KR100247655B1

KR100247655B1 - 운동변환장치

Info

Publication number: KR100247655B1
Application number: KR1019970011524A
Authority: KR
Inventors: 헤이자부로 가또; 마사오 니시오까; 모또오 다까무라
Original assignee: 오가와 히로우미; 가부시끼가이샤 산쿄 세이사쿠쇼
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 2002-06-27
Also published as: JPH09269041A; EP0800021A3; DE69706595D1; EP0800021B1; KR970070636A; US6009773A; DE69706595T2; EP0800021A2; JP3907742B2

Abstract

위치선정 시에 관성부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크를 상쇄하는 것뿐 아니라, 위치선정 시에 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크의 역효과도 경감하는 토크보상 디바이스를 구비하는 운동변환장치가 개시된다.

전동캠 디바이스를 통해 입력샤프트의 연속적인 회전운동을 출력샤프트의 소정 형태의 운동으로 변환시키는 운동변환장치에서, 토크보상 디바이스는 입력샤프트에 연결된 캠과, 캠종동절 및 상기 캠에 대하여 상기 캠종동절을 누르는 탄성력 발생 디바이스를 포함한다. 전동캠 디바이스를 통해 입력샤프트의 운동을 출력샤프트의 운동으로 변환시킬 때, 입력샤프트와 출력샤프트중 적어도 하나에 작용하는 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크에서, 상기 변동토크의 평균값이 나 그 근사값을 빼서 얻어진 변동분토크와, 입력샤프트의 운동을 출력샤프트의 운동으로 변환시킬 때 관성부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크는 상기 토크보상 디바이스의 위치선정에 의해 입력샤프트에 적용되는 변동토크에 의해 상쇄된다.

Description

운동변환장치

본 발명은 연속적인 회전운동을, 간헐적인 회전운동과 요동하는 회전운동과 같은 특수한 회전운동, 혹은 그러한 회전운동끼리의 조합 및, 회전운동과 직선운동의 조합과 같은 소정의 형태의 운동으로 변환시키는 운동변환장치에 관한 것이다.

일반적으로, 운동변환장치는 모터 같은 구동장치에 연결된 입력샤프트와, 턴테이블이나 컨베이어 같은 구동되는 부재에 연결된 출력샤프트를 포함하고 있으며, 입력샤프트의 연속적인 회전운동은 캠장치를 통하여 출력샤프트의 운동으로 변환되고, 이 변환된 운동은 출력샤프트를 통하여 구동되는 부재로 전달된다.

이러한 운동변환장치는 위치선정 하는 동안, 출력샤프트에 상기 위치선정동안 작용하는 연속적으로 변화하는 토크뿐 아니라 이 토크에 대한 반력이 입력샤프트 상에 변동토크로 작용하고, 이것에 의해 입력샤프트의 균일한 회전이 방해되어 위치선정 하는 동안 진동과 위치선정에러(positioning error)가 발생한다. 따라서, 운동변환장치는 관성력과 같이 보존적인 힘에 의해 발생되는 입력샤프트의 변동토크를 상쇄하기 위해, 일본국 특허 공개 제 54-159(미심사)에 게시된 바와 같은 토크보상 디바이스가 구비되어 있다.

그러나 이러한 운동변환장치에 있어서 큰 변동토크가 입력샤프트에 작용할 경우, 이 큰 변동토크에 따라 관성질량체(inertia body)가 반드시 증가되어야 하므로 그 장치의 크기는 증가될 것이다. 따라서, 이러한 변동토크를 효과적으로 상쇄하기 위한 방법으로서, 일본국 특허 공개 제 1-l2O472(미심사)에 게시된 바와 같이 공기스프링 형태의 토크보상 디바이스가 제안되었다.

상기 운동변환장치는 입력샤프트의 연속적인 회전운동이 출력샤프트의 운동으로 변환될 때 발생하는 변동토크에 대한 정반대의 토크를 발생시키고, 상기 토크를 입력샤프트에 작용시켜서, 발생된 변동토크를 상쇄시킨다. 입력샤프트에 인가된 토크의 크기는, 본 장치에서 제공되고 미리 산정된 캠곡선을 가지고 있는 토크보상캠에 맞물린 캠종동절(cam follower)의 위치선정에 의해, 그리고 캠종동절의 움직임에 따라 실린더 내에서 이동하는 피스톤의 왕복운동(reciprocal movement)에 의해 조절된다. 이 구조에 의해 입력샤프트 토크는 균일하게 되고, 한 사이클 전체에 걸쳐 즉, 입력샤프트가 36O도 회전하는 전구간에 걸쳐서 영(zero)에 가까운 값을 가지며, 따라서 운동변환장치에서의 변동토크의 악영향을 제거할 수 있음과 동시에 구동모터의 용량이 감소될 수 있다.

그러나, 일본 특허 공개 번호 1-l2O472(미심사)에 발표된 운동변환장치에서는, 출력샤프트의 관성부하 및 출력에 작용하는 스프링력 같은 에너지 보존만 고려하고 있을 뿐, 출력샤프트에 작용하는 마찰력 같이 비보존적인 소산력(dissipating force)에 기인하는 토크 변동에 대해서는 어떤 고려도 되지 않았다. 이러한 마찰력은 열 등에 의해 변환되고 소멸되며, 이 마찰력은 지금까지는 필요한 최소한의 에너지손실로 간주되었으며, 지금까지는 이러한 마찰력에 기인하는 변동토크가 보상되어야 할 것이라는 견해는 존재하지 않았다. 그러나, 일부 특수한 캠기구에서는 마찰력이 지배적이고 무시될 수 없으며, 종래에는 이러한 경우를 다루기 위한 기술이 존재하지 않았다.

상기 문제의 관점에서, 본 발명의 목적은 관성부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크뿐만 아니라 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크의 일부분도 상쇄시킬 수 있고, 또한 상쇄될 수 없는 변동토크에 의한 손실을 최소한으로 감소시킬 수 있는 토크보상 디바이스를 구비하는 운동변환장치를 제공하는데에 있다.

도 la 내지 도 1d는 캠(cam)과 터릿(turret)의 사용에 의해 입력샤프트의 연속적인 회전운동을 출력샤프트의 간헐적인 회전운동으로 변환하는 간헐적인 구동장치(토크보상 디바이스를 구비하는)로 작용하는 운동변환장치(motion conversion apparatus)의 개략도를 도시하며, 또한 운동변환장치가 위치선정(positioning)하는 동안 발생되는 토크와 더불어 이 토크가 보상되는 원리를 도시하는 도면이고;

도 2a 내지 도 2e는 도 1의 운동변환장치가 위치선정 하는 동안 관성부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 토크, 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 토크, 이들 토크의 조합토크, 및 토크보상 디바이스에 의해 생성된 토크 및 토크보상 디바이스에 의해 보상되지 않고 남아있는 토크를 도시하는 도면이고;

도 3a 내지 도 3h는 운동변환장치가 위치선정 하는 동안 출력샤프트에 작용하는 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크(fluctuation torque)와, 변동토크의 평균값, 및 변동토크에서 이 평균값을 빼서 얻어진 변동분토크를 도시하는 도면이고;

도 4a 내지 도 4h는 운동변환장치가 위치선정 하는 동안 입력샤프트에 작용하는 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크, 변동토크의 평균값, 및 변동토크에서 이 평균값을 빼서 얻어진 변동분토크를 도시하는 도면이고;

도 5는 본 발명의 원리에 기초한 토크보상캠의 구성의 한 예를 통상적인 토크보상캠의 구성과 비교하여 도시하는 도면이고;

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 운동변환장치의 제 1실시예와 더불어 그의 위치선정을 도시하는 도면이고;

도 7a 내지 도 7c는 도 6과 유사한 도면이나, 본 발명의 운동변환장치의 제 2실시예를 도시하는 도면이고;

도 8은 본 발명의 운동변환장치의 제 3실시예를 도시하는 부분단면 및 측면도이고;

도 9는 도 1의 운동변환장치의 운동변환장치 동체로 사용할 수 있는 인덱싱 드라이브(indexing drive)를 도시하는 단면도이고;

도 10은 본 발명의 운동변환장치의 제 4실시예를 도시하는 부분단면 및 정면도이고;

도 11은 본 발명의 운동변환장치의 제 5실시예를 도시하는 부분단면 및, 정면도이고;

도 12는 본 발명의 운동변환장치의 제 6실시예를 도시하는 단면도이고;

도 13은 본 발명의 운동변환장치의 제 7실시예를 도시하는 단면도이고;

도 14는 본 발명의 운동변환장치의 제 8실시예를 도시하는 부분단면 및 정면도이고;

도 15는 본 발명의 운동변환장치의 제 9실시예를 도시하는 부분단면 및 정면도이고;

도 16은 본 발명의 운동변환장치의 제 10실시예를 도시하는 부분단면 및 정면도이며 ; 그리고

도 17은 본 발명의 운동변환장치의 제 11실시예를 도시하는 부분단면 및 정면도이다.

본 발명의 발명자는 광범위한 연구를 하였고, 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크에서 상기 변동토크의 평균값이나 그의 근사값을 빼서 얻어진 변동분토크는 주기성을 가지고 있고, 상쇄될 수 있다는 것을 발견하였다.

변동토크의 "평균값"이라는 용어는 입력샤프트의 전 회전(즉, 36O도에 걸친 회전)동안 입력샤프트에 작용하고, 연속적으로 변하는 토크의 값을 평균하여 얻어진 토크의 값을 의미한다. 입력샤프트의 일회전 동안 변하는 토크에서 상기 평균값(일회전의 전 영역에 걸쳐 일정한) 혹은 이 변하는 토크의 근사값을 빼서 얻어진 토크가 상기한 '변동분토크'이다.

본 발명은 상기 발견의 관점에서 만들어졌다.

특히, 본 발명에 따르면, 전동캠 디바이스를 통해 입력샤프트의 연속적인 회전운동을 출력샤프트의 소정의 형태의 운동으로 변환시키는 운동변환장치가 제공되는데, 상기 장치는:

입력샤프트에 연결된 캠, 캠 종동절(cam follower), 및 상기 캠에 대해 캠종동절을 누르는 탄성력 발생 디바이스를 구비하는 토크보상 디바이스를 포함하고;

전동캠 디바이스를 통하여 입력샤프트의 운동을 출력샤프트의 운동으로 변환시킬 때, 입력샤프트와 출력샤프트중 적어도 하나에 작용하는 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크로부터 이 변동토크의 평균값이나 그의 근사값을 빼서 얻은 변동분토크 및 입력샤프트의 운동을 출력샤프트의 운동으로 변환시킬 때 관성부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크는, 토크보상 디바이스의 위치선정에 의해 입력샤프트에 적용된 변동토크에 의해 상쇄된다.

본 발명의 바람직한 한 형태에 있어서, 운동변환장치는 입력샤프트의 연속적인 회전운동을 출력샤프트의 간헐적인 회전운동으로 변환시키는 간헐적인 구동장치이고, 토크보상 디바이스는 다음의 식에 의해 규정된 변동토크를 입력샤프트에 인가한다.

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 6]

여기에서 M_fo는 출력샤프트의 마찰토크, M_f는 입력샤프트의 마찰토크, g₁은 입력샤프트에 작용하는 마찰토크의 평균값, g₂는 출력샤프트에 작용하는 마찰토크의 평균값, t_c는 위치선정의 시작으로부터 경과된 시간(사이클 시간), theta 는 입력샤프트의 회전각, τ는 출력샤프트의 회전각, M_i는 전동캠 디바이스에 의해 입력샤프트에 가해진 변동토크, M_ic는 토크보상 디바이스의 위치선정에 의해 입력샤프트에 가해진 변동토크를 나타낸다.

탄성력 발생장치는 기계요소의 압축스프링 또는 공기의 팽창과 수축에 의해 탄성력을 발생시키는 공기스프링 디바이스를 포함한다. 전자의 경우, 압축스프링의 초기 압축력을 조절하는 디바이스가 구비되는 것이 바람직하고, 후자의 경우, 공기스프링 디바이스의 초기 스프링력을 조절하는 디바이스가 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 토크보상 디바이스는 캠, 캠 종동절 및 탄성력 발생디바이스를 수용하는 하우징을 포함하는 것이 바람직하다.

입력샤프트에 작용하는 토크가 비교적 작은 구간(간격)에서는, 상기 토크보상 디바이스는 상기 토크보다 다소 큰 토크를 입력샤프트에 적용시키고, 이들 토크사이의 차이 만큼에 해당하는 에너지를 축적한다. 대조적으로, 매우 큰 토크가 입력샤프트에 작용하는 구간에서는, 토크보상 디바이스는 이러한 큰 토크를 경감시키고 상쇄시키는데 사용되는 토크를 발생시키기 위해 축적된 에너지를 방출하여, 이 큰 토크를 감소시킨다. 이러한 에너지의 축적과 방출의 반복에 의해, 입력샤프트에 작용하는 토크 전체는 안정될 수 있고, 또한 토크의 피크값은 낮아질 수 있다.

본 발명에서는, 관성부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크뿐만 아니라, 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크도 토크보상 디바이스에 의해 상쇄될 수 있고, 따라서 운동변환장치의 위치선정 동안 발생하는 진동뿐만 아니라 그것으로부터 발생하는 위치선정에러도 효과적으로 감소될 수 있다.

입력샤프트에 작용하는 변동토크 중에서, 토크보상 디바이스에 의해 상쇄되지 않은 토크는 상기 평균값의 토크이다. 이렇게 입력사프트에 작용하는 토크를 평균화 하거나 평탄하게 하는 것(즉, 토크변동파를 감소시키는 것) 역시 위치선정하는 동안의 진동의 감소 및 그것으로부터 발생하는 위치선정에러의 감소에 기여한다. 더 나아가, 입력샤프트에 작용하는 토크를 평균하는 것에 의해, 입력샤프트에 작용하는 토크의 피크값은 낮아지고, 이 피크값에 따라 선정되는 구동모터의 정격용량은 감소될 수 있다.

상술한 바로부터 명백한 바와 같이, 본 발명은 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크가 클 경우에 현저한 효과를 달성한다.

본 발명의 이론은 도 1 내지 도 4를 참조하여 먼저 설명된다.

관성부하에 의한 토크뿐만 아니라 마찰부하에 의해 입력샤프트와 출력샤프트에 작용하는 토크도 참작하여, 본 발명의 발명자는 운동변환장치가 위치선정 하는 동안 입력샤프트에 작용하는 토크변동을 평탄화 또는 평균화하는 이론적인 식을 도출하였다.

이하에서는, 출력샤프트나 종동절이 간헐적으로 회전하는 동안 입력샤프트가 연속적으로 회전하는 형태의 작동시스템을 운동변환장치가 가지고 있다고 가정하고, 이 작동시스템에 작용하는 입력샤프트의 변동토크 (M_i)와 이 변환장치용 보상시스템인 토크보상캠 디바이스(TCC)에 작용하는 토크 (M_ic)의 균형을 맞출 수 있게 하기 위하여 보상시스템의 보상캠의 변위곡선이 검토될 것이다. 이하에서, 작동시스템의 종동절은 회전시스템 단일관성부하이고, 보상시스템의 종동절은 스프링 형태의 직동 종동절이고, 보상 디바이스의 종동절의 관성력은 무시될 수 있다.

도 1 내지 도 4에서 다음이 제공되었다:

F_o: 토크보상캠장치(TCC)스프링의 초기력

I : 출력샤프트의 2차 관성모멘트

K_c: TCC 스프링 상수

t : 시간

t_c: 사이클시간

t_h: 위치선정시간

y_c: TCC변위

y_h: TCC스트로크

Θ: 입력샤프트의 회전각

θ_h: 인덱싱각 혹은(인덱싱주기)

τ: 출력샤프트의 회전각

τh : 출력샤프트의 (각)스트로크

도 1은 이 이론을 설명하기 위한 운동변환장치의 개략도이고, 도 la는 운동변환장치 동체(1)의 측면도이고, 도 1b는 운동변환장치를 정면에서 본 도면이고, 도 1c는 토크보상 디바이스(TCC)(2)의 측면도이고, 도 1D는 토크보상 디바이스(2)의 위치선정을 도시하는 도면이다.

도 1에서, 구동풀리(3)는 입력샤프트(4)를 통해 모터와 같은 구동디바이스(도시되지 않음)로부터 운동변환장치 동체(1)로 구동력을 전달한다. 입력샤프트(4)는 베어링(5)에 의해 지지되고, 인덱스 캠(6)은 입력샤프트(4) 상에 장착된다. 인덱스 캠(6)은 출력샤프트(8)에 장착된 터릿(7)의 캠종동절(7a)과 맞물리고, 출력샤프트(8)는 베어링(9)에 의해 지지되고, 관성본체(10)는 출력샤프트(8)의 말단 끝에 장착된다. 토크보상 디바이스(2)는 구동풀리(3)로부터 떨어진 입력샤프트(4)의 일단부 상에 장착되고, 이 토크보상 디바이스(2)는 보상캠(11), 캠종동절(12) 및 스프링부재(13)를 포함한다. 인덱스 캠(6)과 터릿(7)등은 입력샤프트(4)의 연속적인 회전운동을 출력샤프트(8)의 간헐적인 회전운동으로 변환하는 전동캠디바이스(transmission cam device)를 구성한다.

도 2는 도 1의 운동변환장치의 위치선정 동안 입력샤프트(4)에 작용하는 토크를 도시하는 도면이고, 도 2a는 관성부하에 의한 토크 M_io를 도시하며, 도 2b는 마찰부하로 인한 토크(M_fo+ M_f)를 도시하고, 도 2c는 (A)+(B)에 의해 입력샤프트에 작용하는 토크 M_i를 도시하고, 도 2d는 토크보상 디바이스에 의해 생성된 토크 M_ic를 도시하고, 도 2e는 입력샤프트(4)에 실제 작용하는 토크, 즉 보상되지 않고 남아있는 토크를 도시한다.

본 발명에서는, 예를 들어 입력샤프트에 작용하는 토크 M_i, (도 2c에 도시된 바와 같이)를 도 2d에 도시된 바와 같이 토크 M_ic에 의해 상쇄시켜, 도 2e에 도시된 바와 같이 단지 평탄화된 토크만이 남을 수 있도록 한다.

도 3은 마찰부하 또는 출력샤프트에 작용하는 마찰토크에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크 M_fo를 도시하는 도면이고, 도 3a의 곡선 a는 입력샤프트가 일회전(360도에 걸쳐)하는 동안의 변동토크 M_fo를 나타낸다. 도 3a의 인덱스구간 혹은 영역은 터릿(7)이 출력샤프트(8)와 함께 회전하는 동안의 기간 혹은 영역이고, 휴지영역 혹은 구간이란 터릿이 정지된 동안의 기간 혹은 영역이다. 도 3b는 도 3a의 변동토크의 곡선 a 및 이 토크곡선 a를 평균하여 얻어진 도 3c의 직선 b를 겹쳐 놓는 방법으로 도시하고, 도 3d는 도 3a 의 곡선 a에서 도 3c의 직선 b를 빼서 얻어진 토크곡선 c를 도시하고, 도 3e는 시간마다의 누적을 얻기 위해 도 3a의 토크변동을 적분하여 얻어진 곡선 d를 도시하고, 도 3f 는 도 3e의 곡선 d로부터 시간마다 균일하게 에너지가 소비되는 직선 e를 도시하고, 도 3g는 도 3f의 직선 e의 경사도를 도시하고, 도 3h는 도 3e의 곡선 d에서 도 3g의 직선 e를 빼서 얻어진 곡선f를 도시한다.

도 4는 마찰부하나 또는 입력샤프트에 작용하는 마찰토크에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크 M_f를 도시하고, 도 4a 내지 도 4h는 도 3a 내지 도 3h와 각각 유사하지만, 이 변동토크 M_f에 관련된다.

도 l에 있어서, 만일 작동시스템의 출력샤프트(8)의 관성부하토크를 M_ic로 나타내고, 출력샤프트(8)의 마찰토크를 M_fo로 나타내면, 출력샤프트(8)에 작용하는 토크M_i는 다음의 식으로 표현된다.

여기서, 토크보상은 입력샤프트(4)에서 실행되고, 따라서 출력샤프트(8)에서 발생하는 토크가 얼마만큼 입력샤프트(4)에 영향을 주는지를 결정하기 위한 변환이 수행된다(인덱스기구의 경우, 입력샤프트가 1회전을 하여도 출력샤프트는 1회전을 하지 않고, 소정 각도의 인덱싱회전이 되게 하는 간격(즉, 인덱스 구간 혹은 영역)과 출력샤프트가 정지하고 있는 간격(즉, 휴지 구간 혹은 영역)이 있으며, 출력샤프트의 토크는 입력샤프트에 완전히 작용하지 않으므로, 특별한 변환이 요구된다.)

만일 입력샤프트(4)에서 발생하는 토크를 M_it로 나타내면, 매우 작은시간(dt) 동안 출력샤프트(8)가 행한 일의 양은M_t·d_τ로 나타내고, 매우 작은 시간(dt) 동안 입력샤프트(4)가 행한 일의 양은M_it·d_θ로 나타낸다. 여기서, 출력샤프트(8)에서 입력샤프트(4)로의 변환효율이 100% 라고 가정하면, 두 샤프트는 가상일의 원리에 따라 똑같은 일량을 갖고, 따라서 입력샤프트(4)의 마찰토크를M_f로 나타내면, 입력샤프트 토크M_i는 다음의 식으로 표현된다:

[수학식 7]

만일 입력샤프트(4)의 마찰토크를 M_f로 나타내면, 구해야할 입력샤프트 토크 M_i는 다음의 식으로 표현된다:

[수학식 8]

토크보상 디바이스(2)(보상시스템으로서 사용되는)에 의해 발생하는 입력샤프트 토크 M_ic는 유사한 방법으로 구할 수 있다. 스프링 부재(13)의 탄성변형에 의해 발생되어 토크보상 디바이스(2)에 제공되는 힘 F_c는 다음의 식으로 표현된다:

여기서, F_o는 스프링 부재(13)의 초기력을 나타내고, k_c는 스프링 상수, 그리고 y_c는 캠종동절(12)의 변위량을 나타낸다.

여기서, 작동시스템에 대해 전술한 바와 똑같은 이유로, 상기 스프링력에 의해 입력샤프트(4)에 적용되는 토크를 결정하기 위한 변환(계산)이 행해진다. 앞의 경우와 마찬가지로, 매우 작은 시간 (dt)동안 양자가 같은 일의 양을 가진다고 가정하면, 작동부분(즉, 스프링 부재(13)) 상의 일양은 Fc·dy_c로 나타내고, 입력샤프트(4) 상의 일량은 M_ic·dθ로 표현되며, 다음의 식이 성립된다:

따라서, TCC기구에 의해 입력샤프트에 작용하는 토크 M_ic는 다음의 식으로 표현된다:

[수학식 9]

여기서, 입력샤프트(4)에 작용하는 변동토크를 상쇄하기 위하여 필요한 것은, 작동시스템의 토크와 보상시스템의 토크가 토크평형조건식 M_i+ M_ic= O을 만족시키는 것뿐이다.

따라서, M_i+ M_ic= O 이 성립된다고 가정하면, TCC 변위는 구해진다. y_c의 1차 도함수 항이 포함되기 때문에, 시간 t로 적분하고, 그것을 아래와 같이 6(t)로나타내면:

[수학식 10]

더 나아가, M_io= I·τ가 성립되기 때문에, 다음의 식이 유도된다.

[수학식 1 1]

이 식에 대해서 주기성이 성립될 수 있는지의 여부가 검토될 것이다.

주기성이 성립하려면, TCC의 캠(11)이 완전한 회전을 완료한 때 캠 종동절(12)은 그것의 초기위치(시작위치)로 복귀되는 것이 필요하다. 즉 [yc(0) = yc(tc)]가 성립되는 것이 필요하다. 캠기구의 주기성의 관점에서 보면, 이것은 G(t)에 대하여 t=0 이고 t=t_c이면, G(0)=G(t_c) 가 성립되는 것을 나타낸다.

식 11에서, 첫 번째 항은 τ에 관한 것이고, 일 사이클(입력샤프트의 일회전)동안 항상 동일한 속도변화가 실행되고, 따라서 주기성이 보장된다. 네 번째항과 다섯 번째 항은 y_c에 관한 것이고, 설정조건 하에서 이 y_c는 반드시 주기성을가져야 한다.

이 식에서 문제가 되는 것은 두 번째 항 M_fo와 세 번째 항 M_f이나, 이 항들은 마찰력에 의한 토크에 관한 것이고 열에 의해 발산되기 때문에, 일반적으로 주기성을 갖지 않는다. 따라서, M_fo와 M_f의 주기성을 보장하기 위해서는 g_2-과g_1'가 다음과 같이 도입된다. g_l은 도 3f와 도 3g의 직선 e 의 기울기를 의미하고, g₂는 도 4f와 도 4g의 직선 e 의 기울기를 의미하며, 세로축이 변동토크의 적분값을 나타내고 가로축이 시간 t_c를 나타낼 때 이들 기울기는 g₂과 g_l의 값을 각각 나타내고, 따라서 다음의 식이 성립된다.

[수학식 12]

[수학식 13]

도 3g 와 도 4g의 빗금친 부분은 소산에너지(dissipating energy)를 나타내며, 이 소산에너지는 어떤 일이 있어도 다른 에너지로 변환될 수 없으며, 따라서 시스템으로 도입될 수 없다. 환언하면, 1사이클(t_c)이 경과하면, 도 3g와 도 4g의 빗금친 부분에 도시된 에너지는 반드시 소비된다.

이 생각에 기초를 두고 마찰토크의 주기성에 대해 재고해 볼 때, 도 3e의 곡선에서 1사이클동안 소비되는 에너지량(도 3g의 빗금친 부분으로 도시된)을 빼서얻어진 도 3h의 곡선으로부터, 시간 t=0 에서의 에너지량은 1사이클 경과시(t=t_c)의 에너지량과 같게 된다고 이해된다. 이것은 주기성이 보장되는 것을 표시하는데, 즉 도 3e(도 4e)의 에너지에서 도 3g(도 4g)의 에너지를 빼서 얻어진 에너지에 대해서는 주기성이 보장된다고 할 수 있다. 즉, 다음의 식이 성립되면 주기성이 보장된다고 생각할 수 있다.

[수학식 14]

이것에 기초를 두고, 다음의 토크평형 조건식은 주기성이 성립되는 것을 보장한다.

[수학식 15]

앞서의 경우와 같이 일차미분항이 포함되기 때문에, 위의 식 15를 풀기 위해서 시간 t로 적분하면, 다음 식의 결과가 얻어진다.

[수학식 16]

초기조건(t= 0, τ= 0 , y_c= y_o)으로 부터, 적분상수 C는 다음의 식에 의해 표현이 된다.

[수학식 17]

위의 식으로부터 다음 식이 제공된다.

[수학식 18]

=0

y_c에 대하여 이 식을 풀면, 다음의 식이 얻어진다:

[수학식 19]

여기서, D는 다음의 식에 의해 표현된다.

[수학식 20]

따라서, 마찰력을 포함하고 주기성을 가진 TCC의 변위함수가 얻어진다.

상술한 바로부터 분명해진 바와 같이, 도 1 내지 도 4를 참조하여 운동변환 장치에서, 만일 토크보상 디바이스가 식 19와 식 20에 따른 보상캠(11)의 구성 등을 결정하여 적합하게 설계되면, 적당한 토크보상이 실행된다.

간략하게 말하면, 이 운동변환장치의 특징은 다음과 같다.

(a) 이 운동변환장치는 통상적인 장치와 같이 관성부하에 의하여 입력샤프트에 작용하는 토크를 보상하고, 보상캠(11)은 관성부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 토크뿐만 아니라 마찰부하에 의한 토크의 일부분을 보상(즉, 상쇄)하도록 하는 구성을 가진다.

관성부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 토크의 관점에서만 결정되는 보상캠의 구성은 도 5의 이점 쇄선 11'로 나타나고, 마찰부하의 관점에서 결정되는 보상캠의 구성은 실선 11로 나타난다.

(b) 상기 운동변환장치는 출력샤프트에 작용하는 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크의 일부분(즉, 이 변동토크(도 3a와 도 3e 참조)에서 이 변동토크의 평균값(도 3c, 도 3g 참조)을 빼서 얻어진 변동분토크(도 3d와 도 3h 참조))를 보상한다.

(c) 상기 운동변환장치는 입력샤프트에 작용하는 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크의 일부분(즉, 이 변동토크(도 4a와 도 4e 참조)에서 상기 변동토크의 평균값(도 4c와 도 4g 참조)을 빼서 얻어진 변동분토크(도 4d와 도 4h 참조))를 보상한다.

(d) 이 운동변환장치에 의해 보상될 수 없는 이러한 토크는 상기 평균값(도 3c, 도 3g, 도 4c 및 도 4g 참조)이며, 변동 없이 평탄화된 토크이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 다음으로 설명된다.

도 6은 본 발명의 운동변환장치의 제 1실시예를 도시하고, 특히 도 6a는 이 장치의 부분단면 및 정면도이고, 도 6b는 에너지 방출상태를 도시하는 이 장치의 측면도이고, 도 6c는 에너지 축적상태를 도시하는 이 장치의 측면도이다. 이 실시예의 구성요소들 중 도 1과 비슷한 구성요소들은 동일한 참조번호들에 의해 표시되며, 이들에 대한 이들에 대한 설명은 생략된다.

제 1실시예에서, 도 1에 도시된 것과 유사한 토크보상 디바이스(2)가 제공되어 있다. 토크보상 디바이스(2)는 입력샤프트(4) 상에 장착된 토크보상 캠(11)과, 캠종동절(12)및 탄성력 발생 디바이스를 포함한다. 탄성력 발생디바이스는 슬라이드 가이드(slide guide)(15)와 스프링 리테이너(spring retainer)(16)를 포함하는 하우징 내에 수납된 스프링 부재(13)(기계요소의 압축스프링 형태)를 포함한다. 스프링 부재(13)는 슬라이더(14)상에 회전 가능하게 장착된 캠종동절(12)을 토크보상캠(11)에 대하여 누른다. 탄성력 발생디바이스와 캠종동절(12)을 포함하는 유닛은마운팅 볼트(mounting bolt)(17)에 의해 운동변환장치 동체(1)의 측면에 고정되어 있다.

운동변환장치가 위치선정 하는 동안 입력샤프트(4)에 적용된 연속적인 회전운동은 운동변환장치 동체(1)에 설치된 전동캠 디바이스를 통해 출력샤프트(8)로 전달되어 이 회전운동을 변환시키고, 동시에 입력샤프트(4)에 설치된 토크보상캠(11)은 슬라이더(14)를 위 아래로 이동시켜 스프링부재(13)를 수축 및 팽창시키고, 또한 캠종동절(12)을 회전시킨다. 토크보상캠(11)은 상술된 이론적인 수식에 의해 설계된 캠 구성을 가지고, 토크보상 디바이스(2)는 입력샤프트(4)의 회전운동을 출력샤프트(8)의 간헐적인 회전운동으로 변환시킬 때 관성부하에 의해 입력샤프트(4)에 작용하는 변동토크를 상쇄시키고, 또한 이 운동변환의 실행 시 마찰부하에 의해 입력샤프트(4)에 작용하는 변동토크에서 이 변동토크의 평균값을 빼서 얻어진 변동분토크를 상쇄시킨다. 게다가, 마찰부하에 의해 입력샤프트(4)에 작용하는 변동토크가 평탄화 되거나 평균화되어 토크의 피크값이 낮아지고, 따라서 위치선정 하는 동안의 진동 등을 감소시킨다.

도 7은 본 발명의 운동변환장치의 제 2실시예를 도시하고, 특히 도 7a는 본 장치의 부분단면 및 정면도이고, 도 7b는 본 장치의 에너지 방출상태를 도시하는 측면도이고, 도 7c는 본 장치의 에너지 축적상태를 도시하는 측면도이다.

제 2실시예의 운동변환장치는 제 l실시예의 운동변환장치와 유사하지만, 제 2실시예에 있는 토크보상 디바이스(20)의 탄성력 발생 디바이스는 제 1실시예에서와 같이 기계요소의 압축스프링이 아니라, 공기스프링 디바이스로 구성된다. 이 공기스프링 디바이스는 상술된 이론적인 수식에 의해 설계된 구성의 토크보상캠(21)과 맞물린 캠종동절(22)을 자신의 단부에 가지고 있는 피스톤(24), 실린더(26), 피스톤(24)과 실린더(26)사이를 밀봉하는 밀봉부재(25), 실린더(26)로 공기를 공급하는 공기원(28) 및 압력제어 디바이스(29)를 포함한다. 압력제어 디바이스(29)는 공기원(28)으로부터 실린더(26)로 공급되는 공기압을 제어하여, 실린더(26)내의 공기압, 즉 이 공기스프링 디바이스에 의해 발생되는 초기 스프링력을 조절한다.

제 2실시예의 상기 이외의 구성은 도 6의 제 1실시예의 구성과 유사하고, 제 2실시예는 토크보상캠(21)을 통해 공기스프링 디바이스에 의해 토크가 입력샤프트에 적용되는 것을 제외하고는 제 1실시예와 유사한 방법으로 작동한다. 제 2실시예에서, 탄성력 발생 디바이스와 캠종동절(22)을 포함하는 유닛은 마운팅 볼트(27)에 의해 운동변환장치 동체(1)의 측면에 고정되어 있다.

도 8은 본 발명의 제 3실시예를 도시한다. 이 제 3실시예는 도 6의 제 1실시예와 유사하나, 스프링 부재(33)의 초기압축력을 조절하는 초기압축력 조절기구(39)를 구비한 점에서 다르다. 이 초기압축력 조절기구(39)에서, 슬라이드 가이드(35)의 내주면에 축방향으로 소정의 거리에 걸쳐 암나사부(35a)가 형성되고, 스프링 리테이너(36)의 외주면에는 암나사부(35a)에 나사로 맞물린 숫나사부(36b)가 형성되고, 스프링 리테이너(36)의 위치를 축방향으로 조절함으로써 스프링(33)의 초기압축력이 조절된다.

도 9는 도 6에 도시된 제 1실시예의 운동변환장치의 운동변환장치 동체(1)로 사용될 수 있는 인덱싱 드라이브(indexing drive)(201)를 도시한다 이 인덱싱 드라이브(201)는 통상적인 구조와 같이, 외부구동 디바이스에서 공급되는 회전구동력을 하우징(220)으로 전달하기 위한 입력샤프트(204)와, 이 입력샤프트(204) 상에 설치된 인덱스캠(206), 및 출력샤프트(208)에 설치되어 인덱스캠(206)과 맞물려 구르는 캠종동절(227)을 가진 터릿(207)을 포함한다. 물론, 이 인덱싱 드라이브(201)대신에 공지된 병렬캠 형태의 인덱스 등도 사용될 수 있다.

도 9의 운동변환장치는 토크보상캠(201), 캠종동절(202) 및 탄성력 발생 디바이스를 가진 토크보상 디바이스(200)를 포함하는데, 이들 각각은 제 1실시예의 대응하는 것들과 유사하다.

도 10은 본 발명의 제 4실시예의 부분단면 및 정면도이다. 제 4실시예에서, 토크보상 디바이스(40)는 캠종동절(42)과 토크보상캠(41)을 구비한 하우징(48)을 포함하며, 이 하우징(48)은 볼트(47)에 의해 토크보상 디바이스 동체(1)의 측면에 고정되어 있다. 슬라이드 가이드(45)는 스프링 리테이너(46)와 함께 토크보상 디바이스(40)의 탄성력발생 디바이스용 하우징을 구비하고, 이 슬라이드 가이드(45)는 볼트(46a)에 의해 하우징(48)에 완전히 고정되어 있다. 따라서, 캠종동절(42), 토크보상캠(41) 및 탄성력 발생 디바이스의 구성요소는 완전히 서로 연결된 두 개의 하우징 내에 포함된다. 이 제 4실시예에서, 탄성력 발생 디바이스는 도 6에 도시한 제 l실시예와 유사하며 스프링 부재(43)를 가진다.

도 11은 본 발명의 제 5실시예의 부분단면 및 정면도이다. 상기 제 5실시예는 도 10의 제 4실시예와 유사하고, 스프링 부재를 사용한 제 4실시예의 탄성력 발생 디바이스 대신에, 제 2실시예의 공기스프링을 사용한 탄성력 발생 디바이스(도7참조)가 이 제 5실시예에서 사용된다.

특히, 제 5실시예에서는 토크보상 디바이스(50)는 캠종동절(52)과 토크보상캠(51)을 구비한 하우징(58)을 포함하며, 이 하우징(58)은 볼트(57)에 의해 운동변환장치 동체(1)의 측면에 고정되어 있다. 토크보상 디바이스(50)의 탄성력 발생 디바이스용 하우징을 구성하는 실린더(56)는 볼트(56a)에 의해 하우징(58)에 완전히 고정된다.

제 4실시예와 제 5실시예에는 상기 하우징 구조가 제공되는데, 이는 토크보상 디바이스(40, 50)내의 요소가 외부로부터 보호되고, 그리스 같은 윤활유가 하우징 내에 유지될 수 있는 장점이 있다.

도 12는 도 6의 제 1실시예와 유사한 토크보상 디바이스(60)가 운동변환장치 동체(601)에 내장된 본 발명의 제 6실시예의 운동변환장치의 단면도이다.

이 제 6실시예에서, 토크보상 디바이스(60)의 토크보상캠(61)은 운동변환장치 동체(601)의 하우징(620)내에 수납된 입력샤프트(604)의 일부분에 설치된다. 토크보상 디바이스(60)의 탄성력 발생 디바이스와 캠종동절(62)을 포함하고 있는 유닛의 일부분은, 캠종동절(62)이 토크보상캠(61)에 맞물릴 수 있게 하우징(620)내에 수납된다. 상기 유닛은 슬라이드 가이드(65)의 플랜지를 하우징(620)에 고정하는 볼트에 의해 운동변환장치 동체(601)의 하우징(620)에 완전히 고정된다. 탄성력 발생 디바이스는 도 6의 제 1실시예와 유사하고, 스프링부재(63)를 갖는다. 도 12의 참조번호 606, 607, 608 및 627은 각각 인덱스캠, 터릿, 출력샤프트 및 캠종동절을 나타낸다.

도 13은 본 발명의 제 7실시예를 도시하는 단면도이다. 상기 제 7실시예는 도 12의 제 6실시예와 유사하고, 스프링 부재를 사용한 제 6실시예의 탄성력 발생 디바이스 대신에, 제 2실시예의 공기스프링 디바이스를 사용한 탄성력 발생 디바이스(도 7)가 상기 제 7실시예에서는 사용된다.

특히, 토크보상 디바이스(70)의 토크보상캠(71)은 운동변환장치 동체(701)의 하우징(720) 내에 수납된 입력샤프트(704)의 일부분 상에 설치된다. 토크보상 디바이스(70)의 탄성력발생 디바이스와 캠종동절(72)을 포함하는 유닛의 일부는 캠종동절(72)이 토크보상캠(71)과 맞물리도록 하우징(720)내에 수납된다. 상기 유닛은 실린더(76)(탄성력 발생 디바이스용 하우징을 구성하는)의 플랜지를 하우징(720)에 고정시키는 볼트에 의해 운동변환장치 동체(701)의 하우징(720)에 완전히 고정되어 있다.

도 14는 본 발명의 제 8실시예의 부분단면 및 정면도이다. 상기 제 8실시예에서는, 토크보상 디바이스(80)는 베어링(832)을 통해 하우징(833) 상에 지지되는 회전샤프트(831)를 가진다. 토크보상캠(81)은 회전샤프트(831) 상에 설치되고, 하우정(833) 안에 포함된다. 회전샤프트(831)는 커플링(800)을 통해 운동변환장치 동체(1)로부터 연장하는 입력샤프트(4)에 연결된다. 토크보상 디바이스(80)의 탄성력 발생 디바이스는 도 6의 제 1실시예와 유사하고, 스프링 부재(83)를 사용하며, 탄성력 발생 디바이스의 하우징, 즉 슬라이드 가이드(85)는 볼트에 의해 하우징(833)에 완전히 고정되고, 캠종동절(82)은 토크보상캠(81)과 맞물린다.

도 15는 본 발명의 제 9실시예의 부분단면 및 정면도이다. 상기 제 9실시예는 제 8실시예와 유사하고, 스프링 부재를 사용한 제 8 실시예의 탄성력 발생 디바이스 대신에, 제 2실시예(도 7)의 공기스프링 디바이스를 사용한 탄성력 발생 디바이스가 이 제 9실시예에서 사용된다.

특히, 제 9실시예에서, 토크보상 디바이스(90)는 베어링(932)을 통해 하우징(933) 상에서 지지되는 회전샤프트(931)를 가진다. 토크보상캠(91)은 회전샤프트(931) 상에 설치되고, 하우징(933)내에 포함된다. 회전샤프트(931)는 커플링(900)을 통해 운동변환장치 동체(1)로부터 연장하는 입력샤프트(4)에 연결된다. 탄성력 발생 디바이스의 하우징, 즉 실린더(96)는 볼트에 의해 하우징(933)에 완전히 고정되고, 캠종동절(22)은 토크보상캠(91)과 맞물린다.

제 8실시예와 제9실시예에서, 토크보상 디바이스는 운동변환장치 동체(1)와 는 별도의 유닛으로 만들어질 수 있으며, 운동변환장치 동체(1)로부터 연장하는 입력샤프트(4)에 연결될 수 있다.

도 16과 도 17은 본 발명의 제 10실시예와 제 11실시예를 각각 도시하는 부분단면 및 정면도이다. 제 10실시예와 제 11실시예는 커플링(800, 900)에 의한 샤프트 사이의 연결이 벨트와 풀리를 사용한 샤프트 연결로 교체되었다는 점에서 도 14와 도 15의 제 8실시예와 제 9실시예와는 각각 구별된다.

특히, 도 16의 제 10실시예에서, 운동변환장치 동체(1)로부터 연장하는 입력샤프트(4)는 벨트(1000)와 풀리(1001, 1002)에 의해 토크보상 디바이스의 회전샤프트(1031)에 연결된다. 도 17의 제 11실시예에서, 운동변환장치 동체(1)로부터 연장하는 입력샤프트(4)는 벨트(1100)와 풀리(1101, 1102)에 의해 토크보상 디바이스의회전샤프트(1131)에 연결된다.

Claims

전동캠 디바이스를 통해 입력샤프트의 연속적인 회전운동을 출력샤프트의 소정의 형태의 운동으로 변환시키는 운동변환장치로,

상기 입력샤프트에 연결된 캠과, 캠종동절 및 상기 캠에 대하여 상기 캠종동절을 누르는 탄성력 발생디바이스를 구비하는 토크보상 디바이스를 포함하고,

상기 전동캠 디바이스를 통해 입력샤프트의 운동을 출력샤프트의 운동으로 변환시킬 때, 입력샤프트와 출력샤프트중 적어도 하나에 작용하는 마찰부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크로부터 상기 변동토크의 평균값 혹은 그 근사값을 빼서 얻어진 변동분 토크와, 입력샤프트의 운동을 출력샤프트의 운동으로 변환시킬 때 관성부하에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크가, 상기 토크보상 디바이스의 위치선정에 의해 입력샤프트에 적용되는 변동토크에 의해 상쇄되는 것을 특징으로 하는 운동변환장치.
제 1항에 있어서,

상기 운동변환장치는 입력샤프트의 연속적인 회전운동을 출력샤프트의 간헐적인 회전운동으로 변환시키기 위한 간헐적인 구동장치이며, 상기 토크보상 디바이스는 다음 식에 의해 규정된 변동토크를 입력샤프트에 적용하는 것을 특징으로 하는 운동변환장치.

수학식 4

수학식 5

수학식 6

여기서, M_fo는 출력샤프트의 마찰토크, M_f는 입력샤프트의 마찰토크, g₁은 입력샤프트에 작용하는 마찰토크의 평균값, g₂는 출력샤프트에 작용하는 마찰토크의 평균값, t_c는 위치선정 시작 후 경과된 시간(사이클 시간), Θ는 입력샤프트의 회전각, τ는 출력샤프트의 회전각, M_i는 전동캠 디바이스의 위치선정에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크, M_ic는 상기 토크보상 디바이스의 위치선정에 의해 입력샤프트에 작용하는 변동토크를 나타낸다.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 탄성력 발생 디바이스는 기계요소의 압축스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 운동변환장치.
제 1항에 있어서,

상기 탄성력 발생 디바이스는 공기의 팽창과 수축에 의해 탄성력을 발생시키는 공기스프링 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 운동변환장치.
제 3항에 있어서,

상기 탄성력 발생 디바이스는 상기 압축스프링의 초기 압축력을 조절하는 디바이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 운동변환장치.
제 4항에 있어서,

상기 탄성력 발생 디바이스는 상기 공기스프링 디바이스의 초기 압축력을 조절하는 디바이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 운동변환장치.
제 1항, 제 2항 및 제 4항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서,

상기 토크보상 디바이스는 상기 정과 상기 캠종동절 및 상기 탄성력 발생 디바이스를 수용하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 운동변환장치.
제 1항에 있어서,

상기 탄성력 발생 디바이스는 기계 요소의 압축스프링을 포함하고, 상기 토크보상 디바이스는 상기 캠과 상기 캠종동절 및 상기 탄성력 발생 디바이스를 수용하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 운동변환장치.
제 2항에 있어서,

상기 탄성력 발생 디바이스는 기계 요소의 압축스프링을 포함하고, 상기 토크보상 디바이스는 상기 캠과 상기 캠종동절 및 상기 탄성력 발생 디바이스를 수용하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 운동변환장치.