KR100609341B1

KR100609341B1 - 공작기계용 고정번지식 자동공구교환장치

Info

Publication number: KR100609341B1
Application number: KR1020040083944A
Authority: KR
Inventors: 윤상대
Original assignee: 주식회사 화인에이.티.씨
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-08-09
Also published as: KR20060034912A

Abstract

본 발명은 고정번지방식의 공작기계용 자동공구교환장치와 관련된다. 본 발명에 따른 고정번지방식의 자동공구교환장치는 매거진부, X 및 Y구동축부, 그립퍼부 및 툴 교환부를 포함하고, 상기 X구동축부는 X 방향 또는 수평방향으로만 운동하고, Y구동축부는 Y방향 또는 수직 방향으로만 운동하여 툴을 이동시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 자동공구 교환 장치는 X구동축부 및 Y구동축부를 이용하여 툴을 X 및 Y축 방향으로만 이동시켜 교환함으로서 툴의 대기 시간을 줄일 수 있는 효과를 가진다.

고정번지방식, 매거진부, 그립퍼부, 이송용 암, 체인저 암

Description

공작기계용 고정번지식 자동공구교환장치{Automatic Tool Changer of Fixed Address Type for Machine Tool}

도 1은 본 발명에 따른 고정번지식 ATC(Automatic Tool Changer)의 정면도를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 고정번지식 자동 공구 교환 장치의 측면도를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 고정번지식 자동 공구 교환 장치의 체인저 어셈블리의 평면도를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 체인저 어셈블리와 캠박스부의 구조 및 형상을 도시한 것이다.

※도면 주요 부호의 설명

10 : 매거진부 11A: X구동축부 11B : Y구동축부

12 : 그립퍼부 14 : 툴교환부 15 : 수동공구교환장치

20 : 체인징부 21 : 캠박스부

30 : 이송용 암 31 : 기어박스 32 : 에어실린더

41 : 회전 실린더 43 : 체인저 암 45 : 운송포트

본 발명은 고정번지방식의 공작기계용 자동공구교환장치(Automatic Tool Changer : ATC)와 관련되고, 구체적으로 매거진부(Magazine part), 로봇 시스템의 X, Y 구동축, 그립퍼부(Gripper part), 체인징부(Changing part) 및 캠박스부(Cambox part)를 포함하는 박스형 구조를 가진 공작 기계용 자동공구 교환장치와 관련된다.

일반적으로 ATC 형태는 매거진 이송방식 ATC와 고정번지식 ATC로 분류된다. 상기 매거진 이송방식 ATC는 고정번지식에 비하여 툴(tool) 수량의 2배 이상의 공간을 필요로 하고, 그리고 매거진 구동에 따른 요소품 등의 소음 발생 및 수명 단축의 단점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 가장 먼 위치에 있는 툴을 교환하는 경우 가공 대기 시간의 증대로 인하여 생산성이 저하되고, 그리고 툴의 증설은 가능하지만 장비 중량과 조립기술의 어려움으로 인하여 증설이 거의 이루어지기 어렵다는 단점을 가진다. 이에 비하여 고정 번지식은 일반적으로 암 체인저부(Arm Changer Part), X·Y·Z축의 L/M 가이드에 의한 슬라이드부, 매거진부를 포함한다. 상기 고정 번지식은 공간 활용을 극대화할 수 있고, 고정 형태로 인하여 마모가 저하됨으로서 기계의 수명이 증대될 수 있다는 장점을 가진다. 뿐만 아니라 교환 대기시간 손실을 방지하여 생산성을 향상시킬 수 있으며, 또한 툴을 증설하는 경우 카트리지부(Cartridge Part)의 증설만으로 가능하다는 장점을 가진다.

위와 같은 자동공구교환장치에 대한 선행기술로는 한국실용신안등록번호 제20- 0348143호 "머시닝센터의 자동공구교환장치"가 있다. 상기 고안은 체인지 암에서 직선운동과 회전운동이 동시에 걸리는 것을 방지하고, 그리고 체인지 암에 직선운동을 가해주는 기구의 연결 부위 및 지지점의 수를 줄임으로서 백래쉬의 누적을 줄일 수 있는 자동공구교환장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

자동공구교환장치에 대한 또 다른 선행기술로는 본 출원인에 의하여 출원되고 등록된 한국특허출원번호 제10-2003-0076679호 "고정번지방식 자동공구교환기의 공구 회전장치"가 있다. 상기 발명은 툴포트의 회전 및 인출 구조를 개선하여 툴포트의 교환시간을 단축시킬 수 있는 고정번지방식 자동공구 교환기의 공구 회전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 위와 같은 목적을 이루기 위하여 '679호 발명은 툴 매거진 또는 체인지 암에 장착된 툴을 고정하여 이탈시키는 집게부, 상기 집게부를 회동 가능하게 지지하고 회동 경로를 가이드하는 플레이트부 및 상기 플레이트부에 결합된 상기 집게부의 회동을 회동시키는 유압실린더를 포함하고, 상기 집게부와 유압 실린더는 상기 유압실린더의 직선운동을 회전운동으로 전환시키는 회전링크 및 회전축에 의해 연결되는 것을 특징으로 한다. 상기 '679호 발명은 참조로서 본 명세서에 결합된다.

상기에서 제시된 선행 기술 중 '143호 고안의 경우 매거진 이송 방식 ATC의 단점을 지니고 있다는 문제점을 가지고 있다. 또한 '679호 발명은 고정번지식을 사용하고 있지만 그립퍼부에 해당하는 집게부가 회전 장치 방식을 사용하고 있다는 단점을 지니고 있다. 그립퍼부 회전 방식의 경우 설치될 수 있는 툴의 개수가 한정되고 또한 그립퍼부의 회전으로 인한 마모가 발생하기 쉽다는 단점을 가진다. 이에 더하여 그립퍼가 툴을 정확하게 파지하기 위하여 미세한 조정이 필요하다는 단점을 추가로 가진다. 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 아래와 같은 목적을 가진다.

본 발명의 목적은 암 체인저부, X·Y·Z축의 L/M 가이드에 의한 슬라이드부 및 매트릭스 형태의 그립퍼부를 포함하는 고정번지식 ATC를 제공하는 것이다. 본 발명은 특히 X·Y·Z축의 L/M 가이드를 포함함으로서 툴의 이동 속도를 향상시킬 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 목적은 X·Y축의 이송장치에 관련된 제어 시스템과 연계되어 구동될 수 있는 고정번지식 ATC를 제공하는 것이다. 본 발명에서는 X·Y축의 서보 모터(Servo Motor)의 위치 및 각종 유·공압의 동작 관계도에 의해 각 위치가 요구하는 바를 프로그램화하여 제어될 수 있도록 하였다.

위와 같은 본 발명의 목적을 이루기 위하여 본 발명에 따른 고정번지식 자동공구교환장치은 툴을 상기 그립퍼부로부터 툴 교환부로 이동시키기 위한 X구동축부 및 Y구동축부를 포함하고, 상기에서 X구동축부는 X 방향 또는 수평방향으로만 이동하고 그리고 Y구동축부는 Y방향 또는 수직 방향으로만 운동하여 상기 툴을 이동시키는 것을 특징으로 한다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면을 이용하여 제시된 실시 예로서 상세하게 설명된다. 제시된 실시 예의 설명에서 공지 또는 자명한 사항이나 장치는 간략하게 설 명되거나 생략되지만 이러한 것들이 본 발명의 범위에서 제외되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

도 1에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 ATC는 프레임과 프로파일이 주를 이루고 있는 매거진부(Magazine Part)(10), 로봇 시스템으로 구동되는 X구동축부(11A), Y구동축부(11B), 공구를 보유하고 있는 그립퍼부(Gripper Part)(12), 공구 교환을 위해 이송 역할을 해주는 체인징부(Changing Part)(13) 및 실질적으로 장비와 공구 교환을 해주는 툴교환부(Cambox Part)(14)를 포함한다. 또한 추가로 수동공구교환장치(15)를 포함할 수 있다.

매거진부(10)는 글리퍼부(12)에 고정되는 툴을 저장하고 있는 장치를 말한다. 상기 매거진부(10)는 이 분야에서 공지된 임의의 장치가 사용될 수 있다. 일반적으로 고정번지식 ATC는 종래의 매거진 이송 방식의 ATC와는 달리 툴은 항상 자신의 변하지 않는 번지에 위치하고, 만약 공구 교환 지령이 제어시스템에 의하여 주어지는 경우 X, Y축 이송 장치에 의해 공구 교환 대기 위치까지 이동되는 것을 특징으로 한다. 그러므로 매거진부(10)에 저장된 툴은 그립퍼부(12)에 저장될 고유한 번지를 가지고 있다.

로봇 시스템으로 구동되는 X 및 Y구동축부(11A, 11B)은 LM가이드 위에서 이동되는 장치이다. LM가이드 위에서의 구동은 유압 또는 공기압 등 이 분야에서 공지된 방법이 사용된다. X 및 Y 구동축부(11A, 11B)의 이동방법은 먼저 X축 방향, 즉 수 평 방향으로 LM가이드 위에서 X 및 Y구동축부(11A, 11B)는 그립퍼부(12)의 툴을 선택할 수 있는 위치로 함께 이동한다. 상기 위치에서 Y구동축부(11B)가 음의 Y축 방향, 즉 수직 아래쪽 방향으로 이동하여 작업을 위하여 필요한 툴, 즉 교환툴을 선택한다. 교환툴을 고정한 Y구동축부(11B)는 다시 양의 Y축 방향, 즉 수직 위쪽 방향으로 이동하여 X 및 Y구동축부(11A, 11B)가 결합된다. 상기와 같이 결합된 X 및 Y구동축부(11A, 11B)는 다시 LM 가이드 위에서 X축 방향으로 이동하여 교환툴을 툴교환부(14)에 전달할 수 있도록 X축 위에 위치한다. 상기 위치에서 다시 X구동축부(11B)가 아래쪽으로 이동하여 툴교환부(14)의 앞쪽에 위치하게 된다. 도 1에서 좌측 위쪽 부분에 도시된 것은 X 및 Y구동축부(11A, 11B)가 결합된 상태를 그리고 우측 중간 부분, 즉 툴교환부(14) 앞쪽에 도시된 것은 X구동축부(11B)가 이동후의 상태를 각각 도시한 것이다. 위와 같이 X구동축부 LM가이드 위에서 X축 방향으로만 이동하고 Y구동축부(13)는 Y축 방향으로만 이동하게 된다. 상기와 같은 X 및 Y 축, 즉 LM 가이드 위에서 X 및 Y구동축부(11A, 11B)의 정확한 위치의 제어는 로봇에 의하여 이루어지는 것이 유리하다. 또한 위와 같은 방식으로 이루어지는 X 및 Y 축 위, 즉 LM 가이드 위에서의 이동은 툴 대기 시간을 감소시키도록 한다.

본 발명에 따른 고정 번지식 ATC에서는 직사각형 또는 매트릭스 형태의 그립퍼부(12)를 포함하고 있다. 상기 형태가 가지는 이점은 설치 면적에 비하여 많은 수의 툴을 유지할 수 있고, 또한 컴퓨터 등에 의한 제어가 용이하다는 점에 있다. 일반적으로 원형 또는 다른 형태의 그립퍼부에 비하여 직사각형 또는 매트릭스 형태는 번지의 설정 및 인식이 용이할 뿐만 아니라 툴을 정확하게 위치시키기 유리하 다는 장점을 가진다. 그립퍼부(12)는 그립퍼(Gripper) 및 툴 유지 장치를 포함한다. 상기 툴 유지 장치는 툴의 장착 및 탈착의 경우 툴을 눌러줄 수 있도록 하기 위한 것으로서 일반적으로 스프링의 탄성을 이용하여 지지한다. 그러나 스프링만으로 제작하는 경우에는 열처리 과정에서 전단현상이 발생할 수 있으며, 만약 전단 현상이 생기지 않도록 제작되는 경우에는 탄성이 일정하지 않게 된다는 단점이 가진다. 그러므로, 볼과 내부에 스프링으로 탄성을 조정시키고, 그리고 이를 세트 스크류로서 조정할 수 있는 방법을 사용하는 것이 특히 유리하다. 위와 같이 직사각형 또는 매트릭스 형태의 그립퍼부(12)는 적절하게 한 라인당 15×2 = 30개로서 4개 라인이 사용되는 경우 120개의 툴이 설치될 수 있다.

수동공구교환장치(15)는 필요할 경우 매거진부(10)에서 저장되지 않은 툴을 수동으로 공급할 필요가 있는 경우 사용하기 위한 장치이다.

툴교환부(14)에 대해서는 아래에서 도 2와 관련하여 설명한다.

도 2에는 Y구동축부(11B)가 Y축 방향으로 이동하여 그립퍼부(12)에 고정된 툴을 툴 교환부(14)에 전달할 수 있는 위치로 설정된 형태를 도시한 것이다. 도시된 것처럼 툴교환부(14)는 체인징부(20)와 캠박스부(21)를 포함한다. 상기 위치에서 Y구동축부(11B)에 고정된 툴은 툴교환부(14)로 전달되고, 다시 상기 전달된 툴은 툴교환부(14)에 포함된 체인징부(20)와 캠박스부(21)의 상호 작용으로 스핀들 위치에 있는 툴, 즉 피교환툴과 교환된다. 상기 교환 과정에서는 LM 가이드 등에 의한 직 선 운동과 캠에 의한 회전 운동을 이용된다. 도 2과 관련하여 그립퍼부(12)의 툴이 스핀들부의 툴과 교환되는 과정을 개략적으로 설명하면 아래와 같다:

(i) X 및 Y 구동축부(11A, 11B)와 관련된 로봇은 교환되어야 할 툴의 번지 및 교환되는 툴의 번지를 지시받게 된다.

(ii) 상기 지시에 따라 로봇은 X 및 Y 구동축부(11A, 11B)를 그립퍼부(12)로 이동시켜 교환이 되어야 할 교환툴을 집을 수 있도록 위치시킨다.

(iii) 교환툴을 고정시킨 X구동축부(11B)는 툴교환부(14) 전방 대기 위치로 이동한다.

상기와 같은 과정에서 X 및 Y 구동축부(11A, 11B)는 X축 또는 Y축 방향으로만 이동되는 것을 특징으로 한다. 즉 X 및 Y구동축부(11A, 11B)는 X축 또는 Y축 방향으로만 이동하여 교환되어야할 툴을 툴교환부(14)의 전방까지 이동시킨다.

(iv)툴교환부(14)의 전방까지 이동된 교환툴은 스핀들부에 위치한 피교환툴과 교환된다. 상기 교환 과정에서는 LM 가이드에 의한 직선 운동과 캠에 의한 회전 운동이 이용된다.

(v) 다시 교환툴과 교체된 피교환툴은 (i) 내지 (iii)의 역과정을 이용하여 그립퍼부(12)의 해당하는 번지에 고정되거나 또는 매거진부(10)에 고정된다.

위와 같은 과정을 통하여 툴을 교환하는 본 발명에 따른 고정번지식 자동공구교환장치는 툴이 사각형 또는 매트릭스 형태의 그립퍼부(12)와 X 및 Y구동축부(11A,11B)의 직선 운동을 이용함으로서 다량의 툴을 빠른 시간에 정확하게 교환할 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 고정번지식 자동공구교환장치의 체인저 어셈블리 또는 체인징부(20)의 평면도를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 것처럼 체인저 어셈블리 또는 체인지부(20)는 도면의 아래쪽에 별도로 정면도가 도시된 이송용 암(30), 기어박스(31) 및 에어 실린더(32)를 포함한다.

이송용 암(30)은 양쪽 끝에 형성된 핑거(301A, 301B)를 포함하고 고정 로드(302)에 의하여 체인징부(20)에 고정된다. 체인징부(20)이 LM 가이드(도시되지 않음)에 의하여 대기 포트 방향, 즉 도 3에서 -X 방향으로 이동되어 체인저 플레이트(30)에 형성된 하나의 핑거(301B)가 A-A'라인에 위치하여 대기 포트의 툴을 장착시키게 된다. 상기 툴의 장착은 실질적으로 대기 포트의 툴은 후진된 상태에서 체인징부(20)가 전진하여 이송용 암(30)의 핑거(301B)에 툴을 장착시키는 방법으로 이루어진다. 상기와 같은 방식으로 교환툴을 고정시킨 이송용 암(30)은 다시 원래의 위치로 슬라이드 이동을 한다. 상기 원래의 위치에서 체인저 어셈블리 또는 체인징부(20)는 에어 실린더(32)를 이용하여 90도 회전하게 된다. 상기와 같이 체인저 어셈블리(20)의 90도 회전한 후, 기어박스(31)에 포함된 렉기어(도시되지 않음)를 이용하여 이송용 암(30)이 180도 회전하게 되면 교환툴은 운송포트의 대기 위치(도 4참조) 위에 위치하게 된다. 상기 운송 포트에서 스핀들부로의 교환툴의 이동은 도 4와 관련하여 설명한다.

도 3과 관련하여 설명한 것처럼 체인저 어셈블리(20)의 이송용 암(30)에 의하여 고정된 툴은 운송 장치(40)의 운송포트(401)에 고정된다. 도 4에 도시된 이송용 암(30)은 그립퍼부(12)(도 1 및 도 2 참조)로부터 매거진 체인저 암(40)으로 이송된 교환툴(T)을 핑거(301B)에 고정시킨 상태를 도시한 것이다. 상기와 같은 상태에서 체인징부(20)가 90도 회전하고 그리고 암회전 실런더(42)를 이용하여 이송용 암(30)이 180도 회전하면 교환툴(T)은 운송포트(45) 위에 운송포트의 대기 위치인 B-B'라인에 위치하게 된다. 상기 위치에서 운송 포트(45)는 회전 실린더(41)를 이용하여 포트 슬라이더(46)의 직선 운동으로서 교환 위치인 C-C'라인으로 이동된다. 즉, 대기 위치에서 운송포트(45)로 전달된 교환툴(T)은 포트 슬라이드(46)의 직선운동을 통하여 교환 위치로 이동된다. 캠박스부(21)(도 2참조)는 회전 가능하도록 설치된 체임저 암(43)을 포함하고 있다. 도 4에 도시된 것처럼 체인저 암(43)은 양 끝에 툴을 고정시킬 수 있는 교환 포트(431A, 431B)가 설치되어 있다. 체인저 암(43)은 반시계 방향으로 회전하여, 위쪽의 교환 포트(431A)에 교환툴을 고정시킨다. 그리고 이와 동시에 반대쪽 교환포트(431B)는 스핀들부(44)의 피교환툴(도시되지 않음)을 고정시키게 된다. 그리고 이와 같이 두 개의 툴을 각각의 교환 포트(431A, 431B)에 고정시킨 상태에서 계속 회전하게 된다. 그리고 교환포트(431A)에 고정된 교환툴은 스핀들부(42)에 고정되고, 한편 다른 교환포트(431B)에 고정된 피교환툴은 운송포트(45)에 고정이 된다. 이로서 툴의 교환되는 일련의 과정이 완료된다.

운송포트(45)에 고정된 피교환툴은 교환툴(T)이 운송포트(45)로 이송된 과정의 역 경로를 통하여 그립퍼부 또는 매거진부로 이송되어 고정된다.

위에서 본 발명에 따른 고정번지식 자동공구교환장치가 제시된 실시 예를 이용하여 상세하게 설명되었다. 제시된 실시 예는 예시적인 것이며 이 분야의 통상적인 지식을 가진 자는 제시된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 제시된 실시 예에 대한 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 상기와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 아래에 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

본 발명에 따른 고정번지식 자동공구교환장치는 전체적으로 박스형태를 이루면서 툴이 고정되는 그립퍼가 사각형 또는 매트릭스 형태가 됨으로서 일정한 공간에 많은 수의 툴을 장착시킬 수 있는 효과를 가진다. 또한 X구동축부 및 Y구동축부를 이용하여 툴을 X 및 Y축 방향으로만 이동시켜 교환함으로서 툴의 대기 시간을 줄일 수 있도록 한다.

Claims

매거진부, 그립퍼부 및 툴 교환부를 포함하는 공작 기계용 고정번지식 자동공구교환장치에 있어서,

툴을 상기 그립퍼부로부터 툴 교환부로 이동시키기 위하여 X 방향 또는 수평방향으로만 이동하는 X구동축부 및 Y 방향 또는 수직 방향으로만 이동하는 Y구동축부를 포함하고, 상기에서 X구동축부 및 Y구동축부의 운동은 LM 가이드에 의하여 유도되는 것을 특징으로 하는 고정번지식 자동 공구 교환 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 X구동축부 및 Y구동축부의 제어는 로봇에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고정번지식 자동공구교환장치.
청구항 1에 있어서,

상기 그립퍼부는 전체적으로 사각형 또는 매트릭스 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 고정번지식 자동공구교환장치.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 그립퍼부는 툴을 고정시키는 위한 그립퍼를 포함하고, 상기 툴의 고정은 볼과 스프링을 이용하여 탄성을 조정하고 다시 세트 스크루로서 탄성을 조정하는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고정번지식 자동공구교환장치.
매거진부, X 및 Y구동축부, 그립퍼부 및 툴 교환부를 포함하는 공작 기계용 고정번지식 자동공구교환장치를 이용하여 공작 기계의 툴을 교환하는 방법에 있어서,

(i) X 및 Y 구동축부와 관련된 로봇이 교환되어야 할 툴의 번지 및 교환되는 툴의 번지를 지시받는 단계;

(ii) 상기 지시에 따라 로봇은 X 및 Y 구동축부를 그립퍼부로 이동시켜 교환이 되어야 할 교환툴을 집을 수 있도록 위치시키는 단계; 및

(iii) 상기 교환툴을 고정시킨 X구동축부는 툴교환부의 전방 대기 위치로 이동시키는 단계를 포함하고,

상기에서 상기에서 X 및 Y 구동축부는 각각 X축 및 Y축 방향으로만 이동하고 그리고 X 및 Y 구동축부의 운동은 LM 가이드에 의하여 유도되는 것을 특징으로 하는 공작 기계의 툴 교환 방법.