KR102587555B1 - 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터 및 이를 구비한 기계 공작 로봇 - Google Patents

고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터 및 이를 구비한 기계 공작 로봇 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터를 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터는 로봇 암의 스핀들이 결합되는 어댑터 본체; 및 어댑터 본체의 중앙부에 마련되어 스핀들과 접촉되되, 금속이 적층되어 마련되는 금속적층 감쇠부를 포함하되, 금속적층 감쇠부는 3D 프린팅으로 형성된다.

Description

고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터 및 이를 구비한 기계 공작 로봇{ROBOT SPINDLE ADAPTER FOR HIGH RIGIDITY AND VIBRATION DAMPING AND MACHINE TOOL ROBOT INCLUDING THE SAME}
본 발명은 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 로봇 공구 작업의 강성 강화 및 진동 방지가 가능하게 제작되는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터 및 이를 구비한 기계 공작 로봇에 관한 것이다.
일반적으로, 공작 기계는 각종 절삭 가공방법 또는 비절삭 가공방법으로 금속의 공작물을 적당한 공구를 이용하여 원하는 형상 및 치수로 가공할 목적으로 사용하는 것으로서, 수치제어(CNC, Computerized Numerical Control) 선반이나 반자동 타입인 NC머신 또는 머시닝 센터 등이 있다.
최근에는 일반적인 공작 기계를 대신하여 로봇 암의 엔드부에 절삭 공구를 설치한 다관절 로봇이 등장하고 있다. 이러한 다관절 로봇은 엔드 이펙터로서 절삭 공구를 사용하게 되므로, 더 복잡한 형상이나 세밀한 부분 및 여러 부분을 유연하게 가공 처리할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 다관절 로봇은 유연하게 동작할 수 있는 장점이 있지만, 공작 기계에 비해 절대적 정확도와 반복 정확도가 떨어지는 단점이 있으며, 특히 다관절 작동 구조가 공작 기계에 비해 강성이 매우 낮아서 가공 중에 발생하는 공구의 절삭력에 의한 공구의 구조적인 진동이 발생한다.
대한한국 등록특허 제10-1917269호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 3D 프린팅 기술을 적용한 구조적인 대응을 다관절 로봇의 엔드 이펙터에 마련하여 절삭 가공 중에 발생하는 진동 저감 및 구조 강화를 제공함으로써 고속 가공에 적용이 가능하며, 절삭 정밀도와 안정성 및 생산성을 높일 수 있는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터 및 이를 구비한 기계 공작 로봇을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 로봇 암의 스핀들이 결합되는 어댑터 본체; 및 상기 어댑터 본체의 중앙부에 위치하여 상기 스핀들과 접촉되되, 금속이 적층되어 마련되는 금속적층 감쇠부를 포함하되, 상기 금속적층 감쇠부는, 3D 프린팅으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속적층 감쇠부는, 원판 또는 구형으로 마련될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속적층 감쇠부는, 중앙부에서 외측으로 경사진 제1 금속층; 및 상기 제1 금속층에 상에 결합되는 제2 금속층을 포함하며, 상기 제1 금속층과 제2 금속층이 교대로 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1 금속층은 중앙부에서 방사상으로 경사 배치된 복수의 경사 바들을 포함하며, 상기 제2 금속층은 상기 경사 바들의 외측을 상호 연결하는 테두리 바를 포함하되, 상기 제1 금속층들의 중앙부와 제2 금속층들을 상하로 상호 연결하는 연결 바를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속적층 감쇠부는, 허니컴 및 적층된 오그제틱 구조 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속적층 감쇠부는, 압축시 수축하며 인장시 팽창하는 음의 프아송비를 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속적층 감쇠부를 감싸는 비금속층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 비금속층은 그래핀-탄소나노튜브 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구성은, 로봇 암; 및 상기 로봇 암의 엔드부에 설치되는 전술한 상기 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 3D 프린팅 기술을 적용한 구조적인 대응을 다관절 로봇의 엔드 이펙터에 마련하여 절삭 가공 중에 발생하는 진동 저감 및 구조 강화를 제공함으로써 고속 가공에 적용이 가능하며, 절삭 정밀도와 안정성 및 생산성을 높일 수 있는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터 및 이를 구비한 기계 공작 로봇을 제공한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터가 로봇 암에 설치된 정면도이다.
도 2는 도 1의 우측면도이다.
도 3은 도 2의 금속적층 감쇠부로서, 구형상 3차원 오그제틱 구조의 예시도이다.
도 4는 도 3의 금속적층 감쇠부의 상세도이다.
도 5는 도 2의 금속적층 감쇠부에 비금속층이 배치된 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터의 적용 전과 적용 후의 진동 주파수 변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터가 로봇 암에 설치된 정면도이며, 도 2는 도 1의 우측면도이고, 도 3은 도 2의 금속적층 감쇠부로서, 구형상 3차원 오그제틱 구조의 예시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터(110)는, 로봇 암(100)의 스핀들(101)이 결합되는 어댑터 본체(111), 및 어댑터 본체(111)의 중앙부에 위치하여 스핀들(101)과 접촉되며 금속이 적층되어 마련되는 금속적층 감쇠부(120)를 포함한다.
기계 공작 로봇의 로봇 암(100)의 엔드부에는 기계 가공을 위한 절삭 공구가 고정되는 스핀들(101)이 어댑터(110)가 설치된다.
로봇 암(100)은 공작기계에 비해 움직임의 유연성이 있는 구조로서, 기계 가공 시에 절삭 공구에서 발생되는 진동 및 충격에 의한 영향을 쉽게 받게 된다.
본 실시 예에 따른 어댑터(110)는 절삭 공구에서 발생되는 충격과 진동이 로봇 암(100)의 엔드부 측으로 전달되는 것을 차단하거나 감쇠하는 역할을 하게 된다.
어댑터 본체(111)는 진동을 감쇠하기 위한 금속적층 감쇠부(120)를 스핀들(101)이 결합되어 접촉되는 중앙부에 구비함으로써 스핀들(101)에서 로봇 암(100) 측으로 또는 반대로 전달되는 진동을 감쇠하게 된다.
금속적층 감쇠부(120)로는, 3D 프린팅으로 형성되는 다공성 그물구조가 사용될 수 있다.
금속적층 감쇠부(120)의 다공성 그물 구조는 절삭 공구에서 발생되는 진동을 자체적으로 내부에서 흡수하여 열로 변환시켜 방출함으로써 상쇄하게 된다.
금속적층 감쇠부(120)는, 원판 또는 구형으로 마련될 수 있다.
금속적층 감쇠부(120)는 어댑터 본체(111)의 수용 배치되어 어댑터 본체(111)의 내벽에 원형 또는 구형으로 접촉되는 구조이다. 원형 또는 구형 접촉은 어댑터 본체(111)의 내벽으로 금속적층 감쇠부(120)의 균일한 접촉 구조를 만들면서 원형 접촉의 내벽부에서 방향이 반대되는 미세 진동을 상쇄시키는 구조를 제공하게 된다.
도 4는 도 3의 금속적층 감쇠부의 상세도이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 금속적층 감쇠부(120)는 구형상 3차원 오그제틱 구조로서, 중앙부에서 외측으로 경사진 부위를 구비하는 제1 금속층(121) 및 제1 금속층(121)에 결합되는 제2 금속층(125)을 포함하는 단위체가 금속적층 감쇠부(120)에 복수로 포함되며, 하나의 단위체의 제1 금속층(121)과 다른 단위체의 제2 금속층(125)은 서로 연결되어 배치될 수 있다.
이러한 제1 금속층(121)과 제2 금속층(125)은 등방성 구조로서, 허니컴 구조 또는 오그제틱 구조일 수 있다.
예를 들어, 오그제틱 구조로 마련되는 경우, 단위체의 확대 구조를 보면, 제1 금속층(121)은 중앙부에서 방사상으로 경사 배치된 복수의 경사 바(122)들을 포함하며, 제2 금속층(125)은 경사 바(122)들의 외측을 상호 연결하는 테두리 바(126)를 포함하고, 하나의 단위체의 제1 금속층(121) 중앙부와 다른 단위체의 제2 금속층(125)은 연결 바(128)에 의해 상하로 상호 연결될 수 있다. 그리고, 하나의 단위체에서 상부의 제2 금속층(125)과 하부의 제2 금속층(125)이 지지 바(127)에 의해 상호 연결될 수 있다.
금속적층 감쇠부(120)의 오그제틱 구조는, 압축시 수축하며 인장시 팽창하는 음의 프아송비를 제공하도록 구현될 수 있다. 이러한 음의 프아송비는 일반적인 구조와 반대적인 탄성 변형을 제공하여 진동 감쇠의 성능을 높이는데 사용된다.
양의 포아송 비를 갖는 일반적인 재료의 경우, 수축상태에서는 하중에 수직한 방향으로 재료가 팽창하고, 인장상태에서는 그 반대의 현상이 관찰된다.
음의 포아송 비(negative poisson's ratio) 구조는 재료의 물성치가 아닌 구조 형상의 특성으로 인하여 재료가 수축 상황에 놓였을 때 하중에 수직한 방향으로 수축하며, 인장 상황에서 팽창하게 되는 구조를 말한다. 이러한 음의 포아송비 구조는 Lakes(1987)에 의해 제안된 이래로 다양한 형태로 개발되어 왔다.
오그제틱 구조는 단위 질량당 변형 에너지 흡수량을 높여 전반적인 강성을 개선시킬 뿐만 아니라, 연결선의 면적을 증대하여 응력 집중현상을 완화하여 내구성의 증가를 기대할 수 있는 구조로서, 3차원적 구조를 형성하므로 더욱 향상된 스프링(spring) 및 댐핑(damping)을 제공할 수 있다.
도 5는 도 2의 금속적층 감쇠부에 비금속층이 배치된 정면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시 예에 따른 어댑터(110)는 금속적층 감쇠부(120)를 감싸는 비금속층(130)을 더 포함할 수 있다.
비금속층(130)은 어댑터 본체(111)의 내벽부와 금속적층 감쇠부(120) 사이의 진동 전달을 차단하는 외피 구조로서, 그래핀-탄소나노튜브 구조체를 포함할 수 있다.
그래핀-탄소나노튜브 나노구조체는 그래핀과 탄소나노튜브의 복합 재료로, 탄소나노튜브와 그래핀의 장점을 모두 갖는다.
이러한 그래핀-탄소나노튜브 나노구조체는 진동이 발생하고 있는 구조에서 추가의 굽힙 및 전단 응력이 발생함과 동시에 구조체에서 발생되는 열을 외부로 빠르게 전달하여 감쇠 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 그래핀-탄소나노튜브 구조체는, 3차원적 구조를 형성하므로 더욱 향상된 스프링(spring) 및 댐핑(damping)을 제공할 수 있다.
그래핀-탄소나노튜브 구조체는 폴리우레탄과 혼합된 조성물로 마련되어 어댑터 본체(111)의 내부에 코팅되거나 접착될 수 있으며, 또한 금속적층 감쇠부(120)의 외면부에 코팅되어 제공될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터의 적용 전과 적용 후의 진동 주파수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6에서 진동 저감형 스핀들 어댑터(110)의 스핀들(101) 적용 전 주파수에 따른 데시벨을 표현한 라인은 TF1이며, 진동 저감형 스핀들 어댑터(110)의 스핀들(101) 적용 후 주파수에 따른 데시벨을 표현한 라인은 TF2이다. TF1은 TF2보다 0데시벨과 0헤르쯔인 원점에서 위에 위치한다.
도 6을 참조하면, TF1은 진동이 커짐에 따른 1000Hz까지 TF2보다 높은 데시벨을 뚜렷하게 나타낸다. 더욱이 100Hz ~ 1000Hz 진동의 소음 정도를 나타내는 데시벨의 차이가 더 크게 나타난다.
도 6에 도시된 바와 같이, TF1과 TF2을 비교해서 보면, 본 실시 예에 따른 진동 저감형 스핀들 어댑터(110)가 스핀들(101)에 적용된 후에는, 스핀들(101)이 주로 가동되는 고속 주파수 범위에서 스핀들(101)의 작동에 따른 진동 및 소음이 뚜렷하게 감소됨을 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예 따르면, 로봇 암(100), 및 로봇 암(100)의 엔드부에 설치되는 전술한 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터(110)를 포함하는 기계 공작 로봇이 제공될 수 있다.
이러한 기계 공작 로봇은 전술한 진동 감쇠용 로봇 스핀들(101) 어댑터(110)가 스핀들(101)과 로봇 암(100)의 엔드부 사이에 장착된 것으로서, 절삭 가공 중에 발생하는 진동 저감 및 구조 강화를 제공함으로써 고속 가공에 적용이 가능하며, 절삭 정밀도와 안정성 및 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 로봇 암 101: 스핀들
110: 어댑터 111: 어댑터 본체
120: 금속적층 감쇠부 121: 제1 금속층
122: 경사 바 125: 제2 금속층
126: 테두리 바 128: 연결 바
130: 비금속층

Claims (9)

  1. 로봇 암의 스핀들이 결합되는 어댑터 본체; 및
    상기 어댑터 본체의 중앙부에 위치하여 상기 스핀들과 접촉되되, 금속이 적층되어 마련되는 금속적층 감쇠부를 포함하고,
    상기 금속적층 감쇠부는, 3D 프린팅으로 형성되며 원판 또는 구형으로 마련되고,
    상기 금속적층 감쇠부를 형성하는 복수의 단위체 각각은, 중앙부에서 외측으로 경사진 부위를 구비하는 제1 금속층; 및 상기 제1 금속층에 결합되는 제2 금속층을 포함하며,
    하나의 단위체의 제1 금속층과 다른 단위체의 제2 금속층이 서로 연결되어 배치되는 것을 특징으로 하는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 금속층은 중앙부에서 방사상으로 경사 배치된 복수의 경사 바들을 포함하며,
    상기 제2 금속층은 상기 경사 바들의 외측을 상호 연결하는 테두리 바를 포함하되,
    하나의 단위체의 제1 금속층의 중앙부와 다른 단위체의 제2 금속층을 상하로 상호 연결하는 연결 바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속적층 감쇠부는, 허니컴 및 적층된 오그제틱 구조 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속적층 감쇠부는, 압축시 수축하며 인장시 팽창하는 음의 프아송비를 갖는 것을 특징으로 하는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속적층 감쇠부를 감싸는 비금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 비금속층은 그래핀-탄소나노튜브 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터.
  9. 로봇 암; 및
    상기 로봇 암의 엔드부에 설치되는 청구항 1 및 청구항 4 내지 8 항 중 어느 한 항에 따른 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 공작 로봇.
KR1020210142339A 2021-10-25 2021-10-25 고강성 및 진동 감쇠용 로봇 스핀들 어댑터 및 이를 구비한 기계 공작 로봇 KR102587555B1 (ko)

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