KR20130009468A

KR20130009468A - 공작기계 구조물의 열변위 저감구조

Info

Publication number: KR20130009468A
Application number: KR1020110070607A
Authority: KR
Inventors: 김원년; 김태원; 이윤종; 이상규
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-01-23
Also published as: WO2013012224A2; US20140144168A1; WO2013012224A3; KR101847210B1; US9999952B2

Abstract

본 발명은 공작기계 구조물의 열변위 저감구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는, 공작기계에 구비되고 일측에 가이드 레일(102)이 형성된 고정구조물(100); 가이드 레일(102)에 설치되어 운동하는 가동 구조물(120); 및 고정구조물(100)에서 냉각오일을 순환하도록 하여 고정구조물(100)을 냉각시키고 고정구조물(100)의 온도분포를 균일화하도록 하는 냉각 유닛(300);을 포함하고,
냉각 유닛(300)은, 가이드 레일(102)과 인접하게 고정 구조물(100)의 내부에 배치되고, 가이드 레일(102)에서 발생하는 발열과 냉각오일이 열교환하도록 하는 제1 냉각 유닛; 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 제1 냉각 유닛보다 아래쪽으로 이격 배치되어 열교환 하는 제2 냉각 유닛; 및 냉각 유닛(300)의 한쪽에 배치되어 냉각오일을 제1, 제2냉각 유닛을 따라 강제 순환시키도록 하는 펌프 유닛(400);을 포함한다.

Description

공작기계 구조물의 열변위 저감구조{Reduction structure of thermal displacement error for the structure of machine tool}

본 발명은 공작기계 구조물의 열변위 저감구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정구조물과 가동구조물이 서로 마찰 운동하는 부분에서 열이 발생하고, 그 열에 의해 고정구조물이 변형되어 가공정밀도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 구조물의 열변위를 저감할 수 있도록 하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계는 베드 프레임, 칼럼 프레임, 크로스 프레임, 테이블 유닛, 터릿 유닛, 이송대 유닛, 스핀들, 서브 스핀들, 심압대 등 다양한 구성요소가 조합되어 구성된다.

한편, 공작기계의 구조물은 고정구조물과 가동구조물로 구분될 수 있고, 고정구조물에 가동구조물이 설치되며, 가동구조물은 고정구조물에 대하여 상대운동을 하며 움직인다.

고정구조물은 공작기계의 베드 프레임일 수 있고, 가동구조물은 공작기계의 이송대 유닛 또는 칼럼 프레임일 수 있다.

또한, 가동구조물에 또 다른 가동구조물이 설치되어 움직일 수 있는 것이므로 특정한 가동구조물은 고정구조물로 이해될 수 있고, 예를 들어 이송대 유닛에 터릿 유닛이 설치될 수 있으며, 이때 이송대 유닛은 고정구조물로 터릿 유닛은 가동구조물로 이해될 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 고정구조물과 가동구조물이 상호 운동될 때에는 밀착되는 부분에는 마찰에 의한 열이 발생하고, 그러한 열은 고정구조물 또는 가동구조물이 열 변형을 일으킨다.

또한, 가동구조물은 공작물의 가공이 진행됨에 따라 고정구조물에 대한 상대위치가 변화되므로 발열되는 위치가 변화될 수 있다.

특히 구조물은 열이 작용되는 부분과 그렇지 않는 부분에서 온도차이가 발생하고, 그러한 온도차이로 인하여 팽창되는 변위 량이 다르므로 구조물의 뒤틀림이 발생한다.

이와 같은 열 변형은 공작물의 가공정밀도를 저하시키고 나아가 공작물의 가공품질이 낮아지는 문제를 유발한다.

상술한 바와 같은 열변위로 인한 문제에 대응하기 위해 안출된 기술로서 하기의 특허문헌1, 2, 3이 공개되어 있다.

특허문헌1을 살펴보면, 공작기계에서 이송계의 발열로 인한 오차를 줄일 수 있는 공작기계 구조물의 냉각장치에 관한 것으로, 주축계의 볼 스크루 축 열 변형 방지를 위해 형성된 냉각유로와 더불어 공구를 이송하기 이송계의 볼 스크루 축 내부에도 냉각유로를 형성하여 필연적으로 발생되는 열을 억제하도록 하는 것이다.

한편, 특허문헌1은 각각의 냉각유로는 구비된 냉각기의 입구와 출구에 순환이 가능하도록 연결하고, 냉각기의 내부에는 배출되는 오일온도와 대기온도를 비교하여 입구로 유입되는 오일을 냉각시킬 수 있도록 온도제어기를 포함하고 있다.

그러나 특허문헌1에 기재된 기술은 오일을 냉각시키고 순환시키도록 하기위하여 오일 탱크, 응축기, 증발기, 팽창 밸브, 각종 배관 등 수많은 주변기기를 필요로 하므로 냉각장치의 구성이 복잡하고 유지관리에 많은 주의가 요구된다.

특허문헌2를 살펴보면, 공작기계의 냉각장치에 관한 것으로, 스핀들 헤드에는 외부벽과 내부벽 사이에 오일공간을 형성하고, 오일탱크로부터 냉각매체라인을 통하여 스핀들 헤드에 형성된 오일공간에 냉각오일을 공급 순환하도록 하여 스핀들 헤드에서 발생하는 열을 냉각시키도록 하는 것이다.

그러나 특허문헌2에 기재된 기술은 냉각오일을 순환시키도록 하기 위하여 특허문헌1에서와 마찬가지로 수많은 주변기기를 필요로 하므로 유지관리에 많은 주의가 요구되며, 스핀들 헤드에 한정하여 냉각시키는 것이므로 공작기계의 베드 프레임과 같은 다른 구조물에서 발생하는 발열을 냉각시키지 못하는 문제점이 있다.

특허문헌3을 살펴보면, 발열이 추정되는 부분에 온도센서를 구비하고, 온도센서로부터 얻어지는 정보를 근거로 열적인 변위 량을 검출하며, 그 변위 량을 환산하여 각 축에 관한 상대 이동량을 보정하도록 하는 것이다.

그러나 특허문헌3에 기재된 기술은 복수의 온도센서로부터 제공되는 정보를 S/W로 연산 처리하여 각 축의 이동량을 수치로 보정하는 것이지만, 공작기계가 설치 운용되는 환경(온도, 습도 등)과 공작물의 가공형태가 다양하므로 구조물이 뒤틀리거나 변형되는 방향을 정확하게 추정하는 것은 곤란하며, 이론적으로 구한 결과 값과 실제로 적용되어야할 보정 값이 다를 경우가 있을 수 있으며, 이러한 경우에는 정밀한 가공이 어려워지는 문제점이 있다.

대한민국 공개 특허공보 제10-2004-0100135(2004.12.02) 대한민국 특허공보 10-1995-003042(1995.03.30) 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0118666(2007.12.17)

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 구조물의 특정한 부분에서 온도가 상승하는 경우에 다른 부분으로 신속하게 전열시켜 구조물의 전체적으로 온도의 편차를 줄이도록 하여 구조물이 변형되거나 뒤틀리는 것을 방지할 수 있도록 하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는, 공작기계에 구비되고 일측에 가이드 레일(102)이 형성된 고정구조물(100); 상기 가이드 레일(102)에 설치되어 운동하는 가동 구조물(120); 및 상기 고정구조물(100)에서 냉각오일을 순환하도록 하여 상기 고정구조물(100)을 냉각시키고 상기 고정구조물(100)의 온도분포를 균일화하도록 하는 냉각 유닛(300);을 포함하고, 상기 냉각 유닛(300)은, 상기 가이드 레일(102)과 인접하게 상기 고정 구조물(100)의 내부에 배치되고, 상기 가이드 레일(102)에서 발생하는 발열과 상기 냉각오일이 열교환하도록 하는 제1 냉각 유닛; 상기 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 상기 제1 냉각 유닛보다 아래쪽으로 이격 배치되어 열교환 하는 제2 냉각 유닛; 및 상기 냉각 유닛(300)의 한쪽에 배치되어 상기 냉각오일을 상기 제1, 제2냉각 유닛을 따라 강제 순환시키도록 하는 펌프 유닛(400);을 포함한다.

또한, 상기 제1 냉각 유닛은 상기 가이드 레일(102)을 기준으로 서로 평행하게 배치되는 제1, 제3 냉각 유로(301, 303);이고 상기 제2 냉각 유닛은 상기 제1, 제3 냉각유로(301, 303)보다 아래쪽으로 이격 배치되는 제5, 제7 냉각유로(305, 307);이며 상기 제1, 제3 냉각 유로(301, 303)과 상기 제5, 제7 냉각유로(305, 307)를 각각 연결하는 제4, 제8 냉각 유로(304,308);를 더 포함하고, 상기 제1, 제3 냉각 유로(301, 303)과 상기 제5, 제7 냉각유로(305, 307)는 상기 고정구조물(100)의 내부 공간에서 디귿자(ㄷ)자 형태로 배치되는 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 냉각 유로(301)과 상기 제3 냉각 유로(303)를 연결하는 제2 냉각 유로(302); 및 상기 제5 냉각유로(305)와 상기 제7 냉각유로(307)를 연결하는 제6 냉각 유로(306);를 더 포함하고, 상기 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8 냉각유로(301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308)는 상기 고정구조물(100) 내부에서 루프형태로 배치되어 상기 냉각오일이 순환하도록 하는 것일 수 있다.

또한, 상기 냉각 유닛(300)은, 상기 가이드 레일(102)과 인접하게 상기 고정 구조물(100)의 내부에 배치되고, 냉각오일을 루프형태로 순환시키도록 하여 열교환하는 제1 루프 냉각 유닛(310); 및 상기 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 상기 가이드 레일(102) 아래쪽으로 이격 배치되고 냉각오일을 루프형태로 순환시켜 열교환하는 제2 루프 냉각 유닛(320);을 포함할 수 있다.

또한, 상기 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 제1 루프 냉각 유닛(310)과 상기 제2 루프 냉각 유닛(320)의 사이에 배치되고 루프형태로 냉각오일을 순환시키도록 하여 열교환하는 제3 루프 냉각 유닛(330);을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 루프 냉각 유로(310)와 상기 제2 루프 냉각 유로(320)가 서로 연결되도록 배치되어 상기 냉각오일이 서로 순환하도록 하는 연결 냉각 유로(340);를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 루프 냉각 유로(310)와 상기 제2 루프 냉각 유로(320)에 각각 배치되어 상기 냉각오일이 가로질러 순환하도록 하여 열교환의 면적을 증대시키도록 하는 보조 냉각 유로(350);를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는, 공작기계에 구비되고 일측에 가이드 레일(202)이 형성된 고정구조물(200); 상기 고정구조물(200)의 상기 가이드 레일(202)에 설치되어 운동하는 가동 구조물(210); 상기 고정구조물(200)에서 상기 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 상기 가이드 레일(102)과 인접하게 배치되고, 상기 가이드 레일(202)에서 발생하는 발열과 상기 냉각오일이 열교환하도록 하여 상기 고정구조물(200)을 냉각시켜 사기 고정구조물(200)의 온도분포를 균일화하도록 하는 냉각 유닛(300);를 포함한다.

또한, 상기 냉각 유닛(300)의 냉각유로는 상기 가이드 레일(202)을 통과하도록 배치되는 것일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 불특정한 부분에서 고온이 발생하더라도 그 열은 냉각유로의 냉각오일에 의해 신속하게 다른 부분으로 전열되어 구조물 전체의 온도 편차가 균일화될 수 있고, 이로써 공작기계의 구조물이 열변위로 인하여 변형되는 문제를 저감할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감시스템은 냉각유로에 냉각오일을 채운 후에 그 냉각오일을 반영구적으로 사용할 수 있어 별도의 유지보수가 필요하지 않을 수 있어 편리한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감시스템은 냉각오일이 순환하는 냉각유로와 냉각오일을 강제로 순환시키도록 하는 펌프의 구성요소를 필요로 하는 것으로 종래의 알려진 기술에 비교하여 제조가 용이하고 제조비용이 저렴할 수 있는 것이다.

도 1은 공작기계의 구조물을 설명하기 위한 예시도면이다.
도 2는 공작기계의 제1 비교예인 구조물에서 특정부분에 온도가 상승한 예를 보인 예시도면이다.
도 3은 공작기계의 제1 비교예인 구조물에서 특정부분에 온도가 상승할 때에 열변위를 설명하기 위한 예시도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조에서 구조물에 형성된 냉각유로를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제1 비교예의 구조물과 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조가 적용된 구조물에서 온도분포를 비교설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 14는 본 발명의 제3 내지 제9 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 공작기계의 제2 비교예인 구조물을 설명하기 위한 도면이다.
도 16 및 도 17는 본 발명의 제10, 제11 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 공작기계의 제3 비교예인 구조물을 설명하기 위한 도면이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 제12 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 21 및 도 22은 본 발명의 제13 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 제14 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

먼저, 도 1을 참조하여 공작기계의 구조물을 설명한다.

구조물은 고정구조물(100)과 가동구조물(110, 120, 130)로 정의될 수 있고, 고정구조물(100)에는 가이드 레일(102)이 형성되며, 가이드 레일(102)에 가동구조물(120)이 설치된다.

본 발명의 상세한 설명에서는 고정구조물(100)의 예로서 베드 프레임을 설명하고, 가동구조물(120)의 예로서 이송대를 설명한다.

한편, 가동구조물(120)에는 다른 가동구조물이 유사한 구조로 설치될 수 있는데 예를 들면, 터릿 유닛(130)이 이송대(120 참조)에 설치될 수 있다.

또한, 고정구조물(100)에는 또 다른 가동구조물이 설치될 수 있는데 예를 들면 스핀들(110), 심압대, 방진구 등의 구성요소가 설치될 수 있다.

즉, 고정구조물(100)과 가동구조물(120)은 운동 형태를 기준으로 정지되어 있는 구조물을 고정구조물(100)로 이해하고, 움직이는 구조물을 가동구조물(120)로 이해할 수 있을 것이다.

<제1 비교예>

첨부도면 도 2 및 도 3을 참조하여 제1 비교예의 고정구조물(100)의 열변위를 설명한다.

첨부도면 도 2는 열 유동 해석 소프트웨어로 시뮬레이션 하여 온도 분포를 보인 도면이고, 첨부도면 도 3은 열 변형을 보인 도면이다.

가동구조물(120)은 이송계 유닛에 의해 이동될 수 있고, 이때 고정구조물(100)과 가동구조물(120)의 사이에는 마찰이 발생하므로 마찰되는 부분에는 다른 부분에 비교하여 상대적으로 온도가 상승된다.

마찰되는 부분은 가동구조물(120)의 이동을 안내하고 가동구조물(120)의 하중을 지탱하도록 하는 가이드 레일(102)의 일부분일 수 있다.

도 2를 살펴보면, 고정구조물(100)에서 가이드 레일(102)의 일부분에 집중적으로 온도가 상승됨을 알 수 있다.

도 3을 살펴보면, 가동구조물(120)에서 열이 발생하고 그 열에 의해 베드 프레임인 고정구조물(100)이 뒤틀리는 현상을 알 수 있다.

발열은 스핀들 구동, 이송계 유닛의 구동 등에서 집중적으로 발생할 수 있고, 그러한 발열은 베드 프레임, 이송대 등의 구조물로 전열되는 것이다.

따라서 구조물은 온도변화에 의해 변형되는데, 구조물이 팽창될 때에 구조물에 온도분포가 불균일하므로 구조물이 어느 방향으로 어떠한 형태로 변형이 나타날지를 예측할 수 없어서 어느 방향으로 어느 정도로 보정하여야 하는 지를 가늠하기가 어려운 것이다.

따라서 본 발명에 따른 실시예는 구조물의 특정부분에서 발생하는 열을 다른 부분으로 신속하게 전열하도록 하여 구조물 전체적으로 온도분포를 균일하도록 하여 구조물이 열변위를 저감하도록 하는 것이다.

이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조에 대해서 설명한다.

첨부도면 도 4 및 도 5는 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 6는 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조에서 구조물에 형성된 냉각유로를 설명하기 위한 측면도면이며, 도 7은 제1 비교예의 구조물과 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조가 적용된 구조물에서 온도분포를 비교설명하기 위한 도면이다.

<제1 실시예>

본 발명의 제1 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 고정구조물(100)에 가이드 레일(102)이 형성되고, 가이드 레일(102)에는 가동구조물(120)이 설치되며, 고정구조물(100)의 내부에는 냉각 유닛(300)이 배치된다.

냉각 유닛(300)은 냉각오일이 순환되도록 하는 냉각유로(301 ~ 309 참조)를 포함하여 구성된다.

좀 더 상세하게는, 냉각 유닛(300)은, 제1, 제2 냉각 유닛을 포함하여 구성될 수 있다.

제1 냉각 유닛은 가이드 레일(102)과 인접하게 고정 구조물(100)의 내부에 배치되고, 가이드 레일(102)에서 발생하는 발열과 냉각오일이 열교환하도록 한다.

제2 냉각 유닛은 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 상술한 제1 냉각 유닛보다 아래쪽으로 이격 배치되어 열교환하도록 한다.

상술한 냉각 유닛(300)의 한쪽에 펌프 유닛(400)이 배치되고, 펌프 유닛(400)은 냉각오일을 상술한 제1, 제2냉각 유닛을 따라 강제 순환시키도록 하도록 한다.

상술한 냉각유로는 고정구조물(100)의 길이방향으로 복수의 홀이 형성되고, 홀에 파이프가 배치되며, 복수의 파이프는 냉각오일이 채워지는 구성이다.

즉, 가이드 레일(102)의 길이 방향과 나란하고 가이드 레일(102)과 인접하게 제1, 제3 냉각유로(301)(303)가 형성되고, 고정구조물(100)의 바닥 쪽에 제5 냉각유로(305)가 형성되며, 제1 냉각유로(301)와 제3 냉각유로(303)는 제2 냉각유로(302)로 연결되고, 제3 냉각유로(303)와 제5 냉각유로(305)는 제4 냉각 유로(304)로 연결된다.

상술한 제1 냉각 유닛은 상술한 가이드 레일(102)을 기준으로 서로 평행하게 배치되는 제1, 제3 냉각 유로(301, 303)일 수 있다.

또한, 상술한 제2 냉각 유닛은 상기 제1, 제3 냉각유로(301, 303)보다 아래쪽으로 이격 배치되는 제5, 제7 냉각유로(305, 307)일 수 있다.

한편, 상술한 제1, 제3 냉각 유로(301, 303)과 상술한 제5, 제7 냉각유로(305, 307)는 상술한 고정구조물(100)의 내부 공간에서 디귿자(ㄷ)자 형태로 배치될 수 있고, 이로써 고정구조물(100)를 균등하게 배분되어 배치될 수 있으며 나아가 고정구조물(100)의 온도분포를 균일하게 열교환하는 데에 효과가 향상될 수 있다.

한편, 제5 냉각유로(305)와 제1 냉각유로(301)는 제9 냉각유로(309)로 연결될 수 있는데, 제9 냉각유로(309)는 고정구조물(100)의 외측으로 노출되어 연결될 수 있다.

가이드 레일(102)에서 가동구조물(120)로부터 발생하는 열, 압력에 의해 발생하는 열 등의 열원에 의해 특정한 부분에서 온도가 상승하게 된다.

이때 펌프 유닛(400)은 냉각오일을 강제로 순환시키면 고온 부분의 열이 저온부분으로 이동되면서 열교환이 이루어지고 이로써 고정구조물(100)의 전체적인 열 분포가 균일해질 수 있게 된다.

<제2 실시예>

본 발명의 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 제1 실시예에서 냉각 유닛(300)의 구조가 변경된 것이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 냉각 유닛(300)은 냉각오일이 펌프 유닛(400)에 의해 순환되도록 하는 냉각유로(301 ~ 308 참조)를 포함하여 구성된다.

냉각유로는 가이드 레일(102)의 길이 방향과 나란하고 가이드 레일(102)과 인접하게 제1, 제3 냉각유로(301)(303)가 형성되고, 고정구조물(100)의 바닥 쪽에 제5, 제7 냉각유로(305)(307)가 형성되며, 제1 냉각유로(301)와 제3 냉각유로(303)는 제2 냉각유로(302)로 연결되고, 제3 냉각유로(303)와 제5 냉각유로(305)는 제4 냉각 유로(304)로 연결된다.

마찬가지로, 제5 냉각유로(305)와 제7 냉각유로(307)는 제6 냉각유로(306)로 연결되고, 제7 냉각유로(307)와 제1 냉각유로(301)는 제8 냉각 유로(308)로 연결된다.

즉, 제2 실시예의 냉각유로는 구조물의 내부에서 폐쇄된 형태로 순환되는 것이다.

따라서 고정구조물(100)의 가이드 레일(102)의 특정한 부분에서 온도가 상승하면 펌프 유닛(400)은 냉각오일을 강제로 순환시키고, 이로써 고온 부분의 열이 저온부분으로 이동되면서 열교환이 이루어져 고정구조물(100)의 전체적인 열 분포가 균일해질 수 있게 된다.

첨부도면 도 6은 제2실시예에서 냉각유로를 설명하기 위한 측면도이다.

도 6에 나타낸 바와 같이 냉각유로 중에 제1, 제3 냉각 유로(301)(303)은 가이드 레일(102)과 인접한 위치에 배치되고, 제5, 제7 냉각유로(305)(307)는 고정구조물(100)의 하측에 배치된다.

따라서 고온의 냉각오일이 순환되는 동안에 상대적으로 저온의 고정구조물(100)의 하측에서 열교환이 이루어져 고정구조물(100)의 온도분포가 균일화 되는 것이다.

이하, 첨부도면 도 7을 참조하여 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조의 작용을 설명한다.

도 7의 (a)는 냉각 유닛(300)이 구비되지 않는 제1 비교예의 공작기계 구조물의 온도분포를 보인 것이고, 도 7의 (b)는 제1 실시예에 따른 공작기계 구조물의 온도분포를 보인 것이며, 도 7의 (c)는 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 온도분포를 보인 것이다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 냉각 유닛(300)의 구비여부에 따라 국부적으로 상승한 온도를 신속하게 냉각시켜 공작기계 구조물의 전체적이 온도분포가 균일해짐을 알 수 있다.

이로써 본 발명의 제1, 제2 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 공작기계 구조물의 국부적인 열 변형을 방지함으로써 열변위를 효과적으로 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있고, 나아가 구조물의 변형이 저감됨으로써 상대적으로 고정밀 가공 구현이 가능하게 되는 것이다.

<제3 실시예>

본 발명의 제3 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 제1 실시예에서 냉각 유닛(300)의 구조가 변경된 것이다.

즉, 냉각 유닛(300)은 냉각오일이 폐쇄회로를 순환하도록 하는 복수의 루프 냉각 유닛(310, 320 참조)을 구비한 것이고, 각각의 루프 냉각 유닛은 각각 펌프 유닛이 구비되어 냉각오일을 강제로 순환시킬 수 있다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 제3 실시예는 제1 루프 냉각 유닛(310)이 고정 구조물(100)의 가이드 레일과 가까운 쪽에 배치되고, 제2 루프 냉각 유닛(320)은 가이드 레일을 기준으로 제1 루프 냉각 유닛(310)보다 먼 쪽에 배치된다.

따라서 제3 실시예의 제1, 제2 루프 냉각 유닛(310, 320)에서 냉각오일이 순환하는 경로 거리는 제1, 제2 실시예에 비교하여 짧을 수 있고, 이로써 좀 더 신속하게 열교환이 이루어져 열 분포가 신속하게 균일해질 수 있다.

<제4 실시예>

본 발명의 제4 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 제3 실시예에서 루프 냉각 유닛의 구조를 변경한 것이다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 제4 실시예는 제1 루프 냉각 유닛(310)과 제2 루프 냉각 유닛(320)의 사이에 제3 루프 냉각 유닛(330)이 더 구비된 것이다.

이로써 고정구조물(100)의 특정부분에서 발생하는 고온은 신속하게 다른 부분으로 전열될 수 있고, 특히 복수의 제1, 제2, 제3 루프 냉각 유닛(310, 320, 330)에 의해 고정구조물(100)의 전체로 신속하게 전열되며, 이로써 열 분포가 신속하게 균일해질 수 있다.

<제5 실시예>

본 발명의 제5 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 제3 실시예에서 루프 냉각 유닛의 구조를 변경한 것이다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 제5 실시예는 제1 루프 냉각 유닛(310)과 제2 루프 냉각 유닛(320)을 연결하도록 연결 냉각유로(340)가 더 구비된 것이다.

이로써 제1 루프 냉각 유닛(310)의 냉각오일은 제2 루프 냉각 유닛(320)으로 순환이 가능하게 되고, 고정구조물(100)의 특정부분에서 발생하는 고온은 신속하게 다른 부분으로 전열될 수 있으며, 특히 냉각오일이 연결 냉각 유로(340)을 통하여 제1, 제2 루프 냉각 유닛(310, 320)을 순환함으로써 고정구조물(100)의 전체로 신속하게 전열되며, 이로써 열 분포가 신속하게 균일해질 수 있다.

<제6 실시예>

본 발명의 제6 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 제4 실시예에서 루프 냉각 유닛의 구조를 변경한 것이다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 제6 실시예는 제1 루프 냉각 유닛(310)과 제2 루프 냉각 유닛(320)과 제3 루프 냉각 유닛(330)을 연결하도록 연결 냉각유로(340)가 더 구비된 것이다.

이로써 제1 루프 냉각 유닛(310)의 냉각오일은 제2, 제3 루프 냉각 유닛(320, 330)으로 순환이 가능하게 되고, 고정구조물(100)의 특정부분에서 발생하는 고온은 신속하게 다른 부분으로 전열될 수 있으며, 특히 냉각오일이 연결 냉각 유로(340)을 통하여 제1, 제2, 제3 루프 냉각 유닛(310, 320, 330)을 순환함으로써 고정구조물(100)의 전체로 신속하게 전열되며, 이로써 열 분포가 신속하게 균일해질 수 있다.

<제7 실시예>

본 발명의 제7 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 제3 실시예에서 루프 냉각 유닛의 구조를 변경한 것이다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 제7 실시예는 제1, 제2 루프 냉각 유닛(310, 320)에 보조 냉각유로(350)를 더 구비된 것이다.

보조 냉각 유로(350)는 냉각오일이 제1, 제2 루프 냉각 유닛(310, 320)의 내부에서 순환될 때에 냉각오일의 일부는 제1, 제2 루프 냉각 유닛(310, 320)의 전체 경로를 따라 순환하고, 다른 일부는 가로질러서 순환되는 것이다.

나아가 보조 냉각 유로(350)는 열교환의 면적을 증대시켜 열교환 효율을 향상시키게 된다.

즉, 제7 실시예는 냉각오일이 좀 더 신속하게 순환할 수 있고, 이로써 고온부분의 열을 저온 부분으로 신속하게 전열시켜 구조물의 온도분포를 균일화할 수 있게 한다.

<제8 실시예>

본 발명의 제8 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 제7 실시예에서 루프 냉각 유닛의 구조를 변경한 것이다.

도 13에 나타낸 바와 같이, 제8 실시예는 제1, 제2 루프 냉각 유닛(310, 320)에 보조 냉각유로(350)를 X자 형상으로 교차시켜 구성한 것으로, 냉각오일의 순환을 빠르게 흐를 수 있도록 하는 것이다.

즉, 제8 실시예는 냉각오일이 좀 더 신속하게 순환할 수 있고, 이로써 고온부분의 열을 저온 부분으로 신속하게 전열시켜 구조물의 온도분포를 균일화할 수 있게 한다.

<제9 실시예>

본 발명의 제9 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 제8 실시예에서 루프 냉각 유닛의 구조를 변경한 것이다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 제9 실시예는 제1, 제2 루프 냉각 유닛(310, 320)에 제3 루프 냉각 유닛(330)을 더 구비하고, 제1, 제2, 제3 루프 냉각 유닛(310, 320, 330)에 각각 X자 형상으로 교차되는 보조 냉각유로(350)를 구성한 것으로, 각 루프 냉각 유닛에서 냉각오일의 순환을 빠르게 흐를 수 있도록 하는 것이다.

보조 냉각 유로(350)는 냉각오일이 제1, 제2, 제3 루프 냉각 유닛(310, 320, 330)의 내부에서 순환될 때에 냉각오일의 일부는 제1, 제2, 제3 루프 냉각 유닛(310, 320, 330)의 전체 경로를 따라 순환하고, 다른 일부는 가로질러서 순환되는 것이다.

즉, 제9 실시예는 냉각오일이 좀 더 신속하게 순환할 수 있고, 이로써 고온부분의 열을 저온 부분으로 신속하게 전열시켜 구조물의 온도분포를 균일화할 수 있게 한다.

<제2 비교예>

첨부도면 도 15는 공작기계의 제2 비교예인 구조물을 설명하기 위한 도면이다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 구조물은 배치되는 형태에서 따라 수직방향 또는 경사진 방향으로 배치될 수 있다.

좀 더 상세하게는, 고정구조물(200)의 일측에 수직방향 또는 경사지는 방향으로 가이드 레일(202)이 형성될 수 있고, 가이드 레일(202)에는 가동구조물(210)이 설치되며 이송계 유닛에 의해 운동된다.

공작기계는 각종 모터 발열, 베어링 발열, 볼 스크루 발열, 기어박스 발열, 절삭 발열, 유압 유닛 발열 등 다양한 원인으로 인하여 발열되며, 발열은 구조물에 전열된다.

상술한 바와 같은 발열은 구조물의 특정한 부분에 국부적으로 온도를 상승시킴으로써 구조물이 뒤틀리는 열변형의 문제를 유발한다.

특히 구조물 중에서도 가이드 레일(202)에 국부적으로 온도가 상승하는 현상이 발생하는데, 가이드 레일(202)은 고정구조물(200)과 가동구조물(210)이 상호 운동할 때에 압축응력과 인장응력이 동시에 작용할 수 있고, 이동 중에 마찰로 인하여 발열될 수 있다.

즉, 제1 비교예는 도 15에 나타낸 바와 같이, 가이드 레일(202)부분과 고정구조물(200)의 뒷부분에서 온도 편차가 많이 발생하고, 이러한 온도 편차는 구조물의 열변위를 증대시키는 문제가 있다.

<제10 실시예>

본 발명의 제10 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 고정구조물(200)의 가이드 레일(202)에 냉각 유닛(300)이 배치된다.

좀 더 상세하게는 냉각 유닛(300)은 고정구조물(200)의 내부에서 냉각오일이 순환되도록 하는 것이다.

열 유동 해석 소프트웨어로 시뮬레이션하면, 제2 비교예에 비교하여 상대적으로 온도가 낮아짐을 알 수 있고, 가이드레일(202)의 전체에 대하여 온도분포가 균일화됨을 알 수 있다.

즉, 가이드 레일(202)의 온도가 균일화됨에 따라 열변위가 저감되고, 이로써 고정밀 가공을 구현할 수 있게 된다.

<제11 실시예>

본 발명의 제11 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 제10 실시예에서 냉각 유닛(300)의 배치를 변경하여 실시한 것이다.

좀 더 상세하게는 발열원이 되는 가이드 레일(202)에 냉각 유닛(300)을 배치하여 고온을 구조물의 다른 부분으로 신속하게 전열시키도록 한 것이다.

열 유동 해석 소프트웨어로 시뮬레이션하면, 제10 실시예에 비교하여 가이드레일(202)의 전체에 대하여 온도분포가 더욱 균일화됨을 알 수 있다.

즉, 가이드 레일(202)의 온도가 균일화됨에 따라 열변위가 더욱 저감되고, 이로써 고정밀 가공을 구현할 수 있게 된다.

<제3 비교예>

도 18은 공작기계의 제3 비교예인 구조물을 설명하기 위한 도면이다.

제3 비교예의 구조물(고정구조물:200 참조)은 내부가 비어 있는 중공형태의 구조물이고, 일측에 가이드 레일(202)이 형성된 형태이다.

고정구조물(200)을 좀 더 상세하게 설명하면, 가이드 레일(202)은 돌출되는 형태로 제공되고, 가이드 레일(202)을 기준으로 가이드 레일(202)에 가까운 제1 부분(204)과 가이드 레일(202)로부터 먼 제2 부분(206)으로 구분할 수 있다.

열 유동 해석 소프트웨어의 시뮬레이션하면, 가이드 레일(202: 발열 근원)과 고정구조물(200)의 뒤쪽(제2부분: 206)의 온도차이가 크게 발생함을 알 수 있다.

고정구조물(200)에서 특정부분은 최대온도가 21.482도씨이고, 최대 온도편차는 1.332도씨를 나타내었다.

즉, 이러한 온도 편차는 고정구조물(200)의 열변위를 증대시키는 문제가 있다.

<제12 실시예>

첨부도면 도 19 및 도 20은 본 발명의 제12 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이다.

제12 실시예는 제3 비교예에 냉각 유닛(300)을 구비한 것이다.

좀 더 상세하게는 냉각 유닛(300)에는 냉각오일이 순환될 수 있도록 구성한 것이다.

냉각 유닛(300)은 고정구조물(200)의 전체적인 형상을 볼 때에 가이드 레일(202)에 가까운 위치인 제1 부분(204)에 배치된다.

제12 실시예를 열 유동 해석 소프트웨어의 시뮬레이션하면, 전체적인 냉각효과가 있고, 최대 온도는 21.025도씨, 최대 편차는 0.946도씨를 나타내었다.

즉, 제12 실시에는 제3 비교예에 비교하여 온도편차를 줄일 수 있고, 이로써 고정구조물(200)의 열변위를 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.

<제13 실시예>

도 21 및 도 22은 본 발명의 제13 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이다.

제13 실시예는 냉각오일이 순환될 수 있도록 제3 비교예에 냉각 유닛(300)을 구성한 것이다.

좀 더 상세하게는 냉각 유닛(300)이 배치되는 위치를 살펴보면, 고정구조물(200)의 전체적인 형상을 볼 때에 가이드 레일(202)과 가이드 레일(202)과 먼 제2 부분(206)에 배치된 것이다.

제13 실시예를 열 유동 해석 소프트웨어의 시뮬레이션하면, 전체적인 냉각효과가 있고, 최대 온도는 20.589도씨, 최대 편차는 0.567도씨를 나타내었다.

즉, 제13 실시에는 제12 실시예에 비교하여 온도편차를 좀 더 줄일 수 있고, 이로써 고정구조물(200)의 열변위를 더욱 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.

<제14 실시예>

도 23 및 도 24는 본 발명의 제14 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조를 설명하기 위한 도면이다.

제14 실시예는 냉각오일이 순환될 수 있도록 제3 비교예에 냉각 유닛(300)을 구성한 것이다.

좀 더 상세하게는 냉각 유닛(300)이 배치되는 위치를 살펴보면, 고정구조물(200)의 전체적인 형상을 볼 때에 가이드 레일(202)에 배치된 것이다.

제14 실시예를 열 유동 해석 소프트웨어의 시뮬레이션하면, 전체적인 냉각효과가 있고, 최대 온도는 20.589도씨, 최대 편차는 0.533도씨를 나타내었다.

즉, 제14 실시에는 제13 실시예에 비교하여 온도편차를 좀 더 줄일 수 있고, 이로써 고정구조물(200)의 열변위를 더욱 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 발열원의 고온을 상대적으로 저온인 부분으로 신속하게 전열함으로서 구조물의 전체적인 온도분포를 균일화할 수 있고, 이로써 구조물이 열응력에 대한 열변위를 저감할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 열변위를 저감함으로써 초고정밀 가공을 구현할 수 있게 된다.

다른 한편으로, 본 발명의 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감시스템은 발열이 되더라도 냉각오일의 기화온도보다 훨씬 낮은 온도에서 사용되므로 냉각오일의 증발 또는 유실이 거의 발생하지 않는 것으로 냉각오일은 반영구적으로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감시스템은 냉각오일에 외부의 불순물이 유입되지 않고, 만약 미세한 찌꺼기가 유입하더라도 순환에는 영향을 끼치지 않아 열교환의 냉매로서 작용을 수행할 수 있는 것으로 종래의 기술에서처럼 여과장치를 구비하지 않아도 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감시스템은 냉각오일을 순환시킴에 있어서 단순히 순환시키는 것이므로 펌프 유닛(400)을 무리하게 구동하지 않을 수 있고, 이로써 펌프 유닛(400)의 수명이 극단적으로 짧아지지는 않게 된다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감시스템은 종래의 기술에서처럼 부수적인 수많은 장비가 요구되지 않음으로써 비용 면에서 절감효과가 있고, 유지보수에 별도의 비용과 노동력을 요구하지 않는다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 공작기계 구조물의 열변위 저감구조는 공작기계의 구조물의 특정한 부분에서 온도가 상승할 때에 열을 다른 부분으로 신속하게 전열하고 구조물의 전체적인 온도 분포를 균일하게 하여 구조물의 열변위를 저감시켜 고정밀 가공을 구현하는 데에 이용할 수 있다.

100, 200: 고정구조물
110, 120, 130, 210: 가동구조물
102, 202: 가이드 레일
204: 제1 부분
206: 제2 부분
300: 냉각 유닛
301 ~ 309: 제1 ~ 제8 냉각유로
310, 320, 330: 제1 ~ 제3 루프 냉각 유닛
340: 연결 냉각유로
350: 보조 냉각유로
400: 펌프 유닛

Claims

공작기계에 구비되고 일측에 가이드 레일(102)이 형성된 고정구조물(100);
상기 가이드 레일(102)에 설치되어 운동하는 가동 구조물(120); 및
상기 고정구조물(100)에서 냉각오일을 순환하도록 하여 상기 고정구조물(100)을 냉각시키고 상기 고정구조물(100)의 온도분포를 균일화하도록 하는 냉각 유닛(300);을 포함하고,
상기 냉각 유닛(300)은,
상기 가이드 레일(102)과 인접하게 상기 고정 구조물(100)의 내부에 배치되고, 상기 가이드 레일(102)에서 발생하는 발열과 상기 냉각오일이 열교환하도록 하는 제1 냉각 유닛;
상기 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 상기 제1 냉각 유닛보다 아래쪽으로 이격 배치되어 열교환 하는 제2 냉각 유닛; 및
상기 냉각 유닛(300)의 한쪽에 배치되어 상기 냉각오일을 상기 제1, 제2냉각 유닛을 따라 강제 순환시키도록 하는 펌프 유닛(400);
을 포함하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조.
제 1항에 있어서,
상기 제1 냉각 유닛은 상기 가이드 레일(102)을 기준으로 서로 평행하게 배치되는 제1, 제3 냉각 유로(301, 303);이고
상기 제2 냉각 유닛은 상기 제1, 제3 냉각유로(301, 303)보다 아래쪽으로 이격 배치되는 제5, 제7 냉각유로(305, 307);이며
상기 제1, 제3 냉각 유로(301, 303)과 상기 제5, 제7 냉각유로(305, 307)를 각각 연결하는 제4, 제8 냉각 유로(304,308);를 더 포함하고
상기 제1, 제3 냉각 유로(301, 303)과 상기 제5, 제7 냉각유로(305, 307)는 상기 고정구조물(100)의 내부 공간에서 디귿자(ㄷ)자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조.
제 2항에 있어서,
상기 제1 냉각 유로(301)과 상기 제3 냉각 유로(303)를 연결하는 제2 냉각 유로(302); 및
상기 제5 냉각유로(305)와 상기 제7 냉각유로(307)를 연결하는 제6 냉각 유로(306);
를 더 포함하고,
상기 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7, 제8 냉각유로(301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308)는 상기 고정구조물(100) 내부에서 루프형태로 배치되어 상기 냉각오일이 순환하도록 하는 것을 특징으로 하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조
제 1항에 있어서,
상기 냉각 유닛(300)은,
상기 가이드 레일(102)과 인접하게 상기 고정 구조물(100)의 내부에 배치되고, 냉각오일을 루프형태로 순환시키도록 하여 열교환하는 제1 루프 냉각 유닛(310); 및
상기 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 상기 가이드 레일(102) 아래쪽으로 이격 배치되고 냉각오일을 루프형태로 순환시켜 열교환하는 제2 루프 냉각 유닛(320);
을 포함하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조.
제 4항에 있어서,
상기 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 제1 루프 냉각 유닛(310)과 상기 제2 루프 냉각 유닛(320)의 사이에 배치되고 냉각오일을 루프형태로 순환시키도록 하여 열교환하는 제3 루프 냉각 유닛(330);
을 더 포함하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조.
제 4항에 있어서
상기 제1 루프 냉각 유로(310)와 상기 제2 루프 냉각 유로(320)가 서로 연결되도록 배치되어 상기 냉각오일이 서로 순환하도록 하는 연결 냉각 유로(340);
를 더 포함하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조.
제 4항에 있어서
상기 제1 루프 냉각 유로(310)와 상기 제2 루프 냉각 유로(320)에 각각 배치되어 상기 냉각오일이 가로질러 순환하도록 하여 열교환의 면적을 증대시키도록 하는 보조 냉각 유로(350);
를 더 포함하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조.
공작기계에 구비되고 일측에 가이드 레일(202)이 형성된 고정구조물(200);
상기 고정구조물(200)의 상기 가이드 레일(202)에 설치되어 운동하는 가동 구조물(210);
상기 고정구조물(200)에서 상기 고정 구조물(100)의 전체적인 구성을 기준으로 상기 가이드 레일(102)과 인접하게 배치되고, 상기 가이드 레일(202)에서 발생하는 발열과 상기 냉각오일이 열교환하도록 하여 상기 고정구조물(200)을 냉각시켜 사기 고정구조물(200)의 온도분포를 균일화하도록 하는 냉각 유닛(300);
를 포함하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조.
제 8항에 있어서,
상기 냉각 유닛(300)의 냉각유로는 상기 가이드 레일(202)을 통과하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공작기계 구조물의 열변위 저감구조.