KR101705140B1 - 자기베어링이 적용된 스핀들 - Google Patents

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박철훈
홍두의
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 자기베어링이 적용된 스핀들에 관한 것으로, 상세하게는 회전하는 스핀들을 반경방향 및 축방향으로 지지하기 위해, 외주연에 반경방향 및 축방향 자기베어링이 구비되며, 스핀들 내부에 위치한 드로우바 및 축방향 자기베어링의 변위를 감지하기 위한 센서를 단일 개로 구비함으로써 스핀들의 구성을 단순화시킬 수 있는 효과가 있는 것을 특징으로 하는 자기베어링이 적용된 스핀들에 관한 것이다.

Description

자기베어링이 적용된 스핀들{Spindle with magnetic bearings}
본 발명은 자기베어링이 적용된 스핀들에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전하는 스핀들을 반경방향 및 축방향으로 지지하기 위해, 외주연에 반경방향 및 축방향 자기베어링이 구비되며, 스핀들 내부에 위치한 드로우바 및 축방향 자기베어링의 변위를 감지하기 위한 센서를 단일 개로 구비함으로써 스핀들의 구성을 단순화시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 머시닝 센터 등의 CNC 공작기계는 공구가 주축에 올바르게 장착되어 있는지의 여부를 확인 할 필요가 있다. 주축에 공구가 정확하게 장착되지 않은 상태에서 공구를 회전시키면 공구가 주축에서 이탈할 할 경우 위험한 상황이 발생할 수도 있으므로 안전을 위하여 공구가 정확하게 장착되어 있는가를 반드시 확인할 필요가 있다.
따라서 자동공구교환장치가 있는 주축의 경우, 특히 고정 번지 방식 툴 메거진(Fixed address methodof tool magazine)을 가진 공작기계에서는 반드시 공구 장착의 유무 확인기능이 있어야 한다. 고정 번지 방식 툴 매거진(Fixed address method of tool magazine)을 가진 공작기계에서는 툴 매거진(Tool magazine)에 공구가 있고 주축에도 공구가 장착되어 있는 상태에서 자동 공구 교환을 할 경우 충돌사고가 발생하여 많은 비용과 시간이 소요되므로 반드시 매거진(Magazine)뿐만 아니라 공작기계의 주축에도 반드시 공구 장착의 유무 확인기능이 있어야 한다.
그 일예로서, 한국공개특허 제2009-0054484호("공작기계의 스핀들 공구 클램프 확인장치")에서는 공작기계의 스핀들 공구클램프 확인 장치가 게시되어 있다. 게시된 클램프 확인장치는 공구를 고정하는 그리퍼(Gripper)이 설치된 스핀들; 이 스핀들의 내부에 구비되고 일단부에 조정칼라가 착탈 가능하게 구비되며, 일측 또는 타측으로 이동 가능한 드로우바; 피스톤의 실린더로드의 일단에 고정되고 상기 조정칼라와 마주하는 푸시블록; 상기 실린더로드의 상부캡의 일측에 구비된 위치검출용 도그; 상기 피스톤을 수용하는 실린더바디의 일측에 브레킷을 매개로 하여 상부와 하부에 각각 구비된 제1,2 위치검출용 스위치; 및 외주면에 차단돌기가 형성되고 축선을 따라 에어 안내를 위한 유로를 갖는 차단부재를 포함하여 구성되며, 상기 푸시블록의 일단부는 상기 차단부재의 차단돌기의 일측부와 접촉 또는 해제되는 걸림턱이 형성되며, 상기 차단부재는 고정수단을 매개로 하여 상기 드로우바의 상단부에 탈착 가능하게 고정된다.
상술한 바와 같이 구성된 종래 공작기계의 자동공구 교환 장치용 공구 클램프 확인장치는 위치 검출용 도그의 상하부측에 위치되는 제 1,2위치 검출용 스위치를 이용하여 드로우바의 위치을 검출하는 것으로, 제 1,2스위치가 온, 오프를 감지하여 공구클램프 위치를 검출한다. 이러한 검출장치는 구조가 상대적으로 복잡하고, 검출에 따른 신뢰성이 상대적으로 낮은 문제점이 있다.
또한, 기존 스핀들에 대부분 적용되는 볼 베어링은 회전체의 회전 시 마찰에 의해 회전력의 손실이 크게 발생한다. 이를 최소화하기 위해, 최근 스핀들에 다양한 종류의 베어링이 시도되고 있지만, 마찰 및 베어링 선속도의 한계에 의해 특정 속도 이상의 고속 스핀들을 구현하는 것이 불가능한 문제점이 있다.
한국공개특허 제2009-0054484호(공개일자2009.06.01)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 회전하는 스핀들을 반경방향 및 축방향으로 지지하기 위해, 외주연에 반경방향 및 축방향 자기베어링이 구비되며, 스핀들 내부에 위치한 드로우바 및 축방향 자기베어링의 변위를 감지하기 위한 센서를 단일 개로 구비함으로써 스핀들의 구성을 단순화시킬 수 있는 자기베어링이 적용된 스핀들을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기베어링이 적용된 스핀들은 외관을 형성하는 바디부의 내부에 길이방향으로 구비된 스핀들; 상기 스핀들 내부에 길이방향으로 구비되는 드로우바; 상기 스핀들의 외주연에 구비되는 다수 개의 자기베어링; 및 상기 자기베어링과 전기적으로 연결되며 상기 바디부 내부에 구비된 다수 개의 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 드로우바는 후단부 외주연을 감싸는 함체로 형성된 무빙코어가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자기베어링은 상기 스핀들의 전방부 외주연에 구비되며, 상기 스핀들 전방부의 반경방향 부하를 지지하기 위한 제 1 자기베어링; 상기 스핀들의 후방부 외주연에 구비되며, 상기 스핀들 후방부의 반경방향 부하를 지지하기 위한 제 2 자기베어링; 및 상기 스핀들의 후단과 연결되어 구비되며, 상기 롤러의 축방향 부하를 지지하기 위한 제 3 자기베어링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서는 상기 스핀들 전방부 및 후방부 외주연에 소정 간격 이격되어 구비된 제 1 센서;제 2 센서; 및 상기 무빙코어의 외주연에 소정 간격 이격되어 구비된 제 3 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 3 센서는 상기 스핀들의 구동여부에 따라 자기베어링제어기; 및 공작기계 메인제어기;와 선택적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 3 센서는 상기 스핀들이 정지시, 전기적으로 연결된 상기 공작기계 메인제어기로 상기 스핀들의 상태를 전송하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 3 센서는 상기 스핀들이 구동시, 전기적으로 연결된 상기 자기베어링제어기로 신호가 교류되어 상기 제 3 자기베어링의 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 3 센서는 상기 스핀들이 구동시, 전기적으로 연결된 상기 자기베어링제어기로 신호가 교류되어 상기 제 3 자기베어링의 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 외관을 형성하는 바디부의 내부에 길이방향으로 구비된 스핀들; 상기 스핀들 내부에 길이방향으로 구비되는 드로우바; 상기 스핀들과 마주보는 상기 바디부에 구비되는 다수 개의 자기베어링; 및 상기 자기베어링과 전기적으로 연결되며 상기 바디부에 구비된 다수 개의 센서; 를 포함하며, 상기 드로우바는 후단부 외주연을 감싸는 함체로 형성된 무빙코어가 구비되고, 상기 센서는 상기 무빙코어의 외주연에 소정 간격 이격 구비되어 상기 드로우바의 축방향 변위를 측정하는 제3 센서를 포함하고, 상기 제3 센서는 상기 스핀들의 구동여부에 대응하여 자기베어링제어기 또는 공작기계 메인제어기와 선택적으로 연결되어, 상기 스핀들 정지 시 공구 교환 상태를 공작기계 메인제어기로 전송하고, 상기 스핀들 구동 시 전기적으로 연결된 상기 자기베어링제어기로 상기 스핀들의 축방향 위치신호를 전송하여 상기 자기베어링에 입력되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 자기베어링이 적용된 스핀들은 회전하는 스핀들을 반경방향 및 축방향으로 지지하기 위해, 외주연에 반경방향 및 축방향 자기베어링이 구비되며, 스핀들 내부에 위치한 드로우바 및 축방향 자기베어링의 변위를 감지하기 위한 센서를 단일 개로 구비함으로써 스핀들의 구성을 단순화시킴에 따라 제작 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들의 부분 확대 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들의 구성 예시도.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자기베어링이 적용된 스핀들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 외관을 형성하는 바디부(10)의 내부에 길이방향으로 구비된 스핀들(100); 상기 스핀들(100) 내부에 길이방향으로 구비되는 드로우바(200); 상기 스핀들(100)의 외주연에 구비되는 다수 개의 자기베어링(300,310,320,330); 및 상기 자기베어링(300,310,320,330)과 전기적으로 연결되며 상기 바디부(10) 내부에 구비된 다수 개의 센서(400,410,420,430);를 포함하는 구성일 수 있다.
여기서, 상기 바디부(10)는 일반적인 공작기계의 주축을 말하며, 내부에 구비되는 상기 스핀들(100) 및 드로우바(200)도 공지된 기술임으로 상세한 설명은 생략될 수 있다.
또한, 일반적으로 상기 스핀들(100)의 전방부는 공구가 배치되어 상기 드로우바(200)가 전방부로 이동되면 공구가 언클램핑되며, 후방부로 이동되면 클램핑되는 구성일 수 있다.
하기는 상기 스핀들(100)에 구비되는 다수 개의 자기베어링 및 센서에 대한 설명이다.
상기 자기베어링은 상기 스핀들(100)의 전방부 외주연에 구비되며, 상기 스핀들(100) 전방부의 반경방향 부하를 지지하기 위한 제 1 자기베어링(300,310); 상기 스핀들(100)의 후방부 외주연에 구비되며, 상기 스핀들(100) 후방부의 반경방향 부하를 지지하기 위한 제 2 자기베어링(300,320); 및 상기 스핀들(100)의 후단과 연결되어 구비되며, 상기 스핀들(100)의 축방향 부하를 지지하기 위한 제 3 자기베어링(300,330);을 포함할 수 있다.
상기 제 1 자기베어링(300,310), 제 2 자기베어링(300,320) 및 제 3 자기베어링(300,330)은 종래에 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략될 수 있다.
상기 스핀들(100)은 상기 제 1 자기베어링(300,310), 제 2 자기베어링(300,320) 및 제 3 자기베어링(300,330)이 적용됨으로써, 선속도를 향상시킬 수 있으며 상기 스핀들(100)과 상기 자기베어링이 비접촉으로 구동됨에 따라 모터 회전력 손실이 없으며 마찰 및 마모에 의한 유지보수가 불필요한 효과가 있을 수 있다.
하기는 상기 제 1 자기베어링(300,310), 제 2 자기베어링(300,320) 및 제 3 자기베어링(300,330)과 전기적으로 연결된 센서를 기술한다.
상기 센서는 상기 스핀들(100) 전방부 및 후방부 외주연에 소정 간격 이격되어 구비된 제 1 센서(400,410);제 2 센서(400,420); 및 상기 무빙코어의 외주연에 소정 간격 이격되어 구비된 제 3 센서(400,430);를 포함할 수 있다.
상기 제 1 센서(400,410) 및 제 2 센서(400,420)는 상기 제 1 자기베어링(300,310) 및 제 2 자기베어링(300,320)과 각각 연계되어 상기 스핀들(100)의 반경방향을 감지하며 상기 스핀들(100)의 변위를 측정하는 센서일 수 있다.
여기서, 일반적으로 스핀들(100)은 축방향을 감지하는 센서가 구비되어야 하고, 드로우바(200)의 축방향 구동을 감지하는 센서가 필요하다.
따라서, 상기 스핀들(100)은 상기 제 3 자기베어링(300,330)과 연계된 센서 및 상기 드로우바(200)와 연계된 센서가 필요한데, 이를 한번에 측정 가능하도록 본 발명에서는 상기 제 3 센서(400,430)를 구비한 것일 수 있다.
상기 제 3 센서(400,430)는 상기 드로우바(200)의 후방부에 위치하며, 상기 제 3 자기베어링(300,330)을 제어하고 상기 드로우바(200)의 구동 상태를 측정할 수 있다.
이를 위해, 상기 드로우바(200)의 후방부에는 상기 제 3 센서(400,430)의 내주연에 배치되는 무빙코어가 구비될 수 있다.
자세히 알아보기 위해, 하기에 기술된 도면을 살펴보도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들(100)의 부분 확대 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상기 드로우바(200)는 후단부 외주연을 감싸는 함체로 형성된 무빙코어가 구비될 수 있다.
상기 무빙코어는 상기 드로우바(200)의 외주연에 끼움결합되며, 비자화 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 무빙코어는 상기 드로우바(200)에 의해 이동될 수 있다.
따라서, 상기 무빙코어는 별도로 구동되는 것이 아니라, 상기 드로우바(200)의 길이방향 움직임에 따라 함께 연동되어 구동될 수 있다.
한편, 상기 바디부(10)는 내부에 플레이트 형상으로 된 연결부(11)가 상기 제 3 센서(400,430)와 맞닿게 형성될 수 있다.
상기 제 3 센서(400,430)는 상기 연결부(11)와 볼트 결합되어 고정될 수 있다.
또한, 상기 제 3 센서(400,430)는 상기 무빙코어의 외주연을 감지함에 따라, 상기 무빙코어가 길이방향으로 이동되면 자동으로 상기 드로우바(200)의 상태를 알 수 있다.
여기서, 일반적으로, 상기 드로우바(200)는 전방부로 이동되면 즉, 상기 제 3 센서(400,430)의 후단보다 상기 드로우바(200)의 후단이 소정 간격 전단부를 향해 있을 때에는, 상기 드로우바(200)가 공구를 언클램핑한 상태로 확인될 수 있다.
또한, 상기 드로우바(200)는 상기 제 3센서의 후단과 상기 무빙코어의 후단 위치가 동일할 경우, 상기 드로우바(200)가 공구를 클램핑하고 있는 상태로 확인될 수 있다.
또한, 상기 드로우바(200)는 상기 제 3 센서(400,430)의 후단보다 상기 무빙코어의 후단이 보다 후방부로 향해 있을 시에는, 상기 드로우바(200)는 클램프 위치로 이동되고 있지만 공구를 클램핑하고 있지 않은 상태를 확인할 수 있다.
자세히 알아보기 위해, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들(100)의 구성 예시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 제 3 센서(400,430)는 상기 스핀들(100)의 구동여부에 따라 자기베어링제어기; 및 공작기계 메인제어기(30);와 선택적으로 연결될 수 있다.
자세히 알아보면, 상기 제 3 센서(400,430)는 상기 스핀들(100)이 정지시, 전기적으로 연결된 상기 공작기계 메인제어기(30)로 상기 스핀들(100)의 상태를 전송될 수 있으며, 상기 스핀들(100)이 구동시, 전기적으로 연결된 상기 자기베어링제어기로 신호가 교류되어 상기 제 3 자기베어링(300,330)의 전류를 제어할 수 있다.
이와 같이, 주축에서 공구의 교환은 상기 스핀들(100)의 회전을 정지시킨 상태에서 상기 드로우바(200)를 전방부 즉, 언클램핑 위치로 이동시켜 클램핑하고 있던 공구를 언클램프하여 공구를 교체한 뒤 상기 드로우바(200)를 후방부 즉, 클램핑 위치로 이동시켜 새로운 공구를 클램핑함으로써 공구 교환이 종료됨을 확인하고, 공작기계 메인제어기(30)로 지령을 내려 상기 스핀들(100)이 회전을 할 수 있게 되는 구성일 수 있다.
또한, 기존에는 스핀들(100)이 정지시, 공구 교환 상태를 드로우바(200)와 연결된 센서가 공작기계 메인제어기(30)로 전송되며, 스핀들(100)이 동작시, 별도로 구비된 축방향 변위센서가 자기베어링 제어기(20)로 연결되어 축방향 자기베어링의 전류제어를 위한 피드백 센서로 사용하였다.
이와 반면에, 본 발명은 상기 스핀들(100)이 정지시에 공구의 클램핑, 언클램핑 및 공구가 없는 상태를 상기 제 3 센서(400,430)가 감지하여 상기 공작기계 메인제어기(30)로 전송할 수 있다.
또한, 상기 스핀들(100)이 구동시에 상기 제 3 센서(400,430)가 상기 자기베어링 제어기(20)로 연결되어 전류 앰프(40)를 거쳐 상기 제 3 자기베어링(300,330)의 전류제어를 위한 피드백 센서로 작동될 수 있다.
다시 한 번 말하자면, 상기 스핀들(100)은 공구교환를 위해 사용되는 상기 스핀들(100) 후방부에 상기 무빙코어를 부착하고 상기 제 3 센서(400,430)의 코일에 AC전류를 인가하여 상기 스핀들(100)의 축방향 위치를 측정할 수 있다.
또한, 상기 제 3 센서(400,430)는 공구 자동교체에 사용할 뿐아니라, 상기 제 3 자기베어링(300,330) 즉, 축방향 자기베어링의 제어를 위한 축방향 변위센서로 적용하여 전체 스핀들(100)의 구성을 단순화하며 제품비용을 절감할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 바디부 100 : 스핀들
200 : 드로우바 300 : 자기베어링
400 : 센서 210 : 무빙코어
310 : 제 1 자기베어링 320 : 제 2 자기베어링
330 : 제 3 자기베어링 410 : 제 1 센서
420 : 제 2 센서 430 : 제 3 센서
20 : 자기베어링 제어기 30 : 공작기계 메인제어기
40 : 전류앰프 11 : 연결부

Claims (7)

  1. 외관을 형성하는 바디부의 내부에 길이방향으로 구비된 스핀들;
    상기 스핀들 내부에 길이방향으로 구비되는 드로우바;
    상기 스핀들과 마주보는 상기 바디부에 구비되는 다수 개의 자기베어링; 및
    상기 자기베어링과 전기적으로 연결되며 상기 바디부에 구비된 다수 개의 센서; 를 포함하며,
    상기 드로우바는 후단부 외주연을 감싸는 함체로 형성된 무빙코어가 구비되고, 상기 센서는 상기 무빙코어의 외주연에 소정 간격 이격 구비되어 상기 드로우바의 축방향 변위를 측정하는 제3 센서를 포함하고,
    상기 제3 센서는 상기 스핀들의 구동여부에 대응하여 자기베어링제어기 또는 공작기계 메인제어기와 선택적으로 연결되어, 상기 스핀들 정지 시 공구 교환 상태를 공작기계 메인제어기로 전송하고, 상기 스핀들 구동 시 전기적으로 연결된 상기 자기베어링제어기로 상기 스핀들의 축방향 위치신호를 전송하여 상기 자기베어링에 입력되는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 스핀들.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 자기베어링은
    상기 스핀들의 전방부 외주연에 구비되며, 상기 스핀들 전방부의 반경방향 부하를 지지하기 위한 제 1 자기베어링;
    상기 스핀들의 후방부 외주연에 구비되며, 상기 스핀들 후방부의 반경방향 부하를 지지하기 위한 제 2 자기베어링; 및
    상기 스핀들의 후단과 연결되어 구비되며, 상기 스핀들의 축방향 부하를 지지하기 위한 제 3 자기베어링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기베어링이 적용된 스핀들.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 센서는
    상기 스핀들 전방부 및 후방부 외주연에 소정 간격 이격되어 구비된 제 1 센서;제 2 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기베어링이 적용된 스핀들.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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