226 Solidworks 팁과 요령
SolidWorks를 효율적으로 사용하는 데 어려움을 겪은 적이 있나요? 이 글에서는 워크플로우를 간소화하고 설계 프로세스를 개선하기 위한 필수 팁과 요령을 소개합니다. 키보드 단축키 마스터하기부터 최적화까지...
어떤 공작기계는 정밀하게 윙윙거리는데 다른 공작기계는 예측할 수 없이 흔들리는 이유는 무엇일까요? 그 해답은 바로 유압 제어 시스템에 있습니다. 이 문서에서는 개방형 루프와 폐쇄형 루프 유압 제어 시스템의 중요한 차이점을 살펴보고 공작 기계 성능에서 각 시스템의 뚜렷한 역할을 설명합니다. 기본적인 방향 제어부터 정교한 피드백 메커니즘에 이르기까지 각 시스템이 정밀도, 안정성 및 응답성에 미치는 영향에 대해 알아볼 수 있습니다. 메커니즘을 자세히 살펴보고 최적의 제어와 효율성을 위해 어떤 시스템이 적합한지 알아보세요.
유압 제어 시스템은 정교한 유압 부품과 정밀 트랜스듀서로 구성됩니다. 주요 요소로는 방향 제어 밸브, 압력 제어 밸브, 유량 제어 밸브, 유압 펌프(기어, 베인, 피스톤 펌프 등), 액추에이터(실린더 및 모터), 어큐뮬레이터 및 유체 조절 장비 등이 있습니다.
유압 제어 기술은 높은 출력 밀도, 빠른 응답, 부드러운 작동이라는 고유한 특성으로 구별되는 최신 자동 제어 시스템의 초석입니다. 컴팩트한 패키지로 큰 힘과 토크를 생성하는 능력, 뛰어난 과부하 보호 기능, 정밀한 모션 제어 기능 등이 대표적인 장점입니다.
이 기술은 첨단 전자 유압 서보 시스템에서 볼 수 있듯이 전자 기계와 유체 동력 시스템 간의 시너지 효과를 잘 보여줍니다. 이러한 시스템은 동적 응답 및 네거티브 피드백 메커니즘을 갖춘 폐쇄 루프 제어를 활용하여 고정밀 포지셔닝 및 힘 제어를 달성합니다. 기계, 전기, 유압 하위 시스템의 통합으로 까다로운 산업 요구 사항을 충족할 수 있는 다재다능하고 견고한 동적 시스템이 만들어집니다.
유압 제어 기술의 광범위한 채택은 수많은 산업에 걸쳐 있으며, 각 산업은 각각의 장점을 활용하고 있습니다:
전자기계 제어 시스템과 마찬가지로 유압 제어 시스템도 개방형 루프와 폐쇄형 루프 제어로 나눌 수 있습니다.
이 둘의 차이점을 설명하기 위해 공작 기계 이동 빔 제어를 예로 들어 보겠습니다.
공작 기계 이동 빔은 일반적인 제어 대상이며 공작 기계의 워크벤치 본체 역할을 합니다. 공작 기계 본체의 슬라이드 가이드에 장착됩니다.
공작 기계마다 모션 빔에 대한 성능 요구 사항이 다릅니다. 예를 들어, 표면 연삭기의 모션 빔은 일정한 수평 왕복 동작만 필요하며 변위를 정밀하게 제어할 필요가 없습니다.
반면, NC 머시닝 센터 또는 CNC 밀링 머신의 모션 빔은 정밀 이송 동작에 사용되며, 적절한 가공 품질을 보장하기 위해 이동 변위를 정밀하게 제어해야 합니다.
전기 유압식의 경우 브레이크 누르기램의 이동 거리도 일정한 굽힘 각도를 유지하고 굽힘 효과 감소를 방지하기 위해 높은 정확도가 필요합니다.
개방 루프와 폐쇄 루프 유압 제어의 차이점을 더 잘 이해하기 위해 공작 기계 이동 빔을 제어 대상으로 사용하고 전자기 방향 밸브, 전자기 비례 방향 밸브 및 전자 유압 서보 밸브를 주요 제어 구성 요소로 사용하여 세 가지 일반적인 유압 제어 시스템을 구축합니다.
유압 제어 방식은 그림 1.1과 같이 일반적인 표면 연삭기의 수평 왕복 작업대에 사용할 수 있습니다.
이 유압 제어 시스템은 전자기 방향 밸브를 사용합니다.
3위치 4방향 전자기 방향 밸브가 제어 장치 역할을 하며, 이동 스위치 또는 근접 스위치가 지침을 제공합니다. 전기 릴레이는 논리적 컴퓨팅 네트워크를 형성합니다.
이 설정은 제어 신호 로직 작동과 전력 증폭을 가능하게 하여 전자기 방향 밸브를 제어할 수 있는 충분한 전자석을 생성합니다.
전자기 방향 밸브의 밸브 코어는 왼쪽, 중간, 오른쪽의 세 가지 위치가 있으며 오일 회로 차단기와 스위치를 제어할 수 있습니다.
각 밸브 포트는 완전 개방과 완전 폐쇄의 두 가지 상태만 있으므로 전자기 방향성 밸브는 전자기 유압 스위치 밸브로 분류됩니다.
전자기 방향 밸브는 오일 회로 작동을 시작 및 중지하여 이동 빔을 제어할 수 있지만 이동 빔의 속도를 조정할 수는 없습니다.
움직이는 빔의 속도를 조절하기 위해 유압 제어 시스템에 스로틀 밸브가 설치되어 스로틀 제어를 수행합니다.
밸브 개방을 조정하여 스로틀 압력 차이를 조절함으로써 탱크로의 오일 흐름을 바꾸고 유압 실린더로의 유압 오일 유입 및 유출을 간접적으로 조정하여 궁극적으로 빔의 속도를 변경할 수 있습니다.
그림 1.1 제어 시스템에 전자기 방향 밸브를 채택하기 위한 다이어그램
무브먼트 빔의 속도는 스로틀 밸브로만 제어할 수 있으며 전기 제어로는 제어할 수 없습니다. 이로 인해 빔의 속도가 갑자기 변하고 진동이 심하게 발생합니다.
전자기 방향 밸브를 사용하는 유압 제어 시스템의 원리는 그림 1.2에 나와 있습니다.
제어 신호는 트래블 스위치에 의해 생성되며 논리 제어 장치(0 또는 1)입니다.
릴레이 네트워크는 제어 신호에 대한 논리 연산을 수행하고 해당 전자석에 전원을 증폭하여 해당 밸브 코어를 움직이게 합니다.
그 결과 밸브 코어의 세 위치가 왼쪽에서 오른쪽으로 바뀌고 유압 제어 흐름이 출력되어 유압 실린더를 구동하고 공작 기계 이동 빔을 움직입니다.
그림 1.2 전자기 방향 밸브 제어 시스템 채택을 위한 다이어그램
전자기 방향 밸브와 릴레이로 구성된 유압 제어 시스템은 간단한 제어 명령만 생성할 수 있습니다.
제어 신호는 단방향이며 제어 대상의 전진 방향으로만 흐릅니다.
이 제어 시스템은 개방형 루프 제어 시스템입니다.
제어 대상에 대한 제어 명령의 응답 시간은 신호 전송 경로에 있는 각 구성 요소의 응답 시간에 따라 달라집니다.
그러나 제어 명령 신호가 단순하기 때문에 제어 시스템이 출력 명령 신호를 추적하지 않아도 문제가 없습니다.
구성 요소가 교란되어 잘못된 움직임이 발생하면 시스템이 자동으로 오류를 수정하거나 보정할 수 없습니다.
비례 전자기 방향 밸브는 고성능, 고가의 전자기 유압 밸브 유형입니다.
수치 제어 표면 연삭기(작업대 변위의 정밀한 제어가 필요하지 않은 경우)와 같이 더 높은 성능이 필요한 무브먼트 빔 제어의 경우, 그림 1.3과 같이 비례 솔레노이드 밸브를 제어 장치로 사용하여 저충격, 저진동 유압 제어 시스템을 구성할 수 있습니다.
그림 1.3 제어 시스템에 비례 전자기 방향 밸브를 채택하기 위한 다이어그램.
비례 유압 밸브는 전기 신호를 사용하여 밸브 코어를 제어하여 점진적으로 움직입니다.
따라서 밸브 개방의 점진적인 변화를 제어하기 위해 비례 유압 밸브의 압력 강하와 유량을 조정하여 유량과 제어 신호 간의 비율을 변경할 수 있습니다.
프로그램 컨트롤러는 움직이는 빔을 제어하기 위해 전기 신호를 생성하여 전기 신호의 점진적인 변화를 통해 빔의 이동 속도를 제어하고 조정할 수 있도록 합니다. 그 결과 최소한의 충격으로 빔의 이동 속도와 방향을 부드럽게 변경할 수 있습니다.
비례 전자기 방향 밸브를 사용하는 유압 제어 시스템의 원리는 그림 1.4에 나와 있습니다.
제어 신호는 프로그램 컨트롤러에 의해 생성되며 비례 솔레노이드 밸브의 해당 비례 전자석을 제어하기 위해 비례 증폭기에 의해 증폭되는 아날로그 제어 신호(연속 전기 신호)입니다.
이를 통해 지속적으로 변위를 조절하고 유압을 지속적으로 변화시켜 오일 흐름을 제어하고 오일 실린더를 구동하여 공작 기계 빔의 움직임을 실현합니다.
비례 전자기 방향 밸브를 사용하는 유압 제어 시스템에서는 각도 제어기를 사용하여 연속적인 기울기 제어 명령 신호를 내릴 수 있지만 제어 신호는 단방향이며 제어 대상의 정방향으로만 흐릅니다. 이것은 개방형 루프 제어 시스템입니다.
명령 시스템은 연속적인 기울기 신호를 보낼 수 있고 시스템 출력은 명령 신호를 추적할 수 있지만 추적 정확도가 낮고 응답 속도가 느리며 신호 전송 구성 요소의 응답 시간에 따라 달라집니다.
간섭으로 인한 오류는 자동으로 보정되지 않습니다.
그림 1.4 제어 시스템에 비례 전자기 방향 밸브를 채택하기 위한 다이어그램.
NC 머시닝 센터의 작업 테이블 이동은 가공 공정에서 매우 중요한 부분으로, 높은 정밀도와 빠른 응답 속도가 요구됩니다.
이 경우 전기 유압식 서보 제어 시스템을 사용할 수 있으며, 전기 유압 서보 밸브가 제어 장치 역할을 합니다.
전자 유압식 서보 밸브는 정밀한 제어와 빠른 응답 속도를 갖춘 고성능 유압 제어 장치이지만 가격이 비쌉니다.
전자 유압식 서보 밸브는 제어 대상을 일시적으로 개방형 제어 모드로 구동할 수 있는 전자 유압식 폐쇄 루프 제어 시스템에서 자주 사용됩니다.
전기 유압 서보 밸브를 사용하는 공작 기계 이동 빔의 유압 제어 시스템은 그림 1.5에 나와 있습니다.
공작 기계에는 변위 센서가 장착되어 있어 움직이는 빔의 위치를 감지하고 위치 전압 신호를 생성하여 증폭 후 전자 제어 장치에 신호를 입력합니다.
그림 1.5 제어 시스템에 전기 유압 서보 밸브를 채택하는 다이어그램.
제어 장치는 현재 공작 기계 빔의 위치 전압 신호와 제어 명령 전압 신호를 비교하여 편차 전압 신호를 생성합니다.
편차 신호는 공작 기계 빔의 위치와 제어 명령(빔의 원하는 위치) 사이의 차이를 실시간으로 정확하게 반영하는 연속 아날로그 전압입니다.
편차 신호는 비례 증폭기에 의해 증폭되어 전기 유압 서보 밸브의 토크 모터와 고정밀, 고동적 제어 밸브 코어의 변위를 제어합니다.
이렇게 하면 유압 실린더의 움직임을 구동하고 공작 기계 빔을 이동하는 데 필요한 유압 흐름과 압력이 생성됩니다.
빔의 움직임은 변위 센서에 의해 감지되어 전자 제어 장치로 전송되어 폐쇄 루프 제어 신호를 형성합니다. 이 제어 시스템을 폐쇄 루프 제어라고 합니다.
위에서 설명한 제어 프로세스는 그림 1.6에 나와 있습니다.
이 시스템은 폐쇄 루프 제어 구조입니다.
폐쇄 루프 유압 제어 시스템에서는 제어 대상에 대한 컨트롤러의 순방향 제어 효과뿐만 아니라 제어 대상에서 컨트롤러로의 피드백 효과도 있습니다.
폐쇄 루프 제어 시스템은 높은 정밀도, 빠른 동적 응답, 외부 간섭에 대한 자동 보정 기능을 제공합니다.
그림 1.6 제어 시스템에 전자 유압식 서보 밸브를 채택하는 다이어그램.
개방형 루프 유압 제어와 폐쇄형 루프 유압 제어는 유압 제어의 두 가지 기본 제어 방법입니다.
1. 오픈 루프 유압 제어
기존 및 비례 유압 밸브를 모두 활용하는 개방형 루프 유압 제어 시스템은 유압 변속기 시스템과 상당한 기술적 공통점을 공유합니다. 이러한 공통점은 유사한 유압 부품 및 회로 구성의 사용으로 확장되며, 확립된 설계 원칙과 업계 전문 지식을 활용합니다.
개방형 루프 유압 제어의 시스템 성능은 주로 유압 구성 요소의 개별 및 총체적 성능에 의해 결정됩니다. 전체 정확도는 각 구성 요소의 누적 정밀도의 함수이며, 시스템의 응답 특성은 구성 부품의 응답 시간과 직접적인 상관관계가 있습니다.
개방 루프 유압 제어의 주요 한계는 외부 교란 또는 내부 파라미터 변동으로 인한 출력 변화를 자율적으로 조정하거나 보상할 수 없다는 점입니다. 이러한 고유한 특성 때문에 시스템 설계 및 애플리케이션 선택 시 신중한 고려가 필요합니다.
설계 관점에서 개방형 루프 유압 제어 시스템은 구조적 단순성 및 안정성 요구 사항 측면에서 이점을 제공합니다. 이러한 단순화 덕분에 시스템 분석, 설계 프로세스 및 설치 절차가 더욱 간단해집니다. 또한 설계 접근 방식은 유압 전송 시스템 엔지니어링에서 파생된 광범위한 지식 기반과 경험적 데이터를 활용할 수 있습니다.
개방형 루프 유압 제어와 유압 변속기 시스템의 주요 차이점은 애플리케이션에 중점을 둔다는 점입니다. 개방형 루프 시스템은 일반적으로 고정밀 제어가 중요하지 않고 외부 교란이 최소화되며 내부 매개변수 변동이 제한적이고 느린 응답 시간이 허용되는 시나리오에 배포됩니다.
본질적으로 개방형 루프 유압 제어는 근본적인 비피드백 제어 방법론을 나타냅니다. 컨트롤러는 상호 피드백 없이 제어 대상에 단방향으로 영향력을 행사합니다. 따라서 외부 간섭이나 시스템 변화로 인해 발생하는 오류는 제어 루프 내에서 자동으로 보정할 수 없습니다.
정확도와 응답 속도의 내재적 한계를 고려할 때 개방형 루프 제어 시스템에는 일반적으로 고성능 서보 밸브의 사용이 적합하지 않습니다. 엄격한 작동 요구 사항과 프리미엄 비용 구조가 특징인 이러한 밸브는 일반적으로 우수한 성능 특성을 충분히 활용할 수 있는 보다 까다로운 폐쇄 루프 애플리케이션을 위해 예약되어 있습니다.
결론적으로 개방형 루프 유압 제어 시스템은 특정 애플리케이션에 단순성과 비용 효율성을 제공하지만, 특히 정밀도, 응답 시간 및 방해 제거 기능 측면에서 사용하려는 애플리케이션의 특정 요구 사항에 따라 신중하게 평가해야 합니다.
2. 폐쇄 루프 유압 제어
폐쇄 루프 유압 제어 시스템은 일반적으로 전기 유압 서보 밸브 또는 직접 구동 밸브(DDV)를 주요 제어 요소로 사용합니다. 이러한 고성능 구성 요소에는 폐쇄 루프 피드백 메커니즘이 통합되어 있어 뛰어난 정밀도와 빠른 응답 특성을 구현합니다.
흔히 유압 피드백 제어 시스템이라고도 하는 이 구성은 연속 피드백이라는 기본 원리에 따라 작동합니다. 핵심 개념은 편차를 활용하여 시스템 성능의 불일치를 최소화하거나 제거하는 것입니다.
시스템의 기능은 비교 프로세스를 중심으로 작동합니다. 피드백 유닛은 제어 대상의 상태를 모니터링하여 이 정보를 시스템 명령 유닛의 제어 파라미터와 비교할 수 있도록 전달합니다. 이 비교를 통해 편차 신호가 생성되고, 이 신호는 증폭되어 고출력 유압 제어 밸브를 작동시키는 데 사용됩니다. 이 밸브는 다시 유압 액추에이터와 궁극적으로 제어 대상물을 조절합니다.
이 시스템은 폐쇄형 루프를 형성함으로써 개방형 루프 구성에 비해 뛰어난 제어 정확도와 강력한 간섭 방지 기능을 제공합니다. 그러나 이러한 향상된 성능은 분석, 설계 및 시운전 프로세스의 복잡성을 증가시키는 대가를 치릅니다.
폐쇄 루프 제어의 주요 장점은 고유 정밀도가 상대적으로 낮거나 간섭 저항이 약한 유압 부품을 사용하더라도 높은 정밀도와 강력한 간섭 방지 특성을 달성할 수 있다는 점입니다. 따라서 폐쇄 루프 제어를 구현하여 기존 유압 시스템을 최적화할 수 있어 전반적인 시스템 성능과 제어 효율을 향상시킬 수 있습니다.
폐쇄 루프 접근 방식은 개방 루프 제어 방식으로는 얻을 수 없는 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공합니다:
산업 분야에서 폐쇄 루프 유압 제어 시스템은 정확한 위치, 힘 또는 속도 제어가 중요한 정밀 제조, 로봇 공학, 항공 우주 및 중장비 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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