Development of High Precision Fastening torque performance Nut-runner System

고정밀 체결토크 성능 너트런너 시스템 개발

Abstract

Nut fasteners that require ultra-precise control are required in the overall manufacturing industry including electronic products that are currently developing with the automobile industry. Important performance factors when tightening nuts include loosening due to insufficient fastening force, breakage due to excessive fastening, Tightening torque and angle are required to maintain and improve the assembling quality and ensure the life of the product. Nut fasteners, which are now marketed under the name Nut Runner, require high torque and precision torque control, precision angle control, and high speed operation for increased production, and are required for sophisticated torque control dedicated to high output BLDC motors and nut fasteners. It is demanded to develop a high-precision torque control driver and a high-speed, low-speed, high-response precision speed control system, but it does not satisfy the high precision, high torque and high speed operation characteristics required by customers. Therefore, in this paper, we propose a control technique of BLDC motor variable speed control and nut runner based on vector control and torque control based on coordinate transformation of d axis and q axis that can realize low vibration and low noise even at accurate tightening torque and high speed rotation. The performance results were analyzed to confirm that the proposed control satisfies the nut runner performance. In addition, it is confirmed that the pattern is programmed by One-Stage operation clamping method and it is tightened to the target torque exactly after 10,000 [rpm] high speed operation. The problem of tightening torque detection by torque ripple is also solved by using disturbance observer Respectively.

현재 자동차 산업과 함께 발전하고 있는 전자제품을 포함하는 전반적인 제조업 분야에서 초정밀 제어를 요하는 너트 체결기가 요구되고 있고 너트 체결시의 중요한 성능 요소는 체결력 부족에 의한 풀림과 과도한 체결에 의한 파손 및 강한 진동이나 외부 충격에 강건한 체결력 유지 등 조립 품질의 유지와 향상 및 제품 수명 보장을 위해 정확한 조임 토크, 각도 등이 요구된다. 현재 너트런너라는 제품명으로 판매되는 너트 체결기는 고토크 및 정밀토크제어, 정밀 각도제어 그리고 생산량 증대를 위한 고속운전 등의 특성들이 필요하며 고출력이 가능한 BLDC모터 및 너트체결기 전용의 정교한 토크제어에 필요한 고정밀 토크제어드라이버와 고속, 저속, 고응답의 정밀 속도 제어시스템의 개발이 요청되고 있으나 현재 고객이 요구하는 고정밀, 고토크 및 고속 작업특성을 만족시키지 못하고 있다. 따라서 본 논문에서는 정확한 체결 토크 및 고속 회전에서도 저진동 및 저소음을 구현할 수 있는 d축, q축의 좌표변환에 의한 벡터제어와 토크제어기반의 BLDC모터 가변속 제어와 너트런너의 제어 기술을 제안하고 여러 실험을 통해 성능 결과를 분석하여 제안한 제어가 너트런너 성능을 만족하는지를 확인 하였다. 또한 일단 운전 체결 방식(One Stage 운전 체결 방식)으로 패턴을 프로그램하여 10,000[rpm] 고속 운전 후 목표 토크로 정확히 체결됨을 확인하였으며 토크 리플에 의한 가체결 토크 검출의 문제점도 외란관측기을 사용하여 해결하였고 실험을 통해 검증하였다.

Fig. 1. Bolt fastened method

Fig. 2. Block Diagram of BLDC Controller

Fig. 3. Block Diagram of Current Controller

Fig. 4. Block Diagram of Disturbance Observer Speed Controller

Fig. 5. Test Jig

Fig. 6. Display of Target and measuring Torque

Fig. 7. Current Waveform according to Gain

Fig. 8. Speed Waveform according to Gain

Fig. 9. Speed Waveform for Smooth Start operation

Fig. 10. 3 Phase SVPWM Voltage Waveform

Fig. 11. One Stage bolt fastened Operation

Fig. 12. One Stage bolt fastened Operation with low torque ripple

Table 1. Specification