개념 한 쪽
공기압 액추에이터는 압축공기를 동력원으로 하여 직선 또는 회전운동을 만드는 장치이다. 공압계통의 특성인 압축성, 빠른 동작성, 간단한 구조를 이해해야 적정 장치 선택과 제어방식을 판단할 수 있다. 시험문제는 압축기 제어 방식, 공기의 물성, 압축기 형식별 특징, 실린더 추력 계산 같은 기본 원리를 자주 묻는다.
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출제기준 단원 「공기압 액추에이터」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 무부하 조절 방식 판별 | 1 | 무부하 조절에 포함되지 않는 방식 가려내기 |
| 공압의 단점과 적용 범위 | 1 | 공기의 압축성이 제어에 미치는 영향과 적용 적합성 판단 |
| 압축기 형식별 특징 판단 | 1 | 왕복형 압축기의 특성과 단점을 구별하기 |
공기압 시스템은 공기의 압축성 때문에 압력 전달 시 지연과 응답성 저하가 발생하는 점을 특징으로 한다. 이로 인해 공압은 근거리에서 빠른 동작이 요구되는 용도에 적합하며, 원거리 전송이나 정밀한 제어가 필요한 경우에는 한계가 있다. 공기는 비연성이며 저장과 배출이 용이하므로 안전성과 유지관리가 용이한 장점도 가진다.
압축기는 부하 변화에 대응하기 위한 여러 제어방식을 사용한다. 무부하 조절은 압축기를 멈추지 않고 부하를 제거하는 방식으로, 배기 조절·흡입 차단 조절·그립-암(순환) 조절 등이 대표적이다. 반면 흡입량 조절은 흡입밸브의 개도를 조절하여 흡입되는 공기량을 바꾸는 용량 제어 방식으로 분류되며, 무부하 조절과는 개념이 다르다.
압축기의 형식별 특징을 이해해야 한다. 왕복형 압축기는 피스톤의 왕복 운동으로 높은 압력을 만들기 유리하지만 진동과 소음, 압력 맥동이 크다는 단점이 있다. 회전식 압축기(예: 스크류식, 베인식 등)는 연속 회전으로 비교적 평탄한 압력 공급이 가능하고 진동이 적은 편이라는 점을 구분한다. 다이어프램식은 막의 왕복운동으로 압축하는 방식이므로 왕복식의 범주에 해당한다.
공압 액추에이터의 운동 형태도 구분해야 한다. 요동형 액추에이터는 제한된 각도 범위에서 왕복 회전하는 장치로 회전실린더가 대표적이며, 연속 회전이 필요한 경우에는 피스톤 모터나 기어 모터 같은 회전식 모터를 사용한다. 회전 실린더의 상용 회전 범위는 45도, 90도, 180도 등이 일반적이고, 270도와 같은 대각도의 상용화는 드물다.
실린더가 만드는 추력은 압력과 단면적의 곱으로 계산한다. 단위 변환 관계를 정확히 적용하면 MPa와 cm²를 이용해 바로 뉴턴 단위의 힘을 얻을 수 있으므로 단위 환산 실수가 가장 흔한 오류 요인이다.
대표 계산 1 — 실린더 추력 계산: 공급압력이 0.6MPa이고 실린더 단면적이 10cm²일 때 작용력은 압력×단면적 공식으로 구한다. 1MPa는 10N/cm²이므로 0.6MPa는 6N/cm²가 된다. 따라서 F = 6N/cm² × 10cm² = 60N이 된다.
대표 계산 2 — 압축 전후 체적 변화(온도 일정 가정): 표준 대기압 상태에서 시간당 10m³를 흡입하여 700kPa로 압축할 때 보일 법칙(P1V1 = P2V2)을 적용한다. 초기 절대압을 약 101.3kPa로 보고, 만약 700kPa가 게이지 압력이라면 절대압은 801.3kPa가 되어 V2 ≈ 10 × (101.3 / 801.3) ≈ 1.26m³가 된다. 문제에서 주어진 압력의 종류(게이지인지 절대인지)를 확인하는 것이 핵심이라는 점을 유의한다.
압축기는 변동하는 공기의 수요에 공급량을 맞추기 위해 적절한 조절방식에 의해 제어된다. 다음 중 무부하 조절방식이 아닌 것은?
정답 ② · 압축기의 용량 제어 방식 중 무부하 조절 방식은 압축기를 정지시키지 않고 공기를 외부로 방출하거나 흡입을 차단하여 무부하 상태로 운전하는 방식입니다. 여기에는 흡입구를 열어두는 배기 조절, 흡입 밸브를 닫는 차단 조절, 흡입구를 개방하여 대기 중으로 공기를 순환시키는 그립-암 조절 방식 등이 포함됩니다.
흡입량 조절은 용량 제어 방식이며, 무부하 상태의 배기·차단·그립암 조절과 구별된다.
제어밸브의 구동원으로 공기압 사용되는 이유 중 적당하지 않은 것은?
정답 ③ · 공기압을 구동원으로 사용하는 공압식 제어밸브는 구조가 간단하고 내연 기관처럼 폭발 위험이 적어 방폭성이 우수하며 저렴합니다. 그러나 공기는 압축성이 있기 때문에 압축되는 시간 지연 발생 등으로 인해 원거리 전송에는 부적합합니다.
공기는 압축성이 있어 에너지 전달 시 지연이 발생하므로 원거리 전송에는 부적합하다.
왕복형 공기 압축기의 특징으로 맞는 것은?
정답 ② · 질문은 왕복형 공기압축기의 특징을 고르는 문제이다. 왕복형은 피스톤의 왕복운동으로 높은 압력을 얻기 쉬워 고압 운전에 적합하다는 장점이 있다.
왕복형 압축기는 피스톤의 왕복 운동으로 고압 생성에 유리하지만 진동과 소음이 크고 맥동이 심합니다.
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