KR101108755B1 - 나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위한 방법 - Google Patents

나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

토크를 전달하는 동력 공구(power tool)에 의하여 나사 이음부를 원하는 예비인장 상태(FN)로 체결할 때, 나사 이음 결과의 품질 보증을 위한 방법으로 특정의 알고리즘에 의한 나사 이음 체결 과정의 하나 또는 그 이상의 시뮬레이션 순서는 나사 이음부 형상(screw joint geometry), 예상된 마찰의 상태, 동력 공구의 작동 상 특징, 선택된 체결 전략(chosen tightening strategy) 및 하나 이상의 체결 매개 변수의 수용 가능한 값들에 관계된 프로그램화된 데이터를 이용함에 의하여 상기 원하는 예비인장 상태(FN)를 목표로 하여 상기 원하는 예비인장 상태(FN)에 수용 가능하게 근접한 모의시험 예비인장 상태(Fs)에 도달하고, 상기 선택된 체결 전략과 일치하여 동력 공구를 제어함으로써 실제로 나사 이음 체결 처리를 수행하고, 상기 시뮬레이션 순서로부터 유도된 체결 매개 변수 값과 동력 공구의 작동 상 특징과 상기 나사 이음 형상에 관련된 프로그램화된 데이터뿐만 아니라 상기 특정의 알고리즘을 이용함에 의하여 상기 원하는 예비인장 상태(FN)를 목표로 하여 실질적으로 처리된 예비인장 상태(FP)에 도달하며, 상기 실질적으로 처리된 예비인장 상태(FP)와 상기 모의시험 예비인장 상태(Fs)를 비교하고 및 품질 인증(quality acceptance) 또는 거부(refusal)를 위하여 상기 비교의 결과(outcome)를 구하는(evaluate) 단계를 포함한다.

Description

나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위한 방법{METHOD FOR QUALITY ASSURANCE OF SCREW JOINT TIGHTENING}
본 발명은, 나사이음부(screw joint)의 조임과정동안 특히 토크를 전달하는 동력공구(power tool)에 의해 나사이음부들이 목표 예비인장하중 또는 목표 고정하중(clamp force)까지 조여져서 나사이음부의 품질을 보장하기 위한 방법에 관한 것이다.
나사이음부들 특히, 자동차산업 및 동등한 규모의 생산이 이루어지는 산업에서 전형적인 나사이음부들이 조여질 때, 대부분의 적용예들에서 균일한 고정하중이 요구된다. 토크, 각도 및 시간 측정값을 이용한 간접적인 수단 즉, 전형적인 나사이음부의 조임작업과 관련되고 측정가능한 매개변수들에 의해 상기 고정하중을 제어하는 다양한 방법들이 개발되었다. 나사이음부를 설계하는 단계에서, 실물크기(full scale)를 가진 나사이음부의 시험과 모의시험(simulation)을 보충한 이론적 계산들을 이용하여 어떤 조임방법이 이용되어야 하는지가 결정된다.
아틀라스 코프코(Atlas Copco)사가 시판중인 파워맥스 시스템(PowerMACS system)과 같은 나사이음부의 조임 시스템(tightening system)은, 한 개이상의 전기식 너트체결장치용 스핀들(electric nutrunner spindle) 및 프로세서 컴퓨터 또는 시스템 지능장치(system intelligence)를 포함한 감시 및 제어시스템으로 구성된다. 각각의 너트체결장치는, 한 개 또는 두 개의 토크 변환기(transducer) 및 한 개 또는 두 개의 각도 엔코더(encoder)들을 가진다. 상기 시스템은 모터의 전류와 속도를 다양한 방법으로 측정한다.
나사산과 접촉표면들사이에 형성되는 마찰, 나사의 기하학적 형상 및 재료 특성이 가지는 부정적인 영향을 상당히 제거하거나 제어하기 위한 다양한 방법들이 개발되었다. 상기 모든 방법들은, 제어기 프로그램(controller program)의 일부분을 형성하고 생산과정에서 부딪히게 되는 대부분의 편차(variations)들을 제어하거나 보상할 수 있는 소프트웨어 알고리듬(software algorithm)을 기초로 한다.
나사 이음부의 조임시스템으로 이용되는 상기 파워맥스 시스템(PowerMACS system)내에서, 관련 하드웨어, 나사이음부의 특성값들 및 가변 입력 매개변수들을 가정하고 상기 파워맥스 시스템에 의해 수행되는 나사이음부의 실제 조임작업에서 이용되는 동일한 소프트웨어 매개변수들을 이용하여 생산과정의 결과값들을 모의시험하기 위한 모의시험 프로그램이 이용된다. 상기 모의시험의 결과값들은, 일반적으로 산업현장의 품질보증(QA) 엔지니어들에 의해 평가되는 생산통계값으로서 보고된다. 대표적인 나사이음부에 관한 데이터, 시스템 하드웨어 및 소프트웨어를 이용하면, 가장 원하는 정보인 나사이음부의 고정하중을 계산할 수 있어서 유리하다. 나사이음부의 생산조건에서 구해진 고정하중에 관한 정보는, 단지 토크, 각도 및 시간측정값을 이용한 간접적인 수단으로 구해지므로 불리하다.
본 발명의 주요 목적은, 다양한 매개변수들을 기초한 모의시험으로부터 구해진 결과값들과 실제 생산과정으로부터 발생된 데이터를 결합하여 조임결과값(tightening results)에 관한 신뢰성있는 정보를 구하는 것이며, 특히 고정하중에 관한 정보가 연속적으로 보고되는 것이다.
모의시험 과정에서 이용되는 가장 중요한 입력 매개변수들은, 나사 및 나사와 고정된 구성요소들의 결합특성을 양호하게 나타내는 토크- 각도 변화율(gradient)을 포함한 나사이음부의 특성값들이다. 토크- 각도 변화율의 연속적인 계산은, 조임결과값에 관한 보고내용(reporting)을 향상시킨다.
또한, 본 발명의 방법을 이용하면, 설정된 토크와 각도가 보고될 뿐만 아니라 토크변화값(torque rate value) 및 공정능력지수(Cpk)(시스템의 능력지수)와 같은 통계값들이 연속적으로 보고될 수 있다. 또한, 연속적으로 모의시험되어 고정하중(clamp force)이 보고되고 나사 이음부가 가지는 변화된 표면처리상태와 마찰상태에 관한 경고가 이루어질 수 있다. 상기 보고는, 전형적인 토크 -각도 또는 토크- 시간의 곡선을 나타내는 그래프들뿐만 아니라 고정하중 대 각도 및/또는 고정하중 대 시간을 나타내는 그래프들을 포함할 수 있다.
본 발명은, 토크를 전달하는 동력 공구에 의해 나사이음부를 목표 예비인장하중(FN)으로 조일 때, 나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위하여, 상기 목표 예비인장하중(FN)을 목표로 하여 나사이음부의 기하학적 형상과 마찰조건, 상기 동력공구의 작동 특성값, 선택된 조임방법, 조임작업과 관련된 한 개이상의 매개변수값들을 포함하고 프로그램된 데이터를 이용하고 모의시험 과정동안 상기 목표 예비인장하중(FN)의 허용오차내에 있는 모의시험 예비인장하중(Fs)을 구하는 알고리듬을 이용하여 나사이음부의 조임작업을 일 회이상 모의시험하는 모의시험단계,
상기 목표 예비인장하중을 목표로 하여 상기 알고리듬 및 상기 나사이음부의 기하학적 형상, 상기 동력공구의 작동 특성값, 상기 모의시험단계에서 형성되며 조임작업과 관련된 매개변수값들을 포함하고 프로그램된 데이터를 이용하며 상기 선택된 조임방법에 따라 상기 동력공구를 제어하여 실제 예비인장하중(FP)을 구하며 나사이음부의 조임작업을 실제로 수행하는 실제수행단계,
상기 실제 예비인장하중(FP)과 상기 모의시험 예비인장하중(Fs)을 비교하는 비교단계,
나사이음부의 품질을 허용 또는 거부하기 위해 상기 비교단계의 결과를 평가하는 평가단계로 구성된다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 모의시험단계가 복수 회 반복되고 표준편차범위내에 있는 데이터의 매개변수값들을 임의로 선택하여 상기 모의시험 예비인장하중(Fs)의 편차범위와 평균값을 구하고, 상기 실제 예비인장하중(FP)의 허용 또는 거부하기 위해 상기 실제 예비인장하중(FP)은 상기 모의시험 예비인장하중의 편차범위와 비교된다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 모의시험과정에서 구해진 결과값들은 토크(T), 회전각(A) 및 상기 모의시험 예비인장하중(Fs)으로부터 구해진 토크변화값(dT/dA)을 포함하고,
상기 실제수행단계에서 구해진 매개변수값들은 모의시험단계의 매개변수값들과 비교된다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 실제수행단계가 반복해서 수행되고, 상기 모의시험 예비인장하중(Fs)의 편차범위와 평균값에 대하여 실제수행단계에서 구해진 실제 예비인장하중(FP)들이 비교되고 통계적으로 평가된다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 모의시험 예비인장하중의 편차범위로부터 벗어난 실제 예비인장하중(FP)들이 나사이음부를 조이거나 풀어주어 분석되고 상기 실제 예비인장하중(FP)의 편차가 나사이음부의 조임(tightening)과 풀기(loosening)를 통해 분석되어, 상기 모의시험 예비인장하중의 편차범위로부터 벗어난 실제 예비인장하중(FP)들이 마찰에 기인한 것인지 또는 기하학적 형상에 기인한 것인 지를 결정한다.
본 발명의 새로운 방법은, 조임과정의 개선에 관한 제안 및 생산과정의 이해를 제공한다.
첨부된 도면들을 참고하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은, 본 발명의 조임과정에 관한 보고를 도시하는 흐름도.
도 2는, 조임(tightening)토크와 풀림(loosening)토크 사이의 관계를 도시하는 선도.
흐름도의 상측에서 시작되는 제 1 단계에 의하면, 나사이음부에 의해 고정되는 두 개이상의 구성요소들이 설계되고 상기 구성요소들을 실제로 고정하기 위한 나사이음부의 기본 설계가 수행된다. 상기 나사 이음부는, 목표 고정하중(clamp force) 또는 목표 예비인장하중(pretension condition)(FN)을 가진다.
제 2 단계에 의하면, 나사이음부의 조임과정이 모의시험되고, 모의시험과정동안 나사의 기하학적 형상, 표면처리와 같은 나사이음부에 관한 세부사항들이 선택되며, 이용되는 동력공구 및 적용되는 조임 방법이 선택된다. 또한, 토크 크기, 회전각 및/또는 시간간격과 같은 나사이음부의 조임에 관한 매개변수들이 경험에 근거하여 선택된다. 모의 시험과정은, 임의로 선택되고 편차 한계 또는 허용오차내에 있는 매개변수값들을 기초한 다수의 모의 시험과정들을 포함한다. 모의시험 프로그램을 이용하면, 결과값은 고정하중, 토크, 각도 및 토크변화값(torque rate) 즉 회전각 당 토크 증가량에 관한 평균값과 산포간격(scattering interval)으로서 구해진다.
제 3 단계에 의하면, 모의 시험과정에서 결과값으로 구해진 모의시험 예비인장하중(FS)이 목표 예비인장하중(FN)과 비교되고, 상기 모의시험 예비인장하중(FS)이 목표 예비인장하중의 허용오차 한계로부터 벗어날 때 매개변수가 조정된 새로운 모의시험이 수행된다. 구해진 모의시험 예비인장하중(FS)이 목표 예비인장하중(FN)에 관한 허용오차범위내에 있고 허용할만한 결과값이 구해질 때까지 상기 모의 시험과정이 반복된다. 상기 모의시험과정으로부터 토크, 각도 및 토크변화값의 매개변수값들이 구해진다.
제 4 단계에 의하면, 모의시험과정에서 이용된 매개변수 값들이 실제 생산과정의 조임을 위한 나사 조임장치의 제어프로그램에 제공된다.
제 5 단계에 의하면, 실제 생산과정에서 나사이음부가 조여져서 발생되는 토크(TACT), 회전각(AACT), 토크변화값(TRACT)들이 모의시험과정의 결과값들 및 허용오차 한계들과 비교된다. 실제 생산과정에서 구해진 결과값들이 모의시험과정의 조임과정에 의해 형성된 허용오차 한계 밖에 있으면, 생산과정은 편차발생의 보고(report of deviation)와 함께 정지되거나 편차발생의 보고 및 경고와 함께 계속된다.
제 6 단계에 의하면, 실제 생산과정에서 발생된 결과값의 편차가 모의시험과정의 허용오차 한계밖에 있으면, 나사이음부는 상대적으로 낮은 분산 마찰을 가지도록 조정되거나 조임과 관련된 매개변수들의 편차에 대하여 생산과정의 제어프로그램이 조정(calibrate)된다. 그 결과, 또 다른 정지 및 보고 과정이 발생되어, 선택적으로 경고와 함께 생산과정이 계속되거나 경고와 함께 생산과정이 중지되거나 기하학적 형상의 편차가 보고되거나 표면적의 편차가 보고될 수 있다.
마찰을 조정(calibrate)할 때 토크와 각도가 기록되는 동시에 나사이음부가 조여지거나 풀어지고, 나사이음부가 조여지거나 풀어지는 방향으로 토크와 각도사이의 관계가 계산된다. 토크는 상기 나사이음부의 탄성 및 나사산 피치(thread pitch)와 같이 나사이음부가 가지는 기하학적 형상과 마찰의 함수이다. 토크저항을 형성하기 위하여 나사이음부가 조여지는 방향으로 상기 나사산 피치와 탄성은 마찰과 함께 작용한다. 나사이음부가 풀어지는 방향으로 마찰은 토크 저항을 발생시키며, 나사이음부의 기하학적 형상은 너트체결장치가 나사이음부를 회전하도록 만든다. 즉, Ttight = kA + cA 이고, 여기서 k는 마찰에 의해 변화되며, c는 나사이음부(joint)의 기하학적 형상(geometry)에 의해 변화된다. 도 2를 참고할 때, 나사 이음부가 풀어지면, Tloos = kA - cA 이다.
각각의 변화율(gradient)은 다음과 같다.
dTtight/dA = k+c 및 dTloos/dA = k-c
따라서, k=1/2 (dTtight/dA + dTloos/dA) ⇒ kmean ⇒ kdev
c= 1/2 (dTtight/dA - dTloos/dA) ⇒ cmean ⇒ cdev
목표값으로부터 벗어난 편차들을 경고하기 위해 다양한 통계적 공정관리(SPC) 기법이 이용될 수 있다.
kmean> klimit일 때, 표면적 및/또는 윤활 부족(lubrication deficiency)이 존재한다.
cmean> climit 일 때, 기하학적 형상의 변화(geometrical disturbance)가 존재한다.
상기 방법에 의해 마찰계수가 결정되고 상기 마찰계수가 표준편차 범위내에 있는 지가 결정된다. 마찰계수가 표준편차 범위내에 있지 않다면, 편차들은 나사이음부내에서 기하학적 형상의 변화에 기인한다. 따라서, 최종 결과값의 편차들이 마찰에 기인한 편차인지 또는 기하학적 형상에 기인한 것인지를 결정할 수 있다. 나사이음부의 설계 또는 표면처리에서 오류를 피하기 위해 새로운 모의시험과정이 수행되어야 한다.

Claims (5)

  1. 토크를 전달하는 동력 공구에 의해 나사이음부를 목표 예비인장하중(FN)으로 조일 때, 나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위한 방법에 있어서,
    상기 목표 예비인장하중(FN)을 목표로 하여 나사이음부의 기하학적 형상과 마찰조건, 상기 동력공구의 작동 특성값, 선택된 조임방법, 조임작업과 관련된 한 개이상의 매개변수값들을 포함하고 프로그램된 데이터를 이용하고 모의시험 과정동안 상기 목표 예비인장하중(FN)의 허용오차내에 있는 모의시험 예비인장하중(Fs)을 구하는 알고리듬을 이용하여 나사이음부의 조임작업을 일 회이상 모의시험하는 모의시험단계,
    상기 목표 예비인장하중을 목표로 하여 상기 알고리듬 및 상기 나사이음부의 기하학적 형상, 상기 동력공구의 작동 특성값, 상기 모의시험단계에서 형성되며 조임작업과 관련된 매개변수값들을 포함하고 프로그램된 데이터를 이용하며 상기 선택된 조임방법에 따라 상기 동력공구를 제어하여 실제 예비인장하중(FP)을 구하며 나사이음부의 조임작업을 실제로 수행하는 실제수행단계,
    상기 실제 예비인장하중(FP)과 상기 모의시험 예비인장하중(Fs)을 비교하는 비교단계,
    나사이음부의 품질을 허용 또는 거부하기 위해 상기 비교단계의 결과를 평가하는 평가단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모의시험단계가 복수 회 반복되고 표준편차범위내에 있는 데이터의 매개변수값들을 임의로 선택하여 상기 모의시험 예비인장하중(Fs)의 편차범위와 평균값을 구하고, 상기 실제 예비인장하중(FP)의 허용 또는 거부하기 위해 상기 실제 예비인장하중(FP)은 상기 모의시험 예비인장하중의 편차범위와 비교되는 것을 특징으로 하는 나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 모의시험과정에서 구해진 결과값들은 토크(T), 회전각(A) 및 상기 모의시험 예비인장하중(Fs)으로부터 구해진 토크변화값(dT/dA)을 포함하고,
    상기 실제수행단계에서 구해진 매개변수값들은 모의시험단계의 매개변수값들과 비교되는 것을 특징으로 하는 나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위한 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 실제수행단계가 반복해서 수행되고, 상기 모의시험 예비인장하중(Fs)의 편차범위와 평균값에 대하여 실제수행단계에서 구해진 실제 예비인장하중(FP)들이 비교되고 통계적으로 평가되는 것을 특징으로 하는 나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 모의시험 예비인장하중의 편차범위로부터 벗어난 실제 예비인장하중(FP)들이 나사이음부를 조이거나 풀어주어 분석되고 상기 실제 예비인장하중(FP)의 편차가 나사이음부의 조임(tightening)과 풀기(loosening)를 통해 분석되어, 상기 모의시험 예비인장하중의 편차범위로부터 벗어난 실제 예비인장하중(FP)들이 마찰에 기인한 것인지 또는 기하학적 형상에 기인한 것인 지를 결정하는 것을 특징으로 하는 나사 이음부가 가지는 조임 결과값의 품질을 보장하기 위한 방법.
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