공압의 특성

공압의 특성

공압 기술의 개요

대기의 공기를 밀폐된 공간에 넣고 체적을 변화(축소)시키면 압축공기가 탄생하고, 이 압축된 공기는 에너지를 가지고 있으며, 이 에너지를 유체 에너지 또는 유체 파워라고 합니다. 공압 기술은 공기를 압축하여 이 유체 에너지를 만들고 다시 이것을 유효한 기계적 에너지나 파워로 변환하는 기술을 말합니다.

즉, 공압은 전동기(모터)나 내연기관으로 공기 압축기를 구동하는 것에 의해서 기계적 에너지를 공기 압력의 에너지로 변환하고, 이 공기 압력의 에너지를 적절하게 제어하여 이것을 액추에이터에 공급하여 각종의 기계적인 일을 하는 것입니다. 이들 일련의 요소 기기를 공압기기라고 하고 그 결합체를 공압 장치라고 합니다.

공압 장치의 기본 시스템은 공기압원 장치, 공기 정화 기기, 제어 밸브(압력, 유량, 방향 제어 밸브), 구동 기기(액추에이터)로 구성되며, 가장 일반적인 공압 시스템의 실체도와 회로도를 나타낸 것이 위 그림입니다.

일반적으로 액체 특히 기름을 모체로 하는 동력 전달에 관한 공학을 유압 공학이라고 하고 기술면에서는 유압 기술이라 하는데, 공기를 모체로 하는 동력 전달 및 파워 변환에 관한 공학을 공기압 공학, 공기압 기술이라고 표현해야 하나, 일반적으로는 간단히 유압과 같이 공압이라고 합니다. 자동화 기계에서 각 요소의 운동형태를 살펴보면, 크게 직선운동과 회전운동의 두 가지 형태가 있습니다.

일반적으로 회전운동은 전동기에서 얻게 되고, 직선운동은 전동기의 회전운동을 볼나사나 체인 등의 메커니즘을 이용하여 변환시키거나, 공압이나 유압 실린더 또는 전기 솔레노이드 등에서 얻게 됩니다. 그러나 전동기의 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 시스템은 복잡하기 때문에 코스트가 높아지는 경향이 있습니다. 또한 전기 솔레노이드의 경우는 출력이 작고 이동거리를 크게 할 수 없는 단점이 있습니다. 유압 실린더를 이용하는 방법도 있지만, 유압은 에너지의 발생이나 에너지를 저장할 수 있는 한계성, 에너지의 전달 측면에서 여러 가지 문제가 있어 큰 출력을 필요로 하는 설비나 기계 외에는 부적당하다고 할 수 있습니다.

반면에 공압은 사용하는 에너지를 얻기 쉽고 또하 많은 양을 축적할 수 있어 비상 운전이 가능하고, 특히 취급하기 쉬운데다 비교적 먼 거리라도 자유롭게 이동시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 산업설비 자동화의 직선운동 요소로서 가장 많이 이용되고 있는 현실입니다.

 

공압 기술의 특성

자동화 장치나 산업기계에 이용되고 잇는 동력원과 그 제어 방식에는 기계적 방식, 전기/전자 방식, 유체적 방식 등이 있으며 유체적 방식은 공압 방식과 유압 방식으로 분류됩니다.

이들 방식은 각각의 고유 특성을 지니고 있기 때문에 시스템 설계자나 그 관련 기술자는 시스템에 따라 그에 맞는 가장 적정한 방식을 채용하여야 할 것입니다.

공압 기술의 장점

동력원인 압축 공기를 간단히 얻을 수 있습니다. 공기는 무료이고 그 양도 무한대로 많습니다. 이 공기는 전동기와 컴프레서만 있으면 전력이 계속 공급된느 한 어느 장소에서든 얼마든지 간단히 얻을 수 있는 에너지원입니다.

힘의 전달이 간단하고 어떤 형태로도 전달이 가능합니다. 유체에 의한 힘의 전달로서 멀리 떨어진 위치라도 배관만 있으면 간단하게 전달할 수 있습니다. 또한 기계의 구동축처럼 방향을 맞출 필요가 없고, 경사 방향이나 상방향, 하방향 등 어느 방향이든 자우로 이 전달할 수 있습니다.

힘의 증폭이 용이합니다. 공압 실린더의 용량을 크게 함에 따라 같은 공압으로도 파워를 증대시킬 수 있습니다.

속도 변경이 가능합니다. 공기량의 증감에 따라 작동기기(엑추에이터)의 속도를 조절할 수 있습니다.

제어가 간단합니다. 압축 공기는 압력 조정에 의해 무단 또는 단계적으로 출력을 조절할 수 있으며 이와 같은 압력을 증감시키거나 방향의 변환, 유량조정 등의 조작과 그 제어가 비교적 간단합니다. 이 점이 공압 기술이 자동화에 이용되고 있는 주된 원인입니다.

취급이 간단합니다. 압축 공기는 사용한 공기를 대기로 방출하여도 오염될 염려가 없습니다. 또한 취급에 있어서도 손이나 의류가 오염되지 않고 냄새가 발생하는 일도 없습니다. 이 점이 유압 기술에 비해 특히 장점입니다.

인화의 위험이 없습니다. 일반적으로 사용하는 7kgf/㎠이하의 압력에서는 인화나 폭발의 염려가 없습니다.

탄력이 있습니다. 공기는 압축 가능한 물질이며, 이것은 충격을 받을 때 완충 작용을 합니다. 이 성질을 응용한 것이 차량 등에 사용되고 있는 공기 스프링입니다.

에너지 축적이 용이합니다. 압축이 가능하다는 것은 반대로 압력을 축적할 수 있다는 것으로 공기탱크만으로 축적이 가능하며, 정전 시 비상 운전이나 단시간 내 고속 운전, 축압을 이용한 프레스의 다이 쿠션 등에 이용되고 있습니다.

안전합니다. 유압과 같이 서지압력이 발생하지 않으므로 과부하에 대해 안전합니다.

 

공압 기술의 단점

큰 힘을 얻을 수 없습니다. 공기는 높은 압력을 가하여 압축합니다. 이것은 전 항에서 설명한 것처럼 탄력성이 있어 장점인 반면 유압과 같이 큰 힘은 얻을 수 없습니다. 유압의 경우는 사용 압력 70 kgf/㎠이 일반적이고 300 kgf/㎠까지도 간단히 얻을 수 있습니다. 그러나 공압에서는 압축성과 공압 기기들의 내구성 등으로 인해 10 kgf/㎠까지가 한계이므로 유압과 비교가 안됩니다.

효율이 나쁩니다. 이것은 압축성 유체이므로 액추에이터의 위치 제어가 곤란하고, 또한 부하 변동시 작동 속도가 영향을 받기 때문에 정밀한 속도 제어가 어렵습니다.

 

공압의 이용 분야

최근 자동화에 의한 생산 공정 개선이 가속호 됨에 따라 공압은 여러 분야에서 많이 활용되고 있으며 특히 간이 자동화에 주로 활용되고 있습니다. 또한 전자 제어 기기의 발달과 가격 저하로 공압과 전기/전자 제어가 병용되어 프로그래머블 컨트롤러(PLC)와 매칭 되어 사용되고 있으며 액추에이터도 종래의 ON-OFF적 제어에서 임의 위치 제어를 할 수 있는 아날로그적 운동이 가능한 것도 개발되고 있습니다.

액추에이터에 압축 공기를 공급하여 힘을 얻는 방법과 압축 공기의 분출류를 이용하는 방법이 있습니다. 전자는 자동화에 가장 일반적으로 사용되는 방법이며 후자는 최근에 그 이용 방법이 더욱 주목되고 있습니다. 분출유를 이용하는 예는 공기 커튼, 공압 반송, 에어제트에 의한 검출, 공압 베어링 및 공압 자동 직기 등을 들 수 있습니다.

산업별로는 석유 화학 등의 무휴 운전으로 내환경성이 중시되는 분야, 의료/식품 등 인체에 해를 끼치지 않아야 하는 분야, 차량 등 안전과 신뢰성을 요구하는 분야, 반도체 산업 등의 소형, 기밀, 방진 등을 매우 중요시하는 분야 등 여러 분야에서 이용되고 있습니다.

기능별로는 가공 공정 자동화, 용접 자동화, 포장 자동화, 조립 자동화, 반송 자동화 및 계측 자동화 등에 이용되며 작동 횟수와 빈도도 연간 수 회에서 수억 회 작동하는 분야까지 활용됩니다.