KR20060080937A

KR20060080937A - 툴을 파지하고 기울이는 장치

Info

Publication number: KR20060080937A
Application number: KR1020067007906A
Authority: KR
Inventors: 존 에이치 올센
Original assignee: 오맥스 코포레이션
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-07-11
Also published as: WO2005035183A2; CN1867426A; US6922605B1; CA2541068C; CA2541068A1; AU2004279888A1; JP2007508154A; EP1684939A4; WO2005035183A3; NZ546932A; EP1684939A2; AU2004279888B2

Abstract

본 발명은 경사 범위에 걸쳐서 정점에서 실질적으로 툴을 파지하고 기울이는 장치를 제공한다. 상기 장치는 베이스 라인 및 베이스 피벗 거리를 규정하는 피벗을 갖는 베이스를 포함한다. 상기 장치는 상기 베이스 피벗에 결합된 제 1 및 제 2 피벗 암과 상기 제 1 및 제 2 피벗 암에 결합된 피벗을 갖는 툴 홀더를 포함한다. 상기 툴 홀더 피벗은 상기 베이스 피벗 거리와 다른 피벗 거리를 갖는 툴 홀더 라인을 규정한다. 상기 툴 홀더는 상기 머신 툴을 파지하도록 배치된다. 상기 베이스 라인 및 선택된 피벗 암의 교차부는 제어 각을 규정하고, 상기 제어 각의 변경은 상기 베이스 라인에 관한 상기 툴 홀더의 경사를 변화시키고, 이에 대응하여 상기 툴의 종축을 정점에 대해 실질적으로 기울인다.

베이스, 제 1 피벗 암, 제 2 피벗 암, 제 1 툴 홀더 피벗, 제 2 툴 홀더 피벗, 툴 홀더

Description

툴을 파지하고 기울이는 장치{APPARATUS THAT HOLDS AND TILTS A TOOL}

5 축 머신은 세 개의 수직 축(X, Y, Z)을 따라 툴 또는 워크피스(workpiece)를 이동시키고, 제 4 및 제 5 수직 축 주위로 툴을 기울이는 기능을 제공한다. 툴을 기울이는 기능 때문에, 5 축 머신의 툴은 기계 가공되는 부품의 생산에 필수적이다. 예를 들면, 이들 5 축 머신의 툴은 유저(users)가 운전을 정지시키지 않고, 또한 다른 특수 툴을 장착하지 않고도 소재 상에서 다중 커팅(cutting), 연마 또는 드릴링(drilling) 조작을 수행할 수 있도록 한다. 이는 각각의 특수 툴을 세팅하는데 필요한 추가의 시간과 5 축 머신에 이 툴을 장착하는데 필요한 추가 시간을 줄인다. 따라서, 더욱 고속으로 및 더욱 저렴하게 워크피스를 기계 가공된 부품으로 변환시킬 수 있다.

워크피스에 대해서 툴을 기울이는 기능은 고속으로 노즐(nozzle)로부터 분사되는 연마제 입자가 혼합된 워터 제트로 워크피스를 가공할 때와, 레이저로 기계 가공할 때, 및 페인팅(painting)할 때, 특히 유리하다. 도 1a는 워크피스(14)를 커팅하는 연마제가 혼합된 워터 제트(12), 및 제트 운동(19)의 반대 방향으로 상기 제트(12)내의 결과적인 편향 거리(L)를 나타낸다. 연마제가 혼합된 워터 제트 애플리케이션(application)은 모두 이동(19)에 의해 표시되는 방향으로 워크피스(14)를 가로질러서 이동함에 따라, 노즐(10)이 종축(54)으로부터 연마제가 혼합된 워터 제 트(12)류의 편향(18)에 의해 어느 정도 영향을 받는다. 노즐(10)이 더욱 고속으로 이동할수록, 연마제가 혼합된 워터 제트(12)는 종축(54)으로부터 멀어진 워크피스의 구조에 의해 더 많이 구부러진다. 노즐(10)의 이동(19)이 직선인 경우, 워터 제트(12)류는 휠 커터(wheel cutter)가 절단하는 방식으로 워터피스(14) 소재를 절단하며, 이때 상기 제트류는 워터 제트(12)류가 워크피스(14)로 들어가는 임팩트 지점(13) 뒤의 편향 거리(L)에서 워크피스(14)의 저면을 빠져나온다. 직선 절단시, 제트류의 편향(18)이 임팩트 위치(13)와 정렬되고 또한 임팩트 위치(13)의 뒤에 있기 때문에, 워크피스(14)를 가로질러 제트류(12)를 신속하게 이동시킬 수 있으며, 커팅 정밀도에 영향을 미치지 않는다. 하지만, 모서리(corner)에서는, 편향 거리(L)가 뒤에 남아있는 모서리의 내측 또는 외측으로 확산되거나 바람직하지 못한 편향된 테이퍼(taper) 형상으로 커팅하는 것과 같은 커팅 오류를 초래할 수 있다.

또한, 연마제가 혼합된 워터 제트 애플리케이션은 모두 워크피스(14)의 절단 에지(edge)의 베벨형 테이퍼(bevel taper)에 의해 영향을 받을 수 있다. 도 1b는 제트(12)에 의해 형성된 워크피스(14)의 절단 에지(22a, 22b)내의 베벨형 테이퍼를 나타내고 있다. 도 1b에서 제트(12)는 명확하게 하기 위해서 절단되어 있다. 제트 커팅, 특히 연마제가 혼합된 워터 제트를 사용한 제트 커팅은 전형적으로 바람직하지 않은 테이퍼 형상 또는 베벨 형상의 절단 에지를(22a, 22b) 워크피스에 남긴다. 베벨형 테이퍼(20)의 가장 넓은 부분은 전형적으로 임팩트 위치(13)로 향하고 있다. 베벨형 테이퍼(20)는 워크피스(14)를 통해 잡아 당긴 연필의 날카로운 끝과 같아 보인다. 베벨형 테이퍼(20)는 소재 두께의 함수(function)이고, 일반적으로 베 벨형 테이퍼(20)가 10도인 경우, 박판 소재에서 가장 크다. 5.08cm(2인치)와 같은 후판 소재에서는, 베벨형 테이퍼(20)는 상당히 작아지지만, 여전히 베벨형 테이퍼(20)는 커팅 속도의 함수이다. 베벨형 테이퍼(20)는 커팅 속도가 느려짐에 따라 작아지며, 이후 커팅 속도가 어떤 순간을 지나서 더욱 감속되면, 베벨형 테이퍼(20)는 도 1b에 나타낸 것과 반대로 임팩트 위치(13)를 향해서 더욱 좁아지게 된다. 전형적으로 베벨형 테이퍼(20)는 X 축을 따라서 워크피스의 표면(15)에 대해 노즐(10)을 기울이는 것에 의해 효과적으로 제거될 수 있다. 베벨형 테이퍼를 제거하기 위해 특정 애플리케이션에서 요구되는 경사량의 결정은 본 발명에서 청구하는 부분이 아니다.

베벨형 테이퍼(20)와는 달리, 편향형 테이퍼(deflection taper)는 워크피스(14)를 가로지르는 노즐(10)의 이동(19)을 감속하는 것에 의해 감소시킬 수 있다. 다양한 모서리와 곡선부를 갖는 복잡한 형상을 절단하기 위해서는, 이동(19)의 횡단 속도를 일정하게 조정해야 한다. 또한, 바람직하지 않은 편향형 테이퍼를 감소시키기 위해서는 연마제가 혼합된 워터 제트(12)가 워크피스(14)의 두께를 관통한 후에도, 연마제가 혼합된 워터 제트(12)가 절단면(16)으로부터 소재를 지속적으로 제거할 필요가 있다. 바람직하지 않은 편향형 테이퍼를 감소시키는 다른 방법은 연마제가 혼합된 워터 제트(12)를 복수회 워크피스(14)를 가로지르도록 하는 것이다. 이들 방법은 워크피스(14)를 절단하는데 필요한 시간을 증가시킨다.

워크피스의 표면(15)에 대해서 노즐(10)을 기울이는 기능은 제트 커팅에 대해서 장점을 제공한다. 직선 커팅을 위해서는, 편향형 테이퍼는 문제가 되지 않기 때문에 노즐(10) 및 연마제가 혼합된 워터 제트(12)는 베벨형 테이퍼(20)를 최소화하도록 X 축을 따르는 보정 경사(compensation tilt)로 워크피스 표면(15)에 대해서 수직으로 지향된다. 모서리에서의 바람직하지 않은 편향형 테이퍼는 노즐(10)을 추가적으로 기울이는 것에 의해서 감소시킬 수 있다. 다르게는, 워크피스(14)를 가로지르는 연마제가 혼합된 제트(19)의 이동 속도는 제 1 절단시 베벨형 테이퍼(20)를 최소화하기 위한 보정 경사(compensation tilt)만으로 유지될 수 있으며, 이후 후속하는 커팅 단계에서 이전의 커팅 단계에서 생성된 편향형 테이퍼를 제거하도록 추가적으로 기울인 노즐(10)로 워크피스(14)를 가로지르도록 한다. 이것은 편향형 테이퍼를 생성하지 않도록 하는 느린 커팅 단계보다는 빠를 것이다.

연마제가 혼합된 워터 제트 커팅은 워크피스 표면(15)에 대해서 툴(10)을 기울이는 것으로부터 다른 이점을 얻는다. 예를 들면, 툴(10)이 모서리 내측에서 방향을 바꾸는 경우, 연마제가 혼합된 워터 제트(12)가 모서리를 벗어나서 이동함에 따라, 연마제가 혼합된 워터제트(12)는 편향 거리(L)에서 워크피스 내로 편향된다. 이 편향은 연마제가 혼합된 워터 제트(12)를 이동 방향(19)으로 기울인 채로 시작하여 헤드와 노즐(10)이 워크피스 내로 편향되지 않고 새로운 방향으로 이동할 수 있도록 제트의 저면에서만 진행하도록 하는 것에 의해서 최소화시킬 수 있다. 따라서, 절단면 상에서 바람직한 각도를 가지면서 효과적으로 고속 커팅을 하기 위해서, 두 개의 수평으로 이동하는 직교축(X, Y), 하나의 수직 이동축(Z), 및 노즐(10)에서 경사지는 두 개의 직교축을 갖는 5 축 머신에 노즐(10)을 장착할 수 있다.

하지만, 5 축 머신은 전형적인 고가 장비이고, 막대한 양의 유동 자산(working capital)을 고정시켜 버릴 수 있다. 고가인 이유는 5 축 머신은 워크피스의 기계 가공시에 빈번하게 마주치는 고 부하(high load)를 견디면서도 매우 정밀한 치수 허용 오차 내의 커팅(cutting), 연마(grinding) 또는 드릴링(drilling)을 허용해야 하는 조건 때문이다. 고 부하는 워크피스에 연마 휠, 드릴의 날, 또는 톱날이 강제로 접촉하여 발생하는 것이다. 워크피스를 절삭 가공하는 이들 종래 기술의 툴은 상기 툴에 장착되어 절삭 가공을 수행하기 위해서는 워크피스와 접촉해야 하기 때문에, 상기 툴은 가공 중에 마주치는 부하(load)를 견뎌야만 한다. 따라서, 종래 기술의 5 축 머신 툴은 견고(robust)해야 하고, 따라서, 통상적으로 제조하는데 있어서 고가이다.

연마제가 혼합된 워터 제트로 워크피스를 가공하는 경우, 노즐(10)이 워크피스와 접촉하지 않기 때문에, 5 축 머신은 커팅, 연마, 드릴링 공정 중의 고 부하를 견딜 필요가 없다. 대신에, 5 축 머신은 노즐(10)로부터 고속으로 방출되는 연마제가 혼합된 워터 제트(12)의 반동 부하를 견뎌야 한다. 이 반동 부하는 통상적으로 종래 기술의 연마 휠, 드릴의 날(bit), 또는 톱날에 의해서 생성되는 강제 접촉 부하보다 훨씬 낮을 것이고, 커팅 공정 중에 상대적으로 일정하게 유지될 것이다. 따라서, 종래 기술의 5 축 머신의 견고한 특성은 연마제가 혼합된 제트 툴의 운전에서는 불필요하다.

따라서, 유저에게 두 개의 직교하는 작업용 축에 대해서 워크피스에 대해 툴을 피벗하는 기능을 제공하는, 툴을 파지하고 기울이기 위한 저렴한 장치에 대한 요구가 있었다.

본 발명은 머신 툴(machine tool)을 파지하고 기울이는 장치를 제공한다. 더욱 상세하게는, 상기 장치의 실시예는 베이스(base)에 대해 툴을 파지하고 기울인다. 상기 장치는 머신에 장착 가능하고, 제 1 베이스 피벗과 제 2 베이스 피벗을 갖는 베이스로서, 상기 베이스 피벗들이 베이스 피벗거리를 갖는 베이스 라인을 규정하는 베이스를 포함한다. 상기 장치는 또한 상기 제 1 베이스 피벗에 결합된 제 1 피벗 암, 상기 제 2 베이스 피벗에 결합된 제 2 피벗 암을 포함한다. 툴 홀더는 상기 제 1 피벗 암과 결합된 제 1 툴 홀더 피벗과 상기 제 2 피벗암과 결합된 제 2 툴 홀더 피벗을 갖고 상기 툴 홀더 피벗들은 상기 베이스 피벗 거리와 다른 피벗 거리를 갖는 툴 홀더 라인을 규정한다. 상기 툴 홀더는 상기 머신 툴을 파지하도록 배치된다. 상기 베이스 라인과 선택된 피벗 암의 교차부는 제어각을 규정하며, 상기 제어각을 변경하면 상기 베이스 라인에 대해서 상기 툴 홀더의 경사가 변경되며, 이에 대응하여 정점에서 실질적으로 상기 툴의 종축을 기울인다. 정점은 상기 제 1 베이스 피벗과 상기 제 1 툴 홀더 피벗을 통한 제 1 라인, 및 상기 제 2 베이스 피벗과 상기 제 2 툴 홀더 피벗을 통한 제 2 라인을 연장하도록 규정된다. 상기 피벗 암들의 길이는 동일하고, 하나의 피벗 암에 결합된 상기 피벗은 원통형의 운동만 허용한다. 상기 장치는 상기 제어각을 변경하는 액추에이터를 포함한다. 적어도 하나의 피벗 암 상의 상기 피벗은 상기 베이스 주위로의 상기 툴 홀더의 회전 이동을 구속한다. 상기 툴은 연마제가 혼합된 워터 제트 커팅툴을 포함하는 제트 커팅툴과 같은 커팅툴이다.

본 발명의 다른 실시예는 정점에서 실질적으로 경사 범위에 걸쳐서 툴을 파지하고 기울이는 장치를 제공한다. 상기 장치는 머신에 장착 가능한 베이스를 포함하고, 상기 베이스는 제 1, 제 2, 및 제 3 베이스 피벗을 갖으며, 상기 피벗은 베이스 삼각형을 규정하도록 배치된다. 상기 장치는 제 1, 제 2, 및 제 3 베이스 피벗에 각각 결합된 제 1, 제 2, 및 제 3 피벗 암을 또한 포함한다. 상기 장치는 제 1, 제 2, 및 제 3 피벗 암에 각각 결합된 제 1, 제 2, 및 제 3 툴 홀더 피벗을 갖는 툴 홀더를 포함하고, 상기 툴 홀더 피벗은 툴 홀더 삼각형을 규정하도록 배치되며, 상기 툴 홀더는 상기 머신 툴을 파지하도록 배치된다. 각각 한 쌍의 피벗 암, 및 상기 한 쌍의 피벗 암에 의해서 결합되는 상기 툴 홀더 삼각형 측과 상기 베이스 삼각형 측은 사각형 형상을 규정한다. 이와 같은 형상에서, 상기 툴 홀더 삼각형 측의 길이는 상기 베이스 삼각형 길이 이하이고, 상기 베이스 삼각형의 일 측과 하나의 피벗 암 사이의 교차부는 제어각을 규정하며, 따라서, 상기 제어각을 변경하면 상기 베이스 삼각형에 대하여 상기 툴 홀더 삼각형이 기울어지고, 이에 대응하여 상기 정점에서 실질적으로 상기 툴의 종축이 기울어진다. 상기 정점은 상기 제 1 베이스 피벗 및 상기 제 1 툴 홀더 피벗을 통한 제 1 라인, 상기 제 2 베이스 피벗 및 상기 제 2 툴 홀더 피벗을 통한 제 2 라인, 및 상기 제 3 베이스 피벗 및 상기 제 3 툴 홀더 피벗을 통한 제 3 라인을 연장하도록 규정된다. 상기 경사 범위는 상기 파지된 툴의 종축에 대해 임의 방향으로 0도 이상 20도 이하이다.

본 발명의 다른 실시예는 실질적으로 정점에 대해 경사 범위에 걸쳐서 X와 Y축으로 툴을 파지하고 기울이는 장치를 제공한다. 상기 장치는 머신에 장착 가능하고 Z축 주위로의 회전에 대항하여 고정되며, 상기 경사 범위에 걸쳐서 실질적으로 구형의 가상 안내면(guide)을 규정하며 정점에서 중심(center)을 갖는 요소를 포함한다. 상기 장치는 상기 툴을 견고하게 파지하도록 배치되고, 상기 실질적으로 구형의 가상 안내면을 추종하도록 배치되어 상기 정점과 교차하는 툴의 종축을 갖는 상기 툴을 파지하도록 배치된 툴 홀더(tool holder)를 또한 포함한다. 상기 구형의 가상 안내면을 규정하는 상기 요소는 복수의 피벗 암을 포함하며, 상기 암은 상기 베이스에 피벗 가능하게 결합된 제 1 단부, 및 상기 툴 홀더에 피벗 가능하게 결합된 제 2 단부를 가지며, 상기 제 2 단부는 상기 구형 형상의 안내면을 규정하고 있다. 상기 안내면 추종 요소는 복수의 툴 홀더 피벗을 구비하며 하나의 피벗 암의 제 2 단부에 결합된 각각의 툴 홀더 피벗을 포함한다. 상기 구형 형상의 안내면을 규정하는 상기 요소는 실제로 구형의 안내면 부재를 포함한다. 상기 툴 홀더 안내면 추종 부재는 실질적으로 구형의 추종면을 포함한다. 상기 툴은 제트 커팅 툴 또는 연마제가 혼합된 워터 제트 커팅 툴과 같은 커팅 툴이다. 상기 경사 범위는 상기 파지된 툴의 종축에 대해 임의의 방향으로 0도 이상 45도 이하이다.

본 발명의 상술한 특징 및 다양한 다른 특징뿐만 아니라 이점들은 이하의 발명의 상세한 설명을 읽고 첨부된 도면을 참고함으로써 명백해질 것이다.

도 1a는 연마제가 혼합된 워터 제트(water jet)로 절단 중인 워크피스와, 절단 결과 내에서의 편향을 나타낸 도면.

도 1b는 제트에 의해 형성된 워크피스의 절단 에지 내의 베벨형 테이퍼를 나타낸 도면.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라, 1 축 내에서 정점(vertex)에 대해 툴을 파지하고 기울이는 장치를 나타낸 도면.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 1 축 내에서 정점(60)에 대해 툴(50)을 파지하고 기울이는 장치(70)를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 제어각 변경(Δθ)이 X 축에 대해 툴 홀더를 기울이는 장치의 제 2 구성을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 2 축 내에서 정점에 대해 툴을 파지하고 기울이는 2 축 장치를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 로터리 액추에이터(rotary actuator)로 구동되고, 피벗에 결합되는 2 축 장치를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 리니어 액추에이터(linear actuator)로 구동되는 2 축 장치를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 2 축 내에서 정점에 대해 툴을 파지하고 기울이는 구형(spherical) 2 축 장치의 단면도.

이하, 본 발명의 일부를 구성하는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 상세하게 설명한다. 발명의 상세한 설명 및 도면은 본 발명을 실시할 수 있는 구체적인 예시적인 실시예를 나타낸다. 이들 실시예는 당업자들이 본 발명 을 용이하게 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 기술된다. 본 발명의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않고 다른 실시예를 실시할 수 있거나 다른 변경을 가할 수 있다. 따라서, 이하의 발명의 상세한 설명은 의미를 제한해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 범위는 첨부한 청구 범위에 의해 규정된다.

명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐서, 문맥에서 다르게 지시하지 않는 이상 이하의 용어는 본 발명에서 명백히 관련되는 의미를 가진다. '하나', '한', '일' 및 '이', '저', '그', '상기' 등의 의미는 복수에 대한 참조를 포함한다. '내', '내부', '안'의 의미는 '내', '내부', '안', 및 '위', '상'을 포함한다. 또한, 단수 명사에 대한 참조는 본 명세서에서 다르게 언급되거나 모순되지 않는다면 복수에 대한 참조를 포함한다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 1 축 내의 정점(60)에 대해서 툴(50)을 파지하고 기울이기 위한 장치(30)를 나타낸 도면이다. 장치(30)는 파지된 툴(50)의 종축(54)이 워크피스(14)의 표면(15)에 대해서 수직인 제 1 구성을 나타낸다. 장치(30)는 머신에 장착 가능하고 Z 축 주위로의 회전에 대하여 고정된 X-Y 테이블과 같은 베이스(32), 툴 홀더(40), 제 1 피벗 암(35), 및 제 2 피벗 암(37)을 포함한다. 베이스(32)는 베이스 라인(31)을 규정하는 제 1 베이스 피벗(34) 및 제 2 베이스 피벗(36)을 포함하며 베이스 피벗 거리(33)에 의해 분리되어 있다. 툴 홀더(40)는 툴 홀더 라인(41)을 규정하는 제 1 툴 홀더 피벗(44) 및 제 2 툴 홀더 피벗(46)을 포함하며, 툴 홀더 피벗 거리(43)에 의해 분리되어 있다. 치수(346)는 Z 축을 따라 제 2 베이스 피벗(36)과 제 2 툴 홀더 피벗(46) 사이의 거리이다. 라인 (62)은 제 1 툴 홀더 피벗(44)을 통해 제 1 베이스 피벗(34)으로부터 돌출(projected)되어 있고, 라인(64)은 제 2 툴 홀더 피벗(46)을 통해 제 2 베이스 피벗(35)으로부터 돌출되어 있다. 라인(62, 64)은 정점(60)에서 교차한다. 제어각(θ)은 베이스 라인(31), 툴 홀더 라인(41), 제 1 피벗 암(35)의 종축, 및 제 2 피벗 암(37)의 종축에 의해 형성되는 사각형 형상 내에서 규정되는 임의의 각도 중 하나이다. 도 2a는 베이스 라인(31)과 제 2 피벗 암(37)의 종축의 교차부에 의해 규정되는 각도로서의 제어각(θ)을 나타내며, 따라서 제어각(θ)을 변경하면 베이스 라인에 대한 툴 홀더의 경사가 변경되며, 이에 대응하여 실질적으로 정점에 대해서 툴의 종축이 기울어진다.

피벗(34, 36, 44, 46)은 힌지(hinge)와 같이 X-Z 평면에서만 툴 홀더(40)의 이동을 허용하는 원통형의 베어링(cylindrical bearing)일 수 있다. 다르게는, 피벗(34, 36, 44, 46)은 복수 평면에서의 이동을 허용하는 구형 베어링(spherical bearing)일 수 있다. 또 다르게는, 피벗(34, 36, 44, 46)은 부분적으로 툴 홀더(40)의 원하는 이동성에 따라 원통형과 구형 베어링을 모두 포함할 수도 있다. 예를 들면, 피벗(36, 46)은 Y 축 주위로만 툴 홀더(40)의 이동을 허용하고, X축과 Z축 주위로의 회전은 구속하는 원통형 베어링일 수 있다. 나머지 베어링은 구형 베어링일 수 있다. 도 2a에 나타낸 실시예에서, 툴 홀더의 피벗 거리(43)는 베이스의 피벗 거리(33) 이하이다. 장치(30)의 구성 요소는 장치(30)의 무게 및 파지된 툴(50)을 지지하고, 툴(50)에 의해 생성되는 힘에 저항하고, 또한 베이스(32)에 적용되는 제어 이동을 전달하기 위해서, 강철(steel)과 같은 실질적으로 견고한 임의의 재료로 형성된다.

밑변이 베이스 라인(31)이고, 제 1 변이 제 1 베이스 피벗(32)과 정점(60) 사이로 규정되는 제 1 선분, 및 제 2 변이 제 2 베이스 피벗(36)과 정점(60) 사이로 규정되는 제 2 선분인 삼각형으로서의 정점(60)을 참고하여 장치(30)에 대해 설명한다. 장치(30)의 요소는 밑변이 베이스 라인(31)이고, 제 1 변이 제 1 피벗 암(35)이고, 제 2 변이 제 2 피벗 암(37)이며, 제 3 변이 제 1 및 제 2 피벗 암(35, 37) 사이로 연장되는 툴 홀더 라인(41)인 사각형 형상을 규정하는 것으로 나타낼 수도 있다. 장치(30)의 구성 요소에 의해서 기하학적 관계가 규정되기 때문에, 제어각의 변경(Δθ)은 이에 대응하여 피벗(34, 36, 44, 46) 주위로의 사각형 형상 내로 규정되는 나머지 세 개의 각도를 변화시키고, X-Z 평면 내에서 X 축에 대해 툴 홀더(40)를 기울이게 된다. 이것은 또한 베이스(32)의 피벗과 툴 홀더(40)의 피벗 사이에서 Z 축을 따르는 거리, 예를 들면 거리(346)가 변경되도록 한다. 제어각의 변경(Δθ)에 의해서 X 축에 대해서 툴 홀더(40)에 부여된 경사도(degree of tilt)는 베이스 피벗 거리(33), 툴 홀더 피벗 거리(43), 베이스 피벗 거리(33)와 툴 홀더 피벗 거리(43) 사이의 차이, 및 피벗 암(35, 37)의 상대적인 길이와 절대적인 길이의 함수이다. 제어 각의 변경(Δθ)에 의해 X축에 대해서 툴 홀더(40)에 부여되는 경사도, 및 이에 대응하는 Z 축에 대한 종축(54)의 경사, 및 정점(60)으로부터의 툴 팁(tool tip)(52)의 변위를 기술하기 위해서는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 알려진 다각형을 설명하기 위한 어떠한 수학적 모델도 사용할 수 있다.

장치(30)의 실제 치수는 장치(30), 파지될 툴(50), 및 워크피스(14)의 원하 는 기능에 따라 선택할 수 있다. 장치(30)와 장치에 파지된 툴 사이의 관계를 기술하기 위해서, 도 2는 툴(50)을 파지하고 있는 툴 홀더(40)를 나타내고 있으며, 파지된 툴(50)은 노즐(10)에 대응하는 툴 팁(52)과 종축(54)을 갖는다. 도 2는 정점(60)에 근접한 툴 팁(52)과 정점(60)과 교차하는 종축(54)을 나타내고 있지만, 툴 팁(52)은 정점(60)과 임의의 공간적 관계를 가질 수도 있다. 도 2는 대략적으로 등변 삼각형이 형성된 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 또한, 피벗 암(35, 37)은 동일한 것으로 도시되어 있으며, 베이스 피벗과 정점(60) 사이 거리의 대략 50%의 길이를 갖는다. 피벗 암(35, 37)이 동일한 경우, 베이스 라인(31)은 툴 홀더 라인(41)과 대략 평행하고, 툴 홀더의 피벗 거리(43)는 베이스의 피벗 거리(33)의 대략 1/2이며, 장치(30)의 구성 요소는 제 1 구성에서 사다리꼴을 형성한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 장치(30)의 요소는 툴 홀더 피벗 거리(43)가 베이스 피벗 거리(33)와 항상 다른 점만 제외하고, 임의의 선택된 치수를 가질 수 있다. 워크피스 표면(15)과 툴 팁(52) 사이에 정점(60)이 위치된 것으로 도시되어 있지만, 이 정점(60)은 원하는 기능에 따라서 워크피스(14) 내에 있을 수도 있다. 또한, 원하는 기능에 따라서 워크피스 표면(15)과 정점(60) 사이, 또는 정점(60)과 툴 홀더(40) 사이에 툴 팁(52)이 위치할 수도 있다.

다른 실시예에서, 피벗 암(35, 37)은 툴(50)이 툴 자체의 기능을 실행하도록 허용하는한 가능한 길게 형성된다. 이 실시예는 경사 범위에 걸쳐서 정점(60)으로부터 팁(52)의 변위를 최소화한다. 다른 실시예에서, 피벗 암은 두 개 이상의 실제 피벗 암의 동작에 의해 규정되는 가상 피벗 암(virtual pivot arm)일 수도 있다. 예를 들어, 피벗 암(35)과 여기에 결합된 피벗(34, 44)은 공간적으로 이격된 두 개의 피벗 암 및 Y 축으로부터 0의 거리에 있는 두 개의 X-Z 평면에 위치한 상기 두 개의 피벗 암과 결합한 피벗의 거동에 의해 규정될 것이다.

또한, 도 2a는 장치(30)의 기하학적 모델을 나타낸 도면이다. 피벗(34) 주위로 피벗(pivot)되는 제 1 피벗 암(35)은 호(R35)를 규정하고, 피벗(36) 주위로 피벗되는 제 2 피벗 암(37)은 호(R37)를 규정한다. X-Z 평면 내에서 정점(60) 주위로 피벗되는 툴 홀더(40)의 피벗(44, 46)은 반경(R)(나타내지 않음)을 갖는 호(RV)를 규정한다. 피벗 암의 길이가 동일한 경우, 반경(R)은 라인(64)의 길이와 피벗 암의 길이 사이의 차이이다. 호(R35, R37)는 결합되어 X 축에 대한 툴 홀더(40)의 작은 경사각에 걸쳐서 정점(60)에 대해서 가상의 원형 안내 라인을 규정한다. 툴 홀더(40)를 기울이는 경우, 호(RV)는 개념적으로 호(R35, R37)에 의해 형성되는 원형의 가상 안내 라인에 대해서 이동하고, 또한 안내되는 것과 같이 종축(54)의 작은 경사각에 걸치는 것으로 볼 수 있다. 최대 약 5도까지와 같은 작은 경사각에 대해서는, 툴 팁(52)은 정점(60)으로부터 매우 작은 변위를 가지고 정점(60)에 대해 피벗할 것이다. 경사각이 20도 및 45도 사이의 범위로 더 증가함에 따라, 툴 팁(52)은 정점(60)에 대해서 실질적으로 피벗되어, 어느 정도의 변위가 발생될 것이다. 변위량은 장치(30)의 기하학적 함수이다. 장치(30)와 툴(50)이 전형적인 X-Y-Z 축 머신에 대해 비교적 적은 질량으로 조립되기 때문에, 경사각이 20도 내지 45도의 범위 내에 있는 경우 정점(60)으로부터의 툴 팁(52)의 변위는 빠르고 용이하게 보정될 수 있다.

기하학적인 모델에 대해서 더 설명하면, 장치의 기하학은 각각 다른 두 개의 구(ball)와 접촉하는 외주부를 갖는 세 개의 구로도 모델화될 수 있다. 두 개의 구의 외주부는 두 개의 가상 안내 부재로서 고려될 수 있는 호(R35, R37)를 형성하는 것과 같이 시각화된다. 세 개의 구는 반경(R) 및 호(RV)를 형성하는 외주부를 갖는 것과 같이 시각화될 수 있다. 툴 홀더(50)의 피벗(44, 46)은 정점(60) 주위로 회전하고 호(RV) 상에 놓여있는 것처럼 시각화될 것이다. 또한, 제 3 구는 다른 두 개의 구보다 반경이 작은 것처럼, 시각화될 수 있다. 이를 염두에 두면, 제 3 구의 호(RV) 부분이 다른 두 개의 구의 호(R35, R37)에 대해서 회전되거나 기울어지는 것처럼 시각화될 수 있다. 제 3 구의 중심에서의 정점(60)의 위치는 변동하지 않는다. 이 모델을 이용하면, 툴 홀더(40)(제 3 구)에 의해 파지된 툴(50)의 종축(54)이 작은 각도의 경사(또는 제 3 구의 회전)에 걸쳐서 정점(60)과 교차함을 알 수 있을 것이다. 경사가 증가하게 되면, 상기 기하학적인 모델에 의해 제공되는 근사는 구조적으로 피벗(44, 46)이 호(R35, R37)에 구속되고, 호(RV)로부터 멀어지기 때문에, 정점(60)으로부터의 툴 팁(52)의 변위 증가를 반영하지 못하고 있다.

후속하는 도면에서 나타낸 바와 같이, 2 축-경사 장치에 대해서는 유사하게 각각의 구가 다른 세 개의 구와 접촉하는 네 개의 구를 가지는 기하학으로 모델화할 수 있다. 세 개의 피벗 암은 세 개의 구를 규정하고 있는 것과 같이 시각화되며, 이 세 개의 구는 구형 형상의 가상 안내면(virtual guide surface)을 제공한다. 툴 홀더는 바람직하게는 더 작은 제 4 구를 규정하고, 정점(60)인 중심을 가지면 반경(R)의 가상의 구를 규정하는 것과 같이 시각화될 수 있다. 제 4 구는 세 개 의 구에 의해서 규정되는 가상 안내면과 접촉하는 가상 안내면 추종 요소를 규정하고 있는 세 개의 피벗 부재에 의해서 시각화될 수도 있다. 제 4 구는 접촉을 유지하는 상태로 다른 세 개의 구에 대해서 회전되거나 기울어질 수 있으며, 정점(60)의 위치는 이동하지 않는다. 이 모델을 이용하면, 상기 1축 경사 장치에서와 같이, 피벗 암을 이용하고 있는 2 축 경사 장치에서는, 마찬가지로 파지된 툴(50)의 종축(54)이 작은 경사각에 걸쳐서 정점(60)에서 교차함을 알 수 있을 것이다. 경사가 증가하게 되면, 상기 기하학 모델에 의해 제공되는 근사는 1축 경사 장치에서와 마찬가지로 툴 팁(52)의 변위 증가를 반영하지 못한다.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 1 축 내에서 정점(60)에 대해 툴(50)을 파지하고 기울이기 위한 장치(70)를 나타낸 도면이다. 장치(70)의 구성 요소는 툴 홀더 피벗 거리(43)가 갖는 정점(60)과 툴 홀더(40) 사이에 베이스(32)가 위치되고, 베이스 피벗 거리(33)보다 큰 점을 제외하면 도 2a에 나타낸 장치(30)의 구성 요소와 실질적으로 유사하다. 베이스(32) 내에 개구(39)가 형성되어 툴 팁(52)이 정점(60)에 근접하여 위치되도록 하고 경사 범위에 걸쳐서 이동할 수 있도록 한다. 장착부(38)는 머신에 베이스(32), 예를 들어, Z 축 주위로의 회전에 대해서 고정된 X-Y-Z 테이블을 장착하기 위한 것으로 도시되어 있다. 장치(70)는 툴 홀더(40)와 정점(60) 사이에서의 베이스(32)의 실제 배치를 제외하면 장치(30)와 실질적으로 유사하게 기능한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 제어각의 변경(Δθ)이 X 축에 대해서 툴 홀더(40)를 기울이게 하는 장치(30)의 제 2 구성을 나타낸 도면이다. 이 제 2 구성에서, 툴 홀더 라인(41)은 제어각의 변경(Δθ)에 의해서 X 축에 대해서 기울어진다. 장치(30)의 요소에 의해서 기하학적 관계가 성립되기 때문에, 제어각의 변경(Δθ)은 장치(30)를 제 2 구성으로 이동시키고, X 축에 대해서 제 1 구성으로부터 툴 홀더 라인(41)을 기울인다. 툴(50)과 같은, 툴 홀더(40) 상에 파지된 툴은 X 축 내에서 대응하여 기울어지고 정점(60)에 대해서 기울어진 종축(54)을 가지며, Z 축에 대한 경사는 X 축에 대한 툴 홀더(40)의 경사와 동일해질 것이다. 따라서 툴 팁(52)은 장치(30)의 요소와 정점(60)에 대한 툴 팁(52)의 위치에 의해 성립되는 기하학적 관계의 함수인 양으로, 작은 경사각에 걸쳐 정점(60)으로부터 X 축을 따라 약간만 변위될 것이다.

동작시에, 장치(30)의 실시예는 X 축 및 Z 축 주위로 툴 홀더의 회전 이동에 저항하고, Y 축 주위(X-Z 평면에서)로 제어된 이동을 허용하는 피벗(34, 44) 또는 (36, 46)에 대해 적어도 하나의 피벗 암(35, 37)의 양 단부 내의 원통형 베어링을 이용한다. 제어각의 변경(Δθ)은 제 2 베이스 피벗(36) 주위로 제 2 피벗 암(37)이 회전하도록 동작 가능하게 베이스(32)와 제 2 피벗 암(37) 사이에 결합된 회전형 액추에이터(actuator)(도시하지 않음)에 의해 가해질 수 있다. 제어각 변경(Δθ)은 Z 축에 대해서 치수(346)를 변화시키고 제 2 툴 홀더 피벗(37)을 이동시키기에 적합한 위치에서 제 2 툴 홀더 피벗(37)과 베이스(32) 사이에 결합된 리니어 액추에이터(linear actuator)(도시하지 않음)에 의해 가해질 수도 있다. 다르게는, 리니어 액추에이터는 제 2 툴 홀더 피벗(46) 대신에 마찬가지로 적합한 위치의 제 2 피벗 암(37) 또는 툴 홀더(40)에 결합될 수도 있다. 툴(50)로써 나타낸 연마제가 혼합된 워터 제트 커팅 툴은 툴 홀더(40)에 의해 파지되어 있다. 도 2에 나타낸 제 1 구성에서, 노즐(10)은 그 종축(54)이 제 1 및 제 2 툴 홀더 피벗(44, 46) 사이에 나타낸 선분(line)에 대해 수직으로 및 이 선분의 중심점에 위치하도록 위치 설정된다. 또한, 노즐(10)은 연마제가 혼합된 워터 제트(12)가 정점(60)에 인접하여 방출되고, 또한 워크피스 표면(15)에 대해 수직으로 방출되며, 정점(60)이 워크피스(15)의 표면과 노즐(10) 사이에 있도록 위치 설정된다. 연마제가 혼합된 워터 제트의 이동(19)은 Y 축을 따라 노즐(10)이 진행하도록 지향된다.

도 3에 나타낸 바와 같이, X 축을 따라서 및 Z 축에 대해 연마제가 혼합된 워터 제트(12)의 종축(52)을 기울이고자 하는 경우, 제어 각 변경(Δθ)은 회전형 또는 리니어 액추에이터를 이용함으로써 장치(30) 상에 가할 수 있다. 제어 각 변경(Δθ)의 결과, 툴 홀더 라인(41)은 X 축에 대해서 기울어져서, Z 축 및 워크피스 표면(15)에 대해서 종축(54)의 입사각이 증가하게 된다. 정점(60)으로부터 X 축을 따르는 툴 팁(52)의 대응하는 어떠한 변위도 반대 방향으로 베이스(32)를 이동하는 것에 의해서 보상될 수 있다.

임의의 방향으로 대략 20도 내지 45도의 범위의 경사각에 대해, 노즐 팁(10)과 그 종축(52)은 실질적으로 정점(60) 부근에서 기울어지며, 노즐 팁(10)은 정점(60)에서의 원위치로부터 약간만 이동한다. 장치(30)의 기하학은 도면의 평면에 대해서 수직인 축을 갖는 정점(60)에 위치한 원통형 베어링과 근사하게 된다. 툴(50)은 정점(60)으로부터 X 축을 따라 툴 팁(52)의 상대적으로 작은 변위에 대해 보상하도록 베이스(32)가 작은 가속도로 정점(60) 주위로 신속하게 기울어질 수 있다. 이 특징은 큰 가속도가 불가능하거나 구조 내에서 진동을 발생시키는 대형의 이동 구조에 의해서 베이스(32)가 파지되는 머신에서 특히 중요하다.

덜 바람직한 다른 실시예에서, 액추에이터는 생략되며, 제어각 변경(Δθ)은 제 2 피벗 암(37) 또는 툴 홀더(40)에 연결된 핸들(도시하지 않음)을 사용하는 조작자(operator)에 의해 수동으로 가해진다. 제어 각(Δθ)을 고정하기 위해서, 디텐트 메커니즘(detent mechanism)과 같은 메커니즘도 제공된다.

다른 실시예에서는, 도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이, 단 하나의 장치 대신에 툴 홀더(40)의 2 축 경사를 제공하도록 하는 임의의 방식으로 두 개의 장치(30)가 조합될 수도 있다. 예를 들면, 조합에는 장치(30)와 유사하고, Y-Z 평면에 놓여 있고 베이스(32)에 대해 수직인 다른 한 쌍의 베이스 피벗을 포함하고 있는 다른 베이스를 갖는 Y-Z 평면으로 지향된 다른 장치를 포함할 수도 있다. 제 2 장치는 Y-Z 평면에 놓인 다른 한 쌍의 피벗을 갖는 제 2 홀더를 갖는다. 제 2 홀더는 베이스(30)에 견고하게 결합되며, 따라서 Y축에 대해 제 2 홀더를 기울이면 이에 대응하여 Y 축에 대해서 베이스(30)와 툴 홀더(40)가 기울어진다.

도 4는 본 발명에 따른 2 축 내에서 정점(60)에 대해 툴(50)을 파지하고 기울이기 위한 2 축 장치(100)를 나타낸 도면이다. 2 축 장치(100)는 파지된 툴(50)의 종축(54)이 워크피스(14)의 표면(15)에 대해서 수직이 되는 제 1 구조로 도시되어 있다. 2 축 장치(100)는 Z축 주위로의 회전에 대해서 고정되는 X-Y 테이블과 같은 머신(machine)에 장착 가능한 베이스(110), 툴 홀더(140), 및 피벗 암(132, 134, 136)을 포함하고, 베이스(110)는 각각 장치(30)에서의 방법과 같이 피벗 라인 을 규정하고 있는 베이스 피벗 거리에 의해 각각 분리된 제 1, 제 2, 및 제 3 베이스 피벗(112, 114, 116)을 포함한다. 툴 홀더(140)는 각각 장치(30)에서의 방법과 같이 피벗 라인을 규정하고 있는 툴 홀더 피벗 거리에 의해 각각 분리된 제 1, 제 2, 및 제 3 툴 홀더 피벗(142, 144, 및 146)을 포함한다. 피벗 암(132, 134, 136)은 각각 대응하는 베이스 피벗(112, 114, 116)과 툴 홀더 피벗(142, 144, 146) 사이에서 결합되어 있다.

피벗은 복수의 평면 내에서 베이스(110)에 대해 툴 캐리어(tool carrier)(140)의 이동을 허용하는 구형 베어링일 수 있다. 그러나, 구형 베어링만 사용한다면, 툴 캐리어(140)는 베이스(110)에 대해 Z 축 주위로의 회전으로부터 제한될 필요가 있다. 이와 같은 회전은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 알려진 임의의 방법으로 제한할 수도 있다. 회전은 도 4에 나타낸 실시예에서 두 개의 자유도, 즉 X 축과 Y 축 주위로의 회전은 허용하지만 Z 축 주위로의 회전은 제한하는 피벗(116, 146)과 같은 유니버셜 조인트(universal joint)를 이용함으로써 제한된다. 2 축 장치(100)의 구성 요소는 장치(100)와 파지된 툴(50)의 무게를 지지하고, 파지된 툴(50)에 의해 생성되는 힘에 저항하고, 또한 베이스(110)에 적용되는 제어 이동을 전달하기에 적합한 실질적으로 견고한, 예를 들면 강철(steel)로 형성된다.

2 축 장치(100)는 피벗(112, 114, 116) 사이에 형성되는 삼각형 밑면과 정점(60)에서 마주치는 세 개의 평면변을 갖는 사면체로 기술될 수 있다. 사면체의 제 1 평면은 장치(30)에서와 유사한 방식으로 라인(31, 62, 64)에 의해 규정된다. 두 개의 다른 사면체의 평면은 삼각형 밑면의 다른 에지 및 베이스 피벗(112)과 정점 (60) 사이에 그은 선분에 의해 유사하게 규정된다. 툴 캐리어(140)는 사면체의 측면과 교차하는 피벗(142, 144, 146)에 의해 형성되는 삼각형의 툴 평면으로서 기술될 수 있다. 2 축 장치(100)는 도 2 내지 도 3에서 장치(30)를 1 축으로 기울이는 것과 유사한 방식으로 툴 케리어(140) 내에 파지된 툴(50)을 정점(60)에 대해 X와 Y 축으로 기울인다.

도 4의 2 축 장치(100)는 X와 Y 방향으로 두 개의 경사각에 대응하는 두 개의 자유도를 갖는다. 2 축 장치(100)가 동작하여 로봇 방식의 메카니즘으로 이들 각도를 생성할 수 있는 방법은 매우 많다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 피벗(116)에 결합된 로터리 액추에이터(180, 182)로 구동되는 2 축 장치(100)를 나타낸 도면이다. 로터리 액추에이터(180, 182)는 각각 X 및 Y 방향으로 피벗(116)의 유니버셜 조인트의 제어각(θ)을 변경하도록 배치되어 있으며, 정점(60)에 대해 툴 홀더(140)를 기울인다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 리니어 액추에이터(186, 188)로 구동되는 2 축 장치(100)를 나타낸 도면이다. 베이스(110)는 상판(top plate)(115)에 견고하게 결합되며, 이들 모두는 Z 축 주위로의 회전에 대해서는 고정된 X-Y-Z 테이블과 같은, 머신에 장착하기 위한 마운트(mount)(184)에 결합된다. 툴 홀더(140)는 두 개의 액추에이터 링크(actuator link)(187, 189)에 의해 상판(115)에 이동 가능하게 링크되며, 각각의 링크는 링크 단부에서 구형 베어링 상에 지지되어 있다. 상술한 바와 같이, 피벗 암(136)은 각각 상부와 하부의 유니버셜 조인트(116, 146)에 의해서 베이스(110)와 툴 홀더(140) 사이에 연결된다. 변경 가능한 치수(346a)는 Z 축을 따라 상부 링크 피벗(149a)과 툴 홀더 링크 피벗(149) 사이에 측정되는 것과 같은 링크(187) 및 그 액추에이터(186)의 길이이다. 장치(30)에서와 같이, 치수(346a)의 길이 변경은 제어 각(θ)(도시하지 않음)을 변경시킨다. 링크(189)와 액추에이터(188)는 장치(100)의 다른 제어 각(θ)(도시하지 않음)을 변경시키는 Z 축을 따라서 변경 가능한 치수도 갖는다. 하나의 액추에이터가 길어지면서 다른 액추에이터가 동일한 양만큼 짧아지게 되면, 기울어짐은 Y 차원에서 발생한다. 이들 액추에이터가 모두 동일한 양만큼 길어지거나 짧아지게 되면, 기울어짐은 X 차원에서 발생한다.

유니버셜 조인트(116, 146)는 요크(yoke)를 형성하여, 이 요크의 X 및 Y 축 주위로의 2 도의 회전 자유도를 제공하지만, 요크에 대해서 수직인 Z 축 주위로의 회전 이동은 방해한다. 따라서, 유니버셜 조인트(116, 146)는, 베이스(110)가 툴 홀더(140)에 대해 Z 축 내에서 회전할 수 없도록 하는 구속을 가한다. 툴 홀더(140)는 도 2의 장치(30)의 단일 방향 기울어짐과 유사한 방식으로 가상 피벗 포인트(60)에 대해 두 개의 방향으로 기울어진다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 2 축 내에서 정점(60)에 대해 툴(50)을 파지하고 기울이기 위한 구형(spherical)의 2 축 장치(200)의 횡단면도이다. 구형의 2 축 장치(200)는 파지된 툴(50)의 종축(54)이 워크피스(14)의 표면(15)에 대해서 수직인 제 1 구성과, 상기 종축(54)이 정점(60)에 대해 기울어진 제 2 구성을 모두 나타내고 있다. 본 발명에서 사용된 바와 같이, 구형 구조에 대한 언급은 불완전한 반구와 같이, 완전한 구의 일부만을 포함하는 구조를 포함한다.

2 축 장치(200)는 X-Y 테이블과 같이, 머신에 장착 가능한 베이스(232), 툴 홀더(240), 및 툴 홀더 가이드부(260)를 포함한다. 베이스(232)는 가이드부(260)를 파지하기 위해 배치된 제 1 및 제 2 툴 홀더 지지 부재(234, 236)를 포함한다. 툴 홀더 가이드부(260)는 반경이 R인 구형의 안내면(262)을 갖는 하부 지지부(266), 상부 지지부(264), 및 각각 방해 없이 툴 홀더(240)에 의해서 파지된 툴(50)의 경사 이동(270)을 허용하는 상부 지지부(262)와 하부 지지부(266) 내의 컷아웃 영역(cut-out area)(268, 269)을 포함한다. 툴 홀더(240)는 하부 지지부(266)의 구형의 안내면(262)을 추종하기 위해 반경이 R인 구형의 안내면(242), 및 상부 지지부(264)의 컷아웃 영역(268)의 경계와 접촉하여 이동(270)을 제한하는 스톱(stop)부(248)를 포함한다. 2 축 장치(200)의 구성 요소는 장치(200)와 파지된 툴(50)의 무게를 지지하고, 파지된 툴(50)에 의해 생성되는 힘에 저항하고, 또한 베이스(232)에 적용되는 제어 이동을 전달하기에 적합한 실질적으로 견고한, 예를 들면 강철로 형성된다.

동작시에, 리니어 액추에이터(도시하지 않음)는 툴 홀더(240)와 베이스지역(232)의 일부 사이에 결합되어 X 축과 Y 축 모두를 따르는 경사 이동(270)을 제공한다. 예를 들면, 하나의 리니어 액추에이터는 스톱부(248)와 지지 부재(234) 사이에 제공되어 X 축을 따르는 경사 이동(270)을 제공할 수 있다. 다른 리니어 액추에이터는 Y 축을 따르는 경사 이동(270)을 제공하는 방식으로 스톱부(248)와 베이스(232)의 일부 사이에 결합될 수 있다. 구형 2 축 장치는 본 명세서에서 상술한 다른 실시예와 실질적으로 유사하게 조작될 수 있다. 툴 홀더 가이드(260)의 구형 안 내면(262)의 중심은 정점(60)에 인접하여 위치된다. 커팅 툴(50)의 노즐은 그 종축(54)이 초기에는 정점(60)에 대해 수직이고, 이후 정점(60)을 통과하도록 위치된다. 또한, 커팅 툴(50)의 노즐은 연마제가 혼합된 제트(12)가 정점(60)에 인접하여 방출되도록 위치되며, 정점(60)은 워크피스(15)의 표면과 노즐 사이에 있다.

컷(cut)을 수행하기 위해, 연마제가 혼합된 워터 제트의 이동(19)은 Y 축을 따라서 노즐(10)이 진행하도록 지향 된다. X-Z 평면 내에서 연마제가 혼합된 워터 제트를 기울이는 것이 바람직한 경우, 리니어 액추에이터를 사용하여 적절한 양으로 툴 홀더(260)에 대한 경사 이동(270)을 제공한다. 하부 지지부(266)의 구형의 안내면(262)은 툴 홀더(240)의 구형의 안내면(242)이 경사 이동(270)의 범위에 걸쳐 정점(60)으로부터 거리를 R로 유지하며, 상부 지지부(264)는 구형 안내면(242)이 경사 이동(270)의 범위에 걸쳐 구형의 안내면(262)과의 적절한 접촉을 유지한다. Y-Z 평면 내에서 연마제가 혼합된 워터 제트를 기울이는 것이 바람직한 경우, 다른 리니어 액추에이터를 사용하여 적절한 양으로 툴 홀더(260)에 대한 경사 이동(270)을 제공한다. 장치(100)에서와 마찬가지로, 장치(200)는 커팅 조건을 충족시키기 위해서 동시에 두 개의 방향으로 기울어질 수 있다.

다른 실시예에서, 툴 홀더(260)는 구형 안내면(262)에 대해서 및 정점(60)에 대해서 툴 홀더(260)의 이동을 허용하도록 배치된 복수의 베어링을 포함할 수 있다. 베어링은 구형 안내면(242)에 의해 제공되는 안내 기능을 수행한다.

특정한 바람직한 실시예를 참조하여 상당히 상세하게 본 발명을 설명하였지만, 다른 실시예도 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 정신 또는 범위는 본 명 세서에 포함된 실시예의 설명에만 제한되지 않는다. 본 발명의 권리는 특허 청구 범위에 귀속된다.

Claims

베이스(base)에 대해서 툴(tool)을 파지하고 기울이는 장치에 있어서,

머신(machine)에 장착 가능하고, 제 1 베이스 피벗(pivot)과 제 2 베이스 피벗을 갖는 베이스로서, 상기 베이스 피벗들이 베이스 피벗 거리(distance)를 갖는 베이스 라인(base line)을 규정하는 상기 베이스와,

상기 제 1 베이스 피벗에 결합된 제 1 피벗 암(arm)과,

상기 제 2 베이스 피벗에 결합된 제 2 피벗 암, 및

상기 제 1 피벗 암에 결합된 제 1 툴 홀더(holder) 피벗과 상기 제 2 피벗암에 결합된 제 2 툴 홀더 피벗을 갖는 툴 홀더(tool holder)로서, 상기 툴 홀더 피벗들이 상기 베이스 피벗 거리와는 다른 피벗 거리를 갖는 툴 홀더 라인(tool holder line)을 규정하며, 상기 툴 홀더는 상기 머신의 툴을 파지하도록 배치된 툴 홀더를 포함하는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 툴 홀더 피벗 거리는 상기 베이스 피벗 거리 이하인 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 툴 홀더 피벗 거리는 상기 베이스 피벗 거리 이상인 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 베이스 라인과 선택된 피벗 암의 교차부는 제어각을 규정하며, 따라서 상기 제어각을 변경하면 상기 베이스 라인에 대해서 상기 툴 홀더의 경사가 변경되며, 이에 대응하여 상기 툴의 종축이 기울어지는 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 베이스 라인에 대해서 경사 범위에 걸쳐서 상기 툴 홀더를 기울이면, 이에 대응하여 상기 제 1 베이스 피벗과 상기 제 1 툴 홀더 피벗 사이에 규정된 제 1 라인(line), 및 상기 제 2 베이스 피벗과 상기 제 2 툴 홀더 피벗 사이에 규정된 제 2 라인의 교차부에 의해 규정되는 실질적으로 정점(vertex)에 대해서 상기 툴의 종축이 기울어지는 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 베이스에 대한 상기 툴 홀더의 상기 경사 범위는 45도 이하인 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 베이스에 대한 상기 툴 홀더의 상기 경사 범위는 20도 이하인 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 피벗 암들의 길이는 동일한 장치.
제 1 항에 있어서,

하나의 피벗 암에 결합된 상기 피벗은 원통형의 운동만 허용되는 장치.
제 1 항에 있어서,

적어도 하나의 피벗 암 상의 상기 피벗은 상기 베이스 주위로의 상기 툴 홀더의 회전 운동을 구속하는 장치.
제 1 항에 있어서,

하나의 피벗 암은 다른 두 개의 피벗 암의 조합에 의해 규정되는 가상 피벗 암인 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어각을 변경하는 액추에이터(actuator)를 더 포함하는 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 액추에이터는 리니어 액추에이터(linear actuator)인 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 액추에이터는 로터리 액추에이터(rotary actuator)인 장치.
제 1 항에 있어서,

제 3 베이스 피벗과 제 3 툴 홀더 피벗 사이에 결합된 제 3 피벗 암을 갖는 제 3 피벗 조립체를 더 구비하는 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 툴은 커팅 툴(cutting tool)을 포함하는 장치.
제 16 항에 있어서,

상기 커팅 툴은 제트 커팅 툴(jet cutting tool)을 포함하는 장치.
제 16 항에 있어서,

상기 툴은 연마제가 혼합된 워터 제트 커팅 툴(abrasive water jet cutting)툴인 장치
툴을 파지하고 기울이는 장치에 있어서,

머신에 장착 가능하고, 제 1 베이스 피벗, 제 2 베이스 피벗, 및 제 3 베이스 피벗을 가지는 베이스로서, 상기 피벗들은 베이스 삼각형(triangle)을 규정하도록 배치되어 있는 베이스와,

상기 제 1 베이스 피벗에 결합된 제 1 피벗 암과,

상기 제 2 베이스 피벗에 결합된 제 2 피벗 암과,

상기 제 3 베이스 피벗에 결합된 제 3 피벗 암, 및

상기 제 1 피벗 암에 결합된 제 1 툴 홀더 피벗, 상기 제 2 피벗 암에 결합된 제 2 툴 홀더 피벗, 및 상기 제 3 피벗 암에 결합된 제 3 툴 홀더 피벗을 가지고, 툴 홀더 삼각형(tool holder triangle)을 규정하도록 배치되며, 상기 툴을 파지하도록 배치된 툴 홀더를 포함하며,

각각 한 쌍의 피벗 암, 및 상기 한 쌍의 피벗 암에 의해서 결합되는 상기 툴 홀더 삼각형 측과 상기 베이스 삼각형 측은 상기 툴 홀더 삼각형 측의 길이(length)가 상기 베이스 삼각형 측의 길이와는 다른 사각형 형상을 규정하는 장치.
제 19 항에 있어서,

상기 베이스 삼각형의 일 측과 하나의 피벗 암 사이의 교차부는 제어각을 규정하며, 따라서 상기 제어각을 변경하면 상기 베이스 삼각형에 대하여 상기 툴 홀더 삼각형이 기울어지고, 이에 대응하여 상기 툴의 종축이 기울어지는 장치.
제 20 항에 있어서,

상기 제 1 베이스 피벗과 상기 제 1 툴 홀더 피벗 사이에 규정되는 제 1 라인, 상기 제 2 베이스 피벗과 상기 제 2 툴 홀더 피벗 사이에 규정되는 제 2 라인, 및 상기 제 3 베이스 피벗과 상기 제 3 툴 홀더 피벗 사이에 규정되는 제 3 라인의 교차부에 의해서 정점이 규정되며, 상기 제어각을 변경하면 경사 범위에 걸쳐서 상 기 베이스 삼각형에 대해서 상기 툴 홀더 삼각형이 기울어지고, 이에 대응하여 실질적으로 상기 정점에 대해서 상기 파지된 툴의 종축이 기울어지는 장치.
제 21 항에 있어서,

상기 베이스 삼각형에 대한 상기 툴 홀더 삼각형의 상기 경사 범위는 임의의 방향으로 0도 이상 45도 이하인 장치.
제 21 항에 있어서,

상기 베이스 삼각형에 대한 상기 툴 홀더 삼각형의 상기 경사 범위는 임의의 방향으로 0도 이상 20도 이하인 장치.
제 21 항에 있어서,

상기 툴 홀더 삼각형 측의 길이는 베이스 삼각형 측의 길이 이하인 장치.
제 21 항에 있어서,

하나의 피벗 암에 결합된 상기 피벗은 상기 베이스 주위로의 상기 툴 홀더의 회전 이동을 구속하도록 동작할 수 있는 장치.
제 19 항에 있어서,

상기 파지된 툴은 커팅 제트(cutting jet)인 장치.
경사 범위에 걸쳐서 X와 Y 축으로 툴을 파지하고 기울이는 장치에 있어서,

머신에 장착 가능하고 Z축 주위로의 회전에 대해서 고정되며, 상기 경사 범위에 걸쳐서 실질적으로 구형(spherical)의 가상 안내면(guide surface)을 규정하며, 정점에서 중심(center)을 갖는 요소를 포함하는 베이스, 및

상기 툴을 견고하게 파지하도록 배치되고, 상기 실질적으로 구형의 가상 안내면을 추종하도록 배치된 추종 요소를 포함하며, 상기 정점과 교차하는 툴의 종축을 갖는 상기 툴을 파지하도록 배치된 툴 홀더(tool holder)를 포함하는 장치.
제 27 항에 있어서,

상기 구형의 가상 안내면을 규정하는 상기 요소는 복수의 피벗 암을 포함하며, 각각의 암은 상기 베이스에 피벗 가능하게 결합된 제 1 단부, 및 상기 툴 홀더에 피벗 가능하게 결합된 제 2 단부를 가지며, 상기 제 2 단부는 상기 구형의 안내면을 규정하고 있는 장치.
제 28 항에 있어서,

상기 안내면 추종 요소는 복수의 툴 홀더 피벗을 구비하며, 각각의 툴 홀더 피벗은 하나의 피벗 암의 제 2 단부에 결합된 장치.
제 27 항에 있어서,

상기 구형의 안내면을 규정하는 상기 요소는 실제로 구형의 안내면 부재를 포함하는 장치.
제 30 항에 있어서,

상기 툴 홀더 안내면 추종 부재는 실질적으로 구형의 추종면을 포함하는 장치.
제 27 항에 있어서,

상기 툴은 커팅 툴을 포함하는 장치.
제 27 항에 있어서,

상기 툴은 제트 커팅 툴을 포함하는 장치.
제 27 항에 있어서,

상기 툴은 연마제가 혼합된 워터 제트 커팅 툴을 포함하는 장치.
제 26 항에 있어서,

상기 경사 범위는 상기 파지된 툴의 종축에 대해 임의의 방향으로 0도 이상 45도 이하인 장치.