공압 실린더 속도제어 - 미터인과 미터아웃

실린더 전진속도 제어를 위한 유량제어밸브 미터인 회로

 

실린더가 부드럽게 안 나가고 덜컹거릴 때 실린더나 가이드를 먼저 의심하게 됩니다. 그런데 스피드컨트롤러를 빼서 화살표 방향을 보면 반대로 꽂혀 있는 경우가 꽤 있습니다. 공압에서 속도를 어느 쪽에서 조이느냐는 취향 문제가 아니라 동작 품질이 갈리는 문제입니다.

공기가 압축되기 때문에 생기는 문제입니다

유압과 공압을 가르는 결정적 차이는 작동유체의 압축성입니다. 유압유는 실용 범위에서 사실상 압축되지 않지만, 공기는 압축됩니다. 실린더 안에 갇힌 공기는 유체라기보다 스프링에 가깝게 행동합니다. 미터인과 미터아웃의 차이는 이 스프링을 피스톤 앞에 두느냐 뒤에 두느냐입니다.

미터인은 실린더로 들어가는 공기를 조입니다. 조여진 공급 쪽에서 압력이 천천히 올라가고, 그 압력이 정지마찰을 이기는 순간 피스톤이 움직입니다. 그런데 움직이기 시작한 뒤 필요한 운동마찰력은 처음 떼어낼 때 필요했던 힘보다 작습니다. 그래서 눌려 있던 공기가 팽창하며 피스톤을 앞으로 밀어냅니다. 팽창한 만큼 압력이 떨어지면 피스톤은 다시 멈추고, 압력이 다시 쌓일 때까지 기다립니다. 이 과정이 반복되는 것이 스틱슬립입니다.

미터아웃은 나가는 공기를 조입니다. 공급 쪽은 활짝 열려 있어 곧바로 공급압이 걸리고, 배기 쪽에는 빠져나가지 못한 공기가 배압으로 남습니다. 피스톤은 앞뒤에서 동시에 압력을 받은 상태로 밀려 나갑니다. 뒤에 남은 공기가 쿠션이 되어 피스톤이 앞질러 튀어나가는 것을 잡아 줍니다.

붉은 칸은 공급압, 푸른 칸은 배압이 걸린 방입니다. 이 글의 도해 두 개는 개념 설명을 위해 직접 그린 것이며 특정 제품의 실제 회로도가 아닙니다.

 

복동 실린더는 미터아웃이 기본입니다

그래서 복동 실린더의 표준은 미터아웃입니다. 스피드컨트롤러는 체크밸브와 교축이 한 몸에 들어 있어서, 한쪽 방향으로는 자유롭게 흐르고 반대 방향으로만 조여집니다. 실린더 포트에 꽂을 때 화살표가 실린더로 들어가는 방향을 향하면 자유 공급에 조여진 배기, 곧 미터아웃이 됩니다. 반대로 꽂으면 미터인입니다. 전후진 속도를 따로 잡아야 하므로 양쪽 포트에 하나씩 답니다.

취부 위치도 성능에 직접 영향을 줍니다. 스피드컨트롤러는 실린더 포트에 직접 꽂는 것이 원칙입니다. 실린더와 조임 지점 사이에 배관이 길게 들어가면 그 배관 용적이 통째로 배기해야 할 공기에 더해집니다. 조절 노브를 돌렸을 때 속도가 바뀌기까지 지연이 생기고, 미세 조정이 어려워집니다.

주황색 구간이 조임에 걸리는 용적입니다. 이 길이가 곧 조절 노브를 돌렸을 때의 응답 지연입니다.

 

미터아웃이 답이 아닌 경우

기본이 미터아웃이라는 말은 예외가 없다는 뜻이 아닙니다. 다음 상황에서는 다르게 갑니다.

상황	이유와 대응
단동 실린더	배기 쪽이 대기이거나 스프링 방이라 조일 배기가 없습니다. 공급 쪽 미터인으로 갑니다
부하가 매우 가벼울 때	배기 쪽에 배압이 충분히 걸리지 않아 쿠션 효과가 약합니다. 미터아웃이어도 덜컹거릴 수 있습니다
정지 상태에서 첫 동작	세워 둔 사이 배기 쪽 공기가 빠지면 첫 행정에서 로드가 튀어나갑니다
중간 정지가 필요할 때	교축만으로는 위치가 유지되지 않습니다

세 번째와 네 번째는 전용 제품으로 해결합니다. SMC는 무압 상태에서는 미터인으로 동작하다가 가압된 뒤 미터아웃으로 복귀하는 ASS 계열(SSC 밸브)로 로드 급출을 막고, 파일럿 체크밸브를 넣은 ASP 계열로 일시적인 중간 정지를 지원합니다. 전후진 양쪽을 다 조여야 하는 회로용으로는 미터인과 미터아웃을 한 몸체에 넣은 ASD 계열이 따로 있습니다. 배기를 오히려 빠르게 빼서 고속으로 쓰려는 용도는 급속배기 계열이 맡습니다.

유압에서는 이 결론을 그대로 옮기면 안 됩니다

공압에서 몸에 밴 "무조건 미터아웃"을 유압에 그대로 가져가면 다른 문제가 생깁니다. 유압유는 압축되지 않으므로 미터인으로도 속도가 안정적으로 잡힙니다. 대신 두 가지를 따져야 합니다.

첫째, 부하가 실린더를 끌고 가는 방향일 때는 미터인이 위험합니다. 수직 하강이나 관성이 큰 부하에서 공급 쪽만 조이면 실린더가 공급보다 빨리 내려가면서 공급 측 압력이 떨어지고, 심하면 공동현상과 폭주로 이어집니다. 이때는 미터아웃이나 카운터밸런스 밸브를 씁니다.

둘째, 미터아웃에는 배압 증폭이 따라옵니다. 로드 측 수압 면적이 캡 측보다 작으므로, 전진 중 로드 측을 조이면 그쪽 압력이 면적비만큼 올라갑니다. 캡 측 대비 면적비가 2대 1인 실린더라면 로드 측에는 공급압의 두 배 가까운 압력이 걸릴 수 있습니다. 실린더와 씰의 압력 정격을 확인하고 넘어가야 합니다.

 

다음에 할 일

덜컹거리는 실린더가 있다면 스피드컨트롤러를 빼서 몸체의 화살표 방향부터 확인하세요. 실린더로 들어가는 방향이면 미터아웃, 나오는 방향이면 미터인입니다. 복동 실린더인데 미터인으로 꽂혀 있다면 방향만 바꿔도 동작이 달라지는 경우가 많습니다. 방향이 맞는데도 덜컹거린다면 그다음은 취부 위치와 부하 크기를 봐야 합니다.