KR101013340B1 - 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치는 토크-전단형 고력볼트를 체결시키는 전동렌치와 연결되는 본체부; 상기 본체부에 위치하고, 상기 전동렌치의 전류량을 이용하여 토크-전단형 고력볼트의 축력을 측정하는 측정부; 상기 본체부에 형성되고, 외부에서 전원을 공급받는 전원인입부 및 상기 전원을 상기 전동렌치에 공급하는 전원인출부를 구비하는 전원부; 및 상기 측정부에서 측정된 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정결과를 외부에 표시하는 표시부를 포함한다.
Description
본 발명은 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 누적 전류량을 이용한 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 철골구조물의 볼트접합시에 많이 사용되는 토크-전단용 고력볼트(TS 고력볼트)는 건축공사 표준시방서에서 규정되어 있고, KS B 2819(KS 표준)에 따라 토크관리법을 적용하여 축력도입(체결) 및 축력검사가 이루어지고 있다.
상술한 토크관리법에 의해 체결되는 토크-전단용 고력볼트는 핀테일이 파단되면, 적정축력이 도입되는 것으로 알려져 있다. 따라서 종래에는 현장에서 축력계를 통해 토크계수와 토크의 상관관계를 이용하여 실제 도입된 체결축력을 검사함으로써, 토크-전단형 고력볼트의 축력을 추정 및 예측해 왔다.
그러나, 토크 계수는 볼트의 보관상태, 가볼트 미사용, 당일 미체결에 따른 외기노출 및 이에 따른 수분침투, 이물질 부착, 제품 손상 등 다양한 외부적 환경요인으로 인해 변동되므로, 실제 도입된 축력은 예측치와 크게 달라지게 된다. 따라서, 실제 도입축력을 제대로 알 수 없을 뿐만 아니라, 실제 도입축력이 설계기준에 미치지 못하는 경우가 빈번하게 일어난다는 문제점이 발생하고 있다. 또한, 현장에서 체결 즉시 축력을 측정하지 못하므로, 설계기준에 미달되는 고력볼트의 교체 내지 추가체결이 어렵다는 문제점도 추가적으로 발생하고 있다.
철골구조물 고력볼트 접합부의 내력 확보를 위해서는 변동 폭이 작고 안정적인 축력이 볼트에 도입되어야 하는 바, 상술한 외부환경요인에 따른 토크계수 변동에 의해 실제 도입축력이 크게 달라지는 문제점을 해결하기 위한 방안이 요청되고 있다. 또한, 체결축력에 관한 품질관리를 향상시키기 위해 고력볼트의 축력을 체결 즉시 측정할 수 있는 방안 역시 요청되고 있다.
본 발명의 실시예들은 이와 같은 문제를 해소하기 위해 마련한 것으로, 본 발명의 실시예들은 토크-전단형 고력볼트의 축력을 체결 즉시 측정할 수 있는 디지털 축력 측정 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 토크-전단형 고력볼트의 축력을 정량화하여 확인하게 함으로써, 종래 외부환경요인에 따른 토크계수 변동에 의해 실제 도입축력이 크게 달라지는 문제점을 완화시키는 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 토크-전단형 고력볼트를 체결시키는 전동렌치와 연결되는 본체부; 상기 본체부에 위치하고, 상기 전동렌치의 전류량을 이용하여 토크-전단형 고력볼트의 축력을 측정하는 측정부; 상기 본체부에 형성되고, 외부에서 전원을 공급받는 전원인입부 및 상기 전원을 상기 전동렌치에 공급하는 전원인출부를 구비하는 전원부; 및 상기 측정부에서 측정된 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정결과를 외부에 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 본체부에 형성되고, 상기 측정부에서 측정된 데이터를 외부로 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 본체부에 형성되고, 별도의 단말기와 연결되어 상기 단말기를 통해 상기 측정부를 보수, 유지 및 관리 가능한 커넥터부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정부는, 상기 전동렌치로 공급하는 AC를 0 내지 5V(volts)의 DC를 이용하여, 전류센서를 통해 감지하는 전류감지부; 상기 전류감지부에서 감지되는 전류에 대하여, 설정된 범위에서 샘플링을 실시하는 샘플링부; 및 축력 계산 알고리즘을 사용하여 상기 전류값을 분석하고, 축력을 계산하는 계산부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정부는, 상기 계산부에서 계산된 축력값을 시간별로 저장하는 데이터 저장부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 샘플링부는 상기 전류감지부에서 감지되는 신호가 제 1 크기값 이하로 제 1 시간 이상 지속된 후, 상기 제 1 크기값 이상의 신호가 감지될 때, 설정된 범위에서 샘플링을 시작하고, 상기 전류감지부에서 감지되는 신호가 제 2 크기값 이하로 제 2 시간동안 지속될 때, 상기 샘플링을 종료하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계산부는, 상기 샘플링의 종료 시점부터 역으로 일정 시간 이내의 데이터 값 중, 최대값을 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 직전의 최대전류값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계산부는, 상기 최대전류값을 기준으로 지정하고, 상기 샘플링의 종료 시점부터 역으로 일정 시간 이내의 모든 데이터 값을 상기 데이터 저장부에 저장하고, 상기 축력 계산 알고리즘에 따라 상기 데이터 값 중, 상기 기준 대비 일정 값 이상인 데이터 값들의 합산을 계산하고, 상기 합산을 설정된 공식(회귀식)에 대입하여 축력을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 토크-전단형 고력볼트를 체결시키는 전동렌치로부터, 상기 토크-전단형 고력볼트가 핀테일 파단 될 때까지의 누적 전류량을 구하는 제 1 단계; 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 장치로부터 측정된 축력값과 일대일 상관관계를 갖는 상기 누적 전류량을 검색하는 제 2 단계; 상기 축력값 및 상기 누적 전류량 사이의 회귀분석 예측식을 산출하는 제 3 단계; 및 상기 회귀분석 예측식을 사용하여, 상기 누적 전류량으로부터 축력을 추정하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 4 단계 이후에, 상기 누적 전류량으로부터 추정된 축력이 95% 범위의 신뢰도 구간 내에 있는지 여부를 검정하는 제 5 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 5 단계는, 쌍체 t 검정을 이용하여 신뢰도 검정을 수행할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단계는, 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점에서의 최대 전류량을 기준으로 지정하고, 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점 이전의 일정 시점을 지정하여, 상기 지정된 일정 시점부터 상기 핀테일 파단 시점까지의 상기 누적 전류량을 구하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제 2 단계는, 상기 토크-전단형 고력볼트의 축력을 정상조건 및 비정상조건으로 구분하여 측정하는 단계; 및 상기 구분된 축력에 가중치를 부여하여, 상기 축력값을 정량화 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 3 단계는, 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점에서의 최대 전류량을 기준으로 지정하고, 상기 누적 전류량을 10% 단위로 등분하여 정량화한 데이터값을 산출하는 단계; 상기 제 2 단계에서 정량화된 상기 축력값 및 정량화된 상기 누적 전류량을 통계적 관리기법에 따라 분산분석하는 단계; 및 상기 데이터값을 적분하여 얻은 값과 상기 축력값 간의 회귀분석 예측식을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점으로부터 1.5초 이전 시간 동안 얻은 누적 전류량 중, 상기 최대전류량으로부터 30% 단위에 해당하는 데이터값을 사용하여 하기의 회귀분석 예측식1을 산출하는 것을 특징으로 한다.
[회귀분석 예측식 1]
Y= 24.78+0.02333X
여기에서, Y는 얻고자 하는 축력(kN), X는 전동렌치에서 얻은 누적 전류량(A)임.
또한, 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점으로부터 1.5초 이전 시간 동안 얻은 누적 전류량 중, 상기 최대전류값으로부터 60% 단위에 해당하는 데이터값을 사용하여 하기의 회귀분석 예측식 2를 산출하는 것을 특징으로 한다.
[회귀분석 예측식 2]
Y=55.74+0.02718X
여기에서, Y는 얻고자 하는 축력(kN), X는 전동렌치에서 얻은 누적 전류량(A)임.
상술한 본원발명의 목적은 이 기술분야에서 숙련된 당업자에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예들은 전동렌치와 연결되는 디지털 축력 측정 장치를 제공하여, 토크-전단형 고력볼트의 축력을 체결 즉시 측정하도록 함으로써, 고력볼트의 교환 내지 추가체결을 보다 용이하게 하여 체결축력에 관한 품질관리를 향상시켰다는 점에 본 발명의 기술적 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법을 제공하여, 토크-전단형 고력볼트의 축력을 정량화하여 확인하게 함으로써, 종래 외부환경요인에 따른 토크계수 변동에 의해 실제 도입축력이 크게 달라지는 문제점을 완화하였다는 점에 본 발명의 기술적 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 개념도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 정면도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 사시도이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 작동구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법의 순서도이다.
도 6은 정상조건 하에서 토크-전단형 고력볼트의 누적전류량을 도시한 그래프이다.
도 7은 1초간 수분침투 하에서 토크-전단형 고력볼트의 누적전류량을 도시한 그래프이다.
도 8은 30분간 수분침투 하에서 토크-전단형 고력볼트의 누적전류량을 도시한 그래프이다.
도 9는 영하 3도에서 노출시킨 토크-전단형 고력볼트의 누적전류량을 도시한 그래프이다.
도 10은 누적 전류량이 최대전류량의 30%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 11은 누적 전류량이 최대전류량의 60%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 12는 누적 전류량이 최대전류량의 10%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 13은 누적 전류량이 최대전류량의 20%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 14는 누적 전류량이 최대전류량의 40%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 15는 누적 전류량이 최대전류량의 50%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 정면도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 사시도이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 작동구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법의 순서도이다.
도 6은 정상조건 하에서 토크-전단형 고력볼트의 누적전류량을 도시한 그래프이다.
도 7은 1초간 수분침투 하에서 토크-전단형 고력볼트의 누적전류량을 도시한 그래프이다.
도 8은 30분간 수분침투 하에서 토크-전단형 고력볼트의 누적전류량을 도시한 그래프이다.
도 9는 영하 3도에서 노출시킨 토크-전단형 고력볼트의 누적전류량을 도시한 그래프이다.
도 10은 누적 전류량이 최대전류량의 30%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 11은 누적 전류량이 최대전류량의 60%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 12는 누적 전류량이 최대전류량의 10%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 13은 누적 전류량이 최대전류량의 20%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 14는 누적 전류량이 최대전류량의 40%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
도 15는 누적 전류량이 최대전류량의 50%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 명세서에 첨부된 도면의 구성요소들은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소되어 도시되어 있을 수 있음이 고려되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 개념도이며, 도 2는 정면도이고, 도3은 사시도이다. 도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치(20)는 접합부재(60)에 고력볼트(40)를 체결할 때 사용되는 고력볼트 전용 전동렌치(30)와 연결되어 토크-전단형 고력볼트의 축력을 체결 즉시 측정할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치는 토크-전단형 고력볼트를 체결시키는 전동렌치(30)와 연결되는 본체부(100); 상기 본체부(100)에 위치하고, 상기 전동렌치(30)의 전류량을 이용하여 토크-전단형 고력볼트의 축력을 측정하는 측정부(200); 상기 본체부(100)에 형성되고, 외부에서 전원(10)을 공급받는 전원인입부(320) 및 상기 전원(10)을 상기 전동렌치(30)에 공급하는 전원인출부(340)를 구비하는 전원부(300); 및 상기 측정부(200)에서 측정된 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정결과를 외부에 표시하는 표시부(400)를 포함한다.
또한, 상기 본체부(100)에 형성되고, 상기 측정부(200)에서 측정된 데이터를 외부로 출력하는 출력부(120)를 더 포함할 수 있고, 별도의 단말기(미도시)와 연결되어 상기 단말기를 통해 상기 측정부(200)를 보수, 유지 및 관리 가능한 커넥터부(140)를 더 포함할 수 있다.
본체부(100)는 상기 측정부(200)가 위치하고, 상기 전원부(300) 및 표시부(400)가 형성될 수 있는 구성이라면, 어떠한 구성으로 제작되어도 무방하다. 일반적으로는 휴대 가능한 크기를 가진 직육면체 형상으로 제작될 수 있다.
측정부(200)는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치에서 축력을 측정하는 기능을 수행하며, 이에 관해서는 상세히 후술하기로 한다.
전원부(300)는 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 전면에는 상기 전동렌치(30)에 전원(10)을 공급하는 전원인출부(340)가 형성되고, 후면에는 외부에서 상기 전원(10)을 공급받는 전원인입부(320)가 형성된다. 상기 전원인출부(340) 및 전원인입부(320)는 일반적으로 쓰이는 전원플러그가 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 전원공급은 AC 전원플러그를 설치하여 외부에서 상기 전원(10)을 공급받고, 상기 전원(10)은 상기 측정부(200), 표시부(400), 출력부(120), 커넥터부(140)등에 사용되는 DC 공급을 위한 전원과, 상기 전동렌치(30) 구동을 위한 AC로 구성될 수 있다. 여기서 DC공급은 컨버터를 이용하여 공급될 수 있고, AC는 후술할 전류센서를 통과하여 공급될 수 있다.
표시부(400)는 측정된 축력값을 상기 본체부(100)에 표시하는 역할을 수행할 수 있다면, 어떠한 구성으로 제작되어도 무방하며, 일반적으로는 lcd등의 디스플레이가 이용될 수 있다.
출력부(120)는 상기 측정부(200)에서 측정된 데이터들을 출력하는 역할을 수행하고, 일반적으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 본체부(100)의 하단에 메모리 카드 포트를 형성하여, 상기 메모리카드를 사용하여 상기 데이터들을 출력 가능하다.
커넥터부(140)는 상기 측정부(200)에서 사용되는 프로그램을 보수, 유지 및 관리하는 역할을 수행하며, 별도의 단말기와 상기 디지털 축력 측정 장치(20)가 케이블 등으로 연결될 수 있도록 상기 본체부(100)의 하단에 형성될 수 있다. 상기 커넥터부(140)는 상기 측정부(200)의 프로그램을 보수, 유지 및 관리하는 역할을 수행할 수 있다면 어떠한 구성으로 제작되어도 무방하며, 일반적으로는 USB 포트가 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 작동구성을 나타낸 블록도가 도시되어 있는 바, 이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치의 작동원리를 상기 측정부(200)를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
측정부(200)는 상기 전동렌치(30)로 공급하는 AC를 0 내지 5V의 DC를 이용하여, 전류센서(미도시)를 통해 감지하는 전류감지부(220); 상기 전류감지부(220)에서 감지되는 전류에 대하여, 설정된 범위에서 샘플링을 실시하는 샘플링부(240); 및 축력 계산 알고리즘을 사용하여 상기 전류값을 분석하고, 축력을 계산하는 계산부(260)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정부(200)는 상기 계산부(260)에서 계산된 축력값을 시간별로 저장하는 데이터 저장부(280)를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 샘플링부(240)에서 샘플링의 시작은 상기 전류감지부(220)에서 감지되는 신호가 제 1 크기값 이하로 제 1시간 이상 지속된 후, 상기 제 1크기값 이상의 신호가 감지될 때, 설정된 범위에서 샘플링을 시작하고, 상기 전류감지부(220)에서 감지되는 신호가 제 2 크기값 이하로 제 2시간 동안 지속될 때, 상기 샘플링을 종료하도록 구성될 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 상기 샘플링부(240)에서 상기 제 1 크기값을 0.03 Volts, 상기 제 1 시간을 1초로 지정하고, 상기 제 2 크기값을 0.03 Volts, 상기 제 2시간을 0.2초로 지정하고, 상기 샘플링의 설정 범위를 10,000/sec로 하였을 때, 축력이 측정되는 과정은 다음과 같다. 우선, 상기 샘플링부(240)는 상기 전류감지부(220)에서 감지되는 신호가 0.03 Volts(제 1 크기값) 이하로 1초(제 1시간) 이상 지속된 후, 0.03 Volts 이상의 전류가 감지될 경우 축력 산출을 시작하며, 1초당 10,000개의 데이터를 산출하게 된다. 다음으로, 상기 전류감지부(220)에서 감지되는 신호가 0.03 Volts(제 2 크기값) 이하로 0.2초(제 2시간) 지속되면 축력 산출을 종료하게 된다.
다음으로, 축력 계산 알고리즘을 적용하기 위해 전류의 최대값을 검색하게 되는데, 상기 최대값은 상기 샘플링의 종료 시점부터 역으로 일정 시간 이내의 데이터 값 중, 최대값을 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 직전의 최대전류값으로 설정하게 된다. 즉, 상기 샘플링의 설정 범위를 10,000/sec로 하였을 때, 상기 일정 시간 이내의 데이터 값은 예를 들면, 3초 이내로 산출된 30,000개의 데이터를 의미한다. 또한, 상기 최대전류값은 기동전류를 제외한 나머지 부분의 최대값을 의미한다. 한편, 상기 축력 계산 알고리즘은 일반적으로 사용되는 축력 계산 알고리즘이 사용될 수 있으며, 아래에서 상세히 설명할 본 발명에 따른 축력 측정 방법을 사용하는 것도 가능하다.
다음으로, 상기 계산부(260)는 상기 최대전류값을 기준으로 지정하고, 상기 샘플링의 종료 시점부터 역으로 일정 시간 이내의 모든 데이터 값을 상기 데이터 저장부(280)에 저장하고, 상기 축력 계산 알고리즘에 따라 상기 데이터 값 중, 상기 기준 대비 일정값 이상(예를 들면, 0% 이상)인 데이터 값들의 합산을 계산한 후에 상기 합산을 미리 설정된 공식에 대입하여 축력을 계산하게 된다. 이와 같이 계산된 축력은 상기 표시부(400)에 표시될 수 있으며, 상기 데이터 저장부(280)에 저장된 데이터들이 상기 출력부(120)를 통해 외부로 출력하는 것도 가능하다. 한편, 여기서 상기 공식은 전류-축력 공식을 의미하며, 회귀식 형태로 표현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 축력 측정 장치는 토크-전단형 고력볼트의 축력을 체결 즉시 측정하도록 함으로써, 상기 고력볼트의 교환 내지 추가체결을 보다 용이하게 하여 체결축력에 관한 품질관리를 향상시켰다는 점에 본 발명의 기술적 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법의 순서도가 도시되어 있는 바, 이하에서는 이를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 방법을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예에 따른 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법은 토크-전단형 고력볼트(40)를 체결시키는 전동렌치(30)로부터, 상기 토크-전단형 고력볼트(40)가 핀테일 파단 될 때까지의 누적 전류량을 구하는 제 1 단계(S100); 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 장치로부터 측정된 축력값과 일대일 상관관계를 갖는 상기 누적 전류량을 검색하는 제 2 단계(S200); 상기 축력값 및 상기 누적 전류량 사이의 회귀분석 예측식을 산출하는 제 3 단계(S300); 및 상기 회귀분석 예측식을 사용하여, 상기 누적 전류량으로부터 축력을 추정하는 제 4 단계(S400)를 포함한다.
또한, 상기 제 4 단계(S400) 이후에, 상기 누적 전류량으로부터 추정된 축력이 95% 범위의 신뢰도 구간 내에 있는지 여부를 검정하는 제 5 단계(S500)를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 검정방법으로는 일반적인 통계기법이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 쌍체 t검정이 사용될 수 있다.
한편, 보다 구체적으로 상기 제 1 단계(S100)는, 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점에서의 최대전류량을 기준으로 지정하고, 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점 이전의 일정 시점을 지정하여, 상기 지정된 일정 시점부터 상기 핀테일 파단 시점까지의 상기 누적 전류량을 구하도록 할 수 있다. 예를 들면, 상기 누적 전류량은 전동렌치로부터 얻어지는 데이터로, 상기 고력볼트의 핀테일이 파단되는 시점까지 기동전류부터 상기 전동렌치 구동을 위해 사용된 전류값을 의미한다. 상기 누적 전류량은 예를 들면, 오실로스코프를 사용하여 1초당 10,000회의 데이터를 계측 및 저장할 수 있다.
또한, 상기 제 2 단계(S200)는, 상기 토크-전단형 고력볼트의 축력을 정상조건 및 비정상조건으로 구분하여 측정하는 단계(S220) 및 상기 구분된 축력에 가중치를 부여하여, 상기 축력값을 정량화 하는 단계(S240)를 더 포함할 수 있다. 상기 정상조건 및 비정상조건은 예를 들면, 공장출하 상태(정상조건), 공장출하 상태의 볼트를 1초간 수분에 침투한 상태(제 1 비정상조건), 공장출하 상태의 볼트를 30분간 수분에 침투한 상태(제 2 비정상조건), 공장출하 상태의 볼트를 24시간 동안 영하 3도의 공기에 노출시킨 상태(제 3 비정상조건)등으로 나눌 수 있다. 이와 같이 조건을 세분화하는 이유는 외부환경요인에 따라 축력이 달라지는 것을 고려하여, 측정되는 축력의 정확도를 높이기 위해서다. 이와 같이 구분된 조건들에 따른 누적 전류량 그래프는 도 6 내지 도 9에 나와 있다. 상기 도6 내지 도9에서의 실시예는 직경 20mm 및 길이 85mm를 가지는 토크-전단형 고력볼트를 각 조건별로 90개씩 체결 시험을 실시하였고, 이 때, 실내온도는 23℃에 해당하였다.
한편, 상기 제 3 단계(S300)는, 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점에서의 최대 전류량을 기준으로 지정하고, 상기 누적전류량을 10% 단위로 등분하여 정량화한 데이터값을 산출하는 단계(S320); 상기 제 2 단계(S200)에서 정량화된 상기 축력값 및 정량화된 상기 누적 전류량을 통계적 관리기법에 따라 분산분석하는 단계(S340); 및 상기 데이터값을 적분하여 얻은 값과 상기 축력값 간의 회귀분석 예측식을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 축력값은 토크-전단형 고력볼트의 일반적인 축력 측정 장치에서 얻어지는 전류값을 의미하며, 이와 같은 축력 측정 장치로는 로드셀 및 유압 축력계가 있다. 한편, 상기 통계적 관리기법은 예를 들면, 통계분석 전용 소프트웨어를 사용하여 일원분산분석등을 통해 회귀분석 예측식을 산출하는 것을 의미하며, 이와 같은 통계분석 전용 소프트웨어에는 Minitab이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법은, 토크-전단형 고력볼트의 축력을 정량화하여 확인하게 함으로써, 종래 외부환경요인에 따른 토크계수 변동에 의해 실제 도입축력이 크게 달라지는 문제점을 완화하였다는 점에 본 발명의 기술적 장점이 있다.
실시예
도 10 내지 도 15 에서는 누적 전류량이 최대전류량의 10~60%에 해당할 때, 추정축력의 회귀분석 모형을 나타낸 그래프를 도시하였는 바, 이하에서는 이를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 체결 축력 알고리즘 분석식(회귀식)과 결과를 상세히 설명하도록 한다.
(1) 시험 준비
- 고력볼트체결에 필요한 강판(재질:SM490A)으로 구성된 2면 전단 시험체(폭 100mm * 길이 420mm * 두께 19mm)
- 토크-전단형 고력볼트(제원: F10T M20, 직경 20mm, 길이 85mm)
- 전동렌치 (모델번호: GH-242HRZ)
- 로드셀 및 유압식 축력계
- 전류신호센서 (모델: TZ77L)
- 오실로스코프 (모델: LC334A)
- 데이터 저장 및 분석을 위한 단말기(컴퓨터)
(2) 시험 과정 및 결과
토크-전단형 고력볼트의 핀테일이 파단되는 시점으로부터 1.5초 동안 얻은 누적 전기에너지량 중 최대전류값으로부터 30%에 해당하는 데이터에서 통계적으로 회귀분석를 얻었다(도 10 참고). 데이터 표본은 90개 이었다.
[회귀분석 예측식 1]
Y=24.78 + 0.02333 * X
S=9.37202, R2=70.4%, R2=70.0% (수정값)
Y는 얻고자 하는 축력(kN)이고, X는 전동렌치에서 얻은 누적 전류량(A)이다. 또한, S는 표준편차, R2 는 결정계수로 0 < R2 < 1 의 범위안에 있으며, 1에 가까울수록 신뢰도가 높다는 것을 의미한다.
다음으로, 기존 축력기기인 로드셀에서 측정된 축력값(kN)과 실험값을 토대로 만든 알고리즘에 기반하여 토크를 축력으로 변환한 축력값(kN)을 비교하여 실제 측정값과 어느 정도 오차를 보이는지 여부 및 신뢰성 확인을 위해 통계학적 분석방법을 수행하였다. 상기 통계학적 분석방법 수행을 위한 프로그램으로는 Minitab(Ver 1.5)를 이용하였다. 통계학적 검정은 모집단이 2개 있는 모평균을 비교하는 검추정 문제이며, 로드셀에서 얻은 데이터와 알고리즘에서 얻은 데이터가 1:1 대응관계를 형성하므로, 쌍체 t 검정을 실시하였다. 검정결과는 하기 표1과 같다.
| 표본 개수 | 평균 | 표준편차 | SE평균 | |
| 로드셀 | 90 | 172.60 | 17.12 | 1.80 |
| 시험결과 | 90 | 172.09 | 8.82 | 0.93 |
| 차이 | 90 | 0.51 | 14.59 | 1.54 |
평균 차이의 95% CI : (-2.55, 3.57)
평균 차이의 T검정 =5.34 (대 not =5.34)
T-값=-3.14
P-값=0.002
평균 차이의 T검정 5.34는 표준축력 178kN의 허용오차 3%인 5.34kN을 의미하며, P값이 0.002로 0.05보다 작으므로 귀무가설을 채택하였다. 즉, 로드셀에서 얻은 데이터와 시작품에서 얻은 데이터는 95%의 신뢰도 수준에서 허용오차 3%이내의 범위에 있는 것으로 판단된다.
마찬가지로, 토크-전단형 고력볼트의 핀테일이 파단되는 시점으로부터 1.5초 동안 얻은 누적 전기에너지량 중 최대전류값으로부터 60%에 해당하는 데이터에서 통계적으로 회귀분석 결과를 얻었다(도 11 참고). 데이터 표본은 90개 이었다.
[회귀분석 예측식 2]
Y=55.74 + 0.02718 * X
S=10.3563, R2=63.8%, R2=63.4% (수정값)
이에 대하여 상술한 시험과정과 동일한 과정을 거쳐 검정을 실시하였고, 검정결과는 하기 표2와 같다.
| 표본 개수 | 평균 | 표준편차 | SE평균 | |
| 로드셀 | 90 | 172.60 | 17.12 | 1.80 |
| 시험결과 | 90 | 172.18 | 7.61 | 0.80 |
| 차이 | 90 | 0.51 | 15.32 | 1.61 |
평균 차이의 95% CI : (-2.79, 3.63)
평균 차이의 T검정 =5.34 (대 not =5.34)
T-값=-3.05
P-값=0.003
이 경우에도 P 값이 0.003으로 0.05보다 작은 값으로 분석되었다. 따라서 귀무가설을 채택하였다. 즉, 로드셀에서 얻은 데이터와 시작품에서 얻은 데이터는 95%의 신뢰도 수준에서 허용오차 3% 이내의 범위에 있는 것으로 판단된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10: 전원 20: 디지털 축력 측정 장치
30: 전동렌치 40: 고력볼트
50: 너트 60: 접합부재
100: 본체부 120: 출력부
140: 커넥터부 200: 측정부
220: 전류감지부 240: 샘플링부
260: 계산부 280: 데이터저장부
300: 전원부 320: 전원인입부
340: 전원인출부 400: 표시부
30: 전동렌치 40: 고력볼트
50: 너트 60: 접합부재
100: 본체부 120: 출력부
140: 커넥터부 200: 측정부
220: 전류감지부 240: 샘플링부
260: 계산부 280: 데이터저장부
300: 전원부 320: 전원인입부
340: 전원인출부 400: 표시부
Claims (17)
- 토크-전단형 고력볼트를 체결시키는 전동렌치와 연결되는 본체부(100);
상기 본체부(100)에 위치하고, 상기 전동렌치의 전류량을 이용하여 토크-전단형 고력볼트의 축력을 측정하는 측정부(200);
상기 본체부(100)에 형성되고, 외부에서 전원을 공급받는 전원인입부(320) 및 상기 전원을 상기 전동렌치에 공급하는 전원인출부(340)를 구비하는 전원부(300); 및
상기 측정부(200)에서 측정된 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정결과를 외부에 표시하는 표시부(400)를 포함하고,
상기 측정부(200)는,
상기 전동렌치로 공급하는 AC를 0 내지 5V(volts)의 DC를 이용하여, 전류센서를 통해 감지하는 전류감지부(220);
상기 전류감지부(220)에서 감지되는 전류에 대하여, 설정된 범위에서 샘플링을 실시하는 샘플링부(240); 및
축력 계산 알고리즘을 사용하여 상기 샘플링부(240)에서 산출된 데이터값을 분석하고, 축력을 계산하는 계산부(260)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치
- 청구항 1에 있어서,
상기 본체부(100)에 형성되고,
상기 측정부(200)에서 측정된 데이터를 외부로 출력하는 출력부(120)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 본체부(100)에 형성되고,
별도의 단말기와 연결되어 상기 단말기를 통해 상기 측정부(200)를 보수, 유지 및 관리 가능한 커넥터부(140)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 측정부(200)는,
상기 계산부(260)에서 계산된 축력값을 시간별로 저장하는 데이터 저장부(280)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 샘플링부(240)는 상기 전류감지부(220)에서 감지되는 신호가 제 1 크기값 이하로 제 1 시간 이상 지속된 후, 상기 제 1 크기값 이상의 신호가 감지될 때, 설정된 범위에서 샘플링을 시작하고,
상기 전류감지부(220)에서 감지되는 신호가 제 2 크기값 이하로 제 2 시간동안 지속될 때, 상기 샘플링을 종료하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치.
- 청구항 5 에 있어서,
상기 계산부(260)는,
상기 샘플링의 종료 시점부터 역으로 일정 시간 이내의 데이터 값 중, 최대값을 상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 직전의 최대전류값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 계산부(260)는,
상기 최대전류값을 기준으로 지정하고,
상기 샘플링의 종료 시점부터 역으로 일정 시간 이내의 모든 데이터 값을 상기 데이터 저장부에 저장하고,
상기 축력 계산 알고리즘에 따라 상기 데이터 값 중, 상기 기준 대비 일정 값 이상인 데이터 값들의 합산을 계산하고,
상기 합산을 설정된 공식(회귀식)에 대입하여 축력을 계산하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치.
- 토크-전단형 고력볼트를 체결시키는 전동렌치로부터, 상기 토크-전단형 고력볼트가 핀테일 파단 될 때까지의 누적 전류량을 구하는 제 1 단계;
상기 토크-전단형 고력볼트의 축력을 정상조건 및 비정상조건으로 구분하여 측정하는 단계; 상기 구분된 축력에 가중치를 부여하여, 축력값을 정량화 하는 단계; 및 상기 축력값과 일대일 상관관계를 갖는 상기 누적 전류량을 검색하는 단계를 포함하는 제 2 단계;
상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점에서의 최대 전류량을 기준으로 지정하고, 상기 누적 전류량을 10% 단위로 등분하여 정량화한 데이터값을 산출하는 단계; 상기 제 2 단계에서 정량화된 상기 축력값 및 정량화된 상기 누적 전류량을 통계적 관리기법에 따라 분산분석하는 단계; 및 상기 데이터값을 적분하여 얻은 값과 상기 축력값 간의 회귀분석 예측식을 산출하는 단계를 포함하는 제 3 단계; 및
상기 회귀분석 예측식을 사용하여, 상기 누적 전류량으로부터 축력을 추정하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제 4 단계 이후에,
상기 누적 전류량으로부터 추정된 축력이 95% 범위의 신뢰도 구간 내에 있는지 여부를 검정하는 제 5 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 제 5 단계는,
쌍체 t 검정을 이용하여 신뢰도 검정을 수행하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 제 1 단계는,
상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점에서의 최대 전류량을 기준으로 지정하고,
상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점 이전의 일정 시점을 지정하여, 상기 지정된 일정 시점부터 상기 핀테일 파단 시점까지의 상기 누적 전류량을 구하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 9에 있어서,
상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점으로부터 1.5초 이전 시간 동안 얻은 누적 전류량 중, 상기 최대전류량으로부터 30% 단위에 해당하는 데이터값을 사용하여 하기의 회귀분석 예측식1을 산출하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법.
[회귀분석 예측식 1]
Y= 24.78+0.02333X
여기에서, Y는 얻고자 하는 축력(kN), X는 전동렌치에서 얻은 누적 전류량(A)임.
- 청구항 9에 있어서,
상기 토크-전단형 고력볼트의 핀테일 파단 시점으로부터 1.5초 이전 시간 동안 얻은 누적 전류량 중, 상기 최대전류값으로부터 60% 단위에 해당하는 데이터값을 사용하여 하기의 회귀분석 예측식 2를 산출하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법.
[회귀분석 예측식 2]
Y=55.74+0.02718X
여기에서, Y는 얻고자 하는 축력(kN), X는 전동렌치에서 얻은 누적 전류량(A)임.
- 청구항 1에 있어서,
상기 축력 계산 알고리즘은 상기 청구항 9 내지 12, 또는 상기 청구항 15 내지 16중 어느 한 항에 따른 토크-전단형 고력볼트의 축력 측정 방법인 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치.
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|---|---|---|---|
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| JP2013515253A JP5536281B2 (ja) | 2010-06-14 | 2011-05-03 | トルク−せん断型高力ボルトのデジタル軸力測定装置及び方法 |
| US13/704,570 US9261420B2 (en) | 2010-06-14 | 2011-05-03 | Digital device and method for measuring the axial load of a torque-shear-type high strength bolt |
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|---|---|---|---|
| KR1020100055920A KR101013340B1 (ko) | 2010-06-14 | 2010-06-14 | 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치 및 방법 |
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| KR20170025676A (ko) * | 2015-08-31 | 2017-03-08 | 한국전력공사 | 고력볼트의 축력 도입장치 및 이를 이용하는 고력볼트의 축력 도입방법 |
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