KR20090120030A - 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치 - Google Patents

초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치에 관한 것으로, 좀더 상세히, 노즐이 형성된 에어베어링으로 지지되는 샤프트와, 모터구동부(10)에 의해 제어되면서 상기 샤프트를 회전시키는 BLDC 모터(20)와, 상기 샤프트를 감싸는 하우징(30)과, 에어컴프레셔(40)로부터 고압의 공기를 공급받아 상기 노즐에 공급하는 에어공급부(50)를 포함하여 구성되는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치에 있어서, 상기 스핀들의 하우징(30)에 구비되어 상기 스핀들의 샤프트 대비 반경방향 진동을 측정하는 진동감지부(60)와; 상기 진동감지부(60)에서 생성된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 신호처리부(70)와; 상기 신호처리부(70)로부터 습득된 진동에 관한 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부(80)와; 상기 샤프트의 일단에 횡방향 및 축방향으로 하중을 가할 수 있는 하중인가장치(100)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치에 관한 것이다.
스핀들, 진동, 동특성

Description

초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치 { Dynamic Characteristic Analysis Device Of Superspeed Air Bearing Spindle }
본 발명은 초고속 에어베어링 스핀들용 동특성 분석 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 200,000 RPM 급의 초고속 에어베어링 스핀들이 성능에 영향을 미치는 주요 파라미터인 회전 속도, 회전 불평형, 공기 압력, 부하 용량 및 축 변형 등이 스핀들의 동특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석할 수 있는 초고속 에어베어링 스핀들용 동특성 분석 시스템에 관한 것이다.
종래 기술은 스핀들의 메인 하우징의 양단 부분에 각각 설치되어 스핀들의 양단의 흔들림을 감지하는 갭 센서와, 갭 센서의 출력에 따라 메인 하우징의 에어 노즐을 통해 분사되는 공기 압력을 제어함으로써, 축 중심의 흔들림을 보상할 수 있는 에어 스핀들 시스템을 제공한다.
하지만, 초고속 스핀들에서는 회전속도를 비롯한 스핀들 파라미터의 미세한 변화에 대해서도 스핀들의 특성이 매우 민감하게 변할 수 있으며 특히 선회 불안정성에 의해 야기되는 Flutter와 같이 스핀들 성능에 치명적인 영향을 미치는 현상이 발생할 수 있어 보다 면밀한 해석과 설계가 요구되는데 현재까지 국내에 이러한 초 고속 에어스핀들의 동특성을 시험, 분석할 수 있는 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 시스템이 존재하지 않았다.
본 발명은 200,000 rpm 급 초고속 에어스핀들의 성능에 영향을 미치는 운전조건, 즉 스핀들 끝단에 작용하는 부하용량에 대한 스핀들의 횡방향/축방향 강성과 스핀들 회전속도, 회전 불평형, 공기 압력, 및 축 변형 등의 변화에 따른 동특성을 측정할 수 있는 초고속 에어베어링 스핀들용 동특성 분석 시스템을 제공하여, 설계자가 설계단계에서 운전 조건들이 스핀들의 동특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하여 초고속 에어베어링 스핀들 설계에 관한 자료를 구축하고 초고속 에어베어링 스핀들의 저 진동구현 및 효과적인 진동방지 대책을 마련할 수 있게 하기 위함이다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치는,
즐이 구비된 에어베어링으로 지지되는 샤프트와, 모터구동부(10)에 의해 제어되면서 상기 샤프트를 회전시키는 BLDC 모터(20)와, 상기 샤프트를 감싸는 하우징(30)과, 고압의 공기를 상기 노즐에 공급하는 에어공급부(40)와, 노즐에 공급되는 공기의 습도를 조절하는 습도조절부(50)를 포함하여 구성되는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치에 있어서,
상기 스핀들의 하우징(30)에 구비되어 상기 스핀들의 샤프트 대비 반경방향 진동을 측정하는 진동감지부(60)와;
상기 진동감지부(60)에서 생성된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 신호처리부(70)와;
상기 신호처리부(70)로부터 습득된 진동에 관한 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부(80)와;
상기 샤프트의 일단(E)에 횡방향 및 축방향으로 하중을 가할 수 있는 하중인가장치(100)를 포함하여 구성되어,
상기 하중인가장치(100)로써 샤프트의 일단에 걸리는 하중을 변화시킬 수 있게 하고, 상기 모터구동부(10)로 샤프트의 회전속도를 변화시킬 수 있게 하고, 에어공급부(40)에 의해 공급되는 공기압력을 변화시킬 수 있게 구성되고, 이때 각 상태에서 스핀들의 하우징(30)의 진동 신호를 측정, 신호처리할 수 있게 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 경우 종래 기술의 문제점이 해결되며, 200,000 rpm 급의 초고속 에어베어링 스핀들이 성능에 영향을 미치는 주요 파라미터인 회전 속도, 회전 불평형, 공기 압력, 부하 용량 및 축 변형 등이 스핀들의 동특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석할 수 있는 초고속 에어베어링 스핀들용 동특성 분석 시스템이 제공된다.
이하 본 발명에 의한 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치의 구성도, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치도이고, 도 3은 발명의 일실시예에 따른 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치도의 사시도이다.
본 발명의 분석장치에 사용되는 스핀들은, 도시된 와 같이, 노즐이 구비된 에어베어링으로 지지되는 샤프트와, 모터구동부(10)에 의해 제어되면서 상기 샤프트를 회전시키는 BLDC 모터(20)와, 상기 샤프트를 감싸는 하우징(30)과, 고압의 공기를 상기 노즐에 공급하는 에어공급부(40)와, 노즐에 공급되는 공기의 습도를 조절하는 습도조절부(50)를 포함하여 구성되는 초고속 에어베어링 스핀들이다.
스핀들은 도2, 도3에 도시된 바와 같이, 테이블(1)에 V-블럭(3)에 안착되어 고정되며, 상기 V-블럭(3)은 고정수단(5)에 의해 테이블(1)에 고정된다.
모터구동부(10)는 BLDC 모터(20)와 전기적으로 연결되는 통상의 인버터, 에어공급부(40)는 통상의 컴프레셔이고, 습도조절부(50)는 통상의 에어드라이어를 채택할 수 있다.또한 에어스핀들은 진동방지 작업 테이블에 고정된 브이블록(V-Block)에 올려 진다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치는 진동감지부(60)와 신호처리부(70)와 디스플레이부(80)와 하중인가장치(100)를 포함하여 구성된다.
진동감지부(60)는 스핀들의 하우징(30)에 구비되어 상기 스핀들의 샤프트 대비 반경방향 진동을 측정한다. 진동감지부(60)는 가속도센서인 것이 바람직하다.
신호처리부(70)는 상기 진동감지부(60)에서 생성된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털신호로 변환한다. 도2에 도시된 바와 같이, 신호처리부(70)는 잡음제거부(잡음제거필터)와, 신호증폭부(신호증폭회로)와, AD 변환부와, 연산부를 포함하여 구성됨이 바람직하다. 연산부는 통상의 컴퓨터의 중아처리장치일 수 있으며, 추가로 데이터 저장부 등을 포함할 수 있다. 디스플레이부(80)는 상기 신호처리부(70)로부터 습득된 진동에 관한 데이터를 디스플레이하며, 통상의 모니터 수단일 수 있다.
하중인가장치(100)는 샤프트의 끝단(E)에 횡방향 및 축방향으로 하중을 가할 수 있도록 구성된다. 본 발명에 의한 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치는, 하중인가장치(100)로써 샤프트의 끝단(E)에 걸리는 하중을 변화시킬 수 있게 하고, 상기 모터구동부(10)로 샤프트의 회전속도를 변화시킬 수 있게 하고, 에어공급부(40)로 공급되는 공기압력을 변화시킬 수 있게 구성되고, 이때 각 상태에서 스핀들의 하우징(30)의 진동 신호를 측정, 신호처리할 수 있게 구성된다. 즉, 하중인가장치(100)에 의해 샤프트의 끝단(E)에 걸리는 하중이 변화되거나, 모터구동부(10)가 BLDC 모터(20)를 제어하여 샤프트의 회전속도가 기존 상태와 변화되거나, 에어공급부(40)에 의해 공급되는 공기압력이 변화되면, 각 상태에서 스핀들의 하우징(30)의 진동 신호를 측정하고, 신호처리할 수 있게 구성된다.
도1, 도2, 또는 도3에 도시된 바와 같이, 하중인가장치(100)는, 가이드레일(110)과, 가이드레일(110)에 가이드 되며, 블록 위치제어부(125)에 의해 마이크론 단위로 위치가 제어되는 런너블록(120)과, 상기 스핀들의 샤프트 끝단(E)에 접촉하여 런너블록(120)으로부터 전달된 하중을 접 샤프트 끝단에 가하는 플런져(130)와, 상기 런너블록(120)과 플런져(130) 간에 구비되어 플런져(130)에 가해진 힘의 하중의 크기를 측정하는 로드셀(140)과, 상기 로드셀(140)로부터 하중신호를 수신하여 나타내는 인디케이터(150)로 구성된다. 하중인가장치(100)는 테이블에 고정수단(7)을 통해 고정된다.
도 2, 도3에 도시된 바와 같은 일실시예에서, 플런져(130)의 샤프트 끝단(E) 방향의 형상은 구형으로 이루어지는데, 이 경우 일측방향(샤프트 끝단(E) 방향)의 형상이 평평한 경우보다, 구형으로 이루어지는 것이 기하학적 형상 특성에 의해 하중인가장치(100)로 샤프트의 끝단(E)에 횡방향 및 축방향으로 하중을 가하기가 용이하게 때문이다.
도 2, 도3에 도시된 바와 같이, 로드셀(140)의 일면은 제1연결봉(161)을 통해 상기 런너블록(120)의 일측과 연결되고, 상기 로드셀(140)의 타면은 제2연결봉(163)을 통해 상기 플런져(130)와 연결될 수 있다.
제1연결봉(161)과 제2연결봉(163)이 이루는 하중인가장치(100)의 하중인가선(P- line)은 상기 샤프트의 중심선(C- line)과 테이블로부터 같은 높이이지만 소정각도로 틀어져 있거나, 테이블로부터 같은 높이이며 평행하지만 소정의 횡방향 편차를 갖는 것이 바람직하다. 이렇게 형성하는 것은 하중인가장치(100)가 샤프트의 끝단(E)에 횡방향 및 축방향으로 동시에 하중을 가하는데 도움을 준다.
이하 본 발명에 의한 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치의 작용에 대하여 설명한다..
분석 대상물과 분석대상물의 진동을 측정하는 진동감지부(60)와 진동감지부(60)의 신호를 변화하여 작업자에게 나타내어 주는 신호처리부(70) 등으로 이루어지는 본 발명에 따른 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치는, 특히 200,000 rpm으로 회전하는 반도체 웨이퍼 절단용 고속 에어스핀들의 진동을 검출할 수 있다.
스핀들은 통상의 고속 에어스핀들과 에어스핀들의 회전속도를 조절하는 모터구동부(10)와 에어스핀들에 에어를 공급하는 에어공급부(40)과, 에어스핀들 운전 조건에 요구되는 에어의 습도를 조절하는 습도조절부(50)으로 이루어짐은 전술한 바이다. 에어베어링 스핀들은, 샤프트(미도시), 샤프트를 회전시키는 4극의 BLDC 모터(20)와 샤프트를 감싸는 하우징(30)으로 이루어진다. 이때, 샤프트와 하우 징(30)의 내주면 사이로는 압축에서 및 습도 유지를 위한 수증기가 공급되고, 그 결과 샤프트와 하우징(30)의 내주면 사이에는 에어포켓이 형성된다. 압축에어와 수증기는 하우징(30)에 장착되는 통상의 노즐(미도시)을 통해 공급되는 것이다.
진동감지부(60)는 에어스핀들의 외부에 부착되는 가속도센서를 구비한다. 이러한 가속도센서는 실시간으로 에어스핀들의 횡방향에 대한 진동 응답을 받는다. 신호처리부(70)는 진동감지부(60)와 전기적으로 연결된다. 신호처리부(70)는 진동감지부(60)의 가속도센서에서 얻어진 신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후, 아날로그 신호를 디지털 신호로의 변환을 수행한다. 이렇게 변환된 디지털 신호는 프로그램에 의해서 그래픽 처리되어 작업자에게 전달된다.
스핀들의 횡방향/축방향 하중인가장치(100)는 스핀들 끝단에 직접적으로 하중을 가하게 되고 가해지는 하중은 로드셀(140)을 통하여 측정되고 측정된 하중 값은 로드셀(140)의 인디케이터(150)를 통하여 표시된다.
본 발명은 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명됐지만, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의하여 정하여지는 것으로 본 발명과 균등 범위에 속하는 다양한 수정 및 변형을 포함할 것이다.
아래의 특허청구범위에 기재된 도면부호는 단순히 발명의 이해를 보조하기 위한 것으로 권리범위의 해석에 영향을 미치지 아니함을 밝히며 기재된 도면부호에 의해 권리범위가 좁게 해석되어서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치도,
도 3은 발명의 일실시예에 따른 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치도의 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 모터구동부 20 : BLDC 모터
30 : 하우징 40 : 에어공급부
50 : 습도조절부 60 : 진동감지부
70 : 신호처리부 80 : 디스플레이부
100 : 하중인가장치 110 : 가이드레일
120 : 런너블록 125 : 블록 위치제어부
130 : 플런져 140 : 로드셀
150 : 인디케이터 161 : 제1연결봉
163 : 제2연결봉 P- line : 하중인가선
C- line : 샤프트의 중심선

Claims (6)

  1. 노즐이 구비된 에어베어링으로 지지되는 샤프트와, 모터구동부(10)에 의해 제어되면서 상기 샤프트를 회전시키는 BLDC 모터(20)와, 상기 샤프트를 감싸는 하우징(30)과, 고압의 공기를 상기 노즐에 공급하는 에어공급부(40)와, 노즐에 공급되는 공기의 습도를 조절하는 습도조절부(50)를 포함하여 구성되는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치에 있어서,
    상기 스핀들의 하우징(30)에 구비되어 상기 스핀들의 샤프트 대비 반경방향 진동을 측정하는 진동감지부(60)와;
    상기 진동감지부(60)에서 생성된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 신호처리부(70)와;
    상기 신호처리부(70)로부터 습득된 진동에 관한 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부(80)와;
    상기 샤프트의 일단(E)에 횡방향 및 축방향으로 하중을 가할 수 있는 하중인가장치(100)를 포함하여 구성되어,
    상기 하중인가장치(100)로써 샤프트의 일단에 걸리는 하중을 변화시킬 수 있게 하고, 상기 모터구동부(10)로 샤프트의 회전속도를 변화시킬 수 있게 하고, 에어공급부(40)에 의해 공급되는 공기압력을 변화시킬 수 있게 구성되고, 이때 각 상태에서 스핀들의 하우징(30)의 진동 신호를 측정, 신호처리할 수 있게 구성되는 것을 특징으로 하는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하중인가장치(100)는
    가이드레일(110)와,
    상기 가이드레일(110)에 가이드 되며, 블록 위치제어부(125)에 의해 마이크론 단위로 위치가 제어되는 런너블록(120)과,
    상기 스핀들의 샤프트 끝단(E)에 접촉하여 런너블록(120)으로부터 전달된 하중을 접 샤프트 끝단에 가하는 플런져(130)와,
    상기 런너블록(120)과 플런져(130) 간에 구비되어 플런져(130)에 가해진 힘의 하중의 크기를 측정하는 로드셀(140)과,
    상기 로드셀(140)로부터 하중신호를 수신하여 나타내는 인디케이터(150)로 구성되는 것을 특징으로 하는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플런져(130)의 샤프트 끝단(E) 방향의 형상은 구형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 로드셀(140)의 일면은 제1연결봉(161)을 통해 상기 런너블록(120)의 일측과 연결되고, 상기 로드셀(140)의 타면은 제2연결봉(163)을 통해 상기 플런 져(130)와 연결되는 것을 특징으로 하는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1연결봉(161)과 제2연결봉(163)이 이루는 하중인가장치(100)의 하중인가선(P-line)은 상기 샤프트의 중심선(C- line)과 테이블로부터 같은 높이이지만 소정각도로 틀어져 있거나, 테이블로부터 같은 높이이며 평행하지만 소정의 횡방향 편차를 갖는 것을 특징으로 하는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 진동감지부(60)는 가속도센서인 것을 특징으로 하는 초고속 에어베어링 스핀들을 위한 동특성 분석 장치.
KR1020080045876A 2008-05-19 2008-05-19 초고속 에어베어링 스핀들의 동특성 분석 장치 KR100954063B1 (ko)

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