KR101117676B1 - 정적 밸런싱 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무인 헬리콥터의 로터 블레이드와 같이 비대칭 형상을 갖는 물체의 무게 중심 위치를 다중점 중량 방법(MWM; Multiple-point Weighing Method)으로정확하게 측정할 수 있는 정적 밸런싱 측정 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 정적 밸런싱 측정 장치는, 베이스와; 상기 베이스에 일정 간격으로 설치되어 하중을 측정하는 3개의 로드셀과; 상기 각각의 로드셀에 상측으로 돌출되게 설치되는 위치결정핀과; 측정대상 물체인 피검체가 장착되는 고정지그와; 상부면에 상기 고정지그가 고정되며, 하부면에 상기 위치결정핀이 삽입되는 복수개의 V자형 홈이 방사상으로 형성되고, 상기 로드셀 상에서 회전 가능하게 설치되는 회전플랫폼을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

정적 밸런싱 측정 장치{Static Balancing Measuring Apparatus}

본 발명은 물체의 정적 밸런싱을 측정하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 헬리콥터의 로터 블레이드와 같이 물체의 길이방향 및 폭방향을 고려한 무게중심 위치를 정확하게 찾아낼 수 있는 정적 밸런싱 측정 장치에 관한 것이다.

무인 헬리콥터는 농업뿐만 아니라, 임업, 탐사, 군사용 등으로 활용분야가 매우 광범위하다. 무인 헬리콥터는 수직 이착륙 및 제자리 비행 등의 비행이 가능하여 다양한 용도로 사용되는 항공로봇으로 이런 무인 헬리콥터의 개발에 있어서 로터 블레이드는 헬리콥터의 기체 성능에 매우 중요한 영향을 미친다.

무인 헬리콥터 비행 시에 로터 블레이드의 무게중심이 이상적인 무게중심 후방에 위치하면 로터 블레이드가 상승하고, 이상적인 무게중심 전방에 위치하면 하강하는 문제점이 있다. 로터 블레이드 무게중심의 불균형으로 무인헬리콥터의 비행에서 자세제어 문제를 야기할 수 있고, 심한 불균형 시 인명 및 재산적 피해가 발생할 수도 있다. 현재 로터 블레이드는 수작업을 통하여 제작되어지며, 제작자의 능력에 따라 품질이 균일하지 못하고, 제품에 따른 큰 오차를 가진다.

로터 블레이드의 동적 밸런싱에서 충분한 효과를 얻기 위해서는 정적 밸런싱을 통한 로터블레이드의 질량분포를 조정하는 것이 중요하다. 위의 문제점을 해결하기 위하여 무인 헬리콥터의 성능 향상에 직접적인 영향을 주는 로터 블레이드의 정적 밸런스를 정확하게 측정할 수 있는 정적 밸런스 측정 기술의 개발이 요구되고 있다. 또한 무인 헬리콥터 로터 블레이드의 정적 밸런스 시스템의 자동화와 국산화가 이루어짐에 따라 무인 헬리콥터 외, 다른 로터를 이용하는 제품에도 적용 가능한 정적 밸런스 측정 기술을 개발할 필요성이 증대되고 있다.

그러나, 현재까지 알려진 정적 밸런스 측정 기술은 센서의 분해능의 한계, 치공구의 가공오차, 접촉식 하중센서의 측방향 효과(side effect)로 알려진 마찰력의 영향 등으로 불평형 모멘트를 정확하게 측정하기 어렵다.

예를 들어, 정적 밸런싱 측정 기술의 하나인 불평형 모멘트 방법(UMM: Unbalance Moment Method)은 피검체의 무게 대부분을 지지하는 회전축을 사용하여 회전축 중심으로 발생하는 불평형 모멘트를 측정하여 무게중심의 위치를 확인하는 방법으로, 다른 방법에 비해 정확성이 높고, 불평형 모멘트의 측정이 용이한 장점을 가지나 아래의 다중점 중량 방법(Multiple-point Weighing Method)에 비해 측정이 느리고 부피가 큰 물체의 측정에는 적합하지 않은 단점이 있다.

다중점 중량 방법(MWM; Multiple-point Weighing Method)은 피검체를 3개 또는 그 이상의 로드셀로 지지하고, 무게중심은 각 지점에서 측정된 힘의 차이를 사용해 계산하는 방법으로, 무게 중심과 무게 두 가지를 모두 측정할 수 있으며, 기하학적 최적 조건의 사용으로 측정 물체에 대한 감도가 우수하고, 무거운 물체의 무게 중심측정이 가능하다. 또한 제시된 무게중심 측정방법 중에 가장 빠른 장점이 있다. 단점으로는 축의 영점(0-point)를 결정하기 어려우며 측방향 효과에 대한 보정식이 필요하다.

균형 유지 방법(Repositioning Method)은 피검체가 회전 중심 위해서 기울어지는 것을 허용하면서 균형을 잡아 무게중심을 측정하는 방법으로 다른 말로는 Free Pivot Method라고도 불린다. 이 방법은 싼 가격으로 높은 감도를 얻을 수 있으며 발사체나 미사일과 같은 폭발성 물체 측정시 안전한 장점이 있다. 그러나 측정에 시간이 많이 소요되고 불규칙한 형태의 물체에는 사용할 수 없는 점, 정확성이 실험자의 작동 기술에 의존하는 점, 또한 기타 다른 정적인 방법들과 비교할 때 정확성이 낮은 점 등의 단점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 다중점 중량 방법(Multiple-point Weighing Method)으로 무인 헬리콥터의 로터 블레이드와 같이 비대칭 형상을 갖는 물체의 무게 중심 위치를 정확하게 측정할 수 있는 정적 밸런싱 측정 장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 베이스와; 상기 베이스에 일정 간격으로 설치되어 하중을 측정하는 3개의 로드셀과; 상기 각각의 로드셀에 상측으로 돌출되게 설치되는 위치결정핀과; 측정대상 물체인 피검체가 장착되는 고정지그와; 상부면에 상기 고정지그가 고정되며, 하부면에 상기 위치결정핀이 삽입되는 복수개의 V자형 홈이 방사상으로 형성되고, 상기 로드셀 상에서 회전 가능하게 설치되는 회전플랫폼을 포함하여 구성된 정적 밸런싱 측정장치를 제공한다.

이러한 본 발명에 따르면, 고정지그가 중앙부를 기준으로 대칭형 구조를 가지므로 회전플랫폼을 회전시키면서 무게중심 위치를 측정할 때 정확한 균형을 유지할 수 있다.

그리고, 상기 회전플랫폼을 일정 각도로 회전시키면서 각도별 무게중심 위치를 측정할 때, 위치결정핀이 V자형 홈에 삽입되면서 회전플랫폼이 안정적으로 고정되고, 이 위치에서 회전플랫폼의 회전 위치가 결정되므로 각각의 회전 위치에서 정확하게 무게중심 위치를 산출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정적 밸런싱 측정 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 정적 밸런싱 측정 장치의 고정지그의 주요 구성을 사시도이다.
도 3은 도 1의 정적 밸런싱 측정 장치의 일부분을 분해하여 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 정적 밸런싱 측정 장치의 로드셀이 배치된 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 1의 정적 밸런싱 측정 장치의 회전플랫폼의 저면도이다.
도 6은 도 5의 회전플랫폼의 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 정적 밸런싱 측정 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 정적 밸런싱 측정 장치는 다중점 중량 방법(MWM; Multiple-point Weighing Method)으로 피검체(이 실시예에서 헬리콥터의 로터 블레이드)의 무게 중심 위치를 측정하기에 적합한 구성으로 이루어진다. 도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 정적 밸런싱 측정 장치는 베이스(10)와, 상기 베이스(10)에 일정 간격으로 배치되어 하중을 측정하는 정밀하중센서인 3개의 로드셀(20)과, 상기 각각의 로드셀(20)에 상측으로 돌출되게 설치되는 위치결정핀(30)과, 측정대상 물체인 피검체(로터 블레이드)(B)가 장착되는 고정지그(40)와, 상부면에 상기 고정지그(40)가 고정되며 상기 로드셀(20) 상에서 회전하도록 설치된 회전플랫폼(50)로 구성된다.

상기 고정지그(40)는 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 회전플랫폼(50)의 상면에 고정되는 마운트블록(41)과, 상기 마운트블록(41)에 양측방향으로 길게 연장되게 형성된 서포트바아(42)와, 상기 서포트바아(42)의 일단부에 고정되게 설치되며 로터 블레이드(B)의 일단부가 고정되게 장착되는 제1홀더부(43)와, 상기 제1홀더부(43)와 동일한 크기와 구성으로 이루어지며 상기 서포트바아(42)의 다른 일단부에 설치되어 제1홀더부(43)와 대칭을 이루면서 로터 블레이드(B)의 다른 일단부를 고정하는 제2홀더부(44)와, 상기 마운트블록(41)에 서로 대향되게 설치되어 로터 블레이드(B)의 폭방향 양측부를 지지하는 한 쌍의 폭방향 고정핀(45)과, 상기 마운트블록(41)에 상하로 이동 가능하게 설치되어 마운트블록(41) 상에 안착되는 로터 블레이드(B)의 중간 부분 하부면을 지지하는 중간 홀딩부재(46) 등으로 구성되며, 상기 마운트블록(41)을 기준으로 양측이 서로 거의 대칭적인 구조를 갖는다.

상기 제1홀더부(43)는 상기 서포트바아(42)에 고정되는 고정부(43a)와, 상기 고정부(43a)에 결합되어 상기 로터 블레이드(B)의 일단부 형성된 홀을 통해 체결되면서 로터 블레이드(B)의 일단부를 고정하는 홀딩부재(43b)로 구성된다. 그리고, 상기 제2홀더부(44)는 상기 서포트바아(42)의 반대편 일단부에 고정되는 고정부(44a)와, 상기 고정부(44a)에 결합되어 상기 로터 블레이드(B)의 반대편 일단부가 안착되어 지지되는 홀딩부재(44b)로 구성된다. 여기서, 상기 홀딩부재(43b, 44b)는 볼트 또는 핀 등을 이용하여 구성될 수 있다.

상기 중간 홀딩부재(46)는 곡면형상의 로터 블레이드(B)의 중간부분을 안정적으로 지지하기 위한 것으로, 마운트블록(41)에 대해 높낮이 조절이 가능하게 구성된다. 상기 중간 홀딩부재(46)는 로터 블레이드(B)의 무게 중심을 표시하거나, 무게 중심을 충전등을 이용하여 변경할 수 있는 기준으로 활용이 된다.

미설명부호 47은 고정지그(40)의 전체 무게중심과 마운트블록(41)의 무게중심을 맞추기 위한 핀이다.

상기 3개의 로드셀(20)들은 도 4에 도시된 것과 같이, 베이스(10)에 120도 간격으로 배열되는데, 회전플랫폼(50)의 회전에 의한 측정 오차값을 최소화하기 위하여 각각의 로드셀(20)은 상기 회전플랫폼(50)의 회전 방향에 대하여 법선 방향으로 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 로드셀(20)은 베이스(10)에 설치되는 신호출력부, 증폭부 등에 의해 컴퓨터에 연결되며, 상기 컴퓨터는 로드셀(20)에서 전달된 전기 신호에 의해 피검체, 즉 로터 블레이드(B)의 무게 및 무게 중심 위치를 산출한다.

상기 회전플랫폼(50)은 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이 하부면에 상기 로드셀(20)의 위치결정핀(30)이 삽입되는 복수개의 V자형 홈(51)이 방사상으로 형성된 구조를 이루고 있다. 이 실시예에서 상기 홈(51)들은 30도 간격으로 배열되나, 상기 홈(51) 간의 간격은 이에 한정되지 않고 다양하게 설정될 수 있다. 상기 회전플랫폼(50)은 사용자가 직접 들어서 수동으로 회전하도록 구성되어 있지만, 회전플랫폼(50)의 중앙에 베어링을 장착하고, 상기 베이스(10)에 상기 베어링과 결합되는 회전축을 구성하여 상기 회전플랫폼(50)이 회전축을 중심으로 임의의 각도로 자유롭게 회전할 수 있도록 구성할 수도 있을 것이다.

상기와 같이 구성된 정적 밸런싱 측정 장치는 다음과 같이 작동한다.

고정지그(40)의 마운트블록(41)이 회전플랫폼(50)의 중앙부에 고정된 상태에서 피검체인 로터 블레이드(B)를 고정지그(40)에 결합시킨다. 이 때, 고정지그(40)의 제1홀더부(43)에 구비된 홀딩부재(43b)를 로터 블레이드(B)의 일단부에 형성되어 있는 홀을 통해 삽입시켜 고정시키고, 로터 블레이드(B)의 반대편 일단부를 제2홀더부(44)의 홀딩부재(44b) 상단에 안착시킨다. 상기 로터 블레이드(B)의 중간 부분의 양측부는 마운트블록(41)에 상측으로 연장되게 형성된 한 쌍의 폭방향 고정핀(45)에 의해 지지되어 고정되고, 로터 블레이드(B)의 중간 부분 하부면은 높이 조절이 이루어진 중간 홀딩부재(46)의 상단에 안착되어 지지된다.

이어서, 상기 회전플랫폼(50)을 로드셀(20) 상에 안착시킨다. 이 때, 로드셀(20)의 위치결정핀(30)이 회전플랫폼(50) 하부면의 V자형 홈(51)에 삽입되도록 하여 회전플랫폼(50)이 안정적으로 고정되도록 하고, 이 상태에서 로드셀(20)이 로터 블레이드(B)의 무게 및 무게중심 위치를 산출한다.

그 다음, 회전플랫폼(50)을 회전시켜 그 다음 V자형 홈(51)에 위치결정핀(30)이 삽입되도록 하여 무게 및 무게중심 위치를 산출하도록 한다. 이와 같이 회전플랫폼(50)을 일정 각도씩 회전시키면서 각각의 회전된 위치에서 무게 및 무게중심 위치를 산출하여 각도별 무게 및 무게중심 위치를 산출하고, 주어진 계산식 및 보정식에 따라 로터 블레이드(B)의 실제 무게중심 위치를 산출한다.

이러한 본 발명에 따르면, 고정지그(40)가 중앙부를 기준으로 대칭형 구조를 가지므로 회전플랫폼(50)을 회전시키면서 무게중심 위치를 측정할 때 정확한 균형을 유지할 수 있다.

그리고, 상기 회전플랫폼(50)을 일정 각도로 회전시키면서 각도별 무게중심 위치를 측정할 때, 위치결정핀(30)이 V자형 홈(51)에 삽입되면서 회전플랫폼(50)이 고정되고, 이 위치에서 회전플랫폼(50)의 회전 위치가 결정되므로 각각의 회전 위치에서 안정적으로 무게중심 위치를 산출할 수 있다.

한편, 전술한 실시예의 정적 밸런스 측정장치는 헬리콥터의 로터 블레이드의 무게 중심 위치를 측정하기 위한 것으로 예시되었으나, 본 발명은 이에 국한되지 않고 비대칭형상 또는 대칭형상을 갖는 임의의 물체의 무게 중심 위치를 측정하는데에도 동일 또는 유사하게 적용할 수 있음은 물론이다.

또한, 전술한 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것이며, 본 발명은 이에 한정하지 않고 첨부된 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범위 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

10 : 베이스 20 : 로드셀
30 : 위치결정핀 40 : 고정지그
41 : 마운트블록 42 : 서포트바아
43, 44 : 제1,2홀더부 43a, 44a : 고정부
43b, 44b : 홀딩부재 45 : 폭방향 고정핀
46 : 중간 홀딩부재 50 : 회전플랫폼
51 : 홈 B : 로터 블레이드

Claims (7)

1. 베이스와;
   상기 베이스에 일정 간격으로 설치되어 하중을 측정하는 3개의 로드셀과;
   상기 각각의 로드셀에 상측으로 돌출되게 설치되는 위치결정핀과;
   측정대상 물체인 피검체가 장착되는 고정지그와;
   상부면에 상기 고정지그가 고정되며, 하부면에 상기 위치결정핀이 삽입되는 복수개의 V자형 홈이 방사상으로 형성되고, 상기 로드셀 상에서 회전 가능하게 설치되는 회전플랫폼을 포함하며;
   상기 고정지그는, 상기 회전플랫폼의 상면에 고정되는 마운트블록과, 상기 마운트블록에 양측방향으로 연장되게 형성된 서포트바아와, 상기 서포트바아의 일단부에 고정되게 설치되며 상기 피검체의 일단부가 고정되게 장착되는 제1홀더부와, 상기 제1홀더부와 동일한 크기와 구성으로 이루어지며 상기 서포트바아의 다른 일단부에 설치되어 제1홀더부와 대칭을 이루면서 피검체의 다른 일단부를 고정하는 제2홀더부와, 상기 마운트블록에 서로 대향되게 설치되어 피검체의 폭방향 양측부를 지지하는 한 쌍의 폭방향 고정핀을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정적 밸런싱 측정장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 로드셀은 상기 회전플랫폼의 회전 방향에 대해 법선 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 정적 밸런싱 측정장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 고정지그는 중앙을 기준으로 양측이 대칭적인 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 정적 밸런싱 측정장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 제1홀더부와 제2홀더부는 상기 서포트바아에 고정되는 고정부와, 상기 고정부에 상하로 이동 가능하게 결합되어 상기 피검체에 형성되어 있는 홀에 삽입되거나 피검체가 안착되어 지지되는 홀딩부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정적 밸런싱 측정장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 고정지그는 상기 마운트블록에 상하로 이동 가능하게 설치되어 마운트블록 상에 안착되는 피검체의 중간 부분 하부면을 지지하는 중간 홀딩부재를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정적 밸런싱 측정장치.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 회전플랫폼의 중앙부에 베어링이 설치되고, 상기 베어링은 상기 베이스에 설치되는 회전축에 결합되어, 상기 회전플랫폼이 회전축을 중심으로 회전하도록 된 것을 특징으로 하는 정적 밸런싱 측정장치.

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