KR20090132196A - 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치 - Google Patents

형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 형상기억합금을 이용한 초소형 공작물을 정밀하게 고정하기 위한 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치에 관한 것으로, 이를 위해 공작기계 베드의 상부에 고정되는 베이스와, 내부에 공간부가 형성되도록 상기 베이스의 상부에 부착되는 가이드판과, 상기 가이드판의 공간부에 슬라이딩 결합되어 형상기억합금으로 이루어진 작동체에 작용으로 공작물을 클램핑/언클램핑하는 클램프와, 상기 가이드판의 내부 일측에 형성되어 클램프의 작동에 따라 공작물이 클램핑/언클램핑되는 공작물안착부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
공작기계, 형상기억합금, 링, 클램프, 베드, 바이스

Description

형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치{A Fixture System For machine tools Using A Shape Memory Alloy}
본 발명은 초소형 공작물을 정밀하게 고정하기 위한 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형상기억합금으로 양방향성 작동을 구현하는 "링" 형태의 작동체를 통해 작동바이스를 이동시켜 공작물을 클램핑 및 언클램핑 작동을 수행하여 기존의 스크류 구조의 척이나 유압척 보다 부품의 간소화를 이룰 수 있어 소형화 설계에 유용하고, 또한 초소형 공작물을 파손됨이 없이 정밀하게 고정할 수 있는 구조의 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치에 관한 것이다.
일반적으로 공작물을 가공하기 위해서는 스크류 구조의 척이나 유압척을 통해 공작물을 안정적으로 고정하는 것이 선행되어야 한다.
하지만 최근 IT, BT의 신산업분야는 소형화, 지능화, 다기능화를 지향하는 기술추세를 보이고 있어 기존의 스크류 구조의 척이나 유압척을 통해 공작물을 고정하는 것은 한계가 있다.
그러나 최근 IT, BT의 신산업분야는 제품의 제한된 공간에 부품의 수가 늘어나 소형부품의 필요성과 수요는 점점 증가되고 있다.
특히, 기존의 광조형법을 기반으로 하는 MEMS 가공기술로는 구현하기 어려운 3차원의 복잡한 형상을 갖는 마이크로 부품의 수요도 증가하는 추세이다.
이러한 소형부품의 요구에 부응하여 초소형 공작기계의 개발이 진행되고 있다.
초소형 공작기계는 소형부품을 가공하는데 필요한 최소한의 크기를 지님으로써 첫째, 가공시스템을 관리 유지하는 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.
구체적으로 시스템 구동을 위해 필요한 에너지가 절감되고 필요한 항온, 항습, 청정 공간이 축소되어 시설 및 관리비가 경감된다.
둘째, 시스템 운용상 장비의 이송이 쉽기 때문에 생산라인 구축뿐만 아니라 목적에 따라 재구성이 용이하다.
하지만 상기와 같은 효과를 얻기 위해서는 초소형 공작기계의 요소부품 중에 서 초소형 공장물을 클램핑하기 위한 장치가 요구된다.
그러나 종래의 스크류 구조의 척이나 유압척 등으로 이루어지는 고정장치는 초소형 공작기계에 적용하기가 매우 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 형상기억합금으로 양방향성 작동을 구현하는 "링" 형태의 작동체를 통해 작동바이스를 이동시켜 공작물을 클램핑 및 언클램핑 작동을 수행하여 기존의 스크류 구조의 척이나 유압척 보다 부품의 간소화를 이룰 수 있어 소형화 설계에 유용하고, 또한 초소형 공작물을 파손됨이 없이 정밀하게 고정할 수 있는 구조의 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치를 제공하는데 있다.
더 나아가 본 발명의 목적은, 공작기계 베드의 상부에 고정되는 베이스와, 내부에 공간부가 형성되도록 상기 베이스의 상부에 부착되는 가이드판과, 상기 가이드판의 공간부에 슬라이딩 결합되어 형상기억합금으로 이루어진 작동체에 작용으로 공작물을 클램핑/언클램핑하는 클램프와, 상기 가이드판의 내부 일측에 형성되어 클램프의 작동에 따라 공작물이 클램핑/언클램핑되는 공작물안착부로 구성되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치에 따르면, 기존의 스크류 구조의 척이나 유압척 보다 부품의 간소화를 이룰 수 있어 소형화 설계에 유용하고, 또한 초소형 공작물을 파손됨이 없이 정밀하게 고정할 수 있는 특징이 있다.
또한 장치의 관리 유지하는 비용을 절감하는 효과가 있고, 또한 소형 또는 초소형으로 제작되어 에너지가 절감되고 필요한 항온, 항습, 청정 공간이 축소되어 시설 및 관리비가 경감되는 장점이 있으며, 시스템 운용상 장비의 이송이 쉽기 때문에 생산라인 구축뿐만 아니라 목적에 따라 재구성이 용이한 특징이 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명에 제 1실시예에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 구성도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 설치도, 도 1c는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 작동도이다.
도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 본 발명은 형상기억합금으로 양방향성 작동을 구현하는 "링" 형태의 작동체(31)를 통해 작동바이스(32)를 이동시켜 공작물(300)을 클램핑 및 언클램핑 작동을 수행하여 기존의 스크류 구조의 척이나 유 압척 보다 부품의 간소화를 이룰 수 있어 소형화 설계에 유용하고, 또한 초소형 공작물을 파손됨이 없이 정밀하게 고정할 수 있는 구조의 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치(100)에 관한 것이다.
이러한 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치(100)는 공작기계의 베드(200)에 고정되어 공작물(300)을 고정하는 기능을 한다.
상기 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치(100) 크게 3부분으로 이루어지는 이는 공작기계의 베드(200) 상부에 고정되는 베이스(10)와, 상기 베이스(10)의 상부에 부착되는 가이드판(20a)과, 상기 가이드판(20a)의 공간부에 슬라이딩 결합되되는 클램프(30)로 구성된다.
여기서 베이스(10)는 베드(200)에 형성된 홈(210)에 볼트/너트(11)로 결합되는 구조이다.
그리고 상기 가이드판(20a)은 내부에 스페이스블록(40), 클램프(30) 및 공작물(300)을 수용할 수 있는 공간부가 형성되도록 상기 베이스(10)의 상부에 4개의 블럭이 직사각형태로 부착되는 구조이다.
아울러 상기 클램프(30)는 상기 가이드판(20a)의 공간부에 슬라이딩 결합되어 형상기억합금으로 이루어진 작동체(31)의 형상변형/복원 작용으로 공작물(300)을 클램핑/언클램핑 동작을 수행하는 기능을 한다.
여기서 클램프(30)는 고정바이스(33)와, 공작물(300)을 클램핑/언클램핑하는 작동바이스(32)와, 상기 고정바이스(33)와 작동바이스(32)의 사이에 배치되어 작동바이스(32)를 작동시키는 작동체(31)와, 상기 작동바이스(32)와 고정바이스(33)의 양측에 결합되는 압축스프링(34)으로 구성된다.
상기 클램프(30)의 구성은 형상기억합금으로 이루어지는 작동체(31)의 형상변형으로 작동바이스(32)가 공작물(300)을 클램핑/언클램핑할 수 있는 구조이다.
그리고 작동체(31)는 양방향성 형상기억효과 갖게 하여 형상 변형 및 복원이 극대화될 수 있도록 "링" 형태로 구성된다. 이러한 작동체(31)는 상온에서는 복원되고, 저온에서는 압축스프링(34)의 힘에 의해 형상이 변형되어 작동바이스(32)가 공작물을 클램핑/언클램핑 할 수 있는 구조를 마련한다.
그리고 작동바이스(32) 및 고정바이스(33)는 다양한 직경의 형상기억합금에 대응하도록 상기 형상기억합금과의 밀착부분이 반원으로 파진 구조로 이루어져 작동체(31)의 양측에 밀착되는 구조이다.
그리고 가이드판(20a)의 내부 타측에는 공작물안착부(21)에 안착된 공작물(300)의 크기에 따라 클램프(30)와 공작물(300)과의 거리를 조정하는 다양한 크기의 스페이스블록(40)이 삽입된다.
그리고 가이드판(20a)의 내부 일측에는 클램프(30)의 작동에 따라 공작물이 클램핑/언클램핑되는 공작물안착부(21)가 형성되는 구조이다.
한편 상기 압축스프링(34)은 작동체(31)의 복원에 따른 항복점을 감안하여 선택하는 것이 선행되어야 한다.
아울러 상기 클램프(30)의 상부에는 작동체(31)에 온도변화를 가하기 위해 히팅가스 및 냉각가스를 분사하기 위한 냉풍노즐(50) 및 온풍노즐(60)이 근접설치되어 선택적으로 공작물(300)을 클램핑/언클램핑할 수 있는 구조이다.
이하에서는 도 1c 및 도 1d를 참조하여 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 작동에 관하여 설명하기로 한다.
먼저 냉풍노즐(50) 및 온풍노즐(60)을 통해 냉/온풍을 분사시켜 온도에 따른 작동체(31)의 복원과 형상변형거리를 계산한다.(도 1d에 도시)
그리고 작동체(31)가 형상변형된 상태를 유지할 수 있도록 주변온도를 0 ~ 10℃로 셋팅한다.
그리고 공작물(300)을 공작물안착부(21)에 안착시킨다.
그리고 작동체(31)의 복원수치를 감안하여 클램프(30)의 작동바이스(32)가 공작물(300)에 근접하도록 해당 크기의 스페이스블록(40)을 가이드판(20a) 타측에 삽입시킨다.
이 후 온풍노즐(60)을 통해 온풍을 분사시켜 작동체(31)가 복원되도록 한다.
그러면 작동바이스(32)는 작동체(31)의 복원에 따라 공작물(300) 방향으로 이동되어 공작물(300)을 클램핑시킨다.
이 때 작동체(31)는 도 1d에 도시된 바와 같이, 상온에서 저온 -10℃까지 복원상태가 유지되므로 계속적인 공작물 클램핑 시간을 갖을 수 있다.
공작물(300)을 언클램핑할 경우에는 냉풍노즐(50)을 통해 냉풍을 분사하여 저온 -10℃이하로 떨어뜨리면 작동체(31)는 급격히 물성이 바뀌게 되고, 압축스프링의 힘(탄성복귀)에 의해 작동바이스(32)가 공작물(300)을 언클램핑 한다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 제 1설치도이고, 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 제 2설치도이다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 베이스(10)의 일면에 클램프(30) 및 공작물(300)을 수용할 수 있는 가이드홈(20b)을 형성하여 구조의 단순화를 구현할 수 있다.
또한 도 2b에 도시된 바와 같이, 가이드홈(20b)에 커버(70)를 부착시켜 공작물 가공시 먼지나 냉각수 또는 칩이 삽입되지 않도록 할 수 있으며, 상기 커버(70)에는 냉풍노즐(50) 및 온풍노즐(60)이 연결될 수 있도록 냉풍커넥터(71)와 온풍커넥터(72)를 형성하여 구성할 수 있음은 물론이다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 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.
도 1a는 본 발명에 제 1실시예에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 구성도,
도 1b는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 설치도,
도 1c는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 작동도,
도 1c는 본 발명에 적용된 작동체의 온도변화에 따른 형상변형과 형상복원을 도시한 그래프,
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 제 1설치도이다.
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치의 제 2설치도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 베이스 11: 볼트/너트
20a: 가이드판 20b: 가이드홈
21: 공작물안착부
30: 클램프 31: 작동체
32: 작동바이스 33: 고정바이스
34: 압축스프링
40: 스페이스블록
50: 냉풍노즐 60: 온풍노즐
70: 커버 71: 냉풍커넥터
72: 온풍커넥터
100:형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치
200: 공작기계의 베드 210: 홈
300: 공작물

Claims (11)

  1. 공작기계의 베드(200)에 고정되어 공작물(300)을 고정하는 고정장치에 있어서,
    상기 고정장치(100)는 베드(200)의 상부에 고정되는 베이스(10)와,
    내부에 공간부가 형성되도록 상기 베이스(10)의 상부에 부착되는 가이드판(20a)과,
    상기 가이드판(20a)의 공간부에 슬라이딩 결합되어 형상기억합금으로 이루어진 작동체(31)에 작용으로 공작물(300)을 클램핑/언클램핑하는 클램프(30)와,
    상기 가이드판(20a)의 내부 일측에 형성되어 클램프(30)의 작동에 따라 공작물(300)이 클램핑/언클램핑되는 공작물안착부(21)로 구성되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  2. 공작기계의 베드(200)에 고정되어 공작물을 고정하는 고정장치에 있어서,
    상기 고정장치(100)는 베드(200)의 상부에 고정되는 베이스(10)와,
    상기 베이스(10)의 일면에 공간부가 형성되도록 상기 베이스(10)의 일면에 형성된 가이드홈(20b)과,
    상기 가이드홈(20b)의 공간부에 슬라이딩 결합되어 형상기억합금으로 이루어진 작동체(31)에 작용으로 공작물(300)을 클램핑/언클램핑하는 클램프(30)와,
    상기 가이드홈(20b)의 내부 일측에 형성되어 클램프(30)의 작동에 따라 공작물(300)이 클램핑/언클램핑되는 공작물안착부(21)로 구성되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 클램프(30)는 고정바이스(33)와, 공작물(300)을 클램핑/언클램핑하는 작동바이스(32)와, 상기 고정바이스(33)와 작동바이스(32)에 사이에 배치되어 작동바이스(32)를 작동시키는 작동체(31)와, 상기 작동바이스(32)와 고정바이스(33)의 양측에 결합되는 압축스프링(34)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 클램프(30)는 고정바이스(33)와, 공작물(300)을 클램핑/언클램핑하는 작동바이스(32)와, 상기 고정바이스(33)와 작동바이스(32)에 사이에 배치되어 작동바이스(32)를 작동시키는 작동체(31)와, 상기 작동바이스(32)와 고정바이스(33)의 양측에 결합되는 압축스프링(34)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형상기억합금으로 이루어지는 작동체(31)는 양방향성 형상기억효과 갖게 하여 형상 변형 및 복원이 극대화될 수 있도록 "링" 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 작동바이스(32) 및 고정바이스(33)는 다양한 직경의 형상기억합금에 대응되도록 상기 형상기억합금과의 밀착부분이 반원으로 파여진 구조인 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 가이드판(20a)의 타측에는 공작물안착부(21)에 안착되는 공작물(300)의 크기에 따라 클램프(30)와 공작물(300)과의 거리를 조정하는 다양한 크기의 스페이스블록(40)이 삽입되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 가이드홈(20b)의 타측에는 공작물안착부(21)에 안착되는 공작물(300)의 크기에 따라 클램프(30)와 공작물(300)과의 거리를 조정하는 다양한 크기의 스페이스블록(40)이 삽입되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 클램프(30)의 상부에는 온도변화를 가하기 위해 히팅가스(온풍) 및 냉각가스(냉풍)를 분사하기 위한 냉풍/온풍노즐(60)이 근접설치되는 것을 특징으로 하는 형상기억 합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 가이드판(20a) 및 가이드홈(20b)의 상부에는 커버(70)가 결합되는 것을 특징으로 하는 형상기억 합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 커버(70)에는 냉풍커넥터(71) 및 온풍커넥터(72)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 형상기억 합금을 이용한 공작기계용 고정장치.
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