특화교육 액추에이터 Actuator 윤명종 SpaceRobotic & Mechatronics Lab.
Actuator? 인간에비유하면손이나발에해당, 동력처리기구의총칭 ex : 실린더, 모터, 솔레노이드 감각 사고판단 통신 동작 Communication ( 통신 ) Controller ( 제어기 ) 인간의기관들을 4 개로분류한다면기계도이에해당하는것들이있어야하지않을까? Sensor ( 감지기 ) Actuator ( 작동기 )
Actuator 의분류 운동형태에따른분류 왕복형 ( 선형운동 ) 과회전형 : 회전운동동력원에따른분류 공압식, 유압식, 전기식, 기타 Actuator 의조건 빈번한기동 - 정지, 정역회전혹은왕복운동을할수있을것 지령신호나검출신호에따라쉽게제어할수있고응답성도양호할것 회전부분이나운동부분의관성이작으면서발생하는힘이나토크가클것 소형, 경량이며설치, 보수작업이용이할것
최근의 actuator 의동향 소형화와복합화 : - 극소형 actuator에서공기압이나유압은점성영향으로에너지전달능력이떨어짐 - 솔레노이드나형상기억합금은소형이가능 - 대출력용 actuator는복합방식을주로이용 ( 구동은공유압, 제어는전기방식 : 전동-유압시스템 ) - 다기능을발휘할수있도록제어시스템의부가로인하여 actuator 기구의복합화추진 - 산업용로봇관절에는스태핑 (Stepping) 모터가주로사용
각종 actuator 의특징 종류특징용도비고 ( 구성 ) 유압 actuator 고출력누유및 oil 관리 건설기계, 공작기계산업용 robot pump 압축원 배관 servo valve 공기압 actuator 고속이동압축성, 안전, clean 공기압 hand 전차 door compressor 배관 servo valve 전자력 motor 사용이용이 clean, 제어성좋음 용도다수 전원, motor driver 형상기억합금 구조체를겸함응답성이조금느림 안경 frame, joint 등 가열, 냉각 초음파 motor 경량, 소형,brake 불필요 camera lens 구동 등 압전 ceramics
유압 actuator 기본원리 압력전달의원리 : 실린더안에액체를채우고피스톤단면적 A1, A2 에 F1 및 F2 의힘이가해졌을때, 이들사이에마찰이없고이부분으로부터누설도없으며, 또한전달에의한에너지손실도없다고하면, 두개의실린더내에발생하는압력은 파스칼의원리 : 밀폐된용기속에정지유체에가해지는압력은유체의모든부분에동일한힘으로동시에전달된다 F F P = = A A F A2 = F A 2 1 1 2 1 2 1 P1= 10kgf/cm 2 P2= 10kgf/cm 2 A1<A2, F2>F1 이는유압프레스나수압기의원리
유압 actuator 기본원리 연속의법칙 : 출구와입구사이에질량유량이일정함을이용 베르누이방정식 : 관속에서에너지손실이없다고가정하면에너지보존법칙으로부터유도 Mass flow rate is constant (ρva)_inlet = (ρva)_outlet Imcompressible (ρ=const.) Q=VA, Q_inlet = Q_outlet V p V p 2 ρ 2 ρ 2 2 1 + 1 + 2 2 gz = + + 1 gz2
유압 actuator 유압의구성요소와에너지흐름 유압밸브 압력제어밸브유량제어밸브방향제어밸브방향제어밸브 동력원 전동기엔진 유압펌프 유압액츄에이터 유압실린더유압모터 작업대상 유압탱크 전기에너지에너지흐름유체에너지에너지흐름기계에너지 유압의 5 요소
유압 actuator 유압의특징 (1) 장점 1 미세한조작이용이하다. 2 원격조작이가능하다. 3 진동이작고작동이원활하다. (2) 작동유 ( 유압유 ) 의주요기능 1 동력을전달한다. 2 마찰열을흡수한다. 3 움직이는기계요소의마모를방지한다. 4 필요한요소사이를밀봉한다. (3) 작동유 ( 유압유 ) 노화촉진의원인 1 오일의온도가 80 이상으로높을때. ( 정상온도 : 40-60 ) 2 다른오일과혼합하여사용할때. 3 유압유에수분이혼입되어있을때.
유압 actuator 유압장치의기본요소 (1) 유압탱크 1 유압회로내의필요한유량을확보. 2 오일의기포발생방지와기포의소멸. 3 작동유의온도를적정하게유지. (2) 어큐뮬레이터 - 유체에너지를축적시키기위한용기로서내부에질소가스가봉입되어있으며, 다음의역할을한다. 1 유체에너지를축적시켜충격압력을흡수한다. 2 온도변화에따르는오일의체적변화를보상한다. 3 펌프의맥동적인압력을보상한다. 4 유체의맥동을감쇄시킨다.
유압 actuator 유압장치의기본요소 (3) 유압펌프유압펌프는전동기나엔진등에의하여얻어진기계적에너지를받아서기름에압력과유량의유체에너지를주어유압모터나실린더를작동시키는유압장치의기본동력이다. 펌프에는정용량형펌프 (1회전당의토출량을변동할수없는펌프 ) 와가변용량형펌프 (1회전당의토출량을변동할수있는펌프 ) 가있으나일반적으로정용량형펌프가사용된다. 정용량형은밀폐된유실의용량변화에의해기름을흡입, 토출하며흡입과토출쪽은격리되어있어서부하가변동하여펌프의토출압력이변화하여도펌프의토출량은거의일정하여유압장치에적합하다. 1) 기어펌프 : 외접기어펌프, 내접기어펌프 2) 베인펌프 : 1단베인펌프, 2단베인펌프, 각형베인펌프, 가변베인펌프, 2련베인펌프 ( 복합베인펌프 ) 3) 피스톤펌프 : 액셜형피스톤펌프, 레이디얼형피스톤펌프, 리시프트형피스톤펌프
유압 actuator 유압장치의기본요소 (4) 오일냉각기 1 작동유의온도를 40-60 정도로유지시킨다. 2 작동유의온도상승에의한슬러지형성을방지한다. 3 작동유의온도상승에의한열화를방지한다. 4 작동유의온도상승에의한유막의파괴를방지한다. (5) 오일씰 ( 패킹 ) - 오일씰은각오일회로에서오일이외부로누출되는것을방지하는역할을한다. (U 패킹, O 링, 더스트씰 )
유압 actuator 유압 actuator 특징 : - 온도변화에따른유체의점도변화가심해짐. - 낼수있는최대속도가 0.5m/s로매우느리므로빠른속도가요구되는곳에는부적합. -작동유회수를위한귀환라인이필요. -작동유의산폐현상 ( 오염 ) 으로인하여주기적인교환이필요. -작동유자체가윤활유역할을수행하므로별도의윤활유가필요없음. - 압력의응답속도가 1000m/s로공압의50-70m/s보다빠르기때문에응답성이좋음. 종류 : (1) 유압선형액추에이터 - 단동실린더 : 피스톤형실린더, 램 ( 플랜저 ) 형실린더 - 복동실린더 : 차동실린더, 양로드실린더, 쿠션내장형실린더, 텔레스코프실린더, 탠덤실린더 (2) 유압회전형액추에이터 - 요동형유압모터 - 유압모터
유압 actuator 방향제어밸브 스풀벨브 (spool valve)
유압 actuator 압력제한밸브
유압 actuator 유압 actuator 예 Cylinder ΔP P1 P2 F 고압구 Piston 저압구 Piston cylinder 의구조
유압 actuator 유압 actuator 예 회전운동을유도하기위해이용된직선실린더 베인형세미로터리액추에이터
공기압 actuator 공압의구성요소 전동기나내연기관으로부터 ( 기계적에너지를압력에너지로변환 ) 공기압추기구동 제어장치유량및유압제어시스템 액추에이터 각종기계적인일 전형적인공압시스템의구성도
공기압 actuator 공압의특징 장점 : (1) 동력원인압축공기를간단히얻을수있음. ( 에너지원의무한성 ) (2) 힘의전달이간단하고어떤형태로도전달이가능. - 배관만있으면어느곳이든가능하고구동축의일치및방향에무관하게자유로이전달가능. (3) 힘의증폭이용이. - 공압실린더의용량을증가함에따라같은공압에서도파워증가. (4) 속도변경이가능. - 공기량변경에따라액추에이터의속도조절 (Q=VA) (5) 제어가간단. - 압력및유량조절의제어가비교적간단. (6) 취급이간단 - 유출의위험이없음. (7) 인화의위험이없음. (8) 탄력이있음. 완충작용을하며, 차량등의공기스프링에사용됨. (9) 에너지축척이용이 - 압축이가능하므로압력에너지의축적이용이. (10) 저가로장치구성가능, 유압에비해청결 ( 식품, 의료등의분야에적용확대 ) 단점 : (1) 큰힘을얻을수없음. - 압축성 ( 밀도 ) 공압기기의내구성으로인하여 10kgf/cm2 까지가한계. - 유압기기는압력 70 300 kgf/cm2 까지가능. (2) 효율이나쁨. - 부하변동시작동속도가영항을받기때문에정밀제어가어려움.
공기압 actuator 공압장치의기본요소 (1) 공압발생장치 ( 압축기 ) - 압축기는압축을이루는방식에따라용적형과터보형으로분류 1 용적형압축기 : 체적의감소를통해압력을증가시키는압축방식 2 가스의운동에너지를압력에너지로변환시켜압축 왕복식압축기특징 : - 크랭크축을사용하여피스톤이왕복하므로진동은비교적큼. - 밸브, 링크등섭동부가많고회전도느려저주파성소음이많음. - 밸트조절, 바닥기초등설치가어려움. 회전식압축기특징 : - 암수두개의나사의회전으로공간의용적이축방향으로압축 - 고속회전이가능하고저주파소음이없음
공기압 actuator 공압장치의기본요소 공압실린더
공기압 actuator 공압 actuator 예 피스톤실린더 실린더베럴 ( 강판 ) 배어링부시 헤드커버피스톤로드커버스프링피스톤로드 - 피스톤 : 실린터튜브안에서미끄럼운동충분한강도와내마모성요구피스톤과튜브사이에패킹 ( 일반적으로단일체 ) 재질은회주철, 강, 플라스틱, 알루미늄등 - 피스톤로드 : 충분한강도와내마모성요구충격과굽힘모멘트주의 - 베어링부시 : 피스톤의움직임안내 - 로드및헤드커버 : 피스톤의행정의위치결정완충장치가내장된경우주로헤드및로드커버에설치
공기압 actuator 공압 actuator 예 롤링격판실린더 - 압축공기가들어오면격판이실린더내벽을따라부풀어서피스톤로드를바깥쪽으로밀게됨. - 피스톤같이베어링의마찰손실이없음. - 격판의재질과탄성을고려하여선택
공기압 actuator 공압 actuator 예 공압복동실린더 압축공기에의한힘으로피스톤의전진, 후진운동을행함. ( 전진과후진시모두일을할수있음 ) 후진 배기 공급 전진 공급 배기
공기압 actuator 공압 actuator 예 충격실린더 일반적인복동실린더는성형 (Forming) 작업에사용하기에는추력 (thrust force) 이제한을받음. 큰운동에너지 (kinetic energy) 를얻게설계된것이충격실린더이며, 큰충격에너지를얻는가장좋은방법은속도를증가시키는것.
공기압 actuator 공압 actuator 예 회전실린더 피스톤로드가기어의형상을하고있으며, 기어를구동시켜서직선운동을회전운동을변환. - 상업화된회전범위는 45, 90, 290 에서 720 의한정된각도를사용. - 부착된조절나사를사용하여피스톤의행정거리를조절할수있고회전각도도조절가능.
공기압 actuator 공압 actuator 예 피스톤모터 1 행정원심식피스톤모터 4 행정원심식피스톤모터
공기압 actuator 공압근육이란? 공압근육은일반생명체의근육과비슷한방식으로작동끌어당기는힘, 즉수축력을간편하고저렴하게제공압축공기를공급하면힘을발생하며정상크기의약 40% 까지수축 제작방법 1) 공압근육의내부에수축, 팽창이가능한고무재질의튜브를놓고 2) 고무튜브의바깥부분은강력한플라스틱그물이감싼다. 3) 양끝단에고정고리장착 ( 물론 1, 2 번과정에서부터양단고정을고려해야한다.) 의학적인관점에서실제인간의팔의골격, 근육, 신경계등을최대한비슷하게복제하는것을목적
공기압 actuator 공압과유압의차이 1. 공압공기의미는힘을이용하여물체를움직일수가있는데, 이를공압이라고정의. ( 풍선의현상원리 ) 풍선속에가득차있던공기들의작은입구로빠져나오는부분의압과바깥공기의압이서로가다르기때문에이러한현상이생기는것입니다. 2. 유압유압은공압의원리와유사하며, 단지공압에서는공기 ( 기체 ) 유압에서는물, 기름과같은 ( 액체 ) 라는물질의차이. ( 물총의현상원리 ) 방아쇠를당길때물의압이바깥의압보다크게됩니다. 그러면물은압이낮은곳으로나오려고하는원리에의해서작은입구를통해물이빠져나오는것이죠. 3. 유압과공압의차이 ( 비압축성과압축성의차이 ) 공기 ( 기체 ) : 쉽게부피가줄었다늘었다하는성질이있으며, 빠른움직임이필요한곳에사용. 물 ( 액체 ) 는부피가쉽게변하지않는성질을가지고있으며, 공기의비해조금변하기때문에그만큼정밀한움직임이나더큰힘이필요한곳에쓰일수있음.
전기 motor 솔레노이드 (solenoids) 원통형으로길게감은코일에전기를흘려주면자기장이형성됨.
전기 motor DC motor
전기 motor DC motor
전기 motor DC motor 등가회로 토크 - 속도특성
전기 motor DC motor 종류 (a) 직권형 (b) 분권형 (c) 복권형 (d) 타려형 토크 - 속도특성
전기 motor DC motor 의제어 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스폭변조 ) 를이용한모터속도제어 (a) PWM 회로의기본 (b) 전기자평균전압
전기 motor Stepping motor * 스태핑모터 (stepping motor) 1) 펄스에의한제어로일정한각도의회전이용이한모터이다. (ex : 디지털펄스 1 개에 1 스텝당 1.8 ) 2) 디지틀신호로제어하므로컴퓨터로사용하기에용이하다. * 스태핑모터 (Stepping motor) 의특징 디지틀신호에의해일정한각도를돌릴수있는모터이다. 모터의총회전각은입력수의총수에비례하고, 모터의속도는 1 초당의입력펄스수에비례한다. 회전각오차는스텝 (step) 마다누적되지않는다. 유지비가적다. 특정주파수에서진동, 공진이발생하기쉽고관성이있는부하에약하다. 고속운전시탈조 ( 출력이입력속도를따라가지못해중간중간펄스가빠지며심한경우정지해버리는현상 ) 하기쉽다.
전기 motor Stepping motor
신소재를이용한 actuator SMA(Shape Memory alloy) 특징 : - 형상을회복할떄복원력이발생하므로재료그자체가구동력을발생시키는액추에이터 기구의간소화및소형화유리효과 : -형상기억효과 : 일정한온도에서형상을기억시키면형상기억온도보다낮은온도에서변형을시킨경우, 형상회복온도까지가열을하면다시원래의형태로돌아가는특성. - 초탄성효과 : 형상회복온도보다높은온도에서크게구부려도힘을빼면다시원래의형태로돌아오는특성이다. 종류 : -ON-OFF 동작액추에이터 : 전자단자부나케이블외장의과열감지기등 - 연속동작액추에이터 : 각종로봇액추에이터 Ni-Ti 합금은형상회복온도보다고온에서오스테나이트相이라고하는결정구조를취합니다. 이것을냉각하면마르텐사이트相으로형태가변합니다. 이相은외부의힘으로간단하게변형시킬수있습니다. 변형되면결정구조는변형마르텐사이트相으로변하고이것에열을가하면구조가오스테나이트相으로되돌아가기때문에 Ni-Ti 합금의형상도원래의형태로돌아가게되는것입니다.
신소재를이용한 actuator SMA(Shape Memory alloy)
신소재를이용한 actuator 압전 actuator 압전재료는압력이가해졌을때전압을발생하고, 전계가가해졌을때기계적인변형이일어나는소자로서기계적인에너지를전기에너지로, 전기에너지를기계적인에너지로상호변환이가능하며변환효율이매우높은재료이다. ( 교류전압을사용한경우에진동에너지로변화가능 )
신소재를이용한 actuator 초음파 (ultrasonic) motor 압전모터 (piezoelectric motor) 기존모터와달리전자파나고조파등의영향을받지않아정밀제어를요하는로봇 과학장비 의료장비 반도체장비 카메라 군사무기추진체계구동용모터등에사용됨