공압 부품을 동기화하여 효율성을 극대화하는 방법

산업 자동화에서, 효율성은 보통 부품 수준에서 결정되는 것으로 여겨지곤 합니다. 엔지니어는 고효율 액추에이터 또는 저전력 밸브를 선택하면 시스템이 효율적으로 작동할 것이라고 생각할 수도 있습니다. 그러나, 효율적인 부품으로 제작된 기계라도 그러한 부품들이 동기화되지 않으면 여전히 과도한 에너지를 소비할 수 있습니다.

공압 장치의 에너지 손실은 개별 부품의 고장보다는 시스템 아키텍처로 인해 발생하는 경우가 많습니다. 효율성이 높은 액추에이터라 해도, 사용이 제한된 튜브에 의해 공급되거나 대형 밸브로 제어되는 경우에는 그 최적의 성능을 발휘할 수 없습니다. 따라서, 에너지를 절약하기 위해서는 전체 공압 체인에서 조화를 이루어 모든 인터페이스에서 제한 사항과 무효 체적을 최소화해야 합니다. 이 기사에서는 공압 설계에 대한 시스템 수준의 접근 방식을 간략하게 설명하고, 6가지의 주요 부품을 동기화하여 에너지 효율을 개선하는 방법을 보여줍니다.

더 철저한 준비로 초기 압력 강하 줄이기

시스템 효율성은 공기 준비 단계부터 시작됩니다. 공기 준비 장치의 크기가 작거나 막혀 있는 경우, 압력 강하가 발생될 수 있습니다. 필터 조정기가 유량 제한으로 인해 압력 강하를 일으키는 경우, 컴프레서는 그 저항을 극복하기 위해 더 높은 압력으로 작동해야 합니다. 이러한 움직임으로 인해, 에너지가 하중을 이동시키는 데 사용되기보다는 제한된 부분으로 공기를 통과시키는 데만 사용됩니다.

동기화 시스템의 첫 번째 단계는 고유량 공기 준비 장치입니다. 그림 1에 보이는 Festo의 MS 계열 필터 조정기(MS6-LFR)는 이러한 초기 제한을 최소화하도록 설계되었습니다. 정상 공칭 유량이 4000l/min(DIN 1343으로 표준화)인 MS6-LFR은 최대 수요 시에도 다운스트림 부품에 일관된 공급을 유지합니다.

그림 1: MS6-LFR 필터 조정기는 고유량 여과(4000l/min)와 정밀한 압력 조절을 결합하여 유입구 병목 현상을 제거합니다(이미지 출처: Festo).

또한 이 조정기의 조정 범위는 0.5바 ~ 12바이므로, 기계의 기본 압력을 필요한 수준으로 정확하게 설정할 수 있습니다. 같은 목적으로, LRP 정밀 조정기(그림 2)는 높은 안정성이 필요한 응용 제품을 위해 최대 0.02바의 압력 히스테리시스를 제공하여 일관된 시스템 압력을 보장합니다.

그림 2: LRP-1/4-4 정밀 조정기는 민감한 응용 제품에서의 매우 안정적인 압력 제어를 위해 0.02바의 히스테리시스를 제공합니다(이미지 출처: Festo).

두 조정기 모두 2차 배기 기능도 갖추고 있습니다. 다운스트림 압력이 증가하는 경우(예: 액추에이터에 가해지는 외부 힘으로 인해), 조정기는 초과 압력을 배출함으로써 동작에 반하는 역압을 방지합니다. 일정한 유량을 제공하는 조정기를 사용하면, 메인 라인 압력을 필요한 최소의 수준으로 유지하여 전체 에너지 사용량을 줄일 수 있습니다.

사용 지점 조정을 통한 에너지 최적화

많은 시스템의 경우, 시스템에서 가장 까다로운 하나의 액추에이터에 필요한 압력으로 전체 기계에 공급합니다. 예를 들면, 무거운 프레스에 6바의 압력이 필요한 경우, 3바만 필요한 가벼운 클램핑이나 리턴 스트로크의 경우에도 전체 회로에 6바로 압력을 가하는 경우가 많습니다. 그러면 이러한 가벼운 작업들에서는 거의 50%의 에너지가 낭비되는 셈입니다.

분산형 조정의 경우 그림 3과 같이 MS2-LR 압력 조정기를 사용하여 사용 지점에 직접 압력이 제공되는 구역을 만드는 과정을 거칩니다. 크기가 매우 작고(Size 2) 최대 350l/min의 유량을 처리할 수 있어 특정 기계 클러스터를 격리하는 데 이상적입니다. 즉, MS2-LR을 로컬에 설치하면 메인 매니폴드는 6바로 공급하지만 특정 브랜치에서는 더 가벼운 작업을 위해 3바로 조정할 수 있습니다.

그림 3: MS2-LR 압력 조정기는 액추에이터에 직접 압력 제어 기능을 제공합니다(이미지 출처: Festo).

기본 조정기와는 달리, MS2-LR에는 리턴 플로우 기능과 2차 배기 기능이 포함되어 있습니다. 이를 통해, 리턴 스트로크 또는 시스템 배기 중에 과도한 압력을 빠르게 배출하여 공압 잠김을 방지하고 안전을 보장할 수 있습니다.

MS2-LR-QS6-D6-AR-BAR-B 모델(그림 4)에는 압력 게이지가 통합되어 있으므로, 운영자가 특정 구역이 에너지 효율이 낮은 설정으로 작동하고 있는지 여부를 시각적으로 확인할 수 있습니다. 한편 더 가벼운 중량(28.3g)을 위해서는 맞춤형 게이징을 위해 포트가 있는 A8 버전을 사용할 수 있습니다.

그림 4: 통합 모니터링을 통해 에너지 절약이 적용되는 압력 구역을 즉시 확인할 수 있습니다(이미지 출처: Festo).

공기 전송 시 무효 체적 최소화

밸브와 액추에이터 사이의 튜브는 에너지 손실의 중요한 원인입니다. 튜브 내의 체적은 매 주기마다 가압 및 감압되어야 합니다. 이 무효 체적은 작업을 수행하지 않고 압축된 공기를 소비합니다. 또한, 튜브에서 누출이 발생하면 컴프레서의 기본 부하가 증가합니다.

전송 효율성을 개선하려면 재료의 선택과 설계 시 기하학적 측면의 최적화가 중요합니다.

• 재료 무결성: PUN-H 튜빙은 가수 분해 방지 TPE-U(폴리우레탄)로 제조됩니다. 시간이 지남에 따라 성능이 저하되고 누출이 발생할 수 있는 표준 PVC와 달리, PUN-H는 -35°C ~ +63°C의 작동 온도 범위로 다양한 환경에서 유연성과 시일 무결성을 유지합니다. 매끄러운 내벽은 마찰을 최소화하여 층류를 촉진합니다.
• 기하학적 측면에서의 전략: 밸브를 액추에이터에 더 가깝게 배치하고 길이에 맞게 잘라낸 튜브로 연결하면 주기당 필요한 공기의 양을 줄일 수 있습니다. PUN-H 계열은 색상 코딩을 통해 회로를 식별할 수 있으며, Black 및 Blue 버전의 경우 굽힘 반경이 9.7mm에 불과해 좁은 공간에서의 배선이 용이합니다. 내추럴 컬러 버전은 굽힘 반경이 약간 더 크므로(14mm) 사용 가능한 설치 공간에 맞게 제품을 선택해야 합니다.

에너지 효율을 위한 밸브 선택 최적화

밸브는 유량의 특성보다는 포트의 크기에 따라 선택되기도 합니다. 대형 밸브는 작은 실린더에 과도한 공기량을 공급하여 비효율성을 초래합니다. 반대로 제한 밸브는 액추에이터의 속도를 늦추고, 작업자가 이를 보상하기 위해 압력을 높이도록 유도합니다. 밸브는 속도와 소비량의 균형을 맞추는 역할을 합니다.

그림 5에 표시된 VUVG 솔레노이드 밸브는 이러한 목적을 위해 설계되었습니다.

• 유량 대 크기 비율: VUVG는 소형 설계에서 높은 유량(예: 14mm 사이즈의 경우 660l/min)을 제공하여 제한 없이 부하를 처리합니다.
• 속도 및 정밀도: VUVG는 8ms의 전환 시간(바이스테이블 버전의 경우)과 2Hz의 최대 스위칭 주파수를 갖추어 빠른 응답을 제공합니다. 따라서 이러한 정밀도는 밸브 폐쇄 지연으로 인한 라인 과압을 방지하는 데 도움이 됩니다.
• 낮은 전력 소비: VUVG 코일은 0.8W(24V DC 기준)를 소비합니다. IP65 보호 등급도 갖추고 있으므로, 과도한 전류를 소모하지 않고 산업 환경에서 신뢰성을 보장합니다.

그림 5: VUVG 솔레노이드 밸브의 높은 유량 대 크기 비율은 VUVG가 부하를 제한 없이 구동할 수 있도록 보장합니다(이미지 출처: Festo).

액추에이터의 부피에 맞는 밸브를 선택하면, 실린더가 낭비 없이 필요한 공기량을 공급받을 수 있습니다.

더 가벼운 액추에이터로 에너지 부하 줄이기

가동 부품이 무거울수록, 움직이기 위해서는 더 많은 힘(그리고 압력)이 필요합니다. 따라서 대형 실린더를 사용하는 경우, 중량을 줄이는 원리와는 반대로 가속에 필요한 에너지가 증가합니다. 또한 불필요한 보어 크기가 1밀리미터 늘어날 때마다 실린더를 채우는 데 필요한 공기량이 증가하므로, 실제로 움직이는 부하와 관계없이 모든 스트로크에서 에너지가 더욱 낭비됩니다. 액추에이터는 응용 제품에 최적화되어 있어야 합니다.

DSBC ISO 실린더는 질량은 줄이고 성능은 높이도록 설계되었습니다. 그림 6은 133g의 이동 질량을 가진 DSBC-32-25-PPVA를 보여줍니다. 이론상 6바에서 483N의 전진력을 제공합니다. 이러한 중량 대비 출력 비율 덕분에 더 무거운 대체품에 비해 더 적은 힘으로도 피스톤 작동을 가속할 수 있습니다.

그림 6: DSBC ISO 실린더는 낮은 이동 질량과 효과적인 쿠셔닝의 장점으로 운동 에너지 사용을 극대화합니다(이미지 출처: Festo).

DSBC 제품군은 공압 쿠셔닝 옵션을 제공하여 효율성을 향상합니다. DSBC-32-25-PPVA는 17mm 길이의 조절 가능한 쿠셔닝으로 부하를 부드럽게 감속할 수 있습니다(충격 에너지 < 0.4J). 또한 보다 간편한 사용을 위해 DSBC는 수동 조정 나사가 필요 없는 자동 조정 버전(PPSA)을 제공하며 이 버전은 유지 보수 및 누출 위험이 적은 장점이 있습니다.

가이드된 동작에서 마찰 최소화

정밀 응용 제품에서, 마찰은 효율성을 떨어뜨립니다. 표준 슬라이딩 가이드는 항력을 발생시키므로, 정적 마찰을 극복하고 움직임을 유지하기 위해 더 높은 공기 압력을 필요로 합니다. 그런데 이는 마찰을 줄이려는 목표와 상반됩니다. 시간이 지남에 따라 슬라이딩 접점의 마모는 위치 정확도를 떨어뜨리고 일관되지 않은 저항을 발생시키므로, 시스템은 속도를 유지하기 위해 더 많은 힘을 들여야 합니다.

가이드된 작업의 경우 DGST-10-20-E1A 미니 슬라이드(그림 7)는 롤링 부품을 활용하여 효율성을 향상시킵니다.

• 재순환 볼 베어링: DGST 캐리지는 슬라이딩 부싱 대신 정밀 볼 베어링 가이드를 사용합니다. 이러한 움직임은 마찰 계수를 낮추므로, 최대 0.5m/s의 속도에서도 원활한 작동이 가능해 집니다.
• 트윈 피스톤 효율성: 트윈 피스톤 설계로 소형 장치에서 힘 출력을 높입니다. 슬라이드는 134g의 이동 질량으로 94N의 이론적 힘(6바로 전진)을 전달합니다.
• 통합 요크: 슬라이드와 요크를 견고한 장치에 통합하여 오정렬을 방지합니다. 이 장치는 최대 토크 3Nm, 최대 힘 480N으로 부하를 처리하여, 공기압을 직접 선형 동작으로 변환합니다.

그림 7: DGST 미니 슬라이드는 재순환 볼 베어링을 사용하여 마찰을 줄여 슬라이딩 가이드보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘합니다(이미지 출처: Festo).

결론

공압 시스템을 최적화하기 위해서는 단일 부품의 변경이 아닌 아키텍처 수준의 접근 방식이 필요합니다. 엔지니어는 시스템을 동기화된 체인으로 간주함으로써 개별 부품 업그레이드보다 훨씬 나은 누적 효율성 향상을 달성할 수 있습니다. 이 기사에서 언급한 이 6가지 요소가 최적의 균형을 이루는 경우, 효율성을 개선하고 압력을 낮추며 주기 시간을 단축하고 누출을 최소화할 수 있습니다. 결과적으로 부품 연결이 강화되고 전반적인 성능이 향상됩니다.