KR20220170593A - 플렉스플라인의 변형량 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 플렉스플라인의 변형량 측정 장치는, 지지대에 회전가능하게 장착된 회전축을 회전시키는 서보모터; 상기 지지대에 고정되어 상기 회전축에 의해 회전되는 웨이브제너레이터에 의해 변형되는 플렉스플라인을 결합하는 플렉스플라인 장착브라켓; 상기 지지대에 고정되는 액추에이터 장착브라켓; 상기 액추에이터 장착브라켓에 결합되고 상기 플렉스플라인의 위에 축방향으로 배치되는 리니어 액추에이터; 및 상기 리니어 액추에이터에 장착되어 상기 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정하는 변위센서를 포함한다.

Description

플렉스플라인의 변형량 측정 장치{Deformation measuring apparatus of flexspline}
본 발명은 플렉스플라인의 변형량 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플렉스플라인의 내측에 장착된 웨이브제너레이터를 회전시킴에 따라 플렉스플라인의 입력부가 반경방향으로 변형되는 변형량을 변위센서로 측정하는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 스트레인 웨이브 감속기(일명 하모닉 감속기)는 산업용 로봇, 휴머노이드 로봇, 반도체(웨이퍼) 제조장치, 전자부품 삽입장치, 세라믹 형성장치, 광디스크 제조장치, 의료장치 및 NC(Numerical Control) 선반 등과 같이 다양한 분야의 기계장치에서 광범위하게 사용되는 감속기로서, 소형 경량이면서, 기어 회전시 소음이 작고, 고정밀도의 감속비를 얻을 수 있으며, 동력 전달 효율이 우수한 것이 특징이다.
스트레인 웨이브 감속기는 기본적으로 웨이브제너레이터(wave generator), 플렉스플라인(flexspline) 및 서큘러 스플라인(circular spline)을 포함한다. 웨이브제너레이터는 입력축이 연결되는 타원 형상의 캠 외주면에 볼베어링이 조립되고, 상기 볼베어링 외륜에는 플렉스플라인이 억지끼움되어 결합된다. 플렉스플라인은 원형의 얇은 금속 탄성체로서 일측 외주면에 제1 치형(기어 톱니)이 형성되어 있고, 서큘러 스플라인에는 플렉스플라인의 제1 치형에 대응하여 내주면에 제2 치형이 형성되어 있다.
이러한 스트레인 웨이브 감속기는 입력축, 입력축에 연결된 웨이브제너레이터, 플렉스플라인, 플렉스플라인과 맞물린 서큘러 스플라인, 서큘러 스플라인과 연결된 출력축의 순서로 동력이 전달된다. 즉, 입력축이 결합된 웨이브제너레이터가 시계방향으로 회전하면 플렉스플라인이 점진적으로 탄성 변형을 일으키면서 플렉스플라인의 제1 치형 중 일부가 서큘러 스플라인의 제2 치형 중 일부와 결합되어 동력이 전달된다. 이때, 플렉스플라인의 외주면에 형성된 제1 치형의 치수(齒數)와 서큘러 스플라인의 제2 치형의 치수 간의 차이로 인해 큰 감속비를 갖는 감속기가 구현될 수 있다.
하모닉 감속기의 시험 장치에 관한 종래기술로서, 등록특허공보 제10-0926574호에 "하모닉 감속기용 강성 시험기"가 개시되어 있다. 개시된 시험기는 하모닉 감속기의 입출력 각도 전달 시험과 전체적인 감속기의 강도 시험을 할 수 있다. 이 강성 시험기는 전후 수평레일에 의해 부하 하중을 인가하고, 그 값을 로드셀에 의해 확인할 수 있는 구조로 구성되어 있다.
하지만, 개시된 종래기술은 웨이브제너레이터, 플렉스플라인, 서큘러 스플라인이 조립된 하모닉 감속기 전체의 강성 시험기에 관한 것으로서, 플렉스플라인의 내측에 장착된 웨이브제너레이터를 회전시킴에 따라 플렉스플라인의 입력부가 반경방향으로 변형되는 변형량을 변위측정센서로 측정할 수 있는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치는 개시된 바가 없다.
등록특허공보 제10-0926574호
본 발명은 플렉스플라인의 내측에 장착된 웨이브제너레이터를 회전시킴에 따라 플렉스플라인의 입력부가 반경방향으로 변형되는 변형량을 변위측정센서로 측정할 수 있는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플렉스플라인의 변형량 측정 장치는, 지지대에 회전가능하게 장착된 회전축을 회전시키는 서보모터; 상기 지지대에 고정되어 상기 회전축에 의해 회전되는 웨이브제너레이터에 의해 변형되는 플렉스플라인을 결합하는 플렉스플라인 장착브라켓; 상기 지지대에 고정되는 액추에이터 장착브라켓; 상기 액추에이터 장착브라켓에 결합되고 상기 플렉스플라인의 위에 축방향으로 배치되는 리니어 액추에이터; 및 상기 리니어 액추에이터에 장착되어 상기 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정하는 변위센서를 포함한다.
상기 리니어 액추에이터에 축방향으로 이동가능하게 결합되는 변위센서 장착브라켓을 더 포함하고, 상기 변위센서는 상기 변위센서 장착브라켓에 장착될 수 있다.
상기 변위센서는 상기 플렉스플라인의 외주면을 향해 레이저를 발광하는 발광부와, 상기 외주면에서 반사된 레이저를 수광하는 수광부를 포함할 수 있다.
상기 변위센서는 상기 변위센서 장착브라켓의 일단부에 장착되는 제1변위센서와, 상기 변위센서 장착브라켓의 타단부에 장착되고 상기 제1변위센서와 90도의 간격으로 배치되는 제2변위센서를 포함할 수 있다.
상기 발광부와 수광부는 상기 플렉스플라인의 외주면에서 소정 거리 이격되고 원주방향으로 배치될 수 있다.
상기 변위센서로 상기 플렉스플라인의 소정 위치에서 반경방향 변형량을 측정하고, 상기 리니어 액추에이터로 상기 변위센서를 축방향으로 이동시켜서 상기 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정하는 것을 반복함으로써, 상기 플렉스플라인의 변형 패턴을 3차원으로 재구성하여 디스플레이에 표시하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 제1변위센서와 제2변위센서에 의해 측정된 상기 플렉스플라인의 단축 및 장축 방향 변형량으로부터 상기 플렉스플라인의 편심량을 계산하여 상기 디스플레이에 표시할 수 있다.
상기 제어부는 계산된 상기 플렉스플라인의 편심량을 바탕으로 상기 제1변위센서와 제2변위센서에 의해 측정된 상기 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 보정할 수 있다.
상기한 본 발명의 플렉스플라인의 변형량 측정 장치에 의하면, 플렉스플라인의 내측에 장착된 웨이브제너레이터를 회전시킴에 따라 플렉스플라인의 입력부가 반경방향으로 변형되는 변형량을 변위측정센서로 정확하게 측정하고 분석할 수 있다.
또한, 2개의 1차원 변위센서를 90도 간격으로 장착하고 리니어 액추에이터를 축방향으로 이동하면서 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정함으로써 플렉스플라인의 3차원 탄성변형 패턴을 재구성할 수 있다.
그리고, 편심된 위치에 장착된 두 변위센서의 위치를 보정하여 조절한 다음, 플렉스플라인의 미소 편심에 따른 편심량과 변형량을 정확하게 계산할 수 있다.
도 1은 모자형 플렉스플라인을 나타내는 사시도이다.
도 2는 컵형 플렉스플라인을 나타내는 사시도이다.
도 3은 모자형 플렉스플라인과 웨이브제너레이터를 결합하는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 웨이브제너레이터에 의해 플렉스플라인이 변형되는 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5의 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 다른 방향에서 바라본 것을 나타내는 일부 사시도이다.
도 7은 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 나타내는 일부 정면도이다.
도 8은 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 나타내는 일부 측면도이다.
도 9는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 나타내는 일부 사시도이다.
도 10은 도 9에서 플렉스플라인을 분리하여 나타낸 일부 사시도이다.
도 11은 변위센서의 측정 위치를 이동하며 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정하는 것을 나타내는 도면이다.
도 12는 두 변위센서가 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정하는 것을 나타내는 개념도이다.
도 13은 두 변위센서에 의해 측정된 플렉스플라인의 변형량을 나타내는 그래프이다.
도 14는 두 변위센서의 장착 위치가 회전축 중심에 대해 편심된 것을 나타내는 개념도이다.
도 15는 편심된 두 변위센서에 의해 측정된 플렉스플라인의 변형량을 나타내는 그래프이다.
도 16은 플렉스플라인의 변형량 측정 실험 전에 변위센서의 위치를 조절하기 위한 보정 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 17은 편심된 두 변위센서에 의해 측정된 플렉스플라인의 변형량으로부터 편심량을 계산하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 18은 본 발명의 변형량 측정 장치의 제어부 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 모자형 플렉스플라인을 나타내는 사시도이고, 도 2는 컵형 플렉스플라인을 나타내는 사시도이며, 도 3은 모자형 플렉스플라인과 웨이브제너레이터를 결합하는 것을 나타내는 도면이고, 도 4는 웨이브제너레이터에 의해 플렉스플라인이 변형되는 것을 나타내는 도면이다.
스트레인 웨이브(strain wave) 감속기는 기본적으로 웨이브제너레이터(wave generator), 플렉스플라인(flexspline) 및 서큘러 스플라인(circular spline)을 포함한다. 웨이브제너레이터는 입력축이 연결되는 타원 형상의 캠 외주면에 볼베어링이 조립되고, 볼베어링 외륜에는 플렉스플라인이 억지끼움되어 결합된다. 플렉스플라인은 원형의 얇은 금속 탄성체로서 일측 외주면에 제1 치형(기어 톱니)이 형성되어 있고, 서큘러 스플라인에는 플렉스플라인의 제1 치형에 대응하여 내주면에 제2 치형이 형성되어 있다.
플렉스플라인의 종류로는 형태별로 도 1의 모자형 플렉스플라인(10)과 도 2의 컵형 플렉스플라인(20)이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모자형 플렉스플라인(10)은 모자의 챙에 대응하는 원판부(11)와, 원판부(11)의 내측에 일체로 연결된 원형 측벽부(13)를 포함한다. 원형 측벽부(13)의 내부는 개구되어 중심홀(15)을 구성한다. 원판부(11)의 가장자리에는 감속기를 다른 구조물에 결합하기 위한 복수의 결합공(12)이 형성되어 있다. 측벽부(13)의 외주면 상부에는 톱니부(14)가 형성되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 컵형 플렉스플라인(20)은 컵의 바닥에 대응하는 원판부(21)와, 원판부(11)의 테두리에 일체로 연결된 원형 측벽부(23)를 포함한다. 원판부(21)의 중심에는 중심홀(25)이 관통되어 형성되어 있다. 원판부(21)에서 중심홀(25)의 둘레에는 감속기를 다른 구조물에 결합하기 위한 복수의 결합공(22)이 형성되어 있다. 측벽부(23)의 외주면 상부에는 톱니부(24)가 형성되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 플렉스플라인(10)은 내부에 장착되는 타원형의 웨이브제너레이터(30)가 회전함에 따라 플렉스플라인(10)의 측벽부(13)가 반경방향으로 변형될 수 있다. 웨이브제너레이터(30)는 장축과 단축을 가진 타원형으로 형성되고, 테두리부에 복수의 볼이 리테이너에 의해 장착되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 플렉스플라인(10)의 측벽부(13)는 웨이브제너레이터(30)의 장축이 지나갈 때 톱니부(14)의 반경이 증가하는 방향으로 변형될 수 있다. 또한, 플렉스플라인(10)의 측벽부(13)는 웨이브제너레이터(30)의 단축이 지나갈 때 톱니부(14)의 반경이 감소하는 방향으로 변형될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 5의 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 다른 방향에서 바라본 것을 나타내는 일부 사시도이며, 도 7은 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 나타내는 일부 정면도이고, 도 8은 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 나타내는 일부 측면도이다.
본 발명의 플렉스플라인의 변형량 측정 장치(100)는, 지지대(110)에 회전가능하게 장착된 회전축(130)을 회전시키는 서보모터(120), 지지대에 고정되어 회전축에 의해 회전되는 웨이브제너레이터(30)에 의해 변형되는 플렉스플라인(10)을 결합하는 플렉스플라인 장착브라켓(140), 지지대에 고정되는 액추에이터 장착브라켓(150), 액추에이터 장착브라켓에 결합되고 플렉스플라인의 위에 축방향으로 배치되는 리니어 액추에이터(160), 및 리니어 액추에이터에 장착되어 플렉스플라인(10)의 반경방향 변형량을 측정하는 변위센서(170)를 포함한다.
지지대(110)는 전체적으로 직육면체의 모서리들을 구성하는 프레임들과 변형량 측정 장치(100)가 설치되는 지지판을 포함할 수 있다. 지지대(110)의 하단에는 4개의 바퀴(112)가 구비되어 있어서, 변형량 측정 장치(100)가 쉽게 이동될 수 있다. 지지판의 상면에는 브라켓들을 설치하기 위한 복수의 장착홈(115)이 형성될 수 있다. 장착홈(115)의 폭방향 단면은 상단 개구부가 하부보다 좁은 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
서보모터(120)는 지지대(110)의 복수의 장착홈(115)에 복수의 나사에 의해 체결되어 고정되는 모터장착브라켓(125)에 결합되어 장착될 수 있다. 서보모터(120)는 엔코더(122)를 구비하여 서보모터(120)의 회전속도를 측정할 수 있다.
서보모터(120)의 구동축은 커플링(135)에 의해 웨이브제너레이터(30)에 결합된 회전축(130)과 분리가능하게 결합될 수 있다. 회전축(130)은 플렉스플라인 장착브라켓(140)에 형성된 관통공을 통과하여 웨이브제너레이터(30)에 결합될 수 있다.
플렉스플라인 장착브라켓(140)은 지지대(110)의 복수의 장착홈(115)에 복수의 나사에 의해 체결되어 고정되고, 플렉스플라인 장착브라켓(140)의 일면에 형성된 복수의 체결공에 플렉스플라인(10)의 결합공(12)을 통해 나사를 체결함으로써 플렉스플라인(10)의 원판부(11)를 고정할 수 있다. 웨이브제너레이터(30)는 플렉스플라인 장착브라켓(140)에 체결되어 고정되는 플렉스플라인(10)의 원형 측벽부(13) 내부에 억지끼움 방식으로 결합될 수 있다. 서보모터(120)가 회전축(130)과 웨이브제너레이터(30)를 회전시키면 플렉스플라인(10)의 원형 측벽부(13)가 반경방향으로 변형될 수 있다.
액추에이터 장착브라켓(150)도 지지대(110)의 복수의 장착홈(115)에 복수의 나사에 의해 체결되어 고정될 수 있다. 도 8의 우측면도에 도시된 바와 같이, 액추에이터 장착브라켓(150)은 전체적으로 "ㄷ"자 모양으로 형성되되, 액추에이터 장착브라켓(150)의 상단부에서 축방향으로 연장된 연장부가 형성될 수 있다.
리니어 액추에이터(160)는 액추에이터 장착브라켓(150)의 연장부의 하면에 복수의 나사에 의해 체결될 수 있다.
변위센서(170)는 리니어 액추에이터(160)에 축방향으로 이동가능하게 장착될 수 있다. 변위센서(170)는 플렉스플라인(10)의 원형 측벽부(13)로부터 소정 거리 이격되도록 배치되어 측벽부(13)의 반경방향 변형량을 측정할 수 있다.
도 9는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치를 나타내는 일부 사시도이고, 도 10은 도 9에서 플렉스플라인을 분리하여 나타낸 일부 사시도이다.
도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 플렉스플라인의 변형량 측정 장치(100)는 리니어 액추에이터(160)에 축방향으로 이동가능하게 결합되는 변위센서 장착브라켓(167)을 더 포함할 수 있다. 변위센서(170)는 변위센서 장착브라켓(167)에 결합되어 플렉스플라인(10)의 중심을 향하도록 장착될 수 있다.
변위센서 장착브라켓(167)은 리니어 액추에이터(160)의 하면에 복수의 나사에 의해 체결되는 체결부와, 체결부의 양측면에서 양측 하방으로 연장되어 변위센서(170)가 결합되는 센서결합부를 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 변위센서(170)는 플렉스플라인(10)의 외주면을 향해 레이저를 발광하는 발광부(173)와, 외주면에서 반사된 레이저를 수광하는 수광부(174)를 포함할 수 있다. 발광부(173)에서 레이저는 플렉스플라인(10)의 외주면에 수직으로 입사되고, 그 외주면에 반사되는 레이저는 입사광에 대해 소정 각도 경사지게 반사되는 레이저가 수광부(174)로 수광될 수 있다. 변위센서(170)는 레이저의 발광 및 수광 시점의 시간 간격을 측정함으로써 발광부(173)로부터 플렉스플라인(10)의 외주면까지의 거리를 계산하여 전기 신호로 전달할 수 있다. 이와 같이, 변위센서(170)는 플렉스플라인(10)의 외주면에 접촉하지 않는 비접촉 1차원 레이저 센서로 구성될 수 있다.
변위센서(170)는 변위센서 장착브라켓(167)의 일단부에 장착되는 제1변위센서(171)와, 변위센서 장착브라켓(167)의 타단부에 장착되고 제1변위센서와 90도의 간격으로 배치되는 제2변위센서(172)를 포함할 수 있다.
도 9를 기준으로 볼 때, 제1변위센서(171)는 변위센서 장착브라켓(167)의 좌측에, 리니어 액추에이터(160)의 중심을 기준으로 좌측 45도에서 플렉스플라인(10)의 중심을 향하도록 장착되고, 제2변위센서(172)는 변위센서 장착브라켓(167)의 우측에, 리니어 액추에이터(160)의 중심을 기준으로 우측 45도에서 플렉스플라인(10)의 중심을 향하도록 장착될 수 있다. 그래서, 제1변위센서(171)와 제2변위센서(172)는 서로 90도의 간격으로, 서로 좌우 대칭되도록 배치될 수 있다.
제1변위센서(171)와 제2변위센서(172)의 각 발광부(173)와 수광부(174)는 플렉스플라인(10)의 외주면에서 소정 거리 이격되고 원주방향으로 배치될 수 있다. 레이저 변위센서로 구성되는 변위센서(170)는 레이저를 발광 및 수광하는 적절한 초점거리 범위에 들어오도록 플렉스플라인(10)의 외주면으로부터의 이격거리를 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 발광부(173)와 수광부(174)가 플렉스플라인(10)에 대해 축방향으로 배치될 수도 있으나, 이 경우 각 변위센서(170)의 장착 구조가 공간을 많이 차지하고 플렉스플라인 장착브라켓(140)과 간섭될 우려도 있다. 따라서, 발광부(173)와 수광부(174)는 플렉스플라인(10)에 대해 원주방향으로 배치되는 것이 바람직하다.
도 10에 도시된 바와 같이, 플렉스플라인 장착브라켓(140)에는 모자형 플렉스플라인(10)의 복수의 결합공(12)에 대응하는 위치에 복수의 제1체결공(145)이 형성되어 있을 뿐만 아니라, 컵형 플렉스플라인(20)의 복수의 결합공(22)에 대응하는 위치에 복수의 제2체결공(146)이 형성될 수 있다. 복수의 제1체결공(145)은 모자형 플렉스플라인(10)의 원형 측벽부(13)의 외측에 있는 원판부(11)에 형성된 복수의 결합공(12)에 대응하는 위치에 형성되고, 복수의 제2체결공(146)은 컵형 플렉스플라인(20)의 원형 측벽부(23)의 내측에 있는 원판부(21)에 형성된 복수의 결합공(22)에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
도 1의 모자형 플렉스플라인(10)은 복수의 결합공(12)을 통해 복수의 제1체결공(145)에 나사를 체결함으로써 플렉스플라인(10)을 플렉스플라인 장착브라켓(140)에 장착할 수 있다. 도 2의 컵형 플렉스플라인(20)은 복수의 결합공(22)을 통해 복수의 제2체결공(146)에 나사를 체결함으로써 플렉스플라인(20)을 플렉스플라인 장착브라켓(140)에 장착할 수 있다. 모자형 플렉스플라인(10)이든 컵형 플렉스플라인(20)이든 원형 측벽부(13, 23)의 형태는 동일하다. 그래서, 본 발명의 플렉스플라인의 변형량 측정 장치(100)는 모자형 플렉스플라인(10)뿐만 아니라 컵형 플렉스플라인(20)도 장착하여 웨이브제너레이터(30)를 회전시킴에 따른 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정할 수 있다.
도 11은 변위센서의 측정 위치를 이동하며 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정하는 것을 나타내는 도면이고, 도 12는 두 변위센서가 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정하는 것을 나타내는 개념도이며, 도 13은 두 변위센서에 의해 측정된 플렉스플라인의 변형량을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 플렉스플라인의 변형량 측정 장치(100)는 변위센서(170)로 플렉스플라인(10)의 소정 위치에서 반경방향 변형량을 측정하고, 리니어 액추에이터(160)로 변위센서(170)를 축방향으로 이동시켜서 플렉스플라인(10)의 반경방향 변형량을 측정하는 것을 반복함으로써, 플렉스플라인(10)의 변형 패턴을 3차원으로 재구성하여 디스플레이(210, 도 18 참조)에 표시하는 제어부(200, 도 18 참조)를 더 포함할 수 있다.
도 11(a)에 도시된 바와 같이, 리니어 액추에이터(160)에 장착된 변위센서(170)는 리니어 액추에이터(160)에 의해 플렉스플라인(10)의 원형 측벽부(13)의 축방향 단부 가까이에서 반경방향으로 이격된 위치에 배치된 상태에서, 웨이브제너레이터(30)를 회전시켜 원형 측벽부(13)의 축방향 단부 가까이의 반경방향 변형량을 측정할 수 있다.
도 12는 도 11(a)를 우측에서 바라본 개념도로서, 제1변위센서(171)와 제2변위센서(172)가 변위센서 장착브라켓(167)에 서로 90도 간격으로 배치되도록 장착되어 있다. 제1변위센서(171)와 제2변위센서(172)는 타원형의 웨이브제너레이터(30)가 회전됨으로써 플렉스플라인(10)의 원형 측벽부(13)가 반경방향으로 변형되는 변위를 동시에 측정할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 웨이브제너레이터(30)의 장축은 회전하면서 장축 궤적을 형성하고, 웨이브제너레이터(30)의 단축은 회전하면서 단축 궤적을 형성할 수 있다. 장축 궤적과 단축 궤적은 동일한 중심을 갖지만 직경이 다른 동심원으로 형성될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 제1변위센서(171)에 의해 측정되는 변위 그래프와 제2변위센서(172)에 의해 측정되는 변위 그래프는 삼각함수 곡선을 따르지만, 서로 90도 위상차를 가질 수 있다. 각 변위 그래프는 회전수 당 2주기로 패턴을 형성할 수 있다. 그래서, 두 변위센서(171, 172)에 의해 측정되는 두 변위 그래프는 변형량이 제로인 축을 기준으로 상하 대칭되도록 형성될 수 있다.
도 14는 두 변위센서의 장착 위치가 회전축 중심에 대해 편심된 것을 나타내는 개념도이고, 도 15는 편심된 두 변위센서에 의해 측정된 플렉스플라인의 변형량을 나타내는 그래프이며, 도 16은 플렉스플라인의 변형량 측정 실험 전에 변위센서의 위치를 조절하기 위한 보정 과정을 설명하기 위한 개념도이고, 도 17은 편심된 두 변위센서에 의해 측정된 플렉스플라인의 변형량으로부터 편심량을 계산하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
변위센서 장착브라켓(167)에 장착되는 두 변위센서(171, 172)에서 방사되는 두 레이저는 플렉스플라인(10)의 회전축 중심에서 교차하도록 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 2개의 레이저 변위센서(171, 172) 측정 빔의 교차점에 플렉스플라인(10)의 회전축을 정확하게 정렬하여 고정하는 것은 현실적으로 불가능하고, 미소하더라도 회전축의 편심이 발생할 수밖에 없다. 특히, 변형량 측정 장치(100)의 특성상 다수의 플렉스플라인의 고정 및 분해를 반복할 경우, 회전축의 오정렬은 더욱 빈번하게 발생할 수 있으며, 그 편차도 커질 수 있다. 이러한 상황에서 단일 레이저 변위센서를 사용할 경우, 회전축의 편심량을 계산할 수 없기 때문에 정확한 변형량을 측정할 수 없다.
이러한 문제를 해결하고자, 도 14에 도시된 바와 같이, 90도 각도로 배치된 2개의 레이저 변위센서(171, 172)를 사용하여 플렉스플라인(10)의 회전축 편심량을 계산하여 정확한 반경방향 변형을 측정할 수 있다.
플렉스플라인의 편심이 발생할 경우, 도 15에 도시된 바와 같이, 측정방향에 수직한 방향으로 발생한 편심량 만큼 두 변위센서(171, 172)의 측정값이 평행이동한 것을 확인할 수 있다. 이때 엔코더를 통해 모터의 회전속도를 일정하게 유지하기 때문에 각 센서별 측정값의 측정 주기 편차와 각 센서의 측정값의 상태 평행이동(Shift) 편차를 이용하여 회전각을 추정할 수 있으며, 이를 바탕으로 회전축의 편심량을 추정할 수 있다.
플렉스플라인의 변형량 측정 실험 전에 변위센서의 위치를 조절하기 위한 보정(캘리브레이션: calibration) 과정이 필요하다. 도 16에 도시된 바와 같이, 보정을 위해 회전축에 진원도가 높은 가공 표준품을 장착한 후, 일정속도로 회전시키며 두 레이저 변위센서의 측정값(d1, d2)이 최소가 되도록 두 변위센서(171, 172)의 위치를 조절한다. 레이저 변위센서(171, 172)의 측정값이 최소가 되는 지점에 고정하면 이때 두 레이저 변위센서의 교차점까지의 거리(L1, L2)가 동일한 값을 가지게 된다. 교차점까지의 거리는 가공 표준품의 직경을 통해 계산할 수 있다.
도 16 및 도 17을 참조하여 측정된 플렉스플라인의 변형량으로부터 편심량을 계산하는 방법을 설명한다.
캘리브레이션을 통해 두 레이저 변위센서(171, 172)에서 교차점까지의 거리(L1, L2)를 알고 있으므로, 레이저 변위센서 측정값을 통해 플렉스플라인의 변형량 α1, α2, β1, β2를 구할 수 있다. 그리고 회전하는 웨이브제너레이터에 의해 변형되는 플렉스플라인(10)의 단축과 장축의 반경은 각각 r1, r2이며, 두 변위센서의 레이저 교차점(원점)에서 플렉스플라인의 회전축 사이의 편심을 Δx, Δy로 정의할 수 있다.
이때, 플렉스플라인의 편심에 대한 단축, 장축 방향의 변형량 식은 다음과 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
위 식을 정리하면, 다음과 같이 편심량(Δx, Δy)과 변형량(r1, r2)을 계산할 수 있다.
Figure pat00005
그래서, 계산된 플렉스플라인의 편심량을 반영하여 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 정확하게 측정할 수 있다.
도 18은 본 발명의 변형량 측정 장치의 제어부 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명의 플렉스플라인의 변형량 측정 장치(100)는 서보모터(120)와 변위센서(170)의 작동을 제어하고, 디스플레이(210)를 통해 변위센서(170)에 의해 측정된 시간별 변형량을 그래프로 표시하는 제어부(200)를 더 포함할 수 있다.
제어부(200)는 컴퓨터로 구성되어 서보모터(120)를 제어하여 웨이브제너레이터(30)의 회전 속도를 조절하며 변위센서(170)에 의해 측정된 플렉스플라인(10)의 변형량 변화의 거동을 분석할 수 있다.
디스플레이(210)는 모니터로 구성되어 플렉스플라인(10)의 변형량 변화의 거동을 그래프로 표시할 수 있다.
변위센서(170)의 변형량 측정 신호와 엔코더(122)의 회전 속도 측정 신호는 DAQ(Data Acquisition)(220)을 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환되어 제어부(200)로 전달될 수 있다. 제어부(200)는 DAQ(220)로부터 전달된 디지털 신호를 분석하여 플렉스플라인 변형량의 실시간 변화를 디스플레이(210)를 통해 그래프로 표시할 수 있다.
한편, 제어부(200)는 모션 제어기(230)와 모터 드라이브(240)를 통해 서보모터(120)를 제어할 수 있다. 모션 제어기(230)는 서보모터(120)의 회전 속도, 회전 위치, 토크 등에 관한 명령을 모터 드라이브(240)에 지령할 수 있다. 서보모터(120)에는 모터 드라이브(240)가 내장되어 있어서 모터의 회전방향 및 온/오프 제어를 쉽게 할 수 있다. 리니어 액추에이터(160)도 별도의 모터 드라이브(240)에 의해 제어될 수 있다.
상기한 바와 같이, 제어부(200)는 제1변위센서(171)와 제2변위센서(172)에 의해 측정된 플렉스플라인(10)의 단축 및 장축 방향 변형량으로부터 플렉스플라인(10)의 편심량을 계산하여 디스플레이(210)에 표시할 수 있다.
또한, 제어부(200)는 계산된 플렉스플라인(10)의 편심량을 바탕으로 제1변위센서(171)와 제2변위센서(172)에 의해 측정된 플렉스플라인(10)의 반경방향 변형량을 보정하여 정확한 변형량을 계산할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 모자형 플렉스플라인 11: 원판부
12: 결합공 13: 원형 측벽부
14: 톱니부 15: 중심홀
20: 컵형 플렉스플라인 21: 원판부
22: 결합공 23: 원형 측벽부
24: 톱니부 25: 중심홀
30: 웨이브제너레이터
100: 플렉스플라인의 변형량 측정 장치
110: 지지대 112: 바퀴
115: 장착홈 120: 서보모터
122: 엔코더 125: 모터장착브라켓
130: 회전축 135: 커플링
140: 플렉스플라인 장착브라켓 145: 제1체결공
146: 제2체결공 150: 액추에이터 장착브라켓
160: 리니어 액추에이터 167: 변위센서 장착브라켓
170: 변위센서 171: 제1변위센서
172: 제2변위센서 173: 발광부
174: 수광부
200: 제어부
210: 디스플레이 220: DAQ
230: 모션 제어기 240: 모터 드라이브

Claims (8)

  1. 지지대에 회전가능하게 장착된 회전축을 회전시키는 서보모터;
    상기 지지대에 고정되어 상기 회전축에 의해 회전되는 웨이브제너레이터에 의해 변형되는 플렉스플라인을 결합하는 플렉스플라인 장착브라켓;
    상기 지지대에 고정되는 액추에이터 장착브라켓;
    상기 액추에이터 장착브라켓에 결합되고 상기 플렉스플라인의 위에 축방향으로 배치되는 리니어 액추에이터; 및
    상기 리니어 액추에이터에 장착되어 상기 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정하는 변위센서를 포함하는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 액추에이터에 축방향으로 이동가능하게 결합되는 변위센서 장착브라켓을 더 포함하고,
    상기 변위센서는 상기 변위센서 장착브라켓에 장착되는 것을 특징으로 하는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변위센서는 상기 플렉스플라인의 외주면을 향해 레이저를 발광하는 발광부와, 상기 외주면에서 반사된 레이저를 수광하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 변위센서는 상기 변위센서 장착브라켓의 일단부에 장착되는 제1변위센서와, 상기 변위센서 장착브라켓의 타단부에 장착되고 상기 제1변위센서와 90도의 간격으로 배치되는 제2변위센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 발광부와 수광부는 상기 플렉스플라인의 외주면에서 소정 거리 이격되고 원주방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 변위센서로 상기 플렉스플라인의 소정 위치에서 반경방향 변형량을 측정하고, 상기 리니어 액추에이터로 상기 변위센서를 축방향으로 이동시켜서 상기 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 측정하는 것을 반복함으로써, 상기 플렉스플라인의 변형 패턴을 3차원으로 재구성하여 디스플레이에 표시하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1변위센서와 제2변위센서에 의해 측정된 상기 플렉스플라인의 단축 및 장축 방향 변형량으로부터 상기 플렉스플라인의 편심량을 계산하여 상기 디스플레이에 표시하는 것을 특징으로 하는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 계산된 상기 플렉스플라인의 편심량을 바탕으로 상기 제1변위센서와 제2변위센서에 의해 측정된 상기 플렉스플라인의 반경방향 변형량을 보정하는 것을 특징으로 하는 플렉스플라인의 변형량 측정 장치.
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