KR20130068583A - 주축용 베어링의 가변 예압장치 - Google Patents

주축용 베어링의 가변 예압장치 Download PDF

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Abstract

이 발명은 힘센서를 이용하여 베어링에 가해지는 힘에 대한 정보를 바탕으로 예압을 제어함으로써 정확한 예압을 가할 수 있도록 하며, 누설 자속의 발생을 억제하여 전자석의 효율을 높이고, 베어링과 전자석의 거리가 상대적으로 멀어서 전자석으로부터 발생되는 열이 베어링에 영향을 주지 않도록 하는, 주축용 베어링의 가변 예압장치에 관한 것으로서,
축의 외주면에 설치되는 베어링과, 상기한 베어링의 후면과 외주면을 감싸면서 설치되는 베어링 하우징과, 상기한 베어링의 후면과 베어링 하우징의 사이에 설치되는 힘센서와, 상기한 베어링 하우징의 외주면에 설치되는 하우징과, 상기한 베어링 하우징의 전면에 연결되어 설치되는 리테이너와, 상기한 하우징과 리테이너의 사이에 설치되어 상기한 리테이너를 전면으로 밀어주기 위한 프리로드 스프링과, 상기한 리테이너에 연결설치되어 상기한 리테이너를 전면으로 당겨주기 위한 가동자와, 상기한 가동자의 전면에 설치되어 있는 고정자와, 상기한 고정자의 내부에 설치되는 코일과, 상기한 가동자와 코일을 보호하기 위하여 설치되는 커버와, 축의 회전속도를 감지하기 위한 엔코더와, 상기한 힘센서와 엔코더에 전기적으로 연결되어 있으며 상기한 엔코더로부터 입력되는 회전속도와 상기한 힘센서로부터 입력되는 힘에 대한 정보로부터 코일에 인가되는 전류를 조정함으로써 베어링에 가해지는 예압이 변화되도록 하는 제어기를 포함하여 이루어진다.

Description

주축용 베어링의 가변 예압장치{pre-load device for spindle bearing}
이 발명은 주축용 베어링의 가변 예압장치에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 힘센서를 이용하여 베어링에 가해지는 힘에 대한 정보를 바탕으로 예압을 제어함으로써 정확한 예압을 가할 수 있도록 하며, 누설 자속의 발생을 억제하여 전자석의 효율을 높이고, 베어링과 전자석의 거리가 상대적으로 멀어서 전자석으로부터 발생되는 열이 베어링에 영향을 주지 않도록 하는, 주축용 베어링의 가변 예압장치에 관한 것이다.
공작기계의 하우징에 주축을 축지지하고 있는 볼베어링에는 적절한 예압을 가해주는 것이 필요하다. 이는 하나의 공작기계에서 저속의 황삭가공과 고속의 정삭가공이 이루어지며, 저속의 황삭가공에서는 스핀들의 강성을 높이기 위하여 큰 예압이 필요하고 고속가공에서는 큰 강성 대신에 발열을 피하기 위하여 낮은 예압이 필요하기 때문이다.
볼베어링의 예압조절방법에는 변환 예압방법 , 다단정위치 예압방법 , 가변 예압방법 등이 제안되고 있다 .
상기한 변환 예압방법은 축의 회전수가 일정회전수 이상으로 변할 때 정위치에서 정압으로 예압을 변환시키는 방법으로서 정압예압으로 변환 후의 중간속도에서 주축의 강성이 저하된다는 단점이 있으며, 상기한 다단정위치 예압방법은 예압의 정확한 설정을 위한 베어링 간의 간좌의 변형 및 예압기구부의 변형을 충분히 고려해야 하므로 설계상의 어려움이 있다.
자동가변 예압방법은 주축의 회전수 및 가공조건에 따라 적절한 예압으로 가변시키는 방법으로 넓은 범위의 회전 속도가 요구되는 주축에 적합한 예압방법으로 알려져 있다.
종래의 자동가변 예압방법으로는 주축과 하우징 사이에 제 1,2 자석과 제 1,2 미끄럼슬라이더를 개재시키고, 제1 슬라이더를 제1,2 스프링으로 양측에서 탄력지지하여 베어링을 지지하는 제1 컬러를 원심력에 의하여 압축하여 베어링의 예압을 자동으로 조절할 수 있게 한 것이 공지된 바 있다.
종래의 자동가변 예압방법은 주축의 회전에 따른 원심력과 스프링의 압력으로 예압을 조절할 수 있게 하여 복잡한 기계구성이나 전기적인 장치가 필요없이 예압을 조절할 수 있게 하였으나, 스프링의 탄성에 의존하는 예압조절로 스프링의 탄성을 초과하는 원심력에 대하여는 예압조절능력이 떨어져 광범위한 주축의 회전속도변화에 대응할 수 없고, 비선형성이 크게 발생할 수 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 전자석의 전류로 전자석의 척력을 제어하여 예압을 조절할 수 있게 하여 보다 넓은 범위의 주축회전 속도변화에도 예압을 조절할 수 있게 하는 기술이 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2010-0073340(공개일자 2010년 07월 01일)의 "전자석을 이용한 주축용 베어링의 예압 조절장치"에서 개시된 바 있다.
그러나, 상기한 종래의 "전자석을 이용한 주축용 베어링의 예압 조절장치"는, 공극의 변화를 알 수 없으므로 공극변화에 따른 전자석과 가동자 상의 비선형성을 제어하기가 힘든 문제점이 있다.
또한, 상기한 종래의 "전자석을 이용한 주축용 베어링의 예압 조절장치"는, 누설 자속의 발생 가능성이 높아서 전자석의 효율이 떨어지고 컴팩트한 구성이 어려운 문제점이 있다.
그리고, 상기한 종래의 "전자석을 이용한 주축용 베어링의 예압 조절장치"는, 발열에 대한 대책이 없으므로 가변 예압장치 자체의 성능과 전체 주축계의 열특성을 악화시키는 문제점이 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 공극의 변화를 감지하여 이에 따라 베어링에 가해지는 예압이 변화되도록 함으로써 전자석과 가동자 상의 비선형성을 제어하고, 누설 자속의 발생을 억제하여 전자석의 효율을 높이고 컴팩트하게 구현할 수 있으며, 발열을 냉각시킬 수 있도록 함으로써 가변 예압장치 자체의 성능과 전체 주축계의 열특성을 향상시킬 수 있는 기술이 대한민국 특허출원번호 2010-128208호(출원일자 2010년 12월 15일)의 "액티브 마그네틱 액츄에이터를 이용한 주축용 베어링의 가변 예압장치"에서 본 출원인에 의해 개시된 바 있다.
본 발명의 목적은 상기한 특허출원번호 2010-128208호를 더욱 개량시키기 위한 것으로서, 힘센서를 이용하여 베어링에 가해지는 힘에 대한 정보를 바탕으로 예압을 제어함으로써 정확한 예압을 가할 수 있도록 하며, 누설 자속의 발생을 억제하여 전자석의 효율을 높이고, 베어링과 전자석의 거리가 상대적으로 멀어서 전자석으로부터 발생되는 열이 베어링에 영향을 주지 않도록 하는, 주축용 베어링의 가변 예압장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 축의 외주면에 설치되는 베어링과, 상기한 베어링의 후면과 외주면을 감싸면서 설치되는 베어링 하우징과, 상기한 베어링의 후면과 베어링 하우징의 사이에 설치되는 힘센서와, 상기한 베어링 하우징의 외주면에 설치되는 하우징과, 상기한 베어링 하우징의 전면에 연결되어 설치되는 리테이너와, 상기한 하우징과 리테이너의 사이에 설치되어 상기한 리테이너를 전면으로 밀어주기 위한 프리로드 스프링과, 상기한 리테이너에 연결설치되어 상기한 리테이너를 전면으로 당겨주기 위한 가동자와, 상기한 가동자의 전면에 설치되어 있는 고정자와, 상기한 고정자의 내부에 설치되는 코일과, 상기한 가동자와 코일을 보호하기 위하여 설치되는 커버와, 축의 회전속도를 감지하기 위한 엔코더와, 상기한 힘센서와 엔코더에 전기적으로 연결되어 있으며 상기한 엔코더로부터 입력되는 회전속도와 상기한 힘센서로부터 입력되는 힘에 대한 정보로부터 코일에 인가되는 전류를 조정함으로써 베어링에 가해지는 예압이 변화되도록 하는 제어기를 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 베어링 하우징과 하우징의 사이에 설치되는 직선 베어링을 더 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 고정자는 강자성체로 이루어지며 코일과 결합되어 전자석으로서의 역할을 하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 커버는 비자성체로 이루어져서 고정자와 코일로부터 발생되는 누설자속을 최소화시키면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 힘센서는 도우넛형으로 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 힘센서는 스트레인 게이지, 압전소자 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 직선 베어링은 볼부쉬, 롤러 부쉬 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 프리로드 스프링은 다수개가 설치되면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 제어기는 힘센서로부터 베어링에 가해지는 힘에 관한 정보와, 최적 프리로드(P)를 비교하여 그 차이가 지정된 오차범위내에 오도록 다음의 수식을 이용하여 자기흡인력(Fa)의 생성에 필요한 전류값(I)을 산출하면 바람직하다.
P = Fspring + Fa
Fa = μ0 N2I2Ag / 4g2
여기서, μ0는 공기 투자율(permeability of free space or air), Ag는 극표면 면적(pole surface area), N은 코일의 감은 수, I는 전류이다.
이 발명은, 힘센서를 이용하여 베어링에 가해지는 힘에 대한 정보를 바탕으로 예압을 제어함으로써 정확한 예압을 가할 수 있도록 하며, 베어링과 전자석의 거리가 상대적으로 멀어서 전자석으로부터 발생되는 열이 베어링에 영향을 주지 않도록 하는, 효과를 갖는다.
도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 주축용 베어링의 가변 예압장치의 단면 구성도이다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다. 또한, 본원의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일 실시예에 따른 주축용 베어링의 가변 예압장치의 구성은, 축(10)의 외주면에 설치되는 베어링(11)과, 상기한 베어링(11)의 후면과 외주면을 감싸면서 설치되는 베어링 하우징(8)과, 상기한 베어링(11)의 후면과 베어링 하우징(8)의 사이에 설치되는 힘센서(5)와, 상기한 베어링 하우징(8)의 외주면에 설치되는 하우징(6)과, 상기한 베어링 하우징(8)과 하우징(6)의 사이에 설치되는 직선 베어링(7)과, 상기한 베어링 하우징(8)의 전면에 연결되어 설치되는 리테이너(12)와, 상기한 하우징(6)과 리테이너(12)의 사이에 설치되어 상기한 리테이너(12)를 전면으로 밀어주기 위한 프리로드 스프링(9)과, 상기한 리테이너(12)에 연결설치되어 상기한 리테이너(12)를 전면으로 당겨주기 위한 가동자(1)와, 상기한 가동자(1)의 전면에 설치되어 있는 고정자(3)와, 상기한 고정자(3)의 내부에 설치되는 코일(2)과, 상기한 가동자(1)와 코일(2)을 보호하기 위하여 설치되는 커버(4)와, 축(10)의 회전속도를 감지하기 위한 엔코더(13)와, 상기한 힘센서(5)와 엔코더(13)에 전기적으로 연결되어 있으며 상기한 엔코더(13)로부터 입력되는 회전속도와 상기한 힘센서(5)로부터 입력되는 힘에 대한 정보로부터 코일(2)에 인가되는 전류를 조정함으로써 베어링(11)에 가해지는 예압이 변화되도록 하는 제어기(도시되지 않음)를 포함하여 이루어진다.
상기한 고정자(3)는 강자성체로 이루어지며 코일(2)과 결합되어 전자석으로서의 역할을 한다.
상기한 커버(4)의 재질은 비자성체로 이루어져서 고정자(3)와 코일(2)로부터 발생되는 누설자속을 최소화시킨다.
상기한 힘센서(5)는 도우넛형으로 이루어지며, 스트레인 게이지, 압전소자 등을 사용한다.
상기한 직선 베어링(7)은 볼부쉬, 롤러 부쉬 등과 같이 베어링 하우징8)의 축방향 움직임을 용이하게 하면서 반경방향 하중을 지지하는 역할을 한다.
상기한 프리로드 스프링(9)은 다수개가 설치된다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 일 실시예에 따른 주축용 베어링의 가변 예압장치의 작용은 다음과 같다.
프리로드 스프링(9)이 리테이너(12)를 전면으로 밀어줌에 따라, 상기한 리테이너(12)에 연결되어 있는 베어링 하우징(8)과, 상기한 베어링 하우징(8)의 안쪽에 설치되어 있는 베어링(11)이 전면으로 당겨짐으로써 베어링(11)에 가해지는 초기 예압량은 프리로드 스프링(9)의 힘(Fspring)에 의해 결정된다.
프리로드 스프링(9)에 의해 베어링(6)에 최소한의 초기 예압이 가해지고 있는 상태에서 제어기(도시되지 않음)는 엔코더(13)로부터 축(10)의 회전속도에 관한 정보를 입력받는다.
다음에, 제어기(도시되지 않음)는 축(10)의 회전속도에 따라 미리 정해져 있는 최적 프리로드(P)에 대한 정보를 메모리 테이블(도시되지 않음)로부터 입력받는다.
이어서, 제어기(도시되지 않음)는 힘센서(5)로부터 베어링(11)에 가해지는 힘에 관한 정보와, 최적 프리로드(P)를 비교하여 그 차이가 지정된 오차범위내에 오도록 다음의 수식을 이용하여 자기흡인력(Fa)의 생성에 필요한 전류값(I)을 산출한다.
P = Fspring + Fa
Fa = μ0 N2I2Ag / 4g2
여기서, μ0는 공기 투자율(permeability of free space or air), Ag는 극표면 면적(pole surface area), N은 코일의 감은 수, I는 전류이다.
다음에 제어기(도시되지 않음)는 전류값(I)에 해당하는 전류가 코일(2)에 인가되도록 함으로써 코일(2)에 공급된 전류에 의해 고정자(3)와 코일(2)로부터 자기흡인력(Fa)이 발생되도록 하여 가동자(1)를 전면으로 당겨준다.
이 경우에, 커버(4)는 고정자(3)와 코일(2)의 누설 자속의 발생을 억제하여 전자석의 효율을 높이게 된다.
가동자(1)가 전면으로 당겨지면, 상기한 가동자(1)에 연결되어 있는 리테이너(12)와, 상기한 리테이너(12)에 연결되어 있는 베어링 하우징(8)과, 상기한 베어링 하우징(8)의 안쪽에 설치되어 있는 베어링(11)이 전면으로 당겨짐으로써 베어링(11)에 가해지는 예압이 변화되도록 한다.
이 경우에 베어링(11)과 전자석의 거리가 상대적으로 멀어서 전자석으로부터 발생되는 열이 베어링(11)에 영향을 주지 않게 된다.
이와 같이 힘센서(5)를 이용하여 베어링(11)에 가해지는 힘에 대한 정보를 바탕으로 예압을 제어함으로써 정확한 예압을 가할 수 있도록 한다.
1 : 가동자 2 : 코일
3 : 고정자 4 : 커버
5 : 힘센서 6 : 하우징
7 : 직선 베어링 8 : 베어링 하우징
9 : 프리로드 스프링 10 : 축
11 : 베어링 12 : 리테이너
13 : 엔코더

Claims (9)

  1. 축의 외주면에 설치되는 베어링과,
    상기한 베어링의 후면과 외주면을 감싸면서 설치되는 베어링 하우징과,
    상기한 베어링의 후면과 베어링 하우징의 사이에 설치되는 힘센서와,
    상기한 베어링 하우징의 외주면에 설치되는 하우징과,
    상기한 베어링 하우징의 전면에 연결되어 설치되는 리테이너와,
    상기한 하우징과 리테이너의 사이에 설치되어 상기한 리테이너를 전면으로 밀어주기 위한 프리로드 스프링과,
    상기한 리테이너에 연결설치되어 상기한 리테이너를 전면으로 당겨주기 위한 가동자와,
    상기한 가동자의 전면에 설치되어 있는 고정자와,
    상기한 고정자의 내부에 설치되는 코일과,
    상기한 가동자와 코일을 보호하기 위하여 설치되는 커버와, 축의 회전속도를 감지하기 위한 엔코더와,
    상기한 힘센서와 엔코더에 전기적으로 연결되어 있으며 상기한 엔코더로부터 입력되는 회전속도와 상기한 힘센서로부터 입력되는 힘에 대한 정보로부터 코일에 인가되는 전류를 조정함으로써 베어링에 가해지는 예압이 변화되도록 하는 제어기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주축용 베어링의 가변 예압장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기한 베어링 하우징과 하우징의 사이에 설치되는 직선 베어링을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주축용 베어링의 가변 예압장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 고정자는 강자성체로 이루어지며 코일과 결합되어 전자석으로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 주축용 베어링의 가변 예압장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 커버는 비자성체로 이루어져서 고정자와 코일로부터 발생되는 누설자속을 최소화시키는 것을 특징으로 하는 주축용 베어링의 가변 예압장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 힘센서는 도우넛형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주축용 베어링의 가변 예압장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 힘센서는 스트레인 게이지, 압전소자 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주축용 베어링의 가변 예압장치.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 직선 베어링은 볼부쉬, 롤러 부쉬 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주축용 베어링의 가변 예압장치.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 프리로드 스프링은 다수개가 설치되는 것을 특징으로 하는 주축용 베어링의 가변 예압장치.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기한 제어기는 힘센서로부터 베어링에 가해지는 힘에 관한 정보와, 최적 프리로드(P)를 비교하여 그 차이가 지정된 오차범위내에 오도록 다음의 수식을 이용하여 자기흡인력(Fa)의 생성에 필요한 전류값(I)을 산출하는 것을 특징으로 하는 주축용 베어링의 가변 예압장치.
    P = Fspring + Fa
    Fa = μ0 N2I2Ag / 4g2
    여기서, μ0는 공기 투자율(permeability of free space or air), Ag는 극표면 면적(pole surface area), N은 코일의 감은 수, I는 전류이다.
KR1020110135870A 2011-12-15 2011-12-15 주축용 베어링의 가변 예압장치 KR101314497B1 (ko)

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