KR101999261B1

KR101999261B1 - 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101999261B1
Application number: KR1020180098576A
Authority: KR
Inventors: 구본생
Original assignee: 구본생
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2019-07-11

Abstract

본 발명은 공작물을 가공하는 선반에서 스핀들을 구동하는 모터의 동력을 클러치 기구를 이용하여 척을 구동하기 위한 드로우바 및 스핀들을 포함하는 회전시스템에 선택적으로 전달할 수 있도록 한 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 클램프 동작의 초기 조건을 판단하는 클램프 구동 조건 확인부;클램프 동작을 위한 지정 스트로크 구동 제어, 토크 한계 도달 여부의 판단, 클램프 센서 인식 여부의 판단을 하여 클램프 동작시의 구동 제어를 하는 클램프 구동 제어부;현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도를 계산하고, 클러치 결합 위치까지 동작을 제어하고 클러치 결합 가능 각도 도달 여부를 판단하는 위치 조정 제어부;클러치 결합 가능 각도에 도달하면 에어피스톤을 작동하여 클러치 결합을 수행하고 엔코더 옵셋을 사용하여 클러치 결합이 이루어지면 모터 정지를 수행하는 클러치 결합 제어부;를 포함하는 것이다.

Description

공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법{Apparatus and Method for Controlling Electrical Driving System of Machine Tools}

본 발명은 공작 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전 능력을 높이고, 클램프 동작 및 언클램프 동작의 정밀도, 신뢰도를 높일 수 있도록 한 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계는 피가공물과 가공툴로 구성되어 둘 중 하나가 고정될 때, 다른 하나는 회전함으로써 피가공물의 형상을 가공하게 되는데, 회전부에 따라 선반과 밀링으로 구분할 수 있다.

상기 선반은 가공 툴은 정지된 상태에서 피가공물이 회전하는 방식으로 구성되는데, 통상적으로 피가공물을 고정되게 하는 척과 상기 척을 구동하기 위한 드로우바, 그리고 드로우바와 척, 피가공물을 회전시키는 스핀들로 구성되어 있다.

종래의 선반은 드로우바와 스핀들을 구동하기 위해 각각의 독립된 구동 시스템을 필요로 하는데, 주로 드로우바는 유압 시스템이, 스핀들은 전기시스템이 적용되어 왔다. 유압식으로 작동되는 종래의 드로우바는 구동부가 복잡하고, 척이 피가공물을 잡는 힘을 제어할 수 없을 뿐만 아니라 효율이 낮은 문제점이 있다. 이에 기존의 유압시스템을 전기 시스템으로 대체하기 위해 리드스크류를 적용하여 전동기의 회전력을 드로우바의 추력으로 변환하는 전기 구동 시스템 개발에 대한 노력들이 지속되고 있다.

이러한 공작 기계의 전기식 구동 시스템은 클러치장치의 작동을 통해 스핀들을 하우징과 구동요소(예를 들어 구동풀리)에 선택적으로 연결하여 피가공물의 클램핑 동작(클램핑 운전모드)과 피가공물의 가공 동작(스핀들 운전모드)을 수행하는 것이 일반적이다.

그런데 종래에는 어떤 한 피가공물에 대하여 스핀들 운전모드를 수행하여 피가공물을 가공한 후에 스핀들이 정지했을 때 스핀들의 위치를 정확하게 알 수 없기 때문에 스핀들과 물려있는 클러치장치의 구성요소를 직선 이동하여 클램핑 운전모드로 절환할 때 클러치장치에 구성된 톱니 형상의 세레이션이 정확하게 맞물리지 않는 경우가 발생하게 되고, 반대로 클램핑 운전모드에서 피가공물을 클램핑 후 스핀들 운전모드로 절환 할 때 또한 톱니 형상의 세레이션이 정확하게 맞물리지 않는 경우가 발생한다. 이 상태에서 스핀들이 고속으로 회전하게 되면 구동요소의 회전력이 클러치장치를 통해 스핀들에 정확하게 전달되지 않는 경우가 발생하여 진동이나 소음, 가공 불량이 발생하는 문제가 있다.

또한, 종래 기술의 공작 기계의 구동 제어 방법에서는 공작물의 가공 위치 및 중량에 의해 발생하는 우력의 영향에 의해 공작물 가공 위치 결정을 위한 회전축의 회전 동작에서 문제가 발생할 수 있다.

이와 같은 문제는 공작기계의 장비 수명을 저하시키고, 정밀도 높은 공작물 획득을 어렵게 한다.

특히, 종래 기술의 공작 기계의 구동 제어 방법은 장비 운영중 외부의 외란에 의해 원점 변위 발생시에 가공 오차에 따른 실패 확률이 높다.

따라서, 이와 같은 공작 기계의 구동 제어 방법의 문제를 해결하여 회전 능력을 높이고, 클램프 동작 및 언클램프 동작의 정밀도, 신뢰도를 높일 수 있도록 하기 위한 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1827434호 대한민국 등록특허 제10-1825184호 대한민국 공개특허 제10-2015-0117419호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 회전 능력을 높이고, 클램프 동작 및 언클램프 동작의 정밀도, 신뢰도를 높일 수 있도록 한 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 공작물의 가공 위치 및 중량에 의해 발생하는 우력의 영향을 최소화하여 공작물 가공 위치 결정을 위한 회전축의 회전 능력을 높일 수 있도록 한 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 클램프 동작 및 언클램프 동작의 제어 정확도를 높이는 것에 의해 경량화된 공작기계를 설계할 수 있고, 공작기계의 장비 수명을 연장할 수 있으며, 정밀도 높은 공작물을 획득할 수 있도록 한 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 클램프 동작을 위한 지정 스트로크 동작중에 토크 한계에 도달하면 클램프 센서의 인식 여부를 판단하고 위치 제어를 위하여 현재 구동풀리 각도를 저장하고, 저장된 현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도를 계산하여 클러치 결합을 수행하는 것에 의해 동작의 신뢰성을 높인 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 동작중에 이동 동작 완료 여부를 판단하여 이동 동작 완료이거나, 지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계에 도달하면 위치 제어를 하고 클러치 결합 위치 제어를 위하여 스핀들 회전을 하여 하우징-클러치 분리, 구동풀리-클러치 결합 동작을 수행하는 것에 의해 동작의 신뢰성을 높인 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 언클램프 구동을 위하여 스핀들 각도를 판단하여 정회전 또는 역회전을 하여 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 하고, 구동풀리-클러치 분리를 하고 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부를 판단하고, 토크 한계에 도달한 것으로 판단되면 모터 정지를 하는 것에 의해 동작의 신뢰성을 높인 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 언클램프 구동을 위하여 스핀들 각도를 판단하여 정회전 또는 역회전을 하여 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 하고, 스핀들 회전구동을 하여 하우징-클러치결합과 동시에 구동풀리-클러치 분리를 하고, 이송 중, 지정한 모터 한계 토크 도달 여부 판단, 이동 동작 완료 판단을 하고, 지정한 모터 한계 토크에 도달할 경우 긴급 정지 및 복귀 구동 완료 했을 경우 모터 정지를 하는 것에 의해 동작의 신뢰성을 높인 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치는 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 제어 수단에 있어서, 클램프 동작의 초기 조건을 판단하는 클램프 구동 조건 확인부;클램프 동작을 위한 지정 스트로크 구동 제어, 토크 한계 도달 여부의 판단, 클램프 센서 인식 여부의 판단을 하여 클램프 동작시의 구동 제어를 하는 클램프 구동 제어부;현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도를 계산하고, 클러치 결합 위치까지 동작을 제어하고 클러치 결합 가능 각도 도달 여부를 판단하는 위치 조정 제어부;클러치 결합 가능 각도에 도달하면 에어피스톤을 작동하여 클러치 결합을 수행하고 엔코더 옵셋을 사용하여 클러치 결합이 이루어지면 모터 정지를 수행하는 클러치 결합 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치는 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 제어 수단에 있어서, 언클램프 동작의 초기 조건을 판단하는 언클램프 구동 조건 확인부;언클램프 구동 조건 만족시에 원점 복귀를 위한 스핀들 각도 판단 및 스핀들 각도 제어를 하는 스핀들 각도 판단부;스핀들 각도 제어를 위한 정회전 및 역회전에 의한 원점 복귀 여부를 판단하는 원점 복귀 판단부;원점 복귀 확인 후 모터 정지, 현재 각도를 클램프시 저장한 구동풀리 회전 각도로 엔코더 각도를 변경하고, 에어피스톤 ON, 구동풀리-클러치 분리, 클러치-하우징 결합을 제어하는 클러치 해제 제어부;언클램프 동작을 위한 지정 스트로크 구동 제어, 토크 한계 도달 여부의 판단, 이동 동작 완료 판단을 제어하는 언클램프 구동 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법은 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 클램프 동작 제어에 있어서, 클램프 동작의 초기 조건을 만족하는지를 판단하여 클램프 동작의 초기 조건을 만족하면 지정 스트로크까지(X1, 각도 R_ANGLE 1) 동작을 시작하는 단계;지정 스트로크 동작중에 토크 한계 도달 여부를 판단하고, 토크 한계 도달전까지 스트로크 이송 완료 여부를 판단하는 단계;지정 스트로크 동작중에 토크 한계에 도달하면 클램프 센서의 인식 여부를 판단하고 위치 제어를 위하여 현재 구동풀리 각도(R_ANGLE 2)를 저장하는 단계;저장된 현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도(R_ANGLE 3)를 계산하고, 결합 위치를 판단하면서 클러치 결합 위치(R_ANGLE 3)까지의 동작을 시작하는 단계; 클러치 결합 가능 각도에 도달하면 에어피스톤을 작동하여 클러치 결합을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법은 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 클램프 동작 제어에 있어서,클램프 동작의 초기 조건을 만족하는지를 판단하여 클램프 동작의 초기 조건을 만족하면 지정 스트로크까지(X1, 각도 R_ANGLE 1) 동작을 시작하는 단계;지정 스트로크까지 동작중에 이동 동작 완료 여부를 판단하고 이동 동작 완료가 아니면 토크 한계 도달 여부를 판단하는 단계;이동 동작 완료이거나, 지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계에 도달하면 위치 제어를 하는 단계;클러치 결합 위치 제어를 위하여 스핀들 회전을 하여 하우징-클러치 분리, 구동풀리-클러치 결합 동작을 수행하는 단계;클램프 센서의 인식이 이루어지면 에어피스톤 해제를 하여 스핀들 고정 해제를 하고, 모터를 정지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법은 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 언클램프 동작 제어에 있어서, 언클램프 구동 초기 조건 확인을 하여 언클램프 구동조건을 만족하면 원점 복귀 준비를 하고, 스핀들 각도를 판단하여 정회전 또는 역회전을 하여 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 하는 단계;원점 복귀를 확인하여 원점 복귀가 이루어진 것으로 판단되면, 모터를 정지하고 에어피스톤 구동을 하여 구동풀리-클러치 분리를 하는 단계;엔코더 옵셋을 비활성화하여 현재 각도를 클램프 시 저장한 구동풀리 회전 각도로 엔코더 각도를 변경하는 단계;클램핑 동작 전 초기 위치까지 복귀 동작을 시작하고 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부를 판단하고, 토크 한계에 도달한 것으로 판단되면 모터 정지를 하는 단계;클램핑 동작 전 초기 위치까지 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부를 판단하는 중에 초기 위치까지의 이동 동작이 완료된 것으로 판단되면 모터를 정지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법은 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 언클램프 동작 제어에 있어서, 언클램프 구동 초기 조건 확인을 하고 언클램프 구동조건을 만족하면 원점 복귀 준비를 하고, 스핀들 각도를 판단하여 정회전 또는 역회전을 하여 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 하는 단계;원점 복귀를 확인하여 원점 복귀가 이루어진 것으로 판단되면, 모터를 정지를 하고 에어피스톤 구동을 하여 스핀들 고정이 이루어지도록 하는 단계;스핀들 회전구동을 하여 하우징-클러치 결합과 동시에 구동풀리-클러치 분리를 하는 단계;스핀들 모터를 구동하여 드로우바 전방 이송을 하여 스트로크 원점 복귀를 하는 단계;이송 중, 지정한 모터 한계 토크 도달 여부 판단, 이동 동작 완료 판단을 하고, 지정한 모터 한계 토크에 도달할 경우 긴급 정지 및 복귀 구동 완료 했을 경우 모터 정지를 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 회전 능력을 높이고, 클램프 동작 및 언클램프 동작의 정밀도, 신뢰도를 높일 수 있도록 한다.

둘째, 공작물의 가공 위치 및 중량에 의해 발생하는 우력의 영향을 최소화하여 공작물 가공 위치 결정을 위한 회전축의 회전 능력을 높일 수 있다.

셋째, 클램프 동작 및 언클램프 동작의 제어 정확도를 높이는 것에 의해 경량화된 공작기계를 설계할 수 있고, 공작기계의 장비 수명을 연장할 수 있으며, 정밀도 높은 공작물을 획득할 수 있도록 한다.

넷째, 클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계에 도달하면 클램프 센서의 인식 여부를 판단하고 위치 제어를 위하여 현재 구동풀리 각도를 저장하고, 저장된 현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도를 계산하여 클러치 결합을 수행하는 것에 의해 동작의 신뢰성을 높인다.

다섯째, 클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 동작중에 이동 동작 완료 여부를 판단하여 이동 동작 완료이거나, 지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계에 도달하면 위치 제어를 하고 클러치 결합 위치 제어를 위하여 스핀들 회전을 하여 하우징-클러치 분리, 구동풀리-클러치 결합 동작을 수행하는 것에 의해 동작의 신뢰성을 높인다.

여섯째, 언클램프 구동을 위하여 스핀들 각도를 판단하여 정회전 또는 역회전을 하여 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 하고, 구동풀리-클러치 분리를 하고 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부를 판단하고, 토크 한계에 도달한 것으로 판단되면 모터 정지를 하는 것에 의해 동작의 신뢰성을 높인다.

일곱째, 언클램프 구동을 위하여 스핀들 각도를 판단하여 정회전 또는 역회전을 하여 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 하고, 스핀들 회전구동을 하여 하우징-클러치결합과 동시에 구동풀리-클러치 분리를 하고, 이송 중, 지정한 모터 한계 토크 도달 여부 판단, 이동 동작 완료 판단을 하고, 지정한 모터 한계 토크에 도달할 경우 긴급 정지 및 복귀 구동 완료 했을 경우 모터 정지를 하는 것에 의해 동작의 신뢰성을 높인다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 구동 시스템의 전체 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기 구동 시스템의 중심부를 축방향으로 절개하여 나타낸 절개 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전기 구동 시스템에 구성되는 클러치유닛을 확대하여 나타낸 확대 단면도이다.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시된 전기 구동 시스템의 주요 부분을 확대하여 나타낸 단면도로, 도 4는 클램핑 운전모드를 나타내고, 도 5는 스핀들 운전모드를 나타낸다.
도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치의 전체 구성도 및 척 설정 화면 구성도
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어시의 동작 그래프
도 8은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 장치의 구성 블록도
도 9a와 도 9b는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 방법의 클램프 동작 제어를 나타낸 플로우 차트
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 장치의 구성 블록도
도 11a와 도 11b는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 방법의 언클램프 동작 제어를 나타낸 플로우 차트

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 공작기계의 전기 구동 시스템 및 그 구동 제어 방법을 후술된 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 구동 시스템의 전체 구성을 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 전기 구동 시스템의 중심부를 축방향으로 절개하여 나타낸 절개 사시도이다.

그리고 도 3은 도 1에 도시된 전기 구동 시스템에 구성되는 클러치유닛을 확대하여 나타낸 확대 단면도이다.

그리고 도 4 및 도 5는 도 1에 도시된 전기 구동 시스템의 주요 부분을 확대하여 나타낸 단면도로, 도 4는 클램핑 운전모드를 나타내고, 도 5는 스핀들 운전모드를 나타낸다.

이하에서의 '전기 구동 시스템'에 관한 설명은 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법이 적용되는 전기 구동 시스템의 일 예를 나타낸 것으로, 본 발명이 적용되는 전기 구동 시스템이 이로 한정되지는 않음은 당연하다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법이 적용되는 전기 구동 시스템의 일 예는, 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 내부에 하우징(10)에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20)과, 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40)와, 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터(미도시), 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들(20)과 함께 회전하는 드로우바(30)와, 상기 구동풀리(40)의 회전 운동을 드로우바(30)의 전후진 직선 운동으로 변환하기 위한 운동변환유닛인 리드스크류부(35) 및 캐리어부재(50), 상기 스핀들(20)의 후방부 외면에 축방향으로 선형 이동은 가능하지만 스핀들(20)의 외면에 대해 상대 회전을 불가능하게 구성되어 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 결합시키는 클러치유닛, 상기 구동풀리(40)와 연결되어 회전량 및 회전 위치를 검출하는 위치검출유닛, 및 상기 위치검출유닛으로부터 위치 정보를 전달받아 상기 스핀들 모터(미도시)의 작동을 제어하는 제어부(90)를 포함한다.

하우징(10)은 내부가 빈 통형태로 이루어져 공작기계의 본체에 고정되게 설치된다. 하우징(10)의 후단부에는 스핀들(20)의 후방부가 통과하는 개구부가 형성된 링 형태의 하우징 후면커버(11)가 고정되게 결합된다. 하우징 후면커버(11)의 후방면에는 상기 클러치유닛을 구성하는 전방커플러(63)와의 결합을 위한 하우징세레이션(11a)이 형성되어 있다.

하우징(10)의 전방부 외측에는 피가공물의 가공을 위한 척(C)이 구비되고, 척(C)에는 피가공물을 파지하기 위한 조오(jaw)(J)가 반경 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 조오(J)는 상기 드로우바(30)의 전단부와 링크부재(미도시)를 통해 연결되어 드로우바(30)의 전후진 선형 운동에 의해 반경 방향으로 이동하면서 피가공물을 파지(clamping)하거나 해제(unclamping)한다.

스핀들(20)은 기다란 원통형의 중공관 형태로 되어, 하우징(10)의 내측 공간에 축방향(전후방향)을 따른 축을 중심으로 회전 가능하게 설치된다. 스핀들(20)의 외면과 하우징(10)의 내면 사이에는 하우징(10)에 대해 스핀들(20)을 회전 가능하게 지지하는 복수개의 스핀들베어링(25)이 설치된다. 스핀들베어링(25)은 스핀들(20)에 고정되는 스프링마운트부재(65a) 및 베어링 지지링(26)(도 3 참조)에 의해 지지된다.

드로우바(30)는 스핀들(20)의 중공부 내측에 전후방향으로, 즉 스핀들(20)의 축방향으로 전후진은 가능하지만 스핀들(20)에 대해 회전 운동은 불가능하게 설치된다. 드로우바(30)의 전방부 외주면에는 드로우바 키홈(31)이 전후방향으로 연장되게 형성되고, 상기 스핀들(20)의 전방부에 드로우바 키홈(31)에 삽입되는 드로우바 키(32)가 고정되어, 드로우바(30)가 스핀들(20)에 대해 축방향으로는 이동이 가능하지만 스핀들(20)에 대해 회전 운동은 불가능하게 구속되어 있다.

상기 드로우바(30)의 후방부 외면에는 나선형으로 감겨진 나사산을 구비한 리드스크류부(35)가 형성되어 있다. 상기 리드스크류부(35)는 드로우바(30)에 일체형으로 만들어질 수도 있으나, 이와 다르게 드로우바(30)와 개별체로 만들어진 후 별도의 체결수단에 의해 상호 고정될 수도 있다. 이 실시예에서 상기 드로우바(30)와 리드스크류부(35)는 칩을 불어내는 장치 및 공작물을 밀어내는 장치 등을 구성할 수 있도록 속이 빈 중공의 원통체로 이루어진 것으로 도시되었지만, 이와 다르게 드로우바(30)와 리드스크류부(35)는 속이 채워진 중실 구조의 원통체로 이루어질 수도 있을 것이다.

리드스크류부(35)는 구동풀리(40)에 결합된 캐리어부재(50)로부터 회전력을 전달받아 드로우바(30)를 전후진시키는 운동변환유닛의 기능을 한다.

상기 스핀들 모터(미도시)는 하우징(10)의 외부에 설치되며 구동벨트(미도시)와 같은 동력전달부재를 통해 구동풀리(40)와 연결되어 구동풀리(40)에 회전력을 전달한다. 스핀들 모터(미도시)는 스핀들(20)의 회전량과 위치를 검출하기 위한 스핀들엔코더(미도시)를 구비할 수 있다. 스핀들 모터는 상기 제어부(90)와 전기적으로 연결되어 제어부(90)로부터 제어신호를 수신하여 작동된다.

구동풀리(40)는 스핀들(20)의 후단부 외측에 스핀들(20)에 대해 상대 회전 가능하게 설치되어 상기 스핀들 모터(미도시)로부터 동력을 전달받아 회전한다. 구동풀리(40)의 내주면과 스핀들(20) 사이에는 스핀들(20)에 대해 구동풀리(40)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(42)이 설치된다. 상기 베어링(42)은 스핀들(20)의 후단에 결합되는 잠금너트(43)에 의해 잠금너트(43)의 바로 전방에서 스핀들(20)에 고정된다. 구동풀리(40)의 전방부는 클러치유닛에 의해 스핀들(20)과 결합되거나 스핀들(20)에서 분리된다.

상기 캐리어부재(50)는 구동풀리(40)의 후방에 고정되게 결합되어 구동풀리(40)와 함께 회전한다. 캐리어부재(50)는 내주면에 상기 리드스크류부(35)의 나사산과 나선 결합되는 나사산이 형성된 원통형으로 이루어진다. 따라서 상기 캐리어부재(50)가 회전하면 캐리어부재(50)의 나사산과 리드스크류부(35)의 나사산 간의 작용에 의해 리드스크류부(35) 및 드로우바(30)가 축방향을 따라 전후진하게 된다. 상기 캐리어부재(50)와 리드스크류부(35)는 나사산을 통해 서로 결합되어 있기 때문에 셀프록킹(self-locking)되어 클러치유닛의 작동시 추력이 풀리지 않으며, 따라서 스핀들(20)을 고정하기 위한 별도의 구조물, 예를 들어 에어피스톤 등의 제거가 가능하다.

드로우바(30)의 전후진 이송량을 감지하여 드로우바(30)와 연결된 조오(J)의 위치와 변위를 정확하게 검출하고, 이를 통해 조오(J)의 피가공물 클램핑 상태와 언클램핑 상태를 정확하게 파악할 수 있도록 하기 위하여, 상기 드로우바(30)의 후단부에 한 센서도그(96)가 장착되고, 상기 하우징(10)의 후단부에 상기 센서도그(96)를 감지하는 위치센서(95)가 고정되게 설치된다.

상기 클러치유닛은 하우징(10)의 후단부 외측에서 스핀들(20)의 외면에 대해 축방향으로(전후방향으로) 선형 이동이 가능하게 설치되며, 전후진 이동 방향에 따라 상기 구동풀리(40)와 결합되거나 하우징(10) 후단부에 고정된 하우징 후면커버(11)에 결합되면서 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 결합시키거나 분리시키는 기능을 한다.

도 3을 참조하면, 이 첫번째 실시예의 클러치유닛은, 구동풀리(40)의 전방면에 고정되며 원주방향을 따라 톱니 형상의 고정세레이션(61a)이 형성되어 있는 고정클러치(61), 링 형태로 되어 스핀들(20)의 외면에 축방향으로 슬라이딩은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 연결되는 가동클러치(62), 상기 가동클러치(62)의 전방면에 설치되며 하우징(10)의 후방의 하우징 후면커버(11)에 형성되어 있는 하우징세레이션(11a)과 맞물리는 톱니 형상의 전방세레이션(63a)이 형성되어 있는 전방커플러(63), 상기 가동클러치(62)의 후방면에 설치되며 상기 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 맞물리는 후방세레이션(64a)이 형성되어 있는 후방커플러(64), 상기 가동클러치(62)를 스핀들(20)의 축방향으로 직선 이동시키는 클러치 구동부를 포함한다.

상기 고정클러치(61)는 원형 링 형태로 되어 구동풀리(40)의 전단부에 고정되게 설치된다. 고정클러치(61)는 구동풀리(40)와 개별체로 만들어진 후 구동풀리(40)의 전방에 볼트 등에 의해 고정될 수 있으나, 이와 다르게 고정클러치(61)가 구동풀리(40)에 일체로 만들어질 수도 있을 것이다.

가동클러치(62)는 고정클러치(61)의 전방에 배치되어 스핀들(20)의 외면에 대해 전후방향으로 슬라이딩하도록 설치된다. 가동클러치(62)의 내주면과 스핀들(20)의 외면 사이에는 가동클러치(62)를 스핀들(20)에 대해 축방향으로는 이동이 가능하지만 원주방향으로는 회전하지 않도록 구속하는 복수의 클러치 키(69a) 및 클러치 키홈(69b)이 형성되어 있다.

전방커플러(63)는 가동클러치(62)의 전방면에 고정되게 설치된다. 전방커플러(63)는 가동클러치(62)와 개별체로 제작된 후 가동클러치(62)에 결합될 수 있으나, 이와 다르게 가동클러치(62)와 일체로 제작될 수도 있을 것이다. 전방커플러(63)의 전방면에는 하우징 후면커버(11)의 후방면에 형성되어 있는 하우징세레이션(11a)과 맞물리는 톱니 형상의 전방세레이션(63a)이 원주방향을 따라 형성되어 있다.

후방커플러(64)는 가동클러치(62)의 후방에 고정되게 설치되고, 후방면에 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 맞물리는 톱니 형상의 후방세레이션(64a)이 원주방향을 따라 형성되어 있다. 후방커플러(64)는 가동클러치(62)와 개별체로 제작된 후 가동클러치(62)에 고정되게 결합될 수 있지만, 이와 다르게 후방커플러(64)와 가동클러치(62)가 일체로 성형되어 제작될 수도 있다.

상기 클러치 구동부는 가동클러치(62)를 운전모드에 따라 전후진시키는 작용을 하도록 구성된다. 이 실시예에서 클러치 구동부는, 상기 가동클러치(62)의 전방과 상기 하우징(10)의 후단부 사이에서 스핀들(20)의 외면에 고정되게 설치되는 스프링마운트부재(65a), 상기 스프링마운트부재(65a)에 설치되어 상기 가동클러치(62)에 후방으로 탄성력을 가하는 제1탄성부재(65), 상기 하우징(10)에 축방향으로 이동 가능하게 설치되며 후단부에 상기 가동클러치(62)의 외주면에 연접하는 견인돌기(66a)가 반경방향 내측으로 돌출되게 형성되어 있는 링 형태의 클러치피스톤(66), 상기 하우징(10)의 후단부에 대해 상기 클러치피스톤(66)에 후방으로 탄성력을 가하는 제2탄성부재(67), 및 상기 클러치피스톤(66)에 전방으로 외력을 가하여 클러치피스톤(66)을 전방으로 이동시키는 피스톤액추에이터(68)를 포함한다.

상기 제1탄성부재(65)는 상기 스프링마운트부재(65a)의 후방면에 형성된 홈 내측에 설치되는 복수의 압축코일스프링으로 이루어져 가동클러치(62)에 후방으로 탄성력을 가한다.

상기 스프링마운트부재(65a)는 원형의 링 형태로 되어 가동클러치(62)와 하우징 후면커버(11) 사이에 배치되며, 내주면에 나사산이 형성되어 스핀들(20)의 외면에 형성되어 있는 나사산에 나선 결합되면서 고정된다.

클러치피스톤(66)은 가동클러치(62)의 외경보다 큰 내경을 갖는 링 형태로 되어 하우징 후면커버(11)에 축방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된다. 클러치피스톤(66)은 가동클러치(62)를 전방으로 당기는 작용을 하도록 내주면 후단부에 견인돌기(66a)가 반경방향 내측으로 돌출되게 형성되어, 견인돌기(66a)가 가동클러치(62)의 외주면 전단부에 형성된 걸림돌기(62c)를 전방으로 당김으로써 가동클러치(62)를 전방으로 이동시킨다.

피스톤액추에이터(68)는 공압실린더 또는 유압실린더, 솔레노이드(전기식) 방식의 액추에이터를 적용하여 구성할 수 있으며, 클러치피스톤(66)을 전방으로 이동시키는 작용을 한다. 이 실시예에서 피스톤액추에이터(68)는 공압실린더로서, 피스톤액추에이터(68) 내측으로 공압이 인가되면 클러치피스톤(66)의 후방에 전방으로 압력이 가해져 클러치피스톤(66)이 제2탄성부재(67)의 탄성력을 이기고 전방으로 이동하게 된다. 이와 다르게 제2탄성부재(67)를 사용하지 않고 공압이 전후의 양방향이 작용하게 피스톤액추에이터(68)를 구성할 수도 있을 것이다.

한편 상기 구동풀리(40)의 전단부에는 위치검출유닛을 구성하는 제1엔코더풀리(91)가 고정되게 설치되고, 하우징(10)의 후방에 제2엔코더풀리(92)가 회전 가능하게 설치되며, 상기 제1엔코더풀리(91)와 제2엔코더풀리(92)에 제1엔코더풀리(91)의 회전력을 제2엔코더풀리(92)로 전달하는 타이밍벨트(93)가 감겨진다. 그리고, 상기 제2엔코더풀리(92)의 중심부는 엔코더(94)와 축결합되어 회전량을 검출한다. 엔코더(94)는 제어부(90)와 전기적으로 연결되어 검출된 위치 정보에 대한 신호를 제어부(90)로 전송한다.

따라서 구동풀리(40)가 클러치유닛의 후방커플러(64)와 결합되어 스핀들(20)과 함께 회전하게 되면 제1엔코더풀리(91)가 구동풀리(40)와 함께 회전하게 되고, 제1엔코더풀리(91)의 회전력이 타이밍벨트(93)를 통해 엔코더(94)에 전달되어 제어부(90)가 스핀들(20)의 회전수 및 전방커플러(63)의 위치가 검출될 수 있게 된다.

이러한 엔코더(94) 및 제1엔코더풀리(91)는 가동클러치(62)가 전방으로 이동하여 운전모드가 클램핑 운전모드로 전환되기 직전에 가동클러치(62)에 고정된 전방커플러(63)의 전방세레이션(62a)이 하우징세레이션(11a)과 정확하게 맞물릴 수 있도록 하기 위하여 가동클러치(62)의 회전 위치를 초기 위치로 조정할 때, 그리고 가동클러치(62)가 후방으로 이동하여 운전모드가 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 전환되기 직전에 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)이 후방커플러(64)의 후방세레이션(64a)과 정확하게 맞물릴 수 있도록 고정클러치(61)의 위치를 미세 조정할 때 사용된다. 또한 이와 다르게 상기 엔코더(94) 및 엔코더풀리(91, 92)를 사용하지 않고 구동풀리(40) 및 구동벨트(미도시)와 연결된 스핀들 모터의 스핀들엔코더를 이용하여 가동클러치(62)의 위치를 검출하고 조정할 수도 있다.

또한 가동클러치(62)가 정해진 행정 거리(stroke)로 전후진 이동하여 가동클러치(62)의 전방면과 후방면에 형성되어 있는 전방세레이션(63a)과 후방세레이션(64a)이 각각 하우징세레이션(11a)과 고정세레이션(61a)과 정확하게 맞물렸는지를 확인할 수 있도록 하기 위하여 가동클러치(62)의 외주면에 클러치센서도그(98)가 설치되고, 하우징(10)의 후방부 하측에 상기 클러치센서도그(98)의 전후진 변위를 감지하는 클러치위치센서(97)가 설치된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 구동 시스템의 작동방법에 대해 도 4 및 도 5를 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

공작 기계의 조오(J)가 피가공물을 클램핑하는 클램핑 운전모드에서는 클러치유닛의 가동클러치(62)가 전방으로 이동하여 전방커플러(63)의 전방세레이션(63a)이 하우징 후면커버(11)의 하우징세레이션(11a)과 맞물린 상태(도 4 참조)가 되며, 공작 기계의 조오(J)가 피가공물을 클램핑한 상태에서 스핀들(20)이 고속으로 회전하여 피가공물을 가공하는 스핀들 운전모드에서는 가동클러치(62)가 후방으로 이동하여 후방커플러(64)의 후방세레이션(64a)이 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 맞물린 상태(도 5 참조)가 된다.

먼저 클램핑 운전모드를 시작하기 위해서는 전방커플러(63)의 전방세레이션(63a)이 하우징 후면커버(11)의 하우징세레이션(11a)과 정확하게 맞물릴 수 있어야 한다. 따라서 클램핑 운전모드를 시작하게 되면, 제어부(90)가 위치검출유닛의 엔코더(94)를 통해 전달받은 가동클러치(62)의 위치 정보에 기반하여 구동풀리(40)를 일정량 회전시켜 가동클러치(62)의 위치를 초기 원점 위치로 정렬한다. 이 때 가동클러치(62)는 후방커플러(64)를 매개로 고정클러치(61)에 맞물려 있으므로 구동풀리(40)와 함께 회전한다.

이어서 클러치 구동부의 피스톤액추에이터(68)에 공압이 인가되고, 도 4에 도시된 것과 같이 클러치피스톤(66)이 제2탄성부재(67)의 탄성력을 이기고 전방으로 일정 거리만큼 이동하게 된다. 클러치피스톤(66)이 전방으로 이동하게 되면, 클러치피스톤(66) 후단의 견인돌기(66a)가 가동클러치(62)의 걸림돌기(62c)를 전방으로 끌어서 가동클러치(62)를 전진시키게 된다. 이에 따라 구동풀리(40) 후단부에 밀착되어 있던 후방커플러(64)가 구동풀리(40)에 고정된 고정클러치(61)와 분리된다. 그리고 가동클러치(62)의 전방면에 설치되어 있는 전방커플러(63)의 전방세레이션(63a)이 하우징 후면커버(11)의 후방면에 형성되어 있는 하우징세레이션(11a)과 맞물리게 되면서 가동클러치(62)의 회전이 제한되고, 스핀들(20)이 하우징 후면커버(11)에 고정되어 스핀들(20)의 회전이 제한된다.

이와 같이 스핀들(20)이 하우징(10) 후방의 하우징 후면커버(11)에 구속된 상태에서 스핀들 모터(미도시)에 전원을 인가하여 스핀들 모터를 동작시키면, 스핀들 모터의 동력이 구동풀리(40)에 전달되어 구동풀리(40)가 역방향(언클램핑 방향)으로 회전하게 된다.

상기 스핀들(20)이 하우징(10)에 대해 고정된 상태에서 구동풀리(40)가 역방향으로 회전함에 따라 캐리어부재(50)가 스핀들(20)의 주변을 따라 회전하게 된다. 상기 드로우바(30)의 전방부 외주면과 스핀들(20)의 전방부 외주면 사이에는 스핀들(20)에 대한 드로우바(30)의 상대 회전은 구속하고 전후방향으로의 이동만 허용하는 드로우바 키홈(31)과 드로우바 키(32)가 형성되어 있기 때문에, 상기 캐리어부재(50)가 스핀들(20)의 외면에 대해 역방향으로 회전하면, 캐리어부재(50)의 내주면에 형성되어 있는 나사산과 리드스크류부(35)의 외주면에 형성되어 있는 나사산 간의 작용에 의해 리드스크류부(35) 및 이에 결합된 드로우바(30)가 전방으로 선형 이동하게 된다. 상기 드로우바(30)가 스핀들(20)에 대해 전방으로 선형 이동함에 따라 조오(J)가 벌어져 피가공물을 언클램핑하게 된다.

이어서 스핀들 모터(미도시)가 이전과는 반대방향으로 작동하면 구동풀리(40)가 정방향으로 회전하게 되고, 캐리어부재(50)가 이전과는 반대로 회전하여 리드스크류부(35) 및 드로우바(30)가 축방향으로 후진하게 되고, 이에 따라 조오(J)가 오므려지면서 피가공물을 단단히 클램핑하게 된다.

물론 이 실시예에서는 드로우바(30)의 후진에 의해 피가공물이 클램핑되고 전진에 의해 클램핑력이 해제되는 것으로 설명하였지만 이와 반대로 드로우바(30)의 전진에 의해 피가공물이 클램핑되고 후진에 의해 클램핑력이 해제되게 구성될 수도 있을 것이다. 즉, 이 실시예에서는 구동풀리(40)가 정방향으로 회전할 때 조오(J)가 피가공물을 클램핑하고 역방향으로 회전할 때 조오(J)가 피가공물을 언클램핑(unclamping)하는 것으로 설명되었지만, 공작 기계에 따라서 이와 반대로 구동풀리(40)가 역방향으로 회전할 때 조오(J)가 피가공물을 클램핑하고 정방향으로 회전할 때 조오(J)가 피가공물을 클램핑할 수도 있을 것이다.

전술한 것과 같이 드로우바(30)가 후진하여 조오(J)가 피가공물을 단단히 파지하는 클램핑 운전모드가 완료되면, 제어부(90)는 엔코더(94)에 검출된 고정클러치(61)의 위치 정보에 따라 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 가동클러치(62)의 후방커플러(64)의 후방세레이션(64a)의 위치 정렬 상태를 파악하여, 만약 세레이션 간의 위치가 어긋나 있을 경우 스핀들 모터(미도시)에 토크를 더 인가하여 구동풀리(40)를 정방향으로, 즉 피가공물을 클램핑하는 방향(클램핑 방향)으로 미세하게 회전시켜 고정세레이션(61a)과 후방세레이션(64a)이 정확하게 맞물릴 수 있도록 위치를 조정한다.

위치 조정이 완료되면, 클러치유닛을 작동시켜 가동클러치(62)를 후방으로 이동시켜 가동클러치(62)의 후방세레이션(64a)이 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 맞물리게 하여 구동풀리(40)의 회전력이 가동클러치(62)를 통해 스핀들(20)로 전달될 수 있는 스핀들 운전모드로 절환한다. 이어서 스핀들 모터를 고속으로 운전하여 스핀들(20)을 고속 회전시킴으로써 피가공물의 가공 작업을 진행한다.

전술한 것과 같은 운전모드의 절환 시에 도 5에 도시한 것과 같이 피스톤액추에이터(68)의 공압을 해제하면, 클러치피스톤(66) 및 가동클러치(62)가 각각 제2탄성부재(67) 및 제1탄성부재(65)의 탄성력에 의해 후방으로 밀려서 이동하게 된다.

이에 따라 가동클러치(62) 전방면의 전방커플러(63)가 하우징 후면커버(11)에서 분리되고, 가동클러치(62) 후방면의 후방커플러(64)의 후방세레이션(64a)이 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)에 맞물리면서 가동클러치(62)가 구동풀리(40)에 결합되어 회전력을 전달받게 된다. 이에 따라 가동클러치(62)와의 상대 회전이 구속된 스핀들(20)이 구동풀리(40)의 회전력을 전달받게 된다.

이어서 스핀들 모터(미도시)에 전원을 인가하여 정해진 회전속도로 동작시키면, 구동풀리(40) 및 이에 결합된 가동클러치(62)와 스핀들(20)이 정해진 회전속도로 회전하면서 피가공물의 가공이 이루어진다. 이 때 드로우바(30)는 후단의 리드스크류부(35)가 캐리어부재(50)와 나선 결합되어 있으므로 구동풀리(40)와 캐리어부재(50)와 리드스크류부(35)와 드로우바(30)가 함께 회전하게 된다.

상술한 것과 같이, 본 발명에 따르면 위치검출유닛에 의해 스핀들(20) 및 클러치유닛의 고정클러치(61) 및/또는 가동클러치(62)의 위치가 검출되고, 검출된 위치 정보에 기반하여 스핀들 운전모드에서 클램핑 운전모드로 절환시에 가동클러치(62)의 위치를 초기 원점 위치로 정렬하여 가동클러치(62)에 구성되어 있는 전방커플러(63)의 전방세레이션(63a)과 하우징(10) 후단부의 하우징세레이션(11a)을 정확하게 맞물리게 할 수 있다. 그리고, 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환할 때에는 고정클러치(61)의 위치를 미세 조정하여, 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 가동클러치(62)의 후방세레이션(64a)이 정확하게 맞물리게 함으로써 스핀들 운전모드에서 가공시에 정확한 스핀들(20)의 회전 제어가 가능하게 되는 이점을 얻을 수 있다.

또한 캐리어부재(50)의 나사산과 나선 결합되는 리드스크류부(35)의 셀프 록킹(self-locking) 기능에 의해, 드로우바(30)의 후진에 의한 피가공물의 클램핑 동작으로부터 스핀들(20)의 회전에 의한 피가공물의 가공이 이루어지는 스핀들 운전모드로 절환시에 최초의 클램핑력을 유지할 수 있는 이점이 있다.

이와 같은 구성을 갖는 전기 구동 시스템에 적용되는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치의 전체 구성도 및 척 설정 화면 구성도이고, 도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어시의 동작 그래프이다.

이하의 설명에서 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법이 적용되는 클러치를 치형 클러치와 멀티 클러치를 일 예로 하여 설명하였으나, 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태의 클러치에 적용될 수 있음은 당연하다.

치형 클러치와 멀티 클러치는 모두 전기 구동 주축의 동력전달 방향을 바꿔주는 역할을 하는 것이다.

치형 클러치는 클러치 양 면이 세레이션을 가진 형상으로 구동풀리 또는 하우징과 치 결합을 통해 동력 전달을 실시하는 것으로, 치형 세레이션이 파손되지 않는 이상 동력 전달 시, 슬립 현상이 발생하지 않고, 치결합을 위한 위치 제어를 필요로 한다.

그리고 멀티 클러치는 치형 클러치와는 반대로 치 결합을 시행하지 않고 마찰방식으로 결합하기 때문에 위치제어가 필요 없고 이에 따라 구동 사이클이 단축되는 특성을 갖는다.

본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위하여, 제어 수단이 상기 클러치유닛에 의해 스핀들(20)이 구동풀리(40)에 연결된 스핀들 운전모드 상태에서 스핀들(20)이 하우징(10)에 연결되는 클램핑 운전모드로 절환되기 직전과, 상기 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환되기 직전에 상기 위치검출유닛에 의해 검출된 클러치유닛의 위치 정보에 근거하여 상기 구동풀리(40)를 회전시켜 클러치유닛의 위치에 정렬하는 위치 조정 프로세스를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 제어 수단이 상기 스핀들 운전모드에서 클램핑 운전모드로 절환되기 직전에 상기 위치검출유닛에 의해 검출된 클러치유닛의 위치 정보에 근거하여 구동풀리(40)를 회전시켜 클러치유닛을 초기 원점 위치로 정렬하고, 상기 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환되기 직전에 상기 위치검출유닛에 의해 검출된 클러치유닛의 위치 정보에 근거하여 클러치유닛의 세레이션이 서로 맞물릴 정도로 구동풀리(40)를 클램핑방향으로 미세하게 회전시켜 조정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 제어 수단이 스핀들 운전모드에서 클램핑 운전모드로 절환 직전에 위치검출유닛에 의해 검출된 위치 정보에 기반하여 상기 구동풀리(40)를 회전시켜 가동클러치(62)의 위치를 초기 원점 위치로 정렬하고, 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환 직전에 위치검출유닛에 의해 검출된 위치 정보에 기반하여 구동풀리(40)를 회전시켜 고정클러치(61)의 위치를 클램핑방향으로 미세 조정하여 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 가동클러치(62)의 후방세레이션(64a)을 정렬하는 단계를 포함할 수 있다.

도 6a는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 제어 수단의 전체 구성을 나타낸 것이다.

그리고 도 6b는 변수 입력이 가능한 척 설정(Chuck Setting) 화면을 나타낸 것이다.

척 설정(Chuck Setting)을 위한 설정값 입력 항목은 언클램프 상태 확인을 위한 스트로크 위치(언클램프 위치,Stroke-Unclamp position), 클램프 상태 확인을 위한 스트로크 위치(클램프 위치,Stroke-Clamp position), T₁토크 한계값(Torque limit T₁), T₃토크 한계값(Torque limit T₃), V₁그리핑 속도(Gripping speed V₁), V₂그리핑 속도(Gripping speed V₂), 추가 회전 속도(Add rotating speed V₃), 그리핑 세기(Gripping force), 공작물 직경(Workpiece diameter)의 항목을 포함할 수 있고, 이로 제한되지 않는다.

도 7a는 치형 클러치의 클램프 동작시의 조오(J)의 속도 및 위치를 나타낸 것이다.

도 7a의 ①구간은 시작 지점에서 속도 변경 지점까지 모터 회전을 통해 V₁의 속도로 드로우바의 선형 후방 이송(그리핑 조오(J) 중심 방향 이송)하는 구간이다.

②구간은 속도 변경 지점부터 V₂의 속도(V₁>> V₂)로 드로우바를 이송하는 구간이다.

그리핑 조오(J)가 공작물을 파지할 경우에는 토크 한계까지 토크 상승이 이루어진다.

③구간은 토크 한계 지점에서 클러치 결합이 가능하도록 모터의 추가 회전이 이루어지고, 결합 각도를 만족하는 경우에는 클러치 결합후에 모터를 정지하는 구간이다.

도 7b는 멀티 클러치의 클램프 동작시의 조오(J)의 속도 및 위치를 나타낸 것이다.

도 7b의 ①구간은 시작 지점에서 속도 변경 지점까지 모터 회전을 통해 V₁의 속도로 드로우바의 선형 후방 이송(그리핑 조오(J) 중심 방향 이송)하는 구간이다.

②구간은 속도 변경 지점부터 V₂의 속도(V₁>> V₂)로 드로우바를 이송하는 구간이다. 그리핑 조오(J)가 공작물을 파지할 경우 토크 한계까지 토크 상승이 이루어지고, 토크 한계값을 만족하는 경우에 클러치 구동이 이루어져 클러치-구동풀리 결합이 이루어진다.

그리고 도 7c는 클러치의 언클램프 동작시의 조오(J)의 속도 및 위치를 나타낸 것이다.

도 7c의 ①구간에서 클러치 분리후 파지 지점에서 시작 지점까지 V₁의 속도로 그리핑 조오(J)의 선형 이송 및 정지가 이루어진다.

본 발명의 제 1 실시 예에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 8은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 장치의 구성 블록도이고, 도 9a와 도 9b는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 방법의 클램프 동작 제어를 나타낸 플로우 차트이다.

본 발명의 제 1 실시 예에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 장치는 도 8에서와 같이, 클램프 동작의 초기 조건을 판단하는 클램프 구동 조건 확인부(100)와, 클램프 동작을 위한 지정 스트로크 구동 제어, 토크 한계 도달 여부의 판단, 클램프 센서 인식 여부의 판단, 공작물 없음 및 클램프 이상 여부, 클램프 동작의 초기 조건을 판단시에 언클램프 상태가 아닌 경우에 알람 발생을 제어하는 클램프 구동 제어부(110)와, 클램프 센서의 인식 이후에 구동풀리 각도를 저장하고 현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도를 계산하고, 클러치 결합 위치까지 동작을 제어하고 클러치 결합 가능 각도 도달 여부를 판단하는 위치 조정 제어부(120)와, 클러치 결합 가능 각도에 도달하면 에어피스톤을 작동하여 클러치 결합을 수행하고 엔코더 옵셋을 사용하여 클러치 결합이 이루어지면 모터 정지를 수행하는 클러치 결합 제어부(130)를 포함하고 제어 수단이 구성된다.

여기서, 클램프 구동 제어부(110)는 클램프 동작을 위한 지정 스트로크 구동을 제어하는 지정 스트로크 구동 제어부(110a)와, 클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 구동시의 토크 한계 도달 여부의 판단을 하는 토크 판단부(110b)와, 클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 구동시의 토크 한계에 도달한 것으로 판단되면 클램프 센서 인식 여부를 판단하는 클램프 센싱부(110c)와, 클램프 동작을 위한 구동시에 공작물 없음 및 클램프 이상 여부, 클램프 동작의 초기 조건을 판단시에 언클램프 상태가 아닌 경우에 알람을 발생하는 알람 발생부(110d)를 포함한다.

그리고 위치 조정 제어부(120)는 클램프 센서의 인식 이후에 위치 조정을 위하여 현재 구동풀리 각도를 저장하는 구동풀리 각도 저장부(120a)와, 구동풀리 각도 저장부(120a)에 저장된 현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도를 계산하는 결합 각도 계산부(120b)와, 결합 위치를 판단하면서 클러치 결합 위치까지의 동작을 제어하는 결합 위치 판단부(120c)와, 클러치 결합 위치까지의 동작에 의해 클러치 결합 가능 각도에 도달하였지의 여부를 판단하는 클러치 각도 판단부(120d)를 포함한다.

본 발명은 이와 같은 구성을 갖는 제어 수단을 구비하여 다음과 같이 클램프 동작을 수행한다.

도 9a는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 방법에 의한 치형 클러치가 적용된 전기구동 주축의 클램프 동작 제어를 나타낸 것이다.

치형 클러치의 클램프 동작은 먼저, 언클램프, 클러치 위치(토크모드)등 클램프 구동조건 확인하여 언클램프, 토크모드 아닐 경우 알람 발생을 한다.

이때, 클러치 상태는 에어 피스톤 ON, 구동풀리-클러치 분리, 클러치-하우징과 결합 상태이다.

클램프 구동 조건 만족 시에는 지정한 스트로크(리드 피치-각도 환산)만큼 리드스크류 회전, 드로우바 후진 이송을 한다.

그리고 지정 스트로크까지 이송 중, 스트로크만큼 이동을 했거나, 지정한 모터 한계 토크만큼 부하가 걸릴 경우에는 동작을 멈추고 현재 상태를 유지한다.

클러치의 '후방 커플러'에 결합될 수 있도록 '고정 커플러'가 설치된 풀리를 추가 회전한다.

여기서, Hirth or Curvic 형상의 커플링이 치 결합이 가능하도록 단위 각도까지 회전하고, 단위각도는 치 개수에 따라 다르다.

예를 들어, 치 개수 120개일 경우 단위 각도는 3도이며 회전 방향은 반드시 드로우바 후진 이송 방향으로 이루어진다.

이와 같은 추가회전 완료 후, 에어피스톤 OFF, 구동풀리-클러치 결합, 클러치-하우징 분리를 하고, 커플링이 결합할 때 까지의 구동풀리 회전 각도(현재) 저장 후, 현재 엔코더 각도를 0으로 변경하고 클램프 동작을 완료한다.

구체적으로 먼저, 클램프 구동 조건 확인부(100)에서 클램프 동작의 초기 조건을 만족하는지를 판단한다.(S901)

클램프 동작의 초기 조건은 클러치의 위치는 하우징과 결합된 상태, 에어피스톤 ON, 스트로크는 언클램프 센서 감지 지점에 위치하는 조건일 수 있다.

클램프 동작의 초기 조건을 만족하지 않으면 언클램프 상태가 아닌 것으로 판단하여 알람 발생을 하고, 클램프 동작의 초기 조건을 만족하면 클램프 구동 제어부(110)의 제어에 의해 지정 스트로크(X1, 각도 R_ANGLE 1)까지 동작을 시작한다.(S902)

지정 스트로크까지 동작은 속도 V₁, 토크 한계는 T₁의 설정으로 이루어진다.

지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계 도달 여부를 판단하고(S903), 토크 한계 도달전까지 스트로크 이송 완료 여부를 판단하여(S904) 토크 한계 이전에 스트로크 이송이 완료된 것으로 판단되면 공작물 없음으로 판단하여 알람을 발생한다.(S905)

그리고 지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계에 도달하면 클램프 센서의 인식 여부를 판단하고(S906), 클램프 센서의 인식이 이루어지지 않은 것으로 판단되면 클램프 이상으로 판단하여 알람 발생을 한다.(S907)

클램프 센서의 인식이 이루어지면 위치 조정 제어부(120)에서 위치 제어를 실시한다.(S908)

위치 제어는 RPM은 0, 현재 부하를 유지하는 상태에서 이루어진다.

이어, 위치 제어를 위하여 현재 구동풀리 각도(R_ANGLE 2)를 저장하고(S909), 저장된 현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도(R_ANGLE 3)를 계산한다.(S910)

그리고 결합 위치를 판단하면서 클러치 결합 위치(R_ANGLE 3)까지의 동작(속도 V₂, 토크 한계 없음)을 시작하고(S911), 클러치 결합 위치까지의 동작에 의해 클러치 결합 가능 각도에 도달하였는지의 여부를 판단한다.(S912)

클러치 결합 가능 각도에 도달하면 에어피스톤을 작동하여 클러치 결합을 수행하고(S913) 엔코더 옵셋을 사용하여 클러치 결합이 이루어진 것으로 판단되면(S914) 모터를 정지한다.(S915)

도 9b는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 방법에 의한 멀티 클러치의 클램프 동작 제어를 나타낸 것이다.

멀티 클러치의 클램프 동작은 먼저, 언클램프, 클러치 위치(토크모드)등 클램프 구동조건 확인을 하여 언클램프, 토크모드 아닐 경우 알람 발생을 한다.

여기서, 클러치 상태는 에어 피스톤 ON, 구동풀리-클러치 분리, 클러치-하우징과 결합 상태이다.

클램프 구동조건 만족 시에 지정한 스트로크(리드 피치-각도 환산)만큼 리드스크류 회전, 드로우바 후진 이송을 한다.

그리고 지정 스트로크까지 이송 중, 스트로크만큼 이동을 했거나, 지정한 모터 한계 토크만큼 부하가 걸릴 경우 동작을 멈추고 현재 상태를 유지한다.

클러치를 구동하여 하우징-클러치 분리와 동시에 구동풀리-클러치 결합을 한다.

에어피스톤 OFF를 하여 스핀들 고정 해제를 하여 클램프 동작을 완료한다.

구체적으로 먼저, 클램프 구동 조건 확인부(100)에서 클램프 동작의 초기 조건을 만족하는지를 판단한다.(S920)

클램프 동작의 초기 조건을 만족하지 않으면 언클램프 상태가 아닌 것으로 판단하여 알람 발생을 하고, 클램프 동작의 초기 조건을 만족하면 클램프 구동 제어부(110)의 제어에 의해 지정 스트로크까지(X1, 각도 R_ANGLE 1) 동작을 시작한다.(S921)

지정 스트로크까지의 동작은 속도 V₁, 토크 한계는 T₁의 설정으로 이루어진다.

지정 스트로크까지 동작중에 이동 동작 완료 여부를 판단하고(S922) 이동 동작 완료가 아니면 토크 한계 도달 여부를 판단한다.(S923)

이동 동작 완료이거나, 지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계에 도달하면 위치 조정 제어부(120)에서 위치 제어를 실시한다.(S924)

클러치 결합 위치 제어를 위하여 스핀들 회전 구동을 하여 하우징-클러치 분리, 구동풀리-클러치 결합 동작을 수행한다.(S925)

이어, 클램프 센서의 인식 여부를 판단하고(S926), 클램프 센서의 인식이 이루어지면 에어피스톤 해제를 하여 스핀들 고정 해제를 하고(S927), 모터를 정지한다.(S928)

본 발명의 제 2 실시 예에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 장치의 구성 블록도이고, 도 11a와 도 11b는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 방법의 언클램프 동작 제어를 나타낸 플로우 차트이다.

본 발명의 제 2 실시 예에 따른 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 장치는 도 10에서와 같이, 언클램프 동작의 초기 조건을 판단하는 언클램프 구동 조건 확인부(200)와, 언클램프 구동 조건 만족시에 원점 복귀를 위한 스핀들 각도 판단 및 스핀들 각도 제어를 하는 스핀들 각도 판단부(210)와, 스핀들 각도 제어를 위한 정회전 및 역회전에 의한 원점 복귀 여부를 판단하는 원점 복귀 판단부(220)와, 원점 복귀 확인 후 모터 정지, 현재 각도를 클램프시 저장한 구동풀리 회전 각도로 엔코더 각도를 변경하고, 에어피스톤 ON, 구동풀리-클러치 분리, 클러치-하우징 결합을 제어하는 클러치 해제 제어부(230)와, 언클램프 동작을 위한 지정 스트로크 구동 제어, 토크 한계 도달 여부의 판단, 이동 동작 완료 판단, 모터 정지 판단, 알람 발생을 제어하는 언클램프 구동 제어부(240)를 포함하고 제어 수단이 구성된다.

여기서, 언클램프 구동 제어부(240)는 언클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 구동 제어를 하는 지정 스트로크 구동 제어부(240a)와, 스트로크까지의 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부의 판단을 하는 토크 판단부(240b)와, 스트로크까지의 복귀 동작시에 이동 동작 완료 여부를 판단하는 이동 동작 완료 판단부(240c)와, 이동 동작 완료 판단부(240c)판단에 의해 이동 동작 완료인 경우에 모터 정지 판단을 하는 모터 정지 판단부(240d)와, 언클램프 동작의 초기 조건 판단시에 클램프 상태가 아니거나, 언클램프 동작 이후의 모터 정지시에 알람 발생을 하는 알람 발생부(240e)를 포함한다.

도 11a는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 방법에 의한 치형 클러치의 언클램프 동작 제어를 나타낸 것이다.

치형 클러치의 언클램프 동작이 시작되면 언클램프 구동조건 확인을 하여 구동 조건을 만족하지 못할 경우 알람 발생을 한다.

클러치 상태는 에어 피스톤 OFF, 구동풀리-클러치 결합, 클러치-하우징 분리 상태일 수 있다.

이어, 언클램프 구동조건을 만족하면 원점 복귀 준비를 하고, 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 한다.

그리고 원점 복귀 확인 후 모터를 정지하고, 현재 각도를 클램프 시 저장한 구동풀리 회전 각도로 엔코더 각도를 변경한다. 에어피스톤 ON, '구동풀리-클러치 분리', '클러치-하우징' 결합 상태가 되도록 한다.

그리고 클러치 센서에서 토크 모드 인식 후, 저장한 구동풀리 회전 각도 만큼 복귀하고 드로우바 전진 이송을 한다.

이송 중, 지정한 모터 한계 토크에 도달할 경우 긴급 정지 및 알람 발생을 하고, 또는 복귀 구동 완료 했을 경우 모터 정지를 하여 언클램프 동작을 완료한다.

구체적으로 도 11a에서와 같이, 치형 클러치의 언클램프 동작은 언클램프 구동조건 확인을 하여 구동 조건을 만족하지 못할 경우 알람 발생을 한다.(S1101)

언클램프 구동을 위한 초기 조건은 클러치 상태가 에어 피스톤 OFF, 구동풀리-클러치 결합, 클러치-하우징 분리 상태일 수 있다.

이어, 언클램프 구동조건을 만족하면 원점 복귀 준비를 하고, 구동풀리 각도가 180°보다 큰지를 판단하여(S1102) 구동풀리 각도가 180°보다 크면 0°까지 정회전(속도 V₃)하고(S1103), 구동풀리 각도가 180°보다 크지 않다면 0°까지 역회전(속도 V₃)하여(S1104) 현재 구동풀리 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 한다.

그리고 원점 복귀를 확인하여 원점 복귀가 이루어진 것으로 판단되면(S1105), 모터를 정지하고(S1106) 에어피스톤 구동을 하여 구동풀리-클러치 분리를 한다.(S1107)

엔코더 옵셋을 비활성화하여 현재 각도를 클램프 시 저장한 구동풀리 회전 각도로 엔코더 각도를 변경한다.(+R_ANGLE 3 → 현재 각도 R_ANGLE 3)(S1108)

이어, 클램핑 동작 전 초기 위치까지 복귀 동작을 시작한다.(속도 V₁, 구동풀리 회전 각도 -R_ANGLE 3, 토크 한계는 T₁+α)(S1109)

클램핑 동작 전 초기 위치까지 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부를 판단하고(S1110), 토크 한계에 도달한 것으로 판단되면 모터 정지를 하고(S1113), 정지 동작의 완료 여부를 판단하고(S1114) 알람 발생을 한다.

클램핑 동작 전 초기 위치까지 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부를 판단하는 중에 초기 위치까지의 이동 동작이 완료된 것으로 판단되면(S1111) 모터를 정지한다.(S1112)

도 11b는 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어 방법에 의한 멀티 클러치의 언클램프 동작 제어를 나타낸 것이다.

멀티 클러치의 언클램프 동작이 시작되면 언클램프 구동조건을 확인하고 구동 조건을 만족하지 못할 경우 알람 발생을 한다.

구동 조건을 만족하면, 원점 복귀(오리엔테이션) 준비를 하고, 현재 구동풀리 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전, 원점 복귀를 한다.

원점 복귀가 확인되면 모터 정지, 에어피스톤 ON, 구동풀리 고정을 하고, 클러치 구동을 하여 하우징-클러치 결합과 동시에 구동풀리-클러치 분리를 한다.

여기서, 이송 중, 지정한 모터 한계 토크에 도달할 경우 긴급 정지 및 알람 발생을 하고, 또는 복귀 구동 완료 했을 경우 모터 정지를 하여 언클램프 동작 완료한다.

구체적으로 도 11b에서와 같이, 멀티 클러치의 언클램프 동작은 언클램프 구동조건 확인을 하여 구동 조건을 만족하지 못할 경우 알람 발생을 한다.(S1120)

언클램프 구동을 위한 초기 조건은 클러치 위치가 구동풀리와 결합(에어 피스톤 OFF), 스트로크가 클램프 센서 위치일 수 있다.

이어, 언클램프 구동조건을 만족하면 원점 복귀 준비를 하고, 스핀들 각도가 180°보다 큰지를 판단하여(S1121) 스핀들 각도가 180°보다 크면 0°까지 정회전(속도 V₂)하고(S1122), 스핀들 각도가 180°보다 크지 않다면 0°까지 역회전(속도 V₂)하여(S1123) 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 한다.

그리고 원점 복귀를 확인하여 원점 복귀가 이루어진 것으로 판단되면(S1124), 정지를 하고(S1125) 에어피스톤 구동을 하여 스핀들 고정이 이루어지도록 한다.(S1126)

이어, 클러치 정회전 구동을 하여 하우징-클러치 결합과 동시에 구동풀리-클러치 분리를 한다.(S1127)

그리고 스핀들 모터를 구동하여 드로우바 전방 이송을 하여 스트로크 원점 복귀를 한다.(S1128)

여기서, 이송 중, 지정한 모터 한계 토크 도달 여부 판단(S1129), 이동 동작 완료 판단(S1130)을 하고, 지정한 모터 한계 토크에 도달할 경우 긴급 정지(S1132) 및 알람 발생을 하고, 또는 복귀 구동 완료 했을 경우 모터 정지를 하여 언클램프 동작 완료한다.(S1131)

이상에서 설명한 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치 및 방법은 회전 능력을 높이고, 클램프 동작 및 언클램프 동작의 정밀도, 신뢰도를 높일 수 있도록 한 것이다.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100. 클램프 구동 조건 확인부
110. 클램프 구동 제어부
120. 위치 조정 제어부
130. 클러치 결합 제어부

Claims

공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 제어 수단에 있어서,
클램프 동작의 초기 조건을 판단하는 클램프 구동 조건 확인부;
클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 구동 제어, 토크 한계 도달 여부의 판단, 클램프 센서 인식 여부의 판단을 하여 클램프 동작시의 구동 제어를 하는 클램프 구동 제어부;
현재 구동 풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도를 계산하고, 클러치 결합 위치까지 동작을 제어하고 클러치 결합 가능 각도 도달 여부를 판단하는 위치 조정 제어부;
클러치 결합 가능 각도에 도달하면 에어피스톤을 작동하여 클러치 결합을 수행하고 엔코더 옵셋을 사용하여 클러치 결합이 이루어지면 모터 정지를 수행하는 클러치 결합 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 클램프 구동 제어부는,
클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 구동을 제어하는 지정 스트로크 구동 제어부와,
클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 구동시의 토크 한계 도달 여부의 판단을 하는 토크 판단부와,
클램프 동작을 위한 지정 스트로크까지 구동시의 토크 한계에 도달한 것으로 판단되면 클램프 센서 인식 여부를 판단하는 클램프 센싱부와,
클램프 동작을 위한 구동시에 공작물 없음 및 클램프 이상 여부, 클램프 동작의 초기 조건을 판단시에 언클램프 상태가 아닌 경우에 알람을 발생하는 알람 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치.
제 1 항에 있어서, 위치 조정 제어부는,
클램프 센서의 인식 이후에 위치 조정을 위하여 현재 구동풀리 각도를 저장하는 구동풀리 각도 저장부와,
구동풀리 각도 저장부에 저장된 현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도를 계산하는 결합 각도 계산부와,
결합 위치를 판단하면서 클러치 결합 위치까지의 동작을 제어하는 결합 위치 판단부와,
클러치 결합 위치까지의 동작에 의해 클러치 결합 가능 각도에 도달하였는지의 여부를 판단하는 클러치 각도 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치.
공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 제어 수단에 있어서,
언클램프 동작의 초기 조건을 판단하는 언클램프 구동 조건 확인부;
언클램프 구동 조건 만족시에 원점 복귀를 위한 스핀들 각도 판단 및 스핀들 각도 제어를 하는 스핀들 각도 판단부;
스핀들 각도 제어를 위한 정회전 및 역회전에 의한 원점 복귀 여부를 판단하는 원점 복귀 판단부;
원점 복귀 확인 후 모터 정지, 현재 각도를 클램프시 저장한 구동풀리 회전 각도로 엔코더 각도를 변경하고, 에어피스톤 ON, 구동풀리-클러치 분리, 클러치-하우징 결합을 제어하는 클러치 해제 제어부;
언클램프 동작을 위한 지정 스트로크 구동 제어, 토크 한계 도달 여부의 판단, 이동 동작 완료 판단을 제어하는 언클램프 구동 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치.
제 4 항에 있어서, 언클램프 구동 제어부는,
언클램프 동작을 위한 지정 스트로크 구동 제어를 하는 지정 스트로크 구동 제어부와,
스트로크까지의 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부의 판단을 하는 토크 판단부와,
스트로크까지의 복귀 동작시에 이동 동작 완료 여부를 판단하는 이동 동작 완료 판단부와,
이동 동작 완료 판단부의 판단에 의해 이동 동작 완료인 경우에 모터 정지 판단을 하는 모터 정지 판단부와,
언클램프 동작의 초기 조건 판단시에 클램프 상태가 아니거나, 언클램프 동작 이후의 모터 정지시에 알람 발생을 하는 알람 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 제어 수단은 클러치 위치 제어를 위하여,
클러치유닛에 의해 스핀들(20)이 구동풀리(40)에 연결된 스핀들 운전모드 상태에서 스핀들(20)이 하우징(10)에 연결되는 클램핑 운전모드로 절환되기 직전과, 상기 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환되기 직전에 상기 구동풀리(40)와 연결되어 회전량 및 회전 위치를 검출하는 위치검출유닛에 의해 검출된 클러치유닛의 위치 정보에 근거하여 상기 구동풀리(40)를 회전시켜 클러치유닛의 위치에 정렬하는 위치 조정 프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 장치.
공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 클램프 동작 제어에 있어서,
클램프 동작의 초기 조건을 만족하는지를 판단하여 클램프 동작의 초기 조건을 만족하면 지정 스트로크까지(X1, 각도 R_ANGLE 1) 동작을 시작하는 단계;
지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계 도달 여부를 판단하고, 토크 한계 도달전까지 스트로크 이송 완료 여부를 판단하는 단계;
지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계에 도달하면 클램프 센서의 인식 여부를 판단하고 위치 제어를 위하여 현재 구동풀리 각도(R_ANGLE 2)를 저장하는 단계;
저장된 현재 구동풀리 각도 대비 클러치 결합 가능 각도(R_ANGLE 3)를 계산하고, 결합 위치를 판단하면서 클러치 결합 위치(R_ANGLE 3)까지의 동작을 시작하는 단계;
클러치 결합 가능 각도에 도달하면 에어피스톤을 작동하여 클러치 결합을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
제 7 항에 있어서, 클램프 동작의 초기 조건은,
클러치의 위치가 하우징과 결합된 상태, 에어피스톤 ON, 스트로크는 언클램프 센서 감지 지점에 위치하는 조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 클램프 동작의 초기 조건을 만족하지 않으면 언클램프 상태가 아닌 것으로 판단하여 알람 발생을 하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
제 7 항에 있어서, 토크 한계 도달전까지 스트로크 이송 완료 여부를 판단하여 토크 한계 이전에 스트로크 이송이 완료된 것으로 판단되면 공작물 없음으로 판단하여 알람을 발생하고,
지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계에 도달하면 클램프 센서의 인식 여부를 판단하고, 클램프 센서의 인식이 이루어지지 않은 것으로 판단되면 클램프 이상으로 판단하여 알람을 발생하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 클램프 동작 제어에 있어서,
클램프 동작의 초기 조건을 만족하는지를 판단하여 클램프 동작의 초기 조건을 만족하면(X1, 각도 R_ANGLE 1) 동작을 시작하는 단계;
지정 스트로크까지 동작중에 이동 동작 완료 여부를 판단하고 이동 동작 완료가 아니면 토크 한계 도달 여부를 판단하는 단계;
이동 동작 완료이거나, 지정 스트로크까지 동작중에 토크 한계에 도달하면 위치 제어를 하는 단계;
클러치 결합 위치 제어를 위하여 스핀들 회전을 하여 하우징-클러치 분리, 구동풀리-클러치 결합 동작을 수행하는 단계;
클램프 센서의 인식이 이루어지면 에어피스톤 해제를 하여 스핀들 고정 해제를 하고, 모터를 정지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
제 11 항에 있어서, 클램프 동작의 초기 조건은,
클러치의 위치가 하우징과 결합된 상태, 에어피스톤 ON, 스트로크는 언클램프 센서 감지 지점에 위치하는 조건을 포함하고,
클램프 동작의 초기 조건을 만족하지 않으면 언클램프 상태가 아닌 것으로 판단하여 알람 발생을 하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
제 7 항 또는 제 11 항에 있어서, 위치 제어는 RPM은 0, 현재 부하를 유지하는 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 언클램프 동작 제어에 있어서,
언클램프 구동 초기 조건 확인을 하여 언클램프 구동조건을 만족하면 원점 복귀 준비를 하고, 스핀들 각도를 판단하여 정회전 또는 역회전을 하여 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 하는 단계;
원점 복귀를 확인하여 원점 복귀가 이루어진 것으로 판단되면, 모터를 정지하고 에어피스톤 구동을 하여 구동풀리-클러치 분리를 하는 단계;
엔코더 옵셋을 비활성화하여 현재 각도를 클램프 시 저장한 구동풀리 회전 각도로 엔코더 각도를 변경하는 단계;
클램핑 동작 전 초기 위치까지 동작을 시작하고 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부를 판단하고, 토크 한계에 도달한 것으로 판단되면 모터 정지를 하는 단계;
클램핑 동작 전 초기 위치까지 복귀 동작시에 토크 한계 도달 여부를 판단하는 중에 초기 위치까지의 이동 동작이 완료된 것으로 판단되면 모터를 정지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
제 14 항에 있어서, 언클램프 구동 초기 조건은,
클러치 상태가 에어 피스톤 OFF, 구동풀리-클러치 결합, 클러치-하우징 분리 상태이고,
언클램프 구동 초기 조건을 만족하지 않는 경우에는 알람을 발생하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10) 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20); 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리(40); 상기 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와; 상기 스핀들(20)의 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템의 언클램프 동작 제어에 있어서,
언클램프 구동 초기 조건 확인을 하고 언클램프 구동조건을 만족하면 원점 복귀 준비를 하고, 스핀들 각도를 판단하여 정회전 또는 역회전을 하여 현재 스핀들 각도를 0도와 가까운 방향으로 회전하여 원점 복귀를 하는 단계;
원점 복귀를 확인하여 원점 복귀가 이루어진 것으로 판단되면, 모터를 정지를 하고 에어피스톤 구동을 하여 스핀들 고정이 이루어지도록 하는 단계;
스핀들 회전구동을 하여 하우징-클러치 결합과 동시에 구동풀리-클러치 분리를 하는 단계;
스핀들 모터를 구동하여 드로우바 전방 이송을 하여 스트로크 원점 복귀를 하는 단계;
이송 중, 지정한 모터 한계 토크 도달 여부 판단, 이동 동작 완료 판단을 하고, 지정한 모터 한계 토크에 도달할 경우 긴급 정지 및 복귀 구동 완료 했을 경우 모터 정지를 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
제 16 항에 있어서, 언클램프 구동을 위한 초기 조건은,
에어 피스톤 OFF에 의해 클러치 위치가 구동풀리와 결합, 스트로크가 클램프 센서 위치인 조건을 포함하고,
언클램프 구동을 위한 초기 조건을 만족하지 않는 경우에는 알람 발생을 하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
제 14 항 또는 제 16 항에 있어서, 원점 복귀를 하는 단계에서,
현재 스핀들의 각도를 확인하여 0°와 가까운 방향으로 정회전 또는 역회전하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.
제 7 항 또는 제 11 항 또는 제 14 항 또는 제 16 항에 있어서, 클램프 동작 또는 언클램프 동작 제어를 위한 척 설정(Chuck Setting)을 위한 설정값 입력 항목은,
언클램프 상태 확인을 위한 스트로크 위치(언클램프 위치,Stroke-Unclamp position), 클램프 상태 확인을 위한 스트로크 위치(클램프 위치,Stroke-Clamp position), T₁토크 한계값(Torque limit T₁), T₃토크 한계값(Torque limit T₃), V₁그리핑 속도(Gripping speed V₁), V₂그리핑 속도(Gripping speed V₂), 추가 회전 속도(Add rotating speed V₃), 그리핑 세기(Gripping force), 공작물 직경(Workpiece diameter)의 항목을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 전기 구동 시스템 제어를 위한 방법.