WO2012161367A1 - Ｃｎｃ 실리콘 다축 가공기 - Google Patents

Ｃｎｃ 실리콘 다축 가공기 Download PDF

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WO2012161367A1
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PCT/KR2011/003976
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박진경
정광호
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하나실리콘(주)
(주)성현테크놀로지
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Abstract

본 발명은 2개의 실리콘 기재가 병렬 탑재되는 작업대; 상기 작업대를 가공기 본체 정면의 전후방향으로 이송 제어하는 Y축 구동부; 상기 작업대 상부에서 2개의 실리콘 기재를 각각 동시 가공하는 2개의 스핀들이 병렬 설치되는 주축대; 상기 주축대를 가공기 본체 정면의 상하방향으로 이송 제어하는 Z축구동부; 및 상기 Z축구동부를 포함하는 주축대를 가공기 본체 정면의 좌우방향으로 이송 제어하는 X축 구동부;를 포함하는 것을 특징한다.

Description

ＣＮＣ 실리콘 다축 가공기
본 발명은 CNC 실리 다축 가공기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초정밀 고속 가공이 가능한 4축 스핀들이 탑재된 CNC 실리콘 다축 가공기에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 가공기라 함은 이동통신기기 등의 윈도우로 사용되는 강화유리(이하 실리콘이라 칭함) 제품의 홀 가공 등에 사용되는 장치를 일컫는다.
현재 실리콘 가공에 사용되는 기본 장비는 일반 범용 머시닝 센터나 태핑 머신이 주를 이루고 있다. 이들 장비는 본래의 장비 특성상 가공 범위가 금형 및 엔진 등의 탭 작업을 목적으로 생산되어진 장비이다. 절입 량을 최대화시켜 가공 시간을 줄이거나 신속한 탭 작업을 필요로 하는 제품에 있어서는 최적의 장비이나 실리콘 가공 등의 0.4파이 이하의 미세 드릴 가공에 있어서는 적합하지 못하다.
이러한, 실리콘 가공기에 있어서 가장 핵심 요소는 진동을 최소화 시키고 양산성을 확대하는데 있다. 가공 중 대부분을 차지하는 웨이퍼 드릴 가공의 경우 제품 한 개를 생산하는데 약 40시간 이상의 시간을 필요로 하며 가공 중 드릴의 파손이 발생할 경우 바로 불량으로 이어지며 막대한 재정 손실을 가져온다.
이들 장비는 특성상 가/감속 시간을 짧게 하고 스핀들의 저속 고토르크를 유지시키기 위해 서보 스핀들을 사용하게 되는데 이는 이송 및 스핀들 회전시 진동을 발생 시키게 되고 이에 의해 드릴의 조기 마모 및 공구의 파손을 유발시켜 공구의 정기적 수명을 예측하기 어렵게 만드는 문제가 있었다.
이러한, 공구의 수명 불확실성은 제품의 불량률을 증대시키며 생산에 있어서 정기적인 생산 계획에도 차질을 빚게 되는 문제가 있었다.
특히, 한 개의 제품을 생산하는데 2일 이상의 시간이 소요되는 실리콘 가공에 있어서는 기존의 1축의 가공방식으로는 생산성 향상에 많은 한계를 갖는 문제가 있었다.
상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 생산성 향상을 위해 2개의 스핀들이 탑재되는 주축대 및 2개의 실리콘 기재를 동시 가공할 수 있도록 작업대를 구성하고, 셋팅 시간 단축과 아울러 가공툴의 조기 파손이 방지되도록 하기 위해 자동 측정장치 및 자동 툴교환장치를 구성하도록 된 CNC 실리콘 다축 가공기를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 2개의 실리콘 기재가 병렬 탑재되는 작업대; 상기 작업대를 가공기 본체 정면의 전후방향으로 이송 제어하는 Y축 구동부; 상기 작업대 상부에서 2개의 실리콘 기재를 각각 동시 가공하는 2개의 스핀들이 병렬 설치되는 주축대; 상기 주축대를 가공기 본체 정면의 상하방향으로 이송 제어하는 Z축구동부; 및 상기 Z축구동부를 포함하는 주축대를 가공기 본체 정면의 좌우방향으로 이송 제어하는 X축 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기를 통해 달성될 수 있다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은 2개의 스핀들이 탑재되는 주축대 및 2개의 실리콘 기재를 동시 가공할 수 있도록 작업대를 구성함으로써, 생산성이 향상되는 것은 물론, 자동 측정장치 및 툴교환장치를 통해 셋팅 시간 단축과 아울러 가공툴의 조기 파손이 방지되도록 하고, 나아가 최소의 비용으로 소비자의 욕구를 충족시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 실리콘 제품의 가공 홀의 일정한 크기와 가공 홀의 일정한 간격 유지가 가능하고, 홀의 수직 직진성 및 치핑(chipping) 성능이 향상되는 효과를 갖게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 외형을 도시한 정면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 내부구조를 도시한 정단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 내부구조를 도시한 평면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 내부구조를 도시한 측면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 툴교환장치 구조를 설명하기 위한 정단면도.
도 6은 도 5의 툴교환장치 구조를 도시한 평면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 외형을 도시한 정면도로서, 본 발명의 가공기는 외형상, 가공기 본체(110)의 상부 작업공간이 도어(111)를 이용해 밀폐 및 개방되도록 함으로써, 작업시의 안전사고를 방지하고 있다. 이때, 상기 도어(111) 일측에는 가공기의 작업조건을 셋팅하거나 컨트롤할 수 있는 제어부(113)를 구비하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 내부구조를 도시한 정단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 내부구조를 도시한 평면도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 내부구조를 도시한 측면도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 전체적인 구성에 대해 살펴보면, 2개의 실리콘 기재(101)가 병렬 탑재되는 작업대(120)와, 상기 작업대(120)를 가공기 본체(110) 정면의 전후방향으로 이송 제어하는 Y축 구동부(130)와, 상기 작업대(120) 상부에서 2개의 실리콘 기재(101)를 각각 동시 가공할 수 있도록 하는 2개의 스핀들(141)(143)이 병렬 설치되는 주축대(140)와, 상기 주축대(140)를 가공기 본체(110) 정면의 상하방향으로 이송 제어하는 Z축구동부(150)와, 상기 Z축구동부(150)를 포함하는 주축대(140)를 가공기 본체(110) 정면의 좌우방향으로 이송 제어하는 X축 구동부(160)와, 상기 주축대(140) 후방에서 전후진 가능한 상태로 설치되어 스핀들(141)(143) 각각의 가공툴을 교환 및 자동공급되도록 하는 툴교환장치(170)로 구성된다.
상기 본 발명을 구성하는 각 구성요소에 대해 자세히 설명함에 있어, 먼저 상기 작업대(120)에 대해 설명한다.
상기 작업대(120)는 고정스테이지(121) 및 서보스테이지(123)로 구성되는데, 상기 고정스테이지(121)는 위치가 고정되어 있는 스테이지로서, 탑재되는 실리콘 기재(101)의 가공중심을 셋팅하기 위해서 Y축 구동부(130) 및 X축 구동부(160)를 이용하게 된다.
반면, 상기 서보스테이지(123)는 고정스테이지(121)의 일측에 설치되어 위치가 가변되는 스테이지로서, 서보스테이지(123) 상에 탑재되는 실리콘 기재(101)의 가공중심은 고정스테이지(121) 상에 탑재된 실리콘 기재(101)의 셋팅된 가공중심을 기점으로 하여 셋팅하게 된다.
이때, 상기 서보스테이지(123)는 Y축 구동부(130) 및 X축 구동부(160)를 움직일 경우, 고정스테이지(121)의 기 셋팅된 원점이 변경되기 때문에, 서보스테이지(123) 하부에 별도 설치되어 있는 U/V축 구동장치(125)를 이용해 좌우 및 전후방향으로의 미세좌표를 셋팅함으로써, 실리콘 기재(101)의 가공중심을 셋팅하게 된다.
여기서, 상기 Y축 구동부(130)에 대해 설명하면, 작업대(120)를 가공기 본체(110) 정면의 전후방향으로 이송 제어하도록 하는 것으로서, 작업대(120)와 가공기 본체(110) 사이가 Y축 리니어가이드(135)에 의해 슬라이드 이동이 가능한 상태로 설치되어 있고, 상기 가공기 본체(110)의 후방에는 Y축 서보모터(131)가 설치되어 있으며, 상기 Y축 서보모터(131)의 회전동력을 전달받는 Y축 볼스크류(133)가 작업대(120)측과 스크류 결합됨으로써, Y축 서보모터(131)의 정/역회전에 연동하여 작업대(120)가 전후진 이동되도록 한다.
그리고, 상기 주축대(140)에 대해 설명하면, 상기 작업대(120) 상부에 탑재된 2개의 실리콘 기재(101)를 각각 동시 가공하기 위한 2개의 스핀들(141)(143)이 병렬 설치되고 있고, 상하 수직방향에 대해서 상호 슬라이드 이동 가능한 상태로 작업대 베이스(145)에 대향 설치되고 있다.
이때, 상기 제1스핀들(141)과 제2스핀들(143) 사이의 이격거리는 300~700MM일 수 있다.
그리고, 상기 주축대(140)와 주축대 베이스(145) 사이는 Z축구동부(150)가 설치되는데, 상기 Z축구동부(150)는 주축대(140)와 주축대 베이스(145) 사이가 Z축 리니어가이드(155)에 의해 슬라이드 이동이 가능한 상태로 설치되어 있고, 상기 주축대 베이스(145)의 상부에는 Z축 서보모터(151)가 설치되어 있고, 상기 Z축 서보모터(151)의 회전동력을 전달받는 Z축 볼스크류(153)가 주축대(140) 측에 스크류 결합되어 Z축 서보모터(151)의 정/역회전에 연동하여 주축대(140)가 상하 이동되도록 한다.
상기 Z축구동부(150)를 포함하는 주축대(140)를 가공기 본체(110) 정면의 좌우방향으로 이송 제어되도록 하는 X축 구동부(160)가 설치된다.
상기 X축 구동부(160)는 주축대 베이스(145)와 가공기 본체(110) 사이가 X축 리니어가이드(165)에 의해 슬라이드 이동이 가능한 상태로 설치되어 있고, 상기 가공기 본체(110)의 일측에는 X축 서보모터(161)가 설치되어 있으며, 상기 X축 서보모터(161)의 회전동력을 전달받는 X축 볼스크류(163)가 주축대 베이스(145) 측에 스크류 결합됨으로써, X축 서보모터(161)의 정/역회전에 연동하여 주축대 베이스(145)가 좌우 이동하게 된다.
이때, 상기 주축대(140) 후방는 스핀들(141)(143) 각각의 가공툴을 교환 및 자동 공급되도록 하는 툴교환장치(170)가 설치된다.
상기 툴교환장치(170)는 다수의 가공툴이 장착된 툴장착부(171)와, 상기 툴장착부(171)를 스핀들(141)(143) 전방에 위치시키도록 전후진 작동하는 엑츄에이터부(175)로 구성된다.
그리고, 상기 툴 장착부(171)는 도 5, 도 6에서 보는 바와 같이 2개 이상의 가공툴을 장착하도록 되어 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기의 툴교환장치 구조를 설명하기 위한 정단면도이고, 도 6은 도 5의 툴교환장치 구조를 도시한 평면도이다. 동 도면에서는 3개의 가공툴을 장착할 수 있도록 3개의 홀더(173)가 구비되는 예를 도시하고 있다.
상기 각각의 홀더(173)는 전자클러치 또는 유압작동이 가능한 집게 형태로 제작될 수 있다.
그리고, 상기 엑츄에이터부(175)는 전자클러치 및 실린더 및 피스톤으로 이루어진 유압장치가 이용될 수 있다.
상기한 바와 같은 구성의 툴교환장치(170)는 0.4파이 이하의 미세 드릴을 이용해 실리콘 기재(101)를 바로 가공할 경우, 가공툴(T)(예: 드릴)의 휨이 발생하여 홀의 편심 및 드릴의 파손이 발생하는 것을 방지하기 위해 설치되는 것으로서, 크기가 다른 가공툴(T)을 단계적으로 사용해 센터 작업을 수행하게 된다. 이를 위해 최소 2개 이상의 가공툴 자동 교환해주는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 도면을 통해 최대 최대 4개의 가공툴을 장착하는 예를 도시하고 있다.
이하, 상기한 구성에 따른 본 발명의 가공공정에 대해 설명한다.
제1단계로서, 작업에 사용될 모든 가공툴의 높이를 높이 측정기를 이용하여 동일한 높이로 셋팅한다.
다음, 제2단계로서, 실리콘 기재를 가공에 필요한 일정한 형태로 10㎛이하의 공차를 가지게 가공한다.
다음, 3단계로서, 가공에 필요한 실리콘 기재를 고정스테이지 탑재되도록 한다.
다음, 4단계로서, 1번 스핀들에 측정장치를 장착한다.
다음, 5단계로서, 측정장치를 이용하여 실리콘 기재를 자동 측정하고 가공 중심점을 찾는다.
다음, 6단계로서, 가공에 적합한 공구를 제1스핀들(141)에 삽입한 후 Z축구동부(150)를 상/하 이송시켜 깊이에 대한 작업 원점을 셋팅한다.
다음, 7단계로서, 실리콘 기재를 서보스테이지에 탑재시킨다.
다음, 8단계로서, 제2스핀들(143)에 측정장치를 장착한다.
다음, 9단계로서, X축 구동부(160) 및 Y축 구동부(130)를 고정시킨 후, 측정장치를 이용하여 자동으로 U/V축 구동장치(125)를 구동시켜 2번째 실리콘 기재의 가공 중심점을 찾는다.
다음, 10단계로서, 가공에 적합한 가공툴을 제2스핀들(143)에 삽입한 후, Z축을 상/하 이송시켜 깊이에 대한 작업 원점을 셋팅한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기는 U/V축 구동장치(125)를 장착함으로써, 작업자의 셋팅 시간을 대폭 단축시킬 수 있게 된다.
상기한 바와 같은 U/V축 구동장치(125)는 U축(좌우)방향과 V축(전후)방향에 각각 리니어 가이드, 볼스크류 및 서보모터가 장착되어 자동 구동될 수 있다.
이와 같은 U/V축 구동장치(125)는 CNC 컨트롤러에서 자체 제어가 가능하며 작업자가 휴대용 펄스 제너레이터를 이용하면 원하는 축 이송이 가능하다.
또한, 본 발명의 가공기는 자동 측정장치를 스핀들(141)(143)에 장착한 후, 제어 프로그램을 이용하여 2축을 세팅하게 되는데, 가공 중심점을 찾기 위해 실리콘 기재의 외곽을 측정함으로써, 사분 점에 대한 위치 값을 실시간으로 판독할 수 있게 되며, 이를 통해 정밀하고 신속한 셋팅작업이 이루어지게 된다.
이때, 상기 자동 측정장치 및 수동 인디게이터를 스핀들(141)(143)에 장착한 후 실리콘 기재를 측정하기 위해서는 스핀들(141)(143)의 회전이 고정되어 있어야 한다.
만약, 측정장치의 흔들림이 발생되면 일정한 위치에서 정밀한 측정이 불가능하기 때문이다.
이에, 본 발명에서는 자동 측정장치 및 인디게이터 측정시에 스핀들(141)(143)에 1~2BAR의 공압을 가해 스핀들(141)(143)의 회전을 임의의로 억제시켜 진동이 발생되는 것을 방지하고 있다.
이때, 스핀들(141)(143)에 가해지는 공압이 5~5.5BAR를 초과할 경우, 공구의 탈착이 이루어지기 때문에 1~2BAR의 최소공압을 가해서 스핀들의 회전은 억제시키면서 공구의 탈착은 이루어지지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기한 구성 및 작업공정을 갖는 본 발명은 실리콘 드릴 작업에 적합한 고주파 스핀들을 장착함과 아울러, 저진동을 실현하기 위해 소형 툴 장착이 가능한 스핀들을 사용함으로써, 회전 시 진동을 최소화시키도록 하였으며, 제품의 일정한 크기를 유지시켜야 하는 홀의 경우 회전시 0~3㎛ 이내의 런 아웃(회전시 발생되는 기하공차)을 실현시켜 드릴의 조기 마모방지, 홀 편심방지, 드릴 파손 방지가 이루어지도록 하였다. 이를 통한 본 발명은 드릴의 마모율을 30%이상 향상시킬 수 있게 된다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 CNC 실리콘 다축 가공기는 실리콘 가공용 전용기로서, 2개의 스핀들이 탑재되는 주축대 및 2개의 실리콘 기재를 동시 가공할 수 있도록 작업대를 구성함으로써, 생산성이 향상되는 것은 물론, 자동 측정장치 및 툴교환장치를 통해 셋팅 시간 단축과 아울러 가공툴의 조기 파손이 방지되도록 하고, 나아가 최소의 비용으로 소비자의 욕구를 충족시킬 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 실리콘 제품의 가공 홀의 일정한 크기와 가공 홀의 일정한 간격 유지가 가능하고, 홀의 수직 직진성 및 치핑(chipping) 성능이 향상되는 이점을 갖게 된다.

Claims (9)

  1. 2개의 실리콘 기재(101)가 병렬 탑재되는 작업대(120);
    상기 작업대(120)를 가공기 본체(110) 정면의 전후방향으로 이송 제어하는 Y축 구동부(130);
    상기 작업대(120) 상부에서 2개의 실리콘 기재(101)를 각각 동시 가공하는 2개의 스핀들(141)(143)이 병렬 설치되는 주축대(140);
    상기 주축대(140)를 가공기 본체(110) 정면의 상하방향으로 이송 제어하는 Z축구동부(150); 및
    상기 Z축구동부(150)를 포함하는 주축대(140)를 가공기 본체(110) 정면의 좌우방향으로 이송 제어하는 X축 구동부(160);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작업대(120)는, 실리콘 기재(101)가 탑재되는 고정스테이지(121) 및
    상기 고정스테이지(121)의 일측에 병렬 설치되어 평면 상의 좌표가 가변되도록 설치되는 서보스테이지(123)로 구성되는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 서보스테이지(123) 하부에 U/V축 구동장치(125)를 설치하고, 상기 U/V축 구동장치(125)를 이용해 좌우 및 전후방향으로의 미세좌표를 셋팅하는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Y축 구동부(130)는, 작업대(120)와 가공기 본체(110) 사이가 Y축 리니어가이드(135)에 의해 슬라이드 이동이 가능한 상태로 설치되어 있고, 상기 가공기 본체(110)의 후방에는 Y축 서보모터(131)가 설치되어 있으며, 상기 Y축 서보모터(131)의 회전동력을 전달받는 Y축 볼스크류(133)가 작업대(120)측과 스크류 결합됨으로써, Y축 서보모터(131)의 정/역회전에 연동하여 작업대(120)가 전후진 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주축대(140)는, 작업대(120) 상부에 탑재된 2개의 실리콘 기재(101)를 각각 동시 가공하기 위한 2개의 스핀들(141)(143)이 병렬 설치되고 있고, 상하 수직방향에 대해서 상호 슬라이드 이동 가능한 상태로 작업대 베이스(145)에 대향 설치되는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 Z축구동부(150)는, 주축대(140)와 주축대 베이스(145) 사이가 Z축 리니어가이드(155)에 의해 슬라이드 이동이 가능한 상태로 설치되어 있고, 상기 주축대 베이스(145)의 상부에는 Z축 서보모터(151)가 설치되어 있고, 상기 Z축 서보모터(151)의 회전동력을 전달받는 Z축 볼스크류(153)가 주축대(140) 측에 스크류 결합되어 Z축 서보모터(151)의 정/역회전에 연동하여 주축대(140)가 상하 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 X축 구동부(160)는, 주축대 베이스(145)와 가공기 본체(110) 사이가 X축 리니어가이드(165)에 의해 슬라이드 이동이 가능한 상태로 설치되어 있고, 상기 가공기 본체(110)의 일측에는 X축 서보모터(161)가 설치되어 있으며, 상기 X축 서보모터(161)의 회전동력을 전달받는 X축 볼스크류(163)가 주축대 베이스(145) 측에 스크류 결합됨으로써, X축 서보모터(161)의 정/역회전에 연동하여 주축대 베이스(145)가 좌우 이동되는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 주축대(140) 후방에서 스핀들(141)(143) 각각의 가공툴을 교환 및 자동공급되도록 하는 툴교환장치(170)가 전후진 가능한 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 툴교환장치(170)는 다수의 가공툴이 장착된 툴장착부(171)와, 상기 툴장착부(171)를 스핀들(141)(143) 전방에 위치시키도록 전후진 작동하는 엑츄에이터부(175)로 구성되는 것을 특징으로 하는 CNC 실리콘 다축 가공기.
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