2. 공압기기
2.1 공기압 발생장치
(1) 공기압 발생장치
대기압의 공기를 흡입, 압축하여 1kg/cm²이상의 토출 압력을 발생시키는 장치
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압력의 범위
(가) 압축기 : 1kg/cm²이상, 압력비는 2이상(나) 송풍기 : 0.1kg/cm² ～ 1kg/cm²의 범위, 압력비는1.1~2(다) 팬 : 압력 0.1kg/cm² 이하의 범위, 압력비는 1.1이하
②출력에 의한 분류 | ③토출압력에 의한 분류 |
소형:0.2kw～14kw | 저압:7kg/cm²～15kg/cm² |
중형:15kw～75kw | 중압:10kg/cm²～15kg/cm² |
대형:75kw이상 | 고압:15kg/cm²이상 |
(2) 공기압축기의 종류
압축공기에너지를 만드는 장치
① 왕복피스톤
(가) 전동기로부터 크랭크축을 회전시켜 피스톤을 왕복운동 시켜 압력을 발생.
(나) 특징 ㉮ 가장 일반적으로 널리 사용되는 압축기이다. ㉯ 압력범위 : 1kg/cm²～수십 kg/cm²범위까지 토출이 가능. ㉰ 공랭식과 수냉식이 있다.
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공랭식-실린더 벽에 fin에의한 방열, fan에 의한 냉각수냉식-실린더, 실린더헤드 등의 외주에 워터 자켓 설치하여 그 사이에 물을 순환하여 냉각
② 베인(Vane)형 압축기
(가) 편심 로터가 흡인과 배출구멍이 있는 실린더 행태의 하우징 내에서 회전하여 압축공기를 토출.
(나) 특징 ㉮ 운전이 조용하다(소음과 진동이 적다) ㉯ 공기를 안정되게 일정하게 공급한다.
③ 스크루(Screw)형 압축기
(가) 나선형된 암수 두 개의 로터가 한 쌍이 되어 이 로터가 서로 반대로 회전하여 축방향으로 들어온 공기를 서로 맞물려 회전시켜 공기를 압축한다.
(나) 특징 ㉮ 소음, 진동이 적다. ㉯ 온동상승이 적다(100℃이하). ㉰ 고속회전이 가능 ㉱ 맥동이 없고 큰 공기탱크가 불필요 ㉲ 습동부분이 적으므로 급유하지 않아도 된다.
④ 루트 블로워(Root Blower)
(가) 두 개의 회전자를 90°위상변화를 주고 흡입된 공기는 회전자와 케이싱 사이에서 밀폐되어 체적변화 없이 공기를 압축한다.
(나) 특징 ㉮ 무급유식으로 소형으로 고압가능 ㉯ 토크변동이 크고 소음이 크다.
⑤ 터보(Turbo)형 압축기
(가) 공기의 동역학적 유동원리를 이용한 것으로 날개(익차)를 고속으로 회전시켜 날개를 통과하는 기체의 운동량을 증가시켜 압력과 속도를 높이는 것.
(나) 특징 ㉮ 운동에너지를 압력에너지로 바꾸어서 압축하는 형태의 압축기 ㉯ 각종 plant, 대형, 대용량의 공기압원으로 사용된다. ㉰ 종류 : 축류식(축방향) 및 원심식(반지름방향) ㉱ 진동이 적고, 고속회전이 가능하며 맥동이 없다. ㉲ 고장이 적고, 무급유 가능
(3) 왕복형과 회전형의 압축기 특성
구분 | 왕복형 | 회전형 |
진동 | 크랭크축에 의해 피스톤을 왕복운동을 시키므로 진동은 비교적 크다. | 스크루형, 베인형 모두 진동이 적다. |
소음 | 토출 밸브 등에 의한 소음은 크다. | 왕복형에 비하여 소음이 적다. |
맥동 | 비교적 큰 탱크를 설치할 필요가 있다. | 비교적 작으며, 소비 공기량이 안정되어 있으면 탱크를 특히 필요로 하지 않는다. |
토출압력 | 저ㆍ중ㆍ고압력 다단 압축이 쉽다. | 고압 성향이 아니다. |
(4) 공기 탱크(Air Tank)
㉠ 일시적으로 다량으로 사용되어도 압력의 변화를 최소한으로 적게하여 시스템의 안정에 기여. ㉡ 공기압축기의 운전간격을 조정함. ㉢ 정전 시에도 일정시간 운전 가능 ㉣ 토출 공기압력의 맥동을 방지 ㉤ 냉각효과로 응축수 분리 * 구성 : 압력계, 안전밸브, 압력스위치 부착
(5) 공기압축기의 사용상 주의점
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* 압축기의 설치조건 ⓐ 저온, 저습장소에 설치하여 드레인 발생 억제 ⓑ 지반이 견고한 장소에 설치(하중 5ton/m²이 되고 접지 설치) ⓒ 유해물질이 적은 곳에 설치 ⓓ 압축기 운전 시 진동고려(방음, 방진벽 설치) ⓔ 우수 염풍, 일광의 직접 노출을 피하고 흡기필터 부착
(6) 공기압축기 제어 방식
(가) 무부하 조절 방식
ⓐ 배기조절 : 탱크내의 압력이 설정된 압력이 되면 압축공기를 대기중으로 방출하여 압력조정 ⓑ 차단조절 : 압축기의 흡입구를 차단하여 압력을 낮추는 방법 ⓒ 그립 암(grip arm)조절 : 압력이 상승하여 흡입측에 그립암이 열려 공기을 압축하지 못한는 방법
(나) on-off 제어 방식
압축기의 운전과 정지를 압력s/w에 의해 반복 조절하는 방법
2.2 공기압축기의 청정화 시스템
(1) 애프터 쿨러(After cooler)
① 목적 : 공기 압축기로부터 배출되는 고온의 압축공기(수증기포함)를 강제적으로 냉각시켜 수분을 분리 제거하는 장치
㉮ 압축기에서 토출되는 공기의 온도는 120～200℃의 고온이므로 압축공기를 냉각 ㉯ 압축공기 온도를 40℃이하로 낮추고 혼입 수증기의 63%이상 제거
② 종류
㉮ 공냉식 : 압축공기가 공급하는 다수의 배관을 fan으로 냉각 ㉯ 수냉식 : 동 pipe의 냉각관 내부에 물을 흐르게 하고 냉각관의 벽을 통해 냉각
(2) 공기건조기(Air dryer, 제습기)
① 사용목적 : 압축공기 속에 포함되어 있는 수분을 제거하여 건조한 공기로 만드는 기기
② 종류
(가) 냉동식 건조기
㉮ 이슬점 온도를 낮추는 원리를 이용한 것 ㉯ 공기를 강제로 냉각시켜 수증기를 응축시켜 수분을 제거하는 방식의 건조기.
1차 냉각시(열교환기) <--차고 건조한 공기, 2차 냉각(냉각기) <--1.7℃까지 냉각
(나) 흡착식 건조기
㉮ 고체 흡착제(실리카겔, 알루미나겔, 활성 제올라이트)를 사용하는 물리적 방식. ㉯ 고체 흡착제 속을 압축공기가 통과하도록 하여 수분이 흡착 하도록 하는 방식의 건조기. 재생하여 사용 가능 ㉰ 건조제의 재생방식 :
건조제는 재생 가능하므로 반영구적 사용 가능(? 3~4년 교체)
ⓐ 압축공기에 의한 방법(더운공기)(Heatless type) ⓑ 외부 또는 내부 가열기에 의한 방법(Heat type) ⓒ 히터 펌프에 의한 방법(Heat pump type)
㉱ 최대 -70℃의 저노점을 얻을 수 있다.
(다)흡수식 건조기
㉮ 흡수액(염화리튬, 수용액, 폴리에틸렌)을 사용한 화학적 방식 ㉯ 장비설치가 간단하다. ㉰ 건조기에 움직이는 부분이 없어 기계적 마모가 적다. ㉱ 외부에너지의 공급이 필요 없다. ㉲ 운전비용이 고가이며 효율이 적다.
(3) 공기필터(Air Filter, 공기여과기)
1. 공기압 발생장치에서 보내져 오는 공기 중에는 수분, 먼지 등이 포함되어 공기압 회로 중에 이물질을 제거하기 위한 목적에 사용되며, 입구부에 필터를 설치한다.
2. 작동원리(원심분리방식) : 유입된 밀어붙어 벽면을 디플렉트 사이에서 선회운동을 하여 비교적 큰 유리방울이나 이물질을 케이스 안쪽으로 밀어붙어 벽면을 타고 낙하되어 밑바닥에 모이게함.
(가) 공기여과 방식
① 원심력을 이용하여 분리하는 방식 ② 충돌판을 닿게하는 분리하는 방식 ③ 흡습제를 사용하여 분리하는 방식 ④ 냉각하여 분리하는 방식
(나) 드레인 배출 형식
① 수동식 ② 플로트식 ③ 파일럿식 ④ 전동기 구동방식 ⑤ 자동 배출기
(다) 필터 엘리먼트의 종류
① 소결금속엘리먼트 : 스테인레스, 청동, 황동 등 미립자를 소결 ② 리본상수지엘리먼트 ③ 금속망엘리먼트 : 스테인레스, 니켈, 황동 등
(라) 여과 엘리먼트에 따른 사용 용도
여과엘리먼트 (틈새:㎛) | 사용기기 | 비고 |
70-40 | 실린더, 로터리 액추에이터, 그밖의 것 | 일반용 |
40-10 | 공기터빈, 공기모터, 그밖의 것 | 고속용 |
10-5 | 공기마이크로미터, 그밖의 것 | 정밀용 |
5이하 | 순유체소자, 그밖의 것 | 특수용 |
(4) 루브리케이터(Lubricator, 윤활기)
공압기기의 공압 실린더나 밸브 등 작동을 원활하게 하기 위함.
벤투리의 작동원리에 의해 작동.
(5) 윤활유
기기의 마모를 적게하고, 마찰력을 감소, 장치의 부식을 방지함.
윤활기의 종류 :
(가) 고정 벤투리식 : 발생된 윤활유 분무량 전부를 송출하고 윤활유 분무 입도도 공기유량에 따라 변하게 되어 있는 방식
(나) 가변 벤투리식 : 공기유량이 변화하여 벤투리부가 가변되어 항상 적정한 공기유속이 유지되도록 하는 방식, 공압기기에 사용.
(다) 윤활유 입자 선별식 : 적하된 윤활유가 공기의 흐름속에 직접 혼입되지 않고 노즐부로 도입된 다음 무화되는 방식으로 공압공구 (공압모터, 헤드라이버 등)의 경우 배관이 길어 윤활유의 비산이 어려운 경우에 사용된다.
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윤활유의 구비조건 및 선정
(가) 구비조건
① 윤활성이 좋을 것 ② 마찰계수가 적을 것 ③ 원활성이 좋을 것 ④ 열화의 정도가 적을 것 ⑤ 마멸, 발열, 소착 등을 방지할 수 있을 것
(나) 윤활유의 선정
① 터빈오일 1종(무첨가) ISO VG 32 ② 터빈오일 2종(첨가) ISO VG 32
＊spindle유 및 기계유는 seal재료 손상이유로 사용치 않음.
(6) 압축공기 조정 유닛(Service Unit)
(가) 필터 (나) 압력조정 유닛 (다) 윤활기
2.3 공압제어밸브
액추에이터(실린더, 모터 등)의 방향 전환(방향제어밸브), 속도증감(유량제어 밸브) 및 출력(압력제어 밸브)등을 제어 및 조절해주는 기기를 공압 제어밸브라 한다.
(1)압력제어밸브(pressure control value)
공기의 압력을 제어하는 밸브를 말한다.
1.감압밸브(Reducing Value) 공기 압축기에서 공급되는 압축공기를 감압시켜 회로내에 압축 공기를 일정하게 유지시켜 주는 밸브.
(가) 직동형, 파이럿형(내부, 외부) (나) 릴리프형, 논 릴리프형, 블리드형
2. 릴리프 밸브(Relief valve)
(가)회로내 공압이 밸브의 설정값을 넘을 때 배기하여 회로내의 공압을 설정값으로 유지 기능 (나) 안전 밸브로 사용 (다) 회로주의 기기파손 방지, 과다 출력 방지
3. 시퀀스 밸브(Sequence Valve)
(가)공기압 회로에 액추에이터의 작동을 순차적으로 작동시키고 싶을 때 사용하는 밸브.(나)2개 이상의 분기회로를 가진 회로내에서 그 작동순서를 회로의 압력에 의해 제어
4. 무부하 밸브(Unload Valve)
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압축기에서 탱크압력이 설정압력에 달하면 압축공기를 내지 않고 단순히 공기가 실린더 안을 출입만을 하는 무부하 운전상태.
(가)압축공기내의 공압 조절 (나)설정압에 도달하면 무부하 운전
5. 압력스위치
(가)회로내의 압력이 일정압보다 상승하거나 하강시에 압력스위 치의 마이크로 스위치가 작동하여 전기 회로를 열거나 닫도록하는 기기. 압력 스위치의 접점를 전기신호로 변화시키므로 전공변환기라 한다.(나) 종류: 다이아프램형, 벨로스형, 부르돈관형, 피스톤형
(2)유량제어밸브
공압 액추에이터의 작업속도는 배관내의 유량조절에 의해 제어 되므로 유량을 교축하는 스로틀기구에 의해 속도를 제어하는 밸브.
① 교축밸브(throttle valve, needle valve)
나사손잡이를 돌려 니들을 상하로 이동시키면 공기의 유로 단면적이 변화하여 유량을 가감시켜 조정.
㈎ 작은 지름의 파이프에서 유량을 미세하게 조정하는데 적합 ㈏ 소형밸브는 공기압력신호 전송제어에 사용된다. ㈐ 대형밸브는 주밸브에 설치하여 공급공기량 제어나 정지밸브로 사용된다.
② 속도제어 밸브(speed control valve)
실린더 및 모터의 속도를 조절하는 밸브로 스로틀 밸브와 체크 밸브가 조합 밸브이다.
(가) 작동원리 : 좌측구에서 공기가 유입되면 공기는 체크밸브의 통로는 차단이 되어 흐르지 못하고 교축열림 통 로로 급속히 흐르게 된다.
(나) 속도제어 방식 ㉮ 미터-인 회로 : 실린더에 공급되는 공기량을 조절하는 제어 방식. 공급시의 압축공기가 정마찰 저항보다 상 회하면 공기압력의 저하로 스틱슬립(간헐운동 현상)발생. ㉯ 미터-아웃 회로 : 실린더의 배기량을 조절하는 제어 방식으로 실린더의 이송행정 중에 부하의 변동이 있어 도 비교적 안정된 속도를 얻을 수 있어 미터-인 보다 제어성이 우수하다. ㉰ 블리드오프 회로
(3) 그 밖의 밸브
① 체크밸브(check valve)
(가) 유체를 한쪽 방향으로만 흐르게 하고 역방향으로는 못하게 하는 밸브이다. (나) 공기가 흐르려면 스프링력을 이기고 밸브를 열어야 하는데 이 때의 압력을 최저 작동압력이라 하는데 0.2～0.5kg/cm²이다. (다) 밀폐실부 형상 : 원추형, 볼형, 판형, 격판형
② 셔틀밸브(shuttle valve)- OR밸브, 고압우선 밸브
(가) 공기압 회로를 구성할 때 2개소 이상의 방향으로부터의 흐름을 1개소로 합칠 필요가 있을 때 사용. (나) 밸브의 구조는 입구가 2개소, 출구가 1개소로 되어 있다. (다) 두 개의 신호가 다른 압력일 경우 --> 높은 압력쪽이 출구로 나가게 된다.(고압 우선)
③ 2-압 밸브(two-pressure valve)- AND밸브, 저압우선밸브
(가) 2-압 밸브는 2개의 입구 X와 Y가 있고 1개의 출구가 있다. 압축공기가 2개의 입구에 동시에 작용할 때만 출 구 A에 압축공 기가 흐르게 된다. (나) 안전제어, 검사기능에 사용된다. (다) 두 개의 신호가 다른 압력일 경우 --> 낮은 압력쪽이 출구로 나가게 된다.(저압우선)
④ 급속배기밸브(quick release valve)- 퀵릴리스 밸브
(가) 액추에이터의 배출저항을 적게하여 운동속도를 빠르게 하는 밸브. (나) 귀환속도를 빠르게 하여 시간을 단축시킬 경우 (실린더의 귀한 행정시 일을 하지 않을 경우) (다) 실린더의 최대속도 : 약 1.4배 빠르다.
⑤ 스톱 밸브
㈎ 공기의 흐름을 정지시키거나 흘려보내는 밸브 ㈏ 구조에 따라 글로브 밸브, 게이트 밸브, 콕 등 ㈐ 가격 저렴, 소형이므로 배관의 차단용
(4) 방향제어 밸브(directional control valve)
회로에 있어서 실린더 등 공기의 흐름 방향을 변화하는 밸브 가. 방향 제어 밸브의 분류
㈎ 밸브의 기능에 의한 분류 － 포트수, 위치의 수 ㈏ 밸브의 구조에 의한 분류 － 포핏, 스플, 로타리형 ㈐ 밸브의 조작방식에 의한 분류 － 인력조작방식, 기계방식, 전자방식, 공압방식, 보조방식 ㈑ 포트의 크기에 의한 분류 － 오리피스의 크기, 배관 접속구의 크기, 밸브의 유량계수
① 밸브의 표시법 :
스프링의 의하여 원위치로 되돌아올 수 있는 밸브에서 정상위 치는 밸브가 연결되지 않았을 때의 위치
㉮ 작업라인 : A, B,C 또는 2, 4, 6 ㉯ 압축공기 공급라인(흡입구) : P 또는 1 ㉰ 배기구 : R, S, T 또는 3, 5, 7 ㉱ 제어라인 : Z, T, X 또는 10, 12, 14
② 조작방식에 의한 분류 : 솔레노이드(전자)조작, 공압조작, 기계조작, 수동 조작 방식 등.
③ 밸브의 구조에 의한 분류
㈎ 포핏 밸브(poppet valve)-볼, 디스크, 평판, 원추형
밸브 몸체가 밸브 시트로부터 직각방향으로 이동하는 형식
[특징] ① 포핏 밸브의 이동거리가 짧다. ② 구조가 간단하다. ③ 배압에 의해 밸브의 밀착이 완전하다. ④ 이물질에 강하며, 수명이 길다. ⑤ 포핏 이동에 큰 힘을 필요로 한다.
㈏ 스풀 밸브(spool valve)-슬라이드밸브(세로, 세로평슬라이드)
스풀이란 원통형으로 된 슬리브나 밸브 몸체의 미끄럼면에 내접하여 축 방향으로 이동하면서 관로를 개폐시키는 것으로 이러한 스풀을 사용한 밸브.
[특징] ① 스풀 밸브의 이동거리가 크다. ② 스풀 밸브에 작용하는 힘이 평형되어 있다. ③ 스풀이동에 큰 힘을 필요로 하지 않는다.
㈐ 회전 밸브(rotary valve)
로타리를 회전시켜서 관로를 변경하는 밸브로 판 밸브. 볼 밸브 등이 있으며 수동으로 전환시 이용.
④ 밸브의 기능에 의한 분류
㉮ 포트수 : 밸브 주관로를 연결하는 접속구를 말한다. ㉯ 위치수 : 밸브의 전환상태의 위치를 말한다.
⑤ 솔레노이드 밸브(solenoid valve)
솔레노이드 밸브는 전자석의 힘을 이용하여 밸브를 개폐시켜 공기의 흐름방향을 제어하는 전환 밸브이며, 전기적인 신호에 의하여 작동되므로 산업 기계의 시퀀스 제어에 널리 사용된다.
직류 : 24V(일반), 48V, 12V, 6V 교류 : 22V, 110V
㈎ 직류 솔레노이드 밸브 특징
㉮ 교류처럼 히스테리시스나 화전류에 의한 손실이 없으므로 온도상승이 없다. ㉯ 흡인력에는 맥동이 없고 떨리는 소리가 나지 않는다. ㉰ 과전류에 인한 코일의 파손이 없다.
㈏ 교류 솔레노이드 밸브 특징
㉮ 쉽게 구할수 있어 가격면에서 안정적이다. ㉯ 전력은 흡수시커지나 흡입 후에는 작아져 소비전력이 절감. ㉰ 가동철심이 작동 속도가 빠르고 응답성이 좋다. ㉱ 전압, 전류가 시간적으로 변환하기 때문에울리는 소리난다.
(5) 조합 밸브
㈎ 공압 제어 블록
－ 구성요소 : 1개의 5/2way(공압의한 작동), 2개의 3/2way(기계적 작동), 2개의 셔틀밸브, 2개의 교축밸브
－ 단속, 연속 왕복운동,
－ 공/유압 이송기구에 이용
㈏ 시간지연 밸브(time delay valve)
① 3/2-way valve + 속도제어 밸브 + Air tank, ② normally opened, normally closed type ③ 지연시간은 0 ～ 30 초사이, ④ 한시작동(delay ON)시간지연밸브, 한시복귀(delay OFF)시간지연밸브
㈐ 가변 진동 발생기
① 3/2-way valve(N,C) ② 3/2-way valve(N, O)
③ 두개의 속도 제어밸브
－ 속도제어 밸브조정으로 다양한 사이클 시간을 얻음
－ 진동수는 압력, 하중에 의해 결정
－ 실린더의 빠른 왕복운동이 요구될 때 사용
㈑ 압력 증폭기
① 공기 베리어, 방향 근접 감지기 등과 같이 신호 압력이 낮을 경우 사용 ② 1단 압력증폭기 : 격판이 큰 3/2way 밸브, 신호 압력 0.1～0.5 정도 시 사용 ③ 2단 압력 증폭기 : 아주 낮은 압력 증폭 시 0.1～0.2
㈒ 진공 흡입 기기
－ 공압 기기에서 대기압보다 낮은 압력(부압)을 이용하는 것.
① 진공 발생기
- 진공펌프(베인식, 유회전식)사용, - 이젝터사용 구성 : 압력스위치, 공압용 전자밸브, 필터 - 패드 : 워크를 흡착하는 역할 - 재질 : 니드릴고무, 우레탄, 실리콘 고무
② 진공 흡입 노즐 - 벤튜리 원리 이용. - 표면이 깨끗해야 한다.
③ 진공 흡입 헤드 표면이 매끄럽지 않은 곳 사용, 공기 탱크, 급속 배기밸브 내장
(6) 공압 근접 감지 센서 ( 비접촉식 감지 장치)
원리 : 자유분사, 배압장치
㈎ 공기 배리어(Air barrier)
- 분사 노즐, 수신 노즐로 구성, - Px압력 : 0.1-0.2bar, 공기량 : 0.5-0.8m3/hr - 물체 감지거리 : 100mm이하
㈏ 반향 감지기(Reflex sensor)
- 배압원리 이용, - 분사 노즐, 수신 노즐이 합체되어 있다. - Px압력:0.1-0.2bar, 감지거리: 1-6mm, -용도: 검사장치, 계수, 감지 등
㈐ 배압 감지기(Back pressure sensor)
- 가장 기본적인 센서 - 노즐로 공기를 방출하여 물체가 접근하면 배압이 형성된다. - 압력: 0.1-8bar, - 마지막 위치감지, 위치제어에 사용
㈑ 공압 근접 스위치(pneumatic prooxmity swtch)
- 공기 배리어 원리이용, - A신호는 저압이기 때문에 압력증폭기 사용
㈒ 전기 근접스위치 (Electric proximity swtch)
- 영구자석을 지닌 피스톤이 스위치에 접근하면 유리 튜브 안에 있는 두개의 리드가 접촉하게 되어 전기신호를 보내는 것.
㈓ 특징 (전기적인 센서와 비교했을 경우)
⑴ 장점
① 물체의 재질, 색에 무관하게 검출 ② 고온, 진동, 습기, 충격 등에 사용가능 ③ 방폭에도 무관(발열, 불꽃 무관) ④ 검출 목적에 따른 센서 제작 가능 ⑤ 공범위한 검출가능(물체의 유무, 치수, 방향, 요철 등)
⑵ 단점
① 공기류의 영향을 줄 수 있다. ② 공기소비량의 손실이 크다. ③ 응답성능에 주의 (응답속도가 빠르거나, 신호전달이 지연)
⑶ 사용상 주위사항
① 가능한 검출거리를 짧게 한다. ② 증폭에 알맞은 증폭기 사용 ③ 증폭기와 센서의 배관을 짧게 한다. ④ 깨끗한 공기사용 (센서에 나쁜 영향, 노즐이 막힘 발생)
㈔ 공압-전기 신호변환기
-공압제어 시스템과 전기제어 시스템을 연결해주는 공압/전기 변환기가 필요하다. -신호 변환기 : 공압 단동실린더로 작동되는 전기리밋스위치, -공기압력 : 0.6-10 bar
㈕ 완충기(Shock Absorber)
-운동물체가 다른 물체를 향하여 충돌 할 때 이들 물체의 사이에 발생하는 상대 운동 에너지를 정적 에너지를 변환시켜 그 작용력이 적게 미치도록 하는 장치.
⑴ 완충기의 원리와 구조
① 마찰 완충기 : 브레이크 원리 이용, 완충력이 높고, 완충 성능이 좋지 않고 산포가 크다. ② 탄성변형(스프링)완충기 : 금속, 고무, 공기, 액체스프링 이용, 구조간단, 보수용이, 스프링백 현상 발생 ③ 소성변형 완충기 : 금속 소성 변형 이용, 소성변형 힘 산출이 어렵다. 1회밖에 사용 불가 ④ 점성저항 완충기 : 유체의 점성이용 ⑤ 동압저항 완충기 : 오리피스부분의 유체 통과 시 발생한 반력에 의한 중력을 이용
2.4 공압 작업 요소
유체에너지를 이용하여 기계적인 운동으로 변화시키는 기기로 직선운동을 전달하는 겅우는 실린더, 회전운동을 전달하는 경우는 모터가 사용되며, 요동운동을 전달하는 요동형 액추에이터가 있다.
(1) 공압 실린더 공압 장치 내에서 공기의 압력에너지를 직선운동으로 변환하는 것이다.
① 공압 실린더의 구조
㈎ 실린더 튜브 : 실린더를 구성하여 그 내부를 피스톤이 왕복운동을 한다. ㈏ 헤드커버 : 급배출 구멍 및 변위를 외부로 전달한다. ㈐ 피스톤 로드 : 피스톤의 출력 및 변위를 외부로 전달한다. ㈑ 피스톤 : 실린더를 왕복운동하며, 실린더 내의 발생출력을 외부로 전달한다. ㈒ 밀봉장치 : 고정용(개스킷) 및 이동용(패킹) 실(seal)로 구성. ㈓ 타이로드 : 커버를 실린더 튜브에 부착시키는 방법
② 공압 실린더의 종류
㈎ 구조와 작동방식에 의한 분류
분류 | 특징 |
한쪽 로드 복동 실린더(피스톤형) | 공압을 피스톤을 양쪽에 공급할 수 있는 것으 로, 한쪽 로드의 피스톤 방식의 것이 일반적이다. |
양쪽로드 복동 실린더(피스톤형) | 공압을 피스톤의 양쪽에 공급할 수 있는 양쪽 로드 피스톤 방식의 것으로, 양쪽의 수압 면적이 동일하다. |
단동 실린더 | 고압은 한쪽에 공급하고, 되돌아옴은 보통의 외력 또는 스프링에 의한다. |
램형 실린더 | 피스톤 지름과 로드 지름이 같은 말하며, 출력 축인 로드의 강도를 필요로 할 때 사용된다. |
다이어프램 실린 더(비피스톤형) | 수압 가동부에 다이어프램 또는 벨로스를 사용한 것인데, 행정은 길게 할 수 없으나 봉함 능력이 좋다. |
㈏ 쿠션의 유무에 따른 분류 : 실린더 행저의 끝에서 실린더가 커버에 충격적으로 닿지 않도록 설치한 쿠션장치 의 유무에 따라서도 분류된다.
쿠션장치에는 공기의 압축성을 이용한 가변식, 탄성체를 이용한 고정식이 있다.
㈐ 지지형식에 의한 분류
① 고정식 : 풋트형(축직각:LA, 축방향:LB) 플런저형(로드측:FA, 헤드측:FB) ② 요동형 : 크레비스형(1산:CA, 2산:CB) 트라니언형(로드측:TA, 헤드측:TB, 중간:TC)
㈑ 실린더의 크기 : 실린더 안지름, 실린더 행정의 길이, 로드지 름, 로드나사의 호칭에 따라 분류.
㈒ 특수형 실린더
㉮ 다위치형 공압 실린더
㉠ 복수의 실린더를 직렬로 연결한 실린더로서 서로 행정거리가 다른 위치를 선정하여 제어. ㉡ 컨베이어에서 선반에 물체를 놓을 때, 선별기, 레버의 작동 등의 용도에 사용.
㉯ 탠덤형 실린더
㉠ 두개의 복동 실린더가 1개의 실린더 형태로 조립. ㉡ 길이 방향으로 연결된 복수 실린더를 갖고, 실린더 출력은 복수의 실린더 출력이 되므로 거의 2배의 큰 힘 을 얻을 수 있다. ㉢ 실린더의 직경이 한정되고 큰 힘이 요구되는데 사용된다. ㉣ 단계적 출력제어가 가능하다.
㉰ 텔레스코프형 실린더 : 다단 튜브형 피스톤 로드를 가지고 있으며, 로드의 전장에 비해 긴 스트로크(행정)를 얻을 수 있으며, 속도제어가 곤란하고 전지 끝단에서 출력이 저하된다.
㉱ 충격 실린더(impact cylinder)
㉠ 속도 에너지를 이용한 실린더로서 피스톤에 공기를 급격하게 작동시켜 피스톤을 고속(7.5～10m/sec)으 로 움직이게 된다. ㉡ 프레싱, 플랭징, 리베팅, 펀칭 등의 작업에 이용된다.
㉲ 케이블 실린더 : 양쪽의 피스톤에 케이블(또는 로프)이 부착되어 있는 실린더로 케이블에 장력을 발생시킨 다. 응용은 문의 개폐, 작은 크기로 큰 행정거리가 요구되는 곳에 적용된다.
㉳ 로드레스 실린더: 제한된 공간상에서 긴 행정거리가 요구되는 곳에 사용하며 외부와 피스톤 사이의 강한 자 력에 의해 운동을 전달하므로 내․외부의 실링 효과가 우수하고 비접촉식 센서에 의해 위치제어가 가능하다.
종류 : 슬릿튜브식,마그넷식, 체인식
㉴ 양 로드형 실린더 : 피스톤 로드가 양쪽에 있는 것으로 베어링이 양쪽에 지지하여 축방향의 힘도 어느 정도 견딜 수 있으며 왕복운동이 원활하다. 전․후진 시의 출력이 같은 이점이 있다.
㈓ 공압실린더의 특성
㉮ 실린더 출력(힘)의 계산
㉠ 공압 실린더의 출력은 실린더 안지름, 로드지름, 압력 및밀봉요소의 마찰저항에 의하여 결정된다.
㉡ 계산식
•
추력효율 : 실린더의 효율을 나타내는데 실제의 출력이 실린더의 섭동저항, 로드 베어링부의 마찰 등에 의해 감 소되므로 이것을 보정하기 위한 계수.
•
추력계수 : 공기의 압력이 작을 수록, 실린더의 안지름이 작을 수록 작다.
(2) 공압 모터 공기압 에너지를 기계적인 회전운동으로 변환하는 기구이다.
① 공압모터의 특징
[장점] ① 회전속도, 토크(torque)를 자유로 조절할 수 있다. ② 과부하시 위험성이 없다. ③ 시동, 정지, 역회전 시 충격발생이 없다. ④ 폭발성이 없다. ⑤ 에너지를 축적할 수 있어 비상용으로 유효하다.
[단점] ① 에너지 변환효율이 적다. ② 공기의 압축성 때문에 제어성이 좋지 않다. ③ 부하에 의한 회전속도의 변동이 크다. ④ 배기소음이 크다. ⑤ 부하에 의한 회전시 변동이 크고, 일정 속도를 높은 정확도로 유지하기 어렵다.
② 공압모터의 종류
피스톤형, 베인형, 기어형, 터버형 등이고, 출력은 1.5～19kW.
출력은 공기의 압력과 피스톤의 크기, 행정속도에 따라 결정
구분 | 원리 / 특징 / 용도 |
회전날 개형 | ①원리 : 케이싱으로부터 편심해서 부착된 날개가 끼워져 있다. 따라서 날개의 2매간에 발생하는 수압면적차에 공기압이 작용해서 회전력이 발생한다.②특징 : 고속회전(400-10,000rpm) 저토크형이다.③용도 : 공기압 공구. |
피스톤형 | ①원리 : 피스톤의 왕복운동을 기계적 회전운동으로 변환 함으로서 회전력을 얻는다. 변환방식은 크랭크를 이용한 것, 캠의 반력을 이용한 것.②특징 : 중저속 회전(20-5,000rpm) 고토크형이며 출력은 2-25마력이다.③용도 : 각종 반송장치 |
기어형 | ①원리 : 2개의 맞물린 기어에 압축공기를 공급하여 회전력을 얻는다.② 특징 :고속회전 토크형이며, 출력은 60마력이다.③ 용도 : 광산기계, 호이스트 |
터빈형 | ①원리 : 터빈에 공기를 내뿜어서 회전력을 얻는다.②특징 : 초고속회전 미소토크형이다.③용도 : 치과 치료기, 공압기 공구. |
③ 공압모터의 출력계산
㈎ 발생 토크는 회전속도에 반비례하고 공기소모량은 회전속도에 비례한다. ㈏ 출력은 무부하 회전속도의 약 1/2에서 최대로 된다.
출력(L)=
n : 회전수(rpm), T : 토크(kg․m)
(3) 요동형 액추에이터(oscillating actuator)
① 특징
㈎ 한정된 각도내에서 반복회전운동을 하는 기기. ㈏ 공압실린더와 링크를 조합하여 만들 수 있다.
② 종류
㈎ 베인형 : 원통 케이스를 내부에 고정벽을 설치해서 그 사이를 출력축에 장치한 베인에 직접 압력 공기가 작용 되어 회전한다. 싱글형 : 270~300°, 더블형 : 90~120°, 3중: 60° ㈏ 래크 피니언형 : 피스톤의 왕복운동을 래크와 피니언을 이용 하여 회전운동으로 변화하며, 공기쿠션을 이용 하는 특징이 있다. ㈐ 스크루형 : 피스톤의 왕복운동을 스크루에 의해서 회전운동으로 변환하며, 360°이상의 요동각도를 얻는다.
③ 선정 및 주의사항
㈎ 속도조정 : 속도제어 밸브를 미터-아웃 회로로 구성. ㈏ 외부 완충장치(외주 스토퍼) : 설치필요 ㈐ 축 하중 : 큰 중량의 부하를 직접 축에 부착하면 축과 베어 링에 과부하가 작용되어 파손우려가 있다. ㈑ 부하변동 : 저속(10도/초)의경, 부하 변동이 있는 경우 공-유압 변환기를 사용한다.
(4) 공-유압 조합기기
① 특징
㈎ 정밀한 속도제어나 다단 속도제어를 한다. ㈏ 정확한 다단 포지션(위치) 제어가 가능하다. ㈐ 저압의 압력을 이용하여 고압력을 얻을 수 있다. ㈑ 원활하고 충격 없는 정지를 한다.
② 종류
㈎ 공-유압 변환기(pneumatic-hydraulic converter) : 오일과 압축된 공기의 결합운동에 의해 기름과 공기 를 매개체로 하여 압력을 서로 전달하는 기기.
㉮ 구조 및 작동
㉠ 용기안의 기름표면에 공기압력을 가하면 기름이 이송되어 교축밸브로 통해 흐르게되면 피스톤로드 가 일정한 속도로 작동. ㉡ 귀환행정시 기름은 교축밸브의 체크부를 통해 급속히 빠져 실린더의 귀환속도가 매우 빠르다. ㉢ 압력크기의 변화는 없다. ㉣ 스틱-슬립을 방지하며, 안정된 속도를 얻을 수 있다.
㉯ 공․유압 변환기의 사용상 주의점
㉠ 공․유압 변환기는 수직으로 설치한다. ㉡ 액추에이터 및 배관 내의 공기를 충분히 제거한다. ㉢ 액추에이터보다 높은 곳에 설치한다. ㉣ 정기적으로 유량을 점검하고 부족 시 보충한다. ㉤ 열원의 가까이에서 사용하지 않는다.
(나) 하이드롤릭 체크 유닛 공압 실린더와 결합해서 그것에 있는 교축밸브를 조정하여 실린더의 속도를 제어하 는데 사용한다
㉮ 구조
㉠ 직렬형과 병렬형이 있다. ㉡ 유압실린더의 양쪽에 쳄버를 바이패이스 관로로 접속하고 그 관로의 중간에 교축밸브를 설치한 구조로 되어 있다. ㉢ 내부 유량의 변화를 흡수하기 위한 인덕터가 있다.
㉯ 작동 : 피스톤 로드에 힘이 작용되면 피스톤 로드 운동방향의 쳄버에 유압이 상승되어 반대편의 쳄버에 바 이패스 관로와 교축 밸브를 통해 오일이 흘러 들어가게 된다. 이때 바이패스 관로중의 교축 밸브를 점차 닫 으면 저속으로 진행된다. ㉰ 특징
㉠ 귀환 행정을 급속으로 귀환가능.(체크밸브의 역할) ㉡ 행정구간 중에 작업 속도를 조정가능. ㉢ 폐쇠회로에 의한 오일의 누설이 없다. ㉣ 용도 : 드릴유닛, 이송장치, 클램프 기구 등.
(다) 증압기 공기압을 이용하여 오일의 유입된 증압기를 작동시켜 수배에서 수십배로 유압으로 변환시키는 배 력장치로 일종의 압력 변환기.
㉮ 구조 및 작동
㉠ 공압실린더에 공기가 들어가서 피스톤을 아래로 누르면 단면적의 비해 따라서 증압이 된다. ㉡ 직압식과 예압식이 있다.
㉯ 특징
㉠ 압력비는 4:1, 8:1, 16:1, 32:1이다. ㉡ 최대 작동 공기압력: 10bar이다. ㉢ 공작물의 지지, 용접 전의 이송작업 등에 사용된다.
(5)부속기기
(가) 진공펌프 진공펌프는 송풍기나 공기 압축기의 기능을 반대로 한 것이므로 그 구조가 비슷한 것이 많다. 공 압에서는 보통 대기압 이상의 압력이 사용되며 공작물의 공급, 취출 등의 반송관계에 진공을 이용해서 흡착 하는 방법이 사용
① 진공펌프의 구조 진공펌프의 원리로써 압축공기를 노즐에서 분출시키면 벤투리 효과에 의해 주변의 공기 가 흡인되어 진공압(음압)이 발생한다. 이젝터 펌프에 패드를 접속해서 반송물의 공작물에 접촉시키면 주 변의 고무가 실이 되어서 흡착력(패드의 면적 X음압)이 발생하여 공작물를 흡착한다.
진공압으로서는 100~500mmHg의 음압이 생긴다.
② 진공펌프의 특성
㉮ 어느 용기 내부의 공기를 얼마나 단시간에 배출할 수 있는 가의 기준으로서 배기속도로 성능을 표시하 며, 그 단위의 체적 속도 l/min 또는 l/s 로써 표시된다. ㉯ 얼마나 낮은 생태의 압력으로 할 수 있는가의 기준은 도달 압력으로 표시된다. 그 단위는 Torr(토르)로 써 표시된다. 1 Torr 는 표준 대기압의 1/760이며 1mmHg와 같다.
(나) 배관
① 재료
주배관 파이프 : 구리, 황동, 강관, 전기도금 강관. 플라스틱류 설치하기가 쉬워야 하고 내식성이 있고 가 격이 저렴해야 한다. 동관, 황동관 : 내식성, 내열성이 요구되는 곳 사용. 수지튜브 : 소경의 배관, 구부리는 부분에 사용 나일론, 폴리우레탄 수지튜브가 일반적이다. 고무호스 : 탄성이 커서 구부리기가 쉽지만 사용 시 내유성과 내오존성에 주의.
② 배관라인 주관로는 1/100(1～2%)의 경사가 되도록 설계해야 한다.
(다) 소음기 공압기기에서 발생하는 소음을 줄이는 것.
① 공압시스템에서의 소음발생 ⓐ 공기압축기 유체적 소음(공기압축기의 흡입구 부근에서 공기을 흡입할 때) 기계적 소음(전동기에서 소음발생, 배관, 공기탱크의 맥동에 의한 발생) ⓑ 공압기기 - 공기모터, 공기 공구 등에서 연속적으로 배기될 때 방향제어 밸브 등 급속히 변화되어 압축 공기가 대기로 방출될때 ② 종류 흡입형, 리액턴스형, 조합형, 다목적형 0,5kg/cm2 이하의 배압
