Airpot 한국 파트너 YH International

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오늘은 Airpot 사의 무마찰 에어 실린더 어플리케이션에 대해 알아보도록 하겠습니다.

무마찰에 가까운 에어 실린더를 통해 기존의 스프링 구동 방식의 텐션 제어기의 한계점을 넘어 정밀 텐션 제어 어플리케이션에 도입된 실제 사례입니다.

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텐션 제어 이외에도 정밀 포스 제어는

반도체, 의료장비, 테스트 및 측정 장치, 실험실 장비 산업에서 많이 사용되고 있으며

어플리케이션으로는 아래와 같습니다.

Key Applications:

Filament & Wire Tensioning

Positioning and Manipulating Optics

Liquids

Delicate Devices

Super Sensitive Force Control

Counterbalancing and Safety For Vertically Positioned Linear Driven Motor Masses

Measuring Weight, Creep

Tensile Strength and Calibration

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Airpel 실린더는 초저마찰의 부드러운 동작으로 0.5 그램 이하에서 텐션을 컨트롤하여 0.0013인치 구경의 광센서 제작에 투입됩니다.

텐션 제어는 생산 설비에 있어서 널리 사용되는 어플리케이션이지만 정밀 텐션 제어가 반드시 필요한 설비들이 있습니다. 이러한 어플리케이션에서 거의 무마찰에 가까운 에어 실린더는 기존 스프링 방식의 텐션 제어기나 에어 실린더들이 실패한 부분을 성공으로 바꾸어 줍니다. 이미 메이저 광섬유 관련 회사에서는 반복적으로 Airpel 제품을 사용하면서 이를 입증하였으며, Airpel 실린더는 0.1초 미만의 반응속도로 0.5 그램 미만의 텐션제어를 가능하게 합니다.

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와인딩 작업에서 재료가 릴에 감길 때의 텐션을 제어하는 것을 하나의 예로 들 수 있습니다. 재료가 구리 케이블인 경우 텐션 제어의 난이도는 그리 높지 않습니다. 하지만 매우 작은 구경의 깨지기 쉬운 재료의 경우, 텐션 제어의 난이도는 급격하게 높아집니다. 재료들이 늘어지거나 부서지거나 혹은 균일하지 않게 릴에 감길 수 있기 때문입니다. 나노 기술의 광섬유 센서들을 예로 들면, 이 센서들은 의료용 및 기타 고사양 용도로 사용되므로 특수 코팅 처리가 되어 있습니다.

이러한 광섬유의 예시로 0.0013인치 구경의 와이어는 Elastomer로 코팅되어 있으며, 인간의 혈류로 연결되어 혈압, 산소, 인산화탄소, 온도를 모니터링할 수 있는 센서로 사용됩니다. 이는 굉장한 기술이지만 제조하기에는 굉장히 까다롭습니다.

제조 과정에는 광섬유를 회전시키고 뽑아내는 프로세스가 포함됩니다. 우선 압출기에서 광섬유가 뽑아져 나오게 되며, 레이저 측정기는 광섬유 직경을 측정하여 텐션 컨트롤 시스템으로 피드백합니다. 이때 가열기는 폴리머의 분자구조를 정렬하여 유연성과 인장 강도를 높이기 위해 종종 사용됩니다. 텐션 측정은 가열 프로세스 이후 목표한 광섬유 직경에 도달하게 되면 시작됩니다. 텐션 측정기와 다른 레이져로부터 받은 피드백은 다시금 텐션을 제어하는데 사용됩니다.

마침내 완료된 광섬유는 최종 사용자들이 원하는 텐션 사양에 맞게 제어되어 릴에 감기게 됩니다. 최종 사용자가 원하는 텐션 유지력과 사용속도에 맞추는 것이 중요합니다. 대부분의 이러한 어플리케이션에는 스프링 구동의 엑츄에이터를 이용합니다. 즉, 휠을 스프링에 부착하여 포스 변화에 따라 위아래로 움직이며 조절을 하는 것이 대부분입니다.

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하지만 스프링 방식의 텐션 제어가 정밀할까요?

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감는 속도, 휠의 크기, 섬유의 크기와 같은 변수들은 텐션 제어 품질 하락의 원인이 됩니다. 최종 프로세스에서 일정한 텐션으로 릴에 감아야 최종 품질이 결정되는데, 이 변수들을 제어하는데 있어 스프링 구동 엑츄에이터는 효과적이지 못합니다. 또한 텐션의 정도를 변경함에 있어서도 사용자의 손으로 조절하여야만 합니다.

광섬유 관련 제조사들은 정밀 제어가 가능한 텐션 제어기가 필요했습니다.

자세히 말해서, 광섬유의 텐션을 5그램~150그램 사이에서 조정 가능하여야 하며 반복 정화도와 정확성이 0.5그램이어야 했습니다.

이에 도달하기 위해서 엔지니어들은 컴퓨터 제어의 폐쇄루프(Closed-Loop) 시스템으로 자동화 제어를 구축하기로 결심하였습니다.

우선, 광학 인코더를 추가하여 정확한 위치 데이터를 제공하였습니다. 내부적으로 개발한 알고리즘을 사용하여 샤프트의 위치는 폐쇄 루프 시스템에서 구동 모터 속도를 제어하는데 처음 사용되었습니다.

하지만 다른 문제가 발생하였습니다. 제어 시스템이 불안정하다는 것이었습니다. 컴퓨터 프로그램의 제어의 수치를 텐션 제어기가 따라오지 못한 것입니다. 텐션 제어기는 앞뒤로 진동하였고 이는 균일하지 않은 텐션, 광섬유 손상 등으로 이어졌습니다. 해결책은 스프링을 에어 실린더로 교체하는 것이었습니다.

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기존의 에어 실린더는 가능했을까요?

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기존의 에어 실린더는 대부분 고무 재질의 패킹을 사용하기 때문에 불규칙적인 움직임을 보여줍니다. 기존의 에어실린더는 정밀하고 반복 정확한 포스 제어가 불가능했습니다. 왜냐하면 기존의 실린더의 구조적 한계로 인하여 마찰력 발생이 불가피하며 이러한 마찰력은 초기 구동시 그리고 움직이는 동안에도 계속적으로 실린더의 움직임을 방해하기 때문입니다. 이를 해결하기 위해서 초-저마찰 기술이 도입된 Airpel 에어 실린더가 필요했습니다.

Airpel 에어 실린더는 정밀 Pyrex® 글라스 실린더 내부에 맞춤형 장착되는 흑연 피스톤으로 구성됩니다. 이 디자인을 통해 피스톤과 글라스 실린더 사이에 0.0005인치 간격을 발생시키며 이로 인해 가압 시 피스톤이 공기 쿠션에 둘러싸여 있습니다. 그 결과 시동 마찰이나 작동 마찰이 거의 없는 초-저마찰의 에어 실린더가 가능하게 됩니다. Airpel은 마찰을 제거함으로써 공기 실린더가 높은 수준으로 포스를 제어할 수 있습니다.

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