KR20120108787A - 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능한 피로시험기 - Google Patents

액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능한 피로시험기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피로시험기에 관한 것으로서, 시편에 대하여 인장 및 압축 하중을 부여하기 위한 액츄에이터로서 종래의 랙-피니언 기어 및 서보모터 방식이나 유압서보 방식, 공압서보 방식 등의 액츄에이터를 배제하고 대신 추력 특성이 우수하면서 고속 및 고정밀 제어가 가능한 횡자속 선형 전동기를 사용함으로써, 백래쉬(backlash)로 인한 낮은 정밀도 문제, 유압 및 공압 주변장치로 인한 장치 구성의 복잡성 문제가 해결될 수 있고, 소형화 및 경량화가 가능해지는 피로시험기에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 피로시험기에서 액츄에이터는 시편에 하중을 전달하는 액츄에이터 로드 측의 자중으로 인한 영향을 제거해주는 추력보상장치를 구비하는 것에 주된 특징이 있다.

Description

액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능한 피로시험기{Fatigue testing machine using transverse flux linear motor}
본 발명은 피로시험기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 시편에 대해서 인장 및 압축 하중을 부여하여 피로한계를 측정할 수 있는 피로시험기에 관한 것이다.
일반적으로 피로시험기는 여러 종류의 시편에 대해서 인장과 압축, 비틀림 등의 각종 피로한계를 초고속, 초정밀 반복 시험을 통하여 정확하게 측정할 수 있도록 하는 기구이다.
첨부한 도 1은 통상적인 피로시험기의 일례를 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이, 통상의 피로시험기(10)는 인장 및 압축 하중을 부여하기 위한 액츄에이터(100)가 설치되는 본체(11), 상기 본체(11)와 대향된 위치에서 컬럼(column)(13)에 의해 연결되어 설치되는 크로스헤드(12), 상기 본체(11)와 크로스헤드(12) 사이에서 시편을 고정하기 위한 지그(14,15)를 포함한다.
여기서, 크로스헤드(12)는 본체(11)에 대하여 별도 액츄에이터(크로스헤드 상하 구동용 액츄에이터)에 의해 상기 컬럼(13)을 따라 상하 이동 가능하도록 설치될 수 있으며, 크로스헤드(12)의 저면부 중앙에는 하중계(load cell)(16)가 설치된다.
상기 지그(14,15)는 크로스헤드(12)측으로 설치되는 상부지그(14)와, 본체(11)측으로 설치되는 하부지그(15)의 한 쌍으로 구성되며, 통상 상부지그(14)는 크로스헤드(12)에 설치된 하중계(16)에 연결되어 설치되고, 하부지그(15)는 본체(11)에서 인장, 압축 하중을 부여하기 위한 액츄에이터(100)에 의해 상하 이동하는 로드(17)에 설치된다.
상기 본체(11)에서 인장, 압축 하중을 부여하기 위한 액츄에이터(100)로는 랙-피니언 기어 및 서보모터 방식, 유압서보 방식, 공압서보 방식이 적용될 수 있으며, 이들 액츄에이터(100)에 의해 로드(17)가 상하로 이동하면서 상부지그(14) 및 하부지그(15)에 고정된 시편에 반복적인 인장, 압축 하중을 부여하게 된다.
상기와 같이 피로시험기에 구비되는 종래의 액츄에이터에서 랙-피니언 기어 및 서보모터 방식 또는 유압서보 방식의 경우 저속이면서 과도한 소음 발생이 단점으로 지적되고 있고, 특히 유압서보 방식은 오일을 사용하는 유압 구동의 특성상 오일저장부, 펌프, 밸브 및 배관 등 주변장치들이 필요하여 구성이 복잡하고 부피와 무게, 가격이 증가하는 문제가 있다.
또한 공압서보 방식의 경우 시험속도는 빠르나 과도한 소음과 더불어 정밀도가 낮은 단점을 가진다.
이에 액츄에이터를 개선한 새로운 형태의 피로시험기가 필요하게 되었다.
따라서, 본 발명은 피로시험기에서 종래의 액츄에이터가 가지는 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 시편에 대하여 인장 및 압축 하중을 부여하기 위한 액츄에이터로서 종래의 랙-피니언 기어 및 서보모터 방식이나 유압서보 방식, 공압서보 방식 등의 액츄에이터를 배제하고 대신 추력 특성이 우수하면서 고속 및 고정밀 제어가 가능한 횡자속 선형 전동기를 사용함으로써, 백래쉬(backlash)로 인한 낮은 정밀도 문제, 유압 및 공압 주변장치로 인한 장치 구성의 복잡성 문제가 해결될 수 있고, 소형화 및 경량화가 가능해지는 피로시험기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 횡자속 선형 전동기를 이용함에 있어서 횡자속 선형 전동기에 의해 구동되는 액츄에이터 로드 측의 자중으로 인한 영향을 제거해줄 수 있는 하중 보상형 피로시험기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 시편에 하중을 부여하기 위한 액츄에이터가 설치되는 본체와, 상기 본체와 대향된 위치에 설치되는 크로스헤드와, 상기 본체와 크로스헤드 사이에서 시편을 고정하기 위한 지그를 포함하는 피로시험기에 있어서, 상기 액츄에이터는, 상기 지그에 연결되고 하기 횡자속 선형 전동기에 의해 상하로 전후진 구동되며 횡자속 선형 전동기에서 발생하는 추력을 시편에 전달하여 인장 또는 압축 하중을 인가하는 액츄에이터 로드와; 상기 본체 내부에서 액츄에이터 로드의 진행방향에 대하여 전후 위치가 고정되도록 설치되는 프레임과; 상기 액츄에이터 로드와 프레임 사이에 구성되어 전후 위치가 고정된 상기 프레임으로부터 액츄에이터 로드를 전후진 구동시키는 횡자속 선형 전동기와; 상기 액츄에이터 로드에 자중에 대한 보상 하중을 제공하여 시편에 전달되는 하중을 액츄에이터 로드 측의 자중으로 인한 하중만큼 보상해주는 추력보상장치와; 상기 횡자속 선형 전동기의 구동 및 추력 제어를 수행하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능한 피로시험기를 제공한다.
여기서, 상기 추력보상장치는, 상기 액츄에이터 로드를 지지하는 동시에 상단이 액츄에이터 로드의 하단부에 체결되어 액츄에이터 로드의 진행방향으로 인장 또는 압축 가능하도록 설치되고 자중에 대한 보상 하중을 액츄에이터 로드에 전달하는 보상 스프링과; 상기 보상 스프링을 하측에서 지지하도록 설치되는 동시에 보상 스프링의 지지 높이를 조절 가능하도록 구비되어 상기 보상 스프링을 통해 보상 하중이 제공되도록 하는 위치조정기구와; 상기 보상 스프링의 길이 변화를 검출하여 상기 컨트롤러에 입력하는 길이변화 검출용 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 위치조정기구는, 상기 본체 내부에 고정 설치되는 지지대와; 상기 보상 스프링을 지지하는 상단이 보상 스프링의 하단과 체결 및 체결 해제가 가능하도록 연결되고 상기 지지대에서 상하로 높이 조정이 가능하도록 지지대를 상하로 관통하여 나사 체결되는 스크류 부재;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 컨트롤러는 길이변화 검출용 센서에 의해 검출되는 보상 스프링의 길이변화량과 미리 입력 저장된 상기 보상 스프링의 고유 정보 데이터를 기초로 하여 보상 스프링에 의해 가해지는 스프링 힘을 산출하고, 상기 스프링 힘을 이용하여 횡자속 선형 전동기의 발생 추력을 제어하기 위한 추력명령 값을 보상하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보상 스프링의 고유 정보 데이터는 상기 스프링 힘에 대해 보상 스프링의 길이가 선형적으로 변화하는 선형 구간에서의 스프링 상수 데이터인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 보상 스프링의 고유 정보 데이터는 상기 스프링 힘에 대해 보상 스프링의 길이가 선형적으로 변화하는 선형 구간 및 비선형적으로 변화하는 비선형 구간에서의 데이터로서, 상기 길이변화량과 각 길이변화량에 상응하는 스프링 힘의 데이터인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 횡자속 선형 전동기는 액츄에이터 로드에 일체로 구비되는 이동자와, 상기 프레임에 일체로 구비되는 고정자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 프레임은 액츄에이터 로드 및 이동자를 둘러싸는 관 구조로 구비되고, 상기 이동자가 상기 액츄에이터 로드의 중앙 바디부에, 상기 고정자가 상기 이동자와 공극을 사이에 두고 대향된 위치의 프레임 내측면에 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 서로 대향된 위치의 상기 이동자와 고정자로 이루어진 이동자-고정자 조합의 복수개가 상기 액츄에이터 로드를 중심으로 하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 액츄에이터 로드의 전후 위치를 검출하도록 설치되는 위치센서를 더 포함하고, 상기 컨트롤러가 위치센서를 통해 검출되는 액츄에이터 로드의 위치정보를 기초로 하여 상기 횡자속 선형 전동기의 구동 제어 및 액츄에이터 로드의 전후 위치 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 피로시험기에 의하면, 지그에 고정된 시편에 대하여 인장 및 압축 하중을 부여하기 위한 액츄에이터로서 추력의 다양한 제어가 가능한 횡자속 선형 전동기를 채용함으로써, 고속, 고정밀의 장치 구성이 가능해지고, 유공압 방식에 비해 장치 구성이 간단해지므로 소형화 및 경량화가 가능해지는 이점이 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 피로시험기에서는 횡자속 선형 전동기에 의해 구동되는 액츄에이터 로드 측의 자중으로 인한 영향을 제거해줄 수 있는 추력보상장치를 구비함으로써, 보다 정확한 하중 인가 및 시험 측정이 가능해지는 효과가 있게 된다.
도 1은 통상적인 피로시험기의 일례를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피로시험기에서 액츄에이터의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 액츄에이터의 구성을 나타내는 분해사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 액츄에이터에서 프레임의 일측면과 이에 설치되는 고정자를 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 액츄에이터에서 고정자와 이동자의 배치상태를 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 액츄에이터의 종단면도이다.
도 7은 도 2에 도시된 액츄에이터에서 횡자속 선형 전동기의 고정자 및 이동자 구성을 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피로시험기에서 액츄에이터의 구동을 제어하는 컨트롤러의 구성 및 제어방법을 나타내는 블록도이다.
도 9a와 도 9b는 선형 구간과 비선형 구간에서 하드닝 스프링과 소프트닝 스프링의 특성을 예시한 개략 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 시편에 대해서 인장 및 압축 하중을 부여하여 피로한계를 측정하는 피로시험기에 관한 것으로서, 특히 시편에 하중을 부여하기 위한 액츄에이터를 개선하여 종래 랙-피니언 기어 및 서보모터 방식이나 유압서보 방식, 공압서보 방식 등의 액츄에이터가 가지는 문제점을 해결하고자 한 것이다.
특히, 본 발명의 피로시험기는 상기 액츄에이터로서 추력 특성이 우수하고 고속 및 고정밀 제어가 가능한 횡자속 선형 전동기를 채용하는 것에 주된 특징이 있는 것으로, 횡자속 선형 전동기를 이용하는 경우 백래쉬(backlash)로 인한 낮은 정밀도 문제, 유압 및 공압 주변장치로 인한 장치 구성의 복잡성 문제가 해결될 수 있으며, 소형화 및 경량화하여 장치를 구성할 수 있는 이점이 있다.
또한 구동부 제어 및 시편에 가해지는 하중 제어가 전원 제어를 통해 가능해지므로 유압 및 공압서보 방식에 비해 장치 제어가 단순해지고 간단해진다.
본 발명의 피로시험기에서 액츄에이터는 횡자속 선형 전동기를 채용하되, 상기 횡자속 선형 전동기의 발생 추력에 의해 상하로 전후진 구동되어 시편에 하중을 전달하는 액츄에이터 로드를 가지며, 이와 더불어 시험 동안 액츄에이터 로드 측의 자중으로 인한 영향이 제거될 수 있도록 시편에 전달되는 하중을 액츄에이터 로드 측의 자중으로 인한 하중만큼 보상해주는 추력보상장치를 구비하는 것에 주된 특징이 있다.
본 발명에 따른 피로시험기(10)에서 인장 및 압축 하중을 부여하기 위해 구동하는 액츄에이터(100)의 구성, 즉 본 명세서에서 상세히 설명되는 바와 같이 횡자속 선형 전동기(130)를 채용한 구성을 제외하고는, 액츄에이터(100)가 설치되는 본체(11), 본체(11)와 대향된 위치에서 컬럼(column)(13)에 의해 연결되어 설치되는 크로스헤드(12), 본체(11)와 크로스헤드(12) 사이에서 시편을 고정하기 위한 지그(14,15) 등의 구성은 통상적인 피로시험기(10)의 구성과 차이가 없다(도 1 참조).
예를 들면, 크로스헤드(12)가 본체(11)에 대하여 별도 액츄에이터(크로스헤드 상하 구동용 액츄에이터)에 의해 상기 컬럼(13)을 따라 상하로 이동 가능하게 설치될 수도 있다.
또한 크로스헤드(12)의 저면부에 하중 측정을 위한 하중계(load cell)(16)가 설치되어, 이 하중계(16)에 시편 고정을 위한 지그, 즉 상부지그(14)가 설치되고, 하중을 가하기 위해 전후진 구동하는 액츄에이터(100)의 구동부(액츄에이터 로드 측)에 하부지그(15)가 설치되는 것은 통상적인 피로시험기(10)의 구성과 차이가 없다.
이에 본 명세서에서는 본 발명의 주요 특징부인 액츄에이터의 구성에 대해서 바람직한 실시예의 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 주요 특징부를 제외한 피로시험기의 통상적인 구성요소에 대해서는 다양한 형태로 동일하게 실시가 가능하므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피로시험기에서 액츄에이터의 구성을 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 액츄에이터의 구성을 나타내는 분해사시도이며, 도 4는 도 2에 도시된 액츄에이터에서 프레임의 일측면과 이에 설치되는 고정자를 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 액츄에이터에서 고정자와 이동자의 배치상태를 나타내는 평면도이고, 도 6은 도 2에 도시된 액츄에이터의 종단면도이며, 도 7은 도 2에 도시된 액츄에이터에서 횡자속 선형 전동기의 고정자 및 이동자 구성을 나타내는 사시도이다.
우선, 도 2에 도시된 액츄에이터(100)는 도 1에 도시된 피로시험기(10)의 본체(11) 내부에 설치되는 것으로, 일단부에 하부지그(15)가 연결 설치되고 횡자속 선형 전동기(130)에 의해 상하로 전후진 구동되며 횡자속 선형 전동기(130)에서 발생하는 추력을 상부지그(14) 및 하부지그(15)에 고정된 시편에 전달하여 인장 또는 압축 하중을 인가하는 액츄에이터 로드(110)와, 상기 본체(11) 내부에서 액츄에이터 로드(110)의 진행방향에 대하여 전후 위치가 고정되도록 설치되는 프레임(120)과, 상기 액츄에이터 로드(110)와 프레임(120) 사이에 구성되어 전후 위치가 고정된 상기 프레임(120)으로부터 액츄에이터 로드(110)를 전후진 구동시키는 횡자속 선형 전동기(130)와, 액츄에이터 로드 측의 자중으로 인한 영향이 제거되도록 시편에 전달되는 하중을 상기 액츄에이터 로드(110) 측의 자중으로 인한 하중만큼 보상해주는 추력보상장치(170)와, 상기 횡자속 선형 전동기(130)의 구동 및 추력 제어를 수행하는 컨트롤러(도 8에서 도면부호 200임)를 포함한다.
여기서, 상기 횡자속 선형 전동기(130)는 액츄에이터 로드(110)의 선형 구동을 위하여 액츄에이터 로드(110)에 일체로 구성되는 이동자(131)와, 상기 프레임(120)에 일체로 구성되는 고정자(135)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 액츄에이터 로드(110) 측의 자중은 액츄에이터 로드(110) 자체와 액츄에이터 로드(110)에 일체로 설치되는 구성요소가 가지는 전체 중량을 말하며, 액츄에이터 로드(110)에 횡자속 선형 전동기(130)의 이동자(131)가 일체로 설치되므로 액츄에이터 로드(110)와 이동자(131)의 중량을 포함하는 것이 된다.
상기한 구성에서 액츄에이터 로드(110)는 횡자속 선형 전동기(130)의 이동자(131)를 구성하는 구성요소들이 일체로 설치되어 구비되며, 하부지그(15)에 직접 결합되거나 하중 전달이 가능한 별도 부품(예를 들면, 도 1에서 도면부호 17의 로드)을 중간에 개재한 상태로 하부지그(15)와 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 액츄에이터 로드(110)는 횡자속 선형 전동기(130)의 추력, 즉 상기 이동자(131)와 고정자(135) 사이의 공극에서 발생하는 추력에 의해 전후진 구동이 가능하고, 또한 상기 추력에 의해 상부지그(14)와 하부지그(15) 사이에 고정된 시편에 축방향 하중, 즉 인장 또는 압축 하중을 가할 수 있게 된다.
다음으로, 상기 프레임(120)은 전후진 동작하는 액츄에이터 로드(110)에 대해 그 진행방향인 전후방향(도면상 상하방향)으로 위치가 고정되도록 본체(11) 내에 설치되는 것으로, 특히 액츄에이터 로드(110) 및 이동자(131)를 둘러싸도록 배치되는 관 구조로 구비되며, 내부에 횡자속 선형 전동기(130)의 고정자(135)를 구성하는 구성요소들이 설치된다.
상기와 같이 액츄에이터 로드(110) 및 이동자(131)를 둘러싸도록 배치되는 프레임(120) 측은 액츄에이터 로드(110) 측과는 베어링 역할의 LM 가이드(140)에 의해 결합된 구조를 가지는데, 상기 LM 가이드(140)에 의해 전후 위치가 고정된 프레임(120)의 내부에서 액츄에이터 로드(110) 및 이에 일체로 된 이동자(131)가 축방향(하중방향), 즉 전후진 이동방향으로 안내될 수 있게 되어 있다.
상기 LM 가이드(140)는 프레임(120)에 고정된 고정자(135)와 액츄에이터 로드(110)에 고정된 이동자(131) 사이의 공극을 유지하고, 또한 시편의 고정을 위하여 액츄에이터 로드(110)를 전후로 이동시킬 때 전후 위치가 고정된 프레임(120) 및 고정자(135)에 대하여 상기 액츄에이터 로드(110) 및 이동자(131)의 전후 이동을 안정적으로 유지하면서 안내하는 역할을 하게 된다.
또한 액츄에이터 로드(110) 및 고정자(135)가 프레임(120)에 대하여 상대 회전되지 않도록 액츄에이터 로드(110) 및 고정자(135)를 잡아주는 역할을 하게 된다.
상기 LM 가이드(140)는 액츄에이터 로드(110)의 축방향, 즉 그 이동방향을 따라 길게 설치되며, 도시한 실시예와 같이, 액츄에이터 로드(110)의 중앙 바디부(111)에 설치된 LM 블럭(141)과, 이에 대향된 위치의 고정자 철심(136) 내측면에 설치된 가이드 레일(142)이 상호 결합된 형태로 구성될 수 있다.
이때, 도시된 바와 같이, 액츄에이터 로드(110)의 중앙 바디부(111)에 이동자(131)가, 그리고 그 대향된 위치의 프레임(120) 내측면에 공극을 사이에 두고 고정자(135)가 설치되므로, 상기 이동자(131)와 고정자(135) 간의 상호 작용에 방해가 되지 않는 위치에서, 액츄에이터 로드(110) 측과 프레임(120) 측의 양측 대응면에 LM 가이드(140)가 구성되며, 실시예와 같이 사방 4면에서 액츄에이터 로드(110)의 중앙 바디부(111)와 프레임(120)측의 고정자 철심(136) 사이에 LM 가이드(140)가 개재되어 결합될 수 있다.
한편, 이동자(131)와 고정자(135)는 통상적인 횡자속 선형 전동기의 구성요소들로 구성될 수 있는데, 이동자(131)는 액츄에이터 로드(110)의 중앙 바디부(111)에, 고정자(135)는 프레임(120) 내측면에 각각 고정 설치되며, 각 상의 이동자(131)와 고정자(135)가 공극을 사이에 두고 상호 대향된 위치에 배치되도록 설치된다.
도 7은 이동자(131)와 고정자(135)가 구성되는 일례를 나타내는 것으로, 각 상의 이동자(131)는 복수의 철심(132)과 복수의 영구자석(133)이 조립되어 구성될 수 있고, 이때 철심(132)들 사이에 영구자석(133)들이 삽입된 구조가 되도록 조립되며, 이때 철심(132)들을 사이에 두고 있는 이웃한 영구자석(133) 간에 자극의 방향이 역방향이 되도록 배치된다.
즉, 예시한 바의 순서대로 자극의 방향이 → ← 방향과 같이 역방향으로 번갈아 형성될 수 있도록 배치되며, 이러한 배치에 의하면 이동자(131)의 철심(132)에 N, S의 자극이 번갈아서 생기게 된다.
또한 각 상의 이동자(131)에서 이동자 철심(132) 및 영구자석(133)은, 공극에서 발생하는 추력이 액츄에이터 로드(110)의 이동방향(진행방향)으로 발생할 수 있도록, 전기적으로 위상차를 가지는 구조, 즉 이동자(131)의 극간격 τp 만큼 비틀어진 스큐(skew) 구조로 설치된다.
도면을 참조하면, 이동자 철심(132)의 양단부가 서로 스큐 구조로 인해 극간격만큼 전후 위치에 차이를 두고 위치됨을 볼 수 있다.
이에 대하여, 고정자(135)는 프레임(120) 내측면에서 이동자(131)의 진행방향을 따라 2τp의 일정 간격으로 배치되며, 이때 위상차를 가지지 않도록 진행방향의 수직인 동일 평면상에 직선상으로 배치되는 비틀림이 없는 구조로 되어 있다.
일례로, 고정자(135)는 예시한 바와 같이 이동자(131) 쪽으로 돌출된 치 부분(137)이 2τp의 일정 간격으로 배치되는 구조가 될 수 있는데, 일정 간격의 각 위치에서 양측의 두 치 부분(137)이 이동자(131) 진행방향의 수직인 동일 평면상에 배치되고, 이러한 양측의 치 부분(137)에는 권선(138)이 설치된다.
상기와 같은 각 상의 이동자(131)와 고정자(135)의 구성 및 형태는 액츄에이터 로드(110)의 선형 구동을 구현하고 제어할 수 있는 것이라면 통상의 횡자속 선형 전동기 분야에서 공지되어 있는 다양한 구성 및 형태로 수정 및 대체가 가능하다.
예를 들어, 예시된 실시예에서는 권선(138)을 고정자(135) 측에 설치하여 액츄에이터 로드(110) 및 이동자(131)의 자중에 의한 영향을 최소화하고자 하였으나, 이동자 철심(132) 및 영구자석(133)을 'ㄷ' 형상으로 제작한 뒤 그 양측의 다리부분에 권선을 설치하는 것도 가능하다.
또한 도시된 실시예에서 이동자(131)를 극간격 τp 만큼 스큐 구조가 되도록 배치하였으나, 고정자(135)가 전기적으로 위상차를 가지도록 일정 간격의 각 위치에서 고정자(135) 양측의 두 치 부분(137)이 서로 극간격 τp 만큼 전후 위치의 차이를 가지는 스큐 구조로 배치될 수 있다. 물론, 이때 이동자(131)는 비틀림이 없는 일자형 구조로 배치된다.
그리고, 도 5에 예시한 바와 같이, 공극을 사이에 두고 서로 대향된 위치의 이동자(131)와 고정자(135)로 이루어진 이동자-고정자 조합의 복수개가, 상기 액츄에이터 로드(110)를 중심으로 하여 배치될 수 있는데, 흡인력이 상쇄될 수 있도록 동일 위상의 두 이동자-고정자 조합이 액츄에이터 로드(110)를 중심으로 서로 180°방향에 배치되도록 한다.
또한 액츄에이터 로드(110)를 중심으로 하여 단상의 두 이동자-고정자 조합이 설치되거나 복수 상의 이동자-고정자 조합들이 설치될 수 있는데, 복수 상으로 구성하는 경우 이동자(131)의 진행방향(이동방향)에 수직인 평면상에서 볼 때 다른 상의 이동자-고정자 조합들이 혼합 배치되도록 하는 것이 가능하다.
도 5를 참조하면, 4각 관 구조의 프레임(120) 내부에서 4각 단면을 갖는 액츄에이터 로드(110)의 중앙 바디부(111) 4면에 모두 이동자(131)를 설치하고, 상기 프레임(120) 내측면의 4면에 모두 고정자(135)를 설치하여, 제1상의 두 이동자-고정자 조합이 서로 액츄에이터 로드(110)를 중심으로 180°방향으로 배치되도록 하고, 제1상의 이동자-고정자 조합의 직각방향으로 제2상의 두 이동자-고정자 조합이 서로 180°방향으로 배치되도록 하고 있다.
도시한 실시예와 달리 3상의 구성이 가능한데, 이 경우, 도면상으로 예시하지는 않았으나, 8각 관 구조의 프레임(120) 내부에서 8각 단면을 갖는 액츄에이터 로드(110)의 중앙 바디부(111) 8면에 모두 이동자(131)를 설치하고, 상기 프레임(120) 내측면의 8면에 모두 고정자(135)를 설치하여, A상, B상, C상의 이동자-고정자 조합이 이동자(131)의 진행방향에 수직인 평면상에서 혼합 배치되도록 하고, 이때 각 상의 두 이동자-고정자 조합이 서로 액츄에이터 로드(110)를 중심으로 180°방향으로 배치되도록 한다.
또한 이동자(131)와 고정자(135)를 평면상으로 다각 형태로 배치하여 추가로 상의 수를 늘릴 수 있는 바, 상의 수를 다양하게 구성할 수 있다.
즉, 다각 관 구조의 프레임(120) 내부에서 다각형 단면을 갖는 액츄에이터 로드(110)의 중앙 바디부(111) 각 면에 이동자(131)를 설치하고, 상기 프레임(120) 내측면의 각 면에 고정자(135)를 설치하여, 각 상의 이동자-고정자 조합이 이동자(131)의 진행방향에 수직인 평면상에 혼합 배치되도록 하고, 이때 동일 상의 두 이동자-고정자 조합이 서로 액츄에이터 로드(110)를 중심으로 180°방향으로 배치되도록 한다.
이와 같이 다른 상의 이동자-고정자 조합을 혼합 배치하는 경우 이들을 이용하여 이동자(131) 이동방향으로의 액츄에이터(100) 전체 길이를 늘리지 않고도 큰 추력을 얻을 수 있고, 필요한 한도의 추력을 충분히 얻을 수 있게 된다.
즉, 여러 상의 이동자-고정자 조합을 사용할 경우, 예컨대 2상에 비하여 3상으로 구성하는 경우 길이방향으로의 사이즈를 증가시키지 않고도 추력을 보다 증가시킬 수 있으며, 2상에 비하여 3상에서 액츄에이터(100)의 전체 길이를 줄이더라도 동일한 추력 및 하중을 얻을 수 있는 것이다.
또한 횡자속 선형 전동기(130)의 특성상 전류가 흐르는 공간(전기회로)과 자속이 흐를 수 있는 공간(자기회로)이 서로 분리된 구조이므로 전체 시스템을 교체하지 않고 코일 턴수만을 조정하여 발생 추력을 변화시킬 수 있게 된다.
아울러 각 상별 독립 제어가 가능한 구조로 구성되므로 필요한 추력에 따라 1상 단독 구동 및 복수 상(예, 2상) 동시 구동으로 발생 추력이 조절되도록 제어하는 것이 가능하며, 변위가 없는 인장 압축 시험시 자동으로 상 판별하여 1상만 구동하는 제어가 가능해진다.
한편, 도면부호 150은 액츄에이터 로드(110)의 전후 위치를 검출하기 위한 비접촉식 위치센서로서, 상기 위치센서(150)는 액츄에이터 로드(110)의 전후 위치를 검출하여 컨트롤러에 입력하게 된다.
시편을 고정하거나 탈거할 때 액츄에이터 로드(110)를 전후방향(도면상 상하방향)으로 이동시켜야 하고, 이때 액츄에이터 로드(110)의 전후 위치를 제어해야 하므로, 상기 컨트롤러가 위치센서(150)의 검출신호, 즉 액츄에이터 로드(110)의 위치정보를 입력받아 횡자속 선형 전동기(130)의 구동을 제어하고, 이를 통해 액츄에이터 로드(110)의 전후 위치를 제어하게 된다.
통상의 횡자속 선형 전동기에서 컨트롤러가 위치센서를 통해 이동자 또는 이동요소의 위치를 검출한 뒤 그 이동방향으로의 위치를 제어하고 추력을 제어하는 것에 대해서는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 용이하게 적용 가능한 주지의 기술이고, 통상의 지식을 가진 자에 의해 기 공지된 다양한 형태로 적용이 가능하다.
일례로서, 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 위치정보를 제공하는 리니어 스케일 테입(151)과, 상기 리니어 스케일 테입(151)으로부터 위치정보를 읽어들이는 센서헤드(152)로 구성되는 위치센서(150)가 채용될 수 있다.
이때, 리니어 스케일 테입(151)은 프레임(120) 측에, 센서헤드(152)는 액츄에이터 로드(110) 측에 설치될 수 있는데, 예를 들면, 리니어 스케일 테입(151)이 고정자 철심(136) 내측면에 액츄에이터 로드(110) 및 이동자(131)의 진행방향을 따라 길게 부착될 수 있다.
또한 센서헤드(152)가 리니어 스케일 테입(151)에 기록된 위치정보를 읽어들일 수 있도록 리니어 스케일 테입(151)과 마주보도록 설치되되, 액츄에이터 로드(110)에 설치된 LM 블럭(141)에 고정될 수 있으며, 이때 LM 블럭(141)에 지지대(153)를 설치한 뒤 상기 지지대(153)에 센서헤드(152)를 설치할 수 있다.
이에 센서헤드(152)는 액츄에이터 로드(110)와 일체로 전후 이동될 수 있으며, 액츄에이터 로드(110)의 이동시 리니어 스케일 테입(151)을 따라 이동되면서 위치정보를 읽어들이게 된다.
결국, 센서헤드(152)가 액츄에이터 로드(110)와 함께 이동하면서 리니어 스케일 테입(151)에 입력되어 있는 정보를 읽어 컨트롤러에 전달하고, 상기 컨트롤러는 센서헤드(152)가 리니어 스케일 테입(151)으로부터 읽어들인 정보를 토대로 액츄에이터 로드(110)의 위치를 인식할 수 있게 된다.
상기 센서헤드(152)가 리니어 스케일 테입(151)으로부터 읽어들인 정보는 액츄에이터 로드(110)의 현재 위치를 나타내는 위치정보가 된다.
상기 컨트롤러는 피로시험기 및 액츄에이터(100)인 횡자속 선형 전동기(130)의 구동을 전반적으로 제어하는 것으로, 위치센서(150)로부터 검출되는 위치정보를 기초로 하여 횡자속 선형 전동기(130)의 전후진 구동을 제어하고, 횡자속 선형 전동기(130)의 전원 제어 및 이를 통한 추력 제어를 수행한다.
즉, 권선(138)에 인가되는 전류의 제어를 통해, 앞서 설명한 바와 같이 시편의 고정이나 탈거시 위치센서(150)의 검출신호로부터 액츄에이터 로드(110)의 선형 구동을 제어하면서, 하중을 가할 때 이동자(131)와 고정자(135) 사이에서 발생하는 추력을 제어하여, 시편에 인가되는 인장 및 압축 하중을 정밀하게 제어하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 피로시험기에서 액츄에이터(100)는, 상기한 액츄에이터 로드(110), 프레임(120), 횡자속 선형 전동기(130)와 더불어, 시편에 전달되는 하중을 액츄에이터 로드(110) 측의 자중으로 인한 하중만큼 보상하여 시편에 정확한 하중이 인가되도록 하는 추력보상장치(170)를 포함한다.
상기 추력보상장치(170)를 구비하는 경우 액츄에이터 로드(110) 측의 자중으로 인한 영향이 제거되므로 보다 정확한 시험이 실시될 수 있다.
예를 들어, 횡자속 선형 전동기(130)의 발생 추력 1000N에 의해 1000N의 압축 하중이 시편에 가해져야 하나, 액츄에이터 로드(110) 및 이에 일체로 설치된 이동자(131), 센서헤드(152) 및 지지대(153) 등의 자중으로 인해 실제 시편에 가해지는 압축 하중은 이들 자중만큼 작아지게 된다.
이에 추력보상장치(170)는 횡자속 선형 전동기(130)에 의해 가해지는 압축 하중 1000N에 액츄에이터 로드(110) 측의 자중(M×g)만큼을 늘려주는 형태로 하중을 보상하여, 횡자속 선형 전동기(130)의 발생 추력으로부터 정확히 1000N의 하중이 시편에 가해지도록 하중 조건을 만들어준다.
상기 추력보상장치(170)의 바람직한 실시예로서, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 액츄에이터 로드(110)의 하단부에 연결 설치되어 액츄에이터 로드(110)를 지지하는 동시에 액츄에이터 로드(110)의 진행방향으로 인장 또는 압축 가능하도록 구비되고 자중에 대한 보상 하중을 상기 액츄에이터 로드(110)에 전달하는 보상 스프링(171)과, 상기 보상 스프링(171)을 하측에서 지지하도록 설치되는 동시에 보상 스프링(171)의 지지 높이를 조절 가능하도록 구비되어 상기 보상 스프링(171)을 통해 보상 하중이 제공되도록 하는 위치조정기구(175)를 포함하여 구성된다.
우선, 보상 스프링(171)은 상단부에 상부체결단(172)이, 하단부에 하부체결단(173)이 결합된 구조로 구비되며, 상기 상부체결단(172)과 하부체결단(173)을 통해 액츄에이터 로드(110)와 위치조정기구(175) 사이에 결합된다.
이때, 상부체결단(172)은 상측 액츄에이터 로드(110)의 하단부와 스크류(174a) 등의 체결수단으로 체결되고, 하부체결단(173)은 하측 위치조정기구(175)의 높이가변부(177)와 스크류(174b) 등의 체결수단으로 체결된다.
여기서, 보상 스프링(171)의 하부체결단(173)과 위치조정기구(175)의 높이가변부(177)를 상호 체결하는 체결수단의 경우, 새로운 시편의 장착시마다 체결 해제 후 높이가변부(177)의 높이를 조정한 뒤 다시 체결해야 하므로, 양측을 관통 체결하는 상기의 스크류(174b) 외에, 용이하게 체결 및 체결 해제가 가능한 공지의 클램프, 패스너 등이 사용될 수도 있다.
그리고, 위치조정기구(175)는, 바람직한 실시예로서, 피로시험기의 본체 내부에 고정 설치되는 지지대(176)와, 상기 지지대(176)에서 상하 높이를 조정할 수 있도록 설치되는 높이가변부(177)를 포함하여 구성되며, 상기 높이가변부(177)가 보상 스프링(171)을 지지하는 부분이 된다.
여기서, 상기 높이가변부(177)는 지지대(176)를 상하로 관통하여 나사 체결되는 스크류 부재가 될 수 있다.
이때, 스크류 부재(177)의 상단에는 보상 스프링(171)을 지지할 수 있도록 보상 스프링(171)의 하부체결단(173)과 스크류, 클램프, 패스너 등의 체결수단에 의해 체결되는 지지단(178)이 일체로 형성되어 있다.
이에 따라, 시험자는 새로운 시편의 장착시마다 스크류 부재(177)를 회전시켜 스크류 부재(177)의 상하 높이, 즉 보상 스프링(171)을 지지하는 높이를 조정할 수 있게 되며, 이러한 높이 조정 후에 스크류 부재(177)의 지지단(178)을 보상 스프링(171)의 하부체결단(173)과 체결하게 된다.
상기와 같은 구성에서, 시험자는 시편 장착 후 높이가변부, 즉 스크류 부재(177)의 높이를 조정하여, 액츄에이터 로드(110) 측의 자중에 의한 하중(M×g, 여기서 M은 이동자를 포함한 액츄에이터 로드 측의 무게, g는 중력가속도)이 시편에 가해지지 않도록 보상 스프링(171)의 지지 높이를 조정하게 된다.
보다 상세하게는, 시편을 상부지그와 하부지그에 고정하고, 스크류 부재(177)의 지지단(178) 위에 보상 스프링(171)의 하부체결단(173)을 접촉 지지시킨 상태에서, 액츄에이터 로드(110) 및 이동자(131) 등의 자중에 의해 작용하는 하중을 시험자가 하중계로부터 읽어 가면서 스크류 부재(177)를 회전시키는데, 이때 선형 구동기(130)는 구동시키지 않는다.
스크류 부재(177)를 회전시켜 스크류 부재(177)의 높이 및 보상 스프링(171)을 지지하는 높이를 상하로 조정하게 되면, 하중계로부터 읽은 값, 다시 말해 자중에 의한 하중 값이 0이 되는 스크류 부재(177)의 위치(높이)를 찾을 수 있고, 이렇게 자중에 의한 하중을 상쇄하는 높이가 결정되면, 스크류 부재(177)의 지지단(178)과 보상 스프링(171)의 하부체결단(173)을 서로 체결하여 완전히 고정하게 된다.
보상 스프링(171)의 하부체결단(173)을 스크류 부재(177)의 지지단(178) 위로 지지시킬 때 액츄에이터 로드(110) 측의 자중에 의해 보상 스프링(171)은 압축될 수 있으나, 위치조정기구(175)를 조작하게 되면, 즉 높이가변부인 스크류 부재(177)를 조작하여 높이를 조정하게 되면, 보상 스프링(171)을 통해 상방으로 작용하는 하중에 의하여 자중으로 인한 하방으로의 하중이 상쇄될 수 있으며, 이러한 상태에서 인장 또는 압축 시험이 이루어지는 경우 자중에 의한 하중 부분이 보상될 수 있게 된다.
한편, 상기와 같이 자중에 의한 하중을 보상하기 위해서 보상 추력을 제공하는 위치조정기구(175)를 설치하는 경우, 인장 또는 압축 시험시 액츄에이터 로드(110)에 연결된 위치조정기구(175)의 구성부, 즉 보상 스프링(171)에 의한 영향을 제거 또는 최소화해주는 것이 필요하다.
즉, 추력 보상을 위해 스프링(171)을 사용하나, 사용된 스프링에 의해 발생하는 제어 대상의 동적 변화를 억제시키는 것이 필요한 것이다.
보다 상세하게는, 인장 또는 압축 시험시 액츄에이터 로드(110)가 선형 전동기(130)에 의해 상하로 전후진 구동될 때 액츄에이터 로드(110)에 연결된 보상 스프링(171)이 인장 또는 압축되므로, 실제 전류 제어(선형 전동기의 권선에 인가되는 전류 제어)를 통해 선형 전동기(110)의 발생 추력을 제어하는 과정에서, 인장 또는 압축되는 보상 스프링(171)의 힘에 의한 영향을 제거시키는 추력 보상이 추가로 이루어져야 한다.
예로서, 인장 시험시 선형 전동기(130)로 액츄에이터 로드(110)가 하방 후진 구동될 때 보상 스프링(171)은 압축되는 바, 시편에 정해진 인장 하중을 실제로 가하기 위해서는 보상 스프링(171)의 압축에 소요되는 하중을 더한 추력을 발생시키도록 선형 전동기(130)가 제어되어야 한다.
반대로, 압축 시험시 선형 전동기(130)로 액츄에이터 로드(110)가 상방 전진 구동될 때 보상 스프링(171)은 인장되는 바, 시편에 정해진 압축 하중을 실제로 가하기 위해서는 보상 스프링(171)의 인장에 소요되는 하중을 더한 추력을 발생시키도록 선형 전동기(130)가 제어되어야 한다.
따라서, 본 발명에서는 컨트롤러가 보상 스프링(171)에 의한 영향을 제거하기 위하여 추력(토크)명령을 계산할 때 보상 스프링(171)의 길이 변화와 스프링 상수 데이터를 이용하여 추력명령 값을 스프링의 힘만큼 보상하여 산출하고, 보상된 추력명령 값으로부터 전류명령을 계산하여, 이 전류명령으로 권선에 인가되는 전류 제어 및 선형 전동기(130)의 발생 추력 제어를 수행한다.
상기와 같은 제어를 수행함에 있어서, 컨트롤러는 인장 또는 압축 시험시 보상 스프링(171)의 길이 변화를 알 수 있어야 하는 바, 이에 상기 추력보상장치(170)는 보상 스프링(171)의 길이 변화를 검출하기 위한 센서(179)를 포함하여 구성된다.
도 6을 참조하면, 보상 스프링(171)에 길이변화 검출용 센서(179)를 설치한 일례를 볼 수 있는데, 상기 길이변화 검출용 센서(179)로서 보상 스프링(171)의 상부체결단(172)과 하부체결단(173) 사이에 양측의 거리 변화(보상 스프링의 길이 변화)를 검출할 수 있는 가변저항 센서를 설치한 예가 도시되어 있다.
상기 길이변화 검출용 센서(179)는 시험시 보상 스프링(171)의 인장 또는 압축 정도를 검출하기 위한 것으로, 시편 장착 및 자중 보상이 완료된 보상 스프링(171)의 초기 위치에서부터 시험 동안 인장 또는 압축 후까지의 길이 변화를 검출하게 되며, 그 검출값은 컨트롤러에 입력되도록 되어 있다.
예시된 바의 가변저항 센서 외에 길이변화 검출용 센서(179)로는 리니어 스케일 센서 등과 같이 상부체결단(172)과 하부체결단(173) 사이의 거리 변화 또는 보상 스프링(171)의 길이 변화를 검출할 수 있는 기공지된 센서들 중 적절한 한 형태가 채용될 수 있다.
도 8은 추력보상장치를 구비한 액츄에이터의 구성에서 컨트롤러(200)의 구성 및 제어방법을 나타내는 블록도로서, 우측의 제어대상 모델은 선형 전동기의 제어상태를 나타낸 것이다.
도 8에서 부호의 설명은 다음과 같다.
- x* : 위치명령
- x : 선형 전동기의 실제 위치(위치센서의 검출값)
- v* : 속도명령
- v : 선형 전동기의 실제 속도
- i* : 전류명령
- i : 선형 전동기의 권선에 인가되는 실제 전류
- L : 선형 전동기의 인덕턴스
- R : 선형 전동기의 권선 저항
- KT : 선형 전동기의 추력(토크) 상수
- Te* : 추력(토크)명령
- Te : 선형 전동기의 실제 발생 추력
- k : 스프링 상수
- M : 액츄에이터 로드 측 무게
- g : 중력가속도
- xs : 보상 스프링의 길이변화량(길이변화 검출용 센서의 검출값)
여기서, 선형 전동기(130)의 실제 위치 x는 위치센서(150)에 의해 검출되는 값, 즉 액츄에이터 로드(110)의 실제 위치 값이며, xs는 길이변화 검출용 센서(179)에 의해 검출되는 보상 스프링(171)의 인장 또는 압축 길이 정보를 나타낸다.
그리고,
Figure pat00001
는 사용된 보상 스프링(171)의 스프링 상수 데이터를 나타낸다.
또한 도면부호 210은 위치제어블록을 나타내고, 도면부호 220과 230은 속도제어블록과 전류제어블록을 각각 나타낸다.
상기와 같은 컨트롤러(200)의 구성에서, 인장 및 압축 하중을 제어하기 위하여 액츄에이터 로드(110)의 위치를 제어하는 방식, 즉 변위 제어 방식의 예를 들어 설명하면, 시편에 특정의 인장 또는 압축 하중을 부여하기 위한 위치명령(x*) 값으로부터 속도명령(v*), 추력(토크)명령(Te*), 전류명령(i*) 값을 순차적으로 산출한 뒤, 최종 산출된 전류명령(i*) 값을 기초로 선형 전동기(130)의 권선(138)에 인가되는 전류를 제어하여 원하는 추력을 발생시킨다.
이때, 컨트롤러(200) 내 위치제어블록(210)이 위치센서(150)로부터 검출되는 선형 전동기(130)의 실제 위치, 즉 액츄에이터 로드(110)의 실제 위치(x)를 입력받게 되고, 이에 위치제어블록(210)이 액츄에이터 로드(110)의 실제 위치(x)를 상기 위치명령(x*) 값과 비교하여 그 차이를 보상할 수 있는 속도명령(v*)을 생성하여 출력한다.
또한 컨트롤러(200) 내 속도제어블록(220)이 속도명령(v*)을 입력받아 선형 전동기(130)의 실제 속도(위치센서에 의해 검출된 액츄에이터 로드 위치의 미분값)(v)와 비교하여 그 차이를 보상할 수 있는 추력명령(Te*)을 산출한다.
이와 함께 컨트롤러(200) 내에서는 길이변화 검출용 센서(179)로부터 검출되는 보상 스프링(171)의 길이변화량(xs)과 스프링 상수 데이터(
Figure pat00002
)를 기초로 하여 보상 스프링(171)에 의해 가해지는 힘이 산출되고, 이어 보상 스프링(171)의 영향을 제거하기 위해 이 힘만큼을 추력명령(Te*)에서 보상한 뒤 전류명령(i*)을 산출한다.
결국, 산출되는 전류명령(i*) 값을 전류제어블록(230)이 전류센서(미도시됨)에 의해 검출되는 선형 전동기(130)의 실제 전류값(권선에 인가되는 실제 전류값)(i)과 비교하여 그 차이가 0이 되도록 인가 전류를 제어하게 된다.
일반적으로 선형 전동기의 발생 추력에서 속도 또는 위치까지의 전달함수를 나타내면 다음의 식(1)과 식(2)와 같다.
Figure pat00003
(1)
Figure pat00004
(2)
식(1)과 식(2)의 시스템 모두 2차 시스템으로 공진 모드를 갖게 되어, 컨트롤러를 구성하는데 있어서 공진을 고려해야 하는 문제가 대두되는 바, 보상 스프링(171)의 인장 또는 압축의 실제 길이변화량을 측정하여 이를 반영하는 도 8과 같은 제어 로직을 구성하면 공진에 대한 문제를 해결할 수 있다.
보상 스프링(171)의 인장 또는 압축의 실제 길이변화량(길이변화 검출용 센서의 검출값임) xs는 시험시 시편에 인장 또는 압축 하중을 인가하는 동안 나타나는 보상 스프링(171)의 길이변화량으로, 시편 장착 후 자중으로 인한 하중 보상을 위해 압축을 조절한 보상 스프링(171)의 초기 위치 x0에서부터의 변화만을 나타내는 양이며, 결국 초기에 인가되는 보상 스프링(171)에 의한 보상 추력(자중 영향을 제거하기 위한 보상 하중)을 제외한 실제 시험시 보상 스프링(171)의 영향으로 인한 부분만을 보상하는 개념이 된다.
그리고, 제어 과정에서 사용되는 스프링 상수 데이터(
Figure pat00005
)는 사용된 보상 스프링(171)에 대해 선행 실험 또는 해석을 통해 얻어지는 스프링 상수 데이터로, 컨트롤러(200) 내에 미리 입력, 저장되는 데이터이다.
본 발명에서는 해당 보상 스프링(171)에 대한 고유 정보 데이터, 즉 실험 또는 해석을 통해 미리 얻어진 스프링 상수 데이터(
Figure pat00006
)를 저장해놓은 상태에서, 컨트롤러(200)가 길이변화 검출용 센서(179)의 검출값인 길이변화량(xs)을 입력받아, 스프링 상수(
Figure pat00007
)와 길이변화량(xs)을 이용하여 스프링(171)에 의해 가해지는 힘(이하, 스프링 힘으로 칭함)을 산출해내고, 이를 추력명령(Te*)을 보상하는데 사용한다.
여기서, 해당 보상 스프링(171)의 고유 정보 데이터인 스프링 상수 데이터(
Figure pat00008
)는 스프링 힘에 대해 보상 스프링(171)의 길이가 선형적으로 변화하는 선형 구간에서의 스프링 상수 데이터이다.
이와 같이 보상 스프링(171)의 길이변화량(xs)과 스프링 상수(
Figure pat00009
)를 정확히 알 수 있다면, 추력명령(Te*)을 계산하는 부분에서 보상 스프링(171)으로 인한 영향을 줄일 수 있는 바, 공진에 대한 문제점을 개선시킬 수 있다.
바람직하게는 선형 구간 및 비선형 구간을 모두 포함하여 얻은 스프링 고유의 데이터를 이용하는 것이 가능하며, 이 경우 하드닝 스프링(hardening spring)이나 소프트닝 스프링(softening spring)의 비선형성이 고려된 정확한 시험이 가능해진다.
즉, 선형 구간에서는 스프링 힘(F)은 길이변화량(xs)과 스프링 상수(
Figure pat00010
)의 수식 계산으로부터 얻어질 수 있으나(F=
Figure pat00011
×xs), 비선형 구간에서는 수식 계산으로부터 얻어질 수 없으므로, 선형 구간 및 비선형 구간 모두에서 선행 실험 또는 해석을 통해 데이터들을 얻어놓은 뒤 측정값인 길이변화량(xs)으로부터 선형 구간 또는 비선형 구간의 스프링 힘(F)을 산출해는 것이다.
이를 위해 해당 스프링에 대해 길이변화량(xs), 스프링 상수 데이터(
Figure pat00012
), 스프링 힘(F)의 데이터, 적어도 길이변화량(xs)과 각 길이변화량에 상응하는 스프링 힘(F)의 데이터가 컨트롤러(200)에 룩 업 테이블 형태로 저장될 수 있으며, 이렇게 저장된 룩 업 테이블 정보를 기초로 하여 컨트롤러(200)가 길이변화 검출용 센서(179)의 검출값인 길이변화량(xs)으로부터 스프링 힘(F)을 추출하여 추력명령(Te*)을 보상하는데 이용하게 된다.
도 9a와 도 9b는 선형 구간과 비선형 구간에서 하드닝 스프링과 소프트닝 스프링의 특성을 예시한 개략 도면으로, 스프링 힘(F)에 대해 보상 스프링의 길이(X)가 선형적으로 변화하는 선형 특성 및 비선형적으로 변화하는 비선형 특성을 보여주는 도면이다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 피로시험기에서는 지그에 고정된 시편에 대하여 인장 및 압축 하중을 부여하기 위한 액츄에이터(100)로서 상기와 같이 추력의 다양한 제어가 가능한 횡자속 선형 전동기(130)를 채용함으로써, 고속, 고정밀의 장치 구성이 가능해지고, 유공압 방식에 비해 장치 구성이 간단해지므로 소형화 및 경량화가 가능해지는 이점이 있게 된다.
특히, 본 발명에 따른 피로시험기에서는 스프링(171)을 이용한 추력보상장치(170)가 구비됨으로써 액츄에이터 로드(130) 측의 자중에 의한 영향을 제거할 수 있으므로 정확한 시험이 이루어질 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 피로시험기 11 : 본체
12 : 크로스헤드 13 : 컬럼
14 : 상부지그 15 : 하부지그
16 : 하중계 17 : 로드
100 : 액츄에이터 110 : 액츄에이터 로드
111 : 바디부 120 : 프레임
130 : 횡자속 선형 전동기 131 : 이동자
132 : 이동자 철심 133 : 영구자석
135 : 고정자 136 : 고정자 철심
137 : 치 부분 138 : 권선
140 : LM 가이드 141 : LM 블럭
142 : 가이드 레일 150 : 위치센서
151 : 리니어 스케일 테입 152 : 센서헤드
153 : 지지대 170 : 추력보상장치
171 : 보상 스프링 172 : 상부체결단
173 : 하부체결단 175 : 위치조정기구
176 : 지지대 177 : 스크류 부재(높이가변부)
178 : 지지단 179 : 길이변화 검출용 센서
200 : 컨트롤러

Claims (10)

  1. 시편에 하중을 부여하기 위한 액츄에이터(100)가 설치되는 본체(11)와, 상기 본체(11)와 대향된 위치에 설치되는 크로스헤드(12)와, 상기 본체(11)와 크로스헤드(12) 사이에서 시편을 고정하기 위한 지그(14,15)를 포함하는 피로시험기(10)에 있어서,
    상기 액츄에이터(100)는,
    상기 지그(15)에 연결되고 하기 횡자속 선형 전동기(130)에 의해 상하로 전후진 구동되며 횡자속 선형 전동기(130)에서 발생하는 추력을 시편에 전달하여 인장 또는 압축 하중을 인가하는 액츄에이터 로드(110)와;
    상기 본체(11) 내부에서 액츄에이터 로드(110)의 진행방향에 대하여 전후 위치가 고정되도록 설치되는 프레임(120)과;
    상기 액츄에이터 로드(110)와 프레임(120) 사이에 구성되어 전후 위치가 고정된 상기 프레임(120)으로부터 액츄에이터 로드(110)를 전후진 구동시키는 횡자속 선형 전동기(130)와;
    상기 액츄에이터 로드(110)에 자중에 대한 보상 하중을 제공하여 시편에 전달되는 하중을 액츄에이터 로드(110) 측의 자중으로 인한 하중만큼 보상해주는 추력보상장치(170)와;
    상기 횡자속 선형 전동기(130)의 구동 및 추력 제어를 수행하는 컨트롤러(200);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능한 피로시험기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 추력보상장치(170)는,
    상기 액츄에이터 로드(110)를 지지하는 동시에 상단이 액츄에이터 로드(110)의 하단부에 체결되어 액츄에이터 로드(110)의 진행방향으로 인장 또는 압축 가능하도록 설치되고 자중에 대한 보상 하중을 액츄에이터 로드(110)에 전달하는 보상 스프링(171)과;
    상기 보상 스프링(171)을 하측에서 지지하도록 설치되는 동시에 보상 스프링(171)의 지지 높이를 조절 가능하도록 구비되어 상기 보상 스프링(171)을 통해 보상 하중이 제공되도록 하는 위치조정기구(175)와;
    상기 보상 스프링(171)의 길이 변화를 검출하여 상기 컨트롤러(200)에 입력하는 길이변화 검출용 센서(179);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능해지는 피로시험기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 위치조정기구(175)는,
    상기 본체(11) 내부에 고정 설치되는 지지대(176)와;
    상기 보상 스프링(171)을 지지하는 상단이 보상 스프링(171)의 하단과 체결 및 체결 해제가 가능하도록 연결되고 상기 지지대(176)에서 상하로 높이 조정이 가능하도록 지지대(176)를 상하로 관통하여 나사 체결되는 스크류 부재(177);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능해지는 피로시험기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨트롤러(200)는 길이변화 검출용 센서(179)에 의해 검출되는 보상 스프링(171)의 길이변화량과 미리 입력 저장된 상기 보상 스프링(171)의 고유 정보 데이터를 기초로 하여 보상 스프링(171)에 의해 가해지는 스프링 힘을 산출하고, 상기 스프링 힘을 이용하여 횡자속 선형 전동기(130)의 발생 추력을 제어하기 위한 추력명령 값을 보상하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능해지는 피로시험기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 보상 스프링(171)의 고유 정보 데이터는 상기 스프링 힘에 대해 보상 스프링(171)의 길이가 선형적으로 변화하는 선형 구간에서의 스프링 상수 데이터인 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능해지는 피로시험기.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 보상 스프링(171)의 고유 정보 데이터는 상기 스프링 힘에 대해 보상 스프링(171)의 길이가 선형적으로 변화하는 선형 구간 및 비선형적으로 변화하는 비선형 구간에서의 데이터로서, 상기 길이변화량과 각 길이변화량에 상응하는 스프링 힘의 데이터인 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능해지는 피로시험기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 횡자속 선형 전동기(130)는 액츄에이터 로드(110)에 일체로 구비되는 이동자(131)와, 상기 프레임(120)에 일체로 구비되는 고정자(135)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능해지는 피로시험기.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 프레임(120)은 액츄에이터 로드(110) 및 이동자(131)를 둘러싸는 관 구조로 구비되고, 상기 이동자(131)가 상기 액츄에이터 로드(110)의 중앙 바디부(111)에, 상기 고정자(135)가 상기 이동자(131)와 공극을 사이에 두고 대향된 위치의 프레임(120) 내측면에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능해지는 피로시험기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    서로 대향된 위치의 상기 이동자(131)와 고정자(135)로 이루어진 이동자-고정자 조합의 복수개가 상기 액츄에이터 로드(110)를 중심으로 하여 배치되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능해지는 피로시험기.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 액츄에이터 로드(110)의 전후 위치를 검출하도록 설치되는 위치센서(150)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러가 위치센서(150)를 통해 검출되는 액츄에이터 로드(110)의 위치정보를 기초로 하여 상기 횡자속 선형 전동기(130)의 구동 제어 및 액츄에이터 로드(110)의 전후 위치 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 자중에 대한 하중 보상이 가능해지는 피로시험기.

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