KR101207397B1 - 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 샤프트 회전 방식의 직교로봇을 볼너트 회전방식의 직교로봇으로 개선함으로써 가동거리를 더욱 늘리고 안정성과 경제성을 가진 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇에 관한 것으로서, 프레임, 이동자, 프레임과 결합되는 볼스크류샤프트 그리고, 회전운동을 이동자의 직선운동으로 변환하는 볼너트를 포함하는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇으로서, 이동자에 결합되고 볼너트와 함께 회전할 수 있도록 볼너트의 외주면과 결합되는 중공의 축을 가진 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇을 제공한다.

Description

볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇{BALL NUT ROTARY TYPE BALL SCREW OTHOGONAL ROBOT}

본 발명은 직교로봇에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 볼너트가 회전하는 구조와 볼스크류샤프트의 지지구조를 구비함으로써 작동신뢰성과 경제성이 더욱 향상될 수 있는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇에 관한 것이다.

최근 공장자동화시스템에는 부품의 이송 및 결합 등의 작동을 위하여 직교로봇을 사용하는데, 일반적으로 직교로봇에 사용되는 이송방법으로 볼스크류방식을 사용하게된다. 즉, 모터와 결합된 볼스크류축이 회전하게 되면, 볼너트가 회전운동을 직선운동으로 바꾸게 되므로,결합으로 원하는 위치에 물품이나 장비를 이송하게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 직교로봇을 도시한 투시 평면도이며, 도 2는 도 1의 직교로봇을 측면에서 본 도면이다. 이하, 도 1과 2를 기초로 종래의 직교로봇에 의한 선형이동 시스템을 설명한다. 전체적인 시스템을 제어하기 위해 컨트롤러(1)에 원하는 작동명령을 입력하게 되면, 드라이브(2)가 컨트롤러(1)로부터 제어신호를 받아서 전력을 이용하여 선형이동 시스템을 구동하게 된다. 보다 정확하게는 제어신호를 통해 컨트롤러(1)가 모터(10)로 입력되는 전력을 제어하게 되는 것이다.

이에 따라, 모터(10)는 지시받은 만큼의 회전운동을 수행하게 된다. 회전운동을 전달하기 위한 볼스크류샤프트(20)는 모터(10)의 구동축과 동축으로 배치되어 연결되는데, 일반적으로 진동을 감소하기 위해 고정결합되는 너트방식보다는 커플링(11)에 의한 연결방식이 사용된다.

회전운동을 선형직선운동으로 변환하여 주는 볼너트(31)는 볼스크류샤프트(20)가 회전운동함에 따라 선형적으로 왕복운동을 하게 되면, 볼너트(31)에 고정되어있는 직교로봇의 이동자(30)가 이에 따라 선형직선운동을 하게 된다. 이동자(30)는 LM가이드(12)와 LM블록(13)에 의하여 지지되며, 이동자(30)의 가이드 역할을 하게 된다. LM가이드(12)와 LM블록(13)은 프레임(40)에 지지된다.

그런데, 최근 FPD 등의 기술발전에 따라 제품의 크기가 확대되면서, 직교로봇의 사이즈 확대에 대한 요청은 꾸준히 있어왔으며, 보다 크고, 정밀하며 고성능인 직교로봇이 사용될 필요성이 대두되었다. 이에 따라 보다 고성능의 리니어모터를 사용하게 되는데, 제품 가격상승의 원인이 되었다.

또한, 종래 샤프트 회전방식의 직교로봇은 모터(10)에 의해 샤프트를 구동시키게 되는데, 회전축이 전체 중심축에서 정확하게 회전하지 못하고 또한 처짐의 현상이 발생하게 된다. 이런 현상은 커플링 방식에 의하여 모터축과 샤프트축이 간접연결되고, 스트로크가 길어지고 또한 장비의 무게가 커지면서 더욱 심화되게 된다. 이러한 현상에 의해 공진이 유발되게 되면 시스템 전체의 심각한 위험을 초래하기도 한다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 볼스크류가 기존 튜브순환식에서 내부 순환방식으로 개선되었으나 큰 효과를 거두지 못하고, 현재 샤프트 굵기를 키우는 방법을 통해 시스템 속도와 크기를 개선하는 방법이 사용된다. 하지만, 이러한 방법은 직교로봇의 크기, 무게 및 비용 동반상승하게 되는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 샤프트와 모터가 직렬연결되므로 로봇의 크기에 비해 가동 스트로크가 모터 등의 크기에 의해 희생되는 문제가 있었다. 샤프트와 모터가 병렬연결되더라도 추가되는 장비와 부피가 추가되어 역시 공간적인 한계를 가지게 된다.

한편, 샤프트가 처지는 현상을 개선하기 위하여 샤프트의 양단에서 장력을 가하게 되는데, 최근 프리텐션양을 조절하는 방법(공개실용신안공보 실1999-0019428)을 사용하기도 한다. 그러나, 중력에 의한 영구적인 처짐현상은 근본적으로 개선되지 못하는 문제점이 있었다. 이러한 현상은 장비가 더욱 대형화됨에 따라 심화되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 샤프트 회전 방식의 볼스크류 직교로봇을 볼너트 회전방식의 볼스크류 직교로봇으로 개선함으로써 가동거리를 더욱 늘리고 안정성과 경제성을 가진 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇을 제공하는 목적이 있다.

또한, 본 발명은 볼스크류샤프트를 지지하는 구조를 제공함으로써 스크류의 처짐과 진동을 개선하고 작동신뢰성이 향상되는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇은 프레임, 이동자, 프레임과 결합되는 볼스크류샤프트 그리고, 회전운동을 이동자의 직선운동으로 변환하는 볼너트를 포함하는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇으로서, 이동자에 결합되고 볼너트와 함께 회전할 수 있도록 볼너트의 외주면과 결합되는 중공의 축을 가진 모터를 포함하는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇을 제공한다. 따라서, 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇의 구조가 단순해지고, 이동자의 속도와 안정성이 더욱 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇은 모터가 직류 또는 교류 전원을 사용하는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇을 제공한다. 따라서, 모터의 선택의 폭이 다양해지고, 효율적이면서 경제성이 우수해진다.

또한, 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇은 프레임, 이동자, 프레임과 결합되는 볼스크류, 회전운동을 이동자의 직선운동으로 변환하는 볼너트 그리고, 모터를 포함하는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇으로서, 모터는 이동자에 결합된 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇을 제공한다. 따라서, 간이한 구조를 가지면서 이동자의 가동거리가 더욱 길어질 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇은 이동자의 움직임에 따라 볼스크류샤프트를 따라 직선운동하도록 이동자의 양단으로부터 이격되어 배치되고 연결부재를 통해 이동자와 연결되며, 볼스크류샤프트를 지지하는 지지부재를 더 포함하는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇을 제공한다. 따라서, 볼스크류샤프트의 처짐과 진동을 방지할 수 있게 되어 작동 안정성이 향상된다.

또한, 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇은 연결부재는 이동자에 결합되는 와이어와 와이어의 장력을 지지하면서 안내하고 이동자의 움직임에 따라 지지부재가 이동하도록 지지부재의 양단에 결합되는 롤러인 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇을 제공한다. 따라서, 와이어의 이동거리와 지지부재의 이동거리의 조율이 가능하므로 더욱 신뢰성있는 작동성이 제공된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇에 의해, 가동스크로크가 더욱 길어질 수 있고, 볼스크류의 진동을 현저히 감소시키며 작동의 신뢰성과 경제성을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 모터의 회전수 선택의 폭이 넓어 질 수 있고 작동의 정확성이 향상되므로, 모터의 선택이 더욱 다양해질 수 있게 된다.

또한, 블스크류가 지지부재에 의해 지지되므로, 스크류의 처짐현상이 비약적으로 개선될 수 있고 제품의 수명과 작동 신뢰성이 더욱 향상될 수 있는 이점이 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇에 의해, 가동스크로크가 더욱 길어질 수 있고, 볼스크류의 진동을 현저히 감소시키며 작동의 신뢰성과 경제성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 모터의 회전수 선택의 폭이 넓어 질 수 있고 작동의 정확성이 향상되므로, 모터의 선택이 더욱 다양해질 수 있게 된다.

또한, 블스크류가 지지부재에 의해 지지되므로, 스크류의 처짐현상이 비약적으로 개선될 수 있고 제품의 수명과 작동 신뢰성이 더욱 향상될 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래의 볼스크류 직교로봇을 도시한 투시 평면도.
도 2는 종래의 볼스크류 직교로봇을 도시한 투시 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇의 실시예를 도시한 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇의 실시예의 이동자 부분을 도시한 정단면도.
도 5는 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇의 지지부재와 이동자의 배치를 간략히 도시한 측면도.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇(300)의 측단면도를 나타낸 것으로, 전체적인 시스템의 구성은 전체적인 시스템을 제어하기 위한 컨트롤러(100), 컨트롤러의 신호를 받아 모터(310)를 제어하는 드라이브(200) 그리고, 시스템 말단에서 제어신호를 받아 운동을 수행하는 직교로봇(300)으로 크게 세 부분으로 분류된다.

여기서 컨트롤러는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇(300)의 운동을 프로그램으로 제어하기 위한 신호와 전원을 드라이브로 공급하고, 컨트롤러부터의 신호를 드라이브에서 수신하면, 드라이브의 CPU에서 제어연산을 실행하며, 연산된 신호를 드라이브의 출력단자를 통하여 모터(310)를 제어하기 위한 신호가 송신된다. 그리고, 이 신호를 통해 모터(310)가 회전운동을 수행하며, 수행한 위치에서 다음의 운동을 수행하기 위한 제어신호를 기다리는 상태가 된다. 모터(310)가 운동을 수행하고 나면, 드라이브에서 완료신호를 출력하여 컨트롤러에 보내게 되고 컨트롤러에서는 다음의 제어신호를 송신하여 프로그램에 의한 작업을 수행하는 시퀀스가 이루어진다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇(300)의 이동자(330) 부위를 도시한 정단면도이다. 볼스크류샤프트(320)는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇(300)의 외형을 구성하며 지지하는 프레임(340)의 양단 내측에 각각 지지된다. 볼스크류샤프트 회전형 직교로봇과는 달리 볼너트(331)가 회전하는 원리의 본 발명에서는 볼스크류샤프트(320)가 프레임(340) 양단에서 고정결합되므로, 실질적인 가동스트로크가 종래의 볼스크류샤프트 회전형 직교로봇에 비해 비약적으로 늘어나는 이점을 가지게 된다. 보다 상세하게는, 종래기술에서는 모터(310)의 크기와 커플링의 크기만큼 전체 스트로크 길이를 감소시키지만, 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇(300)은 모터(310)와 커플링의 구성을 달리하게 되어 그만큼의 스트로크를 확보할 수 있게 된다.

본 발명의 개념에 따라, 이동자(330)에는 모터(310)가 이동자(330)와 함께 움직일 수 있도록 결합되어있다. 볼너트(331)는 이동자(330)의 내부에 결합되며, 볼스크류샤프트(320)의 외주면을 둘러싸도록 배치된다. 모터(310)의 회전운동을 전달받은 볼너트(331)가 회전하게 되면, 볼너트(331)의 내주를 따라 배치된 복수의 볼이 볼스크류샤프트(320)의 홈을 따라 이동하면서 모터(310)로부터의 회전운동을 이동자(330)의 직선운동으로 변환시킨다. 여기서, 바람직하게는 모터(310)의 축은 중공의 형태로 이루어지며, 중공축(311)은 내주면에서 볼너트(331)의 외주면을 감싸면서 함께 회전할 수 있도록 볼너트(331)와 결합된다. 한편, 모터(310)의 축과 볼너트(331)의 결합은 직접 볼너트(331)와 결합하지 않고 기어나 벨트 등의 다양한 구동연결방식이 사용될 수 있음은 물론이다.

참고적으로, 볼스크류샤프트(320)는 리드가 5~20mm정도가 되는 것을 가장 보편적으로 사용하는데, 리드는 볼너트(331) 또는 볼스크류샤프트(320)가 1회전 하였을 때 수평이동하는 거리를 나타내는 것으로 모터(310)의 회전수가 일정한 경우, 수평이동의 속도는 리드의 선택에 따라 그 속도를 달리할 수 있게 된다. 종래에는 스크류의 직경과 길이의 물리적인 한계와 진동의 문제 때문에 모터(310)의 회전수에도 제한사항이 있었지만, 볼너트(331) 회전방식을 사용함에 따라 모터(310)의 회전수를 더욱 폭넓게 선택할 수 있다는 이점이 있음에 유의하여야 한다.

또한, 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇(300)의 모터(310)는 직류 또는 교류 전원을 사용할 수 있다. 종래기술에서 살펴본 바와 같이 볼스크류를 회전시키는 경우, 사이즈, 속도 및 정밀성 등을 해결하기 위해 고가의 리니어 모터(310)를 사용하게 되지만, 본 발명에서는 모터(310)의 선택의 폭이 넓어지게 되고, 모터(310)의 회전선택의 폭 또한 넓어지게 되므로, 리니어모터를 선택하지 않더라도 원하는 성능을 발휘할 수 있게 된다.

한편, 볼스크류샤프트 회전방식의 경우, 샤프트의 길이와 무게로 인해 샤프트 회전시 회전 중심축이 정확하지 못하게 되는 문제를 가질 수 있게 된다. 특정 회전수에서 공진이 발생하게 되면 시스템의 심각한 위험을 초래할 수 있다. 이로 인해 볼스크류샤프트의 위험한계속도가 설정될 수밖에 없게 된다. 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇(300)은 이러한 위험요소를 제거할 수 있기 때문에 회전수의 선택의 폭이 더욱 넓어지게 되고, 따라서 수평이동속도 또한 월등해질 수 있게 되는 것이다.

그런데, 볼스크류샤프트의 중력에 의한 처짐 현상은 본 발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇(300)의 볼스크류샤프트(320)에서도 발생할 수 있게 된다. 이와 관련하여 고정블록에서 볼스크류에 장력을 가하여 결합시키게 되는데, 중력에 의한 처짐현상을 근본적으로는 방지할 수 없음은 이미 지적한 바와 같다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 이동자(330)의 수평이동 경로상에 볼스크류샤프트(320)를 지지할 수 있는 지지부재(350)를 배치하게 된다.

따라서, 바람직하게는 이동자(330)의 수평이동 경로에 샤프트를 지지하는 지지부재(350)가 설치된다. 도 5는 본발명에 따른 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇(300)의 이동자(330)와 지지부재(350)의 배치를 간략히 도시한 도면이다. 도 5를 기초로 더욱 상세히 설명하면, 지지부재(350)가 고정배치되는 경우, 이동자(330)의 이동을 방해하여 충격을 가할 수 있게 되므로, 이동자(330)의 움직임에 따라 함께 움직이도록 하는 것이 바람직하다. 지지부재(350)는 이동자(330)의 양단에 각각 이격되어 샤프트가 관통되어 지지되는 부시하우징(351)과, 양단의 부시하우징(351)을 함께 움직일 수 있도록 추가적인 결합부재(352)를 사용하여 결합된다. 이동자(330)와 지지부재(350)는 프레임(340) 양단의 내측까지 이동하였을 때만 접촉하도록 구성되는 것이 바람직하다. 지지부재(350)의 수평길이는 전체 스트로크 즉, 대략적으로 볼스크류샤프트(320) 길이의 절반이 되는 것이 더욱 바람직하다. 이에 따라, 볼스크류샤프트(320)의 길이의 절반이 지지될 수 있으므로, 중력에 의한 처짐 현상은 비약적으로 개선될 수 있다.

한편, 상기한 바와 같이 이동자(330)의 이동에 따라 지지부재(350)도 이동하도록 하는 것이 바람직하다. 이동자(330)와 지지부재(350)가 프레임(340) 양단 내측까지 이동하였을 때만 접촉하도록 하는 경우, 지지부재(350)가 이동자(330)의 수평이동거리의 절반씩만 움직이도록 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 역할을 수행하기 위해 연결부재(360)가 배치된다.

연결부재(360)는 지지부재(350)의 부시하우징(351)에 각각 결합된 롤러(361)와 이동자(330)와 일부분에서 결합되고 롤러(361)에 장력에 의해 지지되어 롤러(361)를 둘러싸는 와이어(362)로 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, 도르래의 원리에 의해 지지부재(350)가 볼스크류샤프트(320)의 절반의 길이를 지지하면서 이동자(330)의 움직임에 의해 함께 이동하면, 이동자(330)와 부시하우징(351)은 프레임(340)의 양단에 인접할 때만 만나게 되므로, 이동자(330)의 움직임을 방해하지 않게 되며, 충격에 의한 파손 역시 방지할 수 있게 된다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

Claims (4)

1. 프레임, 이동자, 볼스크류샤프트 그리고, 볼너트를 포함하는 볼스크류 직교로봇으로서,
   이동자에 결합되고, 볼너트의 외주면과 결합되는 중공의 축을 가진 모터;를 포함하고, 볼스크류샤프트는 프레임과 고정결합되며,
   연결부재를 통해 이동자와 연결되며 볼스크류샤프트를 따라 직선운동하면서 볼스크류샤프트를 지지하는 지지부재;를 더 포함하는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇.
   
2. 제1항에 있어서,
   모터는 직류 또는 교류전원을 사용하는 볼너트 회전형 볼스크류 직교로봇.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   연결부재는 이동자에 결합되는 와이어; 그리고, 지지부재의 양단에 결합되어 와이어의 장력을 지지하는 롤러;를 포함하는 볼스크류 직교로봇.

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