KR20190015340A - 펄스 조임을 통한 클램프력 추정 - Google Patents

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Abstract

토크 펄스 시퀀스를 통해 나사 조인트의 조임 시에 생성되는 클램프력을 추정하기 위한 방법은 조임 방향으로 나사 조인트를 회전시키기 위하여 일차 토크 펄스를 인가하는 단계, 일차 토크 펄스에 의해 획득된 토크 레벨을 측정하는 단계, 풀림 방향으로 나사 조인트를 이동시키기 위해 이차 토크 펄스를 인가하는 단계, 이차 토크 펄스에 의해 획득된 토크 레벨을 측정하는 단계, 이차 토크 펄스에 의해 획득된 토크 레벨과 일차 토크 펄스에 의해 획득된 토크 레벨 사이의 차이를 계산하는 단계를 포함하고, 획득된 클램프력은 획득된 토크 레벨들 간의 차이로부터 추정된다.

Description

펄스 조임을 통한 클램프력 추정
본 발명은 나사 조인트 조임 공정에서 달성되는 클램프력을 추정하기 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 펄스 활성화 전동 렌치에 의해 수행된 나사 조인트 조임 공정 시에 클램프력 추정을 위한 방법에 관한 것이다.
통상적으로 나사 조인트를 조일 때 조임 종정의 결과로 달성된 클램프력을 측정하거나 계산하기가 어렵다. 조임 결과를 측정하는 가장 용이하고 덜 복잡한 방법은 인가된 토크를 나타내는 것이지만 이는 조임 공정의 궁극적이고 가장 중요한 목적은 아니며 즉 클램프력을 달성하는 것과 관련되지 않는다. 불확실한 요인은 특히 마찰 계수가 일정하지 않기 때문에 조임 결과의 잘못된 표시를 유발하는 나사 조인트의 마찰력이다.
획득된 클램프력에 대한 신뢰성 있는 정보를 획득하기 위한 가장 안전한 방법은 접힘가능한 와셔와 같은 추가 수단, 나사 인장 설비 또는 나사 조인트를 통한 초음파 이동 시간 측정용 설비를 사용하는 것이었지만, 이러한 방법은 시간이 오래 소요되고 및/또는 고가이며 조립 라인 작업에 적합하지 않다. 추가 설비를 사용하지 않고 클램프력에 대한 정보를 획득하는 또 다른 방법은 나사 조인트를 항복점, 즉 나사 조인트 재료가 이의 소성 변형 영역에 도달하는 조임 레벨까지 조이는 것이다. 재료가 소성을 일으키기 시작하는 하중 수준은 실제 나사 조인트의 재료에 대해 공지되었고 획득된 클램프력에 해당한다. 불행하게도, 이 방법 역시 마찰 영향에 의존되고, 이는 나사 조인트가 항복점 레벨에 영향을 미치는 축방향 및 비틀림 변형의 조합에 노출된다는 것을 의미한다. 이는 축방향 하중 또는 클램프력만으로는 항복점에 도달하지 않고 클램프력이 나사 조인트의 항복점 변형률과 완전히 일치하지 않는다는 것을 의미한다.
그러나, 나사 조인트에서의 마찰 저항의 영향이 제거되는, 나사 조인트를 조일 때 실제로 얻어지는 클램프력의 정보를 획득하기 위한 다른 방법이 있다. 그 공지된 방법은 마찰 영향을 제거하는 공정에 기초하고, 풀림 방향으로 나사 조인트의 움직임을 달성하기 위해 나사 조인트에 역토크를 가하는 소정의 토크 레벨로 나사 조인트를 조이는 순서를 포함한다. 인가된 조임 토크와 풀림 토크의 차이는 나사 조인트의 마찰 저항의 크기를 나타내며, 즉 인가된 토크를 측정하고 마찰로 인한 토크 저항을 빼는 것만으로 나사 조인트가 목표 사전인장 레벨로 조여질 수 있다.
조인트에 교번 조임 및 풀림 토크를 가함으로써 나사 조인트에서 얻어진 클램프력을 계산하고 추정하기 위한 전술한 유형의 공정은 미국 특허 제5,571,971호에 이미 기재되어 있다. 이 종래 기술의 방법에 따라서, 이 선행 기술의 방법에 따르면, 교번 조임 및 풀림 토크가 핸드헬드 전동 렌치의 경우 조작자에게 바람직하지 못하고 매우 큰 응력을 초래하는 연속 토크 전달 설비를 통해 나사 조인트에 가해진다.
본 발명의 목적은 임의의 추가 진보된 설비를 사용하지 않고 나사 조인트를 조일 때 실제로 얻어지는 클램프력에 대한 신뢰성있는 정보를 획득하고 제어하는 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 마찰력의 영향이 교번하는 조임 및 풀림 시퀀스를 통해 제거되는 추정 공정을 통해 나사 조인트를 조일 때 실제로 얻어지는 클램프력의 신뢰성있는 정보 및 제어를 획득하는 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 토크 전달 설비에 임의의 심각한 반력을 야기하지 않고 나사 조인트에서 실제로 획득된 클램프력의 신뢰성있는 정보 및 제어를 획득하는 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 명세서 및 청구 범위로부터 명백해질 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 토크 펄스 시퀀스를 도시하는 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 연속적인 토크 펄스 시퀀스의 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 토크 펄스 시퀀스 및 조임 펄스를 도시하는 그래프.
도면 그래프에 도시된 본 발명에 따른 방법은 나사 조인트 인장 또는 초음파 이동 시간 측정을 위한 접힘가능 와셔(collapsible washer) 또는 진보된 설비와 같은 추가 물리적 수단을 사용하지 않고 조여진 나사 조인트에서 얻어진 클램프력의 정보를 획득하는 방법을 포함한다. 대신에, 본 발명은 간단하고 직접적으로 설계된 파워 렌치, 즉 토크 변환기를 구비하고 전류 펄스 생성 유닛에 의해 제어되는 전동 렌치가 사용될 수 있는 방법을 제공한다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 조이는 중에 나사 조인트에서 획득된 클램프력에 대한 정보를 획득하고 이를 제어하는 단순화된 방법을 목표로 하며, 본 발명의 중요한 목적은 토크 측정에 의해 획득된 클램프력의 정보를 획득하는 것이다. 그러나 이는 측정된 토크와 설정된(install) 토크가 획득된 클램프력에 대응하도록 나사 조인트에서 마찰력의 영향을 제거되는 것을 의미한다. 이는 전술한 공보에 기술된 종래 기술의 기본 원리를 사용함으로써 달성되며, 나사 조인트를 조이거나 풀 때의 토크 차이가 측정되고 계산된다. 토크의 이 차이는 조인트의 마찰 저항에 의해 야기된다. 그러나, 조여진 나사 조인트 상에 별개의 전류 펄스를 인가하는 것에 기초한 본 발명에 따른 개선된 방법은 작업자에 대한 공정 지속 기간 및 인체공학적 스트레인(ergonomic strain)에 관한 상당한 개선을 의미한다. 또한 기계식 고정구에 탑재된 토크 전달 동력 공구 또는 토크 스핀들의 경우, 감소된 반력으로 인한 고정구의 견고성에 대한 요구가 적다는 이점이 있다.
본 발명에 따르면, 조임 방향뿐만 아니라 풀림 방향의 나사 조인트에 대한 토크 인가는 토크 펄스의 형태로 적용되며, 획득된 클램프력의 결정은 기본적으로 각각 초기 일차 토크 펄스가 나사 조인트의 조임 방향으로 이어지고 이차 토크 펄스는 풀림 방향으로 이어지는 것을 포함한다. 조임 방향 펄스에 의해 달성된 토크 크기가 측정되고, 풀림 방향으로 나사 조인트의 작은 운동을 달성하는데 효과적인 토크 크기가 존재하며, 일차 및 이차 펄스의 토크 크기 사이의 크기 차이가 계산된다. 이 토크 크기의 이 차이는 나사 조인트의 마찰 저항에 대응하며, 이는 마찰과 관련된 오류의 원인이 제거될 수 있고 나사 조인트에서 실제로 획득된 클램프력이 추정될 수 있음을 의미한다.
도 1에서, Y 축 상의 토크(T) 및 전류(I) 및 X- 축 상의 시간(t)을 이용하여, 사용되는 전동 렌치의 전기 모터에 전달된 크기(IA)의 전류 펄스(PA)에 의해 달성되는 일차 토크 펄스(A) 및 전동 렌치 모터에 전달된 크기(IB)의 상반되게 지향된 전류 펄스(PB)에 의해 달성된 이차 토크 펄스를 포함하는 토크 펄스 시퀀스(S)가 도시된다. 일차 토크 펄스(A)는 토크 크기(TA)에 도달되는 반면 이차 토크 펄스(B)는 상반되게 지향된 토크 크기(TB)를 갖는다. 토크 크기(TA, TB)가 등록되고 이들의 차이가 계산된다. 그 차이로부터 일차 토크 임펄스(A)의 끝에서 얻어진 클램프력이 추정될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이차 펄스(B)는 일차 펄스(PA)의 크기(IA)보다 실질적으로 작은 크기(IB)를 갖는 상반되게 지향된 전류 펄스(PB)에 의해 달성된다. 이는 이차 토크 펄스(B)가 풀림 방향으로 약간의 움직임을 완벽히 수행하는 나사 조인트를 완전히 풀기에 충분히 크지 않은 것을 의미한다. 나사 조인트가 단지 이러한 짧은 거리로 풀리고, 풀림 토크(Tb)가 측정될 수 있다. 도 2에서, Y 축 상의 토크(T) 및 전류(I) 및 X 축 상의 시간(t)을 이용하여 나사 조인트를 원하는 클램프력으로 조이는 실제적인 방법이 도시되어 있다. 이러한 조임 공정은 2개의 연속적인 펄스 시퀀스(S1, S2) 및 제3의 별도의 토크 펄스(A3)를 포함하며, 여기서 토크 크기의 초기 2-단계 증가는 전류 펄스(PB1 및 PB2)에 의해 개시되고 토크 크기(TA1, TA2)의 조임 토크 펄스(A1, A2)를 통하여 달성된다. 두 펄스 시퀀스(S1, S2) 모두에서, 조임 지향성 전류 펄스(PA1, PA2)는 동일한 크기이지만, 제1 펄스(A1)의 획득 토크 크기(TA1)는 제2 펄스(A2)의 토크 크기(TA2)보다 작다. 조임 방향의 획득된 토크 크기(TA1 및 TA2)와 풀림 펄스(B1 및 B2) 사이의 차이가 계산되고 획득된 클램프력이 추정한다. 그 후, 제3 전류 펄스(PA3)가 인가되어 제3 토크 펄스(A3)가 토크 크기(TA3)에 도달하고, 이로써 획득된 클램프력은 2개의 이전 펄스 시퀀스(S1 및 S2)에 대해 추정된 클램프 힘의 외삽에 의해 계산된다. 인가된 토크와 최종 클램프력 사이의 상관관계가 설정되며, 이는 즉, 전체 펄스 시퀀스가 최종 클램프력(TA3)을 결정하는 데 필요하지 않음을 의미한다.
도 3에서, Y-축상의 토크(T) 및 전류(I) 및 X-축상의 시간(t)을 이용하여, 본 발명에 따른 펄스 기술에 의해 나사 조인트를 조이는 대안의 공정이 도시된다. 이러한 조임 공정에서 두개의 초기 전류 펄스(PA10,PA11)로부터 야기되는 2개의 초기 토크 펄스(A10 및 A11)가 나사 조인트에 유도된다. 결과 토크 크기는 단계적으로 증가한다. 이들 2개의 초기 토크 펄스에 뒤이어 전류 펄스(PB12)가 뒤이으는 조임 방향에서의 일차 펄스(A12)를 포함하는 완전한 펄스 시퀀스(S12)가 뒤이으고, 이에 따라 나사 조인트 풀림 방향에서의 이차 펄스(B12)를 야기된다. 이 펄스 시퀀스(S12)는 나사 조인트에 마찰 저항을 설정하고 획득된 클램프력을 추정할 수 있도록 하는 목적을 갖는다. 토크 펄스(A12)에 의해 얻어진 토크 레벨(TA12)과 획득될 것으로 추정된 클램프력 사이의 상관 관계의 인지에 따라, 2개 초과의 토크 펄스(A13 및 A14)가 미리결정된 조임의 목표 레벨, 즉 원하는 클램프력 레벨에 도달되도록 적용된다. 이는 소정의 추정된 클램프력에 대응하는 토크 레벨(TA12)의 외삽에 의해 달성되고 토크 레벨(TA14)에서 원하는 목표 클램프력이 얻어질 때까지 토크 펄스(A13 및 A14)를 통한 조임 공정이 지속된다. 토크 레벨과 획득된 클램프력 사이의 관계가 완전한 펄스 시퀀스(S12)를 통해 추정되고 결정되기 때문에 2개의 최종 토크 펄스가 나사 조인트의 풀림 방향으로 토크 펄스를 따르지 않아야 한다. 토크 펄스(TA13, TA14)를 통해 토크 레벨(TA12)에서 외삽된 토크 레벨로 나사 조인트를 조임으로써 조임 공정이 완료될 수 있다.
획득된 토크 레벨(TA13)은 이전의 일차 토크 펄스(A12)에 의해 획득된 토크 레벨(TA12)보다 낮다는 것을 주목해야 한다. 그러나 이는 이전의 펄스 시퀀스(S12)의 이차 토크 펄스(B12)에 의해 나사 조인트가 다소 풀림 방향으로 이동하기 때문에 토크 펄스(A13)가 낮은 토크 레벨로부터 시작된다는 것을 의미한다. 모든 유도 전류 펄스(PA10 - PA14)의 크기는 동일한 전류 레벨, 즉 IA이다.
조임 공정은 나사 조인트의 유형 및 작동 상황의 유형에 따라 상이한 개수의 펄스 시퀀스 및 토크 펄스를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 조임 공정은 2개의 최종 토크 펄스(A13 및 A14)에 의해 완료되지만, 이 펄스 개수는 그 자체로 중요하지 않지만, 조임 타겟에 도달하는 데 필요한 단일 펄스 또는 다수의 펄스일 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적합한 전동 렌치는 출력 샤프트를 통해 전달된 토크의 크기를 측정하기 위한 토크 변환기를 포함하는 파워 트랜스미션을 통해 출력 샤프트에 연결된 전기 모터에 의해 동력이 공급된다.
모터 작동은 본 발명에 따른 방법의 실제 실시예, 즉 얼마나 많은 펄스 시퀀스 및/또는 별도의 토크 펄스가 요구되는지에 따라 전류 펄스를 모터에 전달하는 수단을 포함하는 구동 유닛에 의해 제어된다. 본 발명은 전술된 예에 한정되지 않고 청구항의 범위 내에서 변경될 수 있음을 알아야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위하여 펄스 전달 모터를 갖는 파워 렌치를 사용하는 대신에, 모터를 출력 샤프트에 연결하는 임펄스 또는 임팩트 기구를 갖는 전동 공구를 사용하는 것이 가능하다. 모터 및 임펄스 또는 임팩트 기구는 나사 조인트의 풀림 방향으로 토크 펄스를 전달할 수 있도록 가역적임에도 불구하고 요구된다.

Claims (5)

  1. 토크 펄스 시퀀스를 통해 나사 조인트의 조임 시에 생성되는 클램프력을 추정하기 위한 방법으로서,
    조임 방향으로 나사 조인트를 회전시키기 위하여 일차 토크 펄스를 인가하는 단계,
    일차 토크 펄스에 의해 획득된 토크 레벨을 측정하는 단계,
    풀림 방향으로 나사 조인트를 이동시키기 위해 이차 토크 펄스를 인가하는 단계,
    이차 토크 펄스에 의해 획득된 토크 레벨을 측정하는 단계,
    이차 토크 펄스에 의해 획득된 토크 레벨과 일차 토크 펄스에 의해 획득된 토크 레벨 사이의 차이를 계산하는 단계를 포함하고, 획득된 클램프력은 획득된 토크 레벨들 간의 차이로부터 추정되는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 미리결정된 목표 클램프력 레벨이 상기 추정된 클램프력에 비교되고, 상기 추정된 클램프력이 상기 목표 클램프력 레벨 미만일 때 토크 펄스 시퀀스가 연속적으로 더 높은 토크 비율로 반복되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 나사 조인트 조임 공정은 특정 토크 레벨에 도달될 때까지 복수의 후속 일차 토크 펄스의 인가를 포함하는 초기 단계를 포함하고, 일차 토크 펄스들 중 최종 일차 토크 펄스에 이차 토크 펄스가 뒤이으고 이에 따라 클램프력의 추정을 가능하게 하는 토크 펄스 시퀀스가 형성되고, 상기 목표 클램프력은 하나 이상의 추가 펄스 시퀀스를 통해 획득된 추정된 클램프력을 외삽함으로써 도달되는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성된 전동 렌치로서, 출력 샤프트에 결합된 전기 회전 모터 및 모터에 연결된 작동 제어 수단을 포함하고,
    일차 토크 펄스 및 이차 토크 펄스를 포함하는 토크 펄스 시퀀스를 구현하기 위하여 출력 샤프트에 상반된 방향의 토크 펄스를 전달하기 위한 수단,
    일차 및 이차 토크 펄스에 의해 달성된 토크 크기들 간의 차이를 설정하는 수단,
    일차 토크 펄스에 의해 획득된 클램프력을 추정하는 수단을 포함하는 전동 렌치.
  5. 제5항에 있어서, 회전 모터는 전기 모터이고, 토크 펄스를 전달하기 위한 상기 수단은 모터에 전류 펄스를 전달하도록 배열된 동력 제어 유닛을 포함하는 전동 렌치.
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