KR20140049153A - 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치 및 열변위 방지방법 - Google Patents

볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치 및 열변위 방지방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 볼스크류와 베어링의 기계적 마찰열에 의한 열변위를 방지하기 위한 것으로, 본 발명은 볼스크류(10)를 구비하는 공작기계에 있어서, 상기 볼스크류(10)의 외주연에 설치되는 베어링(22); 상기 베어링(22)을 지지하기 위한 베어링 하우징(21); 상기 베어링 하우징(21)의 상부 일측면에 형성된 공간부(50); 상기 공간부(50)의 내부 형상에 대응되는 외부 형상을 구비하는 히팅유닛(30); 상기 히팅유닛(30)과 마주하는 위치에 설치되는 온도센서(40); 및 상기 온도센서(40)에서 측정된 온도에 따라 상기 히팅유닛(30)에 전원을 공급하는 전원공급장치(80)의 온/오프(on/off)를 제어하는 제어유닛(70);을 포함하는 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치 및 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지방법에 관한 것이다.

Description

볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치 및 열변위 방지방법{HEAT DISLOCATION PREVENTION DEVICE OF MACHINE TOOL HAVING BALL SCREW AND METHOD THEREOF}
본 발명은 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치 및 열변위 방지방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베어링 하우징에 장착되는 히팅유닛과 온도센서에 의해 열변위를 방지하고, 제어유닛에 의해 히팅유닛에 전원을 공급하는 전원공급장치의 온/오프(on/off)를 제어하여 열변위를 방지할 수 있는 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치 및 열변위 방지방법에 관한 것이다.
터닝센터, 머시닝센터, 문형머시닝센터, 스위스 턴, 방전 가공기, 수평형 NC 보링머신, CNC 선반 등을 비롯한 다양한 종류의 공작기계는 다양한 산업 현장에서 해당 작업의 용도에 맞게 널리 사용되고 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 일반적으로 다양한 종류의 공작기계는 회전운동을 직선운동으로 바꾸기 위해 볼스크류를 이용한다. 볼스크류(10)는 볼스크류(10)와 접촉하는 베어링(22)과 이를 둘러싸는 베어링 하우징(21) 및 볼스크류를 회전시키는 동력전달부로 이루어진다.
일반적으로 볼스크류(10)는 기계적 마찰에 의해 발생되는 열에 의한 열변형, 즉 바꾸어 말하면 열변형에 따른 신축이 일어나게 된다. 볼스크류와 베어링의 마찰열에 의해 볼스크류의 열변형이 발생되는 경우에는 고정밀도를 요하는 공작기계에서 가공물의 정밀도를 감소시키게 되고, 결국 공작기계의 생산성을 감소시키는 문제를 발생시키게 된다.
도 1에 도시된 것처럼, 종래 볼스크류(10)를 이용하는 공작기계의 경우 볼스크류(10)와 베어링(21)의 마찰열에 의한 열변형을 최소화하기 위해, 볼스크류의 내부 공동으로 공기(air)를 강제로 주입하여 간접적으로 볼스크류(10)를 냉각하여 베어링(21)의 열변형을 방지하였다. 그러나, 이와 같은 종래 기술의 경우 마찰열이 가장 많이 발생되는 베어링(21)을 직접 냉각하는 것이 아니라, 간접적으로 볼스크류(10)를 냉각하고, 냉각된 볼스크류에 의해 간접적으로 베어링(21)을 냉각시키는 것으로 열변형 방지를 위해 지속적으로 공기를 강제로 주입하여야 함에 따라 많은 비용과 시간이 소모되는 문제점이 있었다.
또한, 공작기계가 정지된 상태, 즉 볼스크류가 냉각된 상태에서 공작기계를 가동시키는 경우에는 베어링도 냉각된 상태를 유지하여, 공작물의 열변위 방지를 위해 베어링이 일정온도에 도달할 때까지 가공물의 가공작업을 하지 않고 예비적으로 공작기계를 가동시켜 공작기계를 워밍업(worming up)시키는 과정을 장시간 필요로 하여 전력을 낭비하고 생산성을 감소시키는 문제점이 있었다.
더욱이, 정밀가공시에 열변위에 따라 가공 오차가 발생되는 문제점이 있었다.
대한민국 실용신안공개공보 제20-1997-0000673
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 베어링 하우징에 장착되어 베어링을 워밍업 시키는 히팅유닛과 온도센서에 의해 볼스크류를 구비한 공작기계에서 볼스크류와 베어링의 마찰열에 의한 열변위를 방지하는 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 온도저장부, 메모리부 및 제어부를 구비한 제어유닛을 통해 온도센서에 의해 측정된 온도에 따라 히팅유닛에 인가되는 전원공급장치의 전원을 제어하여 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위를 최소화할 수 있는 열변위 방지방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 볼스큐를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치는 상기 볼스크류의 외주연에 설치되는 베어링; 상기 베어링을 지지하기 위한 베어링 하우징; 상기 베어링 하우징의 상부 일측면에 형성된 공간부; 상기 공간부의 내부 형상에 대응되는 외부 형상을 구비하는 히팅유닛; 상기 히팅유닛과 마주하는 위치에 설치되는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 측정된 온도에 따라 상기 히팅유닛에 전원을 공급하는 전원공급장치의 온/오프(on/off)를 제어하는 제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 볼스큐를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 바람직한 다른 실시예에서, 상기 히팅유닛은 상기 공간부의 내부 형상에 대응되는 형상을 구비하는 열선핀; 상기 열선핀의 내부에 설치되고, 열을 발생시키는 열선코일; 상기 열선코일의 절연을 위해 상기 열선핀의 상단에 설치되는 열선 애자; 및 일단은 상기 열선 애자의 내부로 삽입되어 상기 열선코일과 연결되고, 타단은 전원공급장치와 연결되어 상기 열선코일에 전원을 공급하는 열선 전선;을 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 볼스큐를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 바람직한 다른 실시예에서, 제어유닛은 상기 온도센서에서 측정된 베어링의 온도를 저장하는 온도저장부; 상기 베어링의 기설정 온도가 저장된 메모리부; 상기 온도저장부에 저장된 베어링의 측정온도와 상기 메모리부에 저장된 온도를 비교하여 상기 전원공급장치의 온/오프(on/off)를 제어하는 제어부;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해 볼스큐를 구비한 공작기계의 열변위 방지방법은 온도센서에 의해 베어링의 온도를 측정하는 단계; 상기 측정된 베어링의 온도를 온도저장부로 전송하는 단계; 메모리부에 저장된 상기 베어링의 기설정 온도값과 상기 온도저장부에 저장된 베어링의 측정온도를 비교하는 단계; 및 상기 비교된 온도에 따라 전원공급장치의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계;로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 정적 처짐에 의한 공작기계의 보정장치 및 보정방법은 실시간으로 정적 처짐에 의한 공작기계의 위치 오차를 보정하여 가공물의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 정적 처짐에 의한 공작기계의 보정장치 및 보정방법은 공작기계의 각각의 구조물의 측정 위치마다 처짐 오차량을 예측에 따라 결정하고 보정량을 결정하는 것이 아니라 실제 정적 처짐에 따른 보정량을 계산하여 보정을 함으로써 정확한 오차 보정을 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명에 의한 정적 처짐에 의한 공작기계의 보정장치 및 보정방법은 공작기계의 모든 이송구간에 따라 예상 오차량을 산출할 필요가 없어 정적 처짐에 의한 위치 보정을 위한 시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 볼스크류를 구비한 공작기계에서 열변위를 방지하기 위한 장치의 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 개념도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치에서 히팅유닛과 온도센서의 설치위치를 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치에서 히팅유닛의 상세 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지방법의 절차도를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하고 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 개념도를 나타낸다. 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치에서 히팅유닛과 온도센서의 설치위치를 나타내는 평면도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치에서 히팅유닛의 상세 단면도를 나타낸다.
도 2 내지 도 4를 참고하여 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치를 설명한다. 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치는 베어링(22), 베어링 하우징(21), 공간부(50), 히팅유닛(30), 온도센서(40), 및 제어유닛(70)으로 이루어진다.
일반적으로 볼스크류(10)는 회전운동을 직선운동으로 변환하여 공작기계의 이송수단으로 사용된다. 베어링(22)이 볼스크류(10)의 외주연에 설치된다.
베어링 하우징(21)이 베어링(22)을 지지하고, 베어링(22)을 볼스크류(10)에 결합하기 위해 베어링 하우징(21)이 베어링(22)을 둘러싸도록 설치된다.
온도센서(40)와 히팅유닛(30)이 설치되는 공간을 확보하기 위해, 공간부(50)가 베어링 하우징(21)의 상부 일측면에 형성된다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 바람직한 실시에에서, 공간부(50)는 길이가 90mm이고 직경이 6φ로 형성된다. 또한, 도 3에 도시된 것처럼 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 바람직한 일 실시예에서, 공간부(50)는 2층 구조로 형성되어 히팅유닛(30)과 온도센서(40)과 공작기계의 작동중에도 공간부(50)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
히팅유닛(30)은 공간부(50)의 내부 형상에 대응되는 외부 형상을 구비하고, 공간부(50)에 삽입되어 설치된다.
온도센서(40)는 히팅유닛(30)과 마주하도록 베어링 하우징(21)의 상부 타측면에 설치된다.
제어유닛(70)은 온도센서(40)에서 측정된 온도에 따라 상기 히팅유닛(30)에 전원을 공급하는 전원공급장치(80)의 온/오프(on/off)를 제어한다. 즉, 온도센서(40)를 통해 실시간으로 베어링(22)의 온도를 측정하고, 베어링의 실시간 온도를 기설정된 온도와 비교하여 전원공급장치(80)의 온/오프를 제어한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 기설정된 온도는 18°C~ 20°C로 설정되는 것이 바람직하다.
이에 따라 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치는 볼스크류와 베어링의 기계적 마찰에 의해 발생되는 마찰열에 의한 열변형 방지를 최소화하여, 공작물의 가공오차를 감소시켜 공작물의 생산성을 증가시키는 효과가 있다. 또한, 히팅유닛(30)에 전원을 공급하는 전원공급장치(80)의 온/오프 제어를 통해 공작기계의 가공물 가공하기 전에 장비의 적정 온도 워밍업 작업을 장시간 동안 시행하던 것을 히팅유닛(30)을 이용하여 단시간에 가공물 가공을 위한 장비의 워밍업 작업을 시행하여 생산성을 향상시킬 수 있다. 더욱이 가공물을 가공하는 장비가 적정 온도로 운전됨에 따라 열변형 방지를 감소시키고, 열변형 방지를 유지하기 위한 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 4에 도시된 것처럼, 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 바람직한 일 실시예에 따르면, 히팅유닛(30)은 열선핀(34), 열선코일(33), 열선애자(32), 및 열선 전선(31)으로 이루어진다.
열선핀(34)은 공간부(50)의 내부 형상에 대응되는 형상을 구비한다. 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 바람직한 일 실시예에서 열선핀(34)은 공간부(50)의 2층 구조에 상응하도록 베어링 하우징(22)의 외부로 돌출되는 열선핀(34)의 상부가 열선핀(34)의 하부보다 더 큰 직경을 구비하도록 형성된다.
열선코일(33)은 열선핀(34)의 내부 공간상에 설치된다. 열선코일(33)은 제어유닛에 의해 전원공급장치(80)가 온으로 될 경우에 열선 전선(31)을 통해 공급받는 전원에 의해 열을 발생시켜 베어링(21)을 워밍업 시키게 된다.
열선 애자(32)는 열선핀(34)의 상단에 설치된다. 열선 애자(32)에 의해 열선코일(33)에 전원이 인가된 경우 발생되는 누전 등의 사고로 부터 히팅유닛(30)을 보호하게 된다.
열선 전선(31)의 일단은 열선 애자(32)의 내부로 삽입되어 열선코일(33)과 연결되고, 열선 전선(31)의 타단은 전원공급장치(80)와 연결되어 전원공급장치(80)가 온(on)된 경우에 열선 코일(33)에 전원을 공급한다.
도 2에 도시된 것처럼, 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제어유닛(70)은 온도저장부(71), 메모리부(72), 및 제어부(73)로 이루어진다.
온도저장부(71)는 온도센서(40)에서 실시간으로 측정된 베어링(22)의 온도를 저장하고, 실시간으로 저장된 베어링(220의 온도를 제어부(73)로 전송한다.
메모리부(72)는 볼스크류의 길이와 직경 등을 고려하여 베어링(22)의 적정 온도를 데이타 베이스(data base)화 하여 저장되어 있다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치의 메모리부(72)에 저장된 베어링의 기설정 온도는 18°C ~ 20°C인 것이 바람직하고, 메모리부에 저장된 베어링의 기설정 온도는 20°C인 것이 가장 바람직하다.
제어부(73)는 실시간으 측정되어 온도저장부(71)에 저장된 베어링의 온도와 메모리부(72)에 기설정된 온도로 저장된 수치를 비교하여 전원공급장치(80)의 온/오프(on/off)를 제어한다.
이에 따라, 열변형 방지가 불필요한 경우에는 전원공급장치의 전원을 차단하여, 불필요한 에너지가 낭비되는 것을 방지하여, 비용을 절감할 수 있다. 또한, 열변형 방지를 최소화하여 가공오차를 감소시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지방법의 절차도를 나타낸다.
도 5를 참고하여 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지방법을 설명한다. 본 발명에 의한 본 발명에 의한 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지방법은 베어링의 실시간 온도를 측정하는 단계(S1), 측정된 온도를 온도저장부로 전송하는 단계(S2), 기설정 온도와 온도저장부에 저장된 측정온도를 비교하는 단계(S3), 및 전원공급장치(80)의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계(S4)로 이루어진다.
온도센서(40)에 의해 실시간으로 베어링의 온도를 측정한다. 베어링의 온도측정 단계(S1) 이후에, 측정된 베어링의 실시간 온도를 온도저장부(71)로 전송한다. 온도저장부(71)로 전송하는 단계(S2) 이후에, 메모리부(72)에 저장된 베어링(22)의 기설정 온도(18°C ~ 20°C)와 온도저장부(71)에 저장된 베어링의 실시간 측정온도를 비교한다. 기설정 온도와 실시간 측정온도를 비교하는 단계(S3) 이후에, 비교된 온도에 따라 전원공급장치(80)의 온/오프(on/off)를 제어부(73)를 통해 제어한다.
본 발명은 도면에 도시된 변형예와 상기에서 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.
10 : 볼 스크류, 21 : 베어링 하우징,
22 : 베어링, 30 : 히팅유닛,
31 : 열선 전선, 32 : 열선 애자,
33 : 열선코일, 34 : 열선핀,
40 : 온도센서, 50 : 공간부,
70 : 제어유닛, 71 : 온도저장부,
72 : 메모리부, 73 : 제어부,
80 : 전원공급장치,
S1 : 베어링의 실시간 온도를 측정하는 단계,
S2 : 측정된 온도를 온도저장부로 전송하는 단계,
S3 : 기설정 온도와 온도저장부에 저장된 측정온도를 비교하는 단계,
S4 : 전원공급장치(80)의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계.

Claims (4)

  1. 볼스크류를 구비하는 공작기계에 있어서,
    상기 볼스크류의 외주연에 설치되는 베어링;
    상기 베어링을 지지하기 위한 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징의 상부 일측면에 형성된 공간부;
    상기 공간부의 내부 형상에 대응되는 외부 형상을 구비하는 히팅유닛;
    상기 히팅유닛과 마주하는 위치에 설치되는 온도센서; 및
    상기 온도센서에서 측정된 온도에 따라 상기 히팅유닛에 전원을 공급하는 전원공급장치의 온/오프(on/off)를 제어하는 제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히팅유닛은,
    상기 공간부의 내부 형상에 대응되는 형상을 구비하는 열선핀;
    상기 열선핀의 내부에 설치되고, 열을 발생시키는 열선코일;
    상기 열선코일의 절연을 위해 상기 열선핀의 상단에 설치되는 열선 애자; 및
    일단은 상기 열선 애자의 내부로 삽입되어 상기 열선코일과 연결되고, 타단은 전원공급장치와 연결되어 상기 열선코일에 전원을 공급하는 열선 전선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어유닛은,
    상기 온도센서에서 측정된 베어링의 온도를 저장하는 온도저장부;
    상기 베어링의 기설정 온도가 저장된 메모리부; 및
    상기 온도저장부에 저장된 베어링의 측정온도와 상기 메모리부에 저장된 온도를 비교하여 상기 전원공급장치의 온/오프(on/off)를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지장치.
  4. 온도센서에 의해 베어링의 온도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 베어링의 온도를 온도저장부로 전송하는 단계;
    메모리부에 저장된 상기 베어링의 기설정 온도와 상기 온도저장부에 저장된 베어링의 측정온도를 비교하는 단계; 및
    상기 비교된 온도에 따라 전원공급장치의 온/오프(on/off)를 제어하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼스크류를 구비한 공작기계의 열변위 방지방법.
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