KR20040022109A - 대용량 콤팩트형 고정밀 로드셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대용량 로드셀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세장비를 작게 구성하더라도 끝단 효과를 최소화함으로써 협소한 산업현장의 적용 가능하면서 측정 시스템의 안정도를 기할 수 있도록 한 대용량 콤팩트형 고정밀 로드셀에 관한 것으로서, 이는 대용량 로드셀에 있어서, 길이(L)와 직경(D), 세장비(L/D)을 갖는 로드셀 감지부(1)의 저면부 중앙에 상기 로드셀 감지부(1)보다 작은 외경( { D}_{ O} )의 로드셀 지지부(2)가 하방으로 돌출 형성됨으로써 세장비를 작게 구성하더라도 끝단 효과를 최소화함으로써 협소한 산업현장의 적용 가능하면서 측정 시스템의 안정도를 기할 수 있는 이점이 있다.

Description

대용량 콤팩트형 고정밀 로드셀{compact type high minuteness load cell}

본 발명은 대용량 로드셀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세장비를 작게 구성하더라도 끝단 효과를 최소화함으로써 협소한 산업현장의 적용 가능하면서 측정 시스템의 안정도를 기할 수 있도록 한 대용량 콤팩트형 고정밀 로드셀에 관한 것이다.

일반적으로 변형률 게이지식 로드셀은 그 응용범위가 날로 증가하여 우주, 항공, 교통, 중공업 등의 분야에서 대용량 로드셀로 많이 사용되고 있다. 이러한 로드셀은 제작 및 사용이 용이하고, 측정오차가 작아야 한다. 이러한 오차를 줄이기 위해서는 정확도에 영향을 미치는 요인들에 대한 정성적, 정량적 분석이 필요하며, 고정밀 로드셀에서는 이러한 분석이 필수적이므로, 이에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다.

통상, 기둥형 로드셀에서 정확도에 영향을 미치는 요인으로는 고유 진동수, 히스테리시스, 끝단 효과, 접촉 응력, 휘스톤 브리지, 로드셀이 설치된 주위 환경등이 있으며, 특히 하중 감지부의 형상설계시 베어링부와 감지부의 접촉에 따른 끝단 효과가 변형률 분포에 미치는 영향을 최소화 또는 최적화시키는 것이 매우 중요하다.

여기서 중요한 설계 변수는 세장비(aspect ratio, L/D), 접촉부의 곡률반경, 지지부의 접촉 상태, 그리고 탄성계수 및 푸아송 비이다. 그러나 각 변수에 대한 최적값을 수 차례의 실험에 의해서 결정할 수 없으므로 본 발명에서는 유한요소법을 이용한 비선형해석을 수행하여, 해석 결과를 바탕으로 로드셀을 제작하여 유한요소해석의 신뢰성을 검증하였다. 본 발명은 끝단 효과에 의한 측정 오차의 정성적, 정량적 분석과 함께 세장비가 작은 로드셀의 설계에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.

고정밀 로드셀의 설계에서는 끝단 효과를 최소화시키는 것이 매우 중요하며, 이러한 끝단 효과를 줄이기 위해서는 세장비를 크게 하는 것이 유리하지만, 너무 커지면 굽힘 변형에 의한 영향이 커질 뿐만 아니라 전체적인 축방향의 변위가 커지므로 측정 시스템의 안정도에 문제가 야기될 수 있으며, 많은 공간을 차지하는 문제를 갖는다.

즉, 협소한 산업 현장에서는 세장비가 작은 것이 유리하므로 이러한 조건에 적합한 콤팩트 구조의 로드셀의 감지부 설계가 필요하다.

이에 본 발명은 상기한 바와같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로, 그 목적은 세장비를 작게 구성하더라도 끝단 효과를 최소화함으로써 협소한 산업현장의 적용 가능하면서 측정 시스템의 안정도를 기할 수 있도록 하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 대용량 로드셀에 있어서, 길이(L)와 직경(D), 세장비(L/D)을 갖는 로드셀 감지부의 저면부 중앙에 상기 로드셀 감지부보다 작은 외경( { D}_{ O} )의 로드셀 지지부가 하방으로 돌출 형성된 것을 특징으로 한 대용량 콤팩트형 고정밀 로드셀이 제공된다.

또한, 상기 로드셀 감지부의 상단부에 상방의 곡률 반경(R)을 갖는 접촉부가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 로드셀 지지부의 중앙부에 소정의 내경( {D }_{i} )을 갖는 세팅공이 로드셀 지지부에 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 세장비(L/D)와 로드셀 지지부 외경비는,

의 식에 의해 나타낼 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 콤팩트형 고정밀 로드셀의 구조를 보인 정면도.

도 2는 본 발명의 해석에서 사용한 유한요소의 격자를 보인 예시도.

도 3은 본 발명에 의한 실험과 유한요소해석의 케이스 1에 대한 각 경우의 출력편차를 보인 그래프.

도 4는 본 발명에 의한 것으로서, 세장비가 1.0인 로드셀에서 로드셀 지지부의 내경이 30.0 mm로 고정되었을 때, 유한요소해석을 이용하여 외경변화에 따른 출력 편차를 보인 그래프.

도 5는 본 발명에 의한 것으로서, 세장비가 1.0인 로드셀에서 로드셀 지지부의 외경이 146.0 mm일 때, 내경을 30.0 mm에서 80.0 mm까지 변화시키면서 얻은 출력을 최대출력에 대한 편차로 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에 의한 것으로서, 로드셀의 세장비와 로드셀 지지부의 외경에 따른 출력을 보인 그래프.

도 7은 본 발명에 의한 것으로서, 로드셀의 세장비와 로드셀 지지부의 외경에 따른 출력 편차를 보인 그래프.

도 8은 본 발명에 의한 것으로서, 각 세장비에 따라 최대 출력을 내면서 경계조건의 영향이 적은 로드셀 지지부의 외경을 보인 그래프.

*도면의주요부분에대한부호의설명

1:로드셀 감지부 2:로드셀 지지부

3:접촉부 4:세팅공

5:패드

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 구성을 실시예에 따라 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 콤팩트형 고정밀 로드셀의 구조를 보인 것으로서, 이에 도시된 바와같이 본 발명은 길이(L)와 직경(D), 세장비(aspect, L/D)를 갖는 원주형상으로 형성되고, 그 원주면에 변형률 게이지(strain gauge)가 부착되는 로드셀 감지부(sensing element)(1)를 구성하게 되는 것이며, 상기 로드셀 감지부(1)의 상단부는 상방의 곡률 반경(R)을 갖는 접촉부(3)가 형성되어 있다.

그리고 상기 로드셀 감지부(1)의 저면부 중앙에 하방으로 로드셀 감지부(1)보다 작은 외경( { D}_{O } )을 갖는 로드셀 지지부(lower plate)(2)가 형성되는 것이며, 상기 로드셀 지지부(2)의 중앙부에는 내경( { D}_{ i} )을 갖는 세팅공(4)이 형성된다.

이와같이 구성된 본 발명은 10MN 로드셀로서, 전체높이(H): 380mm, 지름(D): 217.2mm,

접촉부 곡률반경(r): 200mm, 감지부 평행부의 길이(L): 217mm, 세장비(L/D): 1.0이다. 여기서 고려된 설계 변수는 로드셀 감지부(1)의 평행부 길이(L) 및 지름(D), 로드셀 지지부(2)의 내경과 외경, 접촉시 마찰계수 등을 고려하였다.

로드셀 감지부(1), 패드(5), 로드셀 지지부(2)의 재질은 니켈-크롬-몰리브덴강인 SNCM 8종을 사용하였으며, 탄성계수는 210 Gpa, 푸아송 비는 0.3이 사용되었다.

도 2는 본 발명의 해석에서 사용한 유한요소의 격자를 보인 것으로서, 상용유한요소 프로그램 ANSYS Ver 5.6을 사용하였고, 패드(5), 로드셀 감지부(1), 로드셀 지지부(2)가 모두 축대칭형 임을 고려하여 8절점 2차원 평면요소의 축대칭으로 해석하였다. 해석과정에서 요소의 개수는 4778개이고, 절점의 개수는 14890개 였으며, 경계조건으로는 플레이트 아래쪽 라인의 절점을 x, y 방향으로 모두 구속하고, 패드(5) 위쪽 라인에 10MN을 패드의 면적으로 나누어 준 값을 단위 면적당 등분포 하중으로 가하였다.

또한 게이지 부착 지점의 영역은 격자의 크기를 조밀하게 하여 0.5mm 간격으로 변형률 분포를 분석하였다. 패드(5)와 로드셀 감지부(1) 및 로드셀 감지부(1)와 로드셀 지지부(2)는 접촉 경계조건을 사용하였다. 이때 마찰계수를 변수로 해석하였으며, 실제 로드셀 지지부(2)의 중심부에 세팅공(4)이 있으나, 해석에서는 로드셀 지지부(2) 쪽에 지름( { D}_{i } )이 30mm인 홀(hole)을 모델링하여 같은 경계 조건을 같도록 하였다.

다음은 로드셀 지지부(2)에 따른 끝단 효과에 대해 설명한다.

상기 로드셀 감지부(1)와 로드셀 지지부(2)의 접촉 경계조건에서 마찰계수와 접촉경계조건에 따른 출력값을 분석하였다. 본 연구에서는 유한요소해석의 신뢰성을 검증하고자 4가지 경우에 대해 로드셀 지지부(2)를 제작.실험한 후 유한요소해석 결과와 비교하였다.

제작한 로드셀 지지부의 높이는 50mm이었으며 각 시편의 치수는 다음과 같다.

표1.로드셀 지지부의 치수

케이스	(내경) { D}_{ i} (mm)	(외경) { D}_{ O} (mm)
1	32.0	168.0
2	71.5	168.0
3	101.0	209.0
4	63.0	176.0

실험에서는 하중을 3 MN까지 가하였으며, 사용된 지시계는 독일 HBM사가 제작한 DK38S6로서 감도는 2mV/V=200,000 digits, 불확도 ±2.5×10^-5이었다. 실험과동일한 경계조건으로 유한해석을 수행하여, 케이스 1의 출력을 기준으로 했을 때 각 경우의 출력 편차를 보았다. 이때 유한요소해석은 마찰계수를 0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4로 한 비선형해석과, 접촉경계조건이 없는 선형해석을 수행하였다.

선형해석에서는 하중을 감지의 곡면부 중앙 절점에 주었으며, 로드셀 감지부(1) 아래쪽 라인의 절점을 각 케이스의 조건에 따라 y 방향의 변위만을 고정시키는 단순지지 경계조건(Uy=0)과 x, y 방향의 변위를 모두 고정시키는 고정 경계조건(Ux=Uy=0)에 대한 2가지의 해석을 수행하였다. 또한, 실험과의 비교를 위해 유한요소해석의 출력 결과를 mV/V단위가 되도록 하였다.

스트레인 게이지 부착 영역에서의 y 방향의 변형률을 취하여, 축방향의 스트레인 게이지 2개와 원주방향의 스트레인 게이지 2개로 구성된 완전 결선 브리지 회로(Full bridge circuit)에서의 출력으로 계산하였다.

(1)

여기서, { E}_{o } 은 출력 전압, { E}_{ i} 는 입력 전압, nu 는 푸아송 비, K는 게이지 상수, { epsilon }_{avg } 는 게이지 부착영역에 있는 7개의 절점의 축방향의 변형률의 평균값을 나타내고 있다.

도 3은 실험과 유한요소해석의 케이스 1에 대한 각 경우의 출력편차를 보인 것으로서, 출력은 실험에서 0.467 mV/V, 선형해서에서 0.503 mV/V, 비선형해석에서 0.593 mV/V이었다. 로드셀 제작시 온도 보상과 영점 보상 과정에서 발생하는10∼20%의 출력 감소를 고려하면 선형해석과 비선형해석 결과가 오차 범위안에 있었다.

도 3의 편차경향 분석에서, 마찰계수를 0.0으로 한 비선형해석과 단순지지 경계조건의 선형해석이 같은 출력 편차를 보임으로써 비선형해석이 바르게 수행됨을 확인하였다. 마찰계수 0.0과 0.1의 경우는 실험에서의 경향과 큰 차이를 가지므로, 유한요소해서 과정에서는 비선형해석의 경우 마찰계수를 0.2 이상으로 설정해 주어야 하며, 마찰계수가 0.4일 경우 실험에서의 편차와 가장 근사한 기울기를 갖는다.

또한 선형해석에서 고정경계조건이 실험에서의 편차와 같은 거동을 보여주었다. 따라서 각 변수에 대한 출력의 경향을 분석하기 위해서는 해석시간이 오래 걸리는 비선형 해석보다는 고정경계조건을 갖는 선형해석의 경우가 유리할 것으로 판단되어 로드셀 지지부(2)의 접촉경계조건에 대한 분석에서는 선형해석을 이용하였다.

실험 편차의 경향을 분석하면 케이스 1에 대하여 케이스 2는 0.004%, 케이스 3은 -0.403%, 케이스 4는 -0.091%의 편차를 갖는다. 케이스 1과 케이스 2는 로드셀 지지부(2)의 내경( { D}_{ i} )을 변화시킨 경우로 출력에 대한 내경의 영향이 작음을 알 수 있고, 케이스 1과 케이스 3은 로드셀 지지부(2)의 외경( { D}_{O } )을 변화시킨 경우로 출력에 대한 외경의 영향이 내경에 비해 상대적으로 크다는 것을 보여준다.

로드셀의 경우 연결부의 종류 및 가공상태, 주위 환경에 따라서 로드셀 지지부(2)의 접촉상태가 달라질 수 있으며, 이러한 접촉상태에 따른 끝단 효과는 로드셀의 정확도에 영향을 줄 수 있다. 따라서 접촉상태에 따른 출력 선도를 유한요소해석을 통하여 살펴볼 필요가 있다.

도 4는 세장비(L/D)가 1.0인 로드셀에서 로드셀 지지부(2)의 내경이 30.0 mm로 고정되었을 때, 유한요소해석을 이용하여 외경변화에 따른 출력 편차를 보여주고 있다. 이때 외경이 168.0 mm인 경우의 유한요소해석과 실험의 출력을 기준으로 해서 편차를 구하였다.

유한요소해석에 의한 편차는 케이스 1을 기준으로 했을 때 케이스 2는 0.000%, 케이스3은 -0.491%, 케이스 4는 -0.064%이었다. 이는 유한요소해석과 실험이 잘 일치하고 있음을 보여준다. 유한요소해석 결과 로드셀 지지부의 외경이 146.0 mmm 일 때 출력이 최대값을 갖으며, 따라서 로드셀의 접촉상태를 이 외경값으로 설계한다면 접촉상태의 변화에 덜 민감하여 안정된 출력을 얻을 수 있을 것이다.

실험 결과 로드셀 지지부가 없는 경우에 비해서 케이스1의 로드셀 지지부를 사용한 경우가 비직진성은 0.172%에서 0.011%로, 히스테리시스는 0.096%에서 0.051%로, 반복도는 0.045%에서 0.006%로 각각 향상되었다.

도 5는 세장비(L/D)가 1.0인 로드셀에서 로드셀 지지부(2)의 외경( { D}_{O } )이 146.0 mm일 때, 내경( { D}_{ i} )을 30.0 mm에서 80.0 mm까지 변화시키면서 얻은 출력을 최대출력에 대한 편차로 나타낸 것이다.

앞에서 실험결과와 같이 내경에 의한 출력의 변화가 작음을 보여주고 있다.내경이 증가함에 따라 출력 곡선의 기울기가 증가하므로, 내경이 30.0 mm일 때 상대적으로 안정적인 출력을 얻을 수 있다. 따라서 세장비가 1.0인 로드셀에서는 로드셀 감지부(1)의 바닥면을 내경 30.0 mm에서 외경 146.0 mm까지만 접촉하도록 설계한다면 안정된 출력을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

다음은 세장비에 따른 접촉상태 설계에 대하여 설명한다.

앞에서 유한요소해석을 통하여 로드셀 감지부(1) 바닥면의 접촉 상태에 따라 출력이 달라지며, 적당한 접촉환경을 결정하여 보다 안정된 출력을 얻을 수 있었고, 실험과의 비교를 통하여 신뢰성을 검증하였다. 동일한 방법으로 보다 콤팩트한 로드셀에 대해서도 각 세장비(L/D)에 따른 적당한 접촉 상태를 결정할 수 있다.

도 6은 로드셀의 세장비(L/D)와 로드셀 지지부(2)의 외경( { D}_{O } )에 따른 출력을 보여주고 있다. 세장비가 작아짐에 따라서 출력은 감소하며 출력값의 변화도 커짐을 알 수 있다.

도 7은 로드셀의 세장비(L/D)와 로드셀 지지부(2)의 외경에 따른 출력 편차를 보여주고 있다. 곡선은 각 세장비에서의 최대 출력을 기준으로 편차를 구하였다. 세장비가 작아질수록 로드셀 지지부(2)의 외경( { D}_{O } )은 증가하며, 편차 곡선도 기울기가 급해짐으로써 접촉상태에 민감함을 보여준다. 즉 세장비가 작은 경우는 접촉상태가 조금만 바뀌어도 로드셀의 정확도에 큰 영향을 미치게 된다.

유한요소해석 결과 최대 출력을 얻는 로드셀 지지부(2)의 외경은 세장비(L/D)가 1.0인 경우 146.0 mm, 0.8인 경우 178.0 mm, 0.6인 경우 204.0 mm, 0.5인 경우 218.0 mm, 0.3인 경우 244.0 mm이었다.

도 8은 각 세장비에 따라 최대 출력을 내면서 경계조건의 영향이 적은 로드셀 지지부의 외경을 보여주고 있다. 로드셀의 세장비(L/D)가 클수록 로드셀 지지부(2)의 외경은 작아짐을 알 수 있다. 즉, 세장비(L/D)와 로드셀 지지부(2)의 외경( { D}_{O } )은 선형적으로 반비례하고 있으며, 다음의 식으로 세장비와 로드셀 지지부 외경비를 나타낼 수 있다.

(2)

이와같이 구성된 본 발명은 콤팩트 구조의 기둥형 로드셀 설계를 위해 유한요소법을 이용하여 비선형해석과 선형해석을 수행하였으며, 로드셀과 로드셀 지지부를 제작한 후 실험 결과와 유한요소해석 결과를 비교하여 해석의 신뢰성을 검증하였다.

또한 유한요소해석을 이용하여 세장비가 작은 경우에도 안정된 출력을 얻을 수 있는 콤팩트 구조의 기둥형 로드셀을 설계하였다. 본 발명은 다음과 같은 결론을 제시하고 있다.

(1)유한요소해석과 실험을 병행한 결과 유한요소해석에서 비선형해석에 의한 출력은 마찰계수가 0.2 이상일 때 실험 출력과 유사한 거동을 보여 주었다. 비선형해석에 의한 출력은 마찰계수가 클수록, 선형해석은 고정경계조건일 때 실험 출력과 같은 거동을 보였다. 따라서 본 발명은 해석시간을 고려하여 선형해석의 고정경계조건으로 다른 접촉조건에 대한 출력의 거동을 분석하였다.

(2) 실험 및 유한요소해석 결과 감지부에서의 출력은 로드셀 지지부의 내경 변화보다는 외경 변화의 영향이 크며, 유한요소해석에 의한 출력의 편차는 실험 출력의 편차와 잘 일치하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 얻은 로드셀 지지부 외경에 따른 출력의 편차 곡선은 최대값을 갖는 2차식의 곡선 형태를 갖으며, 최대값에서 편차의 기울기가 0이 되므로, 감지부의 접촉 조건을 이때의 외경으로 설계함으로써 안정된 출력을 얻을 수 있었다.

이렇게 설계된 로드셀 지지부를 사용한 결과는 그렇지 않은 경우에 비해 비직진성, 히스테리시스, 반복도가 모두 향상되었다.

(3) 유한요소해석을 통해 세장비가 작은 경우에 대해서도 로드셀 지지부 외경에 따른 출력 편차 선도를 얻을 수 있으며, 이로써 특성이 보다 우수한 로드셀을 설계할 수 있게 되었다. 또한 유한요소해석 결과 세장비가 작을수록 편차 곡선의 2차 도함수 절대값이 커짐으로써 접촉조건에 따른 출력이 민감함을 확인하였다.

상술한 바와같이 본 발명은 로드셀 감지부의 하부측에 로드셀 지지부를 형성함으로써 세장비를 작게 구성하더라도 기존에 로드셀 지지부가 없는 로드셀에 비해 비직진성, 히스테리시스, 반복도가 크게 향상되는 효과를 가져올 뿐만 아니라 접촉에 따른 끝단 효과가 변형률 분포에 미치는 영향을 최소화 또는 최적화되고, 이로인해 측정의 안전도의 향상을 가져오며, 또한 세장비가 작아 공간을 많이 차지하지 않게 됨으로써 소형화에 따른 협소한 산업현장에서의 적용이 가능한 이점도 갖게된다.

Claims (4)

1. 대용량 로드셀에 있어서,

   길이(L)와 직경(D), 세장비(L/D)을 갖는 로드셀 감지부(1)의 저면부 중앙에 상기 로드셀 감지부(1)보다 작은 외경( { D}_{ O} )의 로드셀 지지부(2)가 하방으로 돌출 형성된 것을 특징으로 한 대용량 콤팩트형 고정밀 로드셀.
2. 제1항에 있어서,

   상기 로드셀 감지부(1)의 상단부에 상방의 곡률 반경(R)을 갖는 접촉부(3)가 형성된 것을 특징으로 한 대용량 콤팩트형 고정밀 로드셀.
3. 제1항에 있어서,

   상기 로드셀 지지부(2)의 중앙부에 소정의 내경( {D }_{i} )을 갖는 세팅공(4)이 로드셀 지지부(2)에 형성된 것을 특징으로 한 대용량 콤팩트형 고정밀 로드셀.
4. 제1항에 있어서,

   상기 세장비(L/D)와 로드셀 지지부(2) 외경비는,

   의 식에 의해 나타낼 수 있도록 한 것을 특징으로 한 대용량 콤팩트형 고정밀 로드셀.