KR20230097951A

KR20230097951A - 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템

Info

Publication number: KR20230097951A
Application number: KR1020220033195A
Authority: KR
Inventors: 구본생; 김기훈
Original assignee: 칸에스티엔 주식회사
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2023-07-03

Abstract

본 발명은 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 건물 일측에 설치되어 풍력 또는 태양광을 통해서 제1 전기 에너지를 발생시키는 친환경 발전장치, 상기 제1 전기 에너지 중에서 건물을 가동하고 남은 잉여전력을 제공받아 물을 전기분해 함으로써 수소를 발생시키는 수전해 장치, 상기 수전해 장치로부터 발생된 수소 일부를 저장하는 수소저장장치, 상기 수전해 장치로부터 발생된 수소 일부를 이용하여 제2 전기 에너지를 발생시키는 수소연료전지, 전기구동 주축 시스템이 구비됨으로써, 상기 제2 전기 에너지가 인가되면 공작물을 파지하거나 회전시키는 공작기계 및 상기 제1 전기 에너지의 발생량에 따라 상기 친환경 발전장치를 제어하거나 건물을 가동하는데 사용되는 전력소비량과 상기 수전해 장치로 공급되는 잉여전력량을 제어하고, 상기 제2 전기 에너지의 발생량에 따라 상기 수소연료전지를 제어하거나 상기 공작기계를 가동하는데 사용되는 전력소비량을 제어하는 분산전원 관리장치를 포함하는 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템에 관한 것이다.

Description

탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템 {Green Smart Factory Energy Management System for Carbon Reduction}

본 발명은 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 풍력과 태양광을 이용하여 발생된 에너지를 수전해 장치에 제공하고, 수전해 장치로부터 생성된 수소를 수소저장합금에 저장하거나 수소연료전지를 이용하여 수소로부터 전기 에너지를 발생시켜 스마트 팩토리 내 공작기계를 전기 구동시키는 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템에 관한 것이다.

ICT 기술의 발전에 따라 최근 종래 공장들에서는 인력으로 수행이 불가능했던 업무부터, 인력으로 수행했던 업무까지 자동화를 실현하기 위해서 노력중이다. 일례로 공장 내 다양한 장치들에 센서를 부착하여 원격으로 제어 및 관리하고, 공장 인근에 센서를 설치하여 내·외부환경을 감지 및 저장하여 데이터베이스를 구축한다. 이러한 지능형 스마트 팩토리를 구현하여 좀 더 효율적으로 공장을 운용할 수 있다.

또한, 최근 전 세계적으로 기후변화 문제를 해결하기 위하여 탄소 배출량과 흡수량을 같게 하여 순 배출량을 0으로 하겠다는 ‘탄소중립’과 기업 활동에 친환경, 사회적 책임 경영, 지배구조 개선 등을 통해 지속 가능한 발전을 이루고자 하는 ‘ESG 경영’ 키워드가 대두됨에 따라, 다수 개의 센서를 이용하여 원격으로 관리 및 제어하는 스마트팩토리를 넘어 친환경 에너지를 이용하여 스마트팩토리를 운용하고, 전력을 효율적으로 관리할 수 있는 기술이 절실히 필요한 실정이다.

이와 관련하여, 관련문헌 1(대한민국 등록특허공보 제10-1854913호)은 에너지 절감 시스템 설치 서비스 방법 및 서비스 서버에 관한 것으로, 시공계약 내용에 따라 적절한 전력설비를 설치해줄 수 있고, 이에 따라 고객 건물이 에너지 절감이 가능하도록 하나 실질적으로 설치된 전력설비는 석탄, 석유, 천연가스를 포함하는 화석연료를 통해서 운용됨으로 건물의 전력을 줄일 뿐 환경 친화적으로 탄소 저감에 큰 도움이 되지 못하는 문제가 있다. 관련문헌 2(대한민국 등록특허공보 제10-2323235호)는 스마트팩토리의 산업 장치 원격 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 스마트팩토리의 산업 장치를 원격으로 제어할 수 있으나, 이는 앞서 언급한 것과 같이 1세대 스마트팩토리에서 진보되지 못한 기술이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1854913호 대한민국 등록특허공보 제10-2323235호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 다수 개의 센서를 이용하여 원격으로 관리 및 제어하는 스마트팩토리를 넘어 친환경 에너지를 이용하여 스마트팩토리를 운용하고, 전력을 효율적으로 관리할 수 있도록 풍력과 태양광을 이용하여 발생된 에너지를 수전해 장치에 제공하고, 수전해 장치로부터 생성된 수소를 수소저장합금에 저장하거나 수소연료전지를 이용하여 수소로부터 전기 에너지를 발생시켜 스마트 팩토리 내 공작기계를 전기 구동시키는 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템을 얻고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템은 건물 일측에 설치되어 풍력 또는 태양광을 통해서 제1 전기 에너지를 발생시키는 친환경 발전장치; 상기 제1 전기 에너지 중에서 건물을 가동하고 남은 잉여전력을 제공받아 물을 전기분해 함으로써 수소를 발생시키는 수전해 장치; 상기 수전해 장치로부터 발생된 수소 일부를 저장하는 수소저장장치; 상기 수전해 장치로부터 발생된 수소 일부를 이용하여 제2 전기 에너지를 발생시키는 수소연료전지; 전기구동 주축 시스템이 구비됨으로써, 상기 제2 전기 에너지가 인가되면 공작물을 파지하거나 회전시키는 공작기계; 및 상기 제1 전기 에너지의 발생량에 따라 상기 친환경 발전장치를 제어하거나 건물을 가동하는데 사용되는 전력소비량과 상기 수전해 장치로 공급되는 잉여전력량을 제어하고, 상기 제2 전기 에너지의 발생량에 따라 상기 수소연료전지를 제어하거나 상기 공작기계를 가동하는데 사용되는 전력소비량을 제어하는 분산전원 관리장치;를 포함한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 풍력과 태양광을 이용하여 발생된 에너지를 수전해 장치에 제공하고, 수전해 장치로부터 생성된 수소를 수소저장합금에 저장하거나 수소연료전지를 이용하여 수소로부터 전기 에너지를 발생시켜 스마트 팩토리 내 공작기계를 전기 구동시킴으로써, 다수 개의 센서를 이용하여 원격으로 관리 및 제어하는 스마트팩토리를 넘어 친환경 에너지를 이용하여 스마트팩토리를 운용하고, 전력을 효율적으로 관리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전기구동 주축 시스템을 구비한 공작기계를 포함함으로써, 동작 시 소비되는 에너지를 현저히 줄일 수 있고 기계수명이 연장되고, 제어의 정확도 및 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전기구동 주축 시스템을 구비한 공작기계에서 가공물을 파지하는 척에 로드셀을 구비함으로써, 클램프 모드에서 가공물에 가해지는 클램핑력을 추산하지 않고 직접적으로 감지할 수 있고, 가공물의 보다 정밀한 가공이 가능한 효과가 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 상세한 설명 및 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템 구성도이다.
도 2는 유압장치를 갖는 종래 공작기계(a)와 본 발명의 일실시예에 따른 전기구동 주축 시스템을 갖는 공작기계(b) 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 척 전면이 보이는 결합사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 척바디 옆면이 보이는 결합사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 척의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 가공물과 로드셀이 맞닿는 것을 확대 도시한 도면이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템 구성도이다. 도 2는 유압장치를 갖는 종래 공작기계(a)와 본 발명의 일실시예에 따른 전기구동 주축 시스템을 갖는 공작기계(5000)(b) 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 척(5400) 전면이 보이는 결합사시도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 척바디(5440) 옆면이 보이는 결합사시도이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 척(5400)의 분해사시도이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 가공물과 로드셀(5120)이 맞닿는 것을 확대 도시한 도면이다.

도 1을 보면, 본 발명의 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템은 친환경 발전장치(1000), 수전해 장치(2000), 수소저장장치(3000), 수소연료전지(4000), 공작기계(5000) 및 분산전원 관리장치(6000)를 포함한다. 가장 바람직하게, 상기의 구성은 하나의 건물에 모두 설치될 수 있다. 예컨대, 상기 친환경 발전장치(1000)는 풍력 또는 태양광을 사용하고자 함으로 옥상에 설치될 수 있고, 수전해 장치(2000), 수소저장장치(3000) 및 수소연료전지(4000)는 건물 내 임의의 층에 배치될 수 있고, 상기 공작기계(5000)는 임의의 층에 구비된 스마트 팩토리(Smart Factory) 내 구비될 수 있고, 상기 분산전원 관리장치(6000)도 역시나 건물 내 임의의 층에 배치될 수 있다. 따라서 본원발명은 자체적으로 친환경적인 에너지를 생산하고 효율적인 에너지 소비가 가능하도록 함으로써, 탄소 배출이 없는 지능형 스마트 팩토리(Smart Factory)를 구현할 수 있는 현저한 효과가 있다.

보다 구체적으로, 상기 친환경 발전장치(1000)는 건물 일측에 설치되어 풍력 또는 태양광을 통해서 제1 전기 에너지를 발생시킨다. 우선, 풍력을 통해서 상기 제1 전기 에너지를 발생시키기 위해서 상기 친환경 발전장치(1000)는 카본 소재 블레이드가 구비되고, 로터직경 4m 내지 6m 범위이내의 소형풍력 발전장치(1100)를 포함할 수 있다. 상기 로터직경은 가장 바람직하게 5m일 수 있다.

종래 풍력 발전기는 건물에 설치하기에는 로터직경 7m 이상으로 상당한 크기를 갖기 때문에 산 중턱, 해상 등에 설치되는 게 일반적이다. 그러나 본원발명은 건물 인근에서 자체적으로 풍력을 이용하여 전기 에너지를 발생시키기 위함임으로, 보다 작고 효율적인 역학적 설계가 가미되는 것이 가장 바람직하다. 즉, 상기 소형풍력 발전장치(1100)는 카본 소재를 사용하여 종래보다 강성을 높이고 무게를 줄일 수 있다. 그리고 로터직경을 종래보다 줄임과 동시에 공기역학적 설계방식이 가미되어 전체 크기가 줄어듦에도 불구하고 동일한 출력을 보장할 수 있는 현저한 효과가 있다.

또한, 상기 친환경 발전장치(1000)는 다수 개의 태양전지모듈, 상기 다수 개의 태양전지모듈을 지지하고 기울기를 조절하는 모듈프레임을 포함하는 태양광 발전장치(1200)를 더 포함할 수 있다. 종래에도 공장, 학교, 자택 등의 건물 옥상에 설치할 수 있는 정도의 크기를 갖는 태양전지모듈이 상용화되어 있어 상기 태양광 발전장치(1200)는 이와 다르지 않다.

또한, 상기 소형풍력 발전장치(1100) 및 태양광 발전장치(1200)는 본 발명의 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템에서 요구하는 전체 전력량의 약 50%를 발생시킬 수 있도록 한다. 이는, 풍력 및 태양광은 자연현상에 상당한 제약을 받는다. 예컨대, 바람이 불지 않는 날, 비가 오는 날, 흐려서 태양광이 충분하지 않은 날 등 많은 변수가 있으므로 본 발명에서 요구하는 전체 전력량을 발생시킬 수 있도록 한다면 저장된 전기 에너지가 충분하지 않을 경우 건물 전체에 전원이 공급되지 못하는 심각한 상황이 발생하게 된다. 따라서 이러한 상황이 발생되지 않도록 에너지원이 분산되도록 하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 상기 친환경 발전장치(1000)는 발생시킨 상기 제1 전기 에너지 모두를 건물에 제공하는 것이 아닌 필요한 전력량만큼 제공하고, 나머지 상기 잉여전력은 본 발명의 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템에서 요구하는 전체 전력량의 약 50%를 수소를 통해서 발생시킬 수 있도록 상기 수전해 장치(2000)에 제공될 수 있다.

다음으로, 상기 수전해 장치(2000)는 상기 제1 전기 에너지 중에서 건물을 가동하고 남은 잉여전력을 제공받아 물을 전기분해 함으로써 수소를 발생시킨다. 상기 수전해 장치(2000)는 NCM 전극(Non Catalyst Membrane Cell)과 수산화칼륨(KOH) 수용액 전해질을 이용하여 무촉매 수전해 공법(Non Catalyst Membrane)을 구현함으로써, 물을 전기분해할 수 있다.

여기서, 상기 NCM 전극은 하나의 아노드(Anode)와 두 개의 캐소드(Cathode) 사이에 구비될 수 있고, 물이 상기 아노드(Anode)로 유입되면 수소발생반응 및 산소발생반응이 발생할 수 있다. 그러면 상기 두 개의 캐소드(Cathode)로 수소가 방출되고 상기 하나의 아노드(Anode)로 산소가 방출될 수 있다.

상기 수전해 장치(2000)는 산화방지 효과가 탁월해 내구도가 높으며, 종래보다 유지관리가 용이한 효과가 있다. 또한, 종래 수소생산장치는 백금 촉매 및 분리막을 사용하지만, 본 발명의 수전해 장치(2000)는 무촉매 수전해 공법을 사용함으로써 20도 내지 50도 범위이내에서 반영구적으로 사용이 가능하고 전류 흐름이 원활해 수전해 사용전력이 절감되고 전압이 상승되어 상기 친환경 발전장치(1000)로부터 제공되는 상기 잉여전력의 사용을 절감시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.

다음으로, 상기 수소저장장치(3000)는 상기 수전해 장치(2000)로부터 발생된 수소 일부를 저장한다. 상기 수소저장장치(3000)는 상기 수소가 고체형태로 저장되도록 마그네슘계 수소저장합금에 수소전자단위로 저장할 수 있다. 상기 수소저장장치(3000)는 상기 친환경 발전장치(1000)로부터 잉여전력을 제공받지 못한 상기 수전해 장치(2000)로부터 수소를 제공받지 못할 경우를 대비하여 상기 수전해 장치(2000)로부터 발생된 수소 일부를 지속적으로 저장하기 위해서 구비될 수 있다.

상기 마그네슘계 수소저장합금은 가장 바람직하게 마그네슘니켈(MgNi)과 수소화마그네슘(MgH₂) 두 가지 종류일 수 있다. 마그네슘니켈(MgNi)로 형성된 수소저장합금은 VIM 전기진공용해로 금속 용해 후 합금되는 방식으로 수소를 수소전자 단위로 저장할 수 있다. 그리고 수소화마그네슘(MgH₂)로 형성된 수소저장합금은 흡장로를 이용하여 마그네슘에 곧바로 수소를 저장할 수 있다.

종래에는 티타늄(Ti)계 수소저장합금을 사용함으로써 저장용량이 2.0wt%정도이나, 상기 수소저장장치(3000)는 마그네슘계 수소저장합금으로 형성됨으로써 저장용량이 5wt% 내지 15wt% 범위이내일 수 있다. 종래에는 상온에서 700bar 정도의 초고압으로 수소기체상태로 저장함으로 폭발 가능성이 상당하고 설치를 위해 넒은 부지가 소요된다. 그러나 본 발명의 상기 수소저장장치(3000)는 수소가 고체형태로 저장됨으로 10bar 이하의 상온상압에서 저장할 수 있다. 그리고 10평 이하의 컴팩트한 장소에 설치가 가능하여 건물 내 어디든지 설치될 수 있는 현저한 효과가 있다.

다음으로, 상기 수소연료전지(4000)는 상기 수전해 장치(2000)로부터 발생된 수소 일부를 이용하여 제2 전기 에너지를 발생시킨다. 상기 수소연료전지(4000)는 수소를 이용하여 직류전원을 발생시키고, 상기 공작기계(5000)에 사용되기 위해서 교류전류로 변환시킬 수 있다.

다음으로, 상기 공작기계(5000)는 전기구동 주축 시스템이 구비됨으로써, 상기 제2 전기 에너지가 인가되면 공작물을 파지하거나 회전시킨다. 가장 바람직하게, 상기 공작기계(5000)는 CNC 선반이고 이는 공작물을 고정시킨 후 회전시켜 가공할 수 있다.

도 2의 (a)를 보면, 종래 CNC 선반은 드로우바와 스핀들을 구동하기 위해 각각의 독립된 구동 시스템을 필요로 하는데, 주로 드로우바는 유압 시스템이, 스핀들은 전기시스템이 적용된다. 종래 유압식으로 작동되는 드로우바는 유압탱크, 유압전동기, 유압 실린더를 포함하는 유압식 구동부가 상당히 복잡하고 발열, 소음, 진동 및 유압에 따른 울컥거림이 발생하게 된다. 예컨대, 상기 유압식 구동부가 지속적으로 동작하면서 발생되는 열은 드로우바와 스핀들에 전달되어 변형을 일으켜 공작물의 품질을 저하시키고, 공장 내부온도를 상승시켜 에너지 효율을 저감시키는 원인이 된다. 그리고 상기 유압식 구동부가 지속적으로 동작하면서 발생되는 진동은 절삭저항을 일으켜 절삭공구가 크게 마모되고, 절삭공구 교체를 빈번하게 발생시키는 원인이 된다. 그리고 상기 유압식 구동부를 사용하게 될 경우 척이 가공물을 잡는 힘인 고정력을 유지하기 위해서 계속적으로 유압을 발생시켜야 함으로 에너지 효율이 상당히 낮고, 상기 고정력을 미세하게 제어할 수 없는 기술적 한계가 존재한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 상기 공작기계(5000)는 종래 유압식 구동부가 제거된다. 대신에 상기 공작기계(5000) 내 상기 동력전달장치(5700) 및 클러치 유닛(5900)은 상기 전기구동 주축 시스템을 통해서 입력된 수치에 맞게 전기적으로 구동될 수 있어 종래 대비 제어 정확도 및 신뢰도를 높일 수 있는 현저한 효과가 있다. 그리고 종래 유압식 구동부가 제거됨으로써, 상기 공작기계(5000)는 종래 대비 부피와 무게 측면에서 경량화 되어 설치장소에 제약을 받지 않고, 공작물의 품질을 일정하게 유지할 수 있고, 공장 내부온도에 영향을 미치지 않는다. 뿐만 아니라 무수히 많은 상기 공작기계(5000)가 배치되어 있는 공장 전체의 에너지 효율을 상승시킬 수 있고, 진동이 적어 절삭공구 교체주기가 연장되고 가공물을 생산할 수 있는 시간이 늘어나는 현저한 효과가 있다.

또한, 상기 공작기계(5000)는 전기구동 주축 시스템을 구비함으로써, 종래 유압식 구동부의 작동유를 교환하거나 폐기유를 처리할 필요가 없으므로 보다 친환경적이다. 더불어, 상기 수소연료전지(4000)로부터 상기 제2 전기 에너지가 상기 공작기계(5000)의 전기구동 주축 시스템에 제공됨으로, 상기 공작기계(5000)를 24시간 가동하더라도 환경에 무해하고 탄소중립경영을 실현할 수 있는 스마트팩토리를 구현할 수 있는 현저한 효과가 있다.

도 2의 (b)를 보면서 본 발명의 상기 공작기계(5000)를 보다 구체적으로 설명해보면, 상기 공작기계(5000)는 공작물을 고정하는 척(5400), 상기 척(5400)을 구동하기 위한 드로우바(5500), 상기 척(5400), 드로우바(5500) 그리고 공작물을 모두 회전시키는 스핀들(5600), 상기 스핀들(5600)이 회전 가능하도록 동력을 전달하는 동력전달장치(5700), 상기 동력전달장치(5700)와 체결되고 동력을 생성하는 스핀들 전동기(5800), 상기 스핀들(5600)을 상기 동력전달장치(5700)에 선택적으로 연결하는 클러치 유닛(5900), 상기 전기구동 주축 시스템의 기계적인 메커니즘과 수치 제어(Numerical Control; NC) 시스템의 융합이 원활하게 되도록 일측에 구비되는 센서부(5100), 상기 센서부(5100)와 전기적으로 연결되어 감지신호를 전달받는 회로부(5200) 및 상기 회로부(5200)를 통해 전송된 감지신호에 따라 상기 척(5400), 드로우바(5500), 스핀들(5600), 동력전달장치(5700), 스핀들 전동기(5800) 및 클러치 유닛(5900) 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부(5300)를 포함할 수 있다.

그리고 상기 제어부(5300)는 상기 척(5400)과 스핀들(5600)이 고정상태이고 상기 드로우바(5500)의 선형이송으로 상기 공작물이 파지되는 클램프 모드, 상기 클램프 모드 후 상기 척(5400), 스핀들(5600), 드로우바(5500) 및 공작물이 연결된 상태에서 회전되는 스핀들 모드, 상기 드로우바(5500)가 다시 선형이송 되어 공작물의 파지가 해제되는 언클램프 모드가 수행되도록 제어신호를 전송할 수 있다. 즉, 상기 제어부(5300)는 상기 센서부(5100)로부터 감지된 감지신호를 상기 회로부(5200)를 통해서 획득하고 상기 감지신호를 통해서 각 구성의 상태를 판단하고 상기 회로부(5200)를 통해서 제어신호를 각 구성에 전송함으로써, 상기 클램핑 모드, 스핀들 모드 및 언클램핑 모드를 각각 수행할 수 있다.

세 가지 모드에 대해서 보다 구체적으로 설명해보면 하기와 같다. 상기 클램핑 모드는 상기 공작물을 파지하는 동작을 수행하기 위한 것으로, 우선적으로 상기 제어부(5300)는 클램핑 모드 초기조건을 확인할 수 있다. 상기 클램핑 모드 초기조건은 상기 드로우바(5500)의 위치가 언클램프 구간에 있는지 여부, 상기 클러치 유닛(5900)이 언클램프 상태인지 여부, 주축의 원점인식을 위한 오리엔테이션 작업이 수행되었는지 여부, 상기 척(5400)의 구동범위, 클램프 지점 측정여부, 상기 공작물에 인가될 추력이 구동가능범위 내의 정상값으로 입력되었는지 여부를 포함할 수 있다. 상기 제어부(5300)는 상기 클램핑 모드 초기조건 중 적어도 하나가 부합하지 않는다면 알람을 제공하여 클램핑 모드를 위한 초기조건을 재설정 및 재확인하도록 할 수 있다.

그리고 상기 제어부(5300)는 상기 클램핑 모드 초기조건이 모두 부합한다면, 상기 드로우바(5500)가 이송되도록 제어신호를 상기 회로부(5200)를 통해서 리니어 모터(5510)에 전송할 수 있다. 상기 리니어 모터(5510)는 상기 드로우바(5500) 일측에 설치되어 상기 드로우바(5500)가 상기 가공물의 클램프 방향에 따라 전진 또는 후진으로 이송되도록 추력을 제공할 수 있다. 이때, 추력에 따른 토크(Torque)가 발생될 수 있다. 상기 드로우바(5500)가 이송된 후 상기 제어부(5300)는 상기 센서부(5100)로부터 감지된 감지신호를 상기 회로부(5200)를 통해서 전송받을 수 있다.

일실시예에 따라 상기 센서부(5100)는 상기 드로우바(5500) 일측에 설치된 리니어 센서(5110)일 수 있고, 상기 감지신호는 드로우바(5500)가 상기 리니어 모터(5510)의 추력을 제공받아 전진 또는 후진으로 이송되는 거리변화량을 감지한 신호이다. 상기 제어부(5300)는 상기 감지신호에 기초하여 상기 드로우바(5500)의 임계위치 도달여부와 임계토크 도달여부를 차례대로 확인할 수 있다. 상기 드로우바(5500)가 임계위치와 임계토크에 도달한다면, 상기 제어부(5300)는 클램프 구동 시 저장된 동력전달장치(5700)의 현재각도를 기준으로 상기 클러치 유닛(5900)이 결합할 수 있는 각도를 계산 및 저장하고, 상기 동력전달장치(5700)가 결합 가능한 각도로 정위치 된 후 공압이 해제되면 상기 클러치 유닛(5900)이 상기 동력전달장치(5700)에 결합될 수 있도록 제어신호를 전송할 수 있다. 그리고 마지막으로 상기 클램핑 모드에서 상기 스핀들 모드로 전환하고, 상기 클램핑 모드를 종료할 수 있다.

다만, 본 발명의 일실시예에 따르면 상기 드로우바(5500)의 거리변화량을 이용하여 상기 가공물에 가해지는 클램핑력을 상관관계 등으로 추산하게 됨으로, 정확한 클램핑력을 확인하지 못하는 기술적 한계가 존재한다. 상기 가공물에 기준보다 큰 클램핑력이 가해지면, 휨 현상이 발생하게 되고 가공표면에 요철이 발생하여 정밀한 가공이 어렵다. 반대의 경우도 마찬가지로, 상기 가공물에 기준보다 적은 클램핑력이 가해지면, 가공물이 회전 시 진동과 소음이 발생하게 되고 표면에 요철이 발생하여 정밀한 가공이 어렵다.

이실시예에 따라 상기 센서부(5100)는 상기 척(5400)의 일측에 배치된 로드셀(5120)일 수 있다. 그리고 상기 척(5400)은, 가공물과 맞닿도록 로드셀(5120)을 고정하는 센서고정 죠(5430), 상기 센서고정 죠(5430)가 척바디(5440)에 연결될 수 있도록 하는 받침 죠(5420) 및 내부에 상기 회로부(5200)를 포함하고, 상기 로드셀(5120)의 회선을 수용하는 회로부 하우징(5410)을 포함하고, 상기 가공물에 가해지는 클램핑력을 직접적으로 감지할 수 있다.

도 3 내지 4를 보면, 상기 중공형 원기둥으로 형성된 상기 척바디(5440) 일측면에 상기 받침 죠(5420)가 슬라이딩 방식으로 체결될 수 있도록 베이스 홈(5441)이 구비될 수 있다. 그리고 슬라이딩 방식으로 체결된 받침 죠(5420)가 강한 회전력으로 인해 이탈되지 않도록 나사 조임 방식 또는 스토퍼 방식으로 추가적으로 고정될 수 있다. 또한, 상기 베이스 홈(5441)은 상기 척바디(5440)의 일측면에서 동일한 간격으로 다수 개가 형성될 수 있다. 예컨대, 120도 간격으로 3개의 베이스 홈(5441)이 구비될 수 있다. 그리고 3개의 베이스 홈(5441)에는 상기 받침 죠(5420)가 각각 체결될 수 있다. 즉, 상기 베이스 홈(5441)의 개수와 상기 받침 죠(5420)의 개수가 동일하다. 또한, 상기 받침 죠(5420)는 반원으로 형성된 탈각홈(5423)을 포함함으로써, 상기 로드셀(5120) 및 상기 센서고정 죠(5430)의 탈각이 용이하고 센서 고장 등으로 인한 유지 보수가 용이한 현저한 효과가 있다.

또한, 도 5를 보면 상기 받침 죠(5420)에는 상기 센서고정 죠(5430)가 체결될 수 있고, 체결방식은 슬라이딩 방식과 나사 조임 방식 중 적어도 하나가 채택될 수 있다. 나사 조임 방식을 위해서 상기 센서고정 죠(5430)와 받침죠(5420)는 중심축이 동일한 제1 나사홈(5421) 및 제2 나사홈(5432)이 각각 구비될 수 있다. 상기 센서고정 죠(5430)는 상기 받침 죠(5420)의 개수와 동일하다. 또한, 상기 로드셀(5120)은 상기 센서고정 죠(5430)의 개수 이내로 구비될 수 있다. 예컨대, 3개의 센서고정 죠(5430)가 있다면 상기 로드셀(5120)은 1개, 2개 또는 3개가 구비될 수 있다. 가장 바람직하게, 상기 로드 셀(5120)은 임의의 하나의 상기 센서고정 죠(5430)에 한 개가 구비될 수 있다.

이때, 상기 로드셀(5120)이 구비되어 있는 상기 받침 죠(5420) 상단에는 상기 회로부 하우징(5410)이 구비될 수 있다. 한편, 상기 회로부 하우징(5410)에 구비된 상기 회로부(5200)는 무선 구동을 위한 배터리, 로드셀(5120)로부터 획득한 감지신호를 증폭하는 증폭기, 증폭된 감지신호를 아날로그 형식에서 디지털 형식으로 변환하는 ADC 변환기 및 상기 디지털 형식으로 변환된 감지신호를 상기 수치 제어(Numerical Control; NC) 시스템에 인접하게 배치된 수신부에 무선 전송하는 무선 송신부를 포함할 수 있다.

또한, 도 5를 보면 상기 로드셀(5120) 일측에 연결된 회선이 상기 회로부(5200)와 연결될 수 있도록 상기 받침 죠(5420) 및 상기 센서고정 죠(5430)에는 중심축이 동일한 제1 회선홈(5422)과 제2 회선홈(5433)이 각각 구비될 수 있다. 상기 제1 회선홈(5422)과 제2 회선홈(5433)을 관통한 상기 로드셀(5120)의 회선은 상기 회로부 하우징(5410) 내에 닿을 수 있고, 상기 회로부(5200)와 직접적으로 연결될 수 있다.

그리고 상기 로드셀(5120)은 가장 바람직하게, 상기 센서고정 죠(5430)에서 상기 가공물과 마주보는 면의 하단 중앙에 구비된 삽입홈(5431)에 삽입될 수 있다. 따라서 상기 가공물이 상기 척바디(5440)에 삽입되어 파지되면서 직관적으로 상기 가공물에 가해지는 클램핑력을 감지할 수 있는 현저한 효과가 있다. 즉, 상기 로드셀(5120)로부터 감지된 감지신호는 상기 회로부(5200)를 통해서 상기 수신부로 무선통신 방식으로 전송되고, 상기 수신부는 상기 수치 제어(Numerical Control; NC) 시스템에 상기 감지신호는 유선 또는 무선 통신방식으로 전송될 수 있다. 그리고 감지신호를 획득한 상기 수치 제어(Numerical Control; NC) 시스템은 클램핑력이 기 설정된 임계범위 내에 포함된다면 적절한 클램핑력이 상기 가공물에 가해진 것으로 판단할 수 있고, 반대로 클램핑력이 기 설정된 임계범위 미만이거나 초과한다면 클램핑력이 상기 가공물에 적절히 가해지지 않은 것으로 판단하고 상기 리니어 모터(5510)가 토크를 높이거나 낮출 수 있도록 제어신호를 전송할 수 있다. 이러한 과정은 상기 클램핑력이 기 설정된 임계범위 내에 포함될 때까지 반복될 수 있다. 상기 기 설정된 임계범위는 가장 바람직하게, ±0.1kN 범위일 수 있다. 상술한 바와 같이 반복과정을 거쳐서 상기 클램핑력이 기 설정된 임계범위 내에 포함된다면, 상기 제어부(5300)는 클램프 구동 시 저장된 동력전달장치(5700)의 현재각도를 기준으로 상기 클러치 유닛(5900)이 결합할 수 있는 각도를 계산 및 저장하고, 상기 동력전달장치(5700)가 결합 가능한 각도로 정위치 된 후 공압이 해제되면 상기 클러치 유닛(5900)이 상기 동력전달장치(5700)에 결합될 수 있도록 제어신호를 전송할 수 있다. 그리고 마지막으로 상기 클램핑 모드에서 상기 스핀들 모드로 전환하고, 상기 클램핑 모드를 종료할 수 있다.

따라서 본 발명의 이실시예에 따르면 도 6과 같이 상기 로드셀(5120)을 이용하여 상기 가공물에 가해지는 클램핑력을 직접적으로 감지함으로써 종래 보다 가공물의 정밀한 가공이 가능한 현저한 효과가 있다.

다음으로, 상기 스핀들 모드는 상기 공작물을 회전 및 절삭시키는 동작을 수행하기 위한 것으로, 우선적으로 상기 제어부(5300)는 스핀들 모드 초기조건을 확인할 수 있다. 상기 스핀들 모드가 수행되기 위해서는 상기 클램핑 모드가 반드시 선제되어야 한다. 여기서, 상기 스핀들 모드 초기조건은 상기 드로우바(5500)의 위치가 클램프 구간에 있는지 여부, 상기 클러치 유닛(5900)이 클램프 상태인지 여부를 포함할 수 있다. 상기 제어부(5300)는 상기 스핀들 모드 초기조건 중 적어도 하나가 부합하지 않는다면 알람을 제공하여 스핀들 모드를 위한 초기조건을 재설정 및 재확인하도록 할 수 있다.

그리고 상기 제어부(5300)는 스핀들 모드 초기조건이 모두 부합한다면, 상기 척(5400), 스핀들(5600), 드로우바(5500) 및 공작물이 연결된 상태에서 회전되도록 제어신호를 상기 회로부(5200)를 통해서 상기 스핀들 전동기(5800)에 전송할 수 있다.

다음으로, 회전 동작이 완료 후 상기 제어부(5300)는 상기 클러치 유닛(5900)을 상기 스핀들 모드에서 다시 상기 언클램핑 모드로 전환하기 위해서 오리엔테이션 구동을 통해 상기 클러치 유닛(5900)을 기 저장된 클러치 결합 각도로 이동시킬 수 있다. 그리고 상기 제어부(5300)는 상기 드로우바(5500)의 스트로크만큼 복귀시킬 수 있도록 상기 회로부(5200)를 통해서 상기 리니어 모터(5510)에 제어신호를 전송할 수 있다. 이때, 상기 가공물의 언클램프 방향에 따라 상기 드로우바(5500)는 전진 또는 후진으로 이송될 수 있다. 그리고 상기 제어부(5300)는 상기 드로우바(5500)가 이송된 후 상기 센서부(5100)로부터 감지된 감지신호를 상기 회로부(5200)를 통해서 전송받을 수 있다. 이때, 상기 제어부(5300)는 상기 리니어 모터(5510)의 상기 임계토크와 임계위치를 확인하면, 상기 리니어 모터(5510)의 구동을 정지하고, 상기 동력전달장치(5700)와 상기 클러치 유닛(5900)의 결합을 해제하는 제어신호를 전송할 수 있다. 그리고 모든 수치를 초기화하고 상기 언클램핑 모드를 종료할 수 있다.

다음으로, 상기 분산전원 관리장치(6000)는 상기 제1 전기 에너지의 발생량에 따라 상기 친환경 발전장치(1000)를 제어하거나 건물을 가동하는데 사용되는 전력소비량과 상기 수전해 장치(2000)로 공급되는 잉여전력량을 제어하고, 상기 제2 전기 에너지의 발생량에 따라 상기 수소연료전지(4000)를 제어하거나 상기 공작기계(5000)를 가동하는데 사용되는 전력소비량을 제어한다.

일반적으로, 분산전원은 지역 간 혹은 지역 내 송전망의 배전 시설의 간편화와 효율성을 높이기 위해 태양광이나 풍력과 같은 신재생 에너지 자원을 이용한 소규모 발전 설비를 일컫는다. 본 발명은 상기 건물에서 사용하는 전체 전력량의 50%는 소형풍력 발전장치(1100) 및 태양광 발전장치(1200)를 포함하는 상기 친환경 발전장치(1000)로 충당하고, 전체 전력량의 나머지 50%는 수소연료전지(4000)로 충당하므로, 분산전원이라 할 수 있다.

즉, 상기 분산전원 관리장치(6000)는 이러한 분산전원으로부터 발생된 에너지를 효율적으로 사용하기 위해서 구비될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 전기 에너지의 발생량에 따라 상기 친환경 발전장치(1000)를 제어할 수 있다. 예컨대, 상기 태양광 발전장치(1200)로부터 발생되는 에너지의 양이 적다면 상기 태양광 발전장치(1200)가 지지프레임을 태양광의 입사각도를 고려하여 회전시킬 수 있도록 제어신호를 전송할 수 있다. 그리고 상기 제1 전기 에너지의 일부는 건물을 가동하는데 사용되고, 나머지는 잉여전력으로 상기 수전해 장치(2000)로 제공되는데, 상기 분산전원 관리장치(6000)는 건물에 상기 제1 전기 에너지 일부 제공을 층별로 또는 기계별로 ON/OFF할 수 있고, 상기 수전해 장치(2000)의 고장 또는 상기 수소저장장치(3000)의 저장용량에 따라 상기 잉여전력 제공을 ON/OFF 시킬 수 있다.

또한, 상기 분산전원 관리장치(6000)는 상기 수소연료전지(4000)로부터 발생된 상기 제2 전기 에너지의 발생량이 상기 공작기계(5000)를 가동하고도 많은 양의 잉여전력이 발생한다면 상기 수소연료전지(4000)를 ON/OFF할 수 있다. 그리고 상기 제2 전기 에너지를 상기 공작기계(5000)에 제공하는 것을 ON/OFF할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 풍력과 태양광을 이용하여 발생된 에너지를 상기 수전해 장치(2000)에 제공하고, 상기 수전해 장치(2000)로부터 생성된 수소를 수소저장합금에 저장하거나 수소연료전지(4000)를 이용하여 수소로부터 전기 에너지를 발생시켜 스마트 팩토리 내 공작기계(5000)를 전기 구동시킴으로써, 다수 개의 센서를 이용하여 원격으로 관리 및 제어하는 스마트팩토리를 넘어 친환경 에너지를 이용하여 스마트팩토리를 운용하고, 전력을 효율적으로 관리할 수 있는 현저한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전기구동 주축 시스템을 구비한 공작기계(5000)를 포함함으로써, 동작 시 소비되는 에너지를 현저히 줄일 수 있고 기계수명이 연장되고, 제어의 정확도 및 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.

실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어 또는 마이크로코드로 구현되는 경우, 필요한 작업을 수행하는 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되고 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 수 있다.

그리고 본 명세서에 설명된 주제의 양태들은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈 또는 컴포넌트와 같은 컴퓨터 실행 가능 명령어들의 일반적인 맥락에서 설명될 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈 또는 컴포넌트들은 특정 작업을 수행하거나 특정 데이터 형식을 구현하는 루틴, 프로그램, 객체, 데이터 구조를 포함한다. 본 명세서에 설명된 주제의 양태들은 통신 네트워크를 통해 링크되는 원격 처리 디바이스들에 의해 작업들이 수행되는 분산 컴퓨팅 환경들에서 실시될 수도 있다. 분산 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈들은 메모리 저장 디바이스들을 포함하는 로컬 및 원격 컴퓨터 저장 매체에 둘 다에 위치할 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 으로 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

1000.. 친환경 발전장치
1100.. 소형풍력 발전장치
1200.. 태양광 발전장치
2000.. 수전해 장치
3000.. 수소저장장치
4000.. 수소연료전지
5000.. 공작기계
5100.. 센서부
5110.. 리니어 센서
5120.. 로드셀
5200.. 회로부
5300.. 제어부
5400.. 척
5410.. 회로부 하우징
5420.. 받침 죠
5421.. 제1 나사홈
5422.. 제1 회선홈
5423.. 탈각홈
5430.. 센서고정 죠
5431.. 삽입홈
5432.. 제2 나사홈
5433.. 제2 회선홈
5440.. 척바디
5441. 베이스 홈
5500.. 드로우바
5510.. 리니어 모터
5600.. 스핀들
5700.. 동력전달장치
5800.. 스핀들 전동기
5900.. 클러치 유닛
6000.. 분산전원 관리장치

Claims

건물 일측에 설치되어 풍력 또는 태양광을 통해서 제1 전기 에너지를 발생시키는 친환경 발전장치;
상기 제1 전기 에너지 중에서 건물을 가동하고 남은 잉여전력을 제공받아 물을 전기분해 함으로써 수소를 발생시키는 수전해 장치;
상기 수전해 장치로부터 발생된 수소 일부를 저장하는 수소저장장치;
상기 수전해 장치로부터 발생된 수소 일부를 이용하여 제2 전기 에너지를 발생시키는 수소연료전지;
전기구동 주축 시스템이 구비됨으로써, 상기 제2 전기 에너지가 인가되면 공작물을 파지하거나 회전시키는 공작기계; 및
상기 제1 전기 에너지의 발생량에 따라 상기 친환경 발전장치를 제어하거나 건물을 가동하는데 사용되는 전력소비량과 상기 수전해 장치로 공급되는 잉여전력량을 제어하고, 상기 제2 전기 에너지의 발생량에 따라 상기 수소연료전지를 제어하거나 상기 공작기계를 가동하는데 사용되는 전력소비량을 제어하는 분산전원 관리장치;를 포함하는 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 친환경 발전장치는,
카본 소재 블레이드가 구비되고, 로터직경 4m 내지 6m 범위이내의 소형풍력 발전장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 수전해 장치는,
NCM 전극(Non Catalyst Membrane Cell)과 수산화칼륨(KOH) 수용액 전해질을 이용하여 무촉매 수전해 공법(Non Catalyst Membrane)을 구현함으로써, 물을 전기분해하는 것을 특징으로 하는 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 수소저장장치는,
상기 수소가 고체형태로 저장되도록 마그네슘계 수소저장합금에 수소전자단위로 저장하는 것을 특징으로 하는 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 공작기계는,
공작물을 고정하는 척;
상기 척을 구동하기 위한 드로우바;
상기 척, 드로우바 그리고 공작물을 모두 회전시키는 스핀들;
상기 스핀들이 회전 가능하도록 동력을 전달하는 동력전달장치;
상기 동력전달장치와 체결되고 동력을 생성하는 스핀들 전동기;
상기 스핀들을 상기 동력전달장치에 선택적으로 연결하는 클러치 유닛;
상기 전기구동 주축 시스템의 기계적인 메커니즘과 수치 제어(Numerical Control; NC) 시스템의 융합이 원활하게 되도록 일측에 구비되는 센서부;
상기 센서부와 전기적으로 연결되어 감지신호를 전달받는 회로부; 및
상기 회로부를 통해 전송된 감지신호에 따라 상기 척, 드로우바, 스핀들, 동력전달장치, 스핀들 전동기 및 클러치 유닛 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 척과 스핀들이 고정상태이고 상기 드로우바의 선형이송으로 상기 공작물이 파지되는 클램프 모드, 상기 클램프 모드 후 상기 척, 스핀들, 드로우바 및 공작물이 연결된 상태에서 회전되는 스핀들 모드, 상기 드로우바가 다시 선형이송 되어 공작물의 파지가 해제되는 언클램프 모드가 수행되도록 제어신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 척은,
가공물과 맞닿도록 로드셀을 고정하는 센서고정 죠;
상기 센서고정 죠가 척바디에 연결될 수 있도록 하는 받침 죠; 및
내부에 상기 회로부를 포함하고, 상기 로드셀의 회선을 수용하는 회로부 하우징;을 포함하고,
상기 가공물에 가해지는 클램핑력을 직접적으로 감지하는 것을 특징으로 하는 탄소 저감을 위한 그린 스마트 팩토리 에너지 운용 시스템.