KR20180069840A - 펄스식 공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나사 이음부를 조이기 위하여 토크가 펄스로 전달되는 조임 공정을 수행하기 위한 전기 펄스식 공구(10)에 관한 것으로서, 상기 펄스식 공구는, 양방향 전기 모터(11), 출력 샤프트(12), 전달 토크 펄스를 반향하는 변수를 모니터링 하기 위한 센서(14, 15, 25), 및 전기 모터(11)를 조절하기 위한 컨트롤 유닛(16)을 포함하며, 센서(14, 15, 25)는 컨트롤 유닛(16)에 대해 모니터링된 변수에 관한 정보를 제공하기 위하여 배열된다. 컨트롤 유닛(16)은, 조임 공정이 전기 펄스식 공구(10)에 의해 제1 방향으로 수행되는 동안, 하나 이상의 토크 펄스를 제1 방향에 대해 반대인 제2 방향으로 제공하기 위하여 모터(11)를 조절하도록 배열된다.

Description

펄스식 공구
본 발명은 나사 이음부를 조이거나 및/또는 풀기 위하여 토크가 펄스로 전달되는 조임 공정을 수행하기 위한 전기 펄스식 공구에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 전달 토크 펄스를 반향하는 변수를 모니터링하기 위한 센서 및 상기 변수에 따라 조임 공정 동안에 전기 모터를 조절하기 위한 컨트롤 유닛을 포함하는 전기 펄스식 공구에 관한 것이다.
이음부를 조이기 위해 펄스식 공구가 사용되는 조임 공정 동안에, 토크는 펄스식 공구 내부에 수용되는 모터에 의해 펄스로 이음부에 제공된다. 종종, 특정의 토크 또는 클램프 힘(clamp force)이 이음부로 전달되도록 조임 공정을 조절하는 것이 바람직하다. 제공 토크(applied torque)는 토크 센서에 의해 모니터링될 수 있지만, 각도계(angle meter), 가속도계(accelerometer), 또는 제공 토크를 간접적으로 모니터링할 수 있도록 하기 위해 출력 샤프트의 감속(retardation)을 모니터링하는 자이로(gyro)에 의해 모니터링될 수도 있다.
정상적인 조임 공정에서, 제공 토크의 오직 일부분만이, 이음부에 실제로 전달되는 토크 또는 클램프 힘이 된다. 제공 토크의 대부분은 마찰력으로 손실된다. 마찰력은 온도, 습도 및 스레드(thread)의 타입과 상태에 따른다. 임의의 주어진 조임 공정에서 마찰력을 확실히 예측하는 것은, 불가능하지는 않지만, 매우 어렵다.
따라서, 제공 토크의 얼마만큼 이음부에 전달되어야 하는지, 그리고, 제공 토크의 얼마만큼 마찰력으로 손실되는지는 항상 불확실하다. 이러한 특정 상태 하에서, 전달되는 토크는 제공 토크의 최소한 10%일 수 있다. 이렇게, 전달 토크에 대한 불확실성으로 인해, 동적으로 측정된 토크(dynamically measured torque)가 유효한 것으로 간주되는 사전결정된 주기(predetermined interval) 내에 있는 조임 공정 동안에, 클램프 힘 또는 정적으로(statically) 전달된 토크는 너무 낮거나 또는 너무 높을 수 있다.
종래 기술에서, 동적 토크 대신에 클램프 힘을 모니터링하는 방법이 이미 존재한다. 하지만, 이러한 방법들은 번거롭게 시간이 많이 소요되는데, 이는 클램프 힘을 평가하기(evaluate) 위하여 볼트(bolt) 또는 나사(screw)의 연신(elongation)을 모니터링 하도록 배열되는 초음파 센서 등의 사용을 수반하기 때문이다.
반대 방향으로 측정된 토크로부터 간접적으로 클램프 힘을 제거하기 위하여, 그 밖의 다른 방법들도 존재한다. 미국 특허공보 5 105 519호에는, 연속 조임 공정(continuous tightening operation) 동안에 이음부를 조이고 푸는 공정 모두에서 토크를 모니터링할 수 있도록 모터의 회전을 중지시키고 반대로 구동하는 방법이 기술되어 있다. 조임 공정과 푸는 공정 모두 동안에서, 각도에 따른 토크를 비교함으로써, 이음부 내의 마찰력을 결정하고, 제공 토크가 아니라, 이음부에 전달되는 토크에 상응하는 목표 값(target value)을 향하여 갈 수 있도록, 조임 공정을 진행하는 것이 가능하다. 하지만, 상기 미국 특허공보 5 105 519호에 기재된 방법은, 반응 토크(reaction torque)가 얼마이던지 간에, 구조물이 견뎌낼 수 있으며, 특정의 조임 공정에 소요되는 시간이 중요한 요소가 아닌 고정식 공구(fixed tool)에 적합하다.
하지만, 휴대용 공구에 있어서는, 운영자(operator)에게 제공되는 반응력(reaction force)이 가능한 최소이며 특정의 조임 공정에 소요되는 시간도 가능한 최소인 것이 매우 중요한 요소이다. 운영자는 작업 사이클 동안에 수백 건의 조임 공정을 수행할 수 있으며, 따라서 운영자를 위해서 인체공학적이어야 하고 작업 스테이션에서 생산성을 위해 신속해야 하는 것이 매우 중요하다. 인체공학적인 조임 공정은 일반적으로 반응 토크가 가능한 최소인 것을 의미한다.
따라서, 전달되는 토크가 조절될 수 있으며 조임 공정이 높은 신뢰성과 함께 신속하게 수행되어야 하는, 토크를 전달하는 데 적합한 펄스식 공구가 필요하다.
본 발명의 목적은, 전달되는 토크(torque)가 조절될 수 있으며 조임 공정(tightening operation)이 높은 신뢰성과 함께 신속하게 수행될 수 있는 토크-전달 펄스식 공구(pulse tool)를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명의 제1 양태에 따르면, 나사 이음부(screw joint)를 조이기 위하여 토크가 펄스로 전달되는 조임 공정을 수행하기 위한 전기 펄스식 공구(electric pulse tool)에 의해 구현되는데, 상기 펄스식 공구는, 양방향 전기 모터, 출력 샤프트, 전달 토크 펄스를 반향하는(reflecting) 변수(parameter)를 모니터링 하기 위한 센서, 및 전기 모터를 조절하기 위한 컨트롤 유닛을 포함하며, 상기 센서는 컨트롤 유닛에 대해 모니터링된 변수에 관한 정보(information)를 제공하기 위하여 배열된다. 상기 컨트롤 유닛은, 조임 공정이 전기 펄스식 공구에 의해 제1 방향으로 수행되는 동안, 하나 이상의 토크 펄스를 제1 방향에 대해 반대인 제2 방향으로 제공하기 위하여 모터를 조절하도록 배열된다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 본 발명은 전기 펄스식 공구로 나사 이음부를 조이는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은:
- 이음부를 조이기 위하여 펄스식 공구의 출력 샤프트를 제1 방향으로 펄싱하는 단계(pulsing),
- 전달 토크 펄스를 제1 방향으로 반향하는 변수를 모니터링하는 단계를 포함한다. 상기 조임 방법은 출력 샤프트를 제1 방향에 반대인 제2 방향으로 펄싱하는 단계 및 전달 토크 펄스를 제2 방향으로 반향하는 변수를 모니터링하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 제1 양태와 제2 양태로, 공정 단계에서 신뢰성이 증가되며, 조임 공정의 속도가 늦추어지지 않으며 구현하기도 용이해진다. 실제로, 이러한 조임 공정은, 토크가 목표 토크(target torque)에 접근할 때, 토크 증분값(torque increment)이 종종 줄어드는 일반적인 펄스 방법에 비해 훨씬 더 신속하게 수행될 것이다.
본 발명에 따르면, 제2 방향으로 제공되는 펄스 또는 토크 펄스는 실제로 이음부에 전달되는 토크에 관한 정보를 제공하여, 그에 따라 토크 증분값들은, 토크 증분값을 줄이지 않고도, 토크값을 가능한 최대한 목표 토크값에 가까이 근접할 수 있도록 조절될 수 있다. 또한, 클램프 힘은, 토크 증분값들이, 목표 토크 대신에, 특정의 목표 클램프 힘에 적합해질 수 있도록 평가될 수 있다(estimated).
본 발명의 그 밖의 특징 및 이점들은 본 발명의 실시예들을 기술한 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 첨부도면들로부터 자명해질 것이다.
이제, 본 발명은 첨부도면들을 참조하여 보다 상세하게 기술될 것이다:
도 1은 본 발명의 특정 실시예에 따른 펄스식 공구의 개략도;
도 2는 전달 토크를 작동 시간의 함수로 표시한 그래프;
도 3은 조인트에 장착된 클램프 힘을 작동 시간의 함수로 표시한 그래프.
도 1에는, 본 발명의 특정 실시예에 따른 전기 펄스식 공구(10)가 개략적으로 도시된다. 펄스식 공구(10)는 나사 이음부(screw joint)를 조이기 위해 토크가 펄스로 전달되는 조임 공정(tightening operation)을 수행하도록 구성된다. 이를 위하여, 펄스식 공구는 서로 반대인 두 회전 방향 즉 시계방향 및 반시계방향으로 토크를 전달하도록 배열된 양방향 전기 모터(11)를 포함한다.
전기 펄스식 공구(10)는 핸들(22)을 추가로 포함하는데, 이 핸들은, 도시된 실시예에서는 피스톨(pistol) 타입으로 구성된다. 하지만, 본 발명은 임의의 타입의 휴대용(handheld) 펄스식 공구도 다루기 위한 것이다. 파워 서플라이(24), 가령, 배터리가 핸들의 하측 부분에 배열되며, 트리거(23)가 배열되어 운영자가 전기 모터(11)에 전력을 공급할 수 있도록 조종할 수 있다. 또한, 파워 서플라이는 전기 케이블(electric cable)에 연결되는 연결부(connection)일 수도 있다.
추가로, 펄스식 공구는 전달 토크 펄스(delivered torque pulse)를 반향하는(reflecting) 변수(parameter)를 모니터링(monitoring) 하기 위한 센서(14, 15, 25)와 출력 샤프트(12)를 포함한다. 상기 센서는 토크 센서(torque sensor), 각도 센서(angle sensor), 가속도계(accelerometer), 자이로(gyro) 등일 수 있다. 도시된 실시예에서, 회전 센서부(14)와 정전기 센서부(15)에 의해, 입력 샤프트(17)의 회전을 모니터링하는 각도 센서로 구성된 제1 센서(14, 15)가 제공된다. 토크 센서 형태의 제2 센서(25)가 출력 샤프트(12) 상에 배열된다. 본 발명에 있어서, 각도 센서 또는 토크 센서 중 하나가 필요하지만 둘 다 필요한 것은 아니다. 하지만, 두 센서 모두 증가된 정밀도 또는 중복성을 제공될 수 있다.
도시된 실시예는, 피스톤 작동식 로테이터(19)를 수용하는 관성 몸체(18)를 포함하는 펄스 유닛(13)을 추가로 포함한다. 관성 몸체(18)는 모터(11)의 로터(20)에 의해 구동되고 입력 샤프트(17)에 견고하게 연결된다(rigidly connected). 도시된 실시예에서, 로터(20)는 모터(11)의 스테이터(21) 내부에 동축 방식으로 배열된다(coaxially arranged). 로테이터(19)가 종래 기술에 잘 알려져 있는 통상의 방식으로 회전할 수 있도록 하기 위해, 관성 몸체(18)의 내부 상의 캠 표면(도시되지 않음)이 피스톤과 상호작용함에 따라(interact), 펄스가 생성된다.
하지만, 본 발명은 펄스 유닛을 가진 펄스식 공구에만 제한되지 않는다. 펄스식 공구의 모터의 출력을 펄싱함으로써(pulsing) 출력 샤프트와 모터 사이에 직접 연결하면, 펄스식 공구에 펄스가 생성될 수 있다. 또한, 본 발명은 이러한 펄스식 공구 및 임팩트 렌치(impact wrench)로 알려져 있는 펄스식 공구를 충격하는 방법에 관한 것이다.
펄스 유닛을 포함하는 펄스식 공구를 위하여, 각도 센서(14, 15)는 관성 몸체(19)의 회전 및 감속(retardation)을 모니터링 하도록 배열될 수 있다. 이러한 감속은 이음부(joint) 내로 전달되는(installed) 토크를 계산하도록 사용될 수 있다. 토크 센서(25)는 토크를 직접 측정하기 위해 배열된다. 토크계(torque meter)는 전달 토크를 모니터링하기 위해 출력 샤프트(12) 상에서 이음부에 가능한 최대한 가까이 배열된다. 전기 모터(11)를 조절하기 위해 컨트롤 유닛(16)이 배열된다. 센서(14, 15, 25)는 컨트롤 유닛(16)에 대해 모니터링된 변수에 관한 정보를 제공하기 위하여 배열된다. 이는 조절된 조임 공정에서 일반적인데, 이러한 조임 공정은 특정 목표값(target value), 가령, 목표 토크, 각도 또는 클램프 힘에 관해 조정된다.
본 발명의 펄스식 공구(10)에서, 컨트롤 유닛(16)은, 조임 공정이 전기 펄스식 공구(10)에 의해 제1 방향으로 수행되는 동안, 하나 이상의 토크 펄스를 제1 방향에 대해 반대인 제2 방향으로 제공하기 위하여 모터(11)를 조절하도록 배열된다. 이는 도 2 및 3에 예시된다. 도 2에서, 전달 토크(T)는 조임 공정 동안 시간(t)의 함수로 예시되고, 장착된 클램프 힘(F)도 동일한 조임 공정 동안 시간(t)의 함수로 예시된다.
조임 공정은 상(A-D)을 포함하는 상태로 예시된다. 통상적으로, 예시된 조임 공정은 파스너(fastener), 가령, 나사(screw)를 이음부에 조이는 작업이다.
제1 상(A)에서, 임의의 클램프 힘을 이음부에 제공하지 않고도, 파스너를 스레드(thread)에 나사고정시키기 위해 일정한 토크의 토크 펄스가 전달된다. 이때, 토크는 스레드 내의 마찰력을 극복하기(overcome) 위해서만 필요하다. 마찰력을 극복하기 위해 필요한 토크 외에도, 전달된 토크는 파스너를 가속시킬 것이다.
상(B)에서, 나사의 헤드(head)는 이음부에 도달하고, 매 전달 토크 펄스를 위해, 파스너 내의 변형율(strain)이 증가될 때, 추가적인 클램프 힘이 계단(step) 형태로 이음부에 전달된다. 상기 상 동안, 토크가 펄스로 전달되기 때문에, 토크는 파스너의 각도 회전에 대해 실질적으로 선형으로 증가된다. 상(B) 동안, 매우 짧은 시간 주기 동안, 가령, 2 밀리초 동안 지속되는 각각의 펄스 동안, 클램프 힘이 실질적으로 균일하게 증가된다.
상(C)에서, 하나 이상의 토크 펄스가 상(B)에서 펄스의 회전 방향에 대해 반대 방향으로 제공된다. 종래 기술에 잘 알려져 있는 것과 같이, 특정의 각 간격(angular interval)에 대해, 이음부 내의 마찰력을 결정하고 이음부에 전달되는 토크를 제거하기 위하여, 느슨한 토크(loosening torque)가 이용될 수 있다. 이러한 정보는 조임 공정의 정밀도를 증가시키기 위하여 컨트롤 유닛(16)에 의해 즉시 처리될 수 있다. 한 예로서, 이음부에 전달되는 클램프 힘을 제거할 수 있을 것이다. 각각의 도 2 및 3의 그래프에서 볼 수 있듯이, 상(C)에서 전달 토크(T)는 음의 값이며(negative) 그에 따라 이음부에 전달되는 클램프 힘(F)은 상(C)에서 감소된다.
상(D)에서, 조임 공정은 특정의 목표값, 가령, 목표 토크, 목표 각도 또는 목표 클램프 힘을 향해 수행된다. 목표값은 상(A-C) 동안 구현되는 토크보다 더 높거나 더 낮을 수 있지만, 대부분의 경우에서, 목표값은 이음부가 추가로 조일 필요가 있도록 더 높을 것이다. 정상 조임 공정과의 차이는, 이 경우에 컨트롤 유닛이 이음부의 상태와 성질에 대한 다수의 정보를 가지며 그 결과 상(C) 동안 펄스가 반대 방향으로 제공된다는 점이다. 반대 방향으로 제공되는 한 단일의 펄스로부터, 이러한 추가 정보가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 센서(14, 15)는 전달 토크 펄스를 제1 방향으로 반향하는 변수를 모니터링 하도록 배열되며, 전달 토크 펄스를 제2 방향으로 반향하는 변수도 모니터링할 수 있다. 이는 도 1에 예시된 것과 같이 각도계(angle meter)로 쉽게 구현될 수 있다. 이러한 각도계(14, 15)는 출력 샤프트(12) 또는 펄스 유닛(13)을 양 방향으로 감속하고 양 방향으로 회전하는 것을 모니터링 하도록 구성될 수 있다.
물론, 센서가 토크계인 실시예에서, 토크계는 양 방향으로 제공되는 토크를 모니터링 하도록 구성될 수 있다. 토크는, 일반적으로, 절대 토크(absolute torque)를 모니터링 하도록 즉 방향 토크가 작용하는 정보 없이 배열된다. 하지만, 컨트롤 유닛(16)은 모터(11)가 회전하는 것을 조절되는 방향에 따라, 토크를 음의 값 또는 양의 값으로 표시할 것이다(register).
위에서, 본 발명은 특정 실시예에 대해 기술되었다. 하지만, 본 발명은 상기 실시예에만 제한되는 것이 아니다. 통상의 기술자라면, 본 발명이 하기 청구항들에서 정의된 권리 범위를 벗어나지 않고도, 추가적인 실시예를 포함할 수 있다는 사실을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 나사 이음부를 조이기 위하여 토크가 펄스로 전달되는 조임 공정을 수행하기 위한 전기 펄스식 공구(10)로서, 상기 펄스식 공구는:
    - 양방향 전기 모터(11),
    - 출력 샤프트(12),
    - 전달 토크 펄스를 반향하는 변수를 모니터링 하기 위한 센서(14, 15, 25), 및
    - 전기 모터(11)를 조절하기 위한 컨트롤 유닛(16)을 포함하며, 센서(14, 15, 25)는 컨트롤 유닛(16)에 대해 모니터링된 변수에 관한 정보를 제공하기 위하여 배열되는, 전기 펄스식 공구(10)에 있어서,
    컨트롤 유닛(16)은, 조임 공정이 전기 펄스식 공구(10)에 의해 제1 방향으로 수행되는 동안, 하나 이상의 토크 펄스를 제1 방향에 대해 반대인 제2 방향으로 제공하기 위하여 모터(11)를 조절하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 펄스식 공구(10).
  2. 제1항에 있어서, 센서(14, 15, 25)는 전달 토크 펄스를 제2 방향으로 반향하는 변수를 모니터링 하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 전기 펄스식 공구(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 센서(25)는 토크 센서인 것을 특징으로 하는 전기 펄스식 공구(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 펄스식 공구(10)는 모터(11)를 출력 샤프트(12)에 간헐적으로 연결하는(intermittently connect) 펄스 유닛(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 펄스식 공구(10).
  5. 제4항에 있어서, 센서(14, 15)는 펄스 유닛(13)의 관성 몸체(18)의 회전 및 감속(retardation)을 모니터링하는 각도계인 것을 특징으로 하는 전기 펄스식 공구(10).
  6. 전기 펄스식 공구로 나사 이음부를 조이는 방법으로서, 상기 방법은:
    - 이음부를 조이기 위하여 펄스식 공구의 출력 샤프트를 제1 방향으로 펄싱하는 단계(pulsing),
    - 전달 토크 펄스를 제1 방향으로 반향하는 변수를 모니터링하는 단계를 포함하는 나사 이음부 조임 방법에 있어서,
    상기 조임 방법은 출력 샤프트를 제1 방향에 반대인 제2 방향으로 펄싱하는 단계 및 전달 토크 펄스를 제2 방향으로 반향하는 변수를 모니터링하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 나사 이음부 조임 방법.
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