KR20200064405A - 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 맞물려 회전하는 두 개의 기어 사이의 간격을 액츄에이터를 이용하여 조절하는 백래쉬 조절장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치는 외부로부터 공급받은 전원에 의해 제1 방향에서 제2 방향으로, 제2 방향에서 제1 방향으로 이동하는 액츄에이터; 상기 액츄에이터와 연결되며, 상기 액츄에이터의 이동에 따라 이동하며, 연결된 모터에 의해 구동하는 주동기어; 및 상기 주동기어와 맞물리며, 상기 주동기어의 회전에 따라 회전하는 종동기어를 포함하며, 상기 액츄에이터의 이동에 따라 상기 주동기어와 종동기어의 간격을 조절한다.

Description

액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치{Backlash adjuster using actuator}

본 발명은 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 맞물려 회전하는 두 개의 기어 사이의 간격을 액츄에이터를 이용하여 조절하는 백래쉬 조절장치에 관한 것이다.

일반적으로 한 쌍의 기어가 맞물리는 경우에는 주동기어(1차적인 움직임이 발생하는 기어)와 종동기어(1차적인 움직임에 따른 2차적인 움직임이 발생하는 기어)간에 형성되는 치면 사이에는 약간의 이격이 발생하며, 이러한 한 쌍의 기어가 맞물리는 경우 발생하게 되는 주동기어와 종동기어 간의 치면 사이에 생기는 틈새를 백래쉬(Backlash) 라고 한다.

이러한 백래쉬는 한 쌍의 기어를 매끄럽게 회전시키기 위하여 적정 수준이 요구되며, 백래쉬가 너무 부족하거나 또는 백래쉬가 너무 과도한 경우 모두 각각의 문제점이 발생한다. 먼저, 상호 간의 백래쉬가 너무 부족하면 각 기어 간의 윤활이 불충분해져 각 기어간의 높은 회전저항에 따른 과도한 마모 현상이 발생하며, 역으로 상호 간의 백래쉬가 너무 과도해지면 각 기어 간에 유격이 발생하여 기어 동작을 정확하게 제어하기가 어려워지며 기어의 끝부분이 쉽게 마모되는 현상이 발생한다. 또한 백래쉬가 없는 경우에는 맞물려 있는 한 쌍의 기어가 완전히 꽉 맞게 되어 기어는 움직이지 못하므로 기어의 운동이 전달되지 못한다.

백래쉬에 대한 적절한 조절에 앞서 구동 장치의 백래쉬를 측정하기 위해서는 수작업 또는 한 쌍의 기어에 대한 백래쉬 측정이 가능한 장치를 이용하여 각 기어들 간의 백래쉬를 측정하는 방식을 사용하였으므로 측정상의 어려움이 있으며 정확한 값을 측정하기가 쉽지 않다는 문제점이 있었다.

한국등록특허 제10-1648273호(발명의 명칭: 백래쉬 측정장치) 한국등록특허 제10-1220111호(발명의 명칭: 백래쉬 측정장치)

본 발명이 해결하려는 과제는 자동으로 백래쉬를 조절하는 방안을 제안함에 있다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는 설정된 틈새를 갖도록 백래쉬를 조절하는 방안을 제안함에 있다.

이를 위해 본 발명의 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치는 외부로부터 공급받은 전원에 의해 제1 방향에서 제2 방향으로, 제2 방향에서 제1 방향으로 이동하는 액츄에이터; 상기 액츄에이터와 연결되며, 상기 액츄에이터의 이동에 따라 이동하며, 연결된 모터에 의해 구동하는 주동기어; 및 상기 주동기어와 맞물리며, 상기 주동기어의 회전에 따라 회전하는 종동기어를 포함하며, 상기 액츄에이터의 이동에 따라 상기 주동기어와 종동기어의 간격을 조절한다.

본 발명에 따른 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치는 기존 수작업으로 주동기어와 종동기어 사이의 간격을 조절하는 대신 주동기어에서 생성되는 역기전력의 크기를 이용하여 주동기어와 종동기어 사이의 간격을 조절함으로써 기존 대비하여 백래쉬를 조절하는데 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.

이외에도 본 발명은 주동기어에서 생성되는 역기전력의 크기를 이용하여 주동기어와 종동기어 사이의 간격을 조절함으로써 동일한 백래쉬를 갖도록 주동기어와 종동기어 사이의 간격을 조절할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 백래치에 따른 역기전력의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 역기전력의 크기를 측정하는 회로를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 역기전력을 측정하는 회로를 도시하고 있다.
도 5는 스텝모터를 구성하는 로터의 위치에 따른 전류량을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 구동 분배회로(로직 시퀀스)에서 스텝모터까지의 시스템을 도시하고 있다.
도 7은 바이폴라 운전용 여자 회로와 전류의 흐름을 나타내고 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치를 도시하고 있다. 이하 도 1을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 1에 의하면, 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치는 액츄에이터, 주동기어 및 종동기어를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치에 포함될 수 있다.

액츄에이터는 외부로부터 전달받은 동력에 의해 제1 방향에서 제2 방향으로 이동하거나, 제2 방향에서 제1 방향으로 이동한다. 부연하여 설명하면, 액츄에이터는 외부로부터 전달받은 동력에 의해 좌측에서 우측으로 이동하거나, 우측에서 좌측으로 이동한다.

액츄에이터의 종단에는 주동기어가 형성되며, 액츄에이터의 이동에 따라 동일하게 이동한다. 즉, 액츄에이터가 제1 방향에서 제2 방향으로 이동하는 경우, 주동기어 역시 제1 방향에서 제2 방향으로 이동한다. 또한, 액츄에이터가 제2 방향에서 제1 방향으로 이동하는 경우, 주동기어 역시 제2 방향에서 제1 방향으로 이동한다.

주동기어는 하단에는 모터가 형성되며, 형성된 모터의 회전에 의해 주동기어 역시 회전한다. 이를 위해 모터는 외부로부터 전원을 공급받으며, 공급받은 전원에 의해 회전한다.

종동기어는 주동기어와 맞물려 있으며, 주동기어의 회전에 의해 회전한다. 종동기어는 주동기어와 달리 액츄에이터의 이동에 따라 이동하지 않으며, 정지된 상태를 유지한다. 따라서 액츄에이터의 이동에 따라 주동기어와 종동기어 사이의 간격이 달라지게 된다. 도 1에 의해 액츄에이터가 우측으로 이동하는 경우에는 주동기어와 종동기어 사이의 간격은 좁아지게 되며, 액츄에이터가 좌측으로 이동하는 경우에는 주동기어와 종동기어 사이의 간격은 넓어지게 된다.

본 발명은 주동기어로 전류를 공급하는 경우, 주동기어와 맞물린 종동기어에 의해 부하가 발생하게 되며, 발생된 부하에 의해 역기전력이 발생한다. 물론 주동기어와 연결된 모터로 공급하는 전류와 역기전력은 서로 연관된다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.

본 발명은 부하에 의해 주동기어로 공급하는 전류에 의해 발생되는 역기전력의 크기를 이용하여 백래치를 조절하는 방안을 제안한다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 백래치에 따른 역기전력의 크기를 나타낸 그래프이다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 백래치에 따른 역기전력의 크기에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

일반적으로 주동기어와 종동기어 사이의 백래치가 작은 경우 즉, 주동기어와 종동기어 사이의 간격이 좁은 경우에는 회전시 부하가 증가하게 되며, 이로 인해 발생되는 역기전력의 크기는 증가한다. 또한, 주동기어와 종동기어 사이의 간격이 넓은 경우(백래치가 큰 경우)에는 회전시 부하가 감소하게 되며, 이로 인해 발생되는 역기전력의 크기 역시 감소한다.

도 2에 의하면, 역기전력이 피크값을 갖는 지점이 표시되며, 이 지점이 백래치가 가장 작은 지점을 의미한다. 도 2의 그래프를 생성하기 위해 액츄에이터를 이용하여 주동기어를 이동시키며, 해당 지점에서 역기전력을 측정한다. 측정된 연기전력을 이용하여 도 2에 도시되어 있는 그래프를 생성한다.

특히 도 2에 도시되어 있는 바와 그래프는 역기전력의 크기가 1A인 영역과 1.4A인 지점을 포함한다. 역기전력의 크기가 1A인 영역은 주동기어와 종동기어가 서로 맞물리지 않은 상태를 의미하며, 역기전력의 크기가 1.4A인 지점은 주동기어와 종동기어가 가장 근접하게 맞물린 상태를 의미한다.

부연하여 설명하면, 주동기어와 종동기어가 가장 근접하게 맞물린 경우에는 부하가 증가하게 되며, 부하가 증가하게 되면 동일한 속도로 주동기어를 회전시키기 위해서는 모터로 공급되는 전류 역시 증가하게 된다. 모터로 공급되는 전류가 증가하게 되면 역기전력 역시 증가하게 된다.

반면 주동기어가 종동기어와 가장 근접한 지점으로부터 멀어지게 되면 부하가 감소하게 되며, 부하가 감소하게 되면 동일한 속도로 주동기어를 회전시키기 위해서는 모터로 공급되는 전류 역시 감소하게 된다. 모터로 공급되는 전류가 감소하게 되면 역기전력 역시 감소하게 된다. 따라서, 액츄에이터를 이용하여 주동기어를 이동시켜, 상술한 그래프를 생성한다.

이후 사용자는 백래치가 가장 적정한 지점에 해당하는 전류값을 확인하며, 이후 역기전력이 해당 전류값을 갖도록 주동기어를 이동을 제어한다. 이하에서는 역기전력을 측정하는 회로에 대해 알아보기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 모터로 전원을 공급하거나, 모터에 의해 생성된 역기전력을 측정하는 블록도(회로)이다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 다른 모터로 전원을 공급하거나, 모터에 의해 생성된 역기전력을 측정하는 블록도에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

펄스 변환기는 회전각도, 회전 속도 및 외부 위치에 관련된 펄스 파형을 입력받으며, 입력받은 펄스 파형에 대한 진폭 등의 정보를 구동 드라이버로 제공한다. 이외에도 펄스 변환기는 전류량, 변속주기에 관한 정보를 구동 드라이버로 제공한다.

구동 드라이버는 제공받은 정보를 기반으로 모터로 전류를 공급하여 모터를 구동하며, 특히 모터의 상을 A,/A, B,/B 상으로 전류를 엇갈리게 전달하여 모터를 구동한다. 본 발명에서 제안하는 모터는 스텝모터이다.

스텝모터의 구동에 의해 발생된 역기전력은 전류 비교기와 A/D 컨버터로 제공되며, 전류 비교기에서 발생된 역기전력을 크기를 비교한다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 무부하 상태에서의 역기전력의 크기는 1이며, 따라서 무부하 상태에서의 역기전력의 크기와 스텝모터의 구동에 의해 발생된 역기전력을 비교한다. A/D 컨버터에서 디지털 신호로 변환하여 실시간으로 생성된 역기전력의 크기를 감지하여, 모터와 결합된 주동기어의 부하를 감지한다. 물론 상술한 바와 같이 주동기어의 부하는 주동기어와 종동기어 사이의 백래치와 관련되며, 주동기어의 이동에 따라 주동기어의 부하는 변동된다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 역기전력을 측정하는 회로를 도시하고 있다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 역기전력을 측정하는 회로에 대해 상세하게 알아보기로 한다. 도 4는 도 3에 도시된 회로의 상세 구성 회로이다.

도 4에 도시되어 있는 회로는 주동기어와 연결된 스텝모터와 연결된다. 회로는 스텝모터로 제공되는 전류의 크기를 측정하며, 스텝모터에 의해 생성된 연기전력을 측정한다.

스텝모터의 구동 시에 스텝모터로 공급되는 전류에 비례해서 역기전력으로 전달되는 전류의 양 역시 변하고, 이 값은 도 4에 도시된 트랜지스터(Q1, Q2, Q3 및 Q4), 다이오드(D1, D2, D3 및 D4) 및 센싱 저항인 R4, R5, R6 및 R7을 통해 마이콤인 U1의 RD0/PSP0, RD1/PSP1,RD2/PSP2 RD3/PSP3에 전달하여 생성되는 역기전력을 측정하며, 특히 센싱저항의 전류값이 모니터링을 해 전류값이 피크(Peak)로 변하는 값을 찾아 스텝모터의 부하 여부를 분석하여, 스텝모터와 연결된 주동기어의 최대 부하지점을 산출할 수 있다.

이하에서 스텝모터를 구성하는 로터의 위치에 따른 전류량에 대해 알아보기로 한다. 도 5는 스텝모터를 구성하는 로터의 위치에 따른 전류량을 설명하기 위한 도면이다.

일반적으로 스텝모터는 회전하는 로터(회전자)와 전류를 통해 자성이 생성되는 스테이터(고정자)로 구성된다. 가장 안정적인 위치가 로터의 N극과 고정자의 S극이 0도로 이루어진 무부하도면, 로터와 스테이터가 45도의 각도로 이루어진 위치가 반부하 상태이며(반부하), 로터의 N극과 스테이터의 S극이 가장 서로 90도로 이루어진 위치가 부하가 가장 큰 상태(최대 부하)이다.

부하가 가장 적은 무부하 상태에서는 스텝모터 전류(역기전력)의 양이 가장 적고, 안정된 상태이며, 최대 부하시는 전류의 양이 가장 많고, 불안정한 상태이다. 이렇게 스텝모터의 회전 위치에 따라 생성되는 역기전력은 서로 상이하다. 로터가 고정된 상태에서 스텝모터 샤프트에 연결된 주동기어가 외부 압력으로 인해 로터(회전자)가 이동 시 모터의 전류량이 변하고, 이 때 생성되는 역기전력 역시 같이 변화하며, 이를 회로의 RD0/PSP0, RD1/PSP1, RD2/PSP2, RD3/PSP3을 통해 스텝모터와 연결된 주동기어의 이동에 따른 변화를 확인할 수 있다.

도 6은 구동 분배회로(로직 시퀀스)에서 스텝모터까지의 시스템을 도시하고 있다. 도 6에 도시된 분배회로는 도 3의 마이콤에 대응되는 구성이다. 스텝 제어 지시가 분배회로에 주어지면, 제어 지시 방향에 따라 스텝모터가 회전하도록 여자 회로를 제어한다. 1인크리멘트 동작으로 스텝모터는 1스텝을 진행하며, 이 때 마이크로 프로세서 등을 이용하여 1인크리멘트 동작으로 2 스텝 이상 진행도 가능하다. 물론 1인크리멘트 동작으로 최대 256 스텝의 진행도 가능하다. 진행되는 스텝의 수가 많을수록 생성되는 역기전력을 더 세분화할 수 있기 때문에 생성되는 역기전력을 좀 더 정확하게 분석할 수 있다.

효과적인 토크를 발생하기 위해서는 모터권선이 항상 여자될 때 모터의 효율이 높아진다. 2상 하이브리드형 모터의 바이폴라 구동은 항상 4개의 권선이 여자되며, 유니폴라 구동과 비교하여 20∼35%의 전류증가가 요구된다.

브리지 구동에서는 2개의 트랜지스터의 스위칭 에러에 의한 파손을 방지하여야 한다. 즉, 한 쪽 트랜지스터가 ON되는 시간보다도 다른 쪽 트랜지스터가 OFF되는 시간이 충분히 짧아야 된다.

도 7은 바이폴라 운전용 여자 회로와 전류의 흐름을 나타낸다. 트랜지스터의 병렬로 접속된 다이오드는 트랜지스터가 OFF될 때 발생하는 급격한 전류 상승을 억제한다. 실선은 TR1과 TR4이 도통되었을 경우의 전류의 흐름이며, 점선은TR1, TR4가 OFF, TR2, TR3이 ON한 직후의 환류 전류의 흐름으로서 다이오드 D2와 D3 및 드라이버 전원 E를 통하여 환류한다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

110: 액츄에이터 120: 주동기어
130: 종동기어

Claims (5)

1. 외부로부터 공급받은 전원에 의해 제1 방향에서 제2 방향으로, 제2 방향에서 제1 방향으로 이동하는 액츄에이터;
   상기 액츄에이터와 연결되며, 상기 액츄에이터의 이동에 따라 이동하며, 연결된 스텝모터에 의해 구동하는 주동기어; 및
   상기 주동기어와 맞물리며, 상기 주동기어의 회전에 따라 회전하는 종동기어를 포함하며,
   상기 액츄에이터의 이동에 따라 상기 주동기어와 종동기어의 간격을 조절하는 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스텝모터와 연결되며, 상기 스텝모터로 공급되는 전류의 크기를 측정하며, 상기 주동기어를 동일한 속도로 회전시키기 위해 상기 스텝모터로 공급되는 전원의 크기가 변동됨에 따라 발생되는 역기전력을 측정하는 역기전력 측정 회로를 포함함을 특징으로 하는 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 주동기어와 종동기어 사이의 간격이 좁을수록 동일한 속도로 상기 주동기어를 회전시키기 위한 부하가 증가하며,
   상기 부하가 증가되면, 상기 스텝모터로 공급하는 전류 및 상기 공급되는 전류에 의해 발생되는 역기전력이 증가함을 특징으로 하는 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 역기전력 측정 회로는,
   회전각도, 회전속도와 관련된 펄스 파형을 입력받으며, 입력받은 펄스 파형에 대한 전류량, 변속주기, 진폭에 대한 정보를 생성하는 펄스 변환기;
   상기 펄스 변환기에서 생성한 전류량, 변속주기, 진폭에 대한 정보를 이용하여 상기 스텝모터를 구동하는 구동 드라이버;
   상기 스텝모터의 구동에 의해 발생된 역기전력과 무부하 상태에서의 역기전력의 크기를 비교하는 비교기, 및
   상기 스텝모터의 구동에 의해 발생된 역기전력의 크기를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 포함함을 특징으로 하는 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 스텝모터에서 발생된 역기전력은,
   상기 구동 드라이버를 구성하는 트랜지스터, 다이오드 및 센싱 저항을 경유하여 상기 펄스 변환기를 포함하는 마이콤으로 입력됨을 특징으로 하는 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치.

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