단계별: 힘-토크 센서의 하중 해석 단계별: 힘-토크 센서의 하중 해석 | HBM

단계별: 힘-토크 센서의 부하 분석

적합한 힘-토크 센서를 선택하는 것은 언뜻보기에는 간단해 보이는 경우가 많습니다. 측정 대상은 무엇이며 대략적인 측정 범위는 무엇입니까? 이 두 가지 질문에 대한 답을 찾으면 고려해야 할 몇 가지 측면이 더 있습니다. 다음 단계는 트랜스듀서의 부하 한계에 대해 생각하는 것입니다. 다음 백서에서는 허용 하중을 고려할 때 염두에 두어야 할 사항, 고려해야 할 특수 측면 및 합리적인 평가 방법을 자세히 살펴볼 것입니다.

데이터 시트 사양 및 해당 관계

다축 힘/토크 센서의 데이터 시트 (예: HBM MCS10 데이터 시트)를 보면 최대 허용력, 모멘트 또는 관찰 기준에 대한 자세한 정보를 찾을 수 있습니다 (그림 1 및 그림 2 참조). 데이터는 제조업체 또는 유형에 따라 다를 수 있습니다. 그러나 항상 응용 분야에 가장 적합한 다축 센서를 찾는 데 결정적인 역할을 하는 품질 기준입니다.

이러한 사양을 자세히 살펴보면 설명해야 할 몇 가지 관련 용어를 찾을 수 있습니다.

  • 공칭 힘/공칭 모멘트
  • 힘 제한/모멘트 제한
  • Break 힘/Break 모멘트
  • 부하 비율 합계 (LRS)
  • 다축 부하에서 충족해야 할 기준
    • Nominal (rated) 측정 범위:
    • 피로 강도 범위
      • Pulsating 부하
      • Alternating 부하
    • Static 하중 범위
    • Break 없는 범위

개별 용어가 어떻게 관련되어 있는지 이해하는 가장 좋은 방법은 발생할 수 있는 하중 유형과 분류 방법을 고려하는 것입니다. 아래로 스크롤하여 하중 유형과 관련 한계 또는 기준을 연결하고 센서가 주어진 상황에서 하중을 전달할 수 있는지 여부를 알려주는 대화형 가이드를 확인하십시오. 선택한 응용 분야에서는 여기에 표시된 기계적 부하 외에도 온도 또는 기타 환경 영향으로 인한 다른 하중을 고려해야 합니다. 그러나 대부분의 경우 이는 필요하지 않으며 의심스러운 경우 쉽고 빠르게 명확히 할 수 있습니다.

그러나 단축 또는 다축, Static 또는 dynamic, pulsating 또는 alternating에 대해 이야기하든 관계없이 센서의 안전한 작동을 보장하기 위해 적용해야하는 테스트 기준이 있습니다.


대화형 가이드

데이터시트의 주어진 한계 및 기준과 함께 이 대화형 가이드를 사용하여 센서가 부하를 운반할 수 있는지 알아보십시오. 적용 가능한 옵션을 선택하기만 하면 됩니다. 

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대화형 가이드를 인쇄 가능한 순서도로 다운로드하려면 여기를 클릭하세요.


단축 하중 vs 다축 하중

1축 하중은 센서가 좌표계의 한 방향 또는 한 축을 중심으로 하중이 가해지는 것을 의미합니다. 힘이든 모멘트이든 추가 하중이 추가되는 즉시 이를 다축 하중이라고 합니다. 최대 6개의 하중이 동시에 발생할 수 있습니다: 세 개의 힘 Fx, Fy, Fz 및 세 개의 모멘트 Mx, My, Mz.

일반적으로 외부에서 가해지는 하중은 센서의 측정 본체에 기계적 응력을 초래합니다. 다축 하중의 경우 단일 테스트 기준과 비교할 수 있도록 이들을 결합하는 것이 목적입니다. 여기서는 부하 비율 합계 (LRS)를 계산하여 수행됩니다.

이 공식에는 기존의 모든 하중, 허용 최대 용량 및 네 가지 보정 계수가 포함됩니다. 이는 MCS10 데이터 시트에서도 찾을 수 있습니다 (그림 2 참조).

Static vs Dynamic 및 Pulsating vs Alternating 부하

Static 하중은 센서가 시간이 지남에 따라 변하지 않는 하중, 즉 일정하고 가변적이지 않은 하중을 받는다는 것을 의미합니다. 반면에 dynamic 하중은 시간이 지남에 따라 하중이 변한다는 것을 의미합니다. 즉, 일정하지 않습니다. 많은 응용 분야에서 Static 하중에는 하중을 적용하고 제거하는 프로세스가 포함됩니다. Static 하중에 도달하는 지점까지 하중은 동적으로 증가하고 하중이 제거되면 다시 동적으로 감소합니다. 종종 이러한 응용 프로그램은 순전히 정적인 것으로 간주될 수 있지만 의심스러운 경우 부하의 적용 및 제거를 개별 dynamic 하중 사례로 고려하는 것도 유용할 수 있습니다.

Dynamic 하중은 pulsating 하중과 alternating 하중을 구분합니다. 여기서 결정적인 요소는 pulsating 하중의 경우 하중 방향의 반전이 발생하지 않는다는 것입니다. 즉, 센서에 가해지는 압축력 또는 인장력이나 축을 중심으로 한 방향의 비틀림은 때때로 더 강하고 다른 경우에는 약할 때만 변한다는 것을 의미합니다. 반면에 alternating 하중은 인장력 및 압축력 또는 시계 방향 및 시계 반대 방향 토크가 번갈아 가며 나타나는 것을 의미합니다. 이것은 또한 하중의 부호 반전으로 설명됩니다.

그림 4는 이 세 가지 경우에 적용된 부하로 인한 시간 기록의 예를 보여줍니다. alternating 하중에 대한 테스트 기준은 트랜스듀서에 가장 큰 부하를 가하기 때문에 가장 엄격합니다.

최대 용량, 한계 하중, Breaking 하중

이 세 가지 부하 제한을 구분하는 것은 그리 어렵지 않지만 센서의 안전한 사용을 보장하는 것이 중요합니다. 센서의 기술 사양은 최대 용량까지 보장됩니다. 최대 용량을 초과하고 한계 하중에 이르는 하중의 경우 더 이상 사양을 보장할 수 없습니다. 그러나 이 범위의 부하는 여전히 허용되며 너무 자주 발생하지 않으면 센서가 손상되지 않습니다. 한계 하중과 파괴 하중 사이의 범위까지 하중을 더 증가시킬 때, 측정 바디는 영구적으로 손상될 정도로 변형되어 센서를 더 이상 측정에 사용할 수 없게 됩니다. Breaking 하중 한계를 초과하는 하중은 센서가 파손될 수 있습니다. 이러한 하중 범위는 일축 및 Static 하중 사례에만 적용된다는 점에 유의해야 합니다.

특별한 측면 및 가능한 누락

사소하지만 가끔 간과되는 측면은 센서가 측정되지 않더라도 6방향 모두에서 하중을 견뎌야 한다는 것입니다. 예를 들어, 3채널 힘 센서 (Fx, Fy, Fz)를 사용하는 경우, 측정하지 않더라도 발생하는 모멘트도 견뎌야 합니다. 이러한 모멘트가 토크로 직접 도입되는지 또는 적용된 힘과 힘 적용 지점에서 좌표 원점까지 레버 암의 결과인지는 중요하지 않습니다.

후자는 또 다른 특수성을 낳습니다. MCS10에서 좌표 원점의 위치는 측정 본체의 중앙에 있습니다. 힘 Fx,1이 측정 본체 표면에 직접 가해지면 레버 암 lh(센서 높이의 절반)와 모멘트 My가 발생합니다. 예를 들어 테스트 설정으로 인해 힘이 센서에서 더 멀리 떨어지면 레버 암은 lh+l이고, 힘 Fx,2와 함께 모멘트 M y가 커집니다. 이러한 이유로 힘은 항상 센서에 최대한 가깝게 적용되어야 하며, 레버가 길면 더 자세히 살펴봐야 합니다.

실용적 적용

이제 다양한 유형의 하중, 한계 및 기준을 검토했으므로 응용 분야에서 트랜스듀서의 하중을 가장 잘 추정하는 방법에 대한 의문이 제기됩니다. 다음 절차가 실행 가능한 것으로 입증되었습니다.

  1. 최대 용량에 따른 선택
  2. 모든 최대 하중 결정
  3. 하중 케이스 정의
  4. 개별 하중 사례에 대한 고려
  5. 전반적인 평가

최대 용량에 따른 선택

대부분의 경우 측정 방향을 알고 있으며 최대 용량은 절대값으로 추정 할 수 있습니다. 이 지식은 센서를 선택하는 데 사용할 수 있습니다.

발생하는 모든 부하 결정

각 하중 방향에 대한 최대 하중은 응용 분야에서 발생하는 최대 하중과 기하학적 배열 (토크 = 힘 x 레버 암)에서 파생될 수 있습니다. 이것들을 절대 값뿐만 아니라 부호로 기록하는 것이 합리적입니다. 이 작업은 특히 더 복잡한 설정과 상호 작용하는 힘에서 시간이 많이 걸리는 경우가 많습니다. 그러나 이는 신뢰할 수 있는 평가의 기초이므로 필요합니다.

최대 하중 외에도 추가 하중도 관련이 있을 수 있습니다. 특히 다른 유형의 하중이 관련된 경우가 그렇습니다. 예를 들어 최대 하중이 정적이지만 약간 낮은 하중이 번갈아 가며 동적인 경우 두 경우 모두 조사해야합니다.

하중 케이스 정의

종종 모든 부하가 동시에 발생하는 것은 아닙니다. 두 개의 힘과 한 모멘트를 가진 정규 작동 모드뿐만 아니라 다른 힘을 가진 응용 프로그램의 시작 및 중지 모드가있을 수 있습니다. 이러한 상황을 개별적으로 고려할 수 있으려면 개별 하중 사례로 세분화하고 각 하중 사례를 개별적으로 연구하는 것이 좋습니다. 여기에서 테이블 개요를 만드는 것이 좋습니다.

개별 하중 사례에 대한 고려

이 페이지의 대화형 안내서는 이 단계에서 개별 하중 사례를 검사하기 위한 올바른 한계 값 또는 올바른 기준을 찾는 데 도움이 됩니다. 각 하중 사례에 대해 실제 하중을 한계와 비교하여 평가하거나 이 경우에 대해 계산된 LRS를 각 기준과 비교하여 평가합니다. 매번 LRS를 수동으로 계산할 필요가 없도록 Microsoft® Excel®용 템플릿을 여기에서 다운로드할 수 있습니다. 이렇게 하면 이 단계를 자동화할 수 있습니다.

전반적인 평가

위에서 설명한 단계를 수행하면 테이블을 얻을 수 있습니다. 이상적으로는 개별 하중 케이스의 긍정적 인 결과 만 표시됩니다. 이 표에서는 OK 또는 NOT OK를 기록하는 것뿐만 아니라 정확한 결과를 기록하는 것도 의미가 있습니다. 이를 통해 측정 범위에 적합하지 않은 센서가 선택되었는지 또는 모든 결과가 일관성이 있는지 쉽게 확인할 수 있습니다.

결론

다중 구성 요소 센서를 선택하고 평가하는 것은 간단하지 않습니다. 그러나 이 단계별 프로세스를 따라 순서도를 준비하면 주제를 쉽게 처리할 수 있으며 결과적으로 신뢰할 수 있는 설명을 얻을 수 있습니다.