KR101227727B1 - 병렬운동머신 - Google Patents

Abstract

각각 신장 및 수축가능한 최소한 3개의 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)들을 구비하고, 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)는 각각 제1조인트(8, 9, 10)를 통하여 포지셔닝헤드(11)와 연결되고, 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)는 각각 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)을 통하여 베이스(2)와 연결되고, 상기 포지셔닝헤드(11)는 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)의 작동에 대응한 작동범위 내에서 가동하고, 각각 1자유도를 가지는 최소한 2개의 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2)들은 각각의 빔회동 베어링(100.1, 100.2)을 통하여 상기 포지셔닝헤드(11)와 연결되고, 상기 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2)은 각각 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)들 중 어느 하나 또는 2이상이 신장 및 수축할 때 상기 베이스(2)의 빔 베어링(17,1, 17.2, 17.2.1, 17.2.2) 내에서 가로방향으로 슬라이드 되고, 상기 빔 베어링(17.1, 17.2, 17.2.1, 17.2.2)은 각각 빔 유니버설조인트(BU1, BU2)를 통하여 상기 베이스(2)와 연결되고, 상기 강화빔(5.2, 5.2.1, 5.22) 중 최소 어느 하나의 상기 빔 베어링(17.2, 17.2.1, 17.2.2)은 상기 강화빔(5.2, 5.2.1, 5.2.2)의 수직축과 평행하게 연장된 축에 대하여 회동가능함을 특징으로 하는 병렬운동머신.

병렬운동머신, 머신 툴, 로봇, 기구학

Description

병렬운동머신{PARALLEL-KINEMATICAL MACHINE}

본 발명은 머신 툴(machine tools)에 관한 것으로 특히 산업용 로봇에 관한 것이다.

미국특허 4,732,525(스웨덴특허 452279)는 일반적인 디자인을 가지는 로봇에서 사용되는 병렬운동머신를 개시하고 있다. 이와 같은 로봇은 중앙관(central tube)과 조합되어 신장 및 수축가능한 3개의 세팅장치(setting device)를 구비하고 있고, 이를 이용해 세팅장치 일단에 위치하는 포지셔닝헤드(positioning head)를 이동시키게 된다. 중앙관은 유니버설조인트(universal joint)의 중앙베어링(central bearing)의 중앙부(midume)를 통하여 중앙관 축방향으로 가동되도록 부설되며, 이때 유니버설조인트는 머신 베이스(machine base)에 대해 3자유도를 가지고 있다. 각각의 세팅장치는 3자유도를 가지는 조인트(joint)를 통하여 포지셔닝헤드와 연결되고, 또한 2자유도를 가지는 조인트를 통하여 머신 베이스와 연결되어 포지셔닝헤드가 제한된 작동범위 내에서 가동될 수 있도록 한다. 이때 세팅장치는 인장력과 압축력을 지지하게 되고, 중앙관은 포지셔닝헤드에 대한 하중으로부터 발생하는 모든 회전력과 굽힘응력을 지지하게 된다.

상술된 머신의 운동의 정확도는 머신 자체의 강성에 의해 주로 영향을 받게 되고, 또한 베어링의 개수, 가능한 자유도, 임계방향에서의 비틀림응력과 굽힘응력을 최소화하기 위한 구성물질의 특성에 의해 영향을 받게 된다. 예를 들면, 포지셔닝헤드에 의해 발생하는 측방향의 힘은 중앙관을 굽히거나, 머신 베이스의 자이로베어링(gyro bearing)과 세팅장치와의 연결부 사이에서 회동하도록 한다.

상술된 종래 머신의 강성은 특히 포지셔닝헤드를 구비한 세팅장치의 연결부의 디자인과 중앙관 자체의 강성에 의해 영향받게 된다. 이러한 종래 머신의 강성을 강화시키기 위해서 주로 매우 작은 공차(tolerance)를 각각의 조인트에 적용하게 되고, 차선으로 하중을 증가시켜 좀더 견고한 중앙관을 사용하게 된다.

이때 중앙관은 강도가 높은 재료를 사용하거나, 관의 두께를 증가시키거나, 관의 직경을 증가시킴으로써 더욱 견고해 질 수 있다.

그러나, 종래 머신의 강성을 개선하기 위한 방법은 제작비용의 증가, 머신의 중량 증가 및 포지셔닝헤드의 작동범위를 축소시키는 결과를 가져온다.

종래의 병렬운동머신과 유사한 것으로 영국특허출원 제8319708호(등록번호 2,143,498), 미국등록특허 제4,569,627호, 그리고 노르웨이특허출원 제148216호가 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 머신들은 최신 머신들이 목표하고자 하는 강성과 정확도의 수준을 만족시키는 기본 구조를 결여하고 있다.

본 발명의 목적은 종래의 병렬운동머신보다 더 큰 강성 및 정확성을 가지면서, 상대적으로 제작비용이 적게 드는 간단한 구조의 병렬운동머신을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 중앙관을 제거함으로써 작동범위 내에서 포지셔닝헤드의 가동성을 개선하고, 간단한 구조를 가지면서 상대적으로 제조비용이 적게 드는 병렬운동머신을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 머신의 운동질량을 줄이는 데 있다.

상기 목적은 본 발명의 독립항에 의해 정의되는 본 발명의 수단에 의해 달성된다. 본 발명의 더 구체화된 실시예는 종속항에 의하여 분명해질 것이다.

본 발명은 수직방향으로 각각 신장 및 수축가능한 최소 3개의 세팅장치(setting devece)를 구비하는 병렬운동머신(parallel-kinematical machine)에 관한 것이다. 각각의 세팅장치는 제1조인트(first joint)를 통하여 포지셔닝헤드(positioning head)와 연결되고, 또한 적절한 유니버설조인트를 통하여 머신의 베이스(base)와 연결되고, 세팅장치는 자이로장치(gyro devece) 또는 볼스크류(ball screw)를 구비한다. 결국 세팅장치를 작동시킴으로써 포지셔닝헤드가 작동범위 내에서 가동되게 된다. 최소한 2개의 강화빔(reinforcing beam)은 각각 1자유도를 가지는 각각의 빔회동 베어링(beam rotational bearing)을 통하여 포지셔닝헤드와 연결된다. 각각의 강화빔은 하나 또는 그 이상의 세팅장치가 신장 또는 수축되는 경우, 베이스에 위치하는 빔 베어링(beam bearing)에 가로방향으로 슬라이드 되도록 배치되어 있다. 또한 각각의 빔 베어링은 빔 유니버설조인트(beam-universal-joint)를 통하여 머신의 베이스와 연결되고, 최소한 하나의 강화빔은 강화빔의 수직축과 평행하게 연장된 축에 대하여 회동가능하다.

상술한 개념은 머신의 베이스, 세팅장치, 강화빔과, 상기 구성요소들의 상호관계에 의한 포지셔닝헤드와, 베이스와 포지셔닝헤드를 구성하는 베어링들과의 관계에 관한 가능한 기본 실시예를 다양하게 할 수 있고, 후술하는 도 6을 참조하는 설명으로부터 구체화될 것이다.

후술하는 실시예는 강화빔과 각각 연결되는 3개의 세팅장치를 구비하고 있으며, 제2세팅장치(second setting device)는 추가적인 강화빔을 구비하고 있다.

유니버설조인트는 외부자이로축(outer gyro axis)에 대해 회동하기 위해 상기 설명된 베이스에 부설되는 외부자이로부재(outer gyro element)를 포함하고, 외부자이로축에 수직인 내부자이로축(inner gyro axis)에 대해 회동하기 위해 외부자이로부재에 부설되는 내부자이로부재(inner gyro axis)를 구비한다. 이 경우, 빔 베어링은 유니버설조인트의 내부자이로부재와 연결된다. 다른 실시예에 의하면 빔 베어링은 세팅장치의 유니버설조인트로부터 분리될 수 있으며, 세팅장치의 유니버설조인트와 이격되어 자체의 유니버설조인트와 연결되게 된다. 그러나 포지셔닝헤드와 강화빔을 연결시키기 위해 자체의 빔회동 베어링을 요하게 된다.

도시된 실시예에 의하면 제1조인트는 1자유도를 가지고, 이에 따라 중앙관을 제거하더라도 머신의 강성을 유지할 수 있음이 명백해질 것이다.

각각의 강화빔은 제1방향(first direction)의 직각방향에 대한 굽힘저항 보다 크게 초과하는 제1방향에서의 굽힘저항을 나타내도록 되어있다. 이것은 일반적으로 강화빔이 직사각형의 단면 또는 타원형의 단면을 가지도록 한다. 그러나 I-빔과 같은 다른 단면모양도 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있음을 알 수 있다. 강화빔은 탄소섬유로 강화된 합성재료로 이루어질 수 있다.

실시예에 따른 머신은 3개의 세팅장치를 구비하고 있음을 상세히 나타내고 있으며, 각각의 세팅장치는 제1조인트의 강화빔과 고정연결된다. 또한 세팅장치 중 하나의 세팅장치는 모든 방향에서 동일한 강성을 가지도록 추가적인 강화빔을 구비하고 있다. 위에서 설명한 바와 같이 머신은 서로 직각방향으로 위치하는 2개의 강화빔을 구비할 수 있다. 최소 하나의 강화빔의 빔 베어링은 자신의 수직축 또는 자체의 수직축과 평행한 베이스 베어링 축에 대하여 회동가능하다. 이와 같이 도시된 실시예에 있어서, 2개의 강화빔은 내부자이로부재에서 세팅장치에 대하여 회동가능하다.

도시된 실시예의 각각의 세팅장치는 너트가 내부자이로부재와 고정연결되는 스크류-너트 메카니즘을 형성한다. 그러나 머신이 다른 유형의 세팅장치를 구비하는 디자인을 가지더라도 본 발명의 범위 내에 있음을 충분히 이해할 수 있다. 예를 들면 리니어모터는 도시된 스크류-너트 메카니즘를 대체하여 세팅장치로서 사용가능하다. 이러한 리니어모터는 강화빔으로 구성되거나 강화빔의 일부분을 포함할 수 있다.

각각의 강화빔은 강화빔에 단단히 스크류되거나 접합되는 스틸 슬라이드바와 같이 최소한 하나의 수직방향으로 연장된 제1슬라이드부재를 구비할 수 있고, 제1슬라이드부재는 그 형상이 맞물리는 방식으로 연결된다. 그러나 조정 베어링(intermediate bearing)을 통하여 직접 또는 간접적으로 너트와 연결되는 가이드레일과 같은 제2슬라이드부재와 슬라이드 가능하다. 제2슬라이드부재가 매개 베어링을 통하여 간접적으로 너트에 연결되는 경우 제2슬라이드부재는 세팅장치 주위에서 기울여질 수 있는 특성에 의해 형상 방식(shape-wise fashion)으로 너트에 의해 상대적으로 가이드되고, 이것은 2개의 강화빔을 구비하는 유니버설베어링이 도시된 실시예로부터 명백해진다. 비록 도시된 실시예가 강화빔이 내부자이로부재에서 회동됨으로써 강화빔의 대칭적인 수직축과 평행하도록 연장된 축에 대하여 회동할 수 있음을 보여준다고 할지라도, 머신의 베이스에서 회동하는 유니버설조인트의 전체, 즉, 조인트의 외부자이로부재를 부설함으로 달성가능함을 알 수 있다.

너트 또는 스크류는 세팅장치의 모터에 의해 회전구동된다. 스크류가 모터에 의해 구동될 때 모터는 스크류의 일단과 연결되고, 이때 스크류의 타단은 지지 베어링에 의해 지지된다. 상세하게 나타난 실시예에 의하면 세팅장치의 모터는 일단이 제1조인트의 일부분을 구비하는 모터홀더에 부설되고, 하나 또는 그 이상의 강화빔이 구속되는 연결면(connection surface)을 구비할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이 세팅장치의 모터를 지지하는 모터홀더는 스크류의 타단에 또한 부설될 수 있고, 이 경우에 모터에 구속받지 않는 스크류의 말단은 제1조인트와 연결되게 된다. 너트가 모터에 의해 구동될 때 그 구동은 벨트구동 또는 이와 유사한 것에 영향받을 수 있고, 따라서 모터에 대한 세팅장치의 비율은 쉽게 변화할 수 있다.

포지셔닝헤드의 2개의 제1조인트는 상호 평행인 조인트축을 구비하는 반면, 포지셔닝헤드의 나머지 3번째 제1조인트는 다른 2개의 제1조인트와 직각을 이루며 연장된 조인트축을 구비한다. 또한 각각의 세팅장치의 유니버설조인트의 내부자이로축은 틸팅(tilting)되지 않는 조인트들에 대한 세팅장치의 제1조인트의 조인트축과 평행하고, 이때, 틸팅은 조인트에서 내부자이로축의 대칭적인 수직축과 평행한 축에 대한 강화빔의 회동을 말한다.

상세히 설명된 실시예는 각각 2자유도를 가지는 2개의 조인트와, 3자유도를 가지며 포지셔닝헤드의 빔회동 베어링 각각에 대해 1자유도를 가지는 1개의 조인트를 구비하는 유니버설조인트를 포함하는 병렬운동머신을 제공한다.

본 발명의 범위 내에서 제공된 강화빔의 수와 강화빔의 단면 치수는 다양하게 나타날 수 있을 것이다. 또한 빔회동 베어링이 제1조인트와 함께 있지 않다면 제1조인트, 즉 포지셔닝헤드에 대한 세팅장치 조인트의 자유도 수는 변화할 수 있다.

본 발명은 이하의 도면에 도시된 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 머신의 실시예를 도시한 것이고,

도 2는 도 1에 따른 머신의 강화빔들 중 하나와 세팅장치가 연결된 상태를 도시한 것이고,

도 3은 도 2의 F3 위치에서의 강화빔과 세팅장치의 단면도이고,

도 4는 도 1에 따른 회동가능한 머신의 강화빔으로서, 세팅장치가 연결된 상태를 도시한 것이고,

도 5는 도 4의 F5 위치에서의 강화빔과 세팅장치의 단면도이고,

도 6a 내지 도 6e는 본 발명에 따른 실시예의 5가지 기본형태를 개략적으로 도시한 것이고,

도 7은 2자유도를 가지는 카르단조인트 형태인 유니버설조인트를 도시한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 병렬운동머신(1)의 실시예를 도시한 것이다. 머신은 베이스(2)를 구비하고, 베이스(2)에는 관통하여 형성된 3개의 대응하는 개구에 부설되는 3개의 분리된 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)가 구비된다. 각각의 유니버설조인트를 통과하여 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)와 강화빔 또는 바(5.1, 5.2.1, 5.2.2, 5.3)가 연장된다. 세팅장치와 관련된 유니버설조인트가 강화빔과 관련된 유니버설조인트와 일치되지 않을 때, 강화빔의 유니버설조인트는 각각 빔 유니버설조인트 BU1, BU2, BU3로 표시되어 있다. 세팅장치는 너트가 유니버설조인트와 고정연결되는 스크류-너트 메카니즘을 가진다. 세팅장치의 스크류는 모터홀더(7.1, 7.2, 7.3)에 부설된 세팅모터(6.1, 6.2, 6.3)에 의해 구동되며, 또한 조인트축(10)에 대하여 회동하기 위해 모터홀더의 말단위치에 조인트의 타단(9)과 함께 운동하는 제1조인트의 일단(8)을 제공한다. 조인트의 타단(9)은 포지셔닝헤드(11)에 고정연결된다. 도 1의 실시예에서 제1조인트(8, 9, 10)는 강화빔(5.3)에 대하여 빔회동 베어링(100.3)으로서의 작용을 하게 되고, 이 경우 단지 1자유도를 가지는 힌지운동을 하게 된다. 다른 모터홀더(7.1, 7.2) 역시 각각의 빔회동 베어링(100.1, 100.2)을 통하여 포지셔닝헤드(11)에 대응되게 연결된다. 포지셔닝헤드(11)는 작동범위 이내에서 툴을 가동이기 위해 툴헤드(13)와 툴부속수단(14)이 연결된 조작헤드(12)에 연결된다. 모터홀더(7.1, 7.2, 7.3)는 또한 양 반대편에 강화빔(5.1, 5.2.1, 5.2.2, 5.3)이 구속되는 연결면(connecting surfaces)(15)을 구비한다. 도 1에 도시된 바와 같이 베이스(2)는 케이블 및 이와 유사한 것을 수용하기 위한 미디어윈도우(media window) (16)를 갖추고 있다.

각각의 강화빔(5.1, 5.2, 5.3)은 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)를 신장 또는 수축할 때 베이스(2)의 빔 베어링(17.1, 17.2.1, 17.2.2, 17.3)에서 가로방향의 슬라이딩운동을 위해 마련된다. 도 1의 실시예에 따르면 빔 베어링(17.1, 17.2.1, 17.2.2, 17.3)은 각각의 세팅장치의 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)와 같은 공간을 차지하는 빔 유니버설조인트(BU1, BU2, BU3)에 마련된다.상술된 빔들과 연결되는

도 1에 도시된 바와 같은 세팅장치들 중 하나인 제2세팅장치(4.2)는 2개의 강화빔(5.2.1, 5.2.2)을 구비하고, 이들 강화빔은 제2세팅장치의 측면에 각각 배치되어 연결되고, 2개의 다른 세팅장치(4.1, 4.3)에 각각 위치하는 2개의 강화빔(5.1, 5.3)들과 통상 직각을 이루게 된다. 이러한 강화빔은 동일한 형태를 가지고 있기 때문에, 머신의 모든 강화빔들은 동일한 치수를 가지고, 동일한 크기의 힘을 필요로 한다.

도 2는 강화빔(5.1)이 조합된 상태의 제1세팅장치(4.1)를 나타내고, 도 1에 도시된 제3세팅장치(4.3)와 동일한 형태를 가진다. 유니버설조인트(3.1)는 베이스에 부설되어 외부자이로축(22)에 대해 회동하는 외부자이로부재(21)를 구비하고, 외부자이로부재(21)에 부설되어 내부자이로축(24)에 대해 회동하는 내부자이로부재(23)를 구비한다. 강화빔(5.1)은 또한 유니버설조인트의 자이로윈도우(25)를 통하여 연장되고, 세팅장치(4.1)와 강화빔(5.1)은 하나의 유닛을 이루어 유니버설조인트에서 가동이게 된다. 이때 강화빔(5.1)은 슬라이드바(slide bar) 형태를 가지고, 길이방향으로 연장되어 고정된 2개의 제1슬라이드부재(26)를 구비하고, 각각의 제1슬라이드부재(26)는 가이드레일(guide rail) 형태를 가지면서 내부자이로부재(23)와 고정연결되는 각각의 제2슬라이드부재(27)와 슬라이드될 수 있도록 연결된다. 세팅장치(4.1)의 너트(28)는 내부자이로부재(23)에 고정되어 부설되고 세팅장치의 스크류는 너트(28)를 통하여 회동하게 되므로 너트(28)는 지지베어링(29)이 위치한 말단으로 이동하게 된다.

세팅장치(4.1)의 스크류가 세팅모터(6.1)에 의해 회동함에 따라 모터홀더(7.1)는 모터홀더의 조인트부(8)와 함께 유니버설조인트(3.1)와 베이스로부터 접근하거나 후퇴하게 되고, 이때 제2슬라이드부재(27)에 이동가능하게 부설된 강화빔(5.1)도 함께 가동이게 되고, 이로써 포니셔닝헤드는 작동범위 내에서 운동하게 된다. 이 경우에 각각의 세팅장치의 스크류는 포지셔닝헤드와 베이스 사이에서 밀고 당기는 이동수단으로서 역할을 하게 되는 반면, 세팅장치들과 연결된 각각의 강화빔들은 굽힘응력과 비틀림응력을 필요로 하는 수단으로서 작용하게 되고, 포지셔닝헤드와 베이스 사이에서 측방향으로 힘을 전달하게 된다.

도 3은 도 2의 F3위치에서의 단면도이다. 도 3은 나사산이 새겨진 너트(28)를 포함하는 세팅장치의 스크류(31)을 나타내고, 너트는 내부자이로부재(23)에 고 정부설되고, 차례로 내부자이로부재는 내부자이로축(24)에 대해 회동하도록 외부자이로부재(21)에 부설된다. 도 3은 강화빔(5.1)의 제1슬라이드부재(26)가 내부자이로부재(23)에 영구히 구속된 2개의 제2슬라이드부재(27)와 체결되어 슬라이드되도록 배치된 모습이 자세히 도시되어 있다.

또한 도 3은 자이로윈도우(25)가 자세히 도시되어 있다. 강화빔(5.1)은 직사각형의 단면을 가지고 있고, 이것은 강화빔이 제1방향에서 휨강성을 갖게 되고, 이때 강화빔의 휨강성은 상기 제1방향과 직각인 방향에서의 휨강성 보다 훨씬 크다는 것을 의미한다.

도 4는 도 2 세팅장치와 다른 세팅장치를 도시한 것으로, 도 1의 3개의 세팅장치들 중의 하나인 제2세팅장치(4.2)를 나타내고, 또한 세팅장치와 연결된 2개의 강화빔(5.2.1, 5.2.2)를 나타내고 있다. 이때 강화빔은 세팅모터(6.2)의 양 측면에 위치하는 모터홀더(7.2)와 고정연결되고, 세팅장치는 도면상에서 강화빔(5.2.1)에 의해 가려져 있다. 이러한 세팅장치는 내부자이로부재(43)를 통하여 연장되고, 내부자이로부재는 외부자이로부재(21)의 내부자이로축(46)에 대해 회동하도록 부설되고, 차례로 외부자이로부재는 베이스의 외부자이로축(47)에 대해 회동하도록 부설된다. 내부자이로부재(43)는 제1 및 제2자이로윈도우(45.1, 45.2)를 구비하고 있고, 제1 및 제2자이로윈도우를 통하여 2개의 강화빔(5.2.1, 5.2.2)이 서로 평행상태에서 각각 연장된다.

도 5는 도 4의 F5위치에서의 단면도이다. 도 5에 의하면 세팅장치의 스크류(51)는 너트(52)와 나사맞물림 되고, 너트는 내부자이로부재(43)의 너트하우 징(54)을 통하여 내부자이로부재의 중앙부에 위치하는 웨이스트(waist)(53)와 고정연결된다. 이때 웨이스트는 웨이스트의 양측에 위치하는 2개의 자이로윈도우(45.1, 45.2)에 의해 형성된다. 또한 도면에 의하면 강화빔(5.2.1, 5.2.2) 각각은 2개의 경사부재(tilt element)(55.1, 55.2)를 통하여 내부자이로부재(43)와 연결된다. 이때 제1경사부재(55.1)는 내부자이로부재(43)의 일면에 위치하는 스크류(51)의 경사운동을 위해 부설되는 반면, 제2경사부재(55.2)는 내부자이로부재(43)의 타면에 위치하는 스크류(51)의 경사운동을 위해 부설되는 것이다. 경사부재(55.1, 55.2)는 세팅장치의 스크류(51)의 경사운동을 위해 너트하우징(54)에 각각 부설된다. 하나의 경사부재는 세팅장치의 스크류(51)를 중심으로 서로 반대방향에 위치하여 대각으로 배치된 제1고정암(seating arm)(56.1)과 제2고정암(56.2)을 구비한다. 이로인하여 제1고정암(56.1)은 제1강화빔(5.2.1)에 연결된 제2슬라이드부재(57.1)와 제1슬라이드부재(57.2)를 지지하는 반면, 제2고정암(56.2)은 제2강화빔(5.2.2)과 연결된 제2슬라이드부재(58.1)와 제1슬라이드부재(58.2)를 지지하게 된다. 따라서 웨이스트(53)의 일측에 제2경사부재(55.2)가 위치하게 되고, 도 5에 도시된 바와 같이 강화빔(5.2.1, 5.2.2)은 각각 웨이스트(53) 양측에 위치하는 경사부재(55.1, 55.2)와 각각 연결될 것이다. 결국 2개의 강화빔(5.2.1, 5.2.2)은 경사부재(55.1, 55.2)를 통하여 내부자이로부재(43)와 연결된다.

도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 청구범위에 속하는 5가지 기본형태를 개략적으로 도시한 실시예를 나타낸다. 도 6에서 사용되는 참조부호는 앞서 설명한 도면들에서 사용된 참조부호와 일치하고, 도 6의 하위도면은 본 발명의 청구범위 내에 속하는 5가지 기본형태를 도식화하여 나타낸 것이다. 본 발명은 길이방향으로 신장 및 수축가능한 최소한 3개의 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)를 포함하고, 각각의 세팅장치는 제1조인트(8,9,10)를 통하여 포지셔닝헤드(11)와 연결된다. 또한 각각의 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)는 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)를 통하여 베이스(2)와 연결되고, 포지셔닝헤드(11)는 세팅장치의 작동에 응하여 작동범위 내에서 가동하게 된다. 최소한 2개의 강화빔(5.1, 5.2)은 1자유도를 가지는, 즉 힌지의 역할을 하는 각각의 빔회동 베어링(100.1, 100.2)을 통해 포지셔닝헤드(11)와 연결된다. 각각의 강화빔은 하나 또는 그 이상의 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)가 신장 또는 수축함에 따라 베이스(2)에 위치하는 빔 베어링(17.1, 17.2)을 횡단하여 슬라이드 되도록 배치된다. 각각의 빔 베어링(17.1, 17.2)은 빔 유니버설조인트(BU1, BU2)를 통하여 베이스(2)와 연결된다. 또한 최소한 하나의 강화빔(5.2)의 빔 베어링(17.2)은 도 6a 내지 도6e에 도시된 화살표와 같이 강화빔(5.2)의 길이방향 축과 평행한 A축에 대해서 회동가능하다.

도 6a는 본 발명의 제1기본형태를 나타낸 실시예로서, 제1세팅장치(4.1)와 같은 세팅장치의 제1조인트(8, 9, 10)는 포지셔닝헤드(11)와 직접 연결되는 조인트를 구성하고, 제1강화빔(5.1)과 같은 강화빔의 빔회동 베어링(100.1 또는 100.2)으로부터 이격하여 공간을 두고 있으며, 빔회동 베어링 역시 포지셔닝헤드(11)와 직접 연결된다. 게다가 빔 유니버설조인트(BU1)와 베이스(2)에 위치하는 제1강화빔(5.1)의 빔 베어링(17.1)은 베이스(2)와 고정연결된 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)의 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)와 이격되어 있다.

도 6b는 본 발명의 제2기본형태를 나타낸 실시예로서, 제1세팅장치(4.1)와 같은 세팅장치의 제1조인트(8, 9, 10)는 포지셔닝헤드(11)와 직접 연결되는 조인트를 구성하고, 제1강화빔(5.1)과 같은 강화빔의 빔회동 베어링(100.1 또는 100.2)은 본 실시예의 경우에는 세팅장치와 고정연결되지만, 세팅장치의 제1조인트(8, 9, 10)와는 이격되어 있다. 도 6a의 실시예와 마찬가지로 빔 유니버설조인트(BU1)와 베이스(2)에 위치하는 제1강화빔(5.1)의 빔 베어링(17.1)은 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)의 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)와 이격되어 있고, 유니버설조인트는 베이스(2)와 고정연결된다.

도 6c는 본 발명의 제3기본형태를 나타내는 실시예로서, 제1세팅장치(4.1)와 같은 세팅장치의 제1조인트(8, 9, 10)는 제1강화빔(5.1)과 같은 강화빔과 고정연결된다. 본 실시예의 경우에는 강화빔(5.1)의 빔회동 베어링(100.1)은 포지셔닝헤드(11)와 직접 연결된다. 그러나 세팅장치의 제1조인트(8, 9, 10)는 빔회동 베어링(100.1)과 이격되어 있다. 도 6a 및 도 6b의 실시예와 마찬가지로 빔 유니버설조인트(BU1)와 베이스(2)에 위치하는 강화빔(5.1)의 빔 베어링(17.1)은 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)의 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)와 이격되어 있고, 유니버설조인트는 베이스(2)와 고정연결된다.

도 6d는 본 발명의 제4기본형태를 나타내는 실시예로서, 제1세팅장치(4.1)와 같은 세팅장치의 제1조인트(8, 9, 10)와, 제1강화빔(5.1)과 같은 강화빔의 빔회동 베어링(100.1, 100.2)은 포지셔닝헤드(11)와 직접 연결되는 동일한 조인트를 구성하게 된다. 도 6a, 도 6b 및 도 6c의 실시예와 마찬가지로 빔 유니버설조인트(BU1) 와 베이스(2)가 위치하는 제1강화빔(5.1)의 빔 베어링(17.1)은 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)의 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)와 이격되어 있고, 유니버설베어링은 베이스(2)와 고정연결된다.

도 6e는 본 발명의 제5기본형태를 나타내는 실시예로서, 제1세팅장치(4.1)와 같은 세팅장치의 제1조인트(8,9,10)와, 제1강화빔(5.1)과 같은 강화빔의 빔회동 베어링(100.1, 100.2)은 포지셔닝헤드(11)와 직접 연결되는 동일한 조인트를 구성하게 된다. 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)의 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)는 베이스(2)와 고정연결되고, 베이스(2)에 위치하는 강화빔의 빔 유니버설조인트(BU1)와 빔 베어링(17.1)으로 구성된다. 본 실시예의 강화빔은 세팅장치와 함께 가동된다.

상기 제5기본형태의 실시예는 상기 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명된 바와 같이 강화빔과 조합된 세팅장치를 구비하고 있으며, 이러한 실시예는 본 발명의 제5기본형태에 속하게 된다.

빔 유니버설조인트(BU1,BU2)는 소위 2자유도를 가지는 카르단조인트이고, 카르단조인트의 기구학적 운동에 의하여 외부자이로축(22)에서의 회동각은 이른바 회동각차(rotational angle difference) 때문에 내부자이로축(24)에서의 회동각과 차이나게 된다. 1자유도를 가지는 빔회동 베어링(100.1, 100.2)이 서로 직각을 이루되면 빔 유니버설조인트인 BU1과 BU2의 회동각차는 상쇄되고, 그 결과 도 7과 관련된 이하의 방정식과 같이 최소한 하나의 강화빔이 회동되지 않는다면 머신은 기구학적으로 잠김상태가 된다.

회동각차는 다음과 같이 표현될 수 있다.

위의 방정식에서 β는 외부자이로축과 내부자이로축 사이의 각을 나타내고, α1은 외부자이로축의 회동을 나타내며, α2는 내부자이로축의 회동을 나타낸다.

Claims (22)

1. 각각 신장 및 수축가능한 최소한 3개의 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)들을 구비하고, 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)는 각각 제1조인트(8, 9, 10)를 통하여 포지셔닝헤드(11)와 연결되고, 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)는 각각 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)을 통하여 베이스(2)와 연결되고, 상기 포지셔닝헤드(11)는 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)의 작동에 대응한 작동범위 내에서 가동하고, 각각 1자유도를 가지는 최소한 2개의 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2)들은 각각의 빔회동 베어링(100.1, 100.2)을 통하여 상기 포지셔닝헤드(11)와 연결되고, 상기 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2)은 각각 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)들 중 어느 하나 또는 2이상이 신장 및 수축할 때 상기 베이스(2)의 빔 베어링(17,1, 17.2, 17.2.1, 17.2.2) 내에서 가로방향으로 슬라이드 되고, 상기 빔 베어링(17.1, 17.2, 17.2.1, 17.2.2)은 각각 빔 유니버설조인트(BU1, BU2)를 통하여 상기 베이스(2)와 연결되고, 상기 강화빔(5.2, 5.2.1, 5.22) 중 최소 어느 하나의 상기 빔 베어링(17.2, 17.2.1, 17.2.2)은 상기 강화빔(5.2, 5.2.1, 5.2.2)의 수직축과 평행하게 연장된 축에 대하여 회동가능함을 특징으로 하는 병렬운동머신.
2. 제1항에 있어서, 상기 빔회동 베어링(100.1, 100.2) 중 최소 어느 하나는 상기 제1조인트(8, 9, 10)로 구성되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
3. 제2항에 있어서, 상기 빔 유니버설조인트(BU1, BU2) 최소 어느 하나는 상기 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)로 구성되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
4. 제1항에 있어서, 최소 하나의 상기 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2)의 상기 빔회동 베어링(100.1, 100.2)은 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)와 고정연결되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
5. 제1항에 있어서, 최소 하나의 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)의 제1조인트(8,9,10)는 상기 강화빔(5.1,5.2, 5.2.1, 5.2.2)에 고정연결되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)와 상기 빔 유니버설조인트(BU1, BU2)는 외부자이로축(22, 47)에 대하여 회동하기 위해 베이스(2)에 부설되는 외부자이로부재(21)와, 상기 외부자이로축(22, 47)의 직각방향으로 내부자이로축(34, 46)에 대하여 회동하기 위해 상기 외부자이로부재(21)에 부설되는 내부자이로부재(23, 43)를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
7. 제6항에 있어서, 상기 빔 베어링(17.1, 17.2)은 상기 유니버설조인트(3.1, 3.2, 3.3)의 내부자이로부재(23, 43) 또는 상기 빔 유니버설조인트(BU1, BU2)의 내 부자이로부재 중 어느 하나와 연결되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
8. 제1항에 있어서, 상기 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2)은 각각 제1방향의 직각방향으로의 굽힘강도 보다 상당하게 더 큰 굽힘강도를 가지는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
9. 제8항에 있어서, 상기 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2)은 각각 일반적인 직사각형의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
10. 제1항에 있어서, 3개의 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)들을 포함하고, 상기 세팅장치 각각은 조정조인트 또는 조정베어링이 없을 때 상기 제1조인트(8, 9, 10)의 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2, 5.3)과 고정연결되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
11. 제1항에 있어서, 상기 세팅장치들 중 하나(4.2)는 추가적인 강화빔(5.2.1, 5.2.2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
12. 제1항에 있어서, 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3) 중 최소 어느 하나는 스크류 또는 너트(28, 52)가 상기 내부자이로부재(23, 43)와 고정연결되는 스크류-너트 메카니즘을 가지는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
13. 제1항에 있어서, 최소 하나의 상기 세팅장치(4.1, 4.2, 4.3)는 리니어모터인 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
14. 제13항에 있어서, 상기 리니어모터는 상기 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2, 5.3)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
15. 제1항에 있어서, 상기 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2, 5.3)들은 각각 수직방향으로 연장된 슬라이드바와 같은 제1슬라이드부재(26, 57.2, 58.2)를 구비하고, 가이드레일과 같은 제2슬라이드부재(27, 57.1, 58.1)와 형상이 맞물려 연결되고, 상기 제2슬라이드부재(27, 57.1, 58.1)는 상기 내부자이로부재(23, 43)와 연결되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
16. 제15항에 있어서, 상기 제2슬라이드부재(27, 57.1, 58.1)는 상기 내부자이로부재(23, 43)와 고정연결되거나, 상기 제2슬라이드부재와 형상이 맞물려 가이드되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스크류-너트 메카니즘의 스크류(31, 51)는 그 일단이 상기 세팅장치의 모터(6.1, 6.2, 6.3)에 의해 구동되고, 상기 스크류의 타단은 지지 베어링(29)에 의해 지지되거나, 상기 스크류-너트 메카니즘의 너트(28, 52)가 상기 세팅장치의 모터(6)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
18. 제17항에 있어서, 상기 세팅장치의 모터(6.1, 6.2, 6.3)는 그 일단이 상기 제1조인트(8, 9,10)의 일부분으로서 형성되는 모터홀더(7.1, 7.2, 7.3)에 부설되고, 상기 모터홀더는 상기 강화빔(5.1, 5.2.1, 5.2.2, 5.3)들 중 최소 어느 하나가 구속되는 연결면(15)을 제공하는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
19. 제1항에 있어서, 상기 강화빔(5.1, 5.2, 5.2.1, 5.2.2)들 중 최소 2개의 상기 빔회동 베어링(100.1, 100.2)들은 서로 직각인 베어링 축을 가지는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
20. 제12항에 있어서, 상기 강화빔(5.1, 5.3)들 중 의 최소 2개의 상기 빔회동 베어링(100.1, 100.3)들은 서로 평행한 베어링 축을 가지는 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
21. 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 상기 강화빔(5.1,5.3)들의 빔 유니버설조인트(BU1, BU3)의 내부자이로축(24, 46)은 각각의 상기 빔회동 베어링(100.1, 100.3)들의 베어링 축과 평행인 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.
22. 제21항에 있어서, 2개의 상기 강화빔(5.1, 5.3)들의 빔 유니버설조인트(BU1, BU3)의 내부자이로축은 서로 평행인 것을 특징으로 하는 병렬운동머신.

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