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1. (WO2017003071) 전동 공구의 제어 방법
Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

7   8  

과제 해결 수단

9   10   11   12   13   14   15   16   17  

발명의 효과

18   19   20  

도면의 간단한 설명

21   22   23   24  

발명의 실시를 위한 형태

25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7  

도면

1   2   3   4  

명세서

발명의 명칭 : 전동 공구의 제어 방법

기술분야

[1]
본 발명은 전동 공구의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차 등의 조립 공정에서 너트를 정확한 토크로 체결하기 위한 전동 공구의 제어 방법에 관한 것이다.

배경기술

[2]
작업자는 주로 한 손으로 전동 공구를 쥐고 볼트, 너트 등의 체결 작업을 한다. 그러나, 피작업물의 체결 위치에 따라 사용되는 너트 등이 다양하며, 특히 비교적 큰 너트를 체결하기 위해서는 가해지는 토크 또한 증가하게 된다. 그 결과, 작업자는 반복적인 전동 작업 과정에서 발생하는 반력 등을 고스란히 전달 받게 되어 손, 팔 등에 부상을 입을 수 있다.
[3]
최근, 자동차 등의 조립 공장은 조립 라인의 상당 부분이 자동화되어 있다. 그러나, 너트의 체결을 담당하는 구역 중 일부는 여전히 작업자에 의해 이루어지고 있는 실정이다. 한편, 자동차에 있어서 너트의 체결은 안전과 밀접한 관련이 있기 때문에 높은 수준의 체결 품질을 요구한다. 동시에, 체결 공정은 고생산성을 위해 신속하게 종료될 것이 요구된다. 따라서, 너트 체결에 사용되는 전동 공구 내부에는 너트 체결을 위한 제어 프로그램이 내장되어 있다.
[4]
너트의 체결 과정은 다음과 같다. 먼저 너트는 전동 공구에 의해 볼트의 나사산을 따라 회전하면서 피작업물을 향해 이동하게 된다. 그러나, 너트가 피작업물과 만나게 되면 너트의 회전 속도는 현저히 떨어지게 된다. 이후, 너트에는 너트를 단단히 조여 주기 위한 토크가 더 가해진다. 혹시라도 너트가 풀리는 것을 방지하기 위함이다. 즉, 피작업물에 따라 정해진 목표 토크를 제공하여 너트를 최종적으로 조여 줌으로써 너트의 체결 공정이 종료된다.
[5]
종래 전동 공구는 토크를 연속적으로 제공하여 큰 반력을 발생시켰다. 그래서, 이를 개선한 방법으로 토크를 간헐적으로 순차 제공하였는데 이는 종래 반력의 크기를 감소시킬 수 있었다.
[6]
한편, 토크를 순차 제공함에 있어 토크 센서를 이용하여 검출된 토크와 설정된 토크를 비교하고 그 다음 발생되는 토크를 설정된 토크에 근접할 수 있도록 하였다. 다만, 토크 제공에 필요한 전류는 이전 전류를 기준으로 공급하다가 어느 순간 이전 토크가 발생되면 그 순간부터 전류를 증가시키는 방법으로 제어하였는데 신속도 및 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[7]
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 너트의 착좌 이후 너트를 조여 줌에 있어 간헐적으로 제공되는 복수의 각 토크에 의해 너트가 신속하고 정확하게 체결될 수 있는 전동 공구의 제어 방법을 제공함에 있다. 또한, 이를 위해 각 전류를 제어하는 구체적인 방법을 제공하고자 한다.
[8]
또한, 체결 공정의 작업 이력을 안정적으로 저장하여 관리할 수 있는 것을 목적으로 한다.

과제 해결 수단

[9]
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 너트가 착좌된 이후 간헐적인 펄스 토크를 제공하여 상기 너트를 조여 주되, 상기 펄스 토크의 제공 수단으로 전동 모터를 사용하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서, 최종적인 목표 토크를 고려하여 복수의 상기 펄스 토크를 설정하는 단계; 상기 펄스 토크를 순차적으로 제공하기 위해 이에 대응되는 펄스 전류를 상기 전동 모터에 공급하는 단계; 토크 센서를 이용하여 상기 너트에 가해지는 측정 토크를 검출하는 단계; 및 검출된 상기 측정 토크와 설정된 상기 펄스 토크를 비교하여 오차를 연산하는 단계;를 포함하며, 상기 공급하는 단계에서 각각의 상기 펄스 전류의 최초값은 바로 이전 공급된 펄스 전류의 최종값과 일치하며, 상기 최종값은 상기 오차를 반영하여 변동 가능한 전동 공구의 제어 방법을 제공한다.
[10]
상기 펄스 전류는 상기 최초값에서 상기 최종값으로 일정 기울기로 선형 증가할 수 있다.
[11]
상기 최종값은 비례식을 사용하여 상기 오차만큼 변동될 수 있다.
[12]
검출된 상기 측정 토크가 설정된 상기 펄스 토크를 초과하면, 상기 최종값을 상기 최초값과 동일하게 변동할 수 있다.
[13]
너트가 착좌된 이후 간헐적인 펄스 토크를 제공하여 상기 너트를 조여 주되, 상기 펄스 토크의 제공 수단으로 전동 모터를 사용하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서,
[14]
최종적인 목표 토크를 고려하여 복수의 상기 펄스 토크를 설정하는 단계;
[15]
본 발명의 다른 실시예는 상기 펄스 토크를 순차적으로 제공하기 위해 이에 대응되는 펄스 전류를 상기 전동 모터에 공급하는 단계; 토크 센서를 이용하여 상기 너트에 가해지는 측정 토크를 검출하는 단계; 및 검출된 상기 측정 토크가 설정된 상기 펄스 토크와 일치하면 상기 펄스 전류의 공급을 중단하는 단계;를 포함하며, 상기 공급하는 단계에서 각각의 상기 펄스 전류는 최초값에서 일정 기울기로 선형 증가하되, 최초값은 바로 이전 공급된 펄스 전류의 최종값과 일치하는 전동 공구의 제어 방법을 제공한다.
[16]
상기 펄스 토크를 제공하는 각각의 지속 시간은 가변적일 수 있다.
[17]
상기 검출하는 단계와 상기 연산하는 단계 사이에 검출된 상기 측정 토크를 착탈식 메모리에 저장하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

발명의 효과

[18]
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
[19]
각 전류의 최종값은 바로 직전 검출된 토크를 고려하여 변동할 수 있기 때문에 매번 너트에 가해지는 토크의 신속성 및 정확성이 높아진다.
[20]
또한, 검출된 토크를 외장 메모리에 저장할 수 있어 작업 이력에 대한 안정적인 관리가 가능하다.

도면의 간단한 설명

[21]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법을 나타내는 순서도
[22]
도 2는 측정 토크 및 펄스 전류의 전체 개형을 나타내는 그래프
[23]
도 3은 오차에 따른 펄스 전류의 최종값이 변동되는 것을 나타내는 개략도
[24]
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법을 나타내는 순서도

발명의 실시를 위한 형태

[25]
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
[26]
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법을 나타내는 순서도이이고 도 2는 측정 토크 및 펄스 전류의 전체 개형을 나타내는 그래프이다. 도 1을 참조하면, 전동 공구의 제어 방법은 설정하는 단계(s10), 공급하는 단계(s20), 검출하는 단계(s30), 저장하는 단계(s40) 및 연산하는 단계(s50)를 포함한다.
[27]
다만, 본 발명의 제어 방법은 너트가 착좌(a)된 이후 간헐적인 펄스 토크를 제공하여 너트를 조여 주되, 펄스 토크의 제공 수단으로 전동 모터를 사용하는 전동 공구에 적용될 수 있다.
[28]
여기서 '착좌(a)'라고 함은 볼트의 나사산을 따라 너트를 체결함에 있어 너트가 피작업물과 만나게 될 때 너트의 회전 속도가 현저히 떨어지는 순간을 말한다. 즉, 너트를 체결하는 공정은 너트가 착좌(a)된 이후 너트를 조여 주는 후속 공정이 마무리되면 비로소 완료된다.
[29]
전술한 것처럼, 펄스 토크를 사용하는 것은 작업자에게 가해지는 반력을 감소시키기 위함이다. 연속적으로 증가하는 토크를 단 한 차례 제공하여 너트를 조여 주면, 그 만큼 작업자에게 큰 반력이 가해져 신체적인 상해 등 부상 위험이 있을 수 있다. 이런 이유로, 너트의 체결 중 후속 조임 공정은 펄스 토크를 가하는 방법으로 작업을 진행하게 된다.
[30]
첫 번째 단계인 설정하는 단계(s10)는 최종적인 목표 토크(ttq)를 고려하여 복수의 펄스 토크를 설정하는 단계이다. 목표 토크(ttq)는 피작업 대상에 따라 다르기 때문에 목표 토크(ttq)에 따라 최적의 각 펄스 토크를 설정하는 것이 필요하다.
[31]
너트는 착좌(a)된 이후 대개 몇 차례 펄스 토크(임팩트력)을 제공하는 것으로 조여 진다. 다만, 반력을 감안하여 복수의 펄스 토크는 순차적으로 증가하되 최종적으로 목표 토크(ttq)에 수렴하도록 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 펄스 토크를 설정한 후 이를 전동 공구에 입력하여 검출된 측정 토크와 비교할 수 있도록 한다.
[32]
도 2를 참조하면, '측정 토크'는 비연속적으로 발생하는 복수의 토크를 말한다. 그리고, 각 측정 토크는 제로 값에서 시작하여 점차 증가하다가 피크점을 갖은 후 급격하게 제로 값으로 떨어지는 그래프 모양을 갖는다. 그리고, 측정 토크가 발생할수록 피크점의 크기는 점차 증가한다. 이를 통해, 실제 너트를 조금씩 더 조여 줄 수 있다.
[33]
그 다음, 공급하는 단계(s20)는 펄스 토크를 순차적으로 제공하기 위해 이에 대응되는 펄스 전류를 전동 모터에 공급하는 단계이다. 즉, 펄스 토크를 발생시키기 위한 에너지를 공급하는 단계이다. 이 때, 펄스 전류의 제공 방법은 다양할 수 있다.
[34]
그러나, 본 발명에서 펄스 전류의 최초값은 펄스 전류의 바로 이전 공급된 펄스 전류의 최종값과 일치하며, 다만, 최종값은 변동 가능하게 설정될 수 있다. 즉, 최종값을 변동 가능하게 제어하여 바로 다음 발생되는 펄스 토크를 설정된 펄스 토크에 근접하도록 할 수 있다.
[35]
여기서, 최초값을 바로 이전 공급된 펄스 전류의 최종값과 일치시키는 이유는 최종값 부근에서 펄스 토크의 피크점이 형성되기 때문이다. 그리고, 너트는 바로 이전 펄스 전류의 최종값보다 큰 펄스 전류가 공급되어야 더 조여질 수 있다.
[36]
반면, 다시 도 2를 참조하면 펄스 전류는 측정 토크와 달리 제로 값에서 시작하여 임펄스처럼 짧은 시간에 급증하여 최초값을 갖고, 최초값에서 최종값으로 일정 기울기로 선형 증가하되, 최종값에서 다시 짧은 시간에 급감하여 제로 값으로 떨어지는 그래프 모양을 갖는다. 이는, 전류의 공급, 차단에 따른 전류의 흐름이 전류의 특성상 빠른 시간에 이루어질 수 있기 때문에 가능하다.
[37]
다만, 최초값에서 최종값에 도달하는 방법은 일정 기울기가 아닌 형태도 가능하다. 그래프 모양으로 설명하면 최초값과 최종값 사이를 점차 증가하는 곡선 등으로 연결시킬 수도 있다. 그리고, 펄스 전류를 제공하는 지속 시간(t)은 동일하다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 설계 변경 등에 의해 가변적일 수 있다.
[38]
한편, 최종값은 연산하는 단계(s50)를 거친 후 비로소 변동 가능한 바, 검출하는 단계(s30), 저장하는 단계(s40) 및 연산하는 단계(s50)를 먼저 상술한다.
[39]
검출하는 단계(s30)는 토크 센서를 이용하여 너트에 가해지는 측정 토크를 검출하는 단계이다. 토크 센서는 전동 공구의 선단에 배치되어 순간적으로 너트에 실제 가해지는 측정 토크를 검출할 수 있다. 다만, 토크 센서를 통해 노이즈 등이 검출되는 경우 측정 토크와 구별이 모호할 수도 있다.
[40]
그 다음, 저장하는 단계(s40)는 검출된 측정 토크를 착탈식 메모리에 저장하는 단계이다. 여기서, 착탈식 메모리는 유에스비(USB), 에스디(SD) 카드 등을 포함하며, 전동 공구의 일측에 탈부착 가능하게 장착된다.
[41]
이는, 작업 이력이 되는 검출된 측정 토크를 저장하여 작업 품질을 관리하기 위함이다. 왜냐하면, 작업 품질은 최종적으로 너트에 실제 가해지는 목표 토크(ttq) 뿐만 아니라 그 과정에서 너트에 실제 가해지는 측정 토크에 의해서도 좌우되기 때문이다.
[42]
한편, 전동 공구는 무선 통신 등으로 외부 제어 장치에 작업 이력을 전송할 수 있다. 그러나, 전동 공구와 외부 제어 장치 사이의 거리가 멀어지거나 무선 통신이 일시 단절되면 작업 이력이 전송될 수 없다. 이런 경우, 착탈식 메모리를 사용하면 안정적으로 작업 이력을 저장할 수 있다.
[43]
그 다음, 연산하는 단계(s50)는 검출된 측정 토크와 설정된 펄스 토크를 비교하여 오차를 연산하는 단계이다. 이 때, 비교 결과는 1) 일치, 2) 작음 및 3) 큼의 3가지 중 어느 하나로 판정될 수 있다. 다만, 일치하는 경우, 바로 다음 제공되는 펄스 전류의 최종값은 설정된 펄스 전류의 최종값과 동일하다. 왜냐하면, 설정된 펄스 토크가 그대로 실제 발생되어 검출되었기에 펄스 전류가 적절하게 제어되고 있기 때문이다.
[44]
그러나, 검출된 측정 토크가 설정된 펄스 토크보다 작거나 큰 경우 바로 다음 펄스 전류의 최종값은 변동 가능하다. 이는, 펄스 전류의 공급에 의해 설정된 펄스 토크가 실제 너트에 가해지지 않았기 때문이다. 이 때, 바로 다음 펄스 전류의 최종값은 비례식을 사용하여 오차만큼 변동될 수 있다.
[45]
도 3은 오차에 따른 펄스 전류의 최종값이 변동되는 것을 나타내는 개략도이다. 도 3을 참조하면, 예를 들어, 오차가 마이너스 10%인 것으로 연산되면 바로 다음 펄스 전류의 최종값은 설정된 최종값의 110%에 해당되는 값으로 변동될 수 있다. 즉, 최종값은 설정된 증가분보다 더 크다. 그 결과, 바로 다음 펄스 전류의 기울기는 설정된 것보다 더 커진다.
[46]
반대로, 오차가 플러스 10%인 것으로 연산되면, 최종값은 설정된 최종값의 90%에 해당되는 값으로 변동될 수 있다. 이 때, 기울기는 설정된 것보다 더 작아진다.
[47]
그 결과, 바로 다음 너트에 실제 가해지는 측정 토크는 설정된 펄스 토크에 근접할 수 있다. 즉, 너트에 가해지는 토크의 정확도가 향상될 수 있다.
[48]
한편, 검출된 측정 토크가 설정된 펄스 토크를 초과하면 최종값을 최초값과 동일하게 변동할 수 있다. 즉, 전술한 것처럼 비례식을 사용하여 변동시키는 대신, 바로 다음 펄스 전류의 최종값을 바로 이전 펄스 전류의 최종값과 일치시킴으로써 바로 다음 너트에 실제 가해지는 측정 토크의 정확도를 향상시킬 수 있다.
[49]
이처럼, 검출된 측정 토크와 설정된 펄스 토크의 오차를 반영하여 제어하는 방법은 너트에 실제 가해지는 측정 토크의 정확도를 향상시킬 수 있어 체결 공정의 생산성에 기여할 수 있다.
[50]
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법을 나타내는 순서도이다. 도 4를 참조하면, 전동 공구의 제어 방법은 설정하는 단계(s110), 검출하는 단계(s120), 검출하는 단계(s130), 저장하는 단계(s140) 및 중단하는 단계(s150)를 포함한다.
[51]
구체적으로 공급하는 단계(s120) 및 중단하는 단계(s150)를 제외하면 나머지 각 단계는 전술한 바와 동일한 바, 이에 대해서는 이하 구체적 설명을 생략한다.
[52]
공급하는 단계(s120)에서 펄스 전류는 최초값에서 일정 기울기로 선형 증가하되, 최초값은 바로 이전 공급된 펄스 전류의 최종값과 일치한다. 다만, 중단하는 단계(s150)에서 토크 센서를 이용하여 검출된 너트에 실제 가해지는 측정 토크가 설정된 펄스 토크와 일치하면 펄스 전류의 공급을 중단한다.
[53]
즉, 펄스 전류는 상기 조건이 충족될 때가지 전류의 크기를 선형적으로 증가시키면서 계속 공급된다. 그 결과, 전술한 일 실시예와 달리 각각의 펄스 토크를 제공하는 지속 시간(t)은 가변적일 수 있다.
[54]
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

청구범위

[청구항 1]
너트가 착좌된 이후 간헐적인 펄스 토크를 제공하여 상기 너트를 조여 주되, 상기 펄스 토크의 제공 수단으로 전동 모터를 사용하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서, 최종적인 목표 토크를 고려하여 복수의 상기 펄스 토크를 설정하는 단계; 상기 펄스 토크를 순차적으로 제공하기 위해 이에 대응되는 펄스 전류를 상기 전동 모터에 공급하는 단계; 토크 센서를 이용하여 상기 너트에 가해지는 측정 토크를 검출하는 단계; 및 검출된 상기 측정 토크와 설정된 상기 펄스 토크를 비교하여 오차를 연산하는 단계;를 포함하며, 상기 공급하는 단계에서 각각의 상기 펄스 전류의 최초값은 바로 이전 공급된 펄스 전류의 최종값과 일치하며, 상기 최종값은 상기 오차를 반영하여 변동 가능한 전동 공구의 제어 방법.
[청구항 2]
제 1항에 있어서, 상기 펄스 전류는 상기 최초값에서 상기 최종값으로 일정 기울기로 선형 증가하는 전동 공구의 제어 방법.
[청구항 3]
제 2항에 있어서, 상기 최종값은 비례식을 사용하여 상기 오차만큼 변동되는 전동 공구의 제어 방법.
[청구항 4]
제 1항에 있어서, 검출된 상기 측정 토크가 설정된 상기 펄스 토크를 초과하면, 상기 최종값을 상기 최초값과 동일하게 변동하는 전동 공구의 제어 방법.
[청구항 5]
너트가 착좌된 이후 간헐적인 펄스 토크를 제공하여 상기 너트를 조여 주되, 상기 펄스 토크의 제공 수단으로 전동 모터를 사용하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서, 최종적인 목표 토크를 고려하여 복수의 상기 펄스 토크를 설정하는 단계; 상기 펄스 토크를 순차적으로 제공하기 위해 이에 대응되는 펄스 전류를 상기 전동 모터에 공급하는 단계; 토크 센서를 이용하여 상기 너트에 가해지는 측정 토크를 검출하는 단계; 및 검출된 상기 측정 토크가 설정된 상기 펄스 토크와 일치하면 상기 펄스 전류의 공급을 중단하는 단계;를 포함하며, 상기 공급하는 단계에서 각각의 상기 펄스 전류는 최초값에서 일정 기울기로 선형 증가하되, 최초값은 바로 이전 공급된 펄스 전류의 최종값과 일치하는 전동 공구의 제어 방법.
[청구항 6]
제 5항에 있어서, 상기 펄스 토크를 제공하는 각각의 지속 시간은 가변적인 전동 공구의 제어 방법.
[청구항 7]
제 1항 내지 제 4항 또는 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출하는 단계와 상기 연산하는 단계 사이에 검출된 상기 측정 토크를 착탈식 메모리에 저장하는 단계;를 더 포함하는 전동 공구의 제어 방법.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]