KR101182040B1

KR101182040B1 - 공구와 방전전극 홀더 및 공작기계

Info

Publication number: KR101182040B1
Application number: KR1020090064722A
Authority: KR
Inventors: 사카시 아다치; 코지 카츠마타
Original assignee: 도시바 기카이 가부시키가이샤
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2012-09-11
Also published as: US7004693B2; US20030073554A1; KR20030031451A; KR100947414B1; US6752750B2; KR20090125722A; US20040169016A1

Abstract

통상적인 공구와 마찬가지로 공작기계의 스핀들에 자동공구교환장치에 의해 착탈될 수 있고, 외부의 전원 등과 결선되지 않고도 구동될 수 있으며, 외부로부터 전력이 공급되지 않고 스핀들의 회전 의해 구동되어 발전을 하는 발전기에서 발전된 전력을 전극으로 공급하여 방전가공을 행하도록 되어 있다.

Description

공구와 방전전극 홀더 및 공작기계 {Tool, electrodischarge electrode holder, and machine tool}

본 발명은 공작기계의 스핀들에 장착되는 피가공물(W)을 가공하는 공구인 방전가공용 전극, 방전가공용 전극을 교환할 수 있게 보유지지하는 방전전극 홀더, 이들 공구 또는 방전전극 홀더가 스핀들에 장착되는 공작기계에 관한 것이다.

예컨대 머시닝센터(machining center)와 같이 스핀들을 갖춘 공작기계에서는, 스핀들의 최대회전수(단위시간당)가 스핀들을 자유로이 회전할 수 있게 보유지지하는 메인베어링의 구조나 윤활방식에 의해 결정되므로, 이 최대회전수보다 증속(增速)된 회전수로 공구를 회전시키려면 예컨대 증속장치를 사용하게 된다.

증속장치로는, 예컨대 공구를 보유지지하고서 스핀들에 착탈될 수 있게 되어 있어서, 스핀들의 회전력을 유성치차기구로 증속시켜 공구의 회전수를 증속시키는 것이 알려져 있다.

예컨대 머시닝센터에서 일시적으로 최대회전수보다도 공구의 회전수를 증속시키려면, 상기와 같은 증속장치를 스핀들에 대해 통상의 공구와 마찬가지로 장착하고서 공구를 높은 회전수로 회전시키게 된다.

그런데, 상기와 같은 치차기구에 의한 증속장치를 가지고 공구를 스핀들의 회전수보다도 증속시키려고 수만회전 ~ 수십만회전이라는 초고속으로 회전시키게 되면, 증속장치의 발열이 높아져 공구의 열팽창 때문에 가공정밀도에 영향을 끼치는 일이 있게 된다. 그리고, 상기 증속장치는 예컨대 수만회전 ~ 수십만회전의 회전에 감내할 수 있는 신뢰성이 높은 구조가 되어야 하기 때문에, 비교적 주조에 드는 비용이 커지게 된다고 하는 불이익이 있게 된다.

또, 치차구조에 의한 증속장치인 경우에는 기어나 베어링의 윤활이 필요하게 됨으로써 윤활유의 공급경로 및 배출경로를 증속장치 내에 설치해야 하기 때문에, 장치가 대형화되어 자동공구교환장치에 의한 자동교환이 어렵게 된다고 하는 불이익도 있게 된다.

또, 다른 증속방법으로서, 공구를 구동하는 모터로서 고주파모터를 사용하고서, 이 고주파모터에 특별히 준비된 제어장치로부터 구동전류를 공급함으로써 공구를 고속으로 회전시키는 방법이 채택되는 경우가 있다. 그러나, 이러한 방법에서는 전력을 외부에서 공급하는 케이블이 있어야 하기 때문에 공구의 자동교환을 통상적인 공구와 마찬가지로 행하기가 어렵고, 또 설비에 드는 비용이 비교적 높다고 하는 불이익이 있게 된다.

이에 본 발명의 목적은, 통상적인 공구와 마찬가지로 공작기계의 스핀들에 자동공구교환장치에 의해 착탈될 수 있고, 외부의 전원 등과 결선되지 않고 스핀들 의 회전을 이용하는 발전기의 발전 전력을 전극으로 공급하여 방전가공을 하도록 된 공구 및 방전전극 홀더를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 공작기계 본체에 부속되어, 전력을 사용하는 부속장치로 전기공급배선을 가지고 외부전원으로부터 전력을 공급할 필요가 없는 공작기계를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 공구 및 방전전극 홀더를 구비한 공작기계를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공구는, 외부로부터 공급되는 전력에 의해 발전하는 발전기와, 이 발전기에서 발전된 전력을 이용해서 방전가공을 행하는 방전가공용 전극을 갖춘 구조로 되어 있다.

또, 본 발명에 따른 방전전극 홀더는, 외부로부터 공급되는 동력에 의해 발전하게 되는 발전기와, 이 발전기가 발전한 전력을 이용해서 방전가공을 행하는 방전가공용 전극을 교환할 수 있게 보유지지하는 지지수단을 갖춘 구조로 되어 있다.

그리고, 본 발명에 따른 공작기계는, 피가공물(W)을 절삭가공할 수 있는 공작기계로서, 피가공물(W)에 대해 스핀들의 이동위치를 결정하는 공작기계 본체와, 발전기와 이 발전기가 발전한 전력을 이용해서 방전가공을 행하는 방전가공용 전극을 갖고서 상기 공작기계 본체에 착탈되는 공구 및, 상기 발전기로 동력을 공급하는 동력원을 갖춘 구조로 되어 있다.

본 발명에서는, 발전기가 외부에서 공급되는 동력에 의해 발전을 하게 되고, 발전된 전력을 방전가공용 전극으로 공급함으로써 방전가공을 할 수 있게 된다. 이 공구를 예컨대 공작기계 본체 등의 이동위치결정수단에 장착시켜 공구를 피가공물(W)에 대해 위치결정을 하게 되면, 피가공물(W)의 방전가공이 이루어지게 된다.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 예에 대해 도면을 참조해서 설명한다.

[제1 실시예]

도 1은 본 발명이 적용된 공작기계의 1예로서의 머시닝센터의 구성을 나타낸 도면이다. 이 머시닝센터는 이른바 복합가공을 할 수 있는 수치제어공작기계이다.

상기 머시닝센터(1)는, 공작기계 본체(2)와 수치제어장치(이하 NC장치; 250) 및 프로그래머블 로직 콘트롤러(programable logic controller, 이하 PLC; 150)를 갖추고 있다.

도 1에서의 상기 공작기계 본체(2)는 문기둥형상 칼럼(column; 38)의 각 축에 의해 양쪽 단부(端部)가 이동할 수 있게 지지된 횡단레일(37)을 갖고서, 이 횡단레일(37) 상에 이동할 수 있게 지지된 새들(saddle; 44)을 매개로 램(ram; 45)이 수직방향(Z축방향)으로 이동할 수 있게 설치되어 있다.

상기 새들(44)에는 수평방향으로 횡단레일(37) 내를 통해 도시되지 않은 나 사부가 형성되고서, 이 나사부에 외주에 나사부가 형성된 이송축(41)이 나사결합되도록 되어 있다. 이 이송축(41)의 한쪽 단부에는 서보모터(servo motor; 19)가 접속되어, 이 서보모터(19)에 의해 이송축(41)이 회전구동하도록 되어 있다. 또, 이 이송축(41)의 회전구동으로 새들(44)이 Y축방향으로 이동할 수 있게 됨으로써 램(45)의 Y축방향의 이동 및 위치결정이 이루어질 수 있게 된다.

그리고, 상기 새들(44)에는 수직방향으로 도시되지 않은 나사부가 형성되고서, 이 나사부에 외주에 나사부가 형성된 이송축(42)이 나사식으로 끼워져 있는바, 이 이송축(42)의 단부에는 서보모터(20)가 접속되어 있다. 이와 같이 서보모터(20)에 의해 이송축(42)이 회전구동하게 됨으로써, 새들(44)에 이동할 수 있게 설치된 램(45)의 Z축방향으로의 이동 및 위치결정이 이루어질 수 있게 된다.

한편, 상기 램(45) 내에는 스핀들모터(31)가 내장되어, 이 스핀들모터(31)가 램(45)에 자유로이 회전할 수 있게 보유지지된 스핀들(46)을 회전구동하게 된다. 상기 스핀들(46)의 앞 끝에는 엔드밀(end mill)과 같은 가공구와 이 가공구를 보유지지하는 공구 홀더로 이루어진 공구(T)가 장착되어, 스핀들(46)의 회전에 따라 공구(T)가 구동할 수 있게 된다.

또, 상기 램(45)의 아래쪽에는 가공할 피가공물(W)이 고정되는 테이블(35)이 X축방향으로 이동할 수 있게 설치되어 있는바, 이 테이블(35)에는 도시되지 않은 나사부가 형성되고서, 이 나사부에 X축방향을 따라 설치된 도시되지 않은 이송축이 나사결합되는 한편, 이 도시되지 않은 이송축에는 서보모터(18)가 접속하도록 되어 있다. 여기서, 상기 테이블(35)은 서보모터(18)의 회전구동에 따라 X축방향의 이 동 및 위치결정이 이루어지도록 되어 있다.

또, 상기 2개의 문형태 칼럼(38)에는 도시되지 않은 나사부가 각각 형성되어, 이들 나사부에 나사결합되는 이송축(32a)이 횡단레일승강용 서보모터(32)에 의해 회전하게 됨으로써 횡단레일(37)이 승강동작을 하게 된다.

상기 자동공구교환장치(ATC; 39)는 스핀들(46)에 대해 각종 공구(T)를 자동으로 교환하도록 한다. 즉, 이 자동공구교환장치(39)는, 예컨대 도시되지 않은 매거진(magazine)에 엔드밀이나 드릴과 같은 각종 가공구가 공구 홀더에 의해 보유지지된 공구(T)를 수납시켜 놓고서, 스핀들(46)에 장착된 공구(T)를 도시되지 않은 공구교환아암으로 매거진에다 수납시키는 한편 필요한 공구(T)를 스핀들(46)에다 공구교환아암으로 장착하게 된다.

상기 NC장치(250)는 상기 서보모터(18, 19, 20) 및 횡단레일승강용 서보모터(32)의 구동을 제어하는 것으로, 이 NC장치(250)는 구체적으로는, 미리 가공프로그램으로 규정된 피가공물(W)의 가공순서에 따라 서보모터(18, 19, 20)에 의한 공구(T)와 피가공물(W) 사이의 위치 및 속도제어를 하게 된다. 또, 상기 NC장치(250)는 가공프로그램에서 예컨대 S코드로 규정된 스핀들모터(31)의 회전수(단위시간당 회전수)를 해독함으로써 스핀들(46)의 회전수를 제어하게 된다. 그리고, 상기 NC장치(250)는 NC프로그램에서 예컨대 M코드로 규정된 공구(T)의 교환동작을 해독함으로써 각 공구(T)의 자동교환을 실행하게 된다.

상기 PLC(150)는 NC장치(250) 및 조작패널(200)과 접속되어 있다. 이 PLC(150)는 미리 결정된 시퀀스프로그램에 따라 머시닝센터(1)의 기동(起動)과 정 지를 실행하거나 조작패널(200)의 표시부를 점등 또는 소등하는 신호를 출력하는 등의 각종 시퀀스제어를 하게 된다.

또, 상기 PLC(150)는 스핀들모터(31)를 구동제어하는 스핀들모터드라이버(157)와 접속되어 있는바, 이 PLC(150)는 스핀들모터(31)의 기동과 정지 및 속도를 제어하기 위한 제어지령을 스핀들모터드라이버(157)로 출력하게 된다. 한편, 이 PLC(150)는 각종 시퀀스제어를 하게 된다.

도 2는 본 발명의 1실시예에 따른 공구의 구성을 나타낸 단면도이다.

도 2에서, 공구(60)는 절삭날(100)과 이 절삭날(100)을 보유지지하는 공구 홀더(61)로 구성되어 있다. 한편, 상기 절삭날(100)은 본 발명의 가공구의 1실시예에 해당하는 것이다. 본 실시예에 따른 공구(60)는 상기한 통상적인 공구(T)와 마찬가지로 자동공구교환장치(39)에 의해 스핀들(46)에 장착된다.

상기 공구 홀더(61)는, 장착부(62)와, 케이스 부재(66, 67, 68)로 이루어진 케이스(65), 발전기(70), 모터(80), 공구지지부(90) 및, 회전저지부재(85)를 갖춘 구조로 되어 있다.

그리고, 상기 장착부(62)는, 파지부(把持部; 62a)와, 상기 스핀들(46)의 선단부에 형성된 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착되는 테이퍼 생크부(taper shank; 62b), 이 테이퍼 생크부(62b)의 선단부에 형성된 풀스터드(62c) 및, 케이스 부재(66)에 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되는 축부(62d)를 갖춘 구조로 되어 있다.

또, 상기 장착부(62)의 파지부(62a)는, 상기 자동공구교환장치(39)의 공구교 환아암에 의해, 자동공구교환장치(39)의 매거진으로부터 스핀들(46)로 장착될 때 및 스핀들(46)로부터 자동공구교환장치(39)의 매거진으로 반송(搬送)될 때 파지되게 된다.

상기 장착부(62)의 테이퍼 생크부(62b)는, 스핀들(46)의 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착됨으로써 중심축이 스핀들(46)의 중심축과 동심을 이루게 된다.

상기 장착부(62)의 풀스터드(62c)는, 장착부(62)가 스핀들(46)의 테이퍼 슬리이브(62a)에 장착되면, 스핀들(46)에 내장된 도시되지 않은 클램프기구의 콜렉트에 의해 클램핑된다. 한편, 스핀들(46)에 내장된 클램프기구는 주지된 기술이기 때문에 그에 대한 설명은 생략한다.

상기 장착부(62)의 축부(62d)는 케이스 부재(66)의 내주에 복수의 베어링(72)을 매개로 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되어 있다. 상기 베어링(72)으로는 밀봉된 볼베어링이 쓰이게 된다.

상기 케이스 부재(67)의 내주에는 지지부재(73)를 매개로 발전기(70) 및 모터(80)가 보유지지되어 있다. 이 발전기(70)는 입력축(71)이 장착부(62)의 축부(62d)와 동심으로 연결되어 있는바, 이 발전기(70)에는 스핀들(46)의 회전력이 장착부(62)를 거쳐 전달된다. 상기 발전기(70)로는 예컨대 삼상동기발전기(三相同期發電機)가 쓰이게 된다.

상기 모터(80)로는 예컨대 삼상동기모터가 쓰이게 되는바, 이 모터(80)는 도 3에 도시된 것과 같이 도전케이블(Wx, Wy, Wz)에 의해 발전기(70)로 접속되어, 이 발전기(70)에서 발전된 전력이 케이블(Wx, Wy, Wz)을 통해 공급되어 구동될 수 있 게 된다.

상기 공구지지부(90)는, 회전축(91)과, 이 회전축(91)과 모터(80)의 회전축(81)을 연결하는 커플링(93) 및, 회전축(91)의 선단부에 고정된 공구장착부재(95)를 갖춘 구조로 되어 있다.

상기 회전축(91)은 케이스 부재(68)의 내주에 복수의 베어링(92)을 매개로 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되어 있다. 상기 베어링(92)으로는 밀봉형 볼베어링이 쓰이게 된다. 상기 회전축(91)의 앞 끝쪽은 케이스 부재(68)의 빠짐저지부재(94)에 의해 빠지지 않도록 되어 있다.

상기 절삭날(100)은 공구장착부재(95)에 보유지지되어 피가공물(W)을 가공하는 데 쓰이게 된다. 한편, 공구장착부재(95)는 본 발명의 공구지지부의 1실시예를 이루는 것이다. 구체적으로 이 절삭날(100)은 드릴이나 엔드밀과 같은 여러 가지 절삭날로 되어 있다.

상기 케이스 부재(66, 67, 68)는 예컨대 볼트와 같은 체결수단으로 연결되어 케이스(65)를 구성하도록 된 것으로, 이 케이스 부재(66)의 외주에는 회전저지부재(85)가 설치되어 있다. 이 회전저지부재(85)는, 장착부(62)가 스핀들(46)의 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착됨으로써 스핀들(46)의 예컨대 램(45)과 같은 비회전부(47)에 형성된 끼움구멍(47a)에 앞 끝(85a)이 삽입되도록 되어 있다. 그에 따라, 케이스 부재(66) 즉 케이스(65)가 스핀들(46)이 회전하더라도 회전이 규제될 수 있게 된다.

다음에는 본 실시예에 따른 공구(60)의 동작의 1예에 대해 설명한다.

먼저, 자동공구교환장치(39)로 공구장착부재(95)에 절삭날(100)이 보유지지된 공구(60)를 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)에다 장착한다. 이때 상기 공구(60)가 회전저지부재(85)의 앞 끝(85a)이 비회전부(47)의 끼움구멍(47a)에 끼워져 케이스(65)의 회전을 규제하게 된다.

이 상태에서 스핀들(46)을 회전수 N₀ 로 회전시키면, 공구(60)의 장착부(62)가 회전하게 됨으로써 스핀들(46)의 회전력이 발전기(70)로 전달되게 된다. 따라서, 발전기(70)로 삼상동기발전기가 쓰이는 경우에는 삼상교류전력을 발전하게 된다.

여기서, 상기 삼상동기발전기가 발전하는 삼상교류전력의 주파수(f)는, 삼상동기발전기의 극수(極數)를 P₁으로 하고, 스핀들(46)의 회전수를 N₀〔min^-1〕로 하면 다음 식(1)로 나타낼 수 있게 된다.

f = P₁ × N₀ / 120〔Hz〕 ‥‥ (1)

따라서, 스핀들(46)을 회전수 N₀ 으로 회전시키면 상기 식 (1)로 나타내어진 주파수(f)의 삼상교류전력이 모터(80)로 공급될 수 있게 된다.

여기서, 모터(80)로서 삼상유도모터를 쓰고, 이 삼상유도모터의 극수가 P₂ 라고 하면, 삼상유도모터가 삼상교류의 1싸이클에서 2/P₂ 회전하게 되므로, 미끄러짐이 없을 때의 삼상유도모터의 동기속도(N₁)는 다음 식 (2)로 나타낼 수 있게 된 다.

N₁ = 120 × f / P₂〔min^-1〕 ‥‥ (2)

따라서, 스핀들(46)의 회전수(N₀)에 대한 공구(60)의 회전수(N₁)는 다음의 식 (3)으로 나타낼 수 있게 된다.

N₁ = N₀ ×P₁ / P₂〔min^-1〕 ‥‥ (3)

식 (3)에서 알 수 있듯이 스핀들의 회전수(N₀)는 상기 식 (3)으로 나타내어지는 회전수(N₁)로 변속되게 된다.

또, 식 (3)에서 알 수 있듯이 삼상동기발전기의 극수(P₁)와 삼상유도모터의 극수(P₂)와의 비를 적절하게 설정함으로써, 스핀들(46)의 회전수(N₀)에 대한 공구(60)의 회전수(N₁)의 변속비를 임의로 설정할 수 있음을 알 수 있다.

즉, 스핀들(46)의 회전수(N₀)를 증속시키려면 극수비(P₁/P₂)를 1 보다 크게 하고, 감속하려면 극수비(P₁/P₂)를 1 보다 작도록 삼상동기발전기의 극수(P₁) 및 삼상유도모터의 극수(P₂)를 미리 선택하면 된다.

예컨대 스핀들(46)의 최대회전수(N_max)가 3000min^- ¹이라면, 통상적인 공구를 쓴 피가공물(W)의 가공에서는 스핀들(46)의 회전수가 상기 최대회전수(N_max)의 범위 로 충분한 경우가 많다.

한편, 스핀들(46)의 최대회전수(N_max)가 3000min^- ¹인 머시닝센터(1)를 사용하고서, 예컨대 피가공물(W)로 알미늄합금재를 써서 이를 고속으로 가공하려는 경우에는, 공구(60)의 회전수를 예컨대 30000min^- ¹로 증속시켜야 하는 경우가 있게 된다. 그와 같은 경우를 위해 머시닝센터(1)의 자동공구교환장치(39)의 매거진에 공구(60)를 미리 수용해 놓는다. 한편, 공구(60)에는 증속비가 10 이 되도록 상기 극수비(P₁/P₂)가 10 이 되는 삼상동기발전기 및 삼상유도모터를 내장시킨다.

이와 같이 자동공구교환장치(39)에 의해 스핀들(46)에 통상의 공구와 마찬가지로 공구(60)를 자동으로 장착하게 된다.

이와 같이 공구(60)를 스핀들(46)에 장착한 다음에는 스핀들모터(31)를 구동시켜 스핀들(46)을 회전시키게 되는바, 이때 공구(60)에 보유지지된 절삭날(100)의 회전수는 스핀들(46)의 회전수에 의해 제어되게 된다. 즉, NC장치(250)로 다운로드(down load)되는 NC프로그램에서 스핀들(46)의 회전수를 S코드로 지정함으로써 공구(60)의 절삭날(100) 회전수를 규정해 놓는다. 즉, NC장치(250)가 스핀들(46)의 회전수를 제어함으로써 공구(60)의 절삭날(100)의 회전수를 제어하게 된다.

구체적인 예를 들어보면, 공구(60)의 절삭날(100)을 30000min^- ¹로 회전시키려면, NC프로그램에서의 S코드로 스핀들(46)의 회전수를 3000min^- ¹로 지정하여 놓 는다. 이렇게 해서 스핀들(46)을 3000min^- ¹로 회전시키면, 발전기(70)가 스핀들(46)의 회전수 및 극수(P₁)에 대응하는 주파수의 삼상교류를 발생하게 된다. 한편, 상기 발전기(70)에서 공급되는 삼상교류에 의해 모터(80)가 회전구동되어 공구(60)의 절삭날(100)이 약 30000min^- ¹의 회전수로 회전하게 된다.

이와 같이 절삭날(100)이 증속된 상태에서 테이블(35)에 고정된 피가공물과 절삭날(100), 즉 스핀들(46)을 가공프로그램에 따라 상대적으로 이동시키면 피가공물(W)의 절삭가공이 이루어지게 된다. 따라서, 예컨대 스핀들(46)의 최대회전수가 제한되는 머시닝센터(1)를 사용한 경우에는, 스핀들(46)의 최대회전수를 넘는 회전수로 절삭날(100)을 회전시켜 피가공물(W)을 고속으로 가공할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 통상의 공구와 마찬가지로 유니트화된 공구 홀더(61)에 발전기(70) 및 모터(80)를 내장시켜, 발전기에서 발생한 전력으로 모터(80)를 구동함으로써 스핀들(46)에 대한 공구(60)의 회전속도를 증속시키도록 되어 있기 때문에, 스핀들(46)을 고속으로 회전시켜도 기어장치와 같이 발열이 많아지지 않아 공구(60)의 열팽창이 억제됨으로써 가공정밀도가 낮아지지 않게 된다.

그리고, 본 실시예에 의하면, 모터(80)의 이너셔를 스핀들(46)의 이너셔보다 작게 할 수가 있어서, 스핀들(46)을 직접 고속회전시키는 경우에 비해 절삭날(100)의 응답성이 향상될 수 있게 된다.

또, 본 실시예에 의하면, 스핀들(46)의 회전속도를 증속시키는 공구(60)를 스핀들(46)에 대해 쉽게 착탈할 수 있고, 또 자동공구교환장치(39)로 통상적인 공 구와 마찬가지로 교환할 수 있기 때문에, 통상적인 회전속도의 범위에서의 가공을 수행하면서 고속가공의 요구에 대해 즉각 대응할 수가 있게 된다.

또, 본 실시예에 의하면, 스핀들(46)의 회전에 의해 발전된 전력으로 절삭날(100)을 구동하기 때문에, 외부에서 구동전류를 공급할 필요가 없어 전원공급을 위한 배선이 필요하지 않게 된다.

[제2실시예]

앞에서 설명한 제1 실시예에 따른 공구(60)는 절삭날(100)이 스핀들(46)의 중심축방향으로, 즉 모터(80)의 회전축이 스핀들(46)의 중심축방향으로 배치된 구조로 되어 있다.

한편, 머시닝센터(1)에서는 여러 가지 형태의 복합가공을 해야할 필요가 있어서, 절삭날(100)의 방향이 스핀들(46)의 중심축방향으로 되어 있는 공구(60)만으로는 복합가공에 대응할 수가 없게 된다.

본 실시예에서는 머시닝센터(1)의 복합가공에 대응할 수 있는 공구에 대해 설명한다.

도 4 ~ 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공구의 개략적인 구성도이다. 이들 도 4 ~ 도 6에서, 앞에서 설명한 제1 실시예와 동일한 구성부분에 관해서는 동일한 참조부호를 사용하도록 한다. 또, 도 4 ~ 도 6에 도시된 공구도 역시 앞에서 설명한 제1 실시예에 따른 공구(60)와 그 기본적인 동작에서 같도록 되어 있다.

도 4에 도시된 공구(160)는 앞에서 설명한 제1 실시예에 따른 공구(60)와 마찬가지로, 장착부(62)와 케이스(65), 발전기(70), 모터(80), 공구장착부재(95), 회 전저지부재(85) 및 절삭날(100)을 갖춘 구조로 되어 있다.

이 공구(160)는 모터(80)의 회전축에 연결된 절삭날(100)의 방향이 스핀들(46)의 중심축과 직각으로 교차하도록 모터(80)가 케이스(65)에 고정되도록 되어 있다. 이와 같이 구성된 공구(160)를 사용하면 예컨대 피가공물(W)의 측면을 효율적으로 가공할 수가 있게 된다.

한편, 도 5에 도시된 공구(260)는 앞에서 설명한 제1 실시예에 따른 공구(60)와 마찬가지로, 장착부(62)와 케이스(65), 발전기(70), 모터(80), 공구장착부재(95), 회전저지부재(85) 및 절삭날(100)을 갖춘 구조로 되어 있다. 그런데, 이 공구(260)는 모터(80)의 회전축에 연결된 절삭날(100)의 방향이 스핀들(46)의 축심에 대해 각도 θ로 경사지게 되어 있다. 여기서, 상기 각도 θ는, 예컨대 30°, 45°, 60°와 같은 각도로 설정된다. 이와 같이 구성된 공구(260)는 예컨대 피가공물(W)의 경사면을 가공하는 데 사용된다.

또, 도 6에 도시된 공구(360)는 앞에서 설명한 제1 실시예에 따른 공구(60)와 마찬가지로, 장착부(62)와 케이스(65), 발전기(70), 회전저지부재(85)를 갖춤과 더불어, 복수(2대)의 모터(80)와 이들 모터(80)의 회전축에 연결된 공구장착부재(95) 및 절삭날(100)을 갖춘 구조로 되어 있다. 이 공구(360)는 각 모터(80)의 회전축에 연결된 절삭날(100)의 방향이 스핀들(46)의 중심축과 직각으로 교차하고, 각 절삭날(100)이 동일직선상에 위치하도록 2대의 모터(80)가 각각 케이스(65)에 고정되도록 되어 있다. 또, 발전기(70)에서 발전된 전력이 2대의 모터(80)로 분배되도록 발전기(70) 및 2대의 모터(80)는 상호 결선되어 있다.

상기와 같이 구성된 각 공구(160, 260, 360)는 통상의 공구(발전기와 모터를 내장하지 않은 것) 및 제1 실시예에 따른 공구(60)에 더해져, 머시닝센터(1)의 자동공구교환장치(39)의 도시되지 않은 매거진내에 수용되게 된다. 이렇게 매거진내에 수용된 공구 중에서 필요한 공구를 선택하여 자동공구교환장치(39)로 스핀들(46)에다 자동장착하게 되면, 상기와 같은 각종 공구(160, 260, 360)에 의해 피가공물(W)의 가공이 이루어질 수 있게 된다.

본 실시예에 따른 공구(160, 260, 360)와 같이 절삭날(100)의 자세가 스핀들(46)의 중심축과 다른 경우에는, 종래에는 예컨대 스핀들(46)의 회전을 절삭날(100)로 전달하기 위한 베벨기어(bevel gear)로 된 동력전달기구가 필요하였으나, 본 실시예에 의하면 발전기(70) 및 모터(80)를 구비하게 됨으로써 전달기구가 필요치 않게 된다.

즉, 본 실시예에 따른 공구(160, 260, 360)는 스핀들(46)의 회전력을 절삭날(100)에 기계적으로 직접 전달하지 않고 전기에너지로 변환시킨 후 이 전기에너지로 회전력을 발생시켜 절삭날(100)을 회전시키기 때문에, 베벨기어로 된 전달기구에서는 피할 수가 없던 기계적 오차나 진동, 변위 등이 발생하기 어렵게 된다. 또, 본 실시예에 따른 공구(160, 260, 360)에서는 모터(80)가 케이스(65)에 고정되어 있어서 가공시의 강성(剛性)이 확보될 수 있다.

그 결과 본 실시예에 의하면, 피가공물(W)의 가공정밀도를 향상시킬 수가 있게 된다. 또, 본 실시예에 의하면, 상기와 같은 각종 공구를 머시닝센터(1)의 자동공구교환장치(39)에다 갖춰놓고서, 필요에 따라 스핀들(46)에 장착함으로써 머시닝 센터(1)의 가공성능을 대폭 향상시킬 수가 있게 된다.

한편, 본 실시예에서는 도 4 ~ 도 6을 참조로 해서 발전기 및 모터를 내장하는 3가지 형태의 공구에 대해 설명하였으나, 그 이외에도 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

[제3실시예]

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 방전가공용 공구의 구성을 나타낸 단면도이다.

도 7에서, 방전가공용 공구(60)는, 전극(100)과 이 전극(100)을 보유지지하는 홀더(61)로 구성되어 있다. 한편, 본 실시예에 따른 방전가공용 공구(60)는 앞에서 설명한 통상적인 공구(T)와 마찬가지로 자동공구교환장치(39)에 의해 스핀들(46)에 착탈될 수 있게 장착되게 된다.

상기 홀더(61)는, 장착부(62)와 베어링지지부재(66), 케이스(67), 베어링지지부재(68), 회전저지부재(85), 절연부재(69), 전극 지지부재(90), 회로기판(89) 및 발전기(70)를 갖춘 구조로 되어 있다.

상기 장착부(62)는, 파지부(62a)와, 상기 스핀들(46)의 선단부에 형성된 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착되는 테이퍼 생크부(62b), 이 테이퍼 생크부(62b)의 선단부에 설치된 풀스터드(62c) 및, 베어링지지부재(66, 68)에 의해 베어링(72, 73)을 매개로 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되는 축부(62d)를 갖춘 구조로 되어 있다.

상기 장착부(62)의 파지부(62a)는, 상기 자동공구교환장치(39)의 공구교환아 암에 의해 자동공구교환장치(39)의 매거진에서 스핀들(46)에 장착될 때 및 스핀들(46)에서 자동공구교환장치(39)의 매거진으로 반송될 때 파지를 하게 된다. 이 장착부(62)의 테이퍼 생크부(62b)는, 스핀들(46)의 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착됨으로써 중심축이 스핀들(46)의 중심축과 동심을 이루게 된다.

상기 장착부(62)의 풀스터드(62c)는, 장착부(62)가 스핀들(46)의 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착되면 스핀들(46)에 내장된 도시되지 않은 클램프기구의 콜렉트에 의해 클램핑되게 된다. 한편, 스핀들(46)에 내장된 클램프기구는 주지된 기술이어서 그에 대한 설명은 생략한다. 상기 장착부(62)의 축부(62d)에는 발전기(70)의 로터(70a)가 고정되어 있다.

상기 케이스(67)는 원통형상의 부재로 이루어지고서 스테인리스와 같은 금속재료로 형성되어 있다. 이 케이스(67)의 내주에는 발전기(70)의 스테이터(70b)가 로터(70a)와 마주보는 위치에 고정되어 있다.

상기 발전기(70)는 상기 장착부(62)의 축부(62d)에 고정된 로터(70a)가 회전함으로써 발전을 하게 된다. 이 발전기(70)로는 예컨대 삼상동기발전기(三相同期發電機)가 쓰이게 된다.

상기 베어링지지부재(66, 68)는 환상(環狀)의 부재로서 내주에 베어링(72, 73)이 각각 보유지지되도록 되어 있다. 이들 베어링지지부재(66, 68)는 케이스(67)의 내주에 끼워 맞춰져 볼트와 같은 체결수단에 의해 케이스(67)에 체결되도록 되어 있다.

상기 회로기판(89)은 상기 베어링지지부재(68)의 아래쪽 공간 내에 배치되어 있는바, 이 회로기판(89)은 뒤에 설명되는 정류회로(整流回路)나 전류제어회로와 같은 각종 전기회로가 형성되어, 발전기(70)의 스테이터(70b)의 삼상권선(三相捲線)에 접속됨과 더불어, 도전선(91)에 의해 전극(100)에 접속되도록 되어 있다. 또, 회로기판(89)은 케이스(67)를 기준전위로 하도록 되어 있다.

상기 절연부재(69)는 환상의 부재로 이루어진 것으로, 예컨대 세라믹으로 형성되어 있다. 이 절연부재(69)는 케이스(67)의 하단부에 끼워 맞춰져 케이스(67)에 고정되어 전극 지지부재(90)와 케이스(67) 사이를 전기적으로 절연하게 된다.

상기 전극 지지부재(90)는, 상단부가 절연부재(69)의 내주에 끼워 맞춰지고서, 플랜지부(90f)가 절연부재(69)의 플랜지부(69f)에 볼트와 같은 체결부재에 의해 체결되도록 되어 있다. 또, 이 전극 지지부재(90)는 중심부에 관통구멍(90h)이 형성되어, 이 관통구멍(90h)을 통해 도전선(91)이 전극(100)과 접속되도록 되어 있다. 또, 상기 전극 지지부재(90)는 스테인리스와 같은 금속재료로 형성되고서, 선단부에 전극(100)을 교환할 수 있게 보유지지하도록 되어 있다.

상기 회전저지부재(85)는 케이스(67)의 외주에 볼트와 같은 체결수단으로 고정되어져 있는바, 이 회전저지부재(85)는 스테인리스와 같은 금속재료로 형성되어 있다. 또, 이 회전저지부재(85)는 장착부(62)의 테이퍼 생크(62b)가 스핀들(46)의 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착됨으로써, 스핀들(46)의 예컨대 램(45)과 같은 비회전부(47)에 형성된 끼움구멍(47a)에 앞 끝이 끼워지도록 되어 있다. 그에 따라, 케이스(67)는 스핀들(46)이 회전하더라도 회전이 규제될 수 있게 된다. 그리고, 상기 비회전부(47)에 형성된 끼움구멍(47a) 내에는 접촉단자(47b)가 형성되고서 접지가 이루어지도록 되어 있다. 그 때문에, 회전저지부재(85)의 앞 끝(85a)이 끼움구멍(47a)에 삽입되면, 접촉단자(47b)와 회전저지부재(85)의 앞 끝(85a)이 접촉하게 됨으로써 케이스(67)가 접지될 수 있게 된다.

상기 전극(100)은 전극 지지부재(90)에 보유지지되어 피가공물(W)을 방전가공하는 데 쓰이게 된다. 전극(100)의 형성재료로는 예컨대 동-텅스텐합금이나 은-텅스텐합금, 동-그라파이트, 알루미늄, 철, 황동과 같은 재료가 쓰이게 된다. 상기 전극(100)은 소정의 형상이 되도록 미리 절삭가공을 하게 되는바, 이렇게 방전가공을 할 때는 전극(100)에 예컨대 수십 볼트의 전류가 수 암페어 정도 인가되도록 한다.

도 8은 방전가공용 공구(60)의 전기계통의 기능블럭도이다.

도 8에 도시된 것과 같이, 방전가공용 공구(60)는 발전기(70) 및 전극(100)에 더해져 정류회로(500) 및 전류제어회로(700)가 갖춰지게 되는바, 이들 정류회로(500) 및 전류제어회로(700)는 상기 회로기판(89)에 형성되게 된다.

상기 정류회로(500)는, 발전기(70)에서 발전되어 도전케이블(70U, 70V, 70W)을 통해 공급된 삼상교류를 소정전압의 직류로 변환시켜 전류제어회로(700)로 공급하게 된다. 그리고, 이 전류제어회로(700)는, 상기 정류회로(500)에서 정류된 전력을 방전가공에 필요한 소정전압의 직류전력으로 변환시켜 전극(100)으로 공급하게 된다. 이 전류제어회로(700)는 전극(100)으로 공급되는 전류를 트랜지스터로 제어하여, 예컨대 펄스상으로 전압을 전극(100)에다 인가하게 된다.

다음에는 상기와 같이 구성된 방전가공용 공구(60)를 이용하는 방전가공의 1 예에 대해 설명한다.

먼저, 자동공구교환장치(39)로 전극(100)을 보유지지한 방전가공용 공구(60)를 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)에다 장착한다. 이때 상기 방전가공용 공구(60)는, 회전저지부재(85)의 앞 끝(85a)이 비회전부(47)의 끼움구멍(47a)에 끼워져 케이스(67)의 회전이 규제되도록 되어 있다.

한편, 도 9에 도시된 것과 같이, 방전가공용 공구(60)의 아래쪽에 배치된 테이블(35) 상에 내부에 방전가공할 피가공물(W) 및 가공액(601)을 수용한 가공액조(600)를 설치하는바, 상기 가공액(601)으로는 전기적으로 절연성을 가진 예컨대 절연유가 쓰이게 된다.

상기 피가공물(W)은 금속재료로 형성된 것으로, 가공액조(600)에 수용됨과 더불어 가공액(601) 중에 전체가 침지되도록 되어 있다. 이 피가공물(W)은 접지되어져 있다.

도 9에 도시된 상태에서 스핀들(46)을 소정의 회전수로 회전시키게 되는바, 스핀들(46)이 회전하면 방전가공용 공구(60)의 장착부(62)가 회전해서 발전기(70)의 로터(70a)가 스테이터(70b)에 대해 회전하게 된다. 그에 따라, 발전기(70)는 예컨대 삼상동기발전기를 이용한 경우 삼상교류전력을 발전하게 된다.

이렇게 발전기(70)가 발전한 전력은 정류회로(500)에서 정류되어 전류제어회로(700)로 공급되게 되고, 이 전류제어회로(700)는 소정전압의 직류전력을 전극(100)에다 인가하게 된다.

전극(100)에 소정전압의 직류전력이 인가된 상태에서 NC장치(250)에 다운로 드된 NC프로그램에 따라 방전가공용 공구(60)를 피가공물(W)을 향해 도 9에 도시된 화살표(Z1) 쪽을 향해 하강시킨다. 이렇게 방전가공용 공구(60)를 하강시켜 전극(100)이 피가공물(W)에 접근하게 되면, 전극(100)과 피가공물(W) 사이에서 가장 절연내력이 작은 부분에서 가공액(601)이 절연파괴를 일으켜 방전이 발생하게 된다. 발생한 방전은 곧 아크방전으로 되어 방전이 안정되게 된다. 전극(100)과 피가공물(W)에는 아크기둥이 국부적으로 무척 큰 에너지가 유입되기 때문에, 아크기둥 근방의 전극(100)과 피가공물(W)이 급격히 가열되어 증발 또는 용융되게 된다. 그에 따라 피가공물(W)의 제거가 이루어지게 된다.

도 10에 도시된 것과 같이 방전가공용 공구(60)를 하강시켜 놓으면, 피가공물(W)에 전극(100)의 형상이 전사(轉寫)되게 된다. 또, NC장치(250)에 다운로드된 NC프로그램에 따라 피가공물(W)과 전극(100)을 3차원적으로 움직이게 하면 피가공물(W)이 소망하는 형상으로 가공되게 된다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 방전가공용 공구(60)에 발전기(70)를 내장하고서, 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)의 회전력을 이용해서 발전기(70)가 발전하도록 하여, 발전된 전력을 전극(100)으로 공급하면서 방전가공을 행하게 됨으로써, 외부로부터 전극(100)으로 전력을 공급할 필요가 없게 된다.

또 본 실시예에 의하면, 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)에 각종 공구를 장착시켜 피가공물(W)의 절삭가공을 수행하면서 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)에다 방전가공용 공구(60)를 장착할 수 있게 됨으로써, 피가공물(W)을 쉽게 방전가공할 수 있게 된다. 즉, 본 실시예에 의하면, 통상적으로 절삭가공을 하는 공작기계 본 체(2)에 방전가공용 공구(60)를 장착하기만 하면 공작기계 본체(2)를 방전가공기로 사용할 수가 있게 된다.

본 발명은 앞에서 설명한 실시예에만 한정되지 않는바, 앞에서 설명한 실시예에서는 방전가공용 공구(60)에 내장된 발전기(70)의 동력원으로서 공작기계 본체(2)에 내장된 스핀들모터(31)를 사용하는 경우에 대해 설명하였으나, 예컨대 스핀들(46) 내에 압축공기를 위한 관로를 형성하고서 이 관로를 통해 압축공기를 발전기(70)로 공급하여, 압축공기에 의해 발전기(70)가 발전하도록 구성할 수도 있다.

또, 앞에서 설명한 실시예에서는 방전가공용 공구(60)를 스핀들(46)에다 장착하는 경우에 대해 설명하였으나, 본 발명은 발전기가 동력을 전달받을 수가 있다면 스핀들(46)에 한정되는 것은 아니다.

[제4실시예]

도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 공구의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 11에서, 공구(60)는 절삭날(100)과 이 절삭날(100)을 보유지지하는 공구 홀더(61)로 구성되어 있다. 한편, 이 절삭날(100)은 본 발명에서의 가공구의 1예이기도 하다. 또, 본 실시예에 따른 공구(60)는 앞에서 설명한 통상적인 공구(T)와 마찬가지로 자동공구교환장치(39)에 의해 스핀들(46)에 착탈될 수 있도록 되어 있다.

상기 공구 홀더(61)는, 장착부(62)와 케이스 부재(66, 67, 68, 69)로 이루어진 케이스(65), 발전기(70), 모터(80), 공구지지부(90) 및 회전저지부재(85)를 갖춘 구조로 되어 있고, 상기 케이스 부재(66, 67, 68, 69)는 예컨대 볼트와 같은 체 결수단으로 상호 연결되어 케이스(65)를 구성하도록 되어 있다. 이들 케이스 부재(66, 67, 68, 69)는 스테인리스와 같은 금속재료로 형성되게 된다.

상기 장착부(62)는, 파지부(62a)와 상기 스핀들(46)의 선단부에 형성된 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착되는 테이퍼 생크부(62b), 이 테이퍼 생크부(62b)의 선단부에 설치된 풀스터드(62c) 및, 케이스(65) 내에 복수의 베어링(72, 73)을 매개로 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되는 축부(62d)를 갖춘 구조로 되어 있다.

상기 장착부(62)의 파지부(62a)는, 상기 자동공구교환장치(39)의 공구교환아암에 의해 자동공구교환장치(39)의 매거진에서 스핀들(46)로 장착될 때 및 스핀들(46)에서 자동공구교환장치(39)의 매거진으로 반송될 때 파지하는 것이다.

상기 장착부(62)의 풀스터드(62c)는, 장착부(62)가 스핀들(46)의 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착되면 스핀들(46)에 내장된 도시되지 않은 클램프기구의 콜렉트에 의해 클램핑되게 된다. 한편, 스핀들(46)에 내장된 클램프기구는 주지된 기술이어서 그에 대한 설명은 생략한다.

상기 장착부(62)의 축부(62d)에는 발전기(70)의 로터(70a)가 고정되는 한편, 상기 케이스 부재(67)의 내주에는 발전기(70)의 스테이터(70b)가 로터(70a)와 마주보는 위치에 고정되어 있다. 따라서, 발전기(70)는 상기 장착부(62)의 축부(62d)에 고정된 로터(70a)가 회전함으로써 발전을 하게 된다. 이 발전기(70)로는 예컨대 삼상동기발전기가 쓰이게 된다.

상기 케이스 부재(69)의 내주에는 펠티어소자(peltier element; 400)가 고정되어 있는바, 이 펠티어소자(400)는 원통형상을 하고서 외주면이 케이스 부재(69)의 내주면에 접촉하도록 되어 있다. 한편, 펠티어소자(400)의 구성에 대해서는 뒤에 설명한다.

펠티어소자(400)의 내주에는 발전기(70)의 스테이터(70b)가 고정되어 있다. 한편, 모터(80)의 회전축(81)은 케이스 부재(68, 69)의 내주에 복수의 베어링(BR)을 매개로 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되어 있다. 이 모터(80)의 회전축(81)에는 로터(80a)가 스테이터(80b)와 마주보도록 고정되어 있다. 또, 이 모터(80)의 스테이터(80b)의 권선에 전류를 공급하게 되면 회전축(81)이 회전하게 된다. 이 모터(80)로는 예컨대 삼상유도모터가 쓰이게 된다.

상기 공구지지부(90)는, 회전축(91)과, 이 회전축(91)과 모터(80)의 회전축(81)을 연결하는 커플링(93) 및, 회전축(91)의 선단부에 고정된 공구장착부재(95)를 갖춘 구조로 되어 있는바, 상기 회전축(91)은 케이스 부재(69)의 내주에 복수의 베어링(92)을 매개로 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되어 있다. 이 회전축(91)의 앞 끝쪽은 케이스 부재(69)에 빠짐 저지부재(94)에 의해 빠지지 않도록 되어 있다.

또, 상기 절삭날(100)은 공구장착부재(95)에 보유지지되도록 되어 있는바, 이 절삭날(100)로 피가공물을 가공하게 된다. 한편, 상기 공구장착부재(95)는 본 발명의 공구지지부의 1예를 이루기도 한다. 이 절삭날(100)로는 구체적으로 드릴이나 엔드밀과 같은 각종의 절삭날이 사용되게 된다.

상기 케이스 부재(67)의 외주에는 회전저지부재(85)가 설치되어 있는바, 이 회전저지부재(85)는 장착부(62)가 스핀들(46)의 테이퍼 슬리이브(46a)에 장착됨으로써 스핀들(46) 쪽의 예컨대 램(45)과 같은 비회전부(47)에 형성된 끼움구멍(47a)에 앞 끝(85a)이 삽입되도록 되어 있다. 그에 따라, 케이스 부재(67) 즉 케이스(65)는 스핀들(46)이 회전하더라도 회전이 규제될 수 있게 된다.

도 12는 상기와 같이 구성된 공구(60)의 전기계통 기능블럭도이다.

도 12에 도시된 것과 같이, 공구(60)는 발전기(70), 모터(80) 및 펠티어소자(400)에 더해서 정류회로(450)를 갖추도록 되어 있다. 이 정류회로(450)는 예컨대 상기 케이스(65) 내의 소정위치에 배치되도록 되어 있다.

상기 발전기(70)는 복수의 도전케이블(Wx, Wy, Wz)에 의해 모터(80)와 전기적으로 접속되어 있는바, 이들 도전케이블(Wx, Wy, Wz)을 통해 발전기(70)가 발전한 삼상전류가 모터(80)로 공급된다.

정류회로(450)에는 발전기(70)가 발전한 삼상교류의 일부가 공급된다. 또, 정류회로(450)는 이 삼상전류를 소정전압(V)의 직류로 변환시켜 펠티어소자(400)로 공급하게 되는바, 상기 소정전압(V)은 예컨대 수볼트 ~ 수십 볼트 정도가 된다.

도 13은 상기 펠티어소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 13에 도시된 펠티어소자(400)는, 절연체(401)와 접합용 금속부재(402), N형 열전소자(熱傳素子; 403N), P형 열전소자(403P) 및 절연체(404)를 갖춘 구조로 되어 있다. 상기 절연체(401)는 예컨대 세라믹으로 형성되고서, 이 절연체(401)의 외표면(401a)이 케이스(65) 즉 케이스 부재(69)의 내주에 접촉하도록 되어 있다. 상기 N형 열전소자(403N) 및 P형 열전소자(403P)는 절연체(401) 상에 접합용 금속부재(402)를 매개로 교대로 배열되어 있다. 또, 상기 N형 열전소자(403N) 및 P형 열전소자(403P)는 반도체재료로 형성되어, 전류가 흐름에 따라 열을 소정의 방향으로 이동시키게 된다. 상기 N형 열전소자(403N)와 P형 열전소자(403P)에서는, 전류가 같은 방향으로 흐르게 되었을 때에, 열을 이동시키는 방향은 서로 반대방향으로 된다.

상기 절연체(404)는, 접합용 금속부재(402)를 매개로 상기 N형 열전소자(403N) 및 P형 열전소자(403P) 상에 설치되도록 되어 있다. 이 절연체(404)는 예컨대 세라믹으로 형성되고서 그 외표면(404a)이 모터(80)의 스테이터(80b)의 외주면에 접촉하도록 되어 있다. 그리고, 상기 접합용 금속부재(402)는, 상호 교대로 배열된 N형 열전소자(403N) 및 P형 열전소자(403P)를 전기적으로 직렬로 접속하도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 펠티어소자(400)에서, 정류회로(450)에서 출력되는 소정전압(V)이 한쪽 끝에 위치하는 열전소자(403N)로부터 다른쪽 끝에 위치하는 열전소자(403P)의 사이에 인가되면, 도 13에서 점선으로 나타내어진 경로로 직류전류(i)가 흐르게 된다.

이렇게 직류전류(i)가 흐르게 됨으로써, 상기 N형 열전소자(403N) 및 P형 열전소자(403P)가 화살표(H) 쪽으로, 즉 모터(80) 쪽의 절연체(404)로부터 케이스(65) 쪽의 절연체(401) 쪽으로 열을 이동시키게 된다. 그에 따라, 모터(80)의 구동에 의해 발생한 열을 케이스(65)를 통해 외부로 방출할 수가 있게 된다.

한편, 상기 발전기(70)에서 발전된 삼상교류의 일부는 정류회로(450)로 공급되어, 정류회로(450)에서 소정전압(V)의 직류로 변환된 후 펠티어소자(400)로 공급되게 된다. 이 펠티어소자(400)는 모터(80)의 구동에 의해 발생한 열을 케이스 부재(69) 쪽으로 이동시킨다. 이 경우, 상기 케이스 부재(69)는 금속부재로 형성되어 있기 때문에 열전도율이 비교적 높아, 모터(80) 쪽에서 펠티어소자(400)에 의해 이동한 열이 케이스 부재(69)를 통해 공구(60)의 외부로 방출되게 된다. 그에 따라, 모터(80)의 구동, 특히 고속으로 회전시킨 경우에 발생하는 다량의 열을 공구(60)의 외부로 효율적으로 방출할 수가 있어서, 모터(80)의 과열 및 공구 전체의 온도가 상승하는 것을 억제할 수가 있게 된다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 통상적인 공구와 마찬가지로 유니트화된 공구(60)에 발전기(70) 및 모터(80)를 내장시켜 발전기(70)에서 발전된 전력으로 모터(80)를 구동함으로써 스핀들(46)에 대한 공구의 회전속도를 증속시킬 수가 있고, 그 때문에 스핀들(46)을 고속으로 회전시켜도 기어장치와 같이 발열이 증대되지 않아 가공정밀도의 저하가 억제될 수 있게 된다.

앞에서 설명한 실시예에서는 케이스 부재(69)의 내주에 펠티어소자(400)를 설치하여 케이스 부재(69)를 통해 열을 외부로 방출하도록 구성하였다. 그리고, 효율적으로 열을 공구(60)의 외부로 방출하기 위해서는, 케이스 부재(69)의 외주에 히트 싱크(heat sink)를 설치하여도 좋다. 또, 케이스 부재(69) 자체를 히트 싱크로 하여도 좋다. 또한, 히트 싱크 이외에 케이스 부재(69)의 외주에 냉각 자켓을 설치할 수도 있다.

[제5실시예]

도 14는 본 발명의 제5실시예에 따른 머시닝센터의 구성도이다. 도 14에 도시된 머시닝센터와 도 1에 도시된 머시닝센터 사이에 동일한 구성부분에 대해서는 동일한 부호를 사용하도록 한다.

램(45) 내에는 스핀들(30)이 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되어 있다. 또 램(45) 내에는 스핀들(30)을 회전시키는 스핀들모터(31)가 내장됨과 더불어 발전기(70)가 내장되어 있다. 한편, 램(45) 내부의 상세한 구조에 대해서는 뒤에서 설명한다.

램(45)의 선단부에는 어테치먼트(46)가 장착되어 있다. 이 어테치먼트(46)는 공구(100)를 자유로이 회전할 수 있게 보유지지함과 더불어 이 공구(100)를 회전시키는 모터(80)를 내장하도록 되어 있다. 한편, 이 어테치먼트(46) 내부의 상세한 구조에 대해서는 뒤에 설명한다. 또, 어테치먼트(46)는 본 발명의 부속장치의 1예를 이루기도 한다. 상기 공구(100)는 예컨대 홀더에 보유지지된 엔드밀이나 드릴과 같은 것이다.

도 15는 상기 머시닝센터(1)의 램(45) 및 어테치먼트(46)의 내부구조를 나타낸 단면도이다.

도 15에 도시된 것과 같이, 램(45)의 하단부에 형성된 플랜지(45f)와 어테치먼트(46)의 상단부에 형성된 플랜지(46f)는 복수의 볼트(BT)에 의해 체결되어 있다. 한편, 상기 램(45)에는 어테치먼트(46) 이외의 어테치먼트도 장착될 수 있어서, 다른 어테치먼트가 램(45)에 장착되는 경우에는 당해 어테치먼트로 램(45)에 내장된 스핀들(30)의 회전이 전달되도록 하게 된다.

상기 램(45)은 원통형상으로 구성되고서 내주에 복수의 베어링을 매개로 스핀들(30)이 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되도록 되어 있다. 이 스핀들(30)의 상부쪽에는 스핀들모터(31)의 로터(31b)가 고정되는 한편, 램(45)의 내주의 상기 로터(31b)와 마주보는 위치에는 스핀들모터(31)의 스테이터(31a)가 고정되어 있다. 또, 상기 스핀들(30)의 하부쪽에는 발전기(70)의 로터(70b)가 고정되는 한편, 램(45)의 내주의 상기 로터(70b)에 마주보는 위치에는 발전기(70)의 스테이터(70a)가 고정되어 있다. 이 발전기(70)는 로터(70b)가 스테이터(70a)에 대해 회전함으로써 발전을 하게 된다. 이 발전기(70)로는 예컨대 삼상동기발전기가 쓰이게 된다.

한편, 상기 램(45)의 하단면에는 접속단자(60)가 설치되어 있는바, 이 접속단자(60)는 뒤에 설명되는 바와 같이 발전기(70)가 발전하는 삼상교류에 대응해서 3개가 설치되어 있다. 접속단자(60)는 램(45)의 하단면의 원주방향으로 등간격으로 배치되어 있는바, 이 접속단자(60)는 동과 같은 도전재료로 형성되게 된다.

또, 상기 접속단자(60)는 발전기(70)의 스테이터(70a)의 삼상권선에 각각 접속된 도전케이블(75U, 75V, 75W)에 전기적으로 접속되어 있는바, 이 도전케이블(75U, 75V, 75W)은 램(45)의 하단부에 형성된 삽입구멍(45h)을 통해 발전기(70)의 스테이터(70a)의 삼상권선과 각 접속단자(60)가 접속하도록 되어 있다.

상기 어테치먼트(46)의 내주에는 복수의 베어링을 매개로 구동축(190)이 자유로이 회전할 수 있게 보유지지되어 있다. 또, 이 구동축(190)의 하단부에는 공구(100)의 홀더(100a)의 테이퍼 생크부(100a2)가 끼워 맞춰지는 테이퍼 슬리이브(90s)가 형성되어 있다.

상기 공구(100)의 홀더(100a)는 하단부에 드릴이나 엔드밀과 같은 절삭날(100b)이 보유지지되고서, 상기 홀더(100a)의 외주에는 상기 자동공구교환장치(39)의 교환용 아암에 의해 파지되는 파지부(100a1)를 갖도록 되어 있다. 한편, 상기 홀더(100a)의 상단에는 풀스터드(100a3)가 설치되어, 이 풀스터드(100a3)가 구동축(190)에 내장된 도시되지 않은 클램프기구의 콜렉트에 의해 클램핑되도록 되어 있다. 상기 구동축(190)에 내장된 클램프기구는 주지된 기술이어서 상세한 설명은 생략한다.

상기 구동축(190)의 축방향 중간에는 모터(80)의 로터(80b)가 고정되어 있는 한편, 상기 어테치먼트(46) 내주의 상기 로터(80b)에 마주보는 위치에는 스테이터(80a)가 고정되어 있다. 모터(80)의 스테이터(80a)의 권선에 전류가 공급됨으로써 모터가 구동축(190)을 회전시키게 되는바, 이 모터(80)로는 예컨대 삼상유도모터를 쓰게 된다.

상기 어테치먼트(46)의 상단면에는 접속단자(61)가 설치되어 있는바, 이 접속단자(61)는 램(45) 쪽에 설치된 상기 접속단자(60)에 대응하는 위치에 각각 설치되어 있다. 이 접속단자(61)는 예컨대 동과 같은 도전성 재료로 형성되게 된다. 또, 이 접속단자(61)는 어테치먼트(46)의 상단부에 각 접속단자(61)에 대응해서 형성된 삽입구멍(46h)에 삽입된 도전케이블(76U, 76V, 76W)에 의해 모터(80)의 스테이터(80a)의 삼상권선에 각각 전기적으로 접속되도록 되어 있다.

도 16은 상기 발전기(70)와 모터(80)의 접속관계를 나타낸 도면으로서, 어테 치먼트(46)가 램(45)에 장착되면 접속단자(60, 61)가 접속되어 발전기에 접속된 도전케이블(75U, 75V, 75W)과 모터(80)에 접속된 도전케이블(76U, 76V, 76W)이 상호 접속되게 됨으로써, 발전기(70)에서 발전된 삼상전력이 도전케이블(75U, 75V, 75W) 및 도전케이블(76U, 76V, 76W)을 통해 모터(80)로 공급될 수 있게 된다.

다음에는 상기와 같이 구성된 어테치먼트의 동작의 1예에 대해 설명한다.

먼저, 어테치먼트(46)를 램(45)의 선단부에 장착한다. 이렇게 어테치먼트(46)가 램(45)의 선단부에 장착되면, 램(45)에 내장된 발전기(70)와 어테치먼트(46)에 내장된 모터(80)가 전기적으로 접속되게 된다.

다음, 어테치먼트(46)에 소망하는 공구(100)를 자동공구교환장치(39)로 장착한 상태에서 스핀들모터(31)를 회전수 N₀로 회전시키면, 스핀들(30)이 회전하여 회전력이 발전기(70)로 전달됨으로써, 발전기(70)로 예컨대 삼상동기발전기를 쓴 경우에는 삼상교류전력이 발전되게 된다.

한편, 상기 모터(80)는 발전기(70)에서 공급되는 삼상교류에 의해 구동되어, 테이블(35)에 고정된 피가공물과 공구(100)가 가공프로그램에 따라 상대적으로 이동하게 하면 피가공물의 가공이 이루어지게 된다.

이상과 같이 본 실시예에 의하면, 스핀들 하우징으로서의 램(45)에 발전기(70)를 내장시켜, 이 발전기(70)에서 발생한 전력을 이용해서 어테치먼트(46)에 내장된 모터(80)를 구동함으로써, 스핀들(30)에 대한 공구(100)의 회전속도를 증속시킬 수 있게 된다. 그 때문에, 스핀들(30)을 고속으로 회전시켜도 기어장치와 같 이 발열이 증대되지 않아 가공정밀도의 저하가 억제될 수 있게 된다. 또, 발전기(70)와 모터(80)의 극수비를 적절하게 설정함으로써 스핀들(30)의 회전수에 대한 공구(100)의 회전수를 증속, 등속, 감속의 어떤 것으로도 변경할 수 있게 된다.

또, 본 실시예에 의하면, 스핀들(30)의 회전에 의해 발전된 전력에 의해 공구(100)를 구동하기 때문에, 외부의 전원으로부터 어테치먼트(46)로 구동전류를 공급할 필요가 없고, 그 결과 전원공급을 위한 배선이 필요하지 않게 된다.

한편, 본 발명은 앞에서 설명한 실시예에 한정되는 것은 아닌 것으로, 앞에서 설명한 실시예에서는 본 발명의 부속장치로서의 어테치먼트(46)를 스핀들 하우징으로서의 램(45)에 볼트(BT)로 체결하는 경우에 대한 것이었으나, 예컨대 자동 어테치먼트 교환장치로 어테치먼트(46)를 교환하는 구성으로 할 수도 있다.

또, 앞에서 설명한 실시예에서는, 본 발명의 부속장치로서 모터(80)를 내장시켜 공구(100)를 회전시키는 어테치먼트(46)의 경우에 대해 설명하였으나, 본 발명은 그에 한하지 않고 예컨대 조명장치, 모터를 내장한 공구, 방전가공용 전극, 전지 등과 같이 발전기(70)의 전력을 사용하는 것이라면 특히 한정되지는 않는다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 통상적인 공구와 마찬가지로 공작기계의 스핀들에 자동공구교환장치에 의해 착탈될 수 있고, 외부의 전원 등과 결선되지 않고도 구동할 수 있으며, 외부로부터 전력을 공급받지 않고서 공작기계의 스핀들과는 다른 회전수로 공구를 회전시킬 수 있는 공구 및 공구 홀더를 제공할 수 있게 된다.

또, 공작기계 본체에 부속되어, 전력을 사용하는 부속장치로 전기공급배선에 의해 외부전원으로부터 전력이 공급될 필요가 없는 공작기계를 제공할 수 있게 된다.

도 1은, 본 발명이 적용되는 공작기계의 1예로서 머시닝센터의 구성도,

도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 공구의 구성을 나타낸 단면도,

도 3은, 발전기와 모터의 접속관계를 설명하기 위한 도면,

도 4는, 본 발명의 제2실시예에 따른 공구의 구성을 나타낸 단면도,

도 5는, 본 발명의 제2실시예에 따른 공구의 구성을 나타낸 단면도,

도 6은, 본 발명의 제2실시예에 따른 공구의 구성을 나타낸 단면도,

도 7은, 본 발명의 제3실시예에 따른 방전가공용 공구의 구성을 나타낸 단면도,

도 8은, 방전가공용 공구의 전기계통의 기능블럭도,

도 9는, 방전가공용 공구를 사용하여 방전가공을 하는 순서를 설명하기 위한 도면,

도 10은, 도 9에 이어 방전가공용 공구를 사용하여 방전가공을 하는 순서를 설명하기 위한 도면,

도 11은, 본 발명의 제4실시예에 따른 공구의 구성을 나타낸 단면도,

도 12는, 본 발명의 제4실시예에 따른 공구의 전기계통의 기능블럭도,

도 13은, 펠티어소자의 개략적인 구성을 나타낸 단면도,

도 14는, 본 발명의 제5실시예에 따른 공작기계의 구성도,

도 15는, 머시닝센터의 램 및 어테치먼트의 내부구조를 나타낸 단면도,

도 16은, 발전기와 모터의 접속관계를 나타낸 도면이다.

Claims

한쪽 끝에서는 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)과 동축 상에 설치되어 상기 스핀들(46)에 대해 착탈될 수가 있고, 다른 쪽 끝에서는 방전 전극(100)을 착탈될 수 있게 설하도록 되어 있는 방전가공용 공구(60)로서,

상기 방전가공용 공구(60)가 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)에 장착되었을 때, 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(6)과 동축 상에 배설되어, 상기 스핀들(46)의 회전에 응답해서 회전하여 발전하는 발전기(70)와,

상기 발전기(70)에 의해 발전된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류회로(500)와,

상기 방전가공용 공구(60)의 다른 쪽 끝에, 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)과 동축 상에 장착된 상기 방전 전극(100)을 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)에 교환할 수 있게 보유지지하는 전극 지지부재(90)와,

상기 정류회로(500)에서 변환된 직류전력을, 상기 착탈될 수 있게 장착되어 있는 방전 전극(100)에 인가하는 도전선(91)을 갖추어 이루어진 방전가공용 공구.
제1항에 있어서, 상기 방전가공용 공구(60)는, 상기 정류회로(500)에서 변환된 직류전력의 전류를 제어해서, 상기 착탈될 수 있게 장착되어 있는 방전 전극(100)으로 공급할 수 있게 하는 전류제어회로(700)를 더 갖추어 이루어진 것을 특징으로 하는 방전가공용 공구.
제1항에 있어서, 상기 방전가공용 공구(60)는, 당해 방전가공용 공구(60)의 한쪽 끝에서, 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)과 동축 상에 배설되어 당해 스핀들(46)에 대해 착탈될 수 있게 하는 장착부(62)를 갖춘 것을 특징으로 하는 방전가공용 공구.
제1항에 있어서, 상기 방전가공용 공구(60)는, 당해 방전가공용 공구(60)의 다른 쪽 끝에 상기 방전 전극(100)을 착탈될 수 있게 보유지지하는 전극 지지부재(90)를 갖춘 것을 특징으로 하는 방전가공용 공구.
수치제어장치에 의해 제어되는 공작기계로서,

상기 공작기계는,

회전할 수 있는 스핀들(46)과,

한쪽 끝에서, 상기 스핀들(46)과 동축 상에 착탈될 수 있게 장착되는 방전가공용 공구(60)와,

상기 방전가공용 공구(60)의 다른 쪽 끝에 착탈될 수 있게 장착되는 방전 전극(100)을 구비하되,

상기 방전가공용 공구(60)는,

당해 방전가공용 공구(60)가 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)에 장착되었을 때, 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)과 동축 상에 설치되어, 상기 스핀들(46)의 회전에 응답해서 회전하여 발전하는 발전기(70)와,

상기 발전기(70)에 의해 발전된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류회로(500)와,

상기 방전가공용 공구(60)의 다른 쪽 끝에 설치되어, 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)과 동축 상에 장착된 상기 방전 전극(100)을 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)에 대해 교환할 수 있게 보유지지하는 전극 지지부재(90)와,

상기 정류회로(500)에서 변환된 직류전력을 상기 착탈될 수 있게 장착되어 있는 방전 전극(100)에 인가하는 도전선(91)을 갖추고서,

상기 방전 전극(100)의 위치가 상기 공작기계의 위치제어를 수행하는 상기 수치제어장치에 의해 제어될 수 있게 구성되어, 소망하는 방전가공을 하게 되는 공작기계.
제5항에 있어서, 상기 방전가공용 공구(60)는, 상기 정류회로(500)에서 변환된 직류전력의 전류를 제어해서, 상기 회전할 수 있게 장착되어 있는 방전 전극(100)으로 공급할 수 있도록 하는 전류제어회로(700)를 더 갖추어 이루어진 것을 특징으로 하는 공작기계.
제5항에 있어서, 상기 방전가공용 공구(60)는, 당해 방전가공용 공구(60)의 한쪽 끝에, 상기 공작기계 본체(2)의 스핀들(46)과 동축 상에 설치되고서 상기 스핀들(46)에 대해 착탈될 수 있게 하는 장착부(62)를 갖춘 것을 특징으로 하는 공작기계.
제5항에 있어서, 상기 방전가공용 공구(60)는, 당해 방전가공용 공구(60)의 다른 쪽 끝에, 상기 방전 전극(100)을 교환할 있게 보유지지하는 전극 지지부재(90)를 갖춘 것을 특징으로 하는 공작기계.
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