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공기압 기술의 연구개발 동향
최신 고품질 공기압 밸브 실린더 제어 시스템
공기압기술은 경량. 소형화. 요구에 부응하여 반도체, 가전, 식품산업 등 다분야의 성력. 자동화시스템에 있어 중요 기술분야이다.
관련 산업의 제품 다양화 요구에 따라 공기압시스템에 요구되는 기능은 점차로 고도화 되어지고 있다. 한편, 대학의 각 연구소에서는 제어이론을 도입, 공기압시스템의 고기능화를 급속히 진전시키는 동시에 의료기기. 복지기기등의 "인간 친화적인 시스템"을 실현하기 위한 수단으로서의 공기압에 대한 연구가치를 높이고 있다.
1. 하드와 소프트의 융합
일본의 공기압기기는 '91년 최고의 출하액을 기록한 이후 점차로 성장폭이 감소하였으나 '95년 다시 2천억엔대로 복귀하여 10여년전에 비해 2배에 달하는 급격한 성장을 이룩하였다. 이는 공기압기기의 수요분야가 중화학공업, 자동차 산업 뿐만 아니라 반도체, 가전, 식품, 화학산업 등으로 확대되었고, 관련 수요산업의 요구를 충촉시키기 위해 무급유화, 소형.경량화, 고집적화, 다기능화가 진전되고 또한 혁신적인 병렬전송방식 등의 도입 때문이다.
공기압기술의 진보는 대부분이 마이크로 일렉트로닉스와의 융합과 기기자체의 고성능화. 고기능화 뿐만아니라 소프트웨어의 적극적인 도입에 의해 가능했다. 공기압기술을 실린더 등의 액튜에이터를 중심으로한 운전제어기술의 하나로 취급하는 한 운전제어성능의 향상은 필연적이며, 이 요구를 만족시키기 위해 제어이론의 적극적 도입은 필수적 일 것이다.
한편, 공기압에 기대되는 특징은 사용이 간편하고 저렴하다는 것이며 복잡한 제어이론을 부가하지 않아야 한다는 의견도 있으나 제어이론의 부가는 한층 더 간편성과 연가성의 향상으로 연결된다.
"사용하기 쉽고 저렴한 공기압" 에 새로운 기능성을 부가히기 위해서는 공기압의 특징을 살릴 수 있는 응용형태를 도입하여야 한다. 예를 들면 공기압의 유연성에 주목한 인간공존메카니즘 등으로의 응용이 기대된다. 이에 공기압기술은 하드웨어와 소프트웨어를 양축으로 새로운 이미지를 갖는 운동제어기술의 하나로서 전개되고 있다.
2. 연구개발의 개요
공기압의 연구개발항목 <그림 1>과 같이 하드웨어, 소프트웨어 및 응용으로 분류된다. 하드웨어는 제어밸브, 액튜에이터, 보조기기등이 포함된다.
제어밸브
방향제어밸브로서 개폐電磁밸브의 고성능화가 현저히 진행되고 있으며 고수명화, 소형. (*)스페이스화, 저소음전력화, 고속화등이 급속히 진전되고 있다. 소비전력은 현재 0.5WT정도까지 공기압과 마이크로일렉트로닉의 융합을 촉진시키고 있다.
또 고속화.대유량화가 진전되고 UPLSE폭 변조(PWM)와 PULSE부호변조(PCM)방식을 사용한 서보기구의 구성이 현실화 되어가고 있다.
한편, 전공비례 제어밸브가 일본에서 시판되기 시작해 10년을 경과하여 현재 압력과 유량의 원격에저 등에 이용 되고 있다. 이들 실용예는 OPEN-ROOF제어에 의한 것이 일반적이지만 학계에서는 서보밸브로서의 가능성도 실종 되고 있다.
또한 Feedback제어로의 대응을 목적으로 한 공기압 서보밸브가 해외의 여러 회사에서 수입판매되고 공기압 서보에 대한 관심이 높아지는 동시에 비교적 저렴한 가격으로 구입할 수 있다.
액튜에이터
종래형식의 공기압액튜에이터는 실린더와 유동모터가 대표적이지만 최근에는 가이드기구와 위치센서, 브레이크기구 등을 부가한 복합기능화가 눈에 뛴다. 또 (*)스페이스를 의도한 로드레스실린더가 개발되고 있으며 반송시스템 등에도 이용되고 있다
최대스트로크 5~6m의 실린더까지 제작이 가능하고 중간 임의 위치로서 위치 결정기능을 구비하면 스트로크의 고속위치결정 시스템으로서 이용가치가 높다. 공기압액튜에이터는 원리적으로 힘의 제어에 적합하므로 로봇의 핸드와 (*)(*)機構에도 많이 이용 되고 있다. 또 로봇과 메카트로닉스 분야에 있어서 새로운 구동원리를 이용한 뉴엑튜에이터의 개발에 관심이 높아지는 동시에 고무 인공근육액튜에니터(브리지스톤)와 블게시블마이크로 엑튜에이터(東**) 가 개발되어 있다.
또한 최근 공기압의 유연함에 주목하고 의료.복지분야등으로의 응용을 목적으로한 새로운 형식의 공기압액튜에이터가 연구되고 있다.
제어이론
하드웨어를 효과적으로 활용하기 위해서는 적절한 제어이론(소프트웨어)를 도입할 필요가 있다. 공기압시스템은 공기의 압축서에 의한 압력의 응답이 늦고, 제어밸브의 압력유량특성의 무시할 수 없는 크기 등 몇가지 문제를 안고 있다. 제어론의 적용은 이들 문제에 대처하고 또한 공기압고유의 특징을 살리기 위한 유효한 방법이다.
공기압 시스템의 제어에 관한 연구는 공기압실린더의 위치결정을 중심으로 실시되고 있다. 1980년대 후반에는 보다 본격적인 제어이론의 도입이 연구되고 PID제어와, 상태피드백제어 등의 고전적인 제어이론이 적용되고 있다.
또 마이크로 컴퓨터와 제어설계의 보급에 의해 고도의 제어이론이 비교적 용이하게 이용할 수 있게 되고 최적제어와 적응제어, 뉴렐네트워크제어 등의 첨단적 제어이론이 적용되고 학계에서는 공기압서보의 대폭적인 제어성능의 향상이 달성되고 있다.
그러나 현재의 공기압 서보의 연구는 그 니드를 약간 선행하고 있는 형태이고 이들 연구성과로 인해 새로운 니드를 창조해야할 시기가 오고 있다.
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