KR20220010623A - 전동 공구 - Google Patents

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KR20220010623A
KR20220010623A KR1020200088006A KR20200088006A KR20220010623A KR 20220010623 A KR20220010623 A KR 20220010623A KR 1020200088006 A KR1020200088006 A KR 1020200088006A KR 20200088006 A KR20200088006 A KR 20200088006A KR 20220010623 A KR20220010623 A KR 20220010623A
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Abstract

본 발명에 따른 전동 공구는, 압축 스프링(140)과 클러치 작동 요소를 구비하는 토크 제한 클러치 기구(13); 상기 압축 스프링(140)의 길이를 조절하는 토크 조절 너트(160); 상기 압축 스프링(140)의 길이방향 양쪽 단부면 중 어느 한쪽의 단부면에 설치되어 상기 압축 스프링(140)으로부터 작용하는 축방향 압축력을 검출하는 로드 셀(200); 상기 압축 스프링(140)의 스프링 상수값 변화에 따른 제어를 수행할지 아닐지를 사용자가 선택하도록 하는 자동 토크 운전 스위치(21); 상기 압축 스프링(140)이 고유하게 지닌 기준 스프링 상수값(K1) 정보, 상기 토크 제한 클러치 기구(13) 작동 시 상기 압축 스프링(140)의 최대 압축량 정보가 미리 저장되어 있으며, 상기 자동 토크 운전 스위치(21)로부터 온(ON) 신호를 수신한 후, 상기 로드 셀(200)로부터 상기 압축 스프링(140)의 실제 예압축력(F1)을 수신하고, 상기 토크 제한 클러치 기구(13)의 클러치 작동에 따른 실제 피크 압축력(F3)을 더 수신하여 상기 압축 스프링(140)의 실제 스프링 상수값(K2)을 산출하고, 산출된 실제 스프링 상수값(K2)과 상기 기준 스프링 상수값(K1)의 차이값(ΔK)이 허용 범위(Ak)를 넘어가면 상기 전기 모터(11)의 구동을 정지함과 함께 상기 압축 스프링(140)의 정비 필요 상황을 디스플레이(18)에 표시하도록 설정된 공구 제어기(201); 를 포함한다.

Description

전동 공구{Electric Driving Tool}
본 발명은 전동 공구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토크 제한 클러치 기구용 압축 스프링의 압축력 및 스프링 상수의 변화를 파악하여 압축 스프링의 이상 유무를 판정함으로써 정확하고 신속한 대처가 가능하고, 정확한 목표 토크로 체결할 수 있으면서 압축 스프링의 예압축력(豫壓縮力) 조정 방향(목표 토크 조정 방향)을 제시할 수 있도록 한 것이다.
전동 스크루 드라이버나 전동 토크 렌치와 같은 회전식 전동 공구는, 나사를 체결하기 위한 스크루 드라이버나 볼트나 너트를 체결하기 위한 소켓을 장착하여 체결 작업을 수행한다.
도 1에는 일반적인 전동 공구가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전동공구는 하우징(10) 내부의 전기 모터(11)를 구동하고, 전기 모터(11)의 회전을 감속장치(12)에서 감속한 후, 감속장치(12)에서 출력되는 회전력을 토크 제한(torque limit) 클러치 기구(13)를 통해 스핀들(14)로 전달하여, 스핀들(14)의 선단에 장착된 비트(2)를 회전시킨다.
또한, 사용자가 파지하기 위한 손잡이(15)와, 전기 모터(11)를 구동하여 체결 작업을 수행하기 위한 작동 스위치(16) 및 전기 모터(11) 및 작동부에 전력을 공급하기 위한 충전식 배터리(17)를 구비하며, 충전식 배터리(17) 이외에도 외부 전원을 공급하기 위한 전원선을 구비할 수 있다.
도 1에 도시된 전동 공구는, 손잡이(15)가 구비된 형태이지만 특허문헌 1에 개시된 바와 같이 별도의 손잡이 없이 하우징을 손잡이로 삼는 전동 공구의 형태일 수 있으며, 충전식 배터리(17) 없이 전원선만을 구비한 형태일 수 있다.
토크 제한 클러치 기구(13)는, 비트(2)로부터 스핀들(14)에 가해지는 반작용토크가 토크 제한 클러치 기구(13)에 미리 결정된 토크 임계값에 도달하면 감속장치(12)의 출력단과 스핀들(14) 사이가 헛돌게 하여 회전력이 스핀들(14)에 전달되지 못하게 함으로써 정해진 체결 토크로 체결이 이루어지도록 하는 것이다.
도 2에는, 이러한 토크 제한 클러치 기구(13)의 구조가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 토크 제한 클러치 기구(13)는, 유성기어 장치 등의 감속장치(12)의 출력단과 하우징(10)에 스핀들(14)을 베어링(122, 124)을 통해 회전 가능하게 지지하고, 감속장치(12)의 출력단과 스핀들(14) 사이에 토크 제한 클러치 기구(13)를 구비하여 감속장치(12)의 출력단으로부터 스핀들(14)로 회전력을 전달하거나, 회전력 전달 중에 토크 임계값을 넘어가면 헛돌도록 하여 토크 임계값을 초과하지 못하게 구성한 것이다.
구체적으로, 토크 제한 클러치 기구(13)는, 감속장치(12)의 출력단에 제1 클러치 판(110)을 형성하고, 스핀들(14)에는 제2 클러치 판(130)을 상대회전은 불가능하나 축방향으로의 미끄럼 이동은 가능하게 설치하며, 제2 클러치 판(130)을 제1 클러치 판(110)을 향해 가압하는 압축 스프링(140)을 설치하고, 이 압축 스프링(140)의 반대쪽을 스프링받침(150) 및 토크 조절 너트(160)로 지지하도록 되어 있다.
그리고 제1 클러치 판(110)과 제2 클러치 판(130)에는 클러치 작동 요소를 구비하는데, 이 클러치 작동 요소는, 제1 클러치 판(110)과 제2 클러치 판(130) 중 한쪽에는 예를 들어 베어링 볼과 같은 토크 전달 돌기(112)를 구비하고 반대쪽에는 예를 들어 산 모양과 같은 토크 받기 캠(132)을 형성하여 이루어져서, 토크 전달 돌기(112)가 토크 받기 캠(132)에 맞물려 회전력을 전달하다가 비트(2)로부터 스핀들(14)이 받는 반작용 토크가 압축 스프링(140)의 예압축력에 의해 토크 받기 캠(132)에 주어진 반작용 토크를 초과하면, 압축 스프링(140)을 압축시키면서 토크 전달 돌기(112)가 토크 받기 캠(132)의 능선을 타고 넘어가 헛돌게 됨으로써 그 이상 회전력의 전달이 이루어지지 못하게 된다.
또한, 압축 스프링(140)의 예압축력(pre-compression force)은, 사용자가 하우징(10)의 조절 캡(10b)을 돌려 토크 설정 눈금을 조절하여 토크 조절 너트(160)를 회전시키거나 소정의 공구(조절 어댑터)를 조절 캡(10b)에 마련된 조절 구멍에 끼워 토크 조절 너트(160)를 회전시키는 방법으로 조절 단수를 조절하는 것에 의해, 토크 조절 너트(160)를 더 조여 압축 스프링(140)의 압축력을 더 증대시키거나, 토크 조절 너트(160)를 풀어 압축 스프링(140)의 압축력을 감소시키는 것으로 이루어진다.
이와 같이 토크 조절 단수를 조절하여 압축 스프링(140)의 예압축력을 조절하는 방법에서는, 각 조절 단수 사이의 값으로는 조절할 수 없고, 설령 다이얼처럼 연속 조절 가능하더라도 실제로 작용하는 토크가 정확하게 얼마인지를 작업자가 알기 어렵다.
이에 따라 특허문헌 1과 같이 실제 작업에서의 체결 토크를 검출하여 표시하는 수단을 구비한 예가 있지만, 그 체결 토크를 검출하기 위한 변환장치(변환기 조립체)가 회전력에 따라 변환기를 구성하는 재료의 비틀림 변형을 변형 게이지에 의해 검출하는 방식이어서, 변환기 재료가 변형 유도에 대한 정밀도를 유효하게 확보하기 어려워 정밀 작업이 곤란한 문제가 있다.
또한, 특히 실제 체결에 의해 변환기가 비틀릴 때에만 토크 값을 측정할 수있을 뿐이지, 공구의 계속적인 사용이나 환경 상황에 따라 압축 스프링의 상태(예: 스프링 상수값) 변화는 인지할 수 없다는 한계가 있다. 그렇기 때문에 압축 스프링의 상태가 악화 되었음에도 계속하여 토크 조절만으로 대응하다가 원하는 정확한 토크를 얻을 수 없거나 제때에 대응(정비 또는 교체)하지 못하여 더 큰 고장을 일으켜 공구의 수명이 단축되는 폐단이 발생한다.
또한, 위와 같은 토크 검출 수단은 장치가 매우 복잡하여, 공구의 크기와 무게를 증가시키고 제조 원가를 많이 상승시키는 좋지 않은 요인이 된다.
공개실용신안 제20-2017-0004361호 공보 공개특허 제10-2019-0073503호 공보
본 발명은 위와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 개발한 것으로서, 본 발명은 토크 제한 클러치 기구용 압축 스프링의 압축력 및 스프링 상수의 변화를 파악하여 압축 스프링의 이상 유무를 판정함으로써 압축 스프링의 물리적 특성이 악화한 상황을 정확하게 알려 신속한 대처가 가능하고, 압축 스프링의 압축력을 직접 토크로 변환하여 정확한 목표 토크로 체결할 수 있으면서 압축 스프링의 예압축력 조정 방향(목표 토크(토크 조절 단수) 조정 방향)을 제시하여 정밀하고 쉽게 작업할 수 있도록 하는 전동 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 전동 공구는, 전기 모터(11) 구동 측의 출력단과 스핀들(14) 사이에 압축 스프링(140)의 압축력에 의한 힘으로 스핀들(14)에 회전력을 전달하거나 비트(2)로부터 스핀들(14)에 가해진 반작용 토크가 상기 압축 스프링(140)의 압축력에 의해 주어진 기준 토크를 초과하면 헛돌게 되어 회전력의 전달이 이루어지지 못하게 하는 클러치 작동 요소를 구비하는 토크 제한 클러치 기구(13); 상기 압축 스프링(140)의 길이를 조절하는 토크 조절 너트(160); 상기 압축 스프링(140)의 길이방향 양쪽 단부면 중 어느 한쪽의 단부면에 설치되어 상기 압축 스프링(140)으로부터 작용하는 축방향 압축력을 검출하는 로드 셀(200); 상기 압축 스프링(140)의 스프링 상수값 변화에 따른 제어를 수행할지 아닐지를 사용자가 선택하도록 하는 자동 토크 운전 스위치(21); 상기 압축 스프링(140)이 고유하게 지닌 기준 스프링 상수값(K1) 정보, 상기 토크 제한 클러치 기구(13) 작동 시 상기 압축 스프링(140)의 최대 압축량 정보가 미리 저장되어 있으며, 상기 자동 토크 운전 스위치(21)로부터 온(ON) 신호를 수신한 후, 상기 로드 셀(200)로부터 상기 압축 스프링(140)의 실제 예압축력(F1)을 수신하고, 상기 토크 제한 클러치 기구(13)의 클러치 작동에 따른 실제 피크 압축력(F3)을 더 수신하여 상기 압축 스프링(140)의 실제 스프링 상수값(K2)을 산출하고, 산출된 실제 스프링 상수값(K2)과 상기 기준 스프링 상수값(K1)의 차이값(ΔK)이 허용 범위(Ak)를 넘어가면 상기 전기 모터(11)의 구동을 정지함과 함께 상기 압축 스프링(140)의 정비 필요 상황을 디스플레이(18)에 표시하도록 설정된 공구 제어기(201); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전동 공구에 있어서, 사용자가 목표 토크값(Tt)을 입력하기 위한 입력 조작부(22)를 더 포함하고, 상기 공구 컨트롤러(201)는, 상기 클러치 작동 요소가 지닌 고유 형상정보가 미리 저장되고, 상기 클러치 작동 요소의 고유 형상정보와 상기 압축 스프링(140)의 압축력에 의해 실제 작동 토크를 산출하는 토크 연산 프로그램이 미리 저장되며, 상기 로드 셀(200)로부터 입력되는 압축 스프링(140)의 압축력을 상기 토크 연산 프로그램에 산입하여 산출한 상기 실제 작동 토크가 상기 목표 토크값(Tt)에 도달하면 상기 전기 모터(11)를 정지시킴과 함께 상기 디스플레이(18)에 체결 완료 정보를 출력하도록 설정된다.
본 발명에 따른 전동 공구에 있어서, 상기 공구 제어기(201)는, 상기 압축 스프링(140)에 조정 단수별 토크 조절 너트(160)의 이동거리 및 압축 스프링(140)의 압축량에 대한 정보가 미리 저장되어 있고; 상기 산출한 실제 작동 토크가 피크 토크값(Tp)인 것으로 확인되면, 상기 피크 토크값(Tp)과 상기 목표 토크값(Tt)의 차이값(ΔT)을 산출하고, 상기 차이값(ΔT)에 의한 스프링 압축력 보상값(Ep)을 산출하며, 산출된 스프링 압축력 보상값(Ep)에 의해 상기 토크 조절 너트(160)의 조정에 필요한 조정 단수를 산출하고, 그 산출된 조정 단수를 디스플레이(18)에 출력하여 표시하도록 설정된다.
본 발명에 따른 전동 공구에 의하면, 로드 셀에 의해 압축 스프링의 압축력 상태를 직접 정확하게 파악하여 스프링 상수의 변화를 판단하여 압축 스프링의 이상 유무를 정확하고 쉽게 판정함으로써, 압축 스프링의 물리적 특성이 악화한 상황을 사용자에게 정확하게 알려 신속한 대처가 가능하다.
또한, 압축 스프링의 압축력을 직접 토크로 변환하여 정확한 목표 토크로 체결할 수 있으면서, 압축 스프링의 예압축력 조정 단수, 즉, 토크 조절 너트의 알맞은 조정 단수를 제시함으로써, 사용자가 쉽게 파악하여 정확하게 작업할 수 있다.
도 1은, 일반적인 한 형태의 전동 공구를 보인 도면이다.
도 2는, 전동 공구의 토크 제한 클러치 기구크 제한 장치의 한 형태 및 본 발명에 따른 토크 제한 클러치 기구를 나타낸 도면이다.
도 3은, 본 발명에 따라 토크 제한 클러치 기구의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는, 본 발명에 따른 전동 공구의 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 5는, 본 발명에 따른 전동 공구의 구성을 자세하게 나타내는 도면이다.
도 6은, 토크 제한 클러치 기구의 압축 스프링의 압축력과 토크와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은, 압축 스프링의 스프링 상수 선도(압축력-변형량 선도)를 예시한 도면이다.
도 8은, 본 발명에 따른 전동 공구의 제어 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는, 도 6에 이어지는 제어 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전동 공구 및 그것의 제어 방법의 실시 형태를 자세하게 설명한다. 도 1 및 도 2에 도시된 구성요소와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하며, 그 반복되는 설명은 생략한다.
도 2에는, 본 발명에 따른 토크 제한 클러치 기구(13)가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 전동 공구는, 압축 스프링(140)의 길이방향 양쪽 단부면 중 어느 한쪽의 단부면에 로드 셀(200)을 설치한다. 로드 셀(200)에서 검출된 압축 스프링(140)의 압축력(복원력)은 후술하는 공구 제어기(201)로 전송된다.
도 2에서는, 로드 셀(200)이 제2 클러치 판(130)에 설치된 예를 도시하였으나, 로드 셀(200)은 스프링 받침(150)에 설치되어도 좋다.
로드 셀(200)은, 압축 스프링(140)으로부터 작용하는 축방향 압축력을 직접 센싱하여 검출하게 된다. 이는 특허문헌 1처럼 어떤 소재의 비틀림을 이용하여 간접적으로 센싱하여 검출하는 것과 대조된다.
앞에서 이미 설명한 바와 같이, 토크 제한 클러치 기구(13)는, 전기 모터(11) 구동 측인 감속장치(12)의 출력단에 제1 클러치 판(110)을 형성하고, 스핀들(14)에는 제2 클러치 판(130)을 상대회전은 불가능하나 축방향으로의 미끄럼 이동은 가능하게 설치하며, 제2 클러치 판(130)을 제1 클러치 판(110)을 향해 가압하는 압축 스프링(140)을 설치하고, 이 압축 스프링(140)의 반대쪽을 스프링받침(150) 및 토크 조절 너트(160)로 지지하도록 되어 있다.
클러치 작동 요소는, 제1 클러치 판(110)과 제2 클러치 판(130) 중 한쪽에는 예를 들어 베어링 볼과 같은 토크 전달 돌기(112)를 구비하고 반대쪽에는 예를 들어 산 모양과 같은 토크 받기 캠(132)을 형성하여 이루어져서, 토크 전달 돌기(112)가 토크 받기 캠(132)에 맞물려 회전력을 전달하다가 비트(2)로부터 스핀들(14)이 받는 반작용 토크가 압축 스프링(140)의 예압축력에 의해 토크 받기 캠(132)에 주어진 반작용 토크를 초과하면, 압축 스프링(140)을 압축시키면서 토크 전달 돌기(112)가 토크 받기 캠(132)의 능선을 타고 넘어가 헛돌게 됨으로써 그 이상 회전력의 전달이 이루어지지 못하게 된다.
또한, 압축 스프링(140)의 예압축력(pre-compression force)은, 사용자가 하우징(10)의 조절 캡(10b)을 돌려 토크 설정 눈금을 조절하여 토크 조절 너트(160)를 회전시키거나, 소정의 공구(조절 어댑터)를 조절 캡(10b)에 마련된 조절 구멍에 끼워 토크 조절 너트(160)를 회전시키는 방법으로 조절 단수를 조절하는 것에 의해, 토크 조절 너트(160)를 더 조여 압축 스프링(140)의 압축력을 더 증대시키거나, 토크 조절 너트(160)를 풀어 압축 스프링(140)의 압축력을 감소시키는 것으로 이루어진다.
클러치 작동 요소는, 도 2에 도시된 바와 같이, 토크 전달 돌기(112)와 토크 받기 캠(132)의 형태 이외에도 마주보는 산형 돌기나 기어 이빨 모양의 돌기들을 맞물리는 등, 다양한 형태로 구성할 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따라 토크 제한 클러치 기구(13)의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 3의 위쪽 도면에 도시된 바와 같이, 구동 측 출력단의 제1 클러치 판(110)이 전기 모터(11)의 동력으로 회전하면, 그것에 구비된 토크 전달 돌기(112)가 제2 클러치 판(130)의 토크 받기 캠(132)에 맞물려 회전력을 전달함으로써 스핀들(14) 및 그것에 장착된 비트(2)(도 1 참조)를 회전시켜 체결 작업이 이루어진다.
압축 스프링(140)의 '예압축력'이라고 하면, 전기 모터(11)가 구동하지 않아 멈춰 있을 때, 또는 전기 모터(11)가 구동하여 제1 클러치 판(110)이 회전을 하지만 체결 작업을 수행하지 않아 스핀들(14)로부터 반작용 토크가 작용하지 않을 때, 또는 체결 작업 중이라도 토크 전달 돌기(112)가 토크 받기 캠(132)을 타고 넘어가지 않고 토크 전달 돌기(112)가 제2 클러치 판(130)에 접촉하고 있을 때처럼, 압축 스프링(140)이 압축되지 않고 구동 시작 전의 길이인 예압 상태 길이(L)를 유지하고 있을 때의 압축력을 말한다.
로드 셀(200)은, 이와 같은 압축 스프링(140)의 예압축력을 검출하고, 그 신호를 후술하는 공구 제어기(201)에 전송한다.
도 3의 아래쪽 도면과 같이, 체결 작업 중에 스핀들(14)에 작용하는 반작용 토크가 압축 스프링(140)의 압축력에 의한 토크보다 클 때, 압축 스프링(140)을 압축시켜 토크 전달 돌기(112)가 토크 받기 캠(132)의 능선을 타고 넘어간다. 따라서 토크 전달 돌기(112)와 토크 받기 캠(132)이 헛돌게 되어 그 이상의 토크를 전달할 수 없게 된다.
이때, 압축 스프링(140)은 당연히 토크 받기 캠(132)의 캠 높이(H) 만큼 압축된다. 결국, 캠 높이(H)는 압축 스프링(140)이 최대한 압축될 수 있는 거리이며, 이는 토크 받기 캠(132)에 미리 주어진 변하지 않는 일정한 값이다.
그러므로 압축 스프링(140)의 압축량은 언제나 예압 상태 길이(L)와 압축 상태 길이(L-H) 사이에서 결정된다.
도 4에는 본 발명에 따른 전동 공구의 구성이 간략하게 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전동 공구는, 하우징(10), 전기 모터(11), 감속장치(12), 토크 제한 클러치 기구(13), 스핀들(14)을 포함하고, 상기 스핀들(14)에 비트(2)를 장착된다.
또한, 전동 공구는, 손잡이(15), 작동 스위치(16), 토크 제한 클러치 기구(13)의 압축 스프링(140) 및 로드 셀(200), 충전식 배터리(17)를 포함한다. 전동 공구는, 충전식 배터리(17) 대신에 또는 그와 함께 외부 전원을 공급하기 위한 전원선을 구비할 수 있으며, 손잡이(15) 없이 하우징(10)이 손잡이를 대신하는 형태일 수 있다.
이에 더하여, 본 발명에 따른 전동 공구는, 디스플레이(18), LED(19), 전원 스위치(20), 자동 토크 운전 스위치(21), 입력 조작부(22) 및 공구 제어기(201)를 포함할 수 있다.
공구 제어기(201)는, 전동 공구의 전반적인 제어를 수행하며, 로드 셀(200)과 통신하여 검출된 압축 스프링(140)의 압축력을 수신하여 예를 들면, 실제 스프링 상수, 실제 압축력, 실제 피크 압축력, 실제 토크, 실제 피크 토크를 산출하는 한편, 그 결과를 디스플레이(18)에 출력하며, 이와 함께 LED(19)를 점등할 수 있다.
디스플레이(18)는, LCD나 터치 패널 등과 같은 평판 디스플레이로 이루어질 수 있으며, 디스플레이(18) 자체에 터치식 입력 조작부(22)를 구비하거나 별도의 버튼과 같은 입력 조작부(22)를 구비한다. 입력 조작부(22)는, 원하는 체결 토크를 설정 하는 등의 입력 동작을 수행하기 위한 것이다.
전원 스위치(20)는, 전동 공구를 기본 전력이 공급되는 상태로 사용자가 스위칭하기 위한 스위치이다.
작동 스위치(16)는 사용자가 체결 작업을 수행하기 위해, 전기 모터(11)를 구동하는 스위치이다.
자동 토크 운전 스위치(21)는, 본 발명에 따라 공구 제어기(201)에 의해 자동으로 실제 압축 스프링(140)의 상태를 파악하고 자동으로 체결 토크를 제어하는 운전이나 수동 운전 중에 하나를 선택하기 위한 스위치이다.
도 5에는 상기 공구 제어기(201) 등의 구성을 자세하게 나타내는 도면이 도시되어 있다.
공구 제어기(201)는, 앞에서 설명한 바와 같이, 전기 모터(11), 작동 스위치(16), 디스플레이(18), LED(19), 전원 스위치(20), 자동 토크 운전 스위치(21), 입력 조작부(22), 로드 셀(200)과 통신하면서 각종의 제어 동작을 수행한다.
우선 공구 제어기(201)는, 스프링 상수 정보 저장부(310), 토크 정보 저장부(320), 토크 제한 클러치 형상정보 저장부(330)를 구비한다.
스프링 상수 정보 저장부(310)는, 전동 공구 제조 시의 초기 압축 스프링(140)(이하에서는, 이를 '기준 압축 스프링'이라고도 한다)이 고유하게 지닌 스프링 상수 즉, 기준 스프링 상수값(K1)에 대한 정보(데이터)가 저장되어 있다. 스프링 상수는, 압축 스프링(140)에 작용하는 힘(압축력)과 길이 변화량(압축량)의 비례관계를 나타내는 상수이다. 이 기준 스프링 상수값(K1)에 대한 정보는 도 6에 도시된 바와 같이 스프링 압축력(Fc)-압축량(E) 선도(도면에서 '기준 선도') 형태로 저장되거나 테이블 형태로 저장될 수 있다. 기 기준 선도의 기울기가 기준 스프링 상수값(K1)이다.
토크 정보 저장부(320)는, 압축 스프링(140)의 압축력에 대한 토크 제한 클러치 기구(13)의 작동 토크를 산출하는 토크 연산 프로그램이 미리 저장되어 있다. 작동 토크의 산출은, 도 7에 도시된 바와 같이, 스프링 압축력(Fc)과 토크 받기 캠(132)의 캠 높이(H) 및 경사각도(θ)에 의한 원주방향 분력(Fr)을 먼저 계산하고, 원주방향 분력(Fr)에, 스핀들(14)의 중심축선으로부터 토크 전달 돌기(112)의 중심까지의 반지름(R)을 곱하면 토크가 산출된다. 이 경우, 스프링 압축력(Fc)은 로드 셀(200)로부터 검출되고, 토크 받기 캠(132)의 캠 높이(H), 경사각도(θ) 및 토크 전달 돌기(112)의 중심이 이루는 반지름은 형상적으로 이미 주어져서 변하지 않는 값이므로, 스프링 압축력(Fc)의 변화에 따른 원주방향 분력(Fr) 및 작용 토크의 계산식이 쉽게 만들어진다.
토크 제한 클러치 형상정보 저장부(330)에는, 토크 제한 클러치 기구(13)의 토크 전달 돌기(112)의 중심점 이루는 반지름(R), 토크 받기 캠(132)의 형상 즉, 캠 높이(H), 경사각도(θ)에 대한 정보가 저장된다. 캠 높이(H)는, 앞에서 설명한 바와 같이, 클러치 작동시 압축 스프링(140)이 최대로 압축되는 길이와 동일하다. 즉, 압축 스프링(140)은 캠 높이(H)를 초과하여 압축될 수 없다.
또한, 토크 제한 클러치 형상정보 저장부(330)에는, 토크 조절 너트(160)와 스핀들(14)의 나사 결합을 하는 나사에 대한 피치(pitch)와 리드(lead) 값이 저장된다. 위 리드 값은, 토크 조절 너트(160)의 토크 조절 너트(160)를 1회전 하였을 때 토크 조절 너트(160)의 축방향 이동 거리, 즉, 압축 스프링(140)의 압축 또는 이완 길이가 된다.
또한, 토크 제한 클러치 형상정보 저장부(330)에는, 토크 조절 너트(160)의 조절 단수에 대한 토크 조절 너트(160)의 축방향 이동거리, 즉, 단수별 압축 스프링(140)의 길이가 저장된다.
공구 제어기(201)는, 자동 토크 운전 스위치 관리 모듈(210)을 포함한다. 자동 토크 운전 스위치 관리 모듈(210)은, 공구 제어기(201)의 제어하에 자동 토크 운전 스위치(21)와 통신하면서, 자동 토크 운전 스위치(21)로부터 온(ON) 신호를 수신하면 본 발명에 따른 자동 토크 운전 제어 동작을 수행한다.
공구 제어기(201)는, 스프링 압축력 평가 모듈(220)을 포함한다. 스프링 압축력 평가 모듈(220)은, 공구 제어기(201)의 제어하에 로드 셀(200)로부터 검출된 신호를 수신하여 실제 압축 스프링(140)의 압축력으로 변환한다.
공구 제어기(201)는, 체결 토크 평가 모듈(230)을 포함한다. 체결 토크 평가 모듈(230)은, 공구 제어기(201)의 제어 하에 상기 스프링 압축력 평가 모듈(220)에서 실제 압축 스프링(140)의 압축력을 수신하여, 토크 정보 저장부(320)에 저장된 토크 연산 프로그램을 수행토록 하여 실제 압축 스프링(140)의 압축력에 따른 작동 토크를 산출하는 한편, 산출된 작동 토크를 상기 입력 조작부(22)에 의해 입력된 목표 토크값(Tt)과 비교한다.
또한, 체결 토크 평가 모듈(230)은, 실제 작동 토크가 목표 토크값(Tt)에 도달하였는지의 여부에 따라 전기 모터(11)를 제어한다. 또한, 공구 제어기(201)는, 토크 제한 클러치 기구(13)가 헛돌기 작동을 하였음에도, 피크 토크값(Tp)이 목표 토크값(Tt)에 이르지 못한 것으로 확인되는 경우, 피크 토크값(Tp)과 목표 토크값(Tt)의 차이값(ΔT)을 산출하고, 그 차이값(ΔT)에 대응한 압축 스프링(140)의 스프링 압축력 보상값(Ep)을 산출하며, 그 스프링 압축력 보상값(Ep) 이상의 압축력을 발휘할 수 있는 압축력을 제공할 수 있는 조정 단수(토크 조정 단수)를 산출하고, 그 토크 조정 단수를 디스플레이(18)에 표시하여 사용자에게 고지한다.
공구 제어기(201)는, 스프링 상수 평가 모듈(240)을 포함한다. 스프링 상수 평가 모듈(240)은, 공구 제어기(201)의 제어하에 로드 셀(200)로부터 수신되는, 즉, 스프링 압축력 평가 모듈(220)에 의해 제공되는 압축 스프링(140)의 실제 압축력으로부터 압축 스프링(140)의 실제 예압축력(F1)(토크 제한 클러치 기구가 작동하지 전의 초기 압축력(최소 압축력)과 실제 피크 압축력(F3)(토크 제한 클러치 기구가 반작용 토크에 의해 헛돌았을 때 달성되는 최고 압축력)을 취득하며, 취득된 실제 예압축력(F1) 및 실제 피크 압축력(F3)을 스프링 상수 정보 저장부(310)에 저장된 기준 스프링 상수값(K1)과 비교하여 그 차이값(ΔK)을 산출하며, 산출된 차이값(ΔK)이 허용 범위(Ak)를 초과하면, 압축 스프링(140)이 최초에서부터 물리적 특성이 많이 변하여 정비나 교체를 요하는 것으로 판단하여 전기 모터(11)를 정지시키고, 압축 스프링(140)의 정비나 교체가 필요하다는 사항을 디스플레이(18)에 표시한다.
여기서, 실제 스프링 상수값(K2)의 산출은, 도 6을 참조하면, 압축 스프링(140)의 실제 예압축력(F1)과 실제 피크 압축력(F3)을 취득한 후, 압축 스프링(140)의 압축 길이, 즉, 캠 높이(H)을 활용하여 스프링 압축력(Fc)-압축량(E) 선도를 추출한 후, 그 기울기를 구함으로써 실제 스프링 상수값(K2)을 쉽게 산출할 수 있다.
공구 제어기(201)는, 모터 제어 모듈(260)을 포함한다. 모터 제어 모듈(260)은 공구 제어기(201)의 제어하에 상술한 바와 같은 필요 시(즉, 이벤트가 발생하였을 때) 전기 모터(11)를 정지시킨다.
공구 제어기(201)는, 디스플레이 제어 모듈(270)을 포함한다. 디스플레이 제어 모듈(270)은, 공구 제어기(201)의 제어하에 목표 토크값(Tt), 그리고 상술한 바와 같은 이벤트가 발생하였을 때의 해당 내용을 문자나 숫자로 표시한다.
공구 제어기(201)는, LED 제어 모듈(280)을 포함한다. LED 제어 모듈(280)은 공구 제어기(201)의 제어하에 상술한 이벤트가 발생하였을 때, 예를 들면, 압축 스프링(140)의 정비나 교체가 필요할 때, 또는 체결 완료시, 또는 토크 조절 너트(160)의 조장 단수를 조정할 필요가 있을 때, LED(19)를 점등 또는 점멸하여 사용자에게 경보를 발령한다. 이 경우, LED(19)는 다양한 색상으로 여러 개를 구비하여 각각의 이벤트마다 다른 색상의 LED(19)를 점등 또는 점멸하여도 좋다.
다음으로, 도 8 내지 도 9에는 본 발명에 따른 전동 공구의 제어 과정을 설명하기 위한 순서도가 도시되어 있다.
본 발명은, 자동 토크 운전 스위치(21)로부터 온(ON) 신호를 수신하면, 로드 셀(200)로부터 압축 스프링(140)의 예압축력(F1)과 함께 클러치 작동에 따른 실제 피크 압축력(F3)을 수신하여 압축 스프링(140)의 실제 스프링 상수값(K2)을 산출하며, 산출된 실제 스프링 상수값(K2)과 기준 스프링 상수값(K1)의 차이값(ΔK)이 허용 범위(Ak)를 넘어가면 전기 모터(11)의 구동을 정지함과 함께 압축 스프링(140)의 정비 필요 상황을 디스플레이(18)에 표시하여 사용자에게 압축 스프링(140)의 물리적 특성이 악화하였다는 것을 고지함으로써, 압축 스프링(140) 정비나 교체 등의 처리를 정확하고 신속하게 수행할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은, 로드 셀(200)로부터 입력되는 압축 스프링(140)의 압축력을 토크 연산 프로그램에 의해 실제 작동 토크를 산출하고, 산출된 실제 작동 토크가 목표 토크값(Tt)에 도달하면 전기 모터(11)를 정지시킴과 함께 디스플레이(18)에 체결 완료 정보를 출력함으로써, 나사나 볼트 등의 작업 대상을 정확한 토크로 체결할 수 있고, 그 체결 토크를 디스플레이(18)에 표시함으로써 사용자가 실제 체결 토크를 정확하고 쉽게 알 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은, 산출한 실제 작동 토크가 피크 토크값(Tp)인 것으로 확인되면, 피크 토크값(Tp)과 목표 토크값(Tt)의 차이값(ΔT)을 산출하고, 차이값(ΔT)에 의한 스프링 압축력 보상값(Ep)을 산출하며, 산출된 스프링 압축력 보상값(Ep)에 의해 토크 조절 너트(160)의 조정에 필요한 조정 단수를 산출하며, 그 산출된 조정 단수를 디스플레이(18)에 출력하여 표시함으로써, 사용자가 토크 조절 너트(160)의 단수를 정확하고 쉽게 조정할 수 있도록 한다.
이하, 위와 같은 제어 과정을 도 8 내지 도 9를 참조하여 구체적으로 설명한다. 각 구성요소에 대한 참조부호는 도 1 내지 도 7을 참조한다. 이하 행위 주체가 사용자인 경우에는 특별히 '사용자'를 기재하고, 행위 주체가 공구 제어기(201)인 경우에는 행위 주체를 기재하지 않고 설명한다.
우선, 도 8에 도시된 바와 같이, 사용자의 조작에 의해 전원 스위치(20)가 온(ON) 조작되면, 그 신호를 수신하고(단계 S100), 자동 토크 운전 스위치(21)로부터 온(ON) 신호가 수신되지 않으면, 수동 모드로 체결 작업을 수행하고자 하는 것이므로, 자동 운전을 수행하지 않는다. 이 경우, 사용자는 수동으로 토크 조절 너트(160)의 단수를 조절하고, 그것으로 정해지는 토크 범위 내에서 체결 작업을 수행한다.
자동 토크 운전 스위치(21)로부터 온(ON) 신호를 수신하면, 자동 토크 운전 모드로 전환한 후, 로드 셀(200)로부터 압축 스프링(140)의 실제 예압축력(F1)을 취득하고(단계 S106), 사용자가 입력 조작부(22)를 통해 입력한 목표 토크값(Tt)을 취득한다(단계 S108).
이어서, 사용자가 실제 체결 작업을 위해, 비트(2)를 체결 대상에 대고 작동 스위치(16)를 온(ON) 조작하면, 작동 스위치(16)로부터의 온(ON) 신호를 수신한 후(단계 S110), 로드 셀(200)로부터 압축 스프링(140)의 압축력을 계속하여 취득함(단계 S112)과 함께, 그 압축력에 대한 작동 토크를 산출한다(단계 S114).
이어서 산출된 작동 토크가 목표 토크값(Tt)에 도달했는지를 판정하여, 목표 토크값(Tt)에 도달하였으면 전기 모터(11)에 정지신호를 출력하여 체결 작업을 멈추며(단계 S118), 디스플레이(18)에 체결 완료를 표시하고, 그때의 실제 체결 토크 값을 표시한다(단계 S120). 이와 더불어, 체결 완료에 해당하는 LED(19)를 점등 또는 점멸할 수도 있다. 이에 따라, 체결 대상은 정확한 목표 토크값(Tt)으로 체결되며, 사용자는 그 사항을 디스플레이(18) 및/또는 LED(19)를 통해 쉽게 확인할 수 있다. 이는 클러치가 작동하지 않은 상태 즉, 압축 스프링(140)이 주어진 최대 압축 길이, 즉, 캠 높이(H)까지 압축되지 않아도 목표 토크값(Tt)에 도달한 상태이다.
만일, 압축 스프링(140)이 주어진 최대 압축 길이, 즉, 캠 높이(H)까지 압축되어도 목표 토크값(Tt)에 도달하지 못하면, 체결 대상으로부터 비트(2) 및 스핀들(14)에 가해지는 반작용 토크가 현재 압축 스프링(140)이 제공하는 최대 압축력, 즉 실제 피크 압축력(F3) 및 그 실제 피크 압축력(F3)에 의한 실제 피크 토크값(Tp)이 목표 토크값(Tt)보다 작은 것이기 때문에, 토크 제한 클러치 기구(13)가 작동하여 토크 전달 돌기(112)와 토크 받기 캠(132)이 회전력을 전달하지 못하고 헛돌게 된다.
이처럼 토크 전달 돌기(112)와 토크 받기 캠(132)이 헛돌게 되면, 압축 스프링(140)이 최대한 압축되었을 때, 즉, 캠 높이(H)만큼 압축 되었을때에 압축력, 즉, 실제 피크 압축력(F3)을 취득함과 더불어, 그 실제 피크 압축력(F3)에 대응한 실제 피크 토크값(Tp)을 산출한다(단계 S122).
이어서, 앞의 초기 과정에서 취득한 압축 스프링(140)의 실제 예압축력(F1)과 단계 S122에서 취득한 실제 피크 압축력(F3)을 이용하여 실제 스프링 상수값(K2)을 산출한다(도 6 및 그 설명 참조)(단계 S124).
이어서, 산출한 실제 스프링 상수값(K2)과 기준 스프링 상수값(K1)의 차이값(ΔK)을 산출하며(단계 S126), 그 차이값(ΔK)과 허용 범위(Ak)를 비교하여(단계 S128), 상수의 차이값(ΔK)이 허용 범위(Ak)보다 크면(단계 S128에서 "예"), 압축 스프링(140)의 물리적 특성이 변해(악화해) 더 이상 사용할 수 없는 것으로 판단하여 전기 모터(11)를 정지시키고(단계 S130), 디스플레이(18)에 압축 스프링(140)을 정비 또는 교체하여야 한다는 메시지를 출력한다(단계 S132). 사용자는 전기 모터(11)의 정지와 디스플레이(18)에 표시되는 메시지를 통해 압축 스프링(140)을 정비하거나 교체한다.
단계 S128에서, 상수의 차이값(ΔK)이 허용 범위(Ak)보다 같거나 작으면(단계 S128에서 "아니오"), 아직 압축 스프링(140)은 사용을 하지 못 할 만큼 악화하지 않았으며, 단지 현재 압축 스프링(140)의 세팅 상태가 목표 토크값(Tt)을 감당할 상태가 아니어서 압축 스프링(140)을 더 압축시키는 단수로 토크 조절 너트(160)를 조절할 필요가 있다는 것으로 판단하고, 이에 상기 실제 피크 토크값(Tp)과 목표 토크값(Tt)의 차이값(ΔT)을 산출한다(단계 S134).
실제 피크 토크값(Tp)과 목표 토크값(Tt)의 차이값(ΔT)을 산출한 후에는, 그 토크 차이값(ΔT)에 대응하는 스프링 압축력 보상값(Ep)을 산출한다(단계 S136). 스프링 압축력 보상값(Ep)의 산출은 앞에서 설명하였다.
그리고 그 스프링 압축력 보상값(Ep)에 대응한 토크 조절 너트(160)의 조정 필요 단수를 산출하고 디스플레이(18)에 표시한다(단계 S138). 조정 단수의 산출은, 이미 체결 토크 평가 모듈(230)의 설명 부분에서 설명한 것처럼, 스프링 압축력 보상값(Ep) 이상의 압축력을 발휘할 수 있는 압축력을 제공할 수 있는 조정 단수(토크 조정 단수)를 산출한다. 즉, 스프링 압축력 보상값(Ep)만큼 압축 스프링(140)을 더 압축 조절하여 그 피크 압축력에 의한 피크 토크가 목표 토크를 바로 한 단계 상회 하거나 동일한 단수를 산출한다. 사용자는 디스플레이(18)에 표시된 조정 단수만큼 토크 조절 너트(160)를 더 조여 예 압축력을 증대시킨다. 이처럼, 토크 조절 너트(160)의 조정에 필요한 조정 단수를 자동으로 산출하여 사용자에게 추천해 줌으로써, 사용자는 알맞은 조정 단수를 쉽고 정확하게 찾아 조정할 수 있다.
전원 스위치(20)가 오프(OFF) 될 때까지 단계 S102 내지 단계 S138을 반복 수행하며, 전원 스위치(20)가 오프(OFF) 되면 제어를 종료한다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
2: 비트
10: 하우징
11: 전기 모터
12: 감속장치
13: 토크 제한 클러치 기구
14: 스핀들
15: 손잡이
16: 작동 스위치
17: 배터리
18: 디스플레이
19: LED
20: 전원 스위치
21: 자동 토크 운전 스위치
22: 입력 조작부
110: 제1 클러치 판
112: 토크 전달 돌기
122, 124: 베어링
130: 제2 클러치 판
132: 토크 받기 캠
140: 압축 스프링
150: 스프링 받침
160: 토크 조절 너트
201: 공구 제어기
210: 자동 토크 운전 스위치 관리 모듈
220: 스프링 압축력 평가 모듈
230: 체결 토크 평가 모듈
240: 스프링 상수 평가 모듈
260: 모터 제어 모듈
270: 디스플레이 제어 모듈
280: LED 제어 모듈
310: 스프링 상수 정보 저장부
320: 토크 정보 저장부
330: 토크 제한 클러치 형상정보 저장부

Claims (3)

  1. 전기 모터(11) 구동 측의 출력단과 스핀들(14) 사이에 압축 스프링(140)의 압축력에 의한 힘으로 스핀들(14)에 회전력을 전달하거나 비트(2)로부터 스핀들(14)에 가해진 반작용 토크가 상기 압축 스프링(140)의 압축력에 의해 주어진 기준 토크를 초과하면 헛돌게 되어 회전력의 전달이 이루어지지 못하게 하는 클러치 작동 요소를 구비하는 토크 제한 클러치 기구(13);
    상기 압축 스프링(140)의 길이를 조절하는 토크 조절 너트(160);
    상기 압축 스프링(140)의 길이방향 양쪽 단부면 중 어느 한쪽의 단부면에 설치되어 상기 압축 스프링(140)으로부터 작용하는 축방향 압축력을 검출하는 로드 셀(200);
    상기 압축 스프링(140)의 스프링 상수값 변화에 따른 제어를 수행할지 아닐지를 사용자가 선택하도록 하는 자동 토크 운전 스위치(21); 및
    상기 압축 스프링(140)이 고유하게 지닌 기준 스프링 상수값(K1) 정보, 상기 토크 제한 클러치 기구(13) 작동 시 상기 압축 스프링(140)의 최대 압축량 정보가 미리 저장되어 있으며, 상기 자동 토크 운전 스위치(21)로부터 온(ON) 신호를 수신한 후, 상기 로드 셀(200)로부터 상기 압축 스프링(140)의 실제 예압축력(F1)을 수신하고, 상기 토크 제한 클러치 기구(13)의 클러치 작동에 따른 실제 피크 압축력(F3)을 더 수신하여 상기 압축 스프링(140)의 실제 스프링 상수값(K2)을 산출하고, 산출된 실제 스프링 상수값(K2)과 상기 기준 스프링 상수값(K1)의 차이값(ΔK)이 허용 범위(Ak)를 넘어가면 상기 전기 모터(11)의 구동을 정지함과 함께 상기 압축 스프링(140)의 정비 필요 상황을 디스플레이(18)에 표시하도록 설정된 공구 제어기(201); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
  2. 제1항에 있어서,
    사용자가 목표 토크값(Tt)을 입력하기 위한 입력 조작부(22)를 더 포함하고,
    상기 공구 컨트롤러(201)는,
    상기 클러치 작동 요소가 지닌 고유 형상정보가 미리 저장되고, 상기 클러치 작동 요소의 고유 형상정보와 상기 압축 스프링(140)의 압축력에 의해 실제 작동 토크를 산출하는 토크 연산 프로그램이 미리 저장되며, 상기 로드 셀(200)로부터 입력되는 압축 스프링(140)의 압축력을 상기 토크 연산 프로그램에 산입하여 산출한 상기 실제 작동 토크가 상기 목표 토크값(Tt)에 도달하면 상기 전기 모터(11)를 정지시킴과 함께 상기 디스플레이(18)에 체결 완료 정보를 출력하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공구 제어기(201)는,
    상기 압축 스프링(140)에 조정 단수별 토크 조절 너트(160)의 이동거리 및 압축 스프링(140)의 압축량에 대한 정보가 미리 저장되어 있고,
    상기 산출한 실제 작동 토크가 피크 토크값(Tp)인 것으로 확인되면, 상기 피크 토크값(Tp)과 상기 목표 토크값(Tt)의 차이값(ΔT)을 산출하고, 상기 차이값(ΔT)에 의한 스프링 압축력 보상값(Ep)을 산출하며, 산출된 스프링 압축력 보상값(Ep)에 의해 상기 토크 조절 너트(160)의 조정에 필요한 조정 단수를 산출하고, 그 산출된 조정 단수를 디스플레이(18)에 출력하여 표시하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전동 공구.
KR1020200088006A 2020-07-16 2020-07-16 전동 공구 KR102379032B1 (ko)

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