KR100383841B1 - 피봇식 스핀들 헤드를 갖는 공작기계 - Google Patents

피봇식 스핀들 헤드를 갖는 공작기계 Download PDF

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Abstract

스핀들 헤드 홀더(5)가 베이스부재(1)에 대하여 선회하고, 선형 드라이브(21)가 상기 베이스부재(1)에 장착되고, 선형 가이드(50)가 상기 스핀들 헤드 홀더(5)에 장착되며, 맞물림부재(60)가 상기 선형 드라이브 및 선형 가이드와 실질적으로 동일한 부분(35, 37)에서 맞물린다.

Description

피봇식 스핀들 헤드를 갖는 공작기계{MACHINE TOOL WITH PIVOTAL SPINDLE HEAD}
본 발명은 피봇식 스핀들 헤드를 갖는 공작기계에 관한 것으로, 특히, 다축식 가공 센터와 같은 스핀들 헤드 피봇식 공작기계에 관한 것이다.
종래의 스핀들 헤드 피봇식 공작기계는 스핀들 헤드가 피봇식으로 장착된 스핀들 헤드 피봇식 홀더를 구비한다. 또한, 스핀들 헤드 피봇식 홀더는 지지 샤프트에 의해 회전하도록 램(ram), 새들(saddle) 등으로 구성되어 샤프트 캐리어로서 작용하는 스핀들 헤드 지지용 베이스부재에 피봇식으로 장착된다. 스핀들 헤드 피봇식 홀더의 회전은 스핀들 헤드 피봇식 홀더에 장착된 웜휠(worm whell) 및 스핀들 헤드 지지용 베이스부재 단부에 장착된 웜(worm)과 같은 기어 열에 의해, 또는 스핀들 헤드 피봇식 홀더에 장착된 섹터 기어(sector gear)와 스핀들 헤드 지지용 베이스부재에 장착된 이중 피니언(double pinion)에 의해 수행된다.
그러나, 웜휠과 웜 또는 섹터 기어와 이중 피니언과 같은 기어를 갖는 배치에 있어서, 스핀들 헤드 피봇식 홀더를 회전시키도록 서로 맞물려 있기 때문에, 그 구조가 복잡하고 기어를 사용하는 동력 전달 기구로 인하여 드라이브 시스템의 강성을 증가시키기 어려워진다.
이러한 문제의 해결책으로서, 일본국 특개평10-43976호에는 스핀들 헤드 지지용 베이스부재가 횡방향(도 5의 L)으로 횡 위치(도 5에서 방향 L을 가로지르는 수직선으로 표시된 x)까지 이송 나사에 의해 구동되도록 그위에 설치된 횡 슬라이더를 갖는 스핀들 헤드 피봇식 기구가 개시되어 있다. 횡 슬라이더는 회전의 현의 높이 방향(반경 R을 갖는 원(A)의 중심(Ct)에 대하여 각도 θ)으로 (횡 위치(x)에서 수직 선분을 따라) 선형 왕복운동 가능하게 맞물린 수직 슬라이더를 갖는다.스핀들 헤드 지지용 베이스부재(반경 R)는 또한 (원(A)의 중심(Ct)에)지지 샤프트를 갖는데, 회전 가능하게 스핀들 헤드 피봇식 홀더의 베이스 단부를 (중심(Ct)에서) 지지한다. 스핀들 헤드 피봇식 홀더는 그 말단에서(원(A) 상의 점 'a'에서) 맞물림편을 통하여 수직 슬라이더에 피봇식으로 고정되어 있다.
횡 슬라이더(위치 x에서의 수직 선분)는 스핀들 헤드 피봇식 홀더의 말단(지점 'a')에 작용하는 부하로 인하여 (선분과 방향 L 사이의 교차점 x에 대하여)매우 큰 모멘트를 받게 되어, 큰 강성 및 강도를 가질 필요가 있다. 더욱이, θ= sin-1(x/R)이기 때문에, 각도(θ)가 (수직 위치(θ1)로부터 구동 위치(θ2)까지) 증가함에 따라 횡방향 이동량(각도 단위 Δθ당 Δx2)이 (Δx1보다 ) 점점 작아지며, 감소된 이송 정확도를 갖는다.
본 발명은 이러한 관점에서 이루어진 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 과도한 모멘트를 고려할 필요가 없는 피봇식 스핀들 헤드를 갖는 공작기계를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 회전 각도가 증가함에 따라 증가된 횡방향 이동성을 가지며 향상된 이송 정확도를 갖는 피봇식 스핀들 헤드를 갖는 공작기계를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 관점에 따르면, 이동 가능한 베이스부재, 상기 베이스부재에 대하여 선회하는 스핀들 헤드 홀더, 상기 베이스부재에 장착된 선형 드라이브, 상기 스핀들 헤드 홀더에 장착된 선형 가이드, 및 상기선형 드라이브 및 상기 선형 가이드와 실질적으로 동일한 부분에서 맞물리는 맞물림부재를 구비하는 피봇식 스핀들 헤드를 갖는 공작기계가 제공된다.
본 발명의 상기 관점에 따르면, 맞물림부재가 선형 드라이브 및 선형 가이드 양측과 실질적으로 동일한 부분에서 맞물리기 때문에, 드라이브 및 가이드로부터 맞물림부재에 작용하는 다양한 힘이 과도한 모멘트를 생성하지는 않는다. 더욱이, 선형 드라이브가 원의 접선 방향으로 연장하여 스핀들 헤드 홀더의 피봇점에 대하여 기술되기 때문에, 이러한 홀더는 회전 각도가 증가함에 따라 증가된 선형 이동성을 가지며 향상된 이송 정확도를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 피봇식 스핀들 유닛을 갖는 공작기계의 개략 사시도.
도 2 는 피봇식 스핀들 유닛 및 연관된 가이드 기구의 정면도.
도 3 은 도 2 의 라인 Ⅲ-Ⅲ을 따른 개략 단면도.
도 4 는 도 1 의 공작기계의 스핀들 헤드 홀더의 동작을 나타내는 도면.
도 5 는 종래의 공작기계의 스핀들 헤드 홀더의 동작을 나타내는 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
1: 스핀들 헤드 지지용 베이스부재 3: 지지 샤프트
5: 스핀들 헤드 홀더 13: 선형 가이드
15: 횡 슬라이드 21: 이송 스크루
23: 이송 너트 24: 서보 모터
37: 맞물림편 39: 선형 홈
이하에, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 기재한다. 동일한 구성요소에는 동일한 참조부호를 붙인다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 공작기계(M)를 나타낸다. 공작기계(M)는 테이블 베이스(M1), 작업 테이블(M2), 공작기계 게이트(M3) 및 스핀들 캐리어(M4)를 구비한다.
NC 제어 드라이브(도시되지 않음)에 의해 테이블 베이스(M1)상의 가이드 레일을 따라 Y 방향으로 구동되도록 작업 테이블(M2)이 이동 가능하게 테이블 베이스(M1) 상에 탑재된다. 공작기계 게이트(M3)는 베이스(M1)를 가로질러 설치된다. 스핀들 캐리어(M4)는 게이트(M3)에 이동 가능하게 장착된다. 이 캐리어(M4)는 NC 제어 드라이브(도시되지 않음)에 의해 게이트(M3) 상의 가이드 레일을 따라 X 방향으로 구동하기 위한 캐리어부재(M41) 및 상기 캐리어부재(M41) 상에 이동 가능하게 탑재된 스핀들 지지 유닛(M42)으로 구성된다.
스핀들 지지 유닛(M42)은 상기 캐리어부재(M41) 상에 이동 가능하게 탑재된 스핀들 지지용 수직 베이스부재(1) 및 상기 베이스부재(1) 상에 피봇식으로 탑재된 피봇식 스핀들 유닛(M43)으로 구성된다. 베이스부재(1)는 캐리어부재(M41)상의 램(ram)이나 새들(saddle)과 같은 NC 제어 드라이브(도시되지 않음)에 의해 Z 방향으로 구동될 수 있다.
도 2 는 피봇식 스핀들 유닛(M43)의 정면도이고, 도 3 은 도 2의 라인 Ⅲ-Ⅲ을 따른 단면도이다. 피봇식 스핀들 유닛(M43)은 베이스부재(1)에 장착된 A 축으로서의 피봇 샤프트(3), A 축에 대한 회전용 피봇 샤프트(3)에 대하여 백(back) 주부(5a)의 하단 근처에서 선회하는 U자형 스핀들 헤드 홀더(5), 스핀들 헤드 홀더(5)의 양측부의 하단(5c) 근처에 장착된 B 축으로서의 또다른 피봇 샤프트(7), B 축에 대한 회전용 피봇 샤프트(7)에 피봇식으로 장착된 스핀들 헤드(9)로 구성된다.
스핀들 헤드(9)는 NC 제어 드라이브(도시되지 않음)에 의해 B 축에 대하여 피봇식으로 구동되는데, 이 드라이브는 샤프트(7)의 일부(7a)를 포함할 수도 있다. 스핀들 헤드(9)는 내부에 삽입된 하방 스핀들(11) 및 C 축에 대하여 회전하도록 스핀들(11)을 구동하기 위한 NC 제어 내장 모터(도시되지 않음)를 갖는다.
피봇식 스핀들 유닛(M43)은 베이스부재(1) 상에 탑재된 직선 가이드부재로서의 횡 선형 가이드(13), 스핀들 헤드 홀더(5)의 삼각형 탑 부분(5b)에 장착된 피봇식 선형 가이드(50), 상기 횡 선형 가이드(13) 및 피봇식 선형 가이드(50)와 맞물린 맞물림부재로서의 슬라이더(60), 및 베이스부재(1)에 의해 지지되며 선형 가이드(13, 50)를 따라 움직이도록 슬라이더(60)를 구동하는 NC 제어 모터 구동 드라이브(Dr)를 구비한다.
횡 선형 가이드(13)는 도 2의 횡방향 또는 수평방향, 즉 원(A)의 현 방향(도 4)으로 연장한다. 이 원(A)은, 스핀들 헤드 홀더(5)가 A 축에 대하여 회전함에 따라 피봇 샤프트(3)의 중심(Ct)에 대한 피봇식 선형 가이드(50)의 기준점(Rf)에 의해 묘사된다.
슬라이더(60)는 횡 슬라이더(15), 이송 너트(23), 스핀들 헤드 홀더(5)가 수직 위치에 있을 때 (피봇점(Pv)으로서의) 중심이 기준점(Rf)과 일치하는 샤프트부(35), 및 상기 샤프트부(35) 상에 회전 가능하게 탑재되고 샤프트부(35)에 중심을 갖는 환상 맞물림편(37)이 일체로 구성된다. 횡 슬라이더(15)는 횡 선형 가이드(13)와 선형적으로 왕복운동 가능하게 맞물려있다.
드라이브(Dr)는 베이스부재(1) 상에 탑재된 NC 제어 서보 모터(25), 서보 모터(25)의 출력 샤프트(27) 상에 탑재된 드라이브 휠(29), 및 중간 기어(31)를 통하여 드라이브 기어(25)에 의해 구동되는 종동 기어(33)로 구성된다. 드라이브(Dr)는 베어링(17, 19)에 의해 양단이 지지된 횡 또는 수평 선형 이송기로서의 볼 스크루(21)를 더 구비하고 있다. 볼 스크루(21)는 횡 선형 가이드(13), 즉 횡 슬라이더(15)의 선형 왕복운동 방향에 평행하다.
볼 스크루(21)는 기어(33)에 의해 회전하도록 구동된다. (슬라이더(60)의 합체부로서의) 볼 너트(23)는 볼 스크루(21)와 맞물니다. 그러므로, 볼스크루(21)가 회전하면, 횡 슬라이더(15)(슬라이더(60)의 일부)는 횡방향, 즉 원(A)의 현 방향(도 4)으로 선형적으로 이송된다. 슬라이더(60)의 샤프트부(35)는 횡 슬라이더(15)의 일부로서 형성되어 있고, 피봇점(Pv)에 중심을 두고 있는데, 이 피봇점은 슬라이더(60)가 움직일 때 볼 스크루(21)의 중심선과 일치한다.
피봇식 선형 가이드(50)는 선형 홈(39)의 양 측면에 (수평을 이루도록) 고정된 한 쌍의 직선 가이드 부재(41, 43)로 이루어지며, 이 홈은 원(A)의 현의 높이 방향(도 4)으로 스핀들 헤드 홀더(5)의 정상부(5b)에 형성되어 있다. (슬라이더(60)의 일부로서의) 맞물림편(37)은 선형 홈(39)을 따른 선형 변위를 위하여 가이드부재(41, 43) 사이에서 구르거나 및/또는 슬라이드할 수 있는 치수를 갖는다.
도 4 는 스핀들 헤드 홀더(M43)의 동작을 나타내는 도면이다.
서보 모터(25)에 의해 기어(29, 31, 33)를 통하여 볼 스크루(21)가 구동됨에 따라, 횡 슬라이더(15)는 선형 가이드(13)에 의해 선형적으로 횡방향(원(A)의 현 방향, 즉 스핀들 헤드 홀더(5)의 수직 위치에서 원(A)의 접선(Lt)에 평행한 방향, 여기서 기준점(Rf) 및 피봇점(Pv)은 서로 일치됨)으로 안내되도록 이송된다. 횡 슬라이더(15)의 이러한 횡방향 이동과 함께, 맞물림편(37)도 이송 스크루(21)의 중심선을 따라 (점 'b'까지) 선형적으로 이송된다. 각 점 'b'은 스핀들 헤드 홀더(5) 및 횡 슬라이더(15)를 포함한 슬라이더(60) 사이의 피봇점(Pv)과 일치한다는 점에 주의해야 한다.
이와 함께, 맞물림편(37)은 선형 홈(39)의 선형 방향으로 변위되어 도 2에서가상선으로 나타낸 바와 같이 스핀들 헤드 홀더(5)가 피봇 샤프트(3)의 중심(Ct)에 대하여 회전하고, 스핀들 헤드(9)는 홀더(5)와 함께 동일한 중심(Ct)에 대하여 회전한다.
그러므로, 피봇점(Pv)이 (이송축으로서의 접선(Lt)을 따른 샤프트부(35) 또는 횡 슬라이더(15)의 변위로서의) 지점 x로 이동할 때, θ= tan-1(x/H) (H는 접선(Lt)과 그에 평행한 원(A)의 직경 사이의 거리, 즉 원(A)의 반경)로 되도록 스핀들 헤드 홀더(5)는 홀더(5)의 수직 위치에 대하여 각도 θ로 중심(Ct)에 대하여 회전한다. 이에 따라, 스핀들 헤드 홀더(5)의 회전 단위 각도(Δθ)에 대하여, 회전각(θ)이 90도의 범위내에서 증가함에 따라 횡 슬라이더(15)는 변위(x)의 증가량(Δx)을 갖는다. 환언하면, θ2θ1이면, 각도 θ2에서의 단위각도(Δθ)당 변위(x)의 등 변화량(Δx2)이 각도 θ1에서의 Δx1보다 크다. 이것은 전술한 종래의 경우와 상반된다. 그 결과, 이송 스크루(21)는 회전에 있어서의 높은 정확도의 제어가 가능해진다.
또한, 선형 이송 스크루(21)가 너트(23)를 이송하는 동안에, 스핀들 헤드 홀더(5)(더 상세하게는 피봇식 선형 가이드(50))와 슬라이더(60) 사이의 피봇점(Pv)이 이송 스크루(21)의 중심선과 일치하게 되고, 슬라이더(60)는 샤프트부(35)의 중심(Ct)에 대하여 과도한 모멘트가 방지된다. 그러므로, 이와 연관된 장치가 간단해지거나 경량화될 수 있으며, 모터(27)의 용량이 감소될 수 있다.
이 실시예에 따르면, 피벗식 스핀들 헤드(9)를 갖는 NC 공작기계(M)는 스핀들 헤드 지지용 베이스부재(1), 스핀들 헤드 피봇식 홀더(5), 횡 슬라이더(15), 선형 드라이브 수단(21 등), 맞물림편(37), 및 선형 홈(39)을 포함한다. 피봇식 홀더(5)는 그 위에 스핀들 헤드(11)가 장착되어 있다. 피벗식 홀더(5)는 지지 샤프트(3)에 의해 베이스부재(1)에 장착되며 지지 샤프트(3)에 대하여 피봇식으로 이동 가능하다. 횡 슬라이더(15)는 베이스부재(1)에 설치되며, 피봇식으로 움직임에 따라 피봇식 홀더(5)의 말단부(5b) 또는 정상부로 묘사되는 원의 현의 방향으로의 선형 와복운동을 위해 이동 가능하다. 선형 드라이브 수단은 횡 슬라이더(15)를 선형 왕복운동의 방향으로 선형적으로 구동하도록 구성된다. 맞물림편(37)은 횡 슬라이더(15)에 평행한 직선상의 한 점에 고정 배치된다. 선형 홈(39)은 현의 높이 방향의 피봇식 홀더(5)에 형성된다. 맞물림편(37)은 선형 홈(39)과 맞물려서 선형 홈(39)의 선형 방향으로 변위되도록 구성된다.
이에 따라, 횡 슬라이더(15)의 현의 코드 방향으로의 선형 이동에 의해, 맞물림편(37)이 직선적으로 움직이게 되고 선형 홈(39)의 선형 방향으로 동시에 변위하게 되며, 피벗식 홀더(5)는 지지 샤프트(3)에 대하여 회전하게 된다. 따라서, 스핀들 헤드 피벗식 홀더의 회전각도가 증가함에 따라 스핀들 헤드 피벗식 홀더의 회전각도의 정확도가 악화된다는 종래의 결함은 생기지 않는다. 그 결과, 횡 슬라이더를 횡방향으로 이송하기 위한 이송 스크루에서와 같이, 회전각도 제어에서의 회전 제어의 높은 정확도를 달성할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 선형 드라이브 수단은, 스핀들 헤드 지지용 베이스부재(1)에 회전 가능하게 장착된 이송 스크루(21), 횡 슬라이더(15)에 장착되어이송 스크루(21)와 나사 결합하는 이송 너트(23) 및 스핀들 헤드 지지용 베이스부재(1)에 설치되며 이송 스크루(21)를 회전 구동시키도록 구성된 전기 모터(25)로 구성된 이송 스크루 기구를 구비힌다.
이에 따라, 이송 스크루(21)가 전기 모터(25)에 의해 회전 구동되면, 횡 슬라이더(15)가 이송 너트(23)와 함께 현의 방향으로 직선적으로 움직이게 된다. 따라서, 횡 슬라이더(15)가 높은 정확도로 현의 방향으로 움직일 수 있는 단순화된 구조를 달성할 수 있다. 또한, 스핀들 헤드 피봇식 홀더(및 스핀들 헤드)의 회전각도의 정확도가 이송 스크루의 회전각도 제어에 의해 높은 정도로 유지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 특정한 용어를 사용하여 기재되었지만, 이러한 기재는 예시적인 것이며, 첨부된 특허청구의 범위와 사상에서 벗어남이 없이 다양한 변경 수정이 가해질 수 있음을 이해하여야 한다.
전술한 본 발명에 따르면, 과도한 모멘트를 고려할 필요가 없으며, 회전 각도가 증가함에 따라 횡방향의 이동이 증가하여 이송 정확도가 향상된 피봇식 스핀들 헤드를 갖는 공작기계가 제공된다.

Claims (4)

  1. 이동 가능한 베이스부재;
    상기 베이스부재에 대하여 선회하는 스핀들 헤드 홀더;
    상기 베이스부재에 장착된 선형 드라이브;
    상기 스핀들 헤드 홀더에 장착된 선형 가이드; 및
    상기 선형 드라이브 및 상기 선형 가이드와 실질적으로 동일한 부분에서 맞물리는 맞물림부재를 포함하는 피봇식 스핀들 헤드를 갖는 공작기계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스부재에 장착되어 상기 선형 드라이브를 따라 움직이도록 상기 맞물림부재를 안내하기 위한 또하나의 선형 가이드를 더 포함하는 공작 기계.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 스핀들 헤드 홀더가 상기 선형 드라이브 및 상기 선형 가이드에 평행한 평면내에서 피봇식으로 움직이도록 상기 베이스부재에 장착된 피봇 샤프트를 더 포함하는 공작기계.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 스핀들 헤드 홀더 상에서 선회하며 상기 평면을 가로지르는 방향으로 피봇식으로 이동 가능한 스핀들 헤드를 더 포함하는 공작기계.
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