KR102450266B1

KR102450266B1 - 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드

Info

Publication number: KR102450266B1
Application number: KR1020217008673A
Authority: KR
Inventors: 즈밍 천; 천 자오; 얜원 리; 전 황
Original assignee: 얜산 유니버시티
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-11-02
Publication date: 2022-09-30
Also published as: WO2020062431A1; JP2021529100A; KR20210039491A; US11813709B2; JP7036480B2; CN109128872A; CN109128872B; US20210220953A1

Abstract

다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드는 3개의 분기 체인(3), 운동 베이스(5) 및 고정 베이스(1)를 포함하고, 가공 스핀들(6)은 운동 베이스(5)에 고정 연결되며, 분기 체인(2)은 서보 모터(22), 분기 체인 로드(21), 리드 스크류(23) 및 가이드 너트(25)를 포함하고, 분기 체인 로드(21) 일단의 내부 캐비티에는 리드 스크류(23) 및 선형 가이드 레일(24)이 설치되며, 리드 스크류(23)의 일단은 서보 모터(22)에 연결되고, 리드 스크류(23)는 가이드 너트(25)를 관통하며, 리드 스크류(22)의 타단은 회전 페어를 통해 분기 체인 로드(21)에 연결되고, 가이드 너트(25)는 선형 가이드 레일(24)에 장착되어 제1 지지 디스크(26)를 통해 고정 베이스(1)에 회전 가능하게 연결되며, 분기 체인 로드(21)의 타단은 제2 지지 디스크(28)를 통해 운동 베이스(5)에 회전 가능하게 연결된다. 상기 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드는 병렬 스핀들 헤드 구조 자체만으로 회동 플랫폼과 고정 플랫폼 내부 공간의 소정 범위 내 임의의 한 점에서 커터의 다방향 고정점 회전을 구현할 뿐만 아니라 커터 끝점을 에워싼 다방향 고정점 회전을 구현할 수 있으며, 또한 상기 스핀들 헤드 구조가 대칭되어 운동 특성 역시 대칭성을 갖는다.

Description

다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드

본 발명은 CNC 공작기계 장비 기술분야에 관한 것으로, 특히 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드에 관한 것이다.

성능이 우수한 전체 구조 부재를 얻기 위한 이상적인 가공 방식은 전체 블랭크에서 금속을 절단하는 것이나, 형상과 구조가 복잡하고 재료 제거율이 높으며 대형 항공 구조 부재와 같이 벽이 얇고 쉽게 변형되는 구조 부재의 경우, 기존의 직렬 스핀들 헤드는 부품 가공 정확도, 품질 및 가공 효율성 등에 대한 요구 사항을 동시에 충족시킬 수 없다.

직렬 스핀들 헤드에 비해 병렬 스핀들 헤드는 높은 강성 대 품질 비율, 높은 동적 성능 및 높은 정확도 장점을 구비하여 첨단 장비 제조에 점점 더 널리 사용된다. 여기서 두개의 회전 자유도와 하나의 이동 자유도를 가진 3축 병렬 스핀들 헤드는 고속 CNC 공작기계 장비 분야에서 우수한 응용 전망을 갖고 있으며, 3축 병렬 스핀들 헤드는 2축 이동 플랫폼과 용이하게 결합되어 5축 연동 가공을 구현함으로써 가공 정확도와 품질을 보장하는 동시에 가공 효율성을 크게 향상시킨다.

그러나 중국공개특허공보 제1843709호, 중국공개특허공보 제101049699호, 중국공개특허공보 제101691013호 및 중국공개특허공보 제102626870호와 같은 대표적인 병렬 스핀들 헤드 구조는 모두 병렬 스핀들 헤드 구조 자체만으로 커터의 다방향 고정점 회전을 구현할 수 없는 바, 제어 수단 및 추가 축의 운동을 통해 실시간으로 보상해야 하므로 커터 헤드의 위치 보정과 궤적 계획에 어려움이 있으며, 이러한 스핀들 헤드의 정확도와 동적 응답 속도는 어느 정도 한정된다. 중국공개특허공보 제101497167호는 병렬 스핀들 헤드 구조 자체만으로 커터의 고정점 회전을 구현하나 구조가 대칭되지 않아 운동 특성 역시 대칭되지 않는다. 또한 기존의 병렬 스핀들 헤드 이동 플랫폼의 회전 중심이 커터 끝점과 중첩되지 않으므로 커터 끝점을 에워싼 다방향 고정점 회전을 구현할 수 없어 다축 연동 가공 구현의 난이도가 증가된다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술에 존재하는 문제점을 해결하기 위해, 병렬 스핀들 헤드 구조 자체만으로 회동 플랫폼과 고정 플랫폼 내부 공간의 일정한 범위 내 임의의 한 점에서 커터의 다방향 고정점 회전을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 커터 끝점을 에워싼 다방향 고정점 회전을 구현할 수 있으며, 또한 상기 스핀들 헤드 구조가 대칭되어 운동 특성 역시 대칭성을 갖는 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하기와 같은 해결수단을 제공한다. 본 발명은 120°로 이루어진 3개의 공간에 축 대칭으로 배치되며 구조가 동일한 3개의 분기 체인, 3개의 상기 분기 체인의 일단을 연결하는 운동 베이스 및 3개의 상기 분기 체인의 몸체를 연결하는 고정 베이스를 포함하고, 가공 스핀들은 상기 운동 베이스에 고정 연결되며; 상기 분기 체인은 서보 모터, 분기 체인 로드, 리드 스크류 및 가이드 너트를 포함하고, 상기 분기 체인 로드 일단의 내부 캐비티에는 상기 리드 스크류 및 선형 가이드 레일이 설치되며, 상기 리드 스크류의 일단은 상기 서보 모터에 연결되고, 상기 리드 스크류는 상기 가이드 너트를 관통하며, 상기 리드 스크류의 타단은 회전 페어를 통해 상기 분기 체인 로드와 연결되고, 상기 서보 모터 및 리드 스크류는 상기 분기 체인 로드와 가이드 너트 사이에 하나의 이동 자유도를 제공하며, 상기 가이드 너트는 상기 선형 가이드 레일에 장착되고 또한 제1 지지 디스크를 통해 상기 고정 베이스에 회전 가능하게 연결되며, 상기 분기 체인 로드의 타단은 제2 지지 디스크를 통해 상기 운동 베이스에 회전 가능하게 연결되는 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드를 제공한다.

바람직하게, 상기 분기 체인에는 상기 운동 베이스와 고정 베이스에 연결되는 위치에 각각 운동 베이스 베어링 및 고정 베이스 베어링이 설치되고; 상기 제1 지지 디스크는 상기 고정 베이스 베어링의 내부 링에 연결되며, 상기 고정 베이스 베어링의 외부 링은 상기 고정 베이스에 고정 연결되고; 상기 제2 지지 디스크는 상기 운동 베이스 베어링의 내부 링에 연결되며, 상기 운동 베이스 베어링의 외부 링은 상기 운동 베이스에 고정 연결된다.

바람직하게, 상기 고정 베이스 베어링의 회전 축선과 상기 고정 베이스의 단면 사이에는 끼인각이 존재하고, 상기 끼인각은 동일한 분기 체인의 상기 운동 베이스 베어링의 회전 축선과 상기 운동 베이스의 단면 사이의 끼인각과 동일하다.

바람직하게, 상기 고정 베이스 베어링의 회전 축선과 상기 운동 베이스 베어링의 회전 축선은 공간의 한 점에서 교차되고; 3개의 분기 체인의 베이스 베어링 회전 축선의 세 교차점은 하나의 평면을 결정한다.

바람직하게, 상기 리드 스크류의 타단은 회전 페어를 통해 상기 분기 체인 로드의 내부 캐비티 벽과 연결된다.

바람직하게, 상기 선형 가이드 레일은 각각 상기 분기 체인 로드의 내부 캐비티의 네 모서리에 고정되도록 4개가 구비되고, 상기 가이드 너트는 상기 선형 가이드 레일에 장착되며, 상기 가이드 너트와 상기 선형 가이드 레일은 이동 페어를 구성한다.

바람직하게, 상기 가이드 너트는 핀축과 베어링으로 구성된 회전 페어를 통해 상기 제1 지지 디스크에 연결되고, 상기 분기 체인 로드의 타단은 회전 힌지를 통해 상기 제2 지지 디스크에 연결된다.

바람직하게, 상기 가이드 너트와 제1 지지 디스크로 구성된 회전 페어의 축선과 상기 분기 체인 로드와 제2 지지 디스크로 구성된 회전 페어의 축선은 서로 평행된다.

바람직하게, 상기 분기 체인 내의 서보 모터는 분기 체인 로드와 가이드 너트 사이에 하나의 이동 자유도를 제공하는 선형 모터로 교체할 수 있다.

본 발명은 종래 기술에 비해 하기와 같은 기술적 효과를 획득한다.

본 발명의 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드는 병렬 스핀들 헤드 구조 자체만으로 회동 플랫폼 내부 공간의 소정 범위 내 임의의 한 점에서 커터의 다방향 고정점 회전을 구현할 뿐만 아니라 커터 끝점을 에워싼 고정점 회전 기능을 구현하며; 보정이 용이하고 제어가 간단하여 궤적 계획 및 정확도 향상에 유리하고; 구조가 대칭되어 운동 특성 역시 대칭성을 갖는다.

본 발명의 실시예 또는 종래 기술의 기술적 해결수단을 보다 명확하게 설명하기 위해 이하에서는 실시예에 필요한 도면을 간략히 설명한다. 아래 설명되는 도면은 본 발명의 일부 실시예일 뿐, 당업자는 진보성 창출에 힘쓸 필요 없이 이러한 도면으로부터 다른 도면을 획득할 수도 있음은 자명한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전체 구조의 축측(軸側) 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 분기 체인 구조 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전체 구조의 측면 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 운동 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 커터 끝점을 에워싸고 회전하는 모식도이다.

아래 본 발명의 실시예의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 기술적 해결수단을 명확하고 완전하게 설명하나 설명된 실시예는 본 발명의 일부 실시예일 뿐 모든 실시예가 아님은 자명하다. 본 발명의 실시예에 기반하여 당업자가 진보성 창출에 힘쓸 필요 없이 획득한 다른 모든 실시예는 모두 본 발명의 보호범위 내에 속한다.

본 발명에 의해 제공되는 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드는 120°로 이루어진 3개의 공간에 축 대칭으로 배치되며 구조가 동일한 3개의 분기 체인, 3개의 상기 분기 체인의 일단을 연결하는 운동 베이스 및 3개의 상기 분기 체인의 몸체를 연결하는 고정 베이스를 포함하고, 가공 스핀들은 상기 운동 베이스에 고정 연결되며, 상기 분기 체인은 서보 모터, 분기 체인 로드, 리드 스크류 및 가이드 너트를 포함하고, 상기 분기 체인 로드 일단의 내부 캐비티에는 상기 리드 스크류 및 선형 가이드 레일이 설치되며, 상기 리드 스크류의 일단은 상기 서보 모터에 연결되고, 상기 리드 스크류는 상기 가이드 너트를 관통하며, 상기 리드 스크류의 타단은 회전 페어를 통해 상기 분기 체인 로드와 연결되고, 상기 가이드 너트는 상기 선형 가이드 레일에 장착되고 또한 제1 지지 디스크를 통해 상기 고정 베이스에 회전 가능하게 연결되며, 상기 분기 체인 로드의 타단은 제2 지지 디스크를 통해 상기 운동 베이스에 회전 가능하게 연결된다.

본 발명의 상술한 목적, 특징 및 장점을 보다 명확하고 이해하기 쉽도록, 아래에서 도면 및 구체적인 실시형태를 결부하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 전체 구조의 축 측 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 분기 체인 구조 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 전체 구조의 측면 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 운동 모식도이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의해 제공되는 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드는 고정 베이스(1), 운동 베이스(5), 운동 베이스(5)에 고정 연결된 가공 스핀들(6), 120°로 이루어진 공간에 축 대칭으로 배치되고, 고정 베이스(1)와 운동 베이스(5) 사이의 3개의 구조가 동일한 분기 체인(2) 및 고정 베이스(1)와 운동 베이스(5)가 분기 체인(2)과 각각 연결되는 고정 베이스 베어링(3) 및 운동 베이스 베어링(4)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 분기 체인(2)은 분기 체인 로드(21), 서보 모터(22), 리드 스크류(23), 선형 가이드 레일(24), 가이드 너트(25), 제1 지지 디스크(26), 회전 힌지(27), 제2 지지 디스크(28)로 구성되고, 서보 모터(22)는 분기 체인 로드(21)의 일단에 고정 연결되며, 리드 스크류(23)의 일단은 서보 모터(22)에 연결되어 서보 모터(22)에 의해 구동되고, 서보 모터(22) 및 리드 스크류(23)는 분기 체인 로드(21)와 가이드 너트(25) 사이에 하나의 이동 자유도를 제공하며, 리드 스크류(23)는 가이드 너트(25)를 관통하고, 타단은 회전 페어를 통해 분기 체인 로드(21)의 타단에 연결되며, 선형 가이드 레일(24)은 각각 분기 체인 로드(21)의 사각형 내부 캐비티의 네 모서리에 고정되도록 4개가 구비되고, 가이드 너트(25)는 분기 체인 로드(21)의 사각형 내부 캐비티의 선형 가이드 레일(24)에 장착되며, 가이드 너트(25)와 선형 가이드 레일(24)은 이동 페어를 구성하고, 가이드 너트(25)는 핀축과 베어링으로 구성된 회전 페어 또는 다른 형태의 등가 구조를 통해 제1 지지 디스크(26)에 연결되며, 또한 상기 회전 페어의 축선은 2a이고, 분기 체인 로드(21)는 제2 지지 디스크(28)를 통해 회전 힌지(27)에 연결되며, 분기 체인 로드(21)와 제2 지지 디스크(28)는 회전 페어를 구성하고 또한 상기 회전 페어의 축선은 2b이며, 회전 페어의 축선 2a와 회전 페어 의 축선 2b는 서로 평행된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 분기 체인(2)의 일단은 제1 지지 디스크(26)를 통해 고정 베이스 베어링(3)의 내부 링에 연결되고, 고정 베이스 베어링(3)의 외부 링은 고정 베이스(1)에 고정 연결되며, 고정 베이스 베어링(3)의 회전 축선은 3a이고, 상기 분기 체인(2)의 타단은 제2 지지 디스크(28)를 통해 운동 베이스 베어링(4)의 내부 링에 연결되며, 운동 베이스 베어링(4)의 외부 링은 운동 베이스(5)에 고정 연결되고, 운동 베이스 베어링(4)의 회전 축선은 4a이며, 상기 고정 베이스 베어링(3)의 회전 축선 3a와 고정 베이스(1)의 단면 사이에 존재하는 끼인각은 0이고, 상기 운동 베이스 베어링(4)의 회전 축선 4a와 운동 베이스(5)의 단면 사이의 끼인각 역시 0이며, 고정 베이스 베어링(3)의 회전 축선 3a와 운동 베이스 베어링(4)의 회전 축선 4a는 공간의 한 점 A에서 교차된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 다른 두 분기 체인(2)이 고정 베이스(1) 및 운동 베이스(5)에 각각 연결되는 방식은 상기 분기 체인(2)이 고정 베이스(1) 및 운동 베이스(5)에 각각 연결되는 방식과 동일하며 마찬가지로 다른 두 베어링 회전 축선의 교차점 B 및 C를 얻는다. 베어링 회전 축선의 세 교차점 A, B, C는 하나의 평면 S을 결정하여 각 분기 체인(2)이 서보 모터(22)의 구동하에 운동하는 경우, 운동 베이스(5) 및 이에 고정 연결된 가공 스핀들(6)은 평면 S 내의 임의의 한 점을 에워싸고 두개의 회전 자유도에 속하는 다방향 고정점 회전을 구현할 수 있으며, 또한 상기 평면에 수직되는, 하나의 이동 자유도에 속하는 이동을 구현할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 각 구성요소의 연결 관계 및 기하학적 관계를 변경하지 않는 전제하에 기구의 크기만 변경하고 3개의 분기 체인(2) 중 이동 페어의 길이를 제어함으로써 베어링 회전 축선의 세 교차점 A, B, C에 의해 결정되는 평면 S의 위치 및 자세를 제어할 수 있다. 가공 스핀들(6)의 커터 헤드점이 마침 상기 평면 S에 놓이는 경우, 병렬 스핀들 헤드 자체에만 의존하여 커터 끝점을 에워싼 다방향 고정점 회전 기능을 구현할 수 있다.

본 실시예의 구동 장치는 서보 모터(22)가 리드 스크류(23)를 구동하는 구조 형태를 적용하여 분기 체인 로드(21)와 가이드 너트(25) 사이에 하나의 이동 자유도를 제공한다. 동일한 목적을 달성하기 위해 선형 모터 구동 방식을 적용하여 분기 체인 로드(21)와 가이드 너트(25) 사이에 하나의 이동 자유도를 제공할 수도 있는 바, 구체적으로 실시할 경우에는 동일한 운동 기능을 구현할 수 있는 다른 임의의 구조 형태를 구동 방식으로 적용할 수도 있다. 아울러 본 발명은 고정 베이스(1)를 직교되는 두개의 이동 플랫폼에 연결시키고 나아가 5축 CNC 공작기계 가공 유닛을 구성할 수 있다.

본 발명에서는 구체적인 일 예를 들어 본 발명의 원리 및 실시형태를 설명하나 상기 실시예에 대한 설명은 본 발명의 벙법 및 핵심 사상을 이해하는데 도움을 주기 위해 사용되며, 아울러 당업자는 본 발명의 사상에 따라 발명을 실시하기 위한 형태 및 적용 범위 내에서 변경을 실시할 수 있다. 요약하면, 본 명세서의 내용은 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 안된다.

1 : 고정 베이스, 2 : 분기 체인, 3 : 고정 베이스 베어링, 4 : 운동 베이스 베어링, 5 : 운동 베이스, 6 : 가공 스핀들, 21 : 분기 체인 로드, 22 : 서보 모터, 23 : 리드 스크류, 24 : 선형 가이드 레일, 25 : 가이드 너트, 26 : 제1 지지 디스크, 27 : 회전 힌지, 28 : 제2 지지 디스크

Claims

다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드로서,
120°로 이루어진 3개의 공간에 축 대칭으로 배치되며 구조가 동일한 3개의 분기 체인, 3개의 상기 분기 체인의 일단을 연결하는 운동 베이스 및 3개의 상기 분기 체인의 몸체를 연결하는 고정 베이스를 포함하고, 가공 스핀들은 상기 운동 베이스에 고정 연결되며, 상기 분기 체인은 서보 모터, 분기 체인 로드, 리드 스크류 및 가이드 너트를 포함하고, 상기 분기 체인 로드 일단의 내부 캐비티에는 상기 리드 스크류 및 선형 가이드 레일이 설치되며, 상기 리드 스크류의 일단은 상기 서보 모터에 연결되고, 상기 리드 스크류는 상기 가이드 너트를 관통하며, 상기 리드 스크류의 타단은 회전 페어를 통해 상기 분기 체인 로드와 연결되고, 상기 서보 모터 및 상기 리드 스크류는 상기 분기 체인 로드와 상기 가이드 너트 사이에 하나의 이동 자유도를 제공하며, 상기 가이드 너트는 상기 선형 가이드 레일에 장착되고 또한 제1 지지 디스크를 통해 상기 고정 베이스에 회전 가능하게 연결되며, 상기 분기 체인 로드의 타단은 제2 지지 디스크를 통해 상기 운동 베이스에 회전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 다방향 고정점 회전이 가능하며,
상기 분기 체인에는 상기 운동 베이스와 상기 고정 베이스에 연결되는 위치에 각각 운동 베이스 베어링 및 고정 베이스 베어링이 설치되고, 상기 제1 지지 디스크는 상기 고정 베이스 베어링의 내부 링에 연결되며, 상기 고정 베이스 베어링의 외부 링은 상기 고정 베이스에 고정 연결되고, 상기 제2 지지 디스크는 상기 운동 베이스 베어링의 내부 링에 연결되며, 상기 운동 베이스 베어링의 외부 링은 상기 운동 베이스에 고정 연결되고,
상기 고정 베이스 베어링의 회전 축선과 상기 고정 베이스의 단면 사이에는 끼인각이 존재하고, 상기 끼인각은 동일한 분기 체인의 상기 운동 베이스 베어링의 회전 축선과 상기 운동 베이스의 단면 사이의 끼인각과 동일하며,
상기 고정 베이스 베어링의 회전 축선과 상기 운동 베이스 베어링의 회전 축선은 공간의 한 점에서 교차되고, 3개의 상기 분기 체인의 베이스 베어링 회전 축선의 세 교차점은 하나의 평면을 결정하는 것을 특징으로 하는,
다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 리드 스크류의 타단은 상기 회전 페어를 통해 상기 분기 체인 로드의 내부 캐비티 벽과 연결되는 것을 특징으로 하는 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드.
제1항에 있어서,
상기 선형 가이드 레일은 각각 상기 분기 체인 로드의 내부 캐비티의 네 모서리에 고정되도록 4개가 구비되고, 상기 가이드 너트는 상기 선형 가이드 레일에 장착되며, 상기 가이드 너트와 상기 선형 가이드 레일은 이동 페어를 구성하는 것을 특징으로 하는 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드.
제6항에 있어서,
상기 가이드 너트는 핀축과 베어링으로 구성된 회전 페어를 통해 상기 제1 지지 디스크에 연결되고, 상기 분기 체인 로드의 타단은 회전 힌지를 통해 상기 제2 지지 디스크에 연결되는 것을 특징으로 하는 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드.
제7항에 있어서,
상기 가이드 너트와 상기 제1 지지 디스크로 구성된 회전 페어의 축선과 상기 분기 체인 로드와 상기 제2 지지 디스크로 구성된 회전 페어의 축선은 서로 평행되는 것을 특징으로 하는 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드.
제1항에 있어서,
상기 분기 체인 내의 상기 서보 모터는 상기 분기 체인 로드와 상기 가이드 너트 사이에 하나의 이동 자유도를 제공하는 선형 모터로 교체할 수 있는 것을 특징으로 하는 다방향 고정점 회전이 가능한 대칭형 3축 병렬 스핀들 헤드.