KR20210151270A

KR20210151270A - 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템

Info

Publication number: KR20210151270A
Application number: KR1020200067531A
Authority: KR
Inventors: 징-산 장
Original assignee: 산제트 인터내셔널 컴퍼니, 리미티드
Priority date: 2020-06-04
Filing date: 2020-06-04
Publication date: 2021-12-14
Also published as: KR102349833B1

Abstract

머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템은, 캠 박스, 구동 어셈블리, 각도 감지 모듈 및 프로그램 가능한 논리 제어장치를 포함한다. 그 중, 각도 감지 모듈은 자석 및 자기 각도 센서를 포함하고, 자석은 구동 어셈블리의 캠축의 일단면에 설치되어 캠축과 함께 회전하고, 자기 각도 센서는 캠 박스에 고정되고, 비접촉 방식으로 자석의 자력선의 회전각도를 감지하여 대응하는 신호를 생성하고, 프로그램 가능한 논리 제어장치는 자기 각도 센서에 의해 생성된 신호를 수신하고, 신호에 따라 머시닝 센터의 기계 및 전기 시스템의 공구 교환을 수행한다. 본 발명의 목적은 자기 감지 수단으로 캠축의 회전각도를 검출하는 것이고, 자동 공구 교환 시스템의 부피를 차지하지 않는다.

Description

머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템{AUTOMATIC TOOL CHANGING MECHANISM FOR MACHINING CENTER}

본 발명은 머시닝 센터에 관한 것으로, 특히 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템에 관한 것이다.

머시닝 센터는 주로 고정밀 금속 부품의 가공에 사용되고, 그 구성은 스핀들 박스, 자동 공구 교환 시스템 및 공구 매거진을 포함한다. 그 중, 자동 공구 교환 시스템은 스핀들 박스와 공구 매거진 사이에 설치되어, 스핀들 박스의 스핀들(spindle)의 일단의 공구와 공구 매거진의 공구 중 하나를 교환하는 작업을 진행한다. 종래의 자동 공구 교환 시스템은 모터를 통해 캠축과 캠을 동기 회전시키고, 회전하는 캠은 출력축을 회전시키고, 캠은 동시에 로커암을 통해 상기 출력축을 연동시켜 수직방향으로 이동시키고, 이에 따라 공구 교환 암을 구동시켜 회전하여 공구를 파지하고, 공구가 언클램핑되면 하강하며, 회전하여 공구를 교환하고, 상승하여 공구를 클램핑(clamping)하고, 회전하여 복귀하는 등 공구 교환 절차를 실현하도록 한다.

상술한 공구 교환 작업에서, 모터의 가동 및 정지, 공구에 대한 스핀들의 언클램핑 또는 클램핑 동작은 모두 캠축의 회전 타이밍과 밀접한 관련이 있다. 종래의 타이밍 생성 방법은 자동 공구 교환 시스템의 캠 박스의 일측에 상기 캠축과 동기 회전할 수 있는 신호 캠을 설치하고, 다수의 근접 스위치가 상기 신호 캠의 회전 정보를 검출하여 상기 캠축에 대응하는 회전각도 신호로 변환하고, 상술한 회전 각도 신호를 프로그램 가능한 논리 제어장치(Programmable Logic Controller, PLC)에 의해 수신하여 모터의 가동 또는 정지, 공구에 대한 스핀들의 언클램핑 또는 클램핑 동작을 제어하기 위한 근거로 사용하는 것이다. 그러나, 상술한 신호 캠과 근접 스위치 및 관련 부품을 설치하기 위해, 캠 박스는 반드시 큰 공간을 추가로 설치하여 상술한 부품들을 수용하도록 해야 하는데, 이는 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 자동 공구 교환 시스템의 부피를 증가시킨다.

이를 감안하여, 본 발명의 목적은 캠축의 회전 각도를 검출하는 구조를 수용하기 위한 공간을 캠 박스에 추가로 설치할 필요가 없는 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 캠 박스, 출력축, 구동 어셈블리, 각도 감지 모듈 및 프로그램 가능한 논리 제어장치를 포함하는 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템을 제공한다. 출력축은 회전 및 수직 방향으로 이동 가능한 방식으로 캠 박스에 관통 설치되고, 출력축의 일단은 상기 캠 박스의 외부에 위치하고 공구 교환 암이 연결되고, 구동 어셈블리는 캠축 및 연동 기구를 포함하고, 상기 캠축은 상기 캠 박스에 원 위치에서 회전 가능하게 관통 설치되고, 회전하는 캠축은 상기 연동 기구를 통해 상기 출력축을 회전 및 수직방향으로 이동시키고, 각도 감지 모듈은 자석 및 자기 각도 센서를 포함하고, 상기 자석은 상기 캠축의 일단면에 설치되어 상기 캠축의 회전에 따라 회전하고, 자기 각도 센서는 캠 박스에 고정되고, 비접촉 방식으로 자석의 자력선의 회전 각도를 감지하여 대응하는 신호를 생성하고, 프로그램 가능한 논리 제어장치는 상기 자기 각도 센서에 의해 생성된 신호를 수신하고, 수신된 신호에 따라 상기 머시닝 센터의 기계 및 전기 시스템이 공구 교환을 수행하도록 제어한다.

본 발명의 효과는 자기 감지 수단으로 캠축의 회전 각도를 검출하는 목적을 실현하는 것이고, 자동 공구 교환 시스템의 부피를 차지하지 않는다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 도 2의 3-3 방향에 따른 단면도이다.
도 4는 도 2의 4-4 방향에 따른 단면도이다.
도 5는 도 4의 A로 표시된 부분의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 상술한 바람직한 실시예에 따른 자동 공구 교환 시스템의 일부 부품의 분해도이다.
도 7은 사시도이고, 도 6의 캠축과 자석의 배치 관계를 보여준다.
도 8은 개략도이고, 도 6의 자석 및 각도 감지 모듈의 배치 관계를 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는 각각 사시도이고, 자석의 자력선의 변화 형태를 보여준다.

본 발명을 더 명백하게 설명하기 위하여, 이하 바람직한 실시예와 도면을 결합하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 머시닝 센터 자동 공구 교환 시스템은 머시닝 센터의 스핀들 박스와 공구 매거진 사이에 설치되어, 스핀들 박스의 스핀들(spindle)의 일단의 공구와 공구 매거진의 공구 중 하나를 교환하도록 사용되고, 상술한 스핀들 박스와 공구 매거진은 종래 기술이므로, 여기서는 설명을 생략하며, 도면에 도시하지 않았다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예의 자동 공구 교환 시스템(100)은 캠 박스(10), 출력축(20), 구동 어셈블리(30), 각도 감지 모듈(40) 및 프로그램 가능한 논리 제어장치(50)를 포함한다. 각각 이하에서와 같이 설명된다.

상기 캠 박스(10)는 내부에 수용 공간을 갖도록 서로 결합되어 구성되는 본체(11) 및 측면 하우징(12)을 포함하고, 제1 축 칼라(13), 제2 축 칼라(14) 및 위치고정 링(15)을 포함한다. 본체(11)의 일측의 외부 표면에는 오목부(11a)가 함몰되어 형성되고, 제1 축 칼라(13)는 상기 본체(11)에 결합되고, 제2 축 칼라(14)는 상기 측면 하우징(12)에 결합되고, 제1 축 칼라(13) 및 제2 축 칼라(14)에는 하나의 베어링(16)이 각각 삽입 설치되고, 상기 위치고정 링(15)은 상기 제1 축 칼라(13)에 결합되고 또한 오목부(11a) 내에 위치하고, 또한 위치고정 링(15)은 다수의 나사 구멍(15a)을 포함한다.

상기 출력축(20)은 캠 박스(10)에 직립 방식으로 관통 설치되고, 조작에 의해 회전 및 수직방향으로 이동할 수 있다. 출력축(20)의 일단은 캠 박스(10)를 관통하며 공구 교환 암(미도시)이 연결되고, 공구 교환 암의 양단은 각각 스핀들 일단의 공구 및 공구 매거진의 공구 중 하나를 파지하고, 공구 교환 암은 출력축(20)의 회전 및 수직방향 이동에 따라 회전하여 공구를 파지하고, 공구가 언클램핑되면 하강하며, 회전하여 공구를 교환하고, 상승하여 공구를 클램핑하고 회전하여 복귀하는 등 공구 교환 절차를 수행하게 된다.

상기 구동 어셈블리(30)는 출력축(20)을 회전 및 수직방향으로 이동시킨다. 본 실시예의 구동 어셈블리(30)는 캠축(31), 모터(32) 및 연동기구를 포함한다. 캠축(31)의 양단은 각각 대응하는 베어링(16)내로 관통 연장되어, 캠축(31)이 축선(L)을 회전 중심으로 원 위치에서 회전 가능하게 캠 박스(10)에 횡방향으로 관통 설치되도록 하고, 모터(32)는 본체(11)의 상부에 고정되고, 베벨 기어 세트를 통해 캠축(31)을 회전시키고, 상술한 베벨 기어 세트는 모터(32)의 동력 출력축(32a)의 일단에 연결된 작은 베벨 기어(33) 및 캠축(31)이 관통 설치되는 큰 베벨 기어(34)를 포함하고, 작은 베벨 기어(33)는 큰 베벨 기어(34)와 맞물리고, 연동기구는 캠(35)을 포함하고, 캠축(31)은 캠(35)에 관통 설치되어 캠(35)을 동기 회전시키고, 캠(35)과 출력축(20) 사이에 롤러를 포함하는 터릿을 설치하는 것을 통해 캠(35)의 회전 시 출력축(20)을 회전시키는 목적을 실현하고, 캠(35)과 출력축(20) 사이에 로커암을 설치하는 것을 통해 캠(35)의 회전 시 출력축(20)을 수직방향으로 이동시키는 목적을 실현하고, 상술한 터릿 및 로커암은 종래기술이므로, 설명을 생략하며, 도면에 도시되지 않았다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 캠축(31)의 단면 중 하나는 원형의 카운터 보어(31a)가 함몰되어 형성되고, 상기 각도 감지 모듈(40)은 절연 링(41), 자석(42) 및 자기 각도 센서(magnetic angle sensor, MAS)(43)를 포함한다. 절연 링(41)은 상기 캠축(31)에 대해 회전할 수 없는 방식으로 상기 카운터 보어(31a)에 설치되고, 절연 링(41)은 오목부(41a)를 구비하고, 자석(42)은 상기 절연 링(41)에 대해 회전할 수 없는 방식으로 상기 오목부(41a) 내에 설치되고, 이에 따라, 회전하는 캠축(31)은 자석(42)을 함께 회전시킬 수 있다. 반드시 설명드릴 것은, 본 실시예에서 사용된 자석(42)은 원반 형상의 영구 자석이고, N극(42a)과 S극(42b)은 반경 방향의 마주하는 양측에 위치하고, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 축선(L)을 통과하는 가상 평면(VP)이 정의되고, 상기 가상 평면(VP)과 캠축(31)은 동기 회전하고, 조립이 완성된 자석(42)의 N극(42a)과 S극(42b)은 상기 가상 평면(VP)의 양측에 각각 위치하도록 유지되고, 또한 자석(42)의 외부에 노출되는 표면은 피감지면(42A)으로 정의되고, 상기 피감지면(42A)은 N극(42a)의 일부 및 S극(42b)의 일부를 포함한다.

상기 자기 각도 센서(43)는 집적회로(integrated circuit, IC)가 내장되고 상기 캠 박스(10)에 고정되고, 자기 각도 센서(43)는 비접촉 방식으로, 상기 자기 각도 센서(43)에 대한 상기 자석(42)의 자력선(ML)의 회전 각도를 감지 및 인식하고, 감지 및 인식된 회전 각도에 따라 대응하는 신호를 생성하고, 상술한 회전각도는 자석(42)의 회전으로 인한 N극(42a) 및 S극(42b)의 위치의 변화에 따른 자력선(ML)의 변화를 의미하는 것이고, 도 9a에 도시된 바와 같이 자석(42)의 자력선(ML)의 회전각도가 0도인 경우, 도 9b에 도시된 자석(42)은 90도 회전하므로, 자력선(ML)의 회전각도는 즉 90도이다. 본 실시예의 자기 각도 센서(43)는 서로 등지는 장착면(43a) 및 감지면(43b)을 구비하고, 상기 장착면(43a)은 복수의 함몰부(43c)를 구비하고, 복수의 볼트(44)를 통해 하나의 가압 시트(45)를 각각 통과한 후 위치고정 링(15)의 대응하는 나사 구멍(15a)에 삽입 고정되고, 또한 가압 시트(45)의 일부는 위치고정 링(15)의 표면에 가압 밀착되고, 다른 일부는 상기 함몰부(43c)에 가압 밀착되고, 이로써, 상기 자기 각도 센서(43)는 빠른 분해 방식으로 상기 캠 박스(10)에 고정되고, 조립된 자기 각도 센서(43)의 장착면(43a)은 상기 캠 박스(10)의 본체(11)의 외부 표면으로부터 돌출되지 않고, 이와 동시에, 자기 각도 센서(43)의 감지면(43b)은 상기 자석(42)의 피감지면(42A)을 향한다. 또한, 상기 자기 각도 센서(43)가 자석(42)의 자력선(ML)의 회전각도의 변화를 효과적이고 정확하게 감지하도록 하기 위해, 상기 자기 각도 센서(43)의 감지면(43b)은 상기 자석(42)의 피감지면(42A)에 평행하는 것이 바람직하고, 감지면(43b)과 피감지면(42A) 사이의 거리는 0.5mm 내지 1.5mm로 설정되고, 1mm 간격으로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 금속으로 제조된 캠축(31)이 자석(42)의 자력선(ML) 분포에 영향을 미치고 감지를 간섭하는 것을 방지하기 위해, 상기 절연 링(41)은 절연 특성을 가진 POM플라스틱 강(Polyacetal)을 선택한다.

상기 프로그램 가능한 논리 제어장치(50)는 머신 박스에 설치되고, 상기 자기 각도 센서(43)를 연결하는 와이어(46)를 통해 상기 자기 각도 센서(43)에 의해 생성된 신호를 수신하고, 수신된 신호에 따라 머시닝 센터의 기계 및 전기 시스템이 공구 교환을 수행하도록 제어하고, 예를 들면 상기 모터(32)의 가동 또는 정지를 제어하거나, 공구에 대한 스핀들 박스의 스핀들(spindle)의 일단의 즉각적인 언클램핑 또는 클램핑 동작을 수행하도록 제어한다.

이상은 본 발명의 바람직한 실시예의 자동 공구 교환 시스템(100)의 구성에 대한 설명이고, 상술한 바를 통해 알 수 있듯이, 상기 프로그램 가능한 논리 제어장치(50)에 의해 수신되는 신호는 캠축(31)의 회전 각도 위치에서 유래된 것이고, 또한 상기 회전 각도 위치는 공구 교환 암이 회전하여 공구를 파지하고, 공구가 언클램핑되면 하강하며, 회전하여 공구를 교환하고, 상승하여 공구를 클램핑하고, 회전하여 복귀하는 등을 실현하는 공구 교환 타이밍과 밀접한 관련이 있다. 따라서, 각도 감지 모듈(40)을 캠축(31)과 인접한 부분에 설치하는 것을 통해, 또한 자기 감지 수단으로 캠축(31)의 회전각도를 검출하는 목적을 실현함으로써, 가장 정확하고 즉각적인 회전 각도 위치를 얻을 수 있고, 캠축의 회전각도를 검출하는 신호 캠 및 근접 스위치 등 구조를 수용하기 위해 캠 박스 상에 추가로 공간을 설치할 필요가 없어, 자동 공구 교환 시스템의 부피를 차지 하지 않는 목적을 실현할 수 있다.

상기에서, 각도 감지 모듈(40)은, 캠축(31)의 일단면에 자석(42)을 설치하고, 캠 박스(10)의 본체(11)의 자석(42)과 가까운 부분에 자기 각도 센서(43)를 설치한다. 그러나 다른 실시예에서, 자석(42)을 캠축(31)의 다른 일단면에 설치하도록 선택할 수도 있고, 캠 박스(10)의 측면 하우징(12)의 자석(42)과 가까운 부분에 자기 각도 센서(43)를 설치하도록 변경하여도, 동일하게 동일한 목적을 달성할 수 있다.

상술한 실시예의 구동 어셈블리는 모터를 캠과 캠축을 동기 회전시키기 위한 동력원으로 사용하였으나, 구동 어셈블리는 캠 및 캠축을 구비하고, 각도 감지 모듈의 자석 및 자기 각도 센서는 캠축 및 캠 박스에 각각 설치되는 전제하에, 다른 동력원을 선택하는 것을 배제하지 않으며, 예를 들면 본 건의 출원인의 등록특허인 대만 공고 제I644759호 "공작 기계의 자동 공구 교환 시스템"(Automatic tool changing system for a machine tool)은, 장자석이 전기자 코일 어셈블리와 대응되도록 하는 배치 방식을 동력원으로 하는 것을 공개했다.

이상은 단지 본 발명의 바람직한 실시예일뿐이며, 본 발명의 명세서 및 특허청구범위에 따른 등가 변화는 모두 본 발명의 범위 내에 포함되어야 한다.

100: 자동 공구 교환 시스템
10: 캠 박스
11: 부피
11a: 오목부
12: 측면 하우징
13: 제1 축 칼라
14: 제2 축 칼라
15: 위치고정 링
15a: 나사 구멍
16: 베어링
20: 출력축
30: 구동 어셈블리
31: 캠축
31a: 카운터 보어
32: 모터
32a: 동력 출력축
33: 작은 베벨
34: 큰 베벨
35: 캠
40: 각도 감지 모듈
41: 절연 링
41a: 오목부
42: 자석
42A: 피감지면
42a: N극
42b: S극
43: 자기 각도 센서
43a: 장착면
43b: 감지면
43c: 함몰부
44: 볼트
45: 가압 시트
46: 와이어
50: 프로그램 가능한 논리 제어장치
L: 축선
ML: 자력선
VP: 가상 평면

Claims

머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템에 있어서,
캠 박스;
상기 캠 박스에 회전 및 수직 방향으로 이동 가능한 방식으로 관통 설치되고, 일단은 상기 캠 박스의 외부에 위치하고 공구 교환 암이 연결되는 출력축;
캠축 및 연동 기구를 포함하되, 상기 캠축은 상기 캠 박스에 원 위치에서 회전 가능하게 관통 설치되고, 회전하는 캠축은 상기 연동 기구를 통해 상기 출력축을 회전 및 수직 방향으로 이동시키는, 구동 어셈블리;
자석 및 자기 각도 센서를 포함하고, 상기 자석은 상기 캠축의 일단면에 설치되어 상기 캠축의 회전에 따라 회전하고, 상기 자기 각도 센서는 상기 캠 박스에 고정되고, 비접촉 방식으로 상기 자석의 자력선의 회전각도를 감지하여 대응하는 신호를 생성하는, 각도 감지 모듈; 및
상기 자기 각도 센서에 의해 생성되는 신호를 수신하고, 수신된 신호에 따라 상기 머시닝 센터의 기계 및 전기 시스템이 공구 교환을 수행하도록 제어하는, 프로그램 가능한 논리 제어장치;
를 포함하는 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템.
제1항에 있어서,
상기 캠축은 축선을 회전 중심으로 하고, 상기 자석의 N극 및 S극은 상기 축선을 통과하는 가상 평면의 양측에 각각 위치하는, 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 자석은 피감지면을 구비하고, 상기 피감지면은 N극의 일부 및 S극의 일부를 포함하고, 상기 자기 각도 센서는 상기 피감지면에 평행하는 감지면을 구비하는, 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템.
제3항에 있어서,
상기 감지면과 상기 피감지면 사이의 거리는 0.5mm 내지 1.5mm 사이인, 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템.
제3항에 있어서,
상기 캠축은 단면으로부터 함몰된 카운터 보어를 구비하고, 상기 자석은 상기 캠축에 대해 회전할 수 없는 방식으로 상기 카운터 보어에 설치되고, 상기 피감지면은 상기 자기 각도 센서의 감지면을 향하는, 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템.
제5항에 있어서,
상기 각도 감지 모듈은 절연 링을 포함하고, 상기 절연 링은 상기 캠축에 대해 회전할 수 없는 방식으로 상기 카운터 보어에 설치되고, 상기 절연 링은 오목부를 구비하고, 상기 자석은 상기 절연 링에 대해 회전할 수 없는 방식으로 상기 오목부 내에 설치되는, 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템.
제3항에 있어서,
상기 자기 각도 센서는 상기 감지면과 등지는 장착면을 구비하고, 상기 장착면은 상기 캠 박스의 외면으로 돌출되지 않는, 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템.
제7항에 있어서,
상기 캠 박스는 본체 및 위치고정 링을 포함하고, 상기 본체는 외면으로부터 함몰된 오목부를 가지고, 상기 위치고정 링은 상기 본체에 결합되고 상기 오목부 내에 위치하고, 상기 자기 각도 센서는 상기 위치고정 링에 고정되고, 상기 감지면은 상기 피감지면을 향하는, 머시닝 센터의 자동 공구 교환 시스템.