KR100514991B1 - 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전액튜에이터의 가진작용을 이용하여 공구에 미세한 진동을 발생시켜 공작물을 초정밀로 절삭가공하는 진동절삭장치에 관한 것으로, 공구와 압전액츄에이터가 소정간격을 두고 공구대에 각각 설치되어 압전액츄에이터의 가진시 불필요한 진동모드에 의해 공구의 운동방향을 변화시키는 것을 방지할 수 있도록 한 것이다. 그리고, 공구대는 브라켓부와, 이 브라켓부에 고정단이 고정설치됨과 더불어 자유단에 상기 공구가 설치되는 공구장착부 및, 공구장착부에 외측으로 돌출성형된 탄성힌지부로 이루어져, 주파수대역폭이 넓은 압전액츄에이터를 사용하지 않고서도 탄성힌지부 중심으로부터 공구까지의 길이를 가변시키므로써 절삭속도의 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치{A VIBRATION CUTTING MACHINE}
본 발명은 진동절삭장치에 관한 것으로, 특히 압전액튜에이터의 가진작용을 이용하여 공구에 미세한 진동을 발생시켜 공작물을 초정밀로 절삭가공하는 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치에 관한 것이다.
최근 반도체, 항공우주, 영상정보, 정밀기계 산업이 발전하면서 초정밀 가공기술에 대한 필요성이 더욱 증가하고 있는 추세이다. 초정밀 가공법중 다이아몬드 공구를 사용한 초정밀 절삭기술은 절입량이 수 ㎛에서 수십 ㎛이지만, 이 절입량을 서브마이크로미터 이하로 제어하면 결정립계 단차가 없는 표면과 결함이 없는 이상적인 표면이 얻어질 가능성이 있다. 그러나, 초정밀 가공기에서는 주축, 이송장치 등 주요 부품의 운동특성이 가공정밀도에 미치는 영향이 매우 크므로 보다 높은 가공정밀도를 실현하기 위해서는 각각의 요소부품의 운동정밀도 향상과 더불어 운동오차의 실시간 보상이 절대적으로 요구된다.
특히, 최근의 초정밀 가공기에서는 가공 가능한 공작물의 직경이 커지면서 가공정밀도가 높아지는 추세에 따라 각 슬라이드의 행정거리가 수백 ㎜로 상대적으로 길어짐에도 불구하고, ㎚수준의 높은 분해능과 전 운동구간에 걸쳐 높은 운동정밀도가 요구되고 있다. 그러나 이 경우 이송부의 관성질량이 매우 크기 때문에 실시간으로 운동오차를 보상하기에는 응답속도가 절대적으로 늦어져, 실시간 운동오차 보상이 매우 어렵게 된다.
이와 같은 문제점을 극복하기 위하여 주축과 이송계의 운동 정밀도를 정밀하게 측정하면서 압전 액츄에이터를 이용하여 상대적으로 질량이 매우 작은 절삭공구와 툴 홀더만을 미세하게 구동시켜 실시간으로 운동오차를 보정하면서 가공할 수 있는 미소절삭공구대(FTS; Fast Tool Servo)가 사용되고 있으며, 이러한 압전 액츄에이터의 고속응답을 이용하여 공구의 끝부분에 기하학적인 운동을 유발시켜 미세패턴을 가공하는 진동절삭장치 등에 응용하고 있다.
상기한 바와 같은 종래의 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치는 도 1에 나타낸 바와 같이, 공작물(100)을 절삭하는 공구(101)가 장착되는 공구부착부(102)를 공구대(103)와 일체로 연결형성하고, 상기 공구부착부(102)와 공구대(103)사이에 서로 직교하는 방향으로 한쌍의 압전액튜에이터(105,105')를 설치하여, 상기 압전액튜에이터(105,105')에 의해 발생된 진동으로 상기 공구(101)를 X축과 Y축방향으로 진동시켜 공작물(100)을 절삭하도록 되어 있다.
그런데, 상기와 같은 종래의 진동절삭장치는 공구(101)의 이동방향이 압전액츄에이터(105,105')의 연장선상에 있어 공구(101)의 스트로크가 압전액츄에이터(105,105')의 스트로크 이내로 제한되며, 이에 따라 높은 절삭속도를 얻기 위해서는 기술적, 경제적으로 불리한 주파수 대역폭이 넓은 압전액츄에이터를 사용해야 한다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 압전액츄에이터의 진동에 따라 이 진동방향과 소정각도를 이루는 공구를 탄성회동시켜 공구의 스트로크를 압전액츄에이터의 스트로크보다 크게 증폭시키므로써 절삭속도를 향상시킬 수 있는 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또다른 목적은, 압전액츄에이터와 공구장착부를 서로 독립적으로 배열하여 압전액츄에이터의 가진시 불필요한 진동모드에 의한 공구의 운동방향을 변화시키는 것을 방지하는 데에도 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 진동절삭장치는, 공구대에 공구와 압전액츄에이터가 각각 설치되고, 상기 공구대는 상기 절삭기 본체에 설치되는 브라켓부와, 상기 브라켓부에 고정단이 고정설치됨과 더불어 자유단에 상기 공구가 설치되는 공구장착부를 포함하여 이루어져 있다.
여기서, 공구장착부에는 상기 자유단이 탄성회동할 수 있도록 탄성힌지부가 구비되어 있으며, 이 탄성힌지부에는 상기 공구작착부의 길이방향에 수직하게 벤딩부를 사이에 두고 서로 마주보며 형성된 한쌍의 장홈이 구비되어 있다.
그리고, 상기 공구장착부의 자유단측에는 일측에 상기 압전액츄에이터가 결합되는 아암레버가 외측으로 돌출형성되어, 압전액츄에이터의 진동에 의해 상가 탄성힌지를 중심으로 회동할 수 있도록 되어 있다.
한편, 상기 공구장착부와 압전액츄에이터는 소정간격을 두고 나란하게 설치되어, 압전액츄에이터의 가진시 불필요한 진동모드가 공구장착부를 통해 공구로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 되어 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치를 나타낸 도면으로서, 도 2a는 X축 압전액츄에이터를 나타내기 위한 도면이고, 도 2b는 Y축 압전액츄에이터를 나타내기 위한 도면이다.
도면에 나타낸 바와 같이 본 바렴은, 절삭기본체(10)에 공구대(20)가 설치되어 있고, 상기 공구대(20)에 절삭공구(30)와 압전액츄에이터(40,40')가 각각 설치되어 있다.
상기 공구대(20)는 절삭기 본체(10)에 설치되는 브라켓부(21)와, 일단이 상기 브라켓부(21)에 설치되면서 그 선단에 상기 공구(30)가 설치되는 공구장착부(22)로 이루어져 있다.
상기 공구장착부(22)의 자유단측에는 외측으로 수직하게 아암레버(23,23')가 돌출형성되어 있고, 고정단측에는 탄성복원력을 지닌 넥크형상의 탄성힌지부(24,24')가 형성되어 있다.
상기 탄성힌지부(24,24')에는 탄성복원력을 지닐 수 있도록 공구장착부(22)의 길이방향에 수직하게 서로 마주보며 형성된 한쌍의 장홈(25,26,25'26')과, 이 한쌍의 장홈(25,26,25'26')사이에는 상기 압전액츄에이터(41,41')의 진동에 의해 아암레버(23,23')에 힘을 가할 때 굽혀지는 벤딩부(27,27')로 이루어져 있다.
즉, 상기 벤딩부(27,27')는 아암레버(23,23')에 힘이 가해질 때 벤딩되며, 강체인 공구장착부(22)의 자유단부는 상기 벤딩부(27,27')의 힌지점(O,O')을 회전중심으로 하여 회동하도록 되어 있다.
한편, 상기 공구(30)는 공구장착부(22)의 길이방향 혹은 상기 압전액츄에이터(40,40')의 진동방향에 대해서 소정각도 만큼 기울어지게 설치되어 있다. 이는 공구(30)와 공작물(100)사이에 일정각도를 형성하여 절삭가공시 배출되는 칩을 원활하게 배출하기 위함이다.
상기 압전액츄에이터(40,40')는 전기적 신호에 따라 X축 혹은 Y축방향으로 팽창과 수축을 반복하여 진동을 발생시키는 것으로, 상기 공구장착부(22)와 소정간격을 두고 나란하게 설치되어 있고, 그 일단은 상기 브라켓부(21)에 고정되고 타단은 상기 아암레버(23,23')에 고정되어 있다.
따라서, 상기 압전액츄에이터(40,40')의 가진작용에 따라 상기 아암레버(23,23')는 진동방향으로 힘을 받게 된다.
즉, 상기 압전액츄에이터(40,40')가 전기적 신호에 따라 팽창과 수축을 반복함으로써 상기 공구장착부(22)는 탄성힌지부(24)의 벤딩부(27,27')를 중심으로 회동하게 되고, 이에 따라 상기 공구장착부(22) 선단에 구비된 공구(30)는 일정한 주기로 진동하여 2차원의 타원궤적을 그리면서 절삭가공을 하게 된다.
상기 압전액츄에이터(40,40')와 공구장착부(22)를 상기 브라켓부(21)에 소정 간격을 두고 나란하게 설치한 것은, 압전액츄에이터(40,40')의 진동시 불필요한 진동모드가 공구(30)에 전달되는 것을 방지하기 위함이다.
한편, 상기 압전액츄에이터(40,40')는 X축액츄에이터(40)과 Y축 압전액츄에이터(40')로 이루어지고, 이들의 진동에 의한 공구(30)의 회동방향은 서로 직교하게 되는 바, 이 경우 각각의 움직임에 의해 간섭을 받지 않고 정확하게 회동할 수 있도록 각 축의 탄성부는 서로 직교하는 방향으로 형성되어 있다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따른 진동절삭장치의 작동과정을 도 3과 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 공작물(100)을 X축 방향으로 절삭하기 위해 상기 X축 압전액츄에이터(40)에 전기적 신호를 공급하면, 전류신호에 따라 상기 압전액츄에이터(40)는 팽창과 수축을 반복하여 진동을 발생시키게 된다.
상기 압전액츄에이터(40)가 신축됨에 따라 상기 아암레버(23)에는 진동방향으로 외력을 받게 됨과 더불어, 아암레버(23)에 작용된 외력은 아암레버(23)와 일체로 이루어지며 외팔보 형태인 상기 공구장착부(22)에 회전력으로서 작용하게 된다.
이 회전력에 의해 상기 탄성힌지부(24)는 변형하게 되고, 상기 공구장착부(22)의 자유단과 아암레버(23) 상의 모든 질점은 상기 벤딩부(27)의 힌지점(O)을 중심으로 하여 화살표방향으로 회동하게 되며, 공구장착부(22) 선단에 설치된 공구(30)도 함께 회동하여 공작물을 절삭하게 된다.
여기서, 공구장착부(22)의 자유단과 아암레버(23)로 이루어지는 강체에서 임의의 질점(P)에서의 회전변위량(dl)은 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 압전액츄에이터(40)의 신축량(dx) 및 회전중심인 힌지점(O)으로부터 질점까지의 거리(r)에 의해서 결정되어 진다.
이를 함수관계로 나타내면, dθ가 압전액츄에이터(40)의 신축에 의해 힌지점(O)을 중심으로 상기 아암레버(23)가 회전한 각도라 할 때, 임의의 질점 (P)에서의 회전변위량 dl = r×dθ 의 관계가 성립하게 된다.
즉, 회전각(dθ) 혹은 압전액츄에이터(40)의 신축량(dx; 스트로크)을 동일하게 한 상태에서 힌지점(O)으로부터 공구(30)까지의 거리(rt)를 변화시켜 공구(30)의 스트로크도 비례적으로 변화시킬 수 있게 된다.
따라서, 공구(30)의 스트로크를 증가시켜 절삭속도를 향상시키기 위해서는, 기술적 경제적으로 불리한 주파수대역폭이 넓은 압전액츄에이터(40)를 사용하지 않고서도 공구(30)의 설치위치를 벤딩부(27)의 힌지점(O)으로부터 먼 거리에 설치하면, 공구(30)의 스트로크를 크게 증폭시킬 수 있음과 더불어 절삭속도를 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
즉, 공구(30)와 힌지점(O)간의 거리(rt)를 압전액츄에이터(40)와 아암레버(23)가 결합되는 결합부와 힌지점(O)간의 거리(ra)보다 길게 하면 공구(30)의 스트로크를 압전액츄에이터(40)의 스트로크보다 크게 증폭할 수 있게 된다.
물론, 공구(30)와 힌지점(O)간의 거리(rt)를 압전액츄에이터(40)와 아암레버(23)가 결합되는 결합부와 힌지점(O)간의 거리(ra)보다 짧게 하여 공구(30)의 스트로크를 압전액츄에이터(40)의 스트로크 이내로 제한할 수도 있는 것이다.
다음으로, Y축 방향으로의 공작물 절삭기구도 위에서 설명한 X축 절삭기구와 동일하며, 다만 Y축 압전액츄에이터(40')에 인가되는 전기적 신호를 X축 압전액츄에이터(40)에 인가되는 전기적 신호와 소정의 위상차를 두면 된다.
한편, 공작물(100)은 상기 공구(30)가 그리는 궤적에 의해서 도 4에 나타낸 바와 같이 절삭된다.
즉, 상기 공구(30)는 압전액츄에이터(40)의 진동에 의해 타원형의 공구(30)궤적을 그리게 된다. 그리고, 상기 공작물(100)은 V의 속도로 공구(30)를 향해 화살표 방향(→) 진행하게 된다.
이에 따라, 실제로는 상기 공구(30)는 타원형의 2차원 궤적을 그리면서 제자리에 있으나 상기 공작물(100)이 V의 속도로 진행하므로 상대적으로 공구(30)가 도 4의 공구(30)궤적을 그리면서 공작물(100)을 절삭하는 것으로 보이는 것이다.
상술한 실시례는 본 발명의 일실시례에 불과한 것으로, 본 발명의 기술적 사상이 허용되는 한도내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 진동절삭장치에 따르면, 기술적 경제적으로 불리한 주파수대역폭이 넓은 압전액츄에이터를 사용하지 않고서도 탄성힌지부 중심으로부터 공구까지의 길이를 가변시키므로써, 스트로크 증가에 의한 절삭속도의 향상을 얻을 수 있다.
또한, 압전액츄에이터와 공구장착부가 서로 독립하여 설치되어 있으므로써, 압전액츄에이터의 가진시 불필요한 진동모드에 의해 공구의 운동방향을 변화시키는 것을 방지하여 가공정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래의 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치를 나타낸 도면,
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치의 작동상태를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 본 발명에 따라 공구가 이동되면서 공작물을 절삭하는 것을 보인 동작상태도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 절삭기본체 20 : 공구대
21 : 브라켓부 22 : 공구장착부
23,23' : 아암레버 24,24' : 탄성힌지부
25,26,25'26' : 장홈 27,27' : 벤딩부
30 : 공구 40,40': 압전액츄에이터
O,O' : 힌지점

Claims (3)

  1. 절삭기본체에 설치된 공구대에 공구와 압전액츄에이터가 각각 설치되고, 상기 압전액츄에이터를 통해 공구를 미세 진동시켜 공작물을 절삭하도록 된 진동절삭장치에 있어서,
    상기 공구대는 상기 절삭기 본체에 설치되는 브라켓부와;
    상기 브라켓부에 고정단이 고정설치되고, 자유단에 상기 공구가 설치되며, 상기 자유단이 탄성회동할 수 있도록 탄성힌지부를 구비함과 더불어 상기 압전액츄에이터와 소정간격을 두고 나란하게 설치된 공구장착부 및;
    상기 공구장착부의 자유단측에 외측으로 수직하게 돌출형성되고, 일측에 상기 압전액츄에이터가 결합되는 아암레버를 포함하여 이루어진 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성힌지부는 상기 공구작착부의 길이방향에 수직하게 서로 마주보며 형성된 한쌍의 장홈과, 이 한쌍의 장홈사이에는 상기 압전액튜에이터의 진동에 따라 굽혀지는 벤딩부로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 압전액츄에이터의 스트로크가 동일한 조건하에서 상기 공구의 스트로크가 상기 공구와 탄성힌지부간의 거리에 정비례하는 것을 특징으로 하는 압전액츄에이터를 이용한 진동절삭장치.
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