KR101810689B1 - 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는, 보링 스핀들(40)이 설치되는 테일 바디(10); 상기 테일 바디(10)에 배치된 이송 브래킷(26)을 이동시켜 상기 보링 스핀들(40)을 진퇴 이동시키는 이송 유닛(20); 상기 이송 브래킷(26)에 일측이 고정되고 타측이 반전되도록 굴절되며 타측 단부는 상기 이송 브래킷(26)의 운동방향과 반대 방향으로 운동되는 제1 거동 유도 유닛(100); 상기 제1 거동 유도 유닛(100)의 타측 단부에 배치되는 거동 비례 유닛(200); 상기 거동 비례 유닛(200)에 일측이 배치되고 상기 보링 스핀들(40)의 이동 변위에 비례하여 거동 비례 유닛(200)에 의해 거동되는 제2 거동 유도 유닛(110); 및 상기 제2 거동 유도 유닛(110)의 일측에 설치되고 상기 제2 거동 유도 유닛(110)의 거동에 의해 이동되며 상기 보링 스핀들(40)에서 발생하는 진동을 저감하도록 하는 질량체(300);를 포함한다.

Description

보링 스핀들의 진동 감쇠 장치{Vibration damping device for Boring spindle}

본 발명은 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보링 스핀들에서 발생하는 진동을 감쇠할 수 있도록 하는 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치에 관한 것이다.

NC 보링 머신과 같은 공작기계는 보링 스핀들의 한쪽에 절삭공구(tool)를 장착하고, 그 절삭공구를 이용하여 가공물에 대한 다양한 가공을 수행한다.

특히, NC 보링 머신은 보링 스핀들 돌출 길이가 조정되는 대형 공작기계로서 절삭 성능 향상을 통하여 생산성 극대화를 꾀한다.

NC 보링 머신의 보링 스핀들의 구성은 첨부도면 도 1을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.

첨부도면 도 1은 보링 스핀들을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, NC 보링 머신의 테일 바디(10)에 이송 유닛(20)과 구동 유닛(30)이 배치된다. 보링 스핀들(40)은 이송 유닛(20)에 의해 진퇴되고 구동 유닛(30)에 의해 회전된다.

이송 유닛(20)은 이송 모터(22)에 의해 구동되는 볼 스크루(24)와 상술한 볼 스크루(24)에 나사 결합되는 너트 블록(27)과 상술한 너트 블록(27)이 설치되고 보링 스핀들(20)의 한쪽에 조립된 이송 브래킷(26)을 포함하여 구성된다.

한편, 테일 바디(10)의 한쪽에 LM가이드(28)가 설치되고, 상술한 이송 브래킷(26)은 LM 가이드(28)에 의해 이동이 안내되며, 나아가 LM가이드(28)는 이송 브래킷(26)의 선형 이동을 안내한다.

상술한 바와 같이, 보링 스핀들(40)은 가공이 수행되는 동안에 테일 바디(10)에서 진퇴되므로 보링 스핀들(40)의 돌출되는 거리가 빈번하게 변화될 수 있다.

즉, 보링 스핀들(40)은 외팔보의 형태로 배치된 상태에서 구동되므로 진동이 발생하고, 보링 스핀들(40)의 돌출되는 정도의 길이가 변화되면 진동 주파수가 변화되는 것이다.

한편, 공작 기계에서 기계 성능을 평가하는 중요 인자의 하나로 최대 안정 절삭 깊이가 있다. 최대 안정 절삭 깊이는, 예컨대 공작 기계의 가공에 사용되는 모든 회전 속도 영역에서 채터(chatter)가 발생하지 않는 임계 절삭 깊이로 정의될 수 있다.

즉, 절삭 등과 같은 가공 작업을 수행할 때, 공작 기계가 수행할 수 있는 모든 가능한 회전 속도 영역에서 절삭 공구와 가공물(소재) 사이의 상대 진동이 발생하지 않는 최대 안정 절삭 깊이로써 기계 성능이 평가될 수 있으며, 이 최대 안정 절삭 깊이가 향상될수록 기계 성능이 우수한 것으로 평가될 수 있다.

최대 안정 절삭 깊이를 결정하는 특성은 예컨대 동강성(dynamic stiffness)으로서 강성과 감쇠능(damping capacity)으로 결정된다.

필요한 동강성 확보를 위해서 자동차, 건설 등의 다양한 산업 분야에서 다이내믹 애브소버(Dynamic Absorber)를 이용한다.

다이내믹 애브소버의 일례로서 동조 질량 감쇠기(Tuned Mass Damper)가 있고, 이러한 동조 질량 감쇠기는 기계기구의 강성 저하를 발생시키지 않으며 가격적으로 경제적이므로 정밀 공작기계에 적합한 것으로 알려져 있다.

일반적인 동조 질량 감쇠기는 스핀들 가공점의 특정 진동 주파수와 유사한 진동 주파수 특성을 갖는 수동 형식(Passive Type)이다.

따라서 보링 스핀들과 같이 스핀들 계의 진동 주파수가 변동이 될 때에는 변화되는 진동을 감쇠하는 데에 있어서 감쇠 효과가 저감되는 문제점이 있다.

한편 다양한 산업분야에서 널리 사용되기 위해서는 다양한 진동 주파수에 대응하는 높은 감쇠 효과와 경제적인 적용이 동시에 요구된다.

등록실용신안공보 제20-0211429호(2000.11.13) 특허문헌 1에는 스핀들에서 발생하는 원심력에 의한 떨림을 방지하도록 스핀들 회전지지구가 설치되는 기술이 기재되어 있다. 등록실용신안공보 제20-0393862호(2005.08.18.) 특허문헌 2에는 웨이트 밸런스(weight balance)를 구비하고 웨이트 밸런스를 수동으로 이동시켜 보링 바의 무게 중심을 조절하도록 하는 기술이 기재되어 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보링 스핀들처럼 돌출 길이가 가변되어 진동 주파수가 변화되더라도 질량체의 위치를 능동적으로 가변시켜 진동을 감쇠할 수 있도록 하는 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는, 보링 스핀들이 설치되는 테일 바디; 상기 테일 바디에 배치된 이송 브래킷을 이동시켜 상기 보링 스핀들을 진퇴 이동시키는 이송 유닛; 상기 이송 브래킷에 일측이 고정되고 타측이 반전되도록 굴절되며 타측 단부는 상기 이송 브래킷의 운동방향과 반대 방향으로 운동되는 제1 거동 유도 유닛; 상기 제1 거동 유도 유닛의 타측 단부에 배치되는 거동 비례 유닛; 상기 거동 비례 유닛에 일측이 배치되고 상기 보링 스핀들의 이동 변위에 비례하여 거동 비례 유닛에 의해 거동되는 제2 거동 유도 유닛; 및 상기 제2 거동 유도 유닛의 일측에 설치되고 상기 제2 거동 유도 유닛의 거동에 의해 이동되며 상기 보링 스핀들에서 발생하는 진동을 저감하도록 하는 질량체;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치의 상기 거동 비례 유닛은, 상기 테일 바디에 설치되고 상기 제1 거동 유도 유닛에 회전되는 제1 기어; 상기 제1 기어의 한쪽에 형성된 제2 기어; 상기 테일 바디에 설치되고 상기 제2 기어와 맞물리는 제3 기어; 및 상기 제3 기어의 한쪽에 형성되고 상기 제2 거동 유도 유닛을 선형 이동시키는 제4 기어;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는, 상기 제2 기어의 피치원 크기보다 상기 제3 기어의 피치원 크기가 더 큰 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는, 상기 제1 거동 유도 유닛의 양측에 배치되어 상기 제1 거동 유도 유닛이 거동될 때에 상기 제1 거동 유도 유닛이 임의방향으로 굴절되지 않도록 하는 가이드 유닛;을 더 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는 보링 스핀들의 진퇴시키도록 하는 이송 유닛과 연동하여 질량체의 위치를 능동적으로 이동시킬 수 있고, 이로써 진동 주파수가 가변되더라도 질량체의 상대 위치가 능동적으로 가변되어 진동 주파수에 상응하여 효과적으로 감쇠시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는 이송 유닛과 연동되어 구동되므로 질량체를 이동시키도록 하는 별도의 액추에이터를 필요로 하지 않는다.

도 1은 보링 스핀들을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치에서 비례 거동 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 비교예에 따른 보링 스핀들의 진동 해석 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치가 적용된 보링 스핀들의 진동 해석 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하고, 종래의 기술과 동일한 구성에 대하여 동일한 부호를 부여하고 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치에 대해서 설명한다.

첨부도면 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치를 설명하기 위한 도면이고, 첨부도면 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치에서 비례 거동 유닛을 설명하기 위한 도면이다.

테일 바디(10)에는 이송 유닛(20)과 구동 유닛(30)이 배치되고, 이송 유닛(20)은 보링 스핀들(40)을 진퇴 이동시키도록 하고, 구동 유닛(30)은 보링 스핀들(40)을 회전 구동시키도록 한다.

이송 유닛(20)은 이송 모터(22)와 볼 스크루(24)와 너트 블록(27)과 이송 브래킷(26)과 LM가이드(28)를 포함하여 구성 된다.

이송 모터(22)는 테일 바디(10)의 한쪽에 설치되어 회전 동력을 발생하고, 볼 스크루(24)는 이송 모터(22)의 회전 동력에 의해 회전하며, 너트 블록(27)은 볼 스크루(24)와 나사 결합한다.

한편, 너트 블록(27)은 이송 브래킷(26)에 설치되고, 이송 브래킷(26)의 한쪽에는 LM 가이드(28)에 의해 테일 바디(10)에서 선형 운동이 안내된다.

즉, 이송 모터(22)의 구동력은 볼 스크루(24)를 회전 운동시키고, 볼 스크루(24)는 너트 블록(27)과의 나사 결합에 의해 이송 브래킷(26)을 선형 운동하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는 상술한 이송 브래킷(26)의 운동 변위와 운동 방향에 대하여 질량체(300)을 능동적으로 이동시키도록 하는 것이다.

좀 더 상세하게는, 이송 브래킷(26)의 한쪽에는 제1 거동 유도 유닛(100)을 구비하고, 제1 거동 유도 유닛(100)의 다른 한쪽에는 거동 비례 유닛(200)을 배치하며, 거동 비례 유닛(200)의 한쪽에는 제2 거동 유도 유닛(110)에 의해 거동이 가능하도록 하는 질량체(300)를 배치한다.

상술한 제1, 제2 거동 유도 유닛(100)(110)은 일례로서 다관절 링크로 구성되어 어느 한쪽 링크와 다른 한쪽 링크가 수평을 이루는 방향에서 어느 한쪽 방향으로 절곡이 가능하지만 반대 방향으로 절곡이 불가능하도록 구성되는 것일 수 있다.

또한, 상술한 제1, 제2 거동 유도 유닛(100)(110)의 다른 예로서 링크와 핀으로 구성되는 체인일 수 있다.

한편, 상술한 제1, 제2 거동 유도 유닛(100)(110)은 소망하는 방향으로 거동을 유도하거나 임의의 방향으로 굴절되지 않도록 제1, 제2 거동 유도 유닛(100)(110)의 한쪽에 가이드 유닛(400)이 더 구비될 수 있다.

상술한 제1 거동 유도 유닛(100)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 한쪽 끝부분은 이송 브래킷(26)의 한쪽에 고정되고, 일부분은 반전되도록 굴절되어 배치되며, 다른 한쪽 끝부분은 거동 비례 유닛(200)쪽으로 배치된다.

즉, 이송 브래킷(26)이 어느 한쪽 방향으로 선형 운동하면 제1 거동 유도 유닛(100)은 당겨지거나 밀리고, 이때 제1 거동 유도 유닛(100)에서 거동 비례 유닛(200)쪽으로 배치되는 부분은 이송 브래킷(26)의 운동방향과 반대방향으로 운동하게 된다.

거동 비례 유닛(200)은 제1 거동 유도 유닛(100)의 타측 단부에 배치되고 보링 스핀들(40)의 이동 변위에 비례하여 제2 거동 유도 유닛(110)을 거동하도록 한다.

좀 더 상세하게는, 거동 비례 유닛(200)은 제1 기어(210)와 제2 기어(212)가 함께 회전하도록 테일 바디(10)에 설치되고, 제3 기어(222)와 제4 기어(220)가 함께 회전하도록 테일 바디(10)에 설치되며, 제2 기어(212)와 제3 기어(222)는 맞물리게 배치된다.

한편, 제1 기어(210)는 체인 스프로킷과 유사한 구성으로 제공될 수 있고, 이로써 제1 거동 유도 유닛(100)과 제1 기어(210)가 맞물릴 수 있으며, 제1 거동 유도 유닛(100)의 거동에 의해 마치 래크 기어 와 피니언 기어처럼 제1 기어(210)가 회전될 수 있는 것이다.

제4 기어(220)는 제1 기어(210)와 마찬가지로 제2 거동 유도 유닛(110)과 맞물리며, 이로써 제4 기어(220)가 회전하면 제2 거동 유도 유닛(110)은 마치 래크 기어와 피니언 기어 조합처럼 선형운동을 하게 된다.

한편, 제2 기어(212)와 제3 기어(222)는 피치원의 크기가 다르게 제공될 수 있고, 이로써 제1 거동 유도 유닛(100)의 거동 변위와 제2 거동 유도 유닛(110)의 거동 변위가 비례하게 된다.

질량체(300)는 제2 거동 유도 유닛(110)의 한쪽에 고정되고, 제2 거동 유도 유닛(110)의 거동에 의해 질량체(300)의 위치가 변화된다.

한편, 질량체(300)의 한쪽에는 질량체 LM 가이드(310)가 더 구비되어 질량체(300)의 선형운동을 안내한다.

다른 한편으로, 상술한 제2 기어(212)의 피치원 크기보다 상술한 제3 기어(222)의 피치원 크기가 더 크게 제공될 수 있고, 이로써 제1 거동 유도 유닛(100)의 거동 변위에 비교하여 제2 거동 유도 유닛(110)의 거동 변위가 상대적으로 작을 수 있다.

이로써 상술한 질량체(300)를 거동시키기 위한 전용 액추에이터를 필요로 하지 않으면서도 질량체(300)를 소망하는 위치로 능동적으로 위치 변화시킬 수 있는 것이다.

또한, 별도의 전용 액추에이터를 필요로 하지 않음으로써 테일 바디(10) 또는 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치의 전체적인 외관 크기를 소형화할 수 있게 된다.

한편, 보링 스핀들(40)의 돌출되는 거리 변화에 따라 진동 주파수가 변화되는데, 질량체(300)가 능동적으로 위치를 변화됨으로써 가변되는 진동 주파수에 대응하여 보링 스핀들(40)의 진동을 감쇠시키게 된다.

이하, 첨부도면 도 4 및 도 5를 참조하여 보링 스핀들의 진동 감쇠를 설명한다.

도 4는 비교예에 따른 보링 스핀들의 진동 해석 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치가 적용된 보링 스핀들의 진동 해석 도면이다.

도 4의 (a)는 질량체가 구비되지 않은 보링 머신에서 보링 스핀들에 진동을 해석하기 위한 모델링 도면이고, 도 4의 (b)는 그 모델링을 해석한 그래프이다.

도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 질량체가 구비되지 않은 일반적인 상황에서는 측정 돌출 길이 외에 동강성 향상 효과(A부분 참조)가 미비한 것을 알 수 있다.

도 5의 (a)는 질량체(300)를 구비한 보링 머신에서 보링 스핀들에 진동을해석하기 위한 모델링 도면이고, 도 5의 (b)는 그 모델링을 해석한 그래프이다.

도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 질량체(300)를 구비함으로써 질량체를 구비하지 않을 때와 비교하여 진동 폭과 진동 주파수가 현저하게 감소되어 동강성 향상 효과(B부분 참조)를 확인할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는 질량체(300)의 위치를 변화시켜 줌으로써 보링 스핀들(40)의 돌출 길이 변동에 의한 다양한 진동 주파수에 대응하는 능동적인 동조 질량 감쇠기(Tuned Mass Damper)의 작용을 구현하는 것이다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는 보링 스핀들(40) 이외에도 스핀들 계 질량 중심 조정과 강성 조정을 위한 추가 질량 이동을 추가적인 액추에이터(Actuator)의 장착 없이 스핀들을 이송시키도록 하는 이송 유닛을 이용하여 질량체를 거동시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는 테일 바디(10)의 스핀들 구조물(tail body) 내부에 장착될 수 있으므로 가공 공정과 간섭이 없으므로 유지/보수에 유리한 이점이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는 시스템 주파수 변동에 의해 카운터 모션(Counter motion) 이송 비의 변동이 요구될 경우에는 거동 비례 유닛(200)의 기어 장치의 회전율을 변경을 통해 구현할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치는 보링 머신의 테일 바디(tail body)에 구비되어 보링 스핀들의 진동을 감쇠시키도록 하는 데에 이용될 수 있다.

10: 테일 바디 20: 이송 유닛
22: 이송 모터 24: 볼 스크루
26: 이송 브래킷 27: 너트 블록
28: LM 가이드 30: 구동 유닛
40: 보링 스핀들
100, 110: 제1, 제2 거동 유도 유닛
200: 비례 거동 유닛
210, 212, 220, 222: 제1, 제2, 제3, 제4 기어
300: 질량체
310: 질량체 LM 가이드
400: 가이드 유닛

Claims (4)

1. 보링 스핀들(40)이 설치되는 테일 바디(10);
   상기 테일 바디(10)에 배치된 이송 브래킷(26)을 이동시켜 상기 보링 스핀들(40)을 진퇴 이동시키는 이송 유닛(20);
   상기 이송 브래킷(26)에 일측이 고정되고 타측이 반전되도록 굴절되며 타측 단부는 상기 이송 브래킷(26)의 운동방향과 반대 방향으로 운동되는 제1 거동 유도 유닛(100);
   상기 제1 거동 유도 유닛(100)의 타측 단부에 배치되는 거동 비례 유닛(200);
   상기 거동 비례 유닛(200)에 일측이 배치되고 상기 보링 스핀들(40)의 이동 변위에 비례하여 거동 비례 유닛(200)에 의해 거동되는 제2 거동 유도 유닛(110); 및
   상기 제2 거동 유도 유닛(110)의 일측에 설치되고 상기 제2 거동 유도 유닛(110)의 거동에 의해 이동되며 상기 보링 스핀들(40)에서 발생하는 진동을 저감하도록 하는 질량체(300);
   를 포함하는 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 거동 비례 유닛(200)은
   상기 테일 바디(10)에 설치되고 상기 제1 거동 유도 유닛(100)에 회전되는 제1 기어(210);
   상기 제1 기어(210)의 한쪽에 형성된 제2 기어(212);
   상기 테일 바디(10)에 설치되고 상기 제2 기어(212)와 맞물리는 제3 기어(222); 및
   상기 제3 기어(222)의 한쪽에 형성되고 상기 제2 거동 유도 유닛(110)을 선형 이동시키는 제4 기어(220);
   를 포함하는 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제2 기어(212)의 피치원 크기보다 상기 제3 기어(222)의 피치원 크기가 더 큰 것을 특징으로 하는 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 거동 유도 유닛(100)의 양측에 배치되어 상기 제1 거동 유도 유닛(100)이 거동될 때에 상기 제1 거동 유도 유닛(100)이 임의방향으로 굴절되지 않도록 하는 가이드 유닛(400);
   을 더 포함하는 보링 스핀들의 진동 감쇠 장치.

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