KR100521424B1 - 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 액츄에이터에 관한 것으로, 중공축형 모터와, 상기 모터의 중공에 설치되는 스크류, 내주로 스크류가 관통되고 모터축에 일체로 결합되어 모터와 함께 회전하면서 스크류를 전/후진 시키는 회전체, 상기 회전체와 액츄에이터 하우징사이에 설치되어 회전체의 회전운동을 원활하게 하면서 회전체를 액츄에이터 하우징내에 고정시키는 베어링으로 구성된 액츄에이터를 포함하는 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터를 제공함으로써, 종래의 기술과 비교해 볼때 부품수가 약 60-70%정도 감소되어 구조물을 가공하기 위한 시간 및 조립하기 위한 시간을 대폭 감소시키고, 스크류가 직접회전하며 모터를 관통하므로 종래와 동일한 스트로크를 갖도록 구성할 때 전장이 대폭 감소되도록 한 것이다.

Description

중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터{linear actuator using hollow shaft type motor}

본 발명은 선형 액츄에이터에 관한 것으로, 중공축형 모터와 스크류형 중공축을 사용하여 모터의 회전에 따라 중공축이 직접 전/후진 되도록 함으로써 액츄에이터 구성부품의 수를 감소시키고 구조가 간소화 되도록 한 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터에 관한 것이다.

품질과 생산성을 향상시키기 위하여 구축되고 있는 공장자동화 시스템은 대량 생산을 하기 위하여 고속도화 되고, 효율적인 운영을 위하여 시스템화 되고 있다.

이와 같은 공장자동화 시스템에 있어서, 위치제어 또는 토크제어에는 통상적으로 공압시스템 및 유압시스템이 사용되고 있다.

그러나, 기존의 유압 시스템 및 공압 시스템을 사용할 경우 단순 기능(위치제어 및 토크제어)의 수행은 가능하지만 정밀하고 복잡한 제어는 불가능하고, 운전 스트로크의 변경 또는 제어토크의 변경을 위하여서는 전체적인 시스템의 변경이 불가피하여 운전조건 변경 작업이 용이하지 않았으며, 또한 이들 유압 및 공압 시스템을 운용하기 위해서는 배관 라인 및 콤프레셔와 같은 부수적인 설비가 반드시 수반되어야 하므로 깨끗한 사업장의 유지 및 컴팩트한 시스템의 구성을 어렵게 하였다.

이에 따라 최근에는 종래 기계적인 제어가 이루어지던 산업기계들에 전자제어를 수행하여 다양한 기능을 수행 할 수 있도록 하고 있다.

그 예로 종래 유압 및 공압 시스템을 이용하여 직선운동을 하는 선형 액츄에이팅 시스템을 전동력을 응용한 전자식 액츄에이팅 시스템으로 전환하고 있으며, 하기에서 현재 사용중인 선형 액츄에이팅 시스템의 구성을 도면을 참조하여 개략적으로 살펴본다.

도 1은 종래의 상위 제어기를 포함하고 있는 통상적인 선형 액츄에이팅 시스템을 개략적으로 나타낸 개략도이다.

상기한 선형 액츄에이팅 시스템은 크게, 전체적인 시스템을 제어하기 위한 컨트롤러(10)와, 상기 컨트롤러(10)의 제어신호를 받아서 모터(20)를 제어하는 드라이브(30)와, 시스템의 말단에서 제어신호를 받아서 실질적인 운동을 수행하는 선형 액츄에이터(40)로 구성되어 있다.

상기에서 컨트롤러(10)는 액츄에이터(40)의 실질적인 운동을 프로그램으로 제어하기 위한 신호와 전원을 드라이브(30)로 공급한다.

그리고, 드라이브(30)에서는 컨트롤러(10)로부터 지령된 제어신호를 수신하여 드라이브(30)를 구성하는 CPU에서 제어연산을 실행하며, 연산된 신호를 드라이브(30)의 출력접점을 통하여 모터(20)로 출력하므로써 모터(20)를 제어한다.

그리고, 상기 모터(20)는 지령치만큼의 실직적인 회전운동을 수행하며, 운동을 수행한 그 위치에서 다음의 운동을 수행하기 위한 제어신호를 기다리는 대기상태가 된다.

하나의 제어시호에 대하여 모터(20)에서 운동을 수행하고 난 후에는 드라이브(30)에서 지령 완료 신호를 출력하여 상위의 컨트롤러(10)에 보내게 되며, 이 완료신호를 수신한 컨트롤러(10)에서는 다음의 제어신호를 송신하여 프로그램에 의한 작업을 수행할 수 있는 시퀀스를 구성하게 된다.

이와 같은 구성을 갖는 선형 액츄에이팅 시스템 중에서 실질적인 운동을 수행하는 액츄에이터의 구성을 도 2를 참조하여 살펴본다.

도 2는 종래의 액츄에이터의 구성을 나타내는 단면도이다.

상기 액츄에이터는 전기적인 에너지를 회전운동 에너지로 변환하여 주는 모터(20), 액츄에이터 하우징(41)의 일측에 설치되며 상기 모터(20)가 결합되는 모터 하우징(22), 상기 모터(20)의 샤프트(24)에 설치된 커플링(42), 상기 커플링(42)과 연결되어 모터의 회전력을 전달받는 스크류(43), 상기 스크류(43)를 지지하는 앵귤러 볼 베어링(44), 상기 앵귤러 볼 베어링(44)을 액츄에이터 하우징(41)에 고정하는 베어링 하우징(44a), 상기 스크류(43)외주에 설치되어 회전운동을 직선운동으로 변환하여 주는 볼너트(45), 상기 볼너트(45)와 연결된 실린더 어댑터(46a)와 실린더(46), 상기 액츄에이터 하우징(41)의 타측에 설치되어 실린더(46)를 흔들리지 않고 선형운동하도록고정하는 고정하는 부시(47a)(47b)및 부시하우징(47)으로 구성된다.

이와 같이 구성된 액츄에이터는 모터(20)가 지령된 회전수 만큼 회전을 하면, 회전운동 에너지를 출력하여 주는 모터 샤프트(24)에 설치된 커플링(42)이 함께 회전하면서 모터(20)의 회전력을 스크류(43)로 전달한다.

상기 스크류(43)의 회전운동에 따라 볼너트(45)가 직선 왕복운동하게 되므로, 상기 볼너트(45)에 연결된 실린더 어댑터(46a)와 실린더(46)도 직선 왕복운동을 행하게 된다.

그러나, 상기한 바와 같이 실린더를 적용한 형태의 종래 액츄에이터는 실린더를 지지하기 위한 구조물, 즉 부시(47a)(47b)와 부시하우징(47) 및 액츄에이터 하우징(41)등이 필수 구성요소로 요구되므로 부품수가 많아 지게 되고 구성이 복잡하게 된다.

따라서, 이와 같은 시스템의 액츄에이터는 구성 부품들을 가공하기 위한 시간 및 가격 그리고 여러가지의 부품을 조립하기 위한 시간 등이 소요되므로, 공압실린더를 대체하기 위한 가격 경쟁력을 가질 수 없을 뿐만 아니라, 콤팩트한 시스템의 개발에 제약을 받게 되는 단점이 있다.

또한 전체적인 부피가 크기 때문에 좁은 공간에 설치하여 운전하기 어려운 구조적인 단점을 가지고 있다.

한편, 회전운동력을 전달하는 스크류는 리드가 5-20mm정도 되는 것을 가장 많이 사용하고 있다. 여기서 리드라고 하는 것은 스크류가 1회전 하였을 때 이동하는 거리를 나타내는 것으로 모터의 회전수가 일정할 경우에 실린더의 왕복운동의 속도는 리드의 선택에 따라 속도를 가변할 수 있다.

예를 들어 리드가 10mm이고, 실린더의 총스트로크가 350mm, 유효스트로크가 300mm인 액츄에이터가 있을 경우, 컨트롤러에서 모터의 회전속도를 1000rpm으로하고 스트로크 300mm를 왕복운동하라는 지령신호를 내리면 모터의 회전에 의하여 스크류가 30회만 회전하면 300mm를 이동하게 된다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 중공축형 모터와 스크류형 중공축을 사용하여 모터의 회전에 따라 중공축이 직접 전/후진 되도록 함으로써 액츄에이터 구성부품의 수를 감소시키고 구조가 간소화 되도록 하며, 이에 따라 제품가격이 낮아지도록 한 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터를 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터는 중공축형 모터와, 상기 모터의 중공에 설치되는 스크류, 내주로 스크류가 관통되고 모터축에 일체로 결합되어 모터와 함께 회전하면서 스크류를 전/후진 시키는 회전체, 상기 회전체와 액츄에이터 하우징사이에 설치되어 회전체의 회전운동을 원활하게 하면서 회전체를 액츄에이터 하우징내에 고정시키는 베어링으로 구성된 것으로, 종래의 기술과 비교해 볼때 부품수가 약 60-70%정도 감소되어 구조물을 가공하기 위한 시간 및 조립하기 위한 시간을 대폭 감소시키고, 스크류가 직접회전하며 모터를 관통하므로 종래와 동일한 스트로크를 갖도록 구성할 때 전장이 대폭 감소된다.

상기 회전체는 스크류 외주에 설치되는 너트와, 모터와 너트를 연결하여 모터의 회전력을 너트로 전달하는 너트 플랜지, 상기 너트를 베어링 내부에 위치고정시키는 너트홀더로 구성된다.

그리고, 상기 베어링은 스크류가 전후방으로 직선운동을 할때, 축방향 하중을 견디게 하기 위하여 앵귤러 콘택트 볼 베어링을 사용하다.

아울러, 상기 베어링의 이탈을 방지하기 위하여 베어링 커버를 액츄에이터 하우징에 고정시키고, 베어링에 예압을 주기 위한 스페이스 링을 베어링의 내륜에 위치하며, 예압의 세기는 상기 스페이스 링의 선단부에 설치된 록 너트를 통하여 조절한다.

이러한 록 너트를 사용하기 위하여 너트 홀더의 외경에 나사산을 형성한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예를 하기에서 첨부된 도면을 참조하여 살펴본다.

도 3은 본 발명의 액츄에이터를 나타내는 구성도이고, 도 4는 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이팅 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.

상기 액츄에이터는 지령된 제어신호를 수신하여 전기적인 에너지를 회전운동 에너지로 변환하여 주는 중공축형 모터(110), 상기 중공축형 모터(110)가 일측에 설치된 액츄에이터 하우징(120), 상기 중공축형 모터(110)의 중공과 액츄에이터 하우징(120)을 관통하여 설치되는 스크류(130), 회전운동 에너지를 출력하여 주는 중공축형 모터(110)의 샤프트(112) 끝단에 고정설치된 너트 플랜지(142), 상기 스크류(130) 외주로 설치되어 너트 플랜지(142)에 고정되는 너트(144), 상기 너트(144)를 지지하기 위하여 너트(144)의 외주로 설치되는 너트 홀더(146), 액츄에이터 하우징(120)내부에서 상기 너트(144) 및 너트 홀더(146)가 회전을 원활히 할 수 있게 하도록 지지하기 위하여 너트 홀더(146)의 외경부분과 액츄에이터 하우징(120)의 내경 부분에 위치되는 베어링(150)으로 구성된다.

그리고, 상기 스크류(130)가 전후방으로 직선운동을 할때, 축방향 하중을 견디게 하기 위하여 베어링(150)은 앵귤러 콘택트 볼 베어링을 사용하다.

그리고, 상기 베어링(150)의 이탈을 방지하기 위하여 베어링 커버(152)를 볼트(154)로 액츄에이터 하우징(120)에 고정시키고, 베어링(150)에 예압을 주기 위한 스페이스 링(156)을 베어링(150)의 내륜에 위치하며, 예압의 세기는 상기 스페이스 링(156)의 선단부에 설치된 록 너트(158)를 통하여 조절한다.

이러한 록 너트(158)를 사용하기 위하여 너트 홀더(146)의 외경에 나사산을 형성한다.

그리고, 상기한 바와 같이 형성된 액츄에이터를 사용한 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이팅 시스템은 도 4에 나타내는 바와 같이 전체적인 시스템을 제어하기 위한 컨트롤러(160)와, 상기 컨트롤러(160)의 제어신호를 받아서 모터(110)를 제어하는 드라이브(170)와, 시스템의 말단에서 제어신호를 받아서 실질적인 운동을 수행하는 선형 액츄에이터(100)로 구성되는데, 상기 컨트롤러(160)와 드라이브(170) 및 모터(110)의 동작은 종래기술과 동일하므로 설명의 중복을 피하고자 생략한다.

이와 같이 구성된 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터에서 상기 액츄에이터의 동작을 살펴보면,

컨트롤러(160)와 드라이브(170)를 통해서 지령된 제어신호에 따라 중공축형 모터(110)가 회전을 하면, 중공축형 모터 샤프트(112)에 취부되어 있는 너트 플랜지(142) 및 너트(144)가 회전을 하게 된다.

이 과정에서 상기 너트(144)및 너트 플랜지(142)는 너트 홀더(146)와 베어링(150), 스페이스 링(156), 록너트(158), 베어링 커버(152)등에 의하여 액츄에이터 하우징(120)내부에서 원활하게 회전하게 된다.

그리고, 상기한 바와 같은 너트(144)의 회전에 따라 너트(144)를 관통하는 스크류(130)가 직선운동을 하게 되는데, 상기 스크류(130)는 통상 리드가 5-20mm정도 되는 것을 가장 많이 사용하고 있다.

여기서 리드라고 하는 것은 스크류가 1회전 하였을 때 이동하는 거리를 나타내는 것으로, 중공축형 모터(110)의 회전수가 일정할 경우에 스크류(130)의 왕복운동 속도는 리드의 선택에 따라서 달라진다.

이상과 같이 본 발명에 따른 선형 액츄에이터는 부품수가 적고 구조가 간단하다.

따라서, 본 발명에 의하면, 전체적인 길이 방향으로의 치수를 살펴볼때, 종래의 전동식 액츄에이터 최대의 스트로크를 300mm라고 가정하면 최대 스트로크가 되었을 때의 전장은 약 1000mm이상이 되지만, 본 발명에서 제시하는 전동식 액츄에이터에서는 같은 최대의 스트로크에서 전장은 약 550mm정도에 지나지 않으므로, 종래의 기술과 비교해 볼때 전장에서 약 45%정도의 공간 절약 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 액츄에이터는 구성이 간단하므로, 지금까지의 전동식 액츄에이터가 가지고 있던 가격 경쟁력의 문제, 콤팩트한 시스템의 설계를 위한 부분에 제약을 받던 것을 해소할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 상위 제어기를 포함하고 있는 통상적인 선형 액츄에이팅 시스템을 개략적으로 나타낸 개략도

도 2는 종래의 액츄에이터의 구성을 나타내는 단면도

도 3은 본 발명의 액츄에이터를 나타내는 구성도

도 4는 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이팅 시스템의 구성을 나타내는 개략도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

110 : 중공축형 모터 112 : 샤프트

120 : 액츄에이터 하우징 130 : 스크류

142 : 너트 플랜지 144 : 너트

146 : 너트 홀더 150 : 베어링

Claims (5)

1. 중공축형 모터와,

   상기 모터의 중공에 설치되는 스크류,

   스크류 외주에 설치되는 너트와, 모터와 너트를 연결하여 모터의 회전력을 너트로 전달하는 너트 플랜지, 상기 너트를 베어링 내부에 위치고정시키는 너트홀더로 구성되어, 내주로 스크류가 관통되고 모터의 외부에 모터축과 일체로 결합되어 모터와 함께 회전하면서 스크류를 전/후진시키는 회전체,

   상기 회전체와 모터의 일측 외주면에 설치된 액츄에이터 하우징사이에 설치되어 회전체의 회전운동을 원활하게 하면서 회전체를 액츄에이터 하우징내에 고정시키는 베어링으로 구성되어,

   전체적인 시스템을 제어하기 위한 컨트롤러의 제어신호에 따라 드라이브로부터 출력되는 모터 제어 신호에 의하여 중공축형 모터가 동작되는 것을 특징으로 하는 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 베어링의 이탈을 방지하기 위하여 베어링 커버를 액츄에이터 하우징에 고정시키고, 베어링에 예압을 주기 위한 스페이스 링을 베어링의 내륜에 위치하며, 예압의 세기는 상기 스페이스 링의 선단부에 설치된 록 너트를 통하여 조절하는 것을 특징으로 하는 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 록 너트를 너트 홀더의 외경에 나사결합하는 것을 특징으로 하는 중공축형 모터를 사용한 선형 액츄에이터.
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