KR20040089763A

KR20040089763A - 마찰실험장치

Info

Publication number: KR20040089763A
Application number: KR1020030023547A
Authority: KR
Inventors: 안효석; 김충현
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-10-22
Also published as: KR100524346B1

Abstract

본 발명은 최소 0.005N의 작용하중과 최소 10㎛의 스트로크를 구현함으로써 미소장치에 사용되는 초소형 부품의 마찰특성을 분석할 수 있는 마찰실험장치에 관한 것이다. 평판시편을 지지하는 평판시편지지대는 직류모터에 의해 소정의 스트로크로 직선왕복운동을 한다. 직류모터에는 회전방향 등의 작동정보를 측정하기 위한 엔코더가 설치된다. 평판시편의 상측에는 볼시편이 위치하고, 볼시편은 전자석과 전자석의 자력에 의해 하강하는 작동자로 이루어진 하중인가수단에 의해 소정의 하중을 받아 평판시편과 접촉한다. 볼시편과 평판시편 사이의 작용하중값과 마찰력값은 다축 로드셀에 의해 측정된다. 마찰실험장치는 다축 로드셀의 일측에 힌지결합되며 승강가능하게 구비된 승강대와, 승강대의 승강을 안내하기 위해 바닥에 고정된 고정블럭과, 고정블럭내에 나사결합되고 승강대에 연결되어 승강대와 다축 로드셀의 수직위치를 조절하기 위한 상하위치조절나사와, 힌지부를 중심으로 다축 로드셀과 수평을 이루도록 다축 로드셀의 일단에 연결된 균형추를 더 포함한다.

Description

마찰실험장치{Friction Tester}

본 발명은 마찰실험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미소장치에 사용되는 초소형 부품의 마찰특성을 분석할 수 있는 마찰실험장치에 관한 것이다.

최근, 기계 및 전기전자기술의 급진적인 발달과 더불어 각종 첨단기기들이 소형, 경량화되는 추세에 있으며, 이들 기기들을 구성하는 초소형 부품에 대한 설계 및 제작에 필요한 마찰특성에 관한 연구의 필요성이 증대되고 있다. 이러한 초소형 부품의 마찰특성연구를 위해서는 시편에 가하는 하중을 1N 이하, 시편의 이동스트로크를 1mm 이하로 구현할 수 있는 정밀한 실험장치의 개발이 요구된다.

그러나, 종래의 마찰실험장치는 10N 이상의 고하중과 10mm 이상의 스트로크 조건하에서 작동되는 것이 대부분이다. 따라서, 종래의 마찰실험장치는 미소기계의 마찰부품과 같이 크기가 매우 작고 저하중을 받는 부품의 재료에 대한 마찰특성을 정확히 파악할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 최소 0.005N의 작용하중과 최소 10㎛의 스트로크를 구현함으로써 미소장치에 사용되는 초소형 부품의 마찰특성을 분석할 수 있는 마찰실험장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마찰실험장치는,

평판시편을 지지하기 위한 평판시편지지대와;

평판시편지지대를 소정의 스트로크로 직선왕복운동시키기 위한 구동수단과;

구동수단과 평판시편지지대를 연결하기 위한 동력전달수단과;

구동수단에 설치되어 구동수단의 구동상태를 측정하기 위한 감지수단과;

평판시편지지대의 상측에 위치하고, 볼시편을 지지하기 위한 볼시편지지브라켓과;

볼시편에 소정의 하중을 가하여 평판시편과 접촉하도록 하는 하중인가수단과;

볼시편지지브라켓과 하중인가수단 사이에 설치되어, 볼시편과 평판시편 사이에 작용하는 하중과 마찰력을 측정하기 위한 다축 로드셀과; 그리고

구동수단 및 하중인가수단의 작동을 조절하는 제어부를 포함한다.

구동수단은 직류모터이고, 감지수단은 엔코더이며, 하중인가수단은 전압인가시 자력을 발생하기 위한 전자석과, 전자석의 자력영역에 일부가 위치하여 자력에 의해 직선이동하며 다축 로드셀과 연결된 작동자를 포함한다.

본 발명에 따른 마찰실험장치는 다축 로드셀의 일측에 힌지결합되며 승강가능하게 구비된 승강대와, 승강대의 승강을 안내하기 위해 바닥에 고정된 고정블럭과, 고정블럭내에 나사결합되고 승강대에 연결되어 승강대와 다축 로드셀의 수직위치를 조절하기 위한 상하위치조절나사와, 힌지부를 중심으로 다축 로드셀과 수평을 이루도록 다축 로드셀의 일단에 연결된 균형추를 더 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰실험장치를 보인 정면도,

도 2는 본 발명에 따른 마찰실험장치를 보인 평면도,

도 3은 본 발명에 따른 마찰실험장치의 제어부를 나타낸 블럭도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 평판시편

14: 볼시편

22: 직류모터

28: 볼스크류

29: 엔코더

32: 전자석

34: 작동자

40: 다축 로드셀

52: 균형추

110: 마이크로 프로세서

102: 증폭기

120: 모터구동회로

130: 전자석구동회로

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1과 도 2는 각각 본 발명에 따른 마찰실험장치를 보인 정면도 및 평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 마찰실험장치의 제어부를 나타낸 블럭도이다.

이들에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰실험장치는 마찰실험대상인 평판시편(10)을 직선왕복운동시키기 위한 구동수단(20)과, 구동수단(20)에 설치되어 구동수단(20)의 구동상태를 측정하기 위한 감지수단(29)과, 평판시편(10)의 상측에 위치하는 볼시편(14)에 소정의 하중을 가하기 위한 하중인가수단(30)과, 볼시편(14)에 작용하는 하중과 평판시편(10)의 마찰력을 측정하기 위한 측정수단(40)과, 감지수단(29) 및 측정수단(40)에 의해 측정된 값을 전달받아 구동수단(20) 및 하중인가수단(30)의 작동을 조절하는 제어부(100)를 포함한다. 부호 1은 본 발명의 마찰실험장치의 구성요소가 설치되는 베이스 플레이트이다.

상세히 설명하면, 상기 구동수단(20)은 베이스 플레이트(1)상에 고정되는 직류모터(DC motor, 22)와, 직류모터(22)와 결합된 감속장치(24)를 포함한다. 감속장치(24)에는 동력전달수단으로서 커플링(26)을 개재하여 볼스크류(28)가 연결되고, 볼스크류(28)에는 이의 회전운동에 따라 직선왕복운동을 하는 연결판(18)이 결합된다. 연결판(18)은 볼스크류(28)의 회전축에 직각으로 소정길이 수평연장된다. 베이스 플레이트(1)상에는 볼슬라이드 등과 같은 직선운동가이드부재(19)가 고정되고, 이 가이드부재(19)상에 연결판(18)의 연장부가 슬라이딩가능하게 결합된다. 상기평판시편(10)은 평판시편지지대(12)상에 고정되고, 평판시편지지대(12)는 연결판(18)의 연장부 상면에 고정된다.

직류모터(22)의 일측에는 직류모터(22)의 회전방향 등의 작동상태를 측정하기 위한 감지수단(29)으로서 엔코더(encoder)가 설치된다. 바람직하게는, 평판시편지지대(12)의 이동스트로크의 분해능이 10㎛ 이하가 될 수 있도록 직류모터(22)의 작동상태를 정밀하게 측정할 수 있는 엔코더를 적용한다.

상기 하중인가수단(30)은 권선된 코일에 인가되는 전압에 의하여 자력을 발생하는 전자석(32)과, 전자석(32)의 자력영역에 그 일부가 위치하여 전자석(32)에 생성된 자력에 의해 직선이동하는 작동자(34)를 포함한다.

작동자(34)의 상단에는 측정수단지지블럭(44)이 결합되고, 지지블럭(44)의 일단에는 평판시편(10)이 위치한 방향으로 측정수단(40)이 일체로 결합된다. 이 측정수단(40)으로는 센싱블럭(41)과, 센싱블럭(41)에 서로 다른 방향의 중심축을 가지며 구비된 두 개의 제 1 및 제 2천공부(42, 43)를 포함하는 다축 로드셀이 적용된다. 제 1천공부(42)는 볼시편(14)과 평판시편(10)사이에 작용하는 하중을 측정하기 위한 것이고, 제 2천공부(43)는 평판시편(10)의 마찰력을 측정하기 위한 것이다. 천공부(42, 43)가 센싱블럭(41)에 가해지는 작용하중 및 마찰력에 의해 그 형상이 변형되면서 천공부(42, 43)에 각각 설치된 스트레인 게이지(미도시)의 저항치가 변하게 되고, 이 저항치의 변화를 기초로 제어부(100)에서 작용하중 및 마찰력의 세기를 측정하게 되는데, 이와 같이 하중점에 작용하는 2축 이상의 힘 또는 모멘트를 동시에 측정하는 2축 이상의 다축 로드셀은 외압측정기술분야에서 이미 널리 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

다축 로드셀(40)의 센싱블럭(41)의 저면에는 상기 볼시편(14)을 지지하는 지지브라켓(16)이 고정된다.

한편, 측정수단지지블럭(44)의 타단에는 대략 역"ㄷ"자 형상의 힌지블럭(45)이 일체로 결합된다. 힌지블럭(45)은 전후로 평행하게 배치되고 상호 소정거리 이격된 전면판(45a) 및 후면판(45b)과, 이들 판(45a, 45b)을 연결하는 측면판(45c)으로 이루어진다.

측정수단지지블럭(44)과 힌지블럭(45)에 의해 둘러싸여져 제공되는 공간내로 대략 역"ㄱ"자 형상의 승강대(46)가 위치한다. 승강대(46)는 힌지블럭(45)의 전면판(45a) 및 후면판(45b)과 각각 힌지핀(47)에 의해 결합되는 수평부(46a)와, 수평부(46a)의 일단에서 수직으로 하측연장되는 수직부(46b)를 포함한다.

승강대(46)의 수평부(46a)에는 다축 로드셀(40)의 수직위치를 조절하기 위한 상하위치조절나사(48)가 관통결합되고, 상하위치조절나사(48)는 베이스 플레이트(1)상에 고정된 고정블럭(49)내로 연장되어 나사결합된다.

상하위치조절나사(48)의 소정부위에는 승강대(46)의 수평부(46a)를 지지하기 위한 지지턱(48a)이 형성되어 있다.

승강대(46)의 수직부(46b)와 고정블럭(49)의 사이에는 볼슬라이드 등과 같은 직선운동가이드부재(50)가 설치된다.

이에 의해, 상하위치조절나사(48)를 돌리면, 고정블럭(49)과의 나사결합에 의해 상하위치조절나사(48)는 회전과 동시에 상승 또는 하강하게 되며,조절나사(48)의 지지턱(48a)상에 접촉하고 있는 승강대(46) 및 승강대(46)와 힌지핀(47)에 의해 연결된 측정수단지지블럭(44)과 다축 로드셀(40)이 함께 승강하게 된다. 이 때, 볼슬라이드(50)에 의해 고정블럭(49)과 연결된 승강대(46)는 수평방향으로의 요동이 방지되며, 정확한 수직이동이 가능해진다.

힌지블럭(45)의 측면판(45c)에는 소정길이의 로드(54)가 결합되어 있고, 이 로드(54)에는 소정무게의 균형추(52)가 로드(54)를 따라 이동가능하도록 설치되어 있다. 전자석(32)에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 로드(54)에 설치된 균형추(52)의 위치를 이동시킴으로써, 힌지핀(47)을 중심으로 다축 로드셀(40)과 균형추(52)가 수평을 이루도록 하여 다축 로드셀(40)이 무부하상태를 유지하는 제로셋팅(zero setting)을 하게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(100)는 마이크로 프로세서(110)와, 마이크로 프로세서(110)의 제어에 따라 직류모터(22)와 전자석(32)의 작동을 각각 제어하기 위한 모터구동회로(120)와 전자석구동회로(130)를 포함한다.

상기 다축 로드셀(40)의 제 1천공부(42)와 제 2천공부(43)에 의해 각각 계측한 작용하중값과 마찰력값은 증폭기(102)를 통해 마이크로 프로세서(110)로 전달된다.

상기 모터구동회로(120)는 엔코더(29)로부터 출력된 직류모터(22)의 회전방향펄스(CW/CCW)와 기준펄스(CLK)를 카운트하는 반전카운터(121)와, 반전카운터(121)에서 출력된 신호와 마이크로 프로세서(110)에서 설정한 평판시편지지대(12)의 스트로크값을 비교하는 컴퍼레이터(comparator, 122)와, 평판시편지지대(12)의 출발위치와 최대스트로크한계(바람직하게는, 10mm)를 설정하기 위한 리미트 스위치(123)와, 평판시편지지대(12)의 위치정보와 리미트스위치(123)의 출력신호 및 마이크로 프로세서(110)에서 설정된 평판시편지지대(12)의 이동속도값을 입력받아 직류모터(22)의 회전방향제어신호와 속도제어신호를 생성하기 위한 제어용 롬(124)과, 제어용 롬(124)으로부터 출력된 제어신호에 따라 직류모터(22)의 구동을 제어하는 모터컨트롤러(125)를 포함한다.

상기 전자석구동회로(130)는 전자석(32)에 인가되는 전압을 일정하게 유지시켜 주기 위한 컴퍼레이터(132)와 저항(134)을 포함한다.

이하에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 마찰실험장치의 작동을 설명하기로 한다.

평판시편지지대(12)와 볼시편지지브라켓(16)에 각각 평판시편(10)과 볼시편(14)을 장착하고, 시편크기 등의 조건에 따라 상하위치조절나사(48)를 회전시켜 다축 로드셀(40) 및 로드셀지지블럭(44) 등의 전체 부하장치의 높이를 조절한다. 로드(54)에 구비된 균형추(52)의 위치를 이동시켜 다축 로드셀(40)과 균형추(52)가 힌지핀(47)을 중심으로 균형을 이뤄 무부하상태가 되도록 제로셋팅을 한다.

직류모터(22)에 전류가 인가되어 구동하면, 직류모터(22)의 구동력은 감속장치(24)와 커플링(26)을 통해 볼스크류(28)로 전달되어 볼스크류(28)를 회전시킨다. 볼스크류(28)의 회전에 의해, 연결판(18)이 볼스크류(28)의 길이방향을 따라 직선왕복운동을 하게 되고, 연결판(18)에 고정된 평판시편지지대(12) 및 평판시편(10)은 소정의 스트로크로 직선왕복운동을 하게 된다. 이 때, 연결판(18)은 베이스 플레이트(1)상에 고정된 볼슬라이드(19)에 의해 정확한 직선이동이 이루어지게 된다.

동시에, 반전카운터(121)는 엔코더(29)로부터 출력된 직류모터(22)의 회전방향펄스(CW/CCW)와 기준펄스(CLK)를 카운트한다. 반전카운터(121)의 출력신호값과 마이크로 프로세서(110)에서 설정한 평판시편지지대(12)의 스트로크값을 컴퍼레이터(122)에서 비교하여 평판시편지지대(12)의 이동량을 검출한다.

리미트 스위치(123)로부터 출력된 평판시편지지대(12)의 출발위치신호와 컴퍼레이터(122)에서 출력된 평판시편지지대(12)의 이동량신호로부터 제어용 롬(124)은 평판시편지지대(12)의 위치를 산출한다. 제어용 롬(124)은 산출된 위치정보를 마이크로 프로세서(110)로 출력하고, 위치정보로부터 직류모터(22)의 회전방향제어신호를 생성하여 모터콘트롤러(125)로 전달한다.

마이크로 프로세서(110)는 설정된 평판시편지지대(12)의 이동속도값을 제어용 롬(124)으로 전달한다. 제어용 롬(124)은 평판시편지지대(12)의 위치정보와 이동속도값을 연계하여 모터속도제어신호를 생성하여 모터콘트롤러(125)로 전달한다. 예를 들어, 리미트 스위치(123)에 의해 설정된 출발위치로부터 소정의 스트로크를 왕복이동하는 평판시편지지대(12)가 출발위치 또는 스트로크한계위치에 이르렀을 때에는 직류모터(22)의 구동이 잠시 정지되어야 한다.

상기와 같은 직류모터(22)의 구동제어방식에 의해, 평판시편지지대(12)의 이동스트로크는 10mm 이하, 이동속도는 6mm/sec 이하를 구현할 수 있고, 스트로크의 분해능은 10㎛를 얻을 수 있게 된다.

한편, 전자석(32)에 전압이 인가되면, 전자석(32)의 권선된 코일에 자력이 발생하고, 자력에 의해 작동자(34)가 하측으로 당겨지게 된다. 이에 의해, 작동자(34)의 상단에 결합된 측정수단지지블럭(44) 및 지지블럭(44)에 결합된 다축 로드셀(40)이 힌지핀(47)을 축으로 하측으로 선회하게 된다. 따라서, 다축 로드셀(40)의 저면에 브라켓(16)에 의해 부착된 볼시편(14)은 소정의 하중을 받으며 평판시편(10)과 접촉하게 된다. 시편들(10, 14)사이에 가해지는 하중은 다축 로드셀(40)의 제 1천공부(42)에 의해 측정되고, 그 측정값은 증폭기(102)를 통해 증폭된 후 마이크로 프로세서(110)에 입력된다. 마이크로 프로세서(110)는 다축 로드셀(40)에 의해 계측된 실제하중값과 기설정된 기준하중값을 비교하여 그 차이만큼 전자석(32)에 공급되는 전압을 제어한다. 전자석(32)에 인가되는 전압은 컴퍼레이터(132)와 저항(134)에 의해 일정하게 유지된다. 이와 같이, 전자석(32)에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 전자석(32)에 발생하는 자력의 크기를 변화시킴으로써 시편들(10,14) 사이에 가해지는 작용하중을 연속적으로 정밀하게 조절할 수 있다. 상기와 같은 하중제어방식에 의해, 작용하중범위는 0.005N~5N, 분해능은 0.001N으로 구현할 수 있다.

또한, 볼시편(14)과 평판시편(10)사이의 마찰력값은 다축 로드셀(40)의 제 2천공부(43)에 의해 측정되어 증폭기(102)를 통해 증폭된 후 마이크로 프로세서(110)에 입력된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 마찰실험장치는 시편들사이의 작용하중, 마찰력 그리고 시편의 위치 등 총 3가지의 데이터의 계측이 가능하고, 이들 신호값을 바탕으로 시편의 마찰특성을 연구할 수 있게 된다. 더욱이, 계측된 작용하중값과 마찰력값을 이용하여 마찰면의 마찰계수를 계산해낼 수 있으며, 실험진행에 따른 마찰계수의 변화를 고찰함으로써, 시편의 마찰특성을 분석할 수 있는 효과가 있다.

또한, 작용하중범위는 0.005N~5N로 설정가능하고, 평판시편의 이동스트로크 범위는 10㎛~10mm로 설정가능함으로써, 고정밀제어가 가능하므로 미소기계의 초소형 부품의 마찰특성연구에 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 볼시편과 평판시편 사이에 작용하는 하중과 마찰력을 측정하기 위한 수단으로서 다축 로드셀을 적용함으로써, 상대적으로 실험장치의 구조가 간단해지고, 측정신뢰도가 높아지는 이점이 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims

평판시편을 지지하기 위한 평판시편지지대와;

상기 평판시편지지대를 소정의 스트로크로 직선왕복운동시키기 위한 구동수단과;

상기 구동수단과 상기 평판시편지지대를 연결하기 위한 동력전달수단과;

상기 구동수단에 설치되어 상기 구동수단의 구동상태를 측정하기 위한 감지수단과;

상기 평판시편지지대의 상측에 위치하고, 볼시편을 지지하기 위한 볼시편지지브라켓과;

상기 볼시편에 소정의 하중을 가하여 상기 평판시편과 접촉하도록 하는 하중인가수단과;

상기 볼시편지지브라켓과 상기 하중인가수단 사이에 설치되어, 상기 볼시편과 평판시편 사이에 작용하는 하중과 마찰력을 측정하기 위한 다축 로드셀과; 그리고

상기 구동수단 및 하중인가수단의 작동을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰실험장치.
제 1항에 있어서, 상기 구동수단은 직류모터이고,

상기 감지수단은 엔코더이며,

상기 하중인가수단은 전압인가시 자력을 발생하기 위한 전자석과, 상기 전자석의 자력영역에 일부가 위치하여 자력에 의해 직선이동하며 상기 다축 로드셀과 연결된 작동자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰실험장치.
제 2항에 있어서, 상기 동력전달수단은 상기 직류모터의 구동력에 의해 회전하는 볼스크류와, 상기 볼스크류에 결합되어 상기 볼스크류의 회전운동에 따라 직선왕복운동을 하며 상면에 상기 평판시편지지대가 고정되는 연결판을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰실험장치.
제 2항에 있어서, 상기 제어부는

마이크로 프로세서와,

상기 엔코더로부터 출력된 상기 직류모터의 회전방향펄스와 기준펄스를 카운트하기 위한 반전카운터와, 상기 반전카운터에서 출력된 신호와 상기 마이크로 프로세서에서 설정한 상기 평판시편지지대의 스트로크값을 비교하여 상기 평판시편지지대의 위치정보를 산출하기 위한 컴퍼레이터와, 상기 평판시편지지대의 출발위치와 최대스트로크한계를 설정하기 위한 리미트 스위치와, 상기 평판시편지지대의 위치정보와 상기 리미트스위치의 출력신호 및 상기 마이크로 프로세서에서 설정된 상기 평판시편지지대의 이동속도값을 입력받아 상기 직류모터의 회전방향제어신호와 속도제어신호를 생성하기 위한 제어용 롬과, 상기 제어용 롬으로부터 상기 회전방향제어신호와 속도제어신호를 입력받아 상기 직류모터의 구동을 제어하기 위한 모터컨트롤러로 이루어진 모터구동회로와,

상기 전자석에 인가되는 전압을 일정하게 유지시켜 주기 위한 컴퍼레이터와 저항으로 이루어진 전자석구동회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰실험장치.
제 1항에 있어서, 상기 다축 로드셀의 일측에 힌지결합되며 승강가능하게 구비된 승강대와, 상기 승강대의 승강을 안내하기 위해 바닥에 고정된 고정블럭과, 상기 고정블럭내에 나사결합되고 상기 승강대에 연결되어 상기 승강대와 다축 로드셀의 수직위치를 조절하기 위한 상하위치조절나사와, 힌지부를 중심으로 상기 다축 로드셀과 수평을 이루도록 상기 다축 로드셀의 일단에 연결된 균형추를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰실험장치.