KR200430010Y1 - 경기장 바닥 충격 측정용 디지털 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 축구장 및 야구장 등의 실외 경기장의 인공잔디, 실내체육관의 마루바닥재 및 육상경기 트랙의 복합탄성재의 충격흡수, 수직변형, 면적변위를 측정하는 디지털 충격시험장치에 관한 것이다.

디지털 충격시험장치의 구조를 단순화하고 조작을 자동화함으로써 정확한 시험결과를 보장하는 측정장치의 구현이 본 고안의 목적이다.

본 디지털 충격측정시험장치는 안내 기둥을 3개 또는 4개로 설치하고 그 안쪽에 추 20kg를 넣어 상하로 자유롭게 움직일 수 있게 하고 전자석을 이용한 스테핑 모터를 장착하여 디지털 윈치에 걸고 시험발 위에 로드셀(Load Cell)과 스프링을 장착하여 20kg의 추를 낙하시켜 로드셀(Load Cell)에서 나오는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변화시킨 후 증폭하여 순간적인 신호를 램(RAM memory)에 기억시켜 마이크로 콘트롤러에 전송하여 RS 232C 또는 USB를 통해 노트북이나 PC의 시스템 소프트웨어에 의한 연산처리를 실시하도록 되어있다.

3 또는 4개의 추를 안내기둥 안쪽에 설치함으로써 구조가 단순하고 제작이 용이하며 사용이 간편하고 유지보수가 쉬운 장점이 있으며, 디지털 윈치와 전자석을 설치함으로써 데이터를 검출함으로 인해 추의 높이를 정확하고 정밀하게 조정할 수 있도록 하였으며, 시험하고자 하는 전 과정을 자동화함으로써 시험자 개인의 착오나 실수를 최대한 배제하여 시험 전 과정을 단축할 수 있는 효과가 있다.

경기장 바닥, 충격흡수, 수직변형, 면적변위, 안내 기둥, 전동윈치, 전산처리 및 소프트웨어에 의한 결과 검출

Description

경기장 바닥 충격 측정용 디지털 시험장치{Digital apparatus for impact force and deformation/deflection measurements for sporting floors}

제1도는 종래 기술에 의한 충격 측정 시험장치의 개념도

제2도는 본 고안에 의한 디지털 충격 측정 시험장치의 개념도

제3도는 본 고안의 디지털 충격 측정 시험장치의 제어/기록장치 개략도

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〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 안내 기둥 (guide rail, 2개)

2 : 전자석 (electromagnet)

3 : 추 (weight : 20kg)

4 : 안내관 (guide tube)

5 : 시험 머리 (시험-발, head of test foot)

6 : 용수철 (spring)

7 : 로드셀 (load cell)

8 : 바닥 (bottom)

9 : 핸들 (screw handle)

11 : 안내 기둥 (3 또는 4 개)

22 : 전자석

33 : 추

44 : 링

55 : 전동윈치(digital winch)

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본 고안은 경기장 바닥 규격 및 측정 (Floors for sporting activities requirements, testing)을 규정하는 독일의 DIN 18032-2의 6.2 충격 흡수(Force reduction), 6.3 수직 변형, 6.4 면적 변위 등의 규격 측정 장치에 대한 것이다. 경기장 바닥에 시험 머리(시험-발, head of test foot, 5)를 올려놓고 무게 20 kg 되는 추(weight)를 일정 높이까지 들어올렸다가 떨어뜨려 충격을 가하고 시험 머리(시험-발, head of test foot, 5)가 받는 충격을 측정하여 경기장 바닥이 충격을 흡수하는 정도를 측정한다. 그리고 수직 변형이나 면적 변위는 시험 머리에 충격을 주었을 때 시험 머리 자체 또는 주변 바닥이 내려가는 정도를 측정하여 결정한다. 경기장 바닥이 그 경기장의 용도에 따라 규정된 충격 흡수와 수직 변형 및 면적 변위 규격을 충족하여야 공식 경기장으로 인정된다.

종래 장치에서는 도 1에서처럼 안내 기둥(guide rail, 1) 두 개에 끼운 추(weight, 3)를 전자석(electromagnet, 2)으로 잡고, 핸들(screw handle, 9)을 손으로 돌려서 일정 높이로 들어 올린 다음, 전자석(2)의 전원을 꺼서 추(3)를 떨어뜨린다. 떨어지는 추(3)가 안내관(guide tube, 4) 안에 넣어둔 머리(5)를 때리면 충격이 용수철(spring, 6), 로드셀(load cell, 7), 바닥(bottom, 8)을 거쳐 경기장 바닥에 전달되고 로드셀(7)로 충격을 감지한다.

손으로 핸들(9)을 돌려서 무게 20 kg 추(3)를 일정 높이로 들어올려야 하므로 큰 힘이 필요하고, 들어올리는 높이를 정확하게 맞추기 어렵고, 매번 그 높이를 확인하여야 한다. 두 안내 기둥(1)과 넓적한 추와 머리(5)로 둘러싸인 협소한 곳에서 머리(5)에서 추(3)의 하단까지의 거리를 정확하게 측정하기란 용이한 일이 아니다.
두 안내 기둥(1)에 끼운 추(3)의 상하 운동을 원활하게 하려면 추(3)에 직선운동 베어링을 설치해야 하고 두 안내 기둥(1)의 평행도가 정확히 맞아야하므로 장치 제작이 까다로울 뿐 아니라 최상의 상태를 유지하도록 세심한 관리가 필요하다. 그리고 추(3)에 안내 기둥(1)을 끼우므로 추의 지름이 커져야하고, 안내 기둥(1)을 끼울 구멍을 두 개를 정확한 간격으로 평행하게 뚫고 직선운동 베어링을 장착해야하는 어렵고 까다로운 가공 공정이 필요하다.

본 고안의 충격 측정 디지털 시험장치는 경기장 바닥에 충격을 가하는 도 2의 충격 측정 디지털 시험장치와 충격 장치를 제어하고 자료를 수치화하여 기록하는 도 3의 충격 측정 디지털 시험장치의 제어/기록장치로 구성되어 있다. 제어/기록 장치는 추를 일정 높이로 들어올린 다음 떨어뜨려 시험 머리(5)의 충격과 수직 변형 또는 면적 변위(그림 없음)를 측정하여 기록하게 마이크로콘트롤러를 중심으로 구성하고 RS-232C 또는 USB 통신선으로 외부 노트북 또는 개인용 전산기에 연결하여 시험 과정을 관리하고 결과를 읽어서 보고하게 된다.

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충격 측정 디지털 시험장치(도 2)에서 추의 움직임을 수직 방향으로 유지하는 안내 기둥(11)을 3 또는 4 개를 세우고 그 안쪽에 추(33)를 설치하게 고안하였다. 안내 기둥과 추 사이의 마찰을 줄이기 위하여 추의 아래와 위에 마찰계수가 작은 테플론이나 구리합금 링(44)을 두르고, 링과 기둥 사이에 0.1 mm 정도의 간격을 두어 마찰이 거의 없는 상태에서 추(33)가 수직으로 떨어지게 하여 추와 안내 기둥의 구조를 단순화하였다. 안내관(4) 이하 시험 머리(5), 용수철(6), 로드쎌(7), 바닥(8)은 규격에 규정되어 있으므로 종래의 장치와 동일하다.

추를 들어올리는 전자석(22)은 와이어로 연결된 기어 감속 스테퍼 모터(geared stepper motor)로 구동되는 전동윈치(digital winch, 55)에 걸어서 무거운 추를 정확하게 규정된 높이로 들어올릴 수 있게 하였다. 그리고 추를 들어올린 높이를 정확하게 제어할 수 있도록 한 스텝씩 모터를 돌려 조금씩 추를 들면서 추와 시험 머리의 접촉 여부를 확인(도 3의 접촉 검출 부분)하여 접촉이 끊어진 때부터 일정 높이를 들어올리게 프로그램(도 4)하여 매번 추의 높이를 확인할 필요 없이 정확하게 규정된 높이를 유지하게 하였다. 모든 시험은 추를 일정 높이까지 들어올렸다가 떨어뜨린 다음 충격과 변위를 측정하기를 1 분 이내에 거듭하기를 3회에 걸쳐서 시행하고 첫 결과는 버리고 나머지로 평균치를 구하여 보고하게 되어있다.

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추(33)를 안내 기둥(11) 3 또는 4 개 사이에 넣으면 20 kg 으로 무거운 추(3)의 가공이 매우 간단하여 제작하기 쉬울 뿐만 아니라 안내 기둥은 추를 수직 방향으로만 움직이게 함으로써 종래의 장치보다 가늘어도 되므로 장치의 무게를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 구조가 단순하므로 직선 운동 베어링의 주유 등의 번거로운 절차가 필요 없는 등 유지 관리가 손쉬워진다.

스테퍼 모터는 한 스텝씩 회전 시켜 멈추게 할 수 있는 모터이므로 추의 높이를 한 스텝씩 조절할 수 있으므로 매우 높은 정밀도로 추의 높이를 제어할 수 있다. 즉, 한 바퀴에 200 스텝인 모터에 기어 감속비가 50:1이고 전동윈치(55)의 둘레가 200 mm인 경우에는 모터의 한 스텝이 전동윈치(55)가 감아올리는 높이는 0.02 (200/[200 x 50]) mm로 매우 작아서 규격의 높이 허용오차 +/- 0.1 mm 이내로 정확하게 제어할 수 있다.

시험 머리와 추의 하단의 접촉 여부를 확인하면서 한 스텝씩 들어올리다가 시험 머리와 추의 접촉이 끊어진 다음 일정한 스텝을 돌려서 추를 들어올리면 정확하게 추의 높이를 맞출 수 있다. 따라서 사람이 스크류를 돌려서 추를 들어올리기보다 더욱 정밀하고 정확하게 추의 높이를 제어할 수 있고 매번 추의 높이를 확인할 필요도 없다.

추 들기에서 떨어뜨리고 충격과 변형 또는 변위를 측정 기록하는 시험의 전 과정을 프로그램화 하여서 규정된 시간 안에 시험을 거듭하는, 종래의 수동 장치에서는 어려웠던 시험의 전 과정의 자동화가 가능하게 되었다. 그리고 시험을 자동화함으로써 시험자의 개인적인 실수를 배제하고 더욱 정확한 경기장 바닥 충격 측정 시험이 가능하게 되었다.

Claims (4)

1. 충격 측정용 로드셀(7)을 갖춘 머리(5), 충격을 주는 추(33), 추를 잡거나 놓는 전자석(22), 전자석을 들어 올리는 전동윈치(55) 등으로 구성된 경기장 바닥 디지털 충격 측정 시험장치에 있어서,

   안내 기둥(11) 3 또는 4 개 안에서 상하 운동만 하도록 추(33)와 전동윈치(55)를 갖춘 구조;

   상기 추(33)에 황동 또는 테플론 등의 마찰 계수가 작은 링(44)을 둘러서 상하 운동이 자유로운 추(33);

   상기 추(33)를 잡아 올리고 떨어뜨리는 전자석(22);

   상기 전자석(22)을 올리고 내리는 목적의 전동윈치(55); 및

   상기 시험 머리의 충격 신호를 디지털화하고, 측정 장치의 전 기능을 제어하는 신호 처리/ 제어/ 기록 모듈을 갖춘 경기장 바닥 충격 측정용 디지털 시험장치.
2. 제 1항에 있어서, 감속 스테퍼 모터를 사용한 전동윈치(55)를 갖춘 경기장 바닥 충격 측정용 디지털 시험장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 시험 머리와 추의 전기 접촉을 검출하는 수단을 갖추어 정확하게 추의 높이를 제어할 수 있는 경기장 바닥 충격 측정용 디지털 시험장치.
4. 삭제

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