KR101878331B1 - 저반력 전동 공구의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

전동모터에 의해 제공되는 토크를 사용하여 체결부재를 착좌시킨 후, 펄스토크에 의해 상기 체결부재를 조임 체결하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서, 상기 펄스토크의 최초 발생을 미리 설정된 펄스시작속도 및 미리 설정된 펄스시작토크 중 먼저 도달하는 어느 하나의 시점에 의하도록 설정하되, 상기 전동모터의 회전속도에 대한 속도변화율에 의해 우선 제어되도록 하는 제1단계; 및 상기 회전속도를 측정하여 상기 회전속도가 상기 펄스시작속도에 도달하는지 여부와 상기 체결부재에 가해지는 측정토크를 측정하여 상기 측정토크가 상기 펄스시작토크에 도달하는지 여부를 각각 판단하는 제2단계;를 포함하는 저반력 전동 공구의 제어 방법을 제공한다.

Description

저반력 전동 공구의 제어 방법{CONTROL METHOD OF ELECTRICALLY-DRIVE TOOL WITH LOW REACTION FORCE}

본 발명은 전동 공구의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차 등의 조립 공정에서 작업자에게 전달되는 반력을 감소시킬 수 있는 저반력 전동 공구의 제어 방법에 관한 것이다.

최근, 자동차 등의 조립 공장은 조립 라인의 상당 부분이 자동화되어 있다. 그러나, 볼트, 너트의 체결을 담당하는 작업 구역 중 일부는 여전히 작업자에 의해 이루어지고 있는 실정이다.

너트 등 체결 부재에 대한 체결 과정은 다음과 같다. 먼저, 너트는 전동 공구에 의해 볼트의 나사산을 따라 회전하면서 피작업물을 향해 이동하게 된다. 그러나, 너트의 헤드 부분이 피작업물과 만나게 되면 즉, 착좌되는 시점에서 너트의 회전 속도는 현저히 떨어지게 된다. 이후, 너트에는 이를 조임 체결하기 위한 펄스 토크가 더 가해진다. 혹시라도 추후에 너트가 풀리는 것을 방지하기 위함이다.

그런데, 체결 작업을 하는 작업자는 작업 중 전동 공구에서 반복적으로 발생하는 반력에 의해 특히 손목 등의 부상에 노출되기 쉽다는 문제점이 있다. 또한, 이런 문제점은 전동 공구를 설정할 때, 특정 체결 부재를 기준으로 하기 때문에 조인트 특성이 서로 다른 혼합 공정에서 특히 피작업물이 플라스틱 등의 소프트 조인트의 경우 반력의 발생 정도를 더 심각하게 한다.

대한민국 등록특허 제10-1694423호 (2017.01.03. 등록) 대한민국 등록특허 제10-1666143호 (2016.10.07. 등록)

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 체결 공정 중 특히 착좌되는 시점 직후 작업자의 손목 등에 가해지는 반력의 크기를 감소시킬 수 있는 저반력 전동 공구의 제어 방법을 제공하고자 한다.

또한, 하드 조인트, 소프트 조인트 등의 구별 없이 즉, 조인트 특성과 무관하게 모든 혼합 공정에서 사용하더라도 착좌되는 시점 직후 발생하는 반력의 크기를 감소시켜 손목 등의 부상을 방지할 수 있는 저반력 전동 공구의 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 전동모터에 의해 제공되는 토크를 사용하여 체결부재를 착좌시킨 후, 펄스토크에 의해 상기 체결부재를 조임 체결하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서, 상기 펄스토크의 최초 발생을 미리 설정된 펄스시작속도 및 미리 설정된 펄스시작토크 중 먼저 도달하는 어느 하나의 시점에 의하도록 설정하되, 상기 전동모터의 회전속도에 대한 속도변화율에 의해 우선 제어되도록 하는 제1단계; 및 상기 회전속도를 측정하여 상기 회전속도가 상기 펄스시작속도에 도달하는지 여부와 상기 체결부재에 가해지는 측정토크를 측정하여 상기 측정토크가 상기 펄스시작토크에 도달하는지 여부를 각각 판단하는 제2단계;를 포함하는 저반력 전동 공구의 제어 방법을 제공한다.

제1단계에서 상기 펄스시작속도는 착좌되는 시점에서 측정된 상기 회전속도에 미리 설정된 비율을 곱해 산출하는 것이 바람직하다.

상기 비율은 착좌되는 시점 바로 직후 상기 속도변화율에 따라 가변적인 것이 바람직하다.

제1단계에서 상기 펄스시작속도에 도달하는 시점이 상기 펄스시작토크에 도달하는 시점보다 앞서도록 설정하는 것이 바람직하다.

제1단계에서 상기 펄스시작속도를 조인트 특성에 관계없이 일정하게 설정하는 것이 바람직하다.

제1단계에서 상기 펄스시작속도를 조인트 특성에 따라 가변적으로 설정하는 것이 바람직하다.

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.

일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법은 체결 공정 중 특히 착좌되는 시점 직후 작업자의 손목 등에 가해지는 반력의 크기를 감소시킬 수 있어 부상의 위험을 줄일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법은 하드 조인트, 소프트 조인트 등의 구별 없이 즉 조인트 특성과 무관하게 모든 혼합 공정에서 사용하더라도 착좌되는 시점 직후 발생하는 반력의 크기를 감소시켜 손목 등의 부상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저반력 전동 공구의 제어 방법을 나타내는 순서도.
도 2는 조인트 특성에 따라 착좌되는 시점 전후 측정 토크에 대한 변화를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 설정된 펄스 시작 속도에 의해 최초의 펄스 토크가 발생되는 시점을 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, 저반력 전동 공구의 제어 방법은 전동 모터의 회전 속도에 대한 속도 변화율에 의해 우선 제어되도록 하는 단계(s10), 펄스 시작 속도에 도달하는지 여부와 펄스 시작 토크에 도달하는지 여부를 각각 판단하는 단계(s20), 펄스 토크를 조인트 특성과 일치하게 제어하는 단계(s30), 전류의 크기를 보정 제어하는 단계(s40), 보상 제어를 통해 측정 토크의 최대값을 정밀하게 제어하는 단계(s50) 등을 포함한다.

일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법은 토크의 제공 수단으로 전동 모터를 사용하는 모든 전동 공구 예를 들어, 너트 러너 등에 적용될 수 있다. 이를 통해, 너트 등의 체결 부재를 착좌시킬 수 있고, 그 후 가해지는 펄스 토크에 의해 체결 부재를 더 조임 체결할 수 있다.

이 때, 전동 공구는 체결 정확성을 향상시키기 위해 전동 모터로 공급되는 전류를 전담 제어하는 전류 제어부를 더 포함할 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 너트 등의 체결 부재가 볼트의 나사산을 따라 회전하면서 전진하게 됨에 따라, 특히 너트의 머리가 피작업물과 만나 접촉하는 순간 마찰 계수의 증가로 인해 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. 한편, 정지 상태에 있는 전동 모터에 순간적으로 전류를 공급하여, 착좌에 소요되는 시간을 보다 단축시킬 수 있다.

작업자는 체결 부재의 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 위해서는 먼저 체결 방법 등을 최적화하는 것이 선행되어야 한다. 예를 들어, 전동 모터의 회전 관성력을 이용하면 그 만큼 체결 에너지의 소비를 줄일 수 있다. 이는, 전동 모터로 공급되는 전류를 제어하여 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 방식이다.

한편, 일정 속도에 도달된 전동 모터는 너트가 착좌되는 시점까지 그 속도가 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 착좌되기 이전 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.

도 2는 조인트 특성에 따라 착좌되는 시점 전후 측정 토크에 대한 변화를 도시한 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 설정된 펄스 시작 속도에 의해 최초의 펄스 토크가 발생되는 시점을 도시한 그래프이다.

제1단계(s10)는 펄스 토크의 최초 발생을 미리 설정된 펄스 시작 속도 및 미리 설정된 펄스 시작 토크 중 먼저 도달하는 어느 하나의 시점에 의하도록 설정하되, 전동 모터의 회전 속도에 대한 속도 변화율에 의해 우선 제어되도록 하는 단계이다. 즉, 전동 공구에서 발생하는 최초의 펄스 토크는 측정되는 전동 모터의 회전 속도 또는 측정 토크에 의해 그 발생 시점이 달라지는데 일 실시예에 따른 제어 방법은 전동 모터의 회전 속도에 의해 우선 제어되도록 하는 것이 바람직하다.

전동 모터의 회전 속도는 착좌되기 이전 비교적 일정하게 유지되다가 착좌되는 시점에서 일정 비율로 감소할 수 있다. 이 때, 회전 속도는 체결 부재의 종류, 조인트 특성, 체결 부재를 최종적으로 조임 체결하기 위한 목표 토크의 크기 등에 따라 달라질 수 있다. 체결 부재가 정상적으로 착좌되면 착좌되는 시점에서 전동 모터의 회전 속도는 일정 속도에 도달한다.

여기서, 펄스 시작 속도는 착좌되는 시점 이후 전동 모터의 회전 속도가 감소하는 어느 일 시점에서 전동 모터가 갖는 회전 속도를 말한다. 한편, 펄스 시작 속도는 작업자가 임의적으로 지정할 수 있다. 다만, 펄스 시작 속도는 종래 측정 토크를 기준으로 펄스 토크를 발생시키던 제어 방법에서 펄스 토크가 최초 발생할 때 전동 모터가 갖는 회전 속도를 초과하는 값으로 지정하는 것이 바람직하다.

조인트 특성은 국제 표준화 기구에 의해 규정되어 있다. 구체적으로, 하드 조인트는 착좌된 이후 너트의 헤드가 30도 이내 더 회전하면 정상 체결된 것으로 보는 반면, 소프트 조인트는 그 각도가 360도 또는 720도 이내 더 회전할 때 정상 체결된 것으로 인정한다. 즉, 소프트 조인트는 하드 조인트에 비해 정상 체결을 위한 회전 각도가 더 커서 정상 체결에 소요되는 시간이 더 길다. 이는, 소프트 조인트의 경우 하드 조인트에 비해 최초의 펄스 토크가 발생될 때까지 소요되는 시간 역시 더 길다는 것을 의미한다.

구체적으로, 조인트 특성은 체결 면과 이에 접촉된 상태에서 조여지는 너트 등 체결 부재 사이의 마찰 계수 등에 따라 달라진다. 한편, 조인트 특성은 전동 모터에 공급되는 전류가 차단되어 너트 등의 체결 부재에 회전 관성력만이 작용하면 쉽게 파악될 수 있다. 즉, 조인트 특성은 너트 등 체결 부재의 회전 각도와 측정 토크를 각각 검출한 후, 측정 토크를 회전 각도로 나눠 구할 수 있다. 여기서, 측정 토크는 그 최대값이 사용된다.

이론적으로 조인트 특성은 체결 공정이 완료되기 전까지 일정하게 유지된다. 즉, 착좌된 이후 조여 주는 체결 공정은 선형 영역에 속한다. 그러나, 실제적인 조인트 특성은 조임 체결이 진행되면서 너트의 회전 각도가 증가함에 따라 마찰 계수 등의 변화로 가변적일 수 있다.

일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법은 전술한 것처럼 특성이 전혀 다른 하드 조인트와 소프트 조인트에 대한 각 체결 공정이 함께 이루어지는 혼합 공정에서 유용하게 사용될 수 있다. 이는 전동 공구를 제어하기 위한 각 종 설정값 예를 들어, 전술한 펄스 시작 토크 등이 어느 한 조인트 특성을 기준으로 설정된다는 점을 고려할 때, 다른 특성을 갖는 조인트에도 사용될 수 있다는 점에서 효과적이다.

예를 들어, 하드 조인트의 특성에 맞춰 전동 공구를 설정한 경우, 그 설정값을 변경하지 않고 소프트 조인트에 대한 체결 공정을 진행하면 작업자는 손목 등에 부상을 입기 쉽다. 이는, 최초의 펄스 토크가 발생되기 위한 회전 각도가 소프트 조인트는 하드 조인트보다 현저하게 더 커서 그 회전 각도에 도달되기 전까지 작업자가 전동 공구를 그립한 채로 견뎌야 하기 때문이다.

그러나, 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법이 특히 혼합 공정에서 작업자에게 가해지는 반력을 줄여 손목 등의 부상을 방지하는데 그 목적이 있는 바, 본 제어 방법은 혼합 공정에서 반력을 최소화한다는 측면에서 종래 제어 방법과 차별화될 수 있다.

구체적으로, 일 실시예는 펄스 시작 속도에 도달하는 시점을 펄스 시작 토크에 도달하는 시점보다 앞서도록 강제적으로 설정하는 것이다. 즉, 측정 토크가 펄스 시작 토크에 도달하기 이전에 먼저 최초의 펄스 토크가 발생할 수 있다. 이는, 혼합 공정에서 특히 소프트 조인트의 경우 전동 모터의 회전 속도가 먼저 펄스 시작 속도에 도달할 수 있도록 하여 작업자의 손목 등의 부상 위험을 줄일 수 있다.

즉, 본 제어 방법은 종래 제어 방법이 측정 토크를 기준으로 펄스 토크의 최초 발생 시점을 지정하던 방식에서 벗어나 전동 모터의 실제 회전 속도가 갖는 속도 변화율에 의해 우선 제어되도록 한다. 이는 측정이 보다 정확하게 이루어질 수 있는 전동 모터의 회전 속도를 이용한다는 점에서 효과적이다.

구체적으로, 일 실시예에 따른 펄스 시작 속도는 착좌되는 시점에서 측정된 회전 속도에 미리 설정된 비율을 곱해 산출할 수 있다. 착좌되고 최초의 펄스 토크가 발생하기 이전까지 너트 등의 체결 부재에 대한 조임 체결은 조인트 특성에 의해 영향을 받는다.

이 때, 비율은 착좌되는 시점 바로 직후 전동 모터의 속도 변화율에 따라 가변적일 수 있다. 구체적으로, 하드 조인트와 소프트 조인트 등을 구별하여 각각 서로 다른 상수(고정값)로 그 비율을 설정할 수 있다. 즉, 전동 모터는 적어도 2개 이상의 각 비율에 따른 펄스 시작 속도를 갖게 된다.

하드 조인트는 소프트 조인트에 비해 속도 변화율이 더 커서 최초의 펄스 토크가 발생되는 시점에 먼저 도달하게 된다. 즉, 소프트 조인트의 경우 대개 작업자의 손목 등의 부상 위험이 더 높다는 점을 고려하면 소프트 조인트에 대해서는 그 비율을 하드 조인트 보다 좀 더 높은 값으로 설정하는 것이 바람직하다.

이와 달리, 전동 모터의 속도 변화율을 혼합 공정 중에 실시간 측정하여 그 비율을 새롭게 설정하고, 이에 맞춰 펄스 시작 속도를 실시간 지정할 수 있다.

또는, 펄스 시작 속도를 조인트 특성에 관계없이 일정하게 설정할 수 있다. 즉, 혼합 공정에 들어가기 이전, 미리 하드 조인트와 소프트 조인트 등을 구별하지 않고 펄스 시작 속도를 동일한 값으로 설정할 수 있다. 이 경우, 손목 등의 부상 위험을 고려하면 설정값은 소프트 조인트의 특성을 더 우선적으로 고려하는 것이 바람직하다.

또는, 펄스 시작 속도를 조인트 특성에 따라 가변적으로 설정할 수 있다. 즉, 착좌되는 시점 바로 직후 측정되는 측정 토크의 변화나 전동 모터의 회전 속도에 대한 변화를 기준으로 펄스 시작 속도를 이에 연동하여 실시간 설정할 수 있다.

제2단계(s20)는 전동 모터의 회전 속도를 측정하여 회전 속도가 펄스 시작 속도에 도달하는지 여부와 체결 부재에 가해지는 측정 토크를 측정하여 측정 토크가 펄스 시작 토크에 도달하는지 여부를 각각 판단하는 단계이다. 즉, 제2단계에서는 전동 모터의 회전 속도와 측정 토크를 지속적으로 모니터링한다. 그 결과, 전동 모터의 회전 속도가 펄스 시작 속도에 먼저 도달하면 그 시점에서 펄스 토크가 최초로 발생된다.

제3단계(s30)는 펄스 토크를 전술한 조인트 특성과 일치하게 제어하는 단계이다. 즉, 제3단계에서는 펄스 토크를 조인트 특성에 따른 기울기를 갖도록 순차적으로 증가시키면서 발생시킨다. 그 결과, 체결 부재의 체결 정확도를 향상시킬 수 있다.

제4단계(s40)는 발생하는 펄스 토크가 조인트 특성과 불일치하면, 전동 모터로 제공되는 전류의 크기를 가변하여 보정 제어하는 단계이다. 여기서, 보정 제어 로직은 조임 체결에 대한 선형성에 근거한다.

제5단계(s50)는 측정 토크의 최대값이 체결 부재의 조임 체결이 완성되기 위한 목표 토크에 근접하면, 보상 제어 로직이 적용되면서 그 후 검출되는 측정 토크의 최대값을 더욱 정밀하게 제어하는 단계이다. 즉, 보상 제어 구간에서 측정 토크의 각 최대값을 제어함에 있어 조인트 특성을 추종하는 것이 아니고, 바로 직전 펄스 토크에 대한 실제 측정 토크의 최대값을 기준으로 한다.

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.

또한, 너트 등의 체결 부재 내에 존재하는 나사산의 불량으로 인해 측정 토크의 크기가 갑작스럽게 급등하면서 펄스 시작 토크에 도달하면 펄스 시작 속도의 도달 여부와 무관하게 최초의 펄스 토크가 발생할 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: 전동 모터의 회전 속도에 대한 속도 변화율에 의해 우선 제어되도록 하는 단계
s20: 펄스 시작 속도에 도달하는지 여부와 펄스 시작 토크에 도달하는지 여부를 각각 판단하는 단계
s30: 펄스 토크를 조인트 특성과 일치하게 제어하는 단계
s40: 전류의 크기를 보정 제어하는 단계
s50: 보상 제어를 통해 측정 토크의 최대값을 정밀하게 제어하는 단계

Claims (6)

1. 전동모터에 의해 제공되는 토크를 사용하여 체결부재를 착좌시킨 후, 펄스토크에 의해 상기 체결부재를 조임 체결하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서,
   상기 펄스토크의 최초 발생을 미리 설정된 펄스시작속도 및 미리 설정된 펄스시작토크 중 먼저 도달하는 어느 하나의 시점에 의하도록 설정하되, 상기 전동모터의 회전속도에 대한 속도변화율에 의해 우선 제어되도록 하는 제1단계; 및
   상기 회전속도를 측정하여 상기 회전속도가 상기 펄스시작속도에 도달하는지 여부와 상기 체결부재에 가해지는 측정토크를 측정하여 상기 측정토크가 상기 펄스시작토크에 도달하는지 여부를 각각 판단하는 제2단계;를 포함하고,
   상기 펄스시작속도는 착좌되는 시점에서 측정된 상기 회전속도에 미리 설정된 비율을 곱해 산출하는 저반력 전동 공구의 제어 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 비율은 착좌되는 시점 바로 직후 상기 속도변화율에 따라 가변적인 저반력 전동 공구의 제어 방법.
   
4. 제 1항에 있어서, 제1단계에서
   상기 펄스시작속도에 도달하는 시점이 상기 펄스시작토크에 도달하는 시점보다 앞서도록 설정하는 저반력 전동 공구의 제어 방법.
   
5. 제 1항에 있어서, 제1단계에서
   상기 펄스시작속도를 조인트 특성에 관계없이 일정하게 설정하는 저반력 전동 공구의 제어 방법.
   
6. 제 1항에 있어서, 제1단계에서
   상기 펄스시작속도를 조인트 특성에 따라 가변적으로 설정하는 저반력 전동 공구의 제어 방법.

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