KR101487316B1 - 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치에 관한 것으로, 공작기계의 본체 헤드(H)에 설치된 모터와, 중앙에는 나선캠을 형성하고 상기 본체에 베어링으로 지지되어 상기 모터의 동력에 의해서 회전하는 캠샤프트와; 본체에 회전 가능하게 결합되며, 나선캠과 접하는 캠팔로워를 원형으로 배열하여 나선캠의 회전에 의해 회전하는 원판형의 회전판과; 회전판 외측에 일체로 고정되며, 공구를 수납하는 공구교환홀더 탄설하여 외측 둘레에는 방사형으로 형성한 매거진을 포함하여 구성된 공작 기계용 자동 공구 교환장치에 있어서, 상기 나선캠은 나선 홈면과 나선 가이드벽으로 형성된 구조로서, 상기 캠팔로워가 상기 나선 홈면을 따라 이동하며 회전하되, 상기 캠팔로워 상부 중심에 볼 베어링이 구비되고, 상기 나선 홈면을 따라 중심부에 상기 볼 베어링과 대응되는 가이드 홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 백래쉬를 저감할 수 있고, 나선캠의 연속적인 회동에 적합한 구동방식이고, 각각의 공구 교환장치의 위치를 자체적으로 측정 가능하며, 정밀하고 빠른 구동 제어를 통해 공작기계의 공구교환 공정의 속도를 높일 수 있는 공구교환 홀더 회동장치를 제공하게 된다.

Description

공작기계의 공구교환 홀더 회동장치{rotation device of Automatic tool changer for a machining center}

본 발명의 공구교환 홀더 회동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 백래쉬(backlash)를 저감하고 정밀하고 빠른 공구교환작업을 수행할 수 있는 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치에 관한 것이다.

머시닝센터와 같은 복합 공작 기계의 경우 1대가 구멍을 뚫고, 나사를 깎고, 파고, 면을 절삭하는 등 각종 공작 기능을 갖고 있는데 이를 위한 여러 가지 여러 종류의 공구를 매거진에 수납하고 있다가, 가공 작업의 종류에 따라 매거진을 회전시킨 후 매거진에 수납된 필요한 공구를 공작기계의 헤드(H) 부분에 장착하거나, 헤드(H) 부분에 장착된 공구를 탈착하여 매거진에 자동으로 수납하는 장치가 바로 자동 공구 교환장치이다.

한편, 일반적인 자동 공구 교환장치는 공작기계의 헤드(H) 전방이 위치하는 본체와; 본체 상부에 설치되는 정역회전이 가능한 감속모터와; 중앙에는 나선캠을 형성하고 본체에 베어링으로 지지되어 감속모터의 동력에 의해서 회전하는 캠샤프트와; 본체에 회전 가능케 결합되며, 내측면에는 나선캠과 접하는 캠팔로워를 원형으로 배열하여 나선캠의 회전에 의해 회전하는 원판형의 회전판과; 회전판 외측에 일체로 고정되며, 공구를 수납하는 공구 교환홀더를 코일스프링으로 탄설하여 외측 둘레에는 방사형으로 형성한 매거진과; 본체의 내측면에 코일스프링으로 탄설되어 공작기계의 헤드(H)의 승강에 따라서 승강하며 공구교환홀더를 회동시키는 홀더회전장치로 구성된다.

그리하여 공작기계의 헤드(H)가 승강하면, 헤드(H)의 중심부와 일렬로 정렬된 공구교환홀더가 승강장치에 의해 하강하면서 헤드(H)에 공구를 탈부착하게 되는 것이다. 한편, 상기와 같은 종래의 자동 공구 교환장치에 있어서, 매거진에 방사형으로 설치된 공구교환홀더에 설치된 공구를 교환하기 위하여 매거진을 회전시킬 때, 본체에 회전 가능케 설치되며, 내측면에는 캠팔로워를 방사형으로 탄설한 회전판을 감속모터에 의해 구동되는 나선캠을 이용해 회전시킴으로써 매거진의 회전이 이루어지게 된다.

이러한 매거진의 회전은 자동 공구 교환장치가 설치된 공작기계의 작동에 따라서 시간당 수십에서 수백 회까지 이루어지기 때문에 그에 따른 감속모터와 나선캠의 회전이 반복되어야 한다.

그런데 종래의 공구교환 홀더의 회동장치는 캠팔로워와 나선캠의 치합에 따른 백래쉬(backlash) 등이 발생함에 따라 정밀한 공구의 위치설정이 어렵고, 문제가 발생했을 때 이를 보완 수정하는 작업으로 인해 전체 공정속도가 느려지는 단점이 있었다.

또한 종래의 일반적인 모터와 나선캠 및 캠 팔로워에 의한 회동에 있어서 연속성이 떨어지고, 정밀한 제어가 어려울 뿐만 아니라 공구의 정확한 위치 측정이 어려워 빠른고 정밀한 공구교환 공정이 어렵다는 문제점이 있었다.

등록실용신안 20-0458462 (A1)

상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 그런데 종래의 공구교환 홀더의 회동장치는 캠팔로워와 나선캠의 치합에 따른 백래쉬(backlash) 등이 문제를 개선하고, 정밀하고 빠른게 회동을 제어하여, 빠른고 정밀한 공구교환 공정을 수행할 수 있는 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치를 제공하고자 함이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징은 공작기계의 본체 헤드(H)에 설치된 모터와, 중앙에는 나선캠을 형성하고 상기 본체에 베어링으로 지지되어 상기 모터의 동력에 의해서 회전하는 캠샤프트와; 본체에 회전 가능하게 결합되며, 나선캠과 접하는 캠팔로워를 원형으로 배열하여 나선캠의 회전에 의해 회전하는 원판형의 회전판과; 회전판 외측에 일체로 고정되며, 공구를 수납하는 공구교환홀더 탄설하여 외측 둘레에는 방사형으로 형성한 매거진을 포함하여 구성된 공작 기계용 자동 공구 교환장치에 있어서, 상기 나선캠은 나선 홈면과 나선 가이드벽으로 형성된 구조로서, 상기 캠팔로워가 상기 나선 홈면을 따라 이동하며 회전하되, 상기 캠팔로워 상부 중심에 볼 베어링이 구비되고, 상기 나서홈 면을 따라 중심부에 상기 볼 베어링과 대응되는 가이드 홈이 형성되는 것이다.

여기서, 상기 모터는 서보 모터인 것이 바람직하고, 상기 캠팔로워의 형상은 원통형이고, 측면부가 상기 나선캠의 가이드벽을 따라 접촉되어 중심축으로 회동이 가능한 구조인 것이 바람직하다.

또한 바람직하게는, 상기 캠팔로워는 상기 볼 베어링 하단에 압전센서가 부착되어 상기 가이드 홈과의 접촉에 따른 접촉압력을 측정가능한 것일 수 있고, 상기 압전센서에 의해 측정된 접촉압력 신호를 통해 상기 서보 모터로 피드백하여 공구의 위치를 측정하는 것일 수 있다.

이와 같은 본 발명은 백래쉬를 저감할 수 있고, 나선캠의 연속적인 회동에 적합한 구동방식이고, 각각의 공구 교환장치의 위치를 자체적으로 측정 가능하며, 정밀하고 빠른 구동 제어를 통해 공작기계의 공구교환 공정의 속도를 높일 수 있는 공구교환 홀더 회동장치를 제공하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치의 정면 구성을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치의 측면 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치의 정면 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치의 측면 구성을 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공구교환 홀더 회동장치는 공작기계의 본체 헤드(H)에 설치된 모터(2)와, 중앙에는 나선캠(500)을 형성하고 상기 본체에 베어링으로 지지되어 상기 모터(2)의 동력에 의해서 회전하는 캠샤프트(3)와; 본체에 회전 가능케 결합되며, 나선캠(500)과 접하는 캠팔로워(600)를 원형으로 배열하여 나선캠(500)의 회전에 의해 회전하는 원판형의 회전판(4)과; 회전판(4) 외측에 일체로 고정되며, 공구를 수납하는 공구교환홀더 탄설하여 외측 둘레에는 방사형으로 형성한 매거진을 포함하여 구성된 공작 기계용 자동 공구 교환장치에 있어서, 상기 나선캠(500)은 나선 홈면(530)과 나선 가이드벽(510)으로 형성된 구조로서, 상기 캠팔로워(600)가 상기 나선 홈면(530)을 따라 이동하며 회전하되, 상기 캠팔로워(600) 상부 중심에 볼 베어링(630)이 구비되고, 상기 나선 홈면을 따라 중심부에 상기 볼 베어링(630)과 대응되는 가이드 홈(535)이 형성되는 것을 특징으로 한다.

이처럼 본 발명의 실시예는 종래에서 나선캠(500)을 따라 캠팔로워(600)가 회전하면서 공구메거진을 회동시키는 장치가 개시되어 있으나, 특정한 공구를 주축에 위치시키기 위해 특정한 각도로 회전시키고 정시시키게 되면, 정확하게 정위치에 정지하지 못하고 백래쉬 등이 일어나는 경우가 발생하고, 일반적인 구동모터(2)에 의한 회동제어는 각 공구의 위치를 빠른게 피드백하여 위치시키는데 한계가 있었다는 문제점을 개선하여, 캠팔로워(600) 상부에 볼 베어링(630)을 구비하고, 나선캠(500)의 나선 홈면(530) 중심에 가이드 홈(535)을 형성하여 상기 볼 베어링(630)과 대응시키게 되면, 상당부분 백래쉬를 저감할 수 있고, 서보 모터(2)에 의해 정밀하고 빠른게 공구의 위치를 변화시킬 수 있는 장치를 제공하게 된다.

백래쉬는 일반적으로 한쌍의 기어를 맞물렸을 때 치면 사이에 생기는 틈새를 말하는 것으로, 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치는 상기 나선캠(500)과 맞물리는 캠팔로워(600) 사이에 틈새에 의해 특정한 공구를 주축에 위치시키는데 있어 미세한 오차가 발생할 수 있다.

이에 본 발명의 실시예에서는 나선캠(500)과 캠팔로워(600)가 맞물리는 치차의 발생을 줄이고, 원활한 회동을 위해 나선캠(500)의 나선 홈면(530)을 따라 중심에 가이드 홈(535)을 형성하고, 캠팔로워(600)의 중앙 상부에 볼베어링을 구비하여, 상기 가이드 홈(535)과 볼 베어링(630)을 맞물릴 수 있도록 대응시켜 백래쉬를 저감하고 정확한 포지셔닝을 구현할 수 있는 장치를 제안한다.

그리고 본 발명의 공구교환 홀더를 회동시키기 위한 캠샤프트(3)의 회동은 서보 모터(2)에 의해 구동하는 것이 바람직하다. 이는 메거진에 방사형으로 배열된 공구를 선택적으로 필요에 따라 원하는 공구를 주축에 위치시키기 위해서 회전각도에 대한 정밀하고 빠른 산출과 제어가 필요한데 일반적인 모터(2)의 경우 구동시켜 이동된 회전각도를 정확히 측정하여 피드백할 수 없고, 회동되는 위치 정보를 용이하게 얻을 수 없고 정밀한 제어를 할 수 없는 문제점을 개선하여 서보 모터(2)로 구동함으로써, 정밀하고 빠른게 공구 교환할 수 있는 장치를 제공할 수 있게 된다.

여기서 서보 모터(2)는 동력원에 따라 전기식(서보 전동기), 공기식(공기 서보 모터(2)), 유압식(유압 모터(2)) 등이 있으며, 빠른 응답과 넓은 속도제어의 범위를 가진 제어용 전동기로, 그 전원에 따라 직류 서보 모터(2)와 교류 서보 모터(2)로 분류된다.

또한, 서보 모터(2)는 정지·시동·역전 등의 동작을 반복하므로, 방열효과를 좋게 하거나, 동작의 변화가 빨라지도록 설계상 고려되어 있으며, 서보 모터(2)는 제어신호에 따라 운전되며, 그러기 위해서는 제어신호를 받아 이것을 증폭하여 서보 모터(2)를 구동하는 장치로서 서보증폭기 구비한다.

이처럼 본 발명의 실시예에서 서보 모터(2)를 사용하는 것은 공구교환 홀더의 정밀하고 빠른 회동을 통한 공구교환작업을 수행하기 위한 것 뿐만 아니라, 나선캠(500)의 연속적인 회동에 적합한 구동방식이고, 각각의 공구 교환장치의 위치를 자체적으로 측정 가능하며, 제어부를 통해 정확하고 빠른 공구교환을 위한 위치 이동이 가능하기 때문이다.

보다 상세하게 본발명의 실시예에 따른 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치의 구조 및 구동 원리를 살펴보면, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 나선캠(500)의 중심축으로 캠 샤프트는 중앙에 나선형의 홈을 형성한 나선캠(500)(301)을 형성하여 본체(1)에 베어링으로 지지되게 설치되는 캠샤프트(3)의 일측 단부에는 구동기어를 설치하되, 구동기어는 본체(1)에 베어링으로 지지되게 설치된 아이들기어와 치합하도록 설치하게 된다.

따라서 서보 모터(2)의 모터(2)기어가 회전하면 모터(2)기어와 치합된 아이들기어가 회전함과 동시에 아이들기어와 치합된 구동기어가 회전함으로써 구동기어를 설치한 캠샤프트(3)의 회전이 이루어지게 되는 것이다. 한편, 본체(1)에 회전 가능케 결합되며, 내측면에는 나선캠(500)과 접하는 캠팔로워(600)를 원형으로 배열하여 나선캠(500)의 회전에 의해 회전하는 원판형의 회전판(4)과의 외측에는 공구를 수납하는 공구교환홀더(6)를 외측 둘레에 방사형으로 형성한 매거진(5)을 고정 설치하게 된다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치 서보 모터(2)의 동력에 의해 캠샤프트(3)가 회전하면 캠샤프트(3)의 중앙에 형성된 나선캠(500)의 나선 홈면(530)에 삽입되는 캠팔로워(600)가 나선캠(500)의 나선 홈면(530)에 내접하면서 이동함으로써 회전판(4)이 회전하게 되는데, 캠팔로워(600)는 회전판(4)의 내측면에 원형으로 배열되어 있으므로 나선캠(500)과의 연속적인 내접이 이루어짐으로 인하여 회전판(4)의 연속적인 회전이 가능함으로써 회전판(4)의 외측에 일체로 고정된 매거진(5)의 연속적인 회전이 가능한 구조적 메커니즘을 바탕으로, 상기 나선 홈면(530)의 중심부에 상기 홈면을 따라 가이드 홈(535)을 형성하고, 상기 캠팔로워(600)의 상부 중심에 베어링을 구비하여 상기 가이드 홈(535)에 상기 베어링을 내접시켜 회동하도록 함으로써, 캠팔로워(600)와 나선캠(500) 사이에 발생하는 백래쉬를 저감시키는 효과를 얻을 수 있다.

또한 서보 모터(2)와의 연결로 각각의 매거진에 장착된 공구의 위치를 정확하게 측정하여 피드백함으로써, 빠른고 정밀하게 공구를 주축에 위치시켜 공구교환할 수 있는 장치를 제공한다.

더하여 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 캠팔로워(600) 상부 중심에 설치된 볼베어링 하부면에는 압전센서(610)를 설치하여 구비되는 것이 바람직한데, 특정한 공구가 주축에 위치되는 경우, 특정한 캠팔로워(600)는 상기 나선캠(500)에 주변 캠팔로워(600)보다 많은 내접면을 형성하게 될 것이고, 해당 캠팔로워(600)의 볼 베어링(630)은 가이드홈에 내접되어 접촉압력을 최대한으로 받기 때문에, 각각의 공구를 위치시킬 때 각각에 받는 캠팔로워(600)와 해당 압전센서(610)의 신호 세기가 달라지게 되어, 특정공구를 정확하게 식별할 수 있는 효과를 얻을 수 있고, 이 신호를 피드백하여 서보 모터(2)를 제어함으로써, 정밀하고 빠른 공구교환을 위한 회동제어를 할 수 있게 된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 캠샤프트(3)는 서보 모터(2)와 연결되어 있고, 상기 캠샤프트(3)의 중앙에 설치된 나선캠(500)이 상기 서보 모터(2)의 구동에 의해 회전시켜 특정한 공구를 주축으로 이동시키게 되는데, 각각의 캠팔로워(600)에 장착된 압전센서(610)가 볼베어링의 받는 압력을 측정하여 측정신호를 제어부(도시하지 않음)로 보내고, 제어부에서 상기 신호를 수신하여 각각의 신호에 대한 공구의 위치를 산출하고, 산출된 위치정보를 통해 서보 모터(2)로 정밀하고 빠른게 구동신호를 보냄으로써, 빠른고 정밀하게 공구교환을 할 수 있고, 가이드홈에 내접된 볼 베어링(630)으로 인해 캠팔로워(600)와 나선캠(500)에서 발생할 수 있는 백래쉬를 최대한 저감시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

3: 캠 샤프트, 4: 회전판, 500: 나선캠, 510: 가이드벽,
530: 나선 홈면, 535: 가이드 홈, 600: 캠팔로워,
610: 압전센서, 630: 볼 베어링,

Claims (5)

1. 공작기계의 본체 헤드(H)에 설치된 모터와, 중앙에는 나선캠을 형성하고 상기 본체에 베어링으로 지지되어 상기 모터의 동력에 의해서 회전하는 캠샤프트와; 본체에 회전 가능하게 결합되며, 나선 홈면과 나선 가이드벽으로 형성된 구조의 상기 나선캠과 접하는 원통형 캠팔로워를 원형으로 배열하여 나선캠의 회전에 의해 회전하는 원판형의 회전판과; 회전판 외측에 일체로 고정되며, 공구를 수납하는 공구교환홀더 탄설하여 외측 둘레에는 방사형으로 형성한 매거진을 포함하여 구성된 공작 기계용 자동 공구 교환장치에 있어서,
   상기 캠팔로워는 상기 나선 홈면을 따라 이동하며 상기 캠팔로워의 측면부가 상기 나선 가이드벽을 따라 접촉되어 중심축으로 회동하되, 상기 캠팔로워의 중심축 상부에 볼 베어링이 구비되고, 상기 나선 홈면을 따라 중심부에 상기 볼 베어링과 접촉 대응되는 가이드 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 모터는 서보 모터인 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,
   상기 캠팔로워는 상기 볼 베어링 하단에 압전센서가 부착되어 상기 가이드 홈과의 접촉에 따른 접촉압력을 측정가능한 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 압전센서에 의해 측정된 접촉압력 신호를 통해 상기 서보 모터로 피드백하여 공구의 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환 홀더 회동장치.
   
   
   

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