KR102157000B1 - 축력 측정장치 - Google Patents

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KR102157000B1
KR102157000B1 KR1020190058413A KR20190058413A KR102157000B1 KR 102157000 B1 KR102157000 B1 KR 102157000B1 KR 1020190058413 A KR1020190058413 A KR 1020190058413A KR 20190058413 A KR20190058413 A KR 20190058413A KR 102157000 B1 KR102157000 B1 KR 102157000B1
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axial force
bolt
nut
displacement measurement
displacement
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KR1020190058413A
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오제훈
남주현
장신
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

고정 대상을 관통하는 볼트의 일 면과, 상기 볼트에 체결되는 너트의 일 면 간의 상대적인 변위를 측정하는 변위 측정 센서, 및 상기 변위 측정 센서로부터 측정된, 상기 고정 대상의 일 면에 상기 너트가 착좌된 이후 발생한 상기 볼트의 일 면과 상기 너트의 일 면 간의 상대적인 변위와 상기 고정 대상 및 상기 볼트의 강성을 고려하여, 상기 볼트의 축력을 판단하는 축력 판단부를 포함하는 축력 측정장치가 제공된다.

Description

축력 측정장치{Device for measuring axial force}
본 발명은 축력 측정장치에 관련된 것으로, 상세하게는, 고정 대상을 관통하는 볼트와 너트의 동시 회전으로 인한 오차를 최소화하는 축력 측정장치에 관련된 것이다.
건설 및 기계 분야에서 고정 대상을 고정하기 위해 볼트 및 너트를 체결하는데 있어서, 물리량을 예측하는 것은 안전 및 경제적 효율성 측면에서 중요한 요인이다.
그 중 고정 대상을 관통하되 너트와 체결되는 볼트의 축력을 예측하기 위해, 종래에는 체결 토크 또는 체결 각도를 이용한 축력 측정 방법이 이용되고 있다.
예를 들어, 대한민국특허 공개공보 10-2018-0003793에는, 구조물에 형성된 나선공에 볼트의 나선축이 직접 나선 체결되어 구조물을 체결 고정시켜 주는 체결수단에 있어서, 상기 볼트의 머리부 외부에 씌워져 하단부가 볼트의 머리부 하단면 외주연에 결합 고정된 상태에서 나선축의 축력 변화를 측정 감지하여 줄 수 있도록 하는 축력감지장치를 포함하되, 상기 축력감지장치는 볼트의 나선축이 관통하는 상태로 하여 머리부와 구조물 사이에 위치하는 제1 너트와, 상기 볼트의 머리부에 씌워지는 상태로 하여 제1너트와 나선 체결에 의해 결합되도록 상면 중앙에 체결볼트를 갖춘 씌움캡과, 상기 체결볼트가 관통되는 상태로 하여 씌움캡을 씌워주는 지지캡과, 상기 지지캡의 상부로 노출된 체결볼트가 관통하는 상태에서 지지캡의 상면에 순차적으로 적층되는 제2너트 및 측정센서와, 상기 측정센서를 관통한 체결볼트에 나선 체결시켜 체결력에 체결볼트를 상부로 잡아 당겨주는 축력을 측정하는 측정센서로 이루어진, 볼트의 체결 축력측정장치가 개시되어 있다.
하지만, 종래의 체결 각도를 이용한 축력 측정 방법은, 권장 착좌 토크를 먼저 체결한 후에 목표 축력에 해당하는 각도만큼 체결하는 것에 따라, 고정 대상을 관통하는 볼트와, 상기 고정 대상의 일 면에 착좌되는 너트 사이에서, 체결 미끄러짐(joint slip)이 발생할 수 있다.
이러한 체결 미끄러짐은, 상기 고정 대상을 관통한 볼트와 너트가 동시에 같은 각도로 회전(ΔθZn(너트의 회전 각도)=ΔθZb(볼트의 회전 각도))하는 것에 의해, 실제 상기 볼트와 너트가 체결되지 않음에도 불구하고, 공구로부터 측정되는 체결 각도는 지속적으로 증가하여, 측정 오차를 발생시킨다.
이에 따라, 건설 및 기계 분야에서 초기 설계 시에, 높은 안전 계수를 갖는 과잉 설계를 하여, 제작품의 무게 및 단가를 증가시키는 문제가 있다.
따라서, 상술된 문제를 해결하기 위한 대책이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고정 대상을 관통한 볼트와 너트가 체결되는 경우에, 상기 볼트 및 상기 너트의 체결부, 또는 상기 고정 대상의 일 면과, 상기 고정 대상의 일 면에 착좌되는 너트 사이에서 발생할 수 있는 자기 풀림(self-loosening), 체결 미끄러짐(joint slip), 체결 분리(joint separation), 및 피로 파괴(fatigue failure) 중 적어도 하나의 원인으로 인한 오차를 최소화하는 축력 측정장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 축력 측정장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 축력 측정장치는, 고정 대상을 관통하는 볼트의 일 면과, 상기 볼트에 체결되는 너트의 일 면 간의 상대적인 변위를 측정하는 변위 측정 센서, 및 상기 변위 측정 센서로부터 측정된, 상기 고정 대상의 일 면에 상기 너트가 착좌된 이후 발생한 상기 볼트의 일 면과 상기 너트의 일 면 간의 상대적인 변위와 상기 고정 대상 및 상기 볼트의 강성을 고려하여, 상기 볼트의 축력을 판단하는 축력 판단부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 변위 측정 센서는, 변위 측정 모듈에 마련될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 변위 측정 모듈은, 상기 너트의 일 면에 탈부착되되 상기 볼트가 관통하는 관통홀이 마련된 탈착 자석, 및 상기 너트의 외주면을 통하여 체결력을 인가하는 너트 러너 소켓을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 변위 측정 모듈은, 상기 볼트의 일 면을 평탄화하는 평탄화층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 변위 측정 모듈은, 상기 변위 측정 센서를 지지하는 지지부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 변위 측정 모듈은, 상기 변위 측정 센서를, 상기 지지부에 고정시키는 고정부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 변위 측정 센서는 상기 평탄화층과 직접 접촉하는, LVDT(linear variable differential transformer)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 변위 측정 센서는 레이저 도플러 또는 다이얼 게이지 중 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 축력 판단부는, 상기 너트에 체결력을 가하면서, 상기 고정 대상과 상기 너트 사이의 상기 고정 대상의 좌면에 형성되는 전도성 페이스트의 저항 변화가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 상기 고정 대상의 일 면에 상기 너트가 착좌된 것으로 판단할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 저항 변화가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 상기 축력과 상기 상대적인 변위는 선형 관계를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 페이스트는, 카본 페이스트일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 축력 판단부는, 상기 상대적인 변위를 실시간으로 획득하고, 상기 고정 대상 및 상기 볼트의 강성을 사전 실험 또는 해석으로 획득할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 축력 판단부는, 하기 <수학식 1>에 의해 축력을 계산할 수 있다.
<수학식 1>
F = F1+ K X Dbn
(여기서, F1은 기준 축력, K는 볼트의 강성에 대한 상수, Dbn은 볼트와 너트의 상대적 변위)
일 실시 예에 따르면, 상기 축력 판단부는, 상기 축력 판단 시에, 상기 볼트와 상기 너트의 동시 회전으로 인한 오차를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 고정 대상을 관통하는 볼트의 일 면과, 상기 볼트에 체결되는 너트의 일 면 간의 상대적인 변위를 측정하는 변위 측정 센서, 및 상기 변위 측정 센서로부터 측정된, 상기 고정 대상의 일 면에 상기 너트가 착좌된 이후 발생한 상기 볼트의 일 면과 상기 너트의 일 면 간의 상대적인 변위와 상기 고정 대상 및 상기 볼트의 강성을 고려하여, 상기 볼트의 축력을 판단하는 축력 판단부를 포함하는 축력 측정장치가 제공될 수 있다.
이에 따라, 상기 볼트에 상기 너트가 체결되는 경우, 상기 변위 측정 모듈로부터 측정된 상기 볼트와 상기 너트의 상대적 변위와, 상기 축력 판단부로부터 판단된 상기 고정 대상의 일 면에 상기 너트가 착좌된 시점에서의 기준 축력과, 상기 고정 대상 및 상기 볼트의 고유 강성을 고려하여, 상기 볼트의 축력을 판단할 수 있다.
따라서, 상기 고정 대상을 관통한 볼트와 상기 너트가 체결되는 경우에, 상기 볼트 및 상기 너트의 체결부, 또는 상기 고정 대상의 일 면과, 상기 고정 대상의 일 면에 착좌되는 너트 사이에서 발생할 수 있는 자기 풀림(self-loosening), 체결 미끄러짐(joint slip), 체결 분리(joint separation), 및 피로 파괴(fatigue failure)로 인한 오차를 최소화할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 축력 측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 축력 측정장치의 사진이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 축력 판단부에서 축력을 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 축력 측정장치를 이용해 예측한 축력(actual preload)과, 실제 측정한 축력(estimated preload)을 비교한 데이터이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 게재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 축력 측정장치가 설명된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 축력 측정장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 축력 측정장치의 사진이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 축력 측정장치는, 변위 측정 모듈(100) 및 축력 판단부(200)를 포함할 수 있다.
상기 변위 측정 모듈(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 볼트(b)에 너트(n)가 체결되는 경우, 상기 볼트(b)와 상기 너트(n)의 상대적 변위(Dbn)를 측정할 수 있다.
구체적으로, 상기 변위 측정 모듈(100)은, 고정 대상(FO) 구체적으로, 제1 고정 대상(FO1) 및 제2 고정 대상(FO2)을 관통하는 볼트(b)의 일 면과, 상기 볼트(b)에 체결되는 너트(n)의 일 면 간의 상대적인 변위(Dbn)를 측정할 수 있다.
상기 축력 판단부(200)는, 상기 볼트(b)에 상기 너트(n)가 체결되는 경우, 상기 볼트(b)의 축력을 판단할 수 있다.
구체적으로, 상기 축력 판단부(200)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 변위 측정 모듈(100)로부터 측정된 상기 제1 고정 대상(FO1)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌된 이후 발생한 상기 볼트(b)의 일 면과 상기 너트(n)의 일 면 간의 상대적인 변위(Dbn)와, 상기 제1 및 제2 고정 대상(FO1, FO2) 및 상기 볼트(b)의 강성을 고려하여, 상기 볼트(b)의 축력을 판단할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 축력 측정장치가, 상기 변위 측정 모듈(100) 및 상기 축력 판단부(200)를 포함하는 것에 따라, 상기 제1 및 제2 고정 대상(FO1, FO2)을 관통하는 볼트(b)에 상기 너트(n)가 체결되는 경우의 축력을 정확하게 측정할 수 있다.
구체적으로, 상기 볼트(b)가 상기 제1 및 제2 고정 대상(FO1, FO2)을 관통한 상태에서 상기 너트(n)와 체결되는 경우에, 상기 볼트(b) 및 상기 너트(n)의 체결부, 또는 상기 제1 고정 대상(FO1)의 일 면과, 상기 제1 고정 대상(FO1)의 일 면에 착좌되는 너트 사이에서 발생할 수 있는 자기 풀림(self-loosening), 체결 미끄러짐(joint slip), 체결 분리(joint separation), 및 피로 파괴(fatigue failure)로 인한 오차를 최소화할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 상기 축력 측정장치를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
상술된 바와 같이, 상기 축력 측정장치의 변위 측정 모듈(100)은, 상기 고정 대상(FO)을 관통하는 볼트(b)에 상기 너트(n)가 체결되는 경우, 상기 볼트(b)와 상기 너트(n)의 상대적 변위(Dbn)를 측정할 수 있다.
이를 위해, 상기 변위 측정 모듈(100)은, 변위 측정 센서(110), 탈착 자석(120), 너트 러너 소켓(130), 지지부(135), 평탄화층(140), 및 고정부(150)를 포함할 수 있다.
상기 변위 측정 센서(110)는, 상기 고정 대상(FO)을 관통하는 볼트(b)의 일 면과, 상기 볼트(b)에 체결되는 너트(n)의 일 면 간의 상대적인 변위(Dbn)를 측정할 수 있다.
상기 상대적인 변위(Dbn)는, 상기 볼트(b)가, 상기 고정 대상(FO)을 관통하여, 상기 너트(n)와 체결되는 경우, 상기 볼트(b) 및 상기 너트(n)의 체결력 또는 체결 토크에 따라 변화할 수 있다.
상기 변위 측정 센서(110)는, 상기 변화하는 상대적인 변위(Dbn)를 측정하기 위해 실린더부를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 변위 측정 센서(110)는, 상기 변화하는 상대적인 변위(Dbn)를 측정하기 위해, 상기 볼트(b)가 관통한 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌된 이후, 기준 축력 이상으로 상기 체결력 또는 체결 토크가 가해지면, 상기 실린더부를 통해 상기 상대적인 변위(Dbn)를 실시간으로 획득할 수 있다.
예를 들어, 상기 기준 축력 이상으로 체결력 또는 체결 토크가 가해지면, 상기 체결력 또는 체결 토크를 가하기 전보다 상기 상대적인 변위(Dbn)가 증가할 수 있다.
이때, 상기 변위 측정 센서(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 실린더부의 z축 방향 길이 변화를 통해서 상기 증가한 상대적인 변위(Dbn)를 측정할 수 있는 것이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 변위 측정 센서(110)는 LVDT(linear variable differential transformer)일 수 있다.
또는 다른 실시 예에 따르면. 상기 변위 측정 센서(110)는 레이저 도플러, 또는 다이얼 게이지 중 어느 하나 일 수 있다.
상기 변위 측정 센서(110)는 상술된 실시 예들에 한정되지 않고, 상기 상대적인 변위(Dbn)를 측정할 수 있는 적어도 어느 하나의 길이 측정 센서일 수 있다.
상기 변위 측정 센서(110)는, 상기 축력 판단부(200)와 연결되어 상기 측정된 상대적인 변위(Dbn)를 상기 축력 판단부(200)로 제공할 수 있다.
상기 탈착 자석(120)은, 상기 너트(n)의 일 면에 탈부착되되, 상기 볼트(b)를 관통시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 탈착 자석(120)은, 관통홀을 포함할 수 있다.
상기 탈착 자석(120)의 관통홀을 통하여 상기 고정 대상(FO)을 관통한 상기 볼트(b)의 일 단이 통과할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 탈착 자석(120)은 상기 볼트(b)를 관통시키는 동시에, 상기 볼트(b)와 체결된 너트(n)의 일 면에 탈부착될 수 있다. 이 때에, 상기 너트(n)의 일 면은, 상기 볼트(b) 및 상기 너트(n)가 체결되어 마주한 면에 대향하는 면일 수 있다.
상기 탈착 자석(120)이, 상기 볼트(b)와 체결된 너트(n)의 일 면에 탈·부착되는 것에 의해, 상기 탈착 자석(120)을 포함하는 상기 변위 측정 모듈(100)은, 상기 상대적인 변위(Dbn)를 측정하고자 하는 대상 즉, 상기 고정 대상(FO)을 관통한 볼트(b)와 체결된 너트(n)에 용이하게 탈부착될 수 있다.
이에 따라, 상기 탈착 자석(120)은, 상기 고정 대상(FO)의 부피가 크거나, 이동이 용이하지 않은 상황에서도, 상기 변위 측정 모듈(100)을 상기 측정 대상에 용이하게 탈·부착시킬 수 있다.
상기 너트 러너 소켓(130)은, 상기 너트(n)의 외주면을 통하여 체결력을 인가할 수 있다.
이를 위해, 상기 너트 러너 소켓(130)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 너트(n)의 외주면과 접하도록 상기 너트(n)의 외주면을 감쌀 수 있다.
이에 따라, 상기 너트 러너 소켓(130)은, 상기 고정 대상(FO)을 관통한 볼트(b)에 체결된 너트(n)에 용이하게 체결력을 인가할 수 있는 것이다.
상기 지지부(135)는, 상기 변위 측정 센서(110)를 지지할 수 있다.
상기 지지부(135)는, 상기 너트 러너 소켓(130)의 내경과 동일한 외경을 가지되, 중심부에 관통홀을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 지지부(135)는 상기 변위 측정 센서(110)를 지지하되, 상기 변위 측정 센서(110)의 실린더부를 상기 관통홀로 관통시켜, 상기 상대적인 변위(Dbn) 측정 대상 즉, 상기 고정 대상(FO)를 관통하되, 상기 너트(n)와 체결된 볼트(b)의 z축 방향 말단부와 용이하게 접촉시킬 수 있다.
따라서, 상기 지지부(135)는, 상기 상대적인 변위(Dbn)가 변화하는 경우, 상기 지지부(135)의 관통홀을 통해 상기 변위 측정 센서(110)의 실린더부를 z축 방향으로 용이하게 이동시킬 수 있다.
한편, 상기 지지부(135)는, 상기 상대적인 변위(Dbn)가 변화하는 경우에도 상기 변위 측정 센서(110)가 흔들리지 않도록 지지하여, 상기 상대적인 변위(Dbn)가 변화함에 따라, 상기 변위 측정 센서(110)에 영향을 미칠 수 있는 위치적 변수들을 최소화시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 고정 대상(FO)를 관통한 볼트(b)와 체결된 너트(n)에, 상기 기준 축력 이상으로 체결력 또는 체결 토크가 가해지면, 상기 체결력 또는 체결 토크를 가하기 전보다 상기 상대적인 변위(Dbn)가 증가할 수 있다.
이때, 상기 지지부(135)는 상기 변위 측정 센서(110)를 지지하되, 상기 지지부(135)의 관통홀을 통해, 상기 변위 측정 센서(110) 실린더부를 관통시켜, 상기 실린더부의 z축 방향 길이가 변화할 수 있다.
즉, 상기 지지부(135)는, 상기 변위 측정 센서(110)를 지지하되 상기 지지부(135)의 관통홀을 통해 상기 상기 변위 측정 센서(110)의 실린더부를 z축 방향 이동시킴으로써, 상기 위치적 변수들은 최소화시키고, 상기 상대적인 변위(Dbn)를 용이하게 측정할 수 있는 것이다.
상기 평탄화층(140)은, 상기 볼트(b)의 일 면을 평탄화시킬 수 있다.
이를 위해, 상기 평탄화층(140)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고정 대상(FO)를 관통하되, 상기 너트(n)와 체결된 볼트(b)의 일 면과 상기 변위 측정 센서(110) 실린더부의 일 면 사이에 제공될 수 있다.
즉, 상기 평탄화층(140)은, 그 일 측면이 상기 볼트(b)의 일 면과 접촉하되, 그 타 측면이 상기 변위 측정 센서(110)의 실린더부와 접촉할 수 있는 것이다.
이에 따라, 상기 평탄화층(140)은, 상기 볼트(b)의 일 면, 즉 상기 볼트(b)의 z축 방향 말단부가 평탄화되지 않은 경우에도, 상기 비-평탄화된 볼트(b)의 z축 방향 말단부를, 평탄화하여 상기 변위 측정 센서(110)의 실린더부에 제공할 수 있다.
따라서, 상기 변위 측정 모듈(100)은, 상기 평탄화층(140)을 통해, 상기 상대적인 변위(Dbn)를 정확하게 측정할 수 있다.
상기 고정부(150)는, 상기 변위 측정 센서(110)를 고정시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 고정부(150)는, 상기 변위 측정 센서(110)를 상기 지지부(135)에 고정시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 고정부(150)는, 상기 지지부(135)에 지지된 변위 측정 센서(110)가, 상기 상대적인 변위(Dbn)를 측정하는 동안 상기 지지부(135)로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있다..
일 실시 예에 따르면, 상기 고정부(150)는 스냅 핏(snap-fit)의 형태로 제공될 수 있다.
이상, 상술된 바와 같이, 상기 변위 측정 모듈(100)은, 변위 측정 센서(110), 탈착 자석(120), 너트 러너 소켓(130), 지지부(135), 평탄화층(140), 및 고정부(150)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 변위 측정 모듈(100)은, 상기 고정부(150)에 의해, 상기 지지부(135)에 고정된, 상기 변위 측정 센서(110)를, 상기 고정 대상(FO)을 관통하여 너트(n)와 체결된 볼트(b)의 일 면 상에 제공된 평탄화층(140)과 접촉하도록 제공하고, 상기 지지부(135)를 둘러싸는 상기 너트 러너 소켓(130)이 상기 너트(n)의 외주면과 접하도록, 상기 너트(n)의 일 면에 상기 탈착 자석(120) 부착시키며, 상기 너트 러너 소켓(130)을 통해 상기 너트(n)의 외주면에 체결력을 인가하여, 상기 고정 대상(FO)을 관통한 볼트(b) 및 너트(n)가 체결되는 동안, 상기 변위 측정 센서(110)에 의해 상기 상기 볼트(b)와 상기 너트(n)의 상대적 변위(Dbn)를 측정할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 변위 측정 모듈(100)을 구성하는 상기 각 구성들의 결합 전 및 후의 실제 모습을 확인할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 상기 변위 측정 모듈(100)이, 상기 상대적인 변위(Dbn) 측정 대상 즉, 상기 고정 대상(FO)를 관통한 볼트(b)와 체결된 너트(n)의 일 측에 제공된 모습을 확인할 수 있다.
도 5에 도시된 실시 예는, 상기 변위 측정 모듈(100)이, 상기 고정 대상(FO)으로써 트럭 휠(truck wheel)을 관통한 볼트(b)와 체결된 너트(n)의 일 측에 제공된 모습이다.
상술된 바와 같이, 상기 변위 측정 모듈(100)은, 상기 탈착 자석(120)을 포함하는 것에 따라, 상기 트럭 휠과 같이, 상기 고정 대상(FO)의 부피가 크거나, 이동이 용이하지 않은 상황에서도, 상기 변위 측정 모듈(100)을 상기 측정 대상에 용이하게 탈·부착시킬 수 있다.
상기 축력 판단부(200)는, 상기 변위 측정 모듈(100)이 상기 볼트(b)와 상기 너트(n)의 상대적 변위(Dbn)를 측정하면, 상기 볼트(b)의 축력을 판단할 수 있다.
구체적으로, 상기 축력 판단부(200)는, 하기 <수학식 1>에 의해 상기 볼트(b)의 축력을 계산할 수 있다.
<수학식 1>
F = F1 + K + Dbn
여기서, F1은 기준 축력, K는 고정 대상 및 볼트의 강성에 대한 상수, Dbn은 볼트와 너트의 상대적 변위를 의미할 수 있다.
즉, 상기 축력 판단부(200)는, 상기 <수학식 1>에 따르면, 상기 볼트(b)에 상기 너트(n)가 체결되는 경우, 상기 변위 측정 모듈(100)로부터 측정된, 상기 볼트(b)와 상기 너트(n)의 상대적 변위(Dbn)와, 상기 고정 대상(FO) 및 상기 볼트(b)의 고유 강성(K)과, 상기 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌된 시점에서의 기준 축력(F1)을 고려하여, 상기 볼트(b)의 축력을 판단할 수 있는 것이다.
이를 위해, 상기 축력 판단부(200)는, 상기 변위 측정 모듈(100)로부터 상기 상대적 변위(Dbn)를 실시간으로 획득하고, 상기 고정 대상(FO) 및 상기 볼트(b)의 강성에 대한 상수(K)를 사전 실험 또는 해석으로 획득할 수 있다.
이하, 상기 축력 판단부(200)에서 축력을 판단하는 방법을 설명하기로 한다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 축력 판단부에서 축력을 판단하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, Region B 및 Region A로 구분되는 축력(preload)-상대적 변위(Dbn) 간의 관계를 확인할 수 있다.
도 6을 통해, 상기 Region B는 축력(preload)-상대적 변위(Dbn) 간의 관계가 비-선형(non-linear)적인 반면에, 상기 Region A는 축력(preload)-상대적 변위(Dbn) 간의 관계가 선형(linear)적인 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 상기 Region A에서, 상기 축력(preload)-상대적 변위(Dbn) 간의 관계 예측이 축력 측정에 의미가 있다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는, 도 6에 도시된 상기 Region B 및 상기 Region A의 경계선을 기준으로, 상기 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌된 것으로 판단할 수 있다.
이는, 상기 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌되기 전에는, 상기 고정 대상(FO)과 상기 너트(n) 사이에 공차(tolerance)가 존재할 수 있기 때문이다.
상기 고정 대상(FO)과 상기 너트(n) 사이에 존재하는 공차(tolerance)로 인해, 상기 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌되지 않을 수 있다.
이에 따라, 상기 축력(preload)-상대적 변위(Dbn) 간의 관계가 규칙적이지 않으므로, 도 6의 Region B와 같이 비-선형적인 관계가 나타날 수 있다.
즉, 상기 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌되기 전에는, 상기 공차로 인해, 상기 축력이, 상기 고정 대상(FO)을 관통한 볼트(b)에 상기 너트(n)가 조여지는 데에 전부 이용되지 않으므로, 상기 축력(preload)-상대적 변위(Dbn) 간의 관계를 예측하기 어렵다.
이와는 달리, 상기 고정 대상(FO)을 관통한 볼트(b)에 상기 너트(n)가 조여짐에 따라, 상기 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌될 수 있고, 이후, 상기 축력(preload)-상대적 변위(Dbn) 간의 관계가 규칙적이므로, 도 6의 Region A와 같이 선형적인 관계가 나타날 수 있다.
즉, 상기 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌된 이후에는, 상기 너트(n)가 조여지는 데에 상기 축력이 이용되므로, 상기 축력(preload)-상대적 변위(Dbn) 간의 관계를 예측하기 용이한 것을 의미한다.
도 6에도시된 바와 같이, 상기 Region B 및 상기 Region A가 구분되는 경계가 약 30 kN(정확히는 38 kN)인 것을 통해, 상기 약 30 kN을, 상기 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌되는 축력 즉, 기준 축력(F1)으로 고려할 수 있다.
이하 도 7 내지 도 10을 참조하여, 상기 고정 대상(FO)의 예로써 트럭 휠의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌되는 기준 축력(F1)을 판단하는 방법을 설명하기로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 기준 축력(F1)을 판단하기 위해, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 너트(n)가 착좌될 상기 트럭 휠의 면에 전도성 페이스트(CP)를 제공할 수 있다.
이에 따라, 상기 축력 판단부(200)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 너트(n)에 체결력이 인가됨에 따른, 상기 트럭 휠과 상기 너트(n) 사이에 제공된 전도성 페이스트(CP)의 저항 변화(ΔR/R)를 감지할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 페이스트(CP)는, 카본 페이스트일 수 있다.
상기 축력 판단부(200)는, 상기 전도성 페이스트(CP)의 저항 변화(ΔR/R)의 기울기가 미리 정해진 기준 이하 예를 들어, 기울기가 0인 경우, 상기 트럭 휠의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌된 것으로 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 상대적 변위(Dbn)-저항 변화(ΔR/R) 간의 관계를 나타내는 그래프에서, 상기 저항 변화(ΔR/R)의 기울기가 미리 정해진 기준 이하로 나타나는 구간 즉, Dbn 값이 약 112 ㎛인 구간에서, 상기 트럭 휠의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌된 것으로 판단할 수 있다.
또한, 도 10을 통해, 도 9의 상대적 변위(Dbn)-저항 변화(ΔR/R) 간의 관계에 상응하는 축력(preload)-상대적 변위(Dbn) 간의 관계를 확인할 수 있다.
상술된 바와 같이, 도 9에서, 상기 저항 변화(ΔR/R)가 미리 정해진 기준 이하로 나타나는 구간 즉, 상대적 변위(Dbn)가 약 112 ㎛인 구간에 대응하는 축력(preload)은, 도 10에서, 약 38 kN인 것을 확인할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 저항 변화(ΔR/R)가 미리 정해진 기준 이하로 나타나는 구간 즉, 상대적 변위(Dbn)가 약 112 ㎛인 구간 이후, 상기 축력(preload)과 상기 상대적 변위(Dbn)가 선형 관계를 가지는 것을 확인할 수 있다.
정리하면, 도 9 및 도 10의 상대적 변위(Dbn)가 약 112 ㎛인 구간, 및 도 10의 축력(preload)이 약 38 kN인 구간을 경계로, 비-선형 구간인 Region B 및 선형 구간인 Region A로 구분될 수 있다.
이로써, 상기 축력(preload)이 약 38 kN 이상이, 상기 트럭 휠에 상기 너트(n)가 착좌된 기준 축력(F1)으로 판단될 수 있다.
즉, 상기 축력 판단부(200)는, 상기 트럭 휠에 상기 너트(n)가 착좌된 기준 축력(F1)을 판단할 수 있으므로, 상기 트럭 휠을 관통하되 상기 너트(n)와 체결되는 볼트(b)의 축력 판단 시에, 상기 볼트(b)와 상기 너트(n)의 동시 회전으로 인한 오차를 최소화할 수 있는 것이다.
이상, 상술된 본 발명의 축력 측정장치를 이용하면, 상기 축력(preload, F)을 직접 측정하지 않고도, 상기 <수학식 1>의 구성 요소들을 통해, 상기 축력(F)을 예측할 수 있다.
즉, 상기 변위 측정 모듈(100)은, 상기 고정 대상(FO)을 관통하는 볼트(b)의 일 면과 상기 볼트(b)에 체결되는 너트(n)의 일 면 간의 상대적인 변위(Dbn)를 실시간으로 측정할 수 있다.
또한, 상기 축력 판단부(200)는, 상기 고정 대상(FO)의 일 면에 상기 너트(n)가 착좌된 시점에서의 기준 축력(F1)을 실시간으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 고정 대상(FO) 및 상기 볼트(b)의 재료에 따라 고유 강성(K)을 고려할 수 있다. 고유 가성은 체결에 관여되는 부품의 물성을 기초로 시뮬레이션을 통하여 미리 획득될 수 있다.
이로써, 또한, 상기 축력 측정 장치는, 상기 <수학식 1>을 통하여, 상기 상대적 변위(Dbn), 상기 기준 축력(F1), 및 상기 고유 강성(K)을 고려하여, 상기 축력(F)을 예측할 수 있는 것이다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 축력을 판단 함에 있어서, 축력 판단부(200)는 상대적 변위(Dbn)를 축력 측정 시점에 실시간으로 획득하고, 고유 강성(K)을 축력 측정 시점 이전에 획득할 수 있다. 즉, 축력 판단부(200)가, 고유 강성(K)을 미리 획득하였기 때문에, 축력 판단에 있어서 실시간으로 측정해야 하는 인자를 최소화할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 축력 측정장치를 이용해 예측한 축력(actual preload)과, 실제 측정한 축력(estimated preload)을 비교한 데이터이다.
도 11을 참조하면, 총 12 회의 축력 테스트를 통해, 본 발명의 축력 측정장치를 통해 예측한 축력(actual preload)과, 실제 측정한 축력(estimated preload)이 흡사한 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 12를 참조하면, 40~65 kN의 범위에서, 본 발명의 축력 측정장치를 통해 예측한 축력(actual preload)과, 실제 측정한 축력(estimated preload)이 선형 관계로 흡사한 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 상기 축력 측정장치를 이용해, 상기 축력(preload)을 직접 측정하지 않고도, 상기 볼트(b)와 너트(n)의 상대적 변위(Dbn)를 통해, 정확히 예측할 수 있음을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 변위 측정 모듈
110: 변위 측정 센서
120: 탈착 자석
130: 너트 러너 소켓
135: 지지부
140: 평탄화층
150: 고정부
200: 축력 판단부
FO: 고정 대상
FO1: 제1 고정 대상
FO2: 제2 고정 대상
b: 볼트
n: 너트
Dbn: 볼트와 너트의 상대적 변위
CP: 전도성 패이스트

Claims (14)

  1. 고정 대상을 관통하는 볼트의 일 면과, 상기 볼트에 체결되는 너트의 일 면 간의 상대적인 변위를 측정하는 변위 측정 센서;
    상기 변위 측정 센서로부터 측정된, 상기 고정 대상의 일 면에 상기 너트가 착좌된 이후 발생한 상기 볼트의 일 면과 상기 너트의 일 면 간의 상대적인 변위와 상기 고정 대상 및 상기 볼트의 강성을 고려하여, 상기 볼트의 축력을 판단하는 축력 판단부; 및
    상기 볼트의 일 면을 평탄화하는 평탄화층을 포함하는 축력 측정장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 변위 측정 센서는, 변위 측정 모듈에 마련되는, 축력 측정장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 변위 측정 모듈은,
    상기 너트의 일 면에 탈부착되되 상기 볼트가 관통하는 관통홀이 마련된 탈착 자석; 및
    상기 너트의 외주면을 통하여 체결력을 인가하는 너트 러너 소켓을 더 포함하는, 축력 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 평탄화층은, 변위 측정 모듈에 마련되는, 축력 측정 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 변위 측정 모듈은,
    상기 변위 측정 센서를 지지하는 지지부를 더 포함하는, 축력 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 변위 측정 모듈은,
    상기 변위 측정 센서를, 상기 지지부에 고정시키는 고정부를 더 포함하는, 축력 측정 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 변위 측정 센서는 상기 평탄화층과 직접 접촉하는, LVDT(linear variable differential transformer)를 포함하는, 축력 측정 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 변위 측정 센서는 레이저 도플러 또는 다이얼 게이지 중 하나를 포함하는, 축력 측정 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 축력 판단부는,
    상기 너트에 체결력을 가하면서, 상기 고정 대상과 상기 너트 사이의 상기 고정 대상의 좌면에 형성되는 전도성 페이스트의 저항 변화가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 상기 고정 대상의 일 면에 상기 너트가 착좌된 것으로 판단하는, 축력 측정 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 저항 변화가 미리 정해진 기준 이하인 경우,
    상기 축력과 상기 상대적인 변위는 선형 관계를 가지는, 축력 측정 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 전도성 페이스트는, 카본 페이스트인, 축력 측정 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 축력 판단부는,
    상기 상대적인 변위를 실시간으로 획득하고, 상기 고정 대상 및 상기 볼트의 강성을 사전 실험 또는 해석으로 획득하는, 축력 측정 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 축력 판단부는, 하기 <수학식 1>에 의해 축력을 계산하는, 축력 측정 장치.
    <수학식 1>
    F = F1+ K X Dbn
    (여기서, F1은 기준 축력, K는 볼트의 강성에 대한 상수, Dbn은 볼트와 너트의 상대적 변위)
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 축력 판단부는, 상기 축력 판단 시에, 상기 볼트와 상기 너트의 동시 회전으로 인한 오차를 최소화하는, 축력 측정 장치.
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