KR20200129937A - 축력 측정 장치 및 축력 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 축력 측정 장치 및 축력 측정 방법을 제공한다.
상기 축력 측정 장치는 구조물에 체결된 볼트부재와 너트부재의 체결력을 측정하여 상기 볼트부재의 축력을 측정하는 축력 측정 장치에 있어서, 체결된 상기 너트부재의 일측을 통해 상기 구조물에 진동을 발생시키고, 상기 너트부재의 일측의 반대측인 타측에서, 상기 구조물을 통해 전파되고 상기 너트부재를 통과한 상기 진동에 의한 신호를 획득하는 센서부와, 상기 센서부로부터 수신된 신호를 분석하고, 상기 너트부재의 체결력에 따라 상기 진동에 의한 신호의 전파속도의 차이가 발생하는 것을 이용하여 상기 볼트부재의 축력 값을 판정하는 분석부를 포함한다.
상기 축력 측정 장치는 구조물에 체결된 볼트부재와 너트부재의 체결력을 측정하여 상기 볼트부재의 축력을 측정하는 축력 측정 장치에 있어서, 체결된 상기 너트부재의 일측을 통해 상기 구조물에 진동을 발생시키고, 상기 너트부재의 일측의 반대측인 타측에서, 상기 구조물을 통해 전파되고 상기 너트부재를 통과한 상기 진동에 의한 신호를 획득하는 센서부와, 상기 센서부로부터 수신된 신호를 분석하고, 상기 너트부재의 체결력에 따라 상기 진동에 의한 신호의 전파속도의 차이가 발생하는 것을 이용하여 상기 볼트부재의 축력 값을 판정하는 분석부를 포함한다.
Description
본 발명은 축력 측정 장치 및 축력 측정 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 구조물에 체결된 볼트부재와 너트부재의 체결력을 측정하여 볼트부재의 축력을 측정하는 축력 측정 장치 및 축력 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 타이어는 디스크와 함께 회전할 수 있도록 휠과 디스크가 일체로 결합되는 구조로 되어 있는데, 휠과 디스크는 차체의 조립공정에서 다수개의 휠너트에 의해 조립이 이루어지게 된다.
종래 휠 조립구조는 디스크의 일측으로 돌출되는 다수 개의 볼트를 휠에 관통시키고, 볼트의 선단에 휠너트를 체결시킴으로써, 디스크와 휠을 결합하는 구조이다. 휠너트의 체결을 위해 너트런너가 사용된다.
너트런너로 휠너트를 체결할때, 볼트와 휠너트를 강하게 조여 붙이면 볼트, 휠너트에는 축 방향의 인장력인 축력(axial forces)이 작용한다. 이러한 축력을 측정하여 휠너트의 체결상태를 검사할 수 있다.
종래 휠너트의 축력을 측정하는 방법으로 초음파를 이용한 방법이나 스트레인 게이지를 이용한 방법이 사용되고 있다. 이러한 방식은 볼트와 휠너트를 체결시에 발생하는 힘에 의하여 변경된 볼트의 길이변화를 측정하여 축력을 측정하는 방식이다.
그런데 종래 방식을 이용하면 체결이 초음파센서 등을 장착하기 위해 통상 볼트 헤드부를 평탄하게 가공하는 작업이 필요하고 소요시간이 과다한 단점이 있다. 또한 볼트의 체결 전에 볼트의 길이를 알고 있어야하고 늘어난 길이를 초음파로 측정하여 변형량에 의해 축력을 계산하는 방식이므로, 이미 체결된 볼트의 축력은 측할 수 없는 단점이 있다. 즉 체결이 완료되지 않은 하드웨어만 측정이 가능하게 된다. 따라서 휠너트의 축력 미달로 인한 체결불량 차량의 검사가 어려운 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 측정 시간과 비용을 절감할 수 있고, 측정의 정확도를 높일 수 있는 축력 측정 장치 및 축력 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 인공지능을 이용하여 볼트부재의 축력을 측정함으로써, 빠르고 정확하게 축력을 판정하는 축력 측정 장치 및 축력 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 축력 측정 장치는 구조물에 체결된 볼트부재와 너트부재의 체결력을 측정하여 상기 볼트부재의 축력을 측정하는 축력 측정 장치에 있어서, 체결된 상기 너트부재의 일측을 통해 상기 구조물에 진동을 발생시키고, 상기 너트부재의 일측의 반대측인 타측에서, 상기 구조물을 통해 전파되고 상기 너트부재를 통과한 상기 진동에 의한 신호를 획득하는 센서부와, 상기 센서부로부터 수신된 신호를 분석하고, 상기 너트부재의 체결력에 따라 상기 진동에 의한 신호의 전파속도의 차이가 발생하는 것을 이용하여 상기 볼트부재의 축력 값을 판정하는, 분석부를 포함한다.
또한 본 발명은 상기 구조물의, 상기 너트부재가 접하는 체결면에 부착되고, 상기 너트부재에 고정되어, 상기 센서부를 상기 너트부재에 인접하게 설치하기 위한 센싱지그를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 분석부는, 기계학습에 의해 미리 학습된 데이터인 학습데이터를 기초로 하여 상기 센서부에서 측정된 신호인 판정대상신호를 분석하고, 데이터를 보간하여 상기 판정대상신호에 대응하는 축력 값을 판정할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 축력 측정 방법은, 구조물에 체결된 볼트부재와 너트부재의 체결력을 측정하여 상기 볼트부재의 축력을 측정하는 축력 측정 방법에 있어서, 센서부가 장착된 센싱지그를 상기 너트부재에 고정하여, 상기 센서부를 상기 너트부재에 인접하도록 상기 구조물에 설치하는 제1 단계와, 상기 센서부를 이용하여, 체결된 상기 너트부재의 일측을 통해 상기 구조물에 진동을 발생시키고, 상기 너트부재의 일측의 반대측인 타측에서, 상기 구조물을 통해 전파되고 상기 너트부재를 통과한 상기 진동에 의한 신호를 획득하는 제2 단계와, 상기 센서부로부터 수신된 신호를 분석하고, 상기 너트부재의 체결력에 따라 상기 진동에 의한 신호의 전파속도의 차이가 발생하는 것을 이용하여 상기 볼트부재의 축력 값을 판정하는 제3 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따른 축력 측정 장치 및 방법은, 볼트부재에 너트부재를 체결 시에 또는 체결된 이후에, 스마트소재인 센서부를 이용한 구조체의 진동특성을 이용함으로써, 측정 시간과 비용을 절감할 수 있고, 측정의 정확도를 높일 수 있고, 사용상의 편의를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 별도의 하드웨어의 가공이 불필요하고 빠르게 측정할 수 있으므로 컨베이어 생산방식의 양산라인에 적용할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따르면 인공지능을 이용하여 볼트부재의 축력을 측정함으로써, 빠르고 정확하게 축력을 판정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 축력 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 센싱지그 및 센서부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에서 바디부의 내부를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 홀더부의 제1 파트를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 홀더부의 제2 파트를 도시한 사시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 센싱지그의 작동을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 적용되는 센싱지그의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 10은 센서부에 의해 획득한 신호를 도시한 그래프이다.
도 11은 체결력에 따라 센서부에서 획득한 신호를 도시한 그래프이다.
도 12는 LSTM 알고리즘의 기본 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 샘플링에 의한 데이터 생성 및 증강을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 분석부에 의해 축력이 판정되는 과정을 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 축력 측정 방법의 흐름을 도시한 플로우차트이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 센싱지그 및 센서부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에서 바디부의 내부를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 홀더부의 제1 파트를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 적용되는 홀더부의 제2 파트를 도시한 사시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 센싱지그의 작동을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 적용되는 센싱지그의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 10은 센서부에 의해 획득한 신호를 도시한 그래프이다.
도 11은 체결력에 따라 센서부에서 획득한 신호를 도시한 그래프이다.
도 12는 LSTM 알고리즘의 기본 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 샘플링에 의한 데이터 생성 및 증강을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 분석부에 의해 축력이 판정되는 과정을 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 축력 측정 방법의 흐름을 도시한 플로우차트이다.
이하, 첨부된 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 축력 측정 장치 및 축력 측정 방법의 기술적인 특징을 이해시키기에 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예들에 의하여 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
본 발명에 따른 축력 측정 장치(100)는 구조물(10)에 체결된 볼트부재(미도시)와 너트부재(20)의 체결력을 측정하여 볼트부재의 축력을 측정하는 것을 기초로 한다. 일례로 구조물(10)은 차량의 휠일 수 있고, 너트부재(20)는 휠을 조립하는 휠너트일 수 있다. 그리고 볼트부재와 너트부재(20)는 구조물(10)을 관통하여 체결될 수 있다. 여기서 볼트부재는 차량의 휠 디스크 등에 고정되고 볼트부재와 너트부재(20)의 체결에 의해 구조물(10)인 휠을 휠 디스크 등에 조립할 수 있다. 이하에서는 편의상 구조물(10)에서 너트부재(20)가 체결되는 면을 체결면(10)이라 하고, 구조물(10)과 체결면(10)은 동일한 도면부호를 사용한다.
다만, 본 발명이 적용되는 구조물(10)과 너트부재(20)는 차량의 휠 및 휠너트에 한정하는 것은 아니고, 다양한 구조물(10)과 이에 체결된 볼트-너트 구조일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 축력 측정 장치(100)는, 센서부(200)와 분석부(500)를 포함한다.
센서부(200)는 체결된 너트부재(20)의 일측을 통해 구조물(10)에 진동을 발생시키고, 너트부재(20)의 일측의 반대측인 타측에서, 구조물(10)을 통해 전파되고 너트부재(20)를 통과한 진동에 의한 신호를 획득한다.
구체적으로 센서부(200)는 구조물(10)에 연결되고 구조물(10)과 너트부재(20)의 진동특성을 이용하여 너트부재(20)의 체결력을 측정할 수 있다. 예를 들어 센서부(200)는, 제1 센서(210)와 제2 센서(220)를 포함할 수 있다. 제1 센서(210)는, 너트부재(20)의 일측에 구비되고 압전효과를 가진 소자에 의해 구조물(10)에 파동을 발생시킬 수 있다. 제2 센서(220)는 너트부재(20)의 타측에 구비되고 제1 센서(210)에 의해 발생되어 너트부재(20)를 통과하여 전달된 파동을 측정할 수 있다. 여기서 제1 센서(210)는 압전소자(piezoelectric element)를 이용한 압전센서(piezoelectric sensor)일 수 있고, 제2 센서(220)는 출력신호를 처리하여 구조물(10)의 진동을 측정하는 가속도센서(acceleration sensor)일 수 있다. 다만, 센서부(200)는 이에 한정하는 것은 아니고, 구조물(10)을 가진하고 이에 의해 전파된 신호를 측정할 수 있는 측정센서이면 다양한 종류의 센서가 적용될 수 있다.
제1 센서(210)와 제2 센서(220)는 후술하는 센싱지그(300)에 의해 구조물(10)에 연결 및 설치될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고, 구조물(10)과 연결되어 진동을 발생하고 신호를 감지할 수 있다면 다양한 변형실시가 가능하다.
제1 센서(210)는 너트부재(20)의 일측을 통해 파동을 발생시키고, 제2 센서(220)는 너트부재(20)의 타측에서 전달된 파동을 측정할 수 있다. 여기서 너트부재(20)의 일측과 타측은 너트부재(20)를 중심으로 서로 반대되는 방향이다. 제2 센서(220)는, 제1 센서(210)에 의해 발생한 파동 중, 너트부재(20)를 통과하여 전파된 신호를 처리하여 파동을 측정할 수 있다.
분석부(500)는 센서부(200)로부터 수신된 신호를 분석하고, 너트부재(20)의 체결력에 따라 진동에 의한 신호의 전파속도의 차이가 발생하는 것을 이용하여 볼트부재의 축력 값을 판정한다.
구체적으로 도 1을 참조하면 분석부(500)는 센서부(200)와 전기적으로 연결되어 센서부(200)에 의한 신호를 전달받고 분석할 수 있다. 또한 너트부재(20)를 통과한 파동은 너트부재(20)의 체결력에 영향을 받고 전달된다. 즉 너트부재(20)의 체결정도에 따라 제2 센서(220)에 도달하는 전파속도의 차이가 발생할 수 있다. 제2 센서(220)를 통해 획득한 신호는 시간에 따른 진폭 크기로 나타낼 수 있고(도 10 참조), 첫번째 수신되는 피크(peak) 신호인 초기 신호는 체결력에 따라 변화한다(도 11 참조). 즉 체결력이 증가할 수록 초기 신호는 더 빠르게 수신될 수 있다. 분석부(500)는 이러한 특성을 이용하여 축력을 측정할 수 있다.
본 발명은 신호처리부(400)를 더 포함할 수 있다(도 9 참조). 신호처리부(400)는 파형을 생성하여 제1 센서(210)로 전달하고, 제2 센서(220)에서 측정한 신호를 분석부(500)로 전달할 수 있다.
예를 들어 신호처리부(400)는 도 9에는 신호처리부(400)의 일례가 도시된다. 다만 본 발명에 따른 신호처리부(400)는 도 9에 도시된 신호처리부(400)에 한정하는 것은 아니고 다양한 구성으로 변형실시될 수 있다.
도 9를 참조하면 본 발명에 따른 신호처리부(400)는 Scope Board와 AO Board를 포함할 수 있고, Signal Conditioner와 Actuator Amp를 더 포함할 수 있다. AO Board는 작업자가 원하는 파형을 소정크기(±10 V)의 전압으로 출력할 수 있다. Actuator Amp는 AO Board에서 생성한 전압 파형을 증폭하여 제1 센서(210)의 압전소자로 신호를 전달할 수 있다. Signal Conditioner는 제2 센서(220)인 가속도 센서에 정전류를 공급하고, 제2 센서(220)에서 측정한 가속도 신호를 증폭하여 Scope Board에 전달할 수 있다. Scope Board는 전달받은 신호를 고속으로(일례로 200MHz)로 측정하여 분석부(500)에 신호 데이터를 전달할 수 있다. 다만 신호처리부(400)의 구성과 각 구성의 기능은 상기한 바에 한정하는 것은 아니다.
이와 같이 본 발명에 따른 축력 측정 장치(100)는, 볼트부재에 너트부재(20)를 체결 시에 또는 체결된 이후에, 스마트소재인 센서부(200)를 이용한 구조체의 진동특성을 이용함으로써, 종래 축력 측정에 사용되는 기술(일례로 초음파 등)에 비해 시간과 비용을 절감할 수 있다. 또한 측정의 정확도를 높일 수 있고, 사용자에게 사용상의 편의를 제공할 수 있다.
또한 종래 축력 측정 방식(일례로 초음파 등)은 별도의 하드웨어를 가공이 필요하고 측정시간이 과다하게 소요되어 컨베이어 방식의 차량 양산라인에 적용하기 어려웠으나, 본 발명에 따르면 별도의 하드웨어의 가공이 불필요하고 측정시간이 빠른 기술이므로 컨베이어 생산방식의 양산라인에 적용할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명을 이용하면, 볼트부재의 변형률을 알고 있을 필요가 없으므로, 너트부재(20)의 체결 과정뿐만 아니라, 이미 체결된 너트부재(20)의 체결력도 측정할 수 있는 이점이 있다.
한편 본 발명에 따른 축력 측정 장치(100)는 센싱지그(300)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 도 2 내지 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 센싱지그(300)를 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면 센싱지그(300)는, 구조물(10)의, 너트부재(20)가 접하는 체결면(10)에 부착되고, 너트부재(20)에 고정되어, 센서부(200)를 너트부재(20)에 인접하게 설치하기 위해 마련될 수 있다. 센서부(200)는 센싱지그(300)를 통해 측정대상인 너트부재(20)에 인접하게 구조물(10)에 설치될 수 있다.
구체적으로 센싱지그(300)는 바디부(310)와, 레그부(320)와, 홀더부(330)와, 가압부(370)를 포함할 수 있다.
바디부(310)는 중심부를 상하로 관통하는 관통홀(312)과, 관통홀(312)을 중심으로 양측에 한 쌍의 장착홈(311)에 형성될 수 있다. 장착홈(311)은 너트부재(20)를 향하는 면이 개구될 수 있다.
레그부(320)는, 바디부(310)에 결합되고 체결면(10)에 접촉되며 센서부(200)가 설치되고, 너트부재(20)의 일측과 타측에 배치되게 한 쌍으로 마련될 수 있다.
구체적으로 레그부(320)는 너트부재(20)의 일측에 배치되고 제1 센서(210)가 부착되는 제1 레그(321)와, 너트부재(20)의 타측에 배치되고 제2 센서(220)가 부착되는 제2 레그(322)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에는 제1 센서(210)와 제2 센서(220)가 레그부(320)의 측면에 부착된 경우가 도시되나, 센서부(200)의 부착위치는 이에 한정하는 것은 아니고, 구조물(10)의 진동특성을 이용할 수 있다면 다양한 위치에 설치될 수 있다. 예를 들어 레그부(320)의 하면이나 체결면(10) 상에 홈을 형성하여, 제1 센서(210)와 제2 센서(220)를 레그부(320)의 하측면에 부착할 수도 있다. 또한 레그부(320)의 형상은 도시된 실시예에 한정하는 것은 아니고, 다양한 형상으로 변형실시될 수 있다. 일례로 체결면(10)과 접촉되는 선단이 뾰족하게 형성될 수도 있다(도 8 참조).
이와 같이 레그부(320)가 체결면(10)에 접촉되게 설치됨으로써, 레그부(320)에 설치된 센서부(200)가 구조물(10)에 센싱 가능하게 설치될 수 있다.
홀더부(330)는, 바디부(310)에 결합되고 한 쌍의 레그부(320)의 사이에 구비되며, 너트부재(20)에 고정될 수 있다.
구체적으로 홀더부(330)는 제1 파트(340)와 제2 파트(350)를 포함할 수 있다. 또한 홀더부(330)는 제1 자석(361)과 제2 자석(362)을 더 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면 제1 파트(340)는 바디부(310)에 관통 형성된 관통홀(312)에 직선 이동가능하게 삽입되고, 가압부(370)와 결합할 수 있다.
제1 파트(340)는 제1 몸체(341)와, 제1 몸체(341)의 너트부재(20)를 향하는 단부에 구비되어 제2 파트(350)와 연결되는 연결부(344)와, 연결부(344)에 너트부재(20)를 향하여 개구되게 형성된 제1 자석삽입홈(345)을 포함할 수 있다.
여기서 제1 몸체(341)는 길이 방향으로 길게 형성된 봉 형상일 수 있다. 제1 몸체(341)는 결합홀(343)을 포함할 수 있고, 결합홀(343)은 제1 몸체(341)의 중심에 길이방향으로 길게 관통형성되고 내주면의 적어도 일부에 제2 나사산이 형성될 수 있다. 또한 제1 몸체(341)의 외주면의 적어도 일부에는 제1 나사산(342)이 형성될 수 있다.
연결부(344)는 제1 몸체(341)보다 직경이 크게 형성될 수 있고, 제1 자석삽입홈(345)은 상기한 결합홀(343)과 연통될 수 있다. 제1 자석(361)은 제1 자석삽입홈(345)에 삽입되어 장착되고 너트부재(20)의 적어도 상면에 자력에 의해 부착될 수 있다. 이때 제1 자석(361)은 결합홀(343)과 너트부재(20)의 상면이 연결되도록 홀이 형성될 수 있다. 제1 자석(361)이 너트부재(20)에 부착됨으로써, 홀더부(330)가 너트부재(20)에 고정될 수 있고, 이에 따라 센싱지그(300)가 구조물(10)에 부착될 수 있다.
도 5를 참조하면 제2 파트(350)는 제1 파트(340)의 너트부재(20)를 향하는 단부에 결합되고 너트부재(20)가 삽입되는 중공(352)을 구비할 수 있다.
제2 파트(350)는 제2 몸체(351)와, 제2 몸체(351)의 체결면(10)을 향하는 방향의 단부에 형성된 제2 자석삽입홈(353)을 포함할 수 있다. 구체적으로 제2 몸체(351)는 중공(352)이 형성된 원통 형상일 수 있다. 그리고 제2 파트(350)의 외주면에는, 제1 파트(340)의 연결부(344)의 외주면에 형성된 나사산에 대응되는 나사산이 형성될 수 있고, 이에 따라 제1 파트(340)와 제2 파트(350)는 나사결합될 수 있다.
또한 너트부재(20)는, 중공(352)에 삽입되는 너트본체(21)와, 너트본체(21)의 체결면(10)을 향하는 단부에 반경반향으로 돌출된 플랜지부(22)를 포함할 수 있다. 그리고 제2 자석(362)은 제2 자석삽입홈(353)에 고정 장착되고, 너트부재(20)의 플랜지부(22)에 부착될 수 있다. 여기서 제2 자석삽입홈(353)은 플랜지부(22)를 향하는 면이 개구될 수 있고, 복수로 구비될 수 있다. 제2 자석(362)에 의해 홀더부(330)가 너트부재(20)에 더욱 견고하게 부착될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 홀더부(330)는 제1 자석(361)과 제2 자석(362)에 의해 너트부재(20)에 견고하게 부착될 수 있다.
가압부(370)는 홀더부(330)에 결합되고, 너트부재(20)에 부착되도록 홀더부(330)를 가압하고, 레그부(320)를 체결면(10)에 밀착시키도록 바디부(310)를 가압할 수 있다.
구체적으로 가압부(370)는 가압지지대(371)와 누름버튼(372)을 포함할 수 있다. 또한 가압부(370)는 압축스프링(373)과 조절너트(374)를 포함할 수 있다.
가압지지대(371)는 결합홀(343)에 삽입되고, 외주면에 제2 나사산에 나사결합되는 제3 나사산이 형성될 수 있다. 누름버튼(372)은 가압지지대(371)의 너트부재(20)를 향하는 방향의 반대 방향의 단부에 일체로 구비될 수 있다.
홀더부(330)가 너트부재(20)에 부착된 상태에서 누름버튼(372)이 회전되면, 제2 나사산과 제3 나사산의 나사결합에 의해 가압지지대(371)의 단부가 너트부재(20)를 향하는 방향으로 이동하면서 너트부재(20)를 밀어내는 것에 의해, 홀더부(330)가 너트부재(20)에서 분리될 수 있다.
구체적으로 가압지지대(371)는 봉 형상으로 형성될 수 있고, 결합홀(343)을 관통하여 설치될 수 있으며, 하단부가 너트부재(20)를 향하여 돌출될 수 있다. 결합홀(343)은 하단부를 포함하는 일부영역에 제2 나사산이 형성될 수 있고, 가압지지대(371)는 제2 나사산과 제3 나사산의 나사결합에 의해 결합될 수 있다. 작업자는 누름버튼(372)을 회전함으로써 홀더부(330)와 가압지지대(371)를 나사결합할 수 있다.
누름버튼(372)에 너트부재(20)를 향하는 방향으로 외력이 작용하면, 홀더부(330)가 너트부재(20)를 향하는 방향으로 이동하여 자력에 의해 너트부재(20)에 부착될 수 있다(도 7 참조). 반대로 홀더부(330)가 너트부재(20)에 부착된 상태에서 누름버튼(372)에 회전력이 작용하면, 가압지지대(371)가 제2 나사산과 제3 나사산의 나사결합에 의해, 회전하면서 너트부재(20)를 향하는 방향으로 이동할 수 있다. 이때 가압지지대(371)의 끝단(371a)이 너트부재(20)의 상면에 접촉되고, 끝단(371a)이 돌출되면서 너트부재(20)를 밀어낼 수 있다. 이에 따라 홀더부(330)가 너트부재(20)에서 분리될 수 있다(도 6 참조).
한편 가압부(370)는 압축스프링(373)과 조절너트(374)에 의해, 홀더부(330)의 부착력 및 레그부(320)의 체결면(10)에 대한 밀착력을 조절할 수 있다.
구체적으로 압축스프링(373)은, 제1 파트(340)의 외주면에 끼워지고, 길이방향의 일단부가 바디부(310)에 의해 지지되고, 레그부(320)에 체결면(10)을 향하는 방향으로 압축력을 전달할 수 있다. 즉 압축스프링(373)은 레그부(320)에, 체결면(10)에 수직한 방향의 압축력을 전달할 수 있다. 압축력은 압축스프링(373)의 압축된 스프링의 상수값에 의해 결정될 수 있다.
조절너트(374)는 압축스프링(373)의 장력을 조절하도록, 압축스프링(373)의 길이방향의 타단부에 인접하게 구비되고, 제1 나사산(342)과의 나사 결합에 의해 제1 파트(340)의 길이방향을 따라 이동 가능하게 구비될 수 있다. 예를 들어 압축스프링(373)의 압축력을 증가시키는 경우 조절너트(374)를 회전하여 바디부(310)를 향하는 방향으로 이동시킬 수 있다.
이와 같이 가압부(370)에 구비된 압축스프링(373)과 조절너트(374)에 의해, 너트부재(20)에 일정한 하중이 가해져서, 센싱지그(300)는 체결면(10)의 정확한 위치에 부착될 수 있다. 이에 따라 축력 측정 과정에서 외력에 의해 센싱지그(300)가 이탈되는 것을 방지할 수 있다. 그리고 압축스프링(373)에 의해 너트부재(20)에 가해지는 하중과 동일한 하중으로 레그부(320)가 구조물(10)의 체결면(10)을 누르는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명에 축력 측정 장치(100)는 안정적이고 정확하게 너트부재(20)의 체결력을 측정할 수 있다.
한편 도 8에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센싱지그(300)가 도시된다. 본 발명에 따른 축력 측정 장치(100)는 다양한 형상의 너트부재(20)와 구조물(10)에 적용될 수 있고, 구조물(10)과 너트부재(20)의 종류 및 형상 등에 따라 다양하게 변형실시될 수 있다.
예를 들어 도시된 일례와 같이 제2 파트(350)는 제2 몸체(351)와, 제2 몸체(351)에 결합되고 너트부재(20)의 외주면을 감싸서 고정하는 클램프(355)를 포함할 수 있다. 구체적으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 센싱지그(300)는 홀더부(330)가, 자력이 아닌, 클램프(355)에 의해 너트부재(20)에 결합될 수 있다. 단, 본 발명에 따른 홀더부(330)는 자석과 클램프(355)를 모두 포함할 수 있는 것은 물론이다.
한편 이하에서는 도 9 내지 도 14를 참조하여, 분석부(500)가 볼트부재의 축력을 판정하는 과정을 설명한다.
본 발명에 따른 축력 측정 장치(100)는 인공지능을 이용하여 너트부재(20)의 축력을 측정할 수 있다. 예를 들어 본 발명은 기계학습에 의해 너트부재(20)의 축력을 측정할 수 있고, 더욱 구체적으로 딥러닝(Deep Learning)에 의해 축력값을 판정할 수 있다.
구체적으로 분석부(500)는 기계학습에 의해 미리 학습된 데이터인 학습데이터를 기초로 하여 센서부(200)에서 측정된 신호인 판정대상신호를 분석하고, 데이터를 보간(Interpolation)하여 판정대상신호에 대응하는 축력 값을 판정할 수 있다.
분석부(500)에는 후술하는 방식에 의해 생성된 학습데이터를 이용한 학습모델이 입력될 수 있고, 분석부(500)는 학습모델을 토대로 판정대상신호를 분석하여 축력 값을 판정할 수 있다.
이하에서는 기계학습에 의해 학습모델 및 학습데이터를 생성하는 과정을 설명한다. 다만 본 발명에 적용되는 학습데이터의 생성 과정은 일례이고 이에 한정하는 것은 아니다. 또한 이하에서는 기계학습의 일례인 딥러닝을 중심으로 설명하나, 본 발명에 적용되는 기계학습은 딥러닝에 한정하는 것은 아니다.
먼저 상기한 센서부(200)를 이용하여 딥러닝을 위한 기초데이터를 취득한다. 즉 본 발명에 따른 센서부(200)는, 축력 측정 과정뿐만 아니라, 학습모델을 생성하는 과정에서도 이용될 수 있다. 상기한 바와 같이 너트부재(20)의 체결 정도에 따라 제2 센서(220)에 도달하는 전파속도의 차이가 발생하므로, 이를 이용하여 체결력을 분류할 수 있다. 센서부(200)에 의해 획득한 신호는, 도 10과 같이 시간(time)에 따른 진폭(amplitude) 크기로 나타내어지며, 이러한 시계열데이터의 초기 피크(peak) 신호가 딥러닝을 위한 기초데이터가 된다. 여기서 센서부(200)(제2 센서(220))로부터 수신한 신호인 파형데이터의 개수를 딥러닝을 위해 필요한 데이터의 개수로 축소하여 이미지화할 수 있고, 축소된 이미지 데이터를 저장할 수 있다. 이러한 파형데이터 축소 및 이미지화를 통해 분석시간을 감소시킬 수 있다.
도 11은 체결력에 따른 신호이다. 수신된 신호를 통해 체결력에 따른 초기 피크신호의 변화를 관찰할 수 있다. 이를 통해 너트부재(20)의 체결력이 증가할수록 진동이 수신되는 속도가 빠른 것을 알 수 있다. 이러한 진동 수신의 시간차를 이용하여 체결력을 분류할 수 있다.
이와 같이 취득한 기초데이터를 토대로 순환 신경망(Recurrent Neural Network, RNN)을 이용하여 예측데이터를 생성할 수 있다. 본 발명은 장단기 메모리(LSTM: Long-Short term Memory) 방식의 순환 신경망이 이용될 수 있다. 구체적으로 도 12에 도시된 LSTM 알고리즘의 기본 작동 원리와 같이, 시계열 데이터(time-series data)인 진동에 따른 신호(도 11참조)에서 시간(time)의 Input을, Input gate와 Forget gate를 이용하여 선택적으로 기억하게 된다. 이때 Input gate와 Forget gate에는 가중치(weight)가 각각 부여되는데, 이러한 가중치는 입력된 데이터가 시계열 데이터에서 향후 어떤식으로 변해가는지를 결정하는 방향으로 업데이트될 수 있고, 이러한 방식으로 딥러닝이 진행될 수 있다.
이후 딥러닝에 의해 학습된 데이터의 패턴을 이용하여, 기존 데이터의 진행 상황 이후의 신호를 예측하는 방식에 의해 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어 소정의 체결력(일례로 10-60kN)에 따른 신호의 데이터를 이용하여 학습을 진행한 뒤, 측정하지 않은 크기의 체결력(일례로 70-80kN)에 따른 신호에 대한 예측 및 생성을 진행하여 학습모델의 데이터로 활용할 수 있다.
이때 도 13에 도시된 바와 같이, 딥러닝을 위한 데이터 수를 확보하기 위해 샘플링(sampling)을 이용한 데이터 증강을 진행할 수 있다. 즉 학습된 데이터 파형을 샘플링하여 데이터를 생성함으로써 데이터를 증강시킬 수 있다. 구체적으로 원래데이터(Original Data)의 이산신호(discrete signal)를 연속신호(continuous signal)로 피팅(fitting)한 후, 피팅된 곡선(Fitted curve)에서 새로운 이산신호를 추출하는 방식으로 데이터를 생성 및 증강할 수 있다. 이와 같은 방식으로 다량의 데이터를 확보하여 학습데이터의 양을 늘림으로써, 축력 값의 판정 시에 판정의 정확도를 높일 수 있다.
이러한 방식에 의해 생성된 학습데이터를 이용하여 학습모델이 생성되고, 이러한 학습모델은 분석부(500)에 입력될 수 있다. 그리고 너트부재(20)의 축력을 측정 시에, 분석부(500)는 센서부(200)로부터 수신된 신호(판정대상신호)를, 학습모델을 토대로 분석하여 축력 값을 판정할 수 있다. 도 14를 참조하면 학습데이터와 판정대상신호를 비교 분석한 후 데이터 보간법(Interpolation)에 의해 정확한 축력 값을 판정할 수 있다. 여기서 데이터 보간법은 이미 알고 있는 데이터의 주변값을 선형조합하여 모르는 값을 예측하는 방법이다. 도 14의 좌측 그래프에서 A는 기초데이터, B는 학습데이터, C는 판정대상신호에 의한 데이터일 수 있다. 도 14의 우측 그래프와 같이 각각의 데이터를 비교 분석한 후, 데이터를 보간하여 정확한 축력 값을 판정할 수 있다.
본 발명은 표시부(600)를 더 포함할 수 있다. 표시부(600)는 분석부(500)에 의해 판정된 축력 값을 표시할 수 있다. 작업자는 표시부(600)를 통해 축력 값을 모니터링할 수 있다. 그리고 작업자는 표시부(600)에 표시된 축력 값을 기초로 너트부재(20)의 체결력(축력)을 정도를 조절할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 축력 측정 장치(100)는, 인공지능을 이용하여 볼트부재의 축력을 측정함으로써, 빠르고 정확하게 축력을 판정할 수 있다.
이하에서는 도 15를 참조하여, 본 발명의 다른 측면에 의한 축력 측정 방법을 설명한다. 본 발명에 따른 축력 측정 방법은 상기한 축력 측정 장치(100)(도 1 내지 도 14 참조)를 이용한 방법이다.
본 발명에 따른 축력 측정 방법은, 구조물(10)에 체결된 볼트부재와 너트부재(20)의 체결력을 측정하여 볼트부재의 축력을 측정하는 것을 기초로 한다.
본 발명에 따른 축력 측정 방법은, 제1 단계(S110)와 제2 단계(S120) 및 제3 단계(S130)를 포함한다. 또한 본 발명은 제4 단계(S140)를 더 포함할 수 있다.
제1 단계(S110)는, 센서부(200)가 장착된 센싱지그(300)를 너트부재(20)에 고정하여, 센서부(200)를 너트부재(20)에 인접하도록 구조물(10)에 설치하는 단계이다.
제2 단계(S120)는, 센서부(200)를 이용하여, 체결된 너트부재(20)의 일측을 통해 구조물(10)에 진동을 발생시키고, 너트부재(20)의 일측의 반대측인 타측에서, 구조물(10)을 통해 전파되고 너트부재(20)를 통과한 진동에 의한 신호를 획득하는 단계이다.
제3 단계(S130)는, 센서부(200)로부터 수신된 신호를 분석하고, 너트부재(20)의 체결력에 따라 진동에 의한 신호의 전파속도의 차이가 발생하는 것을 이용하여 볼트부재의 축력 값을 판정하는 단계이다.
제4 단계(S140)는, 볼트부재의 축력 값을 판정한 이후에, 판정된 축력 값을 표시하는 단계이다.
여기서 제3 단계(S130)는, 기계학습에 의해 미리 학습된 데이터인 학습데이터를 기초로 하여 센서부(200)에서 측정된 신호인 판정대상신호를 분석하고, 데이터를 보간하여 판정대상신호에 대응하는 축력 값을 판정할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 축력 측정 장치 및 방법은, 볼트부재에 너트부재를 체결 시에 또는 체결된 이후에, 스마트소재인 센서부를 이용한 구조체의 진동특성을 이용함으로써, 측정 시간과 비용을 절감할 수 있고, 측정의 정확도를 높일 수 있고, 사용상의 편의를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 별도의 하드웨어의 가공이 불필요하고 빠르게 측정할 수 있으므로 컨베이어 생산방식의 양산라인에 적용할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따르면 인공지능을 이용하여 볼트부재의 축력을 측정함으로써, 빠르고 정확하게 축력을 판정할 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 특허청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다.
10: 구조물, 체결면
20: 너트부재
21: 너트본체 22: 플랜지부
100: 축력 측정 장치 200: 센서부
210: 제1 센서 220: 제2 센서
300: 센싱지그 310: 바디부
311: 장착홈 312: 관통홀
320: 레그부 321: 제1 레그
322: 제2 레그 330: 홀더부
340: 제1 파트 341: 제1 몸체
342: 제1 나사산 343: 결합홀
344: 연결부 345: 제1 자석삽입홈
350: 제2 파트 351: 제2 몸체
352: 중공 353: 제2 자석삽입홈
355: 클램프 361: 제1 자석
362: 제2 자석 370: 가압부
371: 가압지지대 371a: 가압지지대의 끝단
372: 누름버튼 373: 압축스프링
374: 조절너트 400: 신호처리부
500: 분석부 600: 표시부
21: 너트본체 22: 플랜지부
100: 축력 측정 장치 200: 센서부
210: 제1 센서 220: 제2 센서
300: 센싱지그 310: 바디부
311: 장착홈 312: 관통홀
320: 레그부 321: 제1 레그
322: 제2 레그 330: 홀더부
340: 제1 파트 341: 제1 몸체
342: 제1 나사산 343: 결합홀
344: 연결부 345: 제1 자석삽입홈
350: 제2 파트 351: 제2 몸체
352: 중공 353: 제2 자석삽입홈
355: 클램프 361: 제1 자석
362: 제2 자석 370: 가압부
371: 가압지지대 371a: 가압지지대의 끝단
372: 누름버튼 373: 압축스프링
374: 조절너트 400: 신호처리부
500: 분석부 600: 표시부
Claims (18)
- 구조물에 체결된 볼트부재와 너트부재의 체결력을 측정하여 상기 볼트부재의 축력을 측정하는 축력 측정 장치에 있어서,
체결된 상기 너트부재의 일측을 통해 상기 구조물에 진동을 발생시키고, 상기 너트부재의 일측의 반대측인 타측에서, 상기 구조물을 통해 전파되고 상기 너트부재를 통과한 상기 진동에 의한 신호를 획득하는 센서부; 및
상기 센서부로부터 수신된 신호를 분석하고, 상기 너트부재의 체결력에 따라 상기 진동에 의한 신호의 전파속도의 차이가 발생하는 것을 이용하여 상기 볼트부재의 축력 값을 판정하는, 분석부를 포함하는 축력 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 너트부재의 일측에 구비되고 압전효과를 가진 소자에 의해 상기 구조물에 파동을 발생시키는 제1 센서; 및
상기 너트부재의 타측에 구비되고 상기 제1 센서에 의해 발생되어 상기 너트부재를 통과하여 전달된 파동을 측정하는 제2 센서를 포함하는, 축력 측정 장치. - 제2항에 있어서,
파형을 생성하여 상기 제1 센서로 전달하고, 상기 제2 센서에서 측정한 신호를 상기 분석부로 전달하는 신호처리부를 더 포함하는, 축력 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 구조물의, 상기 너트부재가 접하는 체결면에 부착되고, 상기 너트부재에 고정되어, 상기 센서부를 상기 너트부재에 인접하게 설치하기 위한 센싱지그를 더 포함하는, 축력 측정 장치. - 제4항에 있어서,
상기 센싱지그는,
바디부;
상기 바디부에 결합되고 상기 체결면에 접촉되며 상기 센서부가 설치되고, 상기 너트부재의 상기 일측과 상기 타측에 배치되는 한 쌍의 레그부;
상기 바디부에 결합되고 한 쌍의 상기 레그부의 사이에 구비되며, 상기 너트부재에 고정되는 홀더부;
상기 홀더부에 결합되고, 상기 너트부재에 부착되도록 상기 홀더부를 가압하고, 상기 레그부를 상기 체결면에 밀착시키도록 상기 바디부를 가압하는 가압부를 포함하는, 축력 측정 장치. - 제5항에 있어서,
상기 센서부는, 상기 너트부재의 일측에 구비되고 상기 구조물에 파동을 발생시키는 제1 센서와, 상기 너트부재의 타측에 구비되어 전달된 파동을 측정하는 제2 센서를 포함하고,
상기 레그부는, 상기 너트부재의 일측에 배치되고 상기 제1 센서가 부착되는 제1 레그와, 상기 너트부재의 타측에 배치되고 상기 제2 센서가 부착되는 제2 레그를 포함하는, 축력 측정 장치. - 제5항에 있어서,
상기 홀더부는,
상기 바디부에 관통 형성된 관통홀에 직선 이동가능하게 삽입되고, 상기 가압부와 결합하는 제1 파트; 및
상기 제1 파트의 상기 너트부재를 향하는 단부에 결합되고 상기 너트부재가 삽입되는 중공을 구비하는 제2 파트를 포함하는, 축력 측정 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제1 파트는 제1 몸체와, 상기 제1 몸체의 상기 너트부재를 향하는 단부에 구비되어 상기 제2 파트와 연결되는 연결부와, 상기 연결부에 상기 너트부재를 향하여 개구되게 형성된 제1 자석삽입홈을 포함하고,
상기 홀더부는 상기 제1 자석삽입홈에 고정 장착되고 상기 상기 너트부재의 적어도 상면에 부착되는 제1 자석을 더 포함하는, 축력 측정 장치. - 제7항에 있어서,
상기 너트부재는, 상기 중공에 삽입되는 너트본체와, 상기 너트본체의 상기 체결면을 향하는 단부에 반경반향으로 돌출된 플랜지부를 포함하고,
상기 제2 파트는 제2 몸체와, 상기 제2 몸체의 상기 체결면을 향하는 방향의 단부에 형성된 제2 자석삽입홈을 포함하고,
상기 홀더부는 상기 제2 자석삽입홈에 고정 장착되고, 상기 너트부재의 플랜지부에 부착되는 제2 자석을 더 포함하는, 축력 측정 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제2 파트는 제2 몸체와, 상기 제2 몸체에 결합되고 상기 너트부재의 외주면을 감싸서 고정하는 클램프를 포함하는, 축력 측정 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제1 파트는 제1 몸체와, 상기 제1 몸체의 중심에 길이방향으로 길게 관통되고 내주면의 적어도 일부에 제2 나사산이 형성된 결합홀을 포함하고,
상기 가압부는,
상기 결합홀에 삽입되고, 외주면에 상기 제2 나사산에 나사결합되는 제3 나사산이 형성되는 가압지지대; 및
상기 가압지지대의 상기 너트부재를 향하는 방향의 반대 방향의 단부에 일체로 구비되는 누름버튼을 포함하고,
상기 홀더부가 상기 너트부재에 부착된 상태에서 상기 누름버튼이 회전되면, 상기 제2 나사산과 상기 제3 나사산의 나사결합에 의해 상기 가압지지대의 단부가 상기 너트부재를 향하는 방향으로 이동하면서 상기 너트부재를 밀어내는 것에 의해, 상기 홀더부가 상기 너트부재에서 분리되는, 축력 측정 장치. - 제7항에 있어서,
상기 제1 파트는 제1 몸체와, 상기 제1 몸체의 외주면의 적어도 일부에 형성된 제1 나사산을 포함하고,
상기 가압부는,
상기 제1 파트의 외주면에 끼워지고, 길이방향의 일단부가 상기 바디부에 의해 지지되고, 상기 레그부에 상기 체결면을 향하는 방향으로 압축력을 전달하는 압축스프링; 및
상기 압축스프링의 장력을 조절하도록, 상기 압축스프링의 길이방향의 타단부에 인접하게 구비되고, 상기 제1 나사산과의 나사 결합에 의해 상기 제1 파트의 길이방향을 따라 이동 가능하게 구비되는 조절너트를 포함하는, 축력 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 분석부는, 기계학습에 의해 미리 학습된 데이터인 학습데이터를 기초로 하여 상기 센서부에서 측정된 신호인 판정대상신호를 분석하고, 데이터를 보간하여 상기 판정대상신호에 대응하는 축력 값을 판정하는, 축력 측정 장치. - 제13항에 있어서,
상기 센서부를 이용하여 상기 너트부재의 체결력에 따른 진동에 의한 신호를 획득하여 기초데이터를 취득하고,
상기 기초데이터를 토대로 순환 신경망을 이용하여 학습데이터 및 학습모델을 생성하고,
상기 분석부는, 상기 너트부재의 축력을 측정 시에, 상기 판정대상신호를 상기 학습모델에 비교하여 축력 값을 판정하는 축력 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 분석부에 의해 판정된 축력 값을 표시하는 표시부를 더 포함하는, 축력 측정 장치. - 구조물에 체결된 볼트부재와 너트부재의 체결력을 측정하여 상기 볼트부재의 축력을 측정하는 축력 측정 방법에 있어서,
센서부가 장착된 센싱지그를 상기 너트부재에 고정하여, 상기 센서부를 상기 너트부재에 인접하도록 상기 구조물에 설치하는 제1 단계;
상기 센서부를 이용하여, 체결된 상기 너트부재의 일측을 통해 상기 구조물에 진동을 발생시키고, 상기 너트부재의 일측의 반대측인 타측에서, 상기 구조물을 통해 전파되고 상기 너트부재를 통과한 상기 진동에 의한 신호를 획득하는 제2 단계;
상기 센서부로부터 수신된 신호를 분석하고, 상기 너트부재의 체결력에 따라 상기 진동에 의한 신호의 전파속도의 차이가 발생하는 것을 이용하여 상기 볼트부재의 축력 값을 판정하는 제3 단계를 포함하는 축력 측정 방법. - 제16항에 있어서,
상기 볼트부재의 축력 값을 판정한 이후에, 판정된 축력 값을 표시하는 제4 단계를 더 포함하는, 축력 측정 방법. - 제16항에 있어서,
상기 제3 단계는, 기계학습에 의해 미리 학습된 데이터인 학습데이터를 기초로 하여 상기 센서부에서 측정된 신호인 판정대상신호를 분석하고, 데이터를 보간하여 상기 판정대상신호에 대응하는 축력 값을 판정하는, 축력 측정 방법.
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