이터 중 가장 많이 쓰이는 형태는 실린더이다. 실린더는 다양한 OEM 장비에 적용해 밀고 당기고 옮기고 회전시키고 고정시키는 등 다양한 힘과 움직임을 생성할 수 있다. 실린더는 간단하고 경제적이며 내구력이 뛰어나고 설치가 간편해 넓은 범위에 걸쳐 사용할 수 있다. 이는 아주 큰 변화를 불러온다. 다양한 속도 변화에도 아랑곳하지 않고 수천 파운드의 힘을 생성하며, 과열 없이 고속 순환을 달성한다. 내부 손상 없이 작업을 수행할 수 있음은 물론이다. 실린더는 문자 그대로 수천 개나 되는 종류·크기·구성을 가능케 한다. 이 다양성이야말로 혁신적인 장비를 만드는 원동력이다.
 

막대 형식의(Rod-Style) 산업용 실린더는 두 가지 역할을 한다. 복동 실린더는 압력을 키우거나 다시 제거하는 스트로크로 전환하는 것. 이 운동은 하중이나 부하를 밀고 당기는 데에 이상적이다. 반면 단일 작동 실린더는 피스톤의 한 쪽으로만 압력을 공급하며, 중력 방향 혹은 탄성을 받는 방향 중 한 쪽으로만 리턴 스트로크를 실현한다.
 

이들 장비는 다양한 설계를 가능케 한다. 수리가 가능하도록 설계된 실린더(Repairable Cylinder)는 분해를 통해 씰은 물론이고 여타 내부 부품들을 교체할 수 있어 더 긴 수명을 보장한다. 내구성이 뛰어난 실린더는 기복이 심하고 혹독한 유압식 및 공압식 응용사례에 많이 쓰인다.
 

Sealed for life 혹은 일회용이라고 불리는 공압식 실린더는 역학적으로 튜브를 제어하는 엔드 캡을 장착하고 있다. 이때 조립 이전에 내부 구성요소에 윤활 작업이 이루어진다. 일회용 실린더는 앞서 설명했던 수리가 가능한 실린더보다 제조비용이 저렴하지만 하우징을 무너뜨리지 않고는 분해할 수 없는 것이 단점이다. 다시 말해 부수지 않고서는 수리가 불가능한 셈.

컴팩트 실린더는 그 이름에서 알 수 있듯 작은 공간에 적합하다. 짧은 스트로크만으로도 작업을 수행할 수 있는 곳에 알맞다. 로드를 움직이는 데에 쓰이는 베어링 표면이 작기 때문에 경량 응용사례에 많이 쓰인다. 또한 단일 작동용으로 주로 사용된다.

 
크기 고려사항

크기에 대해 고려할 때 가장 중요한 사항은 바로 실린더가 얼마나 큰 힘을 생성하는가이다. 경험과 상식에 의거한 일반적인 규칙 중 하나는, 수직 및 고 마찰 응용사례에서는 무언가를 움직이기 위해서는 부하의 두 배만큼 힘을 가해야 한다는 것이다. 경우에 따라 마찰을 보상하기 위해 힘이 추가적으로 더 필요할 수도 있다.
 

설계자는 실질적인 피스톤 단면적에 작동 압력을 곱함으로써 실린더의 힘(Cylinder Force)을 계산할 수 있다. 미는 힘(Push Force)의 유효 면적이 실린더의 안지름이라는 사실을 기억해야 한다. 안지름 면적은 피스톤 로드의 단면적보다 적다. 따라서 미는 힘을 구하는 공식은 다음과 같다.
 

F=π(D2/4)P

이때 F는 힘이며 파운드(lb) 단위로 나타낸다. D는 실린더 안지름으로, 인치(in)로 표시한다. P는 압력으로, psi로 표기한다.

미는 힘의 반대인 인장력을 구하는 공식은 다음과 같다.

 

F=π(D2/4-d2/4)P

이때 d는 피스톤 로드 지름이며 인치(in)로 표시한다.

안지름 크기가 다른 실린더의 상대적인 힘을 추산하고자 할 때에는 추력이 안지름 직경의 제곱만큼 증가한다는 것을 기억해야 한다. 즉, 안지름 직경이 두 배 증가하면 추력은 네 배 증가하게 된다.

속도 역시 생산성과 수명 그리고 제어에 영향을 미치는 고려사항 중 하나이다. 예를 들어 공압식 실린더의 스트로크 속도를 계산하고자 한다면 다음과 같은 식을 사용한다.

 

S=28.8q/A

 

이때 S는 속도를 의미하며 인치/초, 즉 in/sec으로 표기한다. q는 공기의 흐름으로 scfm 단위로 나타낸다. A는 피스톤 단면적이며 제곱인치(in2) 단위로 표기한다.

이밖에 속도에 영향을 미칠 수 있는 요인으로는 포트 크기·제어 밸브를 통해 들어오는 유입량 및 배기량 등이 있다. 실린더 흐름을 제한해 병목 현상을 일으키는 경우에는 호스 및 배관 크기 등을 추가로 살펴볼 수 있다. 주어진 부하를 간신히 견딜 수 있을 만큼의 압력 또한 속도를 저하시키는 원인이다. 경험에 바탕을 둔 조언을 하자면, 초당 20인치 이상의 고속 응용사례에서 실린더는 계산된 요구사항보다 두 배 많은 힘을 공급해야 한다는 것이다.

실린더의 공기 소비량을 계산할 때에는 공기를 충분히 공급할 수 있는 빠른 순환장비가 필요하다. 피스톤의 용적을 대신할 수 있을 뿐 아니라 엔드 커버 구멍·실린더 포트·연결 튜브 및 밸브 등의 용적을 한다. 건드리지 않는 부분은 전체에 비해 적은 부분을 차지하며, 장치에 따라 달라진다. 

긴 실린더의 경우라면 이야기가 달라진다. 압축(추력) 응용사례에서 즐겨 쓰는 약 20인치 이상의 스트로크를 달성하는 실린더의 경우, 로드가 실린더 기둥과 같은 역할을 한다. 로드는 휨이나 구부러짐을 방지하기 위해 충분한 강도(힘)가 필요하다. 이 경우 일반적인 로드는 사용하기에 너무 작을 수 있다. 부적절한 장착방식 또한 문제를 악화시킨다. 스트로크가 긴 실린더를 필요로 할 때 실린더 공급업체가 각종 기술을 지원하고 로드 기둥의 강도를 결정을 도우며 설계의 수정 및 개선을 제안하기도 한다.

앞서 살펴보았듯 실린더 크기를 조절할 때에는 단순해 보이는 장치라 할지라도 여러 사항을 고려해야 한다. 때문에 실린더는 유체동력 시스템 전체를 통틀어 가장 사양이 초과되기 쉬운 부분이 되기 십상이다. 특대 실린더는 여분의 힘이 크므로 과적·과 묶음·정렬 불량 등을 어느 정도 무시할 수 있다. 하지만 필요 이상으로 거대한 실린더는 크기와 무게가 증가하므로 비용·공기 소비량·에너지 소비량 역시 높아진다. 구동 시간을 느리게 만드는 것 역시 간과할 수 없다.

주요 제조업체들은 이런 현상을 방지하기 위해 온라인 구성도구 및 에너지 절약 계산기를 제공함으로써 설계자가 응용사례에 적합한 구성요소 크기를 정할 수 있도록 돕는다. 대표적인 예로는 Bimba의 홈페이지(www.bimba.com)에서 제공하는 도구가 있다. 온라인 크기 조절 소프트웨어는 선택 과정을 간소화하고 정확도를 보장하며 동시에 기술자가 작업에 가장 적합한 실린더를 찾고 이를 응용사례에 대입해볼 수 있도록 만든다.

 

유체동력 실린더는 견고하게 만들어진다. 이상적이지 않은 상태에서도 빠른 순환과 긴 수명을 달성한다. 하지만 실린더가 영구적으로 쓸 수 있는 장비라는 뜻은 아니다. 제품 문제를 사전에 방지해 제품 수명을 늘릴 수 있는 몇 가지 팁을 설명한다.

첫 번째는 설치다. 많은 실린더가 다른 고장보다 부적절한 설치로 인해 부서지는 사례가 더 많음을 시사한다. 부적절한 설치는 과도한 측면 부하를 만들고, 이는 씰의 마모나 로드의 휨 혹은 구부러짐을 촉진시킨다. 설계 시 실린더 추력을 피스톤 로드의 중심선과 최대한 가깝게 유지해야 한다. 다시 말하자면 정렬 불량이나 중심선에서 벗어나는 현상을 막아야 한다. 고정 설치 혹은 중심선으로 힘을 받아들이는 중심 설치는 직선으로 힘을 전달하는 데에 적합하다. 추력 혹은 장력이 실린더 및 베어링에 고루 분포되어있으므로 측면 부하를 최소화한다.
 

측방 장착형(Side-Mounted) 실린더는 중심선으로 힘을 받아들이거나 흡수하지 못한다. 실린더는 부하에 대한 회전 모멘트를 만든다. 실린더가 설치용 볼트에 맞추어 회전한다. 실린더가 장비에 확실하게 고정되어있지 않은 경우에는 부하를 유도하지 못한다. 이렇게 되면 로드의 눌림쇠(Rod Gland) 및 피스톤 베어링에 측면 부하가 발생한다. 이런 문제를 방지하기 위해서는 측방 장착형 실린더가 적어도 안지름 길이만큼 긴 스트로크 길이를 가지며, 동시에 기계 프레임 부재들을 구부러짐에 저항을 가질 만큼 충분히 강하게 만들어야 한다.
 

때로는 제대로 장착한 실린더라 하더라도 측면 부하에 직면하게 된다. 상쇄 하중(Offset Load)을 피할 수 없는 경우 가이디드 실린더가 가이드 로드와 가이드 블록을 피스톤 로드에 병행해 장착하거나 이중 피스톤 로드를 구비해야 한다. 이들은 정확하고 정밀하게 제어할 수 있는 직선 운동을 제공한다. 특히 높은 측면 부하에 부딪혔을 때 로드 및 피스톤 휨 현상과 씰 마모가 고르지 못하게 일어나는 현상을 줄여준다.

두 번째는 여과(Filtration)다. 유체동력을 사용하는 큰 이유 중 하나가 신뢰성이다. 적절한 여과는 신뢰성과 수명을 최대화할 수 있는 열쇠다. 압축기를 통해 공기를 여과하면 물을 얻을 수 있다. 또한 기름을 여과하면 기름과 함께 내부 파이프라인 안에 있던 마모로 인한 고체 불순물이나 녹 등이 빠져나온다. 오염 물질은 장비 전체에 걸쳐 문제를 일으키므로 적합한 필터를 사용해 제거해야 한다.
 

유압유(Hydraulic Fluid) 역시 시간이 흐름에 따라 물·먼지·흙·장치 안에서 발생한 마멸입자 등이 섞여 들어올 수 있다. 따라서 적합한 유압 필터를 설치하고 이를 적절하게 유지 및 보수하는 것이 필수다. 이밖에도 고온과 높은 압력 그리고 열악한 작동환경 등이 유체 자체의 성능을 저하시키는 원인이다. 이를 방지하기 위해 유체를 시험하는 것도 좋은 방법이다.

세 번째는 씰이다. 실린더는 광범위한 온도·압력·유체·환경에 노출되어있다. 이 모든 것이 씰의 성능과 수명에 영향을 미친다. 오늘날 존재하는 다양한 씰 설계 및 씰 자재를 통해 현존하는 응용사례의 요구사항을 충족할 수 있다. 일반적 씰의 범위는 저압용 응용사례에 적합하며 저렴한 O링부터 저 마찰이 특징인 U컵 그리고 여타 다른 압력에 동력을 공급하는 씰까지 다양하다.
 

씰에 쓰이는 자재로는 일반적으로 부나 N 고무가 있다. 부나 N 고무는 현재 여러 공압식 및 유압식 실린더에 쓰이고 있다. 최대 약 93℃의 기체·광유·물과 글리콜 혼합물에 적합하다. 유체 합성이나 고열이 일어나는 환경이라면 바이턴 씰이 더 알맞다. 바이턴은 약 204~232℃정도 되는 온도에서도 사용할 수 있다. 공기 및 대부분의 유압유와 함께 작동한다. 이밖에 네오프렌이나 테플론 등의 재질도 사용되고 있는 추세다.

네 번째는 윤활(Lubrication)이다. 유압식 실린더는 그 특성상 자체 윤활을 실현한다. 하지만 공압식 실린더는 대부분 윤활유를 조합해야 한다. 씰은 물론 배럴의 안쪽을 따라 윤활유 코팅을 한다. 이는 부적절한 공기로도 작업을 해야 하기 때문이다. 압축공기가 깨끗하고 건조한 경우 그리스는 공기 배관 윤활장치(Airline Lubricator)를 통해 추가로 기름을 공급하지 않고도 긴 씰 수명을 보장한다. 하지만 오염된 공기는 씰 안에 들어있던 윤활제를 손상시키고 씰 수명을 단축시킨다. 윤활 공기(Lubricated Air)는 실린더 수명을 늘려주는 역할을 한다. 하지만 원래 들어있던 윤활제를 씻어버린다는 단점도 존재한다. 따라서 일단 한 번 윤활 공기를 사용하기 시작했다면 계속해서 사용해야 함은 물론, 윤활 상태를 정기적으로 점검하고 유지 보수해야 한다.
 

다섯 번째는 쿠션이다. 고속으로 운동하는 실린더는 어느 정도 감속할 수 있는 방법이 필요하다. 스트로크 끝 지점에 도달했을 때 슬래밍(급격한 진동과 파동에 의한 충격을 일컫는다. 편집자 주) 현상이 일어나는 것을 방지하기 위함이다. 그렇게 하지 않으면 충격 하중이 빠른 속도로 실린더 혹은 장비 전체를 망가뜨릴 수 있다. 대부분은 이를 방지하고자 실린더 내부에 표준 쿠션을 장착한다. 쿠션을 통해 공기 압축을 활용하거나 실린더를 통해 배출하는 공기의 흐름을 조절함으로써 실린더가 무리 없이 작동하도록 만드는 것. 실린더가 높은 힘에 맞닥뜨리거나 부하 및 속도를 변경하는 경우에는 외부 완충기를 선택할 수 있다.

마지막 요소는 로드 커버다. 로드는 대부분 외부에 노출되어있다. 따라서 마모 및 부식으로부터 보호하는 것이 중요하다. 로드 표면은 물론이고 로드 씰까지 손상을 입을 위험이 있기 때문이다. 특히 지저분하고 오염된 환경에 놓인 로드에 로드 부츠나 벨로즈(압력계 등의 1차 변환소자로서 사용되는 주름통 모양의 탄성소자. 출처 센서용어사전) 등의 커버를 씌움으로써 로드를 보호한다.

 
주문 설계

현재 주요 유체동력 분야 제조업체들은 저마다 수천 가지나 되는 실린더를 제공하고 있다. 하지만 일부 업체는 ‘갖고 가든지 말든지’ 식의 태도를 취한다. 결과적으로 한 제조업체가 추천한 실린더가 응용사례에 부적합한 경우 사용자가 제품에 맞추어 전체 성능을 저하시키거나 전 시스템을 재설계해야 하는 상황에 빠진다.
 

하지만 모든 제조업체들이 그런 것은 아니다. 몇몇 업체들은 기본 제품을 고객이 원하는 사항에 알맞게 변경할 수 있다. 자사가 가지고 있는 공학적 기술 및 제조기술을 활용해 고객이 사용하는 응용사례에 가장 적합한 제품을 찾아낸다. 또한 기존 제품에 큰 추가비용을 들이지 않고도 빠른 납품을 실현하기 위해 시제품 생산을 최소화한다.
 

사용자들은 비용 상승과 사용자 편의성 및 사용자 최적화를 동일시한다. 뿐만 아니라 더 나은 성능·안정성·작동 시간 등을 모두 달성하면서도 전반적인 장비 구축 및 운용비용을 낮출 수도 있다. 일반적인 카탈로그에 나오는 제품들이 필요한 성능을 만족하지 못하는 경우나 좀 더 복잡한 제어가 필요한 경우 혹은 가지고 있는 장비나 장치가 독특한 구성을 필요로 하는 경우 맞춤형 생산을 고려할 수 있다. 때로는 표준형 제품과 특별 설계된 제품을 배치 및 재구성해 새로운 구성을 만들 수 있으며, 또는 완전히 새로운 장치 및 시스템을 발명하는 계기가 될 수도 있다.
 

실린더를 응용사례에 알맞게 조절할 수도 있다. 이때 고려할 수 있는 사항이 몇 가지 있다.

1. 포트 크기와 위치. 사용자 정의 설계를 하고자 할 때 포트 크기와 위치를 변경할 수 있다.

2. 크기. NFPA(전미 방화 협회)와 ISO(국제표준화기구)는 실린더 크기에 대한 표준을 정립한 바 있다. 하지만 고유한 크기를 가지고 있는 경우도 많이 있다.

3. 설치 및 배열. 다른 모델보다 단단하거나 휘지 않거나 관절 형식 설치를 통해 실린더를 기계에 안전하게 부착할 수 있음은 물론 응용사례에 필요한 특정 동작을 수행할 수 있다.

4. 자재. 작동환경에 따라 자재 선택을 달리 해야 한다. 각 자재가 가지고 있는 재질이 상이하기 때문이다. 일반적으로 철·알루미늄·스테인리스강·황동·플라스틱 등이 실린더를 만드는 주요 자재로 쓰인다. 여기에 보호 코팅이나 도금 혹은 채색이나 양극산화마감 등의 작업을 추가할 수 있다.

5. 씰 재질. 실린더 제조업체들은 피스톤 및 로드를 밀봉하기 위해 여러 방법을 사용하고 있다. 설계자들은 제조업체에게 특별한 씰 재질을 요구할 수 있다. 이렇게 만들어진 씰은 극단적으로 높거나 낮은 온도에서 작동하거나, 부식성 화학물질 혹은 방사선 등에 노출되어있을 때에도 원활한 작동을 보장한다.

6. 콤보 구성 장비. OEM 업체가 실린더·밸브·필터·레귤레이터(조절 장치)·배선·기타 구성 요소 등을 한데 묶어 공장에서 제작 및 실험을 마친 뒤 한데 묶어 제공하기도 한다. 실험을 마친 장비는 적절한 크기 및 조립 상태를 보장하며 설치가 간편하고 빠르다.
 

주문 설계를 고려하고 있다면 우선 설계 과정에서 가깝고 친밀하게 작업할 수 있는 제조업체를 찾는 것이 중요하다. 좋은 제조업체는 ▲신선한 아이디어를 제시하고, 필요한 경우 대안을 제시하기도 하며 ▲솔루션에 대한 품질을 우선시하고 동시에 빠른 납기를 실현하며 ▲결과물이 나올 때까지 지속적인 관심을 갖는 업체다.

적절한 제조업체는 업계 전반적인 품질관리기준을 고수한다. ISO 9001 인증을 비롯해 세계적으로 품질을 보증할 수 있는 균일한 체계를 추구한다.