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제 6 장액츄에이터 6-1 제 6 장액츄에이터 6.1 유압실린더 6.2 유압모터 6.3 Hydrostatic Transmissions 6.4 액츄에이터제어시스템 6.5 액츄에이터의최근동향

제 6 장액츄에이터 6-2 액츄에이터 (Actuator) 의기능상분류 실린더 Linear Actuator 피스톤형 램형 액츄에이터모터 Rotary Actuator Fig. 6.1 액츄에이터의기능상분류 기어모터 베인모터 피스톤모터 요동형모터 Continuous Rotation Limited Rotation

제 6 장액츄에이터 6-3 선형액츄에이터 (Linear Actuators) 의응용 지게차 Motion Simulator Press 비행기조종익 Robot Fig. 6.2 선형액츄에이터의 응용사례

제 6 장액츄에이터 6-4 회전형액츄에이터 (Rotary Actuators) 의응용 (1) Continuous rotary actuator TBM (Tunnel Boring Machine) Excavator 설상차 Mobile Crane Fig. 6.3 회전형액츄에이터의 응용사례 (1)

제 6 장액츄에이터 6-5 회전형액츄에이터 (Rotary Actuators) 의응용 (2) Limited rotation actuator Fig. 6.4 회전형액츄에이터의응용사례 (2)

제 6 장액츄에이터 6-6 단동형 (Single acting) 복동형 (Double acting) 단로드형 (Single rod) 양로드형 (Double rod) 유압실린더의종류 축심고정형 / 축심회전형 foot type flange type trunnion type clevis type Fig. 6.5 유압실린더의종류

제 6 장액츄에이터 6-7 유압실린더의구조 실린더튜브 피스톤 피스톤로드 실린더패킹 완충장치 Fig. 6.66 유압실린더의구조

제 6 장액츄에이터 6-8 실린더내부 Cushioning Devices 의역할 Middle stroke Ending stroke Fig. 6.7 실린더의 Cushioning Device 의구조

제 6 장액츄에이터 6-9 유압실린더의속도제어방식 Meter-in 방식 - 펌프토출량은실린더소요유량보다크게 - 여분의유량은릴리이프밸브로 - 릴리이프밸브압은부하압력보다약간크게 - positive(+) 부하시사용 Meter-out 방식 - 피스톤에항상배압이작용 - 동력손실이크다. - negative(-) 부하작용시피스톤의폭주방지 Bleed-off 방식 - 부하압력은펌프토출압과같다 - 동력손실이적어효율이좋다 - 부하변동이심할때펌프토출량이변함 (a) Meter in (b) Meter out (c) Bleed off load Fig. 6.8 유압실린더의속도제어방식 load

제 6 장액츄에이터 6-10 [ 예제61] 6.1] 실린더구동시스템 ref [3], p202 단로드형복동실린더를이용하여테이블을구동하고자한다. 피스톤직경은 150mm, 로드직경은 85mm이다. 피스톤속도 12m/min, 가속시간은 0.4s 이다. 실린더배압은 5 2 kgf / cm 이다. 피스톤행정은 1000mm이다 테이블의중량은 1 ton, 마찰계수는 0.22 이다. 실린더의압력효율은 90% 이다. 위의조건에서테이블을전진시키는데필요한 (1) 압력 p (2) 소요유량 Q 을구하라. p, Q table 2 [ 답 ] (1) 5.48 kgf / cm (2) 211.9 lpm

제 6 장액츄에이터 6-11 [ 예제62] 6.2] 실린더구동시스템 ref [4], p22 압력보상밸브를설치한 meter-in ee 회로를 f = 100 N 이용하여실린더의속도를제어하는시스템이있다. 피스톤직경은 60mm, 로드직경은 25mm 이다. 피스톤부하와마찰력의크기는회로도와같다. 펌프의용량은 20 ml/rad, 회전수는 1000rev/min 이다. 펌프의체적효율은 92%, 기계효율은 80% 이다. 전진동작의정상상태에서, (1) 펌프구동에필요한동력과 (2) 회로의전효율을 구하라. η L in C C p =20 ml/rad n p =1000rev/min B A Q 1 Q 2 Q 3 PC v = 600 mm/s to rest of circuit F = 6000 N set at 150bars [ 답 ] (1) 39.4 KW (2) 9 % Q e

제 6 장액츄에이터 6-12 Basic Modeling of Dynamic Cylinder ref [2], p102 Continuity eq. Q 1 0 dv = dt 1 V1 + β dv 2 V 2 0 Q2 = + dt β e dp dt 1 dp dt 2 Q e + 부호를그림과같이설정하고, 위의식을단순화함. Q 1 = Eq. of motion A u 1 + V1 β e dp dt du P 1 A1 P2 A2 = m + dt 1 f L Q 2 = A u 2 V2 + β dp dt 2 e Q Q2 1 P P 1 2 V1 V2 A1 A2 u load mass m Fig. 6.9 유압실린더의모델링 f L

제 6 장액츄에이터 6-13 기어모터 (Gear Motor) 구조 토크발생 Low pressure High pressure Fig. 6.10 기어모터의구조

제 6 장액츄에이터 6-14 베인모터 (Vane Motor) 베인과토크발생 Balanced vane motor Fig. 6.11 베인모터의구조

제 6 장액츄에이터 6-15 베인모터 (Vane Motor) 의 Rocker Arm Fig. 6.12 베인모터의 Rocker Arm

제 6 장액츄에이터 6-16 사판식피스톤모터 (Swash-Plate Piston Motor) 내부구조 토크발생 Fig. 6.13 사판식피스톤모터의구조

제 6 장액츄에이터 6-17 사축식피스톤모터 (Bent-Axis Piston Motor) 내부구조 토크발생 Fig. 6.14 사축식피스톤모터의구조

제 6 장액츄에이터 6-18 유압모터의효율과동력 용량 q 이론발생토크 m 회전수 N Q q N 이론공급유량 th = m 마찰부하토크 모터내외부누설유량 실제유효토크 실제공급유량 체적효율 Q l Q = Q + th η = v Q th Q Q l 이론동력 공급동력 실제발생동력 기계효율 Lth = pqth = T L in = pq T = th T f T pq m 2π = T th T f η = T m T th p, Q th N Q l L out = T N T, N T f 전효율 L out η = = η η v m Lin Fig. 6.15 유압모터의모델링

제 6 장액츄에이터 6-19 [ 예제63] 6.3] 유압모터의효율과동력 유압펌프와유압모터로구성된구동장치 가있다. 펌프쪽전동기는회전수 2000rpm, 8PS의동력이소요되고있다. 2 펌프의토출압 p= 70 kgf / cm, p, Q 토출량 Q=45 lpm 이다. q m η = 유압모터의변위 = 40cc/rev, 효율 =90% 이다. t η v (1) 유압펌프의토크효율, 전효율 (2) 유압모터축의유효토크, 회전수 M 2000rpm, 8PS T, N load 를구하라. η [ 답 ] (1) =92.1%, =87.5% t η (2) T= 401.3 kgf cm, N=1012.5 rpm

제 6 장액츄에이터 6-20 액츄에이터제어방식의비교개념도 Valve controlled actuator Hydraulic Power Source Power Control Devices Hydraulic Actuators Pump controlled actuator Hydraulic Power Source Hydraulic Actuators Self controlled actuator Hydraulic Power Source Hydraulic Actuators Fig. 6.16 액츄에이터제어방식의비교개념도

제 6 장액츄에이터 6-21 액츄에이터제어방식의비교회로도 Command Controller Servo valve (a) Valve controlled system Servo valve Motor Position Transducer Cylinder Command Controller (b) Pump controlled system Fig. 6.17 액츄에이터제어방식의비교회로도

제 6 장액츄에이터 6-22 Valve Controlled Motor System Modeling ref[6], p135 Servovalve + motor + load 조합시스템 * Servovalve flow eq Q L = K x * Motor flow eq L Q * Load eq L = q q m v dθ dt K m c P + C d θ dt L tm P L Vt dp + 4β dt dθ dt 2 m m T = ( P1 P2 ) qm = Jt + Bm + G θ m + 2 e L T L * Hyd undamped nat. freq * Hyd damping ratio * Hyd spring rate K h δ h ϖ h Fig. 6.18 밸브에의해제어되는모터시스템의구조

제 6 장액츄에이터 6-23 Pump Controlled Motor System HST(Hydrostatic Transmission) 의유형 HSTs : hydrostatic transmissions Pip ping term Open circuit Closed circuit Discontinuous flow Continuous flow (interrupted) (uninterrupted) Control term Open loop Closed loop Open loop Closed loop No feedback Feedback No feedback Feedback T o N o Command Transducer T o N o Command Transducer T N o o T o N o Fig. 6.19 HST 의유형

제 6 장액츄에이터 6-24 HST 의장점 빠르고정확한무단변속과제동 속도 / 토크의작동범위가넓다 과부하시손상이없다 설계와장착의유연성이크다 관성과토크가큰고출력에적합 부하와속도의변화가심할때기계식변속장치보다적합 open circuit HST 속도와토크가한방향 오버런닝시캐비테이션발생 사용범위가제한양방향펌프와모터장착보조부품추가 -유량보충밸브 -플러싱밸브 - 체크밸브 closed circuit HST 장점의극대화

제 6 장액츄에이터 6-25 HST 의특성곡선 Fig. 6.20 HST 의특성곡선

제 6 장액츄에이터 6-26 [ 예제64] 6.4] 가변용량형펌프 + 가변용량형펌프조합 HST ref[4], p53 펌프규격 : 용량 q p η pv = 0~80 ml/rev 체적효율 = 85% 전동기규격 : 회전속도 N = 1000 rpm 전효율 η = 89% η η η mv 모터규격 : 체적효율 = 93% 토크효율 mt = 87% 펌프-모터간고압쪽관로 : 8bar 마찰손실모터를제외한 HST의전효율 = 60% η 위의조건에서, 펌프용량이최대값의 50% 에서구동하고유압모터축에 12KW가가해졌을때 (1) 펌프토출압 M set at 270 bar (2) 보충펌프유량 (3) 릴리이프밸브가동작하기전까지가할수있는가능한부하증가율 (4) 유압모터가최소속도 200 rpm 으로작동할때, 모터최대용량 (5) 전기모터에의공급동력 [ 답 ] (1) 255 bar (2) 108.7 ml/s (3) 6.1 % (6) 펌프의기계효율을구하라. (4)167 ml/rev (5) 22.5 KW (6) 85 % Q 1 Load

제 6 장액츄에이터 6-27 [ 예제65] 6.5] 가변용량형펌프 + 정용량형펌프조합 HST ref[4], p55 펌프규격 : 용량 q p = 0~164 ml/rev ϖ p C p η pt q m = 65 ml/rev C m η mt J 2 m kg m 회전속도 = 25 rev/s p, Q 누설유량계수 = 0.9 ml/bar s 토크효율 = 85% 모터규격 : 용량 누설유량계수 토크효율 = 85% 모터축관성부하 = 1.0 = 0.9 ml/bar s ϖ p M ϖ m T, N J m load 위의조건에서 (1) 펌프용량이최대값의 60% 에서구동하고유압모터가 = 33 rev/s 일때, 유압모터의가속도 ϖ m (2) (1) 의조건에서전동기의출력 (3) 펌프용량이 0에서최대값의 50% 의계단입력을가할때, 모터축의정상상태속도의 63% 에도달시간을구하라. 2 [ 답 ] (1) 156 rad / s (2) 51.4 KW (3) 0.198 s

제 6 장액츄에이터 6-28 Closed-Circuit/Closed-Loop Circ it/closed HST 의제어 In-line single unit HST Inlet port Torque limiting valves 13800 psi 50 psi Low pressure relief valve (make up oil) Pre-charge pump Bypass valve Case drain Fig. 6.21 In-line single unit HST

제 6 장액츄에이터 6-29 Closed-Circuit/Closed-Loop Circ it/closed HST 의제어 Test bench of separate two unit HST Schematic diagram of control valve amp. Controller (PC) D/A pump amp. motor amp. HST Loading Unit Measuring System (80C196) Fig. 6.22HST 의제어를위한블록선도

제 6 장액츄에이터 6-30 Circuit it of HST Test Bench HST main Loading unit OUT IN M t Fig. 6.23 Circuit of HST Test Bench

제 6 장액츄에이터 6-31 엑츄에이터제어시스템응용사례 (1) NC Machine position control system Servo valve Hydraulic motor Work table Ball lead screw Hydraulic pump - + Command Position Transducer Fig. 6.24 액츄에이터제어시스템응용사례 (1) - NC machine position control

제 6 장액츄에이터 6-32 액츄에이터제어시스템응용사례 (2) Web guiding g systemt for paper p making processes Main roll Guide roll Photoelectric cell & Light source Deviation Adjusting cylinder - + Command Servo valve Fig. 6.25 액츄에이터제어시스템응용사례 (2) - Wb Web guiding system for paper making processes

제 6 장액츄에이터 6-33 액츄에이터제어시스템응용사례 (3) Tension control system for paper p making processes Roll Web Hydraulic motor - dancer roll Position Transducer + Command Fig. 6.26 액츄에이터제어시스템응용사례 (3) - Tension control system for paper making processes

제 6 장액츄에이터 6-34 액츄에이터제어시스템응용사례 (4) Thickness control in rolling gprocesses Screw Backup roll Load cell Strip Working roll Thickness gauge Backup roll Fig. 6.27 액츄에이터제어시스템응용사례 (4) - Thickness control in rolling processes Position Detector Automatic Gauge Controller

제 6 장액츄에이터 6-35 액츄에이터의최근동향 (1) ref [2], p21 Servo-actuator (hybrid actuator) servovalve 내장, 또는 valve spool 에 step motor 부착 displacement transducer 내장 ultra-low friction hard wearing sealing fatigue testing m/c 등의 precision control system 용 Fig. 6.28 Servo actuator

제 6 장액츄에이터 6-36 액츄에이터의최근동향 (2) ref [2], p388 Intelligent cylinder counter 를이용한 digital position transducer 부착 stroke 범위내 set point 를자유롭게지정, variable switch 로서사용 servovalve 또는 proportional valve를내장하여위치 / 속도제어시스템의통합요소로사용 Fig. 6.29 Intelligent t cylinder

제 6 장액츄에이터 6-37 참고문헌 [1] Sperry&Vickers, Industrial Hydraulic Manual,1970 [2] John Watton, Fluid Power System, Prentice Hall,1989 [3] 하재현, 최신유압공학, 청문각 [4] A.B. Goodwin, Fluid Power Systems, Macmillan Press,1976 [5] D.McCloy &H.R.Martin, Control of Fluid Power(2nd Ed ), 1980 [6] H.E. Merritt, Hydraulic Control System, 1967