KR101697769B1 - 직각좌표 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직각좌표 로봇에 관한 것으로서, 축회전 구동부; 상기 축회전 구동부에 연결되는 고정단과 상기 고정단의 반대측에 위치되는 지지단을 가지는 이송축; 상기 이송축에 결합되어 상기 이송축의 회전에 따라 상기 이송축의 축방향으로 직선 왕복 운동을 하는 슬라이더; 상기 고정단을 회전가능하게 지지하는 고정단 지지블록; 상기 지지단을 회전가능하게 지지하는 지지단 지지블록; 및 상기 지지단 지지블록에 구비되며 상기 이송축을 탄성 지지하는 탄성 지지블록;을 포함하는 직각좌표 로봇을 제공한다.

Description

직각좌표 로봇{CARTESIAN COORDINATE ROBOT}

본 발명은 직각좌표 로봇에 관한 것으로서, 구체적으로 볼 스크류의 일단에 위치된 축회전 구동부의 회전에 의해 볼 스크류가 회전되면 볼 스크류에 연결된 슬라이더가 직선 왕복운동을 하는 직교좌표형 로봇에 있어서 축회전 구동부에 의해 회전되는 볼 스크류의 위험 회전속도를 증가시킨 직각좌표 로봇에 관한 것이다.

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).

산업용 로봇의 종류는 매우 다양하여 직각좌표 로봇, 스카라 로봇, 용접 로봇, 팔레팅 로봇 등이 사용된다.

이러한 산업용 로봇의 일종인 직각좌표 로봇의 구동방식에는 볼 스크류 구동방식과 벨트 구동방식이 있는데 고정도의 위치제어가 요구되는 곳에는 볼 스크류 구동방식이 적용되며 주로 이 구동방식이 직각좌표 로봇에 적용되고 있다.

종래 볼 스크류 구동방식이 적용된 직각좌표 로봇에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 직각좌표 로봇장치의 구체예, 도 2는 종래의 직각좌표 로봇장치의 슬라이더의 단면도, 도 3은 직각좌표 로봇장치에 이용되는 볼 스크류의 위험회전속도에 영향을 주는 인자들간의 관계도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 볼 스크류 구동방식에 의한 직각좌표 로봇(100)은 도 1과 같이 베이스(10) 위에 슬라이드(20)의 직선운동을 유도하는 직선 가이드(30)가 부착되고, 볼 스크류너트(40)가 도 2와 같이 내부에 관통되어 결합된 슬라이드(20)가 직선 가이드의 블록 위에 놓여진다.

볼 스크류(50)는 볼 스크류 지지용 고정 블록(60)에 지지되어 회전이 가능하도록 양 단부가 상기 고정블록에 형성되어 있다.

상기 볼 스크류(50)의 한쪽 단부는 고정블록(60, 도 1에서 왼쪽 고정블록)을 관통하여 돌출 되도록 되어있고, 커플러(70)를 중간 연결체로 하여 서보모터(80)와 연결되어 있다.

따라서 서보모터(80)가 회전하게 되면 볼 스크류(50)가 회전하게 되고, 도 2와 같이 볼 스크류(50)의 회전 방향에 따라 볼 스크류(50)와 물려있는 볼 스크류 너트(40)가 볼트 등으로 고정된 슬라이드(20)가 직선 가이드(30)를 따라 전진(A방향) 또는 후진(B방향)하게 된다.

따라서 슬라이더의 이동은 볼 스크류(50)의 회전속도와 회전량, 즉 서보모터(80)의 회전속도와 회전량에 의해 로봇의 슬라이더(20)의 이동 속도와 이동 거리가 결정된다.

구체적으로 직각좌표로봇의 직선 운동속도를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

슬라이드 이송속도 : V (mm/sec)

서보모터 회전속도 : N (r/sec)

볼 스크류의 리드 : L (mm) 로 정의하면

슬라이더의 직선 운동 속도 V = N × L 이 된다.

상기 수식에서 로봇의 직선 운동속도 V를 높이기 위해서는 서보모터 회전속도(N)를 높이거나 볼 스크류 리드(L)를 키워야 한다. 여기서, 볼 스크류 리드를 키우는 것은 로봇의 위치제어 정밀도를 저하시키는 단점과 동일한 회전속도를 얻기 위해서는 서보모터의 용량을 크게 해야 하는 문제가 있기 때문에, 볼 스크류 리드를 키우는 데는 한계가 있다. 따라서, 서보모터의 회전 속도를 높여야 한다. 그러나, 서보모터의 회전속도(N) 즉, 볼 스크류 회전 속도를 높이는 데 있어서도 볼 스크류의 위험 회전속도라는 치명적인 제한 요소가 존재하기 때문에 로봇 속도를 일정 수준 이상으로 높일 수 없었다.

여기서 볼 스크류의 위험 회전속도라는 것은 볼 스크류의 회전속도를 점점 높여서 특정의 회전 속도에 도달하면, 볼 스크류 자체의 고유진동수에 의한 공 진의 발생으로 인해 회전 동작이 불가능하게 되는 때의 회전속도를 말한다.

일반적으로 상기 위험 회전속도는 볼 스크류의 직경과 볼 스크류의 지지간 거리에 따라 정해지는데 도 3과 같이 볼 스크류 지지간 거리가 길어질수록 낮아지고 볼 스크류의 직경이 작아질수록 낮아진다.

즉, 서보모터의 회전속도를 증가시키기 위해서는 볼 스크류의 지지간거리(L2)를 짧게 하거나, 볼 스크류 직경(D)을 증가시켜야 하는데, 로봇의 제작 및 설치 상 상기 볼 스크류의 지지간 거리(L2)의 축소는 로봇 작업 가능 범위를 줄이는 결과를 가져오기 때문에 로봇설치 대상의 선택에 제한을 주게 된다는 치명적인 결함으로 작용하고, 볼 스크류 직경(D)을 증가시키는 것은 볼 스크류의 회전관성이 증가하여 서보모터의 용량을 증대시켜야 할 뿐만 아니라, 그 직경 증가만큼 볼 스크류 제작 비용이 증가될 수밖에 없고, 결국 로봇 전체 무게를 증가시킬 수밖에 없어 만약 로봇무게가 로봇 적용요건의 가장 핵심적인 인자가 되는 경우 로봇의 적용대상의 선택에 역시 치명적인 제한요인이 될 수밖에 없다는 문제점이 있었다.

이에, 직각좌표로봇에 있어서 서보모터의 회전속도 증가에 제한을 받지 않아, 그 적용대상에 있어보다 넓은 선택이 가능하며, 정밀하고, 빠른 이동이 가능한 슬라이더를 이용한 직각좌표 로봇의 개발이 절실하게 요구되었다.

본 발명은 스크류의 위험 회전속도가 향상된 직교좌표 로봇의 제공을 일 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 슬라이더의 이동 중 발생되는 진동과 소음이 감소된 직교좌표 로봇의 제공을 일 목적으로 한다.

상기한 과제의 해결을 위한 본 발명의 일 태양(aspect)에 따르면, 축회전 구동부; 상기 축회전 구동부에 연결되는 고정단과 상기 고정단의 반대측에 위치되는 지지단을 가지는 이송축; 상기 이송축에 결합되어 상기 이송축의 회전에 따라 상기 이송축의 축방향으로 직선 왕복 운동을 하는 슬라이더; 상기 고정단을 회전가능하게 지지하는 고정단 지지블록; 상기 지지단을 회전가능하게 지지하는 지지단 지지블록; 및 상기 지지단 지지블록에 구비되며 상기 이송축을 탄성 지지하는 탄성 지지블록;을 포함하는 직교좌표 로봇이 제공된다.

여기서, 상기 탄성 지지블록은 상기 지지단이 상기 이송축의 반경(radial)방향으로 유동될 수 있도록 탄성 지지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지지단 지지블록은, 상기 이송축이 끼워져 결합되는 베어링이 수용되는 베어링 수용부;로서 상기 베어링이 수용된 상태에서 빈공간이 존재하도록 형성되는 베어링 수용부;를 가지며, 상기 탄성 지지블록은 상기 이송축의 반경(radial)방향으로 상기 베어링의 외연과 상기 베어링 수용부의 내면 사이에 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄성 지지블록은, 상기 베어링의 외연 전체와 상기 베어링 수용부의 내면 전체에 밀착되도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄성 지지블록은, 상기 베어링 수용부와 상기 베어링은 동심원 상으로 배치되며, 고리모양의 탄성부재로 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 탄성 지지블록은 상기 베어링의 외연과 상기 베어링 수용부의 내면 사이에 충진되어 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 베어링은 상기 베어링 중심과 상기 베어링 수용부의 중심이 서로 일치되도록 상기 베어링 수용부에 수용되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 이송축은 볼스크류로 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 지지단 지지블록은 탄성 부재로 구비됨으로써, 탄성 지지블록은 상기 지지단 지지블록과 일체로 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지지단 지지블록은 제1 탄성강도를 가지는 제1 탄성 부재로 구비되며, 상기 탄성 지지블록은 제1 탄성강도를 가지는 제2 탄성 부재로 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 직교좌표 로봇의 일 예에 따르면, 축회전 구동부로부터 가장 멀리 위치되는 볼 스크류의 말단을 탄성부재를 이용하여 지지함으로써, 볼 스크류의 회전시 볼 스크류의 말단에서 볼 스크류의 길이 방향과 직교하는 방향으로의 변위가 허용되며, 이러한 볼 스크류의 말단의 변위는 슬라이더의 직선 왕복 운동에 의한 볼 스크류의 중간부분의 변위를 줄여 진동의 발생을 방지하게 되며, 결과적으로 볼 스크류의 위험 회전속도를 증가시키는 이점을 가지게 된다.

또한, 슬라이더의 직선 왕복 운동에 의한 볼 스크류의 중간부분의 변위가 줄어들게 되므로 진동과 소음이 감소되는 이점을 가지게 된다.

또한, 축회전 구동부의 회전속도의 상한이 커지므로 슬라이더의 이동속도를 향상시킬 수 있게 되어 고속으로 동작하는 직교좌표 로봇의 제공이 가능하게 된다.

도 1은 종래의 직각좌표 로봇을 보인 도면,
도 2는 도 1에서 직각좌표 로봇의 슬라이더의 단면을 보인 도면,
도 3은 직각좌표 로봇장치에 이용되는 볼 스크류의 위험 회전속도에 영향을 주는 인자들 간의 관계도를 보인 선도,
도 4는 본 발명에 따른 직교좌표 로봇의 일 예를 보인 도면,
도 5는 도 4의 A를 확대하여 보인 도면,
도 6은 본 발명에 따른 직교좌표 로봇의 일 예에 있어서 베어링 수용부와 베어링의 결합예를 보인 도면 및
도 7은 본 발명에 따른 직각좌표 로봇에 있어서 지지단 지지블록의 다양한 변형 예를 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 일 실시예에 따른 직교좌표 로봇에 대하여 자세히 설명한다.

이에 앞서, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해서 용어 개념을 적절하게 정의할 수 있으므로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 4는 본 발명에 따른 직교좌표 로봇의 일 예를 보인 도면, 도 5는 도 4의 A를 확대하여 보인 도면, 도 6은 본 발명에 따른 직교좌표 로봇의 일 예에 있어서 베어링 수용부와 베어링의 결합 예를 보인 도면이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 예에 따른 직교좌표 로봇(100)은 축회전 구동부(110), 이송축(120), 슬라이더(130), 지지단 지지블록(140), 탄성 지지블록(150)을 포함한다.

축회전 구동부(110)는 전력,인력 등을 입력받아 회전축(111)을 회전시키는 장치로 구비되며, 서보모터로 구비되는 것이 일반적일 것이나, 전력이 아닌 인력이나 제3의 힘을 입력으로 하여 회전축(111)을 회전시키는 장치도 적용될 수 있음은 물론이다.

이송축(120)은 축회전 구동부(110)의 회전축(111)과 연결되는 고정단(121)과 고정단(121)의 반대측 말단에 위치되는 지지단(123)을 가진다.

이송축(120)은 볼스크류로 구비되는 것이 바람직하다.

이송축(120)은 축회전 구동부(110)에 의해 축회전되도록 회전축(111)과 연결되는데, 이송축(120)과 회전축(111)의 연결은 커플링(160)에 의해 연결된다.

이송축(120)의 양단 중 지지단(123)은 이송축(120)이 평행하게 유지되기 위한 지지가 필요한데, 이를 위해 지지단 지지블록(140)이 구비된다.

또한 고정단(121)의 지지를 위해 고정단 지지블록(170)이 구비된다.

슬라이더(130)는 이송축(120)에 결합되어 이송축(120)의 회전에 따라 이송축(120)의 길이방향(x방향), 즉 축방향으로 직선 왕복 운동을 하도록 구비된다.

슬라이더(130)는 볼스크류로 구비되는 이송축(120)과 결합되는 볼스크류 너트로 구비되는 것이 바람직하다.

지지단 지지블록(140)은 이송축(120)이 끼워져 높이(y)방향으로 지지될 수 있도록 이송축(120)의 축방향으로 관통된 축 수용홀을 가진다.

한편 이송축(120)의 회전시 지지단(123)과 지지단 지지블록(140) 사이의 마찰을 감소시키기 위해 이송축(120)은 베어링(141)에 끼워져 지지단 지지블록(140)에 결합되는데, 베어링(141)의 위치 고정을 위해 지지단 지지블록(140)에는 베어링 수용부(143)가 구비된다.

여기서, 베어링 수용부(143)는 축 수용홀의 직경이 베어링(141)이 수용될 수 있는 정도로 확장되어 형성된다.

이때, 베어링 수용부(143)는 축 수용홀의 직경을 이송축(120)의 축방향(x방향)으로 일정하게 형성함으로써 직경이 일정한 구멍으로 형성된다.

이와 달리, 베어링 수용부(143)는 축 수용홀의 직경을 이송축(120)의 축방향(x방향)으로 적어도 1회 계단식으로 감소시켜 형성함으로써 베어링 지지단(123)을 구비하여 이송축(120)의 축방향으로 베어링(141)을 지지할 수 있도록 형성될 수 있다.

탄성 지지블록(150)은 지지단 지지블록(140)에 구비되며 이송축(120)을 탄성 지지하도록 구비된다. 구체적으로 탄성 지지블록(150)은 베어링 수용부(143)의 내측에 구비된다.

탄성 지지블록(150)은 지지단(123)이 이송축(120)의 반경(radial)방향으로 유동될 수 있도록 탄성 지지한다.

본 예에서, 탄성 지지블록(150)은 베어링(141)의 외연과 베어링 수용부(143)의 내면 사이에 구비된다.

이를 위해, 베어링 수용부(143)는 베어링(141)의 외경보다 크게, 즉 베어링(141)이 수용된 상태에서 빈공간이 존재하도록 구비된다. 이때 베어링 수용부(143)의 형상은 다각형으로 구비될 수 있다.

바람직하게는, 베어링 수용부(143)는 베어링(141)과 같은 원형으로 형성되고, 베어링(141)의 외경보다 큰 내경을 가지도록 형성된다.

이 경우 탄성 지지블록(150)은 고리모양의 탄성부재로 구비될 수 있다. 또한 이 경우 베어링(141)은 그 중심과 베어링 수용부(143)의 중심이 서로 일치되도록 베어링 수용부(143)에 수용된다.

한편, 탄성 지지블록(150)은 베어링(141)의 외연 전체가 베어링 수용부(143)의 내면 전체에 밀착되도록 구비되는 것이 바람직하다.

이에 의해 이송축(120)의 반경(radial)방향 중 지지단(123)이 유동되는 임의의 반경방향에 대해서도 탄성력을 인가하여 유동되는 변위를 감쇄시킬 수 있기 때문이다.

한편, 본 예에 있어서 탄성 지지블록(150)은 사출성형에 의해 고리모양으로 구비된다.

이와 달리, 베어링(141)의 외연과 베어링 수용부(143)의 내면 사이에 충진된 후 굳어져 형성될 수 있도록 유동성을 가지는 액상물질로 구비되는 것도 가능하다. 이 경우 탄성 지지블록(150)의 형성이 용이한 이점을 가지며, 베어링(141)의 외연 전체가 베어링 수용부(143)의 내면 전체에 밀착되는 것을 담보할 수 있는 이점을 가지게 된다.

여기서 베어링(141)의 외연과 베어링 수용부(143)의 내면 사이의 최적의 폭은 탄성 지지블록(150)을 형성하는 물질의 탄성력과 이송축(120)의 두께, 고정단 지지블록(170)과 지지단 지지블록(140) 사이의 간격의 함수로 판단되며, 이러한 결과의 도출은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 토대로 몇 번의 시행착오만으로도 도출해낼 수 있을 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 직각좌표 로봇에 있어서 지지단 지지블록의 다양한 변형 예를 보인 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 예에 있어서 지지단 지지블록(140)은 탄성 부재로 구비된다. 이에 의하면 별도의 탄성 지지블록(150)의 구비 없이 지지단(123)에 탄성력을 부여할 수 있게 된다.

나아가, 지지단 지지블록(140)와 탄성 지지블록(150)이 서로 다른 탄성 강도를 갖는 탄성 부재로 구비될 수 있다. 예를 들어, 지지단 지지블록(140)을 탄성 강도가 상대적으로 큰 탄성 부재로 구비하고, 탄성 지지블록(150)를 상대적으로 작은 탄성 강도를 갖는 부재로 구비하거나, 이것의 역으로 구비하는 것이다.

이 경우 탄성 강도의 조합으로 이송축(120)의 두께, 간격의 길이, 회전속도와 같은 직교좌표 로봇의 사용 조건에 대한 적절한 대응이 가능한 이점을 가진다.

이상과 같이, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 개시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예 중 일 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형물들에 의해 대체될 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (10)

1. 축회전 구동부;
   상기 축회전 구동부에 연결되는 고정단과 상기 고정단의 반대측에 위치되는 지지단을 가지는 이송축;
   상기 이송축에 결합되어 상기 이송축의 회전에 따라 상기 이송축의 축방향으로 직선 왕복 운동을 하는 슬라이더;
   상기 고정단을 회전가능하게 지지하는 고정단 지지블록;
   상기 지지단을 회전가능하게 지지하는 지지단 지지블록; 및
   상기 지지단 지지블록에 구비되며 상기 이송축을 탄성 지지하는 탄성 지지블록;을 포함하고,
   상기 지지단 지지블록은, 상기 이송축이 끼워져 결합되는 베어링이 수용되는 베어링 수용부;로서 상기 베어링이 수용된 상태에서 빈공간이 존재하도록 형성되는 베어링 수용부;를 가지며,
   상기 탄성 지지블록은 상기 이송축의 반경(radial)방향으로 상기 베어링의 외연과 상기 베어링 수용부의 내면 사이에 구비되되, 상기 베어링의 외연 전체와 상기 베어링 수용부의 내면 전체에 밀착되도록 구비되어, 상기 지지단이 상기 이송축의 반경(radial)방향으로 유동될 수 있도록 탄성 지지하며,
   상기 축회전 구동부로부터 가장 멀리 위치되는 상기 지지단을 상기 탄성 지지블록을 이용하여 지지함으로써, 상기 이송축의 회전시 상기 지지단에서 상기 이송축의 반경방향으로의 변위가 허용되며, 상기 지지단의 변위는 상기 슬라이더의 직선 왕복 운동에 의한 상기 이송축의 중간부분의 변위를 줄여 상기 슬라이더의 진동의 발생을 방지하게 되며, 상기 이송축의 위험 회전속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 베어링 수용부와 상기 베어링은 동심원 상으로 배치되며,
   상기 탄성 지지블록은, 고리모양의 탄성부재로 구비되는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄성 지지블록은 상기 베어링의 외연과 상기 베어링 수용부의 내면 사이에 충진되어 구비되는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 베어링은 상기 베어링 중심과 상기 베어링 수용부의 중심이 서로 일치되도록 상기 베어링 수용부에 수용되는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 이송축은 볼스크류로 구비되는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 지지단 지지블록은 탄성 부재로 구비됨으로써, 상기 탄성 지지블록은 상기 지지단 지지블록과 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지단 지지블록은 제1 탄성강도를 가지는 제1 탄성 부재로 구비되며,
    상기 탄성 지지블록은 제1 탄성강도를 가지는 제2 탄성 부재로 구비되는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇.

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