KR101834974B1 - 전동 공구의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

전동 모터에 의해 회동하는 해머가 앤빌을 타격하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서, 상기 해머가 상기 앤빌을 최초로 타격하기 이전에 체결 부재에 대한 조인트 특성을 파악하는 제1 단계; 상기 앤빌에 가해지는 타격 토크가 순차적으로 증가되도록 상기 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 제2 단계; 및 상기 타격 토크가 미리 설정된 목표 토크에 도달하면, 상기 회전 속도를 제로로 감속하는 제3 단계;를 포함하며, 상기 제2 단계에서 상기 타격 토크에 대한 각 측정 토크가 상기 조인트 특성에 따라 가변적으로 제어되도록 상기 회전 속도를 제어하는 전동 공구의 제어 방법을 제공한다.

Description

전동 공구의 제어 방법{CONTROL METHOD OF ELECTRICALLY-DRIVE TOOL}

본 발명은 전동 공구의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 체결 과정에서 체결 부재에 작용하는 부하에 크기에 따라 해머에 의한 임팩트를 발생시키는 전동 공구에 대한 그 제어 방법에 관한 것이다.

전동 공구는 배터리 등의 전원에 의해 전동 모터를 구동하여 전동 작업의 종류나 용도에 따라 선택적으로 결합되는 공구 툴을 회전시킴으로써 나사를 체결하거나 구멍을 뚫는 등 다중 작업을 할 수 있다.

이런 전동 공구 중 특히 임팩트를 제공하는 전동 공구는 전동 모터 측에 결합되는 해머와 해머에 의해 타격되는 앤빌을 포함한다. 이 때, 해머에 의한 타격력 즉, 임팩트의 크기는 해머의 무게와 앤빌을 타격하기 직전 해머가 갖는 회전 속도에 좌우된다.

그러나, 종래 임팩트를 제공하는 전동 공구는 해머가 동일한 속도로 앤빌을 타격하게 설계되어 임팩트의 크기를 정밀하게 제어할 수 없다는 문제점이 있었다. 즉, 임팩트의 크기를 미리 계산하지 못해 체결 부재에는 목표 토크를 초과하는 크기의 임팩트가 가해지고 이는 체결 불량을 초래하였다.

또한, 종래 임팩트를 제공하는 전동 공구에는 전동 공구 자체적으로 체결 부재에 대한 조인트 특성을 판단할 수 있는 구성이 부재하여 체결 부재를 조이는 등의 전동 작업을 함에 있어 체결 정확성이 저하된다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1453891호 일본 공개특허 제06190741호 일본 공개특허 제11138459호

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 앤빌에 가해지는 타격 토크 즉 임팩트의 크기를 정밀하게 제어하여 체결 정확성을 향상시킬 수 있는 전동 공구의 제어 방법을 제공하고자 한다.

또한, 임팩트를 제공하는 전동 공구에 있어 그 자체적으로 체결 부재에 대한 조인트 특성을 파악할 수 있는 제어 방법을 제공하고자 한다. 또한, 임팩트의 크기에 대한 정밀 제어에 따라 체결에 소요되는 전체 시간이 증가되는 것을 방지할 수 있는 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 전동 모터에 의해 회동하는 해머가 앤빌을 타격하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서, 상기 해머가 상기 앤빌을 최초로 타격하기 이전에 체결 부재에 대한 조인트 특성을 파악하는 제1 단계; 상기 앤빌에 가해지는 타격 토크가 순차적으로 증가되도록 상기 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 제2 단계; 및 상기 타격 토크가 미리 설정된 목표 토크에 도달하면, 상기 회전 속도를 제로로 감속하는 제3 단계;를 포함하며, 상기 제2 단계에서 상기 타격 토크에 대한 각 측정 토크가 상기 조인트 특성에 따라 가변적으로 제어되도록 상기 회전 속도를 제어하는 전동 공구의 제어 방법을 제공한다.

상기 제1 단계에서 상기 조인트 특성을 상기 앤빌에 가해지는 측정 토크의 시간에 대한 증가율인 제1 토크율로 판단할 수 있다.

상기 제2 단계에서 상기 측정 토크의 최대값에 대한 증가율을 상기 제1 토크율과 일치하게 제어하는 것이 바람직하다.

상기 증가율이 상기 제1 토크율과 불일치하면 상기 증가율을 보정하는 제4 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 단계는 상기 측정 토크의 크기가 상기 목표 토크 값의 70 내지 90 퍼센트 이내의 범위에 도달하면 시작될 수 있다.

제 1항에 있어서, 상기 제2 단계에서 상기 측정 토크의 크기가 상기 목표 토크 값의 70 내지 90 퍼센트 이내의 범위에 미달하면, 상기 타격 토크의 매 증가분이 바로 이전 타격 토크의 증가분보다 작아지도록 상기 회전 속도를 제어하는 것이 바람직하다.

상기 타격 토크는 비선형적으로 증가하여 상기 목표 토크에 점진적으로 수렴하는 것이 바람직하다.

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.

일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법은 앤빌에 가해지는 타격 토크의 크기가 순차적으로 증가되도록 전동 모터의 회전 속도를 제어할 수 있어 체결 정확성을 향상시킬 수 있다.

이 때, 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 것은 일정 부분 체결된 이후 시작되도록 제어하여 발생되는 임팩트의 횟수의 증가 방지를 통해 체결에 소요되는 시간을 감소시킬 수 있다. 또한, 전동 모터의 회전 속도에 대한 제어가 시작되기 이전에 발생하는 타격 토크는 비선형적으로 증가하도록 하여 신속하게 체결할 수 있다.

또한, 해머를 통해 임팩트를 제공하는 전동 공구는 체결 부재에 대한 조인트 특성을 파악할 수 있어 체결 정확성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 타격 토크에 대한 각 측정 토크의 크기가 임팩트가 처음으로 발생되기 이전에 미리 파악된 조인트 특성을 반영할 수 있도록 하여 체결 정확성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법을 도시한 순서도.
도 2는 도 1의 전동 공구에 포함되는 해머와 앤빌에 대한 개략적 사시도.
도 3은 일 실시예에 따른 타격 토크의 그래프.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 공구의 제어 방법을 도시한 순서도이고, 도 2는 도 1의 전동 공구에 포함되는 해머와 앤빌에 대한 개략적 사시도이고, 도 3은 일 실시예에 따른 타격 토크의 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 전동 공구의 제어 방법은 1) 조인트 특성을 파악하는 제1 단계(s10), 2) 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 제2 단계(s20), 3) 회전 속도를 제로로 감속하는 제3 단계(s30), 4) 증가율(b)을 보정하는 제4 단계(s40), 5) 착탈식 메모리 장치에 저장하는 제5 단계(s50)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 제어 방법은 토크의 제공 수단으로 전동 모터를 사용하는 전동 공구에 적용될 수 있다. 이 때, 전동 공구는 전류의 제어를 전담하는 전류 제어부를 더 포함하여 체결 정확성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전동 공구는 전동 모터의 회전 속도를 검출하는 속도 센서, 타격 토크에 의해 체결 부재에 실제 가해지는 측정 토크를 검출하는 토크 센서, 체결 부재의 회전 각도를 검출하는 엔코더 등을 더 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 전동 공구에서 앤빌(20)은 전동 모터에 의해 회동하는 해머(10)에 의해 타격된다. 해머(10)에 의해 임팩트를 제공하는 전동 공구는 예를 들어, 볼트 등의 체결 부재에 타격 토크를 제공할 수 있어 체결 부재를 더욱 견고하게 조일 수 있다.

구체적으로, 전동 공구에서 공구 축의 선단에는 작업 목적에 적합한 공구 툴이 체결된다. 반면, 공구 축의 타단에는 앤빌(20)이 결합된다. 앤빌(20)은 공구 축의 회전 방향으로 타격되어 피작업물에 임팩트를 제공할 수 있다.

해머(10)는 공구 축의 회전 방향으로 앤빌(20)에 타격을 가한다. 해머(10)가 앤빌(20)에 가하는 타격 토크의 크기는 해머(10) 측에 배치되는 스프링에 의한 탄성력과 해머(10)의 회전 속도에 따라 달라진다. 여기서, 탄성력은 일정한 바, 타격 토크의 크기는 주로 해머(10)에 토크를 제공하는 전동 모터의 구동축에 대한 회전 속도에 따라 달라진다. 이 때, 구동축의 회전 속도에 대한 제어는 전동 모터에 공급되는 전류에 대한 제어를 통해 구현될 수 있다.

한편, 체결 부재에 대한 조임 체결은 체결 부재에 대한 조인트 특성에 의해 영향을 받는다. 이런 조인트 특성은 국제 표준화 기구에 의해 규정되어 있다. 예를 들어, 하드 조인트는 착좌된 이후 체결 부재의 머리 부분이 30도 이내 더 회전하면 정상 체결된 것으로 보는 반면, 소프트 조인트는 그 각도가 360도 또는 720도 이내 더 회전할 때 정상 체결된 것으로 인정한다. 그러나, 목표 토크는 이러한 조인트 특성과는 관계없이 미리 설정된다.

여기서, '착좌'라고 함은 너트가 볼트의 나사산을 따라 회전하면서 전진하게 됨에 따라, 특히 너트의 머리가 피작업물과 만나 접촉하는 순간 마찰 계수의 증가로 너트의 회전 속도가 감소하기 시작할 때의 너트의 배치 상태를 말한다. 한편, 체결 공정은 착좌된 이후 너트를 더 조여 준 후에 비로소 완료된다.

조인트 특성은 체결 면과 이에 접촉된 상태에서 조여지는 체결 부재 사이의 마찰 계수 등에 따라 달라진다. 그리고, 이런 조인트 특성은 해머(10)가 앤빌(20)을 최초로 타격하기 이전에 파악하는 것이 바람직하다.

제1 단계(s10)는 해머(10)가 앤빌(20)을 최초로 타격하기 이전에 체결 부재에 대한 조인트 특성을 파악하는 단계이다. 조인트 특성은 측정 토크를 그 측정 토크에 의한 체결 부재의 회전 각도로 나눈 값으로 나타낸다. 이 때, 측정 토크는 그 최대값이 사용된다. 다만, 일 실시예에 따른 조인트 특성은 앤빌(20)에 가해지는 측정 토크의 시간에 대한 증가율인 제1 토크율(a)로 판단한다.

이론적으로 조인트 특성은 각 체결 부위에 대한 체결 공정이 완료되기 전까지 일정하게 유지된다. 그러나, 실제적인 조인트 특성은 너트의 회전 각도가 증가함에 따라 마찰 계수 등의 변화로 가변적일 수 있다. 따라서, 제1 토크율(a)을 산출하면 전동 공구에 사용되는 체결 부재가 하드 조인트인지 또는 소프트 조인트인지 그 종류를 판단할 수 있다.

한편, 조인트 특성은 체결 부재에 걸리는 부하가 증가하여 해머(10)에 의한 타격이 처음으로 시작되기 이전에 파악하는 것이 바람직하다.

다음으로, 제2 단계(s20)는 앤빌(20)에 가해지는 타격 토크가 순차적으로 증가되도록 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 단계이다. 타격 토크는 목표 토크를 고려하여 순차적으로 증가될 수 있도록 복수 개가 미리 설정된다. 여기서, 목표 토크는 체결 부재를 단단히 조여 주는 과정에서 맨 마지막으로 체결 부재 등에 가해지는 타격 토크를 지칭한다.

일 실시예에 따르면, 타격 토크에 의해 실제 앤빌(20)에 가해지는 각 측정 토크가 조인트 특성에 따라 가변적으로 제어되도록 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 것이 바람직하다.

측정 토크를 검출하기 위해 예를 들어, 앤빌(20)의 선단에는 토크 센서 등이 배치되어 타격 토크를 연속적 또는 비연속적으로 검출할 수 있다. 전동 공구는 타격 토크를 통해 피작업물에 임팩트를 제공할 수 있다.

구체적으로, 각각의 측정 토크의 최대값에 대한 증가율(b)을 제1 토크율(a)과 일치하게 제어한다. 즉, 제1 토크율(a)은 체결 부재에 목표 토크가 가해지도록 순차적으로 증가하는 적어도 하나 이상의 측정 토크에 대한 레퍼런스를 제공할 수 있다. 따라서 이와 같이 조인트 특성을 반영하여 체결 부재를 조여 주면 체결 정확도가 향상된다.

이와 달리, 증가율(b)이 제1 토크율(a)과 불일치하면 증가율(b)을 보정하는 제4 단계(s40)를 더 포함할 수 있다. 구체적인 보정 방법은 전동 모터에 공급되는 전류의 증가분을 가변적으로 제어하는 방법으로 구현될 수 있다.

한편, 제2 단계(s20)는 측정 토크의 크기가 목표 토크 값의 70 내지 90 퍼센트 이내의 범위에 도달하면 비로소 시작될 수 있다. 이는, 임팩트를 발생하는 타격 토크를 체결 공정의 초기부터 제공하면 앰팩트의 제공 횟수가 증가되는 바, 체결에 소요되는 시간이 증가하는 것을 방지하기 위함이다. 따라서, 이와 같이 체결 공정의 초기에는 조인트 특성과 무관하게 전동 모터의 회전 속도를 제어한다.

그리고, 제2 단계(s20)에서 상기 측정 토크의 크기가 목표 토크 값의 70 내지 90 퍼센트 이내의 범위에 미달하면, 순차적으로 증가하는 타격 토크의 매 증가분은 바로 이전 타격 토크의 증가분보다 작아지도록 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 것이 바람직하다. 그래프를 살펴보면, d1은 d2 보다 크다. 또한, d2는 d3 보다 크다. 즉, 제2 단계(s20)에서 미리 설정되는 타격 토크는 비선형적으로 증가하여 목표 토크에 점진적으로 수렴할 수 있다. 여기서, d1, d2 및 d3는 이웃하는 타격 토크 사이의 증가분에 해당된다.

즉, 타격 토크의 그래프를 보면 증가분은 초반부에서 후반부로 갈수록 점차 감소한다. 그리고, 초반부에 제공되는 최초 타격 토크의 크기는 목표 토크의 크기를 고려하여 달리 설정될 수 있다. 예를 들어, 최초 타격 토크의 크기는 목표 토크의 크기와 비례 관계에 놓일 수 있다.

따라서, 본 발명의 바람직한 일 실시예처럼 초반부에 측정 토크의 증가분을 크게 하고 점차 증가분을 작게 하는 제어 방법을 통해 타격 토크는 목표 토크에 보다 신속하게 도달할 수 있다.

이 때, 검출되는 타격 토크가 미리 설정된 타격 토크의 크기보다 작거나 큰 경우 바로 다음 전동 모터의 회전 속도는 변동 가능하다. 그 결과, 바로 다음 가해지는 타격 토크는 미리 설정된 바로 다음 타격 토크에 보다 근접할 수 있다. 즉, 오차를 반영하여 타격 토크의 크기를 제어하는 단계를 통해 전동 공구가 제공하는 타격 토크의 정확도를 향상시킬 수 있다.

타격 토크는 전동 모터의 회전 속도의 제곱에 비례하기 때문에 설정되는 타격 토크의 크기를 고려하여 회전 속도가 결정된다. 즉, 각각의 회전 속도는 초반부에 큰 값을 갖고 점차 증가분이 감소하는 형태를 갖게 된다. 이 때, 설정된 회전 속도에 도달되는 시간은 가변적일 수 있다. 이는 전동 모터에 공급되는 전류의 크기 등을 고려하여 달라질 수 있다.

다음으로 제3 단계(s30)는 타격 토크가 미리 설정된 목표 토크에 도달하면 전동 모터의 회전 속도를 제로로 감속하는 단계이다. 이를 위해 전동 모터에 공급되는 전류는 차단된다. 이와 달리, 전동 모터에 역방향의 전류를 제공하여 관성력에 의해 회동하는 전동 모터의 구동축이 보다 빨리 제로로 감속할 수 있도록 제어할 수도 있다.

타격 토크는 어느 하나라도 목표 토크를 초과하지 않도록 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 측정되는 타격 토크가 목표 토크를 초과하면 타격 토크를 가하는 전동 작업은 바로 종료될 수 있다. 즉, 임팩트를 제공하는 전동 작업이 불량 없이 정상적으로 완료되기 위해서는 타격 토크가 목표 토크를 초과하지 않도록 제어하는 것이 바람직하다.

이 때, 타격 토크가 목표 토크의 95% 내지 105% 이내에 속하면 타격 토크가 목표 토크에 도달된 것으로 간주할 수 있다. 이는 타격 토크가 목표 토크의 소정 범위 이내에 도달하면 전동 모터의 회전 속도를 미세하게 재조정하여 피드백하는 것이 어렵기 때문이다.

다음으로, 제3 단계(s30)나 제4 단계(s40) 이후에, 각각의 타격 토크와 회전 속도를 착탈식 메모리 장치에 저장하는 제5 단계(s50)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 착탈식 메모리는 유에스비(USB), 에스디(SD) 카드 등을 포함하며, 전동 공구의 일측에 탈부착 가능하게 장착된다. 이는, 작업 이력을 별도 저장하여 작업 품질을 관리하기 위함이다. 작업 품질은 최종적으로 가해지는 타격 토크 뿐만 아니라, 그 과정 중간에서 실제 가해지는 타격 토크에 의해서도 좌우된다.

이를 위해, 타격 토크를 검출하는 순간 동시에 전동 모터의 회전 속도를 검출하는 것이 바람직하다. 그 결과, 전동 모터에서 제공되는 에너지가 해머(10)를 통해 앤빌(20) 측으로 전달되는 과정에서 발생하는 에너지 손실을 반영하여 실제 앤빌(20)에서 검출되는 타격 토크와 이에 대응되는 전동 모터의 회전 속도를 함께 검출할 수 있다.

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.

a: 제1 토크율 b: 증가율

Claims (7)

1. 전동 모터에 의해 회동하는 해머가 앤빌을 타격하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서,
   상기 해머가 상기 앤빌을 최초로 타격하기 이전에 체결 부재에 대한 조인트 특성을 파악하는 제1 단계;
   상기 앤빌에 가해지는 타격 토크가 순차적으로 증가되도록 상기 타격 토크에 대한 각 측정 토크가 상기 조인트의 특성에 따라 가변적으로 제어되도록 상기 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 제2 단계; 및
   상기 타격 토크가 미리 설정된 목표 토크에 도달하면, 상기 회전 속도를 제로로 감속하는 제3 단계;를 포함하며,
   상기 제2 단계는 상기 측정 토크의 크기가 상기 목표 토크 값의 70 내지 90퍼센트 이내의 범위에 도달하면 시작되는 전동 공구의 제어 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 단계에서 상기 측정 토크의 크기가 상기 목표 토크 값의 70 내지 90퍼센트 이내의 범위에 미달하면,
   상기 타격 토크의 매 증가분을 바로 이전 타격 토크의 증가분보다 작아지도록 상기 회전 속도를 제어하는 전동 공구의 제어 방법.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 타격 토크는 비선형적으로 증가하여 상기 목표 토크에 점진적으로 수렴하는 전동 공구의 제어 방법.
   
4. 전동 모터에 의해 회동하는 해머가 앤빌을 타격하는 전동 공구의 제어 방법에 있어서,
   상기 해머가 상기 앤빌을 최초로 타격하기 이전에 상기 앤빌에 가해지는 측정 토크의 시간에 대한 증가률인 제1 토크율로 체결부재에 대한 조인트 특성을 파악하는 제1 단계;
   상기 앤빌에 가해지는 타격 토크에 대한 각 측정 토크의 최대값에 대한 증가율을 상기 제1 토크율과 일치하도록 하여, 상기 타격 토크가 순차적으로 증가되도록 상기 전동 모터의 회전 속도를 제어하는 제2 단계;
   상기 타격 토크가 미리 설정된 목표 토크에 도달하면, 상기 회전 속도를 제로로 감속하는 제3 단계; 및
   상기 증가율이 상기 제1 토크율과 불일치하면 상기 증가율을 보정하는 제4 단계;를 포함하며,
   상기 제2단계에서 상기 타격 토크에 대한 상기 측정 토크가 상기 조인트 특성에 따라 가변적으로 제어되도록 상기 회전 속도를 제어하는 전동 공구의 제어 방법.
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