KR200336521Y1

KR200336521Y1 - 디지털 토오크렌치

Info

Publication number: KR200336521Y1
Application number: KR20-2003-0022808U
Authority: KR
Inventors: 박현준
Original assignee: (주)쎈스텍; 박현준
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2003-12-24

Abstract

본 고안은 나사의 체결시 회전력(Torque)을 측정하는 방법에 있어서 보다 확실한 동작과 정확한 검출을 위하여 전자식 감응장치와 디지털표시장치 및 LED(Light Emitting Diode)와 BUZZ를 구성하여 설정한 토오크(Torque)의 상한치 및 하한치를 알려주는 디지털 토오크렌치(Digital Torque Wrench)에 관한 것이다.

Description

디지털 토오크렌치 {Digital Torque Wrench}

본 고안은 나사체결에 있어 과도한 조압력으로 인한 볼트(bolt)나 나사탭(Tap)이 파손되는 것을 방지하거나 부족한 조임력으로 인하여 볼트가 풀리는 것을 방지하기 위하여 사용되는 것으로서, 기존의 기계식과 아나로그방식의 문제점을 보완한 디지털 방식이다.

먼저 기계식 방식은 레칫휠(Ratchet Wheel)과 스프링을 이용한 기구학적 구조를 가지며, 일정한 토오크(사용시 필요한 토오크를 교정기에서 교정함) 이상이 되는 레칫휠(Ratchet Wheel)이 회전하여 스프링의 힘에 의한 "딸깍" 하는 충격음을 일으켜 작업자가 이 소리로서 판단하여 과도한 힘 이상 잠그지 않게 하는 것이다.

다음으로 아날로그 방식은 기계식 방식과 유사한 형태를 가지고 있으나 레칫휠 대신에 다이아프레임(Diaphragm) 형태의 코일을 가지고 있으며 이 끝단부분에 시계바늘과 같은 지시침이 토오크의 크기에 비례하여 회전하게 되어있고 그 바닥에 눈금이 그려져 있어 토오크 값을 읽게 하는 것이다.

상기 두가지 형태 모두 상한치 하한치의 토오크 설정이나 사용범위의 폭이 좁고 또한, 정확도 측면에서 신뢰성 확보가 어려운 단점을 가지고 있어 디지털방식에 의해 표시정밀도 향상 및 다양한 기능의 확보를 하고자 하는 것이다.

토오크렌치는 사용하는 용도와 목적에 따라서 기계식 방식, 아나로그 방식, 디지털 방식 등 여러 형태와 기능을 가지고 있으나 여기서는 토오크를 감지하는 전자센서(이후 토오크 셀이라 함)와 센서의 전기적 신호를 디지털로 표시하여, 일정한 토오크로 죄기 위하여 상한·하한설정이 가능하고 연산에 의하여 설정치에 도달하면 부자음이 울려 작업자에게 주의를 줄 수 있는 제어 장치로 구성되어진 것으로서, 특히 토오크셀은 볼트의 조임력을 직접 전기적 신호로서 검출하기 위한 스트레인 게이지(Strain gauge)를 부착하여 셀(Cell)의 탄성적 비틀림의 크기와 비례하는 전기적 저항값의 크기를 입력 전압에 대한 토오크의 크기에 비례하는 출력전압으로 검출하는 원리를 가지는 것이다.

도 1은 토오크 렌치의 외부의 각종 표면도,도 1-1은 디지털 토오크 렌치의 전면도,도 1-2는 디지털 토오크 렌치의 후면도,도 1-3은 디지털 토오크 렌치의 옆면도,도 1-4는 디지털 토오크 렌치 두부(頭部)의 내부도,도 1-5는 디지털 토오크 렌치 두부의 내부 사시도,도 1-6은 디지털 토오크 렌치의 뚜껑 상부도,

도 2는 토오크 렌치 두부 회전축의 전원 연결 설명도,도 2-1은 회전축의 스트레인지 게이지 전원 브릿지 연결도,도 2-2는 토오크 방향(왼쪽)과 전원전달방향(오른쪽) 표시도,도 2-3은 회전축에 부착된 스트레인지 게이지 위치 단면도 (A, A'),

도 3은 두부 회전축의 전산 회로 판 연결체계도,도 3-1은 스트레인지 게이지 회로 판 배열도,도 3-2는 회로 판 배치도,

※도면의 주요부분에 사용된 부호 설명※

10 : 토오크 렌치, 11 : 토오크 렌치 손잡이,12 : 토오크 렌치 두부, 13 : 렌치 두부(頭部) 뚜껑,

20 : 토오크 렌치 회전축, 21 : 회전축에 연결된 전선,22 : 바테리 집, 23 : 바테리 (9V),24 : 디지털 전원 스위치, 25 : 두부 내측의 고정 축,26 : 액정 디지털 표시판,

30 : 좌우 스트레인지 게이지,31 : 좌 스트레인지 게이지 (R1, R4),32 : 우 스트레인지 게이지 (R2, R3),33 : LCD Display 및 AMP 회로 배열 프린트 판,34 : 전원입력 (±In), 35 : 전원출력 (±Out),

e : 출력전압

E : 입력(브릿지)전압

a,b :전위

R₁,R₂, R₃, R₄: 스트레인게이지

I₁,I₂: 전류

41 : LC Power,42 : 증폭부,

43 : 디지털 변환부,

44 : Main Control Unit (MCU),

45 : RS232C 기판, 46 : PC로 연결되는 전선,

토오크 검출원리와 디지털 표시 및 제어출력 신호를 출력시켜 볼트의 조임 압력을 수치로 나타내어 지나친 조임으로 볼트를 손상시키거나 불필요한 힘을 가하지 않도록 하는 수치로 알 수 있게 한 토오크 렌치에 관한 것이다.

도 1에서 도 1-1과 도 1-2에 도시된 것은 토오크 렌치의 앞면과 뒷면으로 도 1-2에 보이는 헤드, 즉 두부(12)에 볼트 조임 장치를 부착하여 볼트를 조이면 도 1-1에서 보는 바와 같이 액정 디지털 표시판(26)에 그 수치가 나타나 주어진 힘의 압력을 알게 되어 조임 압력을 알게 된다. 이러한 원리는 회전축(20)에 측정하고자 하는 피 측정 대상의 볼트 헤드에 육각 홈에 끼울 수 있는 소켓 렌치의 상면이 사각 기둥형태로 되어진 것이면 다 가능하게 하였는데 일단 볼트의 헤드를 끼우고 돌리므로 손잡이(11)를 돌리면 고정 축(25)은 회전력에 의하여 스트레인지 게이지(30, 31, 32)가 부착된 회전축(20)과 비틀림이 발생하게 되는데 이 비틀림이 작용하는 힘, 즉 토오크에 비례하게 되며 이로서 스트레인지 게이지(30,) 저항 값에 변화를 가져오게 된다.

도 2를 보면 스트레인지 저항 값의 변화를 전기적인 신호로 검출하기 위한 회전축의 스트레인지 게이지 브릿지 구성을 설명하기 위한 것으로 좌, 우에 각각 스트레인지 게이지가 부착되어 있어서 이들은 4 게이지(Gauge)를 사용하여 다음과 같은 계산 값으로 산출되도록 한다..

a점에서의 전위 E_a= R₁I₁… (2)

여기에 (1)의 식을 대입하면 전위 E_a는

이와 같은 방식으로 저항 R₃, R₄를 흐르는 I₂

b 점에서의 전위 E_b= R₄I₂… (5)

여기에 (4)식을 대입하면 전위 E_b는

따라서 출력전압 e는 a 점과 b 점의 전위차로서 다음과 같이 구할 수 있습니다.

여기서 토오크셀에 부착된 Strain gauge는 무부하 상태에서

R₁R₃= R₂R₄관계로 브릿지 평형상태를 유지하므로 출력전압은 e = 0로 되고, 토오크셀에 부하가 걸릴 때 토오크셀의 비틀림 변형에 따라 비례적으로 출력되는 전압 e는 다음과 같습니다.

토오크셀의 수감부 Strain gauge를 부착하는 방법에 따라 R₁= R₂,

R₃= R₄가 되며 이때의 출력전압 e는

4 브릿지 회로의 사용 스트레인게이지 R₁, R₂, R₃, R₄의 부하시 변동하는 각각의 스트레인을 ε₁, ε₂, ε₃, ε₄라 하고 스트레인게이지의 게이지율(Gauge Fator)를 K_S라 하면 각각의 스트레인은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

이 관계식을 (9)식에 대입하면 출력전압 e는

실제로 상기 식에서 나오는 출력 전압 e는 수 ㎶∼㎷로서 별도의 증폭회로가 필요하게 되어 채용함으로서 토오크의 최대치 표시기능과 Free Set 기능, 상한과 하한 수치 설정기능, 설정된 토오크의 비교신호출력기능, 자동 또는 외부 Reset 기능을 설정할 수 있게 여유를 둔 것 등이 특징인 렌치 두부(12)에 회전축(20)과 좌우에 스트레인지 게이지(30)를 장착시켜 고정 축(25)과의 압력 변화 값이 계산되어 액정 디지털 표시판(26)에 수치가 표시되도록 몸체 중앙에 장착한 후 밀봉하며 두부(12)는 뚜껑(13)으로 덮어 매끈하게 하고, 그 아래에 바테리 함(22)을 만들어 바테리(23)를 장착시킨 후 커버를 씌우고, 하부에는 손잡이(11)로 하도록 원형의 산(山)을 형성해 잡기 좋게 한 토오크 렌치가 되는 것이다.

도 3은 LCD Display 및 AMP 회로 판(33)을 거쳐 스트레인지 게이지 전원 공급을 위한 LC Power(41)에서 정전압을 받아 회전축에 부착된 스트레인지 게이지 프릿지에서 출력되는 미소 전압신호를 정밀 증폭시키는 증폭부(42)를 가지고 있으며 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 주는 디지털 변환부(43)가 있고 디지털 변환부(43)를 Micro-process화 된 CPU에서 연산으로 MCU(44)와 그 주변장치로 구성되어 원하는 목적을 수행할 수 있으므로 본 토오크 렌치(10)가 디지털로 가능하게 해 주는 것이다.

본 고안품의 기능은 최대 토오크 표시기능(Peak Hold), 프리셋 기능(Free set), 상한·하한 설정기능(Hi, Low Limit), 설정된 토오크 비교신호출력 가능, 자동 및 외부 리셋기능을 가지고 있다.

따라서 본 고안품은 기존의 기계식 및 아나로그 방식의 토오크렌치를 디지털표시 및 제어 방식으로 개선한 것으로서 보다 효율적이고 신속하며 정확한 지시값을 얻을 수 있는 것이다.

Claims

토오크 렌치 둔부(12)의 내부에 고정 축(25)과 회전축(20)을 장착시킨 후 회전축(20) 몸체에 좌우 스트레인지 게이지(30, 31, 32)를 부착시켜 볼트 등을 조일 때 힘의 압력에 따라 변화의 값이 연산으로 액정 디지털 표시판(26)에 그 스트레인지 게이지에 의한 저항 값의 변화를 전기적인 신호로 검출하도록 4 게이지(Gauge)를 사용하여 이에 의해 값이 계산되어 액정 디지털 표시판(26)에 수치가 표시되도록 몸체 중앙에 장착한 후 밀봉하며 두부(12)는 뚜껑(13)으로 덮어 매끈하게 하고, 그 아래에 바테리 함(22)을 만들어 바테리(23)를 장착시킨 후 커버를 씌우고, 하부에는 손잡이(11)로 하도록 원형의 산(山)을 형성해 잡기 좋게 한 토오크 렌치가 되는 것이 특징인 액정디지털 토오크 렌치.
제1항에 있어서

LCD Display 및 AMP 회로 판(33)을 거쳐 스트레인지 게이지 전원공급을 위한 LC Power(41)에서 정전압을 받아 회전축(20)에 부착된 스트레인지 게이지(30) 프릿지로 출력되는 미소 전압신호를 정밀 증폭시키기 위해 증폭부(42)를 거쳐 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 주는 디지털 변환부(43)를 지니고 이 디지털 변환부(43)를 Micro-process화 된 CPU 연산으로 MCU(44)를 거치면서 원하는 목적을 수행할 수 있도록 하며, 또한 PC와 연결(46)시키므로 토오크의 최대치 표시기능과 Free Set 기능, 상한과 하한 수치 설정기능, 설정된 토오크의 비교신호출력기능, 자동 또는 외부 Reset 기능을 설정할 수 있도록 회로(45)를 갖춘 렌치 두부(12)에 고정 축(25)에 회전축(20)과 몸체 좌우에 스트레인지 게이지(30)를 장착시켜 고정 축(25)과의 압력 변화 값이 계산되어 액정 디지털 표시판(26)에 수치가 표시되도록 하는 것이 특징인 액정디지털 토오크 렌치.