KR102406476B1 - 자동공구교환이 가능한 초음파 스핀들 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동공구교환이 가능한 초음파 스핀들 장치에 관한 것으로서, 그 구성은, 길이방향을 따라 내부공간이 형성되어 있는 하우징부재; 상기 내부공간 내에 회전 가능하게 마련되고, 중공이 형성된 샤프트부재; 상기 중공 내의 앞쪽에 배치되고, 관통공이 형성되어 있는 초음파 발진부재; 상기 중공 내에서 전후방향으로 이동이 가능하도록 마련되고, 일부분이 상기 관통공 내에 삽입되어 상기 초음파 발진부재를 관통하는 드로우바 부재; 상기 드로우바 부재의 선단에 연결되고, 일부분이 상기 하우징부재의 외측으로 배치되어 공구가 클램핑되는 클램핑부재; 상기 샤프트부재를 회전시키는 회전수단; 상기 드로우바 부재를 상기 샤프트부재의 길이방향을 따라 전진 또는 후진시키는 실린더부재;를 포함하며, 상기의 구성에 따르면, 클램핑부재에 장착된 공구를 자동으로 교환할 수 있어, 툴 교환시간을 현저히 단축시키고, 공정의 단순화 및 장치의 단순화를 이룰 수 있으며, 종래 초음파 스핀들에 비해 가공 시간 단축, 공구 수명 연장, 가공물의 정밀도 향상 등의 효과를 기대할 수 있고, 초음파 스핀들의 이점에 자동공구교환을 부가하여, 별도의 추가 장치 없이도 공구를 자동적으로 교환하는 스핀들을 구현함으로서, 비용측면에서 매우 유리한 효과가 있다.

Description

자동공구교환이 가능한 초음파 스핀들 장치{ULtrasonic Spindle device having Automatic Tool Changer}
본 발명은 툴 교환시간을 현저히 단축시키고, 공정의 단순화 및 장치의 단순화를 이룰 수 있으며, 가공 시간 단축, 공구 수명 연장, 가공물의 정밀도 향상 등의 효과를 기대할 수 있는 자동공구교환(Auto Tool Change, ATC)이 가능한 초음파 스핀들 장치에 관한 것이다.
일반적으로 머시닝센터에 사용되는 ATC(Automatic Tool Changer:이하 'ATC' 라 한다) 스핀들(spindle)은 축단이 공작물이나 절삭공구에 장착된 회전축으로서 고속으로 회전하며 절삭이 이루어지게 하는데 이용된다.
종래 '초음파 가공기의 자동 공구 교환 장치'가 대한민국 등록특허 제10-1904799호에 제시되어 있다. 이 공보에 따르면, 가공 공구 및 홀더(4)가 스핀들 회전에 의하여 나사(18)로 고정하는 착탈 방식을 채택하였다. 따라서, 공구를 교환 하기 위해서는 토크 검출이 가능한 외부 모터(11)와 모터로 부터 동력을 전달 받기 위한 커플링(12), 가공 공구 및 홀더를 탈 부착시키는 특수한 지지혼(17)과 나사 형태의 홀더(4) 등이 필요하다. 이로써, 크기가 커지기 때문에 많은 공간을 차지하게 되는 문제점이 있다.
이외에도 대한민국 공개특허 제10-2012-0117156호(초음파 스핀들 장치), 대한민국 등록특허 제10-1879451호(초음파 에어베어링 스핀들 시스템), 대한민국 등록특허 제10-1604989호(초음파 에어베어링 스핀들) 등에 초음파 스핀들이 제시되어 있지만, 세 개의 공보 모두 수동으로 공구를 교환하여야 한다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 클램핑부재에 장착된 공구를 자동으로 교환할 수 있어, 툴 교환시간을 현저히 단축시키고, 공정의 단순화 및 장치의 단순화를 이룰 수 있으며, 종래 초음파 스핀들에 비해 가공 시간 단축, 공구 수명 연장, 가공물의 정밀도 향상 등의 효과를 기대할 수 있고, 초음파 스핀들의 이점에 자동공구교환을 부가하여, 별도의 추가 장치 없이도 공구를 자동적으로 교환하는 스핀들을 구현함으로서, 비용측면에서 매우 유리한 자동공구교환이 가능한 초음파 스핀들 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은, 길이방향을 따라 내부공간이 형성되어 있는 하우징부재; 상기 내부공간 내에 회전 가능하게 마련되고, 중공이 형성된 샤프트부재; 상기 중공 내의 앞쪽에 배치되고, 관통공이 형성되어 있는 초음파 발진부재; 상기 중공 내에서 전후방향으로 이동이 가능하도록 마련되고, 일부분이 상기 관통공 내에 삽입되어 상기 초음파 발진부재를 관통하는 드로우바 부재; 상기 드로우바 부재의 선단에 연결되고, 일부분이 상기 하우징부재의 외측으로 배치되어 공구가 클램핑되는 클램핑부재; 상기 샤프트부재를 회전시키는 회전수단; 상기 드로우바 부재를 상기 샤프트부재의 길이방향을 따라 전진 또는 후진시키는 실린더부재;를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 드로우바 부재는, 전측을 이루는 드로우바와, 후측을 이루는 푸시로드로 나누어지되, 상기 드로우바는 상기 관통공을 관통하고, 상기 푸시로드의 외측에 배치되는 상기 샤프트부재의 둘레에 상기 회전수단이 마련되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 실린더부재는, 상기 하우징부재의 후단에 배치되되, 다단으로 마련되어 있는 다수의 실린더와, 상기 각 실린더 내부에서 전후방향으로 이동가능한 다수의 피스톤부를 포함하되, 후방에 위치한 상기 피스톤부는 전방에 위치한 상기 피스톤부와 연결되어 있고, 최전방에 위치한 상기 피스톤부는 상기 드로우바 부재의 후단과 연결되어 있어, 상기 피스톤부가 이동함에 따라, 상기 드로우바 부재가 전진 또는 후진하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 내부공간 내에 상기 샤프트부재를 감싸며 마련되는 볼 베어링부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 내부공간 내에 상기 샤프트부재를 감싸며 마련되는 에어 베어링부재;를 더 포함하고, 상기 하우징부재에는 상기 에어 베어링부재에 에어를 공급하는 에어유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 자동공구교환이 가능한 초음파 스핀들 장치에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
관통공이 형성된 초음파 발진부재와, 관통공을 통하여 초음파 발진부재를 관통하고 전후방향으로 이동이 가능하여 자동공구 교환이 가능하게 하는 드로우바 부재를 포함함으로써, 클램핑부재에 장착된 공구를 자동으로 교환할 수 있어, 툴 교환시간을 현저히 단축시키고, 공정의 단순화 및 장치의 단순화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
종래 초음파 스핀들에 비해 가공 시간 단축, 공구 수명 연장, 가공물의 정밀도 향상 등의 효과를 기대할 수 있다.
초음파 스핀들의 이점에 자동공구교환을 부가하여, 별도의 추가 장치 없이도 공구를 자동적으로 교환하는 스핀들을 구현함으로서, 비용측면에서 매우 유리한 효과가 있다.
스핀들 내에 ATC 장치, ATC가 가능한 초음파 발진부재, 샤프트부재를 회전시키는 회전수단이 포함됨으로써, 저비용 효과는 물론 구조의 단순화 및 공간 절약 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동공구교환이 가능한 볼 베어링 초음파 스핀들 장치를 도시한 단면도.
도 2는 도 1에서 실린더부재가 작동하여 클램핑부재가 전방으로 이동된 상태를 도시한 도면.
도 3은 도 1에서 하우징부재의 후면을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동공구교환이 가능한 에어 베어링 초음파 스핀들 장치를 도시한 단면도.
도 5는 도 4에서 실린더부재가 작동하여 클램핑부재가 전방으로 이동된 상태를 도시한 도면.
도 6은 도 4에서 하우징부재의 후면을 도시한 도면.
도 7은 도 4에서 하우징부재의 외관을 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동공구교환이 가능한 초음파 스핀들 장치는 볼 베어링 초음파 스핀들 장치와 에어 베어링 초음파 스핀들 장치에 적용될 수 있다.
자동공구교환이 가능한 볼 베어링 초음파 스핀들 장치
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동공구교환이 가능한 볼 베어링 초음파 스핀들 장치를 도 1 내지 도 3에 도시하였다.
도 1에 도시한 바와 같이, 자동공구교환이 가능한 볼 베어링 초음파 스핀들 장치는 하우징부재(100)와 샤프트부재(200)와 초음파 발진부재(300)와 드로우바 부재(400)와 클램핑부재(500)와 볼 베어링부재(610, 630)와 회전수단(800)과 실린더부재(900)를 포함한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 하우징부재(100)는 길이방향을 따라 내부공간(101)이 형성되어 있다. 하우징부재(100)에 형성된 내부공간(101)은 하우징부재(100)의 선단과 후단으로 각각 개방되어 있다.
본 실시예에서 하우징부재(100)는 메인하우징(110)과 프론트커버(120)와 리어베어링하우징(130)과 커넥팅바디(140)와 리어커버(150)로 구성되어 있다.
메인하우징(110)은 원통형으로서 내부공간(101)이 형성되어 있다.
프론트커버(120)는 메인하우징(110)의 선단에 마련되어, 선단으로 개방된 내부공간(101)을 폐쇄하며, 클램핑부재(500)가 관통하는 클램핑 관통홀(121)이 형성되어 있다.
리어베어링하우징(130)은 메인하우징(110)의 후단에 마련되어, 후단으로 개방된 내부공간(101)을 폐쇄하며, 하기에서 설명할 볼 베어링부재(630)가 안착될 수 있도록 베어링안착홈(131)이 형성되어 있고, 베어링안착홈(131) 내에는 리어샤프트(250)가 관통하는 샤프트 관통홀(133)이 형성되어 있다.
커넥팅바디(140)는 리어베어링하우징(130)의 후단에 장착된다. 커넥팅바디(140)의 후면에는, 하기에서 설명할 실린더부재(900)의 최전방에 위치한 피스톤부(930)가 장착되는 피스톤부 장착공간(141)이 형성되어 있다. 피스톤부 장착공간(141) 내에는 푸시로드(450)가 관통하는 푸시로드 관통홀(143)이 형성되어 있고, 푸시로드 관통홀(143)과 실린더부(910)의 제1에어통로(911)를 연결하는 제2에어통로(145)가 형성되어 있다. 커넥팅바디(140)의 후단에는 실린더부재(900)가 배치되고, 실린더부재(900)의 후단에는 리어커버(150)가 장착된다.
리어커버(150)에는 제1에어공급노즐(151)과 제2에어공급노즐(153)이 각각 마련되어 있으며, 이들의 작용은 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
또한, 리어커버(150)에는, 도 3과 같이 에어유입구(154), CW유입구(155), CW배출구(156), US WIRE(157), POWER(158)이 각각 마련되어 있다.
에어유입구(154)로 유입된 공기는, 도 1과 같이 리어커버(150), 실린더부(910), 커넥팅바디(140), 메인하우징(110), 프론트커버(120)에 걸쳐서 형성된 에어유로(b)를 따라 이동하여, 최종적으로 프론트커버(120)와 클램핑부재(500) 사이의 틈새로 배출되어 외부로부터 하우징부재(100) 내부로 이물질이 침입하는 것을 방지하는 에어커튼(air curtain)의 역할을 한다.
CW유입구(155), CW배출구(156)는 냉각수(Cooling Water)가 하우징부재(100) 내부로 유입되고 외부로 배출되는 역할을 한다.
US WIRE(157)는 초음파 발진부재(300)에 전원을 공급할 수 있도록 초음파 발진기로부터 전선이 배선되는 부분이다.
POWER(158)는 샤프트부재(200)를 회전시키는 회전수단(800)인 고정자(830)에 전원을 공급할 수 있도록 고정자(830)로부터 전선이 배선되는 부분이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 샤프트부재(200)는 내부공간(101) 내에 회전 가능하게 마련되고, 중공(201)이 형성되어 있다.
본 실시예에서 샤프트부재(200)는 프론트샤프트(210)와 미들샤프트(230)와 리어샤프트(250)로 구성되어 있다.
프론트샤프트(210)와 미들샤프트(230) 그리고 리어샤프트(250)는 용접으로 조립된다. 리어샤프트(250)는 리어베어링하우징(130)의 샤프트 관통홀(133)을 관통한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 초음파 발진부재(300)는 중공(201) 내의 앞쪽에 배치된다.
본 실시예에서 샤프트부재(200)가 세 부분으로 구성됨에 따라, 초음파 발진부재(300)는 프론트샤프트(210)에 형성된 중공(201) 내에 배치되고, 프론트샤프트(210)에 고정됨으로써 샤프트부재(200) 회전시 샤프트부재(200)와 함께 회전한다.
이러한 초음파 발진부재(300)에는 하기에서 설명할 드로우바 부재(400)가 관통할 수 있도록 관통공(301)이 형성되어 있다.
초음파 발진부재(300)에 전원을 공급해주는 합금 브러시(350)가 메인하우징(110)의 일측에 장착되어 있으며, 합금 브러시(250)는 초음파 발진부재(300)와 전기적으로 연결되어 있어, 초음파 발진부재(300)에 전원을 공급한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 드로우바 부재(400)는 중공(201) 내에서 전후방향으로 이동이 가능하도록 마련되고, 샤프트부재(200) 회전시 샤프트부재(200)와 함께 회전한다. 드로우바 부재(400)는 샤프트부재(200)의 중공(201) 전체에 길이방향을 따라 배치되므로 가늘고 긴 형태이므로 전측을 이루는 드로우바(410)와, 후측을 이루는 푸시로드(450)로 나누어지는 것이 작동성을 향상시킬 수 있다는 측면에서 바람직하다. 특히, 전측을 이루는 드로우바(410)는 상대적으로 길이가 짧게 형성되고, 후측을 이루는 푸시로드(450)는 상대적으로 길이가 길게 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 본 실시예에서 드로우바(410)와 푸시로드(450) 사이에는 어느 정도의 간격이 형성된 것으로 도시하였지만, 실시예에 따라 드로우바(410)와 푸시로드(450)가 서로 맞닿을 수도 있다.
드로우바(410)는 프론트샤프트(210)와 미들샤프트(230) 내에 형성된 중공(201) 내에 배치되는데, 이때 드로우바(410)는 디스크스프링(420)에 의해 후방으로 위치하도록 탄성지지되어 있다. 이러한 드로우바(410)는 초음파 발진부재(300)의 관통공(301)을 관통한다. 이렇게, 초음파 발진부재(300)를 관통한 드로우바 부재(400)의 선단은 내부공간(101)의 최전방에 배치된다.
푸시로드(450)는 리어샤프트(250) 내에 형성된 중공(201) 내에 배치되고, 푸시로드(450)의 후단은 커넥팅바디(140)의 푸시로드 관통홀(143)을 관통한다.
상기와 같이 구성되는 푸시로드(450) 내부에는 제3에어통로(451)이 형성되어 있고, 드로우바(410) 내부에는 제4에어통로(411)가 형성되어 있다. 푸시로드(450) 내부에 형성된 제3에어통로(451)는 커넥팅바디(140)의 제2에어통로(145)와 연결되어 있다.
도 1을 참조하여 설명하면, 드로우바 부재(400)의 선단에는 클램핑부재(500)가 연결된다. 즉, 클램핑부재(500)는 드로우바(410) 선단에 장착되고, 프론트커버(120)의 클램핑 관통홀(121)을 관통하여 일부분이 하우징부재(100)의 외측으로 배치됨으로써, 클램핑부재(500)에 공구가 클램핑된다.
본 명세서의 도면에서는 클램핑부재(500)를 콜렛(collet) 형태로 도시하였지만, 실시예에 따라 홀더 형태도 가능하며, 공구를 잡아줄 수 있는 형태이면 된다.
도 1을 참조하여 설명하면, 샤프트부재(200)를 하우징부재(100)로부터 회전 가능하도록 하는 볼 베어링부재(610, 630)는 내부공간(101) 내에 샤프트부재(200)를 감싸며 마련되어 있다.
본 실시예에서는 샤프트부재(200)의 전측을 이루는 프론트샤프트(210)를 감싸며 두 개의 볼 베어링부재(610)가 각각 마련되어 있고, 샤프트부재(200)의 후측을 이루는 리어샤프트(250)를 감싸며 두 개의 볼 베어링부재(630)가 각각 마련되어 있다. 특히, 리어샤프트(250)를 감싸며 마련되는 두 개의 볼 베어링부재(630)는 리어베어링하우징(130)의 베어링안착홈(131) 내에 안착된다.
본 명세서에서 제시한 볼 베어링부재(610, 630)의 개수 및 배치는 일실시예에 불과하며, 실시예에 따라 볼 베어링부재(610, 630)의 개수 및 배치를 달리할 수 있음은 물론이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 볼 베어링부재(610, 630)에 의해 하우징부재(100)의 내부공간(101) 내에 회전 가능하게 마련되는 샤프트부재(200)를 회전시키는 회전수단(800)은 메인하우징(110)의 내부공간(101) 내에 마련된다. 특히, 회전수단(800)은 푸시로드(450)의 외측에 배치되는 리어샤프트(250)의 둘레에 마련되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 회전수단(800)은 회전자(810, rotor)와 고정자(830, stator)를 포함하는 모터로 구성되어 있다.
회전자(810)는 리어샤프트(250)를 감싸며 마련되어 있고, 고정자(830)는 회전자(810)를 감싸며 마련되어 있다.
이와 같이 구성되어, 고정자(830)에 권선된 코일에 전압이 인가되면, 고정자(830) 코일에 인가된 전압에 의해 회전자(810) 코일에 유도전류가 발생하여 회전자(810)가 중심축을 중심으로 회전한다. 이에 따라, 리어샤프트(250)가 회전자(810)와 함께 회전함으로써, 리어샤프트(250)와 연결되어 있는 프론트샤프트(210)와 미들샤프트(230)도 함께 회전함에 따라, 샤프트부재(200) 전체가 회전한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 실린더부재(900)는 드로우바 부재(400)를 하우징부재(100)의 길이방향을 따라 전진 또는 후진시킨다.
본 실시예에서 드로우바 부재(400)가 드로우바(410)와 푸시로드(450)로 구성됨에 따라, 실린더부재(900)는 후측에 배치된 푸시로드(450)를 전진 또는 후진시킨다. 또한, 본 실시예에서는 커넥팅바디(140)와 리어커버(150) 사이에 실린더부재(900)가 배치되어 있다.
나아가, 실린더부재(900)는, 다단으로 마련되어 있는 다수의 실린더부(910)와, 각 실린더부(910) 내부에서 전후방향으로 이동가능한 다수의 피스톤부(930)를 포함하는 것이 바람직하다.
후방에 위치한 피스톤부(930)는 전방에 위치한 피스톤부(930)와 연결되어 있고, 최전방에 위치한 피스톤부(930)는 드로우바 부재(400)의 후단과 연결되어 있다.
본 실시예에서 최전방에 위치한 피스톤부(930)는 커넥팅바디(140)의 피스톤부 장착공간(141) 내에서 전후방향으로 이동가능하게 마련되어 있으며, 코일스프링(147)에 의해 후방으로 위치하도록 탄성지지되어 있다. 또한, 본 실시예에서 최전방에 위치한 피스톤부(930)는 푸시로드 관통홀(143)을 관통한 푸시로드(450)와 연결되어 있다.
각 실린더부(910)에는 서로 연결되도록 제1에어통로(911)가 형성되어 있고, 제1에어통로(911)는 커넥팅바디(140)의 제2에어통로(145)와 연결되어 있으며, 리어커버(150)의 제1에어공급노즐(151)로부터 에어를 공급받는다. 이에 따라, 제1에어공급노즐(151)을 통하여 제1에어통로(911)로 에어가 공급되고, 제2에어통로(145)를 통하여 푸시로드(450)의 제3에어통로(451) 및 드로우바(410)의 제4에어통로(411)로 에어가 이동하고, 클램핑부재(500) 외측으로 배출됨으로써, 장치 내부 및 공구를 청소하는 툴클리닝이 가능하다.
최후방에 위치한 피스톤부(930)는 리어커버(150)의 제2에어공급노즐(153)로부터 실린더부(910) 내부로 공급되는 에어에 의해 전진하거나, 실린더부(910) 내부의 공기가 제2에어공급노즐(153)을 통하여 밖으로 빠져나가 후진이 가능하다. 이처럼, 제2에어공급노즐(153)은 실린더부재(900)에 에어를 공급하거나 실린더부재(900)로부터 에어를 배출하기 위하여 마련된다. 더욱 상세하게는, 도 2에 도시한 바와 같이, 제2에어공급노즐(153)을 통하여 실린더부(910) 내부에 에어가 공급되면, 피스톤부(930)가 차례로 전방으로 이동하고, 최전방에 위치한 피스톤부(930)는 푸시로드(450)와 연결되어 있으므로 푸시로드(450)가 전방으로 이동하게 된다. 이때, 푸시로드(450)가 드로우바(410)를 전방으로 밀어주게 되면, 최종적으로 드로우바(410) 선단에 연결된 클램핑부재(500)가 전방으로 이동함으로써, 콜렛(collet) 형태로된 클램핑부재(500)에 장착된 공구를 탈거할 수 있다. 이때, 본 실시예에서 클램핑부재(500)의 이동거리는 0.4mm 전진하며, 클램핑부재(500)의 이동거리는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
자동공구교환이 가능한 에어 베어링 초음파 스핀들 장치
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동공구교환이 가능한 에어 베어링 초음파 스핀들 장치를 도 4 및 도 7에 도시하였다.
도 4에 도시한 바와 같이, 자동공구교환이 가능한 에어 베어링 초음파 스핀들 장치는 하우징부재(100-1)와 샤프트부재(200-1)와 초음파 발진부재(300)와 드로우바 부재(400)와 클램핑부재(500)와 에어 베어링부재(710, 730)와 회전수단(800)과 실린더부재(900-1)를 포함한다.
에어 베어링 초음파 스핀들 장치에 있어서, 상기에서 설명한 볼 베어링 초음파 스핀들 장치와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 그 상세한 설명은 생략하기로 하며, 볼 베어링 초음파 스핀들 장치와 차이점이 있는 구성요소에 대해서만 설명하기로 한다.
도 4를 참조하여 설명하면, 하우징부재(100-1)는 길이방향을 따라 내부공간(101)이 형성되어 있다. 하우징부재(100-1)에 형성된 내부공간(101)은 하우징부재(100-1)의 선단과 후단으로 각각 개방되어 있다.
본 실시예에서 하우징부재(100-1)는 메인하우징(110)과 프론트커버(120)와 바디(160)와 리어커버(150)로 구성되어 있다.
메인하우징(110)은 원통형으로서 내부공간(101)이 형성되어 있다.
프론트커버(120)는 메인하우징(110)의 선단에 마련되어, 선단으로 개방된 내부공간(101)을 폐쇄하며, 클램핑부재(500)가 관통하는 클램핑 관통홀(121)이 형성되어 있다.
바디(160)는 메인하우징(110)의 후단에 마련되어, 후단으로 개방된 내부공간(101)을 폐쇄하며, 푸시로드(450)가 관통하는 푸시로드 관통홀(161)이 형성되어 있다.
바디(160)의 후단에는 실린더부재(900-1)가 배치되고, 실린더부재(900-1)의 후단에는 리어커버(150)가 장착된다.
리어커버(150)에는 제3에어공급노즐(152)과 제2에어공급노즐(153)이 각각 마련되어 있다.
또한, 리어커버(150)에는 도 6과 같이 CW유입구(155), CW배출구(156), US WIRE(157), POWER(158)이 각각 마련되어 있다.
CW유입구(155), CW배출구(156)는 냉각수(Cooling Water)가 하우징부재(100-1) 내부로 유입되고 외부로 배출되는 역할을 한다.
US WIRE(157)는 초음파 발진부재(300)에 전원을 공급할 수 있도록 초음파 발진기로부터 전선이 배선되는 부분이다.
POWER(158)는 샤프트부재(200)를 회전시키는 회전수단(800)인 고정자(830)에 전원을 공급할 수 있도록 고정자(830)로부터 전선이 배선되는 부분이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 샤프트부재(200-1)는 내부공간(101) 내에 회전 가능하게 마련되고, 중공(201)이 형성되어 있다.
본 실시예에서 샤프트부재(200-1)는 프론트샤프트(260)와 리어샤프트(280)로 구성되어 있다. 프론트샤프트(260)와 리어샤프트(280)는 열간 조립(열박음) 후 용접으로 조립된다.
도 4를 참조하여 설명하면, 초음파 발진부재(300)는 중공(201) 내의 앞쪽에 배치된다.
본 실시예에서 샤프트부재(200-1)가 두 부분으로 구성됨에 따라, 초음파 발진부재(300)는 프론트샤프트(260)에 형성된 중공(201) 내에 배치되고, 프론트샤프트(260)에 고정됨으로써 샤프트부재(200-1) 회전시 샤프트부재(200-1)와 함께 회전한다.
이러한 초음파 발진부재(300)에는 하기에서 설명할 드로우바 부재(400)가 관통할 수 있도록 관통공(301)이 형성되어 있다.
초음파 발진부재(300)에 전원을 공급해주는 합금 브러시(350)가 바디(160)의 일측에 장착되어 있으며, 합금 브러시(250)는 초음파 발진부재(300)와 전기적으로 연결되어 있어, 초음파 발진부재(300)에 전원을 공급한다.
도 4를 참조하여 설명하면, 드로우바 부재(400)는 중공(201) 내에서 전후방향으로 이동이 가능하도록 마련되고, 샤프트부재(200-1) 회전시 샤프트부재(200-1)와 함께 회전한다. 드로우바 부재(400)는 샤프트부재(200-1)의 중공(201) 전체에 길이방향을 따라 배치되므로 가늘고 긴 형태이므로 전측을 이루는 드로우바(410)와, 후측을 이루는 푸시로드(450)로 나누어지는 것이 작동성을 향상시킬 수 있다는 측면에서 바람직하다.
드로우바(410)는 프론트샤프트(260)와 리어샤프트(280) 내에 형성된 중공(201) 내에 배치되는데, 리어샤프트(280)의 전측까지만 배치되어 있다. 이때 드로우바(410)는 디스크스프링(420)에 의해 후방으로 위치하도록 탄성지지되어 있다. 이러한 드로우바(410)는 초음파 발진부재(300)의 관통공(301)을 관통한다. 이렇게, 초음파 발진부재(300)를 관통한 드로우바 부재(400)의 선단은 내부공간(101)의 최전방에 배치된다.
푸시로드(450)는 리어샤프트(280) 내에 형성된 중공(201) 내에 배치되고, 푸시로드(450)의 후단은 바디(160)의 푸시로드 관통홀(161)을 관통하고, 실린더 바디(920)의 푸시로드 관통홀(923)을 관통한다.
상기와 같이 구성되는 푸시로드(450) 내부에는 제3에어통로(451)이 형성되어 있고, 드로우바(410) 내부에는 제4에어통로(411)가 형성되어 있다. 푸시로드(450) 내부에 형성된 제4에어통로(411)는 실린더 바디(920)의 제2에어통로(925)와 연결되어 있다.
드로우바 부재(400)의 선단에는 클램핑부재(500)가 연결된다. 즉, 클램핑부재(500)는 드로우바(410) 선단에 장착되고, 프론트커버(120)의 클램핑 관통홀(121)을 관통하여 일부분이 하우징부재(100-1)의 외측으로 배치됨으로써, 클램핑부재(500)에 공구가 클램핑된다.
도 4를 참조하여 설명하면, 샤프트부재(200-1)를 하우징부재(100-1)로부터 회전 가능하도록 하는 에어 베어링부재(710, 730, 750)가 내부공간(101) 내에 샤프트부재(200-1)를 감싸며 마련되어 있다.
본 실시예에서는 샤프트부재(200-1)의 전측을 이루는 프론트샤프트(260)를 감싸며 에어 베어링부재(710)가 마련되어 있고, 샤프트부재(200-1)의 후측을 이루는 리어샤프트(280)를 감싸며 에어 베어링부재(730)가 마련되어 있다. 리어샤프트(280)와 에어 베어링부재(730) 사이에는 샤프트부시(290)이 배치되어 있다. 또한, 프론트커버(120)와 메인하우징(110) 사이에는 스러스트 에어 베어링(750)이 마련되어 있다.
에어 베어링부재(710), 에어 베어링부재(730), 스러스트 에어 베어링(750)에 에어를 공급하는 에어유로(a)가 메인하우징(110), 바디(160), 실린더 바디(920), 실린더부(910)에 걸쳐서 서로 연결되며 형성되어 있고, 리어커버(150)에는 제3에어공급노즐(152)로부터 에어를 공급받는다. 따라서, 제3에어공급노즐(152)을 통해 에어가 에어유로(a) 내에 공급되고, 에어 베어링부재(710), 에어 베어링부재(730), 스러스트 에어 베어링(750)에 의해 샤프트부재(200-1)가 내부공간(101) 내에서 부상된다.
이와 같이, 에어 베어링부재(710), 에어 베어링부재(730), 스러스트 에어 베어링(750)에 의해 샤프트부재(200-1)가 내부공간(101) 내에서 부상되면서, 샤프트부재(200-1)는 내부공간(101) 내에 회전 가능하게 되는데, 부상된 샤프트부재(200-1)를 회전시키는 회전수단(800)은 메인하우징(110)의 내부공간(101) 내에 마련된다. 특히, 회전수단(800)은 리어샤프트(280)의 둘레에 마련되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 회전수단(800)은 회전자(810, rotor)와 고정자(830, stator)를 포함하는 모터로 구성되어 있다.
회전자(810)는 리어샤프트(280)의 전측을 감싸며 마련되어 있고, 고정자(830)는 회전자(810)를 감싸며 마련되어 있다.
이와 같이 구성되어, 고정자(830)에 권선된 코일에 전압이 인가되면, 고정자(830) 코일에 인가된 전압에 의해 회전자(810) 코일에 유도전류가 발생하여 회전자(810)가 중심축을 중심으로 회전한다. 이에 따라, 리어샤프트(280)가 회전자(810)와 함께 회전함으로써, 리어샤프트(280)와 연결되어 있는 프론트샤프트(260)도 함께 회전함에 따라, 샤프트부재(200-1) 전체가 회전한다.
도 4를 참조하여 설명하면, 실린더부재(900-1)는 드로우바 부재(400)를 하우징부재(100-1)의 길이방향을 따라 전진 또는 후진시킨다.
본 실시예에서 드로우바 부재(400)가 드로우바(410)와 푸시로드(450)로 구성됨에 따라, 실린더부재(900-1)는 후측에 배치된 푸시로드(450)를 전진 또는 후진시킨다. 또한, 본 실시예에서는 바디(160)와 리어커버(150) 사이에 실린더부재(900-1)가 배치되어 있다.
나아가, 실린더부재(900-1)는, 다단으로 마련되어 있는 다수의 실린더부(910)와, 최전방에 배치된 실린더부(910)와 바디(160) 사이에 배치되는 실린더 바디(920)와, 각 실린더부(910) 내부에서 전후방향으로 이동가능한 다수의 피스톤부(930)를 포함하는 것이 바람직하다.
실린더부(910)에는 도 6에 도시한 제3에어공급노즐(152)로부터 에어를 공급받는 제1에어통로(911)가 형성되어 있다.
실린더 바디(920)의 후면에는, 최전방에 위치한 피스톤부(930)가 장착되는 피스톤부 장착공간(921)이 형성되어 있다. 피스톤부 장착공간(921) 내에는 푸시로드(450)가 관통하는 푸시로드 관통홀(923)이 형성되어 있고, 실린더부(910)의 제1에어통로(911)와 푸시로드(450)의 제3에어통로(451)을 연결하는 제2에어통로(925)가 형성되어 있다. 따라서, 도 6데 도시한 제3에어공급노즐(152)로부터 제1에어통로(911)로 공급된 에어는 제2에어통로(925)로 이동하고, 푸시로드(450)의 제3에어통로(451)와 드로우바(410)의 제4에어통로(411)를 차례로 이동하여, 클램핑부재(500) 사이로 배출됨으로써, 장치 내부 및 공구를 청소하는 툴클리닝이 가능하다.
후방에 위치한 피스톤부(930)는 전방에 위치한 피스톤부(930)와 연결되어 있고, 최전방에 위치한 피스톤부(930)는 드로우바 부재(400)의 후단과 연결되어 있다.
본 실시예에서 최전방에 위치한 피스톤부(930)는 실린더 바디(920)의 피스톤부 장착공간(921) 내에서 전후방향으로 이동가능하게 마련되어 있으며, 코일스프링(927)에 의해 후방으로 위치하도록 탄성지지되어 있다. 또한, 본 실시예에서 최전방에 위치한 피스톤부(930)는 실린더 바디(920)의 푸시로드 관통홀(923)을 관통한 관통한 푸시로드(450)와 연결되어 있다.
최후방에 위치한 피스톤부(930)는 리어커버(150)의 제2에어공급노즐(153)로부터 실린더부(910) 내부로 공급되는 에어에 의해 전진하거나, 실린더부(910) 내부의 공기가 제2에어공급노즐(153)을 통하여 밖으로 빠져나가 후진이 가능하다. 이처럼, 제2에어공급노즐(153)은 실린더부재(900-1)에 에어를 공급하거나 실린더부재(900-1)로부터 에어를 배출하기 위하여 마련된다.
더욱 상세하게는, 도 5에 도시한 바와 같이 제2에어공급노즐(153)을 통하여 실린더부(910) 내부에 에어가 공급되면, 피스톤부(930)가 차례로 전방으로 이동하고, 최전방에 위치한 피스톤부(930)는 푸시로드(450)와 연결되어 있으므로 푸시로드(450)가 전방으로 이동하게 된다. 이때, 푸시로드(450)가 드로우바(410)를 전방으로 밀어주게 되면, 최종적으로 드로우바(410) 선단에 연결된 클램핑부재(500)가 전방으로 이동함으로써, 콜렛(collet) 형태로된 클램핑부재(500)에 장착된 공구를 탈거할 수 있다. 이때, 본 실시예에서 클램핑부재(500)의 이동거리는 0.5mm 전진하며, 클램핑부재(500)의 이동거리는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
상기와 같이 구성되는 에어 베어링 초음파 스핀들 장치의 전체 외관을 도 7에 도시하였다.
메인하우징(110)과 프론트커버(120)와 바디(160)와 리어커버(150)로 구성되는 하우징부재(100-1)와 실린더부(910)와 실린더 바디(920)와 에어 베어링부재(710, 750)에 의해 에어 베어링 초음파 스핀들 장치는 원통형을 이룬다.
본 발명의 자동공구교환이 가능한 초음파 스핀들 장치에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
관통공(301)이 형성된 초음파 발진부재(300)와, 관통공(301)을 통하여 초음파 발진부재(300)를 관통하고 전후방향으로 이동이 가능하여 자동공구 교환이 가능하게 하는 드로우바 부재(400)를 포함함으로써, 클램핑부재(500)에 장착된 공구를 자동으로 교환할 수 있어, 툴 교환시간을 현저히 단축시키고, 공정의 단순화 및 장치의 단순화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
종래 초음파 스핀들에 비해 가공 시간 단축, 공구 수명 연장, 가공물의 정밀도 향상 등의 효과를 기대할 수 있다.
초음파 스핀들의 이점에 자동공구교환을 부가하여, 별도의 추가 장치 없이도 공구를 자동적으로 교환하는 스핀들을 구현함으로서, 비용측면에서 매우 유리한 효과가 있다.
스핀들 내에 ATC 장치, ATC가 가능한 초음파 발진부재(300), 샤프트부재(200, 200-1)를 회전시키는 회전수단(800)이 포함됨으로써, 저비용 효과는 물론 구조의 단순화 및 공간 절약 효과를 기대할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100, 100-1 : 하우징부재 101 : 내부공간
200, 200-1 : 샤프트부재 201 : 중공
300 : 초음파 발진부재 301 : 관통공
400 : 드로우바 부재 410 : 드로우바
450 : 푸시로드 500 : 클램핑부재
610, 630 : 볼 베어링부재 710 , 730 : 에어 베어링부재
800 : 회전수단 810 : 회전자
830 : 고정자 900, 900-1 : 실린더부재
910 : 실린더부 930 : 피스톤부

Claims (5)

  1. 길이방향을 따라 내부공간이 형성되어 있는 하우징부재;
    상기 내부공간 내에 회전 가능하게 마련되고, 중공이 형성된 샤프트부재;
    상기 중공 내의 앞쪽에 배치되되, 상기 샤프트부재에 고정됨으로써 상기 샤프트부재 회전시 상기 샤프트부재와 함께 회전하고, 관통공이 형성되어 있는 초음파 발진부재;
    상기 중공 내에서 전후방향으로 이동이 가능하도록 마련되고, 일부분이 상기 관통공 내에 삽입되어 상기 초음파 발진부재를 관통하는 드로우바 부재;
    상기 드로우바 부재의 선단에 연결되고, 일부분이 상기 하우징부재의 외측으로 배치되어 공구가 클램핑되는 클램핑부재;
    상기 샤프트부재를 회전시키는 회전수단; 및
    상기 드로우바 부재를 상기 샤프트부재의 길이방향을 따라 전진 또는 후진시키는 실린더부재;를 포함하되,
    상기 드로우바 부재는 전측을 이루는 드로우바와 후측을 이루는 푸시로드로 나누어지고, 상기 드로우바는 상기 관통공을 관통하고, 상기 푸시로드의 외측에 배치되는 상기 샤프트부재의 둘레에 상기 회전수단이 마련되며,
    상기 실린더부재는, 상기 하우징부재의 후단에 배치되되, 다단으로 마련되어 있는 다수의 실린더와, 상기 각 실린더 내부에서 전후방향으로 이동가능한 다수의 피스톤부를 포함하되,
    후방에 위치한 상기 피스톤부는 전방에 위치한 상기 피스톤부와 연결되어 있고, 최전방에 위치한 상기 피스톤부는 상기 드로우바 부재의 후단과 연결되어 있어, 상기 피스톤부가 이동함에 따라, 상기 드로우바 부재가 전진 또는 후진하는 것을 특징으로 하는 자동공구교환이 가능한 초음파 스핀들 장치.
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