KR100451999B1 - 압축력측정장치 - Google Patents

Abstract

압축력측정장치는 몸체의 중심주축선(4)에 수직이고 힘을 받는 한쌍의 전방 표면(2,3)을 가진 환형의 몸체(1)와 주축선과 실질적으로 동심이고 힘영향을 나타내는 전기신호의 전달을 위한 센서수단(6)을 수용하는 환형의 공동(5)을 포함하고 있다. 센서수단(6)은 공동(5)의 방사상 내부표면(7)상에 위치된 센서소자(9)를 포함하고 상기 표면은 로드를 수용하는 링몸체(1)의 그 부분에 대한 모멘트 평형에 대한 반경(r_R)에 실질적으로 대응하는 주축선(4)으로부터 일정한 거리에 위치되어 있다.

Description

압축력 측정장치{A DEVICE FOR MEASURING COMPRESSIVE FORCES}

본발명은 몸체의 중심주축선에 수직이고 힘을 받는 한쌍의 대향 전방표면을 가진 환형의 몸체, 및 주축선과 실질적으로 중심이 갖고 힘영향을 나타내는 전기신호의 전달을 위한 센서수단을 수용하는 환형의 공동을 포함하는 압축력 측정장치에 관한 것이다.

상술된 타입의 장치는 DE-B2-2 357 105호에 개시되어 있다.

이러한 공지의 장치는 자기변형재로 이루어지고 측정와인딩을 수용하는 환형의 공동을 가진 링몸체를 포함하고 있다. 이 장치는 기계적 로드하에서 그 투자율을 변화시키는 자기변형재의 특성에 근거를 두었다. 이것은 측정와인딩을 통한 자장의 변화 즉 측정와인딩의 AC 저항의 변화를 야기시킨다. 상기 공보에 따른 발명의 목적은 압축력의 자기 탄성측정용 장치를 제공하며 여기에서 압력영향의 경우에 링몸체는 재료내의 인장응력의 발생 때문에 측정결과의 정밀도에 악영향이 제거되어 측정이 가능한한 정밀하게 되는 독점적으로 또는 적어도 압축하중정도로 되게한다. 이 목적은 링몸체의 각각의 전방표면이 공동과 정렬되고 공동의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 가진 링홈을 가져서 각각의 전방표면상에 링몸체의 측벽중의 하나 보다 각각 길고 힘을 받는 표면을 함께 형성하는 2개의 원통돌출부가 형성되는 것으로 달성된다. 따라서 이것의 문제는 링몸체의 전방표면의 특정설계에 있다.

이 공지의 장치에서는 링몸체의 재료가 자기탄성이어야만 하는 사실 때문에 재료의 선택이 크게 제한된다. 측정 와인딩은 와전류의 손실을 감소시키기위하여 비교적 저주파수를 가져야만하는 교류로 큰 "철"의 체적을 자화시켜야 하므로 비교적 커야만 한다. 또한, 이 장치는 이러한 한계 적용에서 재료에서 발생하는 고응력에 맞서도록 구성되지 않았으므로 한계볼트 연결시 예하중을 측정하는데에 적합하지 않다.

본 발명을 전개하는 목적은 최대안전 및 최소 유지보수비를 달성하도록 임계볼트 연결시 예하중의 어셈블리 제어 및/또는 모니터링에 적합한 개량된 힘 센서를 제공하는데 있다.

이 장치는 현존하는 중간디스크 또는 와셔로 대체될수 있거나, 또는 국부적인 볼트 연결 예컨대 선회링 베어링, 파이프내의 플랜지, 모터실린더헤드, 어싱(earthing)앵커등에 있지 않는 와셔로서 채용된다. 본 발명에 따른 장치가 표준와셔와 동일한 방식으로 너트 아래에 장착되는 것에 있어서는 예하중이 볼트 연결시 직접 측정되고 임계부재인 볼트 및 너트가 완전하게 영향을 받지 않는 상태로 유지되는 2개의 이점이 달성된다.

다른 예정된 적용분야는 예컨대 무게측정과정, 보다 상세하게는 현존하는 기술이 비교적 짧은 작동수명을 가진, 고도의 동력과 함께 무게측정과정에서 로드셀과 같은 장치로 사용하는데 있다.

따라서, 본발명의 목적은 파손, 누출 등을 막기위하여 조립중에 볼트연결에 있어서의 보다 나은 예하중의 제어 및/또는 볼트 연결에 있어서의 예하중 동력의 연속적 또는 주기적 제어를 행하는 장치를 제공하는데 있다.

본발명의 다른 목적은 예컨대 이송장치등에서 무게측정과정을 간단화 및 개량하고 고도의 동력과 함께 무게측정과정에서의 이러한 장치의 작동수명의 연장을 달성하도록 로드셀로서 사용될수 있는 장치를 제공하는데 있다.

본발명의 또 다른 목적은 센서수단이 위치되는 링몸체의 구역내에서의 큰 기계적 안정성 때문에, 경계조건의 변화로부터의 영향을 측정결과에서 거의 제거하도록하는 장치를 제공하는데 있다.

본발명의 또 다른 목적은 저생산비로 연속생산에 대단히 적합한 장치를 제공하는데 있다. 상술된 목적을 달성하기 위하여 본발명에 따라 센서수단이 공동의 방사상 내부표면상에 위치되는 센서소자를 포함하고 있고 상기 표면이 로드를 받는 링요소의 그 부분에 대해서 모멘트 평형에 대한 반경에 실질적으로 상응하는 주축선으로부터의 거리에 위치되는 상술된 타입의 장치가 제공된다.

장치의 유리한 실시예에 있어서, 공동은 전방표면에 수직이고 평행한 방사상 내부 및 외부표면을 가진 좁은 갭으로서 형성되어 있으며, 전방표면에 평행한 평면내의 공동의 단면적은 상기 평면내의 링몸체의 남아있는 단면적 보다 더 작다.

센서소자는 공동의 방사상 내부표면에 부착 또는 접착되는 비결정 자기 탄성 리본으로 이루어져 있으며, 이 리본은 비교적 고주파수(라디오 주파수)로 작동하도록된 여자/픽업 코일의 형상으로 부가적인 센서소자에 의해서 둘러싸여 있다. 센서 소자의 정해진 설계에 있어서, 측정은 링몸체 둘레에서의 연속원주에서 보다 상세하게는 공동의 내측에 위치된 링몸체의 그 부분의 외부원주를 따라 달성된다.

이것은 센서소자가 상기 원주 전체에 따른 로드를 적분하는 인테그레이터인 것을 의미한다.

센서소자를 링몸체의 모멘트 평형에 대한 위치에 위치시킴으로써 실질적으로 개량된 기계적 특성이 얻어진다. 먼저, 위치결정은 센서소자의 압축이 링몸체의 평균압축과 동일하여 작용로드를 비율 1:1로 나타내는 것을 의미한다. 더욱이, 위치결정하는 것은 더 작은 범위가 베이스 또는 지지부의 특성, 너트의 표면 및 경사, 볼트 등의 특성과 같이 경계 상태에서의 변화에 의해서 영향을 받도록 하는 더 튼튼한 센서이다. 부가적으로, 링몸체의 경사장착은 센서소자의 위치결정 및 적분효과 때문에 근본적인 에러의 원인이 되지 않는다.

링 몸체의 모멘트 평형에 대한 위치의 계산에 대해서는 아래에서 설명된다.

본발명에 따른 가장 중요한 이점중의 하나는 경계상태에서의 변화의 영향을최대가능 범위까지 제거하는 것이다.

본 경우에 관계있는 낮고/짧은 로드베어링요소(예를 들면, 높이가 14mm 이고 직경이 60~70mm임)에 있어서, 센서소자는 표면, 조립위치, 조립경로 등에서의 변화와 같이 경계상태에서의 변화로부터 영향을 크게 받는다. 종래의 일반적인 압축로드셀에 있어서, 이 문제는 로드베어링 요소를 길고 가늘게 만듦으로써 해결되며 여기에서 센서소자는 상부 및 하부경계 즉 로드베어링 표면으로부터 멀리 떨어진 곳에 위치된다. 와셔에는 이것에 대한 가능성이 없으며 이러한 배경하에서 본발명에 따른 장치는 센서소자의 이상적인 위치결정과 함께 발전되었다.

도 1은 본발명에 따른 장치의 일시예의 단면사시도,

도 2는 도 1의 일부분을 확대한 도면,

도 3은 디스크형상이고 2개의 디스크 부분으로 이루어진 링몸체의 절취단면도, 및

도 4는 다른 설계의 디스크 부분으로써 도 3과 유사한 단면도.

본발명의 실시예는 도면을 참조하여 다음에서 상세하게 설명된다.

도면에서 알 수 있는 바와같이 본발명에 따른 장치는 링몸체의 중심주축선(4)(도 3 및 도 4)에 수직이고 사용중에 장치에 의해서 측정될 축방향 작용압축력을 수용하는 한쌍의 대향하는 평평한 전방표면(2,3)을 가진 환형의 몸체(1)를 포함하고 있다. 링몸체(1)는 주축선(4)과 동심이고 센서수단(6)을 수용하는 환형의 내부공동(5)을 구비하고 있다.

알 수 있는 바와같이 공동(5)은 전방표면(2,3)에 수직이고 평행한 방사상 내부 및 외부표면(7,8)을 가진 좁은 갭으로서 형성되며 전방표면에 평행한 즉 주축선(4)에 수직인 평면내의 공동의 단면적은 동일평면내의 링몸체(1)의 남아있는 단면적보다 더 작다.

센서수단(6)은 비결정 자기탄성재료의 리본(9)의 형상으로 되어 있는 제1센서소자를 포함하고 있다. 이 재료는 높은 자기 투자율(magnetic permeablility)을 가지고 있으며 재료가 받게되는 기계적 응력과 자기 투자율 사이에서의 강한 관계를 가지고 있다.

센서리본(9)은 공동(5)의 방사상 내부표면(7)에 위치되고 보다 상세하게는 이 방사상 내부표면에 체결 또는 접착되며, 이 표면은 로드를 수용하는 링몸체의 그 부분에 대한 모멘트 평형의 반경(도 3에서 r_R)에 본질적으로 상응하는 링몸체(1)의 주축선(4)으로부터 일정한 거리에 위치된다. 이러한 센서리본의 위치결정은 최적 구조적 및 작동적 특성, 계산 및 FEM 해석(유한 요소 모델 해석)에 의해서 입증된 것으로 나타내어진다.

센서수단은 센서리본(9)의 외측에 위치되어 이것을 둘러싸는 여자/픽업 코일(10)으로 이루어진 부가적인 센서소자를 포함하고 있다. 여자코일(10)은 비교적 고주파수(라디오 주파수)로 작동된다. 코일은 센서신호의 여자/픽업을 위하여 가요성회로(11)를 통하여 접촉부등에 연결되거나, 또는 여자/픽업 및 내부신호 처리를 위하여 ASIC 회로(ASIC = 응용주문형 집적회로)에 연결된다.

센서수단은 방향적으로 향하게 되어 그 대부분의 감지방향이 링몸체의 주축선과 실질적으로 평행하도록 한다.

링몸체의 모멘트 평형에 대한 위치 또는 반경의 계산에 대한 기준은 도 3에서 이루어졌으며 여기에서 링몸체(1)는 내부반경(r₁)과 외부반경(r₂)를 가지고 있으며 모멘트 평형에 대한 반경은 r_R로 표시한다. 따라서 모멘트 평형에 대한 방정식은 다음과 같다:

이것은 rR에 대해서 다음과 같이 나타난다.

상기 공식은 균일한 축방향 로드를 받는 단단한 디스크 형상의 링몸체에 대한 힘 합성(R)과 동시에 모멘트 평형의 위치결정을 나타낸다. 하지만, 공식은 계수(Ki)와 함께 링몸체/와셔의 공동에 대해 보정되어야 한다. 또한, 와셔가 나사식 볼트상의 너트 아래에 장착되면, 공식은 계수(Kn)와 함께, 너트의 타입 및 나사산 각도의 함수로서 와셔의 표면위에서의 개시시의 힘의 분포에 대해 보정되어야 한다.

따라서 최종 공식은 다음과 같다.

여기에서 계수(Ki, Kn)는 모든 와셔/너트 조합에 대해서 계산되어야 한다.

장치가 작동하는 중에 이것은 주축선과 본질적으로 평행한 외부힘 영향의 그 부분을 실질적으로 전부 나타내는 전기신호를 전달한다. 주위부와 연통 즉 외부신호수신장치로의 전기신호의 전달이 전자기 전달수단으로 발생되는 신호가 어떠한 전기선의 연결없이 전달된다. 전달수단은 커넥터와 ASIC 회로를 포함하고 있다. 도 2에서 블록(12)으로 단지 나타낸 이 수단은 내부공동(5)으로부터 링몸체의 외부표면(14)으로 뻗어있는 방사상연장보어(13)내에 위치된다. 전달수단의 다른 실시예는 통상 전기접촉일 수 있다.

장치가 링몸체의 전방표면상에 작용하는 압축력에 의해서 부하를 받으면, 링 몸체는 스트레인(변형)을 센서리본(9)에 전달한다.

따라서 센서 리본의 투자율은 변화되며 이것은 코일(10)의 인덕턴스의 대응변화를 야기시킨다. 이 결과는 ASIC 회로내에서 처리되며 휴대용 기구에 의해서 판독될수 있다. 연속적인 모니터링에 있어서 이것은 전기접촉을 통하여 고정된 전기연결을 적합하게 사용할수 있다.

링몸체(1)자체는 편의상 강으로 제조된다. 하지만, 재료선택은 장치에 적용된 최대힘 또는 로드에 저항하도록 충분한 항복점 및 근본적인 강도를 가지고 있는한 제한되지 않는다. 도시된 바와같이 링몸체는 디스크 형상이며, 예시된 실시예에서는 서로 체결되는 2개의 동축의 디스크 부분으로 이루어졌으며 조립된 상태에서는 공동(5)이 형성된다.

따라서, 도 3의 실시예에 있어서, 링몸체 또는 와셔는 한쌍의 로드 베어링부분 즉 하부부분(15) 및 상부부분(16)으로 이루어져 있다. 도면에 도시된 바와같이, 하부부분(15)은 공동(5)의 방사상 외부부분(8)을 구성하는 내부 주위표면을 가진고 있는 상향으로 뻗어있는 외부부분을 가지고 있는 반면에, 상부부분(16)은 공동의 방사상 내부표면(7)을 구성하는 외부주위 표면을 가지고 있는 하향으로 뻗어있는 내부부분을 가지고 있다. 2개의 부분(15,16)은 상부 및 하부의 수평표면부분을 따라 서로 지지되어 있으며 이 부분은 링몸체/와셔의 내부 및 외부주위표면(19,14)을 따라 뻗어있는 결합부(17,18)내에서 결합된다. 이들 부분은 예컨대 용해용접에 의해서 결합된다.

도 3에 도시된 바와같이, 상부 와셔부분은 하향으로 뻗어있는 부분과 상향 수평표면부분 사이의 변이구역에서 코너돌출부(20)를 가지고 있다. 이 돌출부는 공동(5)과 동일한 방사상 폭을 가져서 억지끼워맞춤이 돌출부의 외부측과 하부부분(15)의 상향으로 뻗어있는 부분의 인접한 주위표면 사이에 제공되도록 한다. 이러한 방식으로 이것은 부분(15,16)이 조리된후 운반되는 동안에 또한 용접작업동안에 서로 유지되는 것을 달성한다.

도면에 도시된 바와같이 내부공동을 가진 와셔는 많은 상이한 방식으로 형성되는 별개의 부분으로 구성될수 있다. 하지만, 도 3에 도시된 실시예는 다음과 같이 요약될수 있는 다수의 이점을 가지고 있다. 이것은 조립이 쉽게될 뿐만아니라 가공도 쉬운 최소의 부분으로 이루어진다. 이 실시예는 센서리본(9)과 여자코일(10)이 용이하게 조립되게 한다. 용접은 내부 및 외부 주위표면에서 행해지고 이들 표면은 접촉표면 즉 바닥과 상부표면(2,3)과의 좋은 제어를 제공하며 센서 리본에서는 가열문제가 없다. 또한 운반 및 용접중에 이들 부분을 서로 유지(위치에 대한 보정)하는데에 문제가 없다.

서두에서 기술한 바와같이, 본발명에 따른 장치는, 통상, 볼트를 연결함에 있어서 중간 디스크 또는 와셔로서 특히 사용될수 있다. 이러한 이유 때문에, 이 장치는 표준의 너트와 함께 사용하는 구조로 되어야만 한다. 상점에는 상이한 많은 종류의 너트가 있다. 이들중 많이 사용되는 2개의 너트는 선회링 베어링에 종종 사용되는 원통형 너트와 일반적으로 사용되는 육각너트이다. 도 3에 예시된 실시예는 원통형 너트용으로 설계된 반면에 도 4에 예시된 실시예는 육각 너트와 함께 사용하기 위하여 설계되었다.

도 4의 실시예는 크게볼 때 도 3의 실시예와 유사하지만 와셔의 하부 및 상부부분(21,22)의 각각의 구성은 부분적으로 도 3과 다르다. 따라서, 이 하부 및 상부부분(21,22)은 전형적인 육각 너트의 로드표면에 적합하도록 전방표면(2,3)의 폭보다 더 작은 방사상폭을 가진 로드 베어링표면(23,24)을 각각 가지고 있다. 더욱이 하부부분(21)은 로드베어링표면(23,24)의 방사상 외측에 위치되어 이 로드베어링표면에 대해 카운터싱크가공되고 언로드되는 바닥 및 상부표면(25,26)을 구비한 외부주위부분을 가지고 있다. 따라서, 상기 외부주위부분의 상부부분은 상부부분(22)의 상부의 방사상 외측에 위치되며 이들 부분은 와셔의 부분(21,22)이 조립된 상태에 있을 때 인접한 주위표면이 억지 끼워 맞춤을 형성하도록 치수적으로 서로 적합하게 되어 있다. 억지 끼워 맞춤표면은 부분이 억지 끼워 맞춤에 의해서만 서로 영구적으로 유지되는 충분한 큰면적을 가져서 이 실시예에서의 이 부분의 용접은 필요하지 않다.

본 발명은 최대안전 및 최소 유지보수비를 달성하도록 임계볼트 연결시 예하중의 어셈블리 제어 및/또는 모니터링에 적합한 개량된 힘 센서를 제공할 수 있다.

이 장치는 현존하는 중간디스크 또는 와셔로 대체될수 있거나, 또는 국부적인 볼트 연결 예컨대 선회링 베어링, 파이프내의 플랜지, 모터실린더헤드, 어싱(earthing)앵커등에 있지 않는 와셔로서 채용된다. 본 발명에 따른 장치가 표준와셔와 동일한 방식으로 너트 아래에 장착되는 것에 있어서는 예하중이 볼트 연결시 직접 측정되고 임계부재인 볼트 및 너트가 완전하게 영향을 받지 않는 상태로 유지되는 2개의 이점이 달성된다.

다른 예정된 적용분야는 예컨대 무게측정과정, 보다 상세하게는 현존하는 기술이 비교적 짧은 작동수명을 가진, 고도의 동력과 함께 무게측정과정에서 로드셀과 같은 장치로 사용할 수 있다.

따라서, 본발명은 파손, 누출 등을 막기위하여 조립중에 볼트연결에 있어서의 보다 나은 예하중의 제어 및/또는 볼트 연결에 있어서의 예하중 동력의 연속적 또는 주기적 제어를 행하는 장치를 제공할 수 있다.

또한 본발명은 예컨대 이송장치등에서 무게측정과정을 간단화 및 개량하고 고도의 동력과 함께 무게측정과정에서의 이러한 장치의 작동수명의 연장을 달성하도록 로드셀로서 사용될수 있는 장치를 제공할 수 있다.

또한 본발명은 센서수단이 위치되는 링몸체의 구역내에서의 큰 기계적 안정성 때문에, 경계조건의 변화로부터의 영향을 측정결과에서 거의 제거하도록하는 장치를 제공할 수 있다.

또한 본발명은 저생산비로 연속생산에 대단히 적합한 장치를 제공할 수 있다. 상술된 목적을 달성하기 위하여 본발명에 따라 센서수단이 공동의 방사상 내부표면상에 위치되는 센서소자를 포함하고 있고 상기 표면이 로드를 받는 링요소의 그 부분에 대해서 모멘트 평형에 대한 반경에 실질적으로 상응하는 주축선으로부터의 거리에 위치되는 상술된 타입의 장치가 제공될 수 있다.

Claims (10)

1. 환형의 몸체의 중심주축선(4)에 수직이고 힘을 받는 한쌍의 대향 전방표면(2,3)을 가진 환형의 몸체(1), 및 주축선과 실질적으로 동심이고, 힘영향을 나타내는 전기신호의 전달을 위한 센서수단(6)을 수용하는 환형의 공동(5)을 포함하는 압축력 측정장치에 있어서,

   센서수단은 공동(5)의 방사상 내부표면(7)상에 위치된 센서소자(9)를 포함하고 있으며, 상기 표면은 로드를 수용하는 링요소(1)의 그 부분에 대한 모멘트 평형에 대한 반경(r_R)에 실질적으로 대응하는 주축선(4)으로부터 일정한 거리에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 공동(5)은 전방표면(2,3)에 수직이고 평행한 방사상 내부 및 외부표면(7,8)을 가진 좁은 갭으로 형성되어 있으며, 전방표면(2,3)과 평행한 평면내에 있는 공동(5)의 단면적은 상기 평면내의 링몸체(1)의 남아있는 단면적보다 더 작은 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서, 센서수단(6)은 대부분의 감지방향이 링몸체(1)의 주축선(4)과 실질적으로 평행하도록 방향으로 향하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 센서소자는 공동(5)의 방사상 내부표면(7)에 접착된 비결정 자기탄성리본(9)으로 이루어져있으며, 이 자기탄성리본(9)은 라디오 주파수범위내의 주파수로 작동되는 여자/픽업코일(10)의 형상으로 부가적인 센서소자에 의해서 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 어떠한 전선 연결없이 외부신호 수신수단으로의 전기신호의 전달을 위한 전자기 전달수단(12)을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 외부신호수신 및 신호처리수단으로의 전기신호의 전달을 위한 전기접촉부를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.
7. 제 5 항에 있어서, 전달수단(12)은 공동(5)으로부터 링몸체(1)의 외부표면(14)으로 뻗어있는 방사상보어(13)내에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 링몸체(1)는 강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.
9. 제 8 항에 있어서, 링몸체(1)는 디스크형이며 조립된 상태에서 공동(5)을 형성하는 2개의 와셔부분(15,16;21,22)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.
10. 제 9 항에 있어서, 와셔부분(15,16)은 용해용접에 의해서 링몸체(1)의 내부 및 외부주위표면(19,14)을 따라 뻗어있는 결합부(17,18)에 결합되는 것을 특징으로 하는 압축력 측정장치.

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