KR101657755B1 - 열간 압연 설비에서 스핀들의 토크 측정 장치 - Google Patents

열간 압연 설비에서 스핀들의 토크 측정 장치 Download PDF

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Abstract

스핀들 토크 측정 장치가 제공된다. 스핀들 토크 측정 장치는, 모터의 회전 구동력을 압연롤에 전달하는 스핀들과, 스핀들을 지지하는 지지 부재를 포함하는 열간 압연 설비에서, 스핀들의 토크를 측정하는 장치에 있어서, 스핀들의 회전에 의한 비틀림 힘에 따라 기 설정된 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하는 표면 탄성파 센서와, 변환 신호를 수신하기 위한 복수 개의 리더 안테나를 포함하며, 변환 신호에 기초하여 스핀들의 토크를 연산하는 센서 리더기를 포함하며, 복수 개의 리더 안테나는, 스핀들 지지 부재내의 메탈 베어링의 원주를 따라 방사상으로 부착됨으로써, 스핀들의 이상을 조기에 진단하여 조업자로 하여금 적절한 조치를 취하도록 함으로써, 압연 설비 사고 및 인명 손실을 방지할 수 있다.

Description

열간 압연 설비에서 스핀들의 토크 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING TORQUE OF SPINDLE IN HOT ROLLING MILL EQUIPMENT}
본 출원은, 열간 압연 설비에서 스핀들의 토크를 측정하기 위한 것이다.
일반적으로, 열간 압연 설비는 슬라브와 직접 접촉하여 슬라브를 압연하는 압연롤과, 압연롤을 회전 구동하기 위한 모터와, 모터의 구동력을 압연롤에 전달하기 위한 동력 전달 계통으로 구성되며, 동력 전달 계통은 유니버셜 조인트(universal joint)와 같은 제1 체결부를 매개로 압연롤과 스핀들이 연결되고, 스핀들은 슬리퍼 커플링(slipper coupling)과 같은 제2 체결부를 매개로 모터와 연결된다.
상술한 열간 압연 설비에 있어서, 스핀들은 모터의 회전 구동력을 압연롤로 전달하는 매우 중요한 요소이며, 스핀들의 비정상적인 동작을 감지하기 위해 스핀들의 토크를 측정할 필요성이 있다. 스핀들의 토크를 측정하기 위해서는 모터의 구동 전류로부터 스핀들에 걸리는 토크를 구하는 방법이 있으나, 이는 스핀들의 토크를 간접적으로 구하는 방식이라 정확한 토크를 측정할 수 없는 문제점이 있다.
토크 측정에 관련된 선행 기술로는, 한국공개특허 제2011-0109100호('토크 측정장치') 및 한국공개특허 제2004-0057480호(' 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템')가 있다.
1. 한국공개특허 제2011-0109100호('토크 측정장치', 공개일: 2011년 10월 6일) 2. 한국공개특허 제2004-0057480호(' 표면탄성파 공진기를 이용한 센서 시스템', 공개일: 2004년 07월 02일)
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 스핀들의 이상을 조기에 진단하여 조업자로 하여금 적절한 조치를 취하도록 함으로써, 압연 설비 사고 및 인명 손실을 방지할 수 있는, 열간 압연 설비에서 스핀들의 토크 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 모터의 회전 구동력을 압연롤에 전달하는 스핀들과, 상기 스핀들을 지지하는 지지 부재를 포함하는 열간 압연 설비에서, 상기 스핀들의 토크를 측정하는 장치에 있어서, 상기 스핀들의 회전에 의한 비틀림 힘에 따라 기 설정된 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하는 표면 탄성파 센서; 및 상기 변환 신호를 수신하기 위한 복수 개의 리더 안테나를 포함하며, 상기 변환 신호에 기초하여 상기 스핀들의 토크를 연산하는 센서 리더기를 포함하며, 상기 복수 개의 리더 안테나는, 상기 스핀들 지지 부재내의 메탈 베어링의 원주를 따라 방사상으로 부착되는 스핀들 토크 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 센서 리더기는, 상기 변환 신호로부터 상기 기 설정된 공진 주파수의 주파수 시프트량을 구하는 제1 연산부; 및 상기 주파수 시프트량에 기초하여 상기 스핀들의 토크를 연산하는 제2 연산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 주파수 시프트량은, 상기 복수 개의 리더 안테나 각각으로부터 수신된 변환 신호의 주파수 시프트량의 평균값일 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 스핀들 토크 측정 장치는, 상기 복수 개의 안테나 중 어느 하나를 선택하기 위한 안테나 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 표면 탄성파 센서는, 상기 리더 안테나로부터 상기 스핀들의 축방향으로 일정 거리 이내에서 상기 스핀들의 표면에 직접 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 스핀들에 부착되는 표면 탄성파 센서와 센서 리더기를 이용하여 무전원/무선으로 스핀들의 토크를 측정함으로써, 스핀들의 이상을 조기에 진단하여 조업자로 하여금 적절한 조치를 취하도록 함으로써, 압연 설비 사고 및 인명 손실을 방지할 수 있다.
또한, 센서 리더기의 안테나는, 스핀들 지지 부재내의 메탈 베어링의 원주를 따라 방사상으로 복수 개 부착함으로써, 안정적으로 표면 탄성파 센서로부터 전송되는 신호를 수신할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 토크 측정 장치가 적용되는 열간 압연 설비를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 도면부호 200의 확대도로, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 토크 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 복수 개의 안테나를 구비한 센서 리더기를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열간 압연 설비에서 스핀들의 토크 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 토크 측정 장치가 적용되는 열간 압연 설비를 도시한 도면이다. 한편, 도 2는 도 1의 도면부호 200의 확대도로, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 토크 측정 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 3의 본 발명의 일 실시 형태에 따른 복수 개의 안테나를 구비한 센서 리더기를 도시한 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 압연 설비에서 스핀들의 토크 측정 장치를 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열간 압연 설비는, 압연롤(11)과, 압연롤(11)의 일단에 스핀들(15)을 통해 연결되어 압연롤(11)을 회전 구동시키는 동력 전달 계통(12 내지 15)을 포함하며, 동력 전달 계통(12 내지 15)은 유니버셜 조인트(universal joint)와 같은 제1 체결부(13)를 매개로 압연롤(11)과 스핀들(15)이 연결되고, 스핀들(15)은 슬리퍼 커플링(slipper coupling)과 같은 제2 체결부(14)를 매개로 모터(12)와 연결될 수 있다.
상술한 스핀들(15)은, 캐리어(carrier)와 같은 스핀들 지지 부재(16)에 의해 지지되며, 스핀들 지지 부재(16)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 내측에는 메탈 베어링(16a)이 더 구비될 수 있다. 상술한 스핀들 지지 부재(16)는 유압 실린더와 같은 승하강 기기(20)에 의해 상하로 이동될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 스핀들의 토크 측정 장치는, 스핀들(15)의 회전에 의한 비틀림 힘에 따라 기 설정된 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하는 표면 탄성파 센서(210)와, 변환 신호를 수신하기 위한 복수 개의 리더 안테나(ANT2)를 포함하며, 변환 신호에 기초하여 스핀들(15)의 토크를 연산하는 센서 리더기(220)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 표면 탄성파 센서(Surface Acoustic Wave Sensor)(210)는, 표면 탄성파(Surface Acoustic Wave, SAW) 소자를 응용한 센서이다. 즉, 안테나(ANT1)를 통해 표면 탄성파 센서(210)는, 외부에서 무선으로 RF(Radio Frequency) 신호가 공급되면, RF 신호에 따라 센서 표면 위에 기 설정된 공진 주파수를 가진 표면 탄성파를 생성시키고, 스핀들의 회전에 의한 비틀림 힘이 발생되면, 기 설정된 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 안테나(ANT1)를 통해 센서 리더기(220)로 전달하기 위한 센서이다.
상술한 표면 탄성파 센서(210)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 센서 리더기(222)의 안테나(ANT2)로부터 스핀들(15)의 축방향으로 일정 거리(L)(대략적으로 수십 센티미터) 이내에서 스핀들(15)의 표면에 직접 부착될 수 있으며, 이와 같이 표면 탄성파 센서(210)를 스핀들(15)의 표면에 직접 부착시킴으로써, 센서의 감도를 높일 수 있는 장점이 있다.
한편, 센서 리더기(220)는, 안테나(ANT2)를 통해 기 설정된 공진 주파수의 RF 신호를 표면 탄성파 센서(210)로 전송하며, 표면 탄성파 센서(210)로부터 안테나(ANT2)를 통해 기 설정된 공진 주파수가 시프트된 변환 신호가 수신되면, 변환 신호에 기초하여 스핀들(15)의 토크를 연산할 수 있다.
상술한 센서 리더기(220)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 스핀들 지지 부재(16)의 표면에 부착될 수 있으며, 표면 탄성파 센서(210)로 또는 표면 탄성파 센서(210)로부터 전달되는 신호를 송수신하기 위한 안테나(ANT2)는 도선(223)을 통해 센서 리더기(220)와 연결될 수 있다. 상술한 센서 리더기(220)의 안테나(ANT2)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 비회전부재인 스핀들 지지 부재(16)의 메탈 베어링(16a)에 부착될 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 복수 개의 안테나를 구비한 센서 리더기를 도시한 도면이다. 이하, 도 3을 참조하여 복수 개의 안테나(ANT2)를 구비한 경우의 센서 리더기(220)의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복수 개의 안테나(ANT2)는 비회전부재인 스핀들 지지 부재(16)의 메탈 베어링(16a)의 원주를 따라 방사상으로 부착될 수 있다. 이와 같이 비회전부재인 스핀들 지지 부재(16)의 메탈 베어링(16a)의 원주를 따라 방사상으로 복수 개의 안테나(ANT2)를 부착함으로써, 스핀들(15)의 모든 각도에서의 주파수 시프트량의 평균값으로부터 토크를 구함으로써 더욱 정확한 토크 측정이 가능한 장점이 있다. 다만, 이는 일 실시 형태에 불과하며, 다른 실시 형태에 의하면, 스핀들(15)의 회전과는 무관하게 특정 안테나(ANT2)만을 고정적으로 선택할 수 있음을 물론이다.
한편, 안테나 스위칭부(230)는, 복수 개의 안테나(ANT2) 중 어느 하나를 선택하고, 선택된 안테나(ANT2)를 센서 리더기(220)에 연결하기 위한 모듈이다. 스핀들(15)이 회전함에 따라 표면 탄성파 센서(210)도 함께 회전하게 되므로, 송수신 신호의 감도를 높이기 위해, 안테나 스위칭부(230)는 표면 탄성파 센서(210)와 가장 가까운 안테나(ANT2)를 선택하도록 동작할 수 있다. 다만, 표면 탄성파 센서(210)와 가장 가까운 안테나(ANT2)를 선택하기 위한 알고리즘이나 구성은 본 발명의 범주를 벗어나므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 센서 리더기(220)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 연산부(221) 및 제2 연산부(222)를 포함할 수 있다.
제1 연산부(221)는, 안테나(ANT2)를 통해 표면 탄성파 센서(210)로부터 변환 신호를 수신한 후, 수신된 변환 신호로부터 기 설정된 공진 주파수의 주파수 시프트량을 구할 수 있다. 구해진 주파수 시프트량은 제2 연산부(222)로 전달될 수 있다. 여기서, 복수 개의 안테나(ANT2) 모두로부터 변환 신호를 수신하는 경우, 상기 주파수 시프트량은 각 변환 신호의 주파수 변화량의 평균값일 수 있다.
다음, 제2 연산부(222)는, 제1 연산부(221)에서 구한 주파수 시프트량에 기초하여 스핀들(15)의 토크를 하기와 같은 수학식 1에 따라 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112014031610167-pat00001
여기서, M은 토크, E는 영률(young's modulus), △f는 주파수 시프트량, fo는 기 설정된 공진 주파수, r은 스핀들의 반경, π는 파이이다.
상술한 이상 진단 장치는 상부 압연롤(11)의 스핀들을 위주로 설명하였으나, 이는 발명의 이해를 돕기 위한 것에 불과하며, 하부 압연롤의 스핀들의 경우에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 스핀들에 부착되는 표면 탄성파 센서와 센서 리더기를 이용하여 무전원/무선으로 스핀들의 토크를 측정함으로써, 스핀들의 이상을 조기에 진단하여 조업자로 하여금 적절한 조치를 취하도록 함으로써, 압연 설비 사고 및 인명 손실을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 센서 리더기의 안테나는, 스핀들 지지 부재내의 메탈 베어링의 원주를 따라 방사상으로 복수 개 부착함으로써, 안정적으로 표면 탄성파 센서로부터 전송되는 신호를 수신할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 열간 압연 설비에서 스핀들의 토크 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 우선 표면 탄성파 센서(210)는, 스핀들(15)의 회전에 의한 비틀림 힘에 따라 기 설정된 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성할 수 있다(S401). 생성된 변환 신호는 센서 리더기(220)로 전달될 수 있다.
상술한 표면 탄성파 센서(210)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 센서 리더기(222)의 안테나(ANT2)로부터 스핀들(15)의 축방향으로 일정 거리(L)(대략적으로 수십 센티미터) 이내에서 스핀들(15)의 표면에 직접 부착될 수 있으며, 이와 같이 표면 탄성파 센서(210)를 스핀들(15)의 표면에 직접 부착시킴으로써, 센서의 감도를 높일 수 있는 장점이 있음은 상술한 바와 같다.
다음, 센서 리더기(220)는, 표면 탄성파 센서(210)로부터 수신한 변환 신호에 기초하여 상술한 수학식 1에 따라 스핀들(15)의 토크를 연산할 수 있다(S402).
구체적으로, 제1 연산부(221)는, 안테나(ANT2)를 통해 표면 탄성파 센서(210)로부터 변환 신호를 수신한 후, 수신된 변환 신호로부터 기 설정된 공진 주파수의 주파수 시프트량을 구할 수 있다. 구해진 주파수 시프트량은 제2 연산부(222)로 전달될 수 있다. 여기서, 복수 개의 안테나(ANT2) 모두로부터 변환 신호를 수신하는 경우, 상기 주파수 시프트량은 각 변환 신호의 주파수 변화량의 평균값일 수 있음은 상술한 바와 같다.
다음, 제2 연산부(222)는, 제1 연산부(221)에서 구한 주파수 시프트량에 기초하여 스핀들(15)의 토크를 상술한 수학식 1에 따라 구할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 스핀들에 부착되는 표면 탄성파 센서와 센서 리더기를 이용하여 무전원/무선으로 스핀들의 토크를 측정함으로써, 스핀들의 이상을 조기에 진단하여 조업자로 하여금 적절한 조치를 취하도록 함으로써, 압연 설비 사고 및 인명 손실을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 센서 리더기의 안테나는, 스핀들 지지 부재내의 메탈 베어링의 원주를 따라 방사상으로 복수 개 부착함으로써, 안정적으로 표면 탄성파 센서로부터 전송되는 신호를 수신할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
11: 압연롤 12: 모터
13: 유니버셜 조인트 14: 슬리퍼 커플링
15: 스핀들 16: 캐리어
16a: 메탈 베어링 20: 승하강 기기
210: 표면 탄성파 센서 220: 센서 리더기
221: 제1 연산부 222: 제2 연산부
223: 도선 230: 안테나 스위칭부
ANT1, ANT2: 안테나

Claims (5)

  1. 모터의 회전 구동력을 압연롤에 전달하는 스핀들과, 상기 스핀들을 지지하는 지지 부재를 포함하는 열간 압연 설비에서, 상기 스핀들의 토크를 측정하는 장치에 있어서,
    상기 스핀들의 표면에 부착되고, 상기 지지 부재 내에서 상기 스핀들이 회전할 때, 상기 스핀들의 회전에 의한 비틀림 힘에 따라 기 설정된 공진 주파수가 시프트된 변환 신호를 생성하는 표면 탄성파 센서; 및
    상기 변환 신호를 수신하기 위한 복수 개의 리더 안테나를 포함하며, 상기 변환 신호에 기초하여 상기 스핀들의 토크를 연산하는 센서 리더기를 포함하며,
    상기 복수 개의 리더 안테나는, 상기 지지 부재의 메탈 베어링의 원주를 따라 방사상으로 부착되는 스핀들 토크 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 리더기는,
    상기 변환 신호로부터 상기 기 설정된 공진 주파수의 주파수 시프트량을 구하는 제1 연산부; 및
    상기 주파수 시프트량에 기초하여 상기 스핀들의 토크를 연산하는 제2 연산부를 포함하는 스핀들 토크 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주파수 시프트량은,
    상기 복수 개의 리더 안테나 각각으로부터 수신된 변환 신호의 주파수 시프트량의 평균값인 스핀들 토크 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스핀들 토크 측정 장치는,
    상기 복수 개의 리더 안테나 중 어느 하나를 선택하기 위한 안테나 스위칭부를 더 포함하는 스핀들 토크 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 표면 탄성파 센서는,
    상기 리더 안테나로부터 상기 스핀들의 축방향으로 일정 거리 이내에서 상기 스핀들의 표면에 직접 부착되는 스핀들 토크 측정 장치.
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