선형 액추에이터에 있어서는 속도, 정밀도 및 크기 면에서 공압식 장치보다 전기기계식 장치가 선호되는 추세입니다.

최근 몇 년 동안 공장 및 기업 관리자들은 공장 자동화 장비에 공압 액추에이터보다 전기식 로드형 액추에이터를 더 많이 사용해야 한다는 요구를 점점 더 강하게 제기해 왔습니다. 이러한 전환을 이끄는 요인은 여러 가지가 있지만, 가장 중요한 것은 다음과 같은 필요성이 증가하고 있다는 점입니다.

• 정밀도가 더 높은 전기기계식 액추에이터를 사용하여 기계 성능을 향상시키십시오.
• 전기기계식 액추에이터를 사용하면 공압 액추에이터와 동일한 추력을 내면서도 필요한 공간은 약 4분의 1에 불과하므로 장비 크기를 줄일 수 있습니다.
• 전기기계식 액추에이터는 압력을 유지하기 위해 24시간 내내 가동해야 하는 공기 압축기가 필요하지 않으므로 에너지를 더욱 효율적으로 사용할 수 있습니다.
• 전기기계식 액추에이터는 부품 수가 적고, 압축기가 필요 없으며, 공기 누출이 발생하지 않으므로 유지 보수 비용과 총 소유 비용을 절감할 수 있습니다.

공압 액추에이터를 전기기계식 액추에이터로 교체하기로 결정했다면, 다음 단계는 다양한 브랜드 중에서 적합한 전기기계식 액추에이터를 선택하는 것입니다. 기본적인 추력 사양은 비슷할 수 있지만, 수명 주기 성능, 유지보수성 및 환경 저항성 측면에서는 상당한 차이가 존재합니다.

일반적으로 볼 스크류의 직경이 클수록 추력 잠재력이 커집니다. 그러나 이를 위해서는 스러스트 베어링과 연장 튜브, 내부 볼 너트, 베어링 하우징, 와이퍼 하우징을 포함한 모든 고정 지점이 제대로 결합되어야 합니다. 그렇지 않으면 추력 증가는 시스템 수명 단축으로 이어질 수 있습니다. 하중을 견디지 못할 정도로 약한 부품은 훨씬 빨리 마모되거나 손상될 수 있습니다.

각각 16mm 볼 스크류가 장착되어 750N의 추력을 제공하는 액추에이터 두 개가 있다고 가정해 보겠습니다. 예를 들어 하나는 2,000km의 주행 수명을 갖고, 다른 하나는 8,000km의 주행 수명을 가질 수 있습니다. 이러한 차이는 볼 스크류와 다른 구성 요소들이 서로 얼마나 잘 결합되었는지에 달려 있습니다.

또한, 볼스크류의 직경이 클수록 비용과 설치 공간이 증가하기 때문에, 볼스크류와 다른 구성 요소들을 적절히 결합하면 이러한 두 가지 요소를 모두 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 3,200N의 힘이 필요한 응용 분야에서 어떤 업체는 직경 20mm의 볼스크류를 사용할 수 있지만, 다른 업체는 구성 요소들을 적절히 결합함으로써 직경 12mm의 볼스크류로 동일한 추력을 얻을 수 있습니다. 따라서 후자의 경우 성능 저하 없이 볼스크류의 크기를 줄일 수 있습니다.

볼 스크류를 다른 부품과 제대로 결합하는 것은 액추에이터의 수명에 상당한 영향을 미치며, 캐리어 설계와 결합될 때 이 두 가지 요소는 정밀도와 하중 용량에 가장 큰 영향을 미칩니다. 액추에이터 설계의 또 다른 목표는 반경 방향 및 측면 유격을 줄이는 것입니다. 이에 영향을 미치는 요소로는 캐리어 본체의 직경, 접촉면적, 그리고 지지대 사용 여부가 있습니다. 예를 들어, 캐리어 본체가 클수록 측면 하중 상황에서 접촉면적을 최대화하여 더 큰 외부 반경 방향 하중을 지지할 수 있습니다. 전기 액추에이터는 측면 하중을 견딜 수 있기 때문에 공압식이나 유압식 액추에이터로는 달성할 수 없는 수준의 성능, 정밀도 및 소형화를 이룰 수 있습니다.

표면적을 최대화하면 방사형 및 측면 하중 지지력이 향상되지만, 안정성 향상에는 반드시 도움이 되는 것은 아닙니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일반적으로 홈이 파인 채널(위 이미지의 세 개)에 지지대를 고정하는 방식을 사용합니다. 이 지지대는 진동을 줄여 소음 발생 및 마모를 방지합니다. 대부분의 설계에서는 한두 개의 홈을 사용하여 유격을 어느 정도 줄이지만, 시간이 지남에 따라 마모되면서 딸깍거리는 소음이 발생할 수 있습니다. 하지만 지지대를 두 개 대신 네 개 사용하면 마모와 소음을 줄여 더욱 효과적이고 내구성이 뛰어난 회전 방지 기능을 제공합니다. 또한, 추가된 지지대는 걸림 없는 복귀 동작을 보장하여 마모로 인한 유격을 더욱 줄여줍니다.

또한, 이 캐리어 다리를 바깥쪽으로 구부리면 방사형 예압이 발생하여 스러스트 튜브의 유격이 줄어듭니다. 또한 캐리어 본체와 볼 너트를 중앙에 위치시켜 압출재에 캐리어를 고정하기 위한 심을 사용할 필요가 없어지고 장치 수명 동안 발생하는 마모를 보정할 수 있습니다. 모든 부품이 정렬된 상태를 유지하면 액추에이터의 일관된 공회전 토크를 유지하기 위해 필요한 교정 횟수가 줄어듭니다.

정밀한 공차는 마모를 줄이고 소음을 감소시키는 데 매우 중요합니다. 하지만 공극이 전혀 없으면 액추에이터가 고속으로 작동할 때 압력이 축적됩니다. 이는 과열을 유발하여 윤활 문제 및 기타 내구성 문제를 야기합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 캐리어 다리의 수형 키 부품 중 두 개를 나머지 두 개보다 낮게 설계합니다. 톰슨은 자사 액추에이터의 상당수에 이 방식을 적용하고 있습니다. 이렇게 하면 압력 축적을 방지할 수 있는 충분한 간격이 확보됩니다. 위 이미지에서 볼 수 있듯이, 캐리어 다리에 직교하는 두 개의 수형 키 부품이 나머지 두 개보다 낮게 설계되었습니다.

유지보수성

유지보수의 용이성은 수명 주기 성능에 영향을 미치고 생산성 향상에 기여합니다. 전기 기계식 액추에이터는 윤활 방식과 모터 취급 방식이 다양합니다. 대부분의 액추에이터는 윤활을 위해 부품이 60~70% 정도 노출되도록 후퇴합니다. 기술자는 캡을 제거하고 윤활이 필요한 부품을 찾아 그리스를 주입하며, 필요에 따라 이 과정을 반복해야 합니다.

하지만 더 나은 방법은 튜브를 완전히 늘리거나 줄여 모든 구성 요소를 최대한 드러내는 것입니다. 이렇게 하면 자동 윤활 시스템을 사용할 수 있습니다. 또한 윤활 니플을 사용하면 캡을 제거할 필요가 없어 유지 보수가 더욱 간편해집니다.

모터와 기계식 액추에이터를 결합하는 데 필요한 시간을 없애면 유지보수 속도도 향상될 수 있습니다. 기존에는 모터를 병렬 구성으로 장착하는 데 20~25분이 소요되었습니다. 모터가 장착되면 기술자는 다양한 도구를 사용하여 벨트 장력과 정렬을 조정해야 하는데, 이 과정에 최소 12단계가 필요합니다.

하지만 액추에이터에 병렬 솔루션이 사전 조립되어 제공되는 경우, 조립 과정에서 벨트 장력을 미리 조절할 수 있어 여러 단계의 장력 조정이 필요 없어집니다. 모터는 단 세 단계만으로 고정하여 바로 사용할 수 있습니다. 인라인 장착의 경우에도 사전 조립 솔루션의 이점은 비슷하지만, 그 효과는 다소 떨어집니다.

또한, 스트래들 마운트 베어링을 사용하면 정렬 불량 위험을 제거할 수 있습니다. 뿐만 아니라 모터 샤프트를 방사형 하중으로부터 보호하여 소음을 줄이고 액추에이터의 수명을 더욱 연장합니다.

환경 저항성

전기기계식 액추에이터는 가혹한 환경 조건과 잦은 고압 세척에 견딜 수 있는 능력에서 차이를 보입니다. 이는 외형, 재질 선택 및 밀봉 방식에 따라 달라집니다.

표면이 매끄러운 프로파일은 홈이 파인 표면보다 먼지와 액체가 잘 쌓이지 않아 더 깨끗합니다. 따라서 잦은 세척이 필요한 열악한 환경에 더 적합합니다. 하지만 매끄러운 외관에는 단점도 있을 수 있습니다. 센서 부착이 필요한 용도에서는 센서를 고정하기 위해 추가적인 플라스틱 부품이 필요할 수 있습니다.

환경 저항성은 연장 튜브의 재질 구성에도 달려 있습니다. 대부분의 시스템은 크롬강을 사용하지만, 가혹한 환경에서는 스테인리스강이 훨씬 더 나은 선택입니다.

환경 저항성을 나타내는 주요 지표 중 하나는 IP(Ingress Protection) 등급입니다. 예를 들어 IP 등급 65는 장치가 방진 기능을 갖추고 있으며, 식품 및 음료 산업의 세척 작업에서 볼 수 있는 것처럼 모든 방향에서 분사되는 저압수로부터 보호된다는 것을 의미합니다. 이러한 등급을 충족하는 전동 액추에이터는 소수에 불과하지만, 부식성 환경에서는 매우 중요합니다. IP 등급 54는 물 튀김으로부터 어느 정도 보호 기능을 제공하고 먼지에 대해서는 100% 미만의 보호 기능을 제공하므로 일부 세척 작업에는 적합하지만 고압이 가해지는 환경에서는 사용할 수 없습니다. 선형 액추에이터에서 흔히 볼 수 있는 IP 등급 40은 먼지나 액체로부터 전혀 보호되지 않음을 의미합니다.

IP 등급이 높아지는 주된 이유는 밀봉 성능이 향상되었기 때문입니다. 예를 들어, 톰슨은 자사의 전기 기계식 액추에이터에서 모터 마운트를 포함한 모든 구획을 밀봉합니다. 모든 개스킷 또한 밀봉되어야 하며, 장착판에서 멈추지 않고 모터까지 완전히 연장되어야 합니다.

차세대 모션 컨트롤

생산성 향상, 전환 시간 단축, 신뢰성 증대, 에너지 절감, 유지보수 및 운영 비용 절감에 대한 시장 수요가 증가함에 따라 점점 더 많은 설계자와 최종 사용자가 공압 액추에이터에서 전기 기계식 액추에이터로 전환하고 있습니다. 정교한 모션 제어가 필요한 기계의 경우 전기 기계식 액추에이터가 사실상 유일한 대안입니다. 하지만 단순한 선형 모션 작업에서도 모션 제어 설계자와 사용자는 유지보수의 용이성 및 감소, 에너지 절감, 친환경적인 작동 등의 이점 때문에 전기 구동 방식을 선호합니다.

다양한 브랜드의 전동 액추에이터를 신중하게 비교하면 더욱 큰 이점을 얻을 수 있습니다. "하중 지지 능력"은 항상 시스템 수명 및 공간 요구 사항을 고려하여 해석해야 합니다. 이러한 요소에는 실제적인 절충점이 존재합니다. 캐리어 설계는 정밀도뿐만 아니라 측면 및 회전 하중 지지 능력에도 영향을 미치므로, 캐리어가 채널에 어떻게 고정되는지, 그리고 가이드 메커니즘의 모양과 크기에 특히 주의를 기울여야 합니다.

지지대 및 다리 디자인과 같은 개선된 메커니즘과 부품은 더 나은 그립력을 위해 곡선형으로 제작될 수 있으며, 이를 통해 정확도와 내구성이 향상됩니다. 또한 적절한 외부 형상, 재질 선택 및 밀봉 방식은 환경 저항성에 있어 핵심적인 요소입니다. 매끄러운 형상, 스테인리스강 재질, 그리고 높은 IP 등급은 최고의 보호 기능을 제공하는 경향이 있습니다.