실린더 특징 및 동작순서

유압과 공압 실린더(hydraulic or pneumatic cylinder)는 직선 액츄에이터의 예이다. 원리와 형태는 동일하지만 유압이 보다 높은 압력에 사용되기 때문에 크기의 차이는 있다. 실린더는 피스톤/램(piston/ram)이 미끄러질 수 있는 원통형의 튜브로 구성된다.

 

목차

1. 특징
2. 동작순서

 

1. 특징

 

단동형(single acting)은 압력제어가 단지 피스톤의 한 방향으로만 움직이고 스프링은 피스톤을 반대로 움직이는 데 사용된다. 단동형 실린더에 대하여 아래 그림과 같이 나타내고, 전류가 솔레노이드를 통해 흐르면 밸브는 위치를 변환시키고 압력은 실린더를 따라 피스톤을 움직이는 데 작용한다. 솔레노이드를 통한 전류가 차단되면, 밸브는 초기 위치로 복구되고 공기는 실린더로부터 방출된다. 그 결과 스프링은 실린더를 따라 피스톤을 되돌아오게 한다.

 

< 단동형 실린더의 제어 >

 

복동형(double acting)은 제어압력이 피스톤의 각 양단에 작용될 때 사용된다. 2개의 단 사이의 압력차이는 피스톤 운동의 결과이고, 피스톤은 높은 압력신호의 결과에 따라 실린더 내의 어느 한 방향으로 운동할 수 있다. 복동형 실린더에 대하여 아래 그림처럼 나타내고 전류가 하나의 솔레노이드를 통해 발생하면 한 방향으로 피스톤이 움직이고 다른 쪽에 전류가 흐르면 운동방향이 바뀐다.

 

< 복동형 실린더의 제어 >

 

실린더의 선택은 하중을 움직이기 위한 힘과 요구되는 속도에 의해 결정된다. 유압 실린더는 공압 실린더보다 더 큰 힘을 낼 수 있다. 반면에 공압 실린더는 유압 실린더보다 속도가 더 빠르다. 실린더에서 발생하는 힘은 실린더의 단면적에 압력차를 곱한 것과 같다. 여기서 압력차는 실린더 내 피스톤의 양면에 작용하는 압력의 차이를 말한다. 예를 들어 실린더의 압력차가 500kPa이고 내경이 50mm이면 982N의 힘이 발생한다. 동일한 내경을 갖는 유압 실린더에 압력차가 15000kPa이면 29.5kN의 힘이 발생한다.

 

만약 실린더 내로 흘러 들어가는 유압유의 유량이 초당 Q 체적이면, 1초 후에 피스톤에 의해 밀려나간 체적은 Q가 되어야 한다. 단면적이 A인 피스톤일 경우 1초 후의 변위는 v이므로 유량 Q는 Q=Av와 같이 쓸 수 있다. 따라서 유압 실린더의 속도 v는 유압유의 유량 Q를 실린더의 단면적 A로 나눈 것과 같다. 예를 들어 실린더의 단면적이 50mm이고 유량이 7.5×10^-3 ㎥/s 이면 실린더의 속도는 3.8m/s이다. 공압 실린더의 속도는 공기가 전진하는 피스톤의 헤드에서 누수가 되므로, 이의 속도는 유동율에 따라 달라지므로 앞의 방법으로 계산할 수는 없다. 이것을 조절할 수 있는 밸브는 속도를 조절하기 위해 사용될 수 있다.

 

어떤 제작과정에서 물건을 15초 동안 250mm 이동하는 데 필요한 유압 실린더에 대한 문제를 고려해 보자. 물건을 움직이는 데 50kN이 필요하면 지름이 150mm인 피스톤을 가진 실린더에 필요한 유량과 작용압력은 얼마인가? 피스톤의 단면적은 0.0177㎡이다. 실린더에서 발생하는 힘은 이 단면적에 작용압력을 곱한 것이다.

 

2. 동작순서

 

많은 제어 시스템에서 구동요소로서 공압이나 유압 실린더가 사용되고, 실린더는 늘었다 줄었다 하는 일련의 동작이 필요하다. 예를 들어 A와 B라는 2개의 실린더가 있고 시작 버튼이 눌러졌을 때 실린더 A의 피스톤이 늘어나고, 그 다음에 실린더 B의 피스톤이 늘어난다고 가정하자. 이 과정이 끝나고 두 실린더가 모두 늘어난 상태이면 다시 실린더 A를 줄여야 하고, 완전히 줄어들면 실린더 B를 줄여야 한다. 실린더의 순차제어를 논의함에 있어서 각 실린더에 A, B, C, D와 같은 심볼을 붙이는 것이 일반적으로 편리하고, 각 실린더의 상태가 늘어났을 때는 a+, 줄어들었을 때는 a-심볼을 사용하여 나타낸다. 따라서 위에서 보았던 실린더의 동작은 A+, B+, A-, B-와 같이 나타낼 수 있다. 아래 그림은 이러한 시퀀스를 생성할 수 있는 회로를 보여 준다.

 

< 2개 구동기의 순차적인 운전 >

 

순차적인 운전은:

 

① 초기에 두 실린더는 피스톤을 당긴 상태이다. 밸브 1의 시작버튼을 누르면 밸브 2에 압력이 가해지고 초기에 b-이었던 제한 스위치가 작동하여 밸브 3을 스위칭시키고 실린더 A에 압력이 가해져 피스톤이 밀려난다.

 

② 실린더 A가 늘어나면 제한 스위치 a-를 해제시킨다. 실린더 A가 완전히 늘어나면 제한 스위치는 a+로 된다. 이것은 밸브 5를 스위칭시켜 밸브 6에 압력을 가하고 이로 인해 밸브 6이 스위칭되면 실린더 B에 압력이 가해져 피스톤이 밀려나게 된다.

 

③ 실린더 B가 늘어나면 제한 스위치 b-를 해제시키고, 실린더 B가 완전히 늘어나면 제한 스위치가 b+로 동작한다. 이것은 밸브 4를 스위칭시켜 밸브 3에 압력을 가하게 되고 이로 인해 실린더 A는 피스톤을 당기기 시작한다.

 

④ 실린더 A가 줄어들면서 제한 스위치 a+를 해제시키고, 실린더 A가 완전히 줄어들면 제한 스위치 a-가 동작한다. 이것은 밸브 7을 스위칭시키고 밸브 6에 압력을 가하여 실린더 B가 피스톤을 당기기 시작한다.

 

⑤ 실린더 B가 줄어들고 제한 스위치 b+가 해제된다. 실린더 B가 완전히 줄어들면 제한 스위치 b-가 작동되어 완전 사이클을 이룬다.

 

이 사이클은 시작 버튼의 누름에 의해 다시 시작할 수 있다. 만약 시스템을 시퀀스에서 마지막 이동 후에도 연속적으로 작동시키면 첫 이동이 시작할 것이다. 공기 공급 온-오프 스위치가 하나로 되어 시퀀스에 포함되어 있는 방법을 캐스케이드 제어(cascade control)라 한다. 이것은 아래 그림에 나타나 있는 제어 밸브에서 압력 라인에서 공기가 갇히고 그래서 스위치로부터 밸브를 막는 형태와 회로에서 나타날 수 있는 문제를 피할 수 있다. 캐스케이드 제어에서 시퀀스으 작용은 각각 그룹의 한 방법보다 작게 나타난다. 그리하여 시퀀스의 A+ B+ B- A-를 A+ B+와 A- B-로 그룹화할 수 있다. 그 밸브는 A+ B+와 A- B- 사이의 공기공급 스위치로 사용이 된다. 라인에 포함된 시작-스톱 밸브는 처음 그룹을 선택하고 시퀀스가 연속적으로 작동한다면 마지막 동작은 시퀀스의 재시작 신호를 줄 것이다. 각각의 그룹은 그룹의 스위치가 켜짐에 따라 초기화된다. 따라서 스위치의 조작에 의해서 그룹 내의 동작이 제어되고, 마지막 밸브의 작동은 선택된 다음 그룹을 초기화한다. 아래 그림은 공압회로를 보여 준다.

 

< A+. B+. A-. B- 가 사용된 캐스케이드 제어 >