공압시스템이란?
공기는 기체로 유체중에서 압축이 잘 되는 특징을 갖고 있다. 이런 공기의 특징을 이용해서 전기 모터나 엔진등으로 압축기를 구동시켜 대기중의 공기를 흡입하여 압축시켜 압축 공기를 만들어 탱크에 저장한 후, 이 압축공기가 가지고 있는 압력 에너지를 보조기기와 제어기기를 거쳐서 액츄체이터를 구동시켜 기계 에너지로 변환시켜 일을 출력하는 시스템을 공압시스템이라고 한다. 공압 시스템에 사용되는 다양한 공압기기들이 있는데 이들을 공압요소기기라 부르며 이들 공압요소기기들로 이루어진 장치를 공압 장치라 한다.
공압시스템의 특징
-낮은 압력을 사용하므로 유압에 비해서 출력이 작다(소출력의 작업에 유리하다)
- 공기는 압축성 유체이기 때문에 압축해서 저장하기가 용이하고 이를 이용하는 것도 간편하다
- 유체의 저항이 적으므로 액츄에이터의 고속운전이 가능하다
- 시스템의 구성이 간단하고 비용이 절감된다
- 압축공기는 누출이 되어도 환경 오염등의 문제가 없다
- 시스템의 압력, 속도등의 무단제어가 가능하다
- 시스템의 보수관리가 대체적으로 간편하다
- 작동속도가 20~500 mm/sec로 유압속도보다 빠르다
공압시스템의 기본구성도
공압을 이용하려면 대기중의 공기를 압축시켜 압력을 발생시켜 동력워으로 사용할 수 있게 해주는 압축기(Compressor)가 있어야 하며 압축된 공기는 열이 상당히 높고 수분도 많이 포함하고 있기 때문에 압축공기의 냉각과 청정화 과정을 거쳐 저장탱크에 저장한 후 공압 시스템별로 보조기기인 2차 여과를 하고 제어용 기기의 조작에 의해 액츄에이터에 구동에 의하여 출력을 발생시켜 작업을 하는 방식으로 구성된다. 압축기에서 발생된 압축공기는 단열압축에 의해 온도가 150~250℃까지 상승하므로 후부냉각기(After Cooler)에서 냉각된 후에 탱크로 들어간다. 여기서 맥동압력을 안정화 시키고, 탱크의 낮은곳에 고인 물은 자동적으로 배출된다. 탱크를 통과한 압축공기는 탱크에서 이물질과 수분이 분리 제거되고, 압력제어 밸브에서 필요로 하는 압력으로 감압된 후, 윤활기에 의해 분무된 미세한 윤활유와 함께 방향제어 밸브로 보내지고 액츄에이터를 구동한 후 방향제어 밸브의 배기구의 소음기를 통하여 배기된다. 수분을 완전히 제거한 건조공기를 필요로 하는 기기에서는 에어 드라이어(Air Dryer)에서 충분히 제습된 것이 사용된다. 한편 주 배관(Main Line)의 공기압은 압력 스위치에서 감지되어 그 전기신호에 의해 압축기를 구동하는 전동기에 신호가 전달됭 ㅓ항상 일정수준의 압력을 유지시키면서 가동하게 된다.
공압의 장점과 단점
장점
- 출력과 속도 조정이 쉽고, 무단제어가 가능하다
- 고속 작동이 가능하다
- 직선운동이 용이하다
- 탱크에 많은 에너지를 축적할 수 있다
- 점성이 작아서 압력 손실이 작다
- 온도 등 주위 환경의 영향이 적다
- 장치의 가격이 저렴하다
- 구조가 간단하다
단점
- 중간 정지시 위치 정밀도가 나쁘다
- 저속 작동 및 정밀한 속도제어가 어렵다
- 응답 속도의 지연이 발생한다
- 윤활성이 없어 급유가 필요하다
- 압축공기에서 수분배출이 필요하다
- 에너지 비용이 높다
공압 시스템의 적용
적용범위
- 일반적으로 2통이하의 가벼운 작업에 유리하다
- 정확한 속도제어를 필요로 하지 않는 경우에 사용한다
- 충격 완화의 필요가 있는 경우에 사용한다
- 단순 왕복운동의 경우에 사용한다
- 청결을 필요로 하는 경우에 사용한다
- 비교적 고온이거나, 방폭성이 필요한 경우에 사용한다
- 작동속도가 빠른 것을 필요로 하는 경우에 사용한다.
적용분야
공압은 자동화기계 분야에서 가장 많이 사용하고 있으며 전기 및 전자제어와 결합해서 시퀀스제어를 함으로써, 공장 자동화에서 출력을 많이 필요로 하지 않는 자동화시스템에거 고속 동작으로 작업 사이클 시간을 단축하여 작업 생산량을 극대화 시켜 생산 비용을 절감해서 제품의 단가를 낮추는데 기여를 하는 분야로서, 산업 전반에 걸쳐서 적용을 하고 있는 추세이며 생산 라인의 가공자동화, 조립자동화, 포장자동화등 수 많은 분야의 자동화에서 사용된다.
공압의 기본 지식
대기압과 공기압
지구는 대기로 불리우는 기체로 둘러 싸여 있는데 지구의 표면에서 지상 15km 정도의 대기권에 있는 기체를 공기라고 한다. 실제로 공기는 기체이며 무색, 무취의 가스로 공기의 성분은 질소가 78%, 산소가 21%로 구성되며 그 밖에 아르곤, 이산화탄소, 수소등과 수분이 혼합되어 있다. 공기는 1㎥ 당 약 1.2kgf의 무게로 대기층의 중력이 작용하는데 해면 부근에서 작용하는 힘의 높이가 760mmHg인 수은주의 바닥에 작용하는 힘과 동등한 힘이 작용하고 있을 때를 대기압이라고 하며, 해면상에서 고도가 높아질수록 중력은 감소하고 지상에서 5km의 상공에서는 1/2로 감소한다. 공기의 표준상태라는 것은 온도가 20℃, 절대압력이 760mmHg, 상대습도가 65%로 정해져 있으며, 공기의 유량도 이 상태로 환산된 값을 표현되는 것이 일반적이다. 그러나 공기의 대기압 상태로는 에너지원으로 공업용에 사용할 수 없으므로 압축기를 이용해서 공기를 흡입하여 압축하여 압력을 높여서 용도에 맞게 사용을 한다. 이와 같이 압력이 대기압에 비해 높을 경우에 이것을 공기압이라고 한다. 즉 공기압=압축공기와 같은 의미인 것이다.
압력단위의 표시방법
압력이라는 것은 단위면적에 작용하는 힘으로서 단위는 1㎠ 면적에 작용하는 힘 kgf의 크기이며 압력의 단위로 kgf/㎠를 가장 많이 사용하고 있으며, 최근에는 국제단위계(SI단위계)의 권장에 따라서 표시방법이 1㎡당 작용하는 힘, N(뉴톤)의 크기인 N/㎡=Pa(파스칼)을 표시하고 있다. 그러나 Pa은 단위가 너무 작으므로 KPa(1,000 Pa) 또는 MPa(1,000 KPa)을 주로 많이 사용하고 있다. 대기압의 단위론느 주로 바(bar)를 사용하고 있다. 압력이 0이라는 것은 그면에 작용하는 힘이 전혀 없는 상태 즉, 완전진공의 상태가 되는 것을 의미한다.그러나 실제로는 대기압과의 압력차인 게이지 압력을 주로 많이 사용하고 있다. 이 경우에는 대기압 760mmHg = 1.033kgf/㎠ = 101.3KPa이 기준점이 된다. 게이지 압력에 대한 특별한 표시는 1kgf/㎠G처럼 표시하는 경우가 많다. 완전진공을 기준으로 한 압력, 즉 절대압력을 표시하는 경우는 kgf/㎠ abs로 나타낸다. 예를 들면 5kgf/㎠G = 5 + 1.033kgf/㎠ abs = 5.033kgf/㎠ abs가 된다.
공기중의 수분
공기중에는 수분이 수증기의 상태로 포함하고 있으며, 이 수증기는 어느 일정량 이상이 되면 결국은 물방울이 되어 분리가 되는데, 이 일정량이라는 것은 공기의 온도에 따라서 변화가 된다. 압축기에서 나오는 고온 다습한 공기를 후부냉각기로 냉각을 시켜 40℃ 정도로 냉각하여 수분 분리를 해서 주배관을 거쳐 공장내의 지역 배관 관로를 거치면서 관로내에서 온도 하강으로 인하여 수분이 다시 생성된다. 대부분의 공압 시스템에서 사용하는 공압기기류의 압력원인 공기중에 수분이 포함되어 있으면 기기의 작동불량과 배관 관로내에 녹을 발생시키고 페인트 도장 드으이 작업에서는 도장표면에 도장불량을 일으키는등 각종 트러블의 원인을 제공하게 되므로 반드시 에어 드라이어를 사용해서 공기를 건조한 상태를 유지시켜 사용해야만 한다. 이와 같은 습공기중에 포함된 수분의 양을 사용 목적에 따라서 제거해서 사용하는 것은 공압 제어의 실수를 줄이고 정확한 제어를 위해서 중요한 것이라 할 수 있다.
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