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KR101043146B1 - 구동전류 측정을 이용한 기어박스 불량위치 판별 장치 및방법 - Google Patents

구동전류 측정을 이용한 기어박스 불량위치 판별 장치 및방법 Download PDF

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Abstract

기어박스(10)의 불량 위치 판별 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명은 전원공급부(20) 및 구동모터(30)에 의해 구동되는 기어박스(10)의 불량 위치 판별 방법으로서, 상기 기어박스(10)가 구동되는 상태에서 구동모터(30)의 구동전류를 측정하는 단계와; 상기 기어박스(10)를 구성하는 기어들의 기어비로부터 각 기어들의 고유주파수를 알아내고, 상기 측정된 구동전류의 데이터를 상기 고유주파수 대역별로 추출하는 단계와; 추출된 주파수별 구동전류 데이터를 기준 데이터와 비교하여 불량이 발생한 기어를 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기어박스, 불량, 주파수, 전류

Description

구동전류 측정을 이용한 기어박스 불량위치 판별 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING FAILURE LOCATION OF GEARBOX BY MEASURING DRIVING CURRENT}
본 발명은 기어박스의 품질 검사에 관한 것이며, 보다 상세하게는 기어박스의 구동전류를 이용하여 기어박스 내의 불량 위치를 판별하는 방법에 관한 것이다.
기어박스는 복수개의 기어가 조립된 상태로 패키지화된 구성품으로써 정밀 서보시스템의 핵심적인 부품이다. 한편, 구동모터에 의해 기어박스를 구동하는 경우, 기어박스 내부의 치차들의 가공이나 조립상태에 따라 구동토크의 불균일 현상과 같은 불량이 발생한다.
이러한 기어박스의 불량 검사에 대해서는 공인된 규격이 존재하지 않기 때문에 종래에는 자체적으로 기어박스 품질 검사 항목을 지정하여 사용하고 있다. 그렇지만 종래의 품질검사 항목은 정지마찰력, 백래쉬 및 강성등과 같이 물성 또는 정적(靜的) 데이터에 불과할 뿐이고, 검사항목으로서 운동마찰력, 구동전류와 같이 동적(動的) 데이터를 측정하는 경우는 존재하지 않았다. 이는 운동마찰력, 구동전류와 같은 동적 데이터는 측정이 어려울 뿐만 아니라, 측정할 수 있는 경우라고 하 더라도 실시간 정보라기보다는 RMS 값이나 평균값으로 측정되는 경우가 대부분이어서 구동토크의 불균일을 검출하기가 용이하지 않기 때문이다. 더구나, 이러한 동적 데이터로부터 기어박스의 어느 위치에 불량이 발생하였는지 판단하기는 더욱 용이하지 않았다.
또한, 기어박스에 의한 구동토크의 불균일은 서보시스템의 전자제어기에서 보상하는 것이 불가능하다.
이에 본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 기어박스의 구동토크 불균일 현상 및 불량이 발생한 위치를 용이하게 검출할 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 기어박스의 구동토크가 모터 구동 전류에 비례한다는 점과, 기어박스 내의 특정 기어에서 불량이 존재하는 경우 전류 파형의 주파수는 불량이 발생한 기어의 기어비에 상응한다는 점을 이용하였다.
따라서, 기어박스를 구성하는 기어들의 기어비로부터 각 기어열의 고유 주파수의 비를 알아낸 다음, 전류 파형을 각 주파수 대역별로 추출한 후, 추출된 주파수 대역별 전류 파형을 시간 영역(Time domain)에서 표시하여 정상상태의 기준 파형과 비교함으로써 어느 기어박스 내의 불량이 발생한 기어를 식별할 수 있게 된다.
더 구체적으로, 본 발명은 전원공급부(20) 및 구동모터(30)에 의해 구동되는 기어박스(10)의 불량 위치 판별 장치(100)로서, 상기 구동모터(30)의 구동전류를 측정하기 위한 전류측정부(110)와; 상기 기어박스(10)를 구성하는 기어들의 기어비로부터 각 기어들의 고유주파수를 알아내고, 상기 측정된 구동전류의 데이터를 상기 고유주파수 대역별로 추출하는 제어부(120)와; 상기 구동전류의 데이터에 대한 파형도를 출력하기 위한 출력부(130)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 전원공급부(20) 및 구동모터(30)에 의해 구동되는 기어박스(10)의 불량 위치 판별 방법은, (a) 상기 기어박스(10)가 구동되는 상태에서 구동모터(30)의 구동전류를 측정하는 단계와(S 10); (b) 상기 기어박스(10)를 구성하는 기어들의 기어비로부터 각 기어들의 고유주파수를 알아내고, 상기 측정된 구동전류의 데이터를 상기 고유주파수 대역별로 추출하는 단계와(S 20); (c) 추출된 주파수별 구동전류 데이터를 기준 데이터와 비교하여 불량이 발생한 기어를 식별하는 단계(S 30 ~ S 40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 (c) 단계에서 구동전류 데이터 및 기준 데이터를 시간 영역(time domain)에 파형도로서 표시하는 것이 바람직하며, 작업자는 각 파형도를 비교함으로써 불량 기어의 식별이 가능하다.
또한, 상기 (a) 단계에서 전원공급부(20)에서 구동모터(10)에 정전압을 공급하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 주파수 대역별 전류 파형을 각 기어열에 대응하는 주파수대역별로 추출한 후, 시간 영역(Time domain)에서 표시하여 정상상태의 기준 파형과 비교함으로써 기어박스 내에서 불량이 발생한 기어 위치가 어디인지를 용이하게 식별할 수 있게 된다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 구성도이고, 도 2는 기어박스가 정상상태인 경우의 모터 구동 전류의 파형도이며, 도 3은 기어박스에 불량이 발생한 경우의 모터 구동 전류의 파형도이며, 도 4는 본 발명의 방법에 따라 도 3의 전류 데이터를 기어들의 기어비에 대응한 주파수별로 추출한 후 시간 영역에서 표시한 파형도이고, 도 5는 본 발명에 따라 기어박스의 불량 위치를 검출하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 도 1을 참조하면 기어박스(10)는 전원공급부(20)의 전원에 의해 구동되는 구동모터(30)의 회전력으로 구동되고, 구동축(A1)의 회전력을 출력축(A3)로 전달하기 위한 중간축(A2)을 포함하며, 내부에 복수개의 기어(11, 12, 13, 14)를 포함한다.
도시된 예에서는 기어박스(10) 내에 2개의 기어쌍(G1, G2)이 포함되어 있으며, 기어쌍의 개수는 더 많을 수도 있다. 또한, 각 기어쌍(G1, G2)에는 소정의 기어비(1:1, 1:8)가 설정되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 기어박스의 불량 위치 검출 장치(100)는 전류측정부(110)와, 제어부(120)와, 출력부(130)로 구성된다.
전류측정부(110)는 구동모터(30)의 구동전류를 측정하는 역할을 수행한다.
제어부(120)는 기어박스(10)를 구성하는 기어들의 기어비로부터 각 기어들의 고유주파수를 알아내고, 상기 측정된 구동전류의 데이터를 상기 고유주파수 대역별로 추출한다. 구동전류의 데이터를 주파수 대역별로 추출하는 과정에서는 시간 영역(Time Domain)에서 측정된 데이터를 주파수 영역(Frequency Domain)으로 변환한 후, 주파수 대역별로 데이터를 추출하고 이를 다시 주파수 영역에서 시간 영역으로 데이터 변환하게되며 이 과정에서 이용되는 변환 방법은 웨이블릿 변환 등이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니며 다양한 방법을 채용할 수 있다.
출력부(130)는 구동전류의 데이터에 대한 파형도를 출력하기 위한 구성이다.
이러한 구성에 의해 본 발명의 장치에 의해 기어박스의 불량 위치 검출하는 방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명은 기어박스의 구동토크 불균일을 검사하기 위하여 직류모터의 전류가 구동토크와 비례한다는 원리를 이용한다(수학식 1 참조).
T = KI
(T: 기어박스의 구동토크, K: 모터의 토크상수, I: 구동전류)
즉, 전원공급부(20)에서 정전압으로 모터(30)를 구동함으로써 정속도로 기어박스(10)를 구동한 상태에서 모터(30)의 구동전류를 측정하게 되면 기어박스(10)의 구동토크를 알 수 있게 된다.
이러한 원리에 기초하여 정전압이 모터(30)에 전달된 상태로 기어박스(10)를 구동시키는 경우, 이상적인 품질의 기어박스(10)에서는 기어박스(10)의 구동토크가 일정하므로 구동전류의 파형은 일정한 값으로 나타난다.
반면, 기어박스(10) 내부 기어에 불량이 있는 경우에는 각 기어쌍 또는 축의 1회전 주기에 따라 정현파 형태의 주기적인 구동전류 파형 형태를 나타낸다. 여기서 정현파의 진폭은 기어의 불량의 정도를 나타내고, 정현파의 주기(또는 주파수) 는 기어쌍의 기어비에 의해 결정된다.
예컨대, 1:1 기어쌍에 비하여 1:8 기어쌍의 회전속도는 8배가 빠르므로, 1:8 기어쌍에서 불량이 발생한 경우의 구동전류파의 주기는 1:1 기어쌍에서 불량이 발생한 경우의 구동전류파 주기의 1/8이 된다. 이는 달리 표현하면 1:8 기어쌍 파형의 고유주파수가 1:1 기어쌍 파형의 고유주파수의 8배라고도 할 수 있다.
예컨대, 도 2 및 도 3은 도 1와 같은 1:1 기어(G1)와 1:8 기어(G2)로 구성된 기어박스(10)를 정전압으로 정속구동한 경우의 전류파형도로서, 도 2는 기어박스(10)가 정상인 경우이고 도 3은 1:1 기어(G1) 및 1:8 기어(G2) 모두에 불량이 발생한 경우이다.
도시된 것과 같이, 기어박스(10)가 이상적인 품질인 경우는 도 2와 같이 구동전류가 일정한 값을 나타내지만, 불량이 존재하는 경우에는 도 3에서와 같이 주파수비가 1:8인 두개의 정현파가 합성된 형태로 나타난다.
각 기어쌍별 구동전류 파형을 알아내기 위해, 도 3의 파형을 주파수 변환(웨이블릿 변환 등)을 한 후 각 기어쌍의 고유 주파수 대역별로 추출하면, 도 4a 및 도 4b의 파형과 같이 된다.
도 4a 파형은 1:1 기어(G1)에 대한 구동전류 파형이고 도 4b는 1:8 기어(G2)에 대한 구동전류 파형으로서, 주파수 비가 1:8임을 확인할 수 있다.
도시된 에서는 1:1 기어(G1) 및 1:8 기어(G2) 모두가 정현파 형태를 나타내며 이는 양 기어 모두에 불량이 발생하였음을 나타낸다. 만약 기어들 중 정상인 기어가 존재하는 경우에는 정상인 기어에 대한 구동전류 파형은 도 2에서와 같이 일정한 값을 가지는 파형으로 출력되고, 이상이 발생한 거어에 대한 구동전류 파형만 정현파 형태를 가지게 될 것이다.
또한, 도 4a 및 도 4b의 파형에 대한 진폭을 비교하면 도 4a의 진폭이 도 4b 파형의 진폭의 2배임을 확인할 수 있다. 이는 1:1 기어(G1)가 1:8 기어(G2)에 비해 2배의 불균일한 토크를 발생시킨다는 것을 의미한다.
이상의 전술한 과정을 도 5의 흐름도를 참조로 설명한다.
기어박스(10)를 정전압으로 구동하는 상태에서 전류측정부(110)를 이용하여 구동모터(30)의 구동전류를 측정한다(S 10).
전류측정부(110)에서 측정된 구동전류 데이터는 제어부(120)로 전달되고, 제어부(120)는 상기 기어박스(10)를 구성하는 기어들의 기어비로부터 각 기어들의 고유주파수를 알아내고, 측정된 구동전류의 데이터를 상기 고유주파수 대역별로 추출한다(S 20).
추출된 주파수별 구동전류 데이터는 출력부(130)로 전송되어 도 4에서와 같은 시간 영역(time domain)에서의 파형도로서 표시되며(S 30), 작업자는 표시된 각 주파수별(즉, 각 기어별)파형도를 정상상태의 파형도와 비교하여 불량이 발생한 기어를 찾아낼 수 있게 된다(S 40).
전술한 바와 같이, 본 발명은 정전압으로 구동시에 기어박스에서 발생한 전류 파형을 각 기어열에 대응하는 주파수대역별로 추출한 후, 시간 영역(Time domain)에서 표시하여 정상상태의 기준 파형과 비교함으로써 기어박스 내의 불량이 발생한 기어 위치를 용이하게 식별할 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 구성도.
도 2는 기어박스가 정상상태인 경우의 모터 구동 전류의 파형도.
도 3은 기어박스에 불량이 발생한 경우의 모터 구동 전류의 파형도.
도 4는 본 발명의 방법에 따라 도 3의 전류 데이터를 기어들의 기어비에 대응한 주파수별로 추출한 후 시간 영역에서 표시한 파형도.
도 5는 본 발명에 따라 기어박스의 불량 위치를 검출하는 방법을 나타낸 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 기어박스 11, 12, 13, 14: 기어
G1, G2: 기어쌍 A1, A2, A3: 회전축
20: 전원 공급부 30: 구동모터
100: 기어박스 불량위치 판별장치 110: 측정부
120: 제어부 130: 출력부

Claims (3)

  1. 구동모터(30)에 의해 구동되는 기어박스(10)의 불량 위치 판별 장치(100)로서,
    상기 구동모터(30)의 구동전류를 측정하기 위한 전류측정부(110)와;
    상기 기어박스(10)를 구성하는 기어들의 기어비로부터 각 기어들의 고유주파수를 알아내고, 상기 측정된 구동전류의 데이터를 상기 고유주파수 대역별로 추출하는 제어부(120)와;
    상기 구동전류의 데이터에 대한 파형도를 출력하기 위한 출력부(130)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어박스(10)의 불량 위치 판별 장치.
  2. 전원공급부(20) 및 구동모터(30)에 의해 구동되는 기어박스(10)의 불량 위치 판별 방법으로서,
    (a) 상기 기어박스(10)가 구동되는 상태에서 구동모터(30)의 구동전류를 측정하는 단계와(S 10);
    (b) 상기 기어박스(10)를 구성하는 기어들의 기어비로부터 각 기어들의 고유주파수를 알아내고, 상기 측정된 구동전류의 데이터를 상기 고유주파수 대역별로 추출하는 단계와(S 20);
    (c) 추출된 주파수별 구동전류 데이터를 기준 데이터와 비교하여 불량이 발생한 기어를 식별하는 단계(S 30 ~ S 40)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어박스(10)의 불량 위치 판별 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (c) 단계에서
    상기 구동전류 데이터 및 상기 기준 데이터를 시간 영역(time domain)에파형도로서 표시하고, 각 파형도를 비교하는 것을 특징으로 하는 기어박스(10)의 불량 위치 판별 방법.
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