KR20040046683A - 머시닝센터의 공구 캐리어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계 중 머시닝센터에서 자동 공구 교환기가 설치되어 있는 경우 매거진에서 공구를 옮겨와 공구 교환위치로 공구를 이송하는 공구 캐리어에 관한 것으로, 공구의 운송시 공구 교환기와 연동되어 공구교환이 일어나는 지점까지 안전하게 반송시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

머시닝센터의 공구 캐리어장치{Tool Carrier Device Of Machining Center}

본 발명은 공작기계 머시닝센터의 공구 캐리어(Carrier)장치에 관한 것으로 특별히 이면 구속, 중공형 공구(i.e. HSK ; Hollow Taper Shank) 의 캐리어 장치에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계 중 머시닝센터에서 자동 공구 교환기(ATC Changer)가 설치되어 있는 경우 매거진에서 공구를 옮겨와 공구 교환위치(Changing Position)로 공구를 이송하는 공구 캐리어(Carrier)가 별도로 설치 된다.

여기서 지금까지 머시닝센터용 공구의 주종을 이루는 것은 BT, DIN, CAT등 단면 구속형 공구가 대부분이었다

그러나 가공물의 종류에 따른 고속, 고정밀도 가공의 필요성이 대두 됨에 따라, 스핀들 내부 테이퍼면 만을 이용한 단면 구속형이 아닌 스핀들 전면을 동시에이용한 이면 구속형 공구가 개발되기 시작하였다.

이하에서는 종래의 캐리어장치에 대해 첨부되어진 도면과 함께 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 공구 캐리어의 BT SHANK 타입과 HSK SHANK 타입의 비교도이고, 도 2는 제 1실시예에 따른 종래의 공구 캐리어의 스프링과 강구를 이용한 타입의 단면도이고, 도 3은 제 2실시예에 따른 종래의 공구 캐리어의 강 탄성체를 이용한 타입의 단면도이고, 도 4는 제 3실시예에 따른 종래의 공구 캐리어의 푸싱블록, 스프링 및 강구를 이용한 타입의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, BT SHANK에 대비된 HSK SHANK 타입 타입은 공구(1)의 클램핑되는 힘(Clamping Force)의 증가를 가져왔지만, 일반적으로 7/24 테이퍼를 갖는 Long Shank에서 1/10 테이퍼를 갖는 Short Shank로의 변화를 가져왔고, 이에 따라 공구 캐리어(9)(Carrier)에서 전통적으로 사용해 왔던 공구(1) 풀 스터드(Pull Stud)를 볼 핑거(5a)(Ball Flanger)로 잡는 방법의 변화를 가져왔다.

따라서 도 2, 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, HSK SHANK 타입으로써, Shank의 길이가 약 1/3배로 줄어들어 캐리어(9)의 고속선회나 직선운동에 대해 충분한 힘으로 공구(1)를 파지하고 있지 않으면 공구(1)가 탈락되기 쉬우며 이를 방지하기 위해 캐리어(9)의 내부에 복잡한 장치가 부가되었다.

이러한 HSK 공구 캐리어(9)의 종래 방식은 3가지 타입으로 나누어 볼 수 있으며, 모두 강제 수납식으로 스프링(3)과 강구(5)를 이용한 방식과, 강탄성체(3)(Elastic steel piece)를 이용한 방식과, 푸싱블록(7), 스프링(3) 및강구(5)(Pushing block, spring & steel ball)를 이용한 방식 등이 있다.

먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 스프링(3)과 강구(5)를 이용한 방식은 스프링(3)의 장력을 받은 볼(5)이 공구(1)를 구속하는 방식으로써, 이 때 캐리어(9) 내부 공간의 제한을 받아 스프링(3)과 볼(5)을 지지하는 블록이 작아 질 수 밖에 없으며 따라서 스프링(3)도 작아지게 된다.

즉 높은 스프링(3) 장력을 기대하기 어려움에 따라 무거운 공구(1)의 교환시 공구(1)를 충분한 힘으로 파지하고 있을 수 없게 되며 캐리어(9)가 고속 선회시 공구(1)를 떨어뜨릴 가능성이 커지게 된다.

또한 관통형 공구(TSC)를 사용하게 될 때 부착되는 쿨런트 튜브(Coolant Tube)와의 간섭도 피해야 하는데 간섭을 배제한 충분한 장력의 스프링(3)을 구한다는 것은 더욱 힘든 일이다. 설사 구한다하더라도 장력이 높은 스프링(3)을 캐리어(9) 내부에 조립하기란 여간 어려운 작업이 아니게 된다.

다음으로 도 3의 강 탄성체(3)(Elastic Steel Piece)를 이용한 방식은 6조각의 탄성체(3)를 센터 사프트에 조립하여 그 탄성을 이용하는 방식으로 실제 제조시 전단기로 펀칭하여 제작하게 되는데, 제작과정에 제어가 쉽지 않고 그에 따라 각 조각의 탄성 특성도 조금씩 달라지게 되며 탄성체(3)가 실제로는 12곳에 점접촉 형태로 접촉하게 되며 그 접촉점 또한 동일원상이 되도록 조립하기도 쉽지 않다.

그리고 이면 구속형 공구(1) 중 HSK A,B 타입의 공구(1)일 경우 회전 키가 Shank 끝단에 설치되어 있어서 착탈시 이것과 간섭을 일으켜 공구(1)의 탈락을 초래할 가능성도 있다.

마지막으로 도 4의 푸싱블록(7)(Pushing block), 스프링(3) 및 강구(5)(steel ball)를 이용한 방식은 상기 두가지 방식을 개선한 방식으로 120˚간격으로 배치한 세개의 볼과 볼을 밀어올리는 푸싱블럭(7)과 푸싱블럭(7)을 밀어올리는 스프링(3)으로 구성되어 있다.

이러한 방식은 삼점지지 방식의 이점을 살릴 수 있고 스프링(3)의 장력 값을 늘릴 수 있으며 공구(1)에 부착된 쿨런트 튜브(Coolant Tube)와의 간섭도 피할 수 있으나, 슬리브에 볼 지지홀의 동일 원주상 가공이 쉽지 않고, 볼(5)이 밖으로 흘러내리지 않도록 콘 형태로 연마하여야 하는데, 공간적 제약으로 매우 어려운 가공이 되며, 허용 공구(1) 무게 또한 가볍거나 작은 크기의 공구(1) 즉 HSK 63 이하의 경우에 한정될 수 밖에 없다.

즉 HSK 63 이상의 경우 허용무게가 약2배(8kg이하 → 15kg~30kg) 이상 증가(예, angle tool)하여 고속 선회동작이나 고속 이송시 모멘트 값의 증가로 상기 방식 역시 공구(1)를 떨어뜨릴 가능성이 상존하게 된다.

이 때 무작정 무거운 공구(1)에 맞추어 스프링(3) 장력을 증가 시키면 공구(1)의 강제 탈착시 과다한 힘이 체인져 암(Changer Arm) 한쪽에 집중적으로 걸리게 되어 장시간 사용시 체인져 암(Changer Arm)의 요소 부품 등이 헐거워질 우려가 있고 캐리어(9) 내부의 볼(5) 등과 관련된 부품의 내구성에 악영향을 끼치게 된다.

상기에서와 같이 설명한 3가지 방식은 모두 강제 수납식이다.

이러한 공작기계 특성상 캐리어(9)를 사용한다는 말은 자동공구 교환장치를사용한다는 의미로 이는 공구(1)의 수납 즉, 장착과 탈착시 캔틸레버 형태를 띠는 체인져 암(Changer Arm)에 편 로드(load)의 발생이 불가피해진다는 것이 된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 공구의 운송시 공구 교환장치와 연동되어 공구교환이 일어나는 지점까지 안전하게 반송시킬 수 있는 머시닝센터의 공구 캐리어장치을 제공하는 것이다.

그리고 본 발명의 제 2목적은, ATC 동작과 연동된 자동식 공구수납 방식의 머시닝센터의 공구 캐리어장치를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적들은, 중심부위 내측으로 쿨런트 튜브(12)가 돌출되도록 결합되어 이루어지는 공구(10)를 운반하는 머시닝센타의 공구캐리어 장치에 있어서,

상기 공구(10)가 일측으로 삽입될 수 있도록 상기 공구(10)의 테이퍼면과 형상적으로 대응되고, 타측으로 공압 실린더(70)와 연결될 수 있도록 아답터(60)를 포함하는 몸체(20)와,

일측부위가 직경이 증가하다가 감소하는 형태를 취하며, 상기 몸체(20)의 중심부위를 따라 축선방향으로 삽입되어 타측이 고정될 수 있도록 외주연을 따라 나사산(31)이 형성되고, 상기 몸체(20)의 일측으로 삽입되는 공구(10)의 쿨런트 튜브(12)에 형상적으로 대응될 수 있도록 축선방향을 따라 중공의 홀이 관통형성되는 키커(30)와,

일측이 상기 몸체(20)로 삽입되는 공구(10)의 선단부위에 형상적으로 대응되어 끼움결합되며, 상호 대칭적으로 다수개로 분리되어 상기 몸체(20)와 키커(30) 사이에 위치하는 콜렛(40)과,

상기 각 콜렛(40) 중 선택되는 어느 하나의 저면에 대응되어 상기 콜렛(40)을 선택적으로 고정시킬 수 있도록 상기 몸체(20)의 내측에 구비되는 핀(42)과,

상기 몸체(20)의 내측 및 상기 키커(30)의 타측 외주연을 따라 삽입되는 코일스프링(50); 및

삽입된 상기 코일스프링(50)을 지지할 수 있도록 상기 키커(30)의 타측에 체결되는 로크너트(61)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 공구 캐리어장치에 의해서 달성된다.

그리고 상기 콜렛(40)은 다수개의 세그먼트가 집속되어 이루어진 것이 바람직하다.

아울러 상기 몸체(20)의 외주연에는 상기 각 콜렛(40)의 삽입위치에 대응되도록 다수개의 홈(21)이 관통형성되어 있는 것이 바람직하다.

그리고 상기 몸체(20)는 각 홈(21)에 삽입되어 상기 각 콜렛(40)을 고정하는 다수개의 볼핑거(41)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 종래의 공구 캐리어의 BT SHANK 타입과 HSK SHANK 타입의 비교도,

도 2는 제 1실시예에 따른 종래의 공구 캐리어의 스프링과 강구를 이용한 타입의 단면도,

도 3은 제 2실시예에 따른 종래의 공구 캐리어의 강 탄성체를 이용한 타입의 단면도

도 4는 제 3실시예에 따른 종래의 공구 캐리어의 푸싱블록, 스프링 및 강구를 이용한 타입의 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 머시닝센터의 공구 캐리어의 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 머시닝센터의 공구와 공구 캐리어가 분리된 모습을 도시한 분리단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 공구3: 스프링, 강탄성체

5: 강구, 볼5a: 볼핑거

7: 푸싱블록9: 캐리어장치

10: 공구11: 키홈

12: 쿨런트 튜브20: 몸체

21: 홈30: 키커

31: 나사산40: 콜렛

41: 볼핑거42: 핀

50: 코일스프링60: 아답터

61: 로크너트70: 실린더

71: 로드80: 세트스크류

100: 캐리어장치

이하에서는 본 발명에 따른 머시닝센터의 공구 캐리어장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 머시닝센터의 공구 캐리어의 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 캐리어장치(100)는 머시닝센터에서 자동 공구 교환기의 공구매거진에서 공구(10)를 옮겨와 공구(10) 교환위치로 공구(10)를 이송하는 장치이다.

이러한 상기 캐리어장치(100)는 크게 공작물을 가공하는 공구(10)와, 상기 공구(10)를 클램핑하는 공구 캐리어로 나뉘어진다.

여기서 공구(10)는 테이퍼면의 타측 테두리를 따라 상호 대칭적으로 마주보도록 축선방향으로 안측으로 파여진 키홈(11)이 형성되고 중심부위 안측으로 쿨런트 튜브(12)가 돌출되도록 결합되어 있다.

아울러 상기 공구 캐리어는 크게 3부분으로 니뉘어 지는데, 이는 상기 공구(10)가 일측으로 삽입될 수 있도록 상기 공구(10)의 테이퍼면과 형상적으로 대응되는 몸체(20)와, 상기 공구(10)의 쿨런트 튜브(12)를 중심축에서 잡아주는 키커(30)(Kicker)와, 상기 몸체(20) 및 키커(30)의 사이에 위치하며 공구(10)를 직접 클램핑하는 콜렛(40)(Collet)으로 구성된다.

상기에서 몸체(10) 일측의 내측면은 상기 공구(10)의 테이퍼면과 대응되도록 내측으로 테이퍼져 이루어져 있으며, 테이퍼진 선단부위에서 타측까지는 원형의 공간부가 관통형성되어 이루어져 있다.

아울러 상기 몸체(20)의 타측으로는 공압으로 왕복 이송되는 실린더(70)와연결될 수 있도록 아답터(60)(Adapter)가 구비되어 있다.

이러한 상기 아답터(60)의 일측에는 상기 몸체(20)가 위치하고 있으며, 타측으로는 실린더(70)가 위치하고 있어 공압에 따른 실린더(70)의 이송에 따라 상기 몸체(20)는 공구(10)의 클램핑 유무를 선택할 수 있다.

상기 키커(30)는 중공의 관형태로써, 일측부위가 직경이 증가하다가 감소하는 형태를 취하다가 타측까지는 직경이 일정하게 이루어진 형상을 취하고 있다. 이러한 상기 키커(30)는 상기 몸체(20)의 중심위부위를 따라 축선방향으로 삽입된다.

이 때 상기 키커(30)는 타측 내/외 주연을 따라 나사산(31)이 형성되어 있다.

따라서 상기 키커(30)의 일측은 상기 몸체(20)로 삽입되는 공구(10)의 쿨런트 튜브(12)가 안측으로 삽입되고 타측은 상기 아답터(60)에 구비된 로크너트(61)(Lock Nut)와 결합된다.

상기 로크너트(61)는 상기 키커(30)의 타측 외주연에 형성된 나사산(31)에 체결로써 결합되고, 코일스프링(50)의 이탈을 차단하는 차단블록 기능을 한다.

이러한 상기 로크너트(61)로 인하여 상기 코일스프링(50)은 축선방향을 따라 상기 아답터(60)의 내측으로 스프링장력으로 인한 전체적인 길이를 조절할 수 있도록 이루어져 있다.

또한 상기 키커(30)의 타측 내주연에 형성된 나사산(31)과는 상기 실리더(70)의 로드(71)와 체결로써 결합되어 있다.

이러한 상기 나사산(31)은 키커(30)의 정위치 맞춤을 위해 실린더 로드(71)의 축선방향을 따라 위치를 조절하는 기능을 하며, 이 때 상기 세트스크류(80)로 체결풀림을 방지할 수 있다.

따라서 상기 실리더(70)의 공압에 따른 로드(71)의 이송으로 상기 로크너트(61)와 더불어 상기 키커(30)도 전/후 방으로 왕복 이송될 수 있다.

그리고 상기 몸체(20)로 삽입되는 공구(10)의 선단부위에 형상적으로 대응될 수 있도록 상기 몸체(20) 및 상기 키커(30)의 사이에는 콜렛(40)이 삽입된다.

상기 콜렛(40)은 일측부위가 외측으로 연장되어 이루어져 있어 상기 공구(10)의 선단부위를 안측으로 고정하는 기능을 한다.

이러한 상기 콜렛(40)은 축선방향으로 6개의 조각으로 복수등분되어 이루어져 있다. 이 때 상기 각각의 콜렛(40)은 상기 키커(30)의 일측을 중심으로 하여 폭방향을 따라 밀착되도록 각각의 콜렛(40)에 대응되는 볼핑거(41)가 구비된다.

상기 볼핑거(41)는 상기 몸체(20)의 외주연에서 상기 각 콜렛(40)의 삽입위치에 대응되도록 형성되는 6개의 홈(21)으로 각각 삽입되어 상기 콜렛(40)을 잡아주는 역할을 한다.

이 때 상기 콜렛(40)은 볼핑거(41)로 부분 고정되지만 상기 공구(10)의 수납으로 인하여 상기 각각의 콜렛(40)은 한쪽으로 쏠릴 수 있다.

이를 방지하기 위해서 선택되는 어느 하나의 콜렛(40)의 저면에는 핀(42)이 구비된다.

상기 핀(42)은 상기 콜렛(40) 중 선택되는 어느 하나의 저면에 대응되는 몸체(20)의 내측에 타측이 삽입되어 일측이 부분돌출되어 있다.

이러한 부분 돌출된 부분이 상기 콜렛(40) 중 선택되는 하나의 저면에 대응되어 선택된 상기 콜렛(40)을 고정할 수 있는 구조로 이루어져 있다.

아울러 상기 몸체(20)의 내측 및 상기 키커(30)의 타측 외주연을 따라 삽입되는 코일스프링(50)이 구비된다.

상기 코일 스프링(50)은 실린더(70)의 공압 차단으로 인하여 클램핑된 공구(10)가 이탈되지 못하도록 상기 키커(30) 및 실린더(70)의 로드(71)를 현상태로 유지시켜 주는 기능을 한다

도 6은 본 발명에 따른 머시닝센터의 공구와 공구 캐리어가 분리된 모습을 도시한 분리단면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 공구 캐리어장치(100)는 상기 실리더(70)의 공압으로 상기 키커(30)가 전방으로 이동함으로써, 상기 콜렛(40)에 고정된 공구(10)의 선단부위가 해제되어 공구(10)가 상기 공구캐리어에 이탈된다.

이하에서는 상기 공구의 동작에 관하여 간단히 설명하기로 한다.

일반적으로 공구 캐리어는 크게 나누면 두 지점에 위치하게 된다. 그 하나는 매거진에 공구를 반납하기 위해 위치하게 되는 매거진 사이드(Side), 다음으로 공작기계 주축에 공구를 장착하기 위해 위치하게 되는 스핀들 사이드 등이 있다.

상기 공구의 써칭(Searching) 명령이 내려지면 공구 캐리어는 매거진 사이드로 이동하게 되며, 이때 공구를 가지고 있을 경우 먼저 반납 과정을 수행하고 공구를 가지고 있지 않을 경우 공압 V/V를 열어 공구를 장착할 수 있도록 언클램프 상태로 된다.

즉 실린더에 연결된 키커가 축 방향으로 전진하고 이 때 콜렛의 각 조각들은 볼핑거의 힘으로 반경 방향으로 수축하며 공구 내경보다 작은 원을 이루어 공구의 장착시 간섭이 없도록 한다.

아울러 상기 공구 써칭 후 공구를 공급 받으면 다시 공압이 작동하여 실린더가 후진하고 이에 따라 키커도 축 방향으로 후진하게 되며 콜렛을 반경 방향으로 확장하여 스프링의 장력 및 실린더 힘으로 콜렛이 상기 공구를 클램핑하게 된다.

이 후 공구 캐리어가 스핀들 사이드 즉, 제 2원점으로 이동하게 되며 공작기계 주축에서 공구를 언클램프 하는 동작과 연동하여 상기 언클램프 동작을 수행하게 된다.

이상에서와 같이 상기 머시닝센터의 공구 캐리어장치(100)에서 상기 콜렛(40)이 6개의 세크먼트로 이루어지는 것 이외에, 3, 4, 5, 7, 및 8개로 복수등분하여 사용할 수 있다.

또한 상기 실린더(70)는 공압으로 작동되는 것 이외에, 유압으로도 사용할 수 있음은 물론이다

전술한 바와 같이 본 발명에 의한 공구 캐리어는 공구의 크기가 커지고 무거워질 때나 고속 ATC(auto tool change)를 위해 캐리어의 이송 속도가 증가할 때도 안전하게 공구를 파지할 수 있으며, 강제 수납방식이 아닌 자동 연동식 수납방식으로 공구를 교환하게 되어 교환부위에 이상부하를 발생시키지 않으면서 공구를 운송할 수 있는 특징이 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (4)

1. 중심부위 내측으로 쿨런트 튜브(12)가 돌출되도록 결합되어 이루어지는 공구(10)를 운반하는 머시닝센타의 공구캐리어 장치에 있어서,

   상기 공구(10)가 일측으로 삽입될 수 있도록 상기 공구(10)의 테이퍼면과 형상적으로 대응되고, 타측으로 공압 실린더(70)와 연결될 수 있도록 아답터(60)를 포함하는 몸체(20)와,

   일측부위가 직경이 증가하다가 감소하는 형태를 취하며, 상기 몸체(20)의 중심부위를 따라 축선방향으로 삽입되여 타측이 고정될 수 있도록 외주연을 따라 나사산(31)이 형성되고, 상기 몸체(20)의 일측으로 삽입되는 공구(10)의 쿨런트 튜브(12)에 형상적으로 대응될 수 있도록 축선방향을 따라 중공의 홀이 관통형성되는 키커(30)와,

   일측이 상기 몸체(20)로 삽입되는 공구(10)의 선단부위에 형상적으로 대응되어 끼움결합되며, 상호 대칭적으로 다수개로 분리되어 상기 몸체(20)와 키커(30) 사이에 위치하는 콜렛(40)과,

   상기 각 콜렛(40) 중 선택되는 어느 하나의 저면에 대응되어 상기 콜렛(40)을 선택적으로 고정시킬 수 있도록 상기 몸체(20)의 내측에 구비되는 핀(42)과,

   상기 몸체(20)의 내측 및 상기 키커(30)의 타측 외주연을 따라 삽입되는 코일스프링(50); 및

   삽입된 상기 코일스프링(50)을 지지할 수 있도록 상기 키커(30)의 타측에 체결되는 로크너트(61)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 공구 캐리어장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 콜렛(40)은 다수개의 세그먼트가 집속되어 이루어진 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 공구 캐리어장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 몸체(20)의 외주연에는 상기 각 콜렛(40)의 삽입위치에 대응되도록 다수개의 홈(21)이 관통형성되어 있는 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 공구 캐리어장치.
4. 제 1항 또는 3항에 있어서,

   상기 몸체(20)는 각 홈(21)에 삽입되어 상기 각 콜렛(40)을 고정하는 다수개의 볼핑거(41)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 공구 캐리어장치.