KR100485569B1 - 엘씨 발진회로를 이용한 드로바유니트의 위치 감지기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계의 스핀들유니트에서 자동으로 공구를 교환하기 위한 장치의 일부로, 스핀들 유니트의 내부에 구비되는 자동 공구 파지장치인 드로바유니트의 위치를 감지한 후 주제어기에 전송하여 드로바유니트에 공구가 장착되어 있는 상태를 확인할 수 있도록 하는 드로바유니트의 위치 감지수단에 관한 것이다.

이 같은 본 발명은, 자동공구 교환을 위한 자동공구 파지장치로서 스핀들유니트의 내부에 장착되는 드로바유니트의 전방에 공구가 장착되는데, 상기 드로바유니트의 후단에 전기전도체의 코어를 장착하며, 상기 코어의 외주면에 원통형의 코일을 배치한다. 상기 코일이 LC발진기의 일부가 되도록 LC발진회로를 구성하며, 상기 발진회로의 발진주파수는 전기전도체 코어의 위치에 따라 변화하게 되므로, 상기 발진 신호의 주파수에 따라 드로바유니트의 현재위치를 감지할 수 있게 된다. 상기 위치감지부는 드로바유니트의 현재 위치에 대한 정보를 주제어기에 전송하여 주제어기가 공구의 현재 상태를 확인할 수 있도록 한다.

Description

엘씨 발진회로를 이용한 드로바유니트의 위치 감지기구{Position sensor of the draw-bar unit}

본 발명은 자동 공구 교환장치가 구비된 스핀들유니트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스핀들 유니트의 내부에 구비되는 드로바유니트의 위치를 감지한 후, 이를 주제어기에 전송하여 주제어기가 드로바유니트에 장착되어 있는 공구의 상태를 확인할 수 있도록 하는 특허 제10-0418661호의 다른 실시예에 관한 것이다.

일반적으로 머시닝센터나 자동밀링 등에서 사용하는 자동 공구 교환장치는, 수행 완료한 공구와 대기위치의 공구를 자동으로 교환하여 주는 것으로서, 이는 집게 모양의 체인지 아암에 의해 신속하면서도 확실하게 교환 동작을 수행하게 된다.

상기 머시닝센터란, 몇가지 종류의 가공을 하나의 기계에서 자동으로 수행하는 수치제어 공작기계로서, 대개 자동 공구 교환기능과 함께 가공물의 2개면 이상을 자동으로 절삭, 천공, 분할할 수 있는 기능을 갖추고 있다. 이같이 서로 다른 공구에 의해 수행되어야 하는 가공공정을 위해 자동으로 공구를 교환하게 되는데 머시닝센터에 있어서 종래 자동 공구 교환장치의 클램핑 및 언클램핑 장치의 동작을 도 1을 참조하여 살펴보기로 한다.

먼저 클램프 동작의 경우, 공구(9)가 스핀들샤프트(6)의 테이퍼면을 따라 스핀들샤프트(6)의 내부로 들어가게되면 콜릿(10)이 공구(9)의 내부로 삽입되게 된다. 그 후 압축공기 유입구(2)로 공급된 압축공기에 의해서 피스톤(3)과 함께 피스톤(3)에 연결되어 있는 푸시로드(5)가 상승하게 된다. 이와같이 푸시로드(5)가 상승하게 되면, 스핀들 샤프트(6)와 드로바유니트(7)의 사이에 설치되어 있는 디스크스프링(12)의 탄성 복원력에 의해서 스핀들샤프트(6)의 내부에 있는 드로바유니트(7)가 상승하게 된다.

상기한 드로바유니트(7)가 상승하게 되면서 드로바유니트(7)의 끝단의 확장부위(8)가 콜릿(10)을 확장시킴으로써 콜릿(10)이 공구(9)와 스핀들샤프트(6)를 단단히 파지하여 공구(9)가 클램프되어 진다.

언클램프 동작은, 압축공기 유입구(1)로 압축공기가 공급되면 압축공기에 의해 피스톤(3)이 하강된다. 상기 피스톤(3)이 하강되면 피스톤(3)에 종속되어 있는 푸시로드(5)가 하우징(4)의 안내면을 따라 아래쪽으로 전진하게 된다.

이와 같이 푸시로드(5)가 내려오게 되면, 푸시로드(5)의 끝단이 스핀들유니트(6)의 내부에 조립되어 있는 드로바유니트(7)를 밀게 되어, 드로바유니트(7)가 하강하게 된다. 상기 드로바유니트(7)가 하강하게 되면, 콜릿(10)이 수축되는 동시에 드로바유니트(7)의 끝단이 공구(9)를 밀면서 공구(9)가 언클램프된다.

현재 고주파 스핀들유니트 또는 벨트 드라이브 스핀들유니트로 이루어진 공작기계의 주축에서 자동공구 교환장치가 장착된 경우 스핀들 샤프트 내부에는 드로바유니트가 있어 공구(공구 또는 테이퍼 샹크를 포함하는 공구홀더)를 강한 힘으로 잡아당겨 스핀들 샤프트의 노우즈에 단단히 고정시키게 된다. 이때 드로바유니트가 공구를 잡아당겨 고정하기 위해 움직이는 거리는 약 10밀리미터 내외의 거리로 드로바유니트의 위치는 공구의 상태에 따라 3가지의 각기 다른 위치를 가지게 되는데 스핀들의 축방향으로 10밀리미터 내외의 가변위 범위 내에서 가장 전방에 놓인 상태, 중간 위치에 놓인 상태, 가장 후방에 놓인 상태가 그것이다.

가장 전방에 놓인 상태는 공구를 풀어놓은 상태로 공구는 자유 상태이므로 공구를 샤프트에 끼워 넣거나 분리할 수 있는 상태이다. 중간 위치에 놓인 상태는 드로바유니트가 공구를 단단히 잡아당겨 샤프트에 고정하고 있는 상태이다. 그리고 가장 후방의 위치에 놓인 상태는 공구가 이미 샤프트로부터 분리된 후 드로바유니트는 아무 것도 잡고 있지 않고 완전히 리턴된 상태이다.

이와 같은 3가지 위치에 대한 위치정보를 주제어기에 전송할 필요가 있는데 이것은 공구 교환시 동작의 실행을 확인함으로써 다음 동작을 실행할 것인지의 결정을 하기 위한 것으로 공정의 확실성과 안전을 보장하기 위해 꼭 필요한 과정이다. 현재 대부분의 경우 이상 설명한 3가지 위치정보를 얻기 위한 감시장치로서 근접스위치를 사용하고 있다. 이는 1개의 근접스위치로 1가지 위치만을 확인할 수 있으므로 3가지의 위치정보를 얻기 위해 3개의 근접스위치를 스핀들유니트의 내부에 배치하여 소기의 위치정보를 얻고 있다.

그런데 현재 시중에 유통되는 근접스위치는 스핀들 유니트의 제한된 내부공간에 배치하기에는 크기가 너무 크며 10밀리미터의 제한된 범위에 위치하는 3개의 서로 다른 위치에 대응하도록 3개의 근접스위치를 배치하기가 어려울 뿐 아니라 정확한 위치에 배치하기 위해서는 가변 위치 고정장치를 사용하여 위치를 조정하여 고정시켜야 하는 등 배치와 위치 조정이 매우 어렵다. 게다가 3개의 근접스위치의 전원공급과 신호전송을 위한 케이블 또한 3조를 인출하여야 하므로 케이블의 처리가 쉽지 않은 일이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자는 특허 제10-0418661호 "엘씨 발진회로를 이용한 드로바유니트의 위치 감지기구"를 제안한 바 있다

본 발명자에 의해 제안된 상기 선원발명은, 스핀들유니트의 내부에 설치되어 드로바유니트가 동작하여 3곳의 위치중 어디에 위치하고 있는지를 감지한 후, 이를 주제어기에 전송할 수 있는 드로바유니트의 위치 감지장치를 제공하고 있다.

그런데, 상기한 선원발명을 실시하는데 있어 몇가지의 매우 곤란한 문제점이 나타나고 있는바, 그 첫번째 문제점은 선원발명의 구성에서 소개하고 있는 고투자율의 자성체 코어는 소재의 기계적 강도가 낮다는 점이다. 선원발명을 실시하는데 있어 코어의 기계적 강도는 가장 주안점이라 할 만큼 중요한 요소인데 그 이유는 드로바유니트가 파지하고 있는 공구를 탈착가능한 상태로 풀어주기 위해서는 강력한 힘의 언클램핑 유니트로 눌러 주어야 하는데, 바로 그 압축력이 모두 코어에 직접 가해지기 때문이다. 고투자율 재료의 코어를 사용할 때 두 번째로 중요한 문제점은“드로바유니트의 위치감지기구”에 사용하기에 적합한 고투자율 재료로서 퍼멀로이 등의 합금재료 등을 사용하게 되는 것으로, 이는 그 투자율의 온도계수가 매우 크므로 온도변화에 따라 변화하지 않는 안정된 주파수를 얻을 수 없다는 것이다. “드로바유니트의 위치감지기구”는 그 설치장소가 모터 스핀들의 내부이므로 심한 온도변화에도 불구하고 안정된 측정값을 얻을 수 있어야 한다는 것이 필수 조건이므로 고투자율의 합금재료를 사용해 만든 코어로서는 안정되고 만족할 만한 성능을 얻을 수 없다. 상기 선원발명은, 코일과 콘덴서로 구성된 LC 발진기에 있어, 원통형의 코일의 내부를 관통하는 빈 공간에 코어를 삽입하게 되면 코일의 인덕턴스가 증가하여 발진주파수가 변화하는 현상에 기초하게 되는데, 상기 선원발명의 실시를 위한 거듭된 실험에서 새로이 발견되는 사실은 고투자율의 코어 이외에 전기전도체 코어를 사용할 때에도 본 발명자가 이들 발명을 통해 얻고자 하는 목적과 동일한 결과를 얻을 수 있다는 것이다. LC 발진기를 구성하는 코일에서는 코어의 재질에 따라 인덕턴스의 변화 특성이 정반대로 달라지는데, 투자율이 높은 재질의 코어를 삽입하면 인덕턴스는 높아지며, 반대로 투자율이 낮은 동시에 전기저항이 낮은 재질의 코어를 삽입하면 인덕턴스는 낮아진다. 여기서 전기저항이 낮다는 것은 전기전도율이 높다는 것으로 전기전도체를 말하며 모든 금속 재질이 여기에 해당한다.투자율이 높은 재질의 코어를 사용할 때 인덕턴스가 높아지는 것은 자기회로 내의 자속밀도가 높아지기 때문인 것으로 그 이론은 명확하다. 그러나 투자율이 낮은 전기전도체의 코어를 사용할 때 인덕턴스가 낮아지는 이유에 대하여는 명확한 이론을 찾을 수 없었다. 다만 기타의 이론을 참조하여 추론하기로는 상호인덕턴스에 의해 전기전도체 내에서 2차 전류가 발생하여 자속손실이 일어나므로 이것에 영향받아 자속밀도가 낮아지고 결과적으로 인덕턴스 값이 낮아지는 것으로 이해된다.발진회로의 발진주파수는 고투자율의 코어에서와 전기전도체의 저투자율 코어에서 그 효과는 정반대이므로 주파수의 증가와 감소의 방향은 반대이나 코어의 삽입량에 따라 변화되는 주파수를 얻을 수 있으므로 결과적으로는 선원발명이 추구하는 목적과 동일한 결과를 얻을 수 있게 되는 것이다.여기서 주목할 것은, 첫째 전기전도체의 재료는 기계적 강도가 높으므로 "드로바유니트의 위치감지기구"에 사용하기에 적합하며, 둘째 전기전도체의 코어는 온도에 따라 변화하지 않는 안정된 주파수를 얻을 수 있다는 것이다. 전기전도체 코어는 그 동작원리가 고투자율의 코어와는 달리 코어의 내부에 2차 전류가 유도되어 자속손실이 일어나고 그 결과 인덕턴스가 감소한다. 투자율과는 무관하므로 투자율이 매우 낮은 소재를 사용하므로써 투자율의 온도계수에 따라 발진주파수가 변화하는 현상을 막을 수 있다는 것이다.따라서 본 발명은. 선원발명에서 나타나고 있는 문제점들을 개선하기 위해 코어의 재질을 고투자율의 재질로 하지 아니하고, 이를 그 성질이 전혀 상이한 전기전도체 코어로 구성함으로써 상기한 발명의 목적과 그 기술적 효과가 동일하게 나타나는 동시에 실시상의 문제점들을 극복할 수 있다는 취지의 본 발명에 이르게 된 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공구를 클램프하는 드로바유니트와; 상기 드로바유니트가 내부에 장착되어 드로바유니트가 공구를 원활하게 클램프할 수 있도록 하는 스핀들유니트로 구성되며; 상기 드로바유니트의 선단에 구비되는 코어와; 상기 코어의 외주면을 따라 내부가 빈 원통형이 되도록 일정한 두께 및 일정한 길이로 감겨지는 코일과; 상기 코일에 접속되며, 코일이 가지는 인덕턴스의 변화에 따라 함께 변화하는 주파수신호를 발생시키는 LC발진기와; 상기 LC발진기에 접속되며, LC발진기로부터 전송되는 발진신호의 주파수에 따라 드로바유니트의 위치를 감지하여 감지된 위치정보를 주제어기로 전송하는 위치감지부; 로 이루어지는 자동 공구 교환장치에 있어서, 드로바유니트의 선단에 구비되는 상기 코어가, 전기전도체 코아인 것을 특징으로 한다. 본 발명이 요구하는 "전기전도체 코어"에서는, 코어의 기계적 강도가 높을 뿐만 아니라 코어의 전기저항의 크기에 따라 자속손실의 량이 결정되므로 투자율과는 무관하여 매우 낮은 투자율의 코어를 사용함으로서 투자율의 온도계수가 문제되지 않는다. 그러므로 전기전도체 코어를 사용함으로써 “드로바유니트의 위치감지기구”가 요구하는 충분한 기계적 강도를 얻을 수 있을 뿐 아니라 코어의 투자율의 온도계수가 문제되지 아니하는 안정된 주파수 값을 얻을 수 있으므로 선원발명을 통해 해결할 수 없었던 문제점과 폐단을 동시에 해결하여 높은 신뢰도와 안정된 특성을 가진“드로바유니트의 위치감지기구”를 제공할 수 있게 되는 것이다.

상기 위치감지부는, LC발진기로부터 전송되는 발진신호를 매 1사이클마다 카운트하는 카운터와, 상기 카운터로부터 일정 단위시간동안의 사이클 카운트 값을 반복하여 저장하며, 상기 드로바유니트가 3곳의 각각 다른 위치에 있을 때 각각 발생되는 발진신호의 단위시간 당 사이클 카운트 값을 저장시키는 메모리부와, 상기 메모리부에 저장된 카운트값과 현재 카운터를 통해 인가되는 발진신호의 단위시간 당 카운트 값을 비교하여 드로바유니트의 현재 위치를 감지하는 마이컴으로 이루어진다.

본 발명에 의하면, 자동 공구 교환장치를 구성하는 스핀들유니트의 내부에 장착되는 드로바유니트에는 전방에 공구가 장착되고, 후방에는 연장로드를 형성시킨다. 상기 연장로드는 외주면에 설치될 전기전도체 코어의 안정적인 결합을 위하여 제공되는 것으로서, 드로바유니트의 외경이 상기 전기전도체인 코어를 장착하기에 적합한 칫수를 유지하고 있다면 별도의 연장로드를 필요로 하지는 아니한다.

다시말해, 상기 드로바유니트의 후단에 연장로드와 전기전도체의 코어를 일체로 형성할 수 있게 되는 것이다.

상기 연장로드의 외주면에는 전기전도체인 코어를 장착시키고, 상기 코어의 외주면에는 원통형의 코일을 위치시킨다. 상기 코일은 LC발진기의 일부로서 LC발진기에 접속되며, 상기 LC발진기로부터 발생되는 가변 주파수 신호는 위치감지부에 전송되어 드로바유니트의 현재위치를 감지하게 된다. 상기 위치감지부는 드로바유니트의 현재위치를 주제어기에 전송함으로써 주제어기가 자동 공구 교환장치의 동작을 정확하게 제어할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도면중 도 1은 일반적인 자동 공구 교환장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 자동 공구 교환장치를 구성하는 드로바유니트의 구조에 관한 것으로, 2a)는 공구가 드로바유니트에 클램프된 상태를 나타내고 있고, 2b)는 공구가 드로바유니트로부터 언클램프된 상태를 나타내고 있으며, 2c)는 공구가 드로바유니트로부터 완전히 이탈된 상태로 드로바유니트 만이 클램핑하고 있는 상태를 각각 도시하고 있다. 그리고, 도 3은 본 발명에 따른 위치 감지기구가 드로바유니트의 후미에 장착되는 예를 개략적으로 나타내고 있다.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명을 설명하면, 먼저, 자동 공구 교환장치를 구성하는 드로바유니트(50)의 전방에는 공구가 클램프된다. 상기 드로바유니트(50)의 후미에는 드로바유니트(50)로부터 연장되는 연장로드(52)를 형성시키고, 상기 연장로드(52)의 외주면에는 전기전도체인 코어(54)를 장착시킨다. 그러면 상기 연장로드(52) 및 코어(54)는 드로바유니트(50)에 일체로 고정되므로 함께 전후진 이동을 한다.

상기 코어(54)의 외주면에는 코일(56)을 위치시킨다. 상기 코일(56)은 내부가 빈 원통형으로 형성되는데, 상기 코일(56)에는 LC발진기(58)가 접속되며, 상기 LC발진기(58)는 코어(54)의 위치 변화에 따라 가변되는 주파수신호를 발생한다. 상기 LC발진기(58)에는 위치감지부(60)가 접속된다.

상기 위치감지부(60)에는 카운터(64)가 구비되고, 상기 카운터(64)는 LC발진기(58)로 부터 발생되는 주파수신호를 카운트한다. 이러한 상기 위치감지부(60)에는 드로바유니트(50)가 위치하는 클램핑위치, 언클램핑위치 및 공구 이탈위치에 해당하는 3곳의 위치에서 발생하는 주파수신호의 카운트값이 저장되는 메모리부(68)가 구비된다.

메모리부(68)와 카운터(64)에는 마이컴(66)이 접속되며, 상기 마이컴(66)은 메모리부(68)에 저장된 카운터값과 현재 카운터(64)의 주파수 카운트 값을 비교하여 드로바유니트(50)의 현재위치를 감지하게 된다. 상기 마이컴(66)에는 주제어기(70)가 접속되며, 상기 마이컴(66)은 감지된 드로바유니트(50)의 위치를 주제어기(70)에 전송하게 되고, 상기 주제어기(70)는 마이컴(66)으로부터 인가되는 드로바유니트(50)의 위치에 따라 자동 공구 교환장치의 동작을 제어하게 된다.

이와같이 구성되는 본 발명을 일 실시예를 통해 설명하면, 먼저, 상기 드로바유니트(50)에 공구가 클램핑되면 드로바유니트(50)는 후방으로 이동하게 되므로 코어(54)가 코일(56) 속으로 들어가는 부분이 길어진다. 반대로 드로바유니트(50)가 공구를 언클램핑하면 드로바유니트(50)는 전방으로 전진하게 되므로 코어(54)가 코일(56) 내부에 위치하는 부분의 길이가 짧아진다. 반면에, 드로바유니트(50)로부터 공구가 완전히 이탈된 상태에서 드로바유니트(50)가 클램핑되면 드로바유니트(50)는 후방으로 완전히 이동하여 코어(54)는 코일(56)에 깊숙히 자리하게 된다.

따라서, 상기에서 언급된 경우와 같이 드로바유니트(50)에 공구가 클램프 된 경우와, 언클램프 된 경우 및 공구가 드로바유니트(50)로부터 완전히 이탈된 상태에서 클램핑된 경우의 세가지 위치에서 코어(54)가 코일(56) 속으로 들어가 있는 길이가 각기 다른 것을 알 수 있다.

상기 코어(54)가 코일(56)의 내부에 들어가 있는 정도에 따라 코일(56)에 접속된 LC발진기(58)에서 발생되는 발진주파수 값이 변화한다. 상기 LC발진기(58)로부터 발생되는 발진주파수 신호는 위치감지부(60)의 카운터(64)에 인가된다.

상기 카운터(64)에서 주파수신호의 카운트된 값은 마이컴(66)에 인가되고, 상기 마이컴(66)은 메모리부(68)에 저장된 카운트값과 카운터(64)로부터 인가되는 현재의 카운트값을 비교하여 드로바유니트(50)에 공구가 클램프 된 경우와, 언클램프 된 경우 및 공구가 드로바유니트(50)로부터 완전히 이탈된 경우인지를 판단하여 해당하는 신호를 주제어기(70)에 인가하게 된다.

상기 주제어기(70)는 위치감지부(60)의 마이컴(66)으로부터 인가되는 신호에 따라 자동 공구 교환장치의 동작을 제어한다.

이러한 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 선원발명에 개시되고 있는 구성중 본 발명에서 기재를 생략한 또 다른 실시예를 본 발명에 적용하는 경우에 있어서도 유효하게 그 목적을 달성할 수 있음은 물론이다.

이상 설명에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명은 내부가 텅 빈 코일을 드로바유니트의 후단에 배치하고, 그 내부에 드로바유니트와 일체로 연장된 연장로드가 드로바유니트와 함께 움직이도록 설치하며, 그 연장로드의 외부에 전기전도체 코어를 부착하여 줌으로써, 드로바유니트가 움직임에 따라 전기전도체 코어가 움직이고, 상기 코어의 위치에 따라 LC발진기에서 발생되는 발진주파수가 변화하는 것을 이용하여 드로바유니트의 위치정보를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 일반적인 자동공구 교환장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 자동공구 교환장치를 구성하는 드로바유니트의 구조에 관한 것으로,

2a)는 공구와 함께 드로바유니트가 클램프된 상태를 나타낸 도면,

2b)는 공구가 드로바유니트로부터 언클램프된 상태를 나타낸 도면,

2c)는 공구가 이탈된 상태로 드로바유니트가 클램핑된 상태를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 위치감지기구가 드로바유니트의 후방에 장착되는 예를 개략적으로 나타낸 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

50: 드로바유니트, 54: 코어, 56: 코일, 58: LC발진기, 60: 위치감지부, 64: 카운터, 66: 마이컴, 68: 메모리부, 70: 주제어기

Claims (3)

1. 공구를 클램프하는 드로바유니트와; 상기 드로바유니트가 내부에 장착되어 드로바유니트가 공구를 원활하게 클램프할 수 있도록 하는 스핀들유니트로 구성되며; 상기 드로바유니트의 선단에 구비되는 코어와; 상기 코어의 외주면을 따라 내부가 빈 원통형이 되도록 일정한 두께 및 일정한 길이로 감겨지는 코일과; 상기 코일에 접속되며, 코일이 가지는 인덕턴스의 변화에 따라 함께 변화하는 주파수신호를 발생시키는 LC발진기와; 상기 LC발진기에 접속되며, LC발진기로부터 전송되는 발진신호의 주파수에 따라 드로바유니트의 위치를 감지하여 감지된 위치정보를 주제어기로 전송하는 위치감지부; 로 이루어지는 자동 공구 교환장치에 있어서,

   드로바유니트의 선단에 구비되는 상기 코어가, 전기전도체 코아인 것을 특징으로 하는 드로바유니트의 위치 감지장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 드로바유니트의 후단에 연장로드와 전기전도체의 코어를 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는 드로바유니트의 위치 감지장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 코일과 상기 LC발진기가 서로 접합되어 일체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 드로바유니트의 위치 감지장치.