KR100729473B1 - 3축집적구조를 갖는 머시닝센터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주축이 X축, Y축, Z축으로 된 3축에 의해 움직일 수 있는 구조로하는 동시에 이송계에 리니어모터를 사용하여 고속이송이 가능하도록 하고, 청소를 용이하게 한 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터에 관한 것으로, 공작물을 고정하기 위한 테이블(20)이 중앙에 설치되는 베이스 프레임(30)과, 베이스 프레임(30)의 좌우양측 평행하게 설치되는 Y축 리니어 가이드(40)(42)에 의해 전후방향으로 직선안내되면서 Y축 리니어모터(44)(46)에 의해 직선운동되는 Y축 이동블록(48)(49)과, 베이스 프레임(30)의 위를 좌우로 가로지르도록 Y축 이동블록(48)(49) 위에 올려지고, Y축 이동블록(48)(49)에 의해 전후방향으로 직선운동되는 크로스 프레임(50)과, 크로스 프레임(50)에 좌우로 수평하게 설치되는 X축 리니어 가이드(60)에 의해 좌우방향으로 직선안내되면서 X축 리니어모터(62)에 의해 직선운동되는 X축 이동체(64)와, X축 이동체(64)에 설치되는 Z축 리니어 가이드(70)에 의해 상하방향으로 직선안내되면서 Z축 리니어모터(72)에 의해 직선운동되고, 주축(80)이 고정되는 Z축 이동체(74)로 구성된 것이다.

Description

3축 집적구조를 갖는 머시닝센터{machining center with 3 axis integrated structure}

도 1 은 종래 X축과 Y축이 집적된 형태의 공작기계를 개략적으로 보인 사시사진

도 2 는 종래 X축과 Z축이 집적된 형태의 공작기계를 개략적으로 보인 사시도

도 3 은 본 발명에 따른 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터를 나타낸 정면사시도

도 4 는 본 발명에 따른 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터를 나타낸 배면사시도

도 5 는 본 발명에 따른 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터를 나타낸 정면도

도 6 는 본 발명에 따른 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터를 나타낸 측면도

도 7 는 본 발명에 따른 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터를 나타낸 평면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

20 : 테이블 30 : 베이스 프레임

40,42 : Y축 리니어 가이드 44,46 : Y축 리니어모터

48,49 : Y축 이동블록 50 : 크로스 프레임

60 : X축 리니어 가이드 62 : X축 리니어모터

64 : X축 이동체 70 : Z축 리니어 가이드

72 : Z축 리니어모터 80 : 주축

74 : Z축 이동체 32,34 : 측면지지체

90 : 크로스패널 95 : 회전형 공구매거진

본 발명은 주로 흑연가공기나 머시닝센터에 적용될 수 있는 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주축이 X축, Y축, Z축으로 된 3축에 의해 움직일 수 있는 구조로 하는 동시에 이송계에 리니어모터를 사용하여 고속이송이 가능하도록 하고, 청소를 용이하게 한 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계를 이용한 3차원 가공은 X축, Y축, Z축을 서로 직교로 설치하고, 3차원 가공데이터에 따라 주축을 위치결정 경로를 따라 움직이면서 공구를 고속으로 회전시키는 것에 의해 가능하게 된다.

이와 같은 공작기계는 X축, Y축, Z축의 배열방식에 따라 분류될 수 있는데, 첨부도면 도1은 종래 X축과 Z축이 집적된 형태의 공작기계를 개략적으로 보인 사시사진으로서, 이에 도시된 바와 같이 X축이 Y축 위에서 좌우로 직선운동되면서 공작물을 움직이고, Z축은 독립적으로 수직방향으로 직선운동되면서 주축(10)을 움직이 게 되며, Y축은 전후방향으로 직선운동되면서 X축을 함께 전후방향으로 움직이는 구조로 되어 있다.

즉, X축과 Y축이 집적된 구조로 되어 있는 일반적인 수직형 머시닝센터에서 볼 수 있는 형태의 공작기계이다.

또, 첨부도면 도2는 종래 X축과 Z축이 집적된 형태의 공작기계를 개략적으로 보인 사시도로서, 이에 도시된 바와 같이 Z축이 Y축 상에서 상하방향으로 직선운동되면서 주축(12)을 움직이고, Y축은 독립적으로 전후방향으로 직선운동되면서 공작물을 움직이며, X축은 좌우방향으로 직선운동되면서 Z축과 함께 좌우방향으로 움직이는 구조로 되어 있다.

즉, X축과 Z축이 집적된 구조이며, 일반적인 "문(門)형" 구조의 공작기계에서 많이 볼 수 있는 형식이다.

또한, 위와 같은 공작기계의 X축, Y축, Z축의 직선운동은 위치결정신호에 따라 정역방향으로 회전운동되는 서보모터, 이 서보모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하기 위한 볼스크류 및 너트, 볼스크류를 지지하기 위한 서포트 베어링 그리고 직선운동되는 테이블을 직선안내하기 위한 직선안내레일 및 블록을 각축에 구성하게 되는데, 이는 서보모터의 회전을 볼스크류와 너트를 거쳐서 테이블에 전달하는 구조로 되어 있었기 때문에 구성품 간의 누적오차에 의해 정밀도가 떨어지게 되었으며, 특히 볼스크류를 지지하는 서포트 베어링의 정밀도가 위치결정정밀도에 영향을 미치면서 누적오차는 더욱 크게 되는 문제점이 있었고, 볼스크류가 회전운동될 때 너트와 접촉되면서 마찰열이 발생되는데, 이때 볼스크류가 축방향으로 열팽창되 면서 가공정밀도에 영향을 미치는 문제점이 있었다.

또, 볼스크류의 회전을 직선운동으로 변환하는 구조이기 때문에 동력손실이 크게 되는 것은 물론이고, 공작기계를 고속화시키는데 있어 한계에 부딪치게 되었다.

즉, 위와 같은 구조를 갖는 머시닝센터의 최대속도가 대략적인 평균치에 의하면 약 100m/min 미만의 속도가 한계이며, 그 이상으로 이송속도를 내는 것은 구조적으로 무리가 있게 된다.

또한, 공작물이 올려지는 테이블 밑에는 도1에서와 같이 X축과 Y축이 위치되거나 도2에서와 같이 Y축이 위치되어 있기 때문에 칩이나 절삭유가 밑으로 흘러내려 각축에 구성되어 있는 정밀부품을 오염시키거나 표면에 상처를 입힐 우려가 있게 되는데, 이를 방지하기 위하여 커버를 씌우거나 주름관을 사용하여야 되기 때문에 공작기계의 전체적인 제작단가가 높아지게 되었고, 하부구조가 복잡하게 되어 청소가 곤란하다는 문제점을 가지고 있었다.

또, 공작물이 중량체인 경우에는 테이블을 크게 하고 테이블을 이송하기 위한 축을 공작물의 하중에 적합한 부하용량을 갖는 것으로 하여야 되기 때문에 중량체 및 크기가 큰 공작물을 가공하는 공작기계로는 부적합하였다.

한편, 종래의 공작기계는 주축을 움직이기 위한 축이 도1에서와 같이 Z축으로만 구성되거나, 도2에서와 같이 X축과 Z축만으로 구성되어 있기 때문에 주축이 3방향(X방향, Y방향, Z방향)으로 모두 움직일 수 없기 때문에 자동공구교환장치(ATC)를 부가하는 경우 반드시 체인지 암의 도움을 받아야만 공구 교환이 가능하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 고속이송이 가능하고, 직선운동을 위한 구성품간의 누적오차를 줄일 수 있으며, 청소가 용이하고, 자동공구교환장치를 부가하는 경우 체인지 암의 도움 없이 자체의 위치결정에 의해 공구교환이 가능한 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터를 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 공작물을 고정하기 위한 테이블이 중앙에 설치되는 베이스 프레임과, 베이스 프레임의 좌우양측 평행하게 설치되는 Y축 리니어 가이드에 의해 전후방향으로 직선안내되면서 Y축 리니어모터에 의해 직선운동되는 Y축 이동블록과, 베이스 프레임의 위를 좌우로 가로지르도록 Y축 이동블록 위에 올려지고, Y축 이동블록에 의해 전후방향으로 직선운동되는 크로스 프레임과, 크로스 프레임에 좌우로 수평하게 설치되는 X축 리니어 가이드에 의해 좌우방향으로 직선안내되면서 X축 리니어모터에 의해 직선운동되는 X축 이동체와, X축 이동체에 설치되는 Z축 가이드블록에 의해 상하방향으로 직선안내되면서 Z축 리니어모터에 의해 직선운동되고, 주축이 고정되는 Z축 이동체로 구성하여 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터가 제공된다.

이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도3 내지 도7에 도시된 바와 같이 공작물을 고정하기 위한 테이블(20)이 중앙에 설치되는 베이스 프레임(30)과, 베이스 프레임(30)의 좌우양측 평행하게 설치되는 Y축 리니어 가이드(40)(42)에 의해 전후방향으로 직선안내되면서 Y축 리니어모터(44)(46)에 의해 직선운동되는 Y축 이동블록(48)(49)과, 베이스 프레임(30)의 위를 좌우로 가로지르도록 Y축 이동블록(48)(49) 위에 올려지고, Y축 이동블록(48)(49)에 의해 전후방향으로 직선운동되는 크로스 프레임(50)과, 크로스 프레임(50)에 좌우로 수평하게 설치되는 X축 리니어 가이드(60)에 의해 좌우방향으로 직선안내되면서 X축 리니어모터(62)에 의해 직선운동되는 X축 이동체(64)와, X축 이동체(64)에 설치되는 Z축 리니어 가이드(70)에 의해 상하방향으로 직선안내되면서 Z축 리니어모터(72)에 의해 직선운동되고, 주축(80)이 고정되는 Z축 이동체(74)로 구성하였다.

여기서 크로스 프레임(50)은 상기 X축 리니어 가이드(60) 위에 설치된 수평지지판(52)과, 이 수평지지판(52) 위에 수직으로 설치되는 수직지지판(54), 이들 수평지지판(52)과 수직지지판(54)의 후방측 코너부에 다수개 설치되는 보강판(56)으로 구성된다.

또한, Z축 리니어 가이드(70)는 가이드레일(70a)과 블록(70b)으로 구성되며, 블록(70b)은 상기 X축 이동체(64) 앞면 좌우양측에 일정한 거리를 두고 수직으로 설치된 리브(64a)(64b)의 내측벽면에 수직으로 배열되도록 고정되며, Z축 리니어 가이드(70)의 가이드레일(70a)은 Z축 이동체(74)의 좌우 측면에 설치되어 Z축 리니어 가이드(70)의 블록(70b)에 의해 상하방향으로 직선안내된다.

상기 Z축 이동체(74)는 장방형의 강판 양쪽에 Z축 리니어 가이드(70)의 가이 드레일(70a)을 고정하기 위한 리브(74a)(74b)를 다수의 보강판(74c)으로 지지하면서 설치하여 구성된다.

상기 Y축 리니어 가이드(40)(42)와, Y축 리니어모터(44)(46)는 베이스 프레임(30)의 좌우양측에서 수직방향으로 형성된 측면지지체(32)(34)에 설치하여 테이블(20)로부터 주축(80) 하단부까지의 높이를 증대시켜서 보다 높은 공작물의 가공이 가능하도록 구성할 수 있다.

상기 Y축 리니어 가이드(40)(42)는 측면지지체(32)(34)의 외측면에 설치되고, Y축 리니어모터(44)(46)는 측면지지체(32)(34)의 상단에 설치할 수 있다.

그리고, 좌우로 가로질러서 측면지지체(32)(34)의 후방측 상단부에 설치되는 크로스패널(90)상에 회전형 공구매거진(95)을 설치하여 공구교환시 공구매거진(95)은 회전운동되고, 주축(80)이 X,Y,Z축에 의해 공구매거진(95)이 위치된 곳으로 움직이면서 직접 공구를 교환할 수 있도록 구성하였다.

상기 X,Y,Z축 리니어모터(62)(44)(46)(72)는 고정자와 가동자로 구분되며, 보통의 경우 고정자는 레일형태의 영구자석이며, 가동자는 코일이 된다.

한편, X축 이동체(64), 크로스 프레임(50), Z축 이동체(74) 등은 경량화된 신소재를 사용하여 구성할 수도 있다.

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

첨부도면 도3 내지 도7에 도시된 바와 같이 수치제어장치로부터 전송되는 위치결정신호에 의해 Y축 리니어모터(44)(46)가 구동되어 움직이게 되면, Y축 이동블 록(48)(49)이 Y축 리니어 가이드(40)(42)의 직선안내를 받으면서 전후방향으로 직선운동되는 동시에 이들 Y축 이동블록(48)(49)을 연결하고 있는 크로스 프레임(50)과 Y축 리니어모터(44)(46)의 동기구동에 의해 Y축 이동블록(48)(49)은 동시에 움직이게 되어 비틀림이 없는 평행을 유지하게 된다.

이때 Y축 이동블록(48)(49) 위에 올려진 크로스 프레임(50)과 X축 이동체(64), Z축 이동체(74), X축 리니어모터(62), Z축 리니어모터(72), X축 리니어 가이드(60), Z축 리니어 가이드(70), 주축(80) 등 X축과 Y축을 구성하고 있는 3축과 주축(80)이 함께 움직이게 된다.

즉, 테이블(20) 위에 고정된 공작물에는 움직임이 없게 되며, 공작물의 위에서 3축이 상하좌우 및 전후방향으로 움직이면서 공작물을 가공하게 된다.

또, X축 리니어모터(62)가 구동되면, X축 이동체(64)가 X축 리니어 가이드(60)의 직선안내를 받으면서 좌우방향으로 직선운동을 하게 되며, 이에 따라 Z축을 구성하고 있는 Z축 리니어 가이드(70), Z축 리니어모터(72), Z축 이동체(74), 주축(80)이 함께 움직이게 되다.

한편, Z축 리니어모터(72)가 구동되면, Z축 이동체(74)가 상하방향으로 직선운동되고, 이에 따라 주축(80)이 상하방향으로 움직이면서 공작물을 가공할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 리니어모터를 이용하여 X,Y,Z축인 3축을 구동하도록 구성되어 있기 때문에 기존보다 고속이송이 가능하게 되며, 기존과 같이 볼스크류와 너트를 이용하여 회전운동을 직선운동으로 변환하는 구조가 아닌 리니어모터에 직접 직선운동을 얻는 구조로 되어 있기 때문에 동력전달계통이 단축되어 부품간의 누적오차에 의한 정밀도 저하를 막을 수 있게 되므로, 제작이 보다 간편하게 되고, 고정밀도를 유지할 수 있게 된다.

또한, 3축이 모두 테이블 상승에서 움직이는 구조로 되어 있기 때문에 칩이나 절삭유가 밑으로 흘러내리더라도 3축에는 아무런 영향을 주지 않기 때문에 유지 관리가 보다 용이하게 되는 것은 물론이고, 테이블 밑의 구조가 단순화되어 청소가 간편하게 되며, 자동공구교환장치를 부가하는 경우 회전형 공구매거진만을 부착하고 주축이 Y축과 X축에 의해 공구매거진이 있는 곳으로 수평이동한 다음 Z축에 의해 공구를 교환할 수 있도록 구성되어 있기 때문에 자동공구교환장치의 구성이 간소화되고, 다기능을 부여할 수 있는 공작기계로의 기능확대가 용이하게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 공작물을 고정하기 위한 테이블(20)이 중앙에 설치되고, 좌우 양측에서 수직방향으로 측면지지체(32)(34)가 형성된 베이스 프레임(30);

   상기 측면지지체(32)(34)에 평행하게 설치되는 Y축 리니어 가이드(40)(42)에 의해 전후방향으로 직선안내되면서 상기 측면지지체(32)(34)에 설치된 Y축 리니어모터(44)(46)에 의해 직선운동되는 Y축 이동블록(48)(49);

   상기 베이스 프레임(30)의 위를 좌우로 가로지르도록 Y축 이동블록(48)(49) 위에 올려지고, Y축 이동블록(48)(49)에 의해 전후방향으로 직선운동되는 크로스 프레임(50);

   상기 크로스 프레임(50)에 좌우로 수평하게 설치되는 X축 리니어 가이드(60)에 의해 좌우방향으로 직선안내되면서 X축 리니어모터(62)에 의해 직선운동되는 X축 이동체(64);

   상기 X축 이동체(64)에 설치되는 Z축 리니어 가이드(70)에 의해 상하방향으로 직선안내되면서 Z축 리니어모터(72)에 의해 직선운동되고, 주축(80)이 고정되는 Z축 이동체(74)로 구성된 것을 특징으로 하는 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 Y축 리니어 가이드(40)(42)는 측면지지체(32)(34)의 외측면에 설치되고, Y축 리니어모터(44)(46)는 측면지지체(32)(34)의 상단에 설치되는 것을 특징으로 하는 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터.
4. 제 1 항에 있어서, 좌우로 가로질러서 상기 측면지지체(32)(34)의 후방측 상단부에 설치되는 크로스패널(90)상에 회전형 공구매거진(95)이 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 3축 집적구조를 갖는 머시닝센터.

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