KR100656655B1

KR100656655B1 - 머시닝센터의 자동공구교환장치

Info

Publication number: KR100656655B1
Application number: KR1020000087655A
Authority: KR
Inventors: 강효석
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2000-12-31
Filing date: 2000-12-31
Publication date: 2006-12-12
Anticipated expiration: 2020-12-31
Also published as: KR20020059110A

Abstract

본 발명은 공구교환시에 캐리어에 의해 공구매거진과 체인저 암 사이를 왕복운동하면서 양측에 있는 공구를 운반하도록 된 공구클램퍼를 구비하여 공구매거진 전체를 승강시키지 않고도 공구교환이 가능하도록 하고, 공구교환시간을 단축시킬 수 있도록 한 머시닝센터의 자동공구교환장치에 관한 것으로, 공구홀더(30)와 체인저 암(70)에 있는 공구(40)를 잡는 공구클램퍼(50); 상기 공구클램퍼(50)를 공구(40)의 후단부로 전진시키거나 후진시키는 픽업실린더(60); 상기 공구클램퍼(50)가 전진하여 접촉하면 공구홀더(30)상의 공구(40)의 록킹을 해제시키는 록킹장치(32); 상기 공구홀더(30)와 체인저 암(70) 사이에서 왕복운동되면서 공구클램퍼(50)에 물린 공구(40)를 양측으로 운반하는 캐리어(80); 상기 캐리어(80)를 구동하기 위한 캐리어 이송실린더(90); 상기 공구클램퍼(50)로부터 전달되는 공구와 스핀들로부터 되돌려지는 공구(40)를 맞교환하기 위한 체인저 암(70)으로 구성된 것이다.

Description

머시닝센터의 자동공구교환장치{automatic tool changer for machining center}

도 1 은 종래 자동공구교환장치의 일예를 개략적으로 보인 정면도

도 2 는 종래 자동공구교환장치의 다른 예를 개략적으로 보인 측면도

도 3 은 종래 자동공구교환장치의 다른 예를 개략적으로 보인 정면도

도 4 는 본 발명에 따른 자동공구교환장치의 구성을 보인 측단면도

도 5 는 본 발명에 따른 공구클램퍼의 구조를 나타내는 도4의 A부 확대단면도

도 6 은 본 발명에 따른 자동공구교환장치의 구성을 보인 정면도

도 7 은 본 발명에 따른 정지위치유지기구의 구조를 나타내는 도6의 B부 확대단면도

도 8 은 본 발명에 따른 자동공구교환장치가 머시닝센터에 적용된 예를 보인 측단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

30 : 공구홀더 32 : 록킹장치

40 : 공구 50 : 공구클램퍼

60 : 픽업실린더 70 : 체인저 암

80 : 캐리어 90 : 캐리어 이송실린더

51 : 소켓하우징 52 : 가이드부쉬

53 : 콜렛 54 : 스틸볼

55 : 록킹샤프트 56 : 록킹스프링

55a : 경사면 100 : 정지위치유지기구

80g : 홈 102 : 록킹핀

200 : 공구매거진 104 : 가이드블록

106 : 커버 108 : 스프링

101 : 블록

본 발명은 머시닝센터의 자동공구교환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공구교환시에 캐리어에 의해 공구매거진과 체인저 암 사이를 왕복운동하면서 양측에 있는 공구를 운반하도록 된 공구클램퍼를 구비하여 공구매거진 전체를 승강시키지 않고도 공구교환이 가능하도록 하고, 동시에 공구교환시간을 단축시킬 수 있도록 한 머시닝센터의 자동공구교환장치에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계에서 가공 생산성을 향상시키기 위한 대안으로는 크게 절삭시간의 단축과, 비절삭시간의 단축으로 나눌 수 있다.

이 중 비절삭시간의 단축방안으로는 이송계의 이송속도를 향상시키는 방법 과, 자공공구교환장치(ATC)에 의한 공구교환시간을 단축하거나 오토파렛체인저(APC)에 의한 공작물 교환시간을 단축시키는 것으로 다시 세분화된다.

한편, 라인센터 대응형 머시닝센터의 경우 기계의 폭이 중요한 요소가 되므로 자동공구교환장치를 기계의 상단부에 설치하는 것이 불가피하게 된다.

통상 적용되고 있는 라인센터 대응형 머시닝센터에 사용되는 자동공구교환장치는 크게 두 가지로 대별될 수 있다.

첫째는 첨부도면 도1에 도시된 바와 같이 기계의 작업영역과 중첩되는 간섭영역을 감안하여 애초부터 공구매거진(10)을 설계하여 공구교환작업중에 간섭영역이 발생되지 않도록 한 방식과, 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 공구매거진(20) 전체가 상하방향으로 이송될 수 있도록 구성하여 공구교환시에만 공구매거진(20)이 공구교환영역으로 이동하는 방식이다.

이 중에서 도1에 도시된 바와 같은 종래 자동공구교환장치의 동작은 우선 스핀들을 공구교환대기위치에서 멈춘 상태에서 공구매거진(10)의 회전동작으로 스핀들로부터 되돌려 질 공구가 되돌아갈 빈 포트가 스핀들 앞에 오도록 위치결정시킨 다. 다음 동작으로 스핀들을 이송시켜서 되돌릴 공구를 빈 포트로 안내한 후 스핀들을 언클램핑한 후 다시 후진시키고, 공구매거진(10)을 회전시켜서 스핀들에 새롭게 장착할 공구를 스핀들 앞에 정지시킨다. 다음 동작으로 스핀들을 전진시키고 장착할 공구를 클램핑하여 후진시키게 되면, 공구교환작업이 완료되고, 스핀들은 작업영역으로 이송되어 남은 작업을 진행할 수 있게 된다.

이와 같은 종래의 자동공구교환장치는 그 외형이 간소화되고, 기계 전체의 형상에 변화를 주지 않으면서 안정적으로 설치될 수 있는 장점을 가지고 있는 반면에, 공구매거진(10)의 간섭영역 제거로 인하여 기계의 동작중에는 공구매거진(10)이 동작할 수 없게 되어 전체적인 공구교환시간이 길어지게 되는 문제점이 있었다.

한편, 도2 및 도3에 도시된 바와 같은 종래 자동공구교환장치는 기계의 동작중에 공구매거진(20)의 회전동작으로 스핀들에 장착되어 있는 공구가 되돌려질 빈 포트를 우선 위치결정시킨다. 이 상태에서 공구교환지령을 대기하고 있다가 공구교환지령이 떨어지게 되면, 공구매거진(20)을 공구교환위치(예를 들어서 하측방향)로 이송시킨 다음 스핀들을 이송시켜서 되돌릴 공구를 빈 포트로 안내한다. 이 후의 동작으로, 스핀들을 언클램핑한 다음 후진시키고, 다시 공구매거진(20)을 회전시켜서 스핀들에 새롭게 장착할 공구를 스핀들 앞에 정지시킨 다음 스핀들을 전진시키고, 장착할 공구를 클램핑하여 후진시키게 되면, 공구교환작업이 완료되고, 스핀들은 작업영역으로 이송되어 남은 작업을 진행할 수 있게 된다.

그러나, 이와 같은 방식의 자동공구교환장치는 기계의 동작중에 공구교환작업의 일부를 먼저 수행할 수 있기 때문에 비절삭 시간의 단축으로 전체 가공시간의 단축을 도모할 수 있다는 장점을 가지고는 있으나 여러 공구들이 장착되어 있는 공구매거진(20) 전체가 공구교환시마다 매번 공구교환위치로 왕복하여 이송되어야 되기 때문에 반복하여 사용하게 되면, 기계에 무리가 가게 되며, 심한 진동이 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 공구매거진(20)이 스핀들로부터 공구가 되돌려진 후에 비로소 다음 동 작을 수행할 수 있기 때문에 비절삭시간을 단축시키는데 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 기계의 작업 중에 공구매거진이 회전가능하도록 되어 있는 자동공구교환장치에서 공구매거진 전체가 공구교환위치로 이동되지 않고도 공구교환이 가능하도록 함으로써 공구교환동작 중에 기계에 가해질 수 있는 충격을 보다 줄일 수 있도록 하는 동시에 공구교환 시간을 단축시킬 수 있는 머시닝센터의 자동공구교환장치를 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 공구홀더와 체인저 암에 있는 공구를 잡는 공구클램퍼; 상기 공구클램퍼를 공구의 후단부로 전진시키거나 후진시키는 픽업실린더; 상기 공구클램퍼가 전진하여 접촉하면 공구홀더상의 공구의 록킹을 해제시키는 록킹장치; 상기 공구홀더와 체인저 암 사이에서 왕복운동되면서 공구클램퍼에 물린 공구를 양측으로 운반하는 캐리어; 상기 캐리어를 구동하기 위한 캐리어 이송실린더; 상기 공구클램퍼로부터 전달되는 공구와 스핀들로부터 되돌려지는 공구를 맞교환하기 위한 체인저 암으로 구성되는 머시닝센터의 자동공구교환장치가 제공된다.

이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도4 내지 도8에 도시된 바와 같이 공구홀더(30)에 있는 공구(40)를 잡아서 체인저 암(70)이 위치된 곳으로 이송시키고 반대로 체인저 암(70)에 물려진 공구를 공구홀더(30)로 이송시키는 공구클램퍼(50)와, 이 공구클램퍼(50)의 클램프 동작을 수행하기 위해 공구클램퍼(50)를 전후진시키는 픽업실린더(60)와, 픽업실린더(60)와 공구클램퍼(50)가 설치된 캐리어(80)를 공구홀더(30)와 체인저 암(70) 사이로 왕복운동시키는 캐리어 이송실린더(90)와, 공구클램퍼(50)로부터 전달되는 공구와 스핀들로부터 되돌려지는 공구를 맞교환하기 위한 체인저 암(70)으로 구성된다.

여기서 공구클램퍼(50)는 첨부도면 도5에 도시된 바와 같이 픽업실린더(60)에 의해 전후진되는 소켓하우징(51), 캐리어(80)에 설치되고 소켓하우징(51)을 안내하는 가이드부쉬(52), 소켓하우징(51)의 선단 내측에 설치되고 전진운동시 공구(40)의 후단부로 삽입되는 콜렛(53), 콜렛(53)의 외주에 복수개 설치되고 공구(40)를 물 때 공구(40)의 내측에 형성된 환형홈에 걸리는 스틸볼(54), 소켓하우징(51)과 록킹샤프트(55) 사이에서 반발하는 록킹스프링(56), 콜렛(53)의 중심에 미끄럼결합되고 록킹스프링(56)에 의해 스틸볼(54)을 항상 바깥쪽으로 밀어내도록 후단에 경사면(55a)이 형성된 록킹샤프트(55)로 구성하였다.

그리고, 상기 픽업실린더(60)와 캐리어 이송실린더(90)는 예컨대, 에어실린더 또는 유압실린더로 구성될 수 있으며, 직선운동이 가능한 리니어액추에이터로도 구성될 수 있다.

또한, 상기 공구클램퍼(50)는 공구(40)를 잡기 전에 공구홀더(30)에 설치된 록킹장치(32)에 접촉된 후 록킹을 해제하고 공구(40)를 잡을 수 있도록 구성된다.

한편, 기계로 공급되는 메인 전원이 차단되면서 캐리어 이송실린더(90)로 공급되는 유체압이 떨어져 캐리어(80)가 자연낙하되는 것을 방지하기 위하여 캐리어(80)가 공구홀더(30)가 있는 곳에 위치되어 있을 때 걸리는 정지위치유지기구(100)를 구비하였는데, 이러한 정지위치유지기구(100)는 첨부도면 도7에 도시된 바와 같이 캐리어(80)의 측면에 설치되고 홈(80g)이 형성된 블록(101)과, 캐리어 이송실린더(90)가 대기위치에 있을 때 블록(101)의 측면에 형성된 홈(80g)에 걸리는 록킹핀(102)과, 공구매거진(200)에 고정되고 록킹핀(102)을 캐리어(80)의 이송방향에 대해 직각방향으로 안내하는 가이드블록(104)과, 록킹핀(102)을 캐리어(80)의 측면에 형성된 홈(80g)으로 밀어내도록 가이드블록(104)의 후면에 씌워진 커버(106)와 록킹핀(102) 사이에서 반발하는 스프링(108)으로 구성될 수 있다.

또, 위와 같은 정지위치유지기구(100)를 구성하고 있는 스프링(108)은 상기 캐리어 이송실린더(90)의 이송력보다는 작고, 캐리어(80)가 자중에 의해 하강하려는 힘보다는 큰 탄성력을 갖도록 구성함이 바람직하다.

이때 캐리어(80)가 자중에 의해 하강하려는 힘은 이 캐리어(80)의 무게에 공구클램퍼(50)와 픽업실린더(60)의 무게를 더한 값이 되며, 캐리어(80)에 실린 모든 부품의 무게를 합산한 값이면 보다 정확한 수치가 산출된다.

그리고, 상기 록킹핀(102)과 홈(80g)의 접촉면은 예를 들어서 "V"자 모양으로 형성하였으나 꼭 이러한 형상에 한정하는 것은 아니다.

도면중 미설명 부호 300은 공구홀더(30)를 회전시키기 위한 구동력을 발생시키는 서보모터를 나타낸 것이며, 302는 서보모터(300)로부터 발생된 동력을 감속하기 위한 감속기를 나타낸 것이다.

이하 본 발명에 따른 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음 과 같다.

첨부도면 도4 내지 도8에 도시된 바와 같이 가공중에 제어장치로부터 교환할 공구번호에 대한 지정신호가 발생되면, 공구매거진(200)에 부착된 서보모터(300)와 감속기(302)에 의해 공구홀더(30)가 회전되고, 지정된 공구번호를 갖는 공구(40)를 교환할 위치에 정지시키게 된다.

이때 픽업실린더(60)에 의해 공구클램퍼(50)가 전진하게 되면, 공구홀더(30)에 설치되어 있는 록킹장치(32)에 공구클램퍼(50)가 접촉되면서 해당 공구(40)의 록킹이 해제되는 동시에 공구클램퍼(50)에 교환할 공구가 결합된다.

즉, 공구클램퍼(50)를 구성하고 있는 소켓하우징(51)이 픽업실린더(60)에 의해 전진되면, 가이드부쉬(52)에 의해 직선안내되는 동시에 소켓하우징(51)의 선단부 내측에 설치되어 있는 콜렛(53)이 공구(40)의 후단부로 삽입되고, 콜렛(53)의 외측으로 돌출되어 있던 스틸볼(54)이 공구(40)의 내측에 형성된 환형홈에 걸리면서 가결합되며, 스틸볼(54)의 진입과정에서 이 스틸볼(54)이 콜렛(53)의 중심으로 이동하게 되면, 록킹샤프트(55)가 축방향으로 밀리면서 동시에 록킹스프링(56)이 압축되고, 스틸볼(54)의 진입이 완료되면, 이 록킹스프링(56)의 탄성력에 의해 록킹샤프트(55)가 후진되면서 이 록킹샤프트(55)의 경사면(55a)에 접촉되어 있는 스틸볼(54)이 반경방향 바깥쪽으로 밀려서 돌출되어 걸리게 된다.

이후 캐리어 이송실린더(90)에 의해 캐리어(80)가 하강하게 되면, 공구클램퍼(50)에 결합된 교환할 공구(40)가 공구홀더(30)로부터 인출되면서 하강하여 체인저 암(70)에 물리게 되고, 공구홀더(30)의 포트는 비어 있게 된다.

이때 다시 픽업실린더(60)가 후진하여 공구(40)로부터 분리되며, 체인저 암(70)이 180°회전하여 이미 스핀들로부터 가져온 되돌릴 공구(40)와 교환할 공구(40)의 위치를 반전시키게 된다.

이후 픽업실린더(60)가 전진되면서 공구클램퍼(50)에 되돌릴 공구(40)가 결합되며, 다시 캐리어 이송실린더(90)에 의해 캐리어(80)가 상승하게 되면, 공구홀더(30)의 빈 포트로 공구(40)가 되돌려지게 되며, 픽업실린더(60)에 의해 공구클램퍼(50)가 후진하면서 공구(40)로부터 분리된다.

한편, 캐리어(80)가 대기위치에 정지된 상태에서 기계로 공급되는 메인전원이 차단되어 캐리어 이송실린더(90)로 공급되는 유체압이 급격하게 떨어지게 되는 경우 캐리어(80)의 측면에 설치된 블록(101)이 공구매거진(200)에 설치되어 있는 록킹핀(102)에 걸린 상태로 있기 때문에 자중에 의해 자연낙하되는 것이 방지된다.

또한, 정상적인 상태에서 캐리어 이송실린더(90)에 의해 캐리어(80)가 하강하게 되면, 블록(101)의 홈(80g)에 걸려 있던 록킹핀(102)이 밀리면서 캐리어(80)가 하강할 수 있게 되고, 다시 캐리어(80)가 상승하게 되면, 록킹핀(102)이 스프링(108)의 탄성력에 의해 홈(80g)에 걸리게 된다.

그리고, 위와 같은 자동공구교환장치를 고정주소(fixed address)방식에 적용한 경우의 공구매거진(200)의 동작은 공구홀더(30)에 있던 공구(40)를 공구클램퍼(50)와 캐리어(80)를 이용하여 체인저 암(70)으로 이송한 상태에서 캐리어(80)가 다시 돌아오기 전에 공구홀더(30)가 회전하여 스핀들로부터 되돌려질 공구(40)에 지정된 포트를 공구클램퍼(50) 쪽에 위치시키는 선행동작이 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 공구교환시에 캐리어와 공구클램퍼에 의해 공구매거진과 체인저 암 사이를 왕복운동하면서 공구를 운반하도록 구성되어 있으므로, 공구매거진 전체가 승강되지 않아도 되기 때문에 기계에 무리를 주지 않게 되며, 더욱이 가공중에 공구매거진의 위치결정이 가능하므로, 비절삭시간이 단축되는 것은 물론이고, 전체적인 가공시간의 단축을 꾀할 수 있는 효과가 있다.

Claims

공구홀더(30)와 체인저 암(70)에 있는 공구(40)를 잡는 공구클램퍼(50);

상기 공구클램퍼(50)를 공구(40)의 후단부로 전진시키거나 후진시키는 픽업실린더(60);

상기 공구클램퍼(50)가 전진하여 접촉하면 공구홀더(30)상의 공구(40)의 록킹을 해제시키는 록킹장치(32);

상기 공구홀더(30)와 체인저 암(70) 사이에서 왕복운동되면서 공구클램퍼(50)에 물린 공구(40)를 양측으로 운반하는 캐리어(80);

상기 캐리어(80)를 구동하기 위한 캐리어 이송실린더(90);

상기 공구클램퍼(50)로부터 전달되는 공구와 스핀들로부터 되돌려지는 공구(40)를 맞교환하기 위한 체인저 암(70)으로 구성된 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 자동공구교환장치.
제 1 항에 있어서, 상기 공구클램퍼(50)는 소켓하우징(51);

캐리어(80)에 설치되고, 소켓하우징(51)을 안내하는 가이드부쉬(52);

소켓하우징(51)의 선단 내측에 설치되고, 전진운동시 공구(40)의 후단부로 삽입되는 콜렛(53);

콜렛(53)의 외주에 복수개 설치되고, 공구(40)를 물 때 공구(40)의 내측에 형성된 환형홈에 걸리는 스틸볼(54);

소켓하우징(51)과 록킹샤프트(55) 사이에서 반발하는 록킹스프링(56);

콜렛(53)의 중심에 미끄럼결합되고, 록킹스프링(56)에 의해 스틸볼(54)을 항상 바깥쪽으로 밀어내도록 후단에 경사면(55a)이 형성된 록킹샤프트(55)로 구성된 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 자동공구교환장치.
제 1 항에 있어서, 상기 캐리어(80)의 정지위치를 유지하기 위한 정지위치유지기구(100)가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 자동공구교환장치.
제 3 항에 있어서, 상기 정지위치유지기구(100)는 캐리어(80)의 측면에 설치되고, 홈(80g)이 형성된 블록(101);

캐리어 이송실린더(90)가 대기위치에 있을 때 블록(101)의 측면에 형성된 홈(80g)에 걸리는 록킹핀(102);

공구매거진(200)에 고정되고, 록킹핀(102)을 캐리어(80)의 이송방향에 대해 직각방향으로 안내하는 가이드블록(104);

록킹핀(102)을 캐리어(80)의 측면에 형성된 홈(80g)으로 밀어내도록 가이드블록(104)의 후면에 씌워진 커버(106)와 록킹핀(102) 사이에서 반발하는 스프링(108)으로 구성된 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 자동공구교환장치.
제 4 항에 있어서, 상기 스프링(108)은 상기 캐리어 이송실린더(90)의 이송력보다는 작고, 캐리어(80)가 자중에 의해 하강하려는 힘보다는 큰 탄성력을 갖는 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 자동공구교환장치.
제 4 항에 있어서, 상기 록킹핀(102)과 홈(80g)의 접촉면은 "V"자 모양인 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 자동공구교환장치.