KR20200099445A - 공작기계의 주축 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동부의 구동력에 의해 회전하는 구동축을 구비하고, 주축을 구동하는 동력을 전달하는 입력부; 상기 입력부의 구동축과 평행하면서 회전 가능하게 설치되는 출력축을 구비하고, 상기 입력부의 동력으로 상기 주축을 구동하는 출력부; 및 상기 입력부와 상기 출력부 사이에서 직선 왕복이동 및 회전하면서 상기 입력부 및 상기 출력부와 평행하게 설치되는 회전축을 구비하고, 상기 입력부의 동력을 상기 출력부에 전달하는 전달부;를 포함하고, 상기 입력부, 상기 전달부, 및 상기 출력부는 상기 회전축의 중심과 상기 구동축의 중심 사이의 거리가 상기 회전축의 중심과 상기 출력축의 중심 사이의 거리보다 크게 형성되도록 설치되는 공작기계의 주축 구동장치에 관한 것이다.

Description

공작기계의 주축 구동장치{Spindle driving device of machine tool}

본 발명은 공작기계의 주축 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복합가공기에서 하나의 주축이 전달부의 직선 왕복이동에 따라 고속 모드, 저속 모드, 또는 C축 모드를 모두 수행할 수 있는 주축 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계라 함은 각종 절삭 가공방법 또는 비절삭 가공방법으로 금속/비금속의 공작물을 적당한 공구를 이용하여 원하는 형상 및 치수로 가공할 목적으로 사용하는 기계를 말한다.

터닝센터, 수직/수평 머시닝센터, 문형머시닝센터, 스위스 턴, 방전 가공기, 수평형 NC 보링머신, CNC 선반, 복합가공기 등을 비롯한 다양한 종류의 공작기계는 다양한 산업 현장에서 해당 작업의 용도에 맞게 널리 사용되고 있다.

공작기계 중 복합가공기란 선삭가공과 드릴, 탭핑, 밀링가공 등 가공형태가 다양한 가공을 수행하는 다기능의 자동공구교환장치(ATC)와 공구 매거진이 장착된 터닝센터를 의미한다. 복합가공기에서 작업자가 가공에 필요한 공구를 로딩하거나 교환시에 공구를 수동으로 공구 매거진에 장착한다.

일반적으로 현재 사용되고 있는 다양한 종류의 공작기계는 수치제어(numerical control, NC) 또는 CNC(computerized numerical control) 기술이 적용되는 조작반을 구비하고 있다. 이러한 조작반은 다양한 기능스위치 또는 버튼과 모니터를 구비한다.

또한, 공작기계는 공작물인 소재가 안착되고 공작물 가공을 위해 이송하는 테이블, 가공전 공작물을 준비하는 팔렛트, 공구 또는 공작물이 결합되어 회전하는 주축, 공작물 등을 가공중에 지지하기 위한 심압대, 방진구 등을 구비한다.

일반적으로 공작기계에서 테이블, 공구대, 주축, 심압대, 방진구 등은 다양한 가공을 수행하기 위해 이송축을 따라 이송하는 이송유닛을 구비한다.

또한, 일반적으로 공작기계는 다양한 가공을 위하여 다수의 공구를 사용하게 되며, 다수의 공구를 수납보관하고 있는 공구 보관장소의 형태로 공구 매거진이나 터렛이 사용된다.

이러한 공작기계는 다양한 가공을 위하여 다수의 공구를 사용하게 되며, 다수의 공구를 수납보관하고 있는 툴 보관장소의 형태로 공구 매거진이 사용된다.

또한, 일반적으로 공작기계는 공작기계의 생산성을 향상시키기 위해 수치제어부의 지령에 의해 특정한 공구를 공구 매거진으로부터 인출하거나 다시 수납하기 위한 자동공구교환장치(ATC, Automatic Tool Changer)를 구비한다.

또한, 일반적으로 공작기계는 비가공 시간을 최소화하기 위해, 자동팔레트교환장치(APC, Automatic Palette Changer)를 구비한다. 자동팔레트교환장치(APC)는 팔레트를 공작물 가공 영역과 공작물 설치 영역 간에 자동으로 교환한다. 팔레트에는 공작물이 탑재될 수 있다.

일반적으로 복합가공기를 포함한 터닝센터는 주축의 회전 속도만을 제어하여 수행하는 터닝가공과 공구대를 이용한 밀링, 드릴링, 탭핑, 윤곽 가공 등의 가공을 위해 주축의 정확한 위치 제어(C축 기능)를 수행할 수 있다.

일본 특허공개공보 제2016-182663호와 같이 종래 공작기계의 주축 구동장치는 웜기어와 서보 모터의 조합으로 생산비용이 증가하는 문제점이 있었다.

또한, 대한민국 특허등록공보 제10-1506741호는 동력축과 구동축이 동축으로 형성되어야 함에 따라 기계간섭과 복합 터닝센터의 구조적 특성상 실질적으로 동축으로 구성할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 대한민국 특허공개공보 제10-2012-0015738호, 대한민국 특허공개공보 제10-2013-0061933호의 경우 치차 구동에 의해 발열이 심해 회전 속도 제어 중에서 선삭과 같은 고속 모드 구현이 어렵고, 서보 모터를 추가로 요하고, 테이퍼 기어나 웜기어와 같이 고가의 기어를 사용함에 따라 생산비용이 증가하고 열변형에 의해 백래쉬가 심각하게 발생하고 이에 따라 가공정밀도가 감소하는 문제점이 있었다.

또한, 대한민국 특허등록공보 제10-0824522호, 대한민국 특허등록공보 제10-1401204호는 조립된 상태에서 구동 기구 전체에 대해 한번에 백래쉬를 제거해야 함에 따라 맞물리는 기어세트별로 정확하게 백래쉬 조정이 되지 않아 가공정밀도가 감소하고, 테이퍼 기어로 생산비용이 증가하는 문제점이 있었다.

또한, 대한민국 특허등록공보 제10-1438230호는 소정의 인덱스 위치에서만 정지가 가능하여 5축에서 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 대한민국 특허등록공보 제10-1514075호는 구성이 복잡하여 소형화를 도모할 수 없고, 조립시간이 과다하여 생산비용과 유지비용이 증가하는 문제점이 있었다.

이처럼, 종래 공작기계의 주축 구동장치는 회전속도 제어나 정확한 위치 제어(C축 모드)중 어느 하나만을 제어하여 구동하거나 2가지 모두를 구현하더라도 조립과 생산에 많은 비용이 소모되고, 장비가 복잡해짐에 따라 소형화를 도모하지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 종래 공작기계의 주축 구동장치는 회전속도 제어 중에서도 선삭과 같이 고토크를 요하는 저속 모드의 경우와 황삭과 같이 고속회전을 요하는 고속 모드와 C축 모드 모드를 1개의 주축으로 수행하는 주축 구동장치는 존재하지 않아 사용자의 불편을 초래하고, 생산성을 감소하는 문제점이 있었다.

더욱이, 종래 공작기계의 주축 구동장치는 회전속도 중 어느 하나 또는 C축 모드를 수행하는 경우에도 백래쉬에 의한 발열이 발생하여 열변형과 백래쉬에 의해 가고 정밀도가 감소하는 문제점이 있었다.

종래 인벌류트(involute) 기어류는 작동시에 소음이 가장 중요한 품질결정 요소이다. 실제로 소음이 발생하는 기어의 경우에도 사용이나 작동상에 문제가 없는 경우도 있다.

그러나, 장비의 작동 중에 소음이 발생하면 작업자가 감작적으로 불안감을 가질 수 있고, 소음에 의해 진동 발생 가능서이 증대되기 때문에 소음은 최소화가 되도록 설계되는 것이 바람직하다.

일반적으로 기어 박스에 설치되는 다수의 기어의 축간 거리는 H7 수준의 공차역으로 넓게 산포되어 있으며 각 축간 평행도가 불량하거나 조립에 문제가 있는 경우 기어 자체의 정밀도가 좋아도 기어의 이접촉, 소음, 마모 등의 문제가 발생할 위험성이 있다.

특히, 축간 거리 공차역의 최종범위에 걸쳐져 멀어질 경우 물림율 저하, 원주 방향 백래쉬 증가로 인해 주축 구동장치나 기어 시프트 장치의 작동시에 상술한 문제가 발생할 가능성이 매우 높다.

도 1에 도시된 것처럼, 평핸한 2개의 축 정밀도는 축의 평행오차(b2, 3차원 상에 수평으로 어긋난 오차)와 축의 어긋남오차(b1, 3차원 상에서 수직으로 어긋난 오차)로 구성된다. 도 1에서 a1은 축심 a를 나타내고, a2는 축심 b, Q는 허용영역, K는 측정구간을 나타낸다. 도 1에 도시된 것처럼, 축의 평행오차와 어긋남오차는 기어의 치아접촉에 영향을 미치며, 치아폭의 양단에서 접촉이 불량해짐에 따라 마모, 진동이 발생하고 이에 따라 소음이 증가되는 문제점이 있다.

또한, 기어를 엇각으로 비틀어 설치하는 경우에는 상술한 바와 같은 위험성과 문제점이 더욱 크게 발생하여 소음이나 진동이 더욱 증가하여 유지비용과 제조비용이 증가하고, 신뢰성과 안정성이 감소하며, 생산성이 감소하는 문제점이 있다.

대한민국 특허등록공보 제10-1506741호 대한민국 특허등록공보 제10-0824522호 대한민국 특허등록공보 제10-1401204호 대한민국 특허공개공보 제10-2012-0015738호 대한민국 특허공개공보 제10-2013-0061933호 대한민국 특허등록공보 제10-1438230호 대한민국 특허등록공보 제10-1514075호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 복합가공기에서 하나의 주축이 전달부의 직선 왕복이동에 따라 고속 모드, 저속 모드, 또는 C축 모드를 모두 수행할 때에 정밀한 기어 시프트 변환을 통해 진동이나 소음을 최소화하고, 주축 구동장치 소형화를 통해 공작기계의 컴팩트화를 도모하며, 백래쉬 재조정 시간 감소에 의해 생산성을 향상시키고, 간단한 축 배열과 기어구동 방식을 통해 강성과 내구성이 증대되며, 소비자의 만족도를 증가시키고, 안정적인 작동에 의해 공작기계의 신뢰성과 안전성을 증대시킬 수 있는 공작기계의 주축 구동장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치는 구동부의 구동력에 의해 회전하는 구동축을 구비하고, 주축을 구동하는 동력을 전달하는 입력부; 상기 입력부의 구동축과 평행하면서 회전 가능하게 설치되는 출력축을 구비하고, 상기 입력부의 동력으로 상기 주축을 구동하는 출력부; 및 상기 입력부와 상기 출력부 사이에서 직선 왕복이동 및 회전하면서 상기 입력부 및 상기 출력부와 평행하게 설치되는 회전축을 구비하고, 상기 입력부의 동력을 상기 출력부에 전달하는 전달부;를 포함하고, 상기 입력부, 상기 전달부, 및 상기 출력부는 상기 회전축의 중심과 상기 구동축의 중심 사이의 거리가 상기 회전축의 중심과 상기 출력축의 중심 사이의 거리보다 크게 형성되도록 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 입력부는 상기 구동축에 설치되는 제1 기어; 및 상기 제1 기어와 상기 구동축의 수평방향을 따라 이격하도록 상기 구동축에 설치되는 제2 기어;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 출력부는 상기 출력축에 설치되는 제6 기어; 및 상기 제6 기어와 상기 출력축의 수평방향을 따라 이격하도록 상기 출력축에 설치되는 제7 기어;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 전달부는 상기 회전축에 설치되는 제5 기어;상기 회전축의 수평방향을 따라 이격하도록 상기 제5 기어에 설치되는 제3 기어; 및 상기 제3 기어와 마주하면서 평행하고 상기 회전축의 수평방향을 따라 이격하도록 상기 제3 기어에 설치되는 제4 기어;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치는 상기 제3 기어와 상기 제4 기어는 상기 제6 기어를 고정한 상태에서 상기 제6 기어에 대해 서로 반대방향으로 비틀어지도록 설치될수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치는 상기 제1 기어는 상기 회전축을 고정한 상태에서 상기 제3 기어의 비틀린 방향과 반대방향으로 비틀리도록 설치되고, 상기 제2 기어는 상기 회전축을 고정한 상태에서 상기 제4 기어의 비틀린 방향과 반대방향으로 비틀리도록 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 제3 기어와 상기 제4 기어가 상기 제6 기어에 대해 비틀려 접촉한 각도보다 상기 제1 기어와 상기 제2 기어가 상기 제3 기어와 상기 제4 기어에 비틀려 접촉한 각도가 더 크게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 회전축의 중심과 상기 구동축의 중심 사이의 거리는 상기 회전축의 중심과 상기 출력축의 중심 사이의 거리 보다 10㎛ 이상 내지 50㎛이하가 크게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 입력부는 상기 구동축을 지지하기 위해 상기 구동부에 인접도록 상기 구동축의 일단에 설치되는 구동축 베어링;을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 구동축은 상기 구동축 베어링과 마주하도록 상기 구동축의 타단에 설치되는 구동축 하우징;을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 입력부는 상기 구동축을 지지하기 위해 상기 구동축 하우징의 내부에 설치되는 제1 지지 베어링;을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 전달부는 상기 회전축을 지지하기 위해 상기 회전축의 타단에 설치되는 제2 지지 베어링;을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 회전축은 상기 제2 지지 베어링과 마주하도록 상기 회전축의 일단에 설치되는 회전축 하우징;을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 전달부는 상기 회전축을 지지하기 위해 상기 회전축 하우징의 내부에 설치되는 회전축 베어링;을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 바람직한 다른 실시예에서, 공작기계의 주축 구동장치의 상기 입력부는 상기 출력부 및 상기 전달부의 전부 또는 일부를 커버하는 하우징부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치는 합가공기에서 하나의 주축이 전달부의 직선 왕복이동에 따라 고속 모드, 저속 모드, 또는 C축 모드를 모두 수행할 때에 정밀한 기어 시프트 변환을 통해 진동이나 소음을 최소화하기 위해 회전축의 중심과 구동축의 중심 사이의 거리가 회전축의 중심과 출력축의 중심 사이의 거리보다 크게 되도록 각 축을 배치하여 백래쉬를 유지하거나 백래쉬를 제거하면서 고속 모드, 저속 모드, 또는 C축 모드를 모두 수행함에 따라 3개 모드로 작동할 때에 마모나 끼임을 방지하여 소음과 진동을 최소화하고, 제조비용을 절감하고, 공작기계의 안정성과 신뢰성을 향상할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치는 하나의 주축이 고속 모드, 저속 모드, 또는 C축 모드를 모두 수행함에 따라 주축 구동장치 소형화를 통해 공작기계의 컴팩트화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치는 각 모드에 따라 필요한 경우 백래쉬를 유지하거나 백래쉬를 제거하면서 3가지 모드의 작업을 수행함에 따라 백래쉬 재조정 시간 감소에 의해 생산성을 향상시키고, 백래쉬에 의한 발열에 의한 열변형 발생을 방지하여 가공정밀도를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

게다가, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치는 간단한 축 배열과 기어를 비틀어 설치하는 기어구동 방식을 통해 강성과 내구성이 증대되고, 주축 구동장치의 수명을 극대화하며, 소비자의 만족도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 축의 평행오차와 어긋남오차에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타낸다.
도 3은 하우징부가 제거된 상태의 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치에서 제1, 2, 3, 4, 6 기어가 설치된 상태의 사시도를 나타낸다.
도 5는 도 4의 정면도를 나타낸다.
도 6은 도 4의 측단면도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치에서 구동축, 회전축, 및 출력축과 제1, 2, 3, 4, 6 기어가 설치된 상태의 개념도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 단면도를 나타낸다.
도 9는 도 3에서 하우징부가 제거된 상태에서 주축이 저속 모드일 때에 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타낸다.
도 10은 도 3에서 하우징부가 제거된 상태에서 주축이 고속 모드일 때에 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타낸다.
도 11은 도 3에서 하우징부가 제거된 상태에서 주축이 C축 모드일 때에 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타낸다.
도 12는 회전축의 중심과 구동축의 중심 사이의 거리와 회전축의 중심과 출력축의 중심 사이의 거리의 차이가 0일때에 시간에 따른 진폭에 대한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치에서 회전축의 중심과 구동축의 중심 사이의 거리와 회전축의 중심과 출력축의 중심 사이의 거리의 차이가 50㎛일때에 시간에 따른 진폭에 대한 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 공작기계의 주축 구동장치의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/ 또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타내고, 도 3은 하우징부가 제거된 상태의 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타내며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치에서 제1, 2, 3, 4, 6 기어가 설치된 상태의 사시도를 나타낸다. 도 5는 도 4의 정면도를 나타내고, 도 6은 도 4의 측단면도를 나타낸다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치에서 구동축, 회전축, 및 출력축과 제1, 2, 3, 4, 6 기어가 설치된 상태의 개념도를 나타내고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 단면도를 나타낸다. 도 9는 도 3에서 하우징부가 제거된 상태에서 주축이 저속 모드일 때에 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타내고, 도 10은 도 3에서 하우징부가 제거된 상태에서 주축이 고속 모드일 때에 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타내며, 도 11은 도 3에서 하우징부가 제거된 상태에서 주축이 C축 모드일 때에 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치의 사시도를 나타낸다. 도 12는 회전축의 중심과 구동축의 중심 사이의 거리와 회전축의 중심과 출력축의 중심 사이의 거리의 차이가 0일때에 시간에 따른 진폭에 대한 그래프이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치에서 회전축의 중심과 구동축의 중심 사이의 거리와 회전축의 중심과 출력축의 중심 사이의 거리의 차이가 50㎛일때에 시간에 따른 진폭에 대한 그래프이다.

이하에서 사용하는 용어의 정의는 다음과 같다. "수평방향"이란 동일부재에서 가로방향을 의미하고, "수직방향"이란 수평방향에 대해 직교하면서 동일부재에서 세로방향을 의미하며, "높이방향"이란 수평방향과 수직방향에 대해 직교하면서 동일부재에서 높이방향을 의미한다.

도 2 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치(1)를 설명한다. 도 2 내지 도 11에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치(1)는 입력부(100), 전달부(200), 출력부(300), 및 하우징부(400)를 포함한다.

입력부(100)는 주축을 구동하기 위한 동력을 전달한다. 도면에 도시되지는 않았지만, 공작기계의 한쪽에 컬럼이나 새들이 설치되고, 이러한 컬럼이나 새들 또는 스핀들 헤드가 설치되며 스핀들 헤드에 주축이 설치될 수 있다. 본 발명에서 주축은 공작물을 파지하여 회전하는 축을 의미한다. 즉, 입력부(100)는 구동부(110)의 구동력에 의해 회전하는 구동축(120)을 구비하고, 주축을 구동하기 위해 구동부(110)의 동력을 회전축(220)에 전달한다.

도 2 내지 도 11에 도시된 것처럼, 입력부(100)는 구동부(110), 구동축(120), 제1 기어(130), 및 제2 기어(140)를 포함한다.

구동부(110)는 주축을 구동하는 동력을 생산한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 이러한 구동부(110)는 입력부의 일측에 설치되고, 구동부(110)는 서보모터나 모터로 형성되고, PLC나 수치제어부의 지령에 의해 작동한다.

또한, 수치제어부는 NC(numerical control, NC) 또는 CNC(computerized numerical control)를 포함하고, 각종 수치 제어 프로그램이 내장되어 있다. 즉 수치제어부에는 구동부인 서보 모터의 구동프로그램, 공구의 가동프로그램 등이 내장되고, 수치제어부의 구동에 따라 해당 프로그램이 자동으로 로딩되어 작동한다. 또한, 수치제어부는 주조작부, PLC와 소정의 프로토콜에 의해 통신을 수행한다.

또한, 주조작부는 화면표시 프로그램과 화면표시 선택에 따른 데이터 입력 프로그램을 포함하고, 화면표시 프로그램의 출력에 따라 표시화면에 소프트웨어 스위치를 디스플레이하고, 소프트웨어 스위치의 온(ON)/오프(OFF)를 인식하여 기계 동작의 입출력 명령을 내리는 기능을 수행한다.

또한, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 주조작부는 공작기계의 하우징, 케이스, 또는 일측에 설치되어 다양한 기능스위치 또는 버튼과 각종 정보를 표시할 수 있는 모니터를 구비한다.

PLC(Programmable Logic Controller)는 수치제어부 또는 주조작부와의 소정의 프로토콜에 의한 통신을 수행하고, 이러한 통신을 통해 제어명령을 행하는 기능을 수행한다. 즉, PLC는 수치제어부 또는 주조작부의 수치 제어 프로그램에 따른 제어 명령을 받아 작동한다.

구동축(120)은 구동부(110)의 일측에 회전 가능하게 설치되어 구동부(110)의 구동력에 의해 회전한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 이러한 구동축(120)은 구동부(110), 즉 서보모터의 회전축에 삽입되어 일체로 형성될 수 있다.

제1 기어(130)는 구동축(120)에 설치된다. 제1 기어(130)는 제2 기어(140)와 제1 체결부재(131)로 결합 설치된다. 즉, 제1 기어(130)는 볼트, 리벳과 같은 제1 체결부재(131)로 제2 기어(140)에 결합 설치됨에 따라 제2 기어(140)의 회전에 의해 제1 기어(130)도 동시에 일체로 회전하게 된다.

제2 기어(140)는 제1 기어(130)와 구동부(110)의 수평방향을 따라 이격하도록 구동축(120)에 설치된다. 제2 기어(140)는 구동축(120)에 제1 고정부재(141)로 결합 설치된다. 즉, 제2 기어(140)는 구동축(120)에 형성된 홈과 키와 같은 제1 고정부재(141)에 의해 구동축(120)에 결합 설치된다. 이에 따라 제2 기어(140)는 구동축(120)이 회전하면 제2 기어(140)가 동시에 일체로 회전하게 된다.

출력부(300)는 입력부(100)와 평행하게 배치된다. 또한, 출력부(300)는 입력부(100)의 동력을 후술하는 전달부(200)를 통해 전달받아 이러한 동력으로 주축을 구동한다. 즉, 출력부(300)는 입력부(100)의 구동축(120)과 평행하면서 회전 가능하게 설치되는 출력축(310)을 구비하고, 구동축(120)에서 회전축(220)으로 회전축(220)에서 출력축(310)으로 전달된 입력부의 동력으로 주축을 구동한다.

도 2 내지 도 11에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치(1)의 출력부(300)는 출력축(310), 제6 기어(320), 및 제7 기어(330)을 포함한다.

출력축(310)은 구동축(120)과 평행하면서 회전 가능하게 설치된다.

제6 기어(320)는 출력축(310)에 설치된다. 제6 기어(320) 출력축(310)에 제3 고정부재(321)로 결합 설치된다. 즉, 제6 기어(320)는 출력축(310)에 형성된 홈과 키와 같은 제3 고정부재(321)에 의해 출력축(310)에 결합 설치된다. 이에 따라 제6 기어(320)는 출력축(310)이 회전하거나, 제7 기어(330)가 회전하면 제6 기어(320)도 동시에 일체로 회전하게 된다.

제7 기어(330)는 제6 기어(320)와 출력축(310)의 수평방향을 따라 이격하도록 출력축(310)에 설치된다. 제7 기어(330) 출력축(310)에 제4 고정부재(331)로 결합 설치된다. 즉, 제7 기어(330)는 출력축(310)에 형성된 홈과 키와 같은 제4 고정부재(331)에 의해 출력축(310)에 결합 설치된다. 이에 따라 제7 기어(330)는 출력축(310)이 회전하거나, 제6 기어(320)가 회전하면 제7 기어(330)도 동시에 일체로 회전하게 된다.

전달부(200)는 입력부(100)와 출력부(300) 사이에 직선 왕복이동 가능하면서 입력부(100) 및 출력부(300)와 평행하게 배치된다. 구체적으로 전달부(200)는 입력부(100)의 구동축(120)과 출력부(300)의 출력축(310) 사이에서 수평방향으로 직선 왕복이동과 회전을 하면서 입력부(100)의 구동축(120)과 출력부(300)의 출력축(310) 모두에 평행하게 설치되는 회전축(220)을 구비하고, 구동축(120)을 통해 전달받은 동력을 회전축(220)과 회전축(220)에 설치되는 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)에 의해 출력축(310)에 전달한다.

도 2 내지 도 9에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치(1)의 전달부(200)는 이송부(210), 회전축(220), 제3 기어(230), 제4 기어(240), 및 제5 기어(250)를 포함한다.

이송부(210)는 주축의 고속 모드, 저속 모드, C축 모드에 따라 전달부(200)를 구동축(110)과 출력축(310) 사이에서 직선 왕복 이동시킨다.

이러한 이송부(210)는 전달부의 일측에 설치되고, 이송부(210)는 회전축(220)에 지지되는 제3 기어(230), 제4 기어(240), 제5 기어(250)를 구동축(110)과 출력축(310) 사이에서 직선 왕복 이동시키기 위한 실린더(211)와 실린더의 선단에 설치되어 회전축(220)의 일측과 결합하는 연결 브라켓(212)을 포함한다.

실린더(211)는 유압 또는 공압 실린더로 유압 또는 공압에 의해 피스톤이 직선 왕복 이동하고, 이러한 피스톤의 선단에 연결 브라켓(212)이 설치된다.

실린더(211)의 구동, 즉 이동부(210)는 PLC나 수치제어부의 지령에 의해 작동한다.

회전축(220)은 구동축(110) 및 출력축(310)과 평행하도록 이송부(210)의 일측에 회전 가능하게 설치된다.

제3 기어(230)는 회전축(220)의 수평방향을 따라 제5 기어(250)의 기어치와 이격하도록 회전축(220)에 지지되는 제5 기어(250)에 설치된다. 제3 기어(230)는 회전축(220)에 지지되는 제5 기어(250)에 제2 고정부재(231)로 결합 설치된다. 즉, 제3 기어(230)는 제5 기어(250)에 형성된 홈과 키와 같은 제2 고정부재(231)에 의해 회전축(220)에 결합 설치된다. 이에 따라 제3 기어(230)는 회전축(220)과 제5 기어(250)가 회전하면 제3 기어(230)가 동시에 일체로 회전하게 된다.

제4 기어(240)는 제3 기어(230)와 마주하면서 평행하고 회전축(220)의 수평방향을 따라 이격하도록 회전축(220)에 지지되는 제3 기어(230)에 설치된다. 제4 기어(240)는 제3 기어(230)와 제2 체결부재(241)로 결합 설치된다. 즉, 제4 기어(240)는 볼트, 리벳과 같은 제2 체결부재(241)로 제3 기어(230)에 결합 설치됨에 따라 제3 기어(230)의 회전에 의해 제4 기어(240)도 동시에 일체로 회전하게 된다.

제5 기어(250)는 회전축(220)에 지지 설치된다. 이처럼, 회전축(220)에는 일측에서 타측으로 제5 기어(250)에 제3 기어(230), 제4 기어(240)가 조립되는 형태로 순차적으로 설치된다. 제5 기어(250)는 회전축(220)의 스플라인 구조에 의해 스플라인 결합 설치된다. 이에 따라, 회전축(220)의 회전이 발생하거나 제3 기어(230) 또는 제4 기어(240)이 회전이 발생하면 제5 기어(250)도 동시에 일체로 회전하게 된다.

이처럼, 입력부(100)와 전달부(200)와 출력부(300)는 모두 최소한의 소정의 공간에 모두 평행하게 배치됨에 따라 구조가 간단하고 주축 구동장치(1)의 소형화를 도모하고, 최종적으로 공작기계의 컴팩트화를 도모할 수 있다.

주축은 전달부(200)의 이송부(210)의 실린더(211)의 직선 왕복이동에 따라 고속 모드(회전 속도 제어), 저속 모드(회전 속도 제어), 또는 C축 모드(정밀 위치 제어)를 수행할 수 있다.

반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 저속 모드(도 9 참조)는 소재 외경 등을 강력 절삭할 경우 고토크 저속 회전이 필요한 경우이다. 고토크 저속 회전을 할 때에 기어 백래쉬는 기어의 원활한 회전을 위해 반드시 필요하게 된다. 즉, 저속 모드에서는 저속회전과 고토크를 위해 높은 기어비와 기어의 원활한 회전을 위한 백래쉬가 필요한 상태가 요구된다.

반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 고속 모드(도 10 참조)는 정삭이나 절삭 조건에 따라 저토크에 고속 회전이 필요한 경우이다. 저토크 고속 회전을 할 때에도 기어 백래쉬는 기어의 원활한 회전을 위해 반드시 필요하게 된다. 즉, 고속 모드에서는 고속회전과 저토크를 위해 낮은 기어비와 기어의 원활한 회전을 위한 백래쉬가 필요한 상태가 요구된다.

반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, C축 모드(도 11 참조)는 공구대를 이용한 밀링, 드릴링, 탭핑, 윤곽 가공 등의 가공을 위해 주축의 정확한 위치 제어를 필요로 하는 경우로 매우 저속으로 윤곽 가공과 같은 정회전 또는 역회전이 포함된 5축 가공을 수행하는 경우에는 C축 분할 정밀도가 매우 중요하고, 이러한 경우가 C축 모드로 정의된다. 즉, C축 모드는 정밀한 위치 제어를 위해 백래쉬는 최소가 되고, 회전 속도는 매우 낮은 상태가 요구된다.

입력부(100)와 전달부(200) 및 전달부(200)와 출력부(300)는 제1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 기어(130, 140, 230, 240, 250, 320, 330)의 각각의 상황에 따른 기어치합을 통해 구동부(110)의 구동과 함께 동시에 회전 구동한다.

즉, 주축의 고속 모드, 저속 모드, 또는 C축 모드에 따라 전달부(200)의 직선 왕복이동 거리가 변경되고, 전달부(200)의 직선 왕복이동 거리 변경에 의해 전달부(200)와 입력부(100)의 제1, 2, 3, 4, 5 기어(130, 140, 230, 240, 250)의 기어치합 및 전달부(200)와 출력부(300)의 제3, 4, 5, 6, 7 기어(230, 240, 250, 320, 330))의 기어치합 배열이 변경된다.

반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 상술한 제1 기어, 제2 기어, 제3 기어, 제4 기어, 제5 기어, 제6 기어, 및 제7 기어(130, 140, 230, 240, 250, 320, 330)은 스퍼 기어(spur gear)로 형성될 수 있다.

하우징부(400)는 입력부(100), 전달부(200), 및 출력부(300)를 가공칩이나 절삭유 기타 이물질로부터 보호하여 유지비용을 절감하고 내구성을 증대하며, 안정적인 운영을 위해 입력부(100), 출력부(300), 및 전달부(200)의 전부 또는 일부를 커버한다. 즉, 입력부(100), 출력부(300), 및 전달부(200)는 하우징부(400)의 내부에 설치될 수 있다. 하우징부(400)는 주축 구동장치의 외형을 형성한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 하우징부(400)는 대략 공동부를 구비한 육면체 형상으로 형성될 수 있다.

도 4 내지 도 8을 참조하여 주축의 저속 모드, 고속 모드, C축 모드를 원활하게 구현하면서 소음과 진동을 최소화하기 위한 제1, 2, 3, 4, 5, 6 기어(130, 140, 230, 240, 250, 320)의 배열상태를 설명한다.

제3 기어(230)와 제4 기어(240)는 제6 기어(320)를 고정한 상태에서 제6 기어(320)에 대해 서로 반대방향으로 비틀어지도록 설치된다.

제1 기어(130)는 회전축(220)을 고정한 상태에서 제3 기어(230)의 비틀린 방향과 반대방향으로 비틀리도록 설치되고, 제2 기어(140)는 회전축(220)을 고정한 상태에서 제4 기어(240)의 비틀린 방향과 반대방향으로 비틀리도록 설치된다.

도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 고정부재(141)로 고정된 제2 기어(140), 제2 고정부재(231)로 고정된 제3 기어(230), 제3 고정부재(321)로 고정된 제6 기어(320)는 고정된 상태에서 제1 체결부재(131)로 체결 결합된 제1 기어(130) 만을 고정된 기어들(제2 기어, 제3 기어, 제6 기어) 대비 엇각으로 흔들어 상대 기어에 치면 반대 방향에 위치시켜 백래쉬를 감소하게 된다.

즉, 구동축(120)의 제1 고정부재(141)로 고정된 제2 기어(140)와 출력축(310)의 제3 고정부재(321)로 고정된 제6 기어(320)를 두고 회전축(220)의 제3 기어(230)가 각각 제1 기어(130)와 제6 기어(320)이 한쪽 치면에 접촉되게, 제4 기어(240)를 조정하여 제3 기어(230)와 반대 치면 방향으로 치면을 접촉하게 된다. 또한, 제1 기어(130)도 제2 기어(140)와 반대 치면 방향으로 제3 기어(230)에 치면을 붙이게 된다. 이를 통해 출력축(310)의 제6 기어(320)와 구동축(120)의 제1 기어(130)와 제2 기어(140)에 대해 회전축(220)의 제3 기어(230)와 제4 기어(240)는 제6 기어(320)의 한쪽 측면에 각각 접촉하고, 제1 기어(130)에는 제3 기어(230)가 제2 기어(140)에는 제4 기어(240)가 접촉하여 분할기어 구조를 구현하게 된다. 최종적으로, 백래쉬를 최소화하면서 초저속 동작을 수행할 수 있다.

구체적으로 다시 설명하면, 도 7에 도시된 것처럼, 출력축(310)의 제3 고정부재(321)로 고정된 제6 기어(320)를 고정한 상태에서 회전축(220)의 제3 기어(230)가 제6 기어(320)의 한쪽 치면(T2)에 접촉되게 설치한 상태에서, 제4 기어(240)를 조정하여 제3 기어(230)와 반대 치면 방향으로 제6 기어(320)의 다른쪽 치면(T1)을 접촉하게 제6 기어(320)와 제3, 4 기어(230, 240)를 설치한다.

이때에 제6 기어(320)의 양치면(T1, T2)과 제3 기어가 비틀려 접촉한 치면(T4)과 제4 기어가 비틀려 접촉한 치면(T3)이 이루는 각도(θ)가 정해진다.

이후, 회전축(220)을 고정한 상태에서 제4 기어(240)에 대해 제2 기어(140)가 제4 기어(240)의 반대 치면 방향으로 접촉하도록 제2 기어(140)를 설치한 상태에서, 제3 기어(230)에 대해 제1 기어(130)가 제2 기어(140)와 반대 치면을 향하면서 제3 기어(230)의 반대 치면 방향으로 접촉하도록 제1 기어(130)를 조정하여 설치한다.

이때에 제1 기어(130)이 치면이 제3 기어의 치면에 비틀려 접촉한 치면(T6)과 제2 기어(140)의 치면이 제4 기어(240)의 치면에 비틀려 접촉한 치면(T5)이 이루는 각도(α)가 정해진다.

이처럼, 제6 기어(320), 제3, 4 기어(230, 240), 및 제1, 2 기어(130, 140)가 모두 비틀어진 상태(split)로 배치와 설치가 완료되면 5개의 기어가 모두 원주백래시 양쪽 방향으로 모두 접촉이 되어 C축 모드 구현을 원활하게 수행할 수 있다. 즉, C축 모드 구현시에 원주방향 백래쉬를 최소화하여 출력축의 정밀도를 증가시켜 가공정밀도를 향상하고, 진동이나 소음을 저감하며, 장치의 수명을 증대시시킬 수 있다.

그러나, 주축의 저속 모드나 고속 모드를 구현하기 위해서는 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)가 제1, 2 기어(130, 140)를 지나가야 하고, 장비의 작동중에 회전축과 구동축의 평행도 오차와 어긋남 오차의 발생으로 인해 기어 끼임, 마모, 소음이나 진동 발생을 방지하기 위해 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)와 제1, 2 기어(130, 140)가 각각의 치면을 접촉하지 않고, 회전축(220)이 이송부(210)에 의해 직선 왕복이동하여 저속모드와 고속모드를 구현할 수 있도록 입력부(100), 전달부(200), 및 출력부(300)는 회전축의 중심(B)과 구동축의 중심(C) 사이의 거리(L2)가 회전축의 중심(B)과 출력축의 중심(A) 사이의 거리(L1)보다 크게 형성되도록 설치한다.(L2>L1)

즉, 도 7에 도시된 것처럼, 회전축의 중심(B)과 구동축의 중심(C) 사이의 거리(L2)에서 회전축의 중심(B)과 출력축의 중심(A) 사이의 거리(L1)를 뺀 값(공차역, D)은 0보다 커게 설계되어야 한다.(L2-L1=D >0)

만약, 회전축의 중심(B)과 구동축의 중심(C) 사이의 거리(L2) 및 회전축의 중심(B)과 출력축의 중심(A) 사이의 거리(L1)의 목표 공차가 모두 0인 경우에는 가장 이상적인 상태이나 대량 생산시 가공상으로는 정규 분포 산포상 불가능에 가까운 목표공차가 되므로 공차역으로 지정이 필요하게 된다. 공차역이 너무 커버리면 접촉율 감소, 백래쉬 과다에 따른 충격음 동반, 충격에 따른 진동 발생 등 문제를 유발하게 된다.

바람직하게는, 회전축의 중심(B)과 구동축의 중심(C) 사이의 거리(L2)는 회전축의 중심(B)과 출력축의 중심(A) 사이의 거리(L1) 보다 10㎛ 이상 내지 50㎛이하가 크게 형성된다. 일예로 회전축의 중심(B)과 출력축의 중심(A) 사이의 거리(L1)가 0㎛ 이상 내지 10㎛으로 형성되면, 회전축의 중심(B)과 구동축의 중심(C) 사이의 거리(L2)는 20㎛ 이상 내지 60㎛으로 형성되어야 하는 것을 의미한다.

결국, 회전축의 중심(B)과 구동축의 중심(C) 사이의 거리(L2)는 회전축의 중심(B)과 출력축의 중심(A) 사이의 거리(L1) 보다 10㎛ 이상 내지 50㎛이하가 크게 형성됨에 따라 회전축(220)에 설치된 제 3, 4, 5 기어(230, 240, 250)가 제2 기어(140)를 타고 직선 왕복이동시에 원주방향 틈새가 있어 기어치면의 간섭이 없이 원활한 이동이 가능하게 되어 저속 모드, 고속 모드, C축 모드와 같은 3개 모드를 모두 구현할 수 있다.

회전축의 중심(B)과 구동축의 중심(C) 사이의 거리(L2)에서 회전축의 중심(B)과 출력축의 중심(A) 사이의 거리(L1)를 뺀 값(공차역, D)에 의한 틈새는 맞물림 기어 치면에 윤활유 분사시에 치면의 유막이 끈어지지 않도록 제로 백래쉬(Zero backlash)를 방지하는 역할도 수행한다.

C축 모드시에 제1, 3 기어(130, 230)와 제2, 4 기어(140, 240) 사이에 윤활유를 분사하면, 이들 기어의 회전에 의해 제6 기어(320)와 제3 기어(230) 사이 및 제6 기어(320)와 제4 기어(240) 사이에 윤활유가 공급되게 된다.

상술한 바와 같이 회전축의 중심(B)과 구동축의 중심(C) 사이의 거리(L2)는 회전축의 중심(B)과 출력축의 중심(A) 사이의 거리(L1) 보다크게 설치되면, 제3 기어와 제4 기어가 제6 기어에 대해 비틀려 접촉한 각도보다 제1 기어와 제2 기어가 제3 기어와 제4 기어에 비틀려 접촉한 각도가 더 크게 형성된다.

즉, 도 7에 도시된 것처럼, 제1 기어(130)이 치면이 제3 기어의 치면에 비틀려 접촉한 치면(T6)과 제2 기어(140)의 치면이 제4 기어(240)의 치면에 비틀려 접촉한 치면(T5)이 이루는 각도(α)가 제6 기어(320)의 양치면(T1, T2)과 제3 기어가 비틀려 접촉한 치면(T4)과 제4 기어가 비틀려 접촉한 치면(T3)이 이루는 각도(θ)보다 커지게 된다.(α>θ)

따라서, C축 모드뿐만 아니라 저속 모드나 고속 모드시에 회전축(220)에 설치된 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)가 제1, 2 기어(130, 140)를 타고 직선 왕복이동시에 원주방향 틈새가 있어 기어치면의 간섭이 없이 원활한 이동이 가능하게 되어 저속 모드, 고속 모드, C축 모드와 같은 3개 모드를 모두 수행함에 따라 제조비용을 절감하고, 공작기계의 안정성과 신뢰성을 향상하고, 회전축(220)이 직선 왕복이동할 때에 소음이나 진동을 최소화하고, 정확한 기어 변환을 구현하며, 마모를 감소하여 수명을 증대시킬 수 있다.

도 12에서 (a)는 D가 0이고 모터 저속, 최대출력/토크일 때를, (b)는 D가 0이고 모터 최고속, 최대출력/토크일 때를, (c)는 D가 0 미크론이고 모터 최고속, 무부하일 때에 시간(time(sec), 가로축)에 따른 진폭(amplitude(초), 세로축)에 대한 그래프이다.

도 13에서 (a)는 D가 50 미크론이고 모터 저속, 최대출력/토크일 때를, (b)는 D가 50 미크론이고 모터 최고속, 최대출력/토크일 때를, (c)는 D가 50 미크론이고 모터 최고속, 무부하일 때에 시간(time(sec), 가로축)에 따른 진폭(amplitude(초), 세로축)에 대한 그래프이다.

도 12 내지 도 13에서 실선은 구동축에 대한 스핀들 반응상태(spindle response)이고, 일점쇄선은 회전축에 대한 스핀들 반응상태(spindle response)이며, 점선은 출력축에 대한 최종 진폭을 의미하고, 이 값이 작고 일정한 반복 파형을 나타낼 수 록 진동이나 소음에 효과적이다.

또한, 도 12는 D가 0 미크론인 아주 이상적인 상태에서 시간에 따른 진폭의 그래프로 기준을 제공하는 것으로 도 12와 유사도가 높을수록 소음이나 진동에 효과적이라 할 수 있다.

결국, 도 13에 도시된 것처럼, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치에서 회전축의 중심(B)과 구동축의 중심(C) 사이의 거리(L2)는 회전축의 중심(B)과 출력축의 중심(A) 사이의 거리(L1) 보다 10㎛ 이상 내지 50㎛이하가 크게 형성되어도 도 12의 파형과 거의 유사하게 나타남에 따라 진동이나 소음을 최소화하면서 C축 모드뿐만 아니라, 고속 모드와 저속 모드도 모두 구현할 수 있어 제조비용을 절감하고, 장치의 소형화를 도모하며, 신뢰성과 안정성을 확보하고, 생산성을 극대화할 수 있다.

도 8 내지 도 11에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치(1)의 입력부(100)는 구동축(120)을 지지하기 위해 구동부에 인접하도록 구동축(120)의 일단에 설치되는 구동축 베어링(150)을 더 포함한다. 구동축 베어링(150)은 구동축을 전체를 지지하는 핵심 역할을 수행한다.

또한, 구동축 하우징(121)은 구동축 베어링(150)과 수평방향으로 마주하도록 구동축(120)의 타단에 설치된다.

제1 지지 베어링(160)은 구동축(120)을 지지하기 위해 구동축 하우징(121)의 내부에 설치된다. 이처럼, 제1 지지 베어링(160)은 하우징부(400)의 내부에서 입력부, 전달부, 출력부의 작동에 의한 온도 상승에 따라 변형을 방지하고, 구동축과 회전축을 지지하기 위해 자유 베어링으로 형성되기 위해 구동축 하우징의 내부에 설치된다. 이에 따라, 구동축에서 센터링 런아웃(centering runout) 작업을 통해 제1 지지 베어링(160)의 동심도를 구동축 베어링(150) 대비 정교하게 조립이 가능해지고, 이를 통해 계산된 예압치만큼의 정밀 조립이 용이하게 된다.

또한, 이러한 구동축 베어링과 제1 지지 베어링에 의해 구동축을 안정적으로 지지하여 구동축의 회전시에 진동이나 마모, 열 발생을 최소화여 가공정밀도를 향상하고, 유지보수 비용을 절감하며, 공작기계의 내구성과 신뢰성을 증대시킬 수 있다.

도 8 내지 도 11에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계의 주축 구동장치(1)의 전달부(200)는 회전축(220)을 지지하기 위해 회전축의 타단에 설치되는 제2 지지 베어링(270)과 회전축(220)을 지지하기 위해 회전축 하우징(221)의 내부에 설치되는 회전축 베어링(260)을 더 포함한다.

회전축 하우징(221)은 제2 지지 베어링(270)과 마주하면서 이송부(210)에 인접하도록 회전축(220)의 일단에 설치된다.

즉, 회전축 베어링(260)은 회전축 하우징(221)의 내부에 설치된다. 이에 따라, 회전축에서 센터링 런아웃(centering runout) 작업을 통해 회전축 베어링(260)의 동심도를 제2 지지 베어링(270) 대비 정교하게 조립이 가능한다. 따라서, 제2 지지 베어링의 동심도 불량에 따른 예압 과다를 방지하여 회전축 베어링과 제2 지지 베어링의 수명을 증대시키고, 회전축이 틀어지는 것을 방지하여 회전축과 구동축 및 회전축과 출력축의 평행도를 유지할 수 있다.

이러한 제2 지지 베어링과 회전축 베어링에 의해 회전축을 안정적으로 지지하여 입력부의 동력을 안전하게 출력부에 전달할 수 있고, 회전축의 회전시에 진동이나 마모, 열 발생을 최소화하여 가공정밀도를 향상하고, 유지보수 비용을 절감하며, 공작기계의 내구성과 신뢰성을 증대시킬 수 있다.

도 9를 참조하여 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치(1)에서 주축이 저속 모드인 경우 작동원리를 설명한다. 주축이 저속 모드인 경우에는 PLC 또는 수치제어부의 지령에 의해 이송부(210)의 실린더(211)가 수평이동하여 회전축(220)에 결합된 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)가 도 9와 같은 위치로 이동하게 된다. 상술한 바와 같이 주축이 저속 모드인 경우에는 고토크 저속 회전이 필요하다. 고토크 저속 회전을 할 때에 기어 백래쉬는 기어의 원활한 회전을 위해 반드시 필요하게 된다. 즉, 저속 모드에서는 저속회전과 고토크를 위해 높은 기어비와 기어의 원활한 회전을 위한 백래쉬가 필요한 상태가 요구된다.

이처럼, 주축이 저속 모드인 경우에는 제2 기어(140)가 제3 기어(230)와 외접하면서 기어물림 되고, 제5 기어(250)가 제7 기어(330)와 외접하면서 기어물림 되도록, 구동축(120)과 출력축(310) 사이에 회전축(220)에 결합된 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)가 위치하도록 이송부(210)의 실린더(211)가 작동한다.

입력부의 구동부(110)에 의해 구동축(120)으로 회전 동력이 전달되면, 제1 고정부재(141)에 의해 체결 결합된 제2 기어(140)를 통해 동력이 전달부(200)의 회전축(220)에 스플라인 결합된 제5 기어(250)가 회전한다. 이러한 스플라인 결합에 의해 고토크에 따른 기어슬립 현상을 예방할 수 있다.

이후 제5 기어(250)의 회전에 의해 회전축(220)이 회전하고, 이와 동시에 제4 고정부재(331)에 의해 출력축(310)에 결합된 제7 기어(330)로 회전 동력이 전달되어 제7 기어(330)가 회전한다. 이때에 기어비만큼 토크가 커지게 된다.

또한, 제2 기어와 제3 기어, 제5 기어와 제7 기어가 각각 외접하면서 치합됨에 따라 정상적인 백래쉬를 가지게 되고, 백래쉬 부족에 의한 회전시 끼임 등이 발생하지 않게 된다. 제7 기어(330)와 제4 고정부재(331)로 체결 결합된 출력축(310)이 회전하게 된다.

도 10을 참조하여 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치(1)에서 주축이 고속 모드인 경우 작동원리를 설명한다. 주축이 고속 모드인 경우에는 PLC 또는 수치제어부의 지령에 의해 이송부(210)의 실린더(211)가 수평이동하여 회전축(220)에 결합된 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)가 도 10과 같은 위치로 이동하게 된다.

상술한 바와 같이 고속 모드인 경우에는 저토크에 고속 회전이 필요하다. 저토크 고속 회전을 할 때에도 기어 백래쉬는 기어의 원활한 회전을 위해 반드시 필요하게 된다. 즉, 고속 모드에서는 고속회전과 저토크를 위해 낮은 기어비와 기어의 원활한 회전을 위한 백래쉬가 필요한 상태가 요구된다.

이처럼, 주축이 고속 모드인 경우에는 제2 기어(140)가 제4 기어(240)와 외접하면서 기어물림 되고, 제3 기어(230)가 제6 기어(320)와 외접하면서 기어물림 되도록, 구동축(120)과 출력축(310) 사이에 회전축(220)에 결합된 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)가 위치하도록 이송부(210)의 실린더(211)가 작동한다.

입력부의 구동부(110)에 의해 구동축(120)으로 회전 동력이 전달되면, 제1 고정부재(141)에 의해 구동축(120)에 체결 결합된 제2 기어(140)를 통해 회전동력이 전달부(200)의 제3 기어(230)에 제2 체결부재(241)에 의해 체결 결합된 제4 기어(240)로 전달된다. 제4 기어(240)는 제2 체결부재(241)에 의해 제3 기어(230)와 결합되어 회전력이 제3 기어(230)로 전달된다.

이후 제4 기어(240)의 회전에 의해 회전축(220)이 회전하고, 이와 동시에 제3 기어(230)와 출력축(310)에 제3 고정부재(321)에 의해 결합된 제6 기어(320)로 회전 동력이 전달되어 제6 기어(320)가 회전한다. 이때에 기어비만큼 토크가 낮아지고 회전수는 빨라지게 된다.

또한, 제2 기어와 제4 기어, 제3 기어와 제6 기어가 각각 외접하면서 치합됨에 따라 정상적인 백래쉬를 가지게 되고, 백래쉬 부족에 의한 회전시 끼임 등이 발생하지 않게 된다. 제6 기어(320)와 제3 고정부재(321)로 체결 결합된 출력축(310)이 회전하게 된다.

도 8 및 도 11을 참조하여 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치(1)에서 주축이 C축 모드인 경우 작동원리를 설명한다. 주축이 C축 모드인 경우에는 PLC 또는 수치제어부의 지령에 의해 이송부(210)의 실린더(211)가 수평이동하여 회전축(220)에 결합된 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)가 도 8 및 도 11과 같은 위치로 이동하게 된다.

상술한 바와 같이 C축 모드는 공구대를 이용한 밀링, 드릴링, 탭핑, 윤곽 가공 등의 가공을 위해 주축의 정확한 위치 제어와 매우 저속 운전이 요구된다. 즉, 정회전 또는 역회전이 포함된 5축 가공을 수행하는 경우에는 C축 분할 정밀도가 매우 중요하고 이때에 회전속도는 매우 저속이 된다. 이러한 요구는 C축 모드로 구현된다. C축 모드는 정밀한 위치 제어를 위해 백래쉬는 최소가 되고, 회전 속도는 매우 낮은 상태가 요구된다.

주축이 C축 모드인 경우에는 제2 기어(140)가 제4 기어(240)의 치면 일부와 외접하면서 기어물림 되고, 제1 기어(130)가 제3 기어(230)의 치면 일부와 외접하면서 기어물림 되며, 제3 기어(230)이 치면 일부가 제6 기어(320)의 치면 일측과 외접하면서 기어물림 되고, 제4 기어(240)의 치면 일부가 제6 기어(320)의 치면 타측과 외접하면서 기어물림 되도록, 구동축(120)과 출력축(310) 사이에 회전축(220)에 결합된 제3, 4, 5 기어(230, 240, 250)가 위치하도록 이송부(210)의 실린더(211)가 작동한다.

입력부의 구동부(110)에 의해 구동축(120)으로 회전 동력이 전달되면, 제1 고정부재(141)에 의해 구동축(120)에 체결 결합된 제2 기어(140)와 제2 기어(140)와 제1 체결부재(131)에 의해 체결된 제1 기어(130)가 동시에 회전하게 된다.

이후, 제2 기어(140)가 제4 기어(240)의 치면 일부와 외접하면서 기어물림 되고, 제1 기어(130)가 제3 기어(230)의 치면 일부와 외접하면서 기어물림 되고, 제3 기어(230)이 치면 일부가 제6 기어(320)의 치면 일측과 외접하면서 기어물림 되고, 제4 기어(240)의 치면 일부가 제6 기어(320)의 치면 타측과 외접하면서 기어물림 되어, 제6 기어(320)가 회전하고, 최종적으로 제3 고정부재(321)에 의해 출력축(310)과 체결된 제6 기어(320)의 회전에 의해 매우 저속으로 회전하게 된다.

따라서, 본 발명에 의한 공작기계의 주축 구동장치는 각 모드에 따라 필요한 경우 백래쉬를 유지하거나 백래쉬를 제거하면서 3가지 모드의 작업을 수행함에 따라 백래쉬 재조정 시간 감소에 의해 생산성을 향상시키고, 백래쉬에 의한 발열에 의한 열변형 발생을 방지하여 가공정밀도를 증대시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

1 : 주축 구동장치,
100 : 입력부, 110 : 구동부,
120 : 구동축, 121 : 구동축 하우징
130 : 제1 기어, 131 : 제1 체결부재,
140 : 제2 기어, 141 : 제1 고정부재,
150 : 구동축 베어링, 160 : 제1 지지 베어링,
200 : 전달부, 210 : 이송부,
211 : 실린더, 212 : 연결브라켓,
220 : 회전축, 221 : 회전축 하우징,
230 : 제3 기어, 231 : 제2 고정부재,
240 : 제4 기어, 241 : 제2 체결부재,
250 : 제5 기어, 260 : 회전축 베어링,
270 : 제2 지지 베어링,
300 : 출력부, 310 : 출력축,
320 : 제6 기어, 321 : 제3 고정부재,
330 : 제7 기어, 331 : 제4 고정부재,
400 : 하우징부.

Claims (15)

1. 구동부의 구동력에 의해 회전하는 구동축을 구비하고, 주축을 구동하는 동력을 전달하는 입력부;
   상기 입력부의 구동축과 평행하면서 회전 가능하게 설치되는 출력축을 구비하고, 상기 입력부의 동력으로 상기 주축을 구동하는 출력부; 및
   상기 입력부와 상기 출력부 사이에서 직선 왕복이동 및 회전하면서 상기 입력부 및 상기 출력부와 평행하게 설치되는 회전축을 구비하고, 상기 입력부의 동력을 상기 출력부에 전달하는 전달부;를 포함하고,
   상기 입력부, 상기 전달부, 및 상기 출력부는 상기 회전축의 중심과 상기 구동축의 중심 사이의 거리가 상기 회전축의 중심과 상기 출력축의 중심 사이의 거리보다 크게 형성되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 입력부는,
   상기 구동축에 설치되는 제1 기어; 및
   상기 제1 기어와 상기 구동축의 수평방향을 따라 이격하도록 상기 구동축에 설치되는 제2 기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 출력부는,
   상기 출력축에 설치되는 제6 기어; 및
   상기 제6 기어와 상기 출력축의 수평방향을 따라 이격하도록 상기 출력축에 설치되는 제7 기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 전달부는,
   상기 회전축에 설치되는 제5 기어;
   상기 회전축의 수평방향을 따라 이격하도록 상기 제5 기어에 설치되는 제3 기어; 및
   상기 제3 기어와 마주하면서 평행하고 상기 회전축의 수평방향을 따라 이격하도록 상기 제3 기어에 설치되는 제4 기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제3 기어와 상기 제4 기어는 상기 제6 기어를 고정한 상태에서 상기 제6 기어에 대해 서로 반대방향으로 비틀어지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 기어는 상기 회전축을 고정한 상태에서 상기 제3 기어의 비틀린 방향과 반대방향으로 비틀리도록 설치되고,
   상기 제2 기어는 상기 회전축을 고정한 상태에서 상기 제4 기어의 비틀린 방향과 반대방향으로 비틀리도록 설치되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제3 기어와 상기 제4 기어가 상기 제6 기어에 대해 비틀려 접촉한 각도보다 상기 제1 기어와 상기 제2 기어가 상기 제3 기어와 상기 제4 기어에 비틀려 접촉한 각도가 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 회전축의 중심과 상기 구동축의 중심 사이의 거리는 상기 회전축의 중심과 상기 출력축의 중심 사이의 거리 보다 10㎛ 이상 내지 50㎛이하가 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
   
9. 제2항에 있어서,
   상기 입력부는,
   상기 구동축을 지지하기 위해 상기 구동부에 인접도록 상기 구동축의 일단에 설치되는 구동축 베어링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 구동축은,
    상기 구동축 베어링과 마주하도록 상기 구동축의 타단에 설치되는 구동축 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 입력부는,
    상기 구동축을 지지하기 위해 상기 구동축 하우징의 내부에 설치되는 제1 지지 베어링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
    
12. 제4항에 있어서,
    상기 전달부는,
    상기 회전축을 지지하기 위해 상기 회전축의 타단에 설치되는 제2 지지 베어링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 회전축은 상기 제2 지지 베어링과 마주하도록 상기 회전축의 일단에 설치되는 회전축 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주추 구동장치.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 전달부는,
    상기 회전축을 지지하기 위해 상기 회전축 하우징의 내부에 설치되는 회전축 베어링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 구동장치.
    
15. 제1항에 있어서,
    상기 입력부는,
    상기 출력부 및 상기 전달부의 전부 또는 일부를 커버하는 하우징부;를 더 포함하는 것을 특징으로 공작기계의 주축 구동장치.
    
    

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