KR102271356B1 - 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 램과 그에 따른 기구의 헤드(head)에 유도된 편차(deviation)를 보정하는 굴곡되는 카운터 가이드(counter-guide)들의 공작기계 수직 축의 자중을 상쇄하기 위한 용도의 저 마찰 카운터 밸런싱용 실린더를 형성한 공작기계 수직축 저마찰 중력 보상장치를 얻기 위한 것인 바,
에어공급 입력포트와 배기포트가 형성된 실린더본체; 상기 실린더 본체의 내부에는 에어막을 형성하도록 에어채널과 다공질 그라파이트 소재의 피스톤부; 상기 피스톤부와 샤프트를 고정하도록 형성한 와셔와 체결 볼트로 체결되고, 상기 샤프트를 결합하되 축 방향 동심도 정렬을 위한 조인트 고정부를 포함하는 이루어진 피스톤부고정부; 상기 샤프트의 가이드가 이루어지도록 실린더본체와 체결되는 샤프트가이드부싱부; 상기 에어공급 입력포트를 가지며 상기 에어공급 입력포트를 통해서 공기가 공급되면 단동 후진 작동하게 되며 잔여 공기는 배기 포트와 샤프트가이드 부싱부의 미세 간극을 통해서 배출되도록 형성하고, 상기 샤프트가이드 부싱부와 피스톤부은 실린더 내부의 압축된 공기를 전달하기 위한 내부 관로 및 미세 공극을 형성하고, 상기 관로와 미세 공극을 통해 공급된 공기압의 힘으로 샤프트 및 피스톤부은 부싱과 튜브에서 마찰력을 저감하도록 형성하여 마찰력에 의한 손실을 최소화하여 정밀도를 높일 수 있도록 형성한 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치{Gravity Compensation Device}

본 발명은 공작기계 수직축 저마찰 중력 보상장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밀링 머신 등에서, 램과 그에 따른 기구의 헤드(head)에 유도된 편차

(deviation)를 보정하는 굴곡되는 카운터 가이드(counter-guide)들의 공작기계 수직축의 자중을 상쇄하기 위한 용도의 저마찰 카운터 밸런싱용 실린더를 형성한 공작기계 수직축 저마찰 중력 보상장치에 관한 것이다.

리니어 다이렉트 모터를 사용한 공작 기계의 수직축은 자중에 의해 부하를 받게되며 현재 위치를 유지하기 위하여 추력이 발생하게 된다.

이러한 추력은 가공과는 상관없는 열을 발생시켜 공작기계의 정밀도를 악영향을 준다. 이러한 수직축의 자중을 상쇄하기 위해서 다양한 방식의 기계적 또는 전기적인 장치들을 사용하게 된다. 가장 일반적으로 공압 또는 유압 실린더를 사용하여 수직축의 무게를 상쇄하는 방식이 사용된다. 공압/유압 실린더를 사용하여 카운터 밸런싱을 할 경우 피스톤부 패킹, 로드 패킹, 와이어 패킹 등의 의한 마찰이 발생하게 되며 정지-이송 간 스틱-슬립 현상이 발생한다.

또한, 공작기계는 장비의 특성상 미속 이송, 정지, 급이송을 반복하게 되며 이때 실린더의 마찰력과 스틱-슬립 현상은 고 정밀 위치제어에 악영향을 주는 요소로 작용한다.

종래의 기술에는 더욱 양호한 품질의 마감상태를 갖는 부품들 및 정확도에 대한 탐색은 공작기계 분야에서의 제조를 위한 끊임없는 개선공정이 필요하다.

요구되는 수요자들이 가공된 부품들에서 더 작은 공차(tolerance)를 요구하는 일이 증가하고 있고, 이러한 수요에 대한 응답은 예를 들어, 작업 평면 위에서 공작기계의 완전한 수직 위치를 유지하는 것과 같이, 가공 공정에서 편차가 제거된 일정한 경로를 유지하는 것이다. 횡단 이동에 의해 공작기계의 컬럼(column)에서 멀어지도록 이동할 경우에 조립체(assembly)의 중량에 의해 유도된 중력 효과로 인해 램과 헤드에 유도된 편차는 피가공 부품 위에서의 위치 결정시에 정확도 오차를 초래한 다. 이 정확도 오차들은 수치 제어(CNC)에 의해 관리되는 장치들을 이용하여 보정될 수 있지만, 기구가 기계의 가동소자(movable element)들로부터 멀어지도록 이동하였을 때, 발생하는 임의의 편차는 거리에 의해 증가되어, 수치 제어 프로그래밍에 의해 상기 오차를 보정하는 것이 더욱 복잡해진다. 이러한 개념에 기초하여, 램 자체의 중량과, 횡단 병진 운동에서 그 헤드의 중량에 의해 야기되는, 밀링머신과 같은 공작기계들에서 램의 편차를 보정하기 위한 다양한 장치들이 존재하고, 이 장치들은 회전 장치들이나 소자들에 의하여 동작되는 장치들에 기초하고 있다. 편심회전 운동(eccentric rotational movement)을 수행하는 피봇(pivot)들의 조립체에 기초하여 램의 낙하를 보정하기 위한 장치를 갖는 밀링머신과 같은 공작기계를 개시하고 있다. 또한, 조립체에 기초한 2개의 다른 장치들을 개시하고 있다.

1. 대한민국 특허청 공개특허 제1020090029170호(2009.03.20) 2. 대한민국 특허청 등록 제10-1422245호(2014.07.16)

본 발명의 해결 하고자 하는 에어 실린더의 구조를 유지하면서 마찰력이 극단적으로 작은 단동 후진형 에어 실린더를 공작기계 수직축 카운터 밸런스시스템에 적용하여 고정밀 위치제어를 실현하고자 하는 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 다른 실시예는 유지보수비용을 최소화할 수 있는 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제의 해결 수단은

에어공급 입력포트와 배기포트가 형성된 실린더본체; 상기 실린더 본체의 내부에는 에어갭을 형성하도록 에어채널과 다공질 그라파이트 소재의 피스톤부; 상기 피스톤부와 샤프트를 고정하도록 형성한 와셔와 체결 볼트로 체결되고, 상기 샤프트를 결합하되 축 방향 동심도 정렬을 위한 조인트 고정부를 포함하는 이루어진 피스톤부고정부; 상기 샤프트의 가이드가 이루어지도록 실린더본체와 체결되는 샤프트가이드 부싱부; 상기 에어공급 입력포트를 가지며 상기 에어공급 입력포트를 통해서 공기가 공급되면 단동 후진 작동하게 되며 잔여 공기는 배기 포트와 샤프트가이드 부싱부의 미세 간극을 통해서 배출되도록 형성하고, 상기 샤프트가이드 부싱부와 피스톤부는 실린더 내부의 압축된 공기를 전달하기 위한 내부 관로 및 미세 공극을 형성하고, 상기 관로와 미세 공극을 통해 공급된 공기압의 힘으로 샤프트 및 피스톤부은 부싱과 튜브에서 마찰력을 저감하도록 형성하여 달성한 특징이 있다.

본 발명은 각종 패킹이 없어 마찰이 극도로 작아 저속 이송이 가능하며 정지이송 간 마찰력 변화를 최소화한 효과가 있다.

도한, 이러한 실린더를 공작 기계 수직축에 적용할 경우 초정밀 가공의 정밀도를 향상시킬 수 있는 매우 뛰어난 효과가 있다.

또한, 기존 표준 실린더의 규격과 에어공급 포트 형식을 그대로 차용할 수 있기 때문에 별도의 장착부의 개조없이 기존 공작기계에 바로 적용할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치를 도시한 부분단면 사시도.
도 2는 본 발명명의 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치의 부분단면도.
도 4는 본 발명의 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치를 도시한 부분단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 밴트조절구를 형성한 상태도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함하는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 도어맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 “가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 이동, 구성요소, 부품 또는 이들을 조함한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 이동, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 그중 특정 실시예를 상세한 설명과 도면의 예시를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 주지 관용 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 설명을 생략한다.

본 발명의 실린더본체(100)는 타이로드 실린더의 구조와 동일하다. 내부 구조는 다공질 그라파이트 소재의 피스톤부(200)와 샤프트가이드 부싱부(400), 축 방향 동심도 정렬을 위한 플로팅 조인트의 3부분으로 이루어져 있다.

도 1 내지 도 6에 도시한 본 발명의 에어공급 입력포트(110)와 배기포트(120)가 형성된 실린더본체(100); 상기 실린더본체(100)의 내부에는 에어막을 형성하도록 에어채널을 형성한 다공질 그라파이트 소재의 피스톤부(200); 상기 피스톤부(200)와 샤프트(300)를 고정하도록 형성한 와셔(210)와 체결 볼트(220)로 체결되고, 상기 샤프트(300)를 결합하되 축 방향 동심도 정렬을 위한 플로팅 조인트(230)를 고정하는 조인트 고정부(290)를 포함하는 피스톤부고정부(250); 상기 샤프트의 가이드가 이루어지도록 실린더본체(100)와 체결되는 샤프트가이드부싱부(400); 상기 에어공급 입력포트(110)를 가지며 상기 에어공급 입력포트를 통해서 공기가 공급되면 단동 후진 작동하게 되며 잔여 공기는 배기포트(120)와 샤프트가이드 부싱부(400)의 미세 간극을 통해서 배출되도록 형성하고, 상기 샤프트가이드 부싱부(400)와 피스톤부(200)은 실린더 내부의 압축된 공기를 전달하기 위한 내부 관로 및 미세 공극을 형성하고, 상기 관로와 미세 공극을 통해 공급된 공기압의 힘으로 샤프트(300) 및 피스톤부은 샤프트가이드 부싱부(400)와 실린더본체에서 마찰력을 저감하도록 형성한 특징이 있다.

샤프트가이드 부싱부(400)의 재질은 다공질 그라파이트 소재이며 다공질 입자의 공극을 통해서 공기가 흐를 수 있기 때문에 많은 수의 에어 노즐 구멍을 뚫지 않더라도 소재 전면에 일정한 압력의 에어갭을 형성하는데 유리하다.

좀더 마찰을 줄일 수 있도록 에어갭(450)을 갖도록 공기 유로를 형성한 부싱에어채널A(410)와 부싱에어채널B(420)을 형성하여 샤프트(300)의 마찰을 줄이도록 형성한 특징이 있다.

실린더본체(100)의 내부를 통해 공급된 에어는 관로를 통해 공급되며 부싱 내측의 환형 채널의 압력을 높인다. 실린더 내부로부터 에어갭 및 부싱을 통해 1차 공급된 공기는 부싱에어채널 A를 통해 대기중으로 방출되며 대기압과 실린더 내부의 압력차에 의해 일정한 에어갭을 형성한다.

피스톤부의 재질은 샤프트가이드 부싱부(400)와 동일한 다공질 그라파이트 소재이며 부싱에서 언급한 소재 장점과 동일한 장점을 가진다.

실린더본체(100)의 내부를 통해 공급된 에어는 피스톤부에 구성된 관로를 통해 내외측배출구(310)에 공급되며 부싱 내측의 환형 채널의 압력을 높여 실린더 강성을 증가시킨다. 실린더 내부로부터 에어 갭 및 부싱 내벽을 통해 1차 공급된 공기는 외내측배출구(320)를 통해 대기중으로 방출되며 대기압과 실린더 내부의 압력 차에 의해 일정한 에어갭(450)을 형성한다.

샤프트(300)와 샤프트가이드 부싱부(400)부, 실린더본체(100)와 피스톤부(200) 간의 에어 갭은 통상 0.003~0.005mm 이내이며 원활한 실린더의 작동을 위해서는 피스톤부와 샤프트 그리고 샤프트가이드부싱부(400)이 모두 상기 에어갭을 유지하는 동심도로 조립되어야 한다. 이와 같은 공차를 유지하면서 실린더본체를 조립하는 것은 난이도 있는 작업이며 불량의 여지가 많다. 이를 개선하기 위해 본 발명에서는 피스톤부와 샤프트의 연결에 0.3~0.5mm 정도의 편심을 자동 교정할 수 있는 저 마찰 플로팅 조인트를 적용하였으며 샤프트 축단에도 마찬가지로 플로팅 조인트(230)를 적용하였다.

본 발명의 상기 피스톤부(200)은 측면에 공기를 배출이 이루어지도록 내부에서 벽면으로 공기의 배출이 이루어지도록 내측에서 외측방향의 내외측배출구(310)를 형성하고, 외측에서 내측으로 공기를 출입되도록 외내측배출구(320)를 각각 측면에 형성하여 피스톤부 면과 실린더 벽면의 사이에 공기층을 형성하여 마찰을 최소화하도록 한 특징이 있다.

본 발명의 5에 도시한 본 발명의 다른 실시예의 피스톤부(200)은 플로우팅 조인트(230)를 고정하기 위한 전방의 내부면에 형성한 안착홈(240)과 체결볼트(220)를 고정하기 위한 너트부(260)를 후방에 형성한 조인트 고정부(290);
상기 조인트 고정부(290)를 고정하도록 상기 안착홈(240)에 에어를 공급하도록 내부에 관통구(270)와 상기 관통구와 연결되도록 체결볼트(220)에 공기공급구(280)를 형성한 특징이 있다.

상기 조인트 고정부(290)는

플로우팅 조인트(230)를 고정하기 위한 안착홈(240)을 형성하되 마찰력을 최소화하기 위해 공기층을 형성하도록 공급되는 관통구(270)를 형성하고, 상기 관통구에 에어를 공급할 수 있도록 상기 관통구(270)와 연결되도록 체결볼트(220)에 공기공급구(280)를 형성한 특징이 있다.

상기와 같이 플로우팅 조인트(230)의 마찰력을 줄일 수 있도록 에어가 공급되는 에어갭을 구현한 특징이 있다.

도 6에 도시한 또 다른 실시예의 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치의 상기 피스톤부(200)은 측면에 공기를 배출이 이루어지도록 내부에서 벽면으로 공기의 배출이 이루어지도록 내외측배출구(310)와 외내측배출구(320)에 밴트조절구(480)를 형성하고, 상기 밴트조절구(480)는, 외부에 나사산(460)과 중앙에 관통구(350)가 형성되며, 측면으로 관통된 측면배출구(360)가 형성된 본체(470); 상기 본체(470)의 관통구(350)에는 테두리홈(390)에 연결된 'T'형 관통구(380)가 형성된 미세조절레버(370)가 장착되어 출입되는 공기량을 조절할 수 있도록 형성한 특징이 있다.

상기와 같이 피스톤부의 왕복시 공기의 마찰력을 미세하게 조절함으로 피스톤부의 왕복운동시 배출공기량을 조절하도록 형성한 특징이 있다.

마찰정도에 따라 피스톤부와 실린더벽면 사이의 공간으로 배출하는 공기량을 조절할 수 있도록 형성한 특징이 있다.

100: 실린더본체 110: 에어공급 입력포트
120: 배기포트 200; 피스톤부
280: 공기관통구 290: 조인트고정부
300: 샤프트 310: 내외측배출구

Claims (4)

1. 에어공급 입력포트(110)와 배기포트(120)가 형성된 실린더본체(100);
   상기 실린더본체(100)의 내부에는 에어갭을 형성하도록 내부에서 벽면으로 공기의 배출이 이루어지도록 내측에서 외측방향의 내외측배출구(310)를 형성하고, 외측에서 내측으로 공기를 출입이 되도록 외내측배출구(320)를 각각 측면에 형성하여 피스톤부면과 실린더본체 내부면의 사이에 공기층을 형성하여 마찰을 최소화하도록 형성되며,
   플로우팅 조인트(230)를 고정하기 위한 전방의 내부면에 형성한 안착홈(240)과 체결볼트(220)를 고정하기 위한 너트부(260)를 후방에 형성한 조인트 고정부(290);
   상기 조인트 고정부(290)와 결합이 되며, 상기 안착홈(240)에 에어를 공급하도록 내부에 관통구(270)와 상기 관통구와 연결되도록 체결볼트(220)에 공기공급구(280)를 형성한 다공질 그라파이트 소재의 피스톤부(200);
   상기 피스톤부(200)와 조인트 고정부(290)를 고정하도록 형성한 와셔(210)와 체결 볼트(220)로 체결되고, 샤프트(300)를 결합하되 축 방향 동심도 정렬을 위한 조인트 고정부(290)를 포함하는 피스톤부고정부(250);
   상기 샤프트의 가이드가 이루어지도록 실린더 본체(100)와 체결되는 샤프트가이드부싱부(400);
   상기 에어공급 입력포트(110)를 가지며 상기 에어공급 입력포트를 통해서 공기가 공급되면 단동 후진 작동하게 되며 잔여 공기는 배기포트(120)와 샤프트가이드 부싱부(400)의 미세 간극을 통해서 배출되도록 형성하고, 상기 샤프트가이드 부싱부(400)와 피스톤부(200)은 실린더 내부의 압축된 공기를 전달하기 위한 내부 관로 및 미세 공극을 형성하고, 상기 관로와 미세 공극을 통해 공급된 공기압의 힘으로 샤프트(300) 및 피스톤부(200)은 샤프트가이드부싱부(400)와 실린더본체(100)의 내부에서 마찰력을 저감하도록 형성한 것을 특징으로 하는 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치.
   
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3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤부(200)는
   내부에서 벽면으로 공기의 배출이 이루어지도록 내외측배출구(310)와 외내측배출구(320)에 밴트조절구(480)를 형성하고,
   상기 밴트조절구(480)는,
   외부에 나사산(460)과 중앙에 관통구(350)가 형성되며, 측면으로 관통된 측면배출구(360)가 형성된 본체(470); 상기 본체(470)의 관통구(350)에는 테두리홈(390)에 연결된 'T'형 관통구(380)가 형성된 미세조절레버(370)가 장착되어 출입되는 공기량을 조절할 수 있도록 형성한 것을 특징으로 하는 공작기계 수직축 저마찰 기능성 중력 보상장치.

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