KR200338051Y1

KR200338051Y1 - 전기유동유체를 이용한 와이어 컷 방전기의 전극진동제어장치

Info

Publication number: KR200338051Y1
Application number: KR20-2003-0032055U
Authority: KR
Inventors: 김기선; 최승복
Original assignee: 최승복; 김기선
Priority date: 2003-10-13
Filing date: 2003-10-13
Publication date: 2004-01-13

Abstract

본 고안은 와이어 컷 방전기에 관한 것으로, 가공시 와이어에 발생한 진동으로 인해 공작물 절단면의 진직도가 휘게 되어 가공후 연삭 등을 다시 해야 하는 문제점을 해결하기 위해 와이어 진동을 실시간 검출하고 제어 알고리즘을 통한 후 전기유동유체 제동장치를 작동시켜 와이어의 진폭을 제어하는 새로운 시스템을 제안한다.

즉, 와이어 진동을 검출기에 의하여 실시간 검출한 후 제어 알고리즘을 통하여 수치제어장치에 출력하면 전압 증폭기에서 고전압이 발생되며 이 에너지로 전기유동유체 제동장치가 작동되도록 하는 것이며, 이 전기유동유체 제동장치는 원통형으로 된 내경전극과, 이 내경전극을 감싸도록 형성되며 회전가능한 외경전극으로 구성되며, 상기 내경전극과 외경전극 사이에 전기유동유체를 충만시키고, 상기 외경전극의 외면에는 절연 고무 코팅을 하여 상기 내경전극과 외경전극에 고전압을 인가하면 전기유동유체의 점도가 높아져 유체마찰로 인해 외경전극의 회전을 제동함으로써 와이어에 장력을 가하는 것이다.

이와 같은 본 고안은 와이어의 진동을 측정한 후 실시간으로 와이어의 불규칙한 진동을 제어함으로써 공작물의 가공면 진직도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

전기유동유체를 이용한 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치{VIBRATION CONTROL APPARATUS FOR ELECTRODE OF WIRE-CUT DISCHARGE MACHINE USING ELECTRO-RHEOLOGICAL FLUID}

본 고안은 지능재료(smart material)의 하나인 전기유동유체를 적용한 새로운 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 와이어 컷 방전기는 0.05mm-0.33mm의 직경을 가진 와이어가 연속적으로 이송되면서 공작물을 방전에 의하여 절단하는 공작기계의 일종이다.

첨부한 도1은 일반적인 와이어 컷 방전기를 도시한 개략도로서, 와이어 송출 릴(1)에 감겨있는 와이어(2)가 풀리면서 이송 테이블(5)에 얹혀있는 공작물(7)을 절단하고 연속적으로 와이어 감김 릴(11)에 감기는 구조이며, 와이어(2)에 인장력을 부여하기 위해 이송 릴(3a)(10a)이 설치되고, 와이어(2)의 진직도를 유지하기 위한 와이어 가이드(4)가 설치된다.

또한, 상기 이송 테이블(5)은 X축 서보모터(6)와 Y축 서보모터(9)에 의해 전후좌우의 방향으로 이동되며, 이 X축 서보모터(6)와 Y축 서보모터(9)를 제어하는 수치제어장치(CNC SYSTEM)(8)가 구비되어 있다.

미설명 부호 12는 방전 장치이다.

이때 상기 감김 릴(11)과 상기 이송 릴(10a)에는 구동 모터가 설치되어 와이어(2)를 당기면서 감게 된다.

이와 같은 구조의 와이어 컷 방전기는 상당한 정밀도를 유지할 수 있으나 가공시 와이어(2)에 진동이 발생하며, 이 진동으로 인해 공작물(7) 절단면의 진직도가 휘게 된다.

즉, 도2a 및 도2b에 도시한 바와 같이 와이어(2) 진동으로 인해 와이어(2)와 공작물(7)의 절단면 사이에 틈(S)이 발생하여 공작물(7)의 절단면에 진직도가 손상을 입게 되며, 이 때문에 와이어 절삭후 연삭 등으로 후가공을 해야만 하는 문제점이 있다.

와이어 진동의 원인은 와이어 이송속도와 와이어 직경크기, 가공 중 발생하는 방전 반발력 및 가공액 불출(拂出)시 그 유속 및 유량 등이 주원인으로 알려져있다. 이를 해결할 목적으로 와이어의 장력을 제어하여 이동시키는 방법에 대한 연구가 이루어졌으며, 일본의 부황정웅(富況正雄) 등에 의하여 액츄에이터로서 DC모터를 사용하여 속도수치제어장치에 의해 장력을 제어하기 위한 연구가 1990년에 최초로 발표되었다. 또한 와이어 컷 방전기의 세계 최대 제조업체인 일본 FANUC사에서는 도3과 같이 와이어(2)를 잡아 당기는 와이어 이송용 모터(10)의 부하를 측정하여 회전수를 확인한 후 수치제어장치(8)에 데이터 베이스화 된 값으로 전자 브레이크(3)을 제어하는 방식의 와이어(2) 장력 제어장치가 사용되었다.

부호 13은 상기 전자 브레이크(3)의 전원조절장치이다.

그러나 이 시스템은 와이어 직경크기, 방전 반발력 및 가공액 불출 등의 변화에 따라 외부에서 오는 불규칙한 외부 요인에 대하여 적응하지 못할 뿐 아니라 항상 설정된 일정한 장력 값으로 유지할 뿐 실시간 제어를 할 수는 없는 문제점이 있다.

따라서, 와이어 컷 방전 가동시 와이어의 진동 크기에 따라 생성되는 와이어의 진동변화를 실시간 제어할 수 있는 장치가 요구되었다.

이에 본 고안에서는 와이어의 진동을 측정한 후 실시간 제어를 할 수 있는 새로운 형태인 전기유동유체를 이용한 제동장치를 고안하여 와이어의 불규칙한 진동을 제어함으로써 공작물의 가공면 진직도를 향상시킬 수 있는 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 와이어 컷 방전기에 있어서,공작물을 절단하는 와이어의 진동을 검출하고, 이 검출된 와이어의 진동 신호에 따라 전기유동유체가 채워진 전기유동유체 제동장치에 전압을 인가하면 상기 전기유동유체 제동장치가 작동하여 실시간으로 와이어의 진폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치가 제공된다.

도1은 일반적인 와이어 컷 방전기의 개략도.

도2a 및 도2b는 와이어 진동과 공작물 절단면을 도시한 횡단면도 및 종단면도.

도3은 기존 와이어 컷 방전기의 장치 구성도.

도4는 본 고안이 적용된 와이어 컷 방전기의 장치 구성도.

도5는 본 고안의 전기유동유체 제동장치의 구성을 도시한 단면도.

도6a는 전기유동유체에 전기장을 주지 않았을 때 입자의 구조를 도시한 도.

도6b는 전기유동유체에 전기장 인가 시 입자의 구조를 도시한 도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 와이어 송출 릴 2 : 와이어

3 : 전자 브레이크 3a : 이송 릴

4 : 와이어 가이드 5 : 이송 테이블

6 : X축 서보모터 7 : 공작물

8 : 수치제어장치(CNC SYSTEM) 9 : Y축 서보모터

10 : 와이어 이송용 모터 10a : 이송 릴

11 : 와이어 감김 릴 12 : 방전 장치

13 : 전자 브레이크 전원조절장치 14 : 진동 검출기

15 : 증폭기 16 : 전압 증폭기

17 : 전기유동유체 제동장치 17a : 고정구

17b : 볼 베어링 17c : 절연 고무

17d : 외경전극 17e : 컬럼

17f : 패킹 17g : 패킹

17h : 볼 베어링 17i : 베어링용 너트

17j : 베어링 너트용 와셔 17k : 전기유동유체

17l : (+) 단자 17m : (-) 단자

17p : 내경전극 18 : 이송 릴

19 : 전기유동유체의 비전도성 용매 중 분산된 입자

이하 본 고안의 전기유동유체를 이용한 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치를 첨부한 도면을 참조로하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 고안은 지능재료(smart material)인 전기유동(Electro-Rheological)유체로 작동이 되는 제동장치를 와이어 컷 방전기의 와이어 진동제어에 적용하는 새로운 시스템으로서, 전기유동유체를 이용한 제동장치의 특징은 전기장 강도의 변화만으로 시스템의 제동력을 변화시킬 수 있으며, 수 밀리초(ms)의 빠른 반응속도로 실시간 연속제어가 가능하다는 점이다. 또한 기계적으로 구조가 간단하여 장치의 단순화가 가능하다.

한편, 전기유동유체(electro-rheological fluid)는 비전도성 용매 중에 강한 전도성 입자들을 분산시킨 콜로이드 용액으로써, 부하되는 전기장의 크기에 따라 항복전단응력과 점성 등의 역학적 특성이 변하는 유체를 총칭한다. 또한 전기유동유체의 반응속도는 수 밀리초(ms) 정도로 매우 빠르며 전기장의 부하에 대하여 연속적이고 가역적인 반응을 나타낸다.

일반적으로 전기유동유체는 전기장 증가에 따라 유체의 항복전단응력이 증가하는 특성을 보이며, 그 거동은 매우 복잡하지만 다음 식으로 표현될 수 있는 빙햄거동(Bingham behavior)을 하는 것으로 알려져 있다.

여기서는 유체의 전단응력을 나타내고는 전단 속도비이며는 유체의 점도를 나타낸다.는 유체의 항복응력을 표현하는 것으로 전기장()의 증가와 더불어의 관계로 증가하는 것으로 알려져 있다.와는 전기유동유체의 제조에 사용되는 용매의 종류와 점도, 전도성 입자의 종류와 중량비, 입자의 수분 함량, 그리고 유체의 온도 등 전기유동유체의 조성 조건에 따른 특성값이며, 실험에 의하여 구할 수 있다.

전기유동유체는 전기장 무부하시에는 도 6a에서 보는 바와 같이, 비전도성 용매 중에 분산된 입자(19)가 자유운동을 하여 등방성(isotropic)의 역학적 성질을 갖게 되며 뉴토니안 유체(Newtonian fluid)의 특성을 나타내지만, 전기장 부하시에는(도 6b) 분산된 전도성 입자가 대전되어 전극을 향하여 서로 결합하는 체인형 구조를 형성하게 되는 이방성(anisotropic)의 물리적 및 기계적 성질을 갖게 된다. 이와 같이 전기장 부하시 전기장 방향으로 형성되는 입자의 체인형 구조는 입자들의 결합력에 의하여 외부에서 가해지는 전단력에 대해 저항을 갖게 하여 유체의 유동을 제한할 수 있다.

첨부한 도4는 본 고안의 와이어 컷 방전기를 도시한 구성도로서, 본 고안의 와이어 컷 방전기의 구조는 종래 기술에서와 같이 와이어(2)를 이송하기 위한 기구, 즉 와이어 송출 릴(1)과, 와이어 감김 릴(11) 및 와이어 이송용 모터(10)가 설치되며, 와이어(2)에 인장력을 부여하기 위한 이송 릴(18)과, 와이어(2)의 진직도를 유지하기 위한 와이어 가이드(4)가 설치된다.

또한, 일반적인 와이어 컷 방전기와 마찬가지로 이송 테이블(5)을 이송하기 위한 서보 기구와, 서보 기구를 제어하는 수치제어장치(CNC SYSTEM)(8) 및 방전장치가 구비되어 있다.

여기에 본 고안에서는 기존의 장력제어장치에다 추가로 공작물(7)을 절삭하는 와이어(2)의 진동을 검출하기 위한 진동 검출기(14)가 설치되며, 이 진동 검출기(14)에서 검출된 신호를 증폭하기 위한 증폭기(15)가 설치되며, 이 증폭기(15)에서 증폭된 신호를 수치제어장치(8)가 받아 전기유동유체 제동장치(17)에 고전압을 공급하는 전압 증폭기(16)로 구성된다.

상기 와이어(2)는 와이어 이송용 모터(10)의 회전력에 의해 새로운 와이어가 와이어 송출 릴(1)에서 풀리고 중간에서 방전 현상에 의해 공작물(7)을 절단한 후 회전하는 와이어 감김 릴(11)에 계속적으로 감기게 되며, 와이어(2)의 구체적인 이송경로는 다음과 같다.

와이어 송출 릴(1)에서 와이어가 풀리면 이송 릴(18)을 거쳐 공작물(7)을 절단하고 와이어 가이드(4)를 지나 와이어 이송용 모터(10)에 의하여 장력을 받게 되며, 최종적으로 와이어 감김 릴(11)에 감기게 된다.

가공 중 진동 검출기(14)에서 와이어(2)의 진폭을 검출하여 증폭기(15)를 거쳐 수치제어장치(8)에 송신되며 이를 분석하여 제어 알고리즘을 통하여 제어된 결과를 고전압을 공급하는 전압 증폭기(16)에 송출하여 전기유동유체 제동장치(17)를 제어하도록 하는 시스템이다.

방전가공은 1초에 수 백번 on/off을 하며 반복하여 일어나며 방전 시 방전력에 의하여 와이어가 진동력을 얻게된다. 이를 제어하기 위해서는 수 밀리초(ms)의 반응속도가 필요하며 기존에 개발된 브레이크는 기계적인 메커니즘의 구성으로 인하여 반응속도가 문제시되어 사용이 어렵다. 따라서 부하되는 전기장의 크기에 따라 항복전단응력과 가점성 등의 역학적 특성이 변하는 유체인 전기유동유체를 이용하여 작동하는 제어장치를 제안한 것이다. 전기유동유체의 반응속도는 수 밀리초(ms) 정도로 매우 빠르며 전기장의 부하에 대하여 연속적이고 가역적인 반응을 나타내기 때문에 본 고안은 와이어의 진동제어에 가장 적합하다.

상기 전기유동유체 제동장치(17)는 도4에서 보듯이 원통모양의 형태를 가지고 있으며 상기 이송 릴(18)과 외접하게 설치되어 와이어(2)의 이송시 와이어(2)에 장력을 가하도록 설치되며, 그 구조를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 기술하면 다음과 같다.

상기 전기유동유체 제동장치(17)는 도 5에 도시한 바와 같이, 내경전극(17p)과 외경전극(17d)으로 구성된 2개의 전극 실린더 사이에 전기유동유체(17k)가 채워지는 구조로 되고, 내경전극은 (+)단자(17l)와 연결되어 있고 외경전극은 (-)단자(17m)와 연결되어 있다.

상기 내경전극(17p)과 외경전극(17d)은 절연되어야 하며 상기 외경전극(17d)의 표면에는 와이어(2)와 통전되지 않도록 절연고무(17c)로 코팅되어 있다.

상기 외경전극(17d)은 와이어(2)가 이송될 때 이송방향에 따라 회전되도록 설치되며, 방전(short)현상을 줄이기 위하여 내부표면을 매끄럽게 다듬질한다. 내경전극(17p)은 고정구(17a)에 결합시켜 장치 본체에 부착하도록 한다.

이때 상기 고정구(17a)는 고압 전기가 장치 본체에 흐르지 않도록 절연재료로 구성된다.

이와 같이 내경전극(17p)이 고정된 데 반하여 외경전극(17d)은 회전되어야 하며, 전기유동유체(17k)에 가해지는 고전압이 방전되지 않도록 내경전극(17p)과 완변한 절연이 되어야 한다.

도면중 미설명부호 17b와 17h는 내경전극(17p)과 외경전극(17d) 사이에 설치된 볼베어링이며, 17e는 컬럼(column)이며, 17f와 17g는 패킹, 17i는 베어링용 너트, 17j는 베어링 너트용 와셔이다.

상기 볼베어링(17b)(17h)은 전도성이 좋은 재질로 됨이 바람직하며, 상기 컬럼(17e)은 비전도성 재질로 되어야 한다.

이와 같은 구성을 가진 전기유동유체 제동장치(17)의 내경전극(17p)과 외경전극(17d)에 수천 볼트의 (+) 및 (-) 전압을 인가하면 전기유동유체(17k)는 전기장 증가에 따라 도6b와 같이 유체의 항복전단응력이 증가되어 외경전극(17d)의 회전에 대한 반발력이 생겨 제동이 이루어진다. 이 제동력으로 외경전극(17d)이 브레이크 역할을 하는 것이다.

따라서 상기와 같이 외경전극(17d)의 회전에 대해 반발력이 생기면 외경전극(17d)과 이송 릴(18)이 와이어(2)를 물고 회전할 때 와이어(2)의 이송에대한 제동력이 발생하여 와이어(2)의 장력을 조절함으로써 와이어(2)의 진폭을 조절할 수 있게 되는 것이다. 이처럼 전기유동유체 제동장치(17)는 가해진 전기장에 의해서 원하는 제동력을 발생시키므로 능동적으로 와이어(2) 진동을 감쇠시키게 된다.

이와 같은 본 고안의 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치는 와이어(2)의 진동을 측정하여 이 측정된 값에 따라 전압의 크기를 제어하며 전기유동유체 제동장치(17)에 전압을 공급하여 와이어(2)의 진폭을 제어하는 피드백 시스템이다.

상기한 바와 같이 본 고안은 와이어의 진동을 측정한 후 실시간 제어를 할 수 있는 전기유동유체를 이용한 제동장치를 고안하여 와이어의 불규칙한 진동을 제어함으로써 공작물의 가공면 진직도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

와이어 컷 방전기에 있어서,

공작물을 절단하는 와이어의 진동을 검출하기 위한 진동 검출기를 설치하고, 검출된 진동폭에 따라 전압을 인가하면 이송되는 와이어에 장력을 가하도록 전기유동유체가 내부에 충만한 전기유동유체 제동장치를 설치하여 와이어의 진폭을 제어하는 것을 특징으로 하는 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치.
제1항에 있어서,

상기 전기유동유체 제동장치는 원통형의 내경전극과, 이 내경전극 외부에 회전가능하게 설치되는 관형의 외경전극과, 상기 내경전극과 외경전극 사이에 채워진 전기유동유체와, 상기 내경전극과 외경전극에 각각 연결된 (+)(-)단자와, 상기 외경전극의 외면에 코팅된 절연 고무를 포함하여 구성되며, 상기 내경전극과 외경전극에 전압을 인가하면 상기 외경전극의 회전에 대한 반발력이 생겨 제동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치.
와이어 송출 릴에 감겨있는 와이어가 이송 테이블에 얹혀있는 공작물을 절단하고 연속적으로 와이어 감김 릴에 감기는 구조의 와이어 컷 방전기에 있어서, 와이어의 진동을 검출하기 위한 진동 검출기와, 이 진동 검출기에서 검출된 와이어의 진동 신호를 증폭하여 전달받는 수치제어장치와, 이 수치제어장치에서 출력된 신호를 받아 고전압을 발생시키는 전압 증폭기와, 이 전압 증폭기에서 발생된 고전압이 인가되어 작동되며 이송되는 와이어에 장력을 가하는 전기유동유체 제어장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치.
제3항에 있어서,

상기 전기유동유체 제어장치는 원통형의 내경전극과, 이 내경전극의 외부에 회전가능하게 설치되는 외경전극과, 상기 내경전극과 외경전극 사이에 채워진 전기유동유체와, 상기 내경전극와 외경전극에 각각 연결된 (+)(-)단자와, 상기 외경전극의 외면에 코팅된 절연 고무를 포함하여 구성되며, 그 외면과 와이어의 이송 릴 사이에 와이어가 지나가도록 설치되어 상기 진동 검출기에서 검출된 신호에 따라 내경전극과 외경전극에 고전압을 인가하면 상기 외경전극의 회전에 대한 반발력이 생겨 제동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치.
제4항에 있어서,

상기 내경전극은 장치 본체에 고정되는 고정구와 결합되는 것을 특징으로 하는 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치.
제5항에 있어서,

상기 고정구는 절연재인 것을 특징으로 하는 와이어 컷 방전기의 전극 진동제어장치.