KR100609631B1 - 복합 베어링이 구비된 일체형 에어 스핀들 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초정밀 가공 및 각종 정밀기기에 사용되며 회전축 선단에 연삭휠이나 드릴, 각종 치공구 등을 부착하고 공기 정압 및 앵귤러 볼베어링의 복합작용으로 샤프트를 부상시킨 후 모터에 의해서 회전되도록 하는 복합 베어링이 구비된 일체형 에어 스핀들 시스템에 관한 것으로서, 바람직하게는 회전자를 샤프트의 중앙에 위치하게 한 축ㆍ회전자 일체형 샤프트를 만들고 압축 공기에 의해서 에어 베어링 역할을 하는 일체형 샤프트를 앵귤러 콘택트 볼베어링을 사용하여 회전축의 흔들림을 줄이는 에어 스핀들을 하나의 바디로 사용하고 또한 체결부에서 발생할 수 있는 진동 및 강성의 저하를 줄이고 회전축의 흔들림을 줄일 수 있는 에어 스핀들 시스템을 제안한다.

회전축, 에어 베어링, 앵귤러 볼베어링, 회전자, 정압, 강성.

Description

복합 베어링이 구비된 일체형 에어 스핀들 시스템{combined bearings for air spindle with single body}

도 1은 종래기술에 따른 에어 스핀들 시스템의 구성을 보이고 있는 도면.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 에어 베어링과 엥귤러 볼베어링이 함께 설치되고 모터하우징과 샤프트하우징이 일체로 형성된 에어 스핀들 시스템의 구성을 보이고 있는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 일체형 하우징 102: 샤프트

104: 앵귤러 볼베어링 106: 고정자

108: 회전자 110: 노즐본체

112: 에어노즐 114: 고정캡

본 발명은 초정밀 가공 및 각종 정밀기기 등에 사용되는 에어 스핀들 시스템에 관한 것으로서, 보다 상게하게는 에어 베어링과 앵귤러 볼베어링을 함께 설치하고 또한 모터하우징과 샤프트하우징을 일체로 형성한 에어 스핀들 시스템에 관한 것이다.

최근에는 전자산업이나 광학기기산업의 발전에 따라 초정밀 가공품에 대한 요구 정밀도가 높아지고 있으며, 이를 위하여 통상 스핀들 장치를 사용하고 있다.

상기 스핀들 장치는 공작기계, 반도체 장비, 치과용 드릴, 각종 섬유기계, 원심분리기 등의 폭넓은 산업분야에서 핵심 부품으로 사용되어 왔다. 즉, 산업의 고속화가 진행됨에 따라 가공시간 단축과 생산성 향상 등을 위해 고속 스핀들이 요구되고 있으며, 전자 산업과 광학기기 산업의 발전에 따른 컴퓨터용 하드디스크, 레이저 스캐너용 다면경 등 정밀한 부품 가공의 필요성이 증대됨에 따라 진동이 적은 정밀한 스핀들이 요구되고 있다.

한편 볼베어링을 사용하는 기존의 스핀들은 볼의 구름접촉에 의하여 마찰열이 발생하며, 볼과 궤도면의 진원도 차이에 의하여 진동이 발생하는 등의 문제점을 갖고 있기 때문에 회전 정밀도를 유지하면서 회전 속도를 높이는데 한계가 있으므로 초정밀 가공기용 스핀들로는 적합하지 않다.

따라서 현재 개발되고 있는 초정밀 고속화 스핀들은 베어링의 회전 마찰력을 줄이기 위해서 에어 베어링이나 자기 베어링을 장착하고 있다. 상기 에어 베어링을 사용하는 에어 스핀들 시스템은 외부로부터의 공기압에 의하여 축이 부상하는 방식으로 볼베어링이 갖는 진원도 오차에 의한 진동 문제를 해결할 수 있으며, 마찰열을 충분히 감소시킬 수 있기 때문에 초고속, 초정밀이 요구되는 초정밀 가공기용 스핀들로 이용되고 있으며, 진원도 측정기, 소형 고속 연삭기, PCB 기판 가공기 등에 널리 사용이 증가되고 있다.

한편 위와같은 에어 스핀들 시스템은 회전축의 질량과 레디얼 베어링의 강성에 의하여 결정되는 고유진동수 및 회전축의 고유진동수에 의하여 운전가능 영역이 결정된다. 즉, 이들 주파수와 스핀들의 회전주파수가 일치되면 공진에 의하여 운전불능의 진동을 일으키는 단점이 있었다.

이러한 단점을 개선하기 위한 기존의 방법들은 상대적으로 낮은 강성을 갖는 레디얼 베어링의 강성을 높이기 위하여 공급유체를 공기 대신에 고압의 불활성 가스를 사용하는 방법과 레디얼 베어링의 유막의 크기를 극히 작게 하는 방법 등이 있었다.

또한 강성이 낮은 경우 과도한 부하를 받거나 공기 공급이 중단되었을 경우에는 축과 하우징이 직접 접촉하여 마찰용접을 하는 것과 동일한 상황이 되어 스핀들에 치명적인 손상을 입힐 수 있다. 따라서 스핀들의 고속화 및 정밀화에 많은 제약을 받아왔다.

한편 종래에 널리 사용되고 있는 에어 스핀들 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 크게 두개의 하우징(body)으로 나뉘어지며 즉, 구동력을 발생하는 모터부가 장착되는 모터하우징(10)과 에어 스핀들의 회전축이 설치되는 샤프트하우징(12)으로 구성된다. 바람직하게는 상기 모터하우징(10)에는 고정자(16)와 회전자(18)로 구성된 모터부가 장착되며, 상기 샤프트하우징(12)에는 여러개의 에어노즐(22)이 부착된 노즐본체(20)와 에어 스핀들 샤프트(이하 "사프트(14)"라 함)가 설치되어 있다. 이때 상기 모터하우징(10)의 후단부에는 통상의 고정캡(24)이 고정 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 에어 스핀들 시스템은 모터하우징(10)과 샤프트하우징(12)으로 분리된 두개의 바디가 체결되어 있으며, 상기 모터하우징(10)의 고정자(16)와 회전자(18)에 의해서 샤프트(14)가 고속 회전을 한다. 이때 베어링의 형상과 위치는 윤활제인 공기 막의 유동과 마찰에 의한 열 발생 그리고 회전 속도에 따른 샤프트(14)의 진동에 영향을 미친다. 따라서 최적의 동적 특성을 나타내는 샤프트(14)가 결정되었다면, 전체 스핀들의 성능은 베어링의 형상과 위치에 따라서 결정된다고 볼 수 있다.

종래의 에어 스핀들은 강철 재질의 샤프트(14)와 마찰 손실이 적은 동 재질의 베어링이 사용되고 있다. 그러나 공기 베어링을 사용할 경우에는 샤프트(14)의 회전속도의 1/2배 보다 큰 회전속도에서 자려회선이라는 불안정 현상이 나타나게 된다. 또한 종래의 회전자(18)는 샤프트(14)의 끝부분에 위치하고 있으므로 구동부의 전달에 따른 진동에 의해서 샤프트(14) 중심의 흔들림이 발생하고 두개의 바디로 체결되어 있기 때문에 결합부(즉, 모터하우징(10)과 샤프트하우징(12)이 접촉되는 부분)에서의 조립 오차와 강성의 저하 등에 의해서 에어 스핀들의 성능을 저하시키는 요인이 되어 왔다.

따라서, 본 발명의 목적은 위와같은 문제점을 해결하기 위하여 에어 스핀들의 구동부와 샤프트 하우징을 한개의 바디로 만들고 또한 구동부의 동력 전달에 따른 축 흔들림을 앵귤러 볼베어링을 사용하여 최소화시킬 수 있는 복합 베어링이 구비된 일체형 에어 스핀들 시스템을 제공함에 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 스핀들의 조립오차 및 강성 저하를 줄이고 또한 에어 스핀들의 회전 정밀도를 높일 수 있는 복합 베어링이 구비된 일체형 에어 스핀들 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 구동부와 샤프트를 한개의 바디로 사용하는 메인 하우징과 복수개의 에어 노즐을 통해 주입된 압축 공기가 모터축을 부상시키는 에어 베어링과 축 흔들림을 제거하기 위한 앵귤러 볼베어링으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

후술될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 한 개의 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.

본 발명에서는 회전자를 샤프트 중앙에 위치하게 하는 축ㆍ회전자 일체형 샤프트를 적용하여 하나의 바디를 가짐으로써 조립오차 및 강성 저하를 줄일 수 있는 메인 하우징과 압축 공기로 부상된 축ㆍ회전자 일체형 샤프트가 회전을 할 때 발생하는 축 흔들림을 앵귤러 볼베어링을 이용하여 제거하는 일체형 스핀들용 복합 베어링 장치를 제안하고자 하며, 이를 구체적으로 서술하면 아래와 같다.

즉, 공기 정압 베어링은 외부에서 공급되는 압축공기가 베어링 면에 가공된 미세 홀을 통과하여 회전축을 부상시키는 베어링을 말하며, 상기 베어링은 지속적인 압축공기의 공급이 필요하고 압축공기 공급의 중단이 발생했을 경우 스핀들이 치명적인 손상을 입을 수 있게 된다. 또한 에어 스핀들은 초정밀 부품 제작에 사용되기 때문에 높은 정밀도의 런-아웃(Run-out)값이 요구되지만 기존의 에어 스핀들은 회전축을 공기로 부상을 시키기 때문에 회전축의 위치 정밀도를 조절하기가 상당히 어렵다. 이에 따라 본 발명은 회전자를 샤프트의 중앙에 위치하게 한 축ㆍ회전자 일체형 샤프트를 만들고 압축 공기에 의해서 에어 베어링 역할을 하는 일체형 샤프트를 앵귤러 콘택트 볼베어링을 사용하여 회전축의 흔들림을 줄이는 에어 스핀들을 하나의 바디로 사용하고 또한 체결부에서 발생할 수 있는 진동 및 강성의 저하를 줄이고 회전축의 흔들임을 줄일 수 있도록 하는 기술적 사상을 구현하고자 하는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 상기 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 에어 베어링과 엥귤러 볼베어링이 함께 설치되고 모터하우징과 샤프트하우징이 일체로 형성된 에어 스핀들 시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.

상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 에어 스핀들 시스템은 종래의 도 1과 같이 모터하우징(10)과 샤프트하우징(12)을 각각 별도로 구성하지 않고 이들을 일체형으로 제작하여 만든 일체형 복합 베어링 하우징(이하 "일체형 하우징(100)"이라 함)을 구비한다. 또한 상기 일체형 하우징(100)의 내부 중심에는 회전자(108)와 에어 스핀들의 축을 일체로 형성한 축ㆍ회전자 일체형 샤프트(이하 "샤프트(102)"라 함) 가 설치되며, 상기 회전자(108)는 상기 샤프트(102)의 중앙에 위치하고 있다. 이때 상기 회전자(108)는 구리의 플라즈마 스프레이 프로세스 방법, 전착, 레이저 용접, 브레이징 방법 등으로 상기 샤프트(102)의 중앙에 일체형으로 만들어지게 된다.

또한 상기 샤프트(102)의 일측단에는 강성의 저하로 인한 샤프트(102)의 흔들림 현상을 제거하기 위하여 앵귤러 볼베어링(104)을 설치하였다. 즉, 상기 일체형 하우징(100)의 내벽에는 다수개의 에어노즐(112)들이 부착된 노즐본체(110)가 설치되며, 상기 에어노즐(112)을 통해서 주입된 압축 공기가 샤프트(102)를 부상시킬 때 에어 스핀들의 강성 저하로 인한 샤프트의 흔들림 현상이 발생하기 때문에 본 발명에서는 전술한 샤프트(102)에 앵귤러 볼베어링(104)을 적용하였다.

이러한 구성에 따라 본 발명의 에어 스핀들 시스템은 에어노즐(112)을 통해서 압축된 공기로 축ㆍ회전자 일체형 샤프트(102)를 부상시키고 상기 앵귤러 볼베어링(104)이 전술한 샤프트(102)의 흔들림을 제거하므로서 에어 스핀들의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 에어 스핀들 시스템의 작동상태를 도 2를 참조하여 간략하게 서술하면 아래와 같다.

우선 도 2에 도시한 바와 같이, 에어 스핀들의 구동을 위한 전원이 주파수 변환기(도시하지 않음)를 통하여 에어 스핀들에 연결되어 공기 공급시스템(도시하지 않음)에 의하여 에어 스핀들에 에어노즐(112)을 통하여 공기가 공급되면 에어 스핀들의 샤프트(102)가 공기압에 의하여 부상하게 되며, 이때 상기 에어 스핀들에 전원을 공급하면 상기 샤프트(102)는 회전하게 된다. 한편 상기 샤프트(102)의 회 전수의 조절은 공급전원의 주파수 변환기에 의해 이루어진다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 한개의 메인 하우징으로 스핀들의 조립오차 및 강성 저하를 줄일 수 있고 또한 회전자를 샤프트의 중앙에 위치하게 한 축ㆍ회전자 일체형 샤프트를 통해서 축 흔들림을 제거할 수 있으며, 특히 에어 스핀들 모터축이 흔들릴 경우 앵귤러 볼베어링으로 축 흔들림을 제거하므로서 에어 스핀들의 회전 정밀도를 매우 정밀하게 결정할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 통상의 에어 스핀들용 샤프트(102)를 회전시키기 위한 고정자(106) 및 회전자(108)로 구성된 모터부와 상기 샤프트(102)를 소정의 공기압으로 부상시키기 위한 다수개의 에어노즐(112)로 구성된 복합 베어링이 구비된 일체형 에어 스핀들 시스템에 있어서,

   상기 샤프트(102)와 고정자(106) 및 회전자(108)는 일체로 성형된 한개의 하우징(100)에 설치되며;

   상기 샤프트(102)와 회전자(108)는 상기 회전자(108)가 상기 샤프트(102)의 중앙에 위치하도록 일체형으로 만들어지며;

   상기 샤프트(102)에는 앵귤러 볼베어링(104)을 설치하여 구성함을 특징으로 하는 복합 베어링이 구비된 일체형 에어 스핀들 시스템.
2. 삭제
3. 삭제

Images