KR20120036954A - 자동화되고 조절가능한, 공작기계 가공물 장착 장치 - Google Patents

자동화되고 조절가능한, 공작기계 가공물 장착 장치 Download PDF

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KR20120036954A
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로버트 에이. 사막
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로버트 에이. 사막
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Abstract

본 발명의 실시예들은, 제조, 수리, 정비 중에 가공물을 지지하고 가공물의 움직임을 제한하는 데 사용되는 다양한 형태 및 크기의, 자동화되고 컴퓨터 제어되는, 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템(automated, computer-controlled, adjustable machine-tool work-piece mounting system)을 포함한다. 본 발명의 실시예들을 나타내는, 자동화되고 컴퓨터 제어되는, 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템은 하나 이상의 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템 모듈들로부터 구현된다. 각각의 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템 모듈은, 비원형 및 비타원형 단면을 갖는 연장가능한 지지대들의 배열(array)을 포함한다. 본 발명의 어떤 실시예들에서, 연장가능한 지지대(extendable support)들은 리니어 액추에이터(linear actuator)들에 의해, 자동화되고 컴퓨터로 제어되는, 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템 모듈의 기판 또는 표면에 거의 수직인 방향을 따라 연장되고 수축되며, 압축공기 브레이크(compressed-air brake)들에 의해 원하는 위치에 유지된다.

Description

자동화되고 조절가능한, 공작기계 가공물 장착 장치{AUTOMATED, ADJUSTABLE, MACHINE-TOOL WORK-PIECE-MOUNTING APPARATUS}
본 발명은 자동화 및 반자동화 제조의 공작기계와 관한 것으로서, 특히, 매우 다양한 공작기계 프로세스에서, 가공물(work-piece)에 대해 안정된 플랫폼을 제공하기 위해, 가공물의 표면에 일치하도록 컴퓨터 제어되는, 자동화되고 조절가능한 공작기계 가공물 장착 장치에 관한 것이다.
기계, 장치 및 여타 제조 대상물의 부품 및 컴포넌트(component)들에 드릴링(drilling), 밀링(milling), 쉐이핑(shaping), 절단(cutting), 버니싱(burnishing), 다듬질(smoothing) 또는 여타의 프로세스를 실시할 때, 일반적으로 프로세스를 거치는 부품이나 컴포넌트의 형상에 관계없이, 부품이나 컴포넌트를 단단히 지지하고 움직임을 제한해주는 것이 바람직하다. 예를 들면, 기계공은 드릴링, 쉐이핑 및 밀링 작업 동안에 가공물을 단단하게 고정하기 위해, 조절가능한 면들과 클램핑 컴포넌트들을 특별히 포함하는 매우 다양한 가공물 홀더(holder)들을 사용한다. 다른 예로서, 선반을 포함하는 여러 가지 공작기계는, 선반 작동 동안에 수평축 주위로 정교하게 회전하고 또는 수평축을 따라 병진하는 가공물의 움직임을 제한하기 위해 챔버(chamber)들과 클램핑 컴포넌트들을 특별히 포함하고 있다. 이와 유사하게, 항공기 날개, 항공기 동체, 풍력 터빈 블레이드와 같은 매우 큰 부품및 컴포넌트들과, 제작되는 여타의 많은 대형 아이템에서도, 이들이 여러 가지 제조작업을 거치는 동안에 제 위치에 지지되고 유지되는 것이 필요하다.
부품들, 컴포넌트들 및 여타의 대상물들을 제작 및 수리하는 작업 동안에 이들을 지지하기 위해, 과거에는 제작자들이, 대형 부품들 및 컴퍼넌트들이 제작되는 동안에 이들이 지지되고 고정될 수 있는 다양한 컴포넌트 전용 대형 지그들 또는 가공물 홀더들을 설계하고 제작하는 것이 보통이었다. 그러나 이러한 대형 가공물 홀더들을 제작, 사용, 유지 및 저장하는 비용이 엄두도 내지 못할 정도로 높아질 수 있으며, 특히 대형 제작 부품들의 생산량이 그다지 많지 않을 경우에는 더욱 그러하다. 최근에는 매우 큰 가공물을 위해 조절가능한 장착 시스템 또는 지그로서 역할을 하게끔, 복잡하고, 매우 큰 공작기계들이 개발되어 왔다. 이러한 조절가능한 장착 시스템은 일반적으로 컴퓨터로 제어되고, 컴퓨터로 인코드된(encoded) 가공물 표면을 따라 위치할 수 있는, 복잡하면서 유압 제어되는 다수의 지지 부재들을 특별히 포함하고 있다. 이러한 대형 조절가능한 공작기계 장착 시스템은, 특수 목적의 장착대 및 지그들을 설계, 실시, 유지 및 저장하는 것에 비해 비용은 효과적이지만, 그래도 가격이 너무 고가이고, 고장이 나기 쉬운 부품들을 많이 포함하고 있으며, 가공물의 표면에 대해 지지부재들의 위치를 유지하는데 매우 많은 에너지를 사용하고, 한번 제작되면 이동하기 어렵고, 조절가능한 공작기계 장착 시스템에 의해 지지가 되고 있는 가공물 상에 제작 프로세스가 수행됨에 따라 손상 받기가 쉬울 수 있다. 조절가능한 공작기계 장착 시스템들의 설계자, 제조자 및 사용자들은, 제조 프로세스를 쉽게 하고, 자동화되고 조절가능한 공작기계 장착 시스템의 산업상 적용성을 확대하기 위해, 조절가능한 공작기계 장착 시스템에 대한 개선을 계속하여 추구하고 있다.
본 발명의 실시예는, 가공물을 제조, 수리 및 정비하는 동안에 가공물을 지지하고 가공물의 움직임을 제한하는데 사용되는 여러 가지 다른 형태 및 크기의 자동화되고 컴퓨터 제어되는, 조절가능한 공작기계 가공물 고정 시스템을 포함한다. 본 발명의 실시예를 나타내는, 자동화되고 컴퓨터 제어되는, 조절가능한 공작기계 가공물 고정 시스템은 하나 이상의 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템 모듈로부터 구현되었다. 각각의 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템 모듈은, 비원형 및 비 타원형 단면을 갖는 연장가능한 지지대(extendable support)들의 배열을 포함한다. 본 발명의 어떤 실시예에서, 연장가능한 지지대들은 리니어 액추에이터(linear actuator)들에 의해, 자동화되고 컴퓨터 제어되는, 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템 모듈의 기판(substrate) 또는 표면에 거의 수직인 방향을 따라 연장되고 수축되며, 압축공기 브레이크들에 의해 원하는 위치들에 유지된다. 전력과 제어신호들은 함께 하나의 공동 케이블(common cable) 또는 케이블들을 통해 상기 리니어 액추에이터(linear actuator)로 전달되며, 전달된 전기 에너지는 리니어 액추에이터들의 캐패시터(capacitor)들에 저장되고, 리니어 액추에이터들 내의 지지대 연장 컴포넌트(support-extension component)들과 스위치들을 구동하는데 사용된다.
도1 내지 도2는, 본 발명의 일 실시예를 나타내는, 컴퓨터 제어되고 자동화된, 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템("WM 시스템")의 기본 개념을 보여주는 도면이다.
도3은, 본 발명의 실시예들을 나타내는 WM 시스템들의 한 특징을 보여주는 도면이다.
도4는, 본 발명의 실시예에 따른 WM 시스템의 구현에 대한 한 해결수단을 보여주는 도면이다.
도5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 도4에 도시된 장방형 챔버(rectangular chamber)에 의해 제공된 WM 시스템 모듈들("WMS 모듈들")로의 서비스들 분배(services distribution)를 보여주는 도면이다.
도6은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 도4에 도시된 장방형 챔버 내에 2개의 WMS 모듈이 장착된 것을 보여주는 도면이다.
도7a 내지 도7b는, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 WMS 모듈을 보여주는 도면이다.
도8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 WM 시스템을 형성하기 위해, 도7에 도시된 WMS 모듈 같은 다수의 WMS 모듈들이 도4 내지 도6을 참조로 위에서 논의된 WM 시스템 챔버 내에 함께 장착된 것을 보여주는 도면이다.
도9는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 리니어 액추에이터에 의해 제어되는 연장가능한 지지대들이 WMS 모듈의 기판에 장착된 것을 보여주는 도면이다.
도10은, 본 발명에 따라, WMS 시스템용 장방형 챔버의 수직벽의 상부에 있는 스틸 러너(steel runner)에 WMS 모듈의 기판을 조절가능하게 장착하는데 사용하는 장착장비(mounting device)를 보여주는 도면이다.
도11은, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 리니어 액추에이터 제어되는 연장가능한 지지대의 외관도를 보여주는 도면이다.
도12는, 본 발명의 일 실시예에 따른 WMS 모듈의 기판 아래에, 지지 프레임(support frame) 내에 장착된 리니어 액추에이터를 보여주는 도면이다.
도13 내지 도14는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 리니어 액추에이터 및 압축 공기 브레이크의 내부 컴포넌트들을 보여주는 도면이다.
도15는, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 압축공기 브레이크와 리니어 액추에이터의 내부 컴포넌트들을 다른 각도에서 본 도면이다.
도16은, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 리니어 액추에이터와 연장가능한 지지대의 내부 컴포넌트들이 분해된 상태를 보여주는 도면이다.
도17은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 연장가능한 지지대를 가공물의 표면에 적합시키기 위해 연장가능한 지지대들의 단부들에 장착될 수 있는 여러 가지 다른 형태의 어댑터들을 보여주는 도면이다.
도18은, 본 발명의 일 실시예를 나타내는, 연장가능한 지지대와 장착 어댑터의 단면을 보여주는 도면이다.
도19는, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 압축 공기 브레이크(도 11의 1108)의 내부 컴포넌트를 위에서 아래로 보여주는 도면이다.
도20은, 본 발명의 일 실시예에 따른 WM 시스템의 통신 및 전력 분배 구조를 보여주는 도면이다.
도21은, 본 발명의 일 실시예에 따른 WM 시스템의 제어를 보여주는 블럭 다이어그램(block diagram)이다.
본 발명의 실시예들은, 컴퓨터 제어되고 자동화된, 조절가능한 공작기계 가공물 장착 시스템에 관한 것이다. 이하에서는 이것들을 "WM 시스템"으로 칭한다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 본 발명의 실시예를 나타내는 WM 시스템은 하나 이상의, 컴퓨터로 제어되고 자동화된 조절가능한 공작기계 가공물 장착 모듈들로부터 제작되며, 이를 이하에서는 "WMS 모듈들"로 칭한다. 본 발명의 실시예를 나타내는 WMS 시스템들은, 배치의 용이함, 제조의 경제성, 낮은 에너지 소비, 높은 신뢰성, 정비의 용이함, 확장성 및 유연성의 특징이 있다. 본 발명의 실시예를 나타내는 WM 시스템들은 종래의 공작기계 시스템들에 비해 많은 기술혁신과 개선사항들을 포함하고 있다.
도1 내지 도2는, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 WM 시스템의 기본 개념을 보여주고 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 본 WM 시스템은 기본적으로 연장가능한 지지대들의 배열(102)로 이루어진다. 도1에서, 연장가능한 지지대들은 수축되어(retracted) 지지대들의 단부들이 WM 시스템의 표면과 같은 높이로 되어있다. 따라서, 정방형 끝단(square end)(104)과 같은, 연장가능한 지지대들의 정방형 끝단들만이 보이고 있다. 도1에 도시된 WM 시스템은 크기 6 x 11 규모의 배열이다. 다시 말해서 도1에 도시된 WM 시스템은, 열(106)과 같은, 6개 열의 연장가능한 지지대들을 포함하는데, 각 열은, 각 열의 첫 번째 칼럼(108)과 같은, 11개 칼럼의 연장가능한 지지대들을 포함하여, 총 66개의 연장가능한 지지대들을 포함한다. 도2에 도시된 바와 같이, 연장가능한 지지대들 모두 혹은 일부가 컴퓨터 제어하에 연장될 수 있고, 가공물을 지지하기 위해 연장된 위치로 무한정 유지될 수 있다. 도2에서, 가공물(202)은, 연장된 지지대(204)를 포함한 연장가능한 지지대들의 일부에 의해 지지가 되고 있는, 곡선 단면을 갖는 긴 구조물이다. 상기 연장가능한 지지대들은 극히 높은 정확도로 원하는 위치에 연장되고 고정될 수 있다. 본 발명의 실시예들을 나타내는 WM 시스템의 어떤 실시예들에서, 연장가능한 지지대의 끝단은 3개의 직교좌표(Cartesian coordinate) 축 모두에서, 밀리미터 이하의 정확도로 위치할 수 있으며, 유지될 수 있다. 본 발명의 실시예들을 나타내는 WM 시스템의 다른 실시예들에서는, 연장가능한 지지대의 끝단은 3개의 직교좌표(Cartesian coordinate) 축 모두에서, 마이크로미터의 정확도로 위치할 수 있으며, 유지될 수 있다. 이러한 정확도는, 연장가능한 지지대들의 이전 위치결정과 간섭하지 않는 정교한 브레이크들과, 정확한 구성, 연장가능한 지지대들의 일차원 z축 병진운동, z축 위치의 디지털 리니어 인코딩(digital-linear-encoding)의 산물이다. 연장가능한 지지대들의 연장은, 지지대들을 늘리는 리니어 액추에이터 내의 캐패시터들에 저장된 전기에너지를 사용하여 이루어지고, 이들 연장가능한 지지대들은, 압축공기 혹은 "샵 에어(shop air)"로 작동하는 정교한 압축공기 브레이크들에 의해 무한정 제 위치에 유지된다. 본 발명의 실시예들을 나타내는 WM 시스템들은 컴퓨터 시스템에 의해, 연장가능한 지지대들의 위치를 제어한다. 상기 컴퓨터 시스템은, 수백 제곱 미터를 커버(cover)하는 표면이나 기판들을 갖는 WM 시스템 내에서도, 가공물 표면의 컴퓨터 인코드된 명세(computationally encoded description)에 따라, 연장가능한 지지대들을 밀리미터 이하의 정확도로 배치할 수 있다.
도3은 본 발명의 실시예들을 나타내는 WM 시스템들의 한 형상을 보여주고 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 연장가능한 지지대들(302)의 대형 배열은 둘 이상의 WMS 모듈들을 결합함으로써 구현될 수 있는데, 각각의 WMS 모듈은 도3에 도시된 WMS 모듈(304)과 같이, 도1에 도시된 6 x 11 배열의 연장가능한 지지대들을 포함한다. WMS 모듈은 기본적으로, 리니어 액추에이터 제어되는 연장가능한 지지대들의 임의 개수의 열과 칼럼을 포함할 수 있는데, 주로 리니어 액추에이터가 고정되는 평평한 플래튼(platen) 같은 면 부재의 기계적 안정성에 의해 제한된다. 본 논의에서, WMS 모듈들과 WM 시스템들이 평평하고 수평인 배열로 도시되었지만, 본 발명의 다른 실시예들에서는, WMS 모듈들과 WM 시스템들이, 원통형 및 구형 단면을 포함하는 여러 형태의 곡면에 걸친, 일정한 배열의 연장가능한 지지대들을 포함할 수 있다. 본 발명의 많은 WM 시스템 실시예들에서, WM 시스템의 면은 단단하고, 기계적으로 안정되고, WM 시스템에 의해 지지가 되고 있는 가공물 상에 실행되는 제조 프로세스에 의해 영향을 받지 않도록 설계된다. 예를 들어, WM 시스템의 면은 두꺼운 스틸 플레이트(steel plate) 또는 다른 강건한 재질(robust material)로 될 수 있으며, 연장가능한 지지대들은, 먼지와 깍아낸 부스러기뿐 아니라 물 및 여타 유체들이 WM 시스템 면을 통과하여 시스템 면 아래의 리니어 액추에이터와 여타 WM 시스템 컴포넌트들을 오염시키거나 부식시키지 못하도록, WM 시스템의 면과 고르게 된 가스켓이나 실(seal)들을 통과하여 연장될 수 있다.
도4 내지 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 WM 시스템의 구현에 대한 하나의 접근방법을 보여주고 있다. 도4에는 WM 시스템을 구성하기 위해, 그 안에 WMS 모듈들이 장착될 수 있는 장방형 챔버가 도시되어 있다. 장방형 챔버는, 파여진 장방형 체적을 구획하는 콘크리트 레일(concrete rail)(402-403), 수직벽들(404-405) 및 플로어(floor)(406)를 포함한다. 수직벽들(408-409)의 상부 표면과 플로어(410-411)에는 스틸 플레이트들, 또는 러너(runner)들이 끼워져 있다. 이러한 스틸 러너(steel runner)들은, WM 시스템 컴포넌트들이 맞추어지는 고형의 단단하고 내구성 있는 면들을 제공해준다.
도5는, 본발명의 일 실시예에 따라 도4에 도시된 장방형 챔버에 의해 준비된 WMS 모듈들로 서비스들이 분배되는 것을 보여주고 있다. 도5에서, 제1 분배라인(502)이 제1 수직 콘크리트 벽(404)의 내부 측에 부착되고, 길이를 따라 연장되는 것으로 도시되어 있다. 이 분배라인은 압축공기와 부압(vacuum)을 압축공기와 진공 매니폴드를 거쳐, WMS 모듈들 내의 리니어 액추에이터 제어되는 연장가능한 지지대들에 분배한다. 이 분배라인(502)은, WMS 모듈들 내의 리니어 액추에이터 제어되는 연장가능한 지지대들의 열에 압축공기 및 부압을 분배하기 위해, 압축공기 및 부압 도관 또는 호스가 부착될 수 있는 포트들(504-512)을 포함한다. 이와 유사한 방식으로, 제2 수직벽(405)에 부착되고 길이를 따라 연장되는 선형 분배 라인(504)에 의해 전자 통신(electronic communication) 및 전력이 분배된다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 도4에 도시된 장방형 챔버 내에 2개의 WMS 모듈들이 장착된 것을 보여주고 있다. 도6에 도시된 바와 같이, 2개의 WMS 모듈들의 기판들이 제1 콘크리트 레일(402) 및 제2 콘크리트 레일(403)과 동일 평면으로 연속된 면을 이루게끔, 제1 WMS 모듈(602)이 제2 WMS 모듈(604)에 인접하여 장착된다. 이들 WMS 모듈들은, 매립된 스틸 러너들에(410, 411) 정렬된 장착 어댑터(608)와 같은 장착 어댑터들과 함께 수직 지지멤버(support member)(606)와 같은 수직 지지멤버들에 의해 지지 되어있다. 이들 지지부재들은 도6에서 보이지는 않지만, WMS 모듈 기판들의 하부 면, 또는 WMS 모듈 기판 아래의 구조부재들에 맞추어져 있다. 또한 WMS 모듈들은, 수직 콘크리트 벽들(404, 405)의 상부를 따라 매립된 2개의 스틸 러너들(408, 409)에 맞추어져 나란히 배열된다.
도4 내지 도6에서 보여진 장방형 챔버와 관련된 장착 면들은, 본 발명의 WM 시스템 실시예들이 장착될 수 있는 지지 시스템들의 많은 가능한 실시예들 중 하나만을 보여주고 있는 것임을 강조하고자 한다. 일반적으로, 본 지지 시스템들은, WMS 모듈들 내의 선형 액추에이터들로 압축공기, 부압, 통신/전력을 분배하는 라인들뿐 아니라, WMS 모듈들 탑재를 위한 매립된 면들을 지닌 단순한 구조물들을 특징으로 하고 있다.
도7a 내지 도7b는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 WMS 모듈을 보여주고 있다. 모듈은 플래튼 또는 평평한 WMS 모듈 기판(702)을 포함하며, 상기 플래튼 또는 평평한 WMS 모듈 기판에, 리니어 액추에이터 제어되는 연장가능한 지지대들의 배열이 아래로부터 부착된다(도면 7에는 연장가능한 지지대들의 단부들만이 보이고 있다). 다른 실시예들에서는, 리니어 액추에이터 제어되는 연장가능한 지지대들이 WMS 모듈 기판의 상부 면에 부착될 수 있다. 기판은 다양한 프레임 같은 지지부재들(704-708)에 의해 지지가 된다. 수직 지지부재(710) 같은 수직 지지부재들이 아래로부터 WMS 모듈의 기판을 추가적으로 지지한다. WMS 모듈의 한쪽 끝에 있는 밀봉된 금속 부품 박스(712)는, 통신 및 전력 분배라인(도5의 504)과 상호 연결된 통신 및 전력 공급 부품들을 포함한다. WMS 모듈의 먼 단부에는, 부압(714, 716) 및 압축공기(718, 720) 호스 또는 도관들이 부압 및 압축공기 분배 라인(722)(도5의 502)으로부터 WMS 모듈로 부압 및 압축공기를 공급한다.
도8은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 도7에 도시된 WMS 모듈 같은 많은 수의 WMS 모듈들이, 도4 내지 도6을 참조로 논의된 WMS 시스템 챔버 내에 함께 장착되어, 대형 WMS 시스템을 형성하는 것을 보여주고 있다. 도8에서, 압축공기와 부압 분배라인(802)은 다수의 WMS 모듈들로 지역적 부압 및 압축공기 분배 호스 또는 도관들을 제공하는 것으로 보이고 있다.
도9는, 본 발명의 실시예에 따라 WMS 모듈의 기판에 장착된 리니어 액추에이터로 제어되는 연장가능한 지지대들을 보여주고 있다. 도9에서, 부압 기동 흡입 컵(vacuum-activated suction cups)(902)과 같은 부압 기동 흡입 컵들이 연장가능한 지지대들의 단부들에 고정되어, WMS 모듈의 기판 또는 플래튼 위에 부압 컵들의 배열을 형성한다. 연장가능한 지지대(906) 같은 연장가능한 지지대들이 WMS 모듈의 기판 아래로 완전히 수축되어 있다. 연장가능한 지지대들은, 아래로부터 WMS 모듈의 기판에 고정된 리니어 액추에이터(908)같은 리니어 액추에이터들을 통과하고 있다.
도10은, 본 발명의 일실시예에 따라 WMS 시스템이 내부에 장착된 장방형 챔버의 수직벽 상부에서, WMS 모듈의 기판을 스틸 러너에 조절가능하게 장착하는 데 사용되는 장착장비(mounting device)를 보여주고 있다. WMS 시스템용 장방형 리시빙 챔버(rectangular receiving chamber)의 모든 치수가 완전히 정확한 치수가 아닐 수 있기 때문에, WMS 모듈의 기판이 정밀하게 수평이 되고 정밀하게 배치될 수 있도록, WMS 모듈은 장방형 챔버의 스틸 러너에 조절가능하게 장착되어야한다. 3차원 직교좌표계의 z축이 수직 방향이 되고 x와 y축은 WMS 모듈 기판의 평면에서 수평으로 놓이는 것을 고려하면, 조절가능한 장착장비(1002)에 의해, 장착장비에 인접한 WMS 모듈 부분이 x, y, z 방향으로 조절될 수 있다.
조절가능한 장착 시스템의 장방형 블럭(1004)은 3개의 층들(1006 내지 1008)을 포함한다. 제일 하부 층(1008)은 솔리드 플레이트(solid plate)이다. 중간 층(1007)은 큰 중앙 구멍(central aperture)이 있는 솔리드 플레이트이다. 상기 큰 중앙 구멍은, WMS 모듈(1012)의 기판 상부 및 하부로부터 볼트 조립된 수직 부재(1010)의 장착 어댑터(adapter) 또는 기부(foot)보다 치수가 크다. 중간 층(1007)의 구멍이 지지 부재(1010)의 기부보다 크기 때문에, 지지부재(1010)는 하부 슬랩(slab)(1008)에 대해 상대적으로 x/y 방향으로 움직일 수 있는데, 하부 슬랩(1008)은 아래의 스틸 러너에 용접되거나 여타 방법으로 고정되어 있다. 상부 층(1006) 또한, 수직 지지부재(1010)의 축 보다는 크지만, 층들의 블럭(block of layers)(1004)의 중간 층(1007)의 큰 구멍 내에서 위로부터 고정된 수직 지지부재의 기부보다는 작은 구멍을 갖는 플레이트이다. WMS 모듈이 x 및 y 방향으로 정확하게 위치를 잡으면, 상부 층(1006)을 거쳐 충간 층(1007) 및 하부 층(1008)으로 통과하는 볼트는 상부 층(1006)을 수직 지지 부재의 기부 상으로 하향 가압하여, 수직 지지 부재를 바람직한 x/y 위치에 고정한다. 조절 가능한 장착장비에 인접한 WMS 모듈의 z위치는, WMS 모듈의 기판 위 아래의 볼트들의 위치를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도11은, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 리니어 액추에이터 제어되는 연장가능한 지지대의 외관도를 보여주고 있다. 도11에서, 흡입 컵(1102)은 연장가능한 지지대의 상부 단부에 장착되어 있으며, 연장가능한 지지대(1104)의 하부 단부는 리니어 액추에이터의 하부 장착 플레이트(1106) 훨씬 아래에 있다. 압축 공기 브레이크(1108)는 리니어 액추에이터의 상면에 장착되어 있다. 이와 다르게, 압축 공기 브레이크(1108)가 리니어 액추에이터의 아래에 장착되거나, 또는 2개의 압축 공기 브레이크가 리니어 액추에이터의 양쪽 단부들에 장착될 수도 있다. 유체, 먼지, 가공 조각 또는 연마재 물질들이, 연장가능한 축(extendable shaft)의 모서리를 따라 압축공기 브레이크나 리니어 액추에이터로 유입되지 않도록, 가스켓 같은 실(seal)(1112)이 압축공기 브레이크의 내부를 밀봉해준다. 도11에 보여진 리니어 액추에이터는 WMS 모듈 기판의 상부 면에 장착하도록 형성되었다. 장착 플레이트(1106)는, 도7 내지 도9에 도시된 바와 같은 실시예들에서 압축 공기 브레이크의 상부에 장착되는데, 도7 내지 도9에서는 리니어 액추에이터가 WMS 모듈 기판의 아래에 장착된다.
연장가능한 지지대 축들의 회전이 방지되도록, 연장가능한 지지대 축들은 비원형 및 비타원형의 단면을 갖는다. 일반적으로 연장가능한 지지대 축들은, 압축 공기로 작동되는 제동 재질이 연장가능한 지지대 축을 제 위치에 고정하게끔 힘이 가해질 수 있는 제동면(braking surface)을 제공하는 연장가능한 지지대 축의 장축을 따라 연장되는 평평한 면을 특별히 포함한다.
도12는, 본 발명의 일실시예에 따른, WMS 모듈의 기판 아래 지지 프레임 내에 장착된 리니어 액추에이터를 보여주고 있다. 도12에서, WMS 모듈의 기판 아래에 장착된 리니어 액추에이터가 보일 수 있도록, WMS 모듈의 기판은 도시되지 않았다. 도12에서, 기판 아래의 프레임 내에 리니어 액추에이터(1202)가 보이고 있으며, 위로 향한 연장가능한 지지대의 단부에 흡입 컵(1204)이 고정되어 있다.
도13 내지 도14는, 본 발명의 일실시예에 따른 리니어 액추에이터 및 압축 공기 브레이크의 내부 부품들을 보여주고 있다. 도13은, 리니어 액추에이터와 압축 공기 브레이크를 둘러싸는 장방형 하우징을 뺀 리니어 액추에이터와 압축공기 브레이크를 보여주고 있어서, 압축 공기 브레이크와 리니어 액추에이터의 내부 부품들을 드러내 보여주고 있다. 리니어 액추에이터는 6개의 슈퍼 캐피시터(super capacitors)를 포함하는데, 그 중 3개(1302 내지 1304)가 보이고 있다. 이러한 슈퍼 캐퍼시티는, 결합된 통신/파워 케이블로부터의 상대적으로 낮은 입력 전압에 의해서 항시 충전된다. 슈퍼 캐퍼시티는, 도13에 나타나지 않는 전기 모터에 동력을 제공하고, 전기 모터는 유성 기어 박스와 연결되어 함께 회전 풀리축(rotating pulley shaft)(1306)을 구동하고, 회전 풀리축(1306)은 벨트(1308)를 통하여, 우레탄 롤러(1310)가 장착된 회전축을 구동하여, 프로세스 제어하에 연장가능한 지지대를 수직방향으로 상방 및 하방으로 구동한다. 연장가능한 축은 추가적으로 정렬 롤러(alignment roller)들에 의해 x 및 y 방향으로 구속되는데, 도13에는 정렬 롤러들 중 5개(1316 내지 1320)가 보이고 있다. 도14는 리니어 액추에이터의 작동을 보여준다. 전기 모터/유성 기어 박스에 의한 구동축(1402)의 회전은 롤러축을 회전시키는데, 롤러축은 연장가능한 축을 수직 z 방향으로 상방 또는 하방으로 구동하게끔, 연장가능한 축(1406)의 표면에 대해 롤러(도13의 1310)를 회전시킨다. 도15는, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 압축공기 브레이크 및 리니어 액추에이터의 내부 부품들을 다른 각도에서 보여주고 있다. 이 도면에서 전기 모터(1502) 및 유성 기어 박스(1504)를 분명하게 볼 수 있다. 추가적으로, 롤러축의 회전을 구동하는 벨트 상에 장력을 제어하기 위한 벨트 장력 조절 장치(1506)를 볼 수 있다. 또한 본 도면에서, 리니어 액추에이터와 컴퓨터 사이의 전자적 인터페이스를 제공하는 마이크로프로세서를 포함하는 인쇄기판("PCB")(1508)을 볼 수 있다.
도16은, 본 발명의 실시예를 나타내는 리니어 액추에이터와 연장가능한 지지대의 내부 부품들에 대한 분해도이다. 도17은, 본 발명의 일 실시예에 따라 가공물의 표면에 연장가능한 지지대를 적합시키기 위해, 연장가능한 지지대들의 단부들에 장착될 수 있는 여러 가지 다른 형태의 어댑터들을 보여주고 있다. 3개의 상이한 부압 작동 흡입 컵 어댑터들(1702 내지 1704) 및 어댑터 어셈블리들(1706 내지 1708)이 도17에 도시되어 있고, 2개의 연장가능한 지지대들(1714 및 1716) 사이에공구 같은 어댑터(1712)를 장착하기 위한 특징부들을 지닌 플레이트 같은 어댑터(1710)도 또한 도17에 도시되어 있다. 도18은, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 연장가능한 지지대와 어댑터의 단면도를 제시한다. 분배 부압 호스나 도관으로부터, 연장된 지지대의 하부 단부(1802)로 부압이 가해지는데, 상기 하부 단부(1802)는, 연장가능한 지지대와 어댑터 장착 장치(1808) 내에 수직 캐비티(vertical cavity)(1806)를 포함하는 내부 캐비티들(internal cavities)를 통하여 부압 기동 부압 컵(1804) 어댑터에 연결되어 있다. 연장가능한 지지대에는, 마이크로프로세서가 연장가능한 지지대와 어댑터의 수직 위치를 결정할 수 있게끔 디지털 리니어 인코더(digital linear encoder)에 의해 판독되는 인코드된 마그네틱 스트립(encoded magnetic strip)(1810)이 포함되어 있다. 추가로, 도18에 그 중 하나(1812)가 도시된 인접 스위치들에 의해 감지되는 2개의 타겟들(targets)이 제공되어, 연장가능한 축이 2개의 극단 연장 포인트들(extreme extension points) 어느 쪽이든 연장되는 것을 감지하고, 연장가능한 축이 리니어 액추에이터 위 또는 아래로 연장되는 것을 방지하도록 마이크로프로세서 콘트롤러에 알려준다.
도19는, 본 발명의 일 실시예를 나타내는 압축 공기 브레이크(도11의 1108)의 내부 부품들을 위에서 아래로 본 도면이다. 압축 공기 브레이크는 4개의 압축 공기 피스톤들(1902-1905)을 포함한다. 마이크로프로세서 콘트롤러에 의해 작동하는 전자 솔레노이드 스위치에 의해 제어되는 압축공기는 4개의 압축공기 포트들(1908-1911)로 유입된다. 이들 포트들로 압축 공기가 유입되면, 압축 공기 피스톤은 압축 공기 브레이크의 중앙을 향해 밀려서 2쌍의 웨지들(wedges)(1916 및 1918)을 함께 밀어내고, 이는, 제동 재질(1920 및 1922)을 안쪽으로 눌러, 대체로 정방형 단면(1924)의 연장가능한 축의 대향하는 면들에 대해 힘을 가하게끔 한다. 제곱인치 당 100 파운드 이하의 그다지 높지 않은 압력의 압축공기가 압축 공기 포트들(1908-1911)로 유입되면, 압축 공기 브레이크는 연장가능한 지지대의 면들에 대해 수천 파운드의 힘을 가할 수 있다.
도20은 본 발명의 일 실시예에 따른 WM 시스템의 통신 및 전력 분배 구조를 보여준다. WM 시스템은 하나의 외부 컴퓨터(2002)에 의해 제어되며, 이는 많은 파워 오버 이더넷(Power-over-Ethernet, "POE") 허브들(2004-2006)을 제어한다. 각각의 POE 허브는 카테고리 5("CAT-5") 이더넷 케이블들을 통해 48개에 달하는 리니어 액추에이터들에게 전력 및 이더넷 패킷들(packets)을 분배한다.
도21은, 본 발명의 일 실시예에 따른 WM 시스템의 제어를 보여주는 블럭 다이어그램이다. 도21은, 하나의 리니어 액추에이터 관점에서 WM 시스템 내의 제어를 보여주고 있다. 리니어 액추에이터는 위에서 논의한 것 같이, POE 허브(Power Over Ethernet hub)(2106)로부터 CAT-5 이더넷 케이블(Ethernet cable)을 거쳐 이더넷 데이터(2102) 및 전력(power)(2104)을 수신한다. 리니어 액추에이터 내에서, CAT-5 케이블로부터의 전력은 전력 콘트롤러(power controller)(2108)로 라우팅(routing)되고, 전력 콘트롤러(2108)는, 하나 이상의 펌웨어(firmware) 및/또는 소프트웨어(software)로 제어되는 모션 프로세싱 컴포넌트(motion-processing component)(2114)와, 통신 프로세싱 컴포넌트(2112)와, 슈퍼 캐패시터(super capacitor)들의 뱅크(bank)(2110)로 전력을 분배한다. 통신 프로세서(communication processor)는 근본적으로, 전체 WM 시스템을 제어하는 외부 컴퓨터(도20의 2002)에의 전자적 인터페이스를 실행한다. 외부 컴퓨터로부터 제어 명령을 수신하면, 통신 프로세서는, 연장가능한 지지대의 위치를 잡을 뿐 아니라 연장가능한 축의 단부의 어댑터(2122)로의 부압(vacuum) 제공 및 압축 공기 브레이크(2120)로 샵 에어(shop air) 제공을 컨트롤하기 위해, 리니어 액추에이터 내의 전기 모터(2120) 및 전자 솔레노이드 밸브들(2116 및 2118)을 제어함으로써 명령을 이행한다.
비록 본 발명이 특별한 실시예들의 관점에서 기술되었지만, 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 기술에 숙련된 자들에게는 변경이 자명할 것이다. 예를 들면, 위에서 논의된 바와 같이, WMS 모듈은 근본적으로 임의 개수의 열과 칼럼들에서, 근본적으로 임의 개수의 리니어 액추에이터 제어되는 연장가능한 축들을 포함할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, WMS 모듈의 기판은 위에서 기술된 실시예에서와 같이, 평탄할 수 있으나, 또한 이와 다르게 구형 또는 원통형 단면과 같은 곡면이 될 수도 있다. 비록 위에서 언급된 스텝 모터/유성 기어박스/회전롤러 메카니즘이, 연장가능한 지지대들을 연장하고 수축하는 데 매우 효과적이고 정교한 메카니즘인 것이 증명되었고, 압축공기 브레이크가 연장가능한 축을 고정된 위치에 유지하는 데 매우 효과적인 시스템인 것이 증명되었지만, 연장가능한 축들을 연장하거나 수축하고, 연장가능한 축들을 제 위치에 유지하기 위한 여타의 메카니즘도 가능하다. 또한, WM 시스템을 위한 아주 다양한 형태의 지지 구조들 및 골조들(frameworks)이 고안될 수도 있다. 다양한 타입의 가공물 및 가공물 표면들에 일치하는 지지 구조를 WM 시스템이 제공할 수 있도록, 연장가능한 축의 연장에 대한 제어를 제공하도록, 다양한 사용자 인터페이스들이 구현될 수 있다. 컴퓨터 제어 프로그램이, 일치되는 지지대를 제공하기 위한 명세에 따라, 가공물의 전자적으로 인코드된 명세를 수신하여, 연장가능한 축의 위치들을 자동적으로 조절할 수 있다. 다른 방법으로는, 임의 수량의 상이한 타입의 인터페이스들을 통해, 좀 더 미세한 단위의, 연장가능 지지대 위치 잡기의 컨트롤이 제공될 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템은, 리니어 액추에이터 제어되는 연장가능한 지지대들의 배열을 형성하고 조정하기 위한 구성 모듈(configuration module)을 제공한다.
전술한 내용에서, 본 발명에 대한 완전한 이해를 제공하기 위한 설명의 목적으로 특정의 전문용어가 사용되었지만, 당 업계의 숙련된 자에게 본 발명을 실시하기 위해 이러한 특정의 상세내용들이 필요하지 않은 것이다. 본 발명의 특정 실시예들에 대한 앞에서의 기술내용은 설명과 도시의 목적으로 제시되었으며, 이것들이 전부는 아니며, 본 발명을 개시된 세세한 형태로 국한하는 것은 아니다. 전술한 교시의 관점에서 많은 수정과 변형이 가능하다. 본 실시예들은, 본 발명의 원리와 실제적인 적용을 가장 잘 설명하기 위해 도시되고 기술되었으며, 당 업계에서 숙련된 다른 사람들이 본 발명을 잘 활용하고 특정한 용도에 적합하게 다양한 변형들을 실시할 수 있도록 도시되고 기술되었다. 본 발명의 범위는 다음의 청구항들 및 이들의 등가물들에 의해 결정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 자동화되고 조절가능한, 공작기계 가공물 장착 시스템(automated, adjustable, machine-tool work-piece-mounting system)으로서, 상기 시스템은,
    기판(substrate);
    비원형 및 비타원형 단면을 갖는 연장가능한 지지대(extendable support)들을 제어하는 리니어 액추에이터(linear actuator)들로서, 상기 기판에 장착되어 상기 연장가능한 지지대들이 상기 기판에 거의 수직인 방향으로 연장되고 수축될 수 있게 하는 리니어 액추에이터들;
    상기 리니어 액추에이터들의 상부 및/또는 하부에 장착되어, 상기 연장가능한 지지대들을 사전 정해진 위치에 유지해주는 압축공기 브레이크(compressed-air brake)들; 및
    가공물(work-piece)의 표면에 일치하는 지지 구조(support structure)를 생성하기 위해, 상기 연장가능한 지지대들의 위치를 잡게끔 상기 리니어 액추에이터에 명령을 발행하고, 상기 연장가능한 지지대들을 고정하게끔 상기 압축공기 브레이크들을 제어하는 컨트롤 프로그램(control program)을 실행하는 컴퓨터 시스템;을 포함하며,
    상기 연장가능한 지지대들의 연장 및 수축은, 상기 리니어 액추에이터들 내에 있는 슈퍼 캐패시터(super capacitor)들에 의해 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자동화되고 조절가능한, 공작기계 가공물 장착 시스템은, 2개 이상의 자동화되고 조절가능한, 공작기계 가공물 장착 시스템 모듈들을 포함하고, 상기 자동화되고 조절가능한, 공작기계 가공물 시스템 장착 시스템 모듈들 각각은,
    기판;
    비원형 및 비타원형 단면을 갖는 연장가능한 지지대들을 제어하는 리니어 액추에이터들로서, 상기 기판에 장착되어 상기 연장가능한 지지대들이 상기 기판에 거의 수직인 방향으로 연장되고 수축될 수 있게 하는 리니어 액추에이터들; 및
    상기 리니어 액추에이터들의 상부 및/또는 하부에 장착되어, 상기 연장가능한 지지대들을 사전 정해진 위치에 유지해주는 압축공기 브레이크들;을 포함하며,
    상기 연장가능한 지지대들의 연장 및 수축은, 상기 리니어 액추에이터들 내에 있는 슈퍼 캐패시터(super capacitor)들에 의해 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 액추에이터들 각각은,
    상기 연장 가능한 지지대가 연장 및 수축하는 데 전력을 공급하는 다수의 슈퍼 캐패시터들;
    상기 리니어 액추에이터에 의해 제어되는 연장가능한 지지대에 기계적 힘을 가해주는 롤러(roller)가 장착된 롤러 샤프트를 구동하는 벨트(belt)를 구동하는 유성 기어박스(planetary gearbox)에 연결된 전기 모터;
    상기 연장가능한 지지대의 연장 및 수축 방향에 직각인 방향으로, 상기 연장가능한 지지대에 위치적 안정성(positional stability)을 제공해주는 다수의 정렬 롤러(alignment roller)들; 및
    전자 통신 매개물(electronic communications medium)를 통해 컴퓨터 시스템에 인터페이스(interface)되고, 상기 전기 모터의 작동을 제어하는 마이크로프로세서 기반의 콘트롤러(microprocessor-based controller);를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연장가능한 지지대들은, 가공물과 인터페이스되게끔 제1 단부에 어댑터(adapter)들을 포함하며, 가공물을 잡기 위해, 부압 기동되는(vacuum-operated) 어댑터들을 작동시키는 부압시스템(vacuum system)과 제2 단부에서 연결되는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 어댑터들은, 부압 기동되는 흡입 컵(suction cup)들인 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    한 쌍의 연장가능한 지지대의 각각의 연장가능한 지지대는 어댑터 플레이트(adapter plate)에 연결되고, 상기 어댑터 플레이트에는 다양한 도구들 및 어댑터들이 장착되는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압축 공기 브레이크들 각각은 2쌍의 압축공기 피스톤(compressed-air piston)들을 포함하며, 상기 압축공기 피스톤의 쌍에 압축공기가 가해지면, 2개의 웨지(wedges)들이 함께 구동되어 브레이크 재질에 압력을 가하고, 상기 브레이크 재질은, 상기 연장가능한 지지대를 고정된 위치에 유지하도록 상기 연장가능한 지지대와 접촉하는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 액추에이터들에는, 전기 전력과 통신 신호들이 함께 공통의 매개물(common medium)을 통하여 전달되는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공통의 매개물은 Cat-5 이더넷(Ethernet) 케이블인 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    통신 신호들 및 전력은 파워 오버 이더넷 허브(power-over-Ethernet hub)들을 통하여 개개의 리니어 액추에이터들로 전달되는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨터 시스템은, 상기 연장가능한 지지대들의 제1 단부들에 장착된 어댑터들이, 가공물의 컴퓨터 판독가능한 명세(computer-readable description)에 인코드된(encoded) 가공물 표면에 일치하게 위치하게끔, 상기 연장 가능한 지지대들을 자동적으로 위치시키는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨터 시스템은, 사용자로 하여금 상기 자동화되고 조절가능한 공작기계 가공물 장착시스템을 구성하고 조정할 수 있게 하며, 가공물의 컴퓨터 판독가능한 명세를 입력할 수 있게 하며, 연장가능한 지지대들을 연장 및 수축시킬 수 있게 하며, 가공물 표면에 일치하는 지지구조를 생성할 수 있게 하는 사용자 인터페이스(user interface)를 제공하는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    연장가능한 지지대들은 압축공기에 의해, 가공물 표면에 일치하는 지지 구조를 생성하게끔 제 위치들에서 고정되고, 가공물은 연장가능한 지지대들 및 연장가능한 지지대 어댑터들을 통해 가해진 부압에 의해 제 위치에 고정되는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 자동화되고 조절가능한, 공작기계 가공물 장착 시스템은, 매립된 레일(embedded rails)을 갖는 장방형 캐비티(rectangular cavity) 내에 장착장비(mounting device)에 의해 장착되며, 상기 장착장비는, 기판의 위 및 아래로부터 볼트조립된 지지 부재(support member)와 3개 층 장착 블럭(three-layer mointing block)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 지지 부재에 장착된 기부(foot)는, 상기 3개 층 장착 블럭의 중간 층(midddle layer) 내의 구멍(apperture)보다 작은 크기이나, 상기 3개 층 장착 블럭의 상부 층(top layer) 내의 구멍보다 작은 크기이며, 나사 볼트(threaded bolt)들이 조여지면, 상기 3개 층 장착 블럭의 상부 층을 상기 3개 층 장착 블럭의 중간 층 쪽으로 가압하는 힘을 가하는 나사 볼트들로부터의 힘에 의해, 상기 3개 층 장착 블럭 내 고정 위치에 유지되는 것을 특징으로 하는 공작기계 가공물 장착 시스템.
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