KR20030008562A

KR20030008562A - 위치제어용 공압 실린더

Info

Publication number: KR20030008562A
Application number: KR1020010043271A
Authority: KR
Inventors: 윤이찬
Original assignee: 윤이찬
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2003-01-29

Abstract

본 발명은 고정밀도의 가공기계, 조립기, 자동용접기, 카티쟌로봇(Cartesian robot)등의 핵심기술인 고정밀 위치제어를 할 수 있는 공압실린더의 구성을 목적으로 한다.

이를 위하여 본 발명은구동부(11∼19)와제동부(21∼35),제어부(41∼45)의 3부 문으로 구성되어 있으며 구동부(11∼19)는 실린더의 추력을 결정하는 피스턴(14) 및 회전방지 로드(13), 또 직선운동을 회전운동으로 변환하게 하는 볼스크류(15)와 그 볼스크류의 끝단에 가공된 스플라인 부분에 맞물려있는 로터(24)와 내치기어블럭(21)에 맞물려있는 아마츄어에 압력을 가할 수 있게 고안된 제동실린더(31∼34) 등으로 구성하고, 제어부(41∼45)는 볼스크류(16)의 회전을 등분할하여 신호를 발생하는 인코더(43)로 구성한다.

공압실린더를 구동하는 압축공기는 환경친화적 유체이므로 많은 장점을 가지고 있으나 압축성이 크므로 정확한 위치제어가 불가능한 단점이 있어 위치제어용 실린더로는 사용이 금기시 되어 왔다. 그러나 본 발명은 높은 정밀도의 위치제어가 가능하도록 고안된 기계요소로써 적은 비용으로 소기의 목적을 달성할 수 있도록 구성되어 있다.

Description

위치제어용 공압 실린더{Pneumatic cylinder for positioning}

고정도의 "자동가공기", "자동조립기", "자동점용접기", "점위치 제어용 로봇", "항공기용 공압실린더" 등의 핵심기술로써 고정밀 위치제어를 실현 할 수 있는 공압실린더의 구성을 목적으로 한다.

공기압은 작업환경을 오염시키지 않고 화재에 안전하며 주위의 공기를 압축하여 사용하며, 사용후 다시 대기로 되돌려 보내는 친환경적인 유체로써 저렴한 비용으로 손 쉽게 사용할 수 있는 이점으로 인하여 많은 기계, 특히 자동기계에 사용되고 있으나 압축공기는 높은 압축성 때문에 위치제어용 유체로서는 부적합하여 위치제어용 실린더로서는 채용이 금기되어 왔다.

종래의 위치제어기술은 대표적인 것으로 "볼스크류 + 고정도 감속기 + 서보모터 + 전자 브레이크 + 인코더"로 연결된 일련의 장치에 의하여 위치제어가 가능하였으며, 또 이를 구동하는 "드라이버 + 콘트롤러" 등은 대단히 값비싼 장치였다. 그러나 본 발명인 "위치제어용 실린더"는 비교적 적은 비용으로 높은 정밀도의 위치제어가 가능하도록 고안된 기계요소이다.

공작기계, 자동가공기, 조립기, 자동점용접기, 카티쟌 로봇, 항공기용 실린더 등의 위치제어 정밀도는 최소한 아래와 같은 요구조건을 충족하여야 한다.

첫째, 분해능은 0.01mm/pulse 이상이며,

둘째, 반복 정지정도는 ±2 pulse 이내 이어야 하고,

셋째, 백래시(Back lash)는 0에 가까워야 하며,

넷째, 구동속도를 간편하게 조정할 수 있어야 한다.

본 발명은 이상과 같은 기술적 과제를 만족 할 수 있어야 함은 물론 "서보모터"에 의한 위치제어장치 보다 월등히 저렴한 비용으로 같거나 더 이상의 효과를 기대 할 수 있어야 한다.

도1은 본 발명의 총 조립후의 외형을 도시한 사시도이다.

도2는 본 발명의 구성부문인 "구동부(11∼19)", "제동부(21∼35)", "제어부(41∼45)"를 총체적으로 도시한 단면도이다.

도3은 본 발명의 핵심부문인 "제동부"를 도시하는 단면도이다.

도4는 "제동부"의 아마츄어와 로터를 도시하는 상세 단면도이다.

도5는 본 발명이 요구하는 고정도의 정지정도를 실현하기 위한 메카니즘을 나타내는 타이밍선도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호 설명

1) 구동부(Driving part)

11 프론트 블록(Front block)

12 실린더(Cylinder)

13 회전방지 로드(Unrotation rod)

14 피스턴(Piston)

15 볼스크류 너트(Ball screw nut)

16 볼스크류(Ball screw)

17 앤드 블록(End block)

18 베어링 하우징(Bearing housing)

19 앵귤러 볼 베어링(Angular contact ball bearing)

2) 제동부(Braking part)

21 내치기어 블록(Internal gear's block)

22 스페이서(Spacer)

23 마찰재 붙이 아마츄어(Friction armature)

24 로터(Rotor)

25 접시 스프링(Velleville spring)

26 마찰재 붙이 아마츄어(Friction armature)

3) 제동실린더 부분(Braking cylinder part)

31 제동용 실린더(Cylinder for brake)

32 제동용 피스턴(Piston for brake)

33 앤드 커버(End cover)

34 볼 베어링(Ball bearing)

35 압축 스프링(Compression spring)

4) 제어부(Control part)

41 인코더 마운팅 블록(Mounting block for encoder)

42 커플링(Coupling)

43 인코더(Encoder)

44 구동용 벨브(Driving valve)

45 제동용 벨브(braking valve)

위와 같은 기술적 목표를 달성하기 위하여 볼스크류(16)의 리드는 10mm로 하고, 인코더(43)의 발생 펄스 수를 1000ppr로 한다.

또, 장치의 정지고정율(Fixing degree)은 볼스크류의 백래시(Back lash)에 의하므로 예압형 볼스크류의 채용으로 해결할 수 있다.

반복정지정도는 속도의 상승속도와 하강속도를 제형곡선(Trapezoid curve) 및 적당한 완화곡선(Transition curve)을 줄 수 있는 속도선도를 갖게 하므로써 해결 할 수 있다.

이는 구동부측에 압축공기의 공급을 중단하고, 적당한 시간이 경과하여 속도가 충분히 감속한 후 제동실린더를 작동하여 제동하게 하므로써 요구하는 정지정도를 얻을 수 있다.

이러한 기술적 요구조건을 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 외형을 나타내는 사시도이며, 참조번호(21)는 제동부의 내치블럭이며, (31)은 제동실린더이고, (43)은 제어부의 인코더 외형도이다.

도2는 본 발명의 총 단면도로써 (1)∼(19)번까지는 구동부를 나타내고, (21)∼(35)번까지는 제동부, (41)∼(45)번까지는 제어부를 나타낸다.

도3은 본 발명의 제동부를 상세히 설명 할 수 있는 제동부 단면도이다. 구동부의 피스턴(14)가 전진 및 후진을 하므로써 피스턴에 결합된 볼스크류 너트(15)도 피스턴의 운동과 함께 운동하게 되며, 너트의 운동에 의하여 볼스크류(16)는 회전운동을 하게 된다. 그로 인하여 볼스크류의 끝단에 가공된 스플라인의 이완 맞물려 있는 로터(24)도 회전하게 되는데 그 로터의 회전을 마찰재 붙이 아마츄어(23), (26)가 제동용 피스턴(32)에 의한 압력에 의하여 압착하므로써 그 마찰저항에 의하여 로터의 회전은 정지하게 되고, 그로 인하여 볼스크류의 회전을 정지시키므로써 구동용 피스턴의 운동을 정지하게 하는 구조이다.

여기에서 볼스크류의 리드는 10mm이며, 로터와 아마츄어의 마찰면의 평균 직경을 D라 하면, 아래와 같은 식에 의하여 제동력을 산출 할 수 있다.

D ; 마찰면의 평균직경(mm)

(구동실린더 직경의 약 0.7)

위의 식에 의하여 제동력은 구동력의 약1/10이 되므로 이 보다 큰 제동력을 발생 할 수 있도록 제동실린더를 설계하므로써 강력한 제동 효과를 기대 할 수 있다.

도4는 제동부의 아마츄어(23), (26)와 로터(24)의 상세 단면도로써, 아마츄어(26)는 압력에 의하여 로터를 압착하여 제동하게 되고, 압력의 해제에 의하여 제동의 해제가 이루어 진다. 제동의 해제는 접시 스프링(25)에 의하여 아마츄어와 로터와의 간격을 벌려 놓으므로써 가능하다.

도5는 제동시의 타이밍선도(Time diagram of braking)로써, 반복정지정도를 높이기 위한 정지 메카니즘(Stopping mechanism)을 설명하는 도표이다.

설정거리(t)는 펄스수로 환산하여 결정하며, 제동시간(t₃)도 펄스수로써 결정한다.

구동실린더의 유체의 공급을 중단해도, 동압과 배압과의 평형을 이룰 때까지 서행하면서 밀리게 되는데, 동압과 배압이 평형을 이루는 순간에 제동압을 걸어서 제동 하므로써 정지정도를 높일 수 있다.

이 때의 제동시간(t₃)의 펄스수는 실제 동작을 반복하여 실측한 결과에 의하여 결정하게 된다.

다시 말해서 설정거리의 펄스수에서 정지 펄스수를 뺀 펄스의 위치에서 구동실린더의 유체공급을 중단 하므로써 요구하는 정지정도를 얻을 수 있다.

t-t₃; (구동실린더 유체공급 중단)

t ; (제동실린더 유체공급)

위에 기술한 내용처럼 공기압 실린더로써 높은 정밀도의 위치제어가 가능 하므로써 고가의 "서보기구(Servo mechanism)"에 의한 위치제어 장치보다 저렴한 비용으로 같은 효과를 얻을 수 있게 된다.

임의 곡선의 궤적을 추적하는 연속 위치제어는 불가능하나, 고정도의 점위치제어는 가능 하므로써 적은 비용으로 높은 점위치정밀도를 요구하는 모든 기구에 채용 할 수 있게 되므로써 경쟁력 향상을 기할 수 있게 된다.

Claims

구동부의 피스턴(14)이 직선운동 하므로써 볼스크류(16)는 회전운동으로 변환하는 일련의 기구.
제동부의 로터(24)와 아마츄어(23), (26)를 밀착하므로써 구동부의 운동을 정지시키는 제동실린더(31), (32)와의 상호 메카니즘.
정지정도를 높일 수 있는 구동측 벨브의 개폐시기 및 제동실린더 측 벨브의 개폐시기 등의 일련의 타이밍선도 상의 메카니즘.