선형 액추에이터 선정 가이드: 힘, 속도 및 스트로크

신뢰할 수 있는 직선 액추에이터 크기 결정 가이드 는 메커니즘으로 시작하며, 액추에이터 카탈로그가 아닙니다. 하중 경로와 기하학을 정의하고, 최악의 신뢰할 수 있는 액추에이터 축 힘을 계산하고, 필요한 스트로크를 결정하고, 하중 속도를 설정하며, 작동 주기와 장착 제약을 확인한 후, 전체 작동 지점을 실제 액추에이터 구성과 비교하세요.

보다 폭넓은 엔지니어링 워크플로우에 대해서는 다음을 참조하십시오. 전기 액추에이터 선택 가이드.

가장 중요한 크기 결정의 구분은 페이로드 중량이 자동으로 필요한 액추에이터 힘과 동일하지 않다는 것입니다.. 중력, 마찰, 가속도, 장착 각도, 레버리지, 외부 프로세스 하중, 그리고 불균형 하중 분배 모두 액추에이터가 실제로 생성해야 하는 힘을 변경할 수 있습니다.

대부분의 B2B 설계 작업에는 이 순서를 사용하세요:

이동하는 질량, 운동 방향, 기하학, 이동 거리, 사이클 타임, 환경을 정의하세요.
각 중요한 하중 케이스에 대해 자유 물체 다이어그램을 그리세요.
최악의 신뢰할 수 있는 작동 조건에서 직접 힘 또는 힌지 토크를 계산하세요.
불확실성과 위험에 기반한 명시적 설계 여유를 적용하세요.
필요한 움직임을 액추에이터 스트로크 및 설치된 엔드 포인트 길이로 변환하세요.
하중 속도, 작업 사이클, 장착, 안내 및 전기 한계를 확인하세요.
선택된 구성의 현재 사양 및 성능 데이터를 바탕으로 결과를 검증하세요.

이 기사는 방법을 설명합니다. 입력이 정의되면, ServoCylMotion 액추에이터 크기 결정 워크시트 는 다음 선택 단계의 값을 정리하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

1. 힘 계산 전에 입력 정의하기

직선 액추에이터 힘 계산을 하기 전에 메커니즘을 설명하는 데이터를 수집하세요., 원하는 액추에이터 모델에서 시작하지 마세요.

입력	정의할 내용	중요한 이유
이동 하중	페이로드, 고정물, 이동 구조물, 도구, 케이블, 스프링, 프로세스 힘	은 중력, 관성 및 외부 저항을 결정합니다.
모션 방향	수직, 수평, 경사 또는 회전	모션 경로를 따라 어떤 힘 구성 요소가 작용하는지 변경합니다
기하학	장착 포인트, 무게 중심, 힌지/피벗 위치, 액추에이터 각도	지레와 액추에이터 힘의 유용한 구성 요소를 결정합니다
행정	시작 위치, 종료 위치, 여유 공간, 필요한 과도 이동	행정 및 설치 길이 요구 사항을 정의합니다
속도	필요한 하중 이동 속도 또는 이동 시간	실제 힘에서 확인해야 하며, 독립적으로는 확인하지 않아야 합니다
가속도	가속/감속 시간 또는 모션 프로파일	관성력을 추가하고 최고 하중 케이스를 생성할 수 있습니다
주기 프로필	신장 시간, 철수 시간, 대기, 시간당 사이클	열적 의무를 결정합니다
환경	온도, 먼지, 물, 부식, 세척, 오염	인클로저, 재료, 윤활 및 열 요구 사항에 영향을 미칩니다
정지 상태	하중이 힘이나 전원 손실 후에도 정지 상태를 유지해야 하는지 여부	별도의 고정 및 안전 검토가 필요합니다
시스템 제약 조건	전압, 전류, 제어, 피드백, 동기화	사용 가능한 액추에이터 성능을 제한할 수 있습니다

하나의 단위 체계를 일관되게 사용합니다. 아래의 방정식에서 질량은 킬로그램, 힘은 뉴턴, 거리 는 미터, 토크는 뉴턴 미터, 중력 가속도는 대략 다음과 같습니다:

g = 9.81 m/s²

2. 자유 바디 다이어그램에서 시작

선형 액추에이터 크기를 조정하는 가장 재사용 가능한 답변은 의도한 모션 방향에 따른 뉴턴의 제2법칙에서 시작하는 것입니다: ΣF = m a

액추에이터는 원하는 모션에 반대하는 힘을 극복하고 가속에 필요한 힘을 제공해야 합니다. 메커니즘에 따라 다음을 포함할 수 있습니다:

모션 경로를 따라 작용하는 중력의 구성 요소;

가이드, 베어링, 씰 또는 슬라이딩 저항;
가속 또는 감속력;
스프링 힘;
케이블 또는 호스 드래그;
과정 저항;
바람 또는 기타 외부 하중;
각진 작용선으로 인한 기하학적 손실.
geometric losses caused by an angled line of action.

이 모든 것을 설명 없는 "안전 계수"로 결합하지 마십시오. 먼저 알고 있는 하중을 계산하십시오. 불확실성과 변동성을 위해 설계 여유를 나중에 사용하십시오.

수직 리프트

위쪽으로 이동하는 유도 하중에 대한 유용한 첫 번째 모델은 다음과 같습니다:

F_required = m g + F_resistance + m a + F_external

여기서:

m = 이동 질량;
g = 중력 가속도;
F_resistance = 측정되거나 추정된 가이드/메커니즘 저항;
a = 위쪽 가속도;
F_external = 추가 프로세스, 스프링, 케이블, 씰 또는 다른 반대 힘.

일정한 속도일 때, a = 0. 가속 중에는 관성 항이 이동 시작을 정점 힘 조건으로 만들 수 있습니다.

하향 운동은 자체 하중 사례가 필요합니다. 중력이 움직임을 도울 수 있으며, 이는 단순히 더 작은 모터 힘 요구사항이 아니라 제동 또는 하중 유지 요구사항을 생성할 수 있습니다.

수평 슬라이드

수평으로 유도되는 하중에 대해 중력은 일반적으로 이동 방향에 직접 작용하지 않습니다. 힘은 더 자주 가이드 저항, 마찰, 가속도 및 외부 하중에 의해 지배됩니다:

F_required = F_resistance + m a + F_external

하중이 실제로 표면 위에서 미끄러지며 마찰 계수가 정당화되는 경우, 저항은 다음과 같이 추정할 수 있습니다:

F_friction = μ N

수평면의 경우, N ≈ m g, 따라서:

F_friction ≈ μ m g

선형 베어링, 롤러 또는 유도 시스템의 경우, 일반적인 슬라이딩 마찰 계수를 가정하는 대신 실제 메커니즘에 대한 저항 데이터를 사용할 때, 초기 저항은 또한 이탈력이 균형 저항보다 높을 경우 별도로 확인해야 합니다.

인클라인 운동

기울기에서 위로 이동하는 하중에 대해, 액추에이터 힘이 이동 방향과 평행한 경우:

F_required = m g sin(θ) + F_resistance + m a + F_external

미끄럼 마찰이 다음과 같이 모델링되면 μN 액추에이터가 수직력을 변경하지 않을 때:

N = m g cos(θ)

F_required = m g sin(θ) + μ m g cos(θ) + m a + F_external

여기서 θ 는 수평에서 측정한 경사각입니다.

액추에이터가 다른 각도로 장착된 경우, 자유 물체 다이어그램을 다시 그리고 액추에이터 힘을 구성 요소로 분해합니다. 액추에이터의 수직 구성 요소가 법선력을 변화시키고 마찰 항을 변경하는 경우, 단순히 코사인으로 나누는 것을 피하십시오.

3. 힌지 하중은 단순한 무게 공식이 아닌 모멘트 균형이 필요합니다.

뚜껑, 해치, 플랩, 접근 패널 또는 회전 암은 유도 직선 하중과 다릅니다. 액추에이터는 힌지를 중심으로 모멘트를 생성하며, 메커니즘이 움직일 때 지렛대가 변합니다.

간단한 정적 하중의 경우:

τ_load = W × d_perpendicular

여기서:

W = m g;
d_perpendicular 는 힌지에서 하중의 작용선까지의 수직 거리입니다.

액추에이터는 다음을 생성합니다:

τ_actuator = F_actuator × r_actuator × sin(φ)

여기서:

r_actuator 는 힌지에서 움직이는 마운트까지의 거리입니다;
φ 는 액추에이터 작용선과 힌지에서 마운트까지의 팔 사이의 각도입니다.

정적 평형을 위해:

F_actuator = τ_total / [r_actuator × sin(φ)]

스프링, 씰, 잠금 장치, 바람, 공정 또는 관성 모멘트를 추가하십시오. τ_total 에 대해 일관된 부호 규칙을 사용하십시오.

중요한 세부 사항은 φ 움직이는 동안 변화합니다. 액추에이터가 불리한 지렛대 각도에 접근하면, sin(φ) 가 작아지고 필요한 힘은 급격히 증가합니다. 여러 위치를 계산하거나 CAD에서 전체 메커니즘을 평가하십시오. 열린 끝점과 닫힌 끝점만 확인하지 마십시오.

힌지 메커니즘의 스트로크

스트로크는 두 액추에이터 장착 핀 간의 거리 변화이며, 뚜껑 자체의 각도 이동이 아닙니다.

고정 마운트와 이동 마운트 포인트가 반지름에서 위치할 때 L1 및 L2 힌지에서 거리이며, 포함된 각도는 γ, 핀 대 핀 액추에이터 길이는 코사인 법칙으로 계산할 수 있습니다:

L(γ) = √(L1² + L2² - 2 L1 L2 cos(γ))

그럼:

Stroke_required = |L_end - L_start|

계산된 두 끝점 길이를 후보 액추에이터의 실제 재축소 및 확장 크기와 비교하십시오.

4. 작업 예제: 유도 수직 하중

다음 예제는 단지 설명용. 그것은 계산 순서를 보여주지만 ServoCylMotion 모델을 지정하거나 보편적인 설계 여유를 설정하지는 않습니다.

유도된 수직 메커니즘을 가정하면:

이동 질량: 100 kg;
위쪽 가속도: 0.30 m/s²;
측정/추정된 메커니즘 저항: 80 N;
추가적인 프로세스 힘 없음;
하나의 액추에이터가 전체 축 방향 하중을 지지함;
예제 설계 여유: 1.5.

1단계: 중력 힘 계산하기

F_gravity = m g
          = 100 × 9.81
          = 981 N

2단계: 가속도 힘 계산하기

F_acceleration = m a
               = 100 × 0.30
               = 30 N

3단계: 알려진 저항 추가하기

F_peak_calculated
= 981 + 30 + 80
= 1,091 N

정속도로 움직일 경우 가속도 항이 사라지므로 추정되는 작동 힘은 더 낮아질 것입니다. 이 단순한 경우에서 가속도 구간이 더 높은 계산된 조건입니다.

4단계: 예제 설계 여유 적용하기

F_preliminary
= 1,091 × 1.5
= 1,636.5 N
≈ 1.64 kN

결과는 예비 지정 힘 목표입니다., 제품 승인이 아닙니다. 구성을 선택하기 전에 하중 속도, 밀기/당기기 방향, 스트로크, 축소 및 연장 길이, 작업 주기, 환경 조건, 장착, 전기 용량, 제조업체의 등급 기준을 확인해야 합니다.

실제 메커니즘이 충격, 불확실한 마찰, 가변 하중, 인간의 하중, 극심한 온도 또는 안전성에 영향을 미치는 결과가 있는 경우, 설계 여유와 안전 구조는 별도의 엔지니어링 결정을 필요로 합니다.

5. 의도적으로 설계 여유 선택하기

설계 여유는 알려진 힘이 계산된 후에도 남아 있는 불확실성을 고려합니다. 일반적인 이유는 다음과 같습니다:

하중 변동;
마모 또는 오염으로 인한 마찰 증가;
제조 공차;
정렬 변동;
온도 효과;
충격 또는 임팩트;
예상치 못한 프로세스 저항;
다수의 액추에이터 간 하중 불균형.

모든 메커니즘에 대해 올바른 단일 요인은 없습니다.

위험이 적고 잘 특성화된 기계의 경우 불확실성은 작을 수 있습니다. 사람 위에 수직 하중이 걸리거나 충격이 가해지는 기계, 실외 장비, 마찰이 잘 알려지지 않은 메커니즘의 경우 결과와 불확실성은 매우 다릅니다. 회사의 설계 규칙, 적용 가능한 표준, 위험 평가 및 선택된 액추에이터의 정격 방법이 최종 결정을 제어해야 합니다.

또한 분리하십시오 설계 여유 안전 기능과 구분하십시오.더 큰 액추에이터가 단독으로 브레이크, 기계적 저항 장치, 안전 너트, 독립 하중 지원, 보호 장치 또는 기타 요구되는 보호 조치를 대체하지는 않습니다.

여러 액추에이터: 완벽한 하중 공유를 가정하지 마십시오.

간단한 첫 번째 추정값은 n 액추에이터의 수입니다:

F_per_actuator = F_total / n

하지만 이것은 하중이 실제로 고르게 분배된다고 가정합니다.

실제 구조에서는 무게 중심의 오프셋, 프레임 처짐, 장착 허용오차, 제어 타이밍 및 동기화 오류로 인해 한 개의 액추에이터가 명목상의 비율보다 더 많은 하중을 받게 될 수 있습니다. 따라서 다중 액추에이터 시스템은 구조적 강성, 동기화 전략, 필요한 경우 위치 피드백, 최악의 신뢰할 수 있는 하중 불균형을 검토해야 합니다.

6. 스트로크 크기 조정 및 설치된 공간 확인

필요한 스트로크는 하나의 기하학적 검토에 불과합니다.

직접 선형 운동의 경우:

Stroke_required ≥ 필수 하중 이동

링크 및 회전 메커니즘의 경우 각 끝점에서 액추에이터의 핀-핀 거리를 기준으로 스트로크를 유도하십시오.

그런 다음 다음 모든 사항을 확인하십시오:

최소 접혔을 때 핀-핀 길이;
최대 펼쳤을 때 핀-핀 길이;
브래킷 및 클레비스 치수;
몸체, 모터, 케이블 및 움직이는 로드 주변의 간격;
허용오차 누적;
기계적 한계 정지;
메커니즘이 오버센터 또는 정지 상태에 도달할 수 있는지 여부;
중요한 지점에서의 열팽창;
CAD에서의 전체 경로 간섭.

스트로크는 액추에이터가 양쪽 끝점에서 메커니즘에 맞을 때 필요한 이동을 커버해야 합니다.

긴 스트로크는 다른 엔지니어링 한계를 변경할 수 있습니다. 나사 구동 시스템은 고속 나사 회전 시 중요 속도 검사를 수행해야 하며, 긴 연장부가 압축 하중을 받을 때는 좌굴 검사가 필요할 수 있습니다. 이는 구성별 계산이므로 일반적인 스트로크 규칙에 의존하기보다 선택한 액추에이터의 엔지니어링 데이터에서 이를 검증하세요.

7. 하중 속도 및 이동 시간 확인

하중이 알려진 거리에서 알려진 시간 내에 이동해야 하는 경우:

v_required = 스트로크 ÷ 이동 시간

예를 들어, 300 mm 내에 10초 평균 이동 속도가 필요합니다:

v_required = 300 ÷ 10 = 30 mm/s

중요한 사양은 필요한 하중에서의 속도입니다. 모터 구동 액추에이터는 기어링, 모터 특성 및 나사 기하학을 통해 힘과 속도를 거래하는 경우가 많습니다. 높은 힘을 생성할 수 있는 구성은 낮은 힘 버전과 동일한 속도를 제공하지 않을 수 있습니다.

따라서 최대 힘과 최대 속도라는 두 개의 무관한 숫자를 확인하여 설계를 승인하지 마십시오. 동일한 구성, 전압, 방향 및 작동 조건에 대해 필요한 힘-속도 작동 점이 존재하는지 확인하세요.

이동 시간이 촉박할 경우 가속 및 감속도 고려하십시오. 평균 속도가 30 mm/s 필요할 경우, 램프 시간이 포함된 후 더 높은 최고 속도가 필요할 수 있습니다.

8. 듀티 사이클은 열 크기 입력입니다.

듀티 사이클은 액추에이터가 실제로 작동하는 기준 기간의 비율을 나타냅니다.

반복 주기의 경우:

듀티 사이클 (%) =
모터 작동 시간 ÷ 총 기준 시간 × 100

액추에이터가 8초 연장 및 8초 수축하면서, 시간당 30회:

시간당 작동 시간
= (8 + 8) × 30
= 480초

듀티 사이클
= 480 ÷ 3,600 × 100
≈ 13.3%

이 수학적 계산은 시작에 불과합니다. 허용되는 듀티는 실제 구성, 하중, 스트로크, 주변 온도, 방향, 냉각 조건 및 제조업체의 평가 방법에 따라 달라집니다.

높은 하중, 높은 주변 온도, 빈번한 역전, 긴 작동 시간은 열 여유를 줄일 수 있습니다. 실제 사이클에서 과열되는 힘과 스트로크 조합은 적절하게 크기가 조정되지 않은 것입니다.

9. 장착, 정렬 및 측면 하중 점검

리니어 액추에이터는 기계의 가이드 구조로 자동적으로 취급되어서는 안 됩니다.

선택한 액추에이터가 주로 축 방향 밀기/당기기 하중을 위한 경우, 적절한 가이드 레일, 베어링, 롤러, 기둥 또는 구조적 부재를 사용하여 다음을 지탱해야 합니다:

횡 방향 하중;
전복 모멘트;
랙킹;
화물 비대칭;
정렬 불일치 힘.

Pivoting 메커니즘은 액추에이터가 힘줄이거나 하우징이 휘어지지 않도록 작용선의 변화에 따라 따르게 해야 합니다. 브래킷과 핀도 계산된 하중을 전달할 만큼 강하고 뻣뻣해야 합니다.

장착 기하학은 구조가 의도하지 않은 측면 하중 및 모멘트를 지탱하는 동안 액추에이터가 의도한 축을 따라 하중을 유지해야 합니다.

후보자의 실제 장착 안내 및 측면 하중 한계를 확인하십시오. 올바른 안내 배치는 액추에이터 아키텍처에 따라 다르며, 모든 제품이 동일한 허용 모멘트나 횡 방향 하중을 가지리라는 가정을 해서는 안 됩니다.

10. 환경 및 전기 점검 추가

환경 또는 전원 공급이 잘못되면 기계적 크기 조정이 시스템 수준에서 실패할 수 있습니다.

최종 선택 전에 다음을 확인하십시오:

작동 온도;
먼지 및 물 노출;
부식 또는 화학 물질;
세척 또는 오염;
사용 가능한 전압;
안정 전류 및 피크 전류;
케이블 및 연결기를 통한 전압 강하;
커넥터 및 배선 배열;
리미트 스위치 및 끝 이동 동작;
위치 피드백;
동기화 요구사항;
전원 손실 후 동작.

이 점검은 정확한 구성에 대한 사양을 사용해야 하며, 일반적인 가족 가정을 사용해서는 안 됩니다.

최종 선택은 힘, 부하 속도, 스트로크, 듀티 사이클 및 설치된 기하학을 함께 검증해야 합니다.

11. 최종 구성 검증 체크리스트

디자인을 출시하기 전에 계산된 요구 사항을 실제 액츄에이터 구성과 결합된 작동 envelop에 대해 비교하십시오.

기계적

[ ] 최악의 하중 상태에서 필요한 밀어내기 및 당기기 힘
[ ] 관련된 경우 정적/유지 요구 사항
[ ] 스트로크
[ ] 축소 및 연장된 설치 길이
[ ] 하중 속도
[ ] 가속도/감속 요구 사항
[ ] 해당되는 경우 좌굴 또는 임계 속도 한계
[ ] 장착 정렬 및 측면 하중 한계
[ ] 브래킷, 핀 및 지지 구조 용량

열 및 사이클

[ ] 실제 하중에서의 듀티 사이클
[ ] 작동/휴식 패턴
[ ] 주변 온도
[ ] 역전 주파수
[ ] 최악의 열 조건

전기 및 제어

[ ] 전압 범위
[ ] 실행 및 최대 전류
[ ] 컨트롤러 및 전원 공급 용량
[ ] 케이블 전압 강하
[ ] 이동 종료 보호
[ ] 필요 시 피드백 또는 동기화
[ ] 전원 손실 후 안전한 동작

환경 및 검증

[ ] 필요한 침입 방지
[ ] 부식/화학 노출
[ ] 전체 스트로크 여유 공간
[ ] 최악의 하중 및 기하학적 테스트
[ ] 시작/탈락 조건
[ ] 반복 사이클 검증

요구 사항이 정의되고 확인되면, ServoCylMotion 선형 액츄에이터 범위를 검토할 수 있습니다. 힘만 선택하는 것이 아니라 전체 사양에 대해.

12. 계산에서 선택 개요로

좋은 크기 결과는 단일 숫자가 아닙니다. 압축된 엔지니어링 개요입니다:

요구 사항	예시 형식
모션	수직 유도 리프트
최고 계산된 축 방향 힘	1.09 kN
미리 지정된 힘	1.64 kN, 설명적 1.5 배율 사용
스트로크	300 mm
적재 속도	30 mm/s
주기	시간당 30회 연장/축소 사이클
장착	회전 끝, 외부 안내
환경	실내, 정의된 온도 범위
유지/안전	프로젝트 특정 요구 사항
제어	전압, 전류, 종료 한계, 필요 시 피드백

이 형식은 가정을 명확하게 하고 엔지니어링, 조달 및 액츄에이터 공급자에게 동일한 출발점을 제공합니다.

이러한 입력이 있으면, 사용하십시오. ServoCylMotion 액추에이터 크기 결정 워크시트 요구 사항을 정리하고 크기 조정 작업 흐름을 계속합니다. 실제 액추에이터 구성이 현재 제품 데이터와 실제 메커니즘에 대해 확인될 때까지 워크시트 결과를 예비적으로 간주합니다.