KR20150078461A - 관성 및 무게 중심 측정 시스템 - Google Patents
관성 및 무게 중심 측정 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 측정 시스템은, 측정물을 안착하기 위한 상판; 측정물의 하중 또는 모멘트를 측정하기 위한 로드셀이 구비되는 하부판; 측정물의 회전량 또는 각속도 또는 각가속도를 측정하기 위한 엔코더; 및 상기 로드셀 및 엔코더로부터 측정된 데이터를 이용하여 상기 로드셀 및 상기 상판 및 하부판의 유효 질량 및 유효 관성 모멘트를 고려하여 측정물의 무게 중심 또는 관성 모멘트를 계산하는 제어부;를 포함한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 측정 시스템에 의하면, 측정물이 안착되는 상판, 로드셀, 하부판 등의 측정물 이외의 부가적인 부품에 의한 유효 질량과 유효 관성 모멘트를 고려하여 측정물의 무게 중심과 관성 모멘트를 측정하기 때문에, 측정물의 무게 중심과 관성 모멘트를 정확하게 측정할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 측정 시스템에 의하면, 측정물이 안착되는 상판, 로드셀, 하부판 등의 측정물 이외의 부가적인 부품에 의한 유효 질량과 유효 관성 모멘트를 고려하여 측정물의 무게 중심과 관성 모멘트를 측정하기 때문에, 측정물의 무게 중심과 관성 모멘트를 정확하게 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 관성 및 무게 중심 측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 측정물의 관성과 무게 중심을 정밀하게 측정할 수 있는 관성 및 무게 중심 측정 시스템에 관한 것이다.
측정물의 관성 또는 무게 중심을 측정하기 위해서는 다양한 방법이 사용되고 있다.
일반적으로, 측정물의 관성 또는 무게 중심을 측정하기 위해서는 측정물에 가속도 센서를 부착하고, 가진 해머를 이용하여 측정물을 가진하여 전달함수를 통해 구하는 방법을 사용하고 있다.
그러나 종래 기술에 의하면, 가속도 센서의 방향 또는 가진 해머의 가진 방향에 따른 각도 오차가 발생하고, 가속도 센서의 위치 또는 가진 해머의 가진 위치에 따른 위치 오차가 발생하여 대상물의 정확한 관성 또는 무게 중심을 측정하기 어려운 문제가 발생한다.
또한, 탄성 모드의 주파수가 낮으면 측정물의 관성이나 무게 중심을 측정하기 어려운 문제가 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 측정물의 관성 또는 무게 중심을 정밀하게 측정할 수 있는 관성 및 무게 중심 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 관성 및 무게 중심 측정 시스템은, 측정물을 안착하기 위한 상판; 측정물의 하중 또는 모멘트를 측정하기 위한 로드셀이 구비되는 하부판; 측정물의 회전량 또는 각속도 또는 각가속도를 측정하기 위한 엔코더; 및 상기 로드셀 및 엔코더로부터 측정된 데이터를 이용하여 상기 로드셀 및 상기 상판 및 하부판의 유효 질량 및 유효 관성 모멘트를 고려하여 측정물의 무게 중심 또는 관성 모멘트를 계산하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 다음의 수학식을 이용하여 측정물의 무게 중심을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 다음의 수학식을 이용하여 측정물의 관성 모멘트를 계산할 수 있다.
상기 제어부는 상기 로드셀, 상판, 및 하부판의 유효 질량 및 유효 관성 모멘트를 고려하여 관성력의 원심력 성분을 다음의 수학식을 이용하여 계산할 수 있다.
상기 제어부는 상기 로드셀, 상판, 및 하부판의 유효 질량 및 유효 관성 모멘트를 고려하여 관성력의 탄젠셜 성분을 다음의 수학식을 이용하여 계산할 수 있다.
상기 제어부는 상기 로드셀, 상판, 및 하부판의 유효 질량 및 유효 관성 모멘트를 고려하여 다음의 수학식을 이용하여 측정물의 관성 모멘트를 계산할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 관성 및 무게 중심 측정 시스템에 의하면, 측정물이 안착되는 상판, 로드셀, 하부판 등의 측정물 이외의 부가적인 부품에 의한 유효 질량과 유효 관성 모멘트를 고려하여 측정물의 무게 중심과 관성 모멘트를 측정하기 때문에, 측정물의 무게 중심과 관성 모멘트를 정확하게 측정할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 관성 및 무게 중심 측정 시스템의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 관성 및 무게 중심 측정 시스템의 구성을 도시한 측면도이다.
도 3은 측정물의 무게 중심 및 관성 모멘트를 계산하기 위한 개념도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 관성 및 무게 중심 측정 시스템의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 관성 및 무게 중심 측정 시스템의 구성을 도시한 측면도이다.
도 3은 측정물의 무게 중심 및 관성 모멘트를 계산하기 위한 개념도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 관성 및 무게 중심 측정 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 관성 및 무게 중심 측정 시스템의 구성을 도시한 사시도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 관성 및 무게 중심 측정 시스템의 구성을 도시한 측면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 관성 및 무게 중심 측정 시스템은, 측정물을 안착하기 위한 상판(10), 측정물의 하중 또는 모멘트를 측정하기 위한 로드셀이 구비되는 하부판(20), 측정물의 회전량을 측정하기 위한 엔코더(40), 및 상기 로드셀 및 엔코더(40)로부터 측정된 데이터를 이용하여 로드셀 및 상기 상판(10) 및 하부판(20)의 유효 질량 및 유효 관성 모멘트를 고려하여 측정물의 무게 중심 또는 관성을 계산하는 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 로드셀은 다축 로드셀로 측정물의 하중 및 모멘트를 측정하는데 사용된다. 상기 로드셀은 상기 하부판에 다수 개가 구비되어 측정물의 하중 및 모멘트를 측정할 수 있다. 예로써, 3축 로드셀 4개를 이용하여 3축 하중과 3축 모멘트를 측정할 수 있고, 또는 5축 로드셀과 토크셀을 이용하여 3축 하중과 3축 모멘트를 측정할 수도 있다.
상기 엔코더(40)는 측정물의 회전량 또는 각속도 또는 각가속도를 측정하는데 사용된다. 즉, 엔코더(40)로부터 측정된 회전량을 한번 미분하여 각속도를 계산할 수 있고, 회전량을 두 번 미분하여 각가속도를 계산할 수 있다. 상기 엔코더(40)는 다수 개가 구비되어 각 회전축에 대한 회전량 또는 각속도 또는 각가속도를 측정할 수 있다.
한편, 상기 상판(10)에 안착된 측정물을 가진하기 위한 가진기가 더 구비될 수 있다.
상기 제어부는 설정된 프로그램에 의하여 작동하는 하나 이상의 프로세서로 구비될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 관성 및 무게 중심 측정 방법의 각 단계를 수행하도록 되어 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 측정물의 무게 중심 및 관성 모멘트를 계산하기 위한 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 3은 측정물의 무게 중심 및 관성 모멘트를 계산하기 위한 개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 측정물의 무게 중심과 관성 모멘트를 계산하기 위해 필요한 좌표계는, 도시된 바와 같은 세 개의 좌표계를 고려할 수 있다.
X0Y0Z0는 고정 좌표계, XcYcZc는 측정물이 고정되는 상판(10)을 중심으로 한 좌표계, XGYGZG는 측정물의 무게 중심에 대한 좌표계이다.
강체에 대하여 3방향의 변위가 구속되고 회전 운동만 가능한 경우를 고려하면, 외력으로 모멘트를 받아 강체가 세 방향으로 회전 운동하는 경우 이를 수학식으로 정리하면 다음과 같다.
위의 수학식을 매트릭스 형식으로 표현하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서,
위의 수학식 1은 고정 좌표계인 X0Y0Z0에 대한 운동 방정식이며, 강체가 회전하는 경우 고정 좌표계에서는 무게 중심 및 관성 모멘트가 회전 각도에 따라 변하게 된다. 따라서 측정물의 관성 모멘트를 구하기 위해서는 측정물이 고정된 테스트 지그에 고정된 좌표계에 대하여 수식을 정리해야 한다.
따라서, 위의 수학식을 XcYcZc 좌표계(윗첨자 c로 표현함)로 표현하면 다음과 같다.
여기서,
이때, 측정물에 외력으로 작용하는 모멘트는 다음과 같이 표현된다.
여기서,
(질문 : 영문으로 constraint force를 구속력이라고 명명했습니다. 정확한 표현인지 어떤 의미인지 확인 부탁드립니다.)
정적 평형상태에서, 동적인 항목은 "0"이 되므로, 상기 수학식 3은 다음과 같이 표현된다.
위의 수학식을 풀어서 정리하면, 다음의 수학식과 같이 표현된다.
정적 평형 상태에서, XcYcZc 좌표축에 대한 회전 벡터는 엔코더(40)에 의해 측정되고, 질량 및 모멘트 벡터는 로드셀에 의해 측정이 가능하므로, 측정물의 무게 중심 ()을 구할 수 있다.
한편, XcYcZc 좌표계로 구하고자 하는 관성 모멘트를 수식화하여 정리하면 다음과 같다.
여기서,
m은 로드셀에 의해 측정된 값,
여기서,
위의 수식은 다음과 같이 표현될 수 있다.
상기 수학식 6을 이용하여 수학식 5를 정리하면 다음과 같다.
위 식을 매트릭스 형식으로 정리하면 다음과 같다.
상기 수학식 7을 통해 구한 관성 모멘트는 도 3의 점 C에 대한 결과이므로, 측정물의 무게 중심에 대한 관성 모멘트를 구하기 위해서 Huygens-steiner 정리를 사용하면 다음과 같이 정리된다.
여기서,
그러나 측정물의 무게나 관성 모멘트에 비해 상기 상판(10)이나 하부판(20), 로드셀의 무게나 관성 모멘트를 무시할 수 없는 경우에는, 측정물의 무게나 관성 모멘트를 계산할 때, 상기 상판(10)이나 하부판(20), 로드셀에 대한 부분을 고려해야 한다.
따라서, 상기 상판(10), 하부판(20), 및 로드셀의 유효 질량 및 유효 관성 모멘트를 고려하면, 관성력의 원심력 성분은 변경된다.
위의 수학식은 다음과 같이 변경된다.
그리고 관성력의 탄젠셜 성분과 관련된 다음의 수학식
다음과 같이 변경된다.
여기서,
따라서 상기 수학식 7은 다음과 같이 변경된다.
이와 같이, 상기 수학식을 이용하면 로드셀, 상판(10), 하부판(20)을 포함하는 부가 질량과 관성을 고려하여 측정물의 정확한 관성 모멘트를 구할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 상판
20: 하부판
30: 메인 샤프트
40: 엔코더
50: 토크셀
20: 하부판
30: 메인 샤프트
40: 엔코더
50: 토크셀
Claims (6)
- 측정물을 안착하기 위한 상판;
측정물의 하중 또는 모멘트를 측정하기 위한 로드셀이 구비되는 하부판;
측정물의 회전량 또는 각속도 또는 각가속도를 측정하기 위한 엔코더; 및
상기 로드셀 및 엔코더로부터 측정된 데이터를 이용하여 상기 로드셀 및 상기 상판 및 하부판의 유효 질량 및 유효 관성 모멘트를 고려하여 측정물의 무게 중심 또는 관성 모멘트를 계산하는 제어부;
를 포함하는 측정 시스템.
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