KR20220081510A - 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기 - Google Patents

리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기는, 티타늄 소재 또는 지르코니아 소재 중 선택된 치아모재가 고정 설치되며, 티타늄 소재를 가공하는 습식다이와, 지르코니아 소재를 가공하는 건식다이가 상호 구획 배치되는 워크베드부; 일단에 가공툴이 결합되는 구동스핀들이 마련되어 상기 치아모재에 접근 또는 이격되면서 상기 치아모재를 가공하는 가공툴부; 상기 구동스핀들을 X축, Z축 방향으로 이송하는 리니어모터부; 및 상기 가공툴부에 마련되어 상기 구동스핀들의 회전수, 진동 정도 및 상기 워크베드부의 온/습도를 모니터링하는 스핀들 모니터링부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기는, 종래 회전형계 구동액추에이터 대신 리니어모터를 통해 공구툴이 구동되어 보다 높은 정밀도가 가능하고 가공 시 진동이 억제될 수 있으며 가공툴의 마모 정도나 파손 상태 또는 얼라인먼트가 신속하고 용이하게 파악할 수 있어 교체 시기나 리밸런싱 등의 예측진단이 가능하여 유지보수 비용과 공수가 절감되고 치아가공 생산성과 품질이 향상될 수 있다.

Description

리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기{APPARATUS FOR PROCESSING ARTIFICIAL TOOTH}
본 발명은 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 리니어모터를 통한 고추력 및 고정밀 제어 및 실시간 모니터링이 가능할 수 있는 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기에 관한 것이다.
의료기기 중 치과용 의료기기는 치아와 그 주위 조직 및 구강을 포함한 악안면 영역의 질병이나 비정상적 상태 등을 예방하고 진단하며 치료를 도모하는 의학의 한 분야인 치과 진료 및 치료에 사용되는 의료기기로써, 의료기기 분야 중 치과재료 분야는 별도 지정되어 있을 만큼 매우 큰 비중을 차지하고 있다.
그리고 치과용 CAD/CAM이란 치과 진료 과정에서 필요한 장치물들(예를 들어, 보철물, 수복물, 교정장치, 스텐트 등)을 컴퓨터로 3차원 스캔하여 컴퓨터 상에서 치아 보철물을 직접 디자인(CAD)하고 이를 가공기로 정밀하게 절삭(CAM)하여 제작될 수 있다.
치과용 가공기 특히 치아 가공기로는 크게, 터닝, 머시닝센터나 CNC 선반 등 다양한 종류의 가공장치가 개발되고 있으며, 해당 치아 가공기에서 가장 중요한 것은 인공치아의 강도 등 기계적 물성도 중요하지만 가공오차를 최소화하여 이질감을 감소시키기 위한 가공 정밀성이 확보되어야 한다. 그리고 지르코니아나 티타늄 등으로 대표되는 고강도 난삭재를 충분히 진동없이 가공되기 위해 가공기의 고추력(high thrust)이 요구된다.
그러나, 종래 대부분의 치아 가공기의 경우 스핀들을 이송 또는 이동시키는 이송부가 교류, 서보 모터나 DC 브러시리스, BLDC 모터 등 회전형계 구동액추에이터를 사용하여 이송 정확도와 추력이 떨어질 수 밖에 없고 이로 인해 이송부에 연결되어 있는 가공툴에 직접적으로 영향을 주어 가공 정밀도가 저하되고 가공 시 진동이 증가되는 문제점이 있다.
또한, 종래 가공기의 경우 가공툴의 마모 정도나 파손 상태 또는 얼라인먼트를 육안으로 파악하고 작업자의 숙련정도에 좌우되어 가공툴을 교체하거나 밸랜싱 단계를 수행하기 때문에 유지보수 비용과 공수의 증가가 필연적으로 발생되고 치아가공 생산성과 품질에도 악영향을 끼치는 문제점이 있다.
또한, 어버트먼트의 대표소재인 티타늄의 경우 습식 절삭이 요구되고 지르코니아의 경우 건식 절삭이 수행되어야 하는 등 가공환경 차이로 인해 이들 소재 가공 시 가공기가 단속적으로 가공되거나 또는, 병렬적으로 다공정이 수행될 수 밖에 없어 택트타임이 증가되고 다양한 소재를 동시에 가공하기 힘든 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 종래 회전형계 구동액추에이터 대신 리니어모터를 통해 공구툴이 구동되어 보다 높은 정밀도가 가능하고 가공 시 진동이 억제될 수 있으며 가공툴의 마모 정도나 파손 상태 또는 얼라인먼트가 신속하고 용이하게 파악할 수 있어 교체 시기나 리밸랜싱 등의 예측진단이 가능하여 유지보수 비용과 공수가 절감되고 치아가공 생산성과 품질이 향상될 수 있는 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기는, 티타늄 소재 또는 지르코니아 소재 중 선택된 치아모재가 고정 설치되며, 티타늄 소재를 가공하는 습식다이와, 지르코니아 소재를 가공하는 건식다이가 상호 구획 배치되는 워크베드부; 일단에 가공툴이 결합되는 구동스핀들이 마련되어 상기 치아모재에 접근 또는 이격되면서 상기 치아모재를 가공하는 가공툴부; 상기 구동스핀들을 X축, Z축 방향으로 이송하는 리니어모터부; 및 상기 가공툴부에 마련되어 상기 구동스핀들의 회전수, 진동 정도 및 상기 워크베드부의 온/습도를 모니터링하는 스핀들 모니터링부를 포함할 수 있다.
상기 스핀들 모니터링부는, 상기 가공툴부의 상단에 부착되는 예측진단 센서부를 포함할 수 있다.
상기 예측진단 센서부는, 외면의 온/습도, 상기 워크베드부의 온/습도를 감지하는 온/습도센서; 및 상기 가공툴부의 고유 주파수를 측정하여 상기 구동스핀들의 회전수 및 진동 정도를 감지하는 주파수감지센서를 포함할 수 있다.
상기 예측진단 센서부는 단일몸체에 패키징되며, 상기 단일몸체에는 양단에 결합장공이 마련될 수 있다.
상기 예측진단 센서부는, 상기 구동스핀들로 전달되는 충격을 감지하는 충격센서; 고유 주파수로부터 소음을 감지하는 소음센서; 상기 단일몸체의 압력을 감지하는 압력센서; 및 경사각센서를 더 포함할 수 있다.
상기 주파수감지센서는 센싱된 측정 주파수가 미리 설정된 임계치를 초과하는지 여부로 오류를 판단할 수 있다.
상기 주파수감지센서를 통해 입력받는 파라미터는 측정 주파수의 rms값, peak값, FFT변환값 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의한 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기는, 종래 회전형계 구동액추에이터 대신 리니어모터를 통해 공구툴이 구동되어 보다 높은 정밀도가 가능하고 가공 시 진동이 억제될 수 있으며 가공툴의 마모 정도나 파손 상태 또는 얼라인먼트가 신속하고 용이하게 파악할 수 있어 교체 시기나 리밸런싱 등의 예측진단이 가능하여 유지보수 비용과 공수가 절감되고 치아가공 생산성과 품질이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기에서 케이싱을 제거한 상태의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 워크베드부의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기에서 가공툴부, 리니어모터부에 스핀들 모니터링부가 결합된 상태의 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 리니어모터부의 기본 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기에서 스핀들 모니터링부의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 스핀들 모니터링부를 통한 측정 주파수를 감지하는 구성 일례를 도시한 도면이다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 스핀들 모니터링부를 통한 측정 주파수 rms값을 통한 모니터링 화면을 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기에서 케이싱을 제거한 상태의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 워크베드부의 확대도이며, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 전체 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기에서 가공툴부, 리니어모터부에 스핀들 모니터링부가 결합된 상태의 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 리니어모터부의 기본 구성을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기에서 스핀들 모니터링부의 정면도이다.
본 발명에 의한 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기(100)는 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 티타늄 소재 또는 지르코니아 소재 중 선택된 치아모재가 고정 설치되며, 티타늄 소재를 가공하는 습식다이(120)와, 지르코니아 소재를 가공하는 건식다이(110)가 상호 구획 배치되는 워크베드부(100); 일단에 가공툴(210)이 결합되는 구동스핀들(220)이 마련되어 상기 치아모재에 접근 또는 이격되면서 상기 치아모재를 가공하는 가공툴부(200); 상기 구동스핀들(220)을 X축, Z축 방향으로 이송하는 리니어모터부(300); 및 상기 가공툴부(200)에 마련되어 상기 구동스핀들(220)의 회전수, 진동 정도 및 상기 워크베드부(100)의 온/습도를 모니터링하는 스핀들 모니터링부(400)를 포함할 수 있다.
워크베드부(100)는 주로 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 좌측에 습식다이(120)와 우측의 건식다이(110)로 구획되게 마련될 수 있다. 습식다이(120)와 건식다이(110) 사이에는 중앙격벽(130)이 배치되며, 중앙격벽(130)에는 가공툴부(200)가 간섭없이 이송되게 하는 관통공(미도시)이 마련될 수 있다.
습식다이(120)에는 습식지그(121)와 구동부(150) 및 픽업스테이션(122)이 마련되며, 습식다이(120)에는 절삭유가 동반되어 절삭되어야 하는 티타늄 소재가 가공될 수 있다. 여기서, 티타늄 소재는 인공치아의 하부에 결합되는 어버트먼트의 치아모재로 가공될 수 있다.
그리고, 도 3 기준 우측에는 건식다이(110)가 마련되는데, 건식다이(110)에는 b축(y축을 회동축심으로 한)으로 회동 가능한 제1 건식지그(111), 구동부(151)와, 이에 수직으로 배치되는 a축(x축을 회동축심으로 한)으로 회동 가능한 제2 건식지그(112), 구동부(152)가 마련될 수 있다. 제1 건식지그(111)와 제2 건식지그(112)는 상호 작용되어 인공치아가 가공될 수 있으며, 제1 건식지그(111)에 치아모재를 고정하는 별도의 고정어셈블리(미도시)가 결합될 수 있다. 주로 건식다이(110)에서는 인공치아의 소재인 지르코니아 소재가 가공될 수 있다.
이러한 건식다이(110)의 하부에는 아랫쪽에 집진부(140)가 마련되어 있어, 분진 및 칩들을 아랫쪽에서 빨아들일 수 있다.
이러한 워크베드부(100)를 보다 상세 설명하면, 소재에 따라 난삭재의 수준에 따라 가공 환경이 달라져야 하는데, 티타늄 소재를 가공 시에는 건식 다이에서 가공되고, 지르코니아 소재 가공시에는 습식 다이에서 가공되는 등 동시 가공이 가능할 수 있다.
이와 같이 다양한 소재를 동시 가공함으로써, 가공기가 단속적이 아닌, 연속적으로 가공될 수 있고, 부가 공정이 삭제되고 단일 공정으로 가공이 가능해져 생산성이 향상될 수 있다.
가공툴부(200)는 주로 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 선단에 가공툴(210)이 장착되며, 가공툴(210)은 구동스핀들(220) 상에 결합될 수 있다. 구동스핀들(220)은 스핀들브라켓(230)에 지지되는 구동모터(240)에 의해 회전 가능하게 결합될 수 있다.
이러한 가공툴부(200)는 리니어모터부(300)에 의해 축상으로 이송 가능하게 결합될 수 있다. 리니어모터부(300)는 도 2를 주로 참조하면, X축 이송부(310) 및 Z축 이송부(320)를 포함할 수 있다.
X축 이송부(310)는 X축 리니어모터(311)와 X축 이송레일(312)을 포함하며, 마찬가지로 Z축 이송부(320)는 Z축 리니어모터(321)와 Z축 이송레일(322), 모터드라이브(500)을 포함할 수 있다.
여기서, X축, Y축 리니어모터(311, 321)는 도 5를 주로 참조하면, 가동자석형 리니어모터로 구성될 수 있다.
이를 보다 상세 설명하면, X축, Y축 리니어모터(311, 321)는 모터코일의 고정자(20)와 영구자석 플레이트로 구성되는 가동자(10)를 포함하는 모터부와, 2개의 홀 센서(30, 가동자의 접근 검출용, 가동자의 속도위치 측정용)의 센서부를 포함할 수 있다.
모터부의 고정자(20)는 가동자(10)의 진행 방향을 따라 일렬로 코일이 복수개가 마련될 수 있다.
그리고 센서부는 코일 양단에 2개의 홀 센서(30)를 포함할 수 있다. 그리고 홀 센서(30)는 상하 적층 방식으로 배치될 수 있다. 이러한, 2개의 홀 센서는 90ㅀ 간격으로 배치(센서모듈)되어 정현파를 발생시키도록 하고, 각 홀 센서(30)의 신호의 상승 및 하강 신호를 속도 측정의 주기로 설정하여 가동자(10)의 속도를 산출하며, 산출된 속도를 적분하여 가동자(10)의 위치를 측정할 수 있다.
이러한 구성의 리니어모터부(300)를 통해, 종래 회전형계 구동액추에이터 대신 리니어모터를 통해 가공툴(210)이 구동, 가동되어 보다 가공 시 높은 정밀도가 가능하고 가공 과정에서 진동이 억제될 수 있다.
한편, 종래 가공기의 경우 가공툴(210)의 마모 정도나 파손 상태 또는 얼라인먼트를 육안으로 파악하고 작업자의 숙련정도에 좌우되어 가공툴(210)을 교체하거나 밸랜싱 단계를 수행하기 때문에 유지보수 비용과 공수의 증가가 필연적으로 발생되는 문제점이 있었다.
이에 본 실시예에서는 스핀들 모니터링부(400)가 마련될 수 있다. 상기 스핀들 모니터링부(400)는 주로 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 가공툴부(200)의 상단에 부착되는 예측진단 센서부(410)를 포함할 수 있다.
상기 예측진단 센서부(410)는, 외면의 온/습도, 상기 워크베드부(100)의 온/습도를 감지하는 온/습도센서(411); 및 상기 가공툴부(200)의 고유 주파수를 측정하여 상기 구동스핀들(220)의 회전수 및 진동 정도를 감지하는 주파수감지센서(412)를 포함할 수 있다.
상기 주파수감지센서(412)는 센싱된 측정 주파수가 미리 설정된 임계치를 초과하는지 여부로 오류를 진단할 수 있다.
상기 예측진단 센서부(410)는 단일몸체(401)에 패키징될 수 있으며, 단일몸체(401)에는 결합용 결합장공(402)이 마련될 수 있다.
상기 예측진단 센서부(410)는, 상기 구동스핀들(220)로 전달되는 충격을 감지하는 충격센서(413); 고유 주파수로부터 소음을 감지하는 소음센서(414); 상기 단일몸체(401)의 압력을 감지하는 압력센서(415); 경사각센서(416)를 더 포함할 수 있다.
이러한 상기 주파수감지센서(412)를 통해 입력받는 파라미터는 측정 주파수의 rms값, peak값, FFT변환값 중 어느 하나일 수 있다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 스핀들 모니터링부(400)를 통한 측정 주파수를 감지하는 구성 일례를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기의 스핀들 모니터링부(400)를 통한 측정 주파수 rms값을 통한 모니터링 화면을 도시한 도면이다.
도 7을 주로 참조하면, 주파수감지센서(412)는 시간에 따라 X,Y,Z축의 진동 정보가 센싱될 수 있다. 주파수감지센서(412)를 통해, 상기 가공툴부(200)의 고유 주파수를 측정하여 상기 구동스핀들(220)의 측정 주파수의 rms값을 감지될 수 있다. 또한, 측정 주파수의 peak값을 이용하여 구동스핀들(220)의 위험 수준인지 아니면 교체 시기인지 모니터링될 수 있다.
도 8을 주로 참조하면, 구동스핀들(220)의 회전수(rpm)에 따른 측정 주파수의 응답 특성을 보여주고 있다. 진동 경향성이나 위험 상황에 이르기까지의 가공툴(210)의 교체 주기가 모니터링될 수 있다.
또한, 특정 rpm에서의 측정 주파수의 peak값이 미리 설정된 임계치를 초과하는지 여부로 오류를 진단할 수 있다.
그리고, 예측진단 센서부(410)에 송수신 가능하게 마련되는 별도의 게이트웨이(미도시)를 통해 모니터링 프로그램에 연결될 수 있다. 모니터링 프로그램을 통해, 센싱된 측정 주파수로부터 오류를 진단한 다음, 가공툴(210)의 교체 시기나 구동스핀들(220)의 리밸랜싱 등의 예측진단 및 정비가 가능할 수 있다.
이와 같은 구성 및 단계를 통해, 종래 회전형계 구동액추에이터 대신 리니어모터를 통해 가공툴(210)이 구동되어 보다 높은 정밀도가 가능하고 가공 시 진동이 억제될 수 있으며 가공툴(210)의 마모 정도나 파손 상태 또는 얼라인먼트가 신속하고 용이하게 파악할 수 있어 교체 시기나 리밸런싱 등의 예측진단이 가능하여 유지보수 비용과 공수가 절감되고 치아가공 생산성과 품질이 향상될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100 : 워크베드부 110 : 건식다이
111 : 제1 건식지그 112 : 제2 건식지그
120 : 습식다이 121 : 습식지그
122 : 픽업스테이션 130 : 중앙격벽
140 : 집진부
200 : 가공툴부 210 : 가공툴
220 : 구동스핀들 230 : 스핀들브라켓
240 : 구동모터 300 : 리니어모터부
310 : X축 이송부 320 : Z축 이송부
400 : 스핀들 모니터링부 401 : 단일몸체
402 : 결합장공 410 : 예측진단 센서부
411 : 온/습도센서 412 : 주파수감지센서
413 : 충격센서 414 : 소음센서
415 : 압력센서 416 : 경사각센서

Claims (7)

  1. 티타늄 소재 또는 지르코니아 소재 중 선택된 치아모재가 고정 설치되며, 티타늄 소재를 가공하는 습식다이와, 지르코니아 소재를 가공하는 건식다이가 상호 구획 배치되는 워크베드부;
    일단에 가공툴이 결합되는 구동스핀들이 마련되어 상기 치아모재에 접근 또는 이격되면서 상기 치아모재를 가공하는 가공툴부;
    상기 구동스핀들을 X축, Z축 방향으로 이송하는 리니어모터부; 및
    상기 가공툴부에 마련되어 상기 구동스핀들의 회전수, 진동 정도 및 상기 워크베드부의 온/습도를 모니터링하는 스핀들 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스핀들 모니터링부는, 상기 가공툴부의 상단에 부착되는 예측진단 센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 예측진단 센서부는,
    외면의 온/습도, 상기 워크베드부의 온/습도를 감지하는 온/습도센서; 및
    상기 가공툴부의 고유 주파수를 측정하여 상기 구동스핀들의 회전수 및 진동 정도를 감지하는 주파수감지센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 예측진단 센서부는 단일몸체에 패키징되며,
    상기 단일몸체에는 양단에 결합장공이 마련되는 것을 특징으로 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 예측진단 센서부는,
    상기 구동스핀들로 전달되는 충격을 감지하는 충격센서;
    고유 주파수로부터 소음을 감지하는 소음센서;
    상기 단일몸체의 압력을 감지하는 압력센서; 및
    경사각센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 주파수감지센서는 센싱된 측정 주파수가 미리 설정된 임계치를 초과하는지 여부로 오류를 진단하는 것을 특징으로 하는 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 측정 주파수의 파라미터는 rms값, peak값, FFT변환값 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 리니어모터를 이용한 5축 치아 가공기.
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