KR101452773B1 - 자동제어 서까래 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 서까래 가공장치는, 원목의 양선단을 고정하여 축중심 회전시키는 클램핑수단와, 원목을 스캐닝하여 3차원 형상데이터를 형성하는 스캐닝수단과, 스캐닝수단에 의해 파악된 원목의 형상데이터를 미리 정해진 모델링데이터와 비교하여 툴패스를 결정하는 연산장치와, 클램핑수단에 의해 회전되는 원목을 툴패스를 따라 절삭하는 절삭수단으로 이루어진다.
클램핑수단은 한쌍의 클램핑블럭과, 양 클램핑블럭에 내장되어 돌출되는 고정핀과, 클램핑블럭을 원하는 각도만큼 회전시키는 서보모터로 이루어진다.
스캐닝수단은 원목에 대하여 라인레이저를 투사하여 원목의 표면에 레이저마크를 형성하는 레이저투사기와, 레이저마크를 촬상하는 디지털카메라로 이루어진다.
절삭수단은 상기 원목의 길이방향으로 이동되는 케이지와, 케이지내에서 원목의 길이방향과 수직으로 교차하는 상하방향 및 원목의 중심축에 대한 전후방향으로 이동가능하게 지지되는 황삭툴과, 케이지내에서 원목의 길이방향과 수직으로 교차하는 상하방향 및 원목의 중심축에 대한 전후방향으로 이동가능하게 지지되는 정삭툴로 이루어진다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 서까래 가공장치에 의하면 원목을 가공하여 특정한 형태의 서까래로 만드는 서까래 가공작업이 신속하고 편리하게 자동으로 이루어지기 때문에 한옥 건축 작업의 효율이 향상된다는 이점이 있다.

Description

자동제어 서까래 가공장치{manufacturing machine for raffers}

본 발명은 전통 한옥의 서까래를 자동으로 가공하기 위한 자동제어 서까래 가공장치에 관한 것이다.

일반적으로 한국의 전통적 목조건축물 양식은 구조역학을 바탕으로 하는 목조(木造)공법에 의해 이루어진 것으로, 오랜 세월이 경과되면서 장인(匠人)들이 얻은 경험과 노력 등을 통하여 독특한 목구조공법과 의장으로 발전 계승되었다.

그리고, 최근에 친환경적인 생활이 각광받음에 따라 천연목재를 주소재로 하여 만들어지는 전통한옥이 새롭게 조명되고 있다.

한편, 전통한옥에 사용되는 목재는 그 사용위치와 기능에 따라 미묘하게 변화되는 형태특성을 필요로 하는데, 특히 지붕을 받치는 용도로 사용되는 서까래의 경우에는, 그 기능 및 미적감각을 살리기 위해서는 장기간의 경험에 의해 숙력된 전문목공이 아니고서는 제작이 어렵다는 문제점이 있었다.

따라서, 종래에는 서까래와 같은 한옥 부재의 생산이 제한된 수의 전문인력에만 의존함으로써 한옥의 생산비용이 높아지고, 오랜 제작기간이 소요되는 등, 전통한옥의 확대보급에 많은 제약이 발생하게 되었다.

국내 공개특허공보 제10-2006-112202호

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 원목을 자동으로 가공하여 서까래를 만드는 자동제어 서까래 가공장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치는, 원목의 양선단을 고정하여 축중심 회전시키는 클램핑수단와, 상기 원목을 스캐닝하여 3차원 형상데이터를 형성하는 스캐닝수단과, 상기 스캐닝수단에 의해 파악된 원목의 형상데이터를 미리정해진 모델링데이터와 비교하여 툴패스(tool-path)를 결정하는 연산장치와, 상기 클램핑수단에 의해 회전되는 원목을 툴패스를 따라 절삭하는 절삭수단을 포함하여 이루어진다.

상기 클램핑수단은 일정한 간격를 두고 배치되는 한쌍의 클램핑블럭과, 상기 양 클램핑블럭에 내장되어 선택적으로 돌출되는 다수개의 고정핀과, 상기 각 클램핑블럭을 원하는 각도만큼 회전시키는 서보모터를 포함하여 이루어진다.

상기 스캐닝수단은 원목에 대하여 라인레이저를 투사하여 원목의 표면에 레이저마크를 형성하는 레이저투사기와, 상기 레이저마크를 촬상하는 디지털카메라를 포함하여 이루어진다.

상기 절삭수단은 상기 원목의 길이방향(x축)으로 이동되는 케이지(cage)와, 상기 케이지내에서 원목의 길이방향과 수직으로 교차하는 상하방향(y축) 및 원목의 중심축에 대한 전후방향(z축)으로 이동가능하게 지지되는 황삭(荒削)툴과, 상기 케이지내에서 원목의 길이방향과 수직으로 교차하는 상하방향(y축) 및 원목의 중심축에 대한 전후방향(z축)으로 이동가능하게 지지되는 정삭(精削)툴을 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치는 상기 원목을 가공위치로 자동공급되도록 하는 자동공급수단을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 자동공급수단은 다수개의 원목을 적재한 적재함에서 각각의 원목을 순차적으로 들어옮기는 체인콘베이어와, 상기 체인콘베이어에 의해 옮겨진 원목을 상기 클램핑수단에 의한 클램핑위치까지 이송하는 한쌍의 그리퍼를 포함하여 이루어진다.

상기 체인콘베이어는 상부 스프로켓과 하부 스프로켓에 연결되어 상하로 움직이는 한쌍의 체인과, 상기 각 체인에 일정한 간격을 두고 구비되어 체인을 따라 움직이면서 원목을 받치는 다수개의 받침브라켓을 포함하여 이루어진다.

상기 그리퍼는 서로간의 간격이 조절됨으로써 원목을 파지하여 올리는 한쌍의 핑거를 포함하여 이루어진다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치에 의하면 원목에 대한 황삭 가공과 정삭 가공이 동시에 이루어지며, 황삭툴과 정삭툴의 개별제어가 가능하게 됨으로써 원목을 가공하여 서까래로 만드는 서까래 가공작업이 신속하고 편리하게 자동으로 이루어지기 때문에 한옥 축조에 따른 효율이 향상된다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치의 구성을 나타낸 전체사시도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치에서 체인콘베이어를 제외한 구성을 나타낸 정면사시도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치에서 체인콘베이어를 제외한 구성을 나타낸 후면사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치 요부구성을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치에 있어서, 원목의 이송단계를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치에 있어서, 원목의 스캐닝단계를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치에 있어서, 원목의 절삭단계를 나타낸 예시도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도 1부터 도 6까지 참조로 하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치는, 도 1, 도 2a, 도 2b에 나타난 것과 같이 원목(5)의 양선단을 고정하여 축중심 회전시키는 클램핑수단과, 상기 원목(5)의 형상을 스캐닝하여 3차원 형상데이터를 형성하는 스캐닝수단과, 상기 스캐닝수단에 의해 파악된 원목(5)의 형상데이터를 미리정해진 모델링데이터와 비교하여 툴패스(tool-path)를 결정하는 연산장치와, 상기 클램핑수단에 의해 회전되는 원목(5)을 툴패스를 따라 절삭하는 절삭수단과, 상기 원목(5)을 가공위치로 자동공급되도록 하는 자동공급수단을 포함하여 이루어진다.

상기 클램핑수단은 일정한 간격을 두고 배치되는 한쌍의 클램핑블럭(10)과, 상기 양 클램핑블럭(10)에 내장되어 선택적으로 돌출되는 고정핀(101)과, 상기 각 클램핑블럭(10)을 정해진 각도만큼 스테핑회전시키는 서보모터(12)를 포함하여 이루어진다.

그리고, 상기 스캐닝수단은 원목(5)에 대하여 라인레이저를 투사하여 원목(5)의 표면에 레이저마크를 형성하는 레이저투사기(20)와, 상기 레이저마크를 촬상하는 디지털카메라(22)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 디지털카메라(22)는 CCD(Charge-Coupled Device)방식의 이미지처리 소자를 채용한 것으로 사용되는 것이 바람직하다.

상기 절삭수단은 도 3에 나타난 것과 같이, 상기 원목(5)의 길이방향(x축)을 따라 이동되는 케이지(30)(cage)와, 상기 케이지(30)내에서 원목(5)의 길이방향과 수직으로 교차하는 상하방향(y축) 및 원목(5)의 중심축에 대한 전후방향(z축)으로 이동가능하게 지지되는 황삭(荒削)툴(32)과, 상기 케이지(30)내에서 원목(5)의 길이방향과 수직으로 교차하는 상하방향(y축) 및 원목(5)의 중심축에 대한 전후방향(z축)으로 이동가능하게 지지되는 정삭(精削)툴(34)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 황삭툴(32)은 원목(5)에 대하여 황삭(여유절삭)을 행하는 것으로서, 비트와, 상기 비트를 고정하는 척과, 상기 척을 회전시키는 구동모터로 이루어지며, 상기 정삭툴(34)은 상기 황삭툴(32)에 의한 황삭에 이어서 정삭(정밀절삭)을 행하는 것으로서 역시 비트를 고정하는 척과, 상기 척을 회전시키는 구동모터로 이루어진다.

상기 케이지(30)는 원목(5)의 길이방향으로 배치된 이송대(31)를 따라 x축 방향으로 이동하게 되며, 황삭툴(32)과 정삭툴(34)은 상기 각 툴을 직접 지지하는 수평 리니어가이드(36)에 의해 z축방향으로의 이동이 가능하게 구성되며, 상기 수평 리니어가이드(36)가 케이지(30)를 따라 상하방향으로 이동되는 수직 리니어가이드(38)에 지지됨으로써 y축 방향으로의 이동이 가능하게 된다.

한편, 본 발명에 있어서, 상기 클램핑수단 및 이송대(31), 케이지(30) 등은 일정한 높이의 작업대(80) 상에 구성되며, 상기 레이저투사기(20)와 디지털카메라(22) 및 후술된 그리퍼(50)는 상기 작업대(80) 위에 서로 조합되어 설치된 다수개의 수평프레임(82) 및 수직프레임(84)에 의해 지지되는 형태로 구성된다.(도 1 참조)

상기 자동공급수단은, 도 1에 나타난 것과 같이 상기 작업대(80)에 근접하여 배치되어 다수개의 원목(5)을 적재한 적재함(41)으로부터 각각의 원목(5)을 순차적으로 들어서 옮기는 체인콘베이어(40)와, 상기 체인콘베이어(40)에 의해 옮겨진 원목(5)을 작업대(80) 상에서 상기 클램핑수단에 의한 클램핑위치까지 이송하는 그리퍼(50)를 포함하여 이루어진다.

상기 체인콘베이어(40)는 상부 스프로켓(42)과 하부 스프로켓(42')에 연결되어 상하로 움직이는 한쌍의 체인(44)과, 상기 각 체인(44)에 일정한 간격을 두고 구비되어 체인을 따라 움직이면서 원목(5)을 받치는 다수개의 받침브라켓(46)으로 이루어진다.

상기 그리퍼(50)는 서로간의 간격이 조절됨으로써 원목(5)을 파지하여 올리는 한쌍의 핑거(52)를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명에 의한 자동제어 서까래 가공장치는 원목(5)이 절삭되는 과정에서 발생하는 톱밥을 모아서 배출하는 집진기(60)와, 가공을 마친 원목(5)을 배출하기 위한 롤러콘베이어(70)를 더욱 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 집진기(60)는 호퍼형태로 이루어지며, 상기 롤러콘베이어(70)는 다수개의 롤러(72)가 일정한 간격으로 배치된 형태로 이루어진다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 자동제어 서까래 가공장치의 주요작동은, 원목(5)을 가공위치에까지 이송하는 이송단계, 원목(5)을 스캔하는 스캐닝단계, 원목(5)을 절삭하는 절삭단계로 크게 나누어지는데, 각 단계별 작동에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선 이송단계에서는 적재함(41)에 적재된 원목(5)이 체인콘베이어(40)에 의해 위로 올려지는데, 이때에는 체인(44)이 상방으로 이동하면서 체인(44)에 구비된 받침브라켓(46)에 의해 원목(5)의 양선단이 지지되어 원목(5)이 하나씩 들어올려지게 된다.(도 4 참조)

체인콘베이어(40)에 의해 위로 올려진 원목(5)은 체인(44)이 상부 스프로켓(42)을 타고 넘으면서 아래로 떨어져서 작업대(80)상의 안착지그(48)에 안착되고, 원목(5)이 안착지그(48)에 안착되면, 그리퍼(50)가 원목(5)을 파지하여 클램핑수단에 의한 가공위치에 까지 옮기게 된다.

원목(5)이 가공위치에 도달한 다음에는 스캐닝단계가 진행되는데, 이때에는 우선 양 클램핑블럭(10)에 내장된 고정핀(101)이 돌출되어 원목(5)의 양선단면을 찍어서 원목(5)이 고정되도록 한다.(도 5 참조)

이어서, 스캐닝수단의 레이저투사기(20)가 원목(5)에 대하여 라인레이저를 투사하여 원목(5)의 표면에 레이저마크를 형성한 상태에서 서보모터(12)의 작동으로 클램핑블럭(10)이 원목(5)을 잡고 일정한 각도만큼 스테핑 회전하게 된다.

그리고 디지털카메라(22)는 원목(5)의 스테핑 회전하는 단계마다 레이저마크를 촬상하고, 상기 디지털카메라(22)에 의해 획득된 각각의 레이저마크의 위치자료를 바탕으로 광삼각법에 의거하여 각 레이저마크의 좌표를 획득하고, 이를 포인트클라우드(point cloud) 로 구성하여 원목(5)의 3차원 형상 데이터를 만들게 된다.

여기서, 광삼각법은 카메라, 레이저투사기, 대상물체의 기하학적인 관계를 이용하여 대상물체의 표면높이를 측정하는 일반적인 방법이므로, 그 설명은 생략한다.

그리고, 이와 같이 스캐닝과정을 통하여 만들어진 원목(5)의 3차원 형상데이터를 연산장치에서 미리 입력된 모델링데이터와 비교하여 툴패스(tool-path)를 형성하게 되고, 툴패스가 만들어진 다음에는 이를 바탕으로 절삭단계가 진행된다.

절삭단계에서는 미리 입력된 모델링데이터와 원목(5)의 3차원 형상데이터를 비교하여 툴패스(tool-path)를 형성하게 되고, 툴패스에 의해 절삭수단이 원목(5)을 절삭하게 된다.

절삭수단에 의한 절삭작업은 황삭툴(32)에 의한 황삭이 진행되면서, 약간의 시간간격을 두고 정삭툴(34)에 의한 정밀절삭이 진행되는 방식으로 이루어진다.

이때, 상기 황삭툴(32)과 정삭툴(34)은 케이지(30)에 의해 이동되는 특성상, 원목(5) 길이방향(x축)으로의 이동은 동일하게 이루어지며, 상하방향(y축)과 전후방향(z축)의 이동은 개별적으로 이루어지면서 절삭을 행하게 된다.(도 6 참조)

한편, 대개의 절삭가공작업에 있어서는, 툴에 가해지는 부하를 줄이고 가공시간을 단축하는 등의 효과를 얻기 위하여, 1회의 정삭가공만으로 원하는 정밀도에 해당하는 작업을 하지 않고, 정밀도가 낮은 황삭가공후에 정밀도가 높은 정삭가공을 행하는 이른바 이중절삭 방식으로 작업이 이루어지는 것이 일반적이다.

그리고, 이러한 이중절삭 방식에서는 황삭가공을 모두 마친후에 정삭가공을 진행하는 것 또한 일반적이라고 볼 수 있다.

그러나, 본 발명에 의하면 상술한 바와 같이 황삭툴(32)과 정삭툴(34)이 약간의 거리차와 시간간격을 두고 동시에 가동되면서 절삭작업이 진행되므로, 일반적인 이중절삭에 비해 더욱 신속한 작업이 가능하게 된다.

원목(5)이 서까래의 형태를 갖추게 되면, 다시 그리퍼(50)가 원목(5)을 지지한 상태에서 클램핑블럭(10)의 고정핀(101)에 의해 고정된 원목(5)의 양선단의 일정폭 만큼을 황삭툴(32)을 이용하여 절단함으로써 절삭단계를 마무리 하게 된다.

여기서, 원목(5)의 양선단을 일정폭 만큼 절단하는 것은 원목의 양선단에서 일정폭만큼은 절삭기기(황삭툴, 정삭툴)가 클램핑블럭(10)이나 고정핀(101)과 충돌하는 등의 문제가 발생하는 것을 방지하기 위하여 절삭처리가 되지 않을 뿐만 아니라, 고정핀(101)에 의해 원목(5)의 양선단면에 핀자국이 형성되기 때문에 이를 깔끔하게 마무리하기 위한 것이다.

절삭단계가 종료된 후에는 그리퍼(50)가 가공원목(5)을 롤러콘베이어(70) 위에 내려놓게 되며, 상기 롤러콘베이어(70)의 롤러(72)위에 올려진 가공원목(5)을 밀어서 손쉽게 이송하게 된다.

그리고, 절삭단계에서 발생한 톱밥은 집진기(60)에 의해 집진되어 별도의 집진박스 등에 모아지게 된다.

10: 클램핑블럭 101: 고정핀
12: 서보모터 20: 레이저투사기
22: 디지털카메라 30: 케이지
32: 황삭툴 34: 정삭툴
40: 체인콘베이어 50: 그리퍼
52: 핑거

Claims (8)

1. 원목의 양선단을 고정하여 축중심 회전시키는 클램핑수단와,
   상기 원목을 스캐닝하여 3차원 형상데이터를 형성하는 스캐닝수단과,
   상기 스캐닝수단에 의해 파악된 원목의 형상데이터를 미리정해진 모델링데이터와 비교하여 툴패스(tool-path)를 결정하는 연산장치와,
   상기 클램핑수단에 의해 회전되는 원목을 툴패스를 따라 절삭하는 절삭수단
   을 포함하여 이루어지며,
   
   상기 스캐닝수단은
   원목에 대하여 라인레이저를 투사하여 원목의 표면에 레이저마크를 형성하는 레이저투사기와,
   상기 레이저마크를 촬상하는 디지털카메라를 포함하여 이루어짐으로써,
   상기 디지털카메라에 의해 촬상된 다수개 레이저마크의 위치값을 환산하여 형상화하는 것
   을 특징으로 하는 자동제어 서까래 가공장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 클램핑수단은
   일정한 간격를 두고 배치되는 한쌍의 클램핑블럭과, 상기 양 클램핑블럭에 내장되어 선택적으로 돌출되는 다수개의 고정핀과, 상기 각 클램핑블럭을 원하는 각도만큼 회전시키는 서보모터를 포함하여 이루어짐으로써,
   상기 원목의 양선단을 상기 양 클램핑블럭으로부터 돌출된 고정핀이 찍어서 고정한 상태에서 서보모터에 의해 양 클램핑블럭이 회전됨으로써 상기 원목을 축중심 회전시키는 것
   을 특징으로 하는 자동제어 서까래 가공장치.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 절삭수단은
   상기 원목의 길이방향(x축)으로 이동되는 케이지(cage)와,
   상기 케이지내에서 원목의 길이방향과 수직으로 교차하는 상하방향(y축) 및 원목의 중심축에 대한 전후방향(z축)으로 이동가능하게 지지되는 황삭(荒削)툴과,
   상기 케이지내에서 원목의 길이방향과 수직으로 교차하는 상하방향(y축) 및 원목의 중심축에 대한 전후방향(z축)으로 이동가능하게 지지되는 정삭(精削)툴
   을 포함하여 이루어지는 자동제어 서까래 가공장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 원목을 가공위치로 자동공급되도록 하는 자동공급수단을 포함하여 이루어지는 자동제어 서까래 가공장치.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 자동공급수단은
   다수개의 원목을 적재한 적재함에서 각각의 원목을 순차적으로 들어옮기는 체인콘베이어와,
   상기 체인콘베이어에 의해 옮겨진 원목을 상기 클램핑수단에 의한 클램핑위치까지 이송하는 한쌍의 그리퍼
   를 포함하여 이루어지는 자동제어 서까래 가공장치.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 체인콘베이어는
   상부 스프로켓과 하부 스프로켓에 연결되어 상하로 움직이는 한쌍의 체인과,
   상기 각 체인에 일정한 간격을 두고 구비되어 체인을 따라 움직이면서 원목을 받치는 다수개의 받침브라켓
   을 포함하여 이루어지는 자동제어 서까래 가공장치.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 그리퍼는
   서로간의 간격이 조절됨으로써 원목을 파지하여 올리는 한쌍의 핑거를 포함하여 이루어지는 자동제어 서까래 가공장치

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