KR101602683B1 - 비원형 공작물의 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비원형 공작물의 가공장치에 관한 것으로, 공구 이송유닛(1)을 구비하고, 이 공구 이송유닛(1)은 공구를 수용하기 위한 공구 캐리어(2)와, 충격을 차단하기 위한 균형체(3)를 구비하고, 공구 캐리어(2)의 작업 이동은 공구 캐리어(2)와 균형체(3)사이에서 작동하는 구동부(4)에 의해 이루어진다. 본 발명에 따르면, 공구 캐리어(2)는 롤러부재(5)에 의해 지지되고, 균형체(3)는 공구 이송유닛(1)의 하우징(7)에 탄성적으로 변형가능한 안내부재(6)를 통하여 지지되며, 상기 균형체(3)의 질량은 공구 캐리어(2)의 질량보다 더 커서 공구 캐리어(2)의 작업이동이 안내부재(6)의 탄성 변형량의 범위에 놓이는 균형체(3)의 균형 왕복이동거리에 영향을 미친다. 그리하여 안내부재(6)는 균형체(3)의 안내 및 리셋팅에 영향을 미친다.

Description

비원형 공작물의 가공장치{PRODUCTION MACHINE FOR NON-CIRCULAR WORKPIECES}

본 발명은 비원형 공작물의 가공장치에 관한 것으로, 특히 왕복이동가능한 공구(tool) 및 공구 캐리어(tool carrier)를 가진 비원형 중앙 선반(lathe), 충격차단용 균형체(balancing body)를 구비하여, 공구 지지체와 균형체 사이에서 작동하는 구동부에 의해 상기 공구가 작동하는 비원형 공작물의 가공장치에 관한 것이다.

상기한 바와 같은 비원형 공작물의 가공장치는 일예로 독일 공개특허 198 1 996A1로 알려져 있다. 여기서 충격 차단은 하우징 또는 하우징에 고정된 설치대에서의 공구 운동에 의해 충격이 전달되는 것을 방지한다. 상기한 바와 같은 충격은 가공 정밀도에 악영향을 미친다.

M. Wake,J.Hennig: 유체 베어링을 가진 공구고정유닛의 개발 및 사용, 최종보고서, Research Group Ultra Precision Technology e. V., Aachen,, 2002. 에는, 공구 캐리어의 안내부재와 정적 마찰, 소위 '스틱-슬립 효과(stick-slip effect)을 방지하기 위하여, 기체 정역학적 또는 유체 안내부재가 운동의 정밀성 및 균일성에 대한 요구를 충족시키고, 적은 이동량을 가진 시스템의 높은 동적 특성 때문에 베어링 사용은 적용할 수 없다고 알려져 있다.

그러나, 유체 안내부재는 누설을 방지하기 위한 유입구, 공급시설, 및 누설방지를 위한 측정 때문에 고비용의 구조를 요구한다. 이러한 높은 구조적 비용으로 인하여 가공장치가 비싸지게 되고, 열악한 환경조건하에서 운전하면 파손되기 쉽다.

본 발명의 목적은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 간단한 구조를 가진, 비원형 공작물의 가공장치의 고안을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 공구 캐리어가 롤러부재에 의해 지지되고, 균형체는 안내부재에 의해 가공장치의 하우징에 지지되며, 균형체는 공구 캐리어의 질량보다 수배 큰 질량을 가지고, 균형체의 균형 왕복이동 행정거리에 대응하는 공구 캐리어의 왕복운동은 안내부재의 탄성 변형 영역에 위치하고, 균형체의 부가적인 유체역학적 도는 공기역학적 수용이 있다. 특히 본 발명에서 스틱-슬립효과는 단지 균형체의 수용을 통하여 피할 수 있다.

그리고, 균형체가 복귀에 대한 지연없이 반응할 수 있으면, 가공장치의 정확성에 대한 악영향을 방지하는 데 복원에 의하면 충분하다. 이는 균형체의 저장이 제안된다. 종래의 유체역학적 또는 공기역학적 수용대신에, 균형체의 저장이 하우징에 안내부재를 통하여 달성될 수 있다. 균형체 및 공구, 공구 캐리어와 같은 이동체의 질량 조건에 의하면, 균형체의 행정거리는 안내부재의 탄성변형량의 범위를 초과하지 않는다.

본 발명에 따르면, 균형체의 질량은 공구 캐리어의 질량의 3배, 특히 적어도 5배, 적어도 10배일 수 있다. 실험에 의하면, 상기 질량조건에 의해 공구 행정거리를 균형체의 균형 행정거리 내에서 충분히 감소할 수 있고, 그 결과 균형 행정거리는 안내부재의 탄성 변형량이 범위내에 있게 된다. 안내부재는 균형체의 운동을 안내하고, 균형 행정거리에 대향하는 힘을 저장한다. 힘을 복원하기 위한 안내 부재의 저장도 가능하다. 안내부재가 정지상태에 있으면, 균형체의 균형 이동의 선형 안내가 달성될 수 있다. 균형 왕복이동방향으로의 연장은 왕복이동방향에 대한 방향으로의 연장보다 1/10만큼 더 작다. 이에 따라 안내부재의 원주방향 변형이 주어지고, 이 원주방향의 변형은 균형 이동 방향에 일치한다. 균형 이동방향에 가로지르는 방향의 이동은 균형체로써 방지되어 작은 선형성 편차를 가진 이동의 높은 정밀성을 얻을 수 있다.

안내부재가 한 쪽 선단이 균형체의 케이스 내부에 위치하고, 다른 쪽 선단은 케이스 외부로 연장되며, 자유단은 특정 점에서 서로 반대방향으로 위치하여 하우징에 부착되면 더욱 바람직하다.

하나의 바람직한 실시예에 따르면 안내부재는 부분적으로 또는 전체적으로 스트립형상의 스프링으로 형성되어, 균형체의 왕복이동에 의해 발생하는 변형에 대응한다.

각 안내부재는 평판형 또는 플레이트 형으로 이루어지고 황복이동의 수직 또는 수평인 하나의 평면상에 정지 상태로 놓여 있다. 이에 따라,안내부재의부착, 형상 및 조정은 이들의 이동을 더욱 어렵게 하거나 제한하여, 상기 평면상의 균형체의 이동을 어렵게하고, 그 결과 균형체만 안내한다. 그리하여, 균형체가 균형 이동방향에 대하여 횡방향 또는 가로방향으로 이동하는 것이 방지된다.

안내부재는 평판 형상으로 이루어지고, 왕복이동 방향에 수직 또는 수평방향으로 배치되는 하나의 평면상에 정지된 상태로 된다. 상기 안내부재는 상기 균형체의 대향하는 선단들이 왕복이동 방향으로 쌍으로 배치되면, 안내부재는 선형 이동 편차가 없이 혹은 작은 편차로 균형체를 안내할 수 있다. 그로써 안내부재는 서로 가장 큰 거리를 유지하면서 배치되어, 특히 균형 왕복이동의 정밀한 각도의 안내가 달성된다. 바람직하게는, 안내부재들은 정지상태에서 서로 대하여 편향된다. 이러한 전원인가에 의해, 매우 양호한 이동안내가 달성된다.

균형체의 각 선단들이 일정한 거리를 두고 평형하게 배치된 한쌍의 안내부재에 의해 결합할 때,상기 균형체의 횡방향 변형에 대한 개선된 안정성이 달성된다. 이 경우, 간격은 균형 왕복이동의 방향에 대하여 가로지르는 방향으로 연장된다.

본 발명의 실시예에 따르면 안내부재가 선단에서 가공장치의 하우징에 고정되고, 균형체내에 배치된 각 안내부재의 선단들 사이의 중앙에 배치된다. 다른 방안 또는 추가적으로, 한쌍의 안내부재가 하나의 선단은 균형체의 하우징에 구비되고, 다른 선단들은 서로 반대방향의 특정 위치에서 서로 간격을 두고 배치되며, 하우징에 부착된다.

공구 캐리어의 빠르고 정밀한 왕복이동을 위하여 구동부는 선형 모터 또는 솔레노이드 플런저로 구성된다. 바람직하게는 이 경우는 제어수단에 의헤 제어되는 구동부로 구성될 수 있고, 공작물 또는 하우징에 대한 공구의 위치를 조정가능한 변수로 나타낸다.

공구 캐리어와 균형체 사이의 바람직한 질량비를 얻고, 공구 캐리어의 왕복이동을 원하는 정도로 감소시키기 위하여, 구동부의 전원인가부 또는 스테이터가 구동부의 영구자석부와 연결될 수 있다. 구동부의 전원인가부의 전원인가에 의해, 구동부의 영구자석부보다 더 큰 질량을 가짐으로써 공구 캐리어와 균형체 사이의 질량비를 형성한다.

공구 캐리어가 더 작은 질량을 가지면 더욱 바람직하다. 이는 균형체의 질량이 과도하게 크게 선정될 필요가 없기 때문이다. 예를 들면, 공구 캐리어상에 선형 모터의 영구자석을 수용한 캐리지가 형성될 수 있다. 그 결관 질량이 작고 컴팩트한 구조를 얻게 된다.

바람직하게는, 캐리지가 경량 구조로 형성될 수 있다.

영구자석이 캐리지를 강화하면 공구 캐리지의 전체 무게와 구조를 더욱 줄일 수 있다. 그러므로 영구자석은 2가지 기능을 가지고, 전자력을 수용하기 위한 캐리지의 추가적인 강화는 구동력을 감소시킬 수 있거나 분산할 수 있다.

양측의 영구자석이 선형 모터의 스테이터에 커버로 덮여지면, 바람직하게는 탄소섬유 판재의 커버로 덮여지면 견고하고 간단한 구동부의 영구자석부가 얻어진다. 탄소 섬유 판에 의해 전체 구조의 안정성과 최소의 질량을 가지도록 개선된다. 커버장치는 전자기적 구동력이 충분히 제공되도록 하기 위하여 필요하고, 미끄럼의 안정성을 위하여 사용된다.

영구자석들이 커버들과 사이의 간극에 밀봉재가 충전되면, 안내부재가 경량구조와 간단한 구조를 가진다. 무기 복합재의 충전으로써 안내부재의 안정성이 더욱 강화된다.

안내부재의 연결강도를 증가시키기 위하여, 영구자석은 지지구조체 안으로 삽입될 수 있다.

롤러부재가 안내부재에 결합될 때, 공구 캐리어의 운동의 충분한 안내와 요구되는 정밀성을 얻을 수 있다. 바람직하게는, 롤러부재는 하우징 또는 하우징에 고정된 레일에 결합한다. 상기 롤러부재는 롤러 베어링으로 구성되고, 이 롤러 베어링으로 상기 공구 캐리어는 하우징 또는 하우징의 부분에 고정되어 수용된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 공구의 왕복이동거리는 롤러 베어링의 원주길이보다 더 작게 형성된다. 베어링에서 구름마찰력의 필요한 값은 정밀한 운동제어를 위하여 요구된다.

본 발명은 왕복이동거리가 0.01mm 내지45mm 범위이고, 균형 왕복이동이 2mm를 초과하지 않을 때 특히 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 비원형 공작물을 가공할 수 있는 가공장치를 간단한 구조로 제공할 수 있다.

도 1은 공구 캐리어의 정면에서 도시한 본 발명의 공구 이송 유닛의 정면도이다.
도 2는 도 1의 공구 이송유닛의 A-A선을 따라 절단하여 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 공구 이송유닛의 B-B선을 따라 절단한 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 상세히 설명한다.

본 발명의 비원형 공작물 가공장치는 도면 부호 1의 공구 이송 유닛(tool feed unit)를 가지고, 이 공구 이송유닛(1)은 공구를 수용하여 진동하는 공구 캐리어(2)를 구비한다.

균형체의 진동을 차단하기 위하여, 공구의 이동은 공구 캐리어(2)와 균형체(3)사이에서 작동하는 구동부(4)에 의해 실행된다. 상기 구동부(4)의 작동 또는 기동에 의해 발생하는 상기 공구 캐리어(2)의 움직임에 의해 반력이 생기고, 이 반력은 균형체(3)의 적당한 움직임에 의해 발생한다. 상기 반력은 가공장치의 다른 부품에 영향을 미치지 않아 가공장치의 정밀성에 어떠한 역효과를 일으키지 않는다.

공구 캐리어(2)에 연결된 다수의 부품은 롤러부재(5)에 의해, 오직 하나의 운동 자유도로 지지된다. 즉 공구의 전진은 공구 캐리어(2)에 고정된 상태로 유지된다.

상기 균형체(3)는 공구 이송 유닛(1)의 하우징(7)상에 안내부재(6)를 통하여 가공장치에 지지된다.

상기 균형체(3)는 다수개의 부품으로 구성되고, 공구를 지지하는 공구 캐리어(2)의 질량보다 수배의 질량을 가진다.

안내부재(6)는 스트립 형상의 스프링으로 형성되고, 균형 이동방향에 대하여 수직인 평면에 얹혀져 지지된다. 공구 캐리어의 방향 및 균형 이동방향은 도 1의 평면에 수직인 방향으로 향한다.

도 1의 평면에 수직 및 수평인 도면은 작업 평면을 나타내고, 도면에서 공구 캐리어의 중심축과 안내부재는 각각 상기 평면의 양측, 즉 하우징의 상면 및 저면에 각각 부착된다. 상기 균형체(3)는 각 안내부재(6)의 상부 설치점과 하부 설치점의 사이에 배치되어 걸려 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 안내부재(6)는 도 2의 평면 방향인 균형 이동방향으로 쌍으로 배치되고 균형체(3)의 서로 대향하는 선단들이 결합된다. 이로써, 균형체(3)는 하우징(3)에 지지된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 안내부재(6)는 서로 간격을 두고 평행하게 배치된다. 특히 한 쌍의 안내부재(6)는 균형체(3)의 외측 선단에서 균형 이동방향에 대하여 횡방향으로 연장된다.

도 3은 각 연장부재(6)가 균형체(3)의 가장자리에서 수직방향으로 연장되는 것을 나타낸다.

도 2는 공구 이송유닛(1)의 하우징(7)의 각 선단에 구비된 안내부재(6)를 보여주고, 가공장치는 각 안내부재(6)의 선단(9)들 사이에 배치된 균형체(3)의 완충 영역(10)의 중심에 부착된다. 안내부재(6)의 각 선단의 자유단은 서로 대향하는 방향으로 떨어져 있고, 가공장치(1)의 하우징(7)에 서스펜션에 부착된다.

도 2의 단면에서, 선형 모터(11)는 공구 캐리어(2)를 이동시키기 위한 액츄에이터(14)를 형성한다.

선형 모터(11)의 스테이터(12)는 균형체(3)를 구성하는 부품이고, 그 질량에 영향을 미친다.

상기 액츄에이터(14)의 영구자석부(13)는 공구 캐리어(2)가 고정되는 반대쪽에 연결된다.

그리하여, 스테이터(12)에 인가되는 전류에 의해, 공구 캐리어(2)의 추진력에서 발생하는 영구자석부(13)의 변형이 발생한다.

상기 구동부(4)의 영구자석부(13)를 수용하기 위하여, 슬라이드(14)가 형성되고, 이 슬러이드는 선형 모터(11)의 영구자석(15)들을 보유하고, 상기 슬라이드 상에 공구 캐리어(2)가 고정된다.

상기 캐리지(14)는 경량 구조를 가지고, 상기 영구자석(15)을 고정하며, 상기 선형 모터(11)의 양쪽 스테이터(12)상에 탄소섬유 복합재로 만들어진 커버(16)에 의해 덮여진다.

영구자석(15)의 커버(16)들 사이의 수용 공간(17)에는 충진재로 충전되고, 충전재는 영구자석(15)과 커버(16)를 연결한다.

상기 캐리지(14)의 견고한 연결을 위하여, 도시되지 않았지만, 상기 캐리지(14) 내부에 그리드(grid) 구조의 지지구조체가 형성된다.

도 1에는, 상기 캐리지(14)가 롤러부재(5)들에 의해 지지되어 있다. 롤러부재(5)는 레일블록(18)위를 구름운동하어 상기 캐리지를 공구 캐리어(1)의 왕복이동방향으로 안내한다.

상기 롤러부재(5)의 직경은 상기 가공장치의 작동중에 공구의 진동운동의 왕복이동이 베어링의 롤러부재(5)의 원주보다 더 작도록 형성된다. 상기 롤러부재(5)는 공구 캐리어(2)의 동작중에 완전한 회전을 하지 않고 고정된 위치에서 실질적으로 왕복이동하는 일을 수행한다. 도 2에서, 상기 안내블록(18)은 하우징(7)에 고정되고, 균형체(3)의 수용 공간안에 브릿지와 같이 연장되며, 균형체(3)의 왕복이동방향에 평행한 방향으로 연장되어, 균형체 수용 공간에 형성된 공간을 횡단한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 균형체(3)가 설치된 프레임과 선형 모터의 스테이터의 프레임내부에 설치되어 조립된다. 균형체(3)의 질량 균형은 스테이터(12)의 질량과 프레임의 질량에 의해 결정된다.

비원형 공작물의 가공장치에서, 공구 이송유닛(1)이 제공되고, 공구를 수용하는 공구 캐리어(3)와 충격 차단을 위한 균형체(3)를 가지고, 공구 캐리어의 이동은 구동부에 의해 작동하는 균형체와 공구 캐리어 사이에 영향을 미칠 수 있다. 공구 캐리어는 롤러부재에 의해 지지되고 공구 이송유닛의 하우징상에 탄성적으로 변형가능한 안내부재의 균형체를 지지하고, 균형체의 질량이 공구 지지 유닛의 질량보다 더 크며, 공구 캐리어의 왕복이동거리 내의 이동은 안내부재의 탄성변형 영역내에서 이루어진다.

1: 본 발명의 공작물 가공장치 2: 공구 캐리어
3: 균형체 4: 구동부
5: 롤러부재 6: 안내부재
7: 하우징

Claims (22)

1. 비원형 공작물의 가공장치이고,
   상기 가공장치(1)는, 공구와 왕복이동 운동을 하는 공구 캐리어(2)와 충격을 차단하기 위하여 상기 공구에 대하여 대향하는 방향으로 이동하는 균형체(3)를 포함하고, 공구 캐리어(2)와 균형체 (3)사이에서 작동하는 구동부(4)에 의해 공구의 이동을 일으키며,
   상기 공구 캐리어(2)는 롤러부재(5)에 의해 지지되며, 상기 균형체(3)는 하우징(7)상에 안내부재(6)에 의해 지지되며, 상기 균형체(3)는 공구 캐리어(2)의 질량에 비하여 수배 더 큰 질량을 가지도록 형성되어, 상기 공구 캐리어(2)의 왕복이동 운동에 대응하는 균형체(3)의 왕복이동 행정거리는 상기 안내부재(6)의 탄성 변형 영역내에 있는 비원형 공작물의 가공장치에 있어서,
   상기 안내부재(6)는 한 쪽 선단이 균형체(3)의 케이스 내부에 위치하고, 다른 쪽 선단은 케이스 외부로 연장되며, 자유단은 특정 점에서 서로 반대방향으로 위치하여 하우징(7)에 부착되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 균형체(3)의 질량은 상기 공구 캐리어(2)의 질량의 3배, 5배, 10배중 어느 하나로 선택된 질량을 가지는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 안내부재(6)는 정지위치에 있고, 왕복이동방향으로의 연장은 왕복이동방향에 수직한 방향으로의 연장보다 1/10만큼 더 작은 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 안내부재(6)는 균형체(3)가 횡방향 또는 왕복이동의 방향에 대하여 횡단방향으로 이동하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 안내부재(6)는 부분적으로 또는 전체적으로 스트립형상의 스프링으로 형성되어, 균형체(3)의 왕복이동에 의해 발생하는 변형에 대응하는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 안내부재(6)는 평판 형상으로 이루어지고, 왕복이동 방향에 수직 또는 수평방향으로 배치되는 하나의 평면상에 정지된 상태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 안내부재(6)는 상기 균형체(3)의 대향하는 선단들이 왕복이동 방향으로 쌍으로 배치되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 균형체(3)는 서로 간격을 두고 평행하게 배치된 한 쌍의 안내부재(6)에 결합하는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 안내부재(6)는 선단(9)들이 상기 하우징(7)에 고정되고, 하나의 선단은 양쪽 선단(9)들의 사이의 중앙에 배치되며, 각 안내부재(6)들은 균형체(3)의 연장방향의 영역(10)에 배치되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 구동부(4)는 선형 모터(11)인 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 구동부(4)의 스테이터는 균형체(3)와 함께 구동부(4)의 전원부에 의해 여자될 수 있고, 상기 구동부(4)의 영구자석부(13)는 공구 캐리어(2)와 함께 연결되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
13. 제11항에 있어서,
    상기 선형모터(11)의 영구자석(15)들을 수용하는 캐리지(14)가 상기 공구 캐리어(2)상에 구비되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 캐리지(14)는 경량 구조체로 이루어진 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 영구자석(15)들은 캐리지(14)를 강화하는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
16. 제13항에 있어서,
    상기 영구자석(15)은 선형 모터(11)의 스테이터(12)의 서로 대향하는 양쪽에 탄소섬유로 이루어진 커버(16)로 덮여지거나 연결되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
17. 제16항에 있어서,
    상기 영구자석(15)과 커버(16)들의 사이 공간에는 충진재로 충전되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
18. 제16항에 있어서,
    상기 영구자석(15)은 지지체 안으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
19. 제13항에 있어서,
    상기 롤러부재(5)는 캐리지(14)에 결합되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
20. 제13항에 있어서,
    상기 공구 캐리어(2)와 캐리지(14)는 하우징(7) 또는 하우징이 연결되는 부분에 설치되는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
21. 제1항에 있어서,
    상기 공구의 왕복이동운동의 행정거리는 베어링부재의 롤러부재(5)의 원주보다 더 작은 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.
22. 제1항에 있어서,
    상기 공구 캐리어(2)의 왕복이동운동의 행정거리는 0.01mm 내지 45.00mm 사이에 있고, 균형체 왕복이동거리는 2mm를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 비원형 공작물의 가공장치.

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