KR100912833B1 - 토크 렌치를 이용한 잔류 토크 검수 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 체결 부재의 실제 잔류 토크를 토크 렌치를 이용하여 검수하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 본 발명에서는, 시간에 따른 토크 크기의 변화를 측정할 수 있는 토크 렌치를 사용하여 체결부의 잔류 토크를 측정할 수 있는 방법으로서, 상기 토크 렌치로 체결 부재를 조이는 방향으로 회전력을 가하면서 동시에 토크 렌치에 의해 가해지는 토크의 크기를 점차 증가시키는 단계(a); 토크 크기의 증가되는 기울기에 변동이 있는 경우 이를 감지하여 토크 렌치로 가하던 회전력을 제거하는 단계(b); 및 상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 시간에 따른 토크 크기의 변화에서 토크 크기의 증가 기울기가 변화하는 지점을 파악하고, 상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 시간에 따른 토크 크기의 변화에서, 가해지는 토크의 크기가 시간에 따라 잠시 감소되다가 다시 증가하는 양상을 보이는 경우에는 극소점에 해당하는 지점의 토크를 실제 잔류 토크로 정하는 것을 비롯한 토크 렌치를 이용하여 체결된 부재의 실제 잔류 토크를 검수하는 방법을 제공한다.

토크 렌치, 유무선 통신, 측정 데이터의 송수신

Description

토크 렌치를 이용한 잔류 토크 검수 방법{Method of examining residual torque of a joint using a torque wrench}

본 발명은 토크 렌치(torque wrench)를 이용한 잔류 토크 검수 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나사를 사용하여 부재를 체결하는 경우에 나사의 결합에 소요되는 힘 등의 데이터를 측정하고, 이 데이터를 저장 및 전송하여 제조 공정의 관리에 활용할 수 있도록 하는 토크 렌치를 이용한 잔류 토크 검수 방법에 관한 것이다.

오늘날 자동차, 항공기, 선박, 잠수함, 다리, 철골건축물 등 고성능, 고정밀, 고부가가치의 제품과 구조물들의 제조 생산시 필요한 부재간의 접합에 사용하는 볼트체결에 있어서 토크의 중요성은 점점 높아져가고 있다. 고품질, 안정성, 가격, 디자인, A/S 등 고객을 만족시키지 못하면 경쟁에서 뒤떨어지게 된다. 이는 제품의 생산과 제조에 있어서 한 개의 볼트 체결도 소홀히 할 수 없다. 이전에는 강하게 체결하면 문제가 발생하지 않았으나, 최근의 기술동향은 크게 변화하고 있다.

보다 작게, 가볍게, 그리고 내구성이 우수한 제품 개발을 목표로 설계, 생산, 판매되고 있어, 보다 더 정밀한 체결을, 즉 제품의 종류와 용도에 따라서, 토크 수치의 범위가 좁아지고 다양해 졌다. 이에 대응하기 위해서는 렌치, 드라이버 등의 공구가 단순히 공구로서의 기능만이 아니라 계측기로서 개별 볼트의 체결에 작용하는 힘 등의 데이터를 측정해 줄 것이 요구되게 되었다. 이러한 계측기로서의 토크 렌치, 드라이버 등의 성능이 이를 사용하여 제작되는 제품의 품질과 고객의 안전을 좌우한다는 인식이 널리 확산되어 왔다.

볼트는 체결(tightening) 요소로서, 자동차, 항공기 등의 각종 기계, 전기전자 장치, 건축 및 토목 등에서 일반 생활용품에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. 그러나, 볼트를 이용한 체결 작업의 중요성에 대해 간과하고 있던 것이 현실이었다. 2002년 미국 패스너(Fastener) 보고서에 따르면 자동차의 총 부품 중 절반 이상이 체결 불량으로 구성되어 있으며, 자동차 부품 리콜의 약 80%에 체결 불량이 포함 되었다고 한다. 이와 같이 제품의 안전성, 제품 품질 등에 지대한 영향을 미치고 있는 체결 작업은 제조물 책임법(Product Law)의 도입으로 그 중요성은 더 커지게 되었다.

또한, 체결 불량을 예방하여 제품의 안전성, 제품 품질을 만족시키기 위해서는, 설계부터 제조, 품질관리, A/S까지 일관된 체계의 구축이 필요하다. 특히, 제품의 안전성 확보와 제품 품질 향상을 통해 세계적 경쟁력을 갖추려면 계량 측정 기술, 설계 기술 및 생산 기술 분야를 포함한 여러 분야의 기술이 집약되어 ISO와 같은 국제적인 공인 기준에 맞는 생산 및 품질 관리 체계를 구축하여야 한다.

이러한 과제를 해결하기 위해 이전에도 토크를 측정할 수 있는 토크 렌치가 있었지만, 임계 토크(limit torque)만을 측정할 수 있고, 단순 체결작업에만 사용되며, 고정밀 체결 작업에 적합하지 못한 문제점을 가지고 있었다. 특히 계측된 데이터를 설계, 생산, 품질 관리 등의 분야에 활용이 가능하도록 처리할 수 있는 시스템은 구축되어 있지 못하였다.

특히, 이미 체결된 체결 부재에 잔류하는 토크를 검수(측정)하는 기능에 있어서는 가해진 토크의 최대값만을 읽을 수 있는 토크 렌치만 있었기 때문에 실제 산업 현장에서 잔류 토크를 검수하는 작업에 있어서 검수(측정) 결과가 부정확한 문제점이 있어왔다.

체결 작업 시의 가장 중요한 측정데이터는 체결 축력(Clamping Force), 토크(Torque), 볼트나 너트 등의 체결 부재의 회전각도(angle) 등이다. 현재 고정밀 작업이 요구되는 항공기 제작, 자동차 제조, 고층의 인텔리전트 빌딩 건축, 철골 구조물, 가전제품, 선박 등을 망라하는 제품의 제조 작업에는 체결 축력, 토크, 체결 부재의 회전각도 등을 측정할 수 있는 고정밀 토크 렌치가 절대적으로 필요하다. 본 발명에서는 이러한 관점에서 체결 축력, 토크, 체결 부재의 회전각도 등을 측정 할 수 있는 고정밀 토크 렌치를 개발하는 것을 목적으로 한다. 또한, 측정된 데이터를 분석하고 품질 관리 등에 활용할 수 있는 데이터 처리 기능을 구비하는 토크 렌치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 체결된 부위의 체결력을 검수하는 작업에도 사용될 수 있는 토크 렌치와 이 토크 렌치를 사용하여 체결력을 검수하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은,

체결 요소에 토크를 전달하는 프론트 파트;

내측에 중공부가 형성되고 일측 단부는 상기 프론트 파트에 힌지 결합된 프레임;

상기 프레임의 중공부에 설치되고, 상기 프론트 파트에 일단 단부가 고정된 로드셀을 포함하고,

상기 로드셀은 일측 단부가 고정된 상태에서 타측 단부에 힘이 가해지면 고정된 일측 단부에서의 토크를 측정할 수 있도록 스트레인 게이지가 내장된 소정 길이를 갖는 부재이며,

상기 프레임에 사용자가 힘을 가하여 상기 프론트 파트를 통해 체결 요소에 토크를 전달하면, 상기 프레임이 상기 로드셀에서 상기 프론트 파트에 고정된 일측 단부의 반대편 단부에 힘을 작용하고, 이에 따라 상기 로드셀에서 상기 체결 요소에 작용하는 토크의 크기를 측정하는 토크 렌치를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 로드셀에서 측정된 데이터를 포함한 데이터를 저장, 연산, 전송, 표시하는 기능을 수행하는 PCB 모듈을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 PCB 모듈과 전기적으로 연결되고, 체결부에 배치되어 토크 렌치의 회전 작용에 의해 토크 렌치가 움직이는 평면에 대해 수직한 방향으로 작용하는 축력을 측정하는 축력 측정 수단을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 PCB 모듈에는 측정된 데이터를 외부의 데이터 처리 장치로 전송하는 무선 데이터 송수신 모듈을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 체결 요소가 회전되는 각도를 측정하는 자이로스코프를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 프론트 파트의 전단부에는 어댑터와 결합되는 소켓이 배치되고,

상기 프론트 파트의 후단부에는 상기 프레임을 양측에서 지지하고, 상기 프레임이 삽입되어 일방향으로 회동 가능하게 고정되는 슬롯이 형성되어 있을 수 있 다.

여기서, 상기 로드셀에서 상기 프론트 파트에 고정되는 일단부의 반대편 타단부에 힘을 가하는 힘 작용부가 상기 프레임에 형성되어 있을 수 있다.

여기서, 사용자가 힘을 작용하는 부분으로, 상기 프레임이 상기 프론트 파트와 결합되는 일측 단부의 반대편 단부에 고정되는 손잡이부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은,

시간에 따른 토크 크기의 변화를 측정할 수 있는 토크 렌치를 사용하여 체결부의 잔류 토크를 측정할 수 있는 방법으로서,

상기 토크 렌치로 체결 부재를 조이는 방향으로 회전력을 가하면서 동시에 토크 렌치에 의해 가해지는 토크의 크기를 점차 증가시키는 단계(a);

토크의 크기의 중가되는 기울기에 변동이 있는 경우 이를 감지하여 토크 렌치로 가하던 회전력을 제거하는 단계(b); 및

상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 시간에 따른 토크 크기의 변화에서 토크 크기의 증가 기울기가 변화하는 지점을 파악하여 실제 잔류 토크의 크기를 결정하는 단계(c)를 포함하는 잔류 토크 검수 방법을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 단계(c)는,

상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 시간에 따른 토크 크기의 변화에서, 가해지는 토크의 크기가 시간에 따라 잠시 감소되다가 다시 증가하는 양상을 보이는 경우에는 극소점에 해당하는 지점의 토크를 실제 잔류 토크로 정하는 것일 수 있다.

또는 여기서 상기 단계(c)는,

상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 시간에 따른 토크 크기의 변화에서, 가해지는 토크의 크기는 지속적으로 증가하는 상태에서, 토크의 크기가 증가하는 기울기가 감소하였다가 다시 기울기가 증가한 양상을 보이는 경우에는, 처음 토크 증가 기울기가 감소하는 지점의 토크를 실제 잔류 토크로 정하는 것일 수 있다.

또는 여기서 상기 단계(c)는,

상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 시간에 따른 토크 크기의 변화에서, 가해지는 토크의 크기는 지속적으로 증가하는 상태에서, 토크의 크기가 증가하는 기울기가 특정 지점으로부터 감소된 양상을 보이는 경우에는, 해당 기울기 감소 지점의 토크를 실제 잔류 토크로 정하는 것일 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은,

토크 크기의 변화와 각도의 변화를 측정할 수 있는 토크 렌치를 사용하여 체결부의 잔류 토크를 측정할 수 있는 방법으로서,

상기 토크 렌치로 체결 부재를 조이는 방향으로 회전력을 가하면서 동시에 토크 렌치에 의해 가해지는 토크의 크기를 점차 증가시키는 단계(a);

회전 각도가 0을 벗어나는 경우, 회전 각도에 따른 토크 크기의 기울기가 (+)의 값을 가질 때 이를 감지하여 토크 렌치로 가하던 회전력을 제거하는 단 계(b); 및

상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 회전 각도에 따른 토크 크기의 변화에서 토크 크기의 증가 기울기가 변화하는 지점을 파악하여 실제 잔류 토크의 크기를 결정하는 단계(c)를 포함하는 잔류 토크 검수 방법을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 단계(c)는,

상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 회전 각도에 따른 토크 크기의 변화에서, 토크 크기가 감소하는 극소점이 존재하는 경우 그 극소점에서의 토크 크기를 실제 잔류 토크의 크기로 결정하는 것일 수 있다.

또는 여기서 상기 단계(c)는,

상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 회전 각도에 따른 토크 크기의 변화에서, 토크 크기가 감소하지 않고 계속 증가하는 경우에는 회전 각도가 0을 벗어날 때의 토크의 크기를 실제 잔류 토크의 크기로 결정하는 것일 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은,

앞서 언급된 잔류 토크 검수 방법을 포함하는 복수의 잔류 토크 검수 방법의 그룹에서 하나의 잔류 토크 검수 방법을 선택하는 단계;

선택된 잔류 토크 검수 방법에 의해 측정된 잔류 토크의 크기를 나머지 잔류 토크 검수 방법 중 어느 하나 이상에 의해 측정된 잔류 토크의 크기와 비교하여, 그 값들의 차이가 미리 정해진 오차 범위 이내인지 확인하는 단계; 및

확인 결과 오차 범위 이내이면 측정된 값 중 하나 이상 또는 평균값을 잔류 토크 값으로 정하는 단계를 포함하는 잔류 토크 검수 방법을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 확인 결과 오차 범위 밖이면 재 검수 요청을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 토크 렌치를 사용하여 체결 작업을 완료한 후에 체결 요소에 잔류하는 실제 잔류 토크, 체결 작업 중에 가해지는 최대 토크, 체결 요소의 체결 방향(축 방향)으로 작용하는 축력, 체결 요소의 회전 각도를 측정할 수 있다. 또한, 유무선 통신 모듈을 구비하여 복수의 체결 요소를 체결하는 작업 중에 측정된 데이터들을 실시간으로 외부 데이터 저장 매체, 다른 측정 기기, 외부 컴퓨터 등과 송수신 할 수 있어 체계적인 데이터 관리가 가능하다.

도 1에는 본 발명에 따른 토크 렌치의 구성을 개략적으로 보여주는 분리 사시도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이 본 발명에 따른 토크 렌치(100)는 프론트 파트, 측정 기구부, PCB 모듈, 입력 키패드부, 디스플레이부 및 손잡이부를 구비한다.

프론트 파트는 너트나 볼트 등에 직접 연결되어 힘을 작용할 수 있게 하는 어댑터(15)와, 상기 어댑터(15)가 고정되는 소켓(10), 상기 소켓(10)과 상기 측정 기구부의 사이에 배치되는 프론트 로드(20)를 구비한다. 상기 어댑터(15)의 말단부(15a)의 형상은 도면에 도시된 것으로 한정되지 않고, 적용될 체결 요소의 형상에 따라 달라질 수 있다. 상기 어댑터(15)는 상기 소켓(10)과의 연결을 위해 착탈식 고정이 가능한 고정부(15b)를 구비한다.

상기 측정 기구부는 프레임(30), 상기 프레임(30) 내측에 배치되는 로드셀(40)을 포함한다. 상기 프레임(30)은 상기 프론트 파트에 힌지 결합된다. 상기 로드셀(40)은 상기 프론트 파트에 고정된다. 상기 프론트 파트가 상기 프레임(30) 및 상기 로드셀(40)과 결합되는 부분은 상기 로드셀(40) 및 상기 프레임(30)을 양측에서 고정할 수 있도록 소정 간격의 슬롯(23)이 형성되어 있을 수 있다.

상기 PCB 모듈(70)에는 메모리, 연산 회로부, 전원 연결부, 데이터 송수신부 등이 포함될 수 있다. 상기 입력 키패드부(90) 및 디스플레이부(80)는 상기 PCB 모듈(70)과 전기적으로 서로 연결되어 있다. 상기 데이터 송수신부는 외부의 컴퓨터, 다른 계측 기기, 외부의 데이터 저장부 등과 무선 송수신이 가능하도록 무선 송수신 모듈을 구비할 수 있다. 무선 송수신 모듈로는 공장과 같은 노이즈가 많은 환경에서도 견실한 무선 통신이 가능한 블루투스 모듈이 사용되는 것이 바람직하다.

상기 손잡이부(60)는 통상 사용자가 본 발명에 따른 토크 렌치(100)를 잡고 사용하는 부분이다. 상기 손잡이부(60)는 상기 프레임(30)이 상기 프론트 파트에 힌지 결합되는 일측 단부의 반대측 단부에 고정된다. 고정은 프레임에 형성된 2개 이상의 체결공(32)과 손잡이부의 일측에 형성된 2개 이상의 체결공(61)을 통해 2개 이상의 볼트 등을 사용하여 이루어질 수 있다. 상기 손잡이부(60)의 내부에는 상기 측정 기구부의 로드셀(40)과 상기 PCB 모듈(70), 디스플레이부(80), 키패드부(90) 등에 전력을 공급하는 배터리가 수용될 수 있다.

도 2에는 상기 측정 기구부의 구성을 보여주는 측면도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 프레임(30)에는 프레임의 내측으로 돌출되어 로드셀(40)의 일측 단부와 접하는 힘 작용부(33)가 형성되어 있다. 상기 힘 작용부(33)는 상기 로드셀(40)과 접하는 상태를 조절할 수 있도록 볼트 등의 부재가 상기 프레임에 삽입 고정된 형태로 형성될 수 있다. 상기 힘 작용부(33)는 상기 로드셀(40)이 벤딩 방향으로 힘을 받을 수 있도록, 상기 로드셀(40)의 길이 방향에 대해 실질적으로 수직한 방향으로 접할 수 있다. 여기서 실질적으로 "수직"이라는 것은 수직한 방향으로부터 약 1°정도 기울어지는 범위 이내를 의미하고 그 기울어진 정도가 작아서 거의 수직한 경우가 가장 바람직하다.

상기 로드셀(40)과 상기 프레임(30)은 힘 작용부(33)에서 접하는 외에는 서로 접하지 않도록 만들어진다. 보다 구체적으로 설명하면, 도 1 및 도 2를 함께 참조할 때, 로드셀(40)에서 힘 작용부와 점하는 일측 단부의 반대편인 타측 단부는 프론트 파트에 고정된다. 즉, 프론트 로드(20)의 후단 슬롯(23)에 삽입 고정된다. 이때, 벤딩 방향으로 로드셀(40)이 힘을 받을 경우 힘을 받는 방향으로 로드 셀이 회전하지 않도록, 슬롯에 삽입된 상태에서의 고정은 2지점 이상에서 볼트나 리벳 등의 체결 요소를 사용하여 이루어진다. 도 1에 도시된 실시예에서는 프론트 로드의 관통공(21)들과 로드셀의 관통공(41)들이 각각 볼트에 의해 체결된다.

동시에 상기 프레임(30)도 상기 프론트 파트에 고정되는데, 상기 프레임(30) 은 힘 작용부(33)에서 상기 로드셀(40)에 벤딩 방향으로 힘을 가할 수 있도록 상기 프론트 파트에 회전 가능하게 피봇되어 지지된다. 즉, 도 1에 도시된 프론트 파트의 프론트 로드(20)의 후단부에 형성된 관통공(22)과 상기 프레임의 관통공(31)이 서로 핀 등의 부재로 연결된다.

이와 같이 구성된 상태에서 상기 프레임(30)에 힘이 가해져서 소켓(10)에 연결된 어댑터(15)를 통해 체결 요소를 회전 시키는 경우, 체결 요소의 체결 작업 중에 작용하는 토크의 크기를 측정할 수 있다. 즉, 프레임(30)에 힘이 가해지면 힌지 결합된 프레임(30)이 회동하면서 힘 작용부(33)를 통해 로드셀(40)의 일측 단부에 힘을 가하고 상기 로드셀(40) 내에 내장된 스트레인 게이지 등의 부재의 저항 변화를 감지하여 체결 요소에 작용하는 토크의 크기가 계산된다. 이와 같은 연산은 로드셀 내에 내장된 회로에서 수행될 수 있다. 또는, 로드셀(40)은 단지 저항값 변화만 출력하고 출력된 저항값을 토대로 PCB 모듈(70)에 형성된 연산 회로부에서 토크값의 연산이 수행될 수도 있다.

도 3에는 두 개의 판상의 부재를 체결 요소를 사용하여 체결하는 예에 있어서 축력 측정용 센서를 배치하는 위치(110)를 도시한 도면이 도시되어 있다.

본 발명에 따른 토크 렌치는 체결 요소의 축방향으로 작용하는 힘, 즉 체결 부위의 축력도 측정할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이 소정의 두께를 가지는 두 개의 부재(1, 2)를 볼트(3)와 너트(4)를 사용하여 체결할 때, 점선으로 표시되는 영역에서 두 개의 부재가 접하는 면에 스트레인 게이지와 같은 압축 응력 측정 수단을 설치한다. 그리고 상기 스트레인 게이지의 양 단자가 본 발명에 따른 토크 렌치(100)(도 1)의 본체 하우징 내측에 배치되는 PCB 모듈(70)에 연결되도록 한다. 이와 같이 설치한 후, 상기 스트레인 게이지에서 변화하는 전기 저항값을 PCB 모듈에 내장되는 측정 회로에서 측정하여 볼트의 축방향으로 작용하는 압축 응력(축력)을 측정할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 토크 렌치(100)는 토크 렌치를 사용하여 체결 작업을 수행할 때에 토크 렌치가 체결 요소를 회전시키는 각도를 측정할 수 있다. 이를 위해 상기 PCB 모듈과 전기적으로 연결된 자이로스코프를 구비할 수 있다. 자이로스코프는 상용품 중에서 크기가 작고 견실한 출력이 보장되는 압전식 자이로스코프가 선택될 수 있다.

도 4에는 본 발명에 따른 토크 렌치를 사용하여 너트를 볼트에 체결할 때의 너트의 회전 각도에 따른 회전 토크의 크기 변화를 측정한 결과를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 토크 렌치를 사용하면 토크 렌치의 회전 각도(Φ)에 따른 토크 크기 변화(T)를 측정할 수 있다. 토크 렌치를 사용하여 체결 동작을 수행할 때에는 각도에 따라서 측정되는 토크 값이 점차 증가하다가 그 증가하는 기울기가 둔화되는 양상으로 변화한다. 증가하는 기울기가 둔화되는 지점이 체결되는 부재의 탄성 한계 토크(Te)가 된다. 대체로 너트의 체결 작업은 탄성 한계에 다다르기 전에 일정한 지점(예를 들어 Tj)에서 마무리 된다. 계속 너트를 회전 시키면 체결되는 부재가 파손되는 파괴 토크(Tf)에 도달하게 된다. 본 발명에 따른 토크 렌치를 사용하면 도 4에 도시된 것과 같이 체결되는 부재의 회전 토크에 대한 탄성 한계 토크 및 파괴 토크 등을 포함한 체결 토크 특성을 알아낼 수 있다.

이하에서는 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 토크 렌치를 이용한 잔류 토크 검수 방법에 대하여 설명한다. 여기서, "잔류 토크 검수"는 볼트와 같은 체결 부재의 실제 체결력에 해당하는 잔류 토크를 측정하여 필요한 토크가 확보되어 있는지 검사하는 것을 의미한다.

도 5 내지 도 7에는 일단 체결된 볼트의 실제 체결력(잔류 토크)을 검수하는 경우의 시간에 따른 토크 크기의 변화를 보여주는 그래프들이 간략히 도시되어 있다.

본 발명에 따른 토크 렌치는 체결이 완료된 볼트 및 너트 체결부에 대해 잔류 토크가 필요한 수준으로 확보되어 있는지를 검수하는 목적으로도 사용될 수 있다.

예를 들어, 체결된 볼트를 본 발명에 따른 토크 렌치로 조이는 경우를 생각해 보면, 초기에 적은 힘을 주다가 점차 힘을 세게 가하고, 볼트의 체결력을 넘어서면서 볼트가 조이는 방향으로 회전하기 시작하면 더 이상 힘을 주지 않도록 하는 작업을 수행하는 경우를 예로 들어 설명하도록 하겠다. 여기서, 체결 부재의 일례로 볼트를 언급하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 않음은 물론이다.

이 과정에서 토크 렌치에 힘을 주고 토크 렌치에 가해지는 토크에 변화가 생 기면 이를 감지하여 더 이상 힘을 주지 않도록 하는 것은 작업자(사람)에 의해 수행될 수도 있고, 이러한 기능을 하도록 고안된 별도의 장치에 의해 수행될 수도 있다. 작업자가 직접 수행하든 아니면 별도의 장치를 사용하든, 이 과정에서 본 발명에 따른 토크 렌치에서 측정된 시간에 따른 토크의 변화를 그래프로 그린다면 도 5 내지 도 7과 같은 그래프가 그려질 수 있다.

도 5의 경우, 토크 크기의 변화가 A구간 증가, B구간 감소, C구간 증가와 같이 변화한다. 즉, 가해지는 토크의 힘이 잠시 감소되다가 증가하는 양상을 보이는 것으로 볼트를 조이는 과정에서 슬립이 일어나는 경우이다. 도 6의 경우, 가해지는 토크의 크기가 증가하는 기울기가 감소하였다가 다시 기울기가 증가하는 양상을 보이는 경우가 도시되어 있으며, 도 7의 경우, 가해지는 토크의 크기가 증가하는 기울기가 감소되는 양상을 보이는 그래프가 도시되어 있다. 도 6 및 도 7은 시간에 대한 토크 크기의 기울기는 양의 값(+)으로 유지되는 점에서 도 5의 그래프와 구별된다.

도 5, 도 6 및 도 7과 같은 양상을 보이는 경우, 각각 볼트의 체결력은 Tj로 표시된 지점의 토크가 된다. 이와 같이 본 발명에 따른 토크 렌치를 사용하여 체결된 볼트의 실제 체결력을 검수하는 것이 가능하다.

한편, 도 8 및 도 9에는 토크 크기와 볼트 회전 각도를 측정하여 체결된 볼트의 실제 잔류 토크를 검수하는 방법을 설명하는 그래프가 도시되어 있다. 도 8 및 도 9에 도시된 것과 같은 회전 각도에 대한 토크 크기를 고려할 때에는, 체결 부재를 조이는 방향으로 토크를 가하다가 체결 부재가 조이는 방향으로 회전하기 시작한 이후에 회전 각도에 따라 토크 크기가 증가하는 것이 감지되면 토크를 가하는 것을 멈추고 그때까지의 회전 각도에 따른 토크 크기 변화를 관찰하는 방식으로 잔류 토크를 검수할 수 있다.

본 발명에 따른 토크 렌치는 체결 부재의 회전 각도를 측정할 수 있기 때문에, 체결된 볼트에 볼트를 조이는 방향으로 토크를 가하기 시작하면서 점차 증가시키면, 도 8에 도시된 것과 같이, 볼트가 조이는 방향으로 회전하기 시작하는 지점의 토크를 측정하는 것이 가능하다. 도 8의 그래프에서는 볼트가 조이는 방향으로 회전하기 시작(측정되는 회전각도 Φ가 0보다 커지기 시작)하면서 볼트에 가해지는 힘이 증가하는 경우를 도시하고 있다. 이 경우, 볼트가 조이는 방향으로 회전하기 시작하여 Φ가 0인 지점을 벗어날 때의 토크가 볼트의 실제 잔류 토크가 된다.

한편, 도 9에 도시된 것과 같이 체결부의 특성에 따라서는 볼트가 조이는 방향으로 회전하기 시작(측정되는 회전각도 Φ가 0보다 커지기 시작)하면서 슬립이 일어나 가해지는 토크의 크기가 짧은 시간 동안 감소하다가 증가할 수도 있다. 이 경우에는 감소하였다가 다시 증가하는 극소점에 해당하는 토크가 볼트의 실제 잔류 토크가 된다.

가로축의 측정 데이터는 다르지만, 도 8의 그래프는 앞서 설명한 도 6 및 7의 경우에 대응되고, 도 9의 그래프는 도 5의 경우에 대응되는 것으로 파악할 수 있다.

본 발명에 따른 토크 렌치에서는 이와 같이 실제 잔류 토크를 검수하는 것이 가능하지만, 통상의 토크 렌치에서는 회전 각도에 따른 토크 변화나, 시간에 따른 토크 변화를 측정하지 못하기 때문에 최대 토크만을 측정하였고 실제 잔류 토크는 측정할 수 없었다.

한편, 본 발명에 따른 잔류 토크 검수 방법들은 다음과 같은 방식으로 응용될 수 있다. 즉, 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한 방법이나 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한 방법 중 어느 하나를 주된 검수 방법으로 정하고, 다른 하나는 주된 검수 방법에 의한 측정값이 에기치 못한 에러에 의해 나온 적합하지 못한 데이터 인지 여부를 판별하는데 사용하는 방식이다. 예를 들면, 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한 잔류 토크 검수 방법이나 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한 잔류 토크 검수 방법을 포함하는 복수의 잔류 토크 검수 방법의 그룹이 있고, 이 중에서 하나의 잔류 토크 검수 방법을 주된 검수 방법으로 선택한다. 그 다음, 선택된 잔류 토크 검수 방법에 의해 측정된 잔류 토크의 크기를 나머지 잔류 토크 검수 방법 중 어느 하나 이상에 의해 측정된 잔류 토크의 크기들과 비교하여, 그 값들의 차이가 미리 정해진 오차 범위 이내이면 비교된 측정 값 중 하나 이상을 출력하고, 오차 범위 밖이면 재 측정이 필요하다는 메시지를 출력하는 방식으로 사용될 수 있다.

도 10에는 본 발명에 따른 토크 렌치의 하우징의 측면도를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 10에 도시된 것과 같이 하우징에는 메모리 카드용 슬롯, 축력 센서용 연결공, 전원용 연결공, 볼트용 체결공 등이 형성될 수 있다.

즉, 상기 하우징(50) 내부에 비치되는 PCB 모듈(70)(도 1)에는 상기 메모리 카드용 슬롯(53)을 통해 삽입되는 메모리 카드와 데이터 송수신을 할 수 있는 회로를 구비할 수 있다. 또한, 축력 센서가 하우징(50) 내의 PCB 모듈(70)과 연결되기 위한 배선이 상기 축력 센서용 연결공(54)을 통해 PCB 모듈(70)에 전기적으로 접속될 수 있다. 하우징(50)에는 그밖에 배터리 충전용 또는 유선 전원 공급용으로 전원용 연결공(55)이 형성될 수 있으며, 프론트 파트나 손잡이부와 결합할 때 사용하는 볼트용 체결공(51, 52)이 형성될 수 있다. 그밖에도 PCB 모듈(70)에 배치될 수 있는 유선 통신 모듈이 외부 PC 또는 다른 측정 기기와 연결될 수 있도록 하기 위해, 상기 하우징(50)에는 유선 통신을 가능하게 하는 통신 케이블 연결공(56), 예를 들어 USB 잭 연결공 등이 형성되어 있을 수 있다. 또한, PCB 모듈 내부에 무선 통신 모듈을 구비하지 않는 경우, 착탈식으로 외장형 무선 통신 모듈을 연결하여 사용할 수도 있고 이를 위한 연결공(57)이 하우징(50)에 형성되어 있을 수 있다.

이상과 같이 도면에 도시된 실시예에 따라 설명된 본 발명의 토크 렌치는 다음과 같은 방법으로 사용될 수 있다. 자동차 등과 같이 다수의 체결 요소에 대한 체결 작업이 연속적으로 이루어지는 제품의 생산 공정에서, 미리 체결 요소들 사이의 체결 작업의 순서를 정하거나, 각각의 체결 작업 시에 제품의 어느 부분에 사용되는 체결 요소에 대한 체결 작업인지를 미리 지정된 기호 등을 입력하는 방식을 정하여 놓는다. 이에 따라 체결 요소 하나하나에 대해 각각의 체결 작용에 드는 최대 토크가 얼마인지, 잔류 토크, 회전 각도, 축력 등이 얼마인지에 대한 데이터 를 수집하고 처리하도록 한다. 이를 통해 체계적인 생산 공정의 관리가 가능하다.

지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 토크 렌치의 구성을 개략적으로 보여주는 분리 사시도.

도 2는 측정 기구부의 구성을 보여주는 측면도.

도 3은 두 개의 판상의 부재를 체결 요소를 사용하여 체결하는 예에 있어서 축력 측정용 센서를 배치하는 위치를 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 토크 렌치를 사용하여 토크 렌치의 회전 각도에 따른 토크 크기 변화를 측정한 결과의 일례를 보여주는 도면.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 잔류 토크 검수 방법에 있어서 실제 잔류 토크값을 결정하는 방법을 보여주는 시간 대 토크 그래프.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 잔류 토크 검수 방법에 있어서 실제 잔류 토크값을 결정하는 방법을 보여주는 회전 각도 대 토크 그래프.

도 10은 본 발명에 따른 토크 렌치의 하우징의 측면의 구성의 일례를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 2: 체결되는 부재 3, 4: 체결 부재

10: 소켓 15: 어댑터

15a: 어댑터 말단부 15b: 고정부

20: 프론트 로드 21: 프론트 로드 관통공

22, 31: 관통공 23: 슬롯

30: 프레임 31: 프레임의 관통공

32, 61: 체결공 33: 힘 작용부

40: 로드셀 41: 로드셀 관통공

50: 하우징 51, 52: 볼트 체결공

53: 메모리 카드용 슬롯 54: 축력 센서용 연결공

55: 전원용 연결공 56: 통신 케이블 연결공

57: 외장형 무선 통신 모듈용 연결공

60: 손잡이부 70: PCB 모듈

80: 디스플레이부 90: 키패드부

100: 토크 렌치 110: 축력 센서

Claims (9)

1. 시간에 따른 토크 크기의 변화를 측정할 수 있는 토크 렌치를 사용하여 체결부의 잔류 토크를 측정할 수 있는 방법으로서,

   상기 토크 렌치로 체결 부재를 조이는 방향으로 회전력을 가하면서 동시에 토크 렌치에 의해 가해지는 토크의 크기를 점차 증가시키는 단계(a);

   토크 크기의 증가되는 기울기에 변동이 있는 경우 이를 감지하여 토크 렌치로 가하던 회전력을 제거하는 단계(b); 및

   상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 시간에 따른 토크 크기의 변화에서 토크 크기의 증가 기울기가 변화하는 지점을 파악하고,

   상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 시간에 따른 토크 크기의 변화에서, 가해지는 토크의 크기가 시간에 따라 잠시 감소되다가 다시 증가하는 양상을 보이는 경우에는 극소점에 해당하는 지점의 토크를 실제 잔류 토크로 정하며,

   상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 시간에 따른 토크 크기의 변화에서, 가해지는 토크의 크기는 지속적으로 증가하는 상태에서, 토크의 크기가 증가하는 기울기가 특정 지점으로부터 감소된 양상을 보이는 경우에는, 해당 기울기 감소 지점의 토크를 실제 잔류 토크로 정하는 단계(c)를 포함하는 잔류 토크 검수 방법.
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5. 토크 크기의 변화와 각도의 변화를 측정할 수 있는 토크 렌치를 사용하여 체결부의 잔류 토크를 측정할 수 있는 방법으로서,

   상기 토크 렌치로 체결 부재를 조이는 방향으로 회전력을 가하면서 동시에 토크 렌치에 의해 가해지는 토크의 크기를 점차 증가시키는 단계(a);

   토크가 가해짐에 따라 체결 부재가 회전하기 시작하면 이를 감지하여 토크 렌치로 가하던 회전력을 제거하는 단계(b); 및

   상기 단계(a) 및 단계(b)가 완료될 때까지의 회전 각도에 따른 토크 크기의 변화에서 회전 각도에 따른 토크 크기의 기울기가 토크 렌치가 회전하기 시작 지점에서 (+)의 값을 가질 때에는 회전 각도가 0인 지점에서의 해당 토크 크기를 실제 잔류 토크로 결정하고,

   회전 각도에 따른 토크 크기의 기울기가 토크 렌치가 회전하기 시작 지점에서 (-)의 값을 가질 때에는, 회전 각도에 따른 토크 크기의 변화에서, 토크 크기가 감소하였다가 증가하는 극소점이 존재하는 경우 그 극소점에서의 토크 크기를 실제 잔류 토크의 크기로 결하는 잔류 토크 검수 방법.
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8. 시간에 따른 토크 크기의 변화와 시간에 따른 각도의 변화를 측정할 수 있는 토크 렌치를 사용하여 체결부의 잔류 토크를 측정할 수 있는 방법으로서,

   제1항의 잔류 토크 검수 방법에 따른 잔류 토크의 크기와, 제5항의 잔류 토크 검수 방법에 따른 잔류 토크의 크기를 비교하여, 그 값들의 차이가 미리 정해진 오차 범위 이내인지 확인하는 단계; 및

   확인 결과, 미리 정해진 오차 범위 이내이면 측정된 값 중 하나 또는 평균값을 잔류 토크 값으로 정하는 단계를 포함하는 잔류 토크 검수 방법.
9. 제8항에 있어서,

   확인 결과 미리 정해진 오차 범위 밖이면 재 검수 요청을 출력하는 단계를 더 포함하는 잔류 토크 검수 방법.

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