KR102398769B1 - 최적화된 리바운드를 갖는 임펄스 나사 조임 방법 - Google Patents

최적화된 리바운드를 갖는 임펄스 나사 조임 방법 Download PDF

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KR102398769B1
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에따블리스멍 죠르쥬 르노뜨
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Abstract

본 발명은, 임펄스 스크루 드라이버에 의한 나사 조임 방법에 관한 것으로, 임펄스 스크루 드라이버는,
- 회전자(rotor)와 고정자(stator)를 구비한 모터;
- 나사 조임될 요소와 협력하도록 설계된 회전하는 출력 부재;
- 상기 회전자를 상기 출력 부재에 연결하고, 기능적 클리어런스(functional clearance)를 갖는 트랜스미션(transmission);
을 포함하고,
상기 나사 조임 방법은 미리 정해진 주파수에 따른 일련의 기본 나사 조임 사이클을 포함하고, 상기 나사 조임 사이클의 각각은,
- 나사 조임 방향으로 상기 회전자를 회전 구동하기 위하여 상기 모터에 전력을 공급하는 전력 공급 단계;
- 상기 회전자의 각도 위치를 나타내는 정보를 실시간으로 결정하는 단계;
- 토크 임펄스가 회전하는 상기 출력 부재로 전달되는 임팩트 단계로서, 상기 트랜스미션의 상기 기능적 클리어런스가 나사 조임 방향으로 제거되는 시간에 시작하고 회전하는 상기 출력 부재가 나사 조임 방향으로의 회전을 중지하는 순간에 종료하는 상기 임팩트 단계;
- 상기 회전자가 나사 풀림 방향으로 자유롭게 리바운드하는 자유 리바운드 단계
를 포함하고,
각각의 사이클은 상기 임팩트 단계의 종료에 상기 회전자의 최종 각도 위치를 나타내는 정보를 결정하는 단계를 더 포함하고, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는 선행하는 나사 조임 사이클에 놓여 있었던 최종 각도 위치에 상기 회전자가 본질적으로 있을 때까지 구현된다.

Description

최적화된 리바운드를 갖는 임펄스 나사 조임 방법{IMPULSE SCREWING METHOD WITH OPTIMIZED REBOUND}
1. 본 발명의 기술 분야
본 발명의 기술 분야는 임펄스 나사 조임 방법 및 장치에 대한 기술 분야이다.
2. 종래 기술
임펄스 나사 조임 기술은 조여질 어셈블리의 나사 조임을 수행하기 위하여 예를 들어 자동차 산업, 항공 산업 등과 같은 다양한 분야에서 일반적으로 사용된다.
임펄스 스크루 드라이버는 전통적으로 회전자(rotor)와 고정자(stator)가 구비된 전기 모터를 수용하는 케이싱을 포함하며, 그 말단에서 나사 조임될 요소와 협동하도록 의도된 단말 부재가 회전 가능하게 장착된다.
케이싱은 회전자를 회전하는 단말 부재에 연결하는 트랜스미션(transmission)을 수용한다. 따라서, 트랜스미션은 회전자의 회전 운동이 단말 부재로 전달될 수 있게 한다. 트랜스미션은 모터의 기계력을 회전 주파수를 줄여서 단말 부재로 전달한다. 이 트랜스미션은 모터에 의해 회전 구동되는 선 기어(sun gear), 유성 기어 캐리어에 의해 운반되는 유성 기어 및 링을 갖는 유성 기어 트레인(epicyclic gear train)일 수 있다.
이러한 스크루 드라이버는 각도 센서를 포함하며, 이의 회전자는 모터의 회전자에 연결되고 이의 고정자는 모터의 고정자에 연결된다.
또한, 이러한 스크루 드라이버는 트랜스미션에 통합된 토크 센서, 예를 들어 유성 기어 트레인의 링을 스크루 드라이버의 케이싱에 연결하는 스트레인 게이지(strain gauge) 센서를 포함하며, 링은 케이싱 내에서 회전 운동하도록 장착되며 토크 센서에 의해 회전 시 정지된다.
트랜스미션은 전통적으로 기능적 클리어런스(clearance)를 포함한다. 이 기능적 클리어런스는 트랜스미션의 상이한 부품, 예를 들어, 상이한 기어 장치가 서로 상대적으로 움직일 수 있어 모터와 단말 부재 사이의 회전 운동의 전달을 가능하게 할 수 있도록 설계에 의해 요구되는 클리어런스이다.
이 클리어런스를 고려하면, 회전자는,
- 회전자가 나사 풀림 방향으로 정지 상태에 있도록 단말 부재가 움직일 수 없는 상태로 유지되는, 나사 풀림 방향으로 클리어런스가 제거된 후방 정지(backstop) 위치;
- 회전자가 나사 조임 방향으로 정지되도록 단말 부재가 움직일 수 없는 상태로 유지되는, 나사 조임 방향으로 클리어런스가 제거된 전방 정지(forward-stop) 위치
에 놓이게 될 수 있다.
트랜스미션에서의 전체 기능적 클리어런스는 2개의 위치, 즉 전방 정지 위치 및 후방 정지 위치 사이의 회전자의 회전 각도에 대응한다.
어셈블리의 임펄스 나사 조임은 미리 정해진 주파수에 따라 주기적으로 반복되는 일련의 연속하는 나사 조임 사이클을 포함한다.
각각의 나사 조임 사이클은 다음의 연속하는 4개의 페이즈로 세분화될 수 있다:
- 고정된 지속 시간 동안의 회전자의 전기 공급의 효과 하에서의 회전자의 자유 가속 페이즈(free acceleration phase)(저항 토크 없음)로서, 이 동안에 회전자가 나사 조임 방향으로 트랜스미션에서 사용 가능한 클리어런스를 흡수함;
- 임팩트 페이즈(impact phase)로서, 이 동안 가속 페이즈 동안 회전하는 부품에 의해 저장된 운동 에너지가 조여질 요소의 나사 조임을 수행하기 위하여 단말 부재로 전달되며, 임팩트 페이즈는 조여질 요소가 단말 부재에 의해 더 이상 회전 구동되지 않을 때까지 트랜스미션에서의 클리어런스가 나사 조임 방향으로 완전히 제거되는 순간에(즉, 이전 단계의 종료에) 시작함;
- 이완 페이즈(relaxation phase)로서, 이 동안에 임팩트 페이즈 동안 탄성 변형된 트랜스미션이 이의 초기 형상을 재개하도록 이완됨;
- 리바운드 페이즈(rebound phase)로서, 이 동안에 스크루 드라이버의 회전하는 부분들(단말 부재, 트랜스미션 및 회전자)가 나사 풀림 방향으로 자연적으로 리바운드하여 트랜스미션의 기능적 클리어런스의 전부 또는 일부를 흡수함.
사이클 반복 주기는 고정되고, 나사 조임 도구가 기능하는 동안 변하지 않는다.
유사하게, 각각의 사이클의 가속 페이즈 동안 모터에 전력을 공급하는 지속 기간은 고정된다. 따라서, 모터 전력 공급 페이즈의 이 지속 기간은 수정될 수 없는 고정된 지속 기간이다. 따라서, 모터 전력 공급의 지속 기간은 관리되지 않는다.
이상적으로, 회전자는, 리바운드의 효과 하에서, 이완 페이지 및 리바운드 페이즈의 종료에, 트랜스미션에서 사용 가능한 클리어런스가 나사 조임 방향으로 최대인 후방 정지 위치에 놓여 있어야 한다. 이것은 도구의 최적 동작을 보장하기 위하여 전체 기능적 클리어런스에 대응하는 각도 범위에서 회전자가 자유롭게 가속할 수 있게 한다.
따라서, 사이클의 이완 및 리바운드 페이즈 동안, 모터의 자연적인 리바운드는 이의 초기 위치로 도구를 리셋하는데, 즉 회전자를 후방 정지 위치로 복귀시키는데 도움이 된다.
이러한 자연적인 리바운드는 뒤틀림(torsion) 스프링과 같이 행동하는 도구의 내부 요소, 주로 트랜스미션의 변형을 통해 가능하다. 임팩트 페이즈의 종료에, 이 스프링은 이에 따라 다음의 2개의 파라미터에 종속하는 저장된 위치 에너지를 가질 것이다:
- 변형된 요소 세트의 강성(stiffness)(N·m/° 단위), 및
- 임팩트 동안 인가된 토크.
이 강성은 고정되고, 도구의 설계(재료, 기하학적 구조, 크기 등)에 의존한다. 통상적으로, 여기에서는 스크루 드라이버의 토크 센서에 의해 측정된 토크 및 모터의 회전자에 연결된 각도 센서에 의해 측정된 각도의 함수로서 평가된다. 이 강성은 출력 샤프트가 스크루 드라이버 샤프트의 케이싱에 대하여 고정된 상태로 모터 샤프트에서 측정된다.
이 강성(KTR)은 다음과 같이 표현된다:
Figure 112019105804675-pat00001
여기에서,
Csensor: 토크 센서에 의해 측정된 조임 토크를 나타내는 토크
Figure 112019105804675-pat00002
: 선 기어 또는 구동 샤프트의 회전 각도
Zsun gear: 트랜스미션의 선 기어의 톱니 개수
Zring: 트랜스미션의 링의 톱니 개수
η1: 구동 샤프트와 링 사이의 트랜스미션의 효율
이다.
임팩트 동안 인가된 토크는 주어진 임펄스 동안 나사에 인가된 토크에 대응한다. 이 토크는 스크루가 조여짐에 따라 점진적으로 증가한다. 따라서, 이는 각각의 임펄스에서(즉, 각각의 사이클에서) 전진한다. 이는 나사 및 이에 따른 모터의 회전자가 회전을 정지할 때 측정된다. 이 토크는 스크루 드라이버의 토크 센서에 의해 간접적으로 측정되고, 이 센서는 스크루 드라이버의 기계적 트랜스미션에 통합된다.
당해 업계에서의 통상의 기술자에게 알려진 방식에서, 나사에 인가된 토크(Cscrew)와 센서에 의해 측정된 토크(Csensor) 사이의 관계는 다음과 같다:
Figure 112019105804675-pat00003
여기에서,
R: 유성 기어 트레인의 입력 선 기어 및 유성 기어 캐리어 사이의 감소비
η: 선 기어와 유성 기어 캐리어 사이의 트랜스미션의 효율
R = 1 +
Figure 112019105804675-pat00004
따라서, 조임 동작 동안 임팩트의 종료에 트랜스미션에 저장된 위치 에너지(ETR)가 각각의 임펄스 후에 증가하는 것(따라서, 이는 한 사이클에서 다음 사이클로 증가한다)을 볼 수 있다.
이 위치 에너지(ETR)는 다음과 같이 표현된다:
Figure 112019105804675-pat00005
·
Figure 112019105804675-pat00006
임팩트 후에, 모터의 단자에는 전류가 인가되지 않는다. 따라서, 이는 프리휠(freewheel) 모드에 있다. 이에 따라, 트랜스미션에 저장된 위치 에너지(ETR)는 변환 효율 η2로 트랜스미션의 이완의 효과 하에서 회전자의 운동 에너지(EC)로 변환된다.
회전자의 운동 에너지(EC)는 다음과 같이 표현된다:
Figure 112019105804675-pat00007
이완 페이즈의 종료에, 회전자의 리코일(recoil)과 트랜스미션의 기능적 클리어런스를 고려하면 트랜스미션 체인에서의 콘택은 손실된다. 이 콘택이 끊어지는 순간에, 회전자는 초기 회전 주파수(ωinitial)에 도달한다.
따라서, 사용 가능한 위치 에너지 및 운동 에너지로의 변환 효율이 알려져 있기 때문에, 이 운동 에너지를 계산하고, 그 다음, 이로부터 다음의 식을 통해 리바운드 회전 주파수를 추출하는 것이 가능하다.
Figure 112019105804675-pat00008
여기에서, J는 회전자의 관성이다.
따라서, 각각의 사이클의 종료에, 다음과 같이 이의 초기 회전 주파수(ωinitial)에 비유되는 모터의 회전자의 리바운드 속도를 계산하는 것이 가능하다:
Figure 112019105804675-pat00009
여기에서,
Figure 112019105804675-pat00010
따라서, 사이클의 이완 페이즈의 종료에서의 회전자의 회전 주파수는 이 사이클 동안의 조임 토크가 높을수록 더 크다.
회전자의 리바운드의 각도 진폭은 먼저 이의 초기 회전 주파수와 사이클에서 리바운드에 주어진 지속 시간에 종속한다. 사이클 동안 리바운드에 주어진 지속 시간은 사이클의 이완 페이즈의 시작과 다음 사이클의 시작 사이에 경과된 시간과 같다.
사이클 동안 모터의 전력 공급 및 전력 무공급의 지속 시간은 고정된다. 이것의 결과는 리바운드를 위해 사용 가능한 지속 시간이 사이클별로 본질적으로 일정하다는 것이다.
따라서, 리바운드의 지속 시간이 사이클별로 실질적으로 일정하기 때문에, 회전자가 이동하는 리바운드 각도는 이의 초기 회전 주파수가 작을수록 더 작을 것이다.
이것의 결과는, 조임 동작의 시작에서, 회전자의 조임 토크 및 초기 회전 주파수가 낮을 때, 회전자의 리바운드 각도도 그 자체로 낮고 가속의 최대 각도 클리어런스보다 훨씬 더 낮을 수 있다. 다른 말로 하면, 트랜스미션의 기능적 클리어런스는 나사 풀림 방향으로 회전자에 의해 완전히 제거되지 않는다. 각각의 사이클 동안 회전자의 자유로운 리바운드를 구현하는 임펄스 나사 조임 기술과 관련된 이러한 문제점들은 물론 모터의 회전 방향의 반전에 의해 지시된 회전자의 리바운드를 구현하는 임펄스 나사 조임 기술과 연계하여 발생하지 않고, 이에 따라 자유롭지 않다.
결과적으로, 조임 토크가 낮고 회전자의 리바운드가 작은 제1 사이클 동안, 회전자로 하여금 자유롭게 가속할 수 있게 하도록 트랜스미션에서 정확하게 사용 가능한 클리어런스는 트랜스미션의 전체 기능적 클리어런스보다 더 작다.
이것은 특히 다음의 결과들을 초래한다:
- 회전자의 가속 이동이 정상적인 이동(트랜스미션의 최대 각도 클리어런스)보다 작기 때문에, 임팩트 전에 회전자에 저장된 운동 에너지는 정상보다 낮고, 이에 따라 조임 효과는 감소된다;
- 모터를 위한 전력 공급 지속 시간이 사이클별로 일정한 점을 고려하면, 모터의 전력 공급이 모터가 자유롭게 가속하는데 사용 가능한 각도 클리어런스가 작은 제1 사이클 동안 임팩트를 초과하여 유지될 것이다. 이러한 방식으로 임팩트를 초과하는 전력 공급을 확대하는 것은 리바운드를 약화시키고, 이에 따라, 전술한 점들을 증폭시키기 쉽다. 따라서, 스크루 드라이버가 최적 기능에 결코 도달하지 않는 것이 발생할 수 있다;
- 또한, 모터의 전력 공급이 임팩트 동안 연장되는 반면 이것이 자유롭게 가속할 수 있게 하는 어떠한 클리어런스도 더 이상 존재하지 않기 때문에, 모터는 자체가 컨트롤러에 의해 할당된 회전 주파수의 설정점 값에 더 이상 도달할 수 없다. 이것은 과전류로 이어지고, 컨트롤러에서 안전에 의해 프로그래밍된 최대 세기를 초과할 때, 스크루 드라이버에 결함이 발생하게 한다. 따라서, 시스템에 결함이 발생할 때, 이를 해결하기 위하여 기술자에 의한 조치가 필요하다. 이것은 생산성에 해를 끼치고, 이에 따라, 바람직하지 않다.
전류 소비 한계를 초과하는 경우를 방지하는 한 방식은 모터 전력 공급 지속 시간을 감소시키는 것일 수 있다. 그러나, 이 해결 방안은 리바운드가 더 클 때 도구의 성능을 낮추며, 이에 따라 만족스럽지 않다.
따라서, 임펄스 스크루 드라이버가 일반적으로 만족스럽다 하더라도, 이의 동작은 더 개선될 수 있다.
3. 본 발명의 목적
본 발명은, 특히, 이러한 상이한 문제점들의 적어도 일부에 대한 효율적인 해결 방안을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 적어도 하나의 실시예에 따라, 임펄스 나사 조임을 최적화하는 것이 본 발명의 과제이다.
특히, 적어도 하나의 실시예에 따라, 임펄스 나사 조임에 의한 어셈블리의 나사 조임의 본질적인 전체에 걸쳐 최적 나사 조임 성능을 보존하는 이러한 종류의 기술을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
적어도 하나의 실시예에 따라, 사이클 동안 모터 전력 공급이 임팩트 페이즈를 넘어 계속되는 것을 방지하는 이러한 종류의 기술을 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
적어도 하나의 실시예에 따라, 모터 전력 공급에서 과전류를 방지하는 이러한 종류의 기술을 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
적어도 하나의 실시예에 따라, 신뢰성 있고 그리고/또는 강력하고 그리고/또는 구현하기 간단한 이러한 종류의 기술을 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
4. 본 발명의 제시
이 목적으로, 본 발명은, 임펄스 스크루 드라이버에 의한 나사 조임 방법을 제안하며,
임펄스 스크루 드라이버는,
- 회전자(rotor)와 고정자(stator)를 구비한 모터;
- 나사 조임될 요소와 협력하도록 설계된 회전하는 출력 부재(단말 부재라고도 함);
- 상기 회전자를 상기 출력 부재에 연결하고, 기능적 클리어런스(functional clearance)를 갖는 트랜스미션(transmission);
을 포함하고,
상기 나사 조임 방법은 미리 정해진 주파수에 따른 일련의 기본 나사 조임 사이클을 포함하고,
상기 나사 조임 사이클의 각각은,
- 나사 조임 방향으로 상기 회전자를 회전 구동하기 위하여 상기 모터에 전력을 공급하는 전력 공급 단계;
- 상기 회전자의 각도 위치를 나타내는 정보를 실시간으로 결정하는 단계;
- 토크 임펄스가 회전하는 상기 출력 부재로 전달되는 임팩트 단계로서, 상기 트랜스미션의 상기 기능적 클리어런스가 나사 조임 방향으로 제거되는 시간에 시작하고 회전하는 상기 출력 부재가 나사 조임 방향으로의 회전을 중지하는 순간에 종료하는 상기 임팩트 단계;
- 상기 회전자가 나사 풀림 방향으로 자유롭게 리바운드하는 자유 리바운드 단계
를 포함한다.
본 발명에 따르면, 각각의 사이클은 상기 임팩트 단계의 종료에 상기 회전자의 최종 각도 위치를 나타내는 정보를 결정하는 단계를 더 포함하고, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는 선행하는 나사 조임 사이클에 놓여 있었던 최종 각도 위치에 상기 회전자가 본질적으로 있을 때까지 구현된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 각각의 사이클이 임팩트 후에 모터의 자유 리바운드를 포함하는 임펄스 나사 조임 동작 동안, 회전자가 이전 사이클의 임팩트 단계의 종료에 놓여 있었던 각도 위치를 이의 회전자가 본질적으로 점유할 때까지 모터 전력 공급이 사이클 동안 유지된다.
이러한 방식으로, 본 발명의 기술은, 짧은 과도 동작 상황 후에 필요하다면, 다음과 같은 안정화된 상황에서의 동작을 제공한다:
- 다음 가속 페이즈 동안 전체 기능적 클리어런스에서 자유롭게 가속하게 하고 따라서 각각의 사이클에서 최적 임팩트 페이즈를 보장하도록, 각각의 자유 리바운드 동안 회전자에 의해 트랜스미션의 기능적 클리어런스가 전적으로 흡수되고,
- 트랜스미션의 이완(relaxation) 및 회전자의 리바운드 동안 모터 전력 공급이 유지되지 않아, 이에 따라, 이전 시점이 전력 공급에서의 과전류의 위험과 시스템에 결함이 발생하는 위험을 야기시키는 것을 방지한다.
따라서, 본 발명에 따른 기술은 최적화된 회전자의 자유 리바운드형 임펄스 나사 조임의 구현을 보장한다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는, 선행하는 나사 조임 사이클 동안 놓여 있었던 최종 각도 위치보다, 미리 정해진 값만큼, 앞쪽에 있는 각도 위치에 상기 회전자가 놓일 때까지 구현된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는, 이전 나사 조임 사이클 동안 놓여 있었던 최종 각도 위치보다, 미리 정해진 값만큼, 뒤쪽에 있는 각도 위치에 상기 회전자가 놓일 때까지 구현된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 나사 조임 사이클의 각각은, 대응하는 사이클 동안 상기 회전자의 회전 방향의 반전을 검출하는 단계를 포함하고, 상기 회전자의 최종 각도 위치를 나타내는 정보를 결정하는 단계는, 상기 회전자의 회전 방향의 반전이 나사 조임 사이클 동안 검출될 때 대응하는 나사 조임 사이클 동안 구현된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 상기 나사 조임 사이클의 각각은, 상기 자유 리바운드 단계 동안 상기 회전자의 자유 리바운드 각도를 나타내는 정보를 결정하는 단계를 포함하고, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는 상기 회전자가 이전 나사 조임 사이클 동안의 회전자의 자유 리바운드 각도와 실질적으로 동일한 각도를 통해 나사 조임 방향으로 이동할 때까지 구현된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 상기 나사 조임 사이클의 각각은 상기 회전자의 자유 리바운드 속도를 결정하는 단계와, 상기 회전자의 자유 리바운드의 지속 시간을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 회전자의 자유 리바운드 각도를 나타내는 상기 정보는 상기 자유 리바운드 속도와 상기 회전자의 자유 리바운드의 지속 시간의 함수로서 결정된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 각각의 나사 조임 사이클은 상기 임팩트 단계의 종료에 획득된 조임 토크를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 회전자의 상기 자유 리바운드 속도는 상기 조임 토크, 상기 트랜스미션의 강성 및 상기 트랜스미션의 비(ratio)의 함수로서 결정된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 각각의 나사 조임 사이클은 상기 전력 공급 단계의 시작으로부터 상기 임팩트 단계의 종료까지 경과된 시간을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 자유 리바운드 단계는 상기 경과된 시간만큼 감소된 상기 미리 정해진 기간과 동일한 지속 시간에 발생한다.
또한, 본원 발명은,
- 회전자와 고정자를 구비한 모터;
- 나사 조임될 요소와 협력하도록 설계된 회전하는 출력 부재;
- 상기 회전자를 상기 출력 부재에 연결하고, 기능적 클리어런스(functional clearance)를 갖는 트랜스미션;
- 상기 회전자의 각도 위치를 나타내는 정보를 실시간으로 결정하는 수단;
- 미리 정해진 주파수에 따라 일련의 기본 나사 조임 사이클을 구현하도록 구성되는 지시 수단
을 포함하는 임펄스 나사 조임 장치에 관한 것으로,
상기 나사 조임 사이클의 각각은,
- 나사 조임 방향으로 상기 회전자를 회전 구동하기 위하여 상기 모터에 전력을 공급하는 전력 공급 단계;
- 상기 회전자의 각도 위치를 나타내는 정보를 실시간으로 결정하는 단계;
- 토크 임펄스가 회전하는 상기 출력 부재로 전달되는 임팩트 단계로서, 상기 트랜스미션의 상기 기능적 클리어런스가 나사 조임 방향으로 제거되는 시간에 시작하고 상기 출력 부재가 나사 조임 방향으로의 회전을 중지하는 순간에 종료하는 상기 임팩트 단계;
- 상기 임팩트 단계의 종료에 상기 회전자의 최종 각도 위치를 나타내는 정보를 결정하는 단계;
- 상기 회전자가 나사 풀림 방향으로 자유롭게 리바운드하는 자유 리바운드 단계
를 포함하고,
주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는 이전 나사 조임 사이클에 놓여 있었던 최종 각도 위치에 상기 회전자가 본질적으로 있을 때까지 구현된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계가, 이전 나사 조임 사이클에 놓여 있었던 최종 각도 위치보다, 미리 정해진 값만큼, 앞쪽에 있는 각도 위치에 상기 회전자가 놓일 때까지 구현되도록, 상기 지시 수단이 구성된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계가, 이전 나사 조임 사이클에 놓여 있었던 최종 각도 위치보다, 미리 정해진 값만큼, 뒤쪽에 있는 각도 위치에 상기 회전자가 놓일 때까지 구현되도록, 상기 지시 수단이 구성된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 장치는 대응하는 사이클 동안 상기 회전자의 회전 방향의 반전을 검출하는 수단을 포함하고, 상기 지시 수단은, 상기 나사 조임 사이클의 각각이, 대응하는 사이클 동안 상기 회전자의 회전 방향의 반전을 검출하는 단계를 포함하도록 구성되고, 상기 회전자의 최종 각도 위치를 나타내는 정보를 결정하는 단계는, 상기 회전자의 회전 방향의 반전이 나사 조임 사이클 동안 검출될 때 대응하는 나사 조임 사이클 동안 구현된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 상기 지시 수단은, 각각의 나사 조임 사이클에서, 상기 자유 리바운드 단계 동안 상기 회전자의 자유 리바운드 각도를 나타내는 정보를 결정하도록 구성되고, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는 상기 회전자가 이전 나사 조임 사이클 동안의 회전자의 자유 리바운드 각도와 실질적으로 동일한 각도를 통해 나사 조임 방향으로 상기 회전자가 이동할 때까지 구현된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 장치는 상기 회전자의 자유 리바운드 속도를 나타내는 정보를 결정하는 수단을 포함하고, 상기 지시 수단은, 상기 나사 조임 사이클의 각각이 상기 회전자의 자유 리바운드 속도를 결정하는 단계와, 상기 회전자의 자유 리바운드의 지속 시간을 결정하는 단계를 포함하도록 구성되고, 상기 회전자의 자유 리바운드 각도를 나타내는 상기 정보는 상기 자유 리바운드 속도와 상기 회전자의 자유 리바운드의 지속 시간의 함수로서 결정된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 장치는 조임 토크를 나타내는 정보를 측정하는 수단을 포함하고, 상기 지시 수단은, 각각의 나사 조임 사이클이 상기 임팩트 단계의 종료에 획득된 조임 토크를 결정하는 단계를 포함하도록 구성되고, 상기 회전자의 상기 자유 리바운드 속도는 상기 조임 토크, 상기 트랜스미션의 강성 및 상기 트랜스미션의 비(ratio)의 함수로서 결정된다.
하나의 가능한 변형예에 따르면, 상기 지시 수단은, 각각의 나사 조임 사이클에서, 상기 전력 공급 단계의 시작으로부터 상기 임팩트 단계의 종료까지 경과된 시간을 결정하도록 구성되고, 상기 자유 리바운드 단계는 상기 경과된 시간만큼 감소된 상기 미리 정해진 기간과 동일한 지속 시간에 발생한다.
5. 도면 목록
본 발명의 다른 특성 및 이점은 간단하고 예시적이며 비소진적인 예를 이용하여 특정 실시예에 대한 이어지는 설명으로부터 그리고 다음과 같은 첨부된 도면으로부터 나타날 것이다:
- 도 1은 본 발명에 따른 임펄스 스크루 드라이버의 일례의 부분 측단면을 도시한다;
- 도 2는 도 1의 스크루 드라이버의 컨트롤러의 일례를 도시한다;
- 도 3 및 4는 본 발명에 따른 임펄스 나사 조임 방법의 2가지 예의 순서도이다;
- 도 5는, 회전자의 자유 가속의 각도 범위가 한 사이클에서 다음 사이클로 점진적으로 증가하여 트랜스미션의 기능적 클리어런스에 접근하는 과도 기능 상태로부터, 회전자의 자유 가속의 각도 범위가 각각의 사이클에서 트랜스미션의 기능적 클리어런스와 동일한 안정화된 작업 상태로의 경과를 도시한다.
6. 특정 실시예들의 설명
6.1. 아키텍처
도 1 및 2를 참조하여 본 발명에 따라, 이 경우에는 임펄스 스크루 드라이버이며, 이른바 펄스 모드 스크루 드라이버라고도 불리는 도구(tool)의 일례를 제공한다.
이러한 스크루 드라이버는, 바람직하게는 총(gun) 형상을 가지며 그립(2)을 포함하는 몸체(1)를 포함한다. 이 몸체는 총 형상이 아니고, 대안으로서, 축을 따라 연장하는 형상을 가질 수 있다. 이 몸체(1)는 전기 모터(3)를 수용한다.
바람직하게는, 모터(3)는 영구 자석 동기 모터(permanent-magnetic synchronous motor)일 것이다. 그러나, 이는 예를 들어 DC 전류에 맞추어진 임의의 다른 종류의 전기 모터일 수 있다. 이 모터는 고정자(stator)(31)와 회전자(rotor)(32)를 포함한다.
회전자(32)는, 트랜스미션(transmission)(T)을 통해, 회전 구동될 수 있는 단말 부재(4)에 연결된다. 이 단말 부재(4)는 나사 또는 너트와 같은 나사 조임될 요소와 직접적으로 또는 슬리브(sleeve)를 이용하여 협력하도록 설계된다.
본 실시예에서, 트랜스미션은 단일의 유성 기어 트레인(epicyclic gear train)(7)을 포함하고, 이의 선(sun) 기어(71)는 모터(3)의 회전자(32)의 샤프트(33)에 회전 가능하게 고정 부착된다. 이 트레인의 유성 기어(72)는 유성 기어 캐리어(74)에 고정 부착된 핀(73) 상에 회전 운동하도록 장착된다. 이 유성 기어 캐리어(74)는 단말 부재(4)에 회전 가능하게 고정 부착된다. 트랜스미션은 여러 유성 기어 트레인을 포함할 수 있다.
스크루 드라이버는 조임 토크(tightening torque)를 나타내는 정보를 측정하는데 사용되는 토크 센서(8)를 포함한다.
유성 기어 트레인(7)의 링(9)은 몸체에서 링이 회전하는 것을 차단하는 변형 요소에 의해 스크루 드라이버의 몸체(1)에 연결된다. 부분적으로 이 토크 센서(8)를 구성하는 변형 요소는 스트레인 게이지(strain gauge)를 가지고 있고 조임 토크에 비례하여 변형된다. 이 토크 센서는 나사 조임 동작 동안 링의 반작용 토크를 측정하는데 사용되며, 이 반작용 토크는 조임 토크에 비례한다.
스크루 드라이버는 모터의 회전자와 고정자 사이의 회전 각도를 나타내는 정보를 측정하는데 사용되는 각도 센서(10)를 포함한다.
트랜스미션은 기능적 클리어런스(functional clearance), 즉 어셈블리를 위하여, 그리고 트랜스미션을 구성하는 상이한 부분들의 응력 없는(stress-free) 상대적 운동을 위하여 필요한 기계적 클리어런스를 가진다. 이 클리어런스를 고려하면, 모터의 회전자는,
- 클리어런스가 나사 조임 방향으로 최대인 최대 리코일(recoil) 위치 또는 후방 정지(backstop) 위치 및
- 클리어런스가 나사 조임 방향으로 제거된 임팩트 위치 또는 전방 정지(forward stop) 위치
사이에서 이동한다.
최대 리코일 위치는 스크루 드라이버의 출력 샤프트(또는 단말 부재)와 그립이 움직이지 않고 나사 조임의 반대 방향으로의 회전의 종료에 모터의 회전자가 트랜스미션에서의 정지 위치에서 움직이지 않고 이 트랜스미션의 클리어런스가 흡수될 때 획득된다.
스크루 드라이버는 조작자가 나사 조임 동작을 개시할 수 있게 하는 작동 트리거(11)를 포함한다.
스크루 드라이버(1)는 컨트롤러(17)와 같은 지시 수단을 포함한다. 이 컨트롤러(17)는 도구의 내부에 있거나 외부에 있을 수 있다. 이것은 도구가 미리 프로그래밍된 나사 조임 또는 드릴링 전략을 구현하도록 제어될 수 있게 한다.
이것이 도구에 통합되지 않는다면, 컨트롤러는 유선 수단 또는 비유선 수단(예를 들어, 무선(radio)으로)에 의해 이에 연결된다.
케이블 또는 케이블들에 의해 컨트롤러에 연결된 도구의 경우에, 컨트롤러는, 그 자체로 알려진 방법으로, 도구에 에너지를 공급할 수 있게 한다.
무선 도구의 경우에, 이 도구의 전원은 하나 이상의 배터리를 포함할 수 있다.
컨트롤러(17)는, 특히, 예를 들어 마이크로프로세서가 구비된 처리 유닛(170)과, 랜덤 액세스 메모리(171)와, 나사 조임 또는 드릴링 방법 또는 더욱 일반적으로는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 프로그램 코드 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램을 담고 있는 리드 온리 메모리(172)를 포함한다.
본 발명에 따른 방법을 실행하는데 필요한 수단은 도구에 또는 컨트롤러에 통합될 수 있다.
컨트롤러가 케이블에 의해 도구에 연결되지 않는다면, 이는 도구와의 통신을 가능하게 하는 무선 송신/수신 모듈(173)을 포함한다.
도구와 컨트롤러 사이의 통신을 통해, 유선이든 아니든 관계 없이, 컨트롤러는:
- 도구에 통합된 상이한 측정 수단(센서)에 의해 전달된 신호를 수신할 수 있고;
- 지시를 도구에 전송할 수 있다.
컨트롤러는 유선 수단에 의해 컴퓨터 네트워크와 같은 다른 장치와 통신할 수 있다.
또한, 도구는 컨트롤러와 통신하도록 송신/수신 모듈(18)을 포함한다.
또한, 컨트롤러는 입출력 인터페이스(174)와, 지시 도입 수단(175)(키보드, 터치패드 스크린, 마우스 등)을 관리하기 위한 사용자 인터페이스와, 디스플레이 수단(176)(스크린, 디스플레이 장치, 지시등(indicator light))을 포함하고, 경우에 따라서는, 가청 주파수로 사운드 신호(177)를 방출하기 위한 수단과 전력 공급을 위한 커넥터(178)를 포함한다.
또한, 컨트롤러는 모터 수단에 전력을 공급하기 위한 인버터(179)를 포함한다.
아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 컨트롤러(지시 수단)는 임펄스 나사 조임 방법을 구현하도록 프로그래밍된다.
6.2. 나사 조임 방법
6.2.1. 제1 방법
이제 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 임펄스 나사 조임 방법의 일례가 제공된다.
나사 조임 동작은 전통적으로 사전 나사 조임 페이즈(40) 및 이어지는 나사 조임 페이즈(41)를 포함한다. 당연히, 사전 나사 조임 페이즈(40)는 구현되지 않을 수 있다.
사전 나사 조임 페이즈(40) 동안, 모터의 회전을 연속하는 속도로 획득하도록 모터에 전력이 공급된다(단계 401).
사전 나사 조임 페이즈 동안, 바람직하게는, 조임 토크를 나타내는 적어도 하나의 정보를 측정하는 단계 402가 연속으로 실시간으로 구현된다. 이 단계는 예를 들어 트랜스미션 내에 배치된 토크 센서에 의해 조임 토크를 측정하는 것을 포함할 수 있다.
측정된 토크는 사전 나사 조임 종료의 토크에 대응하는 미리 정해진 사전 나사 조임 임계 토크값과 실시간으로 비교된다(단계 403).
측정된 조임 토크가 미리 정해진 사전 나사 조임의 종료의 임계 토크값에 도달할 때까지 모터에 전력이 공급된다.
이 조건이 충족될 때, 모터에 대한 전력 공급은 정지되고, 시간 T1이 컨트롤러(17)에 의해 등록된다(단계 404).
그 다음, 나사 조임 단계(41)가 시작된다.
나사 조임 단계(41) 동안, 모터는 전기 임펄스에 의해 전력을 공급받는다. 이에 따라, 나사 조임 페이즈는 어셈블리가 원하는 목표 토크로 조여질 때까지 미리 정해진 주파수에 따라 반복적으로 구현되는 복수의 기본 나사 조임 사이클을 포함한다. 따라서, 모터는 펄스에 의해 전력을 공급받고, 미리 정해진 기간(P)이 2개의 연속하는 펄스를 분리한다.
제1 기본 나사 조임 사이클 전에, 예비 나사 조임 사이클이 구현된다.
이 예비 나사 조임 사이클은 리바운드 단계(410)를 포함한다. 사실, 사전 나사 조임 페이즈의 종료에, 트랜스미션은 이완되고 모터의 회전자는 나사 풀림 방향으로 자연적으로 리바운드하여, 트랜스미션의 기능적 클리어런스를 적어도 부분적으로 흡수하여 이의 후방 정지 위치에 가깝게 되거나 그에 도달한다.
리바운드 단계 동안, 컨트롤러는, 시간 T1으로부터 실험적으로 설정된 미리 정해진 지속 시간의 경과 동안, 자유롭게, 즉, 후방 정지 위치를 향해 나사 풀림 방향으로 회전자를 이동시키기 위하여 모터에 전력을 공급하지 않고서, 회전자가 리바운드할 수 있게 한다(단계 411).
이 미리 정해진 지속 시간이 경과하면, 컨트롤러는 시간 T2를 기록한다(단계 412).
그 다음 자유 가속 단계(413)가 구현된다. 회전자의 이 자유 가속 단계(413) 동안, 모터는 미리 정해진 고정된 지속 시간 동안 전력을 공급받는다(단계 414). 이 지속 시간은 모터의 전력 공급이 다음 임팩트 단계를 넘어 유지되지 않는 것을 보장하기 위한 시도 동안, 즉 이완 및 리바운드 단계 동안 미리 결정된다.
트랜스미션의 사용 가능한 기능적 클리어런스가 나사 조임 방향으로 제거되면, 단말 부재가 나사 조임될 요소에 토크를 전달하는 임팩트 단계(415)가 시작한다.
임팩트 단계(415) 동안, 임팩트의 종료를 검출하는 단계가 구현된다. 이 검출 단계는 여기에서 회전자에 의해 이의 최대 각도를 획득하는 것을 검출하는 단계를 포함한다. 이 단계는 예를 들어 회전자의 회전 주파수가 자신의 부호를 변경하는 순간의 검출을 포함한다. 최대 각도가 검출되면, 이 값이 기록된다(검출 및 기록 단계(416)). 이 최대 각도는 여기에서 모터의 각도 센서에 의해 주어지는 절대 각도이다. 이는 임의의 불변 위치로부터 카운트되고, 이완의 시작 시점에서의 회전자의 각도 위치를 특징으로 한다.
조임 토크를 나타내는 정보를 결정하는 단계가 실시간으로 구현된다. 임팩트 단계(415)의 종료에서, 즉 임팩트 단계의 종료의 검출(416) 동안, 토크를 나타내는 정보는 임팩트 종료 조임 토크와 동일한 것으로 기록된다(단계 417). 이것은 임팩트의 종료가 검출될 때 토크 센서에 의해 측정된 조임 토크이다.
임팩트 종료 토크는 목표 토크의 임계값, 즉 조여질 요소를 조이는데 바람직한 토크와 비교된다(단계 418).
임팩트 종료 토크가 목표 토크 이상일 때(원칙적으로 예비 나사 조임 사이클의 종료에서의 경우는 아님), 동작은 종료된다.
임팩트 종료 토크가 목표 토크 임계값 아래일 때, 트랜스미션은 이완되고, 회전자는 리바운드 단계(419) 동안 리바운드한다.
컨트롤러는 가장 최근의 시간 T2 이후에, 즉 모터의 가장 최근의 전력 공급의 개시로부터, 기간 P가 경과할 때까지 회전자가 자유롭게 리바운드할 수 있게 한다.
자유 리바운드 단계의 종료에, 즉 이 시간의 경과의 종료(단계 420)에, 컨트롤러는 새로운 시간 T2를 기록한다(단계 421).
그 다음, 회전자의 자유 가속 단계(422)가 구현된다. 이 자유 가속 단계 동안, 이전 임팩트 단계(416)의 종료에 놓여 있었던 위치에 회전자가 놓일 때까지 모터에 전력이 공급된다(단계 423). 다른 말로 하면, 이전 사이클의 임팩트 종료의 최대 각도가 자유 가속 단계(422) 동안 획득될 때까지 모터에 전력이 공급된다.
그 다음, 최대 임팩트 종료 각도를 검출하고 기록하는 단계(416)가 구현되는 새로운 임팩트 단계(415)가 발생된다.
임팩트 종료 조임 토크를 기록하는 단계(417)와 이 값을 목표 조임 토크 임계값과 비교하는 단계(418)가 구현된다.
목표 조임 토크가 획득되지 않는 한, 새로운 자유 리바운드 단계(420), 시간 T2 기록 단계(421), 자유 가속 단계(422), 임팩트 단계(415), 임팩트 종료 토크 기록 단계(417) 및 이 토크를 목표 조임 토크와 비교하는 단계(418)가 구현된다.
목표 조임 토크가 임팩트 단계(415)의 종료에서 획득될 때, 나사 조임 동작은 끝난다.
시간 T2 기록 단계(412), 자유 가속 단계(413), 제1 임팩트 단계(415), 제1 기록 단계(417), 제1 비교 단계(418) 및 제1 리바운드 단계(420)는 예비 사이클을 구성한다.
예비 사이클이 완료되면, 각각의 기본 사이클은 시간 T2 기록 단계(421), 자유 가속 단계(422), 임팩트 단계(415), 임팩트 종료 조임 토크 기록 단계(417), 이 토크를 미리 정해진 목표 조임 토크와 비교하는 단계(418) 및 자유 리바운드 단계(420)를 포함한다.
목표 조임 토크가 임팩트 단계의 종료에서 획득될 때까지 기본 사이클들은 서로 연속한다.
목표 조임 토크가 획득되는 사이클은 최종 기본 사이클이다. 최종 기본 사이클은 비교 단계(418)의 종료에 끝나며, 따라서 이어지는 단계들을 포함하지 않는다.
6.2.2. 제2 방법
도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 임펄스 나사 조임 방법의 제2 실시예를 제공한다.
제2 실시예를 제1 실시예와 구별하는 주요 차이점은 아래에서 설명된다.
제2 실시예에 따른 방법은 예비 사이클의 자유 가속 단계(413)의 종료까지 제1 실시예에 따른 방법과 동일하다.
자유 가속 단계(413)에 이어지는 임팩트 단계(415) 동안, 최대 임팩트 종료 각도가 검출되지만 기록되지는 않는다(단계 416').
최대 임팩트 종료 각도가 검출(단계 416')된 후에, 임팩트 종료 조임 토크가 시간 T3와 함께 기록된다.
그 다음, 임팩트 종료 조임 토크가 단계 418 동안 목표 조임 토크 임계값과 비교된다. 이 단계(418) 동안 임팩트 종료 조임 토크가 목표 조임 토크 임계값보다 더 낮은 것이 검출될 때, 방법은 회전자의 리바운드 각도를 검출하는 단계를 계속한다.
본 실시예에서, 회전자의 리바운드 각도를 검출하는 단계는 회전자의 리바운드 속도를 결정하는 단계(50)를 포함한다.
이 단계(50) 동안, 컨트롤러는 회전자의 리바운드 속도(ωinitial)를 다음과 같이 결정한다:
Figure 112019105804675-pat00011
여기에서,
Figure 112019105804675-pat00012
이고,
Csensor: 토크 센서에 의해 측정된 토크
Zsun gear: 트랜스미션의 선 기어의 톱니 개수
Zring: 트랜스미션의 링의 톱니 개수
η1: 모터 샤프트와 링 사이의 트랜스미션의 효율
η2: 트랜스미션의 변형 위치 에너지를 회전자의 운동 에너지로 변환하는 효율
J: 회전자의 관성
KTR: 트랜스미션의 강성(stiffness)
이다.
단계 51 동안, 컨트롤러는 나머지 리바운드 지속 시간을 결정한다. 나머지 리바운드 지속 시간은 모터에 전력을 공급하기 위한 기간(P)에서 시간 T2 및 시간 T3 사이의 경과 시간을 뺀 것, 즉 P-(T3-T2)와 동일하다.
이 계산에서, T3로부터 리바운드의 시작까지 진행하는 이완의 지속 시간은 무시할 만한 것으로 고려된다.
그 다음, 단계 52에서, 컨트롤러는 이의 리바운드 속도와 나머지 리바운드 지속 시간으로부터 회전자의 리바운드 각도를 결정한다(리바운드의 나머지 각도 = 리바운드 속도 × 나머지 리바운드 지속 시간).
그 다음, 단계 53에서, 컨트롤러는 리바운드 각도를 트랜스미션의 기능적 클리어런스와 비교한다.
리바운드 각도가 트랜스미션의 기능적 클리어런스보다 작다면, 방법은 가장 최근의 시간 T2의 기록으로부터 사이클 기간(P)과 동일한 시간의 경과 동안 회전자가 이의 후방 정지 위치까지 나사 풀림 방향으로 자연적으로 복귀하는 리바운드 단계(54)를 계속한다.
이 시간 경과의 종료에, 새로운 시간 T2가 단계(55) 동안 기록된다.
그 다음, 회전자가 이전에 계산된 리바운드 각도와 동일한 각도만큼 회전할 때까지 모터에 전력이 공급되는(단계 561) 자유 가속 단계(56)가 구현된다.
리바운드 각도를 트랜스미션의 기능적 클리어런스와 비교하는 단계(53) 동안 리바운드 각도가 기능적 클리어런스 이상이라고 검출될 때, 단계 53은 가장 최근의 시간 T2의 기록으로부터 사이클 기간(P)과 동일한 시간의 경과 동안 회전자가 이의 후방 정지 위치를 향하여 나사 풀림 방향으로 자연적으로 복귀하는(541') 리바운드 단계(54')를 계속한다.
이 시간의 경과의 종료에, 새로운 시간 T2가 단계 55' 동안 기록된다.
그 다음, 회전자가 트랜스미션의 기능적 클리어런스와 동일한 각도만큼 회전될 때까지 모터에 전력이 공급되는(단계 562) 자유 가속 단계(56')가 구현된다.
리바운드 단계(56 또는 56')에 이어, 최대 임팩트 종료 각도가 검출되는 새로운 임팩트 단계(415)가 구현되고, 그 다음, 임팩트 종료 조임 토크 및 새로운 시간 T3를 기록하는 단계(417)가 수행된다.
임팩트 종료 토크는 목표 조임 토크 임계값과 비교된다(단계 418).
임팩트 종료 토크가 목표 조임 토크 임계값을 획득하면, 나사 조임 동작이 정지한다. 그렇지 않다면, 이는 회전자의 리바운드 속도를 결정하는 새로운 단계(50)를 계속하고, 이어지는 단계들은 목표 조임 토크가 획득될 때까지 순차적으로 계속된다.
시간 T2 기록 단계(412), 자유 가속 단계(413), 제1 임팩트 단계(415), 제1 기록 단계(417), 제1 비교 단계(418), 리바운드 속도를 검출하기 위한 제1 단계(50), 나머지 리바운드 지속 시간을 결정하기 위한 제1 단계(51), 리바운드 각도를 결정하기 위한 제1 단계(52), 리바운드 각도를 트랜스미션의 기능적 클리어런스와 비교하기 위한 제1 단계(53) 및 제1 리바운드 단계(54, 54')는 예비 사이클을 구성한다.
예비 사이클이 완료되면, 각각의 기본 사이클은 시간 T2 기록 단계(55, 55'), 자유 가속 단계(56, 56'), 임팩트 단계(415), 임팩트 종료 조임 토크 및 시간 T3 기록 단계(417), 이 값을 목표 조임 토크의 미리 정해진 임계값과 비교하는 단계(418), 리바운드 속도를 결정하는 단계(50), 리바운드 지속 시간을 결정하는 단계(51), 리바운드 각도를 결정하는 단계(52), 리바운드 각도를 트랜스미션의 기능적 클리어런스와 비교하는 단계(53) 및 리바운드 단계(54, 54')를 포함한다.
목표 조임 토크가 임팩트 단계의 종료에서 획득될 때까지 기본 사이클들은 서로 연속한다.
목표 조임 토크가 획득되는 사이클은 최종 기본 사이클이다. 최종 기본 사이클은 비교 단계(418)의 종료에 끝나며, 따라서 이어지는 단계들을 포함하지 않는다.
6.2.3. 이점
제1 실시예 및 제2 실시예 모두와 연계하여, 본 발명에 따른 기술은 이전 나사 조임 사이클에 놓여 있었던 최종 각도 위치에 모터가 본질적으로 놓일 때까지 주어진 나사 조임 사이클 동안 모터에 전력을 공급하기 위한 단계를 구현하는 것을 포함한다.
이러한 방식으로, 본 발명에 따른 기술은 다음과 같은 안정화된 동작의 신속한 획득을 보장한다:
- 다음 가속 페이즈 동안 전체 기능적 클리어런스에서 자유롭게 가속하게 하고 이에 따라 최적 임팩트 페이즈를 보장하도록, 각각의 자유 리바운드 동안 회전자에 의해 트랜스미션의 기능적 클리어런스가 전적으로 흡수되고,
- 트랜스미션의 이완 및 회전자의 리바운드 동안 모터의 전력 공급이 유지되지 않는다.
이것은 도 5에서 더욱 명확하게 알 수 있다.
이 도 5에서, 제1 사이클 동안, 회전자가 기능적 클리어런스의 단지 하나의 부분에서 가속하는 것이 관찰된다. 사실, 회전자는 트랜스미션에서의 클리어런스가 나사 풀림 방향으로 아직 완전히 보상되지 않는 동안 재가속 되었다. 따라서, 회전자는 이의 후방 위치 있지 않아 잔여 클리어런스(5)가 나사 풀림 방향으로 트랜스미션에 계속 남아 있었다.
제1 사이클 동안의 회전자의 가속의 작은 각도 이동을 고려하면, 이완 페이즈 및 그 후의 리바운드 페이즈와 같이, 임팩트 페이즈는 감소된다.
그 다음, 각각의 이어지는 사이클 동안에, 이전 사이클의 임팩트 페이즈의 종료에 놓여 있었던 각도 위치에 놓일 때까지 가속 페이즈 동안 그리고 임팩트 페이즈의 시작에서 모터에 전력이 공급된다.
이 구현은, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 사이클에서 회전자의 리바운드 동안 트랜스미션의 기능적 클리어런스가 흡수되는 속도를 증가시키는 것을 가능하게 한다.
따라서, 제5 리바운드 사이클의 종료에, 회전자가 이의 후방 정지 위치에 있도록 트랜스미션의 기능적 클리어런스는 나사 풀림 방향으로 완전히 제거된다.
결과적으로, 제6 기본 사이클에서 시작하여, 회전자는 각각의 사이클에서 기능적 클리어런스의 전체에서 자유롭게 가속하고, 이에 따라 최적 임팩트 단계를 보장한다.
따라서, 제5 및 제6 사이클 사이에서, 임펄스 나사 조임은 각각의 사이클 동안 기능적 클리어런스의 한 부분에서만 가속하고 회전자의 자유 리바운드 각도가 한 사이클에서 다음 사이클로 변동하는 과도 상황으로부터 각각의 사이클 동안 회전자가 전체 기능적 클리어런스에서 가속하고 회전자의 리바운드 각도가 각각의 사이클에서 뚜렷하게 동일하고 트랜스미션에서의 클리어런스와 실질적으로 동일한 안정화된 상황으로 이동한다.
따라서, 본 발명에 따른 나사 조임 방법은 영구적 상황 페이즈가 이어지는 과도 상황 페이즈를 포함하고, 이러한 2개의 페이즈 각각은 미리 정해진 주파수에 따른 일련의 기본 나사 조임 사이클을 포함하여, 과도 상황 페이즈 동안 트랜스미션에서의 클리어런스의 값을 획득할 때까지 회전자의 자유 리바운드 각도가 한 사이클에서 다음 사이클로 변동하고, 안정화 상황 페이즈(영구 상황 페이즈) 동안 회전자의 리바운드 각도는 각각의 사이클에서 뚜렷하게 동일하고 트렌스미션에서의 클리어런스와 본질적으로 동일하다.
또한, 이전 기본 사이클의 임팩트 단계의 종료에 놓여 있었던 위치에 기본 사이클 동안 회전자가 놓일 때까지만 전력 공급 페이즈가 유지되기 때문에, 본 발명의 구현은 모터로의 전력 공급이 트랜스미션의 이완 및 회전자의 리바운드 동안 정지되어, 각각의 기본 사이클의 종료에 이의 후방 정지 위치로 복귀할 것이라는 점을 보장하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 이는 후방 정지 위치로의 이의 복귀를 보장하고 다음 사이클에서 전체 기능적 클리어런스에서 가속할 수 있게 하기 위하여 리바운드 동안 모터에 의해 제동되지 않는다.
따라서, 본 발명에 따른 기술은 임펄스에 의한 조임이 최적이 되는 안정화된 기능 상황에 점진적이고 신속하게 도달하는 것을 가능하게 한다.

Claims (16)

  1. 임펄스 스크루 드라이버에 의한 나사 조임 방법에 있어서,
    상기 임펄스 스크루 드라이버는,
    - 회전자(rotor)와 고정자(stator)를 구비한 모터;
    - 나사 조임될 요소와 연동하도록 설계된 회전하는 출력 부재;
    - 상기 회전자를 상기 출력 부재에 연결하는 기어 트랜스미션(transmission)으로서, 상기 기어 트랜스미션의 컴포넌트들 사이에 기능적 클리어런스(functional clearance)를 갖는 상기 기어 트랜스미션
    을 포함하고,
    상기 나사 조임 방법은 미리 정해진 주파수(frequency)에 따라 반복적으로 구현되는 일련의 기본 나사 조임 사이클을 포함하고,
    상기 나사 조임 사이클의 각각은,
    - 나사 조임 방향으로 상기 회전자를 회전 구동하기 위하여 상기 모터에 전력을 공급하는 전력 공급 단계;
    - 상기 회전자의 각도 위치를 실시간으로 결정하는 단계;
    - 토크 임펄스가 회전하는 상기 출력 부재로 전달되는 임팩트 단계로서, 상기 기어 트랜스미션의 상기 기능적 클리어런스가 나사 조임 방향으로 제거되는 시간에 시작하고 회전하는 상기 출력 부재가 나사 조임 방향으로의 회전을 중지하는 순간에 종료하는 상기 임팩트 단계;
    - 상기 회전자가 상기 기능적 클리어런스로 인하여 나사 풀림 방향으로 자유롭게 리바운드하는 자유 리바운드 단계
    를 포함하고,
    각각의 사이클은 상기 임팩트 단계의 종료에 상기 회전자의 최종 각도 위치를 결정하는 단계를 포함하고, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는 바로 선행하는 나사 조임 사이클의 상기 임팩트 단계의 종료에 놓여 있었던 최종 각도 위치에 상기 회전자가 있을 때까지 구현되는 것을 특징으로 하는,
    나사 조임 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는, 상기 바로 선행하는 나사 조임 사이클의 상기 임팩트 단계의 종료에 놓여 있었던 최종 각도 위치보다, 미리 정해진 값만큼, 앞쪽에 있는 각도 위치에 상기 회전자가 놓일 때까지 구현되는,
    나사 조임 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는, 상기 바로 선행하는 나사 조임 사이클의 상기 임팩트 단계의 종료에 놓여 있었던 최종 각도 위치보다, 미리 정해진 값만큼, 뒤쪽에 있는 각도 위치에 상기 회전자가 놓일 때까지 구현되는,
    나사 조임 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나사 조임 사이클의 각각은, 대응하는 사이클 동안 상기 회전자의 회전 방향의 반전(reversal)을 검출하는 단계를 포함하고, 상기 회전자의 최종 각도 위치를 결정하는 단계는, 상기 회전자의 회전 방향의 반전이 나사 조임 사이클 동안 검출될 때 대응하는 나사 조임 사이클 동안 구현되는,
    나사 조임 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나사 조임 사이클의 각각은, 상기 자유 리바운드 단계 동안 상기 회전자의 자유 리바운드 각도를 결정하는 단계를 포함하고, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는 상기 회전자가 상기 바로 선행하는 나사 조임 사이클 동안의 상기 회전자의 상기 자유 리바운드 각도와 실질적으로 동일한 각도를 통해 나사 조임 방향으로 이동할 때까지 구현되는,
    나사 조임 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 나사 조임 사이클의 각각은 상기 회전자의 자유 리바운드 속도를 결정하는 단계와, 상기 회전자의 상기 자유 리바운드의 지속 시간을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 회전자의 상기 자유 리바운드 각도는 상기 자유 리바운드 속도와 상기 회전자의 상기 자유 리바운드의 지속 시간의 함수로서 결정되는,
    나사 조임 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    각각의 나사 조임 사이클은 상기 임팩트 단계의 종료에 획득된 조임 토크를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 회전자의 상기 자유 리바운드 속도는 상기 조임 토크, 상기 기어 트랜스미션의 강성(stiffness) 및 상기 기어 트랜스미션의 비(ratio)의 함수로서 결정되는,
    나사 조임 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터에는 펄스가 공급되고, 미리 정해진 기간(P)이 2개의 연속하는 펄스를 분리하고, 각각의 나사 조임 사이클은 상기 전력 공급 단계의 시작으로부터 상기 임팩트 단계의 종료까지 경과된 시간을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 자유 리바운드 단계는 상기 경과된 시간만큼 감소된 상기 미리 정해진 기간과 동일한 지속 시간에 발생하는,
    나사 조임 방법.
  9. 임펄스 나사 조임 장치에 있어서,
    - 회전자(rotor)와 고정자(stator)를 구비한 모터;
    - 나사 조임될 요소와 연동하도록 설계된 회전하는 출력 부재;
    - 상기 회전자를 상기 출력 부재에 연결하는 기어 트랜스미션(transmission)으로서, 상기 기어 트랜스미션의 컴포넌트들 사이에 기능적 클리어런스(functional clearance)를 갖는 상기 기어 트랜스미션;
    - 상기 회전자의 각도 위치를 실시간으로 결정하는 수단;
    - 미리 정해진 주파수(frequency)에 따라 일련의 기본 나사 조임 사이클을 구현하도록 구성되는 지시 수단
    을 포함하고,
    상기 나사 조임 사이클의 각각은,
    - 나사 조임 방향으로 상기 회전자를 회전 구동하기 위하여 상기 모터에 전력을 공급하는 전력 공급 단계;
    - 상기 회전자의 각도 위치를 실시간으로 결정하는 단계;
    - 토크 임펄스가 회전하는 상기 출력 부재로 전달되는 임팩트 단계로서, 상기 기어 트랜스미션의 상기 기능적 클리어런스가 나사 조임 방향으로 제거되는 시간에 시작하고 상기 출력 부재가 나사 조임 방향으로의 회전을 중지하는 순간에 종료하는 상기 임팩트 단계;
    - 상기 임팩트 단계의 종료에 상기 회전자의 최종 각도 위치를 결정하는 단계;
    - 상기 회전자가 상기 기능적 클리어런스로 인하여 나사 풀림 방향으로 자유롭게 리바운드하는 자유 리바운드 단계
    를 포함하고,
    주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는 바로 선행하는 이전 나사 조임 사이클의 상기 임팩트 단계의 종료에 놓여 있었던 최종 각도 위치에 상기 회전자가 있을 때까지 구현되는,
    임펄스 나사 조임 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계가, 상기 바로 선행하는 나사 조임 사이클의 상기 임팩트 단계의 종료에 놓여 있었던 최종 각도 위치보다, 미리 정해진 값만큼, 앞쪽에 있는 각도 위치에 상기 회전자가 놓일 때까지 구현되도록, 상기 지시 수단이 구성되는,
    임펄스 나사 조임 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계가, 상기 바로 선행하는 나사 조임 사이클의 상기 임팩트 단계의 종료에 놓여 있었던 최종 각도 위치보다, 미리 정해진 값만큼, 뒤쪽에 있는 각도 위치에 상기 회전자가 놓일 때까지 구현되도록, 상기 지시 수단이 구성되는,
    임펄스 나사 조임 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    사이클 동안 상기 회전자의 회전 방향의 반전(reversal)을 검출하는 수단을 포함하고, 상기 지시 수단은, 상기 나사 조임 사이클의 각각이, 대응하는 사이클 동안 상기 회전자의 회전 방향의 반전을 검출하는 단계를 포함하도록 구성되고, 상기 회전자의 최종 각도 위치를 결정하는 단계는, 상기 회전자의 회전 방향의 반전이 나사 조임 사이클 동안 검출될 때 대응하는 나사 조임 사이클 동안 구현되는,
    임펄스 나사 조임 장치.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지시 수단은, 각각의 나사 조임 사이클에서, 상기 자유 리바운드 단계 동안 상기 회전자의 자유 리바운드 각도를 결정하도록 구성되고, 주어진 나사 조임 사이클의 상기 전력 공급 단계는 상기 회전자가 상기 바로 선행하는 나사 조임 사이클 동안의 상기 회전자의 상기 자유 리바운드 각도와 실질적으로 동일한 각도를 통해 나사 조임 방향으로 상기 회전자가 이동할 때까지 구현되는,
    임펄스 나사 조임 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 회전자의 자유 리바운드 속도를 결정하는 수단을 포함하고, 상기 지시 수단은, 상기 나사 조임 사이클의 각각이 상기 회전자의 자유 리바운드 속도를 결정하는 단계와, 상기 회전자의 상기 자유 리바운드의 지속 시간을 결정하는 단계를 포함하도록 구성되고, 상기 회전자의 상기 자유 리바운드 각도는 상기 자유 리바운드 속도와 상기 회전자의 상기 자유 리바운드의 지속 시간의 함수로서 결정되는,
    임펄스 나사 조임 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    조임 토크를 측정하는 수단을 포함하고, 상기 지시 수단은, 각각의 나사 조임 사이클이 상기 임팩트 단계의 종료에 획득된 조임 토크를 결정하는 단계를 포함하도록 구성되고, 상기 회전자의 상기 자유 리바운드 속도는 상기 조임 토크, 상기 기어 트랜스미션의 강성(stiffness) 및 상기 기어 트랜스미션의 비(ratio)의 함수로서 결정되는,
    임펄스 나사 조임 장치.
  16. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지시 수단은, 각각의 나사 조임 사이클에서, 상기 전력 공급 단계의 시작으로부터 상기 임팩트 단계의 종료까지 경과된 시간을 결정하도록 구성되고, 상기 자유 리바운드 단계는 상기 경과된 시간만큼 감소된 미리 정해진 기간(P)과 동일한 지속 시간에 발생하고, 상기 미리 정해진 기간(P)은 상기 모터에 공급되는 2개의 펄스를 분리하는,
    임펄스 나사 조임 장치.
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