KR100314862B1 - 공작기계 - Google Patents

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    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
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Abstract

본 발명은 공작기계에 관한 것으로, 서로 직교하는 위치에 있는 두 축을 서로 마주보도록 배치함으로써 각 축이 서로 독립적으로 이송운동하도록 하여 한축의 운동오차가 다른 축에 전달되는 것을 방지하는 공작기계를 제공함에 그 목적이 있다. 전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전운동하면서 공작물을 가공하는 절삭공구수단과, 상기 절삭공구수단을 소정의 위치로 이송시키는 이송수단과, 상기 이송수단을 구동하는 구동수단으로 구성되는 공작기계에 있어서, 상기 이송수단인 X축 슬라이드와 Y축 슬라이드가 일정 간격으로 마주보며 상호 직교하도록 설치되고, 상기 X축 슬라이드 및 Y축 슬라이드의 구동수단으로 리니어 모터가 채용된 것을 특징으로 한다.

Description

공작기계{MACHINE TOOL}
본 발명은 공작기계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상호 직교하는 위치에 있는 두 축이 일정 간격으로 서로 마주보도록 배치함으로써 각 축이 상호 독립적으로 이송운동하도록 하여 한 축의 운동오차가 다른 축에 전달되는 것을 방지할 수 있는 공작기계에 관한 것이다.
일반적으로 공작기계는 가공하고자 하는 공작물을, 소정의 절삭공구를 사용하여 원하는 형상으로 가공하는 것으로, 최근들어 공작기계의 이송부가 점점 고속화되는 추세에 따라 이송부의 구동부로써 기존의 볼 스크류와 회전형 모터 대신에 리니어 모터를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 종래의 공작기계는 이송부에 리니어 모터를 사용할 경우 이송방향의 추력에 수직한 방향으로 발생하는 수직 자기흡인력을 서로 상쇄시켜 레일에 작용하는 마찰력을 감소시키고 고속 이송이 가능하도록 최소 두개의 편측식 리니어 모터(Single-side linear moter)가 이송부에 양측면에 서로 마주하여 대칭적으로 배치되어 있다.
이하에서는 전술한 바와 같은 리니어 모터를 사용한 공작기계에 대한 유형을 몇가지 소개하고자 한다.
첫번째, 미국특허 US 5,662,568에 개시된 장치는 박스형의 고정된 프레임 안에서 X축을 따라 상대적으로 움직이는 수직 갠트리(Gantry)의 상하 측면에 한쌍의 대칭적인 리니어 모터를 서로 마주하도록 배치하여 리니어 모터의 고정자 코일과자석 사이에 작용하는 수직 자기흡인력을 서로 상쇄시키도록 구성되어 있다.
두번째, 미국특허 US 5,688,084에 개시된 장치는 X축 슬라이드의 양측면에 서로 마주하는 두개의 리니어 모터를 배치하고 X축을 감싸는 C자형 Y축 슬라이드 양측면에 서로 마주하도록 두개의 리니어 모터를 배치하여 리니어 모터의 수직 자기흡인력을 서로 상쇄시키도록 되어 있다.
세번째, 일본 JP 09-262727에 개시된 장치는 Y축 슬라이드에 X축 슬라이드의 각 칼럼을 둘러싸는 테두리 부분을 마련하고 X축 슬라이드의 칼럼의 양측면과 Y축 슬라이드의 테두리부 사이에 리니어 모터를 서로 마주하도록 배치하여 리니어 모터의 고정자 코일과 자석 사이에 작용하는 수직 자기흡인력을 상쇄시키도록 되어 있다.
네번째, 일본 JP 09-262728에 개시된 장치는 램의 구동을 위해 부착된 리니어 모터에 의한 열변형을 억제하기 위하여 램의 뒤쪽에 위쪽으로 돌출부를 만들고, 상기 돌출부에 리니어 모터의 고정자 혹은 이동자를 설치하도록 되어 있다.
그러나, 종래의 공작기계는 리니어 모터를 이용한 공작기계에 있어서 리니어 모터에서 발생하는 수직 자기흡인력을 상쇄시키기 위해 최소 두개 이상의 리니어 모터를 이송부의 양측면에 서로 마주하도록 대칭적으로 배치하고 있고, 한 축상에 다른 한 축을 배치하도록 되어 있다.
그러나, 종래의 공작기계는 한 축상에 다른 축을 배치하는 구조로 되어 있어 한 축의 운동오차가 다른 한 축에 전달되는 문제점이 있다.
또한, 한 축이 다른 축을 포함하고 있기 때문에 각 축의 운동특성이 서로 다르고, 한 축을 포함하는 다른 축의 이송에 필요한 추력이 커지는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 첫번째 목적은 서로 직교하는 위치에 있는 두 축을 일정 간격으로 서로 마주보도록 배치함으로써 각 축이 서로 독립적으로 이송운동하도록 하여 한축의 운동오차가 다른 축에 전달되는 것을 방지하는 것이고, 두번째 목적은 한 축상에 다른 축이 포함되어 있지 않으므로 각 축의 이송에 필요한 추력이 동일하고 감소되도록 하는 데 있으며, 세번째 목적은 서로 직교하는 두 축이 일정한 간격을 두고 새들을 지지하므로 스핀들 선단에서 높은 강성과 고유진동수를 얻을 수 있도록 하는데 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 공작기계를 도시한 전체 사시도.
도 2 는 본 발명에 따른 공작기계의 이송부를 도시한 사시도.
도 3 은 본 발명에 따른 프레임을 도시한 사시도.
도 4 는 본 발명에 따른 X축 슬라이드를 도시한 사시도.
도 5 는 본 발명에 따른 Y축 슬라이드를 도시한 사시도.
도 6 은 본 발명에 따른 새들을 도시한 사시도.
도 7 은 본 발명에 따른 램을 도시한 사시도.
도 8 은 본 발명에 따른 램을 도시한 정면도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100:공작기계 102:베드
104:공작물 106:테이블
108:절삭공구 110:스핀들
112:프레임 112a:(프레임) 상측부재
112b:(프레임)하측 부재 112c,112d:(프레임) 측면부재
114:제 1 레일 116:제 1 캐리지
118:X축 슬라이드 118a:(X축 슬라이드)상측부재
118b:(X축 슬라이드)하측부재
118c,118d:(X축 슬라이드)측면부재
120:제 2 레일 122:제 2 캐리지
124:Y축 슬라이드 124a:(Y축 슬라이드)상측부재
124b:(Y축슬라이드)하측부재
124c,124d:(Y축 슬라이드)측면부재 126:제 3 레일
128:제 3 캐리지 130:제 4 레일
132:제 4 캐리지 134:새들
136:제 5 레일 138:제 5 캐리지
140:램 142:제 1 리니어 모터
142a:(제 1 리니어 모터)일차측 142b:(제 1 리니어 모터)이차측
144:제 2 리니어 모터 144a:(제 2 리니어 모터)일차측
144b:(제 2 리니어 모터)이차측 146:제 3 리니어 모터
146a:(제 3 리니어 모터)일차측 146b:(제 3 리니어 모터)이차측
148:카운터밸런싱 및 비상정지용 실린더.
본 발명은, 회전운동하면서 공작물을 가공하는 절삭공구수단과, 상기 절삭공구수단을 소정의 위치로 이송시키는 이송수단과, 상기 이송수단을 구동하는 구동수단으로 구성되는 공작기계에 있어서, 이송수단인 X축 슬라이드와 Y축 슬라이드가 일정 간격으로 마주보며 상호 직교하도록 설치되고, X축 슬라이드 및 Y축 슬라이드의 구동수단으로 리니어 모터가 채용된 특징이 있다.
전술한 구성에서 X축 슬라이드는 C자형으로 형성되어 공작기계를 지지하는 베드상에 직립 설치된 프레임의 상하부재를 타고 이송운동하도록 구성하고, X, Y 각 축 슬라이드의 양단 및 프레임이 면접하는 위치에 리니어 모터를 설치하여 X, Y 각 축 슬라이드의 양단에 설치된 리니어 모터가 서로 마주보도록 설치될 수 있다.
전술한 Y축 슬라이드와 프레임 사이에는 카운터밸런싱 및 비상정지용 실린더가 더 설치될 수 있다.
한편, 전술한 리니어 모터는 양측식 리니어 모터로써 구현 가능하다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공작기계에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 공작기계를 도시한 전체 사시도이고, 도 2 는 본 발명에 따른 공작기계의 이송부를 도시한 사시도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 프레임을 도시한 사시도이고, 도 4 는 본 발명에 따른 X축 슬라이드를 도시한 사시도이며, 도 5 는 본 발명에 따른 Y축 슬라이드를 도시한 사시도이고, 도 6 은 본 발명에 따른 새들을 도시한 사시도이며, 도 7 은 본 발명에 따른 램을 도시한 사시도이고, 도 8 은 본 발명에 따른 램을 도시한 정면도이다.
도 1 부터 도 8 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공작기계(100)는 베드(102), 공작물(104)을 지지하도록 베드(102)상에 설치되는 테이블(106), 공작물(104)을 가공할 수 있도록 절삭공구(108)를 회전시키는 스핀들(110), 스핀들(110)을 지지함과 동시에 이를 적어도 3(X, Y, Z)축 방향으로 이송시킬 수 있도록 이송부가 설치되는 베드(102)상에 직립 설치된 프레임(112), 프레임(112) 상하측에 제 1 레일(114)과 제 1 캐리지(116)로 지지되어 프레임(112)에 대해 X축 방향으로 상대적 이송운동을 하는 X축 슬라이드(118), 프레임(112) 양측에 제 2 레일(120)과 제 2 캐리지(122)로 지지되어 프레임(112)에 대해 Y축 방향으로 상대적 이송운동을 하는 Y축 슬라이드(124), X축 슬라이드(118)와 Y축 슬라이드(124)에 각각 제 3 레일(126)과 제 3 캐리지(128), 제 4 레일(130)과 제 4 캐리지(132)로 지지된 새들(134), 새들(134)에 제 5 레일(136)과 제 5 캐리지(138)로 지지되어 새들(134)에 대해 Z축 방향으로 상대적 이송운동을 하면서 스핀들(110)을 지지하고 운반하는 램(140), X축 슬라이드(118)를 X축 방향으로 구동시키기 위하여 제 1 레일(114)에 평행하게 대칭적으로 설치된 제 1 리니어 모터(142), Y축 슬라이드(124)를 Y축 방향으로 구동시키기 위하여 제 2 레일(120)에 평행하게 대칭적으로 설치된 제 2 리니어 모터(144) 및 상기 램(140)을 Z축 방향으로 구동시키기 위하여 제 5 레일(136)에 평행하게 설치된 제 3 리니어 모터(146)를 구비하여 이루어진다.
전술한 본 발명의 구성요소를 보다 상세하게 설명하면, 우선 베드(102)는 도 1 에 도시된 바와 같이 공작기계(100) 전체를 지지하는 것으로 그 부피를 최소화하여 설치면적을 최소화하는 것이 바람직하며, 일반적으로 'T'자형으로 되어 있다.
테이블(106)은 공작물(104)을 지지하도록 베드(102)상에 설치되어 있으며, 스핀들(110)은 공작물(104)을 가공할 수 있도록 절삭공구(108)를 회전시키는 역할을 한다.
프레임(112)은 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 스핀들(110)을 지지함과 동시에 이를 적어도 3축 방향으로 이송시킬 수 있도록 베드(102)상에 고정되어 있다. 여기서, 프레임(112)은 상하부재(112a)(112b)와 측면부재(112c)(112d)로 이루어져 있다.
X축 슬라이드(118)는 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이 프레임(112) 상하측에 제 1 레일(114)과 제 1 캐리지(116)로 지지되어 프레임의 상하부재(112a)(112b)를 타고 프레임에 대해 X축 방향으로 상대적 이송운동을 하도록 되어 있다.
Y축 슬라이드(124)는 도 5 에 도시된 바와 같이 프레임(112) 양측에 제 2 레일(120)과 제 2 캐리지(122)로 지지되어 프레임(112)의 양측부재를 타고 프레임에 대해 Y축 방향으로 상대적 이송운동을 하며, X축 슬라이드(118)와는 일정 간격 떨어져 서로 마주보도록 되어 있다. 여기서, 프레임(112)의 하측부재(112b)와 Y축 슬라이드(124)의 하측부재(124b) 사이에는 두 개의 카운터밸런싱 및 비상정지용 실린더(148)가 설치되어 있다.
새들(134)는 도 6 에 도시된 바와 같이 X축 슬라이드(118)와 Y축 슬라이드(124)에 각각 제 3 레일(126)과 제 3 캐리지(128), 제 4 레일(130)과 제 4 캐리지(132)로 지지되어 있다.
램(140)은 도 7 및 도 8 에 도시된 바와 같이 새들(134) 중간에 제 5 레일(136)과 제 5 캐리지(138)로 지지되어 새들(134)에 대해 Z축 방향으로 상대적 이송운동을 하면서, 절삭공구(108)를 회전시키는 스핀들(110)을 지지함과 동시에 운반하도록 되어 있다.
본 발명의 특징적인 구성요소인 제 1 리니어 모터(142:도 4에 도시됨)는 X축 슬라이드(118)를 X축 방향으로 구동시키기 위하여 제 1 레일(114:도 3 에 도시됨)에 평행하게 대칭적으로 설치되어 있다.
그리고, 제 2 리니어 모터(144:도 5 에 도시됨)는 Y축 슬라이드(124)를 Y축 방향으로 구동시키기 위하여 제 2 레일(120:도 3 에 도시됨)에 평행하게 대칭적으로 설치되어 있다.
또한, 제 3 리니어 모터(146)는 도 7 및 도 8 에 도시된 바와 같이 램(140)을 Z축 방향으로 구동시키기 위하여 제 5 레일(136)에 평행하게 설치되어 있다.
한편, X축 슬라이드(118)는 C자형으로 형성되어 공작기계를 지지하는 베드(102)상에 직립 설치된 프레임의 상하부재(112a)(112b)를 타고 이송운동하도록 구성하고, X축 슬라이드(118)의 상하 양단(118a)(118b) 및 프레임(112a)(112b)이 면접하는 위치에 각각 리니어 모터(142a)(142b)를 설치하여, X축 슬라이드 상단(118a)에 설치된 리니어 모터와 X축 슬라이드 하단(118b)에 설치된 리니어 모터가 서로 마주보도록 설치된다.
Y축 슬라이드(124) 또한 C자형으로 형성되어 베드(102)상에 직립 설치된 프레임의 양측부재(112c)(112d)를 타고 이송운동하도록 구성하고, Y축 슬라이드(124)의 좌우 양단(124c)(124d) 및 프레임(112c)(112d)이 면접하는 위치에 각각 리니어 모터(144a)(144b)를 설치하여 Y축 슬라이드 좌측단(124c)에 설치된 리니어 모터와 Y축 슬라이드 우측단(124d)에 설치된 리니어 모터가 서로 마주보도록 설치된다.
이때, C자형의 X, Y축 슬라이드(118)(124)는 'ㄷ'자형으로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 전술한 리니어 모터(142)(144)로서는 편측식 또는 양측식 리니어 모터를 사용하는 것이 가능하다.
편측식 리니어 모터를 사용할 경우, X축 슬라이드(118)의 상하 양단(118a)(118b)에 채용된 각 리니어 모터의 수직 자기 흡인력은 'ㄷ'자형으로 형성된 X축 슬라이드(118)의 상하 양단(118a)(118b) 사이에서 서로 상쇄되며, 이는 Y축 슬라이드(124)에도 동일하게 적용된다.
양측식 리니어 모터를 사용하는 경우에는 X, Y 각 축 슬라이드(118)(124)에 채용된 리니어 모터에서 자체적으로 수직 자기 흡인력이 상쇄된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공작기계의 작용을 설명하면 다음과 같다.
도 1 부터 도 8 에 도시된 바와 같이, 우선 테이블(106)상에 공작물(104)을 올려 놓고 공작물(104)을 소정위치로 고정한 상태에서 리니어 모터(140)(142)(146)를 각각 구동하여 슬라이드(118)(124)와 램(140)을 소정위치로 조절한다. 이때, X축 슬라이드(118)와 Y축 슬라이드(124)는 각각 제 1 리니어 모터(142)와 제 2 리니어 모터(144)에 의해서 각각 X축과 Y축으로 구동된다. 이때, 램(140)이 제 3 리니어 모터(146)에 의해서 Z축으로 구동되어 절삭공구(108)가 소정위치가 되면 스핀들(110)의 회전으로 인하여 공작물(104)이 소정형상으로 가공되는 것이다. 여기서, 카운터밸러싱 및 비상정지용 실린더(148)는 전원공급이 중단되는 경우에 대비하여 충돌방지를 위해 예비적으로 마련된 수단이다.
이상에서와 같이 본 발명은 서로 직교하는 위치에 있는 두 축이 일정 간격으로 서로 마주보도록 배치함으로써 각 축이 서로 독립적으로 이송운동하도록 하여 한 축의 운동오차가 다른 축에 전달되는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명의 구성에 따른 다른 효과는 한 축상에 다른 축이 포함되어 있지 않으므로 각 축의 이송에 필요한 추력이 동일하게 감소되도록 한다.
본 발명의 또 다른 효과는 서로 직교하는 두 축이 일정한 간격을 두고 새들을 지지하므로 스핀들 선단에서 높은 강성과 고유 진동수를 얻을 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 편측식 리니어 모터를 채용할 경우 X축 슬라이드를 구동하는 리니어 모터의 수직 자기 흡인력이 'ㄷ'자형으로 형성된 X축 슬라이드의 상하 양단 사이에서 서로 상쇄되고, Y축 슬라이드를 구동하는 리니어 모터의 수직 자기 흡인력 또한 'ㄷ'자형으로 형성된 Y축 슬라이드의 좌우 양단 사이에서 서로 상쇄되는 효과가 있다.
그리고 양측식 리니어 모터를 사용하는 경우에는 X, Y 각 축 슬라이드를 구동하는 리니어 모터에서 자체적으로 수직 자기 흡인력이 상쇄되는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. (정 정) 회전운동하면서 공작물을 가공하는 절삭공구수단과, 상기 절삭공구수단을 소정의 위치로 이송시키는 이송수단과, 상기 이송수단을 구동하는 구동수단으로 구성되는 공작기계에 있어서,
    상기 이송수단인 X축 슬라이드는 C자형으로 형성되어 공작기계를 지지하는 베드상에 직립 설치된 프레임의 상하부재를 타고 이송되도록 구성하고, 상기 이송수단인 Y축 슬라이드와 일정 간격으로 마주보며 상호 직교하도록 설치되는 한편, 상기 X, Y 각 축 슬라이드의 양단 및 상기 프레임이 면접하는 위치에 상기 구동수단인 리니어 모터를 설치하여, 상기 X, Y 각 축 슬라이드의 양단에 설치된 리니어 모터가 서로 마주보도록 된 것을 특징으로 하는 공작기계.
  2. (삭 제)
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 Y축 슬라이드와 상기 프레임 사이에는 카운터밸런싱 및 비상정지용 실린더가 더 설치된 것을 특징으로 하는 공작기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리니어 모터는 양측식 리니어 모터인 것을 특징으로 하는 공작기계.
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