KR20200018860A - 공작기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다관절을 가지는 다관절부에 의하여 가공을 수행하는 공작기계에 관한 것이다.
본 발명은, 미리 설정된 기계가공을 수행하는 가공부(200)와; 일단이 가공부(200)와 연결되어 가공부(200)를 함께 지지하여 서로 연동하여 가공부(200)를 이동시킴과 아울러 타단이 고정구조물(300)에 고정결합되는 복수의 다관절부(100)를 포함하며, 복수의 다관절부(100)는, 고정구조물(300)에 고정결합되는 유닛고정부(140)와, 각각 순차적으로 연결되는 3개 이상의 암유닛(120)과, 서로 인접한 암유닛(120)을 회전가능하게 연결하는 관절부(111, 112, 113, 114)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계를 개시한다.

Description

공작기계 {Machine tool}

본 발명은 공작기계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다관절을 가지는 다관절부에 의하여 가공을 수행하는 공작기계에 관한 것이다.

종래의 공작기계는 빠른 생산 속도, 높은 정밀도, 강한 절삭력 등을 중점으로 개발되었으며, 성능향상을 위해 메인 프레임과 모터를 한 장소에 고정시킨 형태를 선택하였다.

따라서, 종래의 공작기계는 주로 부품 가공과 조각에 사용되며 작업공간 내 일정한 위치에 가공대상물을 위치시켜 절삭, 연마 등 동작을 하는 형태로서, 공간 및 이동에 많은 제약을 가진다.

또한, 작업공간에 가공대상물을 고정시키기 때문에 작업공간보다 큰 가공대상물은 작업하기 어렵다는 문제점이 존재한다.

특히, 5축 공작기계는 부피가 크고 무겁기 때문에 설치 시, 지반이 하중을 견딜 수 있는지 상태를 검토하고, 수평을 맞추는 등 그만큼 비용과 시간이 소요되는 문제점을 가진다.

또한, 종래의 공작기계는 스핀들 모터의 자유도 개수에 맞는 단축 모터 제어를 통해 공작기계를 구동하고, 설치 후 평지에 고정되기 때문에 공작기계를 이동시킬 경우 추가적인 설치비용이 발생하는 문제점이 존재한다.

또한, 종래의 공작기계는 기계가공의 종류, 가공대상에 따라 가공부하가 매우 커서 고하중, 고부하의 가공대상을 공작기계에 의하여 가공하는 경우 공작기계의 크기가 매우 커지는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 가공대상물을 가공하는 데 있어서, 가공대상물의 위치 및 크기에 관계없이 편리하고 간단하게 가공대상물을 가공할 수 있고, 기존의 단축 방식 제어의 한계를 벗어나 가공부의 다양한 모션이 가능한 공작기계를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은, 미리 설정된 기계가공을 수행하는 가공부(200)와; 일단이 상기 가공부(200)와 연결되어 상기 가공부(200)를 함께 지지하여 서로 연동하여 상기 가공부(200)를 이동시킴과 아울러 타단이 고정구조물(300)에 고정결합되는 복수의 다관절부(100)를 포함하며, 상기 복수의 다관절부(100)는, 상기 고정구조물(300)에 고정결합되는 유닛고정부(140)와, 각각 순차적으로 연결되는 3개 이상의 암유닛(120)과, 서로 인접한 상기 암유닛(120)을 회전가능하게 연결하는 관절부(111, 112, 113, 114)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계를 개시한다.

상기 다관절부(100)는, 2 개 이상일 수 있고, 고정구조물(300)의 구조에 따라 다관절부(100)의 개수를 조절할 수 있다.

상기 가공부(200)는, 상기 다관절부(100)의 일단에 연결되는 가공부몸체(210)와; 상기 가공부몸체(210)에 설치되어 상기 고정구조물(300)을 가공하는 가공유닛(220)을 포함할 수 있다.

상기 암유닛(120)들은 인접한 암유닛(120)과 상기 관절부(111, 112, 113, 114)에 의하여 서로 회전가능하게 결합될 수 있다.

상기 다관절부(100) 중 적어도 하나의 관절부(111, 112, 113, 114)는, 회전모터가 설치될 수 있다.

상기 다관절부(100)와 상기 가공부몸체(210)는 유니버셜 조인트 또는 회전 조인트에 의해 결합될 수 있다.

상기 고정구조물(300)은, 상기 가공부(200)에 의한 기계가공의 대상인 가공대상물, 상기 가공부(200)에 의한 기계가공의 대상인 가공대상물을 지지하는 지지구조물, 및 상기 가공부(200)에 의한 기계가공의 대상인 가공대상물에 대하여 상대 이동이 가능한 상대이동 구조물 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명에 따른 공작기계는, 기계가공을 수행하는 가공부를 복수의 다관절 암부에 의하여 지지함으로써 가공대상물의 위치 및 크기에 관계없이 편리하고 간단하게 가공대상물을 가공할 수 있고, 기존의 단축 방식 제어의 한계를 벗어나 가공부의 다양한 모션이 가능한 이점이 있다.

특히 본 발명에 공작기계는, 매니퓰레이터(다관절 로봇)에 기반하며 소형 및 다축의 장점에 의하여 상용 공작기계의 한계를 극복하여, 단기적으로 필요한 장소나 대형 선박 등에 안착 시킨 후 대형 부품 부분 가공 또는 조각, 대형 기계 유지보수 등에 사용될 수 있다.

또한 가공대상물이 대형 구조물인 경우 크레인과 같이 가동대상물에 대하여 상대이동이 가능한 장치에 본 발명에 따른 공작기계를 설치함으로써 대형 구조물에 대한 가공을 편리하게 수행할 수 있는 이점이 있다.

또한, 가공대상물이 작업공간보다 크더라도, 본 발명에 따른 공작기계를 여러 번 이동함으로써 가공할 수 있고, 가공대상물이 평평하지 않더라도 설치가 가능하다는 이점을 가지고 있다.

또한, 매니퓰레이터를 이용하여 가공부를 제어하는 구동 메커니즘을 가짐으로써 기존의 단축 방식 제어의 한계를 벗어나 가공부의 다양한 모션이 가능하여 정밀한 가공이 가능하다는 이점을 가지고 있다.

또한, 본 발명에 따른 공작기계는 기계가공을 수행하는 가공부를 복수의 다관절 암부에 의하여 지지하도록 구성하고, 다관절 암부를 작업대상물 또는 별도의 지지구조물에 고정지지됨으로써 다양한 작업환경에서의 기계가공의 수행이 가능한 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 공작기계는 복수의 다관절부에 의하여 지지 및 이동됨으로써 단일의 다관절로봇에 의한 지지 및 이동에 비하여 상대적으로 작은 출력의 다관절로봇의 사용이 가능한 이점이 있다.

더 나아가 작은 출력의 다관절로봇의 사용이 가능함으로써 구동원으로서 유압, 공압 이외에 전기모터를 사용할 수 있어 구동제어 및 작동이 편리한 이점이 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 공작기계를 나타낸 개념도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 공작기계를 나타낸 평면도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 공작기계를 나타낸 측면도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 공작기계의 움직인 상태를 보여주는 측면도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 공작기계의 다관절부 중 하나를 나타내는 측면확대도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 공작기계의 움직임을 시뮬레이션한 개념도이다.

이하 본 발명에 따른 공작기계에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 공작기계는, 도 1에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 기계가공을 수행하는 가공부(200)와; 일단이 가공부(200)와 연결되어 가공부(200)를 함께 지지하여 서로 연동하여 가공부(200)를 이동시킴과 아울러 타단이 고정구조물(300)에 고정결합되는 복수의 다관절부(100)를 포함한다.

상기 다관절부(100)는, 복수의 다관절부(100)의 일단에 가공부(200)가 연결되어 가공부(200)를 함께 지지하여 서로 연동하여 가공부(200)를 이동시키는 구성으로서, 다관절로봇 등 다양한 구성이 가능하다.

구체적으로, 상기 복수의 다관절부(100)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 고정구조물(300)에 고정결합되는 유닛고정부(140)와, 유닛고정부(140)으로부터 각각 순차적으로 연결되는 3개 이상의 암유닛(120)과, 서로 인접한 암유닛(120)을 회전가능하게 연결하는 관절부(111, 112, 113, 114)를 포함하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.

상기 고정구조물(300)은, 유닛고정부(140)가 고정되어 궁극적으로 공작기계를 지지하기 위한 구조물로서, 유닛고정부(140)가 고정되어 공작기계를 지지할 수 있는 구성이면 어떠한 구성도 가능하다.

예로서, 상기 고정구조물(300)은, 공작기계의 일부로서 지지프레임은 물론이고, 가공부(200)에 의한 기계가공의 대상인 가공대상물, 가공부(200)에 의한 기계가공의 대상인 가공대상물을 지지하는 지지구조물, 및 가공부(200)에 의한 기계가공의 대상인 가공대상물에 대하여 상대 이동이 가능한 상대이동 구조물 중 어느 하나일 수 있다.

보다 구체적으로 상기 고정구조물(300)은, 가공대상물이 구비된 대형 선박, 가공대상물이 구비된 대형 기계 등일 수 있고, 이동 가능한 물체뿐만 아니라 가공대상물이 구비된 건물의 외벽 등 움직일 수 없는 경우도 해당한다.

또한 상기 고정구조물(300)은, 가공대상물 자체가 될 수도 있음은 물론이다.

한편 상기 고정구조물(300)은, 후술하는 다관절부(100)의 구성에 의하여 복수의 유닛고정부(140)가 결합되는 부분이 하나의 평면 상에 위치되지 않고, 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 유닛고정부(140)가 위치된 기준 평면을 기준으로 나머지 유닛고정부(140)들 중 적어도 하나가 기준 평면과 평행한 평면 상에 위치될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 공작기계는, 공작기계가 결합되는 고정구조물(300)이 평평한 평면이 아닌 상하 높이(유닛고정부(140)에 의한 결합방향 기준)가 다른 고정구조물(300), 적어도 일부가 곡면을 가지는 고정구조물(300) 등 고정구조물(300)의 형상과 무관하게 설치가 가능한 이점이 있다.

상기 유닛고정부(140)는, 고정구조물(300)에 고정결합되는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.

그리고 상기 유닛고정부(140)는, 가공부(200)가 가공대상물의 가공이 용이하도록 가공대상물 부근에 위치된 고정구조물(300)에 고정될 수 있는 구조이면 어떠한 구성도 가능하다.

특히 상기 유닛고정부(140)는, 가공대상물에 대한 가공공정의 완료 후 고정구조물(300)로부터 분리될 수 있도록 고정구조물(300)와 고정볼트 등의 탈착수단에 의하여 탈착될 수 있다.

따라서 상기 유닛고정부(140)는, 가공대상물을 포함하는 고정구조물(300)과 탈착가능하게 결합됨으로써 단기적으로 필요한 장소나 대형 선박 등에 고정된 후 대형 부품과 같은 가공대상물을 부분적으로 가공하거나 조각 또는 대형 기계의 유지보수 등에 이용되는 구성이 가능하다.

한편 상기 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)을 연결하는 관절부(111)는, 하나 이상의 결합회전축을 기준으로 암유닛(120)이 유닛고정부(140)에 대하여 회전가능하게 결합시킨다.

그리고 상기 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)을 연결하는 관절부(111)는, 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)와 별도의 구성 또는 유닛고정부(140) 및 암유닛(120) 중 어느 하나와 일체화된 구성 등 다양한 구성이 가능하다.

또한 상기 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)을 연결하는 관절부(111)는, 후술하는바와 같이 회전구동원에 의한 회전구동없이 타 구동원에 의한 구동시 수동적으로 회전운동의 구현이 가능하도록 하나의 결합회전축을 기준으로 한 회전결합, 회전조인트 외의 볼 조인트, 유니버셜 조인트 등 다양한 연결구조로 구성될 수 있다.

상기 암유닛(120)은, 유닛고정부(140)으로부터 각각 순차적으로 연결되는 3개 이상의 구성으로 다양한 구성이 가능하다.

예로서, 상기 암유닛(120)은, 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 4개이고, 관절(111, 112, 113, 114)에 의하여 인접한 암유닛(120)과 회전가능하게 결합될 수 있다.

또한, 상기 암유닛(120)은, 금속재질, 탄소섬유복합소재 등 일정한 강성을 가진 재질이면 어떠한 재질도 가능하며, 원기둥, 다각기둥 등 일정한 길이를 가지는 로드 형상이면 어떠한 형상도 가능하다.

한편 상기 암유닛(120)은, 다관절로봇 등 각 다관절부(110)를 구성하는 암유닛으로서 다관절로봇의 구조에 따라서 다양한 구성이 가능하다.

상기 관절부(111, 112, 113, 114)는, 유닛고정부(140) 및 서로 인접한 암유닛(120)을 회전가능하게 연결하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.

구체적으로, 상기 관절부(111, 112, 113, 114)는, 하나 이상의 결합회전축을 기준으로 유닛고정부(140) 및 서로 인접한 암유닛(120)을 상대 회전가능하게 결합시킨다.

그리고 상기 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)을 연결하는 관절부(111, 112, 113, 114)는, 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)와 별도의 구성 또는 유닛고정부(140) 및 암유닛(120) 중 어느 하나와 일체화된 구성 등 다양한 구성이 가능하다.

또한 상기 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)을 연결하는 관절부(111, 112, 113, 114)는, 후술하는바와 같이 회전구동원에 의한 회전구동없이 타 구동원에 의한 구동시 수동적으로 회전운동의 구현이 가능하도록 하나의 제1회전축을 기준으로 한 회전결합, 회전조인트 외의 볼 조인트, 유니버셜 조인트 등 다양한 연결구조로 구성될 수 있다.

한편 상기 관절부(111, 112, 113, 114)는, 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)을 연결하며 제1회전축(고정구조물(300)에 대한 유닛고정부(140)의 결합방향)을 중심으로 한 회전을 가능하게 하는 제1관절부와, 서로 인접한 암유닛(120)들을 연결하며 제1회전축과 수직을 이루는 제2회전축(150)을 중심으로 한 회전을 가능하게 하는 제2관절부(112, 113, 114)를 포함할 수 있다.

상기 제2관절부(112, 113, 114)는, 제1회전축과 수직을 이루는 제2회전축(150)을 중심으로 한 회전을 가능하게 하는 서로 인접한 암유닛(120)들을 연결하는 구성으로서, 각 관절부(112, 113, 114)에 위치되는 제2회전축(150)들이 모두 서로 평행하거나 적어도 일부가 수직을 이루는 등 다관절로봇의 구성에 따라서 다양한 구성이 가능하다.

또한 상기 관절부(111, 112, 113, 114)는, 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)을 연결함에 있어서 하나의 회전축이 아니 복수의 회전축을 중심으로 한 회전이 가능하도록 구성될 수도 있다.

또한 상기 관절부(111, 112, 113, 114)는, 앞서 설명한 바와 같이, 볼 조인트, 유니버셜 조인트 등 회전자유도를 가지는 상태에서 유닛고정부(140) 및 암유닛(120)을 연결할 수 있다.

상기 가공부(200)는, 미리 설정된 기계가공을 수행하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.

구체적으로, 상기 가공부(200)는, 다관절부(100)에 연결되는 가공부몸체(210)와; 가공부몸체(210)에 결합되며 가공대상물을 가공하는 가공유닛(220)을 포함하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.

상기 가공부몸체(210)는, 다관절부(100)에 연결되며 후술하는 가공유닛(220)을 지지하기 위한 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.

여기서 상기 가공부몸체(210)는, 앞서 설명한 복수의 다관절부(100)와 관절결합부(130)에 의하여 결합되어 지지될 수 있다.

상기 관절결합부(130)는, 가공부몸체(210) 및 다관절부(100) 중 적어도 하나와 일체화된 구성, 별도의 구성 등 다양한 구성이 가능하다.

한편 상기 관절결합부(130)는, 일단에 다관절부(100), 즉 암유닛(100)과 결합되고 가공부(200)의 위치이동에 따라서 가공부(200) 및 각 다관절부(100)의 결합상태, 예를 들면 가공부(200)에 대한 결합각도가 변화되어야 하는바, 가공부(200), 특히 가공부몸체(210)에 대하여 적어도 하나의 회전자유도를 가지면서 구속결합될 수 있다.

예로서, 상기 관절결합부(130)는, 가공부(200), 특히 가공부몸체(210)에 결합된 유니버설 조인트로 구성될 수 있다.

여기서 상기 관절결합부(130)는, 가공부(200), 특히 가공부몸체(210)에 고정결합되거나 하나의 회전축을 중심으로 한 회전이 가능하도록 결합될 수 있음은 물론이다.

한편 상기 가공부몸체(210)는, 일 예로서, 평면 형상이 사각형의 형상을 가지며, 사각형의 각 변에 각각 다관절부(100)가 하나씩 연결될 수 있다.

여기서 상기 가공부몸체(210)의 평면형상은, 사각형 이외에 다각형, 원형 등 다양한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.

그리고 상기 가공부몸체(210)는, 가공유닛(220)을 지지함과 아울러 복수의 다관절부(100)에 의한 위치이동에 더하여 가공대상물에 대한 상대위치를 변화시키는 보조구동원을 추가로 구비할 수 있다.

상기 보조구동원은, 복수의 다관절부(100)에 의한 위치이동에 더하여 가공대상물에 대한 상대위치를 변화시키기 위한 구성으로서 복수의 다관절부(100)에 의한 위치이동에 비하여 상대적으로 미세한 이동을 구현하는 등 다양한 구성이 가능하다.

상기 가공유닛(220)은, 가공부몸체(210)에 결합되어 고정구조물(300)을 가공하는 구성으로 다양한 구성이 가능하다.

구체적으로, 상기 가공유닛(220)은, 드릴링머신, 밀링머신, 용접머신, 연삭머신 등 가공방식에 따라서 다양한 구성이 가능하다.

한편 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 공작기계는, 복수의 다관절부(100)들 중 적어도 일부가 구동원을 구비함으로써 가공대상물에 대한 가공부(200)의 상대이동이 구현된다.

예로서, 상기 복수의 다관절부(100)들 중 적어도 일부의 관절부(111, 112, 113, 114)에는 회전구동원인 모터가 설치되고, 회전구동을 구현함으로써 암유닛(120)을 통하여 결합된 가공부(200)의 이동이 가능하다.

특히 상기 복수의 다관절부(100)들 중 한 개 또는 복수 개의 다관절부(100)에 관절부(111, 112, 113, 114)에 회전구동원인 모터가 설치되고 나머지의 관절부(111, 112, 113, 114)는 연동되어 회전만 가능하도록 함으로써, 적은 수의 구동원에 의한 가공부(200)의 이동을 구현할 수 있다.

한편 상기 복수의 다관절부(100)는, 2개 이상, 도 6에 도시된 바와 같이, 특히 4개로 구성될 수 있으며, 고정구조물(300)의 구조에 따라 다관절부(100)의 개수를 조절할 수 있으나, 이해를 돕기 위해 4개인 것을 사용한다.

또한, 상기 복수의 다관절부(100)는, 가공부(200)의 위치와 자세를 제어하는 메커니즘으로 구성될 수 있으며, 각 다관절부(100)의 원점 좌표, 가공유닛(220)의 상대좌표와 자세정보 및 역기구학 연산을 이용하여 각 모터의 모션을 제어할 수 있다.

이로 인해, 고정부(300)의 고정축 좌표가 불규칙한 환경에서도 가공부(200)의 제어가 가능하게 되고, 공작기계가 이동되더라도 정밀한 제어가 가능하게 할 수 있다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

100 : 다관절부 200 : 가공부
300 : 고정구조물

Claims (7)

1. 미리 설정된 기계가공을 수행하는 가공부(200)와;
   일단이 상기 가공부(200)와 연결되어 상기 가공부(200)를 함께 지지하여 서로 연동하여 상기 가공부(200)를 이동시킴과 아울러 타단이 고정구조물(300)에 고정결합되는 복수의 다관절부(100)를 포함하며,
   상기 복수의 다관절부(100)는,
   상기 고정구조물(300)에 고정결합되는 유닛고정부(140)와, 각각 순차적으로 연결되는 3개 이상의 암유닛(120)과, 서로 인접한 상기 암유닛(120)을 회전가능하게 연결하는 관절부(111, 112, 113, 114)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 다관절부(100)는, 2개 이상인 것을 특징으로 하는 공작기계.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 가공부(200)는,
   상기 다관절부(100)의 일단에 연결되는 가공부몸체(210)와;
   상기 가공부몸체(210)에 설치되어 상기 고정구조물(300)을 가공하는 가공유닛(220)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 암유닛(120)들은 인접한 암유닛(120)과 상기 관절부(111, 112, 113, 114)에 의하여 서로 회전가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 공작기계.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 다관절부(100) 중 적어도 하나의 관절부(111, 112, 113, 114)는, 회전모터가 설치된 것을 특징으로 하는 공작기계.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 다관절부(100)와 상기 가공부몸체(210)는 유니버셜 조인트 또는 회전 조인트에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 공작기계.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 고정구조물(300)은 상기 가공부(200)에 의한 기계가공의 대상인 가공대상물, 상기 가공부(200)에 의한 기계가공의 대상인 가공대상물을 지지하는 지지구조물, 및 상기 가공부(200)에 의한 기계가공의 대상인 가공대상물에 대하여 상대 이동이 가능한 상대이동 구조물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 공작기계.

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