과거 기계 자동화 시스템의 과제는 전기 또는 기계식 모터의 회전 운동을 유용한 직선 운동으로 성공적으로 변환하는 것이었습니다. 이러한 점에서 획기적인 발전은 컨베이어 벨트 시스템에서 나타났는데, 이는 생산 환경에서 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 최초의 실용적인 구현 사례 중 하나입니다. 이러한 시스템은 기존의 기계적 힘으로는 불가능했던 훨씬 효율적인 방식으로 다양한 원자재와 가공품을 운반할 수 있으며, 생산 현장에서 매우 유용하게 활용되고 있습니다.

오늘날 회전 운동 변환 분야의 상당한 엔지니어링 연구를 통해 다양한 종류의 선형 기계식 액추에이터가 개발되었으며, 이는 광범위한 첨단 자동화 응용 분야에 유용하게 사용되고 있습니다. 당면 과제는 원하는 기능에 적합한 액추에이터를 선택하는 것입니다. 이는 단순히 제조 환경에서 원자재를 이동시키는 것부터 공구를 정밀한 위치로 이동시키는 더욱 정교한 모션 시스템 구축에 이르기까지 다양합니다.

적절한 선형 기계식 액추에이터를 선택하기 위해서는 원하는 하중 용량(추력)과 필요한 스트로크 거리와 같은 몇 가지 중요한 사항을 고려해야 합니다. 이러한 사항들이 주요 고려 사항이지만, 유지보수 부담과 같은 다른 요소들도 중요한 역할을 합니다.

널리 사용되는 기계식 선형 액추에이터는 구동 방식에 따라 벨트 구동식과 볼 스크류 구동식 두 가지 유형으로 구분됩니다. 두 유형 모두 유사한 응용 분야에 사용되지만 기능 면에서 상당한 차이가 있습니다. 각 유형은 고유한 장점과 중요한 한계를 가지고 있으므로 액추에이터를 선택할 때 이러한 점을 신중하게 고려해야 합니다.

벨트 구동식 액추에이터

벨트 구동식 액추에이터는 컨베이어 벨트 시스템과 동일한 원리로 작동합니다. 벨트 구동 장치는 두 개의 원형 풀리 사이에 연결된 타이밍 벨트를 통해 회전 운동을 직선 운동으로 변환합니다. 타이밍 벨트는 일반적으로 섬유 강화 엘라스토머로 만들어지지만, 더욱 까다로운 용도에는 다양한 다른 재질의 벨트를 사용할 수 있습니다. 벨트에는 회전 풀리와 맞물리는 톱니가 있어 토크를 효율적으로 전달하고 미끄러짐을 방지합니다. 벨트 구동 장치는 알루미늄 본체 내부에 있으며, 캐리지는 그 위에 장착됩니다. 구동축 연결부는 일반적으로 액추에이터 측면에 수직으로 위치합니다.

볼 스크류 구동 액추에이터

볼 스크류 구동 액추에이터의 기본 원리는 본질적으로 리드 스크류 구동 시스템을 개선한 것입니다. 볼 스크류 구동 액추에이터에서 볼 스크류의 회전은 볼 너트/장착된 캐리지를 구동하는데, 이는 스터드와 볼 스크류 사이의 접촉면이 본질적으로 볼 베어링 시스템과 같기 때문입니다. 즉, 너트 내부의 경화강 볼이 스터드의 궤도를 따라 회전합니다. 벨트 구동 액추에이터와 유사하게, 볼 스크류 구동 액추에이터의 구동 부품은 알루미늄 본체 내부에 있으며 캐리지는 그 위에서 움직입니다. 벨트 구동 액추에이터와 달리, 구동축 접촉면은 액추에이터 끝단의 볼 스크류와 일직선상에 위치합니다.

각각의 장점과 한계

벨트 구동식 액추에이터는 일반적으로 긴 이동 거리가 요구되는 용도에 적합하며, 이는 유사한 길이의 볼 스크류 구동식 액추에이터보다 비용 효율적으로 구현할 수 있기 때문입니다. 또한, 벨트 구동식 액추에이터는 일반적으로 효율이 높고, 주요 구동 부품 수가 적어 유지보수 작업이 간편합니다. 그러나 토크 전달을 원활하게 하기 위해서는 벨트의 적절한 장력이 매우 중요하며, 주기적인 유지보수 시 벨트 장력을 재조정해야 합니다.

반면에 볼 스크류 장치는 구름 볼 베어링 시스템과 매우 유사하여 더 높은 하중을 견디고 더 큰 추력을 발생시킬 수 있습니다. 이러한 이유로 볼 스크류 구동 액추에이터는 크고 무거운 하중을 높은 정밀도로 위치시켜야 하는 응용 분야에 이상적입니다. 특정 액추에이터 설계에 따라 볼 스크류에 주기적인 윤활이 필요할 수 있습니다.

두 가지 액추에이터 유형을 더 자세히 비교해 보면, 벨트 구동식 액추에이터는 단순성과 효율성에도 불구하고 몇 가지 추가적인 단점이 있음을 알 수 있습니다. 높은 하중/추력을 요구할 경우 훨씬 두꺼운 벨트가 필요합니다. 또한 벨트는 충격 하중에 취약하지만, 탄성을 희생하는 대신 강도를 높이는 재질을 신중하게 선택함으로써 이러한 문제를 어느 정도 완화할 수 있습니다. 더불어 벨트의 늘어짐에 대한 취약성 때문에 볼 스크류 액추에이터의 위치 정밀도가 벨트 구동식 액추에이터보다 우수한 경향이 있습니다. 이러한 이유로 볼 스크류 액추에이터는 장기간에 걸쳐 높은 신뢰성과 반복성이 요구되는 응용 분야에 선호됩니다. 특히 높은 가속도와 높은 추력이 요구되는 경우, 벨트 구동 풀리는 이러한 반복적인 부하 조건에서 로터에 대한 미끄러짐 현상이 발생하기 쉬우므로 볼 스크류 액추에이터가 더 적합한 선택입니다.

결론적으로, 높은 하중 및/또는 추력과 함께 매우 정밀한 위치 제어가 요구되는 응용 분야에서는 볼 스크류 구동 액추에이터가 더 나은 선택입니다. 그러나 벨트 구동 액추에이터는 높은 효율성과 단순성 덕분에 낮은 하중, 특히 고속 구동이 필요한 응용 분야에서 여전히 더 나은 선택입니다. 또한 벨트 구동 액추에이터는 긴 스트로크가 필요한 응용 분야에서 비용 효율적인 솔루션이 될 수 있습니다. 벨트 구동식과 볼 스크류 구동식 기계식 액추에이터 중에서 선택하는 것은 어려워 보일 수 있지만, 각 설계의 장단점을 살펴보면 각 응용 분야에 맞는 최적의 선택을 명확하게 알 수 있습니다.