KR101312221B1 - 워터젯 분사노즐, 워터젯 시스템 및 워터젯 시스템의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 워터젯 시스템은 물이 분사되는 단부의 단면 형상이 타원형으로 형성되는 타원형 단부를 갖는 분사노즐, 상기 분사노즐이 전단부에 고정 장착되며 내부에는 분사노즐로 공급되는 물이 통과하는 통로가 형성되는 분사노즐 지지구, 상기 분사노즐 지지구의 외면에 장착되는 피동측 베벨기어, 상기 피동측 베벨기어와 기어결합하는 구동측 베벨기어, 상기 구동측 베벨기어에 결합되어 구동측 베벨기어를 회전시키는 서보모터 및 상기 서보모터의 구동을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되되, 상기 제어부는 상기 분사노즐의 이동방향에 따라 상기 분사노즐이 회전하는 회전방향을 제어하도록 하는 것을 특징으로 함으로써, 석판재 표면에 무늬 형성시 기존의 원형 노즐에 비해 넓은 폭의 홈이 형성될 수 있도록 하며, 노즐을 회전시켜 노즐 각도를 조절함으로써 가공되는 석판재의 홈의 폭을 조절할 수 있는 특징이 있다.

Description

워터젯 분사노즐, 워터젯 시스템 및 워터젯 시스템의 제어방법{Waterjet nozzle, waterjet system and control method of the same}

본 발명은 석판재의 표면에 무늬를 새기는데 사용되는 워터젯 분사노즐, 워터젯 시스템 및 워터젯 시스템의 제어방법에 관한 것으로서, 특히 분사노즐의 구조변경 및 제어부의 제어방법을 통해 석판재에 무늬를 새길 수 있도록 한 워터젯 분사노즐, 워터젯 시스템 및 워터젯 시스템의 제어방법에 관한 것이다.

근래에 금속, 대리석, 플라스틱, 유리, 세라믹 등의 절단에 워터젯 절단기의 사용이 늘고 있다.

그러나, 이러한 워터젯 절단기는 단순히 재료의 절단이나 천공에만 이용되는데 그치고 표면의 가공은 피가공물의 재질 및 사용처에 따라 수작업이나 기계적 타공 등에 의해 이루어질 수밖에 없는 문제점이 있었다.

그 중에서도 특히 화강암과 대리석은 그 재질이 단단하면서도 다른 암석에 비해 생산량이 많기 때문에 인조 다이아몬드 톱 및 상기 워터젯 절단기를 이용하여 일정한 두께 및 면적을 갖는 판상의 석판재로 절단 가공된 후 건축물의 내외장재로 널리 이용되었다.

상기 절단 가공된 석판재는 그대로 내외장재로 이용되기도 하지만, 보통은 석판재의 표면을 연마처리하여 매끄럽게 한 다음, 자연적인 분위기 표출을 위해 그 표면에 인위적으로 요철을 형성하여 내외장재로 사용한다.

석판재의 표면에 요철을 형성하기 위해서는 통상적으로 화염방사법, 쇼트볼 분사법 및 고압수 살포법이 사용되는데 이를 각각 살펴보면 다음과 같다.

먼저 화염방사법은 가스버너의 화염에 의해 단순히 요철만을 형성하는 처리방법으로서, 문양의 형성은 불가능할 뿐만 아니라 석판재의 표면에 약 2000℃ 정도의 열을 가하기 때문에 석판재의 자연 색상의 변화 및 질감의 변화에 따른 내구성이 저하되고 미세하게 발생한 균열로 인해 수명과 강도가 크게 감소되고 열변형에 의한 판재의 휨 현상이 발생하므로 석판재의 두께를 30 mm 이상으로 가공할 수밖에 없어 자재의 소모가 많아진다는 문제점이 있다.

또한 쇼트볼 분사법은 한국특허등록번호 10-0309112호와 같이 상기 워터젯 절단기을 이용하여 원석을 석판재로 절단한 다음, 석판재를 일방향으로 이동시키면서 일면에 임펠러식 쇼트볼을 분사하여 석판재의 표면에 금속입자의 타격을 가함으로써 표면에 요철을 형성하는 것으로서, 이 같은 방법에 의하면 많은 분진과 금속입자가 외부로 비산되기 때문에 작업자의 안구 손상의 위험과 쇼트볼의 타격시 충격에 의한 석판재의 휨 현상이 발생될 수 있는 문제점이 있다. 또한 이러한 방법으로 요철을 형성할 경우, 요철깊이는 약 0.5 mm 정도이므로, 1 mm 정도 비교적 깊은 요철을 필요로 할 때, 30 mm 이하의 석판재에서 급격한 휨 현상으로 인하여 제품의 사용이 불가능한 문제점이 있다. 특히, 1 mm 이상의 요철 형성이 어렵다는 단점이 있다.

아울러 고압수 살포법은 상기 방법에 비해 획기적으로 발전된 방법으로서, 한국특허등록번호 10-0960307호와 같이 상기 워터젯 절단기을 이용하여 원석을 석판재로 절단한 다음, 석판재를 일방향으로 이송시키고, 노즐대의 노즐이 왕복운동하면서 오리피스 노즐에 40,000Psi 초고압수를 쏘아 그물문양 무늬석이 형성되도록 하는 것이다.

그런데, 한국특허등록번호 10-0960307호의 방법에 의하면 무거운 중량을 갖는 석판재를 콘베어를 통해 이송시킴에 따라 막대한 동력손실에 따른 가공 효율의 저하, 1차원적 왕복운동만 가능하게 구성됨에 따라 그물문양 및 물결문양 등 단순한 문양만 형성할 수 밖에 없는 단점이 있다.

뿐만 아니라 석판재는 공산품이 아닌 천연재이므로 전체적으로 균일한 강도를 갖기 힘들고 특별히 강도가 취약한 부위가 존재하기 마련인데, 이때 고압수 살포법에 채택되는 노즐은 그 단면이 원형으로 형성됨에 따라 표면 가공시 가공홈의 깊이가 균일하지 않아 분사력이 석판재의 취약부에 집중되는 경우 석판재의 균열 및 휨이 발생하는 문제점이 있다.

이에, 본 출원인은 이러한 문제점을 해소하기 위해, 고압수를 이용하여 석판재의 표면에 무늬를 형성하되 기존의 워터젯 절단기을 이용하는 방안을 제안하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은, 타원형 노즐을 이용함으로써 석판재 표면에 무늬 형성시 기존의 원형 노즐에 비해 넓은 폭의 홈이 형성될 수 있도록 하며, 이에 더하여 노즐을 회전시킬 수 있도록 함으로써 노즐 각도를 조절하여 가공되는 석판재의 홈의 폭을 조절할 수 있도록 한 워터젯 분사노즐, 워터젯 시스템 및 워터젯 시스템의 제어방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 고압수를 이용하여 피가공물의 표면가공, 즉 석판재의 표면에 무늬를 형성하되 석판재에 대한 자연 색상 및 질감이 변화하지 않으며, 무늬를 다양하게 형성시키는 한편 균열이 발생되지 않아 수명과 강도를 향상시킬 수 있고, 자재가 불필요하게 많이 소모되는 것을 방지할 수 있으며, 무늬 형성시 석판재가 휘는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 원하는 깊이의 무늬을 마음대로 생산할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있는 워터젯 시스템 및 워터젯 시스템 제어방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 워터젯 시스템은 물이 분사되는 단부의 단면 형상이 타원형으로 형성되는 타원형 단부를 갖는 분사노즐, 상기 분사노즐이 전단부에 고정 장착되며 내부에는 분사노즐로 공급되는 물이 통과하는 통로가 형성되는 분사노즐 지지구, 상기 분사노즐 지지구의 외면에 장착되는 피동측 베벨기어, 상기 피동측 베벨기어와 기어결합하는 구동측 베벨기어, 상기 구동측 베벨기어에 결합되어 구동측 베벨기어를 회전시키는 서보모터 및 상기 서보모터의 구동을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되되, 상기 제어부는 상기 분사노즐의 이동방향에 따라 상기 분사노즐이 회전하는 회전방향을 제어하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 분사노즐은 단부를 향해 물이 통과하는 통로의 폭이 점차 확대되어 상기 통로의 단면적이 점차 확대되는 상협하광으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 제어부는 상기 분사노즐의 타원형 단부의 폭방향이 분사노즐의 이동방향과 수직이 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

아울러 워터젯 시스템의 제어방법은 분사노즐의 이동 및 정지시, 상기 분사노즐의 방향을 검출하는 단계, 입력된 가공 데이터에 따라 상기 분사노즐의 이송방향을 결정하는 단계, 결정된 분사노즐 이송방향에 따라 분사노즐의 방향을 변경하되, 분사노즐의 폭방향과 분사노즐의 이송방향이 수직을 이루도록 분사노즐을 회전시키는 단계, 분사노즐을 통해 물을 분사하면서 분사노즐을 이동시키며 대상체를 가공하되, 분사노즐 폭방향과 분사노즐의 이송방향이 수직을 유지하도록 제어하는 단계 및 가공 정지 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 워터젯 분사노즐, 워터젯 시스템 및 워터젯 시스템의 제어방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 상기 상협하광의 분사노즐의 단부를 타원형으로 형성하고 제어부를 통해 분사노즐의 타원형 단부의 폭방향이 분사노즐의 이동방향과 수직이 되도록 제어함으로써, 기존의 노즐 단부측 노즐 구멍의 단면적이 동일하게 형성된 원형단면에 비해 넓은 면을 가공할 수 있고, 때문에 가공 속도가 높아져 가공 효율차원에서도 유리할 뿐만 아니라 가공홈의 깊이도 균일해짐에 따라 석판재의 취약부가 생기지 않아 품질을 극대화할 수 있음.

둘째, 기존의 절단 및 천공에 사용되던 워터젯 절단기에 투사압력의 증압 또는 감압 등의 별도의 조치 없이 기존의 분사노즐을 통로가 상협하광으로 형성된 분사노즐로 교체하는 것만으로도 무늬형성이 가능해짐에 따라 별도의 석재표면 가공용 장치가 불필요해짐.

셋째, 타원형 노즐의 각도를 조절함으로써, 워터젯 절단기에 투사압력의 증압 또는 감압 등의 별도의 조치 없이 가공홈의 깊이, 가공선의 굵기를 자유로이 조정할 수 있음.

넷째, 상기 워터젯 절단기의 분출압을 기준으로 상협하광의 분사노즐 통로의 상하부의 단면적 비율 및 통로의 길이를 고려하여 여러 종류의 분사노즐 제작한 후 이를 필요에 따라 적절히 교체함으로써, 워터젯 절단기에 투사압력의 증압 또는 감압 등의 별도의 조치 없이 가공홈의 깊이, 가공선의 굵기를 자유로이 조정할 수 있음.

도 1은 본 발명에 따른 워터젯 시스템의 전체 시스템 구성도
도 2는 본 발명에 따른 워터젯 시스템에 채택되는 분사노즐의 회전을 위한 시스템 상세도
도 3은 본 발명에 따른 워터젯 시스템에 채택되는 분사노즐의 각 측면도 및 단면도
도 4는 본 발명에 따른 워터젯 시스템에 채택되는 분사노즐의 단면도
도 5는 본 발명에 따른 워터젯 시스템의 분사노즐 회전을 통한 가공례를 도시한 도면

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 워터젯 시스템의 전체 시스템 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기저평판(10)의 좌우측에는 2개의 Y축 레일(20)이 서로 나란하게 설치되며, X축 레일(30)은 2개의 Y축 레일(20) 사이를 직교하게 가로지르면서 그 양끝이 Y축 레일(20)에 걸쳐지도록 설치된다. X축 레일(30)에는 분사노즐(100)이 장착된다. 분사노즐(100)은 기저평판(10) 상에 놓이는 피가공물(40)의 상부를 경유하도록 설치된다.

Y축 레일(20)은 고정 설치되며 X축 레일(30)은 Y축 레일(20)을 따라 Y축 방향으로 이동 가능하도록 설치된다.

분사노즐(100)은 X축 레일(30)을 따라 X축 방향으로 이동 가능하도록 설치된다. 따라서 분사노즐(100)은 기저평판(10)의 상부에서 X축 방향과 Y축 방향으로 이동하면서 원하는 형태로 피가공물(40)의 표면을 가공할 수 있다.

X축 레일(30)과 분사노즐(100)은 제어부(50)의 제어를 받아 각각 Y축 레일(20)과 X축 레일(30)을 활주하며, 이를 통해 CAM(Computer aided Manufacturing) 가공이 이루어진다. 여기서 제어부(50)는 컴퓨터 또는 NC 컨트롤러일 수 있다.

본 발명의 워터젯 시스템은 분사노즐(100)이 제어부(50)의 제어를 받아 XY 평면을 움직이므로 석판재와 같이 무거운 중량을 갖는 피가공물을 이송하지 않아도 되므로 동력손실에 따른 가공 효율의 저하를 막을 수 있고, 분사노즐(100)이 1차원적 왕복운동만이 아니라 2차원적 평면운동이 가능해짐에 따라 기존의 그물문양 및 물결문양 등 단순한 문양의 반복적 구성에서 복잡하고 정교한 예술적 무늬의 형성이 가능해진다. 이를 위해 그 움직임을 안내하는 XY축 레일(20, 30)이 정밀하게 전기적으로 제어되도록 진동에 영향을 최소화시키기 위하여 별도의 방진장치를 더 구성할 수 있다.

아울러, 석판재 등의 표면가공, 즉 피가공물에 무늬를 새길 수 있게 하기 위한 핵심적 구성으로 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 워터젯 시스템에 채택되는 분사노즐(100)의 회전을 위한 시스템 상세도이다.

상기 제어부(50)는 X축 레일(30)의 이동과 상기 X축 레일(30) 상에서 분사노즐(100)의 이동은 물론, 분사노즐(100)의 이동방향에 따라 상기 분사노즐(100)이 그 중심축을 중심으로 회전하는 회전방향을 제어하도록 한다.

이를 위해 상기 제어부(50)는 서보모터(60)에 연결되고, 상기 서보모터(60)는 구동측 베벨기어(70)에 결합되어 구동측 베벨기어(70)를 회전시키고, 상기 구동측 베벨기어(70)는 상기 분사노즐(100)의 전단부에 고정 장착된 분사노즐 지지구(90) 외면에 장착된 피동측 베벨기어(80)와 치합되어 상기 분사노즐(100)의 회전방향을 제어하도록 한다.

이는 타원형의 통로를 갖는 분사노즐(100)의 타원형 단부의 폭방향이 분사노즐(100)의 이동방향과 수직 또는 원하는 각도가 되도록 제어하기 위함으로써 이에 대한 상세한 설명은 아래에서 하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 워터젯 시스템에 채택되는 분사노즐(100)의 각 측면도 및 단면도이다.

통상의 워터젯 절단기는 오리피스를 통해 4000bar(400MPa)의 초고압으로 물을 배출한다. 이러한 초고압의 분사압을 갖는 워터젯 절단기를 표면가공에 사용하기 위해서는 피가공물의 두께 및 가공홈의 깊이 등에 따라 분사압을 조절해야 한다.

본 발명의 분사노즐(100)은 물이 통과하는 통로가 단부를 향해 상기 통로의 폭이 확대되어 통로의 단면적이 점차 확대되는 상협하광의 형태로 구성된다.

도 4는 분사노즐(100)의 단면도이다.

통상의 워터젯 절단기 또는 고압수 살포법에 채택된 노즐은 통로의 단면형상이 원형을 이루기 때문에 가공폭을 넓게 하기 위해서는 노즐 통로를 크게 하여야 하고, 이는 가공홈의 깊이가 불균일해지게 되며 가운데에 취약부(T)를 형성하게 되어 가공품질의 저하를 갖게 된다.

더욱이 노즐의 통로를 크게 형성하는 경우에는 더 높은 압력이 요구되기 때문에 증압기의 교체가 필요하다.

본 발명은 분사노즐(100)의 단면을 타원형으로 형성함으로써, 석판재 표면에 무늬 형성시 기존의 원형 노즐에 비해 넓은 폭의 홈이 형성될 수 있도록 하며, 이에 더하여 노즐을 회전시켜 노즐 각도를 조절하는 경우 가공되는 홈의 폭을 조절할 수 있어서 다양한 폭의 무늬나 문양을 형성시킬 수 있도록 하였다.

또한, 타원형의 분사노즐(100)의 단면을 통해 균일한 가공품질을 갖도록 하였다.

도 4를 참조하면 가공선의 굵기(L)가 같을 경우 가공의 진행방향에 대하여 원형의 분사노즐(A)의 폭(D)은 그 크기가 가변하는 반면 타원의 분사노즐(B)의 폭(d)이 일정하게 된다. 즉, 원형 분사노즐(A)은 폭(D)이 중심에서 가장 크고 외측으로 갈수록 폭(D')로 작아진다. 이는 분출압에 노출되는 시간이 상기 폭의 크기에 비례하므로 중앙은 깊고 외측으로 갈수록 얕아지게 되어 중심에서 취약부(T)를 갖게 된다. 반면 타원 분사노즐(B)의 폭(d)은 중심과 외측에서 일정하게 되어 취약부가 형성되지 않아 가공속도도 우수하면서 가공홈의 깊이도 균일하게 할 수 있다.

이러한 구성으로써, 석판재의 경우 10mm 이하에서도 가공할 수 있음으로써, 자재가 불필요하게 많이 소모되는 것을 방지하며, 무늬 형성시 석판재가 휘는 것을 방지하면서 원하는 깊이의 무늬를 형성할 수 있게 된다.

이를 위해 타원형 단부의 폭방향은 분사노즐(100)의 이동방향과 수직이 되도록 제어되어야 하는데, 이는 위에서 언급한 제어부(50), 서보모터(60), 구동측 베벨기어(70), 피동측 베벨기어(80), 분사노즐 지지구(90) 및 분사노즐(100)의 구조적 결합으로 가능해진다.

특히, 도 5에 도시된 바와 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 워터젯 시스템은 분사노즐(100)의 타원형 단부의 폭방향이 분사노즐(100)의 이동방향과 수직 또는 분사노즐(100)의 각도가 원하는 각도가 되도록 제어하게 되는데, 이와 같이 분사노즐(100)의 각도를 조절함으로써 석판재의 가공되는 면적을 넓혀 가공속도를 증대시킬 있을 뿐만 아니라 가공되는 폭을 정교하게 조절할 수 있어 석판재 표면가공의 표현 정밀도를 높일 수 있게 된다.

아울러 상기 구조적 결합을 통한 워터젯 시스템의 제어방법은 분사노즐(100)의 이동 및 정지시, 상기 분사노즐(100)의 방향을 검출하는 단계, 입력된 가공 데이터에 따라 상기 분사노즐(100)의 이송방향을 결정하는 단계, 결정된 분사노즐(100) 이송방향에 따라 분사노즐(100)의 방향을 변경하되, 분사노즐(100)의 폭방향과 분사노즐(100)의 이송방향이 수직을 이루거나 노즐이 원하는 각도를 이루도록 분사노즐(100)을 회전시키는 단계, 분사노즐(100)을 통해 물을 분사하면서 분사노즐(100)을 이동시키며 대상체를 가공하되, 분사노즐 폭방향과 분사노즐의 이송방향이 수직을 이루거나 노즐을 원하는 각도를 유지하도록 제어하는 단계 및 가공 정지 단계를 포함하여 이루어진다.

이상 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하였지만 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.

10: 기저평판 20: Y축 레일
30: X축 레일 40: 피가공물
50: 제어부 60: 서보모터
70: 구동측 베벨기어 80: 피동측 베벨기어
90: 분사노즐 지지구 100: 분사노즐

Claims (5)

1. 물이 분사되는 단부의 단면 형상이 타원형으로 형성되는 타원형 단부를 갖는 분사노즐(100),
   상기 분사노즐이 전단부에 고정 장착되며 내부에는 분사노즐로 공급되는 물이 통과하는 통로가 형성되는 분사노즐 지지구(90),
   상기 분사노즐 지지구의 외면에 장착되는 피동측 베벨기어(80),
   상기 피동측 베벨기어와 기어결합 하는 구동측 베벨기어(70),
   상기 구동측 베벨기어에 결합되어 구동측 베벨기어를 회전시키는 서보모터(60) 및
   상기 서보모터의 구동을 제어하는 제어부(50)를 포함하여 구성되며,
   상기 제어부(50)는 상기 분사노즐의 이동방향에 따라 상기 분사노즐이 그 중심축을 중심으로 회전하는 회전방향을 제어하되, 상기 분사노즐의 타원형 단부의 폭방향과 분사노즐의 이동방향이 원하는 각도가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는
   워터젯 시스템
   
2. 청구항 1에 기재된 워터젯 시스템의 제어방법에 있어서,
   분사노즐의 이동 및 정지시, 상기 분사노즐의 방향을 검출하는 단계,
   입력된 가공 데이터에 따라 상기 분사노즐의 이송방향을 결정하는 단계,
   결정된 분사노즐 이송방향에 따라 분사노즐의 방향을 변경하되, 분사노즐의 타원형 단부의 폭방향과 분사노즐의 이송방향이 원하는 각도를 이루도록 분사노즐을 회전시키는 단계,
   분사노즐을 통해 물을 분사하면서 분사노즐을 이동시키며 대상체를 가공하되, 분사노즐의 타원형 단부의 폭방향과 분사노즐의 이송방향이 원하는 각도를 유지하도록 제어하는 단계 및
   가공 정지 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는
   워터젯 시스템의 제어방법
   
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