KR101162975B1

KR101162975B1 - 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치 및 이를 이용한 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법

Info

Publication number: KR101162975B1
Application number: KR20100118783A
Authority: KR
Inventors: 은희광; 임종민; 문남진; 이동우; 문상무; 문귀원
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-07-16
Also published as: KR20120057162A

Abstract

본 발명은 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정 대상물을 지지하는 측정 테이블과, 상기 측정 테이블의 저면에 고정되는 제1샤프트와, 상기 제1샤프트와 토션바에 의해 연결되는 제2샤프트와, 상기 측정 대상물의 무게 중심의 옵셋(off-set)에 의해 상기 제1 및 제2샤프트가 기울어질 있도록 상기 제2샤프트를 피보팅 가능하게 지지하는 피봇과, 상기 제1샤프트가 상대 회전할 수 있도록 상기 제1샤프트 외주면에 설치되며 상기 제1 및 제2샤프트가 기울어짐에 따라 발생하는 모멘트를 지지하는 베어링과, 상기 베어링의 저면을 지지하며 상기 제1 및 제2샤프트가 기울어짐에 따라 발생하는 베어링에 대한 반력을 측정하는 힘센서와, 상기 제2샤프트의 회전을 선택적으로 구속하기 위한 고정유닛, 및 상기 제2샤프트의 고정시 상기 제1샤프트를 회전 구동시켜 상기 토션바에 비틀림을 발생시키는 구동유닛을 포함하는 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치 및 이를 이용한 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법을 개시한다.

Description

무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치 및 이를 이용한 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법{DEVICE AND METHOD FOR MEASURING CENTER OF GRAVITY AND MOMENT OF INERTIA}

본 발명은 무게 중심 및 관성 모멘트를 측정하기 위한 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치 및 이를 이용한 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 대형 인공위성 및 항공기 등의 구조물은 정밀한 무게 중심 및 관성 모멘트 측정이 요청된다.

무게 중심을 측정하기 위한 장치의 일 예로서, 측정 대상물을 설치하기 위한 측정 테이블과, 측정 테이블의 저면에 설치된 3개의 힘센서(Force Transducer)를 포함하는 구조를 들 수 있다. 그러나 이러한 구조에 따르면, 측정 테이블과 힘센서의 정렬 수준에 의해서 무게 중심 측정값에 직접적인 영향을 미치는바, 힘센서의 정렬 수준을 지속적으로 확인해야 하는 문제가 있다.

아울러, 무게 중심과 관성 모멘트를 측정하기 위해서 이들을 별개의 장비에서 측정하고 있는바, 무게 중심의 측정 후 측정 대상물을 관성 모멘트 측정 장치로 이동시켜야 한다. 측정 대상물이 대형 구조물인 경우, 그 이동이 용이하지 않을 뿐 아니라 번거로운 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 장치에서 무게 중심과 관성 모멘트를 측정할 수 있는 측정 장치의 구조를 제공하기 위한 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정 대상물을 지지하는 측정 테이블과, 상기 측정 테이블의 저면에 고정되는 제1샤프트와, 상기 제1샤프트와 토션바에 의해 연결되는 제2샤프트와, 상기 측정 대상물의 무게 중심의 옵셋(off-set)에 의해 상기 제1 및 제2샤프트가 기울어질 있도록 상기 제2샤프트를 피보팅 가능하게 지지하는 피봇과, 상기 제1샤프트가 상대 회전할 수 있도록 상기 제1샤프트 외주면에 설치되며 상기 제1 및 제2샤프트가 기울어짐에 따라 발생하는 모멘트를 지지하는 베어링과, 상기 베어링의 저면을 지지하며 상기 제1 및 제2샤프트가 기울어짐에 따라 발생하는 베어링에 대한 반력을 측정하는 힘센서와, 상기 제2샤프트의 회전을 선택적으로 구속하기 위한 고정유닛, 및 상기 제2샤프트의 고정시 상기 제1샤프트를 회전 구동시켜 상기 토션바에 비틀림을 발생시키는 구동유닛을 포함하는 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치를 개시한다.

상기 제1샤프트는 상기 측정 테이블의 중앙에 설치되며, 상기 제2샤프트와 토션바는 상기 제1샤프트와 동일 축선을 가질 수 있다.

상기 힘센서는 상기 베어링의 중심으로부터 X축 방향으로 일정 간격만큼 떨어진 위치에 설치될 수 있다.

상기 고정유닛은 상기 제2샤프트의 외주면에 결합되는 디스크와, 클램핑 동작에 의해 상기 디스크의 상하면을 가압하는 브레이크를 포함할 수 있다.

상기 구동유닛은 회전력을 발생시키는 모터와, 상기 모터와 제1샤프트의 사이에 설치되며 상기 모터의 회전력을 상기 제1샤프트에 전달하는 장력벨트를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 측정 테이블의 회전을 통해 상기 측정 대상물 무게 중심의 X축 및 Y축 방향 옵셋에 기인한 반력을 각각 측정하는 단계와, 상기 고정유닛을 작동시켜 상기 제2샤프트의 회전을 구속시키는 단계와, 상기 구동유닛을 작동시켜 상기 제1샤프트를 회전시키고, 상기 토션바의 비틀림 주기를 측정하는 단계와, 상기 측정 대상물의 중량, 상기 힘센서의 지지점과 상기 피봇 사이의 X축 방향 거리, 및 상기 힘센서의 측정값을 근거로 상기 측정 대상물의 무게 중심을 계산하고, 상기 비틀림 주기를 근거로 상기 측정 대상물의 관성 모멘트를 계산하는 단계를 포함하는 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법을 개시한다.

상기 X축 방향 옵셋에 의해 발생하는 반력은 상기 측정 테이블을 0도 회전시킨 경우의 측정값과, 상기 측정 테이블을 180도 회전시킨 경우의 측정값의 평균값이 사용될 수 있다.

상기 Y축 방향 옵셋에 의해 발생하는 반력은 상기 측정 테이블을 90도 회전시킨 경우의 측정값과, 상기 측정 테이블을 270도 회전시킨 경우의 측정값의 평균값이 사용될 수 있다.

상기 측정 대상물의 무게 중심 및 관성 모멘트의 계산 단계는 상기 측정 대상물의 미설치 상태에서 측정된 상기 힘센서의 값 및 비틀림 주기를 근거로 계산될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 측정장치 및 측정방법에 의하면, 테이블 회전을 이용해서 측정 대상물의 이동 및 설치 없이 하나의 장비에서 무게 중심과 관성 모멘트의 측정이 가능한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 1개의 힘센서만으로 무게 중심의 측정이 가능한 구조인 바, 구조의 단순화 및 제조비용의 감소가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치의 정면도.
도 2는 도 1에 도시된 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치의 평면도.

이하, 본 발명과 관련된 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치 및 이를 이용한 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치의 정면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치의 평면도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치는 측정 테이블(110), 제1샤프트(120), 제2샤프트(140), 피봇(150, pivot), 베어링(160), 힘센서(170), 고정유닛(180), 및 구동유닛(190)을 포함한다.

측정 테이블(110)은 측정 대상물(10)을 지지하기 위한 것으로서, 원형 플레이트의 형태를 가질 수 있다.

제1샤프트(120)는 측정 테이블(110)의 저면에 고정되며, 측정 테이블(110)로부터 아래 방향으로 연장된 형태를 갖는다. 제1샤프트(120)는 측정 테이블(110)의 저면 중앙에 설치된다.

제2샤프트(140)는 제1샤프트(120)와 토션바(130)에 의해 연결된다. 토션바(130)는 제1 및 제2샤프트(120,140)의 강성보다 낮은 강성을 가지며, 제1 및 제2샤프트(120,140)가 서로 반대되는 방향으로 상대 회전함에 따라 토션바(130)에 비틀림 변형이 일어나게 된다. 제1샤프트(120), 토션바(130), 제2샤프트(140)는 순차적으로 고정 결합되며, 서로 동일 축선을 갖는다.

피봇(150)은 제2샤프트(140)를 피보팅 가능하게 지지한다. 이와 같은 구조는 제1 및 제2샤프트(120,140)가 측정 대상물 무게 중심의 옵셋(off-set)에 의해 피봇점을 중심으로 기울어지게 한다. 제2샤프트(140)는 그 중심축을 중심으로 회전 가능한 구조면서, 동시에 피봇(150)의 지지점을 중심으로 기울어질 수 있는 구조이다. 피봇(150)은 별도의 지지 구조에 의해 지지된 구조로서 구현 가능하다.

베어링(160)은 제1샤프트(120)의 외주면에 설치되며, 제1샤프트(120)가 그 중심을 기준으로 상대 회전할 수 있도록 한다. 측정 테이블(110)을 회전시키면, 그에 고정된 제1 및 제2샤프트(120,140)가 측정 테이블(110)과 함께 회전하게 된다. 아울러, 베어링(160)은 제1 및 제2샤프트(120,140)가 기울어짐에 따라 발생하는 모멘트를 지지하는 기능을 한다.

힘센서(170)는 베어링(160)의 저면을 지지 및 고정하며, 제1 및 제2샤프트(120,140)가 기울어짐에 따라 발생하는 베어링(160)에 대한 반력을 측정한다. 힘센서(170)는 별도의 지지구조에 의해 지지 및 고정되어 있으며, 힘센서(170)는 베어링(160)의 중심으로부터 X축 방향으로 일정 간격(L)만큼 떨어진 위치에 설치된다.

고정유닛(180)은 제2샤프트(140)의 회전을 선택적으로 구속하는 기능을 한다. 고정유닛(180)은 제2샤프트(140)의 외주면에 고정되게 결합되는 디스크(181)와, 클램핑 동작에 의해 디스크의 상하면을 가압하는 브레이크(182)를 포함하는 구조를 가질 수 있다. 다만, 고정유닛(180)은 제2샤프트(140)의 회전을 제한하는 구성이라면 다른 구성으로도 구현 가능하다. 본 실시예의 구조에 따르면, 브레이크(182)의 작동 전에는 제2샤프트(140)의 회전이 가능하나, 브레이크(182)가 작동하면 제2샤프트(140)가 브레이크(182)에 구속되어 그 회전이 제한되게 된다.

구동유닛(190)은 제2샤프트(140)의 고정시 제1샤프트(120)를 회전 구동시키는 기능을 한다. 제2샤프트(140)의 회전을 제한시킨 상태에서 제1샤프트(120)를 회전시키면, 제1샤프트(120)와 제2샤프트(140)가 서로 반대되는 방향으로 상대 회전하며, 그에 따라 토션바(130)에 비틀림이 발생하게 된다.

구동유닛(190)은 회전력을 발생시키는 모터(191)와, 모터(191)와 제1샤프트(120)의 사이에 설치되는 장력벨트(192)를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 이에 따르면, 모터(191)의 구동에 따라 장력벨트(192)가 이동하며, 장력벨트(192)는 제1샤프트(120)와의 마찰력에 의해 모터(191)의 회전력을 제1샤프트(120)에 전달한다. 토션바(130)에 비틀림이 발생한 후 모터(191)의 회전을 정지하면 토션바(130)에는 일정 진동수를 갖는 진동이 발생하게 된다.

이하, 상기에서 설명한 구성의 측정장치를 이용하여 무게 중심 및 관성 모멘트를 측정하는 방법에 대해 살펴 보기로 한다.

먼저, 측정 대상물(10)을 미장착한 상태에서 베어링(160)의 반력 및 토션바(130)의 비틀림 주기를 측정한다. 힘센서 등에서 의해 측정된 값은 측정 대상물과 측정 장치를 모두 포함한 것을 근거로 한 것인바, 이러한 단계는 측정 대상물의 미설치 상태에서의 측정 결과를 근거로 추후 계산 과정을 통해 측정 대상물 자체에 대한 측정 결과를 얻기 위해 수행된다.

이에 대해 상세히 살펴보면, 측정 테이블(110)의 0°각도에서의 힘센서 값(F_tare _,0)을 측정한다. 이는 측정 테이블(110) 무게 중심의 X축 방향 옵셋에 따라 발생하는 모멘트에 의한 값이다.

그리고, 측정 테이블(110)을 90°만큼 회전시켜 힘센서 값(F_tare _,90)을 측정한다. 이는 측정 테이블(110) 무게 중심의 Y축 방향 옵셋에 따른 모멘트에 의한 값이다.

그리고, 측정 테이블(110)을 90°만큼 순차적으로 회전시키면서, 측정 테이블(110)의 180°회전 각도에서의 힘센서 값(F_tare _,180), 및 270°회전 각도에서의 힘센서 값(F_tare _,270)을 차례로 측정한다. F_tare _,180은 측정 테이블(110) 무게 중심의 X축 방향 옵셋에 기인한 값이며, F_tare _,270은 측정 테이블(110) 무게 중심의 Y축 방향 옵셋에 기인한 값이다.

본 실시예에서는 X축 방향 옵셋에 기인한 측정값(F_tare _,X)으로서 F_tare _,0과 F_tare,180의 평균값을 사용하였으며, Y축 방향 옵셋에 기인한 측정값(F_tare _,Y)으로서 F_tare _,90과 F_tare _,270의 평균값을 사용하였다. 이는 측정의 정확도를 향상시키기 위함이며, 다음과 같은 수식으로 나타내어질 수 있다.

F_tare _,X = (F_tare _,0 + F_tare _,180)/2

F_tare _,Y = (F_tare _,90 + F_tare _,270)/2

다만, 본 실시예와 달리 F_tare _,X로서 F_tare _,0과 F_tare _,180 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, F_tare _,Y로서 F_tare _,90과 F_tare _,270 중 어느 하나를 사용할 수도 있다.

다음으로, 고정유닛(180)을 작동시켜 제2샤프트(140)의 회전을 구속한다. 그리고, 제2샤프트(140)의 회전 구속 상태에서 구동유닛(190)을 작동시켜 제1샤프트(120)를 일정 각도(예를 들어, 3°)만큼 회전시킨다. 이에 따라 토션바(130)에 비틀림 변형이 발생하게 되며, 제1샤프트(120)의 회전을 풀어 토션바(130)의 비틀림 주기(T_tare)를 측정한다.

다음으로, 측정 테이블(110)에 측정 대상물을 설치하고 상기와 같은 과정을 동일하게 수행한다.

앞서 설명한 바와 같이, 측정 테이블(110)의 회전을 통해 측정 대상물(10) 무게 중심의 X축 방향 옵셋에 의한 모멘트에 기인한 반력(F_test,X)과, Y축 방향 옵셋에 의한 모멘트에 기인한 반력(F_test,Y)을 측정한다. 앞서 설명한 것과 마찬가지로 F_test,X로서 F_test _, ₀와 F_test _,180의 평균값이 사용될 수 있으며, F_test _,Y로서 F_test _,90과 F_test _,270의 평균값이 사용될 수 있다. 이는 다음과 같은 수식으로 나타내어질 수 있다.

F_test _,X = (F_test _,0 + F_test _,180)/2

F_test _,Y = (F_test _,90 + F_test _,270)/2

다만, 앞선 설명과 같이 F_test _,X로서 F_test _,0과 F_test _,180 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, F_test _,Y로서 F_test _,90과 F_test _,270 중 어느 하나를 사용하는 것도 가능하다.

다음으로 제2샤프트(140)의 고정 상태에서 제1샤프트(120)를 앞서와 동일한 각도(예를들어, 3°)로 회전시킨 후, 비틀림 주기(T_test)를 측정한다.

피봇(150)의 지지점을 중심으로 모멘트 평형에 관한 식을 세울 수 있으며, 이로부터 측정 대상물의 무게 중심(CG_x,CG_Y)을 계산하기 위한 계산식이 유도된다. 계산식은 아래와 같다.

CG_x = (F_test _,X - F_tare _,X)*L/W

CG_Y = (F_test _,Y - F_tare _,Y)*L/W

CG_x 및 CG_Y는 무게 중심의 X 및 Y 좌표를 각각 나타내고, L은 힘센서의 지지점과 피봇 사이의 X축 방향 거리를 나타낸다. 그리고, W는 측정 대상물의 중량을 나타내며, 이는 측정 테이블(110)에 설치하기 전에 별도로 측정할 수 있다.

한편, 물체의 관성 모멘트는 비틀림 축을 중심으로 한 비틀림 주기의 제곱에 비례하며, 이를 근거로 측정 대상물(10)의 수직축 방향 관성 모멘트(I_ZZ)를 계산하기 위한 계산식을 유도할 수 있다. 계산식은 아래와 같이 나타내어진다.

I_ZZ = C*(T_test ² - T_tare ²)

위 식에서 C는 관성 모멘트 상수를 나타내며, 이는 관성 모멘트 값을 미리 알고 있는 물체들을 측정 장치로 측정한 후 역으로 계산하여 얻을 수 있다.

위에서 설명한 무게 중심의 계산식과 관성 모멘트의 계산식에 위에서 측정한 측정값들을 대입하면 측정 대상물(10)의 무게 중심(CG_X,CG_Y) 및 관성 모멘트(I_ZZ)를 구할 수 있다. F_tare _,X, F_tare _,Y, 및 T_tare 값은 한 번의 측정으로 추후 측정에서 계속 사용할 수 있으므로, 추후 측정에서는 이러한 단계를 생략해도 된다 할 것이다.

이와 같이, 측정 대상물(10)의 중량(W), 힘센서(170)의 지지점과 피봇(150) 사이의 X축 방향 거리(L), 및 힘센서(170)의 측정값(F_test _,X, F_test _,Y)을 근거로 측정 대상물(10)의 무게 중심(CG_X,CG_Y)을 계산할 수 있으며, 토션바(130)의 비틀림 주기(T_test)를 근거로 측정 대상물(10)의 관성 모멘트를 계산할 수 있다.

이상에서 살펴 본 측정장치 및 측정방법에 따르면, 하나의 장치에서 무게 중심과 관성 모멘트의 측정이 가능한 이점이 있으며, 1개의 힘센서만을 사용하여 구조의 단순화 및 제조비용의 감소가 가능하다.

이상에서는 본 발명에 따른 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치 및 이를 이용한 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법을 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나,　본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims

무게 중심 및 관성 모멘트의 측정 대상물을 지지하는 측정 테이블;
상기 측정 테이블의 저면에 고정되는 제1샤프트;
상기 제1샤프트와 토션바에 의해 연결되는 제2샤프트;
상기 측정 대상물의 무게 중심의 옵셋(off-set)에 의해 상기 제1 및 제2샤프트가 기울어질 있도록 상기 제2샤프트를 피보팅 가능하게 지지하는 피봇;
상기 제1샤프트가 상대 회전할 수 있도록 상기 제1샤프트 외주면에 설치되며, 상기 제1 및 제2샤프트가 기울어짐에 따라 발생하는 모멘트를 지지하는 베어링;
상기 베어링의 저면을 지지하며, 상기 제1 및 제2샤프트가 기울어짐에 따라 발생하는 베어링에 대한 반력을 측정하는 힘센서;
상기 제2샤프트의 회전을 선택적으로 구속하기 위한 고정유닛; 및
상기 제2샤프트의 고정시 상기 제1샤프트를 회전 구동시켜 상기 토션바에 비틀림을 발생시키는 구동유닛을 포함하는 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 제1샤프트는 상기 측정 테이블의 중앙에 설치되며,
상기 제2샤프트와 토션바는 상기 제1샤프트와 동일 축선을 갖는 것을 특징으로 하는 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 힘센서는 상기 베어링의 중심으로부터 X축 방향으로 일정 간격만큼 떨어진 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 고정유닛은,
상기 제2샤프트의 외주면에 결합되는 디스크; 및
클램핑 동작에 의해 상기 디스크의 상하면을 가압하는 브레이크를 포함하는 것을 특징으로 하는 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 구동유닛은,
회전력을 발생시키는 모터; 및
상기 모터와 제1샤프트의 사이에 설치되며, 상기 모터의 회전력을 상기 제1샤프트에 전달하는 장력벨트를 포함하는 것을 특징으로 하는 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치.
제1항을 따르는 무게 중심 및 관성 모멘트 측정장치를 이용한 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법에 있어서,
상기 측정 테이블의 회전을 통해 상기 측정 대상물 무게 중심의 X축 및 Y축 방향 옵셋에 기인한 반력을 각각 측정하는 단계;
상기 고정유닛을 작동시켜 상기 제2샤프트의 회전을 구속시키는 단계;
상기 구동유닛을 작동시켜 상기 제1샤프트를 회전시키고, 상기 토션바의 비틀림 주기를 측정하는 단계; 및
상기 측정 대상물의 중량, 상기 힘센서의 지지점과 상기 피봇 사이의 X축 방향 거리, 및 상기 힘센서의 측정값을 근거로 상기 측정 대상물의 무게 중심을 계산하고, 상기 비틀림 주기를 근거로 상기 측정 대상물의 관성 모멘트를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법.
제6항에 있어서, 상기 X축 방향 옵셋에 의해 발생하는 반력은,
상기 측정 테이블을 0도 회전시킨 경우의 측정값과, 상기 측정 테이블을 180도 회전시킨 경우의 측정값의 평균값인 것을 특징으로 하는 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법.
제6항에 있어서, 상기 Y축 방향 옵셋에 의해 발생하는 반력은,
상기 측정 테이블을 90도 회전시킨 경우의 측정값과, 상기 측정 테이블을 270도 회전시킨 경우의 측정값의 평균값인 것을 특징으로 하는 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법.
제6항에 있어서,
상기 측정 대상물의 무게 중심 및 관성 모멘트의 계산 단계는,
상기 측정 대상물의 미설치 상태에서 측정된 상기 힘센서의 값 및 비틀림 주기를 근거로 계산되는 것을 특징으로 하는 무게 중심 및 관성 모멘트의 측정방법.