KR100649546B1

KR100649546B1 - 모터 내장형 정밀 직선운동장치

Info

Publication number: KR100649546B1
Application number: KR1020040110077A
Authority: KR
Inventors: 김태원
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-11-28
Also published as: KR20060071481A

Abstract

본 발명은 볼나사를 직선운동시켜 테이블을 직선운동시키는 모터 내장형 정밀 직선운동장치에 관한 것으로, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은, 이송체를 직선운동시키기 위한 장치로서, 하우징과; 상기 하우징에 베어링으로 지지된 중공구조의 회전축과; 상기 회전축의 내경부와 외경부에 각기 축결된 볼너트 및 모터 로터와; 상기 모터 로터의 외주면에 위치되어 상기 하우징의 내부에 고정 설치된 모터 스테이터와; 상기 회전축의 중공부에 결합됨과 동시에 상기 볼나사너트에 나사결합되며, 로터의 회전운동에 따라 상기 이송체를 직선운동시키는 볼나사를 포함한다.

볼너트, 볼나사, 테이블, CNC, 공작기계, 로터, 스테이터

Description

모터 내장형 정밀 직선운동장치{Built in motor linear motion device}

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.

제1도는 종래 볼나사를 이용한 직선운동장치의 개략도.

제2도는 종래 볼나사의 변형 예.

제3도는 본 발명에 따른 모터 내장형 정밀 직선운동장치의 조립 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

21: 베어링

22: 베어링 플레이트

23: 모터 로터

24: 모터 스테이터

25: 하우징

26: 베어링

27: 로크너트

28: 플랜지

29: 회전축

30: 볼나사 너트

31: 볼나사

32: 어댑터

33: 센서헤드

34: 센서 링

본 발명은 CNC 공작기계에 사용되는 직선운동장치에 관한 것으로, 특히 볼나사를 직선운동시켜 테이블을 직선운동시키는 모터 내장형 정밀 직선운동장치에 관한 것이다.

공작기계의 직선운동장치는 이송축을 구성하며 주축과 더불어 공작기계를 구성하는 주요 유닛이다. CNC 선반의 경우 기본 2축, 머시닝 센터의 경우 기본 3축으로 이루어지며 본 발명은 정밀가공을 위한 초미세이송이 가능한 구조를 다루고 있다.

일반적으로 공작기계에 사용되는 직선운동장치의 개략도는 도1에 나타난 바와 같다.

공작기계의 기본 프레임인 베드(5) 상에 베어링(2,6)으로 지지된 볼나사(3)와 상기 볼나사(3)의 나사와 맞물려 있는 볼나사 너트(4)가 슬라이드 테이블(1)과 볼트 등으로 강체결합되어 있다. 볼나사(3)는 베드(5)와 베어링(2,6)을 통하여 지지되어 있으므로 자유스럽게 회전 가능하지만, 직선방향으로는 베어링(2,6)에 의해 구속당해있다.

서보모터(7)에 직결된 볼나사(3)가 회전하게 되면, 볼나사(3)의 나사선과 맞물려 있는 볼나사 너트(4)는 강체결합되어 있는 슬라이드 테이블(1)과 함께 직선운동을 하게 된다. 즉, 회전운동을 직선운동으로 변환시켜 주는 구조이다. 볼나사(3)의 회전은 볼나사 한쪽에 결합되어 있는 서보모터(7)의 구동에 의한다.

볼나사(3)는 비교적 가늘고 긴 구조물로서 도2에 보인 바와 같이 이상적인 볼나사 설치조건(10)으로부터 벗어나 변형된 형상(11)으로 조립되는 것이 일반적이다. 이때 볼나사(3)의 길이가 길어질 수록, 이상적인 형태로부터 많이 벗어나게 된다.

수직방향으로는 볼나사(3)의 자중에 의해 처질 수 있고, 수평방향으로는 양 베어링(2,6)의 동축 불량으로 휘어질 수 있다. 이러한 변형된 볼나사(3)를 회전시키면 슬라이드 테이블(1)은 볼나사 휨에 의한 영향을 직접받아 주기적인 진동이 생기게 된다. 이러한 진동의 발생은 공작기계에 중요한 위치결정정도에 악영향을 미쳐 공작물 치수에 오차를 발생시키고, 표면에 미세한 무늬를 발생시켜 공작기계 품질을 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안한 것으로 비교적 길고 가는 볼나사의 회전에 의해 생기는 가공품위의 손상을 방지하기 위하여 볼나사를 회전시키지 않는 구조를 발명하고자 한다. 볼나사를 회전시키지 않기 위해서는 볼나사 너트가 회전하여야 하며 볼나사는 이에 따라 직선운동을 하는 구조여야 한다.

또한, 정밀가공을 위해서 응답성이 높고 정밀 미세 회전이 가능하도록 회전축상에 직접 서보모터가 장착되는 모터내장형 구조가 채용되어야 한다.

따라서 본 발명은 회전축상에 모터가 동축으로 결합되기 위해서는 모터의 로터와 스테이터가 분리되어 있는 토크모터가 구성상 유리하며 이를 채용하여 미세 회전이 가능하고 이에 따라 미세직선운동이 가능한 모터 내장형 정밀 직선운동장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

이송체를 직선운동시키기 위한 장치로서,

하우징과;

상기 하우징에 베어링으로 지지된 중공구조의 회전축과;

상기 회전축의 내경부와 외경부에 각기 축결된 볼나사너트 및 모터 로터와;

상기 모터 로터의 외주면에 위치되어 상기 하우징의 내부에 고정 설치된 모터 스테이터와;

상기 회전축의 중공부에 결합됨과 동시에 상기 볼나사너트에 나사결합되며, 로터의 회전운동에 따라 상기 이송체를 직선운동시키는 볼나사를 포함한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 회전축에 어댑터를 매개로 센서링이 설치되고, 상기 하우징에 센서링의 회전속도를 감지하는 센서헤드가 설치된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 일실시예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 모터 내장형 정밀 직선운동장치의 조립상태도이다.

도 3에서와 같이 한쪽이 트인 원통형상의 하우징(25)에 모터 스테이터(24)가 볼트로 강체결합되어 있고, 하우징(25)의 트인 쪽엔 다시 원판 형상의 베어링 플레이트(22)가 결합되어 있다.

상기 하우징(25)과 상기 베어링 플레이트(22)에 베어링(21,26)이 각기 조립되어 있고, 중공형상의 회전축(29)이 베어링(21,26) 내륜을 통해 지지되어 있다.

상기 베어링(21,26)은 로크너트(27)와 플랜지(28)에 의해 축방향으로 고정되어 있다. 로크너트(27)는 상기 회전축(29)의 단부에 나사결합으로 조립되고, 플랜지(28)는 하우징(25)의 일측단면에 볼트로 조립된다.

한편, 회전축(29)상에는 모터 로터(23)가 볼트로 강체 결합되어 있다. 이때 모터 로터(23)의 외경과 모터 스테이터(24)의 내경과에는 모터 로터(23)의 회전이 자유롭도록 일정 간격의 틈새를 갖는다.

상기 회전축(29)의 중공부 안쪽으로는 볼나사 너트(30)가 볼트() 등으로 강체 결합되어 있다. 따라서 회전축(29)과 볼나사 너트(30)를 일체로 회전하게 되어 있다.

상기 회전축(29)의 한쪽 끝쪽에는 어댑터(32)를 매개로 센서 링(34)이 취부되어 있다. 어댑터(32)는 볼트로 회전축(29)에 결합되어 있다.

상기 베어링 플레이트(22)의 한쪽면에는 센서헤드(33)가 취부되어 있고, 상기 센서헤드(33)는 도시안된 제어기와 전기적으로 연결되어 회전축(29)의 회전속도를 감지한다. 이때 센서헤드(33)는 상기 센서 링(34)과 마주보며 설치되어 있다.

상기 볼나사 너트(30)의 나사선과 맞물려 있는 볼나사(31)는 회전축(29) 내부 중공부와는 일정 틈새로 유지되어 있다.

상기 볼나사(31)의 한쪽은 도 1의 슬라이드 테이블(1)과 강체 결합되며, 하우징(25)은 베드(5)와 볼트 등으로 강체결합되어 조립된다.

여기서 모터 로터(23)는 모터 스테이터(24)에 감김된 코일에 인가된 유도전류에 의해 회전되는 회전자이다.

이와 같이 구성된 모터 내장형 정밀 직선운동장치의 작용을 설명한다.

상기 베드(5)에 고정된 하우징(25)에서 중공 회전축(29)은 베어링(21,26)에 의해 지지되어 있으므로 자유스럽게 회전이 가능하다. 회전축(29)은 한쪽 베어링(26)에 의해 축방향으로 고정되어 있으므로 단순 회전만 가능하다. 회전축(29)의 회전운동은 하우징(25)에 고정된 스테이터(24)와 회전축에 고정된 로터(23)에 의해 일어나며 회전축에 직접 모터가 결합되어 있으므로 높은 회전정도를 갖게 된다.

따라서, 벨트나 치차를 통하여 회전동력이 전달되지 않으므로 진동이 최소화된다. 모터로터(23)의 회전은 다시 회전축(29)에 결합된 센서 링(34)의 회전으로 직접 전달되며, 하우징(25)에 고정된 센서헤드(33)에 의해 회전속도가 감지되게 되며 제어기에 의해 쉽게 제어될 수 있다.

회전축(29) 중공부에는 볼나사 너트(30)가 볼트로 강체 결합되어 있어 회전 력이 직접 전달되며 회전축(31)과 같이 회전하게 된다. 볼나사 너트(30)가 회전하게 되면 슬라이드 테이블(1)과 강체 결합되어 있는 볼나사(31)는 볼나사 너트(30)의 회전에 따라 나사선에 의해 순수 직선운동을 하게 된다.

볼나사(31)의 리드가 10mm일 경우 한 회전 당 볼나사의 전진량이 10mm이므로, 모터가 분당 1,000회전을 하게 되면 슬라이드 테이블은 분당 10m의 속도로 움직이게 된다.

실제 모터가 구동하여야 되는 회전부분은 볼나사 너트(30)와 중공회전축(29)에 국한되므로 저관성 서보계가 되며 빠른 응답성을 가지는 초미세 이송기구가 될 수 있다. 만약 볼나사(31)가 회전하게 되면, 상당한 양의 관성이 증가되어 제어성이 나빠지게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 모터 내장형 정밀 직선운동장치에 따르면, 공작기계 부품 중에서도 비교적 가늘고 긴 볼나사의 휨이 발생되더라도, 볼나사가 회전하지 않는 구조이므로 회전에 의한 진동이 억제되어 매우 부드러운 이송이 가능하며, 위치정도가 향상된다.

또한, 회전축상에 모터가 직접 결합되어 있는 구조이므로, 모터 구동력이 100% 직접 작용되어 매우 강성이 높은 이송기구가 된다. 직접결합되어 벨트나 치차 등 중간 동력전달기구가 없어 이에 따른 진동이 없어지게 된다.

모터가 직접 구동하여야 되는 회전부는 볼나사 너트에 국한되므로 빠른 응답성을 가지는 미세직선운동장치를 제작할 수 있게 된다.

본 발명은 하나의 하우징에 모터, 볼나사가 일체화되어 있는 모듈구성이므로 쉽게 여러가지 공작기계에 적용이 가능하며, 유지보수 측면에서도 쉽게 볼나사까지 접근 가능하여 공작기계의 보전성이 향상된다.

Claims

이송체를 직선운동시키기 위한 장치로서,

하우징(25)과;

상기 하우징(25)의 내부에 베어링(21,26)으로 지지된 중공구조의 회전축(29)과;

상기 회전축(29)의 내경부와 외경부에 각기 축결된 볼너트(30) 및 모터 로터(23)와;

상기 모터 로터(23)의 외주면에 조립되면서 위치되어 상기 하우징(25)의 내부에 고정 설치된 모터 스테이터(24)와;

상기 회전축(29)의 중공부에 결합되면서 상기 볼너트(30)에 나사결합되는 볼나사(31)를 포함하여 구성되며 상기 모터 로터(23)의 회전운동에 따라 상기 볼나사너트(30)와 상기 회전축(29)이 동일 회전하면서 상기 이송체를 직선운동시키는 모터 내장형 정밀 직선운동장치.
제 1항에 있어서,

상기 회전축(29)에 어댑터(32)를 매개로 센서링(34)이 설치되고, 상기 하우징(25)에 센서링(34)의 회전속도를 감지하는 센서헤드(33)가 설치된 것을 특징으로 하는 모터 내장형 정밀 직선운동장치.