KR20230130274A

KR20230130274A - 공작기계의 공구교환장치

Info

Publication number: KR20230130274A
Application number: KR1020220027217A
Authority: KR
Inventors: 허복
Original assignee: 주식회사 디엔솔루션즈
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-12

Abstract

본 발명은 공작기계의 일측면으로 이격된 위치에 다양한 공구를 수납하는 공구매거진을 설치하고, 공작기계의 본체에는 상하 구동수단을 구비한 트랜스퍼 유닛을 설치하고, 상기 트랜스퍼 유닛에는 복수의 툴포트를 파지할 수 있는 툴포트 그리퍼를 회전 가능하게 설치하고 공구매거진과 ATC 사이에서 툴포트를 교환하는 멀티버퍼 스테이션을 구비하고, 또한 상기 트랜스퍼 유닛에의 다른 일측에는 멀티버퍼 스테이션과 스핀들 사이에서 공구를 교환하는 ATC를 설치하여, 스핀들에 공구교환 시를 제외하고는 상기 트랜스퍼 유닛에 의해 멀티버퍼 스테이션과 ATC를 공작기계의 상부로 이동시켜 가공영역을 확대하고, 동시에 스핀들의 동작 중에 공구매거진과 멀티버퍼 스테이션 간에 미리 공구포트 교환을 수행하여 대기 하게 함으로써, 공구교환 시간을 단축한다. 또한 멀티버퍼 스테이션과 ATC를 공작기계 측면에 부착하고 공구매거진을 공작기계의 측면에 일렬로 배치함으로써 공작기계의 설치 레이아웃을 최적화 할 수 있다.

Description

공작기계의 공구교환장치{Tool change device of machine tools}

본 발명은 공작기계의 공구교환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대용량 공구매거진을 적용하는 공작기계에서 공작기계와 공구매거진을 분리하여 설치하고, 이들 사이에서 공구를 교환하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 머시닝센터와 같은 공작기계는 선삭, 밀링, 드릴링, 보링, 리밍, 태핑 등의 다양한 가공을 자동으로 수행한다. 또한 복잡하고 다양한 가공을 위해 더욱 많은 다양한 공구들을 공구매거진에 준비한 상태에서 수치제어장치의 가공프로그램에 의해 순차적으로 스핀들에 공구를 교환 장착하여 자동으로 가공을 수행한다.

일반적으로, 머시닝센터에서 중.소규모의 공구를 수납하는 공구매거진인 경우에는 공구매거진을 머시닝센터의 일측에 일체로 부착하여 사용한다. 그러나 공구매거진을 공작기계에 일체형으로 부착할 경우, 공구매거진에 수납할 공구가 많아지면서 공구매거진이 공작기계의 후방으로 확대되어, 보통 공장의 가공라인을 형성할 때 공작기계를 측면으로 일렬로 배치하고 공작기계 전후방에는 작업자나 공작물 등의 통행로로 사용하는 것에 비춰 볼 때, 공구매거진이 후방으로 확장되어 공구매거진으로 인해 공작기계가 후방의 통행로를 침범함으로써 공장 레이아웃 상 매우 불합리한 배치가 된다.

한편, 수십 내지 수 백개의 대규모 공구를 수납하는 대형 공구매거진인 경우에는 머시닝센터의 일측에 별치형으로 설치되는 대형 공구매거진을 적용한다. 이러한 대형 공구매거진을 포함하는 공작기계는 다양한 가공작업을 수행하기 위해 보다 많은 공구를 수납하는 공구매거진을 구비하는 것과, 공구매거진과 공작기계의 스핀들 사이에서 공구교환 시간을 단축하는 것과, 공구매거진을 포함한 공작기계의 크기와 설치 면적을 줄이는 것을 공통적인 과제로 가지고 있다. 그러나 이러한 요소들은 서로 모순된 관계로 많은 공구를 수납하는 공구매거진은 공구교환 시간과 설치 면적에서 불리해지고, 공구교환 시간을 단축하기 위해서는 공구매거진의 규모와 설치 면적에 한계가 발생한다. 또한, 공작기계의 크기와 설치 면적을 줄이기 위해서는 공구매거진의 규모에서 극복해야 할 문제가 발생한다.

그럼에도 산업기술이 발전함에 따라 복잡하고 다양한 가공의 자동화 요구를 만족시키기 위해서는 다양하고 많은 공구를 수납하는 매거진을 구비하고, 공구교환 시간과 설치 면적도 최적화하는 노력이 경주되고 있다.

한편, 종래기술로 제시하는 특허문헌 1, 2, 3(각각 해당 특허문헌의 도 9 참조)은 공히 공작기계의 베이스프레임 뒤쪽 상부에 수평 방향으로 공구매거진을 설치하고, 공구매거진의 앞쪽에는 공작기계의 베이스 프레임 상부에 스핀들 방향으로 수평 이동하며 스핀들에 공구를 교환하는 수직형 툴체인저가 설치되고, 또한, 공구매거진과 툴체인저 사이에서 공구를 교환해주는 툴 보이를 설치한 구조를 게시하고 있다.

그러나 이러한 공작기계 공구교환장치는, 스마트 폰 등과 같은 소형 부품 여러 개를 동시에 가공하여 대량 생산하는 다축식(멀티형) 머시닝센터로, 멀티 스핀들과 이에 대응하는 복수의 공구교환장치를 구비하는 구조이다. 이러한 공작기계는 공작기계의 베이스프레임에 공구매거진과 툴체인져와 툴 보이를 함께 설치함으로 공작기계가 대형화 되고 설치 면적도 너무 크게 차지하는 문제가 있다. 또한, 공구매거진과 스핀들 사이에서 공구를 교환하기 위한 툴체인져와 툴 보이가 함께 설치됨으로 인해 구조가 복잡해지진 문제가 있고, 더욱이 툴체인저가 공작기계의 베이스프레임 상부에 설치됨으로 인해 스핀들의 이동을 통해 형성되는 가공영역을 제한하여 공작기계의 크기에 비해 가공영역이 좁아지는 치명적인 문제가 있다. 또 다른 문제는 공구매거진이 공작기계의 베이스프레임에 일체형으로 설치됨에 따라 공구매거진을 임의로 교체할 수 없는 문제가 있다.

한국 공개특허 10-2019-0068027호 한국 공개특허 10-2019-0068019호 한국 공개특허 10-2019-0068036호

상기한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 공작기계에 다양한 공구를 제공하여 공작기계의 가공 기능을 극대화 하며, 동시에 공작기계의 스핀들에 공구를 교환하는 시간을 단축하고, 또한 공작기계의 가공영역은 극대화 하며, 나아가 공작기계의 설치 레이아웃을 최적화 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 공작기계의 공구교환장치는,

수직형 공작기계 본체와, 상기 수직형 공작기계 본체의 컬럼 상부에 수직 하부 방향으로 설치되며 공구를 회전시켜 하부 테이블에 거치된 공작물을 가공하는 스핀들을 구비한 공작기계에 있어서,

상기 스핀들과 인접한 상기 공작기계 본체의 일측면에 수직 방향으로 설치되는 트랜스퍼 유닛과;

상기 트랜스퍼 유닛의 정면 일측면에 상하 방향으로 슬라이드 이동 가능하며 수평 방향으로 연장되게 설치되는 서포트 플레이트와, 상기 서포트 플레이트에 원주 방향으로 툴포트를 고정하는 복수의 툴포트 클램프와, 상기 서포트 플레이트 하부에 회전 가능하게 설치되는 회전 프레임과, 상기 회전 프레임의 원주 방향 선단에 상기 툴포트 클램프에 대응되는 개수로 툴포트를 파지할 수 있도록 설치되는 툴포트 그리퍼를 포함하는 멀티버퍼 스테이션과;

상기 멀티버퍼 스테이션과 인접한 상기 트랜스퍼 유닛의 정면 다른 일측면에 설치되며, 상기 멀티버퍼 스테이션과 상기 공작기계 본체의 스핀들 사이에서 회동하면서 공구 교환을 수행하는 ATC(자동공구교환장치)와;

상기 멀티버퍼 스테이션을 사이에 두고, 상기 공작기계 본체와 이격된 측면의 지면에 설치되며 복수의 툴포트를 착탈 가능하게 수납하고 상기 멀티버퍼 스테이션과 공구교환을 수행하는 공구매거진을 포함한다.

바람직한 실시예로, 상기 트랜스퍼 유닛은 상기 공작기계 본체 컬럼의 일측면에 상하 방향으로 고정되는 트랜스퍼 유닛 프레임과, 상기 트랜스퍼 유닛 프레임 전면에 상하 방향으로 한 쌍으로 설치되는 엘엠가이드와, 상기 트랜스퍼 유닛 프레임의 상부에 설치되는 상하 이송모터와, 상기 상하 이송모터의 출력단에 수직 방향으로 연장되는 볼스크류를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로, 상기 트랜스퍼 유닛 프레임의 상부 일측에는 상기 트랜스퍼 유닛 프레임의 후방에서 상부를 경유하여 하부로 연장되며 내부에 전선 압축공기 호스 등을 수용하여 유연하게 굴절되는 케이블베어를 설치한 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로, 상기 멀티버퍼 스테이션은 일측면에 상기 트랜스퍼 유닛의 트랜스퍼 유닛 프레임에 상하 방향으로 설치된 한 쌍의 엘엠가이드에 슬라이드 안내되는 한 쌍의 가이드웨이를 포함하고, 상기 회전 프레임은 상기 서포트 플레이트의 중심 상부에 수직 하부 방향으로 설치되는 스테이션 회전모터의 출력축에 연결되어 상기 서포트 플레이트의 하부에서 회전 가능하게 설치되고, 상기 툴포트 클램프는 상하 방향으로 작동하는 공압실린더와 상기 공압실린더에 의해 상하로 작동하는 푸셔를 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로, 상기 푸셔는 길이 방향 특정 위치에 원주 방향으로 상기 푸셔의 상하 방향 이동 위치를 검출하기 위해 돌출되게 설치된 도그를 포함하고, 상기 도그와 대응되는 상기 서포트 프레임의 일측에는 상기 도그의 위치를 검출하는 툴클램프 센서가 설치된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로, 상기 서포트 프레임의 다른 일측에는 상기 툴포트 그리퍼에 파지된 상기 툴포트를 검출하는 툴포트 센서를 설치한 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로, 상기 ATC는 상기 트랜스퍼 유닛의 트랜스퍼 유닛 프레임의 정면 일측면에 수평 방향으로 고정되는 ATC 프레임과, 상기 ATC 프레임의 일측면에 수직 하부 방향으로 설치되는 ATC 구동모터와, 상기 ATC 프레임의 하부에 수직방향으로 설치되어 상기 ATC 구동모터에 의해 회전되는 방사상의 선단부에는 공구를 파지하는 복수의 그리퍼 암을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 대규모의 공구매거진을 사용하여 공작기계에 다양한 공구를 제공하여 공작기계의 가공 기능을 극대화 할 수 있다. 또한, 본 발명은 스핀들과 공구매거진 사이에서 멀티버퍼 스테이션을 적용하여 공구교환 시간을 단축할 수 있으며, 또한, 공작기계에 장착된 멀티버퍼 스테이션의 위치를 가변 시킴으로써 공작기계의 가공영역을 확대할 수 있다. 나아가 대규모의 공구매거진을 공작기계의 측면에 일렬로 배치함으로써 설치 레이아웃을 최적화 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로서, 공구매거진을 포함하는 공작기계의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예로서, 공구매거진을 포함하는 공작기계의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예로서, 공구매거진을 제외하고 멀티버퍼 스테이션을 포함하는 공작기계 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예로서, 멀티버퍼 스테이션과 ATC(자동공구교환장치)를 제외한 공작기계 본체의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예로서, 공작기계 본체 일측에 설치되는 트랜스퍼 유닛의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예로서, 멀티버퍼 스테이션의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예로서, 멀티버퍼 스테이션의 종단도이다.
도 8은 도 7의 A부분의 확대도이다.
도 9는 본 발명의 실시예로서, ATC(자동공구교환장치)의 사시도이다.

이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

먼저 도 1, 2를 통해 전체적인 구조를 살펴보면, 도 1은 본 발명의 실시예로서, 공구매거진(20)을 포함하는 공작기계의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예로서, 공구매거진(20)을 포함하는 공작기계의 사시도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 실시예로서, 공구매거진(20)을 제외하고 멀티버퍼 스테이션(40)을 포함하는 공작기계 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 것처럼, 본 실시예의 공작기계는 수직형 공작기계 본체(10)를 가지며, 상기 수직형 공작기계 본체(10)의 컬럼(14) 상부에는 수직 하부 방향으로 공구(13)를 회전시켜 하부 테이블(15)에 거치된 공작물을 가공하는 스핀들(11)이 설치된다.

상기 스핀들(11)과 인접한 상기 공작기계 본체(10)의 일측면에는 수직 방향으로 상하 구동수단을 구비한 트랜스퍼 유닛(30)을 설치한다.

상기 트랜스퍼 유닛(30)의 정면 일측면에는 슬라이드 이동수단에 의해 슬라이드 안내되며 상기 트랜스퍼 유닛(30)의 상하 구동수단에 의해 상하 방향으로 이동되며 수평 방향으로 연장되는 서포트 플레이트(41)와, 상기 서포트 플레이트(41)에 원주 방향으로 툴포트(12)를 고정하는 복수의 툴포트 클램프(44)와, 상기 서포트 플레이트(41) 하부에는 회전수단에 의해 회전 가능하게 설치되는 회전 프레임(48)과, 상기 회전 프레임(48)의 원주 방향 선단에 상기 툴포트 클램프(44)에 대응되는 개수로 툴포트(12)를 파지할 수 있도록 설치되는 툴포트 그리퍼(49)를 포함하는 멀티버퍼 스테이션(40)을 설치한다.

또한, 상기 트랜스퍼 유닛(30)의 정면 다른 일측면에 상기 멀티버퍼 스테이션(40)과 인접하여 설치되며, 상기 멀티버퍼 스테이션(40)과 상기 공작기계 본체(10)의 스핀들(11) 사이에서 회동하면서 공구교환을 수행하는 ATC(Automatic Tool Changer: 자동공구교환장치)(60)를 설치한다.

또한, 상기 멀티버퍼 스테이션(40)을 사이에 두고, 상기 공작기계 본체(10)와 이격된 측면의 지면에는 복수의 툴포트(12)를 착탈 가능하게 수납하고 상기 멀티버퍼 스테이션(40)과 공구교환을 수행하는 공구매거진(20)을 설치한다.

상기 공작기계 본체(10)의 구조에 대해 좀더 자세히 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예로서, 멀티버퍼 스테이션(40)과 ATC(60)(자동공구교환장치)를 제외한 공작기계 본체(10)의 사시도이다. 도 4에 도시한 것처럼, 상기 공작기계 본체(10)는 수직형의 컬럼(14)에 상하 방향으로 이동하며 회전하는 스핀들(11)이 장착되고, 상기 스핀들(11)의 하부에는 상부에 공작물을 거치하고 이송 수단(미도시)에 의해 전후 좌우로 이동하는 테이블(15)이 설치된다. 또한 상기 컬럼(14)의 일측면에는 상기 트랜스퍼 유닛(30)을 설치할 수 있는 구조물을 형성한다.

도 5는 본 발명의 실시예로서, 공작기계 본체(10) 일측에 설치되는 트랜스퍼 유닛(30)의 사시도이다. 도 5에 도시한 것처럼, 상기 트랜스퍼 유닛(30)은 상기 공작기계 본체(10)의 컬럼(14) 일측에 수직 방향으로 설치된다. 상기 트랜스퍼 유닛(30)은 상기 공작기계 본체(10) 컬럼(14)의 일측면에 상하 방향으로 고정되는 트랜스퍼 유닛 프레임(31)과, 상기 트랜스퍼 유닛 프레임(31) 전면에 슬라이드 이동수단을 구비하되, 상기 슬라이드 이동수단은 상하 방향으로 한 쌍으로 설치되는 엘엠가이드(34)를 포함한다.

또한, 상기 트랜스퍼 유닛 프레임(31) 전면에는 상하 방향으로 구동하는 상하 구동수단을 설치하되, 상기 상하 구동수단은 서보모터로 이루어지며 상기 트랜스퍼 유닛 프레임(31)의 상부에 설치되는 상하 이송모터(32)와, 상기 상하 이송모터(32)의 출력단에 수직 방향으로 연장되는 볼스크류(33)로 구성된다.

또한, 상기 트랜스퍼 유닛 프레임(31)의 상부 일측에는 상기 트랜스퍼 유닛 프레임(31)의 후방에서 상부를 경유하여 하부로 연장되며 내부에 전선 압축공기 호스 등을 수용하여 유연하게 굴절되는 케이블베어(35)를 설치한다.

도 6은 본 발명의 실시예로서, 멀티버퍼 스테이션(40)의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예로서, 멀티버퍼 스테이션(40)의 종단도이며, 도 8은 도 7의 A부분의 확대도이다.

도 6 내지 도 7에 도시한 것처럼, 상기 멀티버퍼 스테이션(40)은 일측면에 상기 슬라이드 이동수단에 포함되며 상기 트랜스퍼 유닛 프레임(31)의 엘엠가이드(34)에 상하로 슬라이드 안내되는 수직 방향으로 설치되는 한 쌍의 가이드웨이(43)를 포함하고, 상기 가이드웨이(43)와는 직교을 이루며 수평 방향으로 연장되는 서포트 플레이트(41)를 구비한다.

또한, 상기 서포트 플레이트(41)의 중심에는 수직 하부 방향으로 회전수단이 설치되며, 상기 회전수단은 상기 서포트 플레이트(41)의 상부에 수직 하부 방향으로 설치되는 서보모터로 이루어지는 스테이션 회전모터(42)와, 상기 서포트 플레이트(41)의 하부에 설치되며 상기 스테이션 회전모터(42)의 출력축에 연결되어 상기 스테이션 회전모터(42)에 의해 회전하는 회전 프레임(48)을 구비한다. 또한 상기 서포트 플레이트(41)의 중심으로부터 방사상 선단부에는 수직 하부 방향으로 복수의 툴포트 클램프(44)를 설치한다.

본 실시예에서는 상기 툴포트 클램프(44)는 상기 서포트 플레이트(41)의 중심으로부터 방사상으로는 4개의 선단부에 각각 구성한다.

상기 툴포트 클램프(44)의 상부 선단에는 상하 방향으로 작동하는 공압실린더(45)와, 상기 공압실린더(45)에 의해 상하로 작동하는 푸셔(46)를 구비한다.

또한, 상기 회전 프레임(48)은 회전 중심으로부터 방사상의 선단부에 상기 툴포트 클램프(44)와 동일한 개수로 툴포트(12)를 파지하는 툴포트 그리퍼(49)를 구비하고, 상기 툴포트 그리퍼(49)는 상기 회전 프레임(48)의 회전에 따라 상기 복수의 툴포트 클램프(44)와 수직 하부 방향으로 정렬될 수 있다.

한편, 도 7과 도 8에 도시한 것처럼, 상기 푸셔(46)는 상기 툴포트 그리퍼(49)에 툴포트(12)가 파지되었을 때 툴포트(12)의 상부 홈에 삽입되어 툴포트(12)가 수평 방향으로 이동하지 못하도록 고정하는 역할을 한다. 또한, 상기 푸셔(46)는 길이 방향 특정 위치에 원주 방향으로 상기 푸셔(46)의 상하 방향 이동 위치를 검출하기 위해 돌출되는 도그(47)를 설치한다.

또한, 상기 도그(47)와 대응되는 상기 서포트 프레임의 일측에는 상기 도그(47)의 위치를 검출하는 툴클램프 센서(50)가 설치된다. 또한, 상기 서포트 프레임의 다른 일측에는 상기 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 상기 툴포트(12)를 검출하는 툴포트 센서(51)를 설치한다.

도 9는 본 발명의 실시예로서, ATC(60)(자동공구교환장치)의 사시도이다. 상기 ATC(60)는 도 2, 3 및 도 9에 도시한 것처럼, 상기 트랜스퍼 유닛(30)의 트랜스퍼 유닛 프레임(31)의 정면 일측면에 수평 방향으로 고정되는 ATC 프레임(61)과, 상기 ATC 프레임(61)의 일측면에 수직 하부 방향으로 설치되는 ATC 구동모터(62)와, 상기 ATC 프레임(61)의 하부에 수직방향으로 설치되어 상기 ATC 구동모터(62)에 의해 회전하며, 방사상으로 회전하는 선단부에는 공구(13)를 파지하는 복수의 그리퍼 암(63)을 구비한다. 바람직하게 본 실시예에서는 상기 그리퍼 암(63)은 4개로 이루어진다.

한편, 도 1, 2에서 도시한 것처럼, 상기 공구매거진(20)은, 본 실시예에서는, 라운드타입 공구매거진(20)을 사용한다. 이러한 라운드타입 공구매거진(20)은 내부에 복수의 공구수납부(22)를 구비하고, 각각의 공구수납부(22)에는 공구(13)가 장착된 툴포트(12)가 거치된다.

또한, 상기 공구매거진(20)은 공구매거진(20)의 내부에서 상하, 회전 및 전후진 이동 가능하게 체인져암(21)이 설치되며, 상기 체이져암은 공구수납부(22)에 거치된 툴포트(12)를 파지하여 상기 멀티버퍼 스테이션(40)으로 이동시키거나, 상기 멀티버퍼 스테이션(40)에 파지된 툴포트(12)를 파지하여 상기 공구수납부(22)로 이동시킨다. 또한 상기 멀티버퍼 스테이션(40)과 인접한 위치의 상기 라운드타입 공구매거진(20)의 외벽에는 상기 체인져암(21)이 출몰할 수 있는 출입구(23)가 형성된다.

한편, 상기 라운드타입 공구매거진(20)은 최대한 많은 공구(13)를 수납하고, 공작기계의 전후 방향으로 설치 면적이 넓어지는 것을 방지하기 위해 공작기계의 측면에 일렬로 배치되는 레이아웃을 가지도록 설치한다.

한편, 본 실시예의 상기 라운드타입 공구매거진(20)은 대용량 공구매거진(20)의 일종으로, 매트릭스 방식 공구매거진(20)이나 체인 방식 공구매거진(20) 등 다양한 유형의 대용량 공구매거진(20)으로 대체할 수 있다. 다만 상기 라운드타입 공구매거진(20)에 대체되는 공구매거진(20)은 상기 멀티버퍼 스테이션(40)과 툴포트(12) 교환이 가능한 위치에 툴포트(12) 교환장치를 구비하여야 한다.

이하에서는 본 발명의 상기 실시예 구성에 대해 작용효과를 살펴본다.

먼저 공구매거진(20)에서 공작기계 본체(10)의 스핀들(11)에 공구(13)를 교환하는 과정을 살펴본다.

수치제어장치(미도시)의 지령에 따라 공구매거진(20)의 체인져암(21)이 라운드타입 공구매거진(20) 내부에서 상하, 회전 및 전후진 동작을 통해 지령된 공구(13)가 수납된 공구수납부(22)로 접근하여 지령된 공구(13)가 장착된 툴포트(12)를 파지하고, 다시 상하, 회전 및 전후진 동작을 통해 파지한 툴포트(12)를 공구매거진(20)의 출입구(23)를 통해 외부로 이송한다.

이 때 트랜스퍼 유닛(30)은 수치제어장치의 지령에 따라 상기 상하 이송모터(32)를 구동시켜, 상기 상하 이송모터(32)의 출력축에 연동되는 볼스크류(33)의 회전에 의해 상기 볼스크류(33)에 결합된 멀티버퍼 스테이션(40)을 체인져암(21)에 파지된 툴포트(12)의 높이 위치로 이동시킨다. 이 때 상부로 이동한 멀티버퍼 스테이션(40)의 상기 툴포트 그리퍼(49)는 상기 체인져암(21)에 파지된 툴포트(12)와 동일한 높이가 된다. 또한, 이 때 멀티버퍼 스테이션(40)은 서포트 플레이트(41)의 일측 가이드웨이(43)가 트랜스퍼 유닛 프레임(31)의 엘엠가이드(34)에 안내되면서 상기 멀티버퍼 스테이션(40)을 상부로 이동된다.

이어서 상기 멀티버퍼 스테이션(40)의 서포트 플레이트(41) 상부에 설치된 스테이션 회전모터(42)가 회전하여 서포트 블레이트 하부에 설치된 회전 프레임(48)을 회전 시키고, 회전 프레임(48)의 회전에 따라 상기 회전 프레임(48) 방사상 구조물의 선단에 구비된 툴포트 그리퍼(49)가 상기 체인져암(21)에 파지된 툴포트(12)를 파지하여 탈거한다.

한편, 상기 스테이션 회전모터(42)의 회전에 따라 상기 툴포트 그리퍼(49)가 상기 체인져암(21)에 파지된 툴포트(12)를 파지한 후에는 상기 스테이션 회전모터(42)가 회전하여 툴포트 그리퍼(49)가 파지한 툴포트(12)를 상기 서포트 플레이트(41)의 선단에 설치된 툴포트 클램프(44)와 수직 방향으로의 정렬되게 하고, 툴포트 클램프(44)의 공압실린더(45)를 작동시며 푸셔(46)의 선단이 툴포트(12)의 후단 삽입홈(52)에 삽입되게 함으로써, 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 툴포트(12)가 수평 방향으로 흔들리거나 이탈하지 않도록 고정해준다.

한편, 상기 푸셔(46)의 선단이 툴포트(12)의 후단 삽입홈(52)에 삽입됨에 따라 상기 푸셔(46)에 설치된 도그(47)는 상기 서포트 플레이트(41)에 설치된 툴클램프 센서(50)에 의해 검출되어 상기 툴포트 클램프(44)에 툴포트(12)가 파지되었다는 신호를 제어부(미도시)에 인가하게 된다. 또한, 이 때 상기 서포트 플레이트(41)의 선단 일측에 설치된 툴포트 센서(51)는 상기 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 툴포트(12)의 후단 일측을 근접 센싱 방식으로 검출함으로써 상기 툴포트 그리퍼(49)에 툴포트(12)가 정위치에 파지되었다는 신호를 제어부에 인가하게 된다.

이후 멀티버퍼 스테이션(40)의 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 툴포트(12)는 스테이션 회전모터(42)의 회전에 의해 공작기계 본체(10)와 인접하며 상기 트랜스퍼 유닛(30) 플레임의 일측에 설치된 ATC(60)와 근접한 위치로 회동하게 된다. 이 때 툴포트 클램프(44)의 공압실린더(45)에는 압축공기가 배출되어 공압실린더(45)에 의해 아래로 가압되던 푸셔(46)는 가압력을 상실하여 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 툴포트(12)가 툴포트 그리퍼(49)와 함께 회전 가능하게 된다.

또한, 상기 ATC(60) 쪽으로 회동한 툴포트(12)는 상부의 툴포트 클램프(44)의 공압실린더(45)에 압축공기가 공급되고 그에 따라 푸셔(46)가 하강하여 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 상태에서 수평 방향으로 흔들리지 않게 고정된 상태를 유지하도록 한다.

이어서 ATC 프레임(61)에 설치된 ATC 구동모터(62)가 회전하여 ATC 프레임(61)의 하부에 설치된 그리퍼 암(63)이 상기 툴포트(12)의 공구(13)를 파지하여 상기 풀포트로부터 공구(13)를 탈거한다.

이후 수치제어장치의 지령에 따라 ATC 구동모터(62)가 회전하여 그리퍼 암(63)에 파지된 공구(13)를 공작기계 본체(10)의 스핀들(11) 하부로 이동시킨 다음 ATC(60)를 상승시켜 그리퍼 암(63)에 파지된 공구(13)를 스핀들(11)에 장착하게 된다.

한편, 이와 같이 공구(13)를 스핀들(11)에 장착 완료하면, ATC(60)의 다른 쪽 그리퍼 암(63)에는 상기 스핀들(11)로부터 탈거한 공구(13)가 파지된 상태일 수 있다. 스핀들(11)로부터 탈거한 공구(13)를 상기 공구매거진(20)의 공구수납부(22)로 이동 시키는 과정은 대체적으로 상기 스핀들(11)에 공구(13)를 장착하는 과정의 역순이지만, 이해를 돕기 위해 스핀들(11)로부터 탈거한 공구(13)를 공구매거진(20)에 반환하는 과정을 아래에서 좀 더 자세히 설명한다.

먼저, ATC 구동모터(62)를 회전시켜 그리퍼 암(63)에 파지된 공구(13)를 멀티버퍼 스테이션(40)의 공구(13)가 탈거된 툴포트(12) 위치로 회전시킨 다음 그리퍼 암(63)에 파지된 공구(13)를 멀티버퍼 스테이션(40)의 툴포트(12)에 반환한다.

이 때, 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 툴포트(12)는 서포트 플레이트(41)의 선단에 설치된 툴포트 클램프(44)와 수직 방향으로의 정렬된 상태에서 툴포트 클램프(44)의 공압실린더(45)가 작동하여 푸셔(46)의 선단이 툴포트(12)의 후단 삽입홈(52)에 삽입되게 함으로써, 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 툴포트(12)는 수평 방향으로 흔들리거나 이탈하지 않도록 고정된다.

한편, 툴포트 클램프(44)에 의해 고정된 툴포트(12)는 툴포트 그리퍼(49)가 회전하기 위해서는 툴포트 클램프(44)의 공압실린더(45)에 공급된 압축공기가 배출되면서 푸셔(46)의 선단이 툴포트(12)의 후단 삽입홈(52)으로부터 이탈 가능한 상태가 된다. 한편, 이 과정에서 반납된 공구(13)를 수납한 툴포트(12)를 공구매거진(20) 방향으로 즉시 이동할 경우에는 상기 툴포트 클램프(44)의 동작을 실행하지 않을 수도 있다.

이어서 반납된 공구(13)를 수납한 툴포트(12)는 스테이션 회전모터(42)의 회전에 의해 멀티버퍼 스테이션(40) 측면에 설치된 공구매거진(20) 방향으로 회전한다. 이후 툴포트 클램프(44)의 공압실린더(45)가 작동하여 푸셔(46)의 선단이 툴포트(12)의 후단 삽입홈(52)에 삽입되게 함으로써, 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 툴포트(12)는 수평 방향으로 흔들리거나 이탈하지 않도록 고정한다.

이어서 상기 볼스크류(33)의 회전에 의해 상기 볼스크류(33)에 장착된 멀티버퍼 스테이션(40)은 상부로 이동한다. 이 때 멀티버퍼 스테이션(40)이 상부로 이동 함에 따라 상기 멀티버퍼 스테이션(40)의 툴포트 그리퍼(49)에 장착된 툴포트(12)는 공구매거진(20)의 체인져암(21)과 동일한 높이에 위치하고, 상기 체인져암(21)이 전진하여 툴포트 그리퍼(49)에 파지된 툴포트(12)를 탈거하여 파지하고, 다시 체인져암(21)이 후진 및 상하 또는 회전 이동을 통해 체인져암(21)에 파지된 툴포트(12)를 공구매거진(20) 내부의 정해진 공구수납부(22)에 반환한다.

한편, 이 때 상기 툴클램프 센서(50)와 툴포트 센서(51)는 툴포트 클램프(44)에서 툴포트(12)가 탈거되는 것을 검출하여 제어부에 신호를 제공함으로써 다음 동작에서 툴포트 클램프(44)에 툴포트(12)를 파지할 수 있게 한다.

이와 같이, 스핀들(11)과 ATC(60) 간에 공구교환을 하지 않을 때는 트랜스퍼 유닛 프레임(31)에 장착된 멀티버퍼 스테이션(40)과 ATC(60)가 공작기계의 가공 영역으로부터 상부로 후퇴함으로써, 멀티버퍼 스테이션(40)과 ATC(60)가 공작물의 가공영역에 간섭을 일으키지 않으므로 가공영역이 확대된다.

또한, 멀티버퍼 스테이션(40)이 트랜스퍼 유닛 프레임(31) 상에서 상부로 이동한 상태에서, 스핀들(11)에서는 공작물을 가공하고 있는 동안에, 공구매거진(20)과 멀티버퍼 스테이션(40) 간에 툴포트(12)를 미리 교환하여 대기하다가 스핀들(11)에 공구교환 요구가 있을 때, 곧 바로 멀티버퍼 스테이션(40)이 트랜스퍼 유닛 프레임(31) 상에서 하강하여 스핀들(11)에 공구(13)를 교환함으로써, 스핀들(11)의 공구교환 시간을 단축할 수 있다.

더 나아가 상기 멀티버퍼 스테이션(40)의 회전 프레임(48)에 복수의 툴포트 클램프(44)와 툴포트 그리퍼(49)를 설치하고, ATC(60)에도 복수의 그리퍼 암(63)을 설치함으로써, 더 많은 툴포트(12)나 공구(13)를 툴포트 그리퍼(49)나 ATC(60)의 그리퍼 암(63)에 교환된 상태로 대기할 수 있게 함으로써, 스핀들(11)의 잦은 공구교환 요구에 대응하여 더욱 빠른 공구교환 시간을 제공할 수 있다.

한편, 상기 케이블베어(35)에는 내부에 상기 스테이션 회전모터(42), 상기 ATC 구동모터(62), 상기 툴클램프 센서(50), 툴포트 센서(51) 등으로 연결되는 전선과 상기 공압실린더(45)로 연결되는 공압호스 등을 수용하고 상기 멀티버퍼 스테이션(40)이 상하로 이동할 때 유연하게 안내함으로써 상기 전선이나 공압호스 등이 손상되지 않도록 한다.

또한, 일반적으로 공작기계가 좌우 방향으로 라인 형태로 설치하는 것이 바람직한 공장 레이아웃임을 감안할 때, 공구매거진(20)을 공작기계 본체(10)의 측면에 별치형의 일렬로 설치함으로써, 필요에 따라 다양한 종류의 공구매거진(20)을 교체하여 설치할 수 있을 뿐만 아니라, 대형 공구매거진(20)을 공작기계의 측면에 전후 방향으로 고정 방식으로 장착함에 따라 공작기계의 전후 방향 설치 면적이 확대되는 것에 비해 전후 방향 공작기계의 설치 레이아웃을 줄일 수 있다.

10 공작기계 본체
11 스핀들
12 툴포트
13 공구
14 컬럼
15 테이블
20 공구매거진
21 체인져암
22 공구수납부
23 출입구
30 트랜스퍼 유닛
31 트랜스퍼 유닛 프레임
32 상하 이송모터
33 볼스크류
34 엘엠가이드
35 케이블베어
40 멀티버퍼 스테이션
41 서포트 플레이트
42 스테이션 회전모터
43 가이드웨이
44 툴포트 클램프
45 공압실린더
46 푸셔
47 도그
48 회전 프레임
49 툴포트 그리퍼
50 툴클램프 센서
51 툴포트 센서
52 삽입홈
60 ATC
61 ATC 프레임
62 ATC 구동모터
63 그리퍼 암

Claims

수직형 공작기계 본체와, 상기 수직형 공작기계 본체의 컬럼 상부에 수직 하부 방향으로 설치되며 공구를 회전시켜 하부 테이블에 거치된 공작물을 가공하는 스핀들을 구비한 공작기계에 있어서,
상기 스핀들과 인접한 상기 공작기계 본체의 일측면에 수직 방향으로 설치되는 트랜스퍼 유닛과;
상기 트랜스퍼 유닛의 정면 일측면에 상하 방향으로 슬라이드 이동 가능하며 수평 방향으로 연장되게 설치되는 서포트 플레이트와, 상기 서포트 플레이트에 원주 방향으로 툴포트를 고정하는 복수의 툴포트 클램프와, 상기 서포트 플레이트 하부에 회전 가능하게 설치되는 회전 프레임과, 상기 회전 프레임의 원주 방향 선단에 상기 툴포트 클램프에 대응되는 개수로 툴포트를 파지할 수 있도록 설치되는 툴포트 그리퍼를 포함하는 멀티버퍼 스테이션과;
상기 멀티버퍼 스테이션과 인접한 상기 트랜스퍼 유닛의 정면 다른 일측면에 설치되며, 상기 멀티버퍼 스테이션과 상기 공작기계 본체의 스핀들 사이에서 회동하면서 공구 교환을 수행하는 ATC(자동공구교환장치)와;
상기 멀티버퍼 스테이션을 사이에 두고, 상기 공작기계 본체와 이격된 측면의 지면에 설치되며 복수의 툴포트를 착탈 가능하게 수납하고 상기 멀티버퍼 스테이션과 공구교환을 수행하는 공구매거진을 포함하는 공작기계의 공구교환장치.
제 1 항에 있어서, 상기 트랜스퍼 유닛은 상기 공작기계 본체 컬럼의 일측면에 상하 방향으로 고정되는 트랜스퍼 유닛 프레임과, 상기 트랜스퍼 유닛 프레임 전면에 상하 방향으로 한 쌍으로 설치되는 엘엠가이드와, 상기 트랜스퍼 유닛 프레임의 상부에 설치되는 상하 이송모터와, 상기 상하 이송모터의 출력단에 수직 방향으로 연장되는 볼스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환장치.
제 2 항에 있어서, 상기 트랜스퍼 유닛 프레임의 상부 일측에는 상기 트랜스퍼 유닛 프레임의 후방에서 상부를 경유하여 하부로 연장되며 내부에 전선과 압축공기 호스를 수용하여 유연하게 굴절되는 케이블베어를 설치한 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환장치.
제 1 항에 있어서, 상기 멀티버퍼 스테이션은 일측면에 상기 트랜스퍼 유닛의 트랜스퍼 유닛 프레임에 상하 방향으로 설치된 한 쌍의 엘엠가이드에 슬라이드 안내되는 한 쌍의 가이드웨이를 포함하고, 상기 회전 프레임은 상기 서포트 플레이트의 중심 상부에 수직 하부 방향으로 설치되는 스테이션 회전모터의 출력축에 연결되어 상기 서포트 플레이트의 하부에서 회전 가능하게 설치되고, 상기 툴포트 클램프는 상하 방향으로 작동하는 공압실린더와 상기 공압실린더에 의해 상하로 작동하는 푸셔를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환장치.
제 4 항에 있어서, 상기 푸셔는 길이 방향 특정 위치에 원주 방향으로 상기 푸셔의 상하 방향 이동 위치를 검출하기 위해 돌출되게 설치된 도그를 포함하고, 상기 도그와 대응되는 상기 서포트 프레임의 일측에는 상기 도그의 위치를 검출하는 툴클램프 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환장치.
제 1 항에 있어서, 상기 서포트 프레임의 다른 일측에는 상기 툴포트 그리퍼에 파지된 상기 툴포트를 검출하는 툴포트 센서를 설치한 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환장치.
제 1 항에 있어서, 상기 ATC는 상기 트랜스퍼 유닛의 트랜스퍼 유닛 프레임의 정면 일측면에 수평 방향으로 고정되는 ATC 프레임과, 상기 ATC 프레임의 일측면에 수직 하부 방향으로 설치되는 ATC 구동모터와, 상기 ATC 프레임의 하부에 수직방향으로 설치되어 상기 ATC 구동모터에 의해 회전되는 방사상의 선단부에는 공구를 파지하는 복수의 그리퍼 암을 구비한 것을 특징으로 하는 공작기계의 공구교환장치.