KR20040015837A - 직각좌표 로봇장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직각좌표 로봇에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 직각좌표 로봇의 슬라이더 이동방식에 있어서, 분리된 서보모터가 볼 나사의 한쪽 끝에 연결되고, 슬라이더 내부에 고정된 볼 나사너트와 상기 볼 나사가 연결된 상태에서, 서보모터의 회전에 의해 슬라이더 전체가 볼 나사의 축 방향으로 이동하는 방식이 아닌 , 서보모터와 같은 회전수단이 슬라이더와 직접 일체화되어, 슬라이더 내부의 회전수단에 연결되어 함께 회전되는 볼 나사너트가 볼 나사에 물리어 볼 나사를 따라 이동하게 함으로서, 결국 상기 볼 나사 너트와 결합된 슬라이더 전체가 이동하는 방식으로 제작됨으로서, 볼 나사의 회전속도의 한계로 인한 슬라이더의 이동속도 제한을 해소할 수 있는 직각좌표 로봇장치에 관한 것으로서, 베이스 상부 면에 형성된 고정블록; 상기 고정블록에 양 단부가 지지되는 슬라이드 이동용 가이드; 및 상기 슬라이드 이동용 가이드가 중앙에 관통되며, 케이스 내부에 형성된 서보모터와 같은 회전수단에 직접 연결되어 상기 회전수단과 함께 회전되는 고정구(볼나사너트)를 포함하는 슬라이드;를 포함한다.

Description

직각좌표 로봇장치{rectangular coordinates robot}

본 발명은 직각좌표 로봇에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 직각좌표 로봇의 슬라이더 이동방식에 있어서, 분리된 서보모터가 볼 나사의 한쪽 끝에 연결되고, 슬라이더 내부에 고정된 볼 나사너트와 상기 볼 나사가 연결된 상태에서, 서보모터의 회전에 의해 슬라이더 전체가 볼 나사의 축 방향으로 이동하는 방식이 아닌 , 서보모터와 같은 회전수단이 슬라이더와 직접 일체화되어, 슬라이더 내부의 회전수단에 연결되어 함께 회전되는 볼 나사너트가 볼 나사에 물리어 볼 나사를 따라 이동하게 함으로서, 결국 상기 볼 나사 너트와 결합된 슬라이더 전체가 이동하는 방식으로 제작됨으로서, 볼 나사의 회전속도의 한계로 인한 슬라이더의 이동속도 제한을 해소할 수 있는 직각좌표 로봇장치에 관한 것이다.

산업용 로봇의 일종인 직각좌표 로봇의 구동방식에는 볼 나사 구동방식과 벨트 구동방식이 있는데 고정도의 위치제어가 요구되는 곳에는 볼 나사 구동방식이 적용되며 주로 이 구동방식이 직각좌표 로봇에 적용되고 있다

볼 나사 구동방식에 의한 직각좌표 로봇(100)은 도1과 같이 베이스(10) 위에 슬라이드(20)의 직선운동을 유도하는 직선 가이드(30)가 부착되고, 볼 나사너트(40)가 도2와 같이 내부에 관통되어 결합된 슬라이드(20)가 직선 가이드의 블록 위에 놓여진다. 볼 나사(50)는 볼 나사 지지용 고정 블록(60)에 지지되어 회전이 가능하도록 양 단부가 상기 고정블록에 형성되어 있다.

상기 볼 나사(50)의 한쪽 단부는 고정블록(60,도1에서 왼쪽 고정블록)을 관통하여 돌출 되도록 되어있고, 커플러(70)를 중간 연결체로 하여 서보 모터(80)와 연결되어 있다. 따라서 서보 모터(80)가 회전하게 되면 볼 나사(50)가 회전하게 되고, 도2와 같이 볼 나사(50)의 회전 방향에 따라 볼 나사(50)와 물려있는 볼 나사 너트(40)가 볼트 등으로 고정된 슬라이드(20)가 직선 가이드(30)를 따라 전진(A방향) 또는 후진(B방향)하게 된다. 즉, 종래의 직각좌표 로봇의 슬라이더(20)의 이동은 외주 면에 일정한 간격의 리드를 가지는 볼 나사(50)가 회전하면서, 볼 나사의 외주면 과 물려있는 슬라이더(20)의 볼 나사너트가 함께 회전하면서 슬라이더 전체가 이동되는 방식을 취하고 있다.

이러한 직각좌표 로봇에서 로봇의 슬라이더(20)가 정해진 위치로 가능한 빠른 시간 내에 정확히 이동하는 것이 가장 중요한 로봇의 성능이라고 할 수 있는데, 종래의 슬라이더의 이동은 볼 나사(50)의 회전에 의하여 이동하는 방식을 취하기 때문에 볼 나사(50)의 회전속도와 회전량, 즉 서보 모터(80)의 회전속도와 회전량에 의해 로봇의 슬라이더(20)의 이동 속도와 이동 거리가 결정된다.

즉, 직각좌표로봇의 직선 운동속도, 즉, 로봇 슬라이드 이송속도는 서보 모터(80)의 회전속도와 볼 나사(50)의 리드에 의해 결정되는바 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다

로봇 슬라이드 이송속도 : V (mm/sec)

서보모터 회전속도 : N (r/sec)

볼 나사의 리드 : L (mm) 로 정의하면

로봇 슬라이더의 직선 운동 속도 V = N × L 이 된다.

상기 수식에서 로봇의 직선 운동속도 V 를 높이기 위해서는 서보 모터 회전속도(N)를 높이거나 볼 나사 리드(L)를 키워야 한다. 여기서, 볼 나사 리드를 키우는 것은 로봇의 위치제어 정밀도를 저하시키는 단점과 동일한 가속력을 얻기 위해서는 서보 모터의 용량을 크게 해야 하는 문제가 있기 때문에, 볼 나사 리드를 키우는 데는 한계가 있다. 따라서, 서보 모터의 회전 속도를 높여야 한다. 그러나, 서보 모 터의 회전속도(N) 즉, 볼 나사 회전 속도를 높이는 데 있어서도 볼 나사의 위험 회전속도라는 치명적인 제한 요소가 존재하기 때문에 로봇 속도를 일정 수준 이상으로 높일 수 없었다. 여기서 볼 나사의 위험 회전속도라는 것은 볼 나사의 회전속도를 점점 높여서 특정의 회전 속도에 도달하면, 볼 나사 자체의 고유진동수에 의한 공 진의 발생으로 인해 회전 동작이 불가능하게 되는 때의 회전속도를 말한다.

일반적으로 상기 위험 회전속도는 볼 나사의 직경과 볼 나사의 지지간 거리에 따라 정해지는데 도3과 같이 볼 나사 지지간 거리가 길어질수록 낮아지고 볼 나사의 직경이 작아 질수록 낮아진다.

즉, 서보 모터의 회전속도를 증가시키기 위해서는 볼 나사의 지지간 거리(L2)를 짧게 하거나, 볼 나사 직경(D)을 증가시켜야 하는데, 로봇의 제작 및 설치 상 상기 볼 나사의 지지간 거리(L2)의 축소는 로봇 작업 가능 범위를 줄이는 결과를 가져오기 때문에 로봇설치 대상의 선택에 제한을 주게된다는 치명적인 결함으로 작용하고, 볼 나사 직경(D)을 증가시키는 것은 볼 나사의 회전관성이 증가하여 서보모터의 용량을 증대시켜야 할 뿐만아니라, 그 직경 증가만큼 볼 나사 제작 비용이 증가될 수 밖에 없고, 결국 로봇 전체 무게를 증가시킬 수밖에 없어 만약 로봇무게가 로봇 적용요건의 가장 핵심적인 인자가 되는 경우 로봇의 적용대상의 선택에 역시 치명적인 제한요인이 될 수밖에 없다는 문제점이 있었다.

이에, 직각좌표로봇에 있어서 서보 모터의 회전속도 증가에 제한을 받지 않아, 그 적용대상에 있어 보다 넓은 선택이 가능하며, 정밀하고, 빠른 이동이 가능하한 로봇 슬라이더를 이용한 직각좌표로봇의 제작방법의 개발이 절실하게 요구되었다.

본 발명은 종래의 직각좌표로봇의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 다른 목적은 볼 나사 방식으로 제작되는 직각좌표 로봇 제작 방법상 볼 나사의 위험회전속도로 인한 로봇 속도 제한 문제를 해결할 수 있는 수단을 제공함으로서 로봇 길이를 축소시켜 보다 경량이면서, 이동속도가 빠르고, 정확한 위치로 이동할 수 있는 슬라이더를 갖춘 직각좌표로봇을 제공하는 것이다.

도1은 종래의 직각좌표 로봇장치의 구체예이다.

도2는 종래의 직각좌표 로봇장치의 슬라이더의 단면도이다.

도3은 직각좌표 로봇장치에 이용되는 볼 나사의 위험속도에 영향을 주는 인자들간의 관계도이다.

도4는 본 발명의 직각좌표 로봇장치의 구체예이다.

도5는 본 발명의 직각좌표 로봇장치의 슬라이더의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:종래의 직각좌표 로봇 10:베이스

20:슬라이더30:직선 가이드

40:볼 나사너트50:볼 나사

60:고정블록70:커플러

80:서보모터

200:본 발명의 직각좌표 로봇210:베이스

220:직선가이드230:고정블록

240:슬라이드 이동용 가이드250:슬라이드

251:케이스252:고정구

260:회전수단261:고정자

262:볼베어링263:영구자석

264:회전자270:엔코더 회전판

280:엔코더센서

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해, 직각좌표 로봇의 슬라이더의 구동방식을 서보 모터 및 커플러를 이용하여 연결된 볼 나사의 회전에 의하여 상기 볼 나사에 볼 나사 너트가 물려 슬라이더 자체가 볼 나사를 따라 직선 이동하는 방식이 아닌, 슬라이더 내부에 서보모터와 같은 회전수단을 일체화하여 설치하고, 상기 회전수단에 직접 연결된 볼 나사 너트와 같은 고정구의 회전에 의하여, 상기 고정구와 물려있는 볼 나사를 따라 슬라이더가 이동하는 방식을 취하는 것을 핵심적 기술사항으로 한다. 결국 본 발명에서는 볼 나사는 슬라이더가 물려 이동하는 가이드 역할을 하는 것에 그치고, 슬라이더가 이동하기 위한 회전은 슬라이더 내부에 설치된 회전수단(서보모터)와 함께 회전하는 고정구(볼 나사너트)에 의함으로서, 종래의 볼 나사의 직경 및 리드의 간격에 의하여 영향을 받는 볼 나사의 위험회전속도 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 수단을 제공하게 된다.

이하, 본 발명의 최선의 실시 예를 도4 및 도5를 기준으로 상세히 설명한다.

본 발명의 직각좌표 로봇장치(200)는 베이스(210) 상부 면에 형성된 직선 가이드(220)를 사이에 두고 소정의 높이를 가지고 설치된 고정블록(230); 상기 고정블록에 양 단부가 지지되는 볼 나사와 같은 슬라이드 이동용 가이드(240); 및 상기 슬라이드 이동용 가이드가 중앙에 관통되며, 케이스(251) 내부에 형성된 서보모터와 같은 회전수단(260)에 직접 연결되어 상기 회전수단과 함께 회전되는 고정구(252)를 포함하는 슬라이드(250);를 포함한다.

상기 베이스(210)는 본 발명의 직각좌표 로봇장치(200)를 지지하는 판으로서, 소정의 크기를 가지며, 후술되는 직선 가이드(220), 고정블록(230), 상기 직선가이드 위에 형성되는 슬라이드(250)를 지지한다. 직각좌표 로봇장치가 설치되는 대상에 따라 다양한 형상으로 제작될 수 있다.

상기 직선 가이드(220)는 베이스(210) 상부 면에 통상 2개가 설치되어, 후술되는 슬라이드(250)가 직선으로 전진, 후진 할 수 있는 유도로 역할을 하게되고, 그 길이 및 재질은 직각좌표 로봇의 용도 및 설치대상에 따라 적의 선택될 수 있으며, 도4에는 2개가 설치되어 있으나 1개 또는 3개 이상이 설치될 수 있다.

상기 고정블록(230)은 직선 가이드를 사이에 두어 일정간격을 두고 베이스(210) 상부면에 서로 마주보도록 통상 2개가 설치되며, 중공이 형성되어 있어 후술되는 볼 나사와 같은 슬라이드 이동용 가이드(240)의 양 단부를 고정하는 역할을 하게된다. 만약 본 발명의 슬라이드(250)가 하나의 베이스 위에 2개 이상이 설치되는 경우라면 서로 마주보도록 형성된 고정블록은 여러 쌍이 형성될 수 있다.

상기 슬라이드 이동용 가이드(240)는 종래의 직각좌표로봇의 볼 나사가 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이는 본 발명에서의 볼 나사의 핵심적인 기능은 도1과 같이 종래의 볼 나사(50)와 같이 서보모터(80)에 의하여 회전됨으로서 이에 나사체결 방식으로 물려있는 볼 나사너트(40)의 이동을 통한 슬라이더의 A 또는 B로 의 이동을 가능하게 하는 것이 아니라, 도5와 같이 슬라이드(250)에 설치된 고정구(252)가 슬라이드(250) 케이스(251) 내에 설치된 회전수단(260)인 서보모터의 회전자(261)에 의하여 직접 회전함으로서 상기 고정구에 물려있는 볼 나사(슬라이드 이동용 가이드,240)를 따라 슬라이더를 A 또는 B 방향으로 이동시키는 역할하기 때문이다. 결국 본 발명에서는 슬라이드(250)가 직각좌표 이동로봇에서 이동 주체가 될 뿐 만 아니라 그 이동을 위한 회전력을 제공해주는 기능을 동시에 가지게 된다. 이에 본 발명의 슬라이드 이동용 가이드(250)는 상기 직선가이드(210)와 같이 슬라이드(250)의 이동 유도로 역할이 주된 역할이라는 점에서 종래의 볼 나사(50)와 기능 상 차이가 있으며, 결국 이동 유도로 역할을 하는 다른 형태의 부재라면 본 발명에 적용이 가능하고, 종래의 볼 나사의 기능에 의한 위험제한속도의 원인이 되는 인자(볼 나사의 직경, 고정블록에 의한 지지간 거리)가 본 발명에서는 그 기능상의 상이점에 의하여 배제된다는 기술적 특징이 발현되며, 이는 본 발명에서는 볼 나사를 이용하면서도 그 기능상의 차이점에 의해 그 명칭을 슬라이드 이동용 가이드(240)한 이유가 된다.

상기 슬라이드(250)는 케이스(251); 상기 케이스(251) 내부에 형성된 서보모터와 같은 회전수단(260); 회전수단(260)에 직접 연결되어 상기 회전수단과 함께 회전되는 고정구(252);를 포함하며, 회전수단(260)은 케이스 내부 바깥쪽에 형성된 고정자(261); 상기 고정자 안쪽에 볼베어링과 같은 연결수단(262)에 의하여 연결되며, 영구자석(263)이 고정자와 마주보도록 설치되고, 슬라이더 이동용 가이드가 관통하는 고정구(252)가 내부중공에 삽입되어 고정된 회전자(264);를 포함한다. 또한 회전자(264)에는 엔코더 회전판(270)이 더 설치되어 있고, 상기 엔코더 회전판(270)과 마주보도록 설치된 엔코더 센서(280)가 또한 더 설치되어 있으며, 도4 및 도5를 기준으로 설명한다.

상기 케이스(251)는 후술되는 고정자(261) 및 영구자석(263)이 부착된 회전자(264)를 포함하는 일종의 서보모터인 회전수단(260), 슬라이드 이동용 가이드(240)와 물려있고 회전수단의 회전자와 결합된 고정구(252)를 수용하는 박스로서 그 크기 및 재질은 직각좌표 로못의 설치대상, 설치조건에 따라 적의 선택될 수 있다. 예컨대 습기가 많은 경우에는 플라스틱, 스텐레스의 재질로 제작될 수 있고, 그 크기에 따른 중량의 제한 조건에 의하여 수용대상이 허락하는 한 최소의 크기로 제작됨이 바람직하다.

상기 회전수단(260)은 일종의 서보 모터인데, 종래의 회전수단이라고 할 수있는 서보모터가 슬라이드와 분리되어 별도로 베이스에 도1과 같이 설치되어 있으나 본 발명에서는 도5와 같이 슬라이드(250)의 케이스(251) 내부에 설치되어 있다. 결국 도1과 같이 서보모터(80)를 설치하기 위한 베이스 길이의 축소가 가능하여 직각좌표 로봇의 크기를 줄여 그 중량을 감소시킬 수 있다는 장점이 있고, 또한 도1과 같이 서보모터(80)와 볼 나사(50)를 중간에서 연결하기 위한 커플러(70)를 설치할 필요가 없어지므로 커플러에 의해 서보모터의 회전력을 볼 나사에 전달하기 때문에 발생하는 기계적 오차(서보모터에 의한 급격한 회전력 전달 시 또는 순간적인 외력 작용시 발생할 수 있는 기계적 슬립현상, 커플러의 마모현상 등)를 근본적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.

회전수단(260)은 도5와 같이 크게 고정자(261) 및 회전자(264)를 포함한다.

고정자(261)는 슬라이더 케이스(251)의 내부의 바깥쪽에 고정되며, 외부 전원이 도입되어 전원이 도입되는 동안 자화 되어 후술되는 회전자에 부착된 영구자석(263)과 서로 극성이 다른 자극을 가지게 함으로서 결국 회전자가 자력에 의하여 회전할 수 있는 기능을 가지는 것으로서, 통상의 전동기 또는 서보모터용 고정자를 이용하면 된다.

회전자(264)는 고정자(261)와 마주보도록 영구자석(263)이 외주면에 형성되어 있어 고정자에 의하여 회전자에 자력에 의하여 회전을 일으키는 역할을 하게된다. 이러한 회전자에는 후술되는 고정구(252)가 중앙에 형성될 수 있도록 중공이 형성되어 있고, 회전자의 한쪽 측면에는 후술되는 엔코더 회전판(270) 즉, 회전자와 함께 회전하면서 회전자의 회전속도 및 회전량을 측정신호로서 발생하는 장치가볼트 등과 같은 연결구에 의하여 부착된다. 즉 도5와 같이 회전자와 함께 회전될 수 있도록 회전자에 형성되고, 중앙에는 슬라이드 이동용 가이드(240)가 관통될 수 있도록 중공이 형성되게 된다.

이러한 엔코더 회전판(270)와 마주보도록 슬라이드의 고정자에 연결철물을 이용하여 설치된 것이 엔코더 센서(280)인데, 이러한 엔코더 센서는 엔코더 회전판로부터 발생되는 회전자의 회전속도 및 회전량에 대한 신호를 검측하여, 이를 제어할 수 있는 제어부로 전달하게 된다. 본 발명에서의 제어부는 엔코더 센서로부터의 전기적신호(회전속도, 회전량)를 입력받는 입력수단, 이를 처리(기준값과 비교하고, 비교값보다 낮거나 높은 경우, 이를 제어할 수 있도록 제어신호를 고정자에 연결된 전원공급장치에 전달하는 수단포함)할 수 있는 마이컴 형태의 제어수단 및 이러한 제어수단(300)을 출력할 수 있는 출력수단의 구성을 가진 통상적인 제어부를 이용하면 되며, 슬라이드를 원하는 위치에 요구되는 속도로 이동시키는 기본적인 기능을 가지게 된다.

상기 고정구(252)는 종래의 고정구와 동일 형태의 것을 이용하나, 그 기능은 전혀 상이하다. 즉, 종래의 고정구라고 할 수 있는 볼 나사너트(40) 모두 볼 나사와 같은 슬라이드 이동용 가이드(240)를 따라 슬라이드가 이동할 수 있도록 하는 기본적인 기능을 가지는데, 특히 종래의 고정구는 그 작용이 볼 나사의 회전으로 비롯되지만, 본 발명에서는 회전수단의 회전자의 내부 중공에 도5와 같이 삽입, 설치되어, 회전자가 회전할 때 함께 회전되며, 고정구에 물려있는 슬라이드 이동용 가이드를 따라 슬라이드가 이동할 수 있도록 하는 작용을 가진다.

결국, 본 발명의 고정구는 슬라이드 케이스 내부에 형성된 회전수단중의 하나인 고정자와 볼베어링과 같은 연결장치에 의하여 회전자에 직접 설치되어 회전자가 고정자의 안쪽에서 회전할 때 함께 회전되고, 이러한 회전은 볼 나사와 같은 슬라이드 이동용 가이드(240)를 따라 움직일 수 있는 수단이 된다.

도5에는 이러한 고정구가 회전자 중공에 설치되되, 회전자와 함께 회전될 수 있도록 회전자 다른 측면에 굴곡되어 현성된 플랜지부가 형성되어 있고, 상기 플랜지부는 회전자에 볼트 등과 같은 연결구에 의하여 확실하게 부착되도록 한다.

본 발명의 직각좌표 로봇장치는 슬라이드의 구동방식에 있어, 슬라이드 내부에 직접 서보모터와 같은 회전수단을 포함시키고, 상기 회전수단으로부터 회전력을 얻어 회전수단의 회전자와 연결된 고정구가 직접 회전함으로서 고정구에 물려있는 볼나사와 같은 슬라이드 이동용 가이드를 따라 슬라이드가 이동되는 방식을 취함으로서, 볼 나사의 위험속도로 인한 로봇 속도의 제한 문제를 완전히 해소하여, 직각좌표로봇의 직선 운동속도를 획기적으로 증가시킬 수 있으며, 로봇의 전체길이 와 무게를 축소 시킬수 있어 경제적인 제작이 가능하며, 별도로 서보모터를 설치하지 않기 때문에 종래의 커플러 사용에 의한 기계적 마모, 슬립현상을 배제할 수 있고, 무엇보다도 종래의 직각좌표 로봇의 적용 대상의 선택에 있어서의 제한요소를 배제할 수 있어 보다 다양한 용도를 가질수 있는 직각좌표 로봇의 제작이 가능하다.

Claims (5)

1. 베이스 상부 면에 형성된 가이드를 사이에 두고 소정의 높이를 가지고 설치된 고정블록;

   상기 고정블록에 양 단부가 지지되는 볼 나사와 같은 슬라이드 이동용 가이드; 및

   상기 슬라이드 이동용 가이드가 중앙에 관통되며, 케이스 내부에 형성된 서보모터와 같은 회전수단에 직접 연결되어 상기 회전수단과 함께 회전되는 고정구를 포함하는 슬라이드;

   를 포함하며, 상기 슬라이더와 일체화된 회전수단에 의하여 슬라이더가 슬라이더 이동용 가이드를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇장치.
2. 제1항에서, 상기 슬라이드 케이스 내부에 형성된 회전수단은 케이스 내부 바깥쪽에 형성된 고정자; 및

   상기 고정자 안쪽에 볼베어링과 같은 연결수단에 의하여 연결되며, 영구자석이 고정자와 마주보도록 설치되고, 슬라이더 이동용 가이드가 관통하는 고정구가 내부중공에 삽입되어 고정된 회전자;

   를 포함하며, 상기 고정자에 전원이 인가되어 영구자석이 부착된 회전자가 회전하는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇장치.
3. 제1항 또는 제2항에서, 상기 슬라이더의 회전자의 한쪽 측면에 형성되는 것으로서, 회전자와 함께 슬라이더 이동용 가이드를 중앙에 두고 회전되는 엔코더 회전판이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇장치.
4. 제3항에서, 상기 엔코더 회전판과 서로 마주보도록 슬라이더의 고정자의 한쪽 측면에, 슬라이더 이동용 가이드를 중앙에 두고 고정되는 것으로서, 회전자의 회전속도 및 회전량 측정을 위한 엔코더 센서가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇장치.
5. 제4항에서, 상기 엔코더 센서판에 의하여 측정된 엔코더 회전판의 회전속도 및 회전량을 제어하기 위한 제어부가 상기 슬라이더에 더 포함되는 것을 특징으로 하는 직각좌표 로봇장치.