KR101082327B1 - 토크센서 테스트 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크센서 테스트 장치에 관한 것으로, 그 목적은 토크암을 디스크 형태로 구성하여 토크암의 길이변화나 굽힘변형의 발생을 방지하여 보다 정확한 성능 측정이 가능하도록 한 토크센서 테스트 장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명의 토크센서 테스트 장치는 무게추의 중량 변화에 의해 회전하는 토크암과, 상기 토크암으로부터 연장되어 토크센서와 연결되는 회전축을 회전 가능하게 지지하는 지지구조물과, 상기 토크센서에 의해 측정되는 토크값을 전달받아 해당 토크센서의 성능 측정을 수행하는 분석유닛을 포함하는 토크센서 테스트 장치에 있어서, 상기 토크암은 상면과 저면이 수평하게 형성된 디스크 형상으로 이루어지며, 상기 지지구조물에 수직하게 세워진 구조로 설치되어 토크암의 변형에 의한 측정오차를 감소시킬 수 있도록 구성된다.

Description

토크센서 테스트 장치{Torque sensor test bed}

본 발명은 토크센서의 성능을 측정하는 테스트 장치에 관한 것으로, 특히 토크암을 디스크 형태로 개선하여 토크암의 변형에 의한 측정 오차를 줄이고, 가변토크수단을 이용하여 토크값을 연속적으로 변화시킬 수 있으며, 가진수단을 이용하여 필요에 따라 진동을 부여할 수 있도록 한 토크센서 테스트 장치에 관한 것이다.

일반적으로 센서란 피측정 대상에 접촉하거나 그 가까이서 데이터를 알아내어 필요한 정보를 신호를 전달하는 장치를 말하는 것으로, 실생활에 사용되는 기계장치나 산업용 기계장치 등에 널리 사용되고 있다.

이러한 센서는 빛센서, 온도센서, 가스센서, 압력센서, 자기센서 등으로 다양하며, 센서로부터 취득되는 정보를 이용하여 해당 기계장치의 상태를 인식하고 제어하게 되므로, 센서로부터 정확한 정보가 취득되어야만 해당 기계장치의 정밀한 제어가 가능하게 된다.

따라서 제작된 센서 또는 센서를 사용하기에 앞서 센서의 성능을 테스트 검사공정을 진행하게 된다.

도 1은 종래의 토크센서 테스트 장치를 이용한 토크센서의 성능 검사 상태를 촬영한 사진이고, 도 2는 종래의 또 다른 토크센서 테스트 장치를 이용한 토크센서의 성능 검사 상태를 촬영한 사진이며, 도 3은 종래 토크센서 테스트 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 평면도를 도시하고 있다.

토크센서 테스트 장치는 무게추(20)에 의한 토크암(10)의 회전 시, 토크암(10)으로부터 연장되는 회전축(30)의 회전을 토크센서(40)가 전달받아 토크값을 측정하게 되며, 토크센서(40)에서 측정된 토크값과 무게추의 중량에 의한 토크값을 비교하여 토크센서의 성능을 테스트하게 된다.

한편 종래의 토크센서 테스트 장치는 무게추의 중량에 의해 회전하는 토크암의 일측면으로부터 연장되는 회전축에 토크센서를 연결하여 토크센서의 성능 측정을 위한 테스트를 진행하도록 구성되어 있다.

상기와 같은 구조의 토크센서 테스트 장치는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 무게추의 증가에 의한 토크암의 길이변화로 성능 측정의 정밀도가 떨어진다.

도 4는 토크암의 길이변화를 설명하기 위한 도면으로, 토크암의 어느 한 쪽에 연결된 무게추의 양을 증가시키게 되면, 양측 무게추의 중량차이에 의하여 토크암이 회전하게 된다. 이때의 토크는 τ=F·d로 계산될 수 있으나, 연결부위의 틈새나 토크측정기 감지부의 탄성변형에 의하여 α가 발생하고, 토크암의 형상으로 인하여 α와 β의 차이가 발생된다. 이에 따라 l₂값이 달라지고 결과적으로 d가 변화하게 된다. 결국 토크의 계산을 위한 d는 d=l₂·cos(α-β)에 계산될 수 있으나 α 및 β에 대한 측정이 사실상 어렵기 때문에 정확한 토크값을 구하기가 어려워 성능 측정의 정밀도가 떨어진다.

둘째, 토크암 자체 중량이나 무게추에 의하여 토크암의 굽힘변형이 발생되며, 이로 인하여 성능 측정의 정밀도가 떨어진다.

종래 토크센서 테스트 장치에 사용되는 토크암은 길게 연장된 바(bar)의 형상을 갖도록 구성되어 있다. 이러한 구조의 토크암은 자중이나 무게추의 중량에 의하여 토크암 자체에 굽힘변형이 발생되고, 이러한 굽힘변형은 정확한 토크 전달을 저해하게 되므로 성능 측정의 정밀도가 저하된다.

셋째, 토크암의 일측면으로부터 연장되는 회전축이 구조물에 지지되어 외팔보와 같은 구조를 형성하게 되며(도 3 참조), 회전축의 끝단에는 토크암과 무게추의 중량에 의한 하중이 가해짐으로 인하여 회전축에는 굽힘변형이 발생되고, 이로 인하여 성능 측정의 정밀도가 저하된다.

넷째, 종래의 토크센서 테스트 장치는 경우에서 따라서 가장 이상적인 성능을 갖는 토크센서를 참조센서(reference sensor)로 사용하여 토크센서의 성능 테스트 작업을 진행하고 있으나, 이러한 참조센서는 가격이 매우 고가이며, 참조센서를 적용하기 위해서는 테스트 장치의 구조가 복잡해지는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 토크암을 디스크 형태로 구성하여 토크암의 길이변화나 굽힘변형의 발생을 방지하여 보다 정확한 성능 측정이 가능하도록 한 토크센서 테스트 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 토크암의 전후 양측면으로부터 회전축을 연장시키고, 이처럼 연장되는 두 회전축을 지지구조물에 지지하여 토크암의 전후 양측면이 지지되게 함으로써, 토크암의 안정적인 지지를 통해 정확한 성능 측정이 가능하도록 한 토크센서 테스트 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 가변토크수단을 이용하여 토크값을 연속적으로 변화시킬 수 있도록 한 토크센서 테스트 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 가진수단을 이용하여 테스트 장치에 진동을 가하여 토크센서의 실제 사용환경과 같은 테스트 환경을 제공할 수 있는 토크센서 테스트 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 토크센서 테스트 장치는 무게추의 중량 변화에 의해 회전하는 토크암과, 상기 토크암으로부터 연장되어 토크센서와 연결되는 회전축을 회전 가능하게 지지하는 지지구조물과, 상기 토크센서에 의해 측정되는 토크값을 전달받아 해당 토크센서의 성능 측정을 수행하는 분석유닛을 포함하는 토크센서 테스트 장치에 있어서, 상기 토크암은 상면과 저면이 수평하게 형성된 디스크 형상으로 이루어지며, 상기 지지구조물에 수직하게 세워진 구조로 설치되어 토크암의 변형에 의한 측정오차를 감소시킬 수 있도록 구성되며, 상기 토크암의 일측에는 무게추가 연결되고, 토크암의 타측에는 토크암에 가해지는 부하의 크기를 조절할 수 있도록 하는 가변토크수단이 연결된 것을 특징으로 한다.

한편 상기 회전축은 토크암의 전후 양측면으로부터 연장되게 형성되며, 전후 양측면으로부터 연장되는 두 회전축 모두가 지지구조물에 회전 가능하게 지지되어 토크암의 양단이 지지되도록 구성된다.

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이때 상기 가변토크수단은, 상기 지지구조물에 설치되며 와이어를 매개로 토크암의 타측과 연결되어 와이어를 감거나 풀어줌으로써 토크암의 타측에 가해지는 부하의 크기를 조절하는 부하용 모터; 및 상기 와이어에 설치되어 와이어를 통해 토크암에 가해지는 부하의 크기를 검출하는 로드셀로 구성될 수 있다.

또한 상기 가변토크수단은, 상기 로드셀과 부하용 모터의 사이에 위치하도록 와이어에 설치된 부하용 스프링을 더 포함하는 것이 바람직한다.

한편 상기 지지구조물상에는 토크센서가 사용되는 실제 환경과 유사한 테스트 환경을 제공할 수 있도록 지지구조물에 진동을 가하는 가진수단이 더 설치될 수 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 토크암을 디스크 형태로 구성함으로써, 토크암의 변형에 의하여 성능 측정의 정밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있게 되며, 이로 인하여 테스트 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되었다.

또한 토크암의 전후 양측면으로부터 회전축을 연장시키고, 두 회전축을 균일하게 지지함으로써 회전축의 굽힘변형에 의한 성능 측정의 정밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있게 되었다.

또한 가변토크수단을 이용하여 토크암에 가해지는 부하를 연속적으로 변화시키면서 토크센서의 성능 측정을 진행할 수 있게 되어 테스트 환경의 다양화가 가능하게 되었다.

또한 가진수단을 이용하여 테스트 장치에 적절한 진동을 가함으로써 토크센서의 실제 사용 환경과 유사한 테스트 환경을 제공할 수 있게 되었다.

도 1 은 종래의 토크센서 테스트 장치를 이용한 토크센서의 성능 검사 상태를 촬영한 사진,
도 2 는 종래의 또 다른 토크센서 테스트 장치를 이용한 토크센서의 성능 검사 상태를 촬영한 사진,
도 3 은 종래 토크센서 테스트 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 평면도,
도 4 는 토크암의 길이변화를 설명하기 위한 도면,
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 테스트 장치의 사시도,
도 6 은 도 5에 도시된 테스트 장치의 측면도,
도 7 은 본 발명에 따른 테스트 장치의 요부구조를 나타낸 정면도,
도 8 은 본 발명에 따른 토크암의 정면도,
도 9 는 본 발명에 따른 토크암이 설치된 구조를 나타낸 측면도,
도 10 은 본 발명에 따른 가변토크수단의 구조를 나타낸 정면도,
도 11 은 본 발명에 따른 가진수단의 구조를 나타낸 사시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 테스트 장치의 사시도를, 도 6은 도 5에 도시된 테스트 장치의 측면도를, 도 7은 본 발명에 따른 테스트 장치의 요부구조를 나타낸 정면도를, 도 8은 본 발명에 따른 토크암의 정면도를, 도 9는 본 발명에 따른 토크암이 설치된 구조를 나타낸 측면도를 도시하고 있다.

본 발명의 토크센서 테스트 장치는 토크암(110)과, 지지구조물(120)과, 분석유닛(130)을 포함하는 것으로 구성되며, 이때 상기 토크암(110)의 구조 개선을 통하여 토크암(110)의 변형을 방지함으로써, 토크센서 성능 측정의 정밀도를 높일 수 있도록 한 것이다.

상기 토크암(110)은 좌우 양단이 와이어(W1,W2)를 매개로 무게추(WE)와 연결되고, 좌우 양단의 무게추의 중량차에 의해 회전하게 되며, 이러한 토크암(110)의 회전이 측정 대상 토크센서(T)에 전달되어 토크센서의 성능 측정이 이루어지게 된다. 물론 이러한 점은 종래의 토크센서 테스트 장치에 적용되는 토크암과 동일하지만, 본 발명의 토크암(110)은 지지구조물(120) 상에 수직하게 세워진 구조로 설치되며, 전체적으로 동그란 디스크 형상으로 이루어지되, 수평하게 연장되는 상면(110a)과 저면(110b)을 갖도록 구성되어 있다.

이러한 디스크 형상의 토크암(110)은 어느 한쪽단의 무게추의 증가로 인해 토크암(110)이 회전하는 경우에도 α=β, 즉 d=l₂=l₁은 항상 일정한 상수이므로, 무게추의 중량을 바탕으로 정확한 토크측정(τ=F·d)이 가능하게 된다.

또한 상기 토크암(110)의 전후 양측면 중심부에는 회전축(111,112)이 연장되게 형성되며, 이처럼 토크암(110)의 전후 양측면으로부터 연장되는 두 회전축(111,112)은 지지구조물(120)에 회전 가능한 구조로 결합된다. 결국 토크암(110)은 전후 양측면이 회전축(111,112)에 의해 지지구조물(120)에 지지되며, 토크암(110)의 자중이나 무게추에 의한 하중은 두 회전축(111,112)으로 균일하게 분산됨에 따라 회전축(111,112)의 굽힘변형에 의하여 성능 측정의 정밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편 토크암(110)의 전후 양측면으로부터 연장되는 두 회전축(111,112) 중 어느 하나의 회전축(112)에 측정 대상 토크센서(T)가 연결되어 토크암(110)의 회전을 전달받게 된다. 이때 토크암(110)과 토크센서(T)의 연결은 측정대상 토크센서의 구조에 따라 다양하게 구성될 수 있으며, 또 종래의 토크센서 테스트 장치에도 다양한 연결구조가 사용되고 있는 바, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.

상기 지지구조물(120)은 하판(121)과, 상기 하판(121)의 수직 상부에서 하판(121)과 이격되게 배치되며 토크암(110)으로부터 연장되는 회전축(111,112)을 지지하기 브래킷(1221)을 구비하는 상판(122)과, 상기 하판(121)과 상판(122)을 연결하는 다수 개의 기둥(123)으로 구성된다. 한편 후술될 가진수단(150)에 의하여 테스트 장치에 진동이 가해질 때, 적절한 가진이 가능하도록 하기 위하여 상기 하판(121)의 저면에는 진동을 흡수하기 위한 다수 개의 방진마운트(124)가 설치된다. 이때 상기 방진마운트(124)는 진동 흡수를 위하여 다양한 기계장치들에 사용되고 있는 주지 관용된 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

상기 분석유닛(130)은 토크암(110)으로부터 연장된 회전축(112)과 결합되도록 지지구조물(120)상에 설치된 토크센서(T)에서 측정되는 토크값을 전달받아 해당 토크센서의 성능을 분석하고 분석결과를 화면을 통해 표시하는 것이다. 이러한 분석유닛(130)은 토크센서로부터 전달되는 아날로그값을 디지털값으로 변환하는 공지의 DAQ보드(131)와 분석용 컴퓨터(132)로 구성된다. 물론 상기 분석용 컴퓨터(132)는 측정 결과를 표시하기 위한 미도시된 디스플레이 유닛이 포함한다.

도 10은 본 발명에 따른 가변토크수단의 구조를 나타낸 정면도를 도시하고 있다.

상기와 같이 구성되는 토크센서 테스트 장치에서 토크암(110)의 일측에는 종래와 같이 무게추(WE)를 연결하고, 타측에는 토크암(110)에 가해지는 부하의 크기를 조절할 수 있는 가변토크수단(140)을 연결함으로써, 보다 다양한 테스트 환경을 구현할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 가변토크수단(140)은 부하용 모터(141)와 로드셀(142) 및 부하용 스프링(143)으로 구성되며, 이때 상기 부하용 모터(141)는 지지구조물(120)의 하판(121)에 설치되어 와이어(W2)를 매개로 토크암(110)의 타측과 연결되며, 이처럼 설치되는 부하용 모터(141)는 도르레(1411)를 회전시켜 와이어(W2)를 감거나 풀어주는 동작을 통해 토크암(110)의 타측에 가해지는 부하의 크기를 조절할 수 있게 된다.

한편 상기 로드셀(142)은 토크암(110)과 부하용 모터(141)를 연결하는 와이어(W2)에 설치되어 부하용 모터(141)에 의하여 토크암(110)에 전달되는 부하의 크기를 검출하게 되고, 검출된 부하값은 DAQ보드(131)를 통해 분석용 컴퓨터(132)로 전달되어 가변토크수단(140)에 의하여 토크암(110)에 전달되는 부하의 크기를 확인할 수 있게 된다.

한편 상기 부하용 스프링(143)은 로드셀(142)과 부하용 모터(141)의 사이에 위치하도록 와이어(W2)에 설치된다. 이처럼 설치되는 부하용 스프링(143)은 자신이 갖는 스프링 상수를 이용하여 부하용 모터(141)에 의해 토크암(110)에 가해지는 부하의 크기를 보다 쉽게 설정할 수 있도록 하는 것이다.

즉 부하의 크기를 조절하기 위하여 부하용 모터(141)가 작동하여 도르레(1411)가 와이어(W2)를 감을 때, 와이어(W2)가 감기는 양에 따른 부하 크기의 변화를 산출하는 것은 용이하지 못하므로, 결국 부하의 크기를 제어하는데 어려움이 따르게 된다. 따라서 본 발명은 부하용 스프링(143)을 이용하여 부하의 크기 변화를 쉽게 산출하고 제어할 수 있도록 한 것이다.

통상적으로 스프링에 가해지는 힘 F는 아래 수식에 의해 산출될 수 있다.

F = k · x ----- 수식

여기서, k는 스프링 상수이고, x는 스프링의 변형량이다.

한편 부하용 모터(141)에 의해 회전하면서 와이어(W2)를 감거나 풀어주는 도르레(1411)의 직경값은 일정한 상수이므로, 엔코더를 이용하여 부하용 모터(141)의 회전축(111,112)이 몇도만큼 회전했는지를 알게 되면, 와이어가 도르레(1411)에 감긴 길이를 알 수 있으며, 이 감긴 길이는 스프링의 변형량과 동일하다. 따라서 와이어의 감긴 길이와 부하용 스프링(143)의 상수를 이용하여 토크암(110)에 가해지는 부하의 크기를 손쉽게 산출하고 제어할 수 있게 된다.

한편 토크센서가 사용되는 실제 환경에서는 기계장치의 작동시 발생되는 진동이 토크센서에 전달되므로, 이러한 실제 환경과 유사한 테스트 환경을 제공할 필요가 있다.

이에 본 발명의 토크센서 테스트 장치에는 가진수단(150:도 5에 도시됨)이 더 포함되는 것이 바람직하다.

도 11은 본 발명에 따른 가진수단의 구조를 나타낸 사시도를 도시하고 있다.

상기 가진수단(150)은 지지구조물(120) 상에 브래킷(124)에 의해 지지된 가진용 모터(151)와, 상기 가진용 모터(151)의 회전축에 일측단이 지지되어 회전하는 회전암(152)과, 상기 회전암(152)의 끝단에 설치된 가진용 추(153)로 구성될 수 있다.

이러한 가진수단(150)은 가진용 모터(151)에 의하여 회전암(152)이 회전하게 될 때, 회전암(152)의 끝단에 설치되어 회전축의 중심으로부터 벗어난 위치에 있는 가진용 추(153)로 인하여 진동이 발생하게 되며, 이러한 진동은 지지구조물(120)에 그대로 전달되므로, 토크센서가 사용되는 실제 환경과 유사한 테스트 환경을 구현할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 토크센서 테스트 장치는 토크암(110)의 양단에 무게추를 연결하고, 양측 무게추의 중량을 서로 다르게 하여 토크암(110)을 회전시킴으로써 토크센서의 성능 측정을 진행할 수 있다.

또한 토크암(110)의 일측에 무게추를 대신하여 가변토크수단(140)을 연결하고, 부하용 모터(141)를 작동하여 도르레(1411)를 회전시키게 되면, 도르레(1411)에 의하여 와이어(W2)가 감김으로써 토크암(110)에 가해지는 부하의 크기가 조절되며, 이러한 부하의 크기 조절은 토크센서의 성능 측정이 진행되는 과정에서 연속적으로 이루어질 수 있으므로 보다 다양한 테스트 환경의 구현이 가능하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(110) : 토크암 (111),(112) : 회전축
(120) : 지지구조물 (130) : 분석유닛
(140) : 가변토크수단 (141) : 부하용 모터
(142) : 로드셀 (143) : 부하용 스프링
(150) : 가진수단

Claims (6)

1. 무게추의 중량 변화에 의해 회전하는 토크암(110)과, 상기 토크암(110)으로부터 연장되어 토크센서와 연결되는 회전축을 회전 가능하게 지지하는 지지구조물(120)과, 상기 토크센서에 의해 측정되는 토크값을 전달받아 해당 토크센서의 성능 측정을 수행하는 분석유닛(130)을 포함하는 토크센서 테스트 장치에 있어서,
   상기 토크암(110)은 상면(110a)과 저면(110b)이 수평하게 형성된 디스크 형상으로 이루어지며, 상기 지지구조물(120)에 수직하게 세워진 구조로 설치되어 토크암(110)의 변형에 의한 측정오차를 감소시킬 수 있도록 구성되며,
   상기 토크암(110)의 일측에는 무게추가 연결되고, 토크암(110)의 타측에는 토크암(110)에 가해지는 부하의 크기를 조절할 수 있도록 하는 가변토크수단(140)이 연결된 것을 특징으로 하는 토크센서 테스트 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전축은 토크암(110)의 전후 양측면으로부터 연장되게 형성되며, 전후 양측면으로부터 연장되는 두 회전축(111,112) 모두가 지지구조물(120)에 회전 가능하게 지지되어 토크암(110)의 양단이 지지됨을 특징으로 하는 토크센서 테스트 장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 가변토크수단(140)은,
   상기 지지구조물(120)에 설치되며 와이어(W2)를 매개로 토크암(110)의 타측과 연결되어 와이어(W2)를 감거나 풀어줌으로써 토크암(110)의 타측에 가해지는 부하의 크기를 조절하는 부하용 모터(141); 및
   상기 와이어(W2)에 설치되어 와이어(W2)를 통해 토크암(110)에 가해지는 부하의 크기를 검출하는 로드셀(142)로 구성된 것을 특징으로 하는 토크센서 테스트 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 가변토크수단(140)은,
   상기 로드셀(142)과 부하용 모터(141)의 사이에 위치하도록 와이어(W2)에 설치된 부하용 스프링(143)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크센서 테스트 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지구조물(120) 상에는 토크센서가 사용되는 실제 환경과 유사한 테스트 환경을 제공할 수 있도록 지지구조물(120)에 진동을 가하는 가진수단(150)이 더 설치된 것을 특징으로 하는 토크센서 테스트 장치.

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