KR101428536B1 - 서보 실린더 - Google Patents

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KR101428536B1
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진문영
조충래
조동현
홍민석
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삼익정공(주)
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Abstract

본 발명은 TM 나사(TM Screw) 또는 볼 나사(Ball Screw)를 이용하여 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형운동으로 변환되도록 구성하고, 하우징 내부 피스톤 로드를 무한직선운동이 가능하도록 리니어 부싱을 조합하여 구성하되, 하우징 및 로드를 고강성의 베어링강을 구성하고, 하우징 내부에 무한직선운동이 가능한 볼 열을 안내하는 볼리테이너가 설치되며, 비틀림에 대한 각을 제어하기 위한 회전방지용 가이드를 적용하여 높은 내구성을 얻을 수 있고, 고속주행이 가능하며, 소정의 정도 유지가 가능한 리니어 부싱으로 구성된 서보 실린더에 관한 것이다.

Description

서보 실린더{Servo cylinder}
본 발명은 TM 나사 또는 볼나사 너트를 이용하여 모터의 회전운동이 피스톤 로드의 선형운동으로 변환되도록 구성하고, 하우징 내부 로드를 무한직선운동이 가능하도록 리니어 부싱을 조합하여 구성하되, 하우징과 로드를 고강성의 베어링강을 구성하고, 하우징 내부에 무한직선운동이 가능한 볼 열을 안내하는 볼 리테이너가 설치되며, 비틀림에 대한 회전각을 제어하기 위한 회전방지용 가이드를 적용하여 소정의 정도 유지가 가능하고, 높은 내구성을 얻을 수 있으며, 고속주행이 가능한 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더에 관한 것이다.
일반적으로 서보 실린더는 유공압용 실린더 대체품으로 적용하기 위한 전동 엑튜에이터로써 이송시스템용 및 클램프 장치용 엑튜에이터 등 자동차 조립라인의 물류 시스템 및 산업 자동화의 혼류생산 시스템에 적용할 수 있는 위치 제어용 실린더이며 고정도뿐만 아니라 저정도 제품도 필요하다.
현재 서보 실린더의 기술은 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형 운동으로 변환해주는 타입으로 TM나사(스크류)와 볼나사 너트(스크류)가 사용되고 있으며, 일반타입의 경우 직선 운동용 가이드로 미끄럼(Sliding) 타입이 적용되고 있고, 고정도형의 경우 볼 스플라인, 니이들 가이드를 적용한 제품이 있다.
기존의 서보 실린더의 경우 회전운동을 선형운동으로 변환하기 위하여 일반적으로 알루미늄 하우징 내부에 내마모성이 강한 디유 부시(Du Bush) 또는 내마모성이 강한 수지를 사용하고 있으나, 외력에 대한 강성이 부족하고, 속도 및 스트로크의 한계, 미끄럼 타입으로 인한 정도 유지가 어려운 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제특1995-0011049호에는 전기모터와 볼 스크루를 이용하여 서보 실린더의 피스톤을 목표 위치에 정확하게 위치시키는 기술적 구성이 개시되어 있으나, 이는 리니어 부싱을 채용하여 서보 실린더의 내구성과 정도를 향상시키고, 주행속도를 향상시키는 것과는 무관하다.
본 발명이 해결하려는 과제는 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형운동으로 변환해주는 기술적 구성을 이용하되, 직선운동용 가이드로 무한직선운동이 가능한 리니어 부싱을 조합하여 적용함으로써 최소의 마찰저항으로 구름운동을 하여 경쾌하게 이동할 수 있으며, 구름운동 타입이기 때문에 로드의 외력에 대한 강성을 증가시키고, 고속주행이 가능하고, 내구성이 향상된 서보실린더를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형운동으로 변환해주는 기술적 구성을 이용하여 직선운동용 가이드를 무한직선운동이 가능한 리니어 부싱을 조합하여 적용하고, 하우징과 로드를 고강성의 베어링강으로 구성하고, 비틀림에 대한 각을 제어할 수 있는 회전방지용 가이드를 적용하여 소정의 정도 유지 및 비틀림이 제어될 수 있는 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더를 제공하는데 있다.
본 발명의 과제 해결 수단은 상기 문제를 해결하기 위하여 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형운동으로 바꾸어주는 형태를 적용하고, 직선운동용 베어링은 무한직선운동이 가능한 리니어 부싱을 조합하여 적용함으로써 최소의 마찰저항으로 구름운동을 하여 경쾌하게 이동할 수 있으며, 리니어 부싱의 외통을 강인한 베어링강을 사용함으로써 고강성을 얻고, 외통내부에 볼 열을 안내하는 볼 리테이너가 내장되며, 비틀림에 대한 각을 제어하기 위한 회전방지용 가이드를 적용하고, 직선운동 방식이 구름운동 타입이기 때문에 고속주행이 가능하며, 정도유지 및 내구성과 충분한 강성을 얻을 수 있는 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더를 구현하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 회전방지용 가이드를 볼 스크루와 인접한 피스톤 로드 일측에 설치하여 직선왕복운동을 하는 피스톤 로드의 회전을 방지하고, 피스톤 로드가 왕복운동을 하는 하우징내 피스톤 로드의 좌측 가장자리에 외부로부터 먼지가 유입되지 못하도록 더스트 씰이 설치되며, 피스톤 로드의 원활한 슬라이딩을 위하여 더스트 씰과 리니어 부싱사이에 디유 부시가 설치된 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 회전방지를 위하여 서보 실린더 외통 내부에 4~6조 다각형 구조로 성형하고, 서보 실린더 외통 내부에 상기 형성된 4~6조 다각형 구조의 형상에 맞추어서 회전방지용 가이드를 제작하여 볼 스크루와 인접한 피스톤 로드 일측에 고정 설치된 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더를 제공하는데 있다.
본 발명은 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형운동으로 변환해주는 기술적 구성을 이용하되, 직선운동용 가이드로 무한직선운동이 가능한 리니어 부싱을 조합하여 적용함으로써 최소의 마찰저항으로 구름운동을 하여 경쾌하게 이동할 수 있으며, 구름운동 타입이기 때문에 고속주행이 가능하고, 내구성을 향상시킬 수 있는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형운동으로 바꾸어주는 기술적 구성을 이용하여 직선운동용 가이드를 무한직선운동이 가능한 리니어 부싱을 조합하여 적용하되, 하우징과 피스톤 로드를 고강성의 베어링강으로 구성하고, 비틀림에 대한 각을 제어할 수 있도록 회전방지용 가이드를 적용하여 소정의 정도유지 및 비틀림을 제어할 수 있도록 하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더를 도시한 것이다(피스톤 로드가 들어간 상태).
도 2는 본 발명에 따른 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더를 도시한 것이다(피스톤 로드가 나온 상태).
도 3은 본 발명에 설계 제작되어 채용된 리니어 부싱의 하나의 실시 예를 도시한 것이다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.
본 발명은 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형운동으로 변환해주는 형태로 직선운동용 가이드를 무한직선운동이 가능한 리니어 부싱을 주요 기술적 구성으로 사용함으로써 소정의 정도를 유지하면서 구름운동을 하여 마찰저항을 최소화하여 경쾌한 직선왕복운동을 할 수 있는 서보 실린더이다.
본 발명에 따른 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더는 리니어 부싱의 외통을 강인한 베어링강을 사용함으로써 고강성 및 내구성을 얻을 수 있고, 외통 내부에는 볼 열을 안내하는 볼 리테이너가 삽입 체결되어 있는 구름운동 타입이기 때문에 고속주행(1000mm/sec 이하)이 가능하고, 미끄럼 타입의 서보 실린더보다 높은 정도 유지 및 보다 긴 내구성을 가질 수 있는 작용효과가 있다. 본 발명의 구체적인 실시 예에 대하여 살펴본다.
<실시 예>
본 발명의 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도 1은 본 발명에 따른 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더를 도시한 것이다.
본 발명은 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형운동으로 변환해주는 형태로 직선운동용 가이드를 무한직선운동이 가능한 리니어 부싱을 주요 기술적 구성으로 사용함으로써 피스톤 로드의 직선왕복운동을 볼의 구름운동으로 이루어지도록 구성하여 마찰저항을 최소화할 수 있어 경쾌하게 직선왕복운동을 할 수 있다.
기존의 미끄럼 타입의 서보 실린더의 경우에 회전운동을 선형운동으로 변환하기 위하여 일반적으로 알루미늄 하우징 내부에 디유 부시(DU Bush)를 사용하고, 비틀림 방지를 위하여 내마모성이 강한 수지를 사용하여 제어하고 있으나, 외력에 대한 강성이 부족하고, 속도 및 스트로크의 한계, 미끄럼 타입으로 인한 정도 유지가 어려운 문제점이 있다.
도 1을 바탕으로 본 발명의 기술적 구성을 살펴본다.
모터(도1의 22)에 전기에너지를 공급해주므로 모터(22)의 축이 회전하고, 모터(22)의 회전축과 나사축(도1의 18)이 커플링에 의해 체결되어 나사축(18)이 모터(22)의 회전에 의하여 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하게 된다.
볼나사 너트(도1의 20)의 내측에는 암나사가 형성되어 상기 나사축(18) 외측에 형성된 수나사와 체결되어 있다.
볼나사 너트(도1의 20)는 수나사인 나사축과 암나사인 볼나사 너트사이에 강구(볼)를 삽입 체결하여 마찰저항을 최소화하고 고속이동이 가능하며, 정도가 높고, 내구성이 우수한 이점이 있다.
도 1에서, 모터(22)의 회전에 의하여 모터(22)의 회전축과 연결된 나사축(18)이 회전하게 되고, 나사축(18)의 회전에 의하여 나사축(18)에 체결된 볼나사 너트(20)가 나사축(18)을 따라서 직선왕복운동을 하게 된다.
볼나사 너트(20)의 이동 원리는 수나사가 형성된 긴 나사축(18)에 너트를 체결하여 나사축을 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키면 너트가 나사축을 따라서 직선왕복운동을 하는 것과 동일하다.
도 1에서, 볼나사 너트(20)와 피스톤 로드(도1의 11)가 고정 체결되어 모터(22)가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 때 피스톤 로드(도1의 11)가 직선왕복운동을 하도록 구성되어 있다.
상기 직선왕복운동을 하는 피스톤 로드(11)는 리니어 부싱(도1의 16)의 볼 구름운동으로 소정의 정도를 유지하면서 부드럽게 직선왕복운동을 할 수 있도록 구성되어 있다.
리니어 부싱이 채용된 서보 실린더의 좌측(도면 상) 내부(외통)에는 볼(도1의 15)을 수용하기 위한 볼 리테이너(도1의 17)가 삽입 체결되어 있다.
즉, 서보 실린더의 좌측은 리니어 부싱(16)으로 구성되어 있다.
본 발명은 볼을 수용하는 볼 리테이너(17)에 볼을 삽입한 후, 피스톤 로드를 삽입 체결할 경우에 피스톤 로드(11)의 외측 부분이 볼의 구름운동에 의하여 부드럽게 직선왕복운동을 할 수 있도록 구성되어 있다.
볼 리테이너(17)의 외측에는 상기 피스톤 로드(11)가 직선왕복운동을 하도록 안내하는 하우징내에 리니어 부싱이 설치되어 있다.
도 3은 리니어 부싱의 하나의 실시 예를 도시한 것이며, 이와 같은 구조가 본 발명에 따른 서보 실린더의 하우징 내에 채용된 것이다.
본 발명의 명세서에서는 서로 다른 도면일 경우에 동일한 구성에 대하여 서로 다른 도면 부호를 부여한다.
리니어 부싱(16)에서의 하우징은 외통(도3의 33)이라 부르며, 외통(도3의 33)을 볼의 구름운동에 오래 견딜 수 있도록 강도와 내구성이 우수한 베어링강으로 구성할 수 있다.
내구성을 고려하여 외통을 볼이 구름운동을 하는 부분만을 베어링강으로 형성하여 체결 또는 부착하는 구조로 제작하거나 실린더 외부 외통 전체를 베어링강으로 형성할 수도 있다.
볼 리테이너의 좌측(도면상의 좌측)에는 리니어 부싱을 고정하기 위한 스톱퍼(도1의 14)가 설치되어 있다.
스톱퍼(도1의 14) 일측에는 체결용 나사를 형성하고, 형성된 나사를 이용하여 서보 실린더의 외통과 체결할 수 있도록 구성되어 있다.
피스톤 로드(11)가 왕복운동을 하는 하우징 가장자리에는 외부로부터 먼지가 들어가지 못하도록 더스트 씰(도1의 12)이 설치되어 있다.
피스톤 로드(11)의 원활한 슬라이딩을 위하여 더스트 씰(12)과 리니어 부싱(16)사이에 디유 부시(도1의 13)가 고정 설치되어 있다.
직선왕복운동을 하는 피스톤 로드(11)의 회전을 방지하기 위한 회전방지용 가이드(도1의 19)가 볼나사 너트(20)와 인접하여 실린더 외통 내부에 위치하는 피스톤 로드(11) 일측에 고정 설치되어 있다.
회전방지용 가이드(19)의 외측에는 육각, 날개, 홈, 돌출부 중에서 하나를 선택 형성하고, 그 형상에 맞추어서 서보 실린더 외통 내부에 가이드 형상을 형성하여 회전방지용 가이드(19)가 가이드 형상을 따라서 이동하므로 피스톤 로드(11)가 회전하지 아니하고 직선왕복운동을 하도록 구성되어 있다.
보다 구체적으로, 볼나사 너트(20)와 인접하여 위치한 피스톤 로드(11) 일측에 볼트로 회전방지용 가이드(19)가 고정 설치되고, 회전방지용 가이드(19)의 외측에 다각형 형상, 날개 형상, 홈 및 돌출부 중에서 하나를 선택하여 형상을 형성한다.
회전방지용 가이드(18) 외측에 형성된 형상과 맞닿는 서보 실린더 외통 내부에는 회전방지용 가이드(19)의 외측에 형성된 각각의 형상에 맞추어서 가이드 형상을 형성하여 모터의 회전에 의하여 가이드 형상을 따라서 직선왕복운동을 하도록 구성되어 있다.
피스톤 로드 일측에 고정 설치되는 회전방지용 가이드는 다양한 형상의 돌출부 또는 홈이 형성된 구조물로 구성하고, 회전방지용 가이드의 외부 형상에 맞추어서 실린더 외통 내부에 가이드를 형성하여 서로 체결되어 직선왕복운동을 할 때 피스톤 로드(11)가 회전하지 않는 구조이면 족하다.
바람직하게는 회전방지를 위하여 서보 실린더 외통 내부를 4~6조 다각형 구조로 성형하고, 서보 실린더 외통 내부에 상기 형성된 4~6조 다각형 구조의 형상에 맞추어서 회전방지용 가이드를 형성하여 피스톤 로드 일측에 고정 설치하는 것이다.
삭제
회전방지용 가이드(19)가 이동하는 범위는 볼나사 너트가 이동하는 거리와 동일하며 리니어 부싱(16)사이에서 이루어진다.
도 1의 우측에 고정 설치된 모터(22)의 상부에는 모터(22)에 전원을 공급하기 위한 전원 연결단자(도1의 23)가 설치되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명은 리니어 부싱에 의하여 볼 구름운동에 의해 피스톤 로드(11)가 직선왕복운동을 하도록 구성되어 미끄럼 타입의 서보 실린더보다 높은 정도를 유지할 수 있고, 고속주행이 가능하며, 최소의 마찰저항으로 구름운동을 하여 경쾌한 운동을 얻을 수 있고, 내구성을 높일 수 있는 작용효과가 있다.
본 발명에 따라 설계 제작된 서보 실린더는 소정의 정도를 가진 전동 엑튜에이터로써 이송시스템용 및 클램프 장치용 엑튜에이터 등 자동차 조립라인 등의 물류 시스템 및 산업 자동화의 혼류생산 시스템에 적용할 수 있는 위치 제어용 실린더로써 미끄럼 타입의 서보 실린더보다 높은 정도 및 강성을 가진다.
서보 실린더의 직선왕복운동의 범위는 정도와 흔들림을 고려하여 150㎜ 내지 300㎜ 가 바람직하나, 이를 벗어난 범위로 변형하여 설계 제작하는 것도 가능하다.
회전방지용 가이드에 의하여 유지되는 비틀림(회전)각의 범위(비틀림 각도)는 약 ± 0.2° 이다.
주행속도는 최대 1,000㎜/sec 까지 가능하다.
본 발명은 TM 나사 또는 볼나사 너트를 이용하여 모터의 회전운동을 피스톤 로드의 선형운동으로 변환되도록 구성하고, 하우징내 피스톤 로드를 무한직선운동이 가능하도록 리니어 부싱을 조합하여 구성하되, 하우징 및 로드를 고강성의 베어링강을 구성하고, 하우징내에 무한직선운동이 가능한 볼 열을 안내하는 볼 리테이너가 설치되며, 비틀림에 대한 각을 제어하기 위한 회전방지용 가이드를 적용함으로써 비틀림각 제어가 가능하여 소정의 정도 유지가 가능하고, 높은 내구성을 얻을 수 있으며,고속주행이 가능한 리니어 부싱을 이용한 서보 실린더를 제공할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.
11; 피스톤 로드 12; 더스트 씰(Dust Seal)
13; 디유 부시(DU bush) 14; 스톱퍼
15; 볼 16; 리니어 부싱
17; 볼 리테이너
18; 나사축 19; 회전방지용 가이드
20; 볼나사 너트 21; 커플링
22; 모터 23; 전원연결단자
31; 씰(seal) 32; 볼
33; 외통 34; 볼리테이너
35; 피스톤 로드(LM 샤프트)

Claims (4)

  1. 리니어 부싱을 하우징 내에 설치한 서보 실린더에 있어서,
    나사축을 회전하기 위한 모터;
    하우징 내부에 설치되며, 모터의 회전축과 체결되어 회전하는 나사축;
    나사축이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전함에 의하여 직선왕복운동을 하도록 체결된 볼나사 너트;
    볼나사 너트와 체결되어 모터의 회전운동에 의하여 직선왕복운동을 하는 피스톤 로드;
    피스톤 로드의 원활한 슬라이딩을 위하여 더스트 씰과 리니어 부싱사이에 고정 설치된 디유 부시;
    하우징 내에 설치되며, 모터의 회전운동을 커플링과 연결되어 있는 나사축에 견고하게 지지되도록 설치된 회전베어링; 및
    볼나사 너트와 체결되어 있는 피스톤 로드의 직선운동용 가이드를 무한직선운동을 하는 리니어 부싱으로 구성하되,
    하우징 내부에 설치되어 마찰력을 줄이면서 내구성을 높이기 위하여 피스톤 로드가 직선왕복운동을 하도록 안내하도록 볼을 수용하는 리테이너에 볼이 체결되고,
    상기 서보 실린더는 내구성을 높이기 위하여 상기 리니어 부싱에서 외통을 강도와 내구성이 우수한 베어링강으로 구성하며,
    회전방지를 위하여 서보 실린더 외통 내부를 4 내지 6조 다각형 구조로 성형하고, 서보 실린더 외통 내부에 상기 형성된 4 내지 6조 다각형 구조의 형상에 맞추어서 회전방지용 가이드를 형성하여 피스톤 로드 일측에 고정 설치함을 특징으로 하는 서보 실린더.
  2. 청구항 1에 있어서,
    볼 나사 너트(도1의 20)과 인접하여 홈 또는 돌출부 형상으로 회전 방지용 가이드(도1의 19)가 설치되고,
    홈 또는 돌출부 형상의 회전 방지용 가이드에 맞추어서 실린더 외통 내부에 돌출부 또는 홈을 형성함을 특징으로 하는 서보 실린더.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    회전방지용 가이드에 의하여 유지되는 비틀림(회전)각의 범위가 ± 0.2°를 유지함을 특징으로 하는 서보 실린더.
  4. 삭제
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