KR100441623B1 - 테이블 자세 제어형 공작 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 테이블에 탑재된 공작물의 자세를 연속적으로 제어함으로써 복잡한 형상을 가지는 공작물을 가공하기 위한 공작기계에 관한 것이다. 본 발명에 따른 공작 기계는 공작물이 탑재되는 테이블(110)과; 테이블의 자세를 제어하기 위한 병렬 기구(120)와; 테이블에 탑재된 공작물을 가공하기 위한 공구(130); 및 공작물과 상기 공구를 직교 좌표 상에서 상대 이동시켜 공작물에 대한 공구의 위치를 제어하기 위한 직렬 기구를 포함한다. 병렬 기구는 그 상단이 테이블의 저면 중앙에 볼 소켓 조인트(121) 결합되며, 테이블을 바닥으로부터 소정 높이로 지지하는 지지축(122); 볼 소켓 조인트 둘레의 테이블 저면에 유니버설 조인트(123)로 결합되고, 유니버설 조인트는 테이블의 저면의 원주 상에 소정 간격으로 배치되는 다수의 로드(124); 및 각 로드들의 하단을 반경 방향으로 이동시키기 위한 다수의 선형 액츄에이터(126)를 가진다.

Description

테이블 자세 제어형 공작 기계{Machine Tool with Tilting Table}

본 발명은 공작물을 가공하기 위한 공작 기계에 관한 것이고, 구체적으로는 복잡한 형상의 공작물을 용이하게 가공할 수 있도록 공작물이 탑재되는 테이블의 자세를 제어하기 위한 병렬 기구를 포함하는 공작 기계에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같은 일반적인 공작 기계(1)에 있어서, 공작물(도시되지 않음)이 탑재되는 테이블(2)은 X축 및 Y축 방향으로 수평 이동할 수 있다. 따라서, 공작물은 테이블(2)의 수평 방향 이동에 의해 원하는 작업 위치로 이동된다. 그리고, 공작물을 가공하기 위한 공구(3)는 수직 칼럼(vertical column)을 따라 상하 이동 가능하게 설치된 암에 장착된다. 암의 이동에 의해 공구(3)는 수직 방향, 즉 Z축을 따라 이동될 수 있으며, 이에 따라 공작물의 가공이 이루어질 수 있다.

그런데, 복잡한 형상의 공작물을 가공하기 위해서는 공구가 공작물의 가공 부위에 자유롭게 접근할 수 있도록 공작물에 대한 공구의 자세가 다양하게 제어될 필요가 있다. 그러나, 상기와 같이 공구와 공작물이 X축, Y축 및 Z축, 즉 직교 좌표계 상에서 이동하는 방식은 공작물에 대한 공구의 자세 제어가 불가능하다. 따라서, 상기와 같은 일반적인 공작 기계로 복잡한 형상의 공작물을 가공할 경우, 여러 개의 지그를 조합하여 공작물의 자세를 형성하여 가공하는 다수의 공정을 거쳐서 가공해야 하는 어려움이 있다.

이러한 점을 감안하여, 일본 특허공개 평9-234638은 공구의 위치와 자세를 동시에 제어할 수 있는 병렬 기구를 개시한다. 일본 특허공개 평9-234638에 개시된병렬 기구는 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스(11)와 베이스(11)의 하부에 위치되며 공구(14)가 장착되는 플랫폼(12)과 베이스(11)와 플랫폼(12)을 연결하는 6개의 선형 액츄에이터(13)를 포함한다. 선형 액츄에이터(13)들은 한 쪽 단부가 유니버셜 조인트를 통해 플랫폼에 결합되고 다른 쪽 단부가 볼 소켓 조인트를 통해 베이스(11)에 결합되는 것에 의해 플랫폼(12)과 베이스(11)를 연결한다. 이러한 선형 액츄에이터(13)들은 예를 들어 서보 모터와 같은 구동 수단에 의해 그 길이가 개별적으로 조정될 수 있다.

선형 액츄에이터(13)들의 길이가 서로 상이하게 조절되는 것에 의해 플랫폼(12)은 그 위치와 자세가 다양하게 변화될 수 있으며, 이에 따라 플랫폼(12) 상에 제공되는 공구(14)는 다양한 위치와 자세에서 공작물의 공작 부위에 접근할 수 있다. 결국, 이러한 병렬 기구를 이용하여 복잡한 형상을 가지는 공작물을 가공하는 것이 가능하다.

그러나, 상기와 같은 종래의 병렬 기구는 다음과 같은 단점이 있다.

즉, 비교적 좁은 면적의 플랫폼에 6개의 액츄에이터들이 집중적으로 설치되기 때문에 액츄에이터들 사이의 간섭으로 인해 작업 공간이 좁다. 특히, 볼 소켓 조인트들 사이의 간섭에 의해 플랫폼의 자세는 대략 30°이상 변화될 수 없으며, 플랫폼의 위치가 중앙부로부터 벗어나는 경우 이 각도는 더욱 제한된다.

아울러, 이러한 병렬 기구에 있어서, 플랫폼을 지지하는 볼 소켓 조인트의 설치 공간이 작기 때문에, 공구에 의해 공작물을 가공할 때 액츄에이터들이 비틀림부하에 취약하다는 단점이 있다. 더욱이, 플랫폼의 운동 제어에 6개의 액츄에이터들이 관여하므로 운동의 해석이 복잡해지는 단점도 있다.

따라서, 본 발명은 공작물에 대한 공구의 위치와 자세를 동시에 제어할 수 있으면서도 넓은 작업 공간을 확보할 수 있는 공작 기계를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 공작 기계에 있어서 병렬 기구에 가해지는 부하가 저감될 수 있는 공작 기계를 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 공작 기계에 있어서 병렬 기구의 운동 해석이 간단한 공작 기계를 제공하는데 또다른 목적이 있다.

도 1은 종래의 일반적인 공작 기계를 개략적으로 도시한 사시도.

도 2는 공구의 자세를 제어하기 위한 종래의 병렬 기구의 일 예를 도시한 개략도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계를 도시한 사시도.

도 4는 본 발명의 주요 부분인 테이블 및 병렬 기구를 상세하게 도시한 사시도.

도 5는 도 4의 병렬 기구중 로드와 선형 액츄에이터 쌍을 도시한 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 테이블 120 : 병렬 기구

122 : 지지축 123 : 유니버설 조인트

124 : 로드 126 : 선형 액츄에이터

127 : 스크류 바 128 : 슬라이더

129 : 모터 130 : 공구

140 : 직렬 기구 142 : 수직 액츄에이터

144, 146 : 수평 액츄에이터

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 공작 기계는 공작물이 탑재되는 테이블; 테이블의 자세를 제어하기 위한 병렬 기구; 테이블에 탑재된 공작물을 가공하기 위한 공구; 및 공작물과 공구를 직교 좌표 상에서 상대 이동시켜 공작물에 대한 공구의 위치를 제어하기 위한 직렬 기구를 포함한다.

병렬 기구는 그 상단이 테이블의 저면 중앙에 볼 소켓 조인트 결합되며, 테이블을 바닥으로부터 소정 높이로 지지하는 지지축; 볼 소켓 조인트 둘레의 테이블 저면에 유니버설 조인트로 결합되고, 유니버설 조인트는 테이블의 저면의 원주 상에 소정 간격으로 배치되는 다수의 로드; 및 각 로드들의 하단을 반경 방향으로 이동시키기 위한 다수의 선형 액츄에이터를 가진다.

선형 액츄에이터는 반경 방향으로 배치된 스크류 바; 스크류 바에 나사 결합되고, 그 상부는 로드의 하단과 볼 소켓 결합되는 슬라이더; 및 슬라이더가 스크류 바를 따라 이동되도록 스크류 바를 회전시키기 위한 구동 모터를 가진다.

바람직하게는 선형 액츄에이터들은 각각 반경 방향으로 경사지게 설치된다.

또한, 바람직하게는 로드는 유니버설 조인트에 인접한 부분이 소정 각도로 절곡된다.

직렬 기구는 공구를 지지하기 위한 헤드; 헤드를 상하로 이동시키기 위한 수직 액츄에이터; 및 수직 액츄에이터를 수평 이동시키도록 서로 직교하게 설치된 한 쌍의 수평 액츄에이터를 가진다.

대안적으로, 직렬 기구의 수평 액츄에이터들은 수직 액츄에이터 대신 병렬 기구를 수평 이동시키도록 구성될 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계는 공작물이 탑재되는 테이블(110)과, 테이블(110)의 자세를 제어하기 위한 병렬 기구(120)와, 공작물을 가공하기 위한 공구(130)와, 공구(130)를 직교 좌표계 상에서 공작물에 대해 상대 이동시키기 위한 직렬 기구(140)를 포함하고 있다.

테이블(110)은 병렬 기구(120)에 의해 요(yaw), 피치(pitch), 롤(roll)의 3축 방향으로 회전됨으로써 그 자세가 제어된다. 그리고, 직렬 기구(140)는 공구(130)를 공작물에 대해 직교 좌표계, 즉 X축, Y축 및 Z축의 3방향으로 이동시킴으로써 공작 위치를 제어한다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계는 직렬 기구(140)에 의한 공작 위치의 제어 및 병렬 기구(120)에 의한 자세 제어가 동시에 이루어짐으로써 매우 복잡한 형상을 가지는 공작물을 가공할 수 있다.

직렬 기구(140)의 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 수직 액츄에이터(142)와 한 쌍의 수평 액츄에이터(144, 146)로 구성되어 있다. 수직 액츄에이터(142)는 공구(130)가 장착되는 헤드(141)를 상하로 이동시킨다. 또한, 한 쌍의 수평 액츄에이터(144, 146)는 수직 액츄에이터(142)를 수평 방향, 즉 X축 및 Y축 방향으로 각각 이동시키도록 서로 직교하게 설치된다. 구체적으로, 수평 액츄에이터둘(144, 146) 중 한 액츄에이터(144)는 수직 액츄에이터를 이동시키고, 나머지 액츄에이터(146)는 수직 액츄에이터(144)를 이동시키는 수평 액츄에이터(144)를 이동시킨다.

대안적으로, 직렬 기구(140)의 수평 액츄에이터들은 수직 액츄에이터(142)를 평면 이동시키는 대신 병렬 기구(120)가 설치되는 베이스(102)를 평면 이동시키도록 구성될 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 병렬 기구(120)를 보다 상세하게 확대 도시한다. 도시된 바와 같이, 병렬 기구(120)는 지지축(122)과 3개의 로드(124)와 3개의 선형 액츄에이터(126)를 포함한다.

지지축(122)은 병렬 기구(120)가 설치되는 베이스(102)에 수직하게 세워져 있으며, 그 상단이 볼 소켓 조인트(121)를 통해 테이블(110)의 저면 중앙에 결합되어 있다.

3개의 선형 액츄에이터(126)들은 지지축(122)을 중심으로하여 방사상으로 배치되어 있다. 이 선형 액추에이터(126)들은, 도 5에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 지지축(122)으로부터 반경 방향으로 배치된 스크류 바(127)와 이 스크류 바(127)에 나사 결합된 슬라이더(128)와 스크류 바(127)를 구동하기 위한 모터(129)를 가진다.

바람직하게는, 3개의 선형 액츄에이터(124)들 중 직렬 기구(140)의 수직 액츄에이터(142)에 인접한 선형 액츄에이터는 X축과 평행하게 설치된다. 이에 따라, 테이블(110)과 수직 액츄에이터(142) 사이의 간격이 작아져 헤드(141)가 돌출되는 길이가 짧아질 수 있다.

3개의 로드(124)들은 테이블(110)의 저면과 각 선형 액츄에이터(126)의 슬라이더(128)를 연결하고 있다. 로드(124)들의 상단은 유니버설 조인트(123)에 의해 테이블(110) 저면의 볼 소켓 조인트(121) 둘레에 결합되고, 로드(124)들의 하단은 볼 소켓 조인트(125)에 의해 선형 액츄에이터(126)의 슬라이더(128)와 결합된다.

모터(129)가 구동되면 스크류 바(126)가 회전되는 것에 의해 슬라이더(128)는 스크류 바(127)를 따라 이동된다. 이에 따라, 로드(129)의 하단은 슬라이더(128)와 함께 반경 방향으로 이동되며, 그 결과 로드(124)의 길이가 변화되는 효과가 얻어진다. 3개의 선형 액츄에이터(126)들을 적절하게 조절하는 것에 의해 테이블(110)의 저면에 결합된 유니버설 조인트(123)가 테이블(110)을 밀거나 당기고, 이는 지지축(122)의 상단에 설치된 볼 소켓 조인트(121)를 통해 테이블(110)의 3축 회전 운동(요, 피치, 롤)으로 변환되어 테이블(110)의 자세가제어된다.

이러한 선형 액츄에이터(126)의 운동에 의한 테이블(110)의 자세 변화는 병렬 기구(120)의 순방향 기구학에 의해 구해지며, 역으로 필요한 테이블(120)의 자세를 생성할 수 있는 선형 액츄에이터(126)의 운동은 역기구학 해석에 의해 얻어진다. 이와 같은 해석은 복잡한 기하학적 구속 조건에 의해 해석되지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서는 널리 공지된 사항이므로 본 명세서에서는 구체적인 설명은 생략한다.

바람직하게는, 선형 액츄에이터(126)들은 지지축(122)으로부터 외측을 향해 낮아지도록 경사지게 배치되어 있다. 이에 따라, 로드(124)와 테이블(113) 사이의 구동 각도가 커질 수 있어, 작업 공간이 확대될 수 있다. 바람직하게는 선형 액츄에이)터(126)들은 삼각형의 액츄에이터 베이스(103)에 의해 경사지게 설치된다.

또한, 바람직하게는 유니버설 조인트(123)와 연결되는 로드(124)의 상부는 소정 각도, 대략 둔각으로 절곡된 형상을 가진다. 이에 따라 로드(124)와 테이블(110) 사이의 간섭이 줄어들고, 구동 각도는 더 커질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 유니버설 조인트(123) 사이에 편심 링크가 삽입된다. 이에 따라, 유니버설 조인트(123)의 운동 범위가 넓어진다.

상기된 바와 같은 본 발명에 따른 공작 기계는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 직렬 기구와 병렬 기구의 조합에 의해 공구와 공작물 간의 위치 및 자세 제어가 가능하기 때문에, 복잡한 형상을 가지는 공작물도 용이하게 가공할 수있다.

둘째, 직렬 기구를 이용하여 위치를 제어하고 병렬 기구를 이용하여 자세를 제어하기 때문에, 자세 제어가 불가능한 직렬 기구의 단점과 작업 공간이 좁은 병렬 기구의 단점을 동시에 해소할 수 있다.

셋째, 공구와 공작물 간의 자세를 제어하는 데만 병렬 기구를 이용함으로써, 병렬 기구의 운동 해석이 매우 간단해지며, 필요에 따라 직렬 기구와 병렬 기구를 독립적으로 사용할 수 있다.

넷째, 로드의 반경 방향 이동에 의해 테이블의 자세가 제어되므로 테이블의 높이가 낮아질 수 있다. 따라서, 종래의 일반적인 공작 기계의 공작물 탑재 높이 기준을 만족시킬 수 있다.

다섯째, 로드를 이동시키기 위한 선형 액츄에이터를 경사지게 형성하는 것에 의해 테이블을 지지하는 로드의 각도 범위를 넓힐 수 있다.

여섯째, 테이블을 밀거나 당기는 것에 의해 테이블의 자세를 제어하므로, 회전 조인트를 결합한 기존의 병렬 기구와 비교할 때 불연속 운동이 발생되지 않는다.

일곱째, 유니버설 조인트에 편심 링크를 채용함으로써, 유니버설 조인트의 운동 범위를 확대시킬 수 있다.

이상에서는, 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되지 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경실시할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 공작물이 탑재되는 테이블;

   상기 테이블의 자세를 제어하기 위한 병렬 기구;

   상기 테이블에 탑재된 공작물을 가공하기 위한 공구; 및

   상기 공작물과 상기 공구를 직교 좌표 상에서 상대 이동시켜 상기 공작물에 대한 상기 공구의 위치를 제어하기 위한 직렬 기구를 포함하는 공작 기계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 병렬 기구는

   그 상단이 상기 테이블의 저면 중앙에 볼 소켓 조인트 결합되며, 상기 테이블을 바닥으로부터 소정 높이로 지지하는 지지축;

   상기 볼 소켓 조인트 둘레의 테이블 저면에 유니버설 조인트로 결합되고, 상기 유니버설 조인트는 상기 테이블의 저면의 원주 상에 소정 간격으로 배치되는 다수의 로드; 및

   상기 각 로드들의 하단을 반경 방향으로 이동시키기 위한 다수의 선형 액츄에이터를 가지는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 선형 액츄에이터는

   반경 방향으로 배치된 스크류 바;

   상기 스크류 바에 나사 결합되고, 그 상부는 상기 로드의 하단과 볼 소켓 결합되는 슬라이더; 및

   상기 슬라이더가 상기 스크류 바를 따라 이동되도록 상기 스크류 바를 회전시키기 위한 구동 모터를 가지는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 선형 액츄에이터들은 각각 반경 방향으로 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 공작 기계.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 로드는 상기 유니버설 조인트에 인접한 부분이 소정 각도로 절곡된 것을 특징으로 하는 공작 기계.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 직렬 기구는

   상기 공구를 지지하기 위한 헤드;

   상기 헤드를 상하로 이동시키기 위한 수직 액츄에이터; 및

   상기 수직 액츄에이터를 수평 이동시키도록 서로 직교하게 설치된 한 쌍의 수평 액츄에이터를 가지는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 직렬 기구는

   상기 공구를 지지하기 위한 헤드;

   상기 헤드를 상하로 이동시키기 위한 수직 액츄에이터; 및

   상기 병렬 기구를 수평 이동시키도록 서로 직교하게 설치된 한 쌍의 수평 액츄에이터를 가지는 것을 특징으로 하는 공작 기계.