KR102380143B1

KR102380143B1 - 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들

Info

Publication number: KR102380143B1
Application number: KR1020200163959A
Authority: KR
Inventors: 전영용
Original assignee: 일윤주식회사
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-03-29

Abstract

본 발명은 플라스틱류, 알루미늄, 구리 등과 같은 연질 소재 및 기타 소재에 대하여 고정밀 가공을 하기 위한 에어 스핀들에 관한 것이다.
본 발명은 정압과 동압의 조합을 이용한 하이브리드 방식의 스핀들 지지 방식을 적용하여 스핀들의 회전 및 정지 시 스핀들을 항상 중심에 유지시킬 수 있는 새로운 타입의 에어 스핀들을 구현함으로써, 스핀들의 우수한 내구성 및 기능성을 확보할 수 있는 등 스핀들의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 한편, 스핀들의 회전을 위한 동력을 공급하는 모터를 빌트인(built-in) 타입으로 적용하여 전동 효율을 향상 및 에어 스핀들의 전체적인 구조 단순화를 도모할 수 있는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 제공한다.

Description

고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들{High precision high rigidity air spindle for ultra precision processing}

본 발명은 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라스틱류, 알루미늄, 구리 등과 같은 연질 소재 및 기타 소재에 대하여 고정밀 가공을 하기 위한 에어 스핀들에 관한 것이다.

일반적으로 스핀들은 샤프트와 베어링 등으로 구성되어 회전 가공 분야에 사용되는 장치로써, 주로 기계산업 분야뿐만 아니라 반도체 소자, PCB 기판, 소형전자부품의 가공을 위한 전자산업 분야나 광학렌즈 등의 연삭과 가공을 위한 광학기기산업 분야 등에 널리 이용되고 있다.

이러한 스핀들의 구동방식은 샤프트와 직접 접촉하는 볼 베어링을 이용한 직접 접촉식 구동방식, 샤프트와 접촉하지 않는 에어 베어링을 이용한 비접촉식 구동방식이 있다.

최근에는 마찰과 마모의 문제로 내구성이 떨어질 뿐만 아니라 베어링 교체에 따른 유지보수 비용이 높고 고속회전에 한계를 갖는 직접 접촉식 구동방식의 단점을 해결할 수 있는 비접촉식 에어 베어링을 이용한 스핀들을 주로 적용하고 있는 추세이다.

보통 비접촉식 에어 스프링을 이용한 스핀들의 경우, 스핀들의 외주면과 노즐 본체의 내주면 사이는 소정의 공간이 확보되도록 미세하게 이격되어 있으며, 스핀들이 회전하기 위해 베어링 본체에 형성되어 있는 노즐에서 에어를 분사하게 되면, 스핀들은 정압에 의해 베어링의 중심으로 강하게 지지되면서 회전한다.

이렇게 스핀들이 볼 베어링과 같이 직접 접촉되어 회전되지 않고 에어와 접동되어 회전하기 때문에 최소의 마찰력을 가진 상태에서 회전하게 되고, 따라서 고속 회전은 물론 저소음, 저진동 등의 효과를 얻을 수 있다.

그러나, 기존 대부분의 비접촉식 에어 스프링을 이용한 스핀들은 에어의 공급 및 배출과 관련한 구조가 유기적으로 이루어지지 않기 때문에 스핀들의 떨림 현상은 물론 스핀들이 손상되는 등 스핀들의 기능성 저하는 물론 내구성이 떨어지는 단점이 있다.

일 예로서, 정전 시 등과 같은 장비의 갑작스런 가동 중단 시 에어가 곧바로 빠져나가면서 회전하던 스핀들이 노즐 분체측과 심하게 접촉하게 되고, 이로 인해 스핀들이 마모되면서 심각한 손상을 입게 되는 단점이 있다.

공개실용신안공보 제20-1998-062321호 공개특허공보 제10-2000-0035238호 공개특허공보 제10-2019-0082486호 등록특허공보 제10-1840161호

산업의 고도화에 따라 형상 및 치수 공차가 매우 엄격한 초정밀 부품 수요가 폭발적으로 증대하고 있다.

일 예로서, 고정밀 LED 제조 공정에서는 초정밀 절삭가공에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이다.

국내 대부분의 에어 스핀들은 연삭가공용으로 제작되고 있으며, 장기간 신뢰성을 검증하는 수단으로 본 발명에서는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 제시한다.

일본 수입에 의존도가 높은 초정밀 절삭가공용 에어 스핀들 기술은 일본의 수출 규제에 따라 수급 차질 시 제조장비 산업과 제조업 전반에 심각한 위치가 예상되며, 이러한 점을 감안하여 에어 스핀들 기술을 다양한 용량으로 국산화하는데 필수적인 본 발명의 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들의 필요성이 높아지고 있다.

기존의 에어 스핀들 기술은 기초 이론이 확립되어 있고 한국기계연구원에서 유사 스핀들을 시제작하여 제시한 바 있으나, 기업으로 기술이 연계되지 않아서 상용화에 어려운 점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 정압과 동압의 조합을 이용한 하이브리드 방식의 스핀들 지지 방식을 적용하여 스핀들의 회전 및 정지 시 스핀들을 항상 중심에 유지시킬 수 있는 새로운 타입의 에어 스핀들을 구현함으로써, 스핀들의 우수한 내구성 및 기능성을 확보할 수 있는 등 스핀들의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 스핀들의 회전을 위한 동력을 공급하는 모터를 빌트인(built-in) 타입으로 적용하여 전동 효율을 향상 및 에어 스핀들의 전체적인 구조 단순화를 도모할 수 있는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 다음과 같은 특징이 있다.

상기 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 에어 공급구와 에어 배출구를 갖춘 보디와, 상기 보디의 내측에 동축 구조로 설치되며 보디의 에어 공급구 및 에어 배출구과 각각 통하는 에어 공급라인과 에어 배출라인을 갖춤과 더불어 상기 에어 공급라인 및 에어 배출라인과 각각 통하면서 내주면을 관통하는 다수의 에어 공급홀 및 에어 배출홀을 갖춘 프론트 베어링 및 리어 베어링과, 상기 프론트 베어링 및 리어 베어링의 내측에 일정 갭을 두고 동축 구조로 설치되며 내부에는 축선 방향과 반경 방향을 따라 관통되는 버큠라인이 형성되어 있는 동시에 선단부에는 소재의 고정을 위한 버큠 척 및 척 어댑터가 장착되어 있는 스핀들과, 상기 스핀들의 회전을 위한 동력을 제공하는 수단으로서 리어 베어링의 후단부에 동축 구조로 나란하게 설치되는 모터 하우징 및 상기 모터 하우징의 내부에 수용되는 로터와 스테이터로 구성되는 빌트인 타입 모터를 포함하는 것이 특징이다.

특히, 상기 프론트 베어링과 리어 베어링에 각각 형성되는 에어 공급홀은 스핀들의 외주면을 향해 에어를 분사하는 레이디얼 에어 공급홀과 스핀들에 형성되는 플랜지부의 전면과 후면을 향해 에어를 분사하는 스러스트 에어 공급홀로 이루어져, 스핀들은 방사상 방향 및 축 방향으로 에어를 동시에 공급받아 부상되면서 양방향으로 회전 강성을 발휘할 수 있도록 할 수 있다.

이때의 상기 레이디얼 에어 공급홀과 스러스트 에어 공급홀의 단부에는 일정 깊이의 슬롯 홈 형태로 이루어진 에어 저장부가 형성되며, 상기 에어 저장부 내에 채워져 있는 에어가 발휘하는 압력에 의해 스핀들이 축선상의 정중앙을 유지하면서 회전할 수 있도록 할 수 있다.

여기서, 상기 프론트 베어링과 리어 베어링은 스핀들에 형성되는 플랜지부를 기준으로 하여 앞뒤로 배치되고, 상기 플랜지부와 스핀들 외주면과의 경계선상을 따라 앞뒤로 2곳의 에어 포켓이 형성되는 동시에 각 에어 포켓은 에어 배출라인과 연결되어, 갭 내의 에어가 에어 포켓을 거쳐서 에어 배출라인으로 배출될 수 있다.

그리고, 상기 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 리어 베어링과 모터 하우징 사이에 개재되면서 스핀들의 외주면에 동축 구조로 설치되며 스핀들의 버큠라인과 통하는 서브 버큠라인을 갖춤과 더불어 리어 베어링과 스핀들 사이의 갭과 통하는 서브 에어 배출라인을 갖춘 어댑터를 더 포함할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 빌트인 타입 모터는 모터 하우징에 형성되는 냉각수 입구 및 냉각수 출구와 통하는 냉각수 순환라인을 가지면서 모터 하우징의 내주면에 동축 구조로 설치되는 방열 슬리브를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 스핀들의 선단부에는 척 어댑터와의 사이에 개재되면서 버큠라인과 통하는 버큠 포켓을 조성함과 더불어 후단부에는 필터부가 장착되어 있는 커버가 설치될 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 스핀들의 후단부에 설치되는 센서 브라켓과 상기 센서 브라켓의 둘레에 설치되는 링 센서로 구성되어 스핀들의 회전 속도를 감지하는 센서장치를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 에어 공급라인 및 에어 배출라인을 갖춘 프론트 베어링과 리어 베어링으로 스핀들을 지지함과 더불어 부상시키면서 스핀들 회전 및 정지 시 스핀들을 중심에 유지시킴과 더불어 회전 시 정압과 동압에 의한 고강성 감쇠 능력은 물론 정지 시 정압에 의해 스핀들이 중심으로 강하게 지지되도록 한 정압과 동압의 조합을 이용한 하이브리드 방식의 새로운 에어 스핀들을 적용함으로써, 스핀들의 우수한 내구성 및 기능성을 확보할 수 있으며, 따라서 스핀들의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

둘째, 스핀들의 회전을 위한 동력을 공급하는 액추에이터 수단으로서, 빌트인(built-in) 타입의 모터를 적용함으로써, 전동 효율을 향상 및 에어 스핀들의 전체적인 구조 단순화 및 소형화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 모터에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 수단으로서, 모터 주위로 슬리브를 배치함과 더불어 냉각수를 순환시키는 타입을 적용함으로써, 방열 성능 향상에 따른 에어 스핀들의 성능 향상 및 모터의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

넷째, 스핀들의 후단부에 링 센서 및 센서 브라켓을 배치하여 스핀들의 회전속도를 제어하는 입력수단으로 활용함으로써, 스핀들 속도 제어의 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

다섯째, 1차 에어 배출라인 및 2차 에어 배출라인 등 에어를 배출하는 라인을 복수 개로 운용하여 정전 시 등과 같은 장비의 정지 시 에어의 급속한 배출을 막을 수 있는 시스템을 적용함으로써, 에어의 급속한 배출로 인한 스핀들의 접촉 및 마모 문제를 배제할 수 있는 등 스핀들을 손상의 위험으로부터 보호할 수 있는 효과가 있다.

특히, 대형 에어 스핀들의 경우 수요가 많지 않아서 매출 규모가 크지는 않지만, 일부 국가(미국, 독일, 일본 등)에서 독점적 위치를 확보하고 있기 때문에 핵심이 되는 에어 스핀들 기술을 확보하여 고정밀 LED 제조를 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 개발함으로써, 고부가가치를 확보할 수 있음은 물론 일본 및 외국의 기술 보호 조치에도 국가 기술 경쟁력을 유지할 수 있고, 4차 산업혁명에 따른 확장 기술을 적용할 수 있는 코어 기술을 확보할 수 있다.

또한, 국내에서도 고정밀 LED 제조를 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들 장비를 개발함으로써, 전동기 뿐만 아니라 인버터 등도 국산화하면서 본 발명의 에어 스핀들 기술을 탑재하면 대 일본 수입액을 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 나타내는 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 나타내는 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들에서 스핀들 부상을 위한 레이디얼 에어 공급홀 및 스러스트 에어 공급홀을 나타내는 단면도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 나타내는 단면도이다.

본 발명에서는 국내 대부분의 소형 및 고RPM 에어 스핀들과는 달리, 주축대 크기로 보면 6"∼8" 정도의 크기로 이루어진 대형의 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들을 대상으로 한다.

일 예로서, 본 발명에서 제공하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 고정밀 LED 제조를 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들로서, 회전정도는 0.05㎛, 강성은 100N/㎛, 최고속도는 10,000rpm, 회전토크는 3Nm인 사양을 갖는다.

도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 에어 공급구(10)와 에어 배출구(11)를 갖춘 보디(12)를 포함한다.

상기 보디(12)는 원형의 수평 관통부를 가지는 사각블록 형태로서, 프론트 베어링(17), 리어 베어링(18) 등을 지지하는 역할을 하게 된다.

예를 들면, 상기 보디(12)의 수평 관통부 내에는 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)이 동축 구조로 끼워져서 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

이러한 보디(12)의 상단부 일측에는 에어 공급구(10)가 형성되는 동시에 다른 일측에는 에어 배출구(11)가 형성된다.

이때, 상기 에어 공급구(10)는 외부의 압축공기 공급원(미도시)측과 연결되어 에어를 공급받을 수 있게 되고, 에어 배출구(11)는 소음기측과 연결되어 에어 배출 시에 발생되는 소음이 저감될 수 있게 된다.

그리고, 상기 에어 공급구(10)는 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)에 형성되어 있는 에어 공급라인(13)과 통하는 구조를 이루게 되고, 에어 배출구(11) 또한 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)에 형성되어 있는 에어 배출라인(14)과 통하는 구조를 이루게 된다.

이에 따라, 상기 에어 공급구(10)로 들어온 에어는 에어 공급라인(13)을 따라 공급되어 스핀들(23)을 부상시키는데 쓰일 수 있게 되고, 이렇게 공급되는 에어는 에어 배출라인(14)과 에어 배출구(11)를 통해 빠져나갈 수 있게 된다.

또한, 상기 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 스핀들(23)의 회전을 지지하는 수단으로 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)을 포함한다.

상기 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)은 중공의 원통형 블록 형태로서, 보디(12)의 내측에 동축 구조를 이루며 앞뒤로 설치된다.

즉, 상기 스핀들(23)에 형성되는 플랜지부(28)를 경계로 하여 앞쪽으로는 프론트 베어링(17)이 배치되는 동시에 뒷쪽으로는 리어 베어링(18)이 배치되고, 이렇게 배치되는 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)은 보디(12)측에 볼트 체결구조에 의해 결합되는 구조로 설치된다.

이때, 상기 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18) 사이의 공간, 즉 플랜지부(28)로 인해 생긴 공백 영역에는 링 형태의 서포트 베어링(41)이 삽입되어 공백 영역을 메꾸게 된다.

이러한 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)의 내부에는 축선 방향과 원주 방향, 그리고 방사상 방향으로 서로 연통되는 동시에 에어 공급구(10)측과 통하는 에어 공급라인(13)이 형성되고, 이때의 각 에어 공급라인(13)의 끝 부분, 즉 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)의 중심축선을 바라보는 끝 부분과 플랜지부(28)의 전면과 후면을 바라보는 끝 부분에는 프론트 베어링(17)의 리어 베어링(18)의 내주면과 전후면을 각각 관통하는 형태로 이루어진 다수의 에어 공급홀(15)이 형성된다.

이에 따라, 상기 에어 공급구(10)를 통해 공급되는 에어는 에어 공급라인(13)을 따라 흐르다가 에어 공급라인(13)의 내측 끝에 있는 각 에어 공급홀(15)을 통해 빠져나가 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)의 내측 중심 영역 및 플랜지부(28)의 전후면으로 분사되고, 결국 이렇게 분사되는 에어의 압력에 의해 스핀들(23)이 부상될 수 있게 된다.

이때, 상기 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)에 각각 형성되는 에어 공급홀(15)은 0.1∼1㎜ 정도의 미세한 직경으로 이루어지게 된다.

특히, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에서는 스핀들(23)의 부상을 위한 새로운 에어 공급 방식을 적용함으로써, 스핀들(23)은 레이디얼 방향 및 스러스트 방향으로 균형있게 강성을 발휘하면서 정밀하게 회전할 수 있게 된다.

이를 위하여, 상기 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)에 각각 형성되는 에어 공급홀(15)은 스핀들(23)의 외주면을 향해 에어를 분사하는 레이디얼 에어 공급홀(15a)과 스핀들(23)에 형성되는 플랜지부(28)의 전면과 후면을 향해 에어를 분사하는 스러스트 에어 공급홀(15b)로 구성된다.

이때의 레이디얼 에어 공급홀(15a)과 스러스트 에어 공급홀(15b)은 베어링 원주 방향을 따라 균등 간격을 이루며 배치되는 다수 개로 이루어질 수 있게 된다.

여기서, 상기 1열을 이루는 다수 개의 레이디얼 에어 공급홀(15a)의 경우, 베어링 축선 방향을 따라 일정 간격으로 배치되는 다수의 열로 이루어질 수 있다.

이에 따라, 상기 스핀들(23)은 레이디얼 에어 공급홀(15a)과 스러스트 에어 공급홀(15b)에 의해 방사상 방향 및 축 방향으로 에어를 동시에 공급받아 부상되면서 레이디얼 방향과 스러스트 방향으로 균형있게 회전 강성을 발휘할 수 있게 되고, 결국 스핀들(23)은 정밀하고 안정적으로 정자세를 유지하면서 고속으로 회전될 수 있게 된다.

특히, 상기 레이디얼 에어 공급홀(15a)과 스러스트 에어 공급홀(15b)의 단부에는 일정 깊이의 슬롯 홈 형태로 이루어진 에어 저장부(49)가 형성된다.

이때, 상기 레이디얼 에어 공급홀(15a)의 단부에 형성되는 에어 저장부(49), 즉 베어링 내주면에 형성되는 에어 저장부(49)는 레이디얼 에어 공급홀(15a)의 센터를 기준으로 하여 베어링 원주 방향을 따라, 즉 스핀들 외주 둘레를 따라 양편으로 일정 길이로 파여 있는 슬롯 홈 형태로 이루어질 수 있게 된다.

이와 마찬가지로, 상기 스러스트 에어 공급홀(15b)의 단부에 형성되는 에어 저장부(49), 즉 프론트 베어링 후면과 리어 베어링 전면에 형성되는 에어 저장부의 경우에도 스러스트 에어 공급홀(15b)의 센터를 기준으로 하여 베어링 원주 방향을 따라, 즉 플랜지부(28)의 원주 방향을 따라 일정 길이로 파여 있는 슬롯 홈 형태로 이루어질 수 있게 된다.

따라서, 상기 레이디얼 에어 공급홀(15a)과 스러스트 에어 공급홀(15b)에서 분사되는 에어는 베어링 내주면과 스핀들(23)의 외주면 사이에 형성되는 갭(19) 내에 채워지게 되는 동시에 일정 용적을 갖는 에어 저장부(49)에도 채워지게 되고, 이렇게 에어 저장부(49) 내에 채워져 있는 에어가 발휘하는 압력에 의해 스핀들(23)이 축선상의 정중앙을 유지하면서 회전할 수 있게 된다.

즉, 상기 에어 저장부(49)를 갖춘 에어 공급홀(15)을 통해 에어를 분사하여 스핀들(23)을 부상시키는 방식을 적용함으로써, 스핀들 회전, 정지 시 항상 스핀들을 중심에 유지시킬 수 있고, 또 회전 시의 경우 정압과 동압에 의한 고강성 감쇠능력이 실현될 있으며, 정압에 의해 스핀들이 중심으로 강하게 지지될 수 있다.

이와 더불어, 상기 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)의 내부에는 방사상 방향으로 연통되는 동시에 에어 배출구(11)측과 통하는 에어 배출라인(14)이 형성된다.

이러한 에어 배출라인(14)은 중심부에 배치되는 스핀들(23)의 외주면을 향하는 동시에 스핀들 둘레 방향을 따라 가면서 일정간격으로 배치되는 다수 개로 이루어지게 되며, 이때의 에어 배출라인(14)의 끝 부분, 즉 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)의 중심축선을 바라보는 끝 부분에는 에어 배출홀(16)이 형성되고, 이렇게 형성되는 에어 배출홀(16)은 스핀들(23)에 형성되는 에어 포켓(29)과 통하게 된다.

예를 들면, 상기 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)은 스핀들(23)에 형성되는 플랜지부(28)를 기준으로 하여 앞뒤로 배치되고, 이때의 플랜지부(28)와 스핀들 외주면과의 경계선상을 따라 전체 둘레에 걸쳐 통하는 앞뒤 2곳의 에어 포켓(29)이 형성되며, 이렇게 형성되는 에어 포켓(29)이 에어 배출 라인(14)의 끝 부분에 있는 에어 배출홀(16)과 통할 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 프론트 베어링(17) 및 리어 베어링(18)의 내주면과 스핀들(23)의 외주면 사이에 조성되는 갭(19) 사이의 에어는 에어 포켓(29) 내에 모인 후, 에어 배출홀(16)과 에어 배출라인(14), 그리고 에어 배출구(11)를 통해 빠져나갈 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서는 스핀들(23)을 부상시키기 위해 공급했던 에어가 갑작스럽게 배출되면서 스핀들(23)이 프론트 베어링(17) 및 리어 베어링(18)의 내주면 등에 부딪혀 손상되는 것을 막는 방법으로서, 상기 에어 배출라인(14)의 갯수(예컨대, 180°간격의 2개, 120°간격의 3개, 90°간격의 4개 등)는 물론 에어 배출라인(14)의 직경을 적절히 조절하여 설정하거나, 또 에어가 빠져나가는 라인상에 에어 단속 수단 등을 설치하는 방법을 제공한다.

이에 따라, 정전 상황 등과 같은 이상 발생 시 장비의 가동이 갑자기 멈추는 경우에도 스핀들(23)을 지지하고 있던 에어가 곧바로 배출되지 않고 서서히 빠져나가면서 스핀들(23)의 부상 상태를 일정시간 동안 균형있게 유지시켜주게 되고, 결국 스핀들(23)의 부딪힘, 마찰, 마모 등을 막을 수 있는 등 스핀들(23)을 손상의 위험으로부터 보호할 수 있게 된다.

이를 위하여, 상기 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18) 사이에 설치되어 있는 서포트 베어링(41)에는 축선 방향을 따라 나란한 핀 홀(42)이 관통 형성되고, 이렇게 형성되는 핀 홀(42)의 양단부에는 스프링(미도시)의 탄력 지지를 받는 핀(43a,43b)이 각각 설치된다.

그리고, 각각의 핀(43a,43b)의 선단부는 반경 방향으로 나란하게 배치되는 프론트 베어링(17)의 에어 배출라인(14)과 리어 베어링(18)의 에어 배출라인(14)에 각각 위치되면서 이때의 에어 배출라인(14)을 차단 또는 개방할 수 있게 된다.

예를 들면, 장비에 정상적인 에어 공급 압력이 작용하고 있는 조건에서는 이때의 에어 배출 압력이 스프링의 힘을 이기면서 핀(43a,43b)을 밀어내게 되고, 결국 에어 배출라인(14)이 개방되면서 에어의 원활한 배출이 이루어지게 된다.

한편, 정전 시 등과 같은 장비 이상 시 에어의 공급이 끊어지게 되면, 스프링의 힘을 받은 핀(43a,43b)이 밀려 나오면서 에어 배출라인(14)을 일정 부분 차단하게 되므로서 에어가 서서히 배출되고, 따라서 에어의 급속한 배출이 저지되면서 갭(19) 내에 존재하는 에어 압력에 의해 스핀들(23)은 부상된 상태를 그대로 유지할 수 있게 되며, 결국 장비 이상 시에 에어가 급속히 배출됨으로 인해 회전하고 있던 스핀들(23)이 가라앉으면서 베어링 내주면에 접촉되는 현상을 막을 수 있게 된다.

또한, 상기 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 소재를 고정시켜주는 수단으로 스핀들(23)을 포함한다.

상기 스핀들(23)은 원통형의 다단식 샤프트 형태로서, 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)의 내측에 일정한 갭(19)을 두고 동축 구조로 설치된다.

이때, 상기 스핀들(23)의 앞부분 길이 중간 위치에는 플랜지부(28)가 형성되며, 이렇게 형성되는 플랜지부(28)를 기준으로 하여 앞부분 선단부는 프론트 베어링(17)의 내측에, 앞부분 후단부는 리어 베어링(18)의 내측에 각각 위치될 수 있게 된다.

여기서, 상기 프론트 베어링(17) 및 리어 베어링(18)의 내주면과 스핀들(23)의 외주면 사이에 조성되는 갭(19)은 미크론(㎛) 단위의 갭으로서, 이때의 갭(19) 내에 채워지는 에어 압력에 의해 스핀들(23)이 프론트 베어링(17) 및 리어 베어링(18)의 내주면측으로부터 떨어지면서 부상될 수 있게 된다.

이러한 스핀들(23)의 내부에는 축선 방향과 반경 방향을 따라 관통되는 버큠라인(20)이 형성되며, 이때의 버큠라인(20)의 후단부, 즉 반경 방향으로 형성되는 버큠라인(20)의 외곽 끝 부분은 어댑터(32)에 형성되어 있는 서브 버큠라인(30)과 통할 수 있게 되는 동시에 버큠라인(20)의 선단부, 즉 축선 방향으로 형성되는 버큠라인(20)의 앞쪽 부분은 커버(39), 척 어댑터(22) 및 버큠 척(22)에 차례로 통할 수 있게 된다.

그리고, 상기 스핀들(23)의 앞부분, 즉 프론트 베어링(17)의 선단부에서 외부로 약간 노출되는 부분에는 대략 원판 형태로 이루어진 커버(39), 척 어댑터(22) 및 버큠 척(22)이 볼트 체결구조에 의해 동축 구조를 이루며 차례로 겹쳐지면서 장착되고, 가장 앞쪽으로 장착되는 버큠 척(22)은 소재를 잡아주는 역할을 하는 것으로서, 전면부에는 버큠라인(20)측과 통하는, 실질적으로는 척 어댑터(22)의 중심부를 관통하는 홀과 커버(39)의 중심부를 관통하는 홀 및 버큠 포켓(37)을 매개로 하여 버큠라인(20)측과 통하는 다수의 버큠 홀(44)이 형성되어, 이때의 버큠 홀(44)을 이용하여 소재를 흡착할 수 있게 된다.

여기서, 미설명 부호 45는 버큠 척(21)과 척 어댑터(22) 사이에 개재되는 센터 핀을 나타낸다.

특히, 상기 스핀들(23)의 선단부와 척 어댑터(22) 사이에 개재되는 구조로 설치되는 커버(39)의 전면 중심부와 척 어댑터(32)의 후면 중심부 사이에는 버큠 포켓(37)이 형성되며, 이렇게 형성되는 버큠 포켓(37)은 소정의 진공 환경을 조성하면서 버큠 척(21)의 각 버큠 홀(44)에 진공압이 균형있게 전해지도록 진공압을 고르게 분산시켜주는 역할을 하게 된다.

이와 더불어, 상기 커버(39)의 후면 중심부에는 스핀들(23)의 버큠라인(20) 내에 위치되는 필터부(38)가 장착되며, 이때의 필터부(38)는 진공압 공급 및 해제 시 에어 중에 포함되어 있는 이물질 제거는 물론 소음도 저감시키는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 스핀들(23)의 회전을 위한 동력을 제공하는 수단으로 빌트인 타입 모터(27), 즉 스핀들 헤드에 모터를 내장한 타입의 빌트인 타입 모터(27)를 포함한다.

이를 위하여, 상기 리어 베어링(18)의 후단부에는 중공의 원통형 하우징 형태로 이루어진 모터 하우징(24)이 볼트 체결구조에 의해 동축 구조로 나란하게 설치되고(실질적으로 모터 하우징은 어댑터와 함께 리어 베어링측에 볼트 체결구조로 설치된다), 이렇게 설치되는 모터 하우징(24)의 내부에는 모터, 즉 로터(25)와 스테이터(26)가 역시 동축 구조를 이루며 내외측으로 적층 설치된다.

여기서, 상기 스테이터(26)는 자계를 형성하는 부분이고 로터(25)는 스핀들(23)과 함께 회전하는 부분이다.

이에 따라, 모터측에 전원 인가 시 로터(25)와 함께 스핀들(23)이 회전하게 되고, 결국 버큠 척(21)에 고정되어 있는 소재가 회전되면서 소재에 대한 평탄화 가공이 이루어질 수 있게 된다.

그리고, 상기 모터 하우징(24)의 내부에 수용되는 로터(25)와 스테이터(26), 그리고 후술하는 방열 슬리브(36)는 모터 하우징(24)의 후단부에 차례로 설치되는 플랜지(46)와 플랜지 센서(47)에 의해 마감될 수 있게 된다.

이와 같은 빌트인 타입 모터(27)에는 모터 발열을 냉각시켜주는 역할을 하는 방열 슬리브(36)가 구비된다.

상기 방열 슬리브(36)는 중공의 원통형 하우징 형태로서, 모터 하우징(24)의 내주면에 동축 구조를 이루며 설치되고, 이렇게 설치되는 방열 슬리브(36)의 외주면에는 냉각수 순환라인(35)이 형성되는 동시에 이때의 냉각수 순환라인(35)은 모터 하우징(24)에 형성되는 냉각수 입구(33) 및 냉각수 출구(34)와 통하게 된다.

이에 따라, 상기 냉각수 입구(33)를 통해 들어온 냉각수는 냉각수 순환라인(35)을 따라 흐르면서 모터에서 발생하는 열, 즉 로터(25)와 스테이터(26)에서 발생하는 열을 식혀주게 되고, 이렇게 열교환을 마친 냉각수는 냉각수 출구(34)를 통해 빠져나가게 되며, 이러한 냉각수의 순환이 계속 유지되므로서 모터측 열을 효과적으로 냉각시켜줄 수 있게 된다.

여기서, 미설명 부호 48은 모터 하우징(24)에 형성되는 드레인을 나타낸다.

또한, 상기 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들은 스핀들측에 진공압을 제공하고 스핀들측 부상 에어를 배출시키는 수단으로 어댑터(32)를 포함한다.

상기 어댑터(32)는 중심부가 뚫려 있는 원판형의 형태로서, 리어 베어링(18)과 모터 하우징(24) 사이에 개재됨과 더불어 스핀들(23)의 외주면에 동축 구조로 끼워지면서 볼트 체결구조에 의해 고정되는 구조로 설치된다.

이러한 어댑터(32)에는 스핀들(23)의 버큠라인(20)과 통하는 서브 버큠라인(30)이 형성되어 스핀들측에 진공압을 제공할 수 있게 된다.

이때, 상기 서브 버큠라인(30)은 외부의 진공압 발생장치(미도시)측과 연결된다.

그리고, 상기 어댑터(32)에는 리어 베어링(18)과 스핀들(23) 사이에 조성되어 있는 갭(19)과 통하는 서브 에어 배출라인(31)이 형성되며, 이렇게 형성되는 서브 에어 배출라인(31)은 소음기측으로 연결된다.

이에 따라, 상기 어댑터(32)의 서브 버큠라인(30)을 통해 진공압이 전해지게 되면, 스핀들(23)의 내부는 물론 버큠 척(21)의 버큠 홀(44)에 까지 진공압이 작용하게 되므로서, 버큠 척(21)에 소재가 흡착 고정될 수 있게 된다.

여기서, 상기 서브 에어 배출라인(31)은 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)에 있는 에어 배출라인(14)과 선택적으로 이용되며, 따라서 에어의 배출이 적절히 조절될 수 있게 된다.

또한, 상기 평탄화 설비의 스핀들 헤드는 스핀들(23)의 회전 속도를 감지하는 수단으로 센서장치(40)를 포함한다.

상기 센서장치(40)는 센서 브라켓(40a)과 링 센서(40b)로 구성되며, 이때의 센서 브라켓(40a)은 스핀들(23)의 후단부에 설치되면서 스핀들(23)과 함께 회전하게 됨과 더불어 링 센서(40b)는 플랜지 센서(47)에 설치되면서 센서 브라켓(40a)과 동축 구조를 이루며 센서 브라켓(40a)의 둘레에 배치된다.

이에 따라, 상기 스핀들(23) 및 센서 브라켓(40a)이 회전하게 되면, 이때의 센서 브라켓(40a)의 회전을 링 센서(40b)가 감지하게 되고, 이렇게 감지되는 링 센서(40b)의 신호는 컨트롤러(미도시)측에 제공되어 스핀들 속도 등을 제어할 때 사용될 수 있게 된다.

따라서, 도 1은 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들의 작동상태를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 진공압 발생장치(미도시)에서 제공되는 진공압이 어댑터(32)의 서브 버큠라인(30)→스핀들(23)의 버큠라인(20)→커버(39)의 버큠 포켓(37)→버큠 척(21)의 버큠 홀(44)에 작용하게 되면, 버큠 척(21)에는 소재(100)가 흡착 고정된다.

다음, 보디(12)의 에어 공급구(10)를 통해 공급되는 에어가 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)의 에어 공급라인(13)을 거쳐 에어 공급홀(15)을 통해 분사되면, 프론트 베어링(17) 및 리어 베어링(18)과 스핀들(23) 사이의 갭(19)에 채워지게 되고, 이와 동시에 스핀들(23)은 갭(19) 내에서 부상된다.

계속해서, 빌트인 타입 모터(27)에 전원이 인가되면서 빌트인 타입 모터(27)가 작동하게 되면, 스핀들(23) 또한 회전하게 되고, 이때의 스핀들(23)은 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)의 내측에서, 즉 갭(19) 내에서 동심원을 이루며 부상한 상태 그대로 회전하게 되며, 결국 소재(100)가 회전하면서 소정의 가공설비(미도시)에 의해 평탄화 가공이 진행된다.

이때, 소재(100)에 대한 평탄화 가공이 진행되는 동안에는 갭(19) 내에 에어가 계속 공급됨과 더불어 일부의 에어는 에어 배출라인(14) 및/또는 서브 에어 배출라인(31)을 통해 배출되고, 이러한 에어의 흐름 속에서 스핀들(23)은 부상된 상태를 계속 유지하면서 회전된다.

특히, 상기 스핀들(23)의 둘레에 균형있게 배치되어 있는 에어 공급홀(15)에서 분사되는 에어 압력에 의해 스핀들(23)은 갭(19) 내에서 베어링측 내주면과 동심원을 이루며 정중앙에 배치되어 안정된 자세를 유지하면서 회전하게 되므로, 스핀들(23)의 회전 시는 물론 정지 시 스핀들(23)은 항상 중심에 위치될 수 있게 되고, 결국 회전 시 정압과 동압에 의한 고강성 감쇄능력이 실현될 뿐만 아니라 정지 시 정압에 의해 스핀들(23)은 중심으로 강하게 지지될 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 스핀들의 회전 및 정지 시 스핀들을 항상 중심에 유지시킬 수 있는 새로운 스핀들 헤드 어셈블리를 제공함으로써, 스핀들의 우수한 내구성 및 기능성을 확보할 수 있는 등 스핀들의 성능과 수명을 향상시킬 수 있고, 또 스핀들의 회전을 위한 동력을 제공하는 수단으로 빌트인(built-in) 타입의 모터를 적용함으로써, 전동 효율을 향상 및 스핀들 헤드의 전체적인 구조 단순화를 도모할 수 있다.

10 : 에어 공급구 11 : 에어 배출구
12 : 보디 13 : 에어 공급라인
14 : 에어 배출라인 15 : 에어 공급홀
16 : 에어 배출홀 17 : 프론트 베어링
18 : 리어 베어링 19 : 갭
20 : 버큠라인 21 : 버큠 척
22 : 척 어댑터 23 : 스핀들
24 : 모터 하우징 25 : 로터
26 : 스테이터 27 : 빌트인 타입 모터
28 : 플랜지부 29 : 에어 포켓
30 : 서브 버큠라인 31 : 서브 에어 배출라인
32 : 어댑터 33 : 냉각수 입구
34 : 냉각수 출구 35 : 냉각수 순환라인
36 : 방열 슬리브 37 : 버큠 포켓
38 : 필터부 39 : 커버
40 : 센서장치 40a : 센서 브라켓
40b : 링 센서 41 : 서포트 베어링
42 : 핀 홀 43a,43b : 핀
44 : 버큠 홀 45 : 센터 핀
46 : 플랜지 47 : 플랜지 센서
48 : 드레인 49 : 에어 저장부

Claims

에어 공급구(10)와 에어 배출구(11)를 갖춘 보디(12);
상기 보디(12)의 내측에 동축 구조로 설치되며 보디(12)의 에어 공급구(10) 및 에어 배출구(11)과 각각 통하는 에어 공급라인(13)과 에어 배출라인(14)을 갖춤과 더불어 상기 에어 공급라인(13) 및 에어 배출라인(14)과 각각 통하면서 내주면을 관통하는 다수의 에어 공급홀(15) 및 에어 배출홀(16)을 갖춘 프론트 베어링(17) 및 리어 베어링(18);
상기 프론트 베어링(17) 및 리어 베어링(18)의 내측에 일정 갭(19)을 두고 동축 구조로 설치되며 내부에는 축선 방향과 반경 방향을 따라 관통되는 버큠라인(20)이 형성되어 있는 동시에 선단부에는 소재의 고정을 위한 버큠 척(21) 및 척 어댑터(22)가 장착되어 있는 스핀들(23);
상기 스핀들(23)의 회전을 위한 동력을 제공하는 수단으로서 리어 베어링(18)의 후단부에 동축 구조로 나란하게 설치되는 모터 하우징(24) 및 상기 모터 하우징(24)의 내부에 수용되는 로터(25)와 스테이터(26)로 구성되는 빌트인 타입 모터(27);
를 포함하고,
상기 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)은 스핀들(23)에 형성되는 플랜지부(28)를 기준으로 하여 앞뒤로 배치되고, 상기 플랜지부(28)와 스핀들 외주면과의 경계선상을 따라 앞뒤로 2곳의 에어 포켓(29)이 형성되는 동시에 각 에어 포켓(29)은 에어 배출라인(14)과 연결되어, 갭(19) 내의 에어가 에어 포켓(29)을 거쳐서 에어 배출라인(14)으로 배출되는 것을 특징으로 하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들.
청구항 1에 있어서,
상기 프론트 베어링(17)과 리어 베어링(18)에 각각 형성되는 에어 공급홀(15)은 스핀들(23)의 외주면을 향해 에어를 분사하는 레이디얼 에어 공급홀(15a)과 스핀들(23)에 형성되는 플랜지부(28)의 전면과 후면을 향해 에어를 분사하는 스러스트 에어 공급홀(15b)로 이루어져, 스핀들(23)은 방사상 방향 및 축 방향으로 에어를 동시에 공급받아 부상되면서 양방향으로 회전 강성을 발휘할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들.
청구항 2에 있어서,
상기 레이디얼 에어 공급홀(15a)과 스러스트 에어 공급홀(15b)의 단부에는 일정 깊이의 슬롯 홈 형태로 이루어진 에어 저장부(49)가 형성되며, 상기 에어 저장부(49) 내에 채워져 있는 에어가 발휘하는 압력에 의해 스핀들(23)이 축선상의 정중앙을 유지하면서 회전할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 리어 베어링(18)과 모터 하우징(24) 사이에 개재되면서 스핀들(23)의 외주면에 동축 구조로 설치되며 스핀들(23)의 버큠라인(20)과 통하는 서브 버큠라인(30)을 갖춤과 더불어 리어 베어링(18)과 스핀들(23) 사이의 갭(19)과 통하는 서브 에어 배출라인(31)을 갖춘 어댑터(32)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들.
청구항 1에 있어서,
상기 빌트인 타입 모터(27)는 모터 하우징(24)에 형성되는 냉각수 입구(33) 및 냉각수 출구(34)와 통하는 냉각수 순환라인(35)을 가지면서 모터 하우징(24)의 내주면에 동축 구조로 설치되는 방열 슬리브(36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들.
청구항 1에 있어서,
상기 스핀들(23)의 선단부에는 척 어댑터(22)와의 사이에 개재되면서 버큠라인(20)과 통하는 버큠 포켓(37)을 조성함과 더불어 후단부에는 필터부(38)가 장착되어 있는 커버(39)가 설치되는 것을 특징으로 하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들.
청구항 1에 있어서,
상기 스핀들(23)의 후단부에 설치되는 센서 브라켓(40a)과 상기 센서 브라켓(40a)의 둘레에 설치되는 링 센서(40b)로 구성되어 스핀들(23)의 회전 속도를 감지하는 센서장치(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정밀 가공을 위한 초정밀 고강성 에어 스핀들.