KR101423500B1

KR101423500B1 - 캡슐형 가변축 복합 가공 장치

Info

Publication number: KR101423500B1
Application number: KR1020120117659A
Authority: KR
Inventors: 박종권; 이성철; 노승국; 김병섭; 장성권
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2014-07-28
Also published as: EP2724813B1; JP5729843B2; US20140109367A1; EP2724813A1; US8914957B2; KR20140051545A; JP2014083684A

Abstract

회전운동이 극대화된 기구 메커니즘을 적용하여 다양한 가공(예: 레이저 가공, 밀링 가공 및 연삭 가공 등)을 복합적으로 수행할 수 있는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에 관하여 개시한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 캡슐형 몸체의 내부에 배치되는 가공 대상물을 향하여 복수의 가공 모듈을 동일 선상에 장착시키며, 가공 위치 및 자세가 회동에 의해 조절되는 회동 프레임; 상기 회동 프레임이 회동 가능하게 양단을 연결하여 지지하는 상부 프레임; 상기 상부 프레임의 하부에 결합되어 지지하는 한편 상기 상부 프레임과 접촉하는 면상에 방진 부재를 개재하는 하부 프레임; 및 상기 상부 프레임의 내측 중앙에 삽입 고정되어 가공 대상물을 안착시키되, 상기 안착된 가공 대상물의 높이가 조절 가능한 동시에, X-Y 스테이지 또는 로터리 스테이지가 선택적으로 장착 가능한 스테이지 유닛;을 포함하되,
상기 스테이지 유닛은, 상기 상부 프레임에 마련된 스테이지 유닛 장착부를 통해 삽입 고정되되, 상기 스테이지 유닛 장착부에 고정되는 연결 플레이트; 상기 연결 플레이트의 중앙을 관통하여 수직 방향으로 장착되어 하단의 승강 구동부로부터 전달받은 회전력을 통해 상하로 신축 조절되는 승강 축; 및 상기 승강 축의 상단에 연결되며, 가공 대상물이 안착되는 받침블록이 상면으로 고정되어, 가공 대상물을 X-Y 축 방향으로 이동시키는 X-Y 스테이지;를 더 포함하는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치를 제공한다.

Description

캡슐형 가변축 복합 가공 장치{CAPSULE TYPE RECONFIGURABLE MULTIFUNCTIONAL MACHINING APPARATUS}

본 발명은 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전운동이 극대화된 기구 메커니즘을 적용하여 다양한 가공(예: 레이저 가공, 밀링 가공 및 연삭 가공 등)을 복합적으로 수행할 수 있는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에 관한 것이다.

가공 대상물의 3차원 입체 가공에 사용되는 대표적인 가공 장치로는 레이저 가공 장치와 다축 머시닝 장치 등이 소개되어 있다. 레이저 가공 장치의 경우 체적이 큰 대상물에 비해 작은 가공 대상물을 가공하는데 주로 이용된다. 그리고 다축 머시닝 장치의 경우 레이저 가공 장치에 비해 상대적으로 큰 가공 대상물을 가공하는데 주로 이용된다.

그런데, 종래의 다축 머시닝 장치는 대게 장치의 부피가 큰 편이며, 가공 대상물을 3차원으로 입체 가공하기 위하여 공구가 직접 가공 대상물의 주변으로 이동되는 경우가 일반적이었다. 이는 공구의 이동거리를 증가시켜 가공오차를 크게 발생시킬 수 있으므로, 비교적 정교하고 복잡한 제품을 가공하기에는 어려움이 있었다.

또한, 종래의 다축 머시닝 장치의 경우 대부분 다축 병진 운동만으로 공구를 이동시켜 가공을 수행하는 경우가 많은 까닭에, 장치의 구조가 복잡하며 이에 포함되는 부품 수도 많아 고가의 가격대를 형성하고 있다.

아울러, 종래의 다축 머시닝 장치는 복잡한 형상의 제품을 가공할 때 공구의 움직임을 더 많이 요구하므로, 이에 소요되는 에너지가 불필요하게 증가되는 단점도 있었다.

따라서 이와 같은 종래의 다축 머시닝 장치가 지닌 문제점 및 사용상의 불편을 해결하기 위하여, 단일의 가공 장치 내에서 가변축 복합 가공을 수행할 수 있는 가공 장치에 대한 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

이러한 가변축 복합 가공 장치의 개발은 차세대 바이오기술(Bio Technology) 및 정보기술(Information Technology) 마이크로 가공 분야의 발전을 도모할 수 있을 것이다.

본 발명은 회전운동이 극대화된 기구 메커니즘을 적용하여 레이저 가공, 밀링 가공, 연삭 가공 등의 다양한 가공을 복합적으로 수행할 수 있는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼는다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 캡슐형 몸체의 내부에 배치되는 가공 대상물을 향하여 복수의 가공 모듈을 동일 선상에 장착시키며, 가공 위치 및 자세가 회동에 의해 조절되는 회동 프레임; 상기 회동 프레임이 회동 가능하게 양단을 연결하여 지지하는 상부 프레임; 상기 상부 프레임의 하부에 결합되어 지지하는 한편 상기 상부 프레임과 접촉하는 면상에 방진 부재를 개재하는 하부 프레임; 및 상기 상부 프레임의 내측 중앙에 삽입 고정되어 가공 대상물을 안착시키되, 상기 안착된 가공 대상물의 높이가 조절 가능한 동시에, X-Y 스테이지 또는 로터리 스테이지가 선택적으로 장착 가능한 스테이지 유닛;을 포함하되,
상기 스테이지 유닛은, 상기 상부 프레임에 마련된 스테이지 유닛 장착부를 통해 삽입 고정되되, 상기 스테이지 유닛 장착부에 고정되는 연결 플레이트; 상기 연결 플레이트의 중앙을 관통하여 수직 방향으로 장착되어 하단의 승강 구동부로부터 전달받은 회전력을 통해 상하로 신축 조절되는 승강 축; 및 상기 승강 축의 상단에 연결되며, 가공 대상물이 안착되는 받침블록이 상면으로 고정되어, 가공 대상물을 X-Y 축 방향으로 이동시키는 X-Y 스테이지;를 더 포함하는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치를 제공한다.

상기 회동 프레임은, 상기 캡슐형 몸체의 수직 상방으로 레이저 가공 모듈을 장착시키는 레이저 가공 모듈 장착슬롯과, 상기 레이저 가공 모듈로부터 회동 방향을 따라 전후로 이격되어 밀링 가공 모듈 및 연삭 가공 모듈을 장착시키는 밀링 가공 모듈 장착슬롯 및 연삭 가공 모듈 장착슬롯을 구비한다.

상기 캡슐형 몸체는, 높이 중앙에서 하단까지 회동 방향을 따라 전후로 절개된 호형 절개부를 구비하여, 상기 호형 절개부를 통해 상향 돌출된 상기 스테이지 유닛과 회동하는 상기 캡슐형 몸체가 상호 간섭되지 않는다.

또한, 상기 호형 절개부의 양측에는 상기 캡슐형 몸체의 내부공간을 채움 형성되는 웨이트밸런스부가 구비된다.

상기 방진 부재는, 상기 회동 프레임의 구동축의 높이에 대응하여 동일 선상에서, 상기 상부 프레임과 하부 프레임이 접촉하는 장방형 모서리 구간마다 배치되는 에어쿠션(air cushion)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부 프레임은 장방형 모서리로부터 상향 돌출된 돌출 단부 상에 상기 방진 부재를 각각 고정하며, 상기 상부 프레임의 장방형 모서리 상에는 상기 돌출 단부를 삽입시켜 상기 방진 부재와 각각 대면하여 접촉되는 포켓 형태의 지지상판이 마련된다.

또한, 상기 상부 프레임에는, 상기 회동 프레임의 양측으로 연결된 구동축을 통해 회전력을 전달하는 회동 프레임 구동부를 내장한다.

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또한, 상기 스테이지 유닛은, 상기 승강 축의 상단에 내장된 로터리 스테이지 구동부; 상기 로터리 스테이지 구동부로부터 회전력을 전달받아 가공 대상물을 회전시키는 로터리 스테이지;를 포함한다.

이때, 상기 로터리 스테이지는, 다수의 조(jaw)를 구비하는 척(chuck) 부재이며, 상기 X-Y 스테이지에 고정된 상기 받침블록을 분리하고, 상기 X-Y 스테이지에 마련되어 있는 홈을 통해 장착된다.

또한, 상기 스테이지 유닛은, 상기 승강 축의 신축 방향으로 복수의 가이드 로드를 구비한다.

본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에 의하면, 기존의 직선운동 기반 가공 형태에서 벗어나 회전운동이 극대화된 가변축 구동 메커니즘을 적용함으로써 보다 더 정교하고 복잡한 가공을 신속하게 수행할 수 있다.

특히, 단일의 머시닝 장치 내에 회전운동이 극대화된 가변축 구동 메커니즘을 적용함으로써 다양한 가공을 복합적으로 수행할 경우에도 공구의 이동 거리를 대폭 감소시킬 수 있다. 이는 가공 오차 발생을 저감시켜 가공 정밀도를 향상시켜 준다.

그리고 단일의 머시닝 장치를 통해 다양한 가공을 복합적으로 수행할 경우에도 공구의 이동 거리가 대폭 감소시켜 줄 수 있다. 이에 따라, 공구의 이동에 소요되는 에너지를 절감할 수 있어 제품 가공비를 줄여줄 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 의하면, 레이저 가공, 밀링 가공, 연삭 가공을 동시 또는 순차적으로 수행할 수 있는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치를 제공함으로써, 보다 정밀하고 복잡한 제품 가공이 요구되는 바이오기술 및 정보기술 마이크로 가공 분야의 발전을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 회동프레임이 회동한 상태를 보여주는 작동상태도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에서 회동 프레임을 도시한 부분 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에서 상부 프레임을 도시한 부분 사시도 및 배면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에서 스테이지 유닛을 도시한 부분 사시도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에서 스테이지 유닛의 2가지 이용 형태를 구분 도시한 사용도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에서 스테이지 유닛이 로터리 스테이지 방식으로 동작하는 모습을 나타낸 작동 상태도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에서 스테이지 유닛의 종방향 단면도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 상부 프레임과 하부 프레임 사이에 개재된 방진 부재의 구조를 도시한 사시도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 내부 구조를 확대 도시한 확대도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에 관하여 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 여기에서 설명될 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 캡슐형 가변축 복합 가공 장치(1)는 가공 대상물을 향하여 복수의 가공 모듈을 장착한 상태에서 회동하며 캡슐형 몸체를 갖는 회동 프레임(100)과, 회동 프레임의 하부에서 지지하는 상부 프레임(200) 및 하부 프레임(400)과, 가공 대상물을 안착시켜 높이 조절이 구현되는 스테이지 유닛(300)을 포함한다.

회동 프레임(100)은 캡슐형 몸체로 이루어지며 상부 프레임(200)을 통해 양측으로 내장된 회동 프레임 구동부(예: 모터)에 의해 회전한다.

회동 프레임(100)의 상부에는 복수의 가공 모듈이 장착될 수 있는데, 구체적인 예로서 레이저 가공 모듈(M1), 밀링 가공 모듈(M2), 연삭 가공 모듈(M3)이 나란히 설치된다.

상부 프레임(200)과 하부 프레임(400)은 상기 회동 프레임을 하부에서 지지하여 가공 안정성을 확보하는 동시에, 회동 프레임 또는 가공 모듈의 동작 중 발생하는 진동을 흡수하는 방진 기능을 수행한다.

특히, 상부 프레임(200)은 회동 프레임(100)이 회동 가능하게 양단을 지지하며, 하부 프레임(400)은 상부 프레임(200)의 하부에 결합되어 지지하는 동시에 상부 프레임(200)과 접촉하는 면상에 방진 부재를 개재하여 형성한다.

그리고 이들 상부 프레임(200)과 하부 프레임(400)의 결합 선상에는 사각 띠형 연결 커버(C)가 탈착 가능한 형태로 연결될 수 있다.

스테이지 유닛(300)은 상부 프레임의 내측 중앙에 삽입 고정되어 가공 대상물을 안착시킨다. 특히, 상기 스테이지 유닛(300)은 가공 대상물의 높이를 조절하는 기능을 수행할 수 있으며, X-Y 스테이지 또는 로터리 스테이지를 선택적으로 장착하여 이용할 수 있다.

여기서, X-Y 스테이지는 수평 2축 방향(즉, X-Y 축 방향)으로 가공 대상물의 변위를 조절할 수 있는 장치를 의미하며, 로터리 스테이지는 중심축 기준으로 가공 대상물을 회전시킬 수 있는 장치를 의미한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 분해 사시도이다.

도 2를 참조하면 회동 프레임(100), 스테이지 유닛(300), 상부 프레임(200) 및 하부 프레임(400)의 구체적인 형상 및 이들의 연결 구조를 확인할 수 있다.

회동 프레임(100)은 캡슐형 몸체(110)로 이루어진다. 그리고 상부 프레임(200)과 양측으로 연결되는 방향(즉, Y축 방향)으로 구동축 연결부(120)가 마련된다.

상기 회동 프레임(100)에는 가공 대상물을 동시 또는 순차적으로, 혹은 사용자로부터 입력된 가공 프로그램에 따라 복수의 가공을 수행할 수 있는 가공 모듈이 장착된다.

구체적인 예로서, 레이저 가공 모듈(M1), 밀링 가공 모듈(M2) 및 연삭 가공 모듈(M3)을 포함할 수 있다.

도시된 실시예에 따르면, 캡슐형 몸체(110)의 수직 상방으로 레이저 가공 모듈(M1)이 장착되는 레이저 가공 모듈 장착슬롯(115)이 마련된다. 그리고 상기 레이저 가공 모듈(M1)로부터 회동 방향을 따라 전후로 이격된 위치에 밀링 가공 모듈 및 연삭 가공 모듈을 장착되는 밀링 가공 모듈 장착슬롯(117)과 연삭 가공 모듈 장착슬롯(119)이 마련된다. 이들 가공 모듈 장착슬롯(115, 117, 119)은 캡슐형 몸체가 회동하는 방향과 일치하는 방향으로 나란히 이격 배치되는 것이 좋다.

특히 도 3은 도 1에 도시된 회동 프레임(100)이 회동한 상태를 나타낸다. 도시된 바와 같이 각각의 가공 모듈(M1, M2, M3) 간의 중심각이 45도로 이격 배치됨에 따라, 연삭 가공 모듈(M3)이 수평 방향(즉, X축 방향)으로 누울 경우, 밀링 가공 모듈(M2)은 수직 방향(즉, Z축 방향)으로 세워진다. 이때 레이저 가공 모듈(M1)은 45도로 경사진 자세를 취하게 된다.

한편, 회동 프레임(100)의 캡슐형 몸체(110)는 높이 중앙에서 하단까지 회동 방향을 따라 전후로 절개된 호형 절개부(111)를 구비한다.

호형 절개부(111)는 상기 회동 프레임(100)의 하면을 통해 상향 돌출되어 높이 조절되는 스테이지 유닛(300)과 회동하는 캡슐형 몸체(110)가 서로 간섭되지 않도록 해준다.

그리고 호형 절개부(111)의 양측에는 무게 추의 역할을 하는 웨이트밸런스부(113)가 마련된다. 캡슐형 몸체(110)의 대부분은 내부가 비워진 형상을 가지나 상기 웨이트밸런스부(113)가 마련된 부위에서는 캡슐형 몸체의 내부를 채워 형성한다.

한편, 회동 프레임(100)의 캡슐형 몸체(110)의 양측으로는 원형 커버(130)가 구비된다. 여기서 원형 커버(130)는 작업자로 하여금 가공 상태를 확인할 수 있도록 해주는 기능은 물론, 장치의 유지 보수를 위한 용도로도 사용될 수 있다. 다만, 이러한 구성의 형상 및 구조는 본 발명을 한정하지 않는다. 그리고 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에서 회동 프레임을 도시한 부분 사시도로서, 전술한 회동 프레임(100)의 구체적인 형상 및 구조는 도 4를 통해 더욱 상세하게 확인할 수 있을 것이다.

상부 프레임(200)은 회동 프레임(100)이 회동 가능하게 양단을 지지하는 부재이다. 도시된 바와 같이 상부 프레임(200)은 전체적인 외형이 사각 형상, 즉 장방형을 이루고 있으며, 장방형 모서리 상에는 상향 돌출된 포켓 형태의 지지상판(201a, 201b, 201c, 201d)이 마련되어 있다.

이러한 지지상판(201a, 201b, 201c, 201d)은 하부 프레임(400)에 고정된 방진 부재(420)와 대면하는 부분에 해당된다.

하부 프레임(400)은 상부 프레임(200)의 하부에서 지지하는 부재로서, 지면(특히 작업장 바닥)에 놓여 상부 프레임(200)을 하부에서 지탱하는 역할을 한다. 하부 프레임(400)의 전체적인 외형은 상부 프레임(200)의 형상 및 크기에 대응하여 사각 형상, 즉 장방형을 이루고 있으며, 장방형 모서리 상에는 상향 돌출된 돌출 단부(422)가 구비된다. 그리고 상기 돌출 단부(422)의 상면을 통해 방진 부재(420)가 고정 배치된다.

앞서 설명한 상부 프레임(200)의 지지상판(201a, 201b, 201c, 201d)이 포켓 형태로 이루어진 이유는 하부 프레임(400)의 돌출 단부(422)와 방진부재(420)를 삽입하기 위한 것이다.

특히, 하부 프레임(400)에 고정된 방진부재(420)의 상면에는 방진부재 연결 플레이트(401a, 401b, 401c, 401d)가 마련되어 있는데, 이 방진부재 연결 플레이트가 상기 지지상판(201a, 201b, 201c, 201d)의 하면에 대면 접촉한다. 이로써, 상부 프레임(200)으로부터 전달된 진동(또는 충격)은 방진부재(420)를 통해 효과적으로 흡수될 수 있다.

더 나아가, 상기 방진부재(420)는 회동 프레임(100)의 구동축의 높이에 대응하여 동일 선상(즉, 동일 높이)에서 상부 프레임(200)과 하부 프레임(400)이 접촉하는 장방형 모서리 구간마다 배치될 수 있다. 이러한 구조는 상부 프레임의 지지상판과 하부 프레임의 돌출 단부의 높이를 적절히 조절함으로써 가능해 질 수 있다.

한편, 상부 프레임(200)의 지지상판(201a, 201b, 201c, 201d)의 측면으로는 탈착 가능한 사각형 커버(210)가 구비되며, 회동 프레임(200)의 구동축이 연결되는 방향으로는 회동 프레임 연결부(250)가 구비된다.

그리고 회동 프레임 연결부(250)의 연장선상에서 상부 프레임(200)의 양측으로는 회동 프레임 구동부(도 1의 도면부호 101)가 고정 배치된다. 여기서, 회동 프레임 구동부는 앞서 설명한 바와 같이 회동 프레임을 회전시킬 수 있는 모터 등이 이용될 수 있다. 그리고 회동 프레임 구동부가 고정되는 외측으로는 측면 커버(220)가 탈착 가능한 형태로 구비될 수 있으며, 상측으로는 상부 커버(230)가 탈착 가능한 형태로 구비될 수 있다. 이러한 상부 프레임(200)의 형상 및 구조는 도 5의 (a)에 도시된 부분 사시도와 도 5의 (b)에 도시된 배면도를 통해 구체적으로 확인할 수 있다.

그리고 상부 프레임(200)의 중앙에는 스테이지 유닛(300)이 삽입 장착되는 스테이지 유닛 장착부(240)가 마련된다. 스테이지 유닛 장착부(240)는 스테이지 유닛(300)의 연결 플레이트(360)와 결합되는 부위로서, 내측으로는 스테이지 유닛(300)의 승강 축(310)이 관통 설치되는 설치공(도 5의 (b)의 도면부호 241)이 마련된다.

하부 프레임(400)은 지면과 접촉된 부위에서 받침대(411)를 구비하며, 상기 받침대(411)의 일측에는 이동용 바퀴를 더 구비할 수 있다. 이는 장치의 기동성을 고려한 것이다. 장방형 모서리를 통해 각각 구비된 받침대(411)의 상부로는 둘레를 따라 하부 프레임 지지부재(410)가 마련된다.

도 2를 참조하면, 하부 프레임 지지부재(410)의 경우 하단이 아치 형태로 되어 있으나 이는 장치의 무게를 줄이면서도 구조 강성을 향상시키기 위한 하나의 예시적인 형태에 불과할 뿐 본 발명을 한정하지 않는다.

또한, 하부 프레임 지지부재(410)의 상단에는 내측 둘레를 따라 수평 단부(413)가 마련될 수 있는데, 상기 수평 단부(413)는 방진 부재(420)를 상방으로 돌출시켜 고정하는 돌출 단부(422)가 안정적으로 배치될 수 있게 해준다.

스테이지 유닛(300)은 상부 프레임의 내측 중앙에 삽입 고정되어 가공 대상물을 안착시키는 역할을 수행한다.

특히, 상기 스테이지 유닛(300)은 가공 대상물의 높이를 조절하는 기능을 수행하기 위하여, 승강 구동부(301)와 승강 축(310)을 포함한다.

그리고 가공 대상물을 다양한 형태로 안착시켜 고정해주기 위하여 X-Y 스테이지 또는 로터리 스테이지를 선택적으로 변경하여 이용할 수 있도록 되어 있다. 이는 단일의 가공 장치 내에서 다양한 형태의 가공을 수행할 수 있도록 해준다.

이와 같은 스테이지 유닛(300)에 관한 구체적인 설명은 도 6 내지 도 9를 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에서 스테이지 유닛을 도시한 부분 사시도이다.

앞서 도 2를 통해 간략히 살펴본 바와 같이, 스테이지 유닛(300)은 상부 프레임(도 2의 도면부호 200)에 마련된 스테이지 유닛 장착부(도 2의 도면부호 240)를 통해 삽입 고정된다. 이를 위해 스테이지 유닛 장착부에 면접하여 고정되는 연결 플레이트(360)를 구비한다.

그리고 스테이지 유닛(300)은 연결 플레이트(360)의 중앙을 관통하여 수직 방향으로 장착되는 승강 축(310)과, 상기 승강 축(310)의 하단에서 회전력을 제공하는 승강 구동부(301)를 포함한다.

여기서, 승강 구동부(301)는 전기적으로 회전 방향이 제어 가능한 모터를 이용할 수 있으며, 이외에도 다양한 회전력 발생 수단을 이용하여도 무방하다.

승강 축(310)은 상기 승강 구동부(301)의 회전력을 전달받아 수직 방향(즉, Z축 방향)으로 신축(또는 진퇴) 작동한다. 승강 구동부(301)에 의한 승강 축(310)의 작동 원리는 후술될 도 9의 설명을 통해서 구체적으로 다룰 것이다.

그리고 승강 축(310)의 상단 내측에는 로터리 스테이지 구동부(320)가 동축 방향으로 탑재된다. 로터리 스테이지 구동부(310)는 X-Y 스테이지(330)를 이용할 때에는 작동이 불필요하며, 로터리 스테이지로 이용 형태를 달리 실시할 경우에만 이용되는 구동부로서, 회전력을 발생시키는 모터 등이 이용될 수 있다.

그리고 연결 플레이트(360)의 중심을 관통하여 배치되는 승강 축(310)의 주변으로는 승강 경로를 안내해주는 가이드 로드(370)가 다수 배치된다. 도시된 가이드 로드(370)는 4개가 연결 플레이트(360)의 모서리 쪽으로 정방형으로 배치되어 있으나, 이는 바람직한 하나의 예시에 불과할 뿐 이와 조금씩 다르게 형성되어도 무방하다.

한편, 스테이지 유닛(300)의 상단에는 가공 대상물이 안착 고정되는 X-Y 스테이지(330)가 마련되어 있다.

X-Y 스테이지(330)의 상부에는 받침블록(350)이 탈착 가능하게 배치되며, 받침블록(350)의 상면을 통해 가공 대상물(S)을 견고하게 고정시킬 수 있다. 이와 같이, 위치 고정된 가공 대상물(S)은 X-Y 스테이지의 구동에 의해 X-Y 평면 내에서 가변적으로 위치 조절될 수 있다.

X-Y 스테이지(330)는 베이스블록(331) 상부에서 X축 방향으로 이송되는 제1이송블록(333)과, 제1이송블록의 전, 후 이송에 필요한 구동력을 제공하는 제1이송블록 구동부(332)를 포함한다. 그리고 제1이송블록(333)의 상부에서 Y축 방향으로 이송되는 제2이송블록(335)과, 제2이송블록의 전, 후 이송에 필요한 구동력을 제공하는 제2이송블록 구동부(334)를 포함한다. 여기서, 제1이송블록 구동부(332) 및 제2이송블록 구동부(334)는 모터 등을 이용할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에서 스테이지 유닛의 2가지 이용 형태를 구분 도시한 사용도이다.

도 7의 (a)에 도시된 X-Y 스테이지 방식은 앞서 도 6을 통해 설명한 바와 같다. 도 7의 (b)는 X-Y 스테이지 방식 대신에 로터리 스테이지 방식을 적용한 모습을 보여준다.

만일, 가공 조건 또는 작업자의 선택에 따라 로터리 스테이지 방식을 적용할 경우에는, 먼저 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, X-Y 스테이지(330)의 상단에 장착된 받침블록(350)을 분리한다.

이어서, 상기 받침블록(350)이 장착되어 있던 상기 X-Y 스테이지(330)의 상면에 마련된 홈을 통해 로터리 스테이지(340)를 장착한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이지 유닛이 로터리 스테이지 방식으로 동작하는 모습을 나타낸 작동 상태도이다.

도시된 바와 같이, 로터리 스테이지(340)는 승강 축부(310)의 상단에 내장된 로터리 스테이지 구동부(320)로부터 회전력을 전달받아 가공 대상물(S′)의 하단을 파지한 상태로 회전시킨다.

구체적인 예로서, 3개의 조(jaw)(241)를 원주 반향으로 구비하는 척(chuck) 부재를 이용할 수 있다.

먼저, 원주 방향으로 배열된 3개의 조(241)를 상호 이격시키고, 그 중심으로 가공 대상물(S′)을 안착시킨다. 이어서, 3개의 조(241)를 상호 근접시켜 가공 대상물(S′)을 중심 상에 위치 고정한다.

이후, 승강 축부(210)의 상단에 내장된 로터리 스테이지 구동부(240)를 작동시키는데, 로터리 스테이지 구동부(240)의 구동축은 로터리 스테이지 구동부(320)와 동축으로 연결되어 상호 연동하여 회전한다.

이로써, 가공 대상물(S′)은 견고하게 위치 고정된 상태로 회전하게 된다.

한편, 도 8에 도시된 가공 대상물(S′)은 도 6에 도시된 가공 대상물(S)과 다른 형상을 띠고 있는데, 도시된 바와 같이 환봉 형태의 가공 대상물(S′)을 가공할 경우에는 3개의 조(241)를 구비한 척 부재를 이용하는 것이 바람직하다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스테이지 유닛의 종방향 단면도이다.

도 9를 참조하면, 최하단부에 위치한 승강 구동부(301)의 작동에 따라 이와 연결된 스크루 부재(311)가 회전하게 된다. 이와 동시에 스크루 부재(311)의 외연을 감싸며 나사 결합된 이동 축 부재(313)가 수직 상방 또는 하방으로 진퇴 구동한다.

이로써, 스크루 부재(311)와 이동 축 부재(313)를 포함하는 승강 축부(310)는 수직 방향으로 신축될 수 있다.

한편, 상기 승강 축부(310)는 연결 플레이트(360)의 중심을 관통하여 배치되며, 이의 외측으로 연결 플레이트(360)의 정방형 모서리를 따라 복수 개의 가이드 로드(370)가 배치되는 구조를 확인할 수 있다. 또한, 연결 플레이트(360)의 상부에는 가이드 로드(370)의 단면 형상 및 크기에 대응한 중공이 형성된 베어링 부재(361)가 배치된다. 가이드 로드(370)는 연결 플레이트(360) 및 베어링 부재(361)를 동시 관통하여 연결된다.

승강 축부(310)의 상단에는 포켓 형태의 하우징이 마련되어 있는데, 그 내측으로 로터리 스테이지를 회전시키는 로터리 스테이지 구동부(320)가 내장된다. 즉, 도 9를 통해 확인할 수 있듯이 로터리 스테이지 구동부(320)의 구동축(320-S)은 로터리 스테이지로 이용되는 척 부재와 동축 상으로 연결된다. 이를 위해, 미 도시된 받침블록이 장착 및 분리되는 하면으로는 로터리 스테이지로 이용되는 척 부재가 장착되는 중공(340a)이 수직 상방으로 개방되어 마련된다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 상부 프레임과 하부 프레임 사이에 개재된 방진 유닛의 구조를 도시한 사시도이다.

도 10을 참조하면, 레이저 가공 모듈(M1), 밀링 가공 모듈(M2), 연삭 가공 모듈(M3)이 장착된 회동 프레임(100)과, 상기 회동 프레임(100)이 회동 가능하게 양단을 지지하는 상부 프레임(200)과, 상부 프레임(200)과의 사이에 방진 부재(420)를 개재하며 이의 하부에서 지지하는 하부 프레임(400) 간의 연결 구조를 확인할 수 있다.

그리고 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 내부 구조를 확대 도시한 확대도이다.

회동 프레임(100)의 호형 절개부(111)를 통해 살펴보면, X-Y 스테이지(330) 방식이 이용되는 경우, X-Y 스테이지 상부에 받침블록(350)이 고정 배치되고 받침블록(350)의 상부에 레이저 가공 모듈(M1), 밀링 가공 모듈(M2) 및 연삭 가공 모듈(M3)이 배치되어 있다. 별도로 도시하진 않았으나, 도 6에서와 같이 받침블록(350)의 상면을 통해 가공 대상물(S)이 안착 고정되고, 이어서 가공 대상물(S)에 대한 복합적인 가공이 원활하게 수행될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명인 캡슐형 가변축 복합 가공 장치에 의하면, 기존의 직선운동 기반 가공 형태에서 벗어나 회전운동이 극대화된 가변축 구동 메커니즘을 적용함으로써 보다 더 정교하고 복잡한 가공을 신속하게 수행할 수 있다.

또한, 단일의 머시닝 장치 내에 회전운동이 극대화된 가변축 구동 메커니즘을 적용함으로써 다양한 가공을 복합적으로 수행할 경우에도 공구의 이동 거리를 대폭 감소시킬 수 있다. 이는 가공 오차 발생을 저감시켜 가공 정밀도를 향상시켜 준다.

특히, 본 발명은 레이저 가공, 밀링 가공, 연삭 가공을 동시 또는 순차적으로 수행할 수 있는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치를 제공하여, 가공 정도가 복잡하고 정밀함이 요구되는 바이오기술 및 정보기술 마이크로 가공 분야의 발전을 도모할 수 있다.

이상으로 본 발명에 따른 캡슐형 가변축 복합 가공 장치의 바람직한 실시예에 관하여 살펴보았다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어질 것이다. 또한, 이 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

S: 가공 대상물
M1: 레이저 가공 모듈
M2: 밀링 가공 모듈
M3: 연삭 가공 모듈
1: 캡슐형 가변축 복합 가공 장치
100: 회동 프레임
101: 회동 프레임 구동부
110: 캡슐형 몸체 111: 호형 절개부
113: 웨이트밸런스부 115, 117, 119: 가공 모듈 장착슬롯
120: 구동축 연결부 130: 원형 커버
200: 상부 프레임
201a, 201b, 201c, 201d: 지지상판 210: 사각형 커버
220: 측면 커버 230: 상부 커버
240: 스테이지 유닛 장착부 250: 회동 프레임 연결부
300: 스테이지 유닛
301: 승강 구동부
310: 승강 축 320: 로터리 스테이지 구동부
330: X-Y 스테이지 331: 베이스블록
332: 제1이송블록 구동부 333: 제1이송블록
334: 제2이송블록 구동부 335: 제2이송블록
340: 로터리 스테이지 350: X-Y 스테이지 받침블록
360: 연결 플레이트 370: 가이드 로드
400: 하부 프레임
401a, 401b, 401c, 401d: 방진 부재 연결 플레이트
410: 하부 프레임 지지부재
411: 받침대 413: 수평 단부
420: 방진 부재 422: 돌출 단부

Claims

캡슐형 몸체의 내부에 배치되는 가공 대상물을 향하여 복수의 가공 모듈을 동일 선상에 장착시키며, 가공 위치 및 자세가 회동에 의해 조절되는 회동 프레임;
상기 회동 프레임이 회동 가능하게 양단을 연결하여 지지하는 상부 프레임;
상기 상부 프레임의 하부에 결합되어 지지하는 한편 상기 상부 프레임과 접촉하는 면상에 방진 부재를 개재하는 하부 프레임; 및
상기 상부 프레임의 내측 중앙에 삽입 고정되어 가공 대상물을 안착시키되, 상기 안착된 가공 대상물의 높이가 조절 가능한 동시에, X-Y 스테이지 또는 로터리 스테이지가 선택적으로 장착 가능한 스테이지 유닛;을 포함하되,

상기 스테이지 유닛은, 상기 상부 프레임에 마련된 스테이지 유닛 장착부를 통해 삽입 고정되되,
상기 스테이지 유닛 장착부에 고정되는 연결 플레이트;
상기 연결 플레이트의 중앙을 관통하여 수직 방향으로 장착되어 하단의 승강 구동부로부터 전달받은 회전력을 통해 상하로 신축 조절되는 승강 축; 및
상기 승강 축의 상단에 연결되며, 가공 대상물이 안착되는 받침블록이 상면으로 고정되어, 가공 대상물을 X-Y 축 방향으로 이동시키는 X-Y 스테이지;를 더 포함하는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 회동 프레임은,
상기 캡슐형 몸체의 수직 상방으로 레이저 가공 모듈을 장착시키는 레이저 가공 모듈 장착슬롯과,
상기 레이저 가공 모듈로부터 회동 방향을 따라 전후로 이격되어 밀링 가공 모듈 및 연삭 가공 모듈을 장착시키는 밀링 가공 모듈 장착슬롯 및 연삭 가공 모듈 장착슬롯을 구비하는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 캡슐형 몸체는,
높이 중앙에서 하단까지 회동 방향을 따라 전후로 절개된 호형 절개부를 구비하여,
상기 호형 절개부를 통해 상향 돌출된 상기 스테이지 유닛과 회동하는 상기 캡슐형 몸체가 상호 간섭되지 않는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 호형 절개부의 양측에는 상기 캡슐형 몸체의 내부공간을 채움 형성되는 웨이트밸런스부가 구비되는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 방진 부재는,
상기 회동 프레임의 구동축의 높이에 대응하여 동일 선상에서, 상기 상부 프레임과 하부 프레임이 접촉하는 장방형 모서리 구간마다 배치되는 에어쿠션(air cushion)인 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 하부 프레임은 장방형 모서리로부터 상향 돌출된 돌출 단부 상에 상기 방진 부재를 각각 고정하며,
상기 상부 프레임의 장방형 모서리 상에는 상기 돌출 단부를 삽입시켜 상기 방진 부재와 각각 대면하여 접촉되는 포켓 형태의 지지상판이 마련되는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 상부 프레임에는, 상기 회동 프레임의 양측으로 연결된 구동축을 통해 회전력을 전달하는 회동 프레임 구동부를 내장하는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 스테이지 유닛은,
상기 승강 축의 상단에 내장된 로터리 스테이지 구동부; 및
상기 로터리 스테이지 구동부로부터 회전력을 전달받아 가공 대상물을 회전시키는 로터리 스테이지;를 포함하는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 로터리 스테이지는, 다수의 조(jaw)를 구비하는 척(chuck) 부재이며, 상기 X-Y 스테이지에 고정된 상기 받침블록을 분리하고, 상기 X-Y 스테이지에 마련되어 있는 홈을 통해 장착되는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스테이지 유닛은,
상기 승강 축의 신축 방향으로 복수의 가이드 로드를 구비하는 캡슐형 가변축 복합 가공 장치.