KR20220113425A - 기계 공구들을 위한 섀프트 결합 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계 공구를 위한 스핀들(10)을 갖는 장치에 관한 것으로서, 공구 홀더(30)와 구동 링(20)은 스핀들(10) 상에 회전적으로 고정되고 또한 스핀들(10)의 회전축을 따라 변위될 수 있다. 상기 스핀들(10)과 상기 공구 홀더(30)는 조립될 때 마찰적으로 맞물리는 연결을 형성하도록 설계되는, 매칭 면들을 포함한다. 상기 공구 홀더(30)와 상기 구동 링(20)의 대향 면들은 매칭하는 윤곽들(21, 33)을 가져서 상기 구동 링(20)은 상기 공구 홀더(30) 상에서 맞물릴 수 있다.

Description

기계 공구들을 위한 섀프트 결합

본 발명은 기계 공구의 모터 축에 공구 홀더를 연결하기 위한 섀프트 결합에 관한 것이다.

섀프트 결합들은 구동 축을 갖는 회전가능한 공구(예. 기어박스의 출력 축 또는 모터 축)가 기계 공구에 연결되는 다수의 기계 공구들(예. 드릴들, 선반들, 연마기들 등)에 사용된다. 공구는 단축에 조립될 수 있는데, 이것은 공구 홀더로 지칭된다. 기계 공구의 구동 축은 종종 스핀들로 또한 지칭되고 공구 홀더와 공구를 모터 축에 기계적으로 결합하는 데 사용될 수 있는 메카니즘을 가진다. 이 메카니즘은 예를 들어, 공구 홀더의 풀 스터드(pull stud)를 잡고 또한 공구 홀더를 마찰적으로 맞물리는 방식으로 모터 축에 연결하도록 설계되는 콜릿을 포함한다.

공구 홀더와 모터 축 사이의 마찰적으로 맞물리는 연결은 보통 콘형 시트(conical seat)의 도움으로 실현된다. 따라서 공구 홀더들은 종종 공구 콘들(tool cones)로 지칭된다. 콜릿은 예를 들어, 공압식으로 작동될 수 있다. 이 경우에 있어서, 콜릿을 갖는 공압식 액츄에이터는 모터 축(스핀들)의 매칭하는 내부 콘에 대하여 (풀 스터드 상의) 공구 콘을 당기고, 이것은 모터 축과 공구 콘 사이에 마찰적으로 맞물리는 결합을 생성한다.

작고 컴팩트하게 설계되는 기계 공구들에 있어서, 콜릿을 작동시키는 액츄에이터가 차지하는 공간은 상대적으로 작고; 이러한 이유로, 생성될 수 있고 또한 스핀들 내의 공구 콘을 인장하는 데 사용될 수 있는 액츄에이터 힘 또한 상대적으로 작다. 결과적으로, 공구 콘과 스핀들 사이의 콘형 시트는 충분한 토크를 전달할 수 없고 콘형 시트가 미끄러지기 시작할 것이라는 위험이 있다.

그러므로 본 발명의 목적들 중 하나는 상대적으로 작은 크기를 갖고 또한 스핀들과 공구 홀더 사이에서 문제 없는 토크 전달을 가능하게 하는, 기계 공구들에 대하여 섀프트 결합을 제공하는 것으로 볼 수 있다.

상기의 목적은 청구항 1항 및 8항에 따른 장치들에 의해 달성된다. 다양한 실시예들 및 개선들이 종속항들의 주제이다. 예시적인 일 실시예에 따라, 기계 공구를 위한 스핀들, 구동 링 및 공구 홀더를 가지는 장치가 이하에서 기술된다. 구동 링은 스핀들의 회전 축을 따라 변위할 수 있는 이러한 방식으로 스핀들 상에 고정된다. 스핀들 및 공구 홀더는 (서로) 조립될 때 마찰적으로 맞물리는 연결을 형성하도록 설계된 매칭 면들을 가진다. 조립될 때, 공구 홀더와 구동 링의 대향하는 면들은 매칭하는 윤곽들을 가지고 이로써 구동 링은 공구 홀더에 맞물릴 수 있다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 장치는 기계 공구를 위한 스핀들, 스핀들 상에 고정되는 구동 링, 및 공구 홀더를 가진다. 스핀들은 내부 콘을 갖는 속이 빈 섀프트로서 설계된다. 구동 링은 스핀들의 회전 축을 따라 변위할 수 있고, 공구 홀더는 내부 콘과 매칭하는 외부 콘을 가지고, 이때 조립될 때 내부 콘과 외부 콘은 콘형 시트를 형성하고, 조립될 때 공구 홀더와 구동 링의 대향하는 면들은 매칭하는 윤곽들을 가지고, 이로써 구동 링은 공구 홀더에 맞물릴 수 있다.

예시적인 일 실시예에 있어서, 조립될 때, 콘형 시트는 스핀들과 공구 홀더 사이에 마찰적으로 맞물리는 연결을 생성하고, 맞물리는 구동 링은 추가적으로 스핀들과 공구 홀더 사이에 형태-맞춤 연결(form-fitting connection)을 생성한다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 공구 홀더는 풀 스터드 상의 공구 홀더가 콜릿을 이용해 스핀들에 대하여 압박될 수 있는 이러한 방식으로 형성되는 풀 스터드를 가질 수 있다.

예시적인 일 실시예에 따르면, 공구 홀더는 공구 홀더의 회전 축에 대하여 방사상 방향으로 연장되고 또한 구동 링에 반대되는 표면 상에 기하학적 구조(예를 들어, 웹 등의 형태로)를 가지는 플레이트를 가질 수 있다. 구동 링은 플레이트에 반대되는 그 표면 상에 기하학적 구조(예를 들어, 홈들 등의 형태로)를 가질 수 있고, 플레이트의 표면 상의 기하학적 구조와 구동 링의 표면 상의 기하학적 구조는 매칭하는 윤곽들을 가져서, 이로써 구동 링의 표면 상의 기하학적 구조는 플레이트의 표면 상의 기하학적 구조에 맞물릴 수 있다.

예시적인 일 실시예에 있어서, 스핀들과 구동 링 사이에서 작용하는, 스프링 요소는 공구 홀더에 대하여 구동 링을 압박한다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 구동 링은 스핀들 내의 매칭하는 안내 홈들 내에 변위가능한 방식으로 배치되는 슬라이딩 블록들을 가질 수 있다. 스핀들은 2 개의 정지단들(end stops)을 가질 수 있는데(예. 안내 홈들 내에), 이것은 2 가지 방향들로 구동 링의 움직임을 제한한다.

다양한 예시적인 실시예들이 더 상세하게 이하에서 도면들에 도시된 예들을 이용해 설명된다. 도시는 반드시 축척을 따르지 않을 수 있고 본 발명은 도시된 측면들에만 한정되지 않는다. 차라리, 도시된 예시적인 실시예들의 기초가 되는 원리들을 보여주는 데 중점을 둔다.
도 1은 예시적인 일 실시예에 따른 섀프트 결합의 구성요소들로서, 공구 콘(도면 a), 구동 링(도면 b) 및 기계 공구의 스핀들의 끝(도면 c)를 보여준다.
도 2 내지 도 5는 공구 콘과 스핀들을 결합할 때 다른 위치들에 있는 도 1의 섀프트 결합의 구성요소들을 보여주고, 그 각각은 단면도(도면 a), 길이방향 도면(도면 b) 및 측면도(도면 c)이다.

도 1은 예시적인 일 실시예에 따른 공구 콘(30)(도면 a), 구동 링(20)(도면 b), 및 기계 공구의 스핀들(10)의 끝 부분(도면 c)을 보여준다. 결합될 때(즉, 공구가 기계 공구에 조립될 때), 공구 콘(30)과 스핀들(10)은 콘형 시트를 이용해 결합되고, 구동 링(20)은 스핀들(10)과 공구(30) 사이에 형태-맞춤 연결을 생성함으로써 공구 콘(30)이 콘형 시트에 마찰적으로 맞물리는 연결에 더하여 미끄러져 들어가지 않도록 막는다. 여기에 설명된 예의 개별적인 구성요소들은 이하에서 설명되고, 공구 콘(30)과 스핀들(10)의 결합은 그후 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명된다.

도 1, 도면 a는 공구 콘(30)의 예시적인 일 실시예를 보여준다. 따라서, 공구 콘(30)은 스핀들(10) 내의 매칭하는 내부 콘에 맞물리는 외부 콘(34)을 갖는 짧은 섀프트이고 조립될 때 콘형 시트를 형성한다. 풀 스터드(35)는 이 섀프트의 제1 단에 위치되고 매칭하는 콜릿(미도시)에 의해 고정될 수 있다. 나사산(31)는 섀프트의 제2 단에 배치될 수 있는데, 이것은 회전가능한 공구(미도시, 예. 연마 휠)의 조립을 허용한다. 나사산을 이용한 공구와 공구 콘의 (나사) 연결은 일반적인 기법이고 이로써 여기서 더 설명하지는 않는다. 나사 연결 대신, 다른 연결 기법 또한 사용될 수 있다(베이요넷 잠금, 클램프 연결 등).

공구 콘(30)의 중심 영역에 있어서, 해당 공구 콘(30)은 공구 콘(30)의 회전축에 필수적으로 직각으로 연장되는 플레이트(32)를 가진다. 플레이트(32)는 외부에 원형 윤곽을 가질 수 있지만 반드시 이 경우여야 하는 것은 아니다. (조립될 때) 스핀들(10)을 향하는 면에 있어서, 플레이트가 그 표면 상에 웹들(33)을 가지는데, 이것은 플레이트(32)와 구동 링(20) 사이의 맞물리는 연결을 가능하게 한다.

도 1, 도면 b는 언급된 구동 링(20)의 예시적인 일 실시예를 보여주는데, 이것은 스핀들(10)에 고정되고 회전축을 따라 변위될 수 있다(예를 들어, 회전축을 따라 안내된다). 구동 링(20)은 그 내부에 2 개 또는 그 이상의 슬라이딩 블록들(22)을 가지는데, 이 블록들은 스핀들(10)의 매칭하는 홈들 내에서 구동 링(20)을 안내하는 데 사용될 수 있다. 이 안내는 회전축을 따른 구동 링(20)의 변위를 가능하게 하고, 구동 링(20)의 가능한 변위 경로는 2 개의 정지단들에 의해 한정된다. 그 바닥 면(즉, 공구 콘(30)의 플레이트(32)를 향하는 면)에는, 구동 링(20)이 언급된 플레이트(32)의 웹들(33)이 맞물릴 수 있는, 수 개의 홈들(21)을 가지고, 공구 콘(30)의 플레이트(32)와 스핀들(10)에 고정되는 구동 링(20) 사이에 형태-맞춤 연결을 형성하게 된다. 스핀들(10)이 회전할 때, 스핀들(10)에 고정된 구동 링(20) 또한 회전하고, 이 구동 링(20)은 형태-맞춤 연결로 인해 공구 콘(30)과 함께 회전한다. 이것은 콘형 시트가 미끄러지는 것을 방지한다.

구동 링(20)은 플레이트(32)의 웹들(33)에 신뢰성 있게 맞물리기 때문에, 구동 링(20)은 스프링 요소를 이용해 플레이트(32)에 대하여 압박된다(도 2 내지 도 5 참조). 공구 콘(30)의 플레이트(32)와 구동 링(20) 사이의 형태-맞춤 연결은 반드시 매칭하는 웹들 및 홈들을 이용해 실현될 필요는 없음이 이해되어야 한다. 또는, 매칭하는 핀들 및 홀들, 매칭하는 디텐트들 및 함몰부들, 등이 가능할 것이다. 일반적으로, 구동 링(20)과 플레이트(32)는 형태-맞춤 연결을 형성하기 위해 서로 맞물릴 수 있는(interlock), 대향하는 표면들 상에 매칭하는 윤곽들을 가진다. 매칭하는 윤곽들의 구체적인 구성은 중요하지 않고 많은 다양한 방식들로 구현될 수 있다.

도 1, 도면 c는 기계 공구의 스핀들(10)의 예시적인 일 실시예를 보여준다. 도시된 예에 따르면, 스핀들(10)은 필수적으로 속이 빈 섀프트(11)를 가지고, 속이 빈 섀프트(11)의 내부는 공구 콘(30)의 외부 콘(34)에 매칭되는 내부 콘(12)을 가진다. 언급된 바와 같이, 내부 콘(12)과 외부 콘(34)은 조립될 때 콘형 시트를 형성한다. 스핀들(10)은 2 개의 대향하는 안내 홈들(14)을 가지고, 그 안에 (구동 링(20)이 조립될 때) 구동 링(20)의 슬라이딩 블록들(22)은 스핀들(10)의 회전 축을 따라 변위가능한 방식으로 배치된다. 도시된 예에 있어서, 안내 홈들(14)의 바닥에 추가적인 홈들(13)이 있다. 구동 링(20)이 조립될 때, 홈(13)에 나사결합되는 나사들(23)은 슬라이딩 블록들(22)을 지난다. 구동 링(20)은 나사(23)의 하단이 홈(13)의 일 단에 대하여 안착될 때까지 회전 축을 따라 변위될 수 있다. 제공된 예에 있어서, 홈들(13)은 (나사들(23)과 함께) 정지단들을 형성하고, 이것은 구동 링(20)의 변위를 한정한다. 정지단들 또한 다른 방식들로 구현될 수 있음이 이해되어야 한다. 구동 링(20)의 스핀들(10) 상의 고정은, 구동 링(20)이 회전 축을 따라 변위되는 것을 가능하게 하고, 이 예시적인 실시예의 기능에 중요하다. 언급된 바와 같이, 스프링(도 1에 미도시)은 신뢰할 만한 맞물림을 보장하기 위해 정지 하한에 대하여(즉, 매칭 공구로부터 먼) 구동 링(20)을 압박할 수 있다.

도 2 내지 도 5는 공구 콘(30)이 스핀들(10)에 기계적으로 결합되는 결합 공정 동안 (스핀들(10)에 대하여) 공구 콘(30)의 서로 다른 위치들을 보여준다. 도 2 내지 도 5에 있어서, 도면 a는 공구 콘(30)의 단면을 보여주고, 도면 b는 매칭하는 길이방향 단면을 보여주고 도면 c는 연관된 측면도를 보여준다. 결합 공정은 매칭 공구가 로봇에 의해 안내되고 공구와 함께 공구 콘(30)이 적절한 방식으로 계속 이용가능하다면, 예를 들어 저장 공간 내에서, 완전히 자동으로 수행될 수 있다.

도 2에 도시된 상황에 있어서, 공구 콘(30)은 대략 1/3이 스핀들(10)에 삽입된다. 풀 스터드(35)는 속이 빈 섀프트(11) 내부에 위치되고 속이 빈 섀프트(11) 내부에 또한 배치되는 콜릿(미도시)에 의해 이 위치에 고정될 수 있다. 스핀들에 배치되는 콜릿을 갖는 클램핑 메카니즘을 갖는 기계 공구들은 그 자체로 알려져 있고 이로써 여기서는 더 설명하지 않는다. 추가적인 설명을 위해 풀 스터드(35) 상의 공구 콘(30)은 공구 콘(30)의 외부 콘(34)이 스핀들(10)의 내부 콘(12)에 기계적으로 접촉할 때까지 콜릿의 도움으로 스핀들로 당겨진다고 가정될 수 있다.

도 2, 도면 b에서, 상기에서 언급된 구동 링(20), 특히 홈들(13)에 맞물리는, 슬라이딩 블록들(22) 및 나사들(23)의 안내가 도시되어 있다. 구동 링(20)은 스프링 요소(25)에 의해 하부 정지단에 대하여 압박된다. 또한 기계 공구 내에 스핀들(10)을 고정하기 위한 볼 베어링(15)이 도 2, 도면 b에 도시되어 있다. 플레이트(32)(및 웹들(33))에 대한 스핀들(10)(및 결과적으로 또한 구동 링)의 각도 위치는 이 상황에서 랜덤일 수 있고, 일반적으로 공구 콘(30)은 플레이트(32) 상의 구동 링(20)이 바로 맞물릴 수 없는 이러한 방식으로 스핀들(10)에 대하여 트위스트될 것이다. 스프링 요소(25)는 유연한(탄성적인) 기계 요소, 예를 들어 스프링 와셔, 특히 멀티-웨이브 스프링 와셔, 스프링 디스크 등, 또는 탄성 플라스틱일 수 있다.

도 3에 도시된 상황에 있어서, 공구 콘(30)은 스핀들(10)에 완전히 삽입되고, 이로써 공구 콘(30)의 외부 콘(34)은 스핀들(10) 내부의 내부 콘(12)에 기계적으로 접촉한다. 공구 콘(30)은 콜릿(도 3에 미도시)을 이용해 풀 스터드에 고정되고, 콜릿은 스핀들로 공구 콘(30)을 당긴다. 플레이트(32)의 웹들(33)은 스프링 요소(25)의 스프링 력에 대하여 맞물림 없이 위쪽으로 구동 링(20)을 압박한다. 도 3, 도면 b에 도시된 위치에서, 구동 링(20)은 대략 상부 정지단까지 변위되었다. 도 3, 도면 a는 구동 링(20)에 대하여 공구 콘(30)의 각도 위치(φ)를 보여준다. 구동 링(20)과 웹들(33)의 맞물림은 φ=0°, φ=45°, φ=90° 등의 각도에서 가능할 것이다. 도 2 및 도 3에 있어서, 각도(φ)는 대략 20°이다. 도 3에 도시된 상황에 있어서, 공구 콘(30)은 스핀들(10)에 기계적으로 결합되고, 그 연결은 마찰적으로 맞물리는 연결에 의해서만 콘형 시트로 유지되지만 구동 링(20)에 의해 고정되지는 않는다(구동 링(20)은 아직 맞물리지 않았기 때문에). 힘(도 3, 힘(F) 참조)은 액츄에이터에 의해 생성되고, 도면들에는 도시되어 있지 않지만, 이 힘은 콜릿을 스핀들의 내부 콘(12)에 대하여 공구 홀더(30)의 외부 콘(34)을 압박하는 데 사용한다. 언급된 바와 같이, 적절한 클램핑 메카니즘들은 그 자체로 알려져 있고 이로써 여기서는 더 상세하게 설명되지 않는다.

기계 공구의 작동 동안(예. 연삭, 연마, 밀링 등) 콘형 시트에서의 마찰적 연결이 요구되는 토크를 전달하기에 충분치 않다면, 공구 콘(30)은 스핀들에서 미끄러지기 시작할 것이고, 이로써 공구 콘(30)은 스핀들(10)에 대하여 회전할 것이다. 다시 말하면, 각도(φ)가 변한다. 공구 콘(30)은 구동 링이 웹들(33)에 맞물리도록 허용되는, 각도 위치(φ)에 도달할 때까지 회전할 것이다. 도 4는 맞물리기 직전 이 상황(φ=0°)을 보여준다. 도 4에 도시된 상황에 있어서, 스핀들에 대한 공구 콘의 각도 위치는 웹들(33)이 구동 링(20)의 홈들(21)에 맞물리고 구동 링(20)이 맞물릴 때까지 스프링 요소(25)가 플레이트(32)에 대하여 구동 링(20)을 압박할 수 있도록 한다. 도 5는 구동 링(20)이 대략 그 하단 위치에 다시 있고 또한 스핀들(10)과 공구 콘(30) 사이에 형태-맞춤 연결을 보장하는, 맞물린 상태를 보여준다. 공구 콘(30)의 추가적인 비틀림은 이 상황에서 가능하지 않다.

Claims (10)

1. 기계 공구를 위한 스핀들(10);
   상기 스핀들(10) 상에 고정되고 또한 상기 스핀들(10)의 회전 축을 따라서 변위될 수 있는 구동 링(20),
   공구 홀더(30)를 가지고, 상기 스핀들(10)과 상기 공구 홀더(30)는 조립될 때 마찰적으로 맞물리는 연결을 형성하도록 설계되는 매칭 면들을 가지고,
   조립될 때, 상기 공구 홀더(30)와 상기 구동 링(20)의 대향 면들은 매칭하는 윤곽들(21, 33)을 가지고, 이로써 상기 구동 링(20)은 상기 공구 홀더(30) 상에 맞물릴 수 있는, 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스핀들(10)은 내부 콘(12)을 갖는 속이 빈 섀프트(11)로 형성되고;
   상기 스핀들(10)과 상기 공구 홀더(30)의 매칭 면들은 상기 속이 빈 섀프트(11) 내에 배치되는 내부 콘(12)에 의해 형성되고 또한 상기 공구 홀더(30)의 매칭하는 외부 콘(34)는, 조립될 때, 콘형 시트를 형성하고,
   상기 구동 링(20) 또한, 조립될 때, 상기 스핀들(10)과 상기 공구 홀더(30) 사이에 형태-맞춤 연결을 생성하는, 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 공구 홀더는 상기 공구 홀더(30)의 회전축에 대하여 방사상 방향으로 연장되고, 또한 예를 들어, 웹들(33)의 형태로, 상기 구동 링(20)에 반대되는 표면 상에 기하학적 구조를 가지는 플레이트(32)를 가지는, 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 구동 링(20)은 예를 들어, 홈들(21)의 형태로, 상기 플레이트(32)에 반대되는 표면 상에 기하학적 구조를 가지고, 또한
   상기 플레이트(32)의 표면 상의 기하학적 구조와 상기 구동 링(20)의 표면 상의 기하학적 구조는 매칭하는 윤곽들을 가지고, 이로써 상기 구동 링(20)의 표면 상의 기하학적 구조는 상기 플레이트(32)의 표면 상의 기하학적 구조에 맞물릴 수 있는, 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스핀들(10)과 상기 구동 링(20) 사이에서 작동하고 상기 공구 홀더(30)의 플레이트(32)에 대하여 상기 구동 링(20)을 압박하는, 스프링 요소(25)를 더 가지는, 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 구동 링(20)은 상기 스핀들(10) 내의 매칭하는 안내 홈들(14)에 변위가능한 방식으로 배치되는 슬라이딩 블록들(22)을 가지는, 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 스핀들(10)은 2 가지 방향들로 상기 구동 링(20)의 움직임을 제한하는 2 개의 정지단들을 가지는, 장치.
8. 기계 공구를 위한 스핀들(10), 상기 스핀들은 내부 콘(12)을 갖는 속이 빈 섀프트(11)로 설계되고;
   상기 스핀들(10) 상에 고정되고 또한 상기 스핀들(10)의 회전 축을 따라서 변위될 수 있는 구동 링(20),
   상기 내부 콘(12)에 맞물리는 외부 콘(34)을 갖는 공구 홀더(30)를 가지고, 상기 내부 콘(12)과 외부 콘(34)은 조립될 때 콘형 시트를 형성하고,
   조립될 때, 상기 공구 홀더(30)와 상기 구동 링(20)의 대향 면들은 매칭하는 윤곽들(21, 33)을 가지고, 이로써 상기 구동 링(20)은 상기 공구 홀더(30) 상에 맞물릴 수 있는, 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   조립될 때, 상기 콘형 시트는 상기 스핀들(10)과 상기 공구 홀더(30) 사이에 마찰적으로 맞물리는 연결을 생성하고, 상기 맞물리는 구동 링(20)은 또한 상기 스핀들(10)과 상기 공구 홀더(30) 사이에 형태-맞춤 연결을 생성하는, 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공구 홀더(30)는 상기 공구 홀더(30)가 콜릿을 이용해 풀 스터드(35) 상의 스핀들에 대하여 압박될 수 있는 이러한 방식으로 형성되는 풀 스터드(35)를 가지는, 장치.

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