KR100241701B1

KR100241701B1 - 복합공정형머시닝센타

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Publication number: KR100241701B1
Application number: KR1019970059556A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 유선중; 황재철; 박창범; 조한상; 박종우; 배옥관; 김진욱; 이규영; 이기하
Original assignee: 김종원; 박종우
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1997-11-12
Publication date: 2000-03-02
Also published as: KR19990028178A

Abstract

본 발명은 복합공정형 머시닝센터에 관한 것으로서, 금속 재료를 가공하기 위한 공구가 위치한 공구홀더, 상기 공구의 회전운동을 구동하는 주축모터, 3축회전관절에 의하여 상기 주축계의 주축에 연결된 3개의 고정길이링크들, 1축회전관절에 의하여 상기 3개의 고정길이링크들과 각각 연결되어, 연결된 각 고정길이링크가 수직 이송하는 경로를 제공하는 3개의 직선형수직링크들, 상기 3개의 고정길이링크들이 연결된 해당하는 각각의 직선형수직링크 상에서 수직 이송하도록 구동하는 3개의 수직이송용모터, 상기 3개의 직선형수직링크들이 원주상을 이송하도록 경로를 제공하는 원형수평링크, 및 상기 3개의 직선형수직링크들이 상기 원형수평링크상을 수평 이송하도록 구동하는 3개의 수평이송용모터들을 포함하는 것임을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터에 의하면, 공작물의 저면을 제외한 5면 가공이 가능하며, 특히 수직 선삭 가공이 가능하므로 각형 및 원형을 형상을 지닌 복합 형상 가공물을 가공할 수 있다.

Description

복합 공정형 머시닝센타

본 발명은 금속 재료를 가공하는 공작 기계 중 특히 머시닝센터에 관한 것이다. 공작 기계는 금속 가공 공업에서 가장 중요한 생산 수단의 요소로서, 금속 재료를 절삭(Cutting) 또는 연삭(Grinding)하여 원하는 모양, 치수, 표면 정도의 제품을 얻는 도구이다. 공작 기계는 기계본체와 공구의 두 부분으로 구성되어 동력에 의하여 기계를 운전하고, 공구에 의하여 금속 재료가 가공된다. 공작 기계에서이러한 공구는 통상 교환 할 수 있도록 되어 있고, 이러한 공작 기계를 '머시닝센터'라고 한다. 이러한 머시닝센터에서 컴퓨터를 통한 수치 입력에 의하여 금속 재료 가공에 필요한 인자들을 제어하는 컴퓨터 수치 제어(CNC) 머시닝센터가 등장하였다.

종래의 머시닝센터에서의 금속 재료의 가공을 위하여, 공작물과 공구의 상대 운동이 필요하며, 밀링, 드릴링, 보링 등과 같은 대부분의 절삭공정에서 공구의 회전 운동이 포함된다. 이 때 공구의 회전 운동은 주축계의 주축모터에 의하여 이루어지며, 공작물과 공구의 상대 운동은 공작물이 고정되어 있는 테이블과 주축계의 상대 운동에 의하여 이루어진다.

그러나, 상기한 종래의 머시닝센터에서는 공작물이 고정되어 있는 테이블에 대한 주축의 경사도가 최고 45°이하로 제한된다. 수직형 선삭 가공에서는 공작물이 고정된 테이블에 대한 주축의 경사도가 90°가 되어야 하므로, 종래의 머시닝센터에 의하여는 원형 가공물(축대형 가공물)을 가공할 수 없는 단점이 있다. 또한, 단일의 가공물내에 각형 및 원형의 형상을 지닌 복합 형상 가공물도 역시 가공할 수 없음은 물론이다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술에 의한 머시닝센터의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가공대상물체의 저면을 제외한 5면을 자유롭게 가공할 수 있고, 수직 선삭 가공이 가능하여 각형 및 원형을 형상을 지닌 복합 형상 가공물을 가공할 수 있도록 하는 머시닝센터를 제공하는데 있다.

종래의 머시닝센터가 각형 공작물만을 가공할 수 있는 것에 비하여 본 발명에서 제시하는 머시닝센터는 원형 및 각형의 복합 형상 가공물을 가공할 수 있으므로, 본 발명에 의한 머시닝센터를 이하에서는 '복합 공정형 머시닝센터'라고 하기로 한다.

도1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 복합 공정형 머시닝센터의 사시도,

도2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 복합 공정형 머시닝센터의 평면도,

도3은 도2에 표시된 A-A 단면도로서 회전단면도법에 의하여 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 복합공정형 머시닝센터의 단면도,

도4는 본 발명의 일실시예에 의한 복합공정형 머시닝센터의 상향식 직선형수직링크의 단면도,

도5는 본 발명의 일실시예에 의한 복합공정형 머시닝센터의 하향식 직선형수직링크의 단면도이다.

도6은 본 발명의 일실시예에 의한 복합공정형 머시닝센터에서 공작물에 대하여 주축이 수직인 경우의 사용상태도,

도7은 직선형수직링크 충돌방지용 리밋스위치를 설명하기 위한 것으로서, 도3에 도시된 B-B의 충돌시 요부 단면도.

* 도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 공구 2 : 주축모터

3 : 3축회전관절 4 : 고정길이링크

5 : 1축회전관절

6 : 직선형수직링크(상향식) 6' : 직선형수직링크(하향식)

61, 61' : 볼너트 62, 62' : 볼스크류

63, 63' : 커플링 7 : 수직이송용모터

8 : 원형수평링크

81 : 링기어 82 : 피니언기어

83 : 로울러 9 : 수평이송용모터

10, 10' : 직선형수직링크충돌방지용 리밋스위치

11 : 고정길이링크수직이송제한용 리밋스위치

12 : 수평이송원점복귀용 리밋스위치

13 : 수직이송원점복귀형 리밋스위치

20 : 공작물

31 : 공작물고정부재 32: 척

33 : 풀리 34 : V-벨트

35 : 공압실린더 36 : 풀리구동용 모터

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터는, 금속 재료를 가공하기 위한 공구가 위치한 공구홀더, 상기 공구의 회전운동을 구동하는 주축모터, 3축회전관절에 의하여 상기 주축계의 주축에 연결된 3개의 고정길이링크들, 1축회전관절에 의하여 상기 3개의 고정길이링크들과 각각 연결되어, 연결된 각 고정길이링크가 수직 이송하는 경로를 제공하는 3개의 직선형수직링크들, 상기 3개의 고정길이링크들이 연결된 해당하는 각각의 직선형수직링크 상에서 수직 이송하도록 구동하는 3개의 수직이송용모터, 상기 3개의 직선형수직링크들이 원주상을 이송하도록 경로를 제공하는 원형수평링크, 및 상기 3개의 직선형수직링크들이 상기 원형수평링크상을 수평 이송하도록 구동하는 3개의 수평이송용모터들을 포함하는 것임을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 복합공정형 머시닝센터의 사시도이고, 도2는 평면도이다. 도3은 도2에 표시된 A-A 단면도로서 회전단면도법에 의하여 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 복합공정형 머시닝센터의 단면도이다.

도1, 도2 및 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터는 공구(1)와 공구의 회전운동을 구동하는 주축모터(2)로 구성된 주축계와 공구의 위치 및 자세를 결정하는 이송계로 구성된다.

금속 재료를 원하는 형상과 모양으로 가공하기 위하여는 특히, 공작물(20)에 대한 공구의 상대적 위치 및 자세를 제어하는 것이 필수적이다. 이를 위하여 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터는 주축에 3개의 링크들을 연결시키고, 각 링크가 수직 방향 및 수평 방향으로 구동되도록 하여 주축이 6자유도 운동을 하도록 하는 병렬 기구 구조를 도입한다.

도1, 도2 및 도3에 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 복합공정형 머시닝센터에서는 3개의 고정길이링크들(4)이 3축회전관절(3)에 의하여 공구(1) 및 주축모터(2)로 구성된 주축계에 연결된다. 3개의 고정길이링크들(4)의 길이는 서로 동일하거나 또는 서로 상이할 수 있고, 도1, 도2 및 도3에 도시된 경우는 3개의 고정길이링크들(4)의 길이가 서로 동일한 경우이다. 본 발명에서 사용되는 3축회전관절(3)은 허용 경사각은 60°이상이 되도록 특별히 제작한 것으로서, 종래의 3축회전관절(3)에서 최대 허용 경사각이 50°인 점을 고려할 때 허용 경사각이 큰 장점이 있다. 작업영역을 고려하여 볼 때, 3축회전관절의 허용 경사각이 클수록 바람직하다.

일반적으로 3축회전관절은 볼, 소켓 및 링크로 구성되는데, 3축회전관절의 최대 허용 경사각은 소켓의 크기, 볼과 연결되는 링크의 굵기, 볼의 크기에 의하여 결정된다. 즉, 링크와 연결된 볼이 소켓에 대하여 상대적인 회전운동을 할 때, 소켓과 링크의 물리적인 접촉위치까지가 관절이 허용하는 최대 회전 범위이다.

상용으로 나와있는 이러한 회전 관절의 경우, 최대 허용 경사각이 보통 30°내지 40°로 제한되는 반면에, 본 발명의 바람직한 일실시시예에서 사용되는 3축회전관절은 60°까지 확보되도록 특별히 제작된 것이다. 여기에서, '특별히 제작되었다'는 의미는 종래의 볼-소켓 구조의 3축회전관절과 전혀 다른 구조를 채택하여 최대 허용 경사각을 확보하였다는 의미가 아니라, 소켓의 크기와 링크의 굵기가 최대 허용 경사각과 가지는 상관관계로부터 각 요소들의 크기를 결정하여 최대 허용 경사각을 60°까지 확보하였다는 것을 의미한다.

3개의 고정길이링크들(4)의 수직방향의 이송은 해당하는 각각의 직선형수직링크들(6,6')에 의하여 제공되는 수직방향 경로를 따라서, 각각의 수직이송용모터(7)에 의하여 구동되어 수행된다. 이를 위하여, 3개의 고정길이링크들(4)은 1축회전관절(5)에 의하여 해당하는 각각의 직선형수직링크들(6,6')에 연결된다.

도면에 도시된 본 발명의 바람직한 일실시예에서 상기 직선형수직링크들(6,6')은 각각에 연결된 고정길이링크들(4)의 수직이송경로가 원형수평링크(8)를 기준으로 대체로 상방향인 상향식 직선형수직링크(6) 2개와 반대로 하방향인 하향식 직선형수직링크(6') 1개로 구현하였다. 이는 고정길이링크들(4)을 주축계에 연결하는 3축회전관절들(3)에 의한 작업 영역의 제한을 최소화하기 위한 것이다. 3개의 직선형수직링크들이 모두 상향식 또는 하향식으로 구현될 수도 있으며, 3개의 직선형 수직링크들 중 1개가 상향식, 나머지 2개가 하향식으로 구현될 수도 있다.

도4는 상향식 직선형수직링크(6)의 단면도이고, 도5는 하향식 직선형수직링크(6')의 단면도이다.

각 직선형수직링크(6,6')는 상기 수직이송용모터(7)에 의하여 각 고정길이링크(4)가 수직이송하는 경로인 볼스크류(62, 62'), 각 고정길이링크(4)와 연결된 1축회전관절(5)과 볼스크류(62,62')를 연결하기 위한 볼너트(61,61') 및 상기 볼스크류(62,62')와 각각의 수직이송용모터(7)를 연결하는 커플링(63,63')으로 구성되어 있다.

수직이송용모터(7)의 회전 구동력이 볼스크류(62,62')를 통하여 볼너트(61,61')에 전달되고, 볼너트(61,61')에 연결된 1축회전관절(5)을 통하여 고정길이링크(4)에 전달되어, 결과적으로 고정길이링크(4)가 볼스크류(62,62')에 의하여 제공된 수직이송경로를 따라서 이송한다.

한편, 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터에서 3개의 고정길이링크(4)의 수평방향 이송은 고정길이링크(4)가 연결된 각각의 직선형수직링크(6,6')가 각각의 수평이송용모터(9)에 의하여 구동되어 원형수평링크(8)상의 수평적인 원주 경로에 따라서 이송하는 것에 의하여 수행된다.

이와 같은 직선형수직링크(6,6')의 수평이송을 위하여, 원형수평링크(8)의 외측면에는 링기어(81)가 구현되어 있고, 직선형수직링크(6,6')에는 수평이송용모터(9)에 의하여 구동되는 피니언기어(82)가 구현되어 있다. 수평이송용모터(9)는 피니언기어(82)를 구동하여 피니언기어(82)가 상기 링기어(81)와 맞물려서 돌아가도록 함에 의하여 직선형수직링크(6,6')의 수평이송을 수행하도록 한다.

직선형수직링크(6,6')는 고정길이링크(4)의 수직 이송시 수직방향의 하중, 직선형수직링크(6,6')의 수평 이송시 수평방향의 원심력, 및 강체들간의 수평 방향 및 수직 방향의 내부력을 견디기 위하여 로울러들(83)이 구현되어 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 3개의 고정길이링크(4)의 직선형수직링크(6,6')상의 수직이송과, 3개의 직선형수직링크(6,6')의 원형수평링크(8)의 수평이송에 의하여 구성되는 주축의 6자유도 운동에 의하여 주축에 연결된 공구의 위치 및 자세가 결정된다. 즉, 공구의 위치 및 자세의 궤적은 수직이송모터 및 수평이송모터의 회전운동성분에 의하여 결정되며, 컴퓨터수치제어 머시닝센터의 경우 기구학적 해석과정을 통하여 결정된 각 이송모터들의 입력값들을 수치적으로 제어하여 공작물에 대한 공구의 상대적 위치를 제어하여 원하는 형상 및 모양의 가공물을 얻도록 한다. 특히, 위에서 설명한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터는 주축이 공작물에 대하여 수직인 자세를 가질 수 있으므로 측면 가공이 용이하게 된다. 도6은 본 발명의 일실시예에 의한 복합공정형 머시닝센터에서 공작물에 대하여 주축이 수직인 경우를 도시한 것이다.

한편, 도1 내지 도5에 도시된 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 복합공정형 머시닝센터에서 공구의 위치 및 자세를 결정하는데 가장 제한적인 요소는 고정길이링크(4)를 주축계에 연결하는 3축회전관절(3)의 회전각도이다. 따라서, 본 발명에서는 고정길이링크(4)가 직선형수직링크(6,6')상을 수직 이송하는 범위를 한정함에 의하여 3축회전관절(3)에 무리를 줄 수 없도록 하였다.

수직이송범위를 제한하기 위하여, 각 직선형수직링크(6,6')는 고정길이링크 수직이송 제한용 리밋스위치(11)를 포함하여, 고정길이링크(4)의 수직이송이 고정길이링크 수직이송 제한용 리밋스위치(11)에 의하여 제한되도록 한다.

또한, 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터는 3개의 직선형수직링크(6,6')가 각각의 수평이송용모터(9)에 의하여 구동되어 원형수평링크(8)상에서 360° 수평이송하므로 직선형수직링크끼리의 충돌할 상황을 대비하여야 한다. 이를 위하여, 직선형수직링크(6,6')는 직선형수직링크 충돌방지용 리밋스위치(10,10')를 포함하고 있다. 직선형수직링크 충돌방지용 리밋스위치가 서로 접촉하면 직선형수직링크가 접근한 사실을 감지한다.

도7은 직선형수직링크 충돌방지용 리밋스위치를 설명하기 위한 것으로서, 도3에 도시된 B-B의 충돌시 요부 단면도이다.

컴퓨터 수치제어에 의한 복합공정형 머시닝센터의 구동은 일반적으로 공구의 초기 위치 및 자세에 의하여 결정되는 초기값에 대한 변위값에 의하여 제어되는 것이므로, 머시닝센터의 원점을 결정하는 것이 필요하다.

이를 위하여 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터는 수형이송원점복귀용 리밋스위치(12) 및 수직이송원점복귀용 리밋스위치(13)를 더 포함한다.

상기에서는 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터를 구성하는 주축계와 이송계를 설명하였다. 일반적으로 머시닝센터는 공구를 회전하는 주축계와 공구의 위치를 자세를 결정하기 위한 이송계로 구성될 수 있다.

본 발명에서는 주축계와 이송계로 구성된 상기에서 설명한 바와 같은 머시닝센터에 부가적으로 공작물을 회전시키는 공작물 회전계를 더 포함하도록 하는 것을 제안한다.

공작물 회전계는 금속 재료인 공작물(20)을 고정하는 공작물고정부재(31), 상기 공작물고정부재(31)를 지지하는 척(32), 상기 척에 연결된 공압실린더(35), 상기 척을 회전시키기위한 풀리(33), 상기 풀리(33)를 구동하는 폴리구동용모터(36)를 포함하며, 풀리구동용모터(36)가 직결식이 아닐 경우에, 풀리구동용모터(36)의 회전 구동력을 상기 풀리(33)로 전달하기 위한 V-벨트(34)를 더 포함할 수 있다.

공작물 회전계를 일체로 포함하면, 도6에서 보이는 바와 같이 주축이 공작물에 대하여 수직인 상태에서 공작물을 회전시키면서 수직 선삭가공이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 복합공정형 머시닝센터는 공작물의 저면을 제외한 5면 가공이 가능하며, 특히 수직 선삭 가공이 가능하므로 각형 및 원형을 형상을 지닌 복합 형상 가공물을 가공할 수 있는 장점이 있다.

Claims

금속 재료를 가공하기 위한 머시닝센터에 있어서,

금속 재료를 가공하기 위한 공구가 위치한 공구홀더;

상기 공구의 회전운동을 구동하는 주축모터;

3축회전관절에 의하여 상기 주축계의 주축에 연결된 3개의 고정길이링크들;

1축회전관절에 의하여 상기 3개의 고정길이링크들과 각각 연결되어, 연결된 각 고정길이링크가 수직 이송하는 경로를 제공하는 3개의 직선형수직링크들;

상기 3개의 고정길이링크들이 연결된 해당하는 각각의 직선형수직링크 상에서 수직 이송하도록 구동하는 3개의 수직이송용모터;

상기 3개의 직선형수직링크들이 원주상을 이송하도록 경로를 제공하는 원형수평링크; 및

상기 3개의 직선형수직링크들이 상기 원형수평링크상을 수평 이송하도록 구동하는 3개의 수평이송용모터들을 포함하는 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 3축회전관절은

최대 허용 경사각이 60°이상인 점을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 3개의 고정길이링크의 길이가 서로 동일한 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 3개의 고정길이링크의 길이가 서로 상이한 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 직선형수직링크는,

상기 수직이송용모터에 의하여 고정길이링크가 수직이송하는 경로인 볼스크류;

상기 고정길이링크와 연결된 1축회전관절과 상기 볼스크류를 연결하기 위한 볼너트; 및

상기 볼스크류와 상기 수직이송용모터를 연결하는 커플링을 포함하는 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 복합공정형 머시닝센터는

상기 수평이송용모터에 의하여 구동되어 상기 직선형수직링크가 상기 원형수평링크상을 수평이송하도록 하는 피니언기어; 및

상기 원형수평링크의 외측면에 구현되어 상기 피니언기어에 맞물려서 회전하는 링기어를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 복합공정형 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 복합공정형 머시닝센터는

상기 고정길이링크의 수직 이송시 수직방향의 하중, 상기 직선형수직링크의 수평 이송시 수평방향의 원심력, 및 강체들간의 수평방향 및 수직방향의 내부력을 견디기 위하여 로울러들을 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 복합공정형 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 3개의 직선형수직링크는,

연결된 상기 고정길이링크가 상기 원형수평링크를 기준으로 상향으로 수직이송하는 상향식 직선형수직링크와, 연결된 상기 고정길이링크가 상기 원형수평링크를 기준으로 하향으로 수직이송하는 하향식 직선형수직링크로 구성되는 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제8항에 있어서, 상기 3개의 직선형수직링크들은,

2개의 상향식 직선형수직링크와 1개의 하향식 직선형수직링크로 구성되는 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 복합공정용 머시닝센터는,

상기 직선형수직링크 충돌방지용 리밋스위치를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 복합공정용 머시닝센터는,

상기 고정길이링크 수직이송제한용 리밋스위치를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 복합공정용 머시닝셍터는,

상기 직선형수직링크가 상기 원형수평링크상을 수평 이송하는 운동의 원점복귀용 리밋스위치를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 복합공정용 머시닝센터는,

상기 고정길이링크가 상기 직선형수직링크의 수직이송경로상을 수직 이송하는 운동의 원점복귀용 리밋스위치를 더 포함하는 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.
제1항에 있어서, 상기 복합공정용 머시닝센터는,

금속재료를 고정하기 위한 공작물고정부재, 상기 공작물고정부재를 지지하는 척, 상기 척에 연결된 공압실린더, 상기 척을 회전시키기 위한 풀리, 상기 풀리를 구동하기 위한 모터로 구성된 공작물 회전계를 더 포함하여 공구를 포함하는 주축계와 공작물 회전계가 일체로 구성되도록 하는 것임을 특징으로 하는 복합공정용 머시닝센터.