KR100489703B1

KR100489703B1 - 공작기계 헤드 인터페이스와 그 연마 및 연삭공구

Info

Publication number: KR100489703B1
Application number: KR10-2001-0073257A
Authority: KR
Inventors: 김석환
Original assignee: 학교법인연세대학교
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2005-05-16
Also published as: KR20030042560A

Abstract

본 발명은 공작기계 헤드 인터페이스와 그 연마 및 연삭공구에 관한 것으로서 특히, 어떤 주어진 시간에라도 두 직교 속도장(two orthogonal velocity field)을 동시에 형성하는 것이 가능하고, 즉, 공구를 두 직교축 방향으로 독립적으로 제어할 수 있도록 하고, 공구 자체로 작업에 의하여 발생하는 물질을 제거하는 것이 가능하도록 하기 위한 것으로서, 시엔시(CNC) 공작기계 또는 일반 매뉴얼 공작기계에 연결되거나, 혹은 그 자체적으로 작업물을 공작하는 것에 있어서, 직선방향으로 공구를 이송하는 선형이송수단(100)과; 상기 선형이송수단(100)에 연결되며, 상기 직선방향을 축으로 하여 공구를 회전시키는 방위각회전수단(200)과; 상기 방위각회전수단(200)에 연결되며, 상기 방위각회전수단(200)의 축에 직각인 회전축을 중심으로 공구를 회전시키는 라디얼회전수단(300)으로 구성되어, 공구의 이송 및 운동을 위한 제어수단을 보다 단순화 할 수 있고, 보다 적은 수의 운동 자유도를 가지고도 랜덤화된 속도장 및 원하는 다른 속도장을 발생시킬 수 있으며, 별도의 물질 제거를 위한 스트로크를 발생시킬 필요가 없고, 상기 직교 속도장을 발생시키기 위해 큰 운동이 필요하지 않으므로 공간을 효율적으로 사용할 수 있는 것이다.

Description

공작기계 헤드 인터페이스와 그 연마 및 연삭공구 {Machining tool head interface and associated polishing and grinding end tools}

본 발명은 시엔시(CNC) 공작기계 헤드 인터페이스와 그 연마 및 연삭공구에 관한 것으로서 특히, 어떤 주어진 시간에라도 두 직교 속도장(two orthogonal velocity field)을 동시에 형성하는 것이 가능하고, 즉, 공구를 두 직교축 방향으로 독립적으로 제어할 수 있도록 하고, 공구 자체로 작업에 의하여 발생하는 물질을 제거하는 것이 가능하도록 하기 위한 것으로서, 공구의 이송 및 운동을 위한 제어수단을 보다 단순화 할 수 있고, 보다 적은 수의 운동 자유도를 가지고도 랜덤화된 속도장 및 원하는 다른 속도장을 발생시킬 수 있으며, 별도의 물질 제거를 위한 스트로크를 발생시킬 필요가 없고, 상기 직교 속도장을 발생시키기 위해 큰 운동이 필요하지 않으므로 공간을 효율적으로 사용할 수 있는 공작기계 헤드 인터페이스와 그 연마 및 연삭공구에 관한 것이다.

일반적인 공작기계는 절삭깊이에 따라 움직이는 공구 이송축을 회전축으로 하여, 이 축을 중심으로 회전하는 회전 공구를 갖는다. 상기 회전 공구는 그 회전축과 그로부터의 반경에 따라서 다른 속도를 갖는 일종의 벡터장(vector field)을 만드는데, 이를 회전 속도장(velocity field)라고 한다.

대부분의 경우, 표면을 공작하기 위해서는 상기와 같은 회전 공구를 이용하는 것으로도 충분하나, 연마(polishing)나 연삭(grinding)과 같은 작업에 있어서, 매끄럽고 윤이 나는 정밀한 표면을 얻기 위해서는 상기 속도장을 랜덤화(randomization) 하는 것이 보다 효율적이다.

즉, 공구의 이송축과, 회전축을 독립적으로 제어함으로써, 작업 시간에 대하여 랜덤하게 작업 영역을 조절할 수 있도록 하는 것이다.

따라서, 다른 이송 공구를 포함하지 않는 일반적인 연마 기계는, 상기 축적된 속도장이 작동시간동안에 축적되어 랜덤화 될 수 있도록 고안된다.

상기와 같은 개념에 근거하여 많은 연마 방법이 개발되어 왔으나, 그들 중 많은 수는 사내 사용을 위하여 개발되었고, 따라서 기밀로 유지되어 왔고, 이에 대하여, 어떠한 심층적인 기술적 세부사항도 대중에 이용할 수 있을 정도로 공지된 것은 거의 없었다.

최근에 속도장을 랜덤화시키는 새로운 방법이 Zeeko Ltd.(출원시 출원인은 Optical Generics Ltd.)에서 개발되어왔다. 이는 국제특허(PCT) 국제공개번호 WO 00/32353(2000. 6. 8)에 나타난 것으로, 타측단의 공구회전축이 고정된 동안에 일측단의 공구회전축을 회전하는 세차운동(precession)하는 공구에 관한 것으로서, 즉, 공구 스핀회전에 더하여 공구회전축의 회전이 가능한 것이다.

상기와 같은 공구 스핀회전축의 회전은, 도 1 내지 도 3에서 도시하는 바와 같이, 부가적인 팁 앤 틸트(tip-and-tilt) 방향의 공전 운동요소를 사용함으로써 달성된다.

상기 도 1 내지 도 3에서는, 회전축(1)을 중심으로 회전하는 공구(2)의 회전과 그로 인해 발생하는 속도장을 나타내는데, 하측 원에 도시하는 화살표는 작업물과 접촉한 접촉면(a)에서의 속도장을 나타내는 것이다.

즉, 작업물을 연마 및 연삭하기 위해서는 도시하는 바의 속도장 외에도 다양한 형태의 속도장을 필요로 하는데, 상기와 같은 Zeeko의 방법은, 상기와 같은 속도장을 만들기 위하여, 우선, 상기 회전축(1) 자체가 소정의 방향으로 공전하여야 하고(tip 방향), 이어서 회전축(1)이 또다시 그에 수직인 방향으로(tilt 방향) 공전한다.

그러나 상기와 같은 운동요소는 회전축 자체가 공전하여야 하므로 적어도 상기 회전축이 공전할 수 있는 공간 이상의 공간과, 상기 회전축을 공전시키는 거대한 장치들을 필요로 하고, 작업물을 공간의 세 방향으로 이송시켜야 하므로 연마공구의 베이스의 크기를 크게 증가시키며, 그 제어 시스템을 복잡하게 하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 공구의 이송 및 운동을 위한 제어수단을 보다 단순화 할 수 있고, 보다 적은 수의 운동 자유도를 가지고도 동일한 속도장을 발생시킬 수 있으며, 별도의 물질 제거를 위한 스트로크를 발생시킬 필요가 없고, 상기 직교 속도장을 발생시키기 위해 큰 운동이 필요하지 않으므로 공간을 효율적으로 사용할 수 있는 공작기계 헤드 인터페이스와 그 연마 및 연삭공구를 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은, 시엔시(CNC) 공작기계 또는 일반 매뉴얼 공작기계에 연결되거나, 그 자체적으로 작업물을 연삭 및 연마하는 것에 있어서, 직선방향으로 공구를 이송하는 선형이송수단과; 상기 선형이송수단에 연결되며, 상기 직선방향을 축으로 하여 공구를 회전시키는 방위각회전수단과; 상기 방위각회전수단에 연결되며, 상기 방위각회전수단의 축에 직각인 회전축을 중심으로 공구를 회전시키는 라디얼회전수단으로 구성함으로써 달성된다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 공작기계 헤드 인터페이스를 나타내는 사시도로서, 본 발명은, 시엔시(CNC) 공작기계 또는 일반 매뉴얼 공작기계에 연결되거나, 혹은 그 자체적으로 작업물을 공작하는 것에 있어서, 직선방향으로 공구를 이송하는 선형이송수단(100)과; 상기 선형이송수단(100)에 연결되며, 상기 직선방향을 축으로 하여 공구를 회전시키는 방위각회전수단(200)과; 상기 방위각회전수단(200)에 연결되며, 상기 방위각회전수단(200)의 축에 직각인 회전축을 중심으로 공구를 회전시키는 라디얼회전수단(300)으로 구성되는 것을 그 기술상의 특징으로 한다.

상기 선형이송수단(100)은, 선형 액츄에이터(110)와; 상기 액츄에이터(110)의 하측에 위치하며, 작업물에 가해지는 힘을 모니터하기 위한 로드 셀 또는 압전 동력계로 이루어지는 힘 센서(120)와; 상기 힘 센서(120)와 상기 방위각회전수단(200)을 연결하는 인터페이스 플레이트(130)로 구성된다.

또한, 상기 방위각회전수단(200)은, 상기 인터페이스 플레이트(130)의 하측에 부착되며, 상기 인터페이스 플레이트(130)에 대해 수직방향을 축으로 하여, 지면 또는 작업물이 위치한 작업면에 대하여 방위각 방향으로 회전시키는 방위각모터(210)와; 상기 방위각모터(210)의 회전축(211)의 하측에 축연결부(220)에 의하여 연결되며, 하측에 연결다리(231)를 갖는 인터페이스 테이블(230)로 구성된다.

상기 방위각회전수단(200)의 주위에는 상기 라디얼회전수단(300)에 전원을 공급하기 위한 전원 연결수단(400)이 추가 구성되어, 전원이 공급될 수 있도록 하나, 경우에 따라서는 상기 전원 연결수단(400) 대신에 별도의 배터리(미도시)로 상기 라디얼회전수단(300)에 전원을 공급할 수도 있다.

상기 전원 연결수단(400)은, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 상기 인터페이스 플레이트(130)에 부착되며, 이중 원통각으로 형성된 상측캔(410)과; 상단이 상기 상측캔(410)의 하단과 고전도성의 슬립연결수단(430: 도 6 내지 도 8 참고)으로 연결되며, 하단이 상기 인터페이스 테이블(230)과 연결되고 이중 원통각으로 형성된 하측캔(420)으로 구성되어, 상기 상측캔(410)은 인터페이스 플레이트(130)와 함께 고정되어 회전하지 않으나, 상기 하측캔(420)은 상기 인터페이스 테이블(230)에 연결되어, 슬립연결수단(430)으로 연결된 상태에서 회전하게 된다.

한편, 상기 슬립연결수단(430)은, 상기 상측캔(410)과 하측캔(420) 사이에 마찰이 거의 발생하지 않도록 하면서 전원이 서로 연결되도록 하는 것으로서, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 상기 상측캔(410)의 하단 테두리와 하측캔(420)의 상단 테두리를 따라 설치되는 단면이 반원인 레일(431)과, 이 레일 사이에 구성되는 다수개의 볼(432)을 구성할 수도 있고, 도 7에서와 같이, 단면이 직사각형인 레일(433)과, 이 레일(433) 사이에 구성되는 롤러(434)로 구성하여, 볼(432)이나 롤러(434)가 함께 구르면서 회전되도록 하여, 전원이 연결되도록 할 수도 있고, 경우에 따라서는 도 8에서 도시하는 바와 같이, 레일(435)에 삽입되어 위치하는 브러시(436)로 구성하여도 동일한 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이, 상기 상측캔(410)과 하측캔(420)은 이중 원통각으로 형성되어, 그 외측과 내측은 상기 도 6 내지 도 8에서 도시하는 바와 같이, 다른 전극을 띠도록 한다.

상기 라디얼회전수단(300)은, 상기 인터페이스 테이블(230)의 연결다리(231)에 연결되고, 일측에 개구부(311)가 형성되는 플랫폼(310)과; 상기 플랫폼(310)에 설치되는 라디얼모터(320)와; 공구 설치용 날(331: 도 9 내지 도 14 참고)이 설치되며 상기 라디얼모터(320)의 축(321)과 평행하게 설치되는 공구축(330)을 지지하며, 상기 플랫폼(310)의 양측단에 하측으로 연결되는 인터페이스 브릿지(340)와; 상기 인터페이스 브릿지(340)와 공구축(330) 사이에 설치되는 정밀 베어링(350)과; 상기 플랫폼(310)의 개구부(311)를 통하여 상기 라디얼모터(320)의 축(321)과 상기 공구축(330)을 연결하여 회전시키는 동력연결부(360)로 구성된다.

상기 동력연결부(360)는, 상기 라디얼모터(320)의 축(321)과 공구축(330)에 각각 설치되는 풀리(361)와, 상기 풀리(361)를 연결하는 벨트(362) 또는 톱니벨트(미도시), 또는 상기 라디얼모터(320)와 공구축(330)에 각각 설치되어 맞물리는 기어(미도시)로 구성되어, 벨트연결이나 기어방식으로 상기 라디얼모터(320)의 회전력이 공구축(330)에 전달되도록 한다.

한편, 상기 공구축(330)에 설치되어 작업물 연마 공작하는 연마공구(500)에 있어서는, 도 9에서 도시하는 바와 같이, 중앙측에 상기 공구축(330)의 설치용 날(331)에 결합되는 결합부(511)를 가지고, 외측 단면이 곡선으로 형성되는 연마디스크(510)와; 상기 외측면을 따라 형성되는 홈(512)과; 상기 홈(512)을 따라 설치되는 오링(520)과; 상기 오링(520)을 덮으며 상기 외측면에 부착되는 연마 직물(530)로 구성되어, 상기 공구축(330)과 함께 회전되어 작업물을 연마하도록 한다.

또한, 도 10 내지 도 12에서 도시하는 바와 같이, 중앙측에 상기 공구축(330)의 설치용 날(331)에 결합되는 결합부(541)를 가지고, 외측 단면이 곡선, 직선, 또는 원형으로 형성되는 회전체(540)와; 상기 회전체(540)의 외측면에 부착되는 연질 패딩(550)과; 상기 연질 패딩(550)의 외측에 부착되는 연마 직물(530)로 구성되는 연마공구(500)를 사용할 수도 있다.

또한, 상기 공구축에 상기 공구축에 설치되어 작업물 공작하는 연삭공구(600)에 있어서는, 도 13 내지 도 15에서 도시하는 바와 같이, 중앙측에 상기 공구축의 설치용 날(331)에 결합되는 결합부(611)를 가지고, 외측 단면이 곡선, 직선, 또는 원형으로 형성되는 회전체(610)와; 상기 회전체(610)의 외측면에 부착되는 것으로, 다이아몬드를 흡수한 연삭 패드와 같은 연삭 패드(620)로 구성되어, 연삭 작업을 수행할 수 있도록 한다.

이하, 상기 도 4 내지 도 15를 참고하여 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 공작기계 헤드 인터페이스는 크게, 선형이송수단(100)과, 방위각회전수단(200), 및 라디얼회전수단(300)으로 구성되어, 상기 선형이송수단(100)은 힘 센서(120)를 이용하여 작업물에 가해지는 압력을 조절하여 작업공구(500, 600)를 작업물의 상하 방향으로 선형이동시키게 되고, 상기 방위각회전수단(200)과 라디얼회전수단(300)은 각각 직교(orthogonal)방향으로 독립적인 축으로 회전함으로써, 주어진 순간에 작업에 필요한 어떤 형태의 속도장이라도 만들 수 있다.

종래기술에서 표현한 바 있는 Zeeko의 방법으로는 원하는 랜덤화된 속도장을 만들기 위하여, 회전축을 공간상으로 이송 또는 회전시켜야만 하나, 본 발명의 경우에는 전체 장치가 움직일 필요 없이 원하는 속도장을 만들 수 있는 것이다.

즉, 본 발명을 이용하여, 상기 도 1과 같은 속도장을 만들기 위하여는 상기 방위각회전수단(200)을 매우 느리게 작동키는 상태에서 상기 라디얼회전수단(300) 을 이용하여 작업공구(500, 600)를 회전시킴으로써 가능하며, 도 2 및 도 3과 같은 속도장을 만들려면, 상기 방위각회전수단(200)과 라디얼회전수단(300)을 동시에 독자적으로 제어하여 회전시킴으로써 주어진 순간에 원하는 속도장을 만들 수가 있는 것이다. 더욱이 순간적인 랜덤화 속도장을 발생하기 위해서는 상기 방위각회전수단(200)과 라디얼회전수단(300)을 동시에 빠른 속도로 조절함으로써 가능하다.

따라서, 회전축을 회전시키기 위한 별도의 거대한 이송 및 회전장치를 필요로 하지 않고, 좁은 공간에서도 작업이 가능하여 공간을 절약할 수 있다.

한편, 본 발명의 공작기계 헤드 인터페이스는 물론 독립적으로 작동 및 작업이 가능하나, 본 발명의 라디얼회전수단(300)은 일반적인 시엔시 공작기계에 부착함으로써, 그 일부가 되어 작업하는 것도 가능하다.

이상과 같은 본 발명은, 공구의 이송 및 운동을 위한 제어수단을 보다 단순화 할 수 있고, 보다 적은 수의 운동 자유도를 가지고도 랜덤화된 속도장 및 원하는 다른 속도장을 발생시킬 수 있으며, 별도의 물질 제거를 위한 스트로크를 발생시킬 필요가 없고, 상기 직교 속도장을 발생시키기 위해 큰 운동이 필요하지 않으므로 공간을 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

도 1 내지 도 3은 종래의 연마공구와 그 속도장을 나타내는 개략도,

도 4는 본 발명의 공작기계 헤드 인터페이스를 나타내는 사시도,

도 5는 본 발명의 공작기계 헤드 인터페이스의 전원 연결수단을 나타내는

사시도,

도 6 내지 도 8은 본 발명의 공작기계 헤드 인터페이스의 슬립연결수단을

나타내는 사시도,

도 9 내지 도 12는 본 발명의 공작기계 헤드 인터페이스에 연결되어

사용되는 연마공구를 나타내는 단면도,

도 13 내지 도 15는 본 발명의 공작기계 헤드 인터페이스에 연결되어

사용되는 연삭공구를 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 선형이송수단 110 : 액츄에이터

120 : 힘 센서 130 : 인터페이스 플레이트

200 : 방위각회전수단 210 : 방위각모터

220 : 축연결부 230 : 인터페이스 테이블

300 : 라디얼연결수단 310 : 플랫폼

320 : 라디얼모터 330 : 공구축

340 : 인터페이스 브릿지 350 : 정밀 베어링

360 : 동력연결부 400 : 전원 연결수단

410 : 상측캔 420 : 하측캔

430 : 슬립연결수단 500 : 연마공구

600 : 연삭공구

Claims

시엔시 공작기계 또는 일반 매뉴얼 공작기계에 연결되거나, 혹은 그 자체적으로 작업물을 공작하는 것에 있어서,

작업물에 수직방향인 직선방향으로 공구를 이송하는 액츄에이터를 포함하는 선형이송수단과;

상기 선형이송수단에 연결되며, 상기 직선방향을 축으로 하여 공구를 회전시키는 방위각모터를 포함하는 방위각회전수단과;

상기 방위각회전수단에 연결되며, 상기 방위각회전수단의 축에 직각인 회전축을 중심으로 공구를 회전시키는 라디얼모터를 포함하는 라디얼회전수단과;

상기 방위각회전수단의 주위에 설치되는 것으로, 상기 라디얼회전수단에 전원을 공급하기 위한 전원 연결수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계 헤드 인터페이스.
제 1항에 있어서, 상기 선형이송수단은,

선형 액츄에이터와;

상기 액츄에이터의 하측에 위치하며, 작업물에 가해지는 힘을 모니터하기 위한 로드 셀 또는 압전 동력계로 이루어지는 힘 센서와;

상기 힘 센서와 상기 방위각회전수단을 연결하는 인터페이스 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계 헤드 인터페이스.
제 1항에 있어서, 상기 방위각회전수단은,

상기 선형이송수단의 하측에 부착되며, 상기 선형이송수단에 대해 수직방향을 축으로 하여, 지면 또는 작업물이 위치한 작업면에 대하여 방위각 방향으로 회전시키는 방위각모터와;

상기 방위각모터의 회전축의 하측에 축연결부에 의하여 연결되며, 하측에 연결다리를 갖는 인터페이스 테이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계 헤드 인터페이스.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 전원 연결수단은,

상기 선형이송수단의 하측에 부착되며, 이중 원통각으로 형성된 상측캔과;

상단이 상기 상측캔의 하단과 고전도성의 슬립연결수단으로 연결되며, 이중 원통각으로 형성된 하측캔으로 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계 헤드 인터페이스.
제 5항에 있어서, 상기 슬립연결수단은,

상기 상측캔의 하단 테두리와 하측캔의 상단 테두리를 따라 설치되는 레일에 위치하는 다수개 볼 또는 원통롤러, 또는 브러시로 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계 헤드 인터페이스.
제 3항에 있어서, 상기 라디얼회전수단은,

상기 인터페이스 테이블의 연결다리에 연결되고, 일측에 개구부가 형성되는 플랫폼과;

상기 플랫폼에 설치되는 라디얼모터와;

공구 설치용 날이 설치되며 상기 라디얼모터의 축과 평행하게 설치되는 공구축을 지지하며, 상기 플랫폼의 양측단에 하측으로 연결되는 인터페이스 브릿지와;

상기 인터페이스 브릿지와 공구축 사이에 설치되는 정밀 베어링과;

상기 플랫폼의 개구부를 통하여 상기 라디얼모터의 축과 상기 공구축을 연결하여 회전시키는 동력연결부로 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계 헤드 인터페이스.
제 7항에 있어서, 상기 동력연결부는,

상기 라디얼모터의 축과 공구축에 각각 설치되는 풀리와, 상기 풀리를 연결하는 벨트 또는 톱니벨트, 또는 상기 라디얼모터와 공구축에 각각 설치되어 맞물리는 기어로 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계 헤드 인터페이스.
제 7항에 있어서, 상기 공구축에 설치되어 작업물 공작하는 공구에 있어서,

중앙측에 상기 공구축의 설치용 날에 결합되는 결합부를 가지고, 외측 단면이 곡선으로 형성되는 연마디스크와;

상기 외측면을 따라 형성되는 홈과;

상기 홈을 따라 설치되는 오링과;

상기 오링을 덮으며 상기 외측면에 부착되는 연마 직물로 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 연마공구.
제 7항에 있어서, 상기 공구축에 설치되어 작업물 공작하는 공구에 있어서,

중앙측에 상기 공구축의 설치용 날에 결합되는 결합부를 가지고, 외측 단면이 곡선, 직선, 또는 원형으로 형성되는 회전체와;

상기 회전체의 외측면에 부착되는 연질 패딩과;

상기 연질 패딩의 외측에 부착되는 연마 직물로 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 연마공구.
제 7항에 있어서, 상기 공구축에 설치되어 작업물 공작하는 공구에 있어서,

중앙측에 상기 공구축의 설치용 날에 결합되는 결합부를 가지고, 외측 단면이 곡선, 직선, 또는 원형으로 형성되는 회전체와;

상기 회전체의 외측면에 부착되는 연삭 패드로 구성되는 것을 특징으로 하는 공작기계의 연삭공구.