KR101473887B1

KR101473887B1 - 자동 공구 교환 장치

Info

Publication number: KR101473887B1
Application number: KR20130110288A
Authority: KR
Inventors: 민종관
Original assignee: (주)삼익테크
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2014-12-17

Abstract

공구 매거진에서 공구를 빼내거나 공구 매거진에 공구를 탑재할 때 동선(動線)이 간결하고 동작이 빨라, 빠른 공구 교환이 가능한 공구 픽업 유닛, 및 이를 구비한 자동 공구 교환 장치가 개시된다. 개시된 공구 픽업 유닛은, 서로 가까워지면 공구를 파지하여 구속하고, 서로 멀어지면 공구를 구속하지 않는 한 쌍의 핑거(finger)를 구비한 공구 홀더(holder), 공구 홀더 후방에 배치되어, 한 쌍의 핑거를 서로 가까워지거나 서로 멀어지게 구동하는 핑거 그립 액추에이터(finger grip actuator), 핑거 그립 액추에이터의 후방에 배치되어, 공구 홀더에 파지된 공구를 공구의 길이 방향 축선을 기준으로 롤링(rolling) 회전시키기 위해 공구 홀더를 롤링(rolling) 회전시키는 홀더 롤링 액추에이터(holder rolling actuator), 공구 홀더에 파지된 공구를 공구의 길이 방향 축선에 직교하는 수평 방향으로 이동시키기 위해 공구 홀더를 직선 이동시키는 직선 이동 수단, 및 공구 홀더에 파지된 공구를 미리 정해진 수직 방향 축선을 기준으로 스위벌(swivel) 회전시키기 위해 공구 홀더를 스위벌 회전시키는 스위벌(swivel) 수단을 구비한다.

Description

자동 공구 교환 장치{Automatic tool changer}

본 발명은 머시닝 센터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 머시닝 센터에 구비된, 공구를 픽업하는 공구 픽업 유닛과, 이를 구비한 자동 공구 교환 장치에 관한 것이다.

머시닝 센터(machining center)는 보링 머신(boring machine), 밀링 머신(milling machine), 드릴링 머신(drilling machine) 등을 하나로 구성한 복합 공작 기계이다. 머시닝 센터는 기계 본체와, 여러 개의 공구를 절삭 조건에 맞게 자동적으로 교환해주는 자동 공구 교환 장치(ATC: automatic tool changer)와, 수치 제어 장치를 구비한다. 통상적으로, 자동 공구 교환 장치는 공구가 거치되는 다수의 거치 셀(cell)을 갖는 공구 매거진과, 상기 거치 셀에서 공구를 빼내는 공구 픽업 유닛(tool pick-up unit)을 구비한다.

한편, 종래의 자동 공구 교환 장치에서는 하나의 공구는 하나의 공구 포켓(tool pocket)과 결합되어 보호되고, 공구 매거진의 셀(cell)에도 상기 공구와 공구 포켓의 콤비네이션(combination)이 거치되며, 공구 픽업 유닛도 상기 공구와 공구 포켓의 콤비네이션을 파지하여 빼낸다. 공구를 작업용 축에 장착하기 위하여 공구 교환 장치는 상기 공구 포켓으로부터 상기 공구를 분리하는 수단을 추가적으로 필요로 한다. 결과적으로, 종래의 공구 교환 장치는 다수의 공구 포켓 등 추가적인 구성을 필요로 하여 제조 비용이 상승하고, 공구 포켓으로부터 공구를 분리하는 동작이 요구됨에 따라 공구 교환 작업에 필요한 작업 시간도 길어진다. 또한, 장치의 구성이 복잡해져 부피도 커지고 작동의 신뢰성도 저하될 수 있다.

일본 등록특허공보 제4845484호

본 발명은, 공구 포켓(tool pocket)을 매개로 하지 않고 직접 공구를 파지하고 이동시키는 공구 픽업 유닛, 및 이를 구비한 자동 공구 교환 장치를 제공한다.

또한 본 발명은, 공구 매거진에서 공구를 빼내거나 공구 매거진에 공구를 탑재할 때 동선(動線)이 간결하고 동작이 빨라, 빠른 공구 교환이 가능한 공구 픽업 유닛, 및 이를 구비한 자동 공구 교환 장치를 제공한다.

본 발명은, 공구 포켓(tool pocket)에 장착되지 않은 공구를 지지하는 공구 탑재 셀에 인접 배치되어서, 상기 공구 탑재 셀에 탑재된 공구를 픽업(pick-up)하여 빼내는 언로딩(unloading) 작업, 및 공구를 픽업하여 빈 공구 탑재 셀에 탑재하는 로딩(loading) 작업을 수행하는 유닛으로, 서로 가까워지면 공구를 파지하여 구속하고, 서로 멀어지면 상기 공구를 구속하지 않는 한 쌍의 핑거(finger)를 구비한 공구 홀더(holder), 상기 공구 홀더 후방에 배치되어, 상기 한 쌍의 핑거를 서로 가까워지거나 서로 멀어지게 구동하는 핑거 그립 액추에이터(finger grip actuator), 상기 핑거 그립 액추에이터의 후방에 배치되어, 상기 공구 홀더에 파지된 공구를 상기 공구의 길이 방향 축선을 기준으로 롤링(rolling) 회전시키기 위해 상기 공구 홀더를 롤링(rolling) 회전시키는 홀더 롤링 액추에이터(holder rolling actuator), 상기 공구 홀더에 파지된 공구를 상기 공구의 길이 방향 축선에 직교하는 수평 방향으로 이동시키기 위해 상기 공구 홀더를 직선 이동시키는 직선 이동 수단, 및 상기 공구 홀더에 파지된 공구를 미리 정해진 수직 방향 축선을 기준으로 스위벌(swivel) 회전시키기 위해 상기 공구 홀더를 스위벌 회전시키는 스위벌(swivel) 수단을 구비하는 공구 픽업 유닛을 제공한다.

본 발명의 공구 픽업 유닛은, 상기 스위벌 수단에 의한 상기 공구 홀더의 스위벌 회전과, 상기 롤링 수단에 의한 상기 공구 홀더의 롤링 회전이 동시에 수행되도록 구성될 수 있다.

상기 스위벌 수단은, 상기 공구 홀더를 지지하며 수직 방향으로 연장된 스위벌 샤프트(swivel shaft)와, 상기 스위벌 샤프트의 외주면에 형성된 피니언 기어(pinion gear)와, 상기 피니언 기어에 치합되며, 수평 방향으로 왕복 가능한 랙 기어(rack gear)를 구비하고, 상기 직선 이동 수단은, 상기 스위벌 샤프트가 회전 가능하게 관통하는 LM 부재와, 상기 LM 부재를 수평 방향으로 직선 왕복 가능하게 구동하는 LM 구동 액추에이터(actuator)를 구비할 수 있다.

또한 본 발명은, 링(ring) 형상이며, 그 회전 중심에 대해 회전 가능한 회전 프레임, 및 상기 회전 프레임의 내주부에 서로 같은 간격으로 배열된, 복수의 공구(tool)가 하나씩 탑재되는 복수의 공구 탑재 셀(cell)을 구비한 회전형 공구 매거진, 및 상기 공구 픽업 유닛을 구비한 자동 공구 교환 장치를 제공한다.

상기 공구 탑재 셀은, 상기 공구가 출입하도록 상기 회전 프레임의 회전 중심을 향해 개방된 개구(開口)와, 상기 공구가 끼워지도록 오목하게 파여진 공구 홈과, 상기 공구 홈에 끼워진 공구가 상기 개구를 통해 빠져 나오지 않게 막는 공구 홀딩 유닛(tool holding unit)을 구비하고, 상기 공구 픽업 유닛은, 상기 언로딩 작업 과정에서는 상기 공구를 상기 개구를 통해 상기 공구 홈에서 빼내고, 상기 로딩 작업 과정에서는 상기 공구를 상기 개구를 통해 상기 공구 홈에 끼워 넣도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 공구 픽업 유닛은 공구 포켓(tool pocket)을 매개로 하지 않고 직접 공구를 파지하고 이동시킬 수 있어 공구 교환 장치의 제조 비용이 절감되고, 장치의 구성도 단순해져 동작 신뢰성이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 공구 픽업 유닛은 공구 홀더가 공구의 길이 방향으로 연장된 공구 축선을 따라 접근하거나 멀어지는 동작이 없이 공구를 파지하고 이동시킬 수 있다. 따라서, 동선(動線)이 간결하고 동작이 빨라, 빠른 공구 교환이 가능하다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동 공구 교환 장치의 정면도 및 종단면도이다.
도 3은 도 2의 III 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 IV 부분을 확대 도시한 도면이다.
도 5는 도 1 및 도 2의 공구 픽업 유닛을 도시한 사시도이다.
도 6은 공구 픽업 유닛에 픽업되기 전에 공구 탑재 셀에 탑재된 공구와 공구 홀더를 도시한 정면도이다.
도 7은 공구 픽업 유닛에 픽업되어 공구 탑재 셀에서 빼내어진 공구와 공구 홀더를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공구 픽업 유닛 및 이를 구비한 자동 공구 교환 장치를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동 공구 교환 장치의 정면도 및 종단면도이고, 도 3은 도 2의 III 부분을 확대 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동 공구 교환 장치(20)는, 회전형 공구 매거진(rotary tool magazine)(21)과, 공구 픽업 유닛(tool pick-up unit)(70)과, 제어 유닛(control unit)(120)을 구비한다. 상기 회전형 공구 매거진(21)은, 링(ring) 형상의 회전 프레임(23), 복수의 롤러(30), 복수의 공구 탑재 셀(cell)(40), 및 스프로켓(sprocket)(65)을 구비한다.

상기 복수의 롤러(30)는 상기 회전 프레임(23)의 외주부에 같은 간격으로 배열된다. 예를 들어, 80개의 롤러(30)가 회전 프레임(23) 외주부에 배열될 수 있고, 인접한 롤러(30) 사이는 약간씩 이격된다. 회전 프레임(23)은 롤러(30)의 길이만큼 서로 이격되게 배열된 링(ring) 형상의 제1 및 제2 플레이트(plate)(24, 26)를 구비한다. 링 형상의 제1 플레이트(24)와 제2 플레이트(26)는, 외경이 서로 같으나 내경은 제1 플레이트(24)가 제2 플레이트(26)보다 더 작다.

복수의 롤러(30)는 제1 및 제2 플레이트(24, 26) 사이에서 자유 회전(idling rotation) 가능하게 개재된다. 구체적으로, 롤러(30)는 베어링(34)이 개재된 채 롤러 샤프트(32)에 끼워지고, 롤러 샤프트(32)의 양 측 단부는 제1 플레이트(24)와 제2 플레이트(26)에 고정되어 롤러(30)가 회전 가능하게 회전 프레임(23)에 결합된다.

한편, 회전형 공구 매거진(21)은 회전 프레임(23)이 회전할 수 있도록 복수의 롤러(30)를 접촉 지지하는, 링(ring) 형상의 회전 지지 프레임(28)을 더 구비한다. 구체적으로, 롤러(30)의 길이 방향 양 단부가 돌출되어 각 롤러(30)는 오목하게 형성되고, 상기 회전 지지 프레임(28)의 외주면은 상기 오목한 롤러(30)의 형상에 대응되게 볼록하게 돌출된다. 그리하여, 상기 회전 프레임(23)이 회전 중심(RC)에 대해 회전할 때 복수의 롤러(30)는 회전 지지 프레임(28)의 외주면에 접촉하여 회전하도록 구성된다. 상기 회전 지지 프레임(28)은 후방 프레임(22)과 연결될 수 있다. 이와 같이 회전 프레임(23)의 원주(圓周)를 따라 전(全) 부분을 회전 지지 프레임(28)이 지지하므로, 회전 프레임(23)의 회전시에 진동 및 소음이 감소된다.

스프로켓(65)은 회전 프레임(23)의 외측에서 동력 회전하여, 상기 복수의 롤러(30)를 회전 프레임(23)의 접선 방향으로 가압하여 회전 프레임(23)을 회전시킨다. 구체적으로 스프로켓(65)은 회전 프레임(23)의 아래에 배치되며, 일정 간격으로 이격된 복수의 날개(66)가 중심(MR)으로부터 방사상으로 돌출된다. 스프로켓(65)을 동력 회전시키는 모터(68)의 모터 샤프트(69)는 스프로켓(65)의 중심에 직접 결합된다. 그리하여 스프로켓(65)은 예컨대, 체인과 같은 동력 전달 매개체 없이 모터 샤프트(69)에 직접 동축(同軸) 회전 가능하게 결합된다.

스프로켓(65)이 그 회전 중심(MR)에 대해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하면 스프로켓 날개(66)가 연속적으로 인접한 롤러(30) 사이의 이격된 공간으로 침투하여 롤러(30)를 회전 프레임(23) 외주의 접선 방향으로 밀고 빠져 나온다. 이로 인해 스프로켓(65)이 반시계 방향으로 회전하면 회전 프레임(23)이 그 회전 중심(RC)에 대해 시계 방향으로 회전하고, 스프로켓(65)이 시계 방향으로 회전하면 회전 프레임(23)이 그 회전 중심(RC)에 대해 반시계 방향으로 회전한다. 제어 유닛(120)은 모터(68) 작동을 제어하여 회전 프레임(23)의 회전 각도 및 회전 방향을 제어한다.

도 4는 도 1의 IV 부분을 확대 도시한 도면으로, 도 1, 도 3, 및 도 4를 함께 참조하면, 공구 탑재 셀(40)은 복수의 공구(tool)(1)가 하나씩 탑재되는 곳으로, 링 형상의 회전 프레임(23)의 내주부에 서로 같은 간격으로 배열된다. 공구 탑재 셀(40)은 공구(1)가 출입하도록 회전 프레임(23)의 회전 중심(RC)을 향해 개방된 개구(開口)(45)와, 공구(1)가 끼워지도록 오목하게 파여진 공구 홈(41)과, 공구 홈(41)에 끼워진 공구(1)가 개구(45)를 통해 빠져 나오지 않게 막는 공구 홀딩 유닛(tool holding unit)(50)을 구비한다. 공구 홀딩 유닛(50)은 제1 플레이트(24)에 탑재된다.

공구(1)는 기계 가공 작업을 위한 머시닝 센터의 주축(main shaft)(미도시)에 연결되는 자루부(shank portion)(5)와, 자루부(5) 전방으로 원뿔 형상으로 돌출된 공구 보디(4)와, 소재(미도시)와 직접 접촉하여 이를 기계 가공하는 공구 말단(2)과, 상기 공구 보디(4)와 공구 말단(2)을 연결하는 공구 목(3)을 구비한다. 상기 자루부(5)는 한 쌍의 대직경부(D1, D2) 사이에 이보다 직경이 작은 소직경부(D3)를 구비한다. 공구 홈(41)의 내주부에는 내측으로 돌출된 공구 구속 턱(43)이 형성된다.

공구(1)는 예컨대, 공구 포켓(tool pocket)과 같은 매개체에 삽입되지 않은 채 개구(45)를 통해 공구 홈(41)에 직접 삽입되고, 상기 한 쌍의 대직경부(D1, D2) 사이의 오목한 소직경부(D3)가 공구 구속 턱(43)에 끼워져 공구(1)가 공구 홈(41)에 안착된다. 이로써 공구 홈(41)에 안착된 공구(1)는 공구 홈(41) 내에서 자신의 길이 방향, 즉 Y축과 평행한 방향으로 미끄러져 공구 홈(41)에서 빠져나올 수 없다.

상기 공구 탑재 셀(40)은 공구 홈(41) 측으로 돌출된 키(key)(47)를 구비한다. 공구(1)가 공구 탑재 셀(40)에 탑재되거나, 공구 픽업 유닛(70)에 픽업되거나, 또는 머시닝 센터의 주축(미도시)에 장착될 때 자세 정렬(aligning)을 위해 공구(1)의 자루부(5)에는 한 쌍의 제1 및 제2 키 홈(key groove)(7, 8)(도 6 및 도 7 참조)이 형성된다. 공구(1)가 공구 홈(41)에 안착될 때 자세 정렬되어 상기 제1 키 홈(7)에 상기 키(47)가 끼워지고, 이로써 공구 홈(41) 내에서 공구(1)의 회동이 방지된다.

공구 홀딩 유닛(50)은 레버(lever)(51), 스토퍼 블록(stopper block)(60), 및 스프링(spring)(58)을 구비한다. 레버(51)는 공구 홈(41)의 주변에 피봇 중심(LC)에 대해 피봇(pivot) 가능하게 마련된다. 스토퍼 블록(60)은 레버(51)의 피봇(pivot) 범위를 제한하는 것으로, 레버(51)에 인접하여 제1 플레이트(24) 상에 고정된다. 스프링(58)은 스토퍼 블록(60)의 안착 홈(61)과 레버(51)의 안착 홈(55)에 양 측이 안착되어 스토퍼 블록(60)과 레버(51) 사이에 개재되어 레버(51)를 탄성 가압한다. 레버(51)의 피봇 중심(LC)으로부터 상대적으로 먼 레버(51)의 일 측 단부(52)는 스프링(58)에 의해 공구 홈(41)에 끼워져 안착된 공구(1)가 개구(45)를 통해 빠져 나오지 못하게 막는 방향으로 탄성 바이어스(bias)된다.

구체적으로, 레버(51)의 일 측 단부(52)에는 공구 지지 경사면(53)과 후퇴 경사면(54)이 마련된다. 공구 지지 경사면(53)은 레버(51)의 일 측 단부(52)가 스프링(58)에 의해 탄성 가압되어 공구 홈(41)에 안착된 공구(1)의 자루부(5)에 밀착되는 접촉면으로, 상기 자루부(5)의 외주면 형상에 대응되는 곡면 형상이다. 후퇴 경사면(54)은 공구(1)가 개구(45)를 통해 공구 홈(41)에 진입할 때 자루부(5)에 접촉되어 밀리는 접촉면이다. 상기 후퇴 경사면(54)에 전달된 공구(1)의 가압력에 의해 레버(51)의 일 측 단부(52)는 스프링(58)이 압축되는 방향으로 후퇴하고, 개구(45)는 상기 자루부(5)가 공구 홈(41)에 안착될 수 있게 개방된다.

스프링(58)의 탄성 가압력은 공구(1)의 자중(自重)을 견딜 수 있을 정도로 크다. 부연하면, 공구 픽업 유닛(70)이 공구(1)를 픽업(pick-up)하여, 공구(1)를 개구(45)를 통해 공구 홈(41)으로 진입시키거나, 반대로 공구(1)를 개구(45)를 통해 공구 홈(41)의 밖으로 빼내는 경우, 공구(1)가 자중(自重)보다 큰 힘으로 개구(45)를 통해 출입하는 때에는 레버(51)가 공구(1)의 자루부(5)에 밀려 공구(1)가 통과할 수 있게 후퇴된다. 그러나, 회전 프레임(23)이 회전하거나 정지되어 있는 때와 같이 의도되지 않은 때에는 레버(51)는 후퇴되지 않으며 공구 홈(41)에 안착된 공구(1)는 공구 홈(41)에서 빠지지 않는다.

스토퍼 블록(60)과 마주보는 레버(51)의 측면은, 피봇 중심(LC)을 기준으로 일 측 단부(52)에 가까운 제1 정지면(56)과, 타 측 단부에 가까운 제2 정지면(57)으로 구성된다. 제1 정지면(56)은 레버(51)가 공구(1)에 의해 밀려 후퇴될 때 스토퍼 블록(60)에 밀착되는 면으로, 레버 단부(52)가 후퇴될 때 피봇(pivot) 각도를 제한한다. 제2 정지면(57)은 공구 홈(41)이 비어 있을 때 스토퍼 블록(60)에 밀착되는 면으로, 레버 단부(52)가 스프링(58)의 탄성력에 의해 전진할 때 피봇 각도를 제한한다.

도 5는 도 1 및 도 2의 공구 픽업 유닛을 도시한 사시도이고, 도 6은 공구 픽업 유닛에 픽업되기 전에 공구 탑재 셀에 탑재된 공구와 공구 홀더를 도시한 정면도이며, 도 7은 공구 픽업 유닛에 픽업되어 공구 탑재 셀에서 빼내어진 공구와 공구 홀더를 도시한 단면도이다.

도 1, 및 도 3 내지 도 5을 함께 참조하면, 공구 픽업 유닛(70)은 언로딩(unloading) 작업과 로딩(loading) 작업을 수행하는 유닛이다. 언로딩 작업은, 회전 프레임(23)의 복수의 공구 탑재 셀(40) 중에서 일 공구 탑재 셀(40)에 탑재된 공구(1)를 픽업(pick-up)하여 그 개구(45)를 통해 빼내는 작업이며, 로딩 작업은 공구(1)를 픽업하여 복수의 공구 탑재 셀(40) 중의 일 공구 탑재 셀(40)에 그 개구(45)를 통해 탑재하는 작업이다. 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에서 공구 픽업 유닛(70)은 링(ring) 형상 회전 프레임(23)의 9시 방향에 배치되고, 언로딩 작업 및 로딩 작업이 수행되는 공구 탑재 셀(40)이 위치하는 작업 지점(WP)도 정각 9시 방향에 위치하나, 이는 실시예에 불과하며 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

제어 유닛(120)은 로딩 작업이 수행되는, 비어 있는 공구 탑재 셀(40), 및 언로딩 작업이 수행되는, 특정 공구(1)가 탑재되어 있는 공구 탑재 셀(40)이 작업 지점(WP)에 위치하도록 회전 프레임(23)의 회전을 제어한다. 또한, 공구 픽업 유닛(70)이 언로딩 작업 및 로딩 작업을 수행하도록 제어한다.

공구 픽업 유닛(70)은 회전 프레임(22) 뒤의 후방 프레임(22)에 지지되며, 공구 홀더(71), 직선 이동 수단, 스위벌(swivel) 수단, 및 롤링(rolling) 수단을 구비한다. 공구 홀더(71)는 공구(1)를 파지하여 이동시키는 것으로, 서로 가까워지면 공구(1)를 파지하여 구속하고, 서로 멀어지면 공구(1)를 구속하지 않는 한 쌍의 제1 및 제2 핑거(finger)(72, 73)를 구비한다. 제1 및 제2 핑거(72, 73)는 핑거 그립 액추에이터(78)의 구동에 의해 서로 가까워지거나 서로 멀어지는 방향으로 움직일 수 있다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 공구(1)를 사이에 두고 제1 및 제2 핑거(72, 73)가 서로 가까워지면 공구(1)의 보디(4), 말단(2), 및 목(3)이 제1 및 제2 핑거(72, 73)의 내측면에 접촉 및 파지된다. 특히, 제1 및 제2 핑거(72, 73)에는 각각 한 쌍의 볼 플런저(ball plunger)(74)가 구비되어, 제1 및 제2 핑거(72, 73)가 가까워졌을 때 4개의 볼(ball)이 공구(1)의 목(3)을 파지하므로 제1 및 제2 핑거(72, 73)가 서로 멀어질 때까지 공구(1)는 공구 홀더(71)에 구속된다. 각 볼 플런저(74)는 제1 및 제2 핑거(72, 73) 내벽에 삽입된 볼(75)과, 상기 볼(75)을 제1 및 제2 핑거(72, 73)의 내측면을 향해 탄성 가압하는 스프링(76)과, 제1 및 제2 핑거(72, 73)의 내벽에 삽입 고정되어 상기 스프링(76)을 지지하는 지지 볼트(77)를 구비한다.

한편, 제1 및 제2 핑거(73)가 공구(1)를 파지하기 위해 가까워지면, 제2 핑거(73)의 말단에 형성된 키(73a)가 공구 자루부(5)에 형성된 한 쌍의 키 홈(7, 8) 중 공구 탑재 셀(40)의 키(47)가 끼워지지 않은 제2 키 홈(8)에 끼워진다. 이로써, 공구 홀더(71)의 롤링(rolling)과, 공구 홀더(71)에 파지된 공구(1)의 롤링이 동기화된다. 즉, 공구 홀더(71)가 홀더 롤링 축선(C2)을 기준으로 롤링 회전하는 때에만 공구(1)도 그 길이 방향 축선(TL)을 기준으로 롤링 회전할 수 있으며, 롤링 각도도 서로 동일하다.

한편, 작업 지점(WP)에서 제1 및 제2 핑거(72, 73)가 서로 멀어지면 공구(1)의 보디(4), 말단(2), 및 목(3)이 한 쌍의 핑거(72, 73)와 이격되고, 공구 탑재 셀(40)에 공구(1)가 탑재되어 있음에도 불구하고 회전 프레임(23)의 회전이 제1 및 제2 핑거(72, 73)에 의해 방해되지 않는다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 상기 롤링 수단은 공구 홀더(71)에 파지된 공구(1)를 그 길이 방향 축선(TL)을 기준으로 미리 정해진 각도만큼 롤링(rolling) 회전시키기 위해 공구 홀더(71)를 홀더 롤링 축선(C2)을 기준으로 롤링 회전시키는 것으로, 핑거 그립 액추에이터(78)의 뒤에 지지 브라켓(81)에 지지된 홀더 롤링 액추에이터(83)를 구비한다. 홀더 롤링 액추에이터(83)는 연결 부재(79)에 의해 핑거 그립 액추에이터(78)와 연결된다.

홀더 롤링 액추에이터(83)는, 핑거 그립 액추에이터(78), 연결 부재(79), 홀더 롤링 액추에이터(83), 및 공구 홀더(71)를 일렬로 연결하는 홀더 롤링(rolling) 축선(C2)을 기준으로 공구 홀더(71), 핑거 그립 액추에이터(78), 및 연결 부재(79)를 롤링 회전시킨다. 이에 따라 제2 핑거(73)가 제1 핑거(72)의 위에 위치하도록 공구 홀더(71)의 자세가 전환되며, 공구 홀더(71)에 파지된 공구(1)는 자신의 길이 방향을 따라 연장된 공구 축선(TL)에 대해 회전하여 자세를 전환한다(도 5 및 도 7 참조).

상기 스위벌 수단은 공구 홀더(71)에 파지된 공구(1)를 수직 방향의 스위벌 축선(C1)을 기준으로 미리 정해진 각도, 예를 들면, 90° 만큼 회전시키기 위해 공구 홀더(71)를 회전시키는 것으로, 스위벌 샤프트(swivel shaft)(85), 피니언 기어(87), 및 랙 기어(95)를 구비한다. 스위벌 샤프트(85)는 Z축과 평행하게 수직 방향으로 연장되고, 상단이 LM 부재(90)를 관통하여 지지 브라켓(81)에 고정되며, LM 부재(90)에 대해 회전 가능하다. 피니언 기어(87)는 스위벌 샤프트(85)의 하단부 외주면에 형성된다. 랙 기어(95)는 X축과 평행하게 수평 방향으로 연장되고 피니언 기어(87)와 치합되며, 스위벌 구동 액추에이터(97)에 의해 X축과 평행한 방향으로 왕복 가능하다. 구체적인 예로, 스위벌 구동 액추에이터(97)는 공압 실린더를 포함하며, 상기 공압 실린더의 로드(rod)(98) 단부가 랙 기어(95)에 결합되어 X축 방향으로 왕복함에 따라 랙 기어(95)가 X축과 평행한 방향으로 왕복할 수 있다. 도 5에 명확히 도시되진 않았으나, 스위벌 구동 액추에이터(97)는 LM 부재(90)에서 연장되거나 LM 부재(90)에 고정 연결된 부재에 지지될 수 있다.

랙 기어(95)가 X축의 양(+)의 방향과 평행하게 이동하면, 치합된 피니언 기어(87)로 인해 스위벌 샤프트(85)가 스위벌 축선(C1)을 기준으로 반시계 방향으로 90°만큼 스위벌(swivel) 회전한다. 이에 따라 공구 홀더(71)는 홀더 롤링 축선(C2)이 Y축과 평행하게 연장된 자세에서 홀더 롤링 축선(C2)이 X축과 평행하게 연장된 자세로 전환된다. 반대로, 랙 기어(95)가 X축의 음(-)의 방향과 평행하게 이동하면, 치합된 피니언 기어(87)로 인해 스위벌 샤프트(85)가 스위벌 축선(C1)을 기준으로 시계 방향으로 90°만큼 스위벌(swivel) 회전한다. 이에 따라 공구 홀더(71)는 홀더 롤링 축선(C2)이 X축과 평행하게 연장된 자세에서 홀더 롤링 축선(C2)이 Y축과 평행하게 연장된 자세로 전환된다. 한편, 도시된 실시예에서는 상기 스위벌 수단에 의한 공구 홀더(71)의 스위벌 회전과, 상기 롤링 수단에 의한 공구 홀더(71)의 롤링 회전은 동시에 수행된다.

상기 직선 이동 수단은 공구 홀더(71)에 파지된 공구(1)를 그 길이 방향 축선(TL)에 직교하는 수평 방향, 즉 도 5에서 X축과 평행한 방향으로 이동시키기 위해 공구 홀더(71)를 직선 이동시키는 것으로, LM 부재(90)와, LM 구동 액추에이터(93)를 구비한다. LM 부재(90)는 X축과 평행한 방향으로 왕복 가능하게 후방 프레임(22)(도 2 참조)에 결합되며, X축과 평행한 방향의 왕복 운동을 안내하는 LM 가이드(91)를 구비한다. LM 부재(90)는 LM 구동 액추에이터(93)에 의해 X축과 평행하게 왕복 이동할 수 있다. 구체적인 예로, LM 구동 액추에이터(93)는 공압 실린더를 포함하며, 상기 공압 실린더의 로드(rod)(94) 단부가 LM 부재(90)에 결합되어 X축 방향으로 왕복함에 따라 LM 부재(90)가 X축과 평행한 방향으로 왕복할 수 있다. LM 부재(90)가 X축과 평행하게 이동함에 따라 스위벌 샤프트(85) 및 이에 고정 결합된 지지 브라켓(81)이 같은 방향으로 이동하며, 공구 홀더(71)가 X축과 평행하게 이동한다. 명확히 도시되진 않았으나 LM 구동 액추에이터(93)는 후방 프레임(22)에 지지될 수 있다.

이하에서, 도 1, 및 도 4 내지 도 7을 다시 참조하여, 머시닝 센터의 주축(main shaft)(미도시)에 미리 지정된 공구(1)를 장착하기 위하여 상기 공구(1)가 탑재된 공구 탑재 셀(40)에서 상기 공구(1)를 빼내는 언로딩(unloading) 작업의 과정과, 상기 주축(미도시)에 장착된 특정한 공구(1)를 주축에서 분리하여 그 공구(1)의 주소로 지정된 특정의 공구 탑재 셀(40)에 탑재하는 로딩 작업의 과정을 설명한다.

언로딩 작업의 시작에 앞서 공구 홀더(71)는, 제1 및 제2 핑거(72, 73)가 같은 높이에서 서로 이격되게 위치하고, 홀더 롤링 축선(C2)이 Y축과 평행하게 연장되어 작업 지점(WP)을 관통하는 자세로 대기한다. 회전 프레임(23)은 언로딩(unloading)할 특정 공구(1)가 탑재된 공구 탑재 셀(40)이 작업 지점(WP)으로 이동될 때까지 회전하고 정지한다. 회전 프레임(23)이 정지하면 공구 홀더(71)의 제1 및 제2 핑거(72, 73)가 서로 가까워져 작업 지점(WP)의 공구 탑재 셀(40)에 탑재된 공구(1)를 파지한다. 이때 제2 핑커(73)의 키(73a)는 공구(1)의 제2 키 홈(8)에 삽입 안착된다.

그리고, LM 구동 액추에이터(93)에 의해 LM 부재(90)가 X축의 양(+)의 방향과 평행하게 이동하여, 공구 홀더(71)가 공구(1)를 파지한 채 X축의 양(+)의 방향과 평행하게 이동한다. 이에 따라, 공구(1)의 자루부(5)가 개구(45)를 통해 회전 프레임(23)의 회전 중심(RC)을 향하여 이동하여 공구 홈(41)에서 빼내어 진다. 이때 공구 홀딩 유닛(50)의 레버(51)는 공구(1)의 언로딩을 방해하지 않도록 자루부(5)에 밀려 후퇴된다.

다음으로, 스위벌 구동 액추에이터(97)가 랙 기어(95)를 X축의 양(+)의 방향과 평행하게 이동시키고, 이로 인해 공구 홀더(71)가 공구(1)를 파지한 채 스위벌 축선(C1)을 기준으로 스위벌(swivel) 회전하여 홀더 롤링 축선(C2)이 Y축과 평행한 자세에서 X축과 평행한 자세로 전환된다. 이와 동시에 공구 홀더(71)가 홀더 롤링 축선(C2)을 기준으로 롤링(rolling) 회전하여 키(73a)를 구비한 제2 핑거(73)가 제1 핑거(72)보다 위에 위치하도록 자세가 전환된다. 이로 인해 공구 홀더(71)에 파지된 공구(1)도 자신의 제1 및 제2 키 홈(7, 8)이 아래 위로 배치되도록 자세가 전환됨과 동시에 스위벌(swivel) 회전되어 공구 교환 위치로 자세 전환된다.

다음으로, 공구 암(arm)(110)(도 2 참조)이 그 회전 중심(AC)을 기준으로 회전하여 공구 암(110) 단부의 공구 전달 홈(112)(도 2 참조)에 공구(1)의 자루부(5)가 끼워진다. 한 쌍의 핑거(72, 73)가 서로 이격되지 않은 상태에서 복수의 볼 플런저(74)가 공구(1)를 구속하나, 상기 공구 암(110)에 의해 공구(1)는 공구 홀더(71)에 구속되지 않게 되며, 공구 암(110)이 다시 회전함에 따라 공구 홀더(71)에서 분리되어 공구 암(110)으로 이전된다.

로딩 작업은 언로딩 작업과 반대되는 순서로 순차 진행된다. 구체적으로, 공구 홀더(71)는, 홀더 롤링 축선(C2)이 X축과 평행하고, 제2 핑거(73)가 제1 핑거(72)보다 위에 위치하며, 제1 핑거(72)와 제2 핑거(73)가 서로 이격된 자세로 대기한다. 공구 암(110)(도 2 참조)이 공구 전달 홈(112)(도 2 참조)에 공구(1)가 끼워진 채 그 회전 중심(AC)을 기준으로 회전하여 정지하면 제1 핑거(72)와 제2 핑거(73)가 서로 가까워져 공구(1)를 파지한다. 이때 제2 핑거(73)의 키(73a)는 공구(1)의 제2 키 홈(8)에 삽입 안착된다.

그리고, 스위벌 구동 액추에이터(93)가 랙 기어(95)를 X축의 음(-)의 방향과 평행하게 이동시킨다. 이로 인해 공구(1)는 공구 전달 홈(112)에서 빼내지고, 공구 홀더(71)가 공구(1)를 파지한 채 스위벌 축선(C1)을 기준으로 스위벌 회전하여 홀더 롤링 축선(C2)이 X축과 평행한 자세에서 Y축과 평행한 자세로 전환된다. 이와 동시에 공구 홀더(71)가 홀더 롤링 축선(C2)을 기준으로 롤링(rolling) 회전하여 제1 핑거(72)와 제2 핑거(73)가 같은 높이에 배치되도록 자세가 전환된다.

다음으로, LM 구동 액추에이터(93)에 의해 LM 부재(90)가 X축의 음(-)의 방향과 평행하게 이동하여, 공구 홀더(71)가 공구(1)를 파지한 채 X축의 음(-)의 방향과 평행하게 이동한다. 이에 따라, 공구(1)의 자루부(5)가 개구(45)를 통해 공구 홈(45) 내측으로 이동하여 공구 홈(45)에 탑재되고, 공구 탑재 셀(40)의 키(47)가 공구(1)의 제1 키 홈(7)에 끼워진다. 이때 공구 홀딩 유닛(50)의 레버(51)는 공구(1)의 로딩(loading)을 방해하지 않도록 자루부(5)에 밀려 후퇴된다. 공구(1)가 공구 탑재 셀(40)에 탑재된 후 제1 및 제2 핑거(72, 73)는 서로 이격되어 공구(1)는 공구 홀더(71)에 더 이상 구속되지 않게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1: 공구 20: 자동 공구 교환 장치
21: 공구 매거진 30: 롤러
40: 공구 탑재 셀 50: 공구 홀딩 유닛
65: 스프로켓 70: 공구 픽업 유닛
71: 공구 홀더 78: 핑거 그립 액추에이터
83: 홀더 롤링 액추에이터 85: 스위벌 샤프트

Claims

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링(ring) 형상이며, 그 회전 중심에 대해 회전 가능한 회전 프레임, 및 상기 회전 프레임의 내주부에 서로 같은 간격으로 배열된, 복수의 공구(tool)가 하나씩 탑재되는 복수의 공구 탑재 셀(cell)을 구비한 회전형 공구 매거진; 및,
공구 포켓(tool pocket)에 장착되지 않은 공구를 지지하는 공구 탑재 셀에 인접 배치되어서, 상기 공구 탑재 셀에 탑재된 공구를 픽업(pick-up)하여 빼내는 언로딩(unloading) 작업, 및 공구를 픽업하여 빈 공구 탑재 셀에 탑재하는 로딩(loading) 작업을 수행하는 공구 픽업 유닛;을 구비하고,
상기 공구 탑재 셀은, 상기 공구가 출입하도록 상기 회전 프레임의 회전 중심을 향해 개방된 개구(開口)와, 상기 공구가 끼워지도록 오목하게 파여진 공구 홈과, 상기 공구 홈에 끼워진 공구가 상기 개구를 통해 빠져 나오지 않게 막는 공구 홀딩 유닛(tool holding unit)을 구비하고,
상기 공구 픽업 유닛은, 상기 언로딩 작업 과정에서는 상기 공구를 상기 개구를 통해 상기 공구 홈에서 빼내고, 상기 로딩 작업 과정에서는 상기 공구를 상기 개구를 통해 상기 공구 홈에 끼워 넣도록 구성된 것으로,
상기 공구 픽업 유닛은:
서로 가까워지면 공구를 파지하여 구속하고, 서로 멀어지면 상기 공구를 구속하지 않는 한 쌍의 핑거(finger)를 구비한 공구 홀더(holder);
상기 공구 홀더에 파지된 공구를 상기 공구의 길이 방향 축선에 직교하는 수평 방향으로 이동시키기 위해 상기 공구 홀더를 직선 이동시키는 직선 이동 수단; 및,
상기 공구 홀더에 파지된 공구를 미리 정해진 수직 방향 축선을 기준으로 스위벌(swivel) 회전시키기 위해 상기 공구 홀더를 스위벌 회전시키는 스위벌(swivel) 수단;을 구비하고,
상기 스위벌 수단은, 상기 공구 홀더를 지지하며 수직 방향으로 연장된 스위벌 샤프트(swivel shaft)와, 상기 스위벌 샤프트의 외주면에 형성된 피니언 기어(pinion gear)와, 상기 피니언 기어에 치합되며, 수평 방향으로 왕복 가능한 랙 기어(rack gear)를 구비하고,
상기 직선 이동 수단은, 상기 스위벌 샤프트가 회전 가능하게 관통하는 LM 부재와, 상기 LM 부재를 수평 방향으로 직선 왕복 가능하게 구동하는 LM 구동 액추에이터(actuator)를 구비하는 것을 특징으로 하는 자동 공구 교환 장치.
제5 항에 있어서, 상기 공구 픽업 유닛은:
서로 가까워지면 공구를 파지하여 구속하고, 서로 멀어지면 상기 공구를 구속하지 않는 한 쌍의 핑거(finger)를 구비한 공구 홀더(holder);
상기 공구 홀더 후방에 배치되어, 상기 한 쌍의 핑거를 서로 가까워지거나 서로 멀어지게 구동하는 핑거 그립 액추에이터(finger grip actuator);
상기 핑거 그립 액추에이터의 후방에 배치되어, 상기 공구 홀더에 파지된 공구를 상기 공구의 길이 방향 축선을 기준으로 롤링(rolling) 회전시키기 위해 상기 공구 홀더를 롤링(rolling) 회전시키는 홀더 롤링 액추에이터(holder rolling actuator); 및,
상기 공구 홀더에 파지된 공구를 미리 정해진 수직 방향 축선을 기준으로 스위벌(swivel) 회전시키기 위해 상기 공구 홀더를 스위벌 회전시키는 스위벌(swivel) 수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 자동 공구 교환 장치.
제6 항에 있어서,
상기 스위벌 수단에 의한 상기 공구 홀더의 스위벌 회전과, 상기 롤링 수단에 의한 상기 공구 홀더의 롤링 회전이 동시에 수행되도록 구성된 것을 특징으로 하는 자동 공구 교환 장치.
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