KR20200125284A - 섬유 장력조절 장치 및 이를 이용한 장력조절 방법 - Google Patents

섬유 장력조절 장치 및 이를 이용한 장력조절 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 필라멘트 와인딩 머신에 유리섬유, 카본섬유, 케블라 등의 각종섬유을 공급할 시 섬유가 일정한 장력을 유지토록 한 섬유 장력조절 장치 및 장력조절 방법을 제공코자 하는 것으로서, 상기 본 발명은 엔코더가 내장되고 섬유 스풀(1)의 풀림속도를 제어하도록 구비되는 서보모터(10), 상기 서보모터(10) 회전작동으로 인출되는 섬유(1a)의 장력을 측정하도록 장력센싱롤러(22)가 구비되는 장력검출부(20), 상기 섬유 스풀(1)과 장력검출부(20) 사이에 설치되어 텐션롤러(32)의 선회작동에 의해 섬유(1a) 장력을 조절하도록 구비되는 텐션조절부(30), 상기 장력검출부(30)를 거쳐 공급되는 섬유(1a) 이동거리를 측정하도록 길이센싱롤러(42)가 구비되는 길이검출부(40) 및 상기 서보모터(10) 회전속도를 제어하는 서보드라이버모듈(52)과 상기 서보 드라이버모듈(52)의 PID제어 게인을 보정하도록 구비되는 제어게인모듈(54)으로 구성되는 제어부(50)를 포함하여 이루어지는 섬유 장력조절 장치 및 이를 이용한 장력제어단계(S1) 및 적응제어단계(S2)로 된 섬유 장력조절 방법을 특징으로 하며, 이에 의하면 고속 와인딩작업의 안전성 및 와인딩 품질이 향상되는 장점이 있다.

Description

섬유 장력조절 장치 및 이를 이용한 장력조절 방법{Fiber tension control device and tension control method using the same}
본 발명은 섬유 장력조절 장치 및 장력조절 방법에 관련되며, 보다 상세하게는 필라멘트 와인딩 머신에 유리섬유, 카본섬유, 케블라 등의 각종섬유을 공급할 시 섬유가 일정한 장력을 유지토록 한 섬유 장력조절 장치 및 장력조절 방법에 관한 것이다.
일반적으로 내부에 유체가 내입되는 압력용기를 제조하기 위하여 용기의 외면에 유리섬유, 카본섬유, 케블라(kevlar) 등의 각종 섬유를 감아주도록 하는 필라멘트 와인딩머신과 함께 상기 각종 섬유를 등장력으로 공급하는 섬유공급기가 필요하다. 상기 섬유 공급기에는 각종 섬유가 감긴 보빈을 각각 결합 구성한 스풀이 수개 구비되며, 와인딩머신의 구동에 의해 스풀에서 섬유을 풀어낼 시 섬유가 일정한 장력을 유지하면서 와인딩머신에 공급되도록 한 섬유의 장력조절장치가 부설되어 있지만, 섬유 장력조절 정밀도가 기대치에 못미치는 실정이다.
이에 본 발명자가 개발하여 특허로 출원한 대한민국 공개특허공보 10-2004-0053073호에 기재된 바와 같이 섬유가 권취된(=감긴) 섬유롤과 동축상에 설치되는 전자클러치와 축연결되어 해권(=풀림)방향과 역방향으로 구동되는 되감기모터를 구비하며, 섬유롤의 지름을 측정하여 지름 변화에 따른 토크를 전자클러치로 인가하는 지름측정기를 구비하며, 섬유의 절단 및 소진을 감지하기 위한 사절감지장치를 구비하며, 사절감지장치는 전후 안내롤러 상간에 감지롤러를 축설치한 감지레버를 시소운동이 가능하게 축핀으로 설치하고, 감지레버의 일측으로 감지센서를 설치한 것을 특징으로 하는 섬유 등장력 제어기가 구현되어 있으나, 이러한 종래 섬유 등장력 제어기는 감지레버와 감지센서 외에도 지름측정기 등을 구비해야 하므로 그 구조가 복잡하고, 고가의 전자클러치를 사용하여 제조원가가 앙등하게 되며, 감지레버에 축설치된 감지롤러의 전후로 안내롤러를 구비하므로 이러한 전후 안내롤러와 감지롤러 등 다수의 롤러에 섬유가 안내될 시 마찰에의해 보풀이 일어나서 섬유의 인장강도를 저하시켜 압력용기의 내구성을 떨어뜨리는 문제점을 가지며, 감지레버의 시소운동에 의한 감지센서의 가압방식으로 감지하므로 섬유의 미세한 장력을 측정하기에 한계가 있었던 실정이다.
또, 본 발명자는 상기 종래기술의 단점을 보완한 특허 등록번호 10-1374804호에서, 각종 섬유를 인출할 시 섬유가 일정한 장력을 유지토록 한 섬유 장력조절장치를 제공코자 하는 것으로서, 상기 섬유 장력조절장치는 후방에 커플링으로 연결된 모터가 설치된 스풀의 일측으로 보빈에서 인출되는 섬유를 안내하는 가이드롤러가 설치되며, 가이드롤러의 측방으로 자유회전되게 회동축이 설치되어 전방으로는 회동레버를 고정 설치하며 후방으로는 장력감지레버를 고정 설치하며, 회동레버의 단부에 회동축과 소정 간격으로 이격된 장력측정롤러가 자유 회전되게 설치되며, 장력감지레버의 단부에 섬유공급기에 일단이 고정 설치된 로드셀의 단부가 인장스프링으로 탄력 지지토록 설치되어 실시간으로 섬유의 장력을 측정하여 컨트롤러로 신호를 보내서 모터의 정역회전구동을 제어시켜 섬유의 장력을 조절토록 한 기술이 선 등록된바 있지만, 장력감지레버와 로드셀에 의해 섬유의 인출 장력이 미세하게 측정가능하나, 섬유 고속 인출, 섬유 인출 속도 급가속, 급감속에 따른 장력변화에 신속하게 대응하지 못하는 실정이다.
이처럼 와인딩머신의 속도 증가는 생산성을 향상시켜는 중요한 요인으로 작용하는데, 와인딩머신의 속도가 증가하면 장력조절장치에서 스풀에 감겨있는 섬유도 와이딩머신에서 감기는 속도 만큼 일정한 장력으로 빠져 나가야 한다. 그리고 일정한 장력을 가지면서 고속으로 섬유가 빠져 나갈 때, 급격한 가, 감속이 이루어지는데, 이때 섬유의 장력을 일정하게 해주는 기술 개발이 시급한 실정이다.
KR 10-2004-0053073 A (2004. 6. 23) KR 10-1374804 B1 (2014.03.10)
이에 따라 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 착안된 것으로서, 장력검출부 측정값과 기준 장력값을 비교하여 PID제어에 의해 오차가 제거되도록 서보모터 회전속도를 제어함과 더불어 길이검출부를 통한 서보모터 1회전당 섬유 이동거리 측정 값을 이용하여 섬유 스풀 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈의 PID제어 게인을 실시간 보정하여 고속 와인딩작업의 안전성 및 와인딩 품질향상을 도모하는 섬유 장력조절 장치 및 이를 이용한 장력조절 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 특징은, 엔코더가 내장되고, 섬유 스풀의 풀림속도를 제어하도록 구비되는 서보모터와, 상기 서보모터 회전작동으로 스풀에서 인출되는 섬유의 장력을 측정하도록 장력센싱롤러가 구비되는 장력검출부와, 상기 섬유 스풀과 장력검출부 사이에 설치되어 텐션롤러의 선회작동에 의해 섬유 장력을 조절하도록 구비되는 텐션조절부와, 상기 장력검출부를 거쳐 공급되는 섬유 이동거리를 측정하도록 길이센싱롤러가 구비되는 길이검출부, 및 상기 장력검출부 측정값과 기준 장력값을 비교하여 PID제어에 의해 오차가 제거되도록 서보모터 회전속도를 제어하는 서보드라이버모듈과, 상기 길이검출부를 통한 서보모터 1회전당 섬유 이동거리 측정값을 이용하여 섬유 스풀 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈의 PID제어 게인을 보정하도록 구비되는 제어게인모듈으로 구성되는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 장력검출부는 섬유 스풀에서 인출되는 섬유가 타고 이동되는 센싱롤러와, 센싱롤러를 선회가능하게 지지하는 센싱암과, 센싱암에 접촉되어 섬유 장력변화에 따른 힘을 측정하는 로드셀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 섬유 장력조절 장치를 이용한 장력조절 방법은, 엔코더가 내장되고, 섬유 스풀의 풀림속도를 제어하도록 구비되는 서보모터와, 상기 서보모터 회전작동으로 인출되는 섬유의 장력을 측정하도록 장력센싱롤러가 구비되는 장력검출부와, 상기 섬유 스풀과 장력검출부 사이에 설치되어, 텐션롤러의 선회작동에 의해 섬유 장력을 조절하도록 구비되는 텐션조절부와, 상기 장력검출부를 거쳐 공급되는 섬유 이동거리를 측정하도록 길이센싱롤러가 구비되는 길이검출부를 포함하여 구성되는 섬유 장력조절 장치를 이용하여, 상기 장력검출부 측정값과 기준장력 값을 비교하여 PID제어모듈에 의해 오차가 제거되도록 서보모터 회전속도를 제어하는 서보 드라이버모듈을 구동하는 장력제어단계와, 및 상기 길이검출부를 통한 서보모터 1회전당 섬유 이동거리 측정값을 이용하여 섬유 스풀 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보드라이버모듈의 PID제어모듈 게인을 보정하도록 구비되는 제어게인모듈을 구동하는 적응제어단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 장력제어단계는 기준 장력값에 현재 장력값을 맞추는 제어를 수행하고, 기준장력값과 장력검출부 측정값의 오차는 PID 제어모듈로 전달되고, PID 제어모듈 내에서 산출된 보정 출력값이 서보 드라이버모듈로 전달되며, 서보모터 및 서보 드라이버모듈을 토크 제어모드로 설정되어 섬유 스풀을 회전가속시키게 되므로 섬유 스풀의 회전관성모멘트에 반비례하는 각가속도가 출력되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적응제어단계는 서보 모터의 1회전당 실제 섬유의 이동거리를 측정하여 섬유 스풀의 원주거리를 측정하고, 원주거리 값을 통해서 섬유 스풀 지름을 구하며, 지름 값을 연산하여 시간이 지나면서 섬유 스풀 무게 변화에 따른 관성부하 값을 산출하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
이상의 구성 및 작용에 의하면, 본 발명은 장력검출부 측정값과 기준 장력값을 비교하여 PID제어에 의해 오차가 제거되도록 서보모터 회전속도를 제어함과 더불어 길이검출부를 통한 서보모터 1회전당 섬유 이동거리 측정 값을 이용하여 섬유 스풀 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈의 PID제어 게인을 실시간 보정하여 고속 와인딩작업의 안전성 및 와인딩 품질향상을 도모하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치의 장력조절구성을 개략적으로 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치에서 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈의 PID제어 게인을 보정하는 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치의 섬유 스풀 지름측정 구성을 개략적으로 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치의 제어게인모듈 알고리즘을 나타내는 구성도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치 및 이를 이용한 장력조절 방법을 개략적으로 나타내는 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치의 장력조절구성을 개략적으로 나타내는 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치에서 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈의 PID제어 게인을 보정하는 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치의 섬유 스풀 지름측정 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치의 제어게인모듈 알고리즘을 나타내는 구성도이다.
본 발명은 섬유 장력조절 장치 및 이를 이용한 장력조절 방법에 관련되며, 이때 섬유 장력조절 장치는 장력검출부 측정값과 기준 장력값을 비교하여 PID제어에 의해 오차가 제거되도록 서보모터 회전속도를 제어함과 더불어 길이검출부를 통한 서보모터 1회전당 섬유 이동거리 측정 값을 이용하여 섬유 스풀 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈의 PID제어 게인을 실시간 보정하여 고속 와인딩작업의 안전성 및 와인딩 품질향상을 도모하기 위해 서보모터(10), 장력검출부(20), 텐션조절부(30), 길이검출부(40), 제어부(50)를 포함하여 주요구성으로 이루어진다.
본 발명에 따른 서보모터(10)는 엔코더가 내장되고, 섬유 스풀(1)의 풀림속도를 제어하도록 구비된다. 서보모터(10) 복수개가 정렬배치되어 섬유공급기를 구성하고, 각각의 서보모터(10)에는 회전축이 연결되며, 회전축에는 섬유가 롤형태로 감긴 섬유 스풀(1)이 각각 장착되어 풀림 장력이 독립적으로 제어된다.
또한, 본 발명에 따른 장력검출부(20)는 서보모터(10) 회전작동으로 인출되는 섬유(1a)의 장력을 측정하도록 장력센싱롤러(22)가 구비된다. 도 1에서 상기 장력검출부(20)는, 섬유 스풀(1)에서 인출되는 섬유(1a)가 타고 이동되는 센싱롤러(22)와, 센싱롤러(22)를 선회가능하게 지지하는 센싱암(24)과, 센싱암(24)에 접촉되어 섬유(1a) 장력변화에 따른 힘을 측정하는 로드셀(26)을 포함하여 이루어진다.
즉, 상기 섬유(1a) 장력은 센싱롤러(22)가 달려있는 센싱암(24)이 로드셀(26)을 누르게 됨으로써 직접적으로 측정된다. 여기서 로드셀(26)의 힘은 로드셀 앰프(StrainAmp)를 거쳐 제어부(50)로 전달되며, 제어부(50) 내부의 A/D 변환기를 거쳐 디지탈 값으로 변환된다.
또한, 본 발명에 따른 텐션조절부(30)는 섬유 스풀(1)과 장력검출부(20) 사이에 설치되어, 텐션롤러(32)의 선회작동에 의해 섬유(1a) 장력을 조절하도록 구비된다. 텐션롤러(32)는 텐션암에 회전가능하게 설치되고, 텐션암은 일단이 힌지를 축으로 선회되고, 다른 일단에 댐퍼, 스프링을 포함하는 탄성체가 구비된다.
그리고, 상기 텐션조절부(30)는 섬유 스풀(1)에서 인출되는 섬유(1a)가 텐션롤러(32)를 거치고, 장력센싱롤러(22) 및 후술하는 길이검출부(40)의 길이센싱롤러(42)를 경유하여 와인딩 머신으로 공급된다. 이때 섬유(1a)에 장력이 걸릴 때 텐션암에 연결되어 있는 탄성체가 변형을 일으켜 장력 값이 급격히 변화하지 않도록 적절한 유연성(Compliance)을 제공하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 길이검출부(40)는 상기 장력검출부(30)를 거쳐 공급되는 섬유(1a) 이동거리를 측정하도록 길이센싱롤러(42)가 구비된다. 길이센싱롤러(42)는 상기 복수의 섬유 스풀에서 인출되는 복수의 섬유 가닥과 접촉되어, 섬유 이동력에 의해 구동되도록 구비된다. 길이센싱롤러(42) 전, 후방에 상기 복수의 섬유 스풀(1)을 통하여 공급되는 복수가닥의 섬유(1a)가 일정한 간격으로 이동되도록 복수의 간격유지롤러가 구비된다.
그리고, 상기 길이센싱롤러(42)에는 로타리엔코더가 구비되어, 섬유(1a)가 길이센싱롤러(42)를 지나면서 섬유 공급량이 검출되고, 섬유 공급량 검출값은 제어부로 송출된다.
또한, 본 발명에 따른 제어부(50)는 장력검출부(20) 측정값과 기준 장력값을 비교하여 PID제어에 의해 오차가 제거되도록 서보모터(10) 회전속도를 제어하는 서보드라이버모듈(52)과, 상기 길이검출부(40)를 통한 서보모터(10) 1회전당 섬유(1a) 이동거리 측정 값을 이용하여 섬유 스풀(1) 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유(1a)가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈(52)의 PID제어 게인을 보정하도록 구비되는 제어게인모듈(54)으로 구성된다.
여기서, 상기 서보드라이버모듈(52)은 입력된 장력값과 설정된 장력값을 비교하여 오차가 제거될 수 있도록 서보모터(10)에 적절한 지령을 내보내는 Fully Closed FeedBack PID 제어를 수행한다. 이러한 서보드라이버모듈(52)의 작동은 제어판넬(Control Panel)을 통해 사용자가 조작하는 것이 가능하다
여기서, 상기 제어부(50)는 사용자가 지령한 기준 장력값에 현재 장력값을 맞추는 제어를 수행한다. 도 2에서 기준장력값과 현재 장력값의 오차 e는 PID 제어에 의해 계산된 출력값 U가 서보 드라이버모듈(52)로 전달된다. 이때 서보모터(10) 및 서보 드라이버모듈(52)을 토크 제어모드로 설정함으로써 서보모터(10)의 회전축에는 지령된 토크출력이 나오게 된다. 이 회전토크 T는 서모 모터(10) 회전축에 연결되어 있는 섬유 스풀(1)을 회전가속시키게 되므로 섬유 스풀(1)의 회전관성모멘트 Js에 반비례하는 각가속도 α가 얻어지게 된다.
즉, T = Js *α 의 관계로부터 α = T/Js가 얻어진다.
이 가속도는 다시 적분되어 섬유 스풀(1)의 회전속도가 얻어진다. 섬유 스풀(1)의 회전속도 즉, 섬유 공급속도가 와인딩 머신의 요구 속도와 같지 않을 경우, 이 속도의 차이는 적분되어 섬유 장력으로 변동되고, 이러한 섬유장력 변동값은 로드셀(26)로 측정하여 장력변동이 일어나지 않도록 제어된다.
한편, 도 2에서 각부 용어를 설명하자면 Ref Tension : 사용자가 설정한 기준 장력값, PID : 비례(P:Propotional), 적분(I:Integration), 미분(D:Differentiation) 제어를 수행하는 서보 제어기, Servo Driver : 모터제어용 Driver, M : Motor, U : 서보제어기 출력전압으로서, 서보 드라이버 제어 지령값, Js : 서보모터 회전축에 부착된 섬유스풀의 회전관성모멘트, α : 섬유스풀(모터 회전축)의 각가속도, 1/S : 적분요소, ω :섬유스풀(모터 회전축)의 각속도, 각가속도가 적분되어 각속도로 변환됨, Wire speed : 섬유(섬유) 속도, Spool Dynamics : Spool 관련 동역학에 대한 것이다. 
도 3에서, 본 발명의 섬유장력 조절장치는 섬유 스풀(1)의 섬유(1a)를 지속적으로 공급하는 것을 목적으로 하므로, 시간이 지나면서 섬유 스풀(10)의 무게가 줄어들게 된다. 이는 서보모터(10) 회전축에 연결되어 있는 관성부하 (Js) 가 시간이 지나면서 점차 감소하는 것을 의미하며, 이로 인해 제어부(50)에 의한 장력제어시스템의 플랜트(Plant)상태가 가변되므로, 섬유가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈의 PID제어 게인을 실시간 보정하여 고속 와인딩작업의 안전성 및 와인딩 품질향상을 도모한다.
일예로서, 관성부하의 변동량을 간략히 설명하면, 초기 섬유 스풀(1)의 크기를 200mm, 무게 10kg로 가정하고, 최종 스풀의 크기를 85mm, 무게 100g으로 가정할 경우 회전관성모멘트의 변화율이 약 16배에 해당한다. 이러한 정도의 부하관성모멘트의 변화가 일어나는 제어시스템은 일반적으로 동일한 제어 파라미터의 설정으로는 요구되는 최적의 성능을 만족하기 어렵고, 특히 관성부하의 변화에 따라 제어시스템의 게인을 적절히 조절하여주지 않으면 제어기의 안정성을 보장할 수 없게 된다.
이에 본 발명에서는 섬유 스풀(1)의 관성부하의 변화에 따라서 서보 드라이버모듈(52)의 PID 게인을 조절하는 제어게인모듈(54)을 구동하게 된다.
이때, 상기 섬유 스풀(1)의 관성부하의 변화를 검출하기 위해서는 섬유 스풀(1)의 직경 변화를 측정하는바, 도 4와 같이 본 발명에서는 서보모터(10) 회전축 관성부하의 변동에 따라 게인을 조절하는 적응제어단계(S2)을 사용하므로, 섬유(1a) 장력을 제어하는 중에 섬유 스풀(1)의 크기를 측정하는 방법이 필요하다.
이를 위해서 서보 모터(10)의 1회전당 실제 섬유(1a)의 이동거리를 측정하여 섬유 스풀(1)의 원주거리를 측정하고 이를 통해서 섬유 스풀(1) 지름을 구하는 방법을 사용한다. 즉, 섬유(1a)가 공급되는 경로상에 설치되는 길이센싱롤러(42)의 회전량을 로터리엔코더로 측정하고, 측정값은 실제 섬유(1a)가 지나간 양에 비례한다. 한편 동시에 서보모터(10) 회전축의 회전량도 회전엔코더를 통해 측정된다.
이처럼, 상기 서보모터(10)의 1회전량을 검출하고, 동시에 서보모터(10) 1회전동안의 길이센싱롤러(42) 회전펄스수를 측정함으로써 섬유 스풀(1)의 크기가 산출되고, 이때 길이센싱롤러(42)의 엔코더 분해능과 직경을 미리 알고 있으므로 섬유 스풀(1)의 직경은 간단히 산출된다.
즉, 길이센싱롤러 엔코더의 1회전당 펄스수를 Pe, 서보모터 1회전 하는동안 검출된 길이센싱롤러 엔코더의 펄수 수를 Pw, 섬유 센싱롤러의 직경을 Dw 라고 하면 '섬유 스풀 직경(D) = ( Pw / Pe ) * Dw' 가 된다.
도 5에서, 본 발명에서 사용한 적응제어단계(S2)이 적응제어 알고리즘은 섬유 스풀(1)의 크기를 측정한 후 미리 프로그램되어 있는 게인값을 사용하는 방법으로 하였다. 또한 게인의 선택과 입력을 편리하게 하기 위해 적응제어에 사용되는 제어게인은 비례게인 (Kp)만을 변화시키는 방법을 선택하였다.
즉, 도 5(a)에서와 같이 본 섬유장력제어장치에서 실시간으로 변화시키는 시스템 게인은 비례게인 (Kp)만으로 이용한다.
또, 도 5 (b)는 비례게인을 변화시키는 방법에 대한 그래프이다. 일예로서 도 5 (b)와 같이 Kp200은 스풀의 최대 직경인 200mm일 경우에 안정적인 제어가 가능한 비례게인값, 그리고 Kp85는 스풀의 최소직경인 85mm인 경우의 안정적인 동작을 하는 비례게인값이며, 이러한 비례게인값은 콘트롤러 내부에 미리 설정하여 둔다.
한편 와인딩 작업을 하는 동안 섬유 스풀(1) 직경이 변화할 경우, 해당 직경에 대한 비례게인값은 그림 5(b)에서와 같이 선형으로 보간하여 사용하는 것으로 정밀 제어된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유 장력조절 장치를 이용한 장력조절 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 6에서, 본 발명에 따른 섬유 장력조절 장치를 이용한 장력조절 방법은, 엔코더가 내장되고, 섬유 스풀(1)의 풀림속도를 제어하도록 구비되는 서보모터(10)와, 상기 서보모터(10) 회전작동으로 인출되는 섬유(1a)의 장력을 측정하도록 장력센싱롤러(22)가 구비되는 장력검출부(20)와, 상기 섬유 스풀(1)과 장력검출부(20) 사이에 설치되어, 텐션롤러(32)의 선회작동에 의해 섬유(1a) 장력을 조절하도록 구비되는 텐션조절부(30)와, 상기 장력검출부(30)를 거쳐 공급되는 섬유(1a) 이동거리를 측정하도록 길이센싱롤러(42)가 구비되는 길이검출부(40)를 포함하여 구성되는 섬유 장력조절 장치를 이용한다. 이에 따른 섬유 장력조절 장치에 대한 상세할 설명은 상기 도 1 내지 도 5에 대한 설명을 참조한다.
1. 장력제어단계(S1)
본 발명에 따른 장력제어단계(S1)는, 상기 장력검출부(20) 측정값과 기준장력 값을 비교하여 PID제어모듈에 의해 오차가 제거되도록 서보모터(10) 회전속도를 제어하는 서보 드라이버모듈(52)을 구동하는 단계이다.
이때, 상기 장력 제어단계(S1)는, 기준 장력값에 현재 장력값을 맞추는 제어를 수행하고, 기준장력값과 장력검출부(20) 측정값의 오차(e)는 PID 제어모듈로 전달되고, PID 제어모듈 내에서 산출된 보정 출력값(U)이 서보 드라이버모듈(52)로 전달되며, 서보모터(10) 및 서보 드라이버모듈(52)을 토크 제어모드로 설정되어 섬유 스풀(1)이을 회전가속되므로 섬유 스풀(1)의 회전관성모멘트(Js)에 반비례하는 각가속도(α)가 출력되도록 구비된다.
2. 적응제어단계(S2)
본 발명에 따른 적응제어단계(S2)는, 상기 길이검출부(40)를 통한 서보모터(10) 1회전당 섬유(1a) 이동거리 측정값을 이용하여 섬유 스풀(1) 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유(1a)가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보드라이버모듈(52)의 PID제어모듈 게인을 보정하도록 구비되는 제어게인모듈(54)을 구동하는 단계이다.
상기 적응제어단계(S2)는, 서보 모터(10)의 1회전당 실제 섬유(1a)의 이동거리를 측정하여 섬유 스풀(1)의 원주거리를 측정하고, 원주거리 값을 통해서 섬유 스풀(1) 지름을 구하며, 지름 값을 연산하여 시간이 지나면서 섬유 스풀(1) 무게 변화에 따른 관성부하 값을 산출하도록 구비된다.
여기서, 상기 장력제어단계(S1) 및 적응제어단계(S2)의 상세한 구동 설명은 상기 도 1 내지 도 5에 대한 설명을 참조한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 섬유 장력조절 장치 및 이를 이용한 장력조절 방법에 의하면 장력검출부 측정값과 기준 장력값을 비교하여 PID제어에 의해 오차가 제거되도록 서보모터 회전속도를 제어함과 더불어 길이검출부를 통한 서보모터 1회전당 섬유 이동거리 측정값을 이용하여 섬유 스풀 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈의 PID제어 게인을 실시간 보정할 수 있으므로 고속 와인딩작업 시 안전성을 제공하면서 와인딩대상물에 섬유의 와인딩 품질이 월등히 향상되도록 할 수 있는 것이다.
이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에는 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 기술범위에 벗어나지 않는 범위 내에서는 다양한 변형실시도 가능하다 할 것이며, 따라서 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정하여 정해지는 것이 아니라, 후술하는 특허청구범위의 기술들과 이들 기술로부터 균등한 기술수단들에까지 보호범위가 인정되어야 할 것이다.
1: 섬유 스풀 1a: 섬유
10: 서보모터 20: 장력검출부
22: 장력센싱롤러 24: 센싱암
26: 로드셀 30: 텐션조절부
32: 텐션롤러 40: 길이검출부
42: 길이센싱롤러 50: 제어부
52: 서보드라이버모듈 54: 제어게인모듈

Claims (5)

  1. 엔코더가 내장되고, 섬유 스풀(1)의 풀림속도를 제어하도록 구비되는 서보모터(10);
    상기 서보모터(10) 회전작동으로 스풀(1)에서 인출되는 섬유(1a)의 장력을 측정하도록 장력센싱롤러(22)가 구비되는 장력검출부(20);
    상기 섬유 스풀(1)과 장력검출부(20) 사이에 설치되어, 텐션롤러(32)의 선회작동에 의해 섬유(1a) 장력을 조절하도록 구비되는 텐션조절부(30);
    상기 장력검출부(30)를 거쳐 공급되는 섬유(1a) 이동거리를 측정하도록 길이센싱롤러(42)가 구비되는 길이검출부(40); 및
    상기 장력검출부(20) 측정값과 기준 장력값을 비교하여 PID제어에 의해 오차가 제거되도록 서보모터(10) 회전속도를 제어하는 서보드라이버모듈(52)과, 상기 길이검출부(40)를 통한 서보모터(10) 1회전당 섬유(1a) 이동거리 측정값을 이용하여 섬유 스풀(1) 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유(1a)가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보 드라이버모듈(52)의 PID제어 게인을 보정하도록 구비되는 제어게인모듈(54)으로 구성되는 제어부(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 장력조절 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 장력검출부(20)는, 섬유 스풀(1)에서 인출되는 섬유(1a)가 타고 이동되는 센싱롤러(22)와, 센싱롤러(22)를 선회가능하게 지지하는 센싱암(24)과, 센싱암(24)에 접촉되어 섬유(1a) 장력변화에 따른 힘을 측정하는 로드셀(26)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 장력조절 장치.
  3. 엔코더가 내장되고, 섬유 스풀(1)의 풀림속도를 제어하도록 구비되는 서보모터(10)와, 상기 서보모터(10) 회전작동으로 인출되는 섬유(1a)의 장력을 측정하도록 장력센싱롤러(22)가 구비되는 장력검출부(20)와, 상기 섬유 스풀(1)과 장력검출부(20) 사이에 설치되어, 텐션롤러(32)의 선회작동에 의해 섬유(1a) 장력을 조절하도록 구비되는 텐션조절부(30)와, 상기 장력검출부(30)를 거쳐 공급되는 섬유(1a) 이동거리를 측정하도록 길이센싱롤러(42)가 구비되는 길이검출부(40)를 포함하여 구성되는 섬유 장력조절 장치를 이용하여,
    상기 장력검출부(20) 측정값과 기준장력 값을 비교하여 PID제어모듈에 의해 오차가 제거되도록 서보모터(10) 회전속도를 제어하는 서보 드라이버모듈(52)을 구동하는 장력제어단계(S1);
    상기 길이검출부(40)를 통한 서보모터(10) 1회전당 섬유(1a) 이동거리 측정값을 이용하여 섬유 스풀(1) 지름에 따른 관성부하를 산출하고, 섬유(1a)가 풀리면서 점차 감소되는 관성부하 값을 이용하여 서보드라이버모듈(52)의 PID제어모듈 게인을 보정하도록 구비되는 제어게인모듈(54)을 구동하는 적응제어단계(S2);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 섬유 장력조절 장치를 이용한 장력조절 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 장력 제어단계(S1)는, 기준 장력값에 현재 장력값을 맞추는 제어를 수행하고, 기준장력값과 장력검출부(20) 측정값의 오차는 PID 제어모듈로 전달되고, PID 제어모듈 내에서 산출된 보정 출력값이 서보 드라이버모듈(52)로 전달되며, 서보모터(10) 및 서보 드라이버모듈(52)을 토크 제어모드로 설정되어 섬유 스풀(1)이을 회전가속되므로 섬유 스풀(1)의 회전관성모멘트에 반비례하는 각가속도가 출력되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 섬유 장력조절 장치를 이용한 장력조절 방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 적응제어단계(S2)는, 서보 모터(10)의 1회전당 실제 섬유(1a)의 이동거리를 측정하여 섬유 스풀(1)의 원주거리를 측정하고, 원주거리 값을 통해서 섬유 스풀(1) 지름을 구하며, 지름 값을 연산하여 시간이 지나면서 섬유 스풀(1) 무게 변화에 따른 관성부하 값을 산출하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 섬유 장력조절 장치를 이용한 장력조절 방법.
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