일반적으로 유체 또는 공기실린더는 유압이나 공압 등을 통해 그 내부에 구비된 피스톤 헤드에 힘을 전달하여 메카트로닉스(mechatronics) 등과 같은 생산 자 동화 설비, 물류 및 첨단시험장비 및 하중 제어시스템 등에 다양하게 적용되고 있다.
이러한 유, 공압실린더는 실린더실에 유출입되는 유체에 의해 이동하는 피스톤의 전, 후단부가 실린더실의 좌, 우측 내벽에 맞부딪히는 충격력을 완화시키기 위한 수단으로서 피스톤의 헤드부와 피스톤로드가 결합되는 피스톤의 양측 단부에 한쌍의 쿠션슬리브를 구성하고 있다.
또한, 실린더튜브에 결합하는 로드커버 및 헤드커버를 통하여 유입되는 공기를 피스톤에 가공된 배출구를 통하여 공기를 배출하여 커버블록 및 실린더튜브의 내벽과의 사이에 항상 공기막을 형성하여 로드 및 피스톤과의 직접 접촉이 방지된 상태로 왕복운동이 가능한 시일이 없는 공기실린더도 개시되고 있다.
전자의 기술은 대한민국 공개특허(공개번호 10-2002-41210호)의 '공압실린더용 쿠션슬리브'를 예로 들 수 있다.
상기 기술은 종래의 쿠션슬리브의 복잡한 오리피스 가공에 의한 제조비용이 높아지는 단점을 해소하여 오리피스의 가공수를 줄이어서 생산성 향상, 생산단가를 현저히 낮출 수 있도록 개선한 것이다.
그러나, 이러한 종래 기술은 오리피스의 가공개수를 줄인 것 이외에는 종래기술과 큰 차이는 없다.
특히, 쿠션기능을 살펴보면, 쿠션슬리브가 커버에 형성된 통로 내부로 인입하여 상기 통로를 폐쇄하게 됨으로써, 피스톤과 쿠션슬리브 간에 형성된 쿠션실에 일시적으로 정체되는 충격(impact)으로 1차 쿠션력을 받게 되고, 대향 측의 쿠션실 에 계속 공급되는 공기압에 의해 피스톤이 더욱 이동하여 상기 쿠션슬리브는 통로 내부로 더 진입하면서 쿠션슬리브에 형성된 각각의 제1~3 오리피스, 원주홈열 및 직선홈에 의해 피스톤에 2차 쿠션력이 인가되어 피스톤의 충격을 완화하도록 되어 있다.
그러나 이러한 기술은 1, 2차 쿠션과정에서 피스톤의 왕복이동이 일시적으로 멈춤됨으로서 정밀주행이 떨어지는 단점이 있었고, 완충구조의 복잡성은 물론 완충 효과도 떨어지는 단점이 있었다.
또한, 피스톤의 왕복행정에 따른 실린더튜브와 피스톤의 외주면 간에 마찰을 최대한 낮추기 위하여 피스톤의 외주면에 다수의 그루브(groove)를 가공하고 이에 다수의 마모방지용 시일(seal)을 결합하여 구성됨으로써, 구조복잡성에 의한 제조원가의 상승은 물론 장기간 사용시에 시일 마모에 의한 수명이 떨어지는 단점이 있었다.
한편, 후자의 기술은 대한민국 등록특허(등록번호 10-2002-704999호)의 '시일이 없는 공기실린더'를 예로 들 수 있다.
상기 기술은 피스톤과 피스톤 로드의 왕복 행정시에 센터링 이동을 제공하기 위해 피스톤과 피스톤 로드에 공기 배출통로를 가공하고 실린더 본체에는 다수의 공기유입홀을 가공하여 구성되었다.
이러한 기술은 단순 구조로 되어 있으나, 피스톤의 왕복행정 시에 실린더 본체와 피스톤 간의 충격을 완화하는 쿠션기능이 없어, 실린더 본체에 가공된 다수의 공기 유입홀을 통한 공기압 제어가 매우 정확해야 하는 고도의 기술이 필요한 단점이 있었다.
특히, 피스톤과 피스톤 로드에 공기 배출통로의 가공기술이 필요하고, 별도의 배출통로 가공과 실린더 본체에 피스톤 로드의 정밀 주행의 제공을 위한 따른 길게 가공되는 함몰부의 가공 난이성으로 제조원가가 많이 드는 단점이 있었다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성과 작동에 대하여 상세히 살펴보 면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 기술이 적용된 공기부상형 저마찰 고속 시일리스 실린더를 도시한 사시도, 도 2는 본 발명의 분해사시도, 도 3은 본 발명의 구성부재 내부구조를 보여주는 분해 단면도, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 조립상태 단면도로서 작동상태도 이다.
일반적으로 공기실린더는 다양한 기계, 장치, 시스템의 작동매체로서 사용되는 기구로 잘 알려져 있다.
이러한 공기실린더는 실린더튜브와, 실린더튜브의 양측에 조립되는 공기유출입구를 갖는 헤드커버 및 로드커버와, 실린더튜브 내에서 상기 헤드커버 및 로드커버의 공기유출입구를 통해 공급되는 공기에 의해 왕복이동하는 피스톤과 이와 결합한 피스톤로드로 구성요소를 포함하고 있다.
이러한 공기실린더는 실린더튜브의 양측에 조립된 헤드커버와 로드커버의 공기유출입구를 통하여 이동하는 공기매체에 의해 실린더튜브 내를 왕복운동하여 피스톤로드와 연결된 기구를 전, 후진 작동하도록 되어 있다.
이때, 피스톤의 왕복행정에 따른 충격을 완화하는 쿠션기능을 갖는 쿠션슬리브 구조와, 피스톤의 반복적인 왕복운동에 따른 피스톤의 외주면에 조립된 시일의 마모에 의한 수명단축을 해결하고자 피스톤 및 피스톤로드의 공기부상에 의한 습동부 내벽과의 공기막 형성으로 직접적인 접촉이 없이 이동가능한 시일리스 구조를 제공하고 있다.
본 발명에서는 상기 쿠션슬리브와 시일리스 피스톤의 구조를 개선하여 피스 톤의 고속 왕복행정에 따른 효과적인 쿠션기능과 시일이 필요없는 공기부상의 구조를 개선한 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 구성을 구체적으로 살펴본다.
본 발명의 공기부상형 저마찰 고속 시일리스 실린더는,
실린더 튜브(100)와,
실린더 튜브 내에 왕복운동 가능케 삽입되는 좌, 우측 쿠션슬리브 피스톤(200,210) 및 이들 사이에 배치된 피스톤가이더(220)와,
좌, 우측 쿠션슬리브 피스톤 및 피스톤 가이더의 중앙을 관통하여 우측 쿠션슬리브(210)와 나사결합하는 피스톤로드(250)와,
상기 실리더 튜브(100)의 일측에 결합하는 헤드커버(300)와,
상기 실린더 튜브의 타측에서 상기 피스톤 로드(250)를 관통 결합한 상태로 순차 조립되는 로드커버(400) 및 프론트커버(410)와,
상기 로드커버(400)의 내측에 순차 조립되고 상기 피스톤로드(250)의 외주면과의 기밀과 직진이동을 안내하는 로드부시(420) 및 로드가이더(430)로 크게 구성된다.
상기 헤드커버(300)와 로드커버(400)는 실린더튜브(100)의 길이방향으로 배치되어 관통 결합된 다수의 장볼트(120)와, 이들 장볼트의 양측에서 나사 조임되는 각각의 너트(130)에 의하여 상호간이 내향으로 밀착되는 상태로 견고하게 조립된다.
이때, 상기 헤드커버(300)와 로드커버(400)에는 상기 각각의 좌, 우측 쿠션슬리브 피스톤(200,210)에 일체 구성된 쿠션슬리브(202,212)가 삽입되는 쿠션실(350,450)이 각각 형성되고, 이들은 공기 유출입구(360,460)가 연통 된다.
상기 공기 유출입구(360,460)에는 제어부 의해 동작하는 공기탱크(500)가 릴리프밸브(510,520)와 같은 수단을 이용하여 연결될 수 있다.
그리고 상기 헤드커버(300)와 로드커버(400)의 각 쿠션실(350,450)의 전단부에는 상기 쿠션슬리브 피스톤(200,210)의 쿠션슬리브(202,212)가 전진하여 각 쿠션실(350,450)의 삽입시에 외주면과의 기밀을 위하여 쿠션시일(370,470)이 쿠션링커버(380,480)에 의하여 결합된다.
즉, 상기 쿠션링커버(380,480)의 내측에 상기 쿠션시일(370,470)의 전, 후측에 한쌍의 오링(O/R)을 결합한 상태로 상기 헤드커버(300)와 로드커버(400)의 돌출단부 외주면에 각각 끼움되어 상기 쿠션시일(370,470)의 후단부를 밀착한 상태로 상기 실린더튜브(100)의 내부와 기밀을 위하여 단부 내주면에 각각의 오링(O/R-1)을 개재한 상태로 밀착 조립된다.
상기 실린더튜브(100)의 내부에서 왕복운동하는 상기 좌, 우측 쿠션슬리브 피스톤(200,210)은 피스톤헤드(201,211)와, 이 피스톤헤드에 일체 형성된 쿠션슬리브(202,212)로 되어 있고, 상기 각 쿠션슬리브는 상기 피스톤헤드(201,211) 측으로 가면서 폭이 점진적 줄어드는 나선유로홈(203,213)이 외주면에 가공되어 있다.
그리고 상기 좌, 우측 쿠션슬리브 피스톤(200,210)의 피스톤헤드(201,211)는 이동방향에 대응하여 압축되는 유체(공기)에 의해 개방되어 상기 피스톤헤드(201,211) 사이에 배치 결합된 상기 피스톤 가이더(220)을 통하여 압축공기를 배출하는 압축스프링과 체크볼로 구성된 체크밸브(205,215)가 설치된다.
이러한 피스톤 가이더(220)는 공기투과가 가능한 다공질 소결재 합금으로 성형된다.
따라서, 상기 좌, 우측 쿠션슬리브 피스톤(200,210)의 전진이동에 따른 압축공기가 피스톤헤드(201 또는 211)의 체크밸브(205 또는 215)를 개방하고 상기 피스톤 가이더(220)로 이동하여 실린더튜브(100)의 내벽에 공급하여 공기막 형성으로 상기 피스톤(200,210)의 이동에 따른 직접적인 접촉이 없이 이동된다.
이러한 피스톤(200,210)과 실린더튜브(100)의 내벽 간의 틈새는 유체의 흐름을 단속할 수 있는 3~4㎛를 갖는 것이 바람직하다.
한편, 상기 로드커버(400)에 삽입 결합된 로드가이더(430)는 상기 피스톤 가이더(220)과 동일의 공기투과성의 다공질 소결재 합금으로 성형되어 공기의 유출입이 가능한 소재로 구성된다.
이때, 상기 로드커버(400)에는 공기 유출입구(460)를 통하여 공급되는 압축공기를 상기 로드가이더(430)에 일방향으로 공급하는 압축스프링과 체크볼로 구성된 체크밸브(435)가 설치된다.
따라서, 로드커버(400)의 내부에 구성된 체크밸브(435)의 개방에 의해 내부 의 로드가이더(430)을 통해 피스톤로드(250)의 외주면에 공급되어 공기막 형성에 의한 공기부상으로 상기 로드부시(430) 및 프론트커버(410)의 내주면과 직접적인 접촉이 없이 이동된다.
상기 피스톤로드(250)의 외주면과 로드부시(420) 및 프론트커버(410)의 내벽 간의 틈새는 유체의 흐름을 단속할 수 있는 3~4㎛를 갖는 것이 바람직하다.
그리고 상기 프론트커버(410)과 로드부시(420)는 상기 로드가이더(430)에 공급되는 압축공기가 피스톤로드(250)의 외주면과 상기 프론트커버(410), 로드부시(420)의 내주면 간의 틈새에 공기막을 형성에 따른 외부 누출을 차단하도록 각각은 오링(411,421)을 결합하여 기밀 조립된다.
상기 구성에 의한 본 발명에 의한 작동을 살펴보면 다음과 같다.
도 4 및 도 5를 참조하여 좌, 우측 쿠션슬리브 피스톤(200,210)이 우측, 즉 후방으로 이동하는 작동관계를 설명한다.
즉, 제어부의 동작에 의한 공기탱크(500)에 의해 로드커버(400)의 공기 유출입구(460)을 통하여 쿠션실(450), 실린더튜브(100)의 일측 실린더실에 공기가 공급된다.
이러한 공기 공급에 의해 좌측 쿠션슬리브 피스톤(200)에 힘이 발생하여 피스톤로드(250)에 일체 조립된 우측 쿠션슬리브 피스톤(210) 및 피스톤 가이더(220)를 우측으로 일체 이동하게 된다.
이러한 과정에서 우측 쿠션슬리브 피스톤(210)측의 실린더실과 쿠션실(350)에 있는 공기는 압축되면서 우측 쿠션슬리브 피스톤(210)의 체크밸브(215)를 개방작동하여 압축공기는 피스톤 가이더(220)로 배출된다.
이렇게 배출되는 압축공기는 피스톤 가이더(220)을 통하여 배출되면서 실린더튜브(100)의 내벽과 피스톤(200,210) 간의 틈새에 공기막을 형성하여 피스톤(200,210)은 실린더튜브(100)의 내주면과 직접적인 접촉이 일어나지 않는 상태로 이동하게 된다(도 7 및 도 8 참조).
이러한 이동에 의해 우측 쿠션슬리브 피스톤(210)의 쿠션슬리브(212)가 헤드커버(300)의 쿠션실(350)에 삽입되면서 상기 쿠션실(350) 내부에 압축되는 공기는 상기 쿠션슬리브(212)의 나선유로홈(213)을 따라서 점진적으로 자연스럽게 회전형으로 압축을 받으면서 서서히 충격 흡수를 하게 된다.
따라서 상기 피스톤(200,210)의 이동에 따른 충격 완화가 멈춤이 없이 자연스럽게 완화하는 고효율의 충격흡수가 제공된다.
이러한 상태에서 헤드커버(300)의 공기 유출입구(360)를 통하여 압축공기가 공급되면, 쿠션실(350), 실린더튜브(100)의 타측 실린더실에 공기가 공급된다.
이러한 공기 공급에 의해 도 6과 같이, 우측 쿠션슬리브 피스톤(210)에 힘이 발생하여 피스톤로드(250)에 일체 조립된 좌측 쿠션슬리브 피스톤(200) 및 피스톤 가이더(220)를 좌측으로 일체 이동하게 된다.
이러한 과정에서 좌측 쿠션슬리브 피스톤(200) 측의 실린더실과 쿠션실(450)에 있는 공기는 압축되면서 좌측 쿠션슬리브 피스톤(200)의 체크밸브(205)를 개방작동하여 압축공기가 피스톤 가이더(220)로 배출된다.
이렇게 배출되는 압축공기는 피스톤 가이더(220)을 통하여 배출되면서 실린더튜브(100)의 내벽과 피스톤(200,210) 간의 틈새에 공기막을 형성하여 직접적인 접촉이 일어나지 않는 상태로 이동하게 된다(도 9 참조).
이러한 이동에 의해 좌측 쿠션슬리브 피스톤(200)의 쿠션슬리브(201)가 로드커버(400)의 쿠션실(450)에 삽입되면서 상기 쿠션실(450) 내부에 압축되는 공기는 상기 쿠션슬리브(201)의 나선유로홈(203)을 따라서 점진적으로 자연스럽게 회전형으로 압축을 받으면서 서서히 충격 흡수를 하게 된다.
이러한 과정에서 상기 피스톤 로드(250)는 체크밸브(435)를 통해 공급되는 압축공기가 로드가이더(430)를 통해 배출되면서 프론트커버(410) 및 로드부시(420)의 내주면과 피스톤로드(250) 간의 틈새에 공기막을 형성하여 직접적인 접촉이 일어나지 않는 상태로 이동하게 된다(도 10 참조).
따라서 본 발명은 피스톤(200,210)과 피스톤로드(250)의 이동이 공기부상에 의한 습동부 사이에 공기막을 형성하여 직접적인 접촉이 없는 상태로 정밀 이동이 가능하고, 나선유로홈을 갖는 쿠션슬리브의 구조에 의한 충격의 완화가 나선유로홈을 통하여 회전형으로 압축 감소하면서 완화하게 된다.
특히, 시일 없는 구조를 채택함에 있어, 기존과 같이 복잡한 오리피스 구조를 배제하여 다공질의 소결 합금의 피스톤가이더(220)와 로드가이더(430)를 피스톤로드에 간편한 조립식 구조로 적용함으로써 제조비용의 절감은 물론 효과적인 기능을 구현하게 된다.
또한, 쿠션슬리브의 구조를 나선유로홈을 갖는 쿠션슬리브 구조로 채택함으 로서 효과적인 충격완화를 구현함으로써 기존과 같이, 복잡한 오리피스 구조의 가공이 필요없는 단순구조로 구현할 수 있다.