KR101999324B1

KR101999324B1 - 공작기계의 전기 구동 시스템 및 그 작동방법

Info

Publication number: KR101999324B1
Application number: KR1020180013107A
Authority: KR
Inventors: 윤용선; 구본생; 장정환
Original assignee: 칸워크홀딩 주식회사; 동아대학교 산학협력단
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2019-07-12

Abstract

본 발명은 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 및 그 작동방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템은, 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징; 상기 하우징 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들; 상기 스핀들의 외측에 스핀들에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리; 상기 구동풀리를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바와; 상기 구동풀리의 회전 운동을 드로우바의 전후진 직선 운동으로 변환하는 운동변환유닛; 상기 스핀들의 외면에 축방향으로 선형 이동 가능하게 설치되어, 이동 방향에 따라 상기 구동풀리 또는 상기 하우징에 결합되면서 스핀들을 구동풀리와 하우징에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하고, 상기 클러치유닛은, 가동클러치에 원주방향으로 일정 각도 범위 내에서 회전 가능하게 설치되는 플로팅클러치를 구비하여 플로팅클러치의 가동세레이션이 고정클러치의 고정세레이션에 대해 유동하면서 맞물릴 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

공작기계의 전기 구동 시스템 및 그 작동방법{Electrical Driving System for Machine Tools, And Method for Operating the Same}

본 발명은 공작 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 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 및 그 작동방법에 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(구동풀리)에 선택적으로 연결하여 피가공물의 클램핑 동작(클램핑 운전모드)과 피가공물의 가공 동작(회전 운전모드)을 수행하는 것이 일반적이다.

그런데 피가공물의 크기가 달라지게 되면 클램핑 동작시 드로우바의 이동 거리가 달라지게 되고, 클램핑 운전모드에서 회전 운전모드로 절환될 때 클러치장치에 형성된 톱니 형상의 세레이션이 정확하게 맞물리지 않는 경우가 발생하게 된다. 이와 같이 클러치장치의 세레이션이 정확하게 맞물리지 않은 상태에서 스핀들이 고속으로 회전하게 되면 구동요소의 회전력이 클러치장치를 통해 스핀들에 정확하게 전달되지 않는 경우가 발생하여 진동이나 소음이 발생하고, 가공 불량이 발생하는 문제가 있다.

또한 전기식 구동 시스템의 드로우바에 설치된 리드스크류는 나사면 사이에서 발생하는 마찰력에 의해 드로우바에 추력을 인가한 이후 모터의 동력을 제거하더라도 초기 인가추력을 기계적으로 유지할 수 있는 장점이 있는 반면, 마찰손실에 의해 드로우바에 인가되는 추력이 높아질수록 모터의 출력토크 대비 드로우바에 인가되는 추력의 효율이 낮아지는 문제점이 있다.

미국 등록특허 US 4,573,379(1986년 3월 4일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0732596호(2007년 06월 20일 등록) 대한민국 등록실용신안공보 제20-0243368호(2001년 8월 7일 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 피가공물의 크기가 달라지더라도 클러치장치의 세레이션 간의 결합이 정확하게 이루어질 수 있도록 한 공작기계의 전기 구동 시스템 및 그 작동방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 낮은 스핀들 모터의 출력 토크로 드로우바의 추력 발생이 가능하게 하여 안정성 및 제어 정밀도를 향상시킬 수 있는 공작기계의 전기 구동 시스템 및 그 작동방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템은, 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징; 상기 하우징 내부에 하우징에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들; 상기 스핀들의 외측에 스핀들에 대해 회전 가능하게 설치된 구동풀리; 상기 구동풀리를 회전시키는 스핀들 모터; 상기 스핀들의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바와; 상기 구동풀리의 회전 운동을 드로우바의 전후진 직선 운동으로 변환하는 운동변환유닛; 상기 스핀들의 외면에 축방향으로 선형 이동 가능하게 설치되어, 이동 방향에 따라 상기 구동풀리 또는 상기 하우징에 결합되면서 스핀들을 구동풀리와 하우징에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;을 포함하고, 상기 클러치유닛은, 상기 구동풀리의 전방면에 고정되며 원주방향을 따라 톱니 형상의 고정세레이션이 형성되어 있는 고정클러치, 링 형태로 되어 스핀들의 외면에 축방향으로 슬라이딩 가능하게 설치되며 전방면에 하우징에 결합되는 클러치세레이션이 형성된 가동클러치, 상기 가동클러치의 후방에 가동클러치의 원주방향으로 일정 각도 범위 내에서 회전 가능하게 설치되며 상기 고정클러치의 고정세레이션과 맞물리는 톱니 형상의 가동세레이션이 형성되어 있는 플로팅클러치, 상기 가동클러치를 스핀들의 축방향으로 직선 이동시키는 클러치 구동부를 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 전기 구동 시스템을 작동하는 방법은 다음과 같은 단계들로 구성된다.

(S1) 클러치유닛을 전진시켜 클러치유닛을 구동풀리에서 분리하고 하우징에 결합시켜 스핀들을 하우징에 대해 고정하는 단계

(S2) 스핀들 모터에 전원을 인가하여 구동풀리를 회전시키는 단계

(S3) 구동풀리의 회전력을 운동변환유닛을 통해 드로우바에 전달하여 드로우바를 후진시켜 피가공물을 고정하는 단계

(S4) 클러치유닛을 후진시켜 클러치유닛을 하우징에서 분리하고 구동풀리에 결합하는 단계

(S5) 스핀들 모터에 전원을 인가하여 스핀들과 드로우바를 동시에 회전시켜 피가공물을 가공하는 단계

본 발명에 따르면, 피가공물의 크기에 따라 클러치유닛의 가동세레이션과 고정세레이션의 위치가 일정 정도 어긋나더라도 가동세레이션이 형성되어 있는 플로팅클러치가 가동클러치에 대해 회전하면서 가동세레이션과 고정세레이션이 맞물리게 된다. 따라서 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환시에 클러치유닛의 가동세레이션과 고정세레이션이 항상 정확하게 맞물릴 수 있게 된다.

그리고 구동풀리와 스핀들 사이에 유성기어유닛이 구성되어 유성기어유닛의 캐리어를 통해 구동풀리의 회전력이 리드스크류부로 전달될 수 있게 된다. 따라서 구동풀리를 회전시키는 스핀들 모터의 출력 토크를 낮게 하더라도 리드스크류부 및 드로우바를 원활하게 선형 이동시킬 수 있다.

또한 드로우바에 고정된 리드스크류부의 셀프 록킹(self-locking) 기능에 의해, 드로우바의 후진에 의한 피가공물의 클램핑 동작으로부터 스핀들의 회전에 의한 피가공물의 가공이 이루어지는 스핀들 운전모드로 절환시에 최초의 클램핑력을 유지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 구동 시스템을 나타낸 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 전기 구동 시스템의 주요 부분을 확대하여 나타낸 단면도로, 도 2a는 클램핑 운전모드를 나타내고, 도 2b는 스핀들 운전모드를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 전기 구동 시스템의 클러치유닛을 나타낸 확대 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3에 도시된 클러치유닛의 일부 구성을 나타낸 분해 사시도 및 단면도이다.
도 5는 도 4b의 A 부분의 확대도이다.
도 6은 도 4a 및 도 4b에 도시된 클러치유닛의 플로팅클러치에 구성된 가이드핀의 구성 및 작동례를 나타낸 횡단면도이다.

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 작동방법을 후술된 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 구동 시스템은, 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 유성기어유닛과, 상기 스핀들(20)의 후방부 외면에 축방향으로 선형 이동은 가능하게 설치되어 상기 구동풀리(40)와 상기 하우징(10)에 선택적으로 결합되는 클러치유닛을 포함한 구성으로 이루어진다.

하우징(10)은 내부가 빈 통형태로 이루어져 공작기계의 본체에 고정되게 설치된다. 하우징(10)의 후단부에는 스핀들(20)의 후방부가 통과하는 개구부가 형성된 링 형태의 후면커버(11)가 고정되게 결합된다. 후면커버(11)의 후방면에는 상기 클러치유닛을 구성하는 가동클러치(62)와의 결합을 위한 커플링세레이션(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 파지하거나 해제한다.

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(64) 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)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.

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 후방부 내측에는 유성기어유닛의 링기어(51)와 유성기어(53)와 선기어(54)가 수용된다.

구동풀리(40)의 전방부는 상기 클러치유닛과 결합되거나 분리된다.

상기 유성기어유닛은 상기 구동풀리(40)의 내측면에 고정되어 구동풀리(40)와 함께 회전하게 되는 링기어(51), 후방부 내주면에 상기 리드스크류부(35)의 나사산과 나선 결합되는 나사산이 형성되고 스핀들(20)의 외면에 대해 회전 가능하게 설치된 캐리어(52), 상기 캐리어(52)에 회전 가능하게 설치되며 상기 링기어(51)와 치합되어 링기어(51)의 원주방향을 따라 회전 가능한 복수의 유성기어(53), 및 상기 스핀들(20)의 후단부 외측면에 고정되며 상기 유성기어(53)와 치합되는 선기어(54)를 포함한다.

상기 유성기어(53)는 캐리어(52)에 원주방향을 따라 일정 간격으로 설치된 유성기어핀(55)에 회전 가능하게 설치된다.

상기 캐리어(52)는 스핀들(20) 및 구동풀리(40)에 대해 회전 가능하게 설치된다. 이를 위해 캐리어(52)의 내측면과 외측면 각각에 스핀들(20)과 구동풀리(40)에 대해 캐리어(52)를 회전 가능하게 지지하는 내측 베어링(56) 및 외측 베어링(57)이 설치된다.

이러한 링기어(51)와 유성기어(53)와 선기어(54) 및 캐리어(52)로 이루어진 유성기어유닛은 구동풀리(40)의 회전력을 리드스크류부(35)로 전달하는 작용을 하며, 스핀들 모터(미도시)의 출력 토크가 낮아도 원활하게 리드스크류부(35)를 회전 구동시킬 수 있도록 하는 이점을 제공한다.

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

도 3을 참조하면, 이 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 슬라이딩 가능하게 설치되며 전방면에 하우징(10)에 결합되는 클러치세레이션이 형성된 가동클러치(62), 상기 가동클러치(62)의 후방에 가동클러치(62)의 원주방향으로 일정 각도 범위 내에서 회전 가능하게 설치되며 상기 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 맞물리는 톱니 형상의 가동세레이션(63a)이 형성되어 있는 플로팅클러치(63), 상기 가동클러치(62)를 스핀들(20)의 축방향으로 직선 이동시키는 클러치 구동부를 포함한다.

고정클러치(61)는 원형 링 형태로 되어 구동풀리(40)의 전단부에 고정되게 설치된다. 고정클러치(61)는 구동풀리(40)와 개별체로 만들어진 후 구동풀리(40)에 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. 가동클러치(62)의 전방면에는 후면커버(11)의 후방면에 형성되어 있는 커플링세레이션(11a)과 맞물리는 클러치세레이션(62a)이 형성되어 있다.

플로팅클러치(63)는 가동클러치(62)의 후방에 배치되고, 후방면에 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 맞물리는 톱니 형상의 가동세레이션(63a)이 원주방향을 따라 형성되어 있다. 플로팅클러치(63)는 가동클러치(62)에 원주방향으로 일정 각도 범위로 회전이 가능하게 설치된다. 이를 위해 도 4a와 도 4b 및 도 5에 도시한 것과 같이 가동클러치(62)의 상부와 하부 각각에 백래쉬 홈(62b)이 형성되고, 상기 플로팅클러치(63)의 전방면에 상기 백래쉬 홈(62b)보다 작은 좌우 폭을 갖도록 되어 백래쉬 홈(62b) 내측으로 삽입되면서 플로팅클러치(63)의 회전 범위를 제한하는 플로팅홀더(63c)가 전방으로 돌출되게 형성된다.

상기 플로팅홀더(63c)의 양측부에 상기 백래쉬 홈(62b)의 양측면에 탄력적으로 접촉하는 플로팅 탄성부가 설치된다. 플로팅 탄성부는 플로팅홀더(63c)의 양측으로 돌출되어 측방향으로 슬라이딩하는 2개의 플로팅핀(63d)과 상기 플로팅핀(63d)을 플로팅홀더(63c)에 대해 탄력적으로 지지하는 스프링(63e)을 포함한다.

이와 같은 플로팅클러치(63)는 가동클러치(62)에 대해 원주방향으로 회전이 가능하게 구성되므로, 운전 모드의 절환시 가동클러치(62)가 후방으로 이동하여 가동세레이션(63a)이 고정세레이션(61a)과 맞물릴 때 가동세레이션(63a)과 고정세레이션(61a)이 정확하게 일치하지 않고 어느 정도 편차가 발생할 경우 백래쉬 구조에 의해 가동세레이션(63a)과 고정세레이션(61a)이 맞물리면서 플로팅클러치(63)가 회전하여 클램핑력의 변화없이 가동세레이션(63a)과 고정세레이션(61a)이 정확하게 맞물릴 수 있게 되고, 이로써 스핀들의 회전 모드(피가공물의 가공 모드)에서 구동풀리(40)와 클러치유닛이 견고하게 물려서 회전할 수 있게 되는 작용을 한다.

한편 가동클러치(62)가 후방으로 이동하여 가동세레이션(63a)이 고정세레이션(61a)에 맞물릴 때, 가동세레이션(63a)과 고정세레이션(61a)의 정점(peak)이 부딪혀 가동세레이션(63a)이 형성된 플로팅클러치(63)가 회전하지 못하여 가동세레이션(63a)과 고정세레이션(61a)이 정확하게 맞물리지 못하는 현상을 발생할 수 있다.

이를 방지하기 위하여 도 6에 도시한 것과 같이, 플로팅클러치(63)의 후방부에 상기 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a) 내측으로 탄력적으로 삽입되는 가이드핀(63f)과 상기 가이드핀(63f)을 플로팅클러치(63)에 대해 탄력적으로 지지하는 핀스프링(63g)이 설치된다. 상기 가이드핀(63f)은 가동세레이션(63a)의 톱니의 정점으로부터 일정 거리만큼 편향되게 위치된다. 따라서 가동세레이션(63a)과 고정세레이션(61a)이 맞물릴 때 가이드핀(63f)의 선단부가 고정세레이션(61a)의 톱니의 경사면에 접촉하면서 고정세레이션(61a)의 톱니 내측으로 삽입되므로 가동세레이션(63a)과 고정세레이션(61a)이 항상 정확하게 맞물릴 수 있게 된다.

다시 도 3을 참조하면, 상기 가동클러치(62)의 외면에는 엔코더풀리(71)가 설치되어 가동클러치(62)와 함께 회전하고, 엔코더풀리(71)에는 스핀들(20)의 회전수 및 가동클러치(62)의 위치를 검출하기 위한 엔코더(미도시)와 연결되는 타이밍벨트(72)가 감겨진다. 따라서 가동클러치(62)가 구동풀리(40)와 결합되어 스핀들(20)과 함께 회전하게 되면 엔코더풀리(71)가 함께 회전하게 되고, 엔코더풀리(71)의 회전력이 타이밍벨트(72)를 통해 엔코더(미도시)에 전달되어 스핀들(20)의 회전수 및 가동클러치(62)의 위치가 검출될 수 있게 된다.

이러한 엔코더(미도시) 및 엔코더풀리(71)는 가동클러치(62)가 전방으로 이동하여 운전모드가 전환될 때 가동클러치(62)의 클러치세레이션(62a)이 커플링세레이션(11a)과 정확하게 맞물릴 수 있도록 하기 위하여 가동클러치(62)의 회전 위치를 초기 위치로 조정할 때 사용될 수 있다. 또한 이와 다르게 상기 엔코더(미도시) 및 엔코더풀리(71)를 사용하지 않고 구동풀리(40) 및 구동벨트(미도시)와 연결된 스핀들모터의 스핀들엔코더를 이용하여 가동클러치(62)의 위치를 검출하고 조정할 수도 있다.

클러치 구동부는 가동클러치(62)를 운전모드에 따라 전후진시키는 작용을 하도록 구성된다. 이 실시예에서 클러치 구동부는, 가동클러치(62)의 전방과 상기 하우징(10)의 후단부 사이에서 스핀들(20)의 외면에 고정되게 설치되는 스프링마운트부재(64), 상기 스프링마운트부재(64)에 지지되어 상기 가동클러치(62)에 후방으로 탄성력을 가하는 제1탄성부재(65), 상기 하우징(10)에 축방향으로 이동 가능하게 설치되며 후단부에 상기 가동클러치(62)의 외주면에 결합되는 견인돌기(66a)가 반경방향 내측으로 돌출되게 형성되어 있는 링 형태의 클러치피스톤(66), 및 상기 클러치피스톤(66)에 전방으로 외력을 가하여 클러치피스톤(66)을 전방으로 이동시키는 피스톤액추에이터(68), 상기 하우징(10)의 후단부에 대해 상기 클러치피스톤(66)에 후방으로 탄성력을 가하는 제2탄성부재(67)를 포함한다.

상기 제1탄성부재(65)는 상기 스프링마운트부재(64)의 후방면에 형성된 홈 내측에 설치되는 복수의 압축코일스프링으로 이루어져 가동클러치(62)에 후방으로 탄성력을 가한다.

상기 스프링마운트부재(64)는 원형의 링 형태로 되어 가동클러치(62)와 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 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 유압실린더를 적용할 수 있으며, 클러치피스톤(66)을 전방으로 이동시키는 작용을 한다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 구동 시스템의 작동방법에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

피가공물을 가공하기 위해서는 공작 기계의 조오(J)가 피가공물을 견고하게 클램핑해야 한다. 이러한 클래핑 동작을 위한 클램핑 모드에서는 도 2a에 도시한 것과 같이 피스톤액추에이터(68)에 공압이 인가되고, 클러치피스톤(66)이 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 가동클러치(62)가 구동풀리(40)와 분리된다. 그리고 가동클러치(62)의 전방면에 형성되어 있는 클러치세레이션(62a)이 후면커버(11)의 후방면에 형성되어 있는 커플링세레이션(11a)과 맞물리게 되면서 가동클러치(62)의 회전이 제한되고, 스핀들(20)의 회전이 제한된다.

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

상기 스핀들(20)이 하우징(10)에 대해 고정된 상태에서 구동풀리(40)가 회전함에 따라 유성기어유닛의 링기어(51)가 구동풀리(40)와 함께 회전하게 된다. 이에 따라 유성기어(53)가 회전하면서 링기어(51) 및 선기어(54)의 원주방향으로 회전하게 되고, 캐리어(52)가 스핀들(20)의 주변을 따라 회전하게 된다.

상기 캐리어(52)가 스핀들(20)의 외면에 대해 회전함에 따라 캐리어(52)의 내주면에 형성되어 있는 나사산과 리드스크류부(35)의 외주면에 형성되어 있는 나사산 간의 작용에 의해 리드스크류부(35) 및 이에 결합된 드로우바(30)가 후방으로 선형 이동하게 된다. 상기 드로우바(30)가 스핀들(20)에 대해 후방으로 선형 이동함에 따라 조오(J)가 오므려지면서 피가공물을 단단히 클램핑하게 된다. 물론 피가공물의 가공이 완료된 후에는 스핀들 모터(미도시)가 역으로 작동하여 구동풀리(40)가 이전과는 반대 방향으로 회전하게 되고, 유성기어유닛이 이전과는 반대로 동작하여 리드스크류부(35)이 및 드로우바(30)가 축방향으로 전진하여 조오(J)의 클램핑력이 해제된다. 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.

전술한 것과 같이 드로우바(30)가 후진하여 조오(J)가 피가공물을 단단히 파지하는 클램핑 운전모드가 완료되면, 스핀들(20)을 고속 회전시켜 피가공물의 가공 작업을 진행하는 스핀들 운전모드로 절환한다.

이러한 운전모드의 절환 시에 도 2b에 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)는 후면커버(11)에서 분리되고, 플로팅클러치(63) 후방면의 가동세레이션(63a)이 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)에 맞물리면서 플로팅클러치(63) 및 가동클러치(62)가 구동풀리(40)에 결합되어 스핀들(20)이 구동풀리(40)의 회전력을 전달받게 된다. 이 때 가동세레이션(63a)과 고정세레이션(61a)이 정확하게 일치하지 않더라도 가동세레이션(63a)의 경사면과 고정세레이션(61a)의 경사면이 만나면서 플로팅클러치(63)가 가동클러치(62)에 대해 원주방향으로 미세하게 회전하면서 가동세레이션(63a)과 고정세레이션(61a)이 정확하게 맞물리게 된다.

이어서 스핀들 모터(미도시)에 전원을 인가하여 동작시키면, 구동풀리(40)가 고속으로 회전하게 되고, 구동풀리(40)의 전방면에 결합되어 있는 플로팅클러치(63) 및 가동클러치(62)를 통해 스핀들(20)에 회전력이 전달되므로 스핀들(20)이 고속으로 회전하게 된다. 이 때 유성기어유닛의 링기어(51)는 구동풀리(40)에 고정되어 있고 선기어(54)는 스핀들(20)에 고정되어 있으므로 링기어(51)와 선기어(54)가 함께 회전하게 되고, 유성기어(53) 및 캐리어(52), 캐리어(52)와 리드스크류부(35)를 통해 맞물려 있는 드로우바(30) 역시 동일한 회전 속도롤 회전하게 된다.

상술한 것과 같이, 본 발명의 전기 구동 시스템은 구동풀리(40)와 스핀들(20) 사이에 유성기어유닛이 구성되고, 유성기어유닛의 캐리어(52)가 드로우바(30)와 결합되어 있는 리드스크류부(35)와 나사산으로 맞물려 있으므로, 구동풀리(40)의 회전력이 유성기어유닛을 통해 리드스크류부(35)로 전달되어 드로우바(30)가 전후방향으로 선형 이동할 수 있게 된다.

따라서 구동풀리(40)를 회전시키는 스핀들 모터(미도시)의 출력 토크를 낮게 하더라도 리드스크류부(35) 및 드로우바(30)를 원활하게 선형 이동시킬 수 있다.

또한 캐리어(52)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.

한편 전기 구동 시스템에 구성되는 클러치유닛의 경우, 클램핑 운전모드에서 회전 운전모드로 절환 될 때 클러치유닛에 형성된 톱니 형상의 세레이션이 정확하게 맞물리게 하기 위하여 구동부재(구동풀리)를 클램핑 역방향으로 회전하여 맞물리게 하거나, 또는 클램핑 정방향으로 좀 더 회전하여 맞물리게 할 수도 있다. 클램핑 역방향으로 회전하는 것은 클램핑력이 감소하는 현상이 발생할 수 있으나 정방향으로 좀 더 회전(세레이션 잇수를 더 증가시켜 약 0.5°에서 2°이내에 세레이션이 맞물리게 함)하는 것은 클램핑력이 증가하기 때문에 가능하다. 하지만 전기 구동 시스템의 경우 클램핑력을 정확하게 제어하는 것이 특징인데 구동부재의 역방향 또는 정방향 회전으로 인하여 초기 설정한 클램핑력이 변하는 것은 좋지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 클러치유닛에 백래쉬 구조를 형성함으로써, 즉 클러치유닛의 고정클러치(61)의 제1세레이션(61a)과 맞물리는 가동세레이션(63a)을 가동클러치(62)에 대해 원주방향으로 상대 회전 운동이 가능하게 구성한 플로팅클러치(63)에 형성함으로써 클러치유닛의 세레이션의 맞물림 조정 작동시 클램핑력이 변하는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

10 : 하우징 11 : 후면커버
11a : 커플링세레이션 20 : 스핀들
30 : 드로우바 35 : 리드스크류부
40 : 구동풀리 51 : 링기어
52 : 캐리어 53 : 유성기어
54 : 선기어 55 : 유성기어핀
61 : 고정클러치 61a : 고정세레이션
62 : 가동클러치 62a: 클러치세레이션
62b : 백래쉬 홈 63 : 플로팅클러치
63a : 가동세레이션 63c : 플로팅홀더
63d : 플로팅핀 63e : 스프링
63f : 가이드핀 63g : 핀스프링
64 : 스프링마운트부재 65 : 제1탄성부재
66 : 클러치피스톤 67 : 제2탄성부재
68 : 피스톤액추에이터 71 : 엔코더풀리
72 : 타이밍벨트

Claims

공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 하우징(10);
상기 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 구동풀리(40)의 회전 운동을 드로우바(30)의 전후진 직선 운동으로 변환하는 운동변환유닛;
상기 스핀들(20)의 외면에 축방향으로 선형 이동 가능하게 설치되어, 이동 방향에 따라 상기 구동풀리(40) 또는 상기 하우징(10)에 결합되면서 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;
을 포함하고,
상기 클러치유닛은,
상기 구동풀리(40)의 전방면에 고정되며 원주방향을 따라 톱니 형상의 고정세레이션(61a)이 형성되어 있는 고정클러치(61), 링 형태로 되어 스핀들(20)의 외면에 축방향으로 슬라이딩 가능하게 설치되며 전방면에 하우징(10)에 결합되는 클러치세레이션이 형성된 가동클러치(62), 상기 가동클러치(62)의 후방에 가동클러치(62)의 원주방향으로 일정 각도 범위 내에서 회전 가능하게 설치되며 상기 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a)과 맞물리는 톱니 형상의 가동세레이션(63a)이 형성되어 있는 플로팅클러치(63), 상기 가동클러치(62)를 스핀들(20)의 축방향으로 직선 이동시키는 클러치 구동부를 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 클러치 구동부는, 상기 가동클러치(62)의 전방과 상기 하우징(10)의 후단부 사이에서 스핀들(20)의 외면에 고정되게 설치되는 스프링마운트부재(64), 상기 스프링마운트부재(64)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 결합되는 견인돌기(66a)가 반경방향 내측으로 돌출되게 형성되어 있는 링 형태의 클러치피스톤(66), 및 상기 클러치피스톤(66)에 전방으로 외력을 가하여 클러치피스톤(66)을 전방으로 이동시키는 피스톤액추에이터를 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제2항에 있어서, 상기 클러치 구동부는, 상기 하우징(10)의 후단부에 대해 상기 클러치피스톤(66)에 후방으로 탄성력을 가하는 제2탄성부재(67)를 더 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 가동클러치(62)에 백래쉬 홈(62b)이 형성되고, 상기 플로팅클러치(63)의 전방면에 상기 백래쉬 홈(62b)보다 작은 폭을 갖도록 되어 백래쉬 홈(62b) 내측으로 삽입되면서 플로팅클러치(63)의 회전 범위를 제한하는 플로팅홀더(63c)가 전방으로 돌출되게 형성된 공작기계의 전기 구동 시스템.
제4항에 있어서, 상기 플로팅홀더(63c)의 양측부에 상기 백래쉬 홈(62b)의 양측 단부에 탄력적으로 접촉하는 플로팅 탄성부가 설치된 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 플로팅클러치(63)의 후방부에 상기 고정클러치(61)의 고정세레이션(61a) 내측으로 탄력적으로 삽입되는 가이드핀(63f)과 상기 가이드핀(63f)을 플로팅클러치(63)에 대해 탄력적으로 지지하는 핀스프링(63g)이 설치되며, 상기 가이드핀(63f)은 가동세레이션(63a)의 톱니의 정점으로부터 일정 거리만큼 편향되게 위치된 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 클러치유닛은,
상기 가동클러치(62)의 내주면과 스핀들(20)의 외면 사이에 설치되어 가동클러치(62)를 스핀들(20)에 대해 축방향으로는 이동이 가능하지만 원주방향으로는 회전하지 않도록 구속하는 클러치 키(69a) 및 클러치 키홈(69b)을 더 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 운동변환유닛은,
상기 드로우바(30)의 후방부에 고정되며, 외면에 나선형으로 감겨진 나사산을 구비한 리드스크류부(35); 및,
상기 구동풀리(40)에 고정되어 구동풀리(40)와 함께 회전하는 링기어(51), 내주면에 상기 리드스크류부(35)의 나사산과 나선 결합되는 나사산이 형성되고 스핀들(20)의 외면에 대해 회전 가능하게 설치된 캐리어(52), 상기 캐리어(52)에 회전 가능하게 설치되며 상기 링기어(51)와 치합되어 링기어(51)의 원주방향을 따라 회전 가능한 복수의 유성기어(53), 및 상기 스핀들(20)에 고정되며 상기 유성기어(53)와 치합되는 선기어(54)를 포함하는 유성기어유닛;
을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제8항에 있어서, 상기 드로우바(30)의 외면과 상기 스핀들(20)의 내면 사이에 드로우바(30)의 축방향 이동은 가능하지만 스핀들(20)에 대한 회전 운동은 구속하는 드로우바 키(32)와 드로우바 키홈(31)이 형성된 공작기계의 전기 구동 시스템.
제8항에 있어서, 상기 구동풀리(40)의 후방부 내측에 상기 유성기어유닛의 링기어(51)와 유성기어(53)와 선기어(54)가 수용되게 설치되는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 가동클러치(62)의 외면에 설치되어 가동클러치(62)와 함께 회전하는 엔코더풀리(71)와, 상기 엔코더풀리(71)에 타이밍벨트(72)를 통해 연결되어 가동클러치(62)의 위치를 검출하는 엔코더를 더 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 스핀들모터에 마련된 스핀들엔코더를 이용하여 상기 가동클러치(62)의 위치를 검출하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 전기 구동 시스템의 작동방법으로서,
(S1) 클러치유닛을 전진시켜 클러치유닛을 구동풀리(40)에서 분리하고 하우징(10)에 결합시켜 스핀들(20)을 하우징(10)에 대해 고정하는 단계;
(S2) 스핀들 모터에 전원을 인가하여 구동풀리(40)를 회전시키는 단계;
(S3) 구동풀리(40)의 회전력을 운동변환유닛을 통해 드로우바(30)에 전달하여 드로우바(30)를 후진시켜 피가공물을 고정하는 단계;
(S4) 클러치유닛을 후진시켜 클러치유닛을 하우징(10)에서 분리하고 구동풀리(40)에 결합하는 단계;
(S5) 스핀들 모터에 전원을 인가하여 스핀들(20)과 드로우바(30)를 동시에 회전시켜 피가공물을 가공하는 단계;
를 포함하는 전기 구동 시스템의 작동방법.
제13항에 있어서, 상기 (S3) 단계에서 구동풀리(40)의 회전력을 링기어(51)를 통해 유성기어(53)로 전달하여 유성기어(53) 및 캐리어(52)가 선기어(54)의 원주방향을 따라 회전하게 하고, 캐리어(52)의 회전에 의해 리드스크류부(35) 및 드로우바(30)가 후진하게 하는 전기 구동 시스템의 작동방법.