KR101759302B1 - 전동 공구의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

전동 모터가 배치되고, 이에 공급되는 전류를 제어하여 너트를 체결하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서, 너트가 착좌되는 시점에서, 상기 전동 모터의 회전 속도가 미리 설정된 속도 Vt에 도달하는지 여부를 판단하는 제1 단계; 속도 Vt에 도달하지 못하면, 전류의 공급을 중단하고 상기 전동 모터의 회전 관성력만으로 너트를 체결하면서, 시간에 따른 측정 토크를 검출하여 제1 토크율을 산출하는 제2-1 단계; 상기 전동 모터의 회전 속도가 제로가 된 이후, 순차적으로 임팩트 토크를 제공하는 제3-1 단계; 및 상기 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값이 목표 토크에 미리 설정된 소정 비율을 곱한 값 이상이면, 바로 다음 공급되는 펄스 전류를 보상 제어하는 제4 단계;를 포함하는 전동 공구의 제어 방법을 제공한다.

Description

전동 공구의 제어 방법{CONTROL METHOD OF ELECTRICALLY-DRIVE TOOL}

본 발명은 전동 공구의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차 등의 조립 공정에서 너트를 정확하게 체결할 수 있는 전동 공구의 제어 방법에 관한 것이다.

볼트, 너트 등을 체결하는 작업자는 작업 중 전동 공구에서 반복적으로 발생하는 반력에 의해 부상에 노출되기 쉽다. 최근, 자동차 등의 조립 공장은 조립 라인의 상당 부분이 자동화되어 있다. 그러나, 볼트, 너트의 체결을 담당하는 구역 중 일부는 여전히 작업자에 의해 이루어지고 있는 실정이다.

한편, 자동차 산업에서 너트 등의 체결은 안전과 밀접한 관련이 있기 때문에 특히 더 높은 수준의 체결 품질을 요구한다. 동시에, 그 체결 공정은 고생산성을 위해 신속하게 종료될 것이 요구된다. 따라서, 전동 공구 내부에는 너트 체결을 전담하는 제어 프로그램이 내장되어 있다.

너트의 체결 과정은 다음과 같다. 먼저, 너트는 전동 공구에 의해 볼트의 나사산을 따라 회전하면서 피작업물을 향해 이동하게 된다. 그러나, 너트가 피작업물과 만나게 되면 즉, 착좌되는 시점에서 너트의 회전 속도는 현저히 떨어지게 된다. 이후, 너트에는 이를 조여 주기 위한 토크가 더 가해진다. 혹시라도 추후에 너트가 풀리는 것을 방지하기 위함이다. 즉, 체결 공정은 너트에 미리 정해진 목표 토크를 제공하여 너트를 최종적으로 조여 줌으로써 비로소 종료된다.

종래, 전동 공구는 착좌 이전 낮은 토크로 고속 회전하면서, 너트를 신속하게 착좌시키도록 제어되었다. 그리고, 착좌 이후에는 전동 공구에 따라 1) 중간에 단절됨이 없는 연속 토크 또는 2) 간헐적으로 발생하되 순간적인 임팩트를 제공하는 임팩트 토크 중 어느 하나가 너트가 가해지도록 설정되었다. 그러나, 연속 토크는 임팩트 토크에 비해 상대적으로 큰 반력이 발생되는 문제점이 있었다. 반면, 임팩트 토크는 1) 연속 토크에 비해 토크의 크기를 정확하게 제어할 수 없다는 문제점, 2) 상대적으로 에너지 소비가 더 높다는 문제점이 있었다.

한편, 착좌된 이후 토크를 가해 너트를 조여 줄 때, 측정 토크가 목표 토크에 근접하더라도 여전히 동일한 방법으로 펄스 전류를 제어하면, 결국 너트에 목표 토크를 초과하는 측정 토크가 가해지는 이유로 체결 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다. 또한, 조인트 특성에 따라 체결 정확도가 달라지기 때문에, 먼저 조인트 특성이 판단되어야 함에도 전동 공구에는 자체적으로 조인트 특성을 판단할 수 있는 수단이 없었다는 문제점도 있었다. 또한, 조인트 특성을 반영하지 못하고 너트에 토크를 제공하면 체결 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 너트 등에 가해지는 측정 토크가 목표 토크에 소정 비율을 연산한 값에 도달하면, 그 이후 공급되는 펄스 전류를 더욱 정밀하게 제어하여 너트 등에 목표 토크가 가해지는 것을 목적으로 한다. 또한, 너트 등의 체결 부위에 대한 조인트 특성을 파악하고, 이를 반영하여 체결 정확성을 보다 향상시킬 수 있는 전동 공구의 제어 방법을 제공하고자 한다. 또한, 전동 공구에서 소요되는 에너지를 최소화 하면서 동시에 신속하게 체결 가능한 것을 목적으로 한다.

또한, 체결 부재의 불량 등으로 전동 공구가 적절하게 제어되지 못하는 경우 이를 대비하여 체결 공정의 불량률을 감소시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 전동 모터가 배치되고, 이에 공급되는 전류를 제어하여 너트를 체결하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서, 너트가 착좌되는 시점에서, 상기 전동 모터의 회전 속도가 미리 설정된 속도 Vt에 도달하는지 여부를 판단하는 제1 단계; 속도 Vt에 도달하지 못하면, 전류의 공급을 중단하고 상기 전동 모터의 회전 관성력만으로 너트를 체결하면서, 시간에 따른 측정 토크를 검출하여 제1 토크율을 산출하는 제2-1 단계; 상기 전동 모터의 회전 속도가 제로가 된 이후, 순차적으로 임팩트 토크를 제공하는 제3-1 단계; 및 상기 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값이 목표 토크에 미리 설정된 소정 비율을 곱한 값 이상이면, 바로 다음 공급되는 펄스 전류를 보상 제어하는 제4 단계;를 포함하는 전동 공구의 제어 방법을 제공한다.

상기 소정 비율은 상기 제1 토크율의 크기에 반비례하며, 0.8 내지 0.98 이내의 어느 한 수치일 수 있다.

상기 보상 제어는 선형 보상이고, 상기 선형 보상이 적용되는 최초 펄스 전류의 세기를 1) 바로 직전 펄스 전류의 세기, 2) 바로 직전 펄스 전류에 의해 검출되는 측정 토크의 최대값 및 3) 목표 토크와 바로 직전 상기 측정 토크의 최대값 사이의 차이를 이용하여 비례식으로 계산할 수 있다.

상기 선형 보상이 적용되는 펄스 전류는 사각파 전류이고, 펄스 전류의 각 지속 시간을 가변적으로 제어할 수 있다.

제3-1 단계에서, 상기 임팩트 토크에 대한 각 측정 토크의 최대값에 대한 증가율을 상기 제1 토크율과 일치하게 제어할 수 있다.

상기 임팩트 토크는 상기 전동 모터에 펄스 전류를 공급하여 발생시키고, 상기 펄스 전류 중 최초 발생하는 펄스 전류의 크기를 펄스 전류의 총 발생 횟수 및 그 지속 시간을 반영하여 가변적으로 제어할 수 있다.

상기 펄스 전류는 사각파 전류이고, 상기 사각파 전류의 각 최초값에 대한 증가율은 일정한 상수일 수 있다.

상기 제3-1 단계와 상기 제4 단계 사이에, 상기 증가율이 상기 제1 토크율과 불일치하면, 상기 증가율을 가변적으로 제어하여 보정하는 제3-2 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 단계에서, 속도 Vt에 도달하면, 상기 전동 모터에 브레이크 전류를 공급하여 너트에 목표 토크가 가해지도록 점진적으로 증가하는 연속 토크를 제공하는 제2-2 단계;를 더 포함할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

측정 토크의 최대값이 목표 토크에 소정 비율을 곱한 값 이상이면 바로 다음 공급되는 펄스 전류를 보상 제어할 수 있기 때문에 체결 정확도를 향상시킬 수 있다. 이 때, 소정 비율에는 조인트 특성이 반영되기 때문에 체결 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 착좌되는 시점에서 전동 모터의 회전 속도가 속도 Vt에 도달하지 못하면, 너트가 착좌된 이후, 전동 모터의 회전 관성력만으로 시간에 따른 측정 토크를 검출하여 제1 토크율을 산출하고, 이를 레퍼런스로 그 이후 너트에 제공되는 각 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값에 대한 증가율을 제1 토크율과 일치시켜 체결 정확성을 향상시킬 수 있다. 이 때, 그 증가율이 제1 토크율과 불일치하면 이를 보정하여 체결 정확성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 착좌되는 시점에서 전동 모터의 회전 속도가 속도 Vt에 도달하면 전동 모터에 브레이크 전류를 공급하여 너트에 목표 토크가 가해지도록 제어하여 체결 에너지를 최소화할 수 있다. 이 때, 전동 공구가 너트 등 체결 부재의 불량으로 적절하게 제어되지 못하면 토크의 제공 방식이 임팩트 토크로 전환되면서 체결 공정의 불량률을 감소시킬 수 있다. 다만 이 경우에도, 전동 모터의 회전 관성력만으로 제2 토크율을 산출하여 이를 레퍼런스로 각 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값에 대한 증가율을 제어할 수 있다. 그 결과, 체결 정확성을 향상시킬 수 있다.

동시에, 전동 공구에서 임팩트 토크를 제공할 때, 임팩트 토크는 신속하게 목표 토크에 도달될 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법을 나타내는 순서도
도 2는 회전 각도에 따른 측정 토크를 도시한 그래프.
도 3은 시간에 따른 측정 토크 및 펄스 전류를 도시한 그래프.
도 4는 도 1의 제4 단계에서 펄스 전류를 보상 제어하는 것을 도시한 그래프

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 도 1을 참조하면, 전동 공구의 제어 방법은 1) 판단하는 제1 단계(s10), 2) 제1 토크율(θ)을 산출하는 제2-1 단계(s20), 3) 임팩트 토크를 제공하는 제3-1 단계(s30), 4) 보정하는 제3-2 단계(s35), 5) 펄스 전류를 보상 제어하는 제4 단계(s40) 및 6) 연속 토크를 제공하는 제2-2 단계(s25)를 포함한다.

일 실시예에 따른 제어 방법은 토크의 제공 수단으로 전동 모터를 사용하는 전동 공구에 적용될 수 있다. 이 때, 전동 공구는 전류의 제어를 전담하는 전류 제어부를 더 포함하여 체결 정확성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전동 공구는 전동 모터의 회전 속도를 검출하는 속도 센서, 너트에 실제 가해지는 측정 토크를 검출하는 토크 센서, 착좌된 이후 너트의 회전 각도를 검출하는 엔코더 등을 더 포함할 수 있다.

'착좌'라고 함은 너트가 볼트의 나사산을 따라 회전하면서 전진하게 됨에 따라, 특히 너트의 머리가 피작업물과 만나 접촉하는 순간 마찰 계수의 증가로 너트의 회전 속도가 감소하기 시작할 때의 너트의 배치 상태를 말한다. 한편, 체결 공정은 착좌된 이후 너트를 더 조여 준 후에 비로소 완료된다.

전동 공구는 착좌를 위해 전동 모터의 회전 속도를 제로에서 급격하게 상승시킨다. 즉, 정지 상태에 있는 전동 모터에 순간적으로 낮은 전류를 공급하여, 착좌에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.

한편, 작업자는 너트의 종류 및 각 종 체결 부위에 따라 체결에 소요되는 체결 에너지를 산출할 수 있다. 다만, 체결 에너지는 체결 방법 및 그 경로 등에 따라 달라지기 때문에, 체결 에너지를 최소화하기 위해 먼저 체결 방법 등을 최적화하는 것이 선행되어야 할 것이다. 예를 들어, 전동 모터의 회전 관성력을 이용하면 그 만큼 체결 에너지의 소비를 줄일 수 있다. 이는, 전동 모터에 공급되는 전류를 제어하여 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 방식이다.

한편, 일정 속도에 도달된 전동 모터는 너트가 착좌되는 시점까지 그 속도가 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 즉, 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법은 주로 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 방식이다. 이 때, 너트에는 비교적 낮은 토크가 지속적으로 가해지지만, 전동 모터의 고속 회전에 의해 너트는 신속하게 착좌될 수 있다.

이런 방법은 착좌되는 시점을 정확하게 예측할 수 있고, 고속 회전하는 전동 모터에 의해 착좌에 소요되는 시간을 더 단축시킬 수 있다. 그 결과, 체결 공정의 생산성이 향상될 수 있다.

판단하는 제1 단계(s10)는 착좌되는 시점에서 전동 모터의 회전 속도가 미리 설정된 속도 Vt에 도달하였는지 여부를 판단한다. 이 때, 속도 Vt는 착좌된 이후 너트를 더 조여 주면서 최종적으로 목표 토크가 너트에 가해지기 위해 최적화된 속도이다. 다만, 속도 Vt는 체결 부재의 종류, 체결 면의 특성, 목표 토크의 크기 등에 따라 달라질 수 있다.

일반적인 경우 정상적으로 착좌가 이루어지기 때문에 착좌되는 시점에서 전동 모터의 회전 속도는 속도 Vt에 도달할 수 있다. 그러나, 볼트 또는 너트의 나사산, 너트의 접촉면 등에 불량이 존재하면 회전 속도는 속도 Vt에 도달하지 못한다.

먼저, 판단하는 제1 단계(s10)에서 전동 모터의 회전 속도가 속도 Vt에 도달하지 못하면, 제2-1 단계(s20)를 진행한다. 왜냐하면, 착좌되는 시점에서 회전 속도가 속도 Vt에 도달하지 못하면, 전동 모터의 회전 관성력을 이용하는 체결 방법은 너트에 목표 토크를 제공할 수 없어 체결 불량을 초래하기 때문이다.

도 2는 회전 각도에 따른 측정 토크를 도시한 그래프이고, 도 3은 시간에 따른 측정 토크 및 펄스 전류를 도시한 그래프이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 제2-1 단계(s20)는 전동 모터에 공급되는 전류의 공급을 즉시 중단하여 그 회전 속도를 제로로 한다. 다만, 전동 모터는 회전 관성력의 작용으로 일정 시간이 더 경과한 후에 비로소 그 회전 속도가 제로가 된다. 이 때, 너트는 전동 모터의 회전 관성력만으로 일부 더 조여진다.

착좌된 이후, 너트의 조임 체결은 조인트 특성에 의해 영향을 받는다. 그리고, 조인트 특성은 국제 표준화 기구에 의해 규정되어 있다. 구체적으로, 하드 조인트는 착좌된 이후 너트의 머리가 30도 이내 더 회전하면 정상 체결된 것으로 보는 반면, 소프트 조인트는 그 각도가 360도 또는 720도 이내 더 회전할 때 정상 체결된 것으로 인정한다. 그러나, 목표 토크는 이러한 조인트 특성과는 관계없이 미리 설정된다.

즉, 조인트 특성은 체결 면과 이에 접촉된 상태에서 조여지는 너트 사이의 마찰 계수 등에 따라 달라진다. 그리고, 이런 조인트 특성은 전동 모터에 전류의 공급이 차단되어 너트에 회전 관성력만이 작용하면 파악될 수 있다. 구체적으로, 조인트 특성은 너트의 회전 각도(d1) 및 측정 토크(m1)를 각각 검출한 후, 측정 토크를 회전 각도로 나눈 값(m1/d1)으로 구해진다. 여기서, 측정 토크는 그 최대값이 사용된다.

이론적으로 조인트 특성은 각 체결 부위에 대한 체결 공정이 완료되기 전까지 일정하게 유지된다. 즉, 착좌된 이후 조여 주는 체결 공정은 선형 영역에 속한다. 따라서, 도 2에 도시되는 점들은 일직선 상에서 놓여진다. 그러나, 실제적인 조인트 특성은 너트의 회전 각도가 증가함에 따라 마찰 계수 등의 변화로 가변적일 수 있다.

제2-1 단계(s20)를 통해 시간에 따른 측정 토크를 검출하여 제1 토크율(θ)을 산출할 수 있다. 도 3을 참조하면, 회전 관성력만에 의한 측정 토크는 선형적으로 증가한다. 그 결과, 경과 시간(t1-ta)에 대한 측정 토크의 증가율(m1-ma)을 구하면, 그 기울기에 해당되는 제1 토크율(a)을 산출할 수 있다. 이 때, 제1 토크율은 조인트 특성이 반영된 것으로 이를 통해 전동 공구는 조인트가 하드 조인트인지 또는 소프트 조인트인지 그 종류를 판단할 수 있다.

그 다음, 제3-1 단계(s30)는 전동 모터의 회전 관성력만으로 너트가 일부 조여지고, 전동 모터의 회전 속도가 제로가 되면, 그 이후 임팩트 토크를 순차적으로 제공한다. 여기서, 임팩트 토크는 전류 제어를 통해 미리 설정되는 단일 값이고, 측정 토크는 너트에 가해지는 임팩트 토크가 토크 센서를 통해 실제 검출되는 연속적인 값들의 집합이다. 이 때, 측정 토크의 최대값을 임팩트 토크와 일치시키는 것이 바람직하다.

이 때, 전동 공구는 각 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값에 대한 증가율(b)을 제1 토크율(a)과 일치하게 제어한다. 이처럼, 조인트 특성을 반영하여 너트를 조여 주면 체결 정확도가 향상된다. 그 결과, 제1 토크율은 너트에 목표 토크가 가해지도록 순차적으로 증가하는 적어도 하나 이상의 측정 토크에 대한 레퍼런스를 제공할 수 있다.

구체적으로, 임팩트 토크는 전동 모터에 간헐적인 펄스 전류를 공급하여 발생시킨다. 이 때, 전동 공구는 펄스 전류 중 최초 발생하는 펄스 전류의 크기를 펄스 전류의 총 발생 횟수 및 그 지속 시간을 반영하여 가변적으로 제어한다. 이를 위해, 먼저 조인트 특성을 이용하여 너트에 목표 토크를 가하기 위해 필요한 잔여 에너지를 계산할 수 있다. 왜냐하면, 착좌된 이후 체결 공정은 선형성이 적용되기 때문이다.

그리고, 잔여 에너지를 몇 번의 임팩트 토크로 나눠 제공할 것인지 즉, 펄스 전류의 총 발생 횟수를 미리 설정된 범위 이내에서 제어할 수 있다. 또한, 임팩트 토크의 특성상 펄스 전류의 지속 시간은 비교적 짧다. 이 때, 모든 펄스 전류에 대해 지속 시간을 일정하게 제어할 수 있다. 따라서, 최초 임팩트 토크를 발생시키는 펄스 전류의 크기는 잔여 에너지, 펄스 전류의 총 발생 횟수 및 그 지속 시간을 반영하여 가변적으로 제어할 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 최초 공급되는 펄스 전류에 대한 측정 토크의 최대값은 m2이다. 이 때, 도 2에서 너트는 최초 공급되는 펄스 전류에 의해 소정 각도 회전하며, 전동 공구는 엔코더를 통해 누적 각도 d2를 검출할 수 있다. 그러나, 그 바로 다음 공급되는 펄스 전류에 대한 측정 토크의 최대값들(m3, m4 등)부터는 제1 토크율의 기울기로 일정하게 증가한다. 이 때, 너트에 대한 회전 각도의 증가율인 d3-d2, d4-d3 등 또한 일정할 것이다.

그러나, 이와 달리 최초 공급되는 펄스 전류에 대한 측정 토크의 최대값인 m2부터 제1 토크율의 기울기로 일정하게 증가할 수도 있다. 왜냐하면, 최초 공급되는 펄스 전류의 크기를 전술한 것처럼 가변적으로 제어할 수 있기 때문이다.

일 실시예에서, 펄스 전류는 사각파 전류가 바람직하다. 즉, 전동 모터에는 최초값과 최종값이 동일한 사각파 전류가 공급된다. 이 때, 이웃하는 사각파 전류의 각 최초값에 대한 증가율은 일정한 상수인 것이 바람직하다. 그 결과, 각 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값에 대한 증가율(b)을 제1 토크율(a)과 일치하게 제어할 수 있다. 왜냐하면, 임팩트 토크는 공급되는 에너지의 크기에 비례하며, 이 때 에너지의 크기는 각 사각파 전류의 지속 시간이 일정하다는 조건 하에서 사각파 전류의 크기에 비례하기 때문이다.

한편, 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법은 증가율(b)이 제1 토크율(a)과 불일치하면, 각 사각파 전류의 최초값에 대한 증가율을 가변적으로 제어하여 보정하는 제3-2 단계(s35)를 더 포함할 수 있다. 즉, 검출되는 각 측정 토크의 최대값이 제1 토크율에 따라 미리 설정되는 각 임팩트 토크에 과부족하면, 해당 사각파 전류의 최초값을 보정할 수 있다.

구체적으로, 미리 설정되는 임팩트 토크와 검출되는 측정 토크의 최대값을 서로 비교하여 그 오차를 계산한다. 그 결과는 1) 일치, 2) 보다 작음 및 3) 보다 큼의 3가지 중 어느 하나로 판정된다. 그 중 2) 및 3)의 경우에는 실제 제1 토크율이 반영된 사각파 전류에 의한 임팩트 토크가 너트에 가해지지 않았기 때문에, 바로 다음 공급되는 사각파 전류의 크기는 그 오차만큼 보정된다.

이 때, 오차에 대한 보정은 비례식을 사용한다. 전술한 것처럼, 착좌된 이후 체결 공정은 이론상 제1 토크율에 의해 마찰 계수 등이 불변하는 선형 영역이기 때문이다. 그 결과, 예를 들면, 임팩트 토크와 그 측정 토크의 최대값 사이에 발생하는 오차가 마이너스 10%이면, 바로 다음 사각파 전류의 최초값은 제1 토크율에 따라 미리 계산된 증가율에 10%를 더하는 방식으로 계산될 수 있다. 따라서, 바로 다음 너트에 실제 가해지는 측정 토크의 최대값은 미리 설정된 임팩트 토크(기대되는 측정 토크의 최대값)에 더욱 근접하게 된다. 그 결과, 체결 정확도가 향상될 수 있다. 또한, 전동 공구에서 임팩트 토크를 제공할 때, 임팩트 토크는 신속하게 목표 토크에 도달될 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 전동 공구는 미리 설정되는 임팩트 토크의 크기와 검출되는 측정 토크의 최대값이 서로 일치하는지 여부를 지속적으로 판단하면서 과부족한 경우 이를 보정하고, 이런 과정을 반복하면서 측정 토크가 비로소 목표 토크에 도달하면 전류 제어부를 통해 사각파 전류의 공급을 차단하여 체결 공정이 완료되게 한다.

도 4는 도 1의 제4 단계에서 임팩트 토크를 보상 제어하는 것을 도시한 그래프이다. 도 4를 참조하면, 제3-1 단계에서 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값이 목표 토크에 미리 설정된 소정 비율을 곱한 값 이상이면 바로 다음 공급되는 펄스 전류를 보상 제어하는 제4 단계를 더 포함한다. 다만, 측정 토크의 최대값이 목표 토크에 이미 도달하였거나 이를 초과하는 경우 제4 단계는 생략된다.

여기서, 보상 제어는 선형성에 근거한다. 이는, 너트에 목표 토크와 일치하는 측정 토크를 가해 체결 정확성을 향상시키기 위함이다. 따라서, 토크 센서를 통한 측정 토크의 최대값이 목표 토크에 근접하면, 보상 제어 로직이 적용되면서 그 후 검출되는 측정 토크의 최대값을 더욱 정밀하게 제어한다. 즉, 보상 제어 구간에서 측정 토크의 각 최대값은 제1 토크율(a)이 적용되지 않고, 바로 직전 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값을 기준으로 제어된다.

이 때, 소정 비율은 0.8 내지 0.98 이내의 어느 한 수치이다. 예를 들어, 하드 조인트는 착좌된 이후 너트의 회전 각도가 30도 이내인 바, 소프트 조인트에 비해 현저하게 작다. 즉, 하드 조인트의 경우 오버 슈트의 가능성이 높기 때문에 소정 비율을 0.8로 설정하는 것이 바람직하다. 이에 반해, 소프트 조인트에 대한 소정 비율은 0.95, 0.98 등으로 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 소정 비율은 제1 토크율의 크기에 반비례한다.

또한, 선형 보상이 적용되는 최초 펄스 전류의 세기는 1) 바로 직전(즉, 선형 보상이 적용되기 전) 펄스 전류의 세기 및 2) 바로 직전 펄스 전류에 의해 검출되는 측정 토크의 최대값을 기준으로 한다. 이와 함께, 목표 토크와 바로 직전 측정 토크의 최대값 사이의 차이인 부족 토크를 산출한 후, 비례식을 이용하여 최초 펄스 전류의 세기를 계산할 수 있다. 여기서, 펄스 전류는 예를 들어 사각파 전류일 수 있다.

도 4를 참조하면, 예를 들어 소정 비율이 0.95 즉, 측정 토크의 최대값이 목표 토크의 95% 이상인 경우 보상 제어 로직이 적용된다고 하자. 구체적으로, 목표 토크가 12Nm이고 바로 직전 60A의 펄스 전류에 의해 검출되는 측정 토크의 최대값이 11.5Nm이면, 바로 다음 펄스 전류의 세기는 선형 보상 로직에 의해 계산된다. 따라서, 제1 토크율의 기울기로 증가하지 않는다.

이 때, 부족 토크는 0.5Nm이다. 그리고, 바로 직전 60A의 펄스 전류에 의해 측정 토크의 최대값이 그 이전보다 1Nm 증가하여 11.5Nm가 된 것이라면, 바로 다음 펄스 전류의 세기는 펄스 전류의 지속 시간이 동일하다는 조건 하에 30A의 크기를 갖는 펄스 전류를 1회 더 공급하면 된다. 그 결과, 12Nm를 갖는 측정 토크의 최대값이 검출될 수 있다. 그러나, 실제 검출되는 토크가 12Nm에 부족하다면 다시 동일 방법의 보상 제어 로직에 의해 그 다음 펄스 전류의 세기를 계산할 수 있다.

선형 보상 구간 이전 공급되는 펄스 전류의 지속 시간은 미리 설정된 일정한 상수를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 전동 공구는 선형 보상 로직이 적용되는 펄스 전류의 각 지속 시간을 가변적으로 제어할 수 있다. 따라서, 펄스 전류의 지속 시간을 조절하면 펄스 전류의 크기를 달리할 수 있다. 다만, 선형 보상 로직이 적용될 때, 그 기준이 되는 펄스 전류는 단지 바로 직전 펄스 전류 뿐만 아니라, 그 이전 복수 개의 펄스 전류도 가능하다. 이 때, 평균값을 사용할 수 있다.

이와 달리, 판단하는 제1 단계(s10)에서 전동 모터의 회전 속도가 속도 Vt에 도달하면, 제2-2 단계(s25)를 진행한다. 제2-2 단계(s25)는 전동 모터에 브레이크 전류를 공급하여 너트에 목표 토크가 가해지도록 점진적으로 증가하는 연속 토크를 제공하는 단계이다. 이 때, 연속 토크는 속도 Vt에 의한 전동 모터의 회전 관성력에 의해 발생되며, 속도 Vt는 점진적으로 감속된다. 한편, 감속 비율은 일정하거나 가변적일 수 있다.

브레이크 전류는 착좌된 시점 이후부터 너트에 목표 토크가 가해질 때까지 그 크기가 변화될 뿐 전동 모터에 지속적으로 공급된다. 다만, 브레이크 전류는 너트에 목표 토크가 가해지는 순간 그 크기가 제로가 될 수 있도록 제어되는 것이 바람직하다. 이 때, 속도 Vt는 브레이크 전류에 의해 완만하게 감속되며, 너트에 목표 토크가 가해지는 순간 제로가 된다. 즉, 전동 모터는 멈춘다. 그 결과, 체결 공정은 측정 토크의 최대값이 목표 토크와 일치하게 되면 정상적으로 종료된다.

따라서, 너트의 착좌 및 그 이후 너트에 목표 토크를 가하는 제2-2 단계(s25)를 포함하는 전동 공구의 제어 방법은 전동 모터의 회전 속도만을 제어하는 방법으로 체결 공정에 소요되는 체결 에너지를 절감할 수 있다. 이것은 전동 모터의 회전 관성력을 이용하면서 그 회전 속도를 정밀하게 제어한 결과이다.

그 다음, 제2-2 단계(s25)에서 전동 모터의 회전 속도에 대한 순간 변화율이 D이상이면 제2-3 단계(s26)를 진행한다. 이는 볼트 또는 너트의 나사산 등에 존재하는 불량으로 인해 전동 모터의 회전 속도에 대한 순간 변화율이 변할 때를 반영한 것이다. 여기서, D는 일반적으로 0을 초과하는 값이며, 회전 속도가 급변할 때 D는 비교적 큰 값일 수도 있다.

구체적으로, 순간 변화율이 D이상이면 브레이크 전류의 공급을 중단하고, 전동 모터의 회전 관성력만으로 너트를 체결한다. 이 때, 회전 속도는 회전 관성력에 의해 일정 시간이 더 경과된 후에 비로소 제로가 된다.

그 결과, 회전 관성력만에 의한 시간에 따른 측정 토크를 검출하여 제2 토크율을 산출할 수 있다. 여기서, 제2 토크율 역시 조인트 특성인 바, 이론상 제1 토크율(a)과 동일하다. 다만, 제2 토크율은 체결 정도에 따른 마찰 계수 등의 변화를 감안하면 제1 토크율과 다소 다를 수 있다.

그러면, 전동 공구는 전동 모터의 회전 속도가 제로가 된 이후, 임팩트 토크를 순차적으로 제공하는 제2-4 단계(s27)를 진행한다. 즉, 너트에 가해지는 토크의 제공 방식이 간헐적으로 발생되는 임팩트 토크로 전환된다. 왜냐하면, 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 체결 방법은 그 회전 속도가 미리 설정된 값과 다르게 변동될 때, 최종적으로 너트에 목표 토크를 제공할 수 없기 때문이다. 즉, 전동 모터의 회전 속도가 급변하면 브레이크 전류를 제어하더라도 전동 모터는 미리 설정된 회전 속도를 추종할 수 없게 된다.

또한, 제2-4 단계(s27)에서, 각 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값에 대한 증가율을 제2 토크율과 일치하게 제어한다. 구체적 이유는 전술한 것과 동일한 바, 이하 상세한 설명은 생략한다. 또한, 임팩트 토크를 제공하기 위해 사각파 전류를 이용하며, 그 제어 방법은 이미 설명한 것과 동일하다.

또한, 그 과정에서 측정 토크의 최대값이 미리 설정되는 임팩트 토크의 크기에 과부족하면 사각파 전류의 최초값에 대한 매 증가분을 가변적으로 제어하여 보정한다. 보정 제어 역시 전술한 것과 동일한 바, 이하 상세한 설명은 생략한다. 이상 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법은 체결 에너지를 최소화할 수 있다. 또한, 전동 공구가 적절하게 제어되지 못할 때 그로 인한 체결 공정의 불량을 방지할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

s10: 판단하는 제1 단계
s20: 제1 토크율을 산출하는 제2-1 단계
s30: 제1 토크율과 일치하게 제어하는 제3-1 단계
s35: 보정하는 제3-2 단계
s40: 펄스 전류를 보상 제어하는 제4 단계
s25: 연속 토크를 제공하는 제2-2 단계
s26: 제2 토크율을 산출하는 제2-3 단계
s27: 제2 토크율과 일치하게 제어하는 제2-4 단계

Claims (9)

1. 전동 모터가 배치되고, 이에 공급되는 전류를 제어하여 너트를 체결하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서,
   너트가 착좌되는 시점에서, 상기 전동 모터의 회전 속도가 미리 설정된 속도 Vt에 도달하는지 여부를 판단하는 제1 단계;
   속도 Vt에 도달하지 못하면, 전류의 공급을 중단하고 상기 전동 모터의 회전 관성력만으로 너트를 체결하면서, 시간에 따른 측정 토크를 검출하여 제1 토크율을 산출하는 제2-1 단계;
   상기 전동 모터의 회전 속도가 제로가 된 이후, 순차적으로 임팩트 토크를 제공하는 제3-1 단계; 및
   상기 임팩트 토크에 대한 측정 토크의 최대값이 목표 토크에 미리 설정된 소정 비율을 곱한 값 이상이면, 바로 다음 공급되는 펄스 전류를 보상 제어하는 제4 단계;를 포함하는 전동 공구의 제어 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 소정 비율은 상기 제1 토크율의 크기에 반비례하며, 0.8 내지 0.98 이내의 어느 한 수치인 전동 공구의 제어 방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 보상 제어는 선형 보상이고,
   상기 선형 보상이 적용되는 최초 펄스 전류의 세기를 1) 바로 직전 펄스 전류의 세기, 2) 바로 직전 펄스 전류에 의해 검출되는 측정 토크의 최대값 및 3) 목표 토크와 바로 직전 상기 측정 토크의 최대값 사이의 차이를 이용하여 비례식으로 계산하는 전동 공구의 제어 방법.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 선형 보상이 적용되는 펄스 전류는 사각파 전류이고, 펄스 전류의 각 지속 시간을 가변적으로 제어하는 전동 공구의 제어 방법.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 제3-1 단계에서,
   상기 임팩트 토크에 대한 각 측정 토크의 최대값에 대한 증가율을 상기 제1 토크율과 일치하게 제어하는 전동 공구의 제어 방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 임팩트 토크는 상기 전동 모터에 펄스 전류를 공급하여 발생시키고, 상기 펄스 전류 중 최초 발생하는 펄스 전류의 크기를 펄스 전류의 총 발생 횟수 및 그 지속 시간을 반영하여 가변적으로 제어하는 전동 공구의 제어 방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 펄스 전류는 사각파 전류이고, 상기 사각파 전류의 각 최초값에 대한 증가율은 일정한 상수인 전동 공구의 제어 방법.
   
8. 제 5항에 있어서, 상기 제3-1 단계와 상기 제4 단계 사이에,
   상기 증가율이 상기 제1 토크율과 불일치하면, 상기 증가율을 가변적으로 제어하여 보정하는 제3-2 단계;를 더 포함하는 전동 공구의 제어 방법.
   
9. 제 1항에 있어서, 상기 제1 단계에서,
   속도 Vt에 도달하면, 상기 전동 모터에 브레이크 전류를 공급하여 너트에 목표 토크가 가해지도록 점진적으로 증가하는 연속 토크를 제공하는 제2-2 단계;를 더 포함하는 전동 공구의 제어 방법.

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