KR100492018B1 - 이축인장 시험기의 변형률제어 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이축인장 시험기의 변형률제어 구동장치에 관한 것으로, 장봉형상으로 베이스프레임(90)에 하단부가 고정되는 한쌍의 가이드포스트(10), 상기 가이드포스트(10)상에서 미끄럼 이동가능하게 설치되는 부시(21), 상기 부시(21)가 고정되며 상기 가이드포스트 사이에서 상하운동 가능하게 설치되는 회전방지플레이트(20), 상기 회전방지플레이트(20)의 상부에 고정된 안착구(34)에 고정핀(35)을 매개로 고정되는 볼스크류(30), 상기 가이드포스트(10)의 상단부가 고정되는 하우징(33) 내부에 베어링(32)을 매개로 내설되며 상기 볼스크류(30)와 나선결합되는 볼스크류 너트(31), 상기 하우징(33)의 하부에 설치되며 상기 볼스크류 너트(31)와 연결된 종동풀리(61), 상기 베이스프레임(90)에 고정되며 구동모터(40)의 회전력을 감속 변환시키도록 된 감속기(50), 상기 감속기(50)의 하부에 설치되어 회전하도록 된 구동풀리(60), 상기 구동풀리(60)와 상기 종동풀리(61) 사이에 설치되는 동력전달수단(70)으로 이루어진 구동장치(100)가 마련되고, 상기 감속기(50)에서 연장된 구동축(51)에는 지지프레임(81)에 고정된 엔코더(80)가 연결되어, 상기 구동장치(100)에 의해 작동되는 인장시험기(300)는 컴퓨터에 내장된 프로그램의 설정값을 기준으로 하여 각종 측정장치로부터 입력되는 신호를 분석하여 미리 설정한 설정값에 도달하게 되면 상기 구동모터(40)의 구동방향을 변환하면서 인장시험을 실시할 수 있도록 된 것이다.

Description

이축인장 시험기의 변형률제어 구동장치 {Strain Control Driving Equipment of Equi-Biaxial Tension Tester}

본 발명은 고무시편의 인장시험에 사용되는 구동장치에 관한 것으로, 특히 볼스크류 이송방식을 역이용한 구동장치를 통해 정확한 인장시험기의 동작제어가 가능함은 물론, 상기 구동장치 및 고무시편의 변형률을 측정하는 레이저 익스텐소미터를 컴퓨터와 연계시켜 변형률 제어를 통한 고무시편의 인장시험이 가능하도록 된 이축인장 시험기의 변형률제어 구동장치에 관한 것이다.

기계 및 재료분야 연구업무를 수행하는 연구소 및 기업체에는 많은 시험기를 보유하여 활용하고 있는데, 특히 재료의 물성을 측정하는 실험에 사용되는 만능시험기(UTM;Universal test machine)를 비롯하여 피로시험 등을 위해 고가의 피로시험기를 보유한 곳도 많이 있다.

한편, 고무재료는 대변형성, 충격흡수성 및 높은 연신률 등의 특성 때문에 최근 산업의 여러 분야에서 널리 사용되고 있으며, 이러한 고무재료는 금속재료와 달리 물성실험에서 탄성구간 내에 선형적인 물성이 나타나지 않고, 초탄성 성질의 응력과 변형률 선도가 나타나는 비선형 물성을 갖는 특징이 있다.

이러한 고무재료의 기계적 활용을 효과적으로 하기 위해 최근 들어 유한요소법을 이용한 설계를 많이 활용하고 있는데, 이러한 유한요소해석을 위해서는 단축인장, 단축압축, 이축인장, 순수전단 등의 다양한 물성에 대한 정확한 데이터가 요구된다. 이중에서 이축인장의 경우 상당히 어려운 시험조건 때문에 인장시험기의 제작에 상당한 어려움을 겪고 있는 실정이다.

즉, 고무재료의 단순인장 및 이축인장 시험은 금속의 실험과는 달리 반복적인 하중을 부여해야 되는데, 이는 고무재료가 갖는 재료 사슬구조의 분자결성이 일회 인장시 변형되고 하중을 제거하면 일정량 영구변형이 수반되며, 다시 이차적으로 신장시키면 재차 사슬구조가 변형되고 하중을 제거하면 일정한 영구변형이 재차 발생하게 된다. 이러한 반복적인 신장 및 이완과정을 수차례(통상 5회 이상) 반복한 후에는 일정한 형태의 응력-변형률 선도가 안정적으로 동일하게 된다. 이러한 현상을 뮬린스 효과(Mullins's Effect)라 하며, 고무재료의 시험은 상기 뮬린스 효과를 고려하여 정해진 구간까지 정해진 회수에 의해 반복적인 실험이 요구된다.

이러한 고무재료의 고유특성으로 인해 단순 하중제어 혹은 변위제어만 가능한 기존의 시험기를 통해서는 정확한 고무시편의 인장시험을 수행하기 곤란한 문제점이 있었다.

또한 대부분의 시험기들이 액츄에이터(Actuator)로 유압장치를 활용하고 있으나, 고무재료의 특성상 큰 하중을 요구하지 않으며 일정기간만 반복적인 시험을 수행하기 때문에 유압장치로 이루어진 액츄에이터를 사용하는 종래의 시험기를 통해 고무재료의 인장시험을 수행하기는 곤란한 문제점도 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 볼스크류 이송운동을 역이용한 구동장치를 통해 저렴하면서도 간단한 구조로 정확한 구동 메카니즘을 구현하는 한편, 인장시험기를 동작시키는 구동장치 및 레이저 익스텐소미터를 컴퓨터 프로그램과 상호 연계적으로 작동시켜 고무시편의 변형률 제어가 용이하도록 된 이축인장 시험기의 변형률제어 구동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고무시편 인장시험기의 구동장치를 구현하기 위해, 상기 인장시험기가 고정된 베이스프레임의 하단부에 장봉형상으로 베이스프레임에 하단부가 고정되는 한쌍의 가이드포스트, 상기 가이드포스트상에서 미끄럼 이동가능하게 설치되는 부시, 상기 부시가 고정되며 상기 가이드포스트 사이에서 상하운동 가능하게 설치되는 회전방지플레이트, 상기 회전방지플레이트의 상부에 고정된 안착구에 고정핀을 매개로 고정되는 볼스크류, 상기 가이드포스트의 상단부가 고정되는 하우징 내부에 베어링을 매개로 내설되며 상기 볼스크류와 나선결합되는 볼스크류 너트, 상기 하우징의 하부에 설치되며 상기 볼스크류 너트와 연결된 종동풀리, 상기 베이스프레임에 고정되며 구동모터의 회전력을 감속 변환시키도록 된 감속기, 상기 감속기의 하부에 설치되어 회전하도록 된 구동풀리, 상기 구동풀리와 상기 종동풀리 사이에 설치되는 동력전달수단으로 이루어지고, 상기 구동모터는 컴퓨터와 전기적으로 연결되며, 레이저 익스텐소미터에 의해 측정된 데이터 값이 상기 컴퓨터로 전송되어 컴퓨터에 내장된 프로그램의 설정값에 따라 상기 구동모터의 회전방향을 제어하여 상기 볼스크류의 상하운동을 제어하도록 된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 이축인장 시험기의 전체 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 구동장치 부분만을 분리하여 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 이축인장 시험기의 개략적 단면도이고, 도 4는 도 3의 A부분 확대도이며, 도 5는 도 3의 B부분 확대도이다.

본 발명은 장봉형상으로 베이스프레임(90)에 하단부가 고정되는 한쌍의 가이드포스트(10), 상기 가이드포스트(10)상에서 미끄럼 이동가능하게 설치되는 부시(21), 상기 부시(21)가 고정되며 상기 가이드포스트 사이에서 상하운동 가능하게 설치되는 회전방지플레이트(20), 상기 회전방지플레이트(20)의 상부에 고정된 안착구(34)에 고정핀(35)을 매개로 고정되는 볼스크류(30), 상기 가이드포스트(10)의 상단부가 고정되는 하우징(33) 내부에 베어링(32)을 매개로 내설되며 상기 볼스크류(30)와 나선결합되는 볼스크류 너트(31), 상기 하우징(33)의 하부에 설치되며 상기 볼스크류 너트(31)와 연결된 종동풀리(61), 상기 베이스프레임(90)에 고정되며 구동모터(40)의 회전력을 감속 변환시키도록 된 감속기(50), 상기 감속기(50)의 하부에 설치되어 회전하도록 된 구동풀리(60), 상기 구동풀리(60)와 상기 종동풀리(61) 사이에 설치되는 동력전달수단(70)으로 이루어진 구동장치(100)가 마련된다.

여기서, 상기 감속기(50)에서 연장된 구동축(51)에는 지지프레임(81)에 고정된 엔코더(80)가 연결되어, 상기 구동축(51)의 회전수를 측정하여 상기 볼스크류(30)의 운동속도를 측정하게 되며, 상기 가이드포스트(10)의 하부에는 판형상의 지지플레이트(11)가 설치되어 상기 가이드포스트(10)를 견고하게 지지하게 되는 한편, 상기 부시(21)는 볼부시가 사용되어 이동시 마찰저항을 최소화하게 된다.

그리고 상기 감속기(50)는 워엄기어(Warm Gear)로 이루어져 상기 구동모터(40)의 회전에 의해서는 구동되지만 역회전은 방지되며, 상기 동력전달수단(70)은 타이밍벨트로 이루어져 정밀한 동력전달을 가능하게 한다.

본 발명에 따르면, 상기 베이스프레임(90)의 상부에는 한쌍의 지지가이드(200)가 설치되고, 상기 지지가이드(200) 사이에는 측정장치인 레이저 익스텐소미터(Laser Extensometer;230)가 고정된 연결플레이트(220)가 장착되며, 상기 지지가이드(200)의 상단에는 지지플레이트(210)가 설치되고, 상기 레이저 익스텐소미터(230)의 직하방에는 베이스프레임(90)에 고정된 인장시험기(300)가 설치되며, 상기 인장시험기(300)는 상기 구동장치(100)에 의해 작동된다.

여기서, 상기 인장시험기(300)는 본 출원인에 의해 국내 특허출원 제2002-68371호에 게재된 인장시험기로써 도 5에서 보는 바와 같으며, 미설명 부호 310은 고무시편, 320은 그립, 330은 와이어, 340은 무빙플레이트, 350은 로드셀이다.

상기 인장시험기(300)는 그립(320)이 고무시편(310)의 테두리 부분과 체결되어 상기 볼스크류(30)가 하강되면 무빙플레이트(340) 상단에 결합된 와이어(330)가 당겨지면서 상기 그립(320)이 방사방향으로 이동되어 상기 고무시편(310)을 인장시키게 되고, 상기 로드셀(350)에 의해 작용된 인장하중을 측정하도록 구성되어 있다.

또한 본 발명에 따른 구동장치(100)의 구동모터(40)는 컴퓨터(도시 안됨)와 전기적으로 연결되며, 상기 레이저 익스텐소미터(230)에 의해 측정된 데이터 값 역시 상기 컴퓨터로 전송되어 컴퓨터에 내장된 프로그램의 설정값에 따라 상기 구동모터(40)의 회전방향을 제어하여 상기 볼스크류(30)의 상하운동을 제어하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명에 따르면 상기 인장시험기(300)에 고무시편(310)을 장착하고, 상기 구동모터(40)를 작동시키게 되면, 상기 구동모터(40)의 회전력이 상기 감속기(50)로 전달되어 적절한 회전수로 감속되면서 상기 구동풀리(60)를 회전시키게 되고, 상기 구동풀리(60)와 동력전달수단(70)인 타이밍벨트를 통해 연결된 종동풀리(61)가 회전하게 되며, 상기 종동풀리(61)의 회전력은 볼스크류 너트(31)로 전달되어, 상기 볼스크류 너트(31)와 나선결합된 볼스크류(30)에 회전력을 전달하지만 상기 볼스크류(30)는 회전방지플레이트(20)에 의해 회전을 구속받게 되므로, 상기 볼스크류(30)는 상기 가이드포스트(10)의 상하방향으로 이동하게 된다.

이것은 일반적인 볼스크류 이송방식을 역으로 구성한 것으로, 본 발명에 따른 인장시험기(300)를 구동하기 위해서는 램형식의 상하 왕복운동이 이루어져야 되므로 볼스크류(30)를 상하방향으로 운동하도록 구성한 것이다.

한편, 상기 볼스크류 너트(31)는 상기 베어링(32)에 의해 지지되므로 회전시 발생하는 마찰 저항을 최소화할 수 있게 되고, 워엄기어로 이루어진 상기 감속기(50)는 워엄기어의 특성상 구동모터(40)쪽에서 발생되는 회전력에 의해서만 회전될 뿐 역방향으로의 회전은 방지되어 정밀한 구동제어가 가능하게 되며, 상기 감속기(50)의 구동축(51)에 연결된 엔코더(80)를 통해 상기 구동축(51)의 회전수를 측정하여 상기 볼스크류(30)의 운동속도를 측정할 수 있게 된다.

이에 따라 상기 볼스크류(30)와 연결된 인장시험기(300)의 무빙플레이트(340)를 상하운동시킬 수 있게 되어, 전술한 바와 같이 상기 인장시험기(300)에 장착된 고무시편(310)을 신장 및 이완시키면서 인장시험을 실시할 수 있게 되는데, 이때 상기 레이저 익스텐소미터(230)에 의해 상기 고무시편(310)의 신축량의 변화률 즉, 고무시편(310)의 변형률이 측정되어 이 신호가 컴퓨터로 전달된다.

컴퓨터로 전달된 레이저 익스텐소미터(230)의 변형률 신호는 컴퓨터 프로그램으로 입력되고 컴퓨터 프로그램에서 변형률값을 분석하여 상기 구동모터(40)의 회전방향 변환을 제어하게 되는데, 상기 레이저 익스텐소미터(230)는 고무시편(310)의 상단에 접착되어 있는 태그(Tag)를 측정하여 변형률을 분석하게 되며, 분석된 변형률은 0V부터 +10V까지의 전기적 신호를 변형률에 따라 출력하며 이러한 전기적 신호는 컴퓨터 데이터 획득 카드를 통해 프로그램에 인식된다.

따라서, 상기 구동장치(100)에 의해 작동되는 인장시험기(300)는 컴퓨터에 내장된 프로그램의 설정값을 기준으로 하여 각종 측정장치로부터 입력되는 신호를 분석하여 미리 설정한 설정값에 도달하게 되면 상기 구동모터(40)의 구동방향을 변환하면서 인장시험을 실시할 수 있게 된다.

상기 컴퓨터 프로그램의 설정값(반복회수, 변형률 등)은 여러가지 조건으로 변경가능하며, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변경 실시할 수 있음은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 인장시험기가 단순 변위 제어만 가능한데 반하여, 인장시험기를 동작시키는 구동장치 및 레이저 익스텐소미터가 컴퓨터의 변형률 제어 프로그램과 연결되고, 이들이 상호 연계적으로 작동되어 고무시편의 변형률 제어가 용이하며, 볼스크류 이송운동을 역이용한 구동장치를 통해 종래의 유압시스템에 의해 작동된 인장시험기의 구동장치에 비해 간단하면서도 정확한 구동 메카니즘의 구현이 가능할 뿐만 아니라, 소요비용도 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이축인장 시험기의 전체 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 구동장치 부분만을 분리하여 도시한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 이축인장 시험기의 개략적 단면도,

도 4는 도 3의 A부분 확대도,

도 5는 도 3의 B부분 확대도이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

10 : 가이드포스트 11 : 지지플레이트

20 : 회전방지플레이트 21 : 부시

30 : 볼스크류 31 : 볼스크류 너트

32 : 베어링 33 : 하우징

34 : 안착구 35 : 고정핀

40 : 구동모터 50 : 감속기

51 : 구동축 60 : 구동풀리

61 : 종동풀리 70 : 동력전달수단

80 : 엔코더 81 : 지지프레임

90 : 베이스프레임 100 : 구동장치

200 : 지지가이드 210 : 지지플레이트

220 : 연결플레이트 230 : 레이저 익스텐소미터

300 : 인장시험기

Claims (6)

1. 고무시편 인장시험기의 구동장치를 구현하기 위해, 상기 인장시험기가 고정된 베이스프레임의 하단부에 장봉형상으로 베이스프레임에 하단부가 고정되는 한쌍의 가이드포스트, 상기 가이드포스트상에서 미끄럼 이동가능하게 설치되는 부시, 상기 부시가 고정되며 상기 가이드포스트 사이에서 상하운동 가능하게 설치되는 회전방지플레이트, 상기 회전방지플레이트의 상부에 고정된 안착구에 고정핀을 매개로 고정되는 볼스크류, 상기 가이드포스트의 상단부가 고정되는 하우징 내부에 베어링을 매개로 내설되며 상기 볼스크류와 나선결합되는 볼스크류 너트, 상기 하우징의 하부에 설치되며 상기 볼스크류 너트와 연결된 종동풀리, 상기 베이스프레임에 고정되며 구동모터의 회전력을 감속 변환시키도록 된 감속기, 상기 감속기의 하부에 설치되어 회전하도록 된 구동풀리, 상기 구동풀리와 상기 종동풀리 사이에 설치되는 동력전달수단으로 이루어지고,

   상기 구동모터는 컴퓨터와 전기적으로 연결되며, 레이저 익스텐소미터에 의해 측정된 데이터 값이 상기 컴퓨터로 전송되어 컴퓨터에 내장된 프로그램의 설정값에 따라 상기 구동모터의 회전방향을 제어하여 상기 볼스크류의 상하운동을 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 이축인장 시험기의 변형률제어 구동장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 감속기에서 연장된 구동축에 엔코더가 연결되어 상기 구동축의 회전수를 측정하여 상기 볼스크류의 운동속도를 측정하도록 구성되고, 상기 감속기는 워엄기어로, 상기 동력전달수단은 타이밍벨트로 이루어지며, 상기 가이드포스트의 하부에는 판형상의 지지플레이트가 설치되어 상기 가이드포스트를 견고하게 지지하도록 된 것을 특징으로 하는 이축인장 시험기의 변형률제어 구동장치.
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