KR20130003541A - 4축 가공 머시닝 센터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4축 가공 머시닝 센터에 관한 것으로, 센터바디와; 상기 센터바디에 지지되어 X축 방향으로 구동되는 새들과; 상기 새들과 연결되어 상기 새들의 Z축 방향 슬라이드를 통해 Z축 구동이 가능한 스핀들; 상기 센터바디과 연결되고 상기 스핀들 하부에 위치하여 가공체를 Y축 방향으로 구동이 가능하도록 하는 인덱스 테이블; 및 상기 스핀들이 상기 새들과 웜기어를 통해 B축으로 회동이 가능하도록 하는 회동 연결부를 포함한다.
이와 같은 본 발명은, 서보모터와 웜기어를 사용하여 스핀들 구조체를 회전 또는 틸팅시켜 4축 가공을 수행할 수 있게 되고, 웜기어의 특징인 기어비를 이용하여 스핀들 구조체의 회전속도를 정밀하게 제어할 뿐만 아니라, 구조체의 회전으로 발생하는 관성에 의한 오차 또는 시스템 전체의 강성에 문제를 웜기어 연결로 제어가능하다는 장점이 있다.

Description

4축 가공 머시닝 센터{4 axis work machining center}

본 발명은 머시닝 센터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장비의 운용 비용 부담을 줄이고, 시스템의 성능과 정밀도를 향상시키며, 가공체의 선택범위를 넓힐 수 있는 효율적인 4축 가공 머시닝 센터에 관한 것이다.

일반적으로 타이어 등의 제조를 위해 사용되는 금형은 매우 복잡하고, 정교한 구조를 취하는 것으로, 이와 같은 타이어 금형은 통상, 모형(Mock-up)제작에 의한 몰딩형성 내지 금형가공기기, 즉 머시닝 센타(Machining Center) 등에 의한 절삭가공작업을 통해 제작, 형성 되어지는 것이다.

하지만, 상기 복잡한 금형을 형성하기 위한 종래의 몰딩형성방법은 수작업에 의한 모형제작, 그리고 복잡한 제조공정상의 문제로 인해, 상대적으로 제품의 가격을 상승시킴과 동시에 불필요한 공정시간을 소모되게 하는 등, 그 제조과정에 있어 매우 비효율적인 문제점을 주는 것이었으며; 또 다르게, 상기 타이어 금형을 제작하기 위한 종래의 가공기기, 즉 머시닝 센타는 보링머신(Boring Machine), 밀링머신(Milling Machine), 드릴링머신 (Drilling Machine)을 하나로 통합한 복합공작기계로서 직선운동, 회전운동, 주축회전운동에 의해 3축 가공작업을 행하게 되는 것으로, 이에 이와 같은 3축 가공을 통해 정교하고 복잡한 구조의 금형을 가공할 경우 절삭간섭에 의한 공구의 회전 저지, 즉, 언더컷 현상의 발생을 불가피하게 하므로, 실질적인 타이어 금형가공작업을 불가능하게 하는 상당한 사용상의 문제점을 갖게하는 것이었다.

종래, 수직형 머시닝센터는 도 1과 같이 컬럼(10)과, 상기 컬럼(10)에 지지되어 X축 방향으로 구동되는 새들(12)과; 상기 새들(12)의 전면에 가이드장치를 통해 Z축 방향으로 구동되고 스핀들(14)이 탑재되어 있는 Z축 슬라이드(16)를 포함하고, 상기 새들(12)의 하부에 설치되어 새들의 전면으로 침입되는 절삭칩 등의 이물질을 차단하는 롤 커버장치가 설치되어 있다.

이때 축 구성은 스핀들(12)을 탑재한 Z축 슬라이드(14)의 하부에 리니어모션 블록이 결합되고, 새들의 상부에 리니어모션 레일이 결합되도록 구성되어지게 한후 새들(14)상에서 Z축 슬라이드(16)가 서보모터와 볼스크류에 의한 구동이 가이드웨이의 슬라이딩으로 상하방향으로 이송 가능하게 Z축이 구성되어지고, Z축 구성요소를 포함한 새들이 좌우 방향으로 이동가능하게 X축이 구성되고, 테이블(8)이 전후로 이동가능하게 Y축이 구성된다.

한편, 상기 3축 가공작업을 행하는 가공기기(머시닝 센터)의 문제점을 해결한 것으로서, 근래에는 전술한 3축 가공 머시닝 센터에 2축(가공물의 회전 및 경사)운동을 행하는 로터리 테이블(Rotary Table)을 부가설치토록 하여, 5축 가공작업을 행하도록 한 금형가공기가 널리 이용되고 있는 실정이다.

그러나, 이와 같은 구성을 갖는 근래의 5축 가공기기는 타이어 금형을 제작하기 위한 전용기계가 아니므로 인해, 가공작업을 행하는 각 축의 이동거리가 적절치 못한 문제점을 주는 것이었을 뿐만 아니라, 부가설치되는 로터리 테이블의 구조적 한계로 인해 무거운 가공물을 적재하기 어렵고, 또한 부피가 큰 가공물을 적재할 경우에는 가공물의 간섭으로 인해 용이한 가공작업을 행할 수 없는 구조상의 문제점을 그대로 상존시키는 것이었다.

상술한 문제를 해결하려는 본 발명의 과제는 3축 가공의 한계를 극복하고, 5축 가공 장비의 운용 측면에서의 비용 부담을 줄일 뿐만 아니라, 주축시스템에 기술을 제공하여 시스템의 성능과 정밀도를 향상시키고, 가공체의 선택범위를 넓힐 수 있는 효율적인 4축 가공 머시닝 센터를 제공하고자 함이다.

상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 특징은 머시닝 센터에 있어서, 센터바디과; 상기 센터바디에 지지되어 X축 방향으로 구동되는 새들과; 상기 새들과 연결되어 상기 새들의 Z축 방향 슬라이드를 통해 Z축 구동이 가능한 스핀들; 상기 센터바디과 연결되고 상기 스핀들 하부에 위치하여 가공체를 Y축 방향으로 구동이 가능하도록 하는 인덱스 테이블; 및 상기 스핀들이 상기 새들과 웜기어를 통해 B축으로 회동이 가능하도록 회동 연결부를 포함한다.

여기서, 상기 회동 연결부는, 상기 상부에서 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터와 하부로 연결된 웜축과, 상기 스핀들과 연결되고, 상기 웜축의 회전으로 상기 스핀들을 B축으로 회동시키는 웜휠을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 서보모터는 센터 제어부와 연결되어 CNC 수치제어되는 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는 상기 웜축과 웜휠은 기어비가 다른 것으로 탈부착이 가능한 것일 수 있고, 상기 회동 연결부는, 직경이 다른 다단의 웜휠을 구비하여, 상기 웜축이 선택적으로 상기 웜휠과 기어 연결을 변경시킬 수 있는 구조인 것일 수 있다.

더하여, 상기 서보모터는 센터 제어부와 연결되어 CNC 수치제어되는 것이 바람직하고, 상기 웜축과 웜휠은 기어비가 다른 것으로 탈 부착이 가능한 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명은, 서보모터와 웜기어를 사용하여 스핀들 구조체를 회전 또는 틸팅시켜 4축 가공을 수행할 수 있게 되고, 웜기어의 특징인 기어비를 이용하여 스핀들 구조체의 회전속도를 정밀하게 제어할 뿐만 아니라, 구조체의 회전으로 발생하는 관성에 의한 오차 또는 시스템 전체의 강성에 문제를 웜기어 연결로 제어가능하다는 장점이 있다.

또한, 가공체의 구조에 따라 선택적으로 기어비를 변경하여 보다 가공체 구조물에 알맞게 구동할 수 있고, 기어 손상시 용이하게 교체할 수 있고, 필요에 따라 기어비가 다른 웜축 및 웜휠을 변경하여 사용할 수 있다는 점에서 가공체의 선택범위가 넓어지는 장점이 있다

도 1은 종래의 3축 가공 수직형 머시닝 센터의 구조를 나타내는 사시도,
도 2은 본 발명에 따른 4축 가공 머시닝 센터의 측면 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 4축 가공 머시닝 센터의 회동 연결부의 정면도를 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.

이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2은 본 발명에 따른 4축 가공 머시닝 센터의 측면 구성을 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 4축 가공 머시닝 센터는 머시닝 센터에 있어서, 센터바디(100)와; 상기 센터바디에 지지되어 X축 방향으로 구동되는 새들(300)과; 상기 새들과 연결되어 상기 새들의 Z축 방향 슬라이드를 통해 Z축 구동이 가능한 스핀들(100); 상기 센터바디와 연결되고 상기 스핀들 하부에 위치하여 가공체를 Y축 방향으로 구동이 가능하도록 하는 인덱스 테이블; 및 상기 스핀들이 상기 새들과 웜기어를 통해 B축으로 회동이 가능하도록 하는 회동 연결부(200)를 포함한다.

본 발명에 따른 머시닝 센터는 일반적인 CNC 수치제어방식에 의해 구동제어되는 구조로서, 센터바디(400), 새들(300), 스핀들100), 인덱스 테이블로 구성되고, 상기 새들과 스핀들의 회동 연결부(200)에 의해 연결되는 구조이다.

상술한 바와 같이, 종래의 머시닝 센터는 X,Y, 및 Z 축의 3축 가공 구조로서, 정교하고 복잡한 구조의 금형을 가공할 경우 절삭간섭에 의한 공구의 회전 저지, 즉, 언더컷 현상의 발생을 불가피하게 하므로, 실질적인 금형가공작업을 불가능하게 하는 상당한 사용상의 문제점이 있었고, 근래에 인덱스 테이블에 2개의 축 가공 구조를 더해, 5축 가공기기는 타이어 금형을 제작하기 위한 전용기계가 아니므로 인해, 가공작업을 행하는 각 축의 이동거리가 적절치 못한 문제점을 주는 것이었을 뿐만 아니라, 부가설치되는 로터리 테이블의 구조적 한계로 인해 무거운 가공물을 적재하기 어렵고, 또한 부피가 큰 가공물을 적재할 경우에는 가공물의 간섭으로 인해 용이한 가공작업을 행할 수 없는 구조상의 문제점이 있었다.

이에 본 발명에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 새들(300)과 스핀들(100)의 연결부위에 회동 연결부(200)를 체결하여 스핀들의 주축을 회전할 수 있도록 함으로써, 4축 가공이 가능하도록 하는 구조를 제안한다.

본 발명에 따른 실시예의 구조에서 회동 연결부는 모터와 웜기어 구성되는 구조로서, 직육면체의 몸체 상부에 모터를 설치하고, 서보모터(250)와 하방으로 웜축(230)을 연결하고, 상기 웜축(230)의 웜(231)과 연결되는 B축 방향의 웜휠(210)로 구성된 구조이다. 이와 같은 구조는 서보모터(250)의 구동으로 웜(231)이 회전하면 상기 웜(231)과 기어연결된 웜휠(210)이 회전되고, 상기 웜휠(210)과 연결된 스핀들(100)이 회전하는 구조이다.

보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 머시닝 센터는 수직 머시닝 센터로, 몸체와 새들(300)이 연결되어 X축 방향으로 볼 스크류 등을 통하여 직선이동이 가능한 구조이고, 새들은 상부에 위치한 모터구동으로 Z축 방향으로 이동가능한 스테이지(350)를 구비하는 구조이다. 이 모든 직선 구동은 센터 제어부에서 CNC 수치제어 방식에 의해 구동제어된다.

더하여 본 발명에 따른 머시닝 센터는 상기 센터바디(400)를 지지하고, 상기 스핀들 하부에 위치하여 가공체를 가공하기 위한 작업 테이블 또는 인덱스 테이블을 구비하는데, 상기 인덱스 테이블은 가공체를 지지하고, Y축 방향으로 직선 이동이 가능한 이송로드 또는 볼 스크류 이동체 구조를 구비한다.(도시하지 않음) 이처럼 센터 바디의 X축 이동 구조, 새들의 Z축 이동구조, 인덱스 테이블의 Y축 이동구조로 3축 가공구조를 형성하게 된다.

그리고, 본 발명의 핵심적 특징인 B축 회동 구조로서, 회동 연결부는, 상기 새들(300)과 스핀들(100) 구조체(주축)를 연결하는 구조로서, 모터와 웜기어를 이용하여 회동시키는 구조이다. 즉, 회동 연결부 상부에는 모터(250)가 구비되고, 모터와 하방으로 연결된 웜축(230)의 웜(231)과 B축 방향으로 설치된 웜휠(210)이 연결되어, 상기 모터구동이 있는 경우 웜휠(210)이 기어비에 따라 회전하게 함으로써, 상기 웜휠(210)과 고정연결된 스핀들(100) 구조체도 따라서 회동하게 되는 구조이다.

이로써, 본 발명에서 간단하고 용이한 구성으로 4축 구동이 가능하게 되고, 스핀들(100)의 B축 회동이 있는 경우 발생할 수 있는 강성 문제와 제어 문제를 웜기어를 사용하여 해결하고, 기어비를 달리하여 서보모터와 연결된 센터 제어부에 의해 CNC 수치제어방법으로 제어함으로써, 고성능 고효율의 4축 가공 머시닝 센터를 제공할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 4축 가공 머시닝 센터의 회동 연결부의 정면도를 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 회동 연결부는 서보모터(250), 웜축(230), 웜(231) 및 웜휠(210)로 구성되는 것으로, 상부 측면에 서보모터(250)를 설치하고, 상기 서보모터(250)의 하부로 웜축(230)을 연결하고, 웜축(230)의 웜(231) 중앙에 위치한 웜휠(210)과 기어 연결시킴으로써, 서보모터(250)의 구동으로 스핀들과 고정 연결된 웜휠(210)을 회동시키는 구조이다.

웜기어 구조는 한 줄 또는 여러 줄의 나사선으로 되어 있는 웜과 이[齒] 홈의 중앙이 오목하게 되어 있어, 이것과 맞물리는 웜휠과의 한 쌍을 말한다. 웜휠은 헬리컬 기어(helical gear)와 비슷해서 이의 홈이 비스듬히 새겨져 있고 웜의 나사선에 의해서 이송된다. 또한, 웜기어는 1/300 정도의 큰 감속비(減速比)를 얻을 수 있는 것과 역전(逆轉)이 불가능하다는 등의 특징이 있다.

본 발명의 B 축 구동의 구조체로서, 서보모터(250)와 웜기어를 사용하여 스핀들(100) 구조체를 회전 또는 틸팅시키기 때문에, 웜기어의 특징인 기어비를 이용하여 스핀들 구조체의 회전속도를 정밀하게 제어할 뿐만 아니라, 구조체의 회전으로 발생하는 관성에의한 오차 또는 시스템 전체의 강성에 문제를 웜기어 연결로 제어가능하다는 장점이 있다. 즉, 웜기어 구조는 스핀들(100)과 고정연결된 웜휠(210)이 웜축(230)의 웜(231)과 맞물려 있기 때문에, 관성에 의한 회전 오차나 강성저하를 상당 부분 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 회동 연결부는 센터 제어부에 의해 CNC 수치제어방식으로 구동제어되는데, 서보기구의 조작부로서 제어신호(制御信號)에 의해 부하(負荷)를 구동하는 장치인 서보모터를 사용하는 것이 바람직하다.

서보모터(250)의 동력원에 따라 전기식(서보 전동기), 공기식(공기 서보모터), 유압식(유압 모터) 등이 있으며, 보통 서보모터라고 하면 서보 전동기를 가리키는 경우가 많다. 서보 전동기는 빠른 응답과 넓은 속도제어의 범위를 가진 제어용 전동기로, 그 전원에 따라 직류 서보모터와 교류 서보모터로 분류된다. 교류 서보모터의 대부분은 3상 서보모터이다.

이것들은 정지·시동·역전 등의 동작을 반복하므로, 방열효과를 좋게 하거나, 동작의 변화가 빨라지도록 설계상 고려되어 진다. 또한 본 발명에 따른 머시닝 센터에 사용되는 서보모터는 센터 제어부의 제어신호에 따라 운전되며, 그러기 위해서는 제어신호를 받아 이것을 증폭하여 서보모터를 구동하는 장치가 필요하며, 이것을 서보증폭기라고 한다. (도시하지 않음)

그리고, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 회동 연결부는 웜휠(210)이 직경이 다른 휠(210)이 간격을 두고 다수 설치되는 다단 구조로 이루어지고, 상기 웜축의 웜을 이동시켜 선택적으로 웜휠(210)과 연결할 수 있도록 기어 변경구조인 것이 바람직하다. 이는 웜휠(210)의 직경이 다르게 되면, 웜(231)과 연결되는 기어비가 다르게 되어, 수치제어의 의한 범위도 달라지기 때문에, 가공체의 구조에 따라 선택적으로 기어비를 변경하여 보다 가공체 구조물에 알맞게 구동할 수 있는 장점이 있다.

또한, 이와 같은 웜휠(210)과 웜축(230)은 탈부착 가능한 체결구조로 되어, 기어 손상시 용이하게 교체할 수 있고, 필요에 따라 기어비가 다른 웜(231) 및 웜휠(210)을 변경하여 사용할 수 있다는 점에서, 가공체의 선택범위가 넓어지는 장점이 있다.(도시하지 않음)

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

100: 스핀들, 150: 스핀들 모터, 200: 회동 연결부, 210: 웜휠, 300: 새들,
350: Z축 스테이지, 400: 센터바디, 450: X축 이송로

Claims (7)

1. 머시닝 센터에 있어서,
   센터바디와;
   상기 센터바디에 지지되어 X축 방향으로 구동되는 새들과;
   상기 새들과 연결되어 상기 새들의 Z축 방향 슬라이드를 통해 Z축 구동이 가능한 스핀들;
   상기 센터바디과 연결되고 상기 스핀들 하부에 위치하여 가공체를 Y축 방향으로 구동이 가능하도록 하는 인덱스 테이블; 및
   상기 스핀들이 상기 새들과 웜기어를 통해 B축으로 회동이 가능하도록 하는 회동 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 4축 가공 머시닝 센터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 회동 연결부는,
   상기 상부에서 회전 구동하는 서보모터와,
   상기 서보모터와 하부로 연결된 웜축과,
   상기 스핀들과 연결되고, 상기 웜축의 회전으로 상기 스핀들을 B축으로 회동시키는 웜휠을 포함하는 것을 특징으로 하는 4축 가공 머시닝 센터.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 서보모터는 센터 제어부와 연결되어 CNC 수치제어되는 것을 특징으로 하는 4축 가공 머시닝 센터.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 웜축과 웜휠은 기어비가 다른 것으로 탈 부착이 가능한 것을 특징으로 하는 4축 가공 머시닝 센터.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 회동 연결부는,
   직경이 다른 다단의 웜휠을 구비하여, 상기 웜축이 선택적으로 상기 웜휠과 기어 연결을 변경시킬 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는 4축 가공 머시닝 센터.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 서보모터는 센터 제어부와 연결되어 CNC 수치제어되는 것을 특징으로 하는 4축 가공 머시닝 센터.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 웜축과 웜휠은 기어비가 다른 것으로 탈 부착이 가능한 것을 특징으로 하는 4축 가공 머시닝 센터.
   

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