KR20240016553A - 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치 및 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치는, 지지대에 회전가능하게 장착된 입력측 회전축을 회전시키는 구동모터; 상기 구동모터에 의해 회전되는 입력측 회전축의 회전각도를 측정하는 입력부 엔코더; 상기 입력측 회전축에 착탈가능하게 결합되는 출력측 회전축의 회전각도를 측정하는 출력부 엔코더; 상기 출력측 회전축의 토크를 측정하는 토크센서; 상기 출력측 회전축의 단부에 연결되는 브레이크; 및 상기 입력측 회전축과 상기 출력측 회전축 사이에 장착되는 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성을 측정하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 구동모터를 작동하여 상기 입력측 회전축을 회전시키고 상기 브레이크에 점점 증가되는 부하토크를 인가하면서 상기 입력부 엔코더에서 측정된 입력측 회전축의 회전각도와 상기 출력부 엔코더에서 측정된 출력측 회전축의 회전각도의 차이로부터 각도전달오차를 계산하며, 상기 각도전달오차와 상기 토크센서에서 측정된 출력측 회전축의 토크로부터 비틀림 강성을 계산할 수 있다.
Description
본 발명은 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플렉스플라인을 웨이브제너레이터와 서큘러스플라인에 조립하고 회전 중에 부하토크를 인가하여 플렉스플라인의 비틀림 강성을 측정하는 장치 및 방법에 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 서큘러스플라인(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, 서큘러스플라인에는 플렉스플라인의 제1 치형에 대응하여 내주면에 제2 치형이 형성되어 있다.
이러한 스트레인 웨이브 감속기는 입력축, 입력축에 연결된 웨이브제너레이터, 플렉스플라인, 플렉스플라인과 맞물린 서큘러스플라인, 서큘러스플라인과 연결된 출력축의 순서로 동력이 전달된다. 즉, 입력축이 결합된 웨이브제너레이터가 시계방향으로 회전하면 플렉스플라인이 점진적으로 탄성 변형을 일으키면서 플렉스플라인의 제1 치형 중 일부가 서큘러스플라인의 제2 치형 중 일부와 결합되어 동력이 전달된다. 이때, 플렉스플라인의 외주면에 형성된 제1 치형의 치수(齒數)와 서큘러스플라인의 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.
일반적으로, 플렉스플라인의 비틀림은 입력축을 고정하고 출력축에 토크를 가하여 회전되는 각도를 측정함으로써 구해진다.
하지만, 종래기술에 따른 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치는 플렉스플라인을 웨이브제너레이터와 서큘러스플라인에 결합하지 않고 플렉스플라인만을 장착하여 비틀림 강성을 측정함으로써, 하모닉감속기의 제품으로 실제 사용될 때와 같은 상황에서 측정하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 입력축을 고정한 상태에서 부하토크를 급격하게 인가함에 따라 시험대상인 플렉스플라인이 파손될 가능성이 있다.
본 발명은 플렉스플라인을 웨이브제너레이터와 서큘러스플라인에 조립하고 회전 중에 부하토크를 점점 증가하면서 인가하여 플렉스플라인의 비틀림 강성을 측정하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치는, 지지대에 회전가능하게 장착된 입력측 회전축을 회전시키는 구동모터; 상기 구동모터에 의해 회전되는 입력측 회전축의 회전각도를 측정하는 입력부 엔코더; 상기 입력측 회전축에 착탈가능하게 결합되는 출력측 회전축의 회전각도를 측정하는 출력부 엔코더; 상기 출력측 회전축의 토크를 측정하는 토크센서; 상기 출력측 회전축의 단부에 연결되는 브레이크; 및 상기 입력측 회전축과 상기 출력측 회전축 사이에 장착되는 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성을 측정하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 구동모터를 작동하여 상기 입력측 회전축을 회전시키고 상기 브레이크에 점점 증가되는 부하토크를 인가하면서 상기 입력부 엔코더에서 측정된 입력측 회전축의 회전각도와 상기 출력부 엔코더에서 측정된 출력측 회전축의 회전각도의 차이로부터 각도전달오차를 계산하며, 상기 각도전달오차와 상기 토크센서에서 측정된 출력측 회전축의 토크로부터 비틀림 강성을 계산할 수 있다.
상기 제어부는 상기 브레이크에 인가하는 부하토크를 설정된 목표 최대 부하토크에 도달할 때까지 설정된 단위 부하토크만큼 점점 증가시킬 수 있다.
본 발명의 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정방법은, 하모닉감속기를 입력측 회전축과 출력측 회전축 사이에 장착하는 제1단계; 브레이크에 인가할 최대 부하토크와 점점 증가되는 단위 부하토크를 설정하는 제2단계; 무부하 상태에서 소정의 회전속도 및 회전수로 구동모터를 작동하여 상기 입력측 회전축을 회전시키는 제3단계; 상기 브레이크에 부하토크를 설정된 목표 최대 부하토크에 도달할 때까지 단위 부하토크만큼 점점 증가시키는 제4단계; 입력부 엔코더에서 입력측 회전축의 회전각도를 측정하고 출력부 엔코더에서 출력측 회전축의 회전각도를 측정하며 토크센서에서 출력측 회전축의 토크를 측정하는 제5단계; 및 입력측 회전축의 회전각도와 출력측 회전축의 회전각도의 차이로부터 각도전달오차를 계산하고, 상기 각도전달오차와 상기 토크센서에서 측정된 출력측 회전축의 토크로부터 비틀림 강성을 계산하는 제6단계를 포함할 수 있다.
상기 제3단계는 입력부 엔코더에서 입력측 회전축의 회전각도를 측정하고 출력부 엔코더에서 출력측 회전축의 회전각도를 측정하며 토크센서에서 출력측 회전축의 토크를 측정하여, 초기 비틀림 강성을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제5단계는 국소 가중 산점도 플롯 평활화(LOWESS) 처리에 의해 토크 데이터의 노이즈를 제거하고 추세선을 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제6단계에서 각도전달오차에 대한 출력측 회전축의 토크 변화 그래프를 획득하고, 상기 그래프에서 구간을 나누어 최소 자승 회귀선의 기울기로부터 비틀림 강성 값을 출력할 수 있다.
상기한 본 발명의 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치 및 측정방법에 의하면, 플렉스플라인을 웨이브제너레이터와 서큘러스플라인에 조립하고 회전 중에 부하토크를 점점 증가하면서 인가하여 플렉스플라인의 비틀림 강성을 측정할 수 있다.
본 발명의 비틀림 강성 측정방법은 부하토크를 급격하게 인가하지 않으므로, 플렉스플라인 시편을 보호할 수 있다.
본 발명은 직접적으로 비틀림과 토크 변화량을 획득할 수 없으므로, 신호처리 과정을 통해 비틀림과 토크의 변화 그래프에서 비틀림 강성을 구간별로 정확하게 계산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 플렉스플라인을 나타내는 사시도이다.
도 3은 하모닉 감속기의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 하모닉감속기 장착부를 개략적으로 나타내는 일부 단면도이다.
도 5는 하모닉감속기 장착부의 결합 구조를 나타내는 절개 사시도이다.
도 6은 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 하모닉감속기 플렉스플라인에 부하를 인가하고 토크를 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 8은 제어부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는 비틀림 강성 측정장치를 통해 취득한 토크와 각도 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 10은 비틀림 강성 계산을 위한 데이터 신호 처리방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 1회전동안 측정한 엔코더 데이터와 각도전달오차 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 비틀림 강성 측정의 전체 평가기간 동안의 엔코더 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 13은 LOWESS 방식을 이용하여 토크 데이터의 노이즈를 제거하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 14는 각도전달오차와 토크의 대표값을 추출하는 방법을 설명하는 그래프이다.
도 15는 비틀림량에 대한 토크 그래프에서 비틀림 강성을 계산하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 16은 비틀림 강성 곡선에서 구간별 비틀림 강성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 비틀림 강성 곡선의 구간별 회귀선에서 각각 비틀림 강성을 계산하는 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 플렉스플라인을 나타내는 사시도이다.
도 3은 하모닉 감속기의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 하모닉감속기 장착부를 개략적으로 나타내는 일부 단면도이다.
도 5는 하모닉감속기 장착부의 결합 구조를 나타내는 절개 사시도이다.
도 6은 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 하모닉감속기 플렉스플라인에 부하를 인가하고 토크를 측정하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 8은 제어부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는 비틀림 강성 측정장치를 통해 취득한 토크와 각도 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 10은 비틀림 강성 계산을 위한 데이터 신호 처리방법을 나타내는 순서도이다.
도 11은 1회전동안 측정한 엔코더 데이터와 각도전달오차 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 비틀림 강성 측정의 전체 평가기간 동안의 엔코더 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 13은 LOWESS 방식을 이용하여 토크 데이터의 노이즈를 제거하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 14는 각도전달오차와 토크의 대표값을 추출하는 방법을 설명하는 그래프이다.
도 15는 비틀림량에 대한 토크 그래프에서 비틀림 강성을 계산하는 것을 나타내는 그래프이다.
도 16은 비틀림 강성 곡선에서 구간별 비틀림 강성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 비틀림 강성 곡선의 구간별 회귀선에서 각각 비틀림 강성을 계산하는 것을 나타내는 도면이다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치를 나타내는 사시도이고, 도 2는 플렉스플라인을 나타내는 사시도이며, 도 3은 하모닉 감속기의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 4는 하모닉감속기 장착부를 개략적으로 나타내는 일부 단면도이며, 도 5는 하모닉감속기 장착부의 결합 구조를 나타내는 절개 사시도이다.
본 발명의 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치(100)는, 지지대(110)에 회전가능하게 장착된 입력측 회전축(130)을 회전시키는 구동모터(120), 구동모터에 의해 회전되는 입력측 회전축(130)의 회전각도를 측정하는 입력부 엔코더(150), 입력측 회전축(130)에 착탈가능하게 결합되는 출력측 회전축(130)의 회전각도를 측정하는 출력부 엔코더(160), 출력측 회전축(130)의 토크를 측정하는 토크센서(170), 출력측 회전축(130)의 단부에 연결되는 브레이크(190), 및 입력측 회전축과 출력측 회전축 사이에 장착되는 하모닉감속기 플렉스플라인(20)의 비틀림 강성을 측정하는 제어부(300, 도 8 참조)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 지지대(110)는 소정 높이의 테이블 형태로 이루어지고, 하단에 복수의 바퀴를 포함할 수 있다.
구동모터(120)는 정역회전 가능한 서보모터이며, 모터 드라이버와 엔코더를 구비할 수 있다. 구동모터(120)에는 노이즈 필터를 거친 3상 220V 전원이 공급될 수 있다.
회전축(130)은 지지대(110)에 장착되는 복수의 지지베어링에 회전가능하게 장착되어 구동모터(120)에 의해 회전될 수 있다. 회전축(130)은 입력측 회전축과 출력측 회전축이 하모닉감속기 장착부(200)에서 선택적으로 축결합될 수 있다. 즉, 회전축(130)은 하모닉감속기를 통해 입력측 회전축과 출력측 회전축이 연결될 수 있다.
입력측 회전축(130)에는 입력부 감속기(140)가 연결되어 구동모터(120)에 의해 회전되는 입력측 회전축(130)의 회전속도를 감속할 수 있다.
입력부 엔코더(150)는 입력부 감속기(140)를 지난 입력측 회전축(130)의 회전각도와 회전속도를 측정할 수 있다.
출력부 엔코더(160)는 입력측 회전축(130)에 축결합되는 출력측 회전축(130)의 회전각도와 회전속도를 측정할 수 있다.
입력부 엔코더(150)와 출력부 엔코더(160)는 각각 회전축(130)이 장착된 지지베어링에 장착될 수 있다.
토크센서(170)는 출력측 회전축(130)의 중간에 연결되어 출력측 회전축(130)의 토크를 측정할 수 있다. 토크센서(170)는 지지대(110)의 상면에 장착되는 지지브라켓에 의해 지지되도록 설치될 수 있다.
출력측 회전축(130)에는 출력부 감속기(180)가 연결되어 출력측 회전축(130)의 회전속도를 감속할 수 있다.
브레이크(190)는 출력부 감속기(180)에 연결된 출력측 회전축(130)의 단부에 결합되어 출력측 회전축(130)의 회전속도를 줄이거나 정지시킬 수 있다.
브레이크(190)는 자성 분말을 작동 매체로 사용하는 파우더 브레이크인 것이 바람직하다. 파우더 브레이크는 응답 속도가 빠르고 미세하며 전달 토크를 가변할 수 있다. 또한, 파우더 성분이 Fe, Al, Cr 등의 합금 구상 분말이므로, 내열성, 내식성, 내마모성이 우수하다. 또한, 입력축 회전속도에 상관없이 출력축에 일정한 토크를 전달하고, 과부하시 슬립이 발생하므로 장치를 안전하게 보호할 수 있다.
파우더 브레이크는 냉각 방식에 따라 수냉식, 공랭식, 방열식, 팬 부착형 등이 있는데, 본 발명에서는 팬 부착형 파우더 브레이크를 사용할 수 있다.
비틀림 강성 측정장치(100)는 입력측 회전축(130)과 출력측 회전축(130) 사이에 장착되는 하모닉감속기 플렉스플라인(20)의 비틀림 강성을 측정하는 제어부(300, 도 8 참조)를 포함할 수 있다.
제어부(300)는 구동모터(120)를 작동하여 입력측 회전축(130)을 회전시키고 브레이크(190)에 점점 증가되는 부하토크를 인가하면서 입력부 엔코더(150)에서 측정된 입력측 회전축(130)의 회전각도와 출력부 엔코더(160)에서 측정된 출력측 회전축(130)의 회전각도의 차이로부터 각도전달오차를 계산하며, 각도전달오차와 토크센서에서 측정된 출력측 회전축(130)의 토크로부터 비틀림 강성을 계산할 수 있다.
즉, 제어부(300)는 하모닉감속기 플렉스플라인(20)의 비틀림 강성을 측정하기 위해, 구동모터(120), 브레이크(190), 입력부 엔코더(150), 출력부 엔코더(160) 등의 작동을 제어할 수 있다.
제어부(300)는 브레이크(190)에 인가하는 부하토크를 설정된 목표 최대 부하토크에 도달할 때까지 설정된 단위 부하토크만큼 점점 증가시킬 수 있다.
구체적인 제어방법은 후술하기로 한다.
하모닉감속기 장착부(200)는 입력부 엔코더(150)와 출력부 엔코더(160) 사이의 회전축에 장착되어 플렉스플라인의 비틀림 강성을 측정할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 입력측 회전축(130)과 출력측 회전축(130)은 하모닉감속기 장착부(200)에서 선택적으로 축결합될 수 있다.
하모닉(harmonic) 감속기는 스트레인 웨이브(strain wave) 감속기라고도 하고, 기본적으로 웨이브제너레이터(wave generator), 플렉스플라인(flexspline) 및 서큘러스플라인(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, 서큘러스플라인에는 플렉스플라인의 제1 치형에 대응하여 내주면에 제2 치형이 형성되어 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 플렉스플라인(20)은 원형관 형태로 형성되고 내부에 웨이브제너레이터(40)가 삽입되어 장착되는 입력부(21)와, 입력부의 단부에 반경방향으로 일체로 형성되는 원판형의 다이어프램부(23)와, 다이어프램부의 가장자리에 출력축이 결합되는 보스부(25)를 포함할 수 있다. 입력부(21)의 외주면 일측에는 서큘러스플라인(60)과 맞물리는 톱니부(22)가 형성되어 있다. 보스부(25)에는 다른 구조물에 결합하기 위한 복수의 체결공(27)이 형성될 수 있다.
플렉스플라인(20)은 내부에 장착되는 타원형의 웨이브제너레이터(40)가 회전함에 따라 플렉스플라인(20)의 입력부(21) 및 다이어프램부(23)가 변형될 수 있다. 웨이브제너레이터(40)는 장축과 단축을 가진 타원형으로 형성되고, 테두리부에 복수의 볼이 장착되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 플렉스플라인(20)의 단면 부위는 웨이브제너레이터(40)의 장축이 지나갈 때 톱니부(22)의 반경이 증가하는 방향으로 변형될 수 있다. 이때, 플렉스플라인(20)의 몇개의 톱니가 서큘러스플라인(60)의 톱니에 맞물리게 됨으로써, 플렉스플라인(20)이 서큘러스플라인(60)을 감속된 속도로 회전시킬 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하모닉감속기 장착부(200)는 입력측 회전축(130)의 단부에 결합되어 웨이브제너레이터(40)가 장착되는 웨이브제너레이터 장착부(240)와, 입력측 회전축(130)의 단부에 결합되어 서큘러스플라인(60)이 장착되는 서큘러스플라인 장착부(250)와, 출력측 회전축(130)의 단부에 결합되어 플렉스플라인(20)이 장착되는 플렉스플라인 장착부(230)를 포함할 수 있다.
입력측 회전축(130)은 입력부 엔코더(150)의 단부 쪽에 복수의 볼베어링을 구비하는 제1지지베어링(210)에 회전가능하게 지지될 수 있다.
출력측 회전축(130)은 출력부 엔코더(160)의 단부 쪽에 복수의 볼베어링을 구비하는 제2지지베어링(220)에 회전가능하게 지지될 수 있다.
플렉스플라인 장착부(230)는 출력측 회전축(130)의 단부에 함께 회전되도록 결합되고, 일측면에 복수의 나사에 의해 플렉스플라인(20)이 장착될 수 있다.
웨이브제너레이터 장착부(240)는 입력측 회전축(130)의 단부에 함께 회전되도록 결합되고, 중심부에 웨이브제너레이터(40)가 장착될 수 있다.
서큘러스플라인 장착부(250)는 입력측 회전축(130)의 단부에 결합되어 서큘러스플라인(60)이 웨이브제너레이터(40)의 외측에 배치되도록 장착될 수 있다.
도 4의 개략도에서는 웨이브제너레이터 장착부(240)와 서큘러스플라인 장착부(250)가 일체로 형성되어 있으나, 도 5에 도시된 바와 같이 웨이브제너레이터 장착부(240)와 서큘러스플라인 장착부(250)는 별도의 부재로 구성되어 서로 결합되는 것이 바람직하다.
웨이브제너레이터 장착부(240)와 서큘러스플라인 장착부(250)는 입력측 회전축(130)의 단부가 축방향으로 삽입되어 장착되는 축결합부에 복수의 나사에 의해 체결될 수 있다. 축결합부는 입력측 회전축(130)에 축방향으로 이동가능하기 때문에, 웨이브제너레이터 장착부(240)와 서큘러스플라인 장착부(250)에 웨이브제너레이터(40)와 서큘러스플라인(60)을 장착한 후 축결합부를 플렉스플라인 장착부(230) 쪽으로 이동하여 연결한 다음 축결합부를 입력측 회전축(130)에 나사로 고정할 수 있다.
도 6은 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정방법을 나타내는 순서도이고, 도 7은 하모닉감속기 플렉스플라인에 부하를 인가하고 토크를 측정하는 과정을 설명하는 도면이며, 도 8은 제어부 구성을 나타내는 블록도이고, 도 9는 비틀림 강성 측정장치를 통해 취득한 토크와 각도 데이터를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 비틀림 강성 측정방법을 설명한다.
본 발명의 하모닉감속기 플렉스플라인(20)의 비틀림 강성 측정방법은, 하모닉감속기를 입력측 회전축(130)과 출력측 회전축(130) 사이에 장착하는 제1단계, 브레이크(190)에 인가할 최대 부하토크와 점점 증가되는 단위 부하토크를 설정하는 제2단계, 무부하 상태에서 소정의 회전속도 및 회전수로 구동모터(120)를 작동하여 입력측 회전축(130)을 회전시키는 제3단계, 브레이크(190)에 부하토크를 설정된 목표 최대 부하토크에 도달할 때까지 단위 부하토크만큼 점점 증가시키는 제4단계, 입력부 엔코더(150)에서 입력측 회전축(130)의 회전각도를 측정하고 출력부 엔코더(160)에서 출력측 회전축(130)의 회전각도를 측정하며 토크센서(170)에서 출력측 회전축(130)의 토크를 측정하는 제5단계, 및 입력측 회전축(130)의 회전각도와 출력측 회전축(130)의 회전각도의 차이로부터 각도전달오차를 계산하고, 각도전달오차와 토크센서(170)에서 측정된 출력측 회전축(130)의 토크로부터 비틀림 강성을 계산하는 제6단계를 포함한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 먼저 하모닉감속기 플렉스플라인(20) 시편을 하모닉감속기 장착부(200)에 장착한다(S10).
다음에, 최대 인가 부하와 부하 증가 정도를 입력하여 설정한다(S20). 즉, 브레이크(190)에 인가할 최대 부하토크와, 점점 증가시킬 단위 부하토크를 제어부(300)에 입력하여 설정할 수 있다.
예를 들면, 최대 인가 부하토크가 10kgfm이고, 부하 증가 정도가 1%일 경우 증가되는 단위 부하토크는 0.1kgfm가 되어 0.1kgfm씩 부하토크를 증가시킬 수 있다.
다음에, 무부하 상태에서 소정의 회전속도 및 회전수로 구동모터(120)를 작동하여 입력측 회전축(130)을 회전시킨다(S30). 즉, 브레이크(190)에 부하토크를 인가하지 않는 무부하 상태에서, 미리 입력된 회전속도(rpm) 및 회전수(rev)로 구동모터(120)를 작동하여 입력측 회전축(130)을 회전시킴으로써, 초기 장비 예열과 시운전을 할 수 있다.
입력부 엔코더(150)에서 입력측 회전축(130)의 회전각도를 측정하고 출력부 엔코더(160)에서 출력측 회전축(130)의 회전각도를 측정하며 토크센서(170)에서 출력측 회전축(130)의 토크를 측정하여, 초기 비틀림 강성을 계산할 수 있다.
이때, 인가 부하토크는 제로인 무부하 상태이지만, 회전에 따른 비틀림이 발생하게 된다. 하지만, 비틀림 강성은 토크에 따른 비틀림량(변형량)을 계산하기 때문에, 초기 상태 값을 측정함으로써 보정할 수 있다.
다음으로, 구동모터(120)를 작동하여 회전시키고 부하토크를 일정값 증가시키며 인가하여 비틀림 강성 평가를 시작한다(S40).
도 7에 도시된 바와 같이, 초기 평가가 시작되면 입력된 부하 증가 정도(단위 부하토크)를 기준으로 목표 부하토크 값을 제어부(300)에서 계산한다. 제어부(300)는 브레이크(190)에 부하 증가 명령 신호를 전달한다. 토크센서(170)는 현재 시편(축)에 부가된 토크 값을 획득한다. 회전 중에 입력부 엔코더(150)에서 입력측 회전축(130)의 회전각도를 측정하고 출력부 엔코더(160)에서 출력측 회전축(130)의 회전각도를 측정하며 토크센서(170)에서 출력측 회전축(130)의 토크를 측정하여 그 데이터를 제어부(300)로 전송하여 저장한다.
다음으로, 토크센서(170)로 측정한 현재 부하토크 값이 최종 인가 부하토크 설정값 이상인지 여부를 판단하여, 측정 종료 여부를 판단한다(S50). 현재 부하토크가 목표 최대 부하토크보다 크거나 그와 같다면 측정을 종료하고, 그보다 작다면 평가 시작 단계로 돌아가서 비틀림 강성 측정을 위한 운전을 계속한다.
마지막으로, 측정 종료시 데이터들을 저장하고 비틀림 강성을 계산한다(S60).
도 8에서 제어부(300)는 비틀림 강성 측정장치(100)에 구비되어 구동모터(120), 브레이크(190), 입력부 엔코더(150), 출력부 엔코더(160), 토크센서(170) 등의 작동을 제어할 수 있다. 측정부(310)는 하모닉감속기 장착부(200)와 입력부 엔코더(150), 출력부 엔코더(160), 토크센서(170)를 포함할 수 있다.
연산부(320)는 비틀림 강성 측정장치(100)와 통신하도록 연결된 서버 또는 컴퓨터일 수 있다. 연산부(320)는 입력부 엔코더(150), 출력부 엔코더(160), 토크센서(170)의 측정 데이터들을 신호 처리하고, 각도전달오차와 토크 관계식으로부터 플렉스플라인의 비틀림 강성을 계산할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 소정의 시간동안 토크센서(170)가 출력측 회전축의 토크를 측정하고, 동시에 입력부 엔코더(150)가 입력측 회전축(130)의 회전각도 위치를 측정하며 출력부 엔코더(160)가 출력측 회전축(130)의 회전각도 위치를 측정하여, 그래프로 출력할 수 있다.
도 10은 비틀림 강성 계산을 위한 데이터 신호 처리방법을 나타내는 순서도이고, 도 11은 1회전동안 측정한 엔코더 데이터와 각도전달오차 계산 결과를 나타내는 그래프이며, 도 12는 비틀림 강성 측정의 전체 평가기간 동안의 엔코더 데이터를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 13은 LOWESS 방식을 이용하여 토크 데이터의 노이즈를 제거하는 것을 나타내는 그래프이고, 도 14는 각도전달오차와 토크의 대표값을 추출하는 방법을 설명하는 그래프이며, 도 15는 비틀림량에 대한 토크 그래프에서 비틀림 강성을 계산하는 것을 나타내는 그래프이고, 도 16은 비틀림 강성 곡선에서 구간별 비틀림 강성을 나타내는 그래프이며, 도 17은 비틀림 강성 곡선의 구간별 회귀선에서 각각 비틀림 강성을 계산하는 것을 나타내는 도면이다.
이하, 비틀림 강성 계산을 위한 데이터 신호 처리방법과 비틀림 강성 계산 방법을 설명한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 먼저, 연산부(320)는 측정부(310)에서 측정되어 제어부(300)에 저장되어 있는 측정 데이터를 불러온다(S100).
다음에, 입력측 회전축(130)의 회전각도와 출력측 회전축(130)의 회전각도의 차이로부터 각도전달오차를 계산한다(S110).
도 11은 회전속도 1rpm으로 1회전하는 동안 측정한 엔코더 데이터와 각도전달오차 계산 결과를 나타내는 그래프이다. 출력측 회전축(130)의 회전각도(위치)와 입력측 회전축(130)의 회전각도(위치)는 플렉스플라인 시편에 비틀림이 발생함에 따라 차이가 발생하게 된다. 두 엔코더의 회전각도 차이가 각도전달오차로서 도 11(c)에 그래프로 표시되어 있다.
도 12에는 전체 평가 시간 동안의 두 엔코더 측정 데이터와 각도전달오차가 그래프로 표시되어 있다.
다음에, 토크 데이터에서 노이즈를 제거하고 추세선을 획득한다(S120). 이때, 국소 가중 산점도 플롯 평활화(LOWESS) 처리에 의해 토크 데이터의 노이즈를 제거하고 추세선을 획득할 수 있다.
국소 가중 산점도 플롯 평활화(LOWESS: Locally Weighted Scatter plot Smoothing) 처리는 비선형적인 토크 데이터를 작은 범위에서 관찰하여 선형 문제로 보고 접근하는 회귀 방식 중 하나이다.
도 13은 취득한 토크 데이터에 대해 국소 가중 산점도 플롯 평활화(LOWESS) 처리하여 노이즈를 제거하고 추세선을 획득하는 과정을 나타낸다. 데이터를 평활화 처리에 의해, 회전에 의한 진동 및 전원 등에 의한 노이즈가 제거될 수 있다. 또한, 파우더 브레이크의 부하 증가로 인해 토크가 증가하는 경향은 추세선에 반영될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 토크 추세선과 각도전달오차에서 회전축 1회전 당 동일 시점의 대표값들을 추출할 수 있다. 추출 주기 1회전은 사용자가 변경하여 설정할 수 있다. 또한, 추출 시점은 각도전달오차의 최대/최소 시점 또는 토크 데이터의 최대/최소 시점으로 선정할 수도 있다. 대표값 추출을 통해 인가된 부하토크에 따른 플렉스플라인 시편의 비틀림량을 각각 매칭할 수 있다.
이렇게 획득된 각도전달오차에 대한 출력측 회전축의 토크 변화 그래프를 획득하고, 그래프에서 구간을 나누어 최소 자승 회귀선의 기울기로부터 비틀림 강성 값을 출력할 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 비틀림 변형량을 x축으로 하고 토크를 y축으로 하는 비틀림 강성 곡선을 그래프로 나타낼 수 있다. 이 그래프의 기울기가 비틀림 강성(단위: kgfm/arcmin)을 의미한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 하모닉감속기의 비틀림 강성은 비선형성을 가지고 있으므로, 토크의 구간을 나누어 비틀림 강성을 계산하는 것이 바람직하다.
도 17에 도시된 바와 같이, 비틀림-토크 그래프에서 사용자 입력값을 기준으로 구간을 나누고, 나누어진 구간별로 최소 자승 회귀선(Least Squares Regression Line)을 획득하여, 획득한 회귀선의 기울기를 비틀림 강성으로 출력할 수 있다.
연산부(320)에서 각도전달오차와 비틀림 강성을 계산하는 방법을 구체적으로 설명한다.
각도전달오차는, 에 의해 산출될 수 있다.
여기서, , 는 측정 주기마다 측정한 각도 데이터에서 i번째에 획득한 입력/출력 각도이고, R은 기어비이다.
각도전달오차 변화량 특정을 위한 샘플링 단계에서는, 상기 식을 통해 계산된 에서 1회전 동안의 데이터가 추출될 수 있다.
여기서, n은 입력축이 1회전하는 동안의 데이터 수이고, 상기 단계에서 추출된 데이터에서 에 의해 1회전 동안의 대표 각도전달오차를 산출할 수 있다.
각도전달오차 변화량 계산 단계에서는 에 의해 각도전달오차 변화량이 계산되며, 여기서, 는 j번째 사이클의 평균 각도전달오차이고 는 첫 번째 사이클의 평균 각도전달오차로 이를 이용해 각도전달오차 변화량을 계산할 수 있다.
비틀림 강성 계산 단계에서는, 플렉스플라인의 비틀림 강성이 에 의해 계산될 수 있다.
여기서, 는 j번째 사이클의 평균토크와 초기토크의 차이이다.
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.
20: 플렉스플라인
21: 입력부
22: 톱니부 23: 다이어프램부
25: 보스부 27: 체결공
40: 웨이브제너레이터 60: 서큘러스플라인
100: 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치
110: 지지대 120: 구동모터
130: 회전축 140: 입력부 감속기
150: 입력부 엔코더 160: 출력부 엔코더
170: 토크센서 180: 출력부 감속기
190: 브레이크
200: 하모닉감속기 장착부
210: 제1지지베어링 220: 제2지지베어링
230: 플렉스플라인 장착부 240: 웨이브제너레이터 장착부
250: 서큘러스플라인 장착부
300: 제어부
310: 측정부
320: 연산부
22: 톱니부 23: 다이어프램부
25: 보스부 27: 체결공
40: 웨이브제너레이터 60: 서큘러스플라인
100: 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치
110: 지지대 120: 구동모터
130: 회전축 140: 입력부 감속기
150: 입력부 엔코더 160: 출력부 엔코더
170: 토크센서 180: 출력부 감속기
190: 브레이크
200: 하모닉감속기 장착부
210: 제1지지베어링 220: 제2지지베어링
230: 플렉스플라인 장착부 240: 웨이브제너레이터 장착부
250: 서큘러스플라인 장착부
300: 제어부
310: 측정부
320: 연산부
Claims (6)
- 지지대에 회전가능하게 장착된 입력측 회전축을 회전시키는 구동모터;
상기 구동모터에 의해 회전되는 입력측 회전축의 회전각도를 측정하는 입력부 엔코더;
상기 입력측 회전축에 착탈가능하게 결합되는 출력측 회전축의 회전각도를 측정하는 출력부 엔코더;
상기 출력측 회전축의 토크를 측정하는 토크센서;
상기 출력측 회전축의 단부에 연결되는 브레이크; 및
상기 입력측 회전축과 상기 출력측 회전축 사이에 장착되는 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성을 측정하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 구동모터를 작동하여 상기 입력측 회전축을 회전시키고 상기 브레이크에 점점 증가되는 부하토크를 인가하면서 상기 입력부 엔코더에서 측정된 입력측 회전축의 회전각도와 상기 출력부 엔코더에서 측정된 출력측 회전축의 회전각도의 차이로부터 각도전달오차를 계산하며, 상기 각도전달오차와 상기 토크센서에서 측정된 출력측 회전축의 토크로부터 비틀림 강성을 계산하는 것을 특징으로 하는 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치. - 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 브레이크에 인가하는 부하토크를 설정된 목표 최대 부하토크에 도달할 때까지 설정된 단위 부하토크만큼 점점 증가시키는 것을 특징으로 하는 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정장치. - 하모닉감속기를 입력측 회전축과 출력측 회전축 사이에 장착하는 제1단계;
브레이크에 인가할 최대 부하토크와 점점 증가되는 단위 부하토크를 설정하는 제2단계;
무부하 상태에서 소정의 회전속도 및 회전수로 구동모터를 작동하여 상기 입력측 회전축을 회전시키는 제3단계;
상기 브레이크에 부하토크를 설정된 목표 최대 부하토크에 도달할 때까지 단위 부하토크만큼 점점 증가시키는 제4단계;
입력부 엔코더에서 입력측 회전축의 회전각도를 측정하고 출력부 엔코더에서 출력측 회전축의 회전각도를 측정하며 토크센서에서 출력측 회전축의 토크를 측정하는 제5단계; 및
입력측 회전축의 회전각도와 출력측 회전축의 회전각도의 차이로부터 각도전달오차를 계산하고, 상기 각도전달오차와 상기 토크센서에서 측정된 출력측 회전축의 토크로부터 비틀림 강성을 계산하는 제6단계를 포함하는 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정방법. - 제3항에 있어서,
상기 제3단계는 입력부 엔코더에서 입력측 회전축의 회전각도를 측정하고 출력부 엔코더에서 출력측 회전축의 회전각도를 측정하며 토크센서에서 출력측 회전축의 토크를 측정하여, 초기 비틀림 강성을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정방법. - 제3항에 있어서,
상기 제5단계는 국소 가중 산점도 플롯 평활화(LOWESS) 처리에 의해 토크 데이터의 노이즈를 제거하고 추세선을 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정방법. - 제3항에 있어서,
상기 제6단계에서 각도전달오차에 대한 출력측 회전축의 토크 변화 그래프를 획득하고, 상기 그래프에서 구간을 나누어 최소 자승 회귀선의 기울기로부터 비틀림 강성 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 하모닉감속기 플렉스플라인의 비틀림 강성 측정방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR100926574B1 (ko) | 2008-01-28 | 2009-11-17 | 이부락 | 하모닉 감속기용 강성 시험기 |
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2022
- 2022-07-29 KR KR1020220094483A patent/KR20240016553A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100926574B1 (ko) | 2008-01-28 | 2009-11-17 | 이부락 | 하모닉 감속기용 강성 시험기 |
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