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공기압 구동의 특성
공기압 실린더의 (출력, 속도, 위치)제어
공기압 실린더는 현재 다른 기계요소와 같이 USER의 요구에 따라 크기, 기구 등의 각양각색이 공급되고 있고, 압인의 기본 성능을 고려, 작동기기로서 필요한 것을 선정하는 것을 얻을 수 있다.
따라서, 제어기술에 관련하여 이 실린더의 선정을 적절하게 하는 것도 중요한 요소가 된다. 또, 시스템으로서의 실린더 제어에 있어서는 포지셔너 부착 실린더와 같이 FEED BACK을 하고, 정지위치를 정밀도 좋은 것을 얻을 경우에 사용되지만, 솔레노이드 밸브에 의한 시퀀스 제어로 시스템이 구성된다.
이와 같은 현상에서 제어기술의 실제적인 측면은 실린더의 종류선정과 그에 적합한 제어회로의 설계 및 그것의 시스템이 가능한 한계가 사용조건을 충분히 만족하면, 더불어 안정성 등을 고려한 전기제어회로와의 적합성이다.
1. 공기압 실린더의 출력제어
가. 정적출력제어
실린더의 정적출력제어의 일반적인 방법은 실린더 자체의 저마찰화와 공급압력의 정밀한 조절의 조합에 의한 방법이다. 하중변환기로 출력을 검출하여, 제어밸브에 FEED BACK하는 방법도 있지만, 이 방법이 간편하고, 정밀도도 좋으므로 많이 사용된다.
(1) 저마찰 실린더
[그림 1]과 같이 행정이 짧을 경우에는 다이아프램형, 긴 경우에는 벨로우즈형 및 피스톤에 저마찰 패킹, 베어링을 조합한 것이 많이 사용된다. 또, 패킹방식의 경우 패킹의 크기에 따라 일정한 내부마찰이 발생하기 때문에, 가능한 한 고압을 공급하고 실린더 지름을 작게하는 쪽이 내부마찰을 감소할 수 있다.
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[그림 1] DIAPHRAM형(위)과 BELOWS형 실린더(아래) |
(2) 정밀감압밸브
히스테리시스가 작고, 또한 공기원측의 압력변화에 대해 출력압력의 변화가 작은 고정도의 감압밸브를 사용한다. 이것은 [그림 2]와 같이 노즐 플레퍼에 의해 파일럿압력을 발생시켜, 특히 플래퍼에 FEED BACK을 가하여, 조절정도를 높이기 위해 정밀감압밸브가 사용된다.
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[그림 2] 노즐 플래퍼를 사용한 정밀감압밸브 |
이것을 조합한 장치측도 작동부의 마찰절감을 도모하고, 중력의 영향을 받지 않게 설계할 필요가 있다. 또, 이와 같이 조립시켜 출력변동은 출력절대치의 0.5%정도로 하는 것이 가능하고, 공기압을 이용하는 장점중 한가지이다. 또, 출력을 단계 또는 연속적으로 설정하는 경우에는 [그림 3]과 같이 다연감압밸브회로든가, 전공변화기로 볼륨 부스터를 구동하는 방법을 사용한다. 또, 이것은 압력 설정 정도와 설정 점수, 시간-압력패턴 및 전원 단절시 압력설정치의 보지기능 등을 고려하여 사용할 필요가 있다.
나. 동적출력제어
공기압 실린더의 경우, 압축성이 크기 때문에 힘과 위치를 동시 제어하는 것은 곤란하다. 또, 기계적인 의미인 동적 출력제어의 형태로서, 실린더가 피작업물의 움직임으로 되어 이동해서 일정출력을 유지하는 제어이고, 정적인 출력제어에 필요한 특성을 가하여, 다음과 같이 특성도 필요하다.
(1) 급배기 특성
실린더가 이동중에서도 피스톤에 작용하는 압력(압력차)를 일정하게 유지하기 위해, 감압밸브나 볼륨 부스터는, 급기 및 릴리프 양방향의 유량이 필요한 작동순서에 대하여 충분한 것을 사용한다. 일반적으로는 릴리프 유량쪽이 작아므로, 실리너의 왕복 양방향의 성능의 필요한 경우에는, 릴리프 유량에서 밸브의 크기를 결정한다.
(2) 응답도달 대책
운동의 가속도가 빠르면 압력조절 밸브의 응답도달이 현저하다. 이와 같은 경우는 밸브와 실린더 사이에 적당한 공기탱크를 설치, 감압밸브 내부에서의 FEED BACK 속도를 낮추고, 응답에 대한 보상을 행한다. 또, 실린더의 운동부분의 관성력이 절감도 필요하고, 가능한 한 경량의 피스톤계를 갖는 실린더를 선정한다
(3) 유사정압화
공간이 있고, 작동빈도가 많은 경우에는, [그림 4] 와 같이 실린더의 수십배의 용적인 공기탱크를 설치, 실린더의 피스톤이 이동하여도 전체의 압력변동이 미세하게 되도록 하고, 출력을 일정하게 유지하는 방법을 취한다. 이 경우에는 공기를 소비하지 않으므로, 동시에 성에너지가 도모된다.
전술한 실린더가 출력제어에서 대피하기 위한 왕복운동을 하는 경우에는, [그림 5]와 같이 회로를 절환하든가, 비가압측에 미소압력을 가하여 왕복 구동한다.
다. 출력분포제어
실린더의 행정에서 출력을 변화시키는 것은 전술한 정출력회로의 입력신호를 시간이나 위치의 계수로서 PC 등을 이용하여 구한다. [그림 6]은 행정 전진단만 순간적인 고출력으로 한 회로의 예이지만, 피스톤 위치가 배기압단의 근처에 올 때, 배기측의 근처에 올 때, 배기측을 대기개방으로 하여, 고속의 출력응답을 얻는다.
또, 압력에서 작용하는 피스톤의 면적을 변화시키는 방법은 [그림 7]과 같이 행정단에 부스터 피스톤을 설치한 실린더를 사용하여도 가능하다. 이것은 대형밸브에 의해 기동마찰이 큰 장치의 구동이나 관성력이 크고, 가속시간을 요하는 중량대차의 구동 등에 적용되고, 단순히 면적이 큰 피스톤을 사용한 경우에 비해 구동용 솔레노이드 밸브나 배관을 작게 하고, 공기소비도 절감 가능한 잇점이 있다.
같은 기능을 갖는 로타리 액추에이터에는, [그림 7]과 같이 회전단에서 저속 고토오크, 중앙에서 고속 저토오크, 요동운동에 적합한 출력분포를 얻는다.
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| [그림 7] 기동추력/토오크를 증대한 실린더/로타리 액추레이터 | |
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