유압 실린더는 높은 힘을 저렴한 비용으로 제공하는 것으로 알려져 있으며, 수십 년 동안 공장 자동화 장비 및 기타 특수 자동화 장비에 널리 사용되어 왔습니다. 유압 시스템은 견고하고 설치가 비교적 간단하며 단위 힘당 비용이 저렴합니다. 최근에는 전동식 로드 액추에이터(서보 실린더)가 더욱 유연하고 정밀하며 신뢰성이 향상되었고, 힘 용량 또한 점점 더 커졌습니다. 이러한 발전으로 인해 유압 실린더와 전동식 액추에이터 중 어느 기술이 최적의 종합 솔루션을 제공하는지에 대한 논쟁이 끊이지 않고 있습니다.

1. 전동식 로드 액추에이터 vs. 유압식 실린더:시스템 구성 요소

유압 실린더 시스템에 필요한 부품 수와 전체 공간은 전기 시스템보다 훨씬 더 큽니다. 유압 시스템에는 다음이 필요합니다.

• 원통

• 유압을 공급하는 동력 장치

• 제어 밸브 및 보조 밸브

• 필터

• 호스

• 부속품

• 추가 구성 요소

유압 실린더는 작동 지점(동력 밀도가 요구되는 곳)에서 컴팩트한 설치 공간을 제공하지만, 이러한 액추에이터 및 기타 구성 요소에 유량과 압력을 공급하는 유압 동력 장치(HPU)는 상당한 바닥 공간을 차지할 수 있습니다. HPU는 크기가 작지 않고 일반적으로 실린더 근처에 배치되어 시스템의 설치 공간을 더욱 늘립니다. 원격으로 장착된 HPU를 사용하는 매우 큰 시스템의 경우, 긴 호스로 인해 유압 시스템의 전체적인 강성과 효율성이 저하될 수 있습니다.

전동식 로드 액추에이터는 전체적인 설치 공간을 줄여줍니다. 이러한 시스템은 기계식 액추에이터, 모터(서보 모터 또는 기타), 선택 사양인 기어박스, 케이블, 그리고 일반적으로 제어 캐비닛에 장착되는 구동/증폭기를 사용합니다.

전동 액추에이터는 동력 스크류와 베어링 시스템을 통합한 설계로 인해 유압 실린더보다 길이가 더 길지만, 전체 시스템 설치 공간을 고려할 때 서보 드라이브(HPU와 기능적으로 동일)의 훨씬 작은 설치 공간으로 인해 이러한 추가 길이는 충분히 상쇄됩니다. 일반적으로 자동화 장비는 제어 캐비닛을 사용하며, 추가 드라이브를 설치할 수 있도록 설계할 수 있습니다. 서보 드라이브의 크기는 일반적으로 HPU의 크기에 비해 훨씬 작습니다.

새로운 시스템 설계에서 작업 지점의 추가 공간을 전기 액추에이터의 작동 스트로크와 전체 길이를 수용할 수 있도록 확보하면 대형 동력 장치가 필요 없어지므로 기계의 전체 설치 공간을 크게 줄일 수 있습니다.

2. 전동식 로드 액추에이터와 유압 실린더 비교:모션 제어 기능

엔지니어들이 유압 실린더 시스템보다 전기 액추에이터 시스템을 선택하는 주된 이유는 뛰어난 모션 제어 능력 때문입니다. 즉, 위치 제어(다중 위치 제어, 높은 정밀도), 속도 제어, 가속/감속 제어, 출력력 제어, 그리고 이러한 모든 모션 변수를 실시간으로 복합적으로 제어할 수 있습니다. 서보 드라이브 및 모터 시스템과 결합된 전기 액추에이터는 위치에 대한 무한한 제어력을 제공합니다. 위치의 정밀도와 반복성은 유압 시스템의 한계를 훨씬 뛰어넘습니다.

표준 유압 시스템은 최종 위치 제어에는 적합하지만, 중간 스트로크 위치 제어는 제어 밸브와 작업자 개입이 필요한 복잡한 작업입니다. 중간 스트로크 위치 제어는 개방 루프 방식으로 작동하며, 작업자가 허용 가능한 위치를 직접 결정해야 합니다. 또한, 속도 제어는 제어 밸브를 통해 이루어지며, 작업자가 용도에 맞는 적정 속도를 설정해야 하지만 정확한 속도 설정을 달성하는 것은 쉽지 않습니다. 속도 설정이 완료되면 유압 실린더에서 필요한 압력 출력은 압력 밸브를 통해 조절됩니다. 마지막으로, 유압 실린더의 위치, 속도 및 힘의 반복성은 씰 마모, 누출, 펌프의 압력 강하 및 급증, 기타 유지보수 요인의 영향을 받습니다. 오일 품질과 점도가 온도 변화로 인해 변동하는 생산 환경에서는 일별, 월별, 연별로 일관된 성능을 유지하기 어렵습니다. 원하는 성능 수준을 얻으려면 작업자의 지속적인 개입이 필수적입니다.

"서보 유압"이라고 불리는 더욱 발전된 유압 시스템은 위치, 속도 및 힘을 정밀하게 제어할 수 있지만, 서보 컨트롤러, 전기 유압식 서보 밸브, 선형 변환기와 같은 위치 피드백 장치와 같은 추가 구성 요소가 필요하므로 시스템의 복잡성, 공간 및 비용이 크게 증가합니다. 이러한 구성 요소는 서보 드라이브가 서보 모터에 전류를 제어하는 ​​방식과 유사하게 유압 실린더로 유입되는 압력과 유량을 제어합니다. 유압 시스템에는 여러 축을 동시에 제어할 수 있는 더욱 정교한 컨트롤러도 있습니다. 그러나 이러한 컨트롤러는 유압 시스템 구현에서 드물며, 전체 시스템의 복잡성과 비용을 극도로 증가시킵니다. 또한, 이러한 컨트롤러는 매우 민감하여 원하는 성능을 유지하기 위해 정기적인 유지 관리가 필요합니다.

서보 제어 시스템과 결합된 전기 액추에이터는 무한한 제어 범위와 탁월한 정확성 및 반복성을 제공합니다. 다축 서보 컨트롤러는 오늘날 대부분의 최신 제어 시스템에서 기성품으로 쉽게 구할 수 있습니다. 컨트롤러와 전기 액추에이터는 유압식 방식보다 복잡한 구성에서 더 쉽고 비용 효율적으로 연동할 수 있습니다. 하나 또는 여러 개의 전기 액추에이터 속도는 항상 정밀하고 정확하게 제어되며, 정지하거나 위치를 벗어나지 않고도 한 속도에서 다른 속도로 부드럽게 전환할 수 있습니다. 가속 및 감속 제어 기능 덕분에 전기 액추에이터는 급정거나 갑자기 작동할 때 "충격"을 주지 않습니다. 이는 프레임 요소에 가해지는 스트레스를 줄이고 충격 하중을 견딜 수 있도록 구조물을 과도하게 설계할 필요성을 없애줍니다. 모든 움직임이 부드럽기 때문에 기계 진동이 허용되지 않거나 공정 속도에 영향을 미치는 중요한 공정에서도 전기 액추에이터를 사용할 수 있습니다. 힘은 서보 모터에 흐르는 전류를 통해 제어됩니다. 서보 컨트롤러는 전류를 정밀하게 제어할 수 있으므로 거의 모든 전기 액추에이터는 작업 지점에서 정확하고 반복 가능한 힘 출력을 제공합니다.

마지막으로, 전동 액추에이터의 중요한 특징 중 하나는 모든 동작 프로파일 변수를 프로그래밍 방식으로 제어할 수 있다는 점입니다. 따라서 작업자가 해야 할 일은 PLC 또는 다른 컨트롤러의 프로그래밍 환경에 원하는 성능 변수를 입력하는 초기 설계 시간뿐입니다. 일단 설정이 완료되면 매일, 매달, 매년 동일한 작업이 반복됩니다. 또한 HMI(인간-기계 인터페이스) 화면을 통해 위치, 속도, 가속도/감속비, 힘 등의 변수를 언제든지 쉽게 변경할 수 있어 최대한의 유연성을 제공합니다. OEM 환경에서는 유압 시스템에 비해 전동 시스템의 일관성이 높아 시스템 성능 관리가 더욱 용이해집니다.

3. 전동식 로드 액추에이터와 유압 실린더 비교:전력 능력

유압 실린더 시스템은 높은 작동 압력 덕분에 매우 큰 힘을 발생시키는 데 탁월합니다. 일반적인 압력 범위는 1800~3000psi(124.1~206.8bar)입니다. 일부 고압 유압 시스템에서는 출력 밀도를 더욱 높이기 위해 최대 5000psi(344.7bar)의 압력 등급을 사용하기도 합니다. 유압 실린더는 힘 = 압력 × 면적이라는 유체 동력 원리에 따라 작동하므로, 높은 압력 덕분에 작은 실린더로도 매우 큰 힘을 낼 수 있습니다. 예를 들어, 2200psi에서 3인치 및 5인치 내경 실린더는 각각 약 15,000lbf(66,723.3kN) 및 43,000lbf(191,273.5kN)의 힘을 낼 수 있습니다. 그러나 유압 실린더는 일반적으로 최대 출력 능력을 모두 활용하지는 않으며, 제어력을 향상시키기 위해 일반적으로 실제 출력 능력보다 큰 크기로 제작됩니다.

전동 액추에이터를 고려할 때, 필요한 작동력을 결정하는 것이 중요합니다. 전동 액추에이터에 필요한 대략적인 힘을 추정하는 일반적인 방법은 작동이 더 이상 불가능해질 때까지 유압 작업 포트 또는 시스템 압력을 조정하는 것입니다. 전동 액추에이터 시스템은 서보 모터를 통해 흐르는 전류를 이용하여 기계 시스템에 토크를 발생시키고, 이 토크가 동력 스크류를 회전시켜 힘을 생성합니다. 이는 힘이 즉각적으로 발생한다는 점에서 큰 장점입니다. 시스템 강성이 최적화되지 않은 유압 시스템에서는 유압 액추에이터가 힘을 발생시키기 위해 압력이 형성될 때까지 기다려야 합니다. 전동 시스템의 또 다른 큰 장점은 서보 컨트롤러가 전류를 자동으로 조절한다는 것입니다. 전동 액추에이터 시스템은 기본적으로 "필요에 따라" 전류를 사용하며, 모든 조정은 자동으로 이루어집니다. 유압 동력 장치는 유압 실린더가 작동하기 위해 항상 시스템 내 압력을 유지해야 하는데, 이는 매우 어려울 수 있습니다.

전동 액추에이터 시스템을 선택할 때는 모터의 RPM과 토크 성능, 그리고 액추에이터의 리드 스크류 길이를 함께 고려하는 것이 중요합니다. 서보 모터의 속도와 토크를 리드 스크류의 기계적 출력에 맞추는 것은 복잡한 작업입니다. 유압 시스템에서 구현할 수 있는 강력한 힘을 전동 기술로도 충분히 구현할 수 있지만, 일반적으로 전동 액추에이터는 본체 직경이 더 크고 최대 속도 제한이 있습니다. 하지만 액추에이터 및 서보 부품 제조업체에서 제공하는 간편한 모션 제어 시스템 크기 조정 소프트웨어 패키지를 활용하면 이러한 복잡한 시스템 크기 조정 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다.

4. 전동식 로드 액추에이터와 유압식 실린더 비교:속도 기능

높은 속도와 높은 힘을 구현하는 것은 유압 및 전기 기술 모두에 어려운 과제입니다. 유압 시스템은 힘을 발생시키기 위해 압력을, 속도를 발생시키기 위해 유량을 필요로 합니다. 더 높은 속도와 더 높은 힘을 얻으려면 시스템에 충분한 가압 오일이 있어야 하며, 이는 필요한 시간 내에 필요한 양의 오일을 실린더로 밀어 넣는 것(유량)에 해당합니다. 일반적으로 이를 위해서는 가압된 오일을 저장하는 어큐뮬레이터 시스템이 필요합니다. 스트로크가 긴 실린더의 경우 이 문제는 더욱 복잡해질 수 있습니다. 어큐뮬레이터에 오일이 채워지지 않으면 시스템에 오일 공급이 부족해질 수 있기 때문입니다. 결국 유압 어큐뮬레이터 시스템에 추가 용량을 배치함으로써 높은 속도와 높은 힘을 구현할 수 있습니다. 하지만 이 방식의 단점은 서보 유압 제어가 적용되지 않은 유압 시스템에서는 과잉 에너지(힘 x 속도)가 사실상 개루프 제어 방식으로 소모된다는 것입니다.

앞서 언급했듯이, 전동 액추에이터 시스템의 힘 발휘 능력은 서보 모터의 회전 속도(RPM), 토크, 스크류 리드 및 기어박스의 기계적 이점의 적절한 조합에 따라 달라집니다. 서보 모터의 크기가 커질수록 토크는 일반적으로 크게 증가하지만 RPM은 감소합니다. 극한의 힘과 속도가 요구되는 상황에서는 전동 액추에이터 시스템이 원하는 성능을 달성하는 유일한 방법은 시스템을 지나치게 크게 설계하는 것인데, 이는 비용 측면에서 큰 부담이 될 수 있습니다. 또한, 전동 액추에이터 시스템은 동작 프로파일을 완벽하게 제어할 수 있다는 점을 기억해야 합니다. 즉, 각 사이클의 전체 길이를 스트로크할 필요가 없습니다. 가속 및 감속 제어를 통해 전동 시스템은 더 빠르게 안정화될 수 있으므로 사이클 시간이 단축되고 효율성이 향상됩니다. 마지막으로, 전동 액추에이터 기술은 더 지능적이고 짧은 움직임을 실행할 수 있으므로 필요한 최대 속도를 완화할 수 있습니다.