KR102069721B1

KR102069721B1 - 공작기계의 전기 구동 시스템

Info

Publication number: KR102069721B1
Application number: KR1020180111449A
Authority: KR
Inventors: 윤용선; 구본생
Original assignee: 칸워크홀딩 주식회사
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-01-23
Also published as: EP3854519A4; US20210323107A1; CN112703082B; EP3854519B1; CN112703082A; WO2020060201A1; EP3854519A1

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 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템은, 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 외측에 설치되어 상기 스핀들을 구동풀리와 하우징에 선택적으로 연결하는 클러치유닛; 상기 구동풀리에 연결되어 구동풀리의 회전량 및 회전 위치를 검출하는 엔코더를 포함하는 위치검출유닛; 및, 상기 스핀들 운전모드 상태에서 클램핑 운전모드로 절환되기 직전과, 상기 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환되기 직전에 상기 위치검출유닛에 의해 검출된 클러치유닛의 위치 정보에 근거하여 상기 구동풀리를 회전시켜 클러치유닛의 위치를 정렬하는 위치 조정 프로세스를 수행하는 제어부를 포함한다.

Description

공작기계의 전기 구동 시스템{Electrical Driving System for Machine Tools}

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 시스템에 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.

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 클러치유닛의 세레이션의 위치를 실시간으로 검출하여 운전모드를 절환할 때 클러치장치의 세레이션 간의 결합이 정확하게 이루어질 수 있도록 한 공작기계의 전기 구동 시스템을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 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 외측에 설치되어 상기 스핀들을 구동풀리와 하우징에 선택적으로 연결하는 클러치유닛; 상기 구동풀리에 고정되게 형성된 제1엔코더풀리와, 상기 하우징에 설치되는 제2엔코더풀리와, 상기 제1엔코더풀리와 제2엔코더풀리에 감겨져 제1엔코더풀리의 회전력을 제2엔코더풀리로 전달하는 타이밍벨트와, 상기 제2엔코더풀리와 축결합되어 회전량 및 회전 위치를 검출하는 엔코더를 포함하는 위치검출유닛; 및, 상기 클러치유닛에 의해 스핀들이 구동풀리에 연결된 스핀들 운전모드 상태에서 스핀들이 하우징에 연결되는 클램핑 운전모드로 절환되기 직전과, 상기 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환되기 직전에 상기 위치검출유닛에 의해 검출된 클러치유닛의 위치 정보에 근거하여 상기 구동풀리를 회전시켜 클러치유닛의 위치에 정렬하는 위치 조정 프로세스를 수행하는 제어부;를 포함한다.

상기 제어부는 상기 스핀들 운전모드에서 클램핑 운전모드로 절환되기 직전에는 상기 위치검출유닛에 의해 검출된 클러치유닛의 위치 정보에 근거하여 구동풀리를 회전시켜 클러치유닛을 초기 원점 위치로 정렬하고, 상기 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환되기 직전에는 상기 위치검출유닛에 의해 검출된 클러치유닛의 위치 정보에 근거하여 클러치유닛의 세레이션이 서로 맞물릴 정도로 구동풀리를 클램핑 방향으로 미세하게 회전시켜 조정한다.

본 발명의 한 실시형태에 따른 클러치유닛은, 상기 구동풀리의 전방면에 고정되며 원주방향을 따라 톱니 형상의 고정세레이션이 형성되어 있는 고정클러치; 링 형태로 되어 스핀들의 외면에 축방향으로 슬라이딩은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 연결되는 가동클러치; 상기 가동클러치의 전방면에 설치되며 하우징의 후방에 형성되는 톱니 형상의 하우징세레이션과 맞물리는 전방세레이션이 형성되어 있는 전방커플러; 상기 가동클러치의 후방면에 설치되며 상기 고정클러치의 고정세레이션과 맞물리는 후방세레이션이 형성되어 있는 후방커플러; 상기 가동클러치를 스핀들의 축방향으로 직선 이동시키는 클러치 구동부;를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 스핀들 운전모드에서 클램핑 운전모드로 절환 직전에 위치검출유닛에 의해 검출된 위치 정보에 기반하여 상기 구동풀리를 회전시켜 가동클러치의 위치를 초기 원점 위치로 정렬하고, 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환 직전에 위치검출유닛에 의해 검출된 위치 정보에 기반하여 구동풀리를 클램핑 방향으로 회전시켜 고정클러치의 위치를 미세 조정하여 고정클러치의 고정세레이션과 가동클러치의 후방세레이션을 정렬한다.

상기 클러치 구동부는, 상기 가동클러치의 전방과 상기 하우징의 후단부 사이에서 스핀들의 외면에 고정되게 설치되는 스프링마운트부재, 상기 스프링마운트부재에 설치되어 상기 가동클러치에 후방으로 탄성력을 가하는 제1탄성부재, 상기 하우징에 축방향으로 이동 가능하게 설치되며 후단부에 상기 가동클러치의 외주면에 연접하는 견인돌기가 반경방향 내측으로 돌출되게 형성되어 있는 링 형태의 클러치피스톤, 상기 하우징의 후단부에 대해 상기 클러치피스톤에 후방으로 탄성력을 가하는 제2탄성부재, 및 상기 클러치피스톤에 전방으로 외력을 가하여 클러치피스톤을 전방으로 이동시키는 피스톤액추에이터를 포함할 수 있다.

상기 가동클러치의 내주면과 스핀들의 외면 사이에는 가동클러치를 스핀들에 대해 축방향으로는 이동이 가능하지만 원주방향으로는 회전하지 않도록 구속하는 클러치 키 및 클러치 키홈이 설치될 수 있다.

상기 운동변환유닛은, 상기 드로우바의 후방부에 고정되며, 외면에 나선형으로 감겨진 나사산을 구비한 리드스크류부; 및, 상기 구동풀리에 결합되어 구동풀리와 함께 회전하며, 내주면에 상기 리드스크류부의 나사산과 나선결합되는 나사산이 형성되어 있는 원통형의 캐리어부재; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 한 실시형태에 따른 클러치유닛은, 상기 구동풀리의 전방부와 하우징의 후방부 사이에서 스핀들의 외면에 상대 회전이 불가능하게 설치되며, 후방면에 원주방향을 따라 톱니 형상의 제1세레이션이 형성되어 있는 고정부재; 상기 구동풀리의 전방부에 전후방향으로 이동 가능하게 설치되며, 전방으로 이동했을 때 상기 제1세레이션과 맞물리는 제2세레이션이 원주방향을 따라 형성되어 있는 풀리클러치; 상기 구동풀리에 대해 상기 풀리클러치에 전방으로 탄성력을 가하는 풀리클러치스프링; 상기 하우징에 대해 상기 고정부재를 고정 또는 해제하는 록킹부재; 및, 상기 풀리클러치를 후방으로 이동시키는 클러치작동부재; 를 포함하며, 상기 제어부는 스핀들 운전모드에서 클램핑 운전모드로 절환 직전에 위치검출유닛에 의해 검출된 위치 정보에 기반하여 상기 구동풀리를 회전시켜 고정부재의 위치를 초기 원점 위치로 정렬하고, 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환 직전에 위치검출유닛에 의해 검출된 위치 정보에 기반하여 상기 구동풀리를 클램핑 방향으로 미세하게 회전시켜 풀리클러치의 제2세레이션과 고정부재의 제1세레이션의 위치를 정렬한다.

상기 클러치작동부재는, 상기 고정부재에 형성된 피스톤수용홈 내측에 설치되어 피스톤수용홈 내측으로 인가되는 공압에 의해 후방으로 이동하면서 풀리클러치를 후방으로 밀어내는 피스톤링과, 상기 풀리클러치와 피스톤링 사이에 배치되어 피스톤링에 대해 풀리클러치를 회전 가능하게 지지하는 피스톤베어링을 포함할 수 있다.

상기 록킹부재는, 상기 하우징의 후방에 고정부재 쪽으로 직선 왕복 운동하도록 설치되며, 선단부가 상기 고정부재의 외주면에 형성되는 록킹홈 내측으로 삽입되는 고정핀; 및, 상기 고정핀을 직선 왕복 운동시키는 핀액추에이터;를 포함한다.

상기 고정부재에는 피스톤수용홈에서부터 상기 록킹홈으로 연장되는 공압채널이 형성되고, 상기 고정핀에는 상기 고정핀이 록킹홈 내측으로 삽입되었을 때 상기 공압채널과 연통되는 공기공급유로가 형성되며, 상기 공기공급유로는 외부의 공기공급수단과 연결되어 공압채널을 통해 피스톤수용홈으로 공기를 공급할 수 있다.

본 발명에 따르면 위치검출유닛에 의해 스핀들 및 클러치유닛의 세레이션의 위치가 정확하게 검출되고, 검출된 위치 정보에 기반하여 스핀들 운전모드에서 클램핑 운전모드로 절환시에, 그리고 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환시에 클러치유닛의 세레이션의 위치를 정확하게 정렬하여 클러치유닛에 구성되어 있는 세레이션이 항상 정확하게 맞물리게 할 수 있고, 각각의 운전모드에서 정확한 구동 제어가 가능하게 되는 이점을 얻을 수 있다.

또한 캐리어부재의 나사산과 나선 결합되는 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 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 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 구동 시스템의 전체 구성을 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 전기 구동 시스템의 중심부를 축방향으로 절개하여 나타낸 절개 사시도이다.
도 8은 도 6에 도시된 전기 구동 시스템에 구성되는 클러치유닛을 확대하여 나타낸 확대 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 클러치유닛의 일부분을 확대하여 나타낸 정면에서 본 단면도이다.
도 10 및 도 11은 도 6에 도시된 전기 구동 시스템의 주요 부분을 확대하여 나타낸 단면도로, 도 10은 클램핑 운전모드를 나타내고, 도 11은 스핀들 운전모드를 나타낸다.

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.

제1실시예

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 첫번째 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 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(63a)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.

제2실시예

도 6 내지 도 11은 본 발명에 따른 공작기계의 전기 구동 시스템의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 이 두번째 실시예의 전기 구동 시스템은 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하기 위한 클러치유닛의 구성을 제외하고는 전술한 첫번째 실시예의 전기 구동 시스템의 구성과 동일 또는 유사하므로, 동일 또는 유사한 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 8을 참조하면, 이 실시예의 전기 구동 시스템의 클러치유닛은 구동풀리(40)의 전방부와 하우징(10)의 후방부 사이에서 스핀들(20)의 외면에 상대 회전이 불가능하게 설치되며, 후방면에 원주방향을 따라 톱니 형상의 제1세레이션(161a)이 형성되어 있는 고정부재(161); 상기 구동풀리(40)의 전방부에 전후방향으로 이동 가능하게 설치되며, 전방으로 이동했을 때 상기 제1세레이션(161a)과 맞물리는 제2세레이션(162a)이 원주방향을 따라 형성되어 있는 풀리클러치(162); 상기 구동풀리(40)에 대해 상기 풀리클러치(162)에 전방으로 탄성력을 가하는 풀리클러치스프링(163); 상기 하우징(10)에 대해 상기 고정부재(161)를 고정 또는 해제하는 록킹부재; 및, 상기 풀리클러치(162)를 후방으로 이동시키는 클러치작동부재;를 포함한다.

상기 고정부재(161)는 원형의 링 형태로 되어 하우징 후면커버(11)의 바로 후방에 설치된다. 고정부재(161)는 스플라인 키(167)에 의해 스핀들(20)에 대해 전후방향으로는 이동이 가능하지만 스핀들(20)의 둘레를 따라 상대 이동은 불가능하게 설치된다. 고정부재(161)의 후방면에는 톱니 형상으로 된 제1세레이션(161a)이 원주방향을 따라 형성되어 있다. 상기 고정부재(161)의 외주면에는 상기 록킹부재와의 고정 및 해제를 위한 복수의 록킹홈(161b)이 원주방향을 따라 소정의 간격을 두고 배열된다. 또한 고정부재(161)의 후방면에는 클러치작동부재를 구성하고 있는 피스톤링(164)을 수용하기 위한 피스톤수용홈(161c)이 형성되어 있다.

풀리클러치(162)는 구동풀리(40)의 전방면에 형성되어 있는 클러치수용홈(43) 내측에 전후방향으로는 이동이 가능하지만 상대 회전운동은 불가능하게 설치된다. 이를 위해 도 9에 도시한 것과 같이 풀리클러치(162)의 후방면에 사각형 등의 다각형 단면을 갖는 복수의 가이드블록(162b)이 후방으로 돌출되게 형성되고, 클러치수용홈(43)의 후방면에 상기 가이드블록(162b)이 삽입되는 사각형의 가이드홈(44)이 형성된다.

풀리클러치(162)의 후방면과 구동풀리(40)의 전방면 사이에는 구동풀리(40)에 대해 상기 풀리클러치(162)에 전방으로 탄성력을 가하는 풀리클러치스프링(163)이 설치된다.

상기 풀리클러치(162)는 클러치작동부재에 의해 후방으로 압력을 받아 풀리클러치스프링(163)의 탄성력을 이기고 후방으로 이동한다. 이 실시예에서 클러치작동부재는, 상기 고정부재(161)에 형성된 피스톤수용홈(161c) 내측에 설치되어 피스톤수용홈(161c) 내측으로 인가되는 공압에 의해 후방으로 이동하면서 풀리클러치(162)를 후방으로 밀어내는 피스톤링(164)과, 상기 풀리클러치(162)와 피스톤링(164) 사이에 배치되어 피스톤링(164)에 대해 풀리클러치(162)를 회전 가능하게 지지하는 피스톤베어링(165)을 포함한다. 피스톤베어링(165)은 풀리클러치(162)가 회전할 때 풀리클러치(162)와 피스톤링(164) 사이의 마찰력을 최소화하는 작용을 한다.

상기 록킹부재는 상기 고정부재(161)를 하우징(10)의 후방부에 대해 고정 또는 해제하는 기능을 수행하도록 구성된다. 이 실시예에서 록킹부재는, 상기 하우징(10)의 후방에 고정부재(161) 쪽으로 직선 왕복 운동하도록 설치되며 선단부가 상기 고정부재(161)의 외주면에 형성되는 록킹홈(161b) 내측으로 삽입되는 고정핀(171); 및, 상기 고정핀(171)을 직선 왕복 운동시키는 핀액추에이터(172);를 포함한다. 상기 핀액추에이터(172)는 공압실린더 또는 솔레노이드 등을 적용할 수 있다.

상기 고정핀(171)은 상기 핀액추에이터(172)의 내부에 상하방향으로 이동이 가능하게 설치되어, 선단부가 상기 고정부재(161)의 외주면에 형성되는 록킹홈(161b) 내측으로 삽입되면서 고정부재(161)를 하우징(10)에 대해 고정시킨다.

상기 핀액추에이터(172)는 하우징(10)의 후방에 고정되게 설치되며, 고정핀(171)을 반경방향 내측으로 이동시키기 위한 공압이 인가되는 제1포트(172a)와, 고정핀(171)을 반경방향 외측으로 이동시키기 위한 공압이 인가되는 제2포트(172b)를 구비한다.

한편 상기 고정부재(161) 내부에는 상기 피스톤수용홈(161c)에서부터 상기 록킹홈(161b)으로 연통되는 공압채널(161d)이 형성되고, 상기 핀액추에이터(172) 및 고정핀(171)에는 상기 고정핀(171)이 록킹홈(161b) 내측으로 삽입되었을 때 상기 공압채널(161d)과 연통되는 공기공급유로(171a)가 형성되며, 핀액추에이터(172)에 형성된 공기공급유로(미도시)의 말단부는 외부의 공기공급수단(미도시)과 연결되어 공압채널(161d)로 공기를 공급하여 피스톤링(164)을 작동시킨다. 고정핀(171)의 공기공급유로(171a)는 고정핀(171)이 상측으로 이동하여 고정부재(161)의 록킹홈(161b) 내측으로 삽입될 때 핀액추에이터(172)의 공기공급유로(미도시)와 연통되고, 고정핀(171)이 하측으로 이동하여 고정부재(161)의 록킹홈(161b) 외측으로 이탈할 때 핀액추에이터(172)의 공기공급유로(미도시)와 어긋나면서 공기의 공급이 중단된다.

이러한 구성으로 이루어진 클러치유닛을 갖는 전기 구동 시스템은 다음과 같이 작동한다.

공작 기계의 조오(J)가 피가공물을 클램핑하는 클램핑 운전모드에서는 고정부재(161)가 록킹부재에 의해 하우징(10)에 대해 고정되어 스핀들(20)의 회전이 구속되고, 클러치유닛의 풀리클러치(162)는 후방으로 이동하여 고정부재(161)와 분리된 상태(도 10 참조)가 된다. 그리고 공작 기계의 조오(J)가 피가공물을 클램핑한 상태에서 스핀들(20)이 고속으로 회전하여 피가공물을 가공하는 스핀들 운전모드에서는 고정부재(161)와 록킹부재 간의 결합이 해제되어 고정부재(161)와 스핀들(20)이 회전이 자유로운 상태가 되고, 풀리클러치(162)는 전방으로 이동하여 고정부재(161)와 결합된 상태(도 11 참조)가 된다.

스핀들 운전모드에서 클램핑 운전모드로 절환시에 록킹부재가 고정부재(161)를 고정하여 스핀들(20)의 회전 운동을 구속해야 한다. 따라서 클램핑 운전모드를 시작하게 되면, 제어부(90)가 위치검출유닛의 엔코더(94)를 통해 전달받은 구동풀리(40) 및 풀리클러치(162)의 위치 정보에 기반하여 구동풀리(40)를 일정량 회전시켜 고정부재(161)의 위치를 초기 원점 위치로 정렬한다. 이 때 풀리클러치(162)의 제2세레이션(162a)은 고정부재(161)의 제1세레이션(161a)과 맞물려 있는 상태이므로 구동풀리(40)의 회전 운동은 풀리클러치(162)를 통해 고정부재(161)로 전달되어 고정부재(161)가 회전하게 되는 것이다.

이러한 위치 정렬 작업에 의해 고정부재(161)의 록킹홈(161b)과 록킹부재의 고정핀(171)이 정확하게 정렬된다.

위치 정렬 작업이 완료되면, 도 10에 도시한 것과 같이 록킹부재의 핀액추에이터(172)의 제1포트(172a)를 통해 공압이 인가되어 고정핀(171)이 상측으로 이동하고, 고정핀(171)의 선단부가 고정부재(161)의 록킹홈(161b) 내측으로 삽입되면서 고정부재(161)가 하우징(10)에 대해 고정된다.

이어서 핀액추에이터(172) 및 고정핀(171)의 공기공급유로(171a)를 통해 피스톤수용홈(161c) 내측으로 공기가 공급되면, 고정부재(161)에 설치되어 있는 피스톤링(164)이 후진하게 된다. 이에 따라 풀리클러치(162)가 후방으로 이동하여 고정부재(161)의 제1세레이션(161a)과 풀리클러치(162)의 제2세레이션(162a)이 분리되어 구동풀리(40)와 고정부재(161) 간의 구속 상태는 해제된다.

이어서 스핀들 모터(미도시)에 전원이 인가되어 구동풀리(40) 및 캐리어부재(50)가 역방향으로 회전한다. 이 때 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, 캐리어부재(50)가 회전하게 되면 캐리어부재(50)의 내주면에 형성되어 있는 나사산과 리드스크류부(35)의 외주면에 형성되어 있는 나사산 간의 작용에 의해 리드스크류부(35) 및 이에 결합된 드로우바(30)는 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) 및 캐리어부재(50)가 정방향으로 회전하여 리드스크류부(35) 및 드로우바(30)가 축방향으로 후진하게 되고, 이에 따라 조오(J)가 오므려지면서 피가공물을 단단히 클램핑하게 된다.

물론 이 실시예에서도 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, 제어부(90)는 엔코더(94)에 검출된 풀리클러치(162)의 위치 정보에 따라 풀리클러치(162)의 제2세레이션(162a)과 고정부재(161)의 제1세레이션(161a)의 위치 정렬 상태를 파악하여, 만약 세레이션 간의 위치가 어긋나 있을 경우 스핀들 모터(미도시)에 토크를 더 인가하여 구동풀리(40)를 정방향(클램핑 방향)으로 미세하게 회전시켜 제2세레이션(162a)과 제1세레이션(161a)이 정확하게 맞물릴 수 있도록 위치를 조정한다.

위치 조정이 완료되면, 고정핀(171)의 공기공급유로(171a)로 인가되는 공압을 제거하여 피스톤링(164)이 풀리클러치스프링(163)의 탄성력에 의해 전방으로 이동하게 한다. 그렇게 되면, 풀리클러치(162)가 전방으로 이동하여 제2세레이션(162a)이 고정부재(161)의 제1세레이션(161a)과 정확하게 맞물리게 되어 구동풀리(40)의 회전력이 풀리클러치(162) 및 고정부재(161)를 통해 스핀들(20)로 전달될 수 있는 스핀들 운전모드로 절환된다. 이어서 스핀들 모터를 고속으로 운전하여 스핀들(20)을 고속 회전시킴으로써 피가공물의 가공 작업을 진행한다.

이러한 운전모드의 절환 시에 도 11에 도시한 것과 같이 핀액추에이터(172) 및 고정핀(171)의 공기공급유로(171a)를 통한 공압 인가가 중단되어 클러치유닛의 피스톤링(164)에 후방으로 가해지던 외력을 제거한다. 이에 따라 풀리클러치(162) 및 피스톤링(164)이 풀리클러치스프링(163)의 탄성력에 의해 전진하여 풀리클러치(162)의 제2세레이션(162a)과 고정부재(161)의 제1세레이션(161a)이 서로 맞물려 구동풀리(40)와 고정부재(161)가 서로 구속된다.

이어서 핀액추에이터(172)의 제2포트(172b)를 통해 공압이 인가되어 고정핀(171)이 하측으로 이동하여 고정부재(161)의 고정 상태가 해제된다.

이 상태에서 스핀들 모터에 전원을 인가하여 구동풀리(40)를 정해진 속도로 고속으로 회전시키면, 구동풀리(40)와 함께 풀리클러치(162)와 고정부재(161)와 스핀들(20)이 함께 회전하여 피가공물의 가공이 이루어지게 된다.

이러한 두번째 실시예의 전기 구동 시스템에 구성된 클러치유닛은 클러칭 작동을 하는 구성부가 스핀들(20)의 외면에 대해 슬라이딩하여 선혀 운동하지 않고 클러치유닛을 구성하는 구성요소들이 고정된 상태에서 구동풀리(40) 내측에 구성된 풀리클러치(162)가 전후방향으로 가압력을 받아서 세레이션 간의 결합 및 분리가 발생하므로 더 큰 정밀도를 얻을 수 있는 이점이 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 : 하우징 후면커버
11a : 하우징세레이션 20 : 스핀들
30 : 드로우바 35 : 리드스크류부
40 : 구동풀리 50 : 캐리어부재
61 : 고정클러치 61a : 고정세레이션
62 : 가동클러치 63 : 전방커플러
63a : 전방세레이션 64 : 후방커플러
64a : 후방세레이션 65 : 제1탄성부재
65a : 스프링마운트부재 66 : 클러치피스톤
67 : 제2탄성부재 68 : 피스톤액추에이터
91 : 제1엔코더풀리 92 : 제2엔코더풀리
93 : 타이밍벨트 94 : 엔코더
161 : 고정부재 161a : 제1세레이션
162 : 풀리클러치 162a : 제2세레이션
163 : 풀리클러치스프링 164 : 피스톤링
165 : 피스톤베어링 167 : 스플라인 키
171 : 고정핀 172 : 핀액추에이터

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 외측에 설치되어 상기 스핀들(20)을 구동풀리(40)와 하우징(10)에 선택적으로 연결하는 클러치유닛;
상기 구동풀리(40)의 회전량 및 회전 위치를 검출하는 위치검출유닛; 및,
상기 클러치유닛에 의해 스핀들(20)이 구동풀리(40)에 연결되는 스핀들 운전모드, 또는 스핀들(20)이 하우징(10)에 연결되는 클램핑 운전모드로 절환되는 과정에서 상기 위치검출유닛에 의해 검출된 클러치유닛의 위치 정보에 근거하여 상기 클러치유닛의 위치를 정렬하는 위치 조정 프로세스를 수행하는 제어부;
를 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어부는, 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 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 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 슬라이딩은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 연결되는 가동클러치(62);
상기 가동클러치(62)의 전방면에 설치되며 하우징(10)의 후방에 형성되는 톱니 형상의 하우징세레이션(11a)과 맞물리는 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 구동부;
를 포함하며,
상기 제어부는 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 공작기계의 전기 구동 시스템.
제3항에 있어서, 상기 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 피스톤액추에이터를 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제3항에 있어서,
상기 가동클러치(62)의 내주면과 스핀들(20)의 외면 사이에는 가동클러치(62)를 스핀들(20)에 대해 축방향으로는 이동이 가능하지만 원주방향으로는 회전하지 않도록 구속하는 클러치 키(69a) 및 클러치 키홈(69b)이 설치된 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 결합되어 구동풀리(40)와 함께 회전하며, 내주면에 상기 리드스크류부(35)의 나사산과 나선결합되는 나사산이 형성되어 있는 원통형의 캐리어부재(50);
를 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 클러치유닛은,
상기 구동풀리(40)의 전방부와 하우징(10)의 후방부 사이에서 스핀들(20)의 외면에 상대 회전이 불가능하게 설치되며, 후방면에 원주방향을 따라 톱니 형상의 제1세레이션(161a)이 형성되어 있는 고정부재(161);
상기 구동풀리(40)의 전방부에 전후방향으로 이동 가능하게 설치되며, 전방으로 이동했을 때 상기 제1세레이션(161a)과 맞물리는 제2세레이션(162a)이 원주방향을 따라 형성되어 있는 풀리클러치(162);
상기 구동풀리(40)에 대해 상기 풀리클러치(162)에 전방으로 탄성력을 가하는 풀리클러치스프링(163);
상기 하우징(10)에 대해 상기 고정부재(161)를 고정 또는 해제하는 록킹부재; 및,
상기 풀리클러치(162)를 후방으로 이동시키는 클러치작동부재;
를 포함하며,
상기 제어부는, 스핀들 운전모드에서 클램핑 운전모드로 절환 직전에 위치검출유닛에 의해 검출된 위치 정보에 기반하여 상기 구동풀리(40)를 회전시켜 고정부재(161)의 위치를 초기 원점 위치로 정렬하고, 클램핑 운전모드에서 스핀들 운전모드로 절환 직전에 위치검출유닛에 의해 검출된 위치 정보에 기반하여 상기 구동풀리(40)를 클램핑방향으로 미세하게 회전시켜 풀리클러치(162)의 제2세레이션(162a)과 고정부재(161)의 제1세레이션(161a)의 위치를 정렬하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제7항에 있어서, 상기 클러치작동부재는,
상기 고정부재(161)에 형성된 피스톤수용홈(161c) 내측에 설치되어 피스톤수용홈(161c) 내측으로 인가되는 공압에 의해 후방으로 이동하면서 풀리클러치(162)를 후방으로 밀어내는 피스톤링(164)과, 상기 풀리클러치(162)와 피스톤링(164) 사이에 배치되어 피스톤링(164)에 대해 풀리클러치(162)를 회전 가능하게 지지하는 피스톤베어링(165)을 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제8항에 있어서, 상기 록킹부재는,
상기 하우징(10)의 후방에 고정부재(161) 쪽으로 직선 왕복 운동하도록 설치되며, 선단부가 상기 고정부재(161)의 외주면에 형성되는 록킹홈(161b) 내측으로 삽입되는 고정핀(171); 및,
상기 고정핀(171)을 직선 왕복 운동시키는 핀액추에이터(172);
를 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제9항에 있어서, 상기 고정부재(161)에는 피스톤수용홈(161c)에서부터 상기 록킹홈(161b)으로 연장되는 공압채널(161d)이 형성되고, 상기 고정핀(171)에는 상기 고정핀(171)이 록킹홈(161b) 내측으로 삽입되었을 때 상기 공압채널과 연통되는 공기공급유로(171a)가 형성되며, 상기 공기공급유로(171a)는 외부의 공기공급수단과 연결되어 공압채널(161d)을 통해 피스톤수용홈(161c)으로 공기를 공급하는 공작기계의 전기 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 위치검출유닛은, 상기 구동풀리(40)에 고정되게 형성된 제1엔코더풀리(91)와, 상기 하우징(10)에 설치되는 제2엔코더풀리(92)와, 상기 제1엔코더풀리(91)와 제2엔코더풀리(92)에 감겨져 제1엔코더풀리(91)의 회전력을 제2엔코더풀리(92)로 전달하는 타이밍벨트(93)와, 상기 제2엔코더풀리(92)와 축결합되어 회전량 및 회전 위치를 검출하는 엔코더(94)를 포함하는 공작기계의 전기 구동 시스템.