KR101582630B1

KR101582630B1 - 전기식 축 구동장치 및 그 작동방법

Info

Publication number: KR101582630B1
Application number: KR1020140042846A
Authority: KR
Inventors: 장정환; 윤용선
Original assignee: 동아대학교 산학협력단; 칸워크홀딩 주식회사
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2016-01-05
Also published as: KR20150117419A

Abstract

본 발명은 성형 장치 또는 절삭 장치 등의 각종 가공기계에서 축의 회전 운동과 선형 운동이 분리되어 독립적으로 발생하고, 클램핑 구조부에 인가되는 전류를 조절함으로써 가공 기구의 파지력을 정밀하게 제어할 수 있도록 한 전기식 축 구동장치 및 그 작동방법에 관한 것으로, 선형 이동하는 선형이동축의 외측에 복수의 베어링 구조물에 의해 상대 회전 운동하는 회전부재를 하우징 내부에 배치하고, 선형이동축의 선형 이동과 회전부재의 회전 운동을 분리시켜 독립적인 시스템에 의해서 동작이 가능하게 함과 더불어, 선형 이송에 있어서도 단순 이송 부분과 큰 파지력(chucking force)이 요구되는 클램핑 부분을 독립적으로 분리하여 동작되게 함으로써 단위체적당 높은 추력 밀도를 구현할 수 있는 전기식 축 구동장치 및 그 작동방법에 관한 것이다.

Description

전기식 축 구동장치 및 그 작동방법{Apparatus for Electrically Driving a Shaft and Method for Working the Same}

본 발명은 축을 회전 및 직선 운동시키는 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 성형 장치 또는 절삭 장치 등의 각종 가공기계에서 축의 회전 운동과 선형 운동이 분리되어 독립적으로 발생하고, 클램핑 구조부에 인가되는 전류를 조절함으로써 가공 기구의 파지력을 정밀하게 제어할 수 있도록 한 전기식 축 구동장치 및 그 작동방법에 관한 것이다.

일반적으로 성형장치나 절삭장치, 연삭장치 등의 가공기계에는 공구 또는 가공물을 회전 및 선형 이동시키기 위한 축이 존재한다. 이러한 축을 회전 및 선형 이동시키기 위한 축 구동장치로서 국내 등록특허공보 제10-0732596호(2007년 06월 20일 등록)에 개시된 것과 같은 회전유압실린더 구조의 축 구동 조립체가 주로 사용되어 왔다.

상기 등록특허의 회전유압실린더는 유압에 의해 선형 운동하는 피스톤을 구비한 유압실린더를 중공축 모터를 관통하여 설치하되, 유압실린더의 외면에 모터의 회전자를 장착하고, 중공축 모터의 내주면에 고정자를 구성하여 유압실린더를 회전운동시킬 수 있도록 한 것이다.

이러한 회전유압실린더는 메커니컬 씰(mechanical seal)에 의해 실린더 하우징 내의 기름이 실린더 하우징과 실린더 바디 틈 사이로 새는 것을 방지할 수 있도록 구성되어 있지만, 원심력으로 인해 메커니컬 씰과 실린더 바디 틈으로 기름이 누유 되는 문제점을 가진다.

또한 초고속 회전유압실린더에서는 실린더의 고속회전에 의해 실린더 내부 및 외부에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 임펠러의 날개가 외부로 돌출 되도록 설치되지만 실린더의 표면만 식혀주고 내부에서 발생되는 열을 효율적으로 식혀주지 못하는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 것으로 국내 등록실용신안공보 제20-0243368호(2001년 8월 7일 등록)에는 내부에서 발생되는 열을 효율적으로 식혀주기 위해 실린더 하우징과 실린더 커버 사이에 임펠러를 설치하되 임펠러 날개는 실린더 하우징 내부와 연통되도록 형성하여, 공기의 흡입량을 증대시키고, 공기의 흡입 위치를 실린더의 초두부로 위치시켜 실린더 하우징과 실린더 커버 외부열을 냉각하는 동시에 제품 내부에 공기흐름자리를 형성하여 내부에서 발생되는 열을 단시간에 냉각시켜 실린더 내의 부품이 소착되는 것을 방지할 수 있도록 한 CNC 선반용 회전유압실린더가 개시되어 있다. 하지만 이러한 등록실용신안공보의 회전유압실린더는 실린더 회전에 의해 발생하는 열을 줄이거나 없애지 못하고 임펠러 날개를 추가적으로 구성하여야 하며 구조가 복잡해지는 문제가 있다.

이와 같이 가공기계에서 축을 이동하기 위한 종래의 축 구동장치는 축의 회전에 의해 별도의 실링장치나 냉각장치를 설치해야 하므로 시스템의 구조가 복잡하고 비효율적이며, 축을 회전하기 위한 시스템에서는 축의 직선 이동에 대한 고려가 필요하여 축을 직선 이동 및 회전하는 축 구동장치의 전체 시스템의 효율이 낮아지는 문제점이 있다.

또한, 국내 공개특허공보 제2012-0102862호 등에 개시된 종래의 유압 클램핑 장치는 유압유를 사용하기 위한 유압탱크가 사용됨에 따라 사용공간을 많이 차지하는 문제점과 유압탱크에서 클램핑 장치 사이로 다수의 호스가 사용됨에 따라 장치 주변이 복잡하고 유압유의 누수에 의해 작업환경을 오염시키는 문제점이 있고 유압유를 주기적으로 교체하여야 하는 유지보수의 어려움이 따른다. 이러한 유압에 의한 클램핑 장치는 응답속도가 느리고 척의 파지력을 정밀하게 제어하기 곤란하여 재료의 특성에 따라서는 공작물의 변형을 초래할 수 있다.

또한 공작물을 파지하는 클램핑 장치의 경우 직선 운동에서 스크류잭을 사용하는 경우가 있는데 스크류잭은 높은 마찰력에 의해 기계적인 효율이 낮고 백래쉬에 의한 제어의 불확실성과 낮은 운전속도의 문제점을 가진다.

전기적인 입력 구동원에 의해 큰 힘을 얻을 수 있는 장치로는 솔레노이드 형태를 이용한 엑추에이터나 리니어 모터가 있는데 솔레노이드 타입에서 발생하는 힘은 거리의 제곱에 비례하여 감소하므로 플런저의 이동거리를 일정한도 이상 크게 할 수 없으며 매우 짧은 근거리 동작에 한정되어 사용된다. 이에 반해 리니어 모터를 사용하는 경우 20kN 정도의 큰 추력을 얻기 위해서 수백 암페어 이상의 대전류가 필요하기 때문에 코일에서의 발열과 냉각 문제도 함께 고려되어야 할 뿐 아니라 모터의 체적도 커져야하는 단점이 있다.

등록특허공보 제10-0732596호(2007년 06월 20일 등록) : 축을 회전하고 이동하기 위한 구동 조립체 등록실용신안공보 제20-0243368호(2001년 8월 7일 등록) : 씨엔씨 선반용 회전 유압 실린더

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 선형 이동하는 선형이동축의 외측에 복수의 베어링 구조물에 의해 상대 회전 운동하는 회전부재를 배치하고, 선형이동축의 선형 이동과 회전부재의 회전 운동을 분리시켜 독립적인 시스템에 의해서 동작이 가능하게 함과 더불어, 선형 이송에 있어서도 단순 이송 부분과 큰 파지력(chucking force)이 요구되는 클램핑 부분을 독립적으로 분리하여 동작되게 함으로써 단위체적당 높은 추력 밀도를 구현할 수 있는 전기식 축 구동장치 및 그 작동방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기식 축 구동장치는, 하우징과; 상기 하우징에 하우징의 길이방향을 따라 연장되게 설치되어 회전운동하면서 축방향으로 선형 이동하도록 설치되고, 외주면에 나사산이 형성되어 있는 선형이동축과; 상기 하우징 내부에 설치되며, 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 발생시키는 클램핑블록과; 상기 클램핑블록의 일측 또는 양측에 상기 하우징에 대해 길이방향으로만 이동 가능하게 설치되어, 상기 클램핑블록에 생성된 자기장에 의해 클램핑블록 쪽으로 이동하여 부착되는 자성체로 된 클램핑플레이트와; 상기 클램핑플레이트의 중앙부에 고정되게 설치되며, 상기 선형이동축의 나사산과 나선 결합하는 암나사산이 내주면에 형성되어 있는 가이드보스와; 상기 선형이동축이 관통하면서 연결되어 선형이동축과 함께 회전 운동하는 구동블록과; 상기 구동블록을 회전시킴으로써 선형이동축의 회전 운동 및 축방향 선형 이동을 발생시키는 선형구동유닛과; 상기 하우징의 내측에서 선형이동축의 외주면과 일정 거리 이격되게 설치되며, 하우징에 대해 회전 운동하도록 설치된 회전부재와; 상기 선형이동축과 회전부재 사이에서 선형이동축의 외면에 결합되어 선형이동축과 함께 회전부재에 대해 선형 이동하면서 추력을 지탱하는 내측 베어링유닛과; 상기 하우징의 내주면과 회전부재의 외주면 사이에 설치되어, 하우징에 대해 회전부재를 회전 가능하게 지지하는 외측 베어링유닛과; 상기 회전부재의 전단부에 결합되어 회전부재를 하우징 및 선형이동축에 대해 회전시키는 회전구동수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 축 구동장치는 선형이동축을 설정된 위치까지 선형 이송하는 동작을 선형구동유닛이 담당하고, 2차적인 강력한 파지력 전달을 위한 별도의 클램핑 동작을 전기에 의해 자기력을 발생시키는 클램핑블록 및 클램핑플레이트가 담당하는 이원화된 축 구동 시스템을 구현하고 있으므로, 유압을 사용하지 않고 유압에 비견되는 큰 클램핑력을 제공할 수 있으며, 단위체적당 높은 추력밀도를 제공할 수 있는 효과가 있다.

이에 따라 척의 파지력 제어가 용이하여 공작물의 변형을 최소화 할 수 있으며, 효과적인 척킹 시스템의 자동화를 구현할 수 있는 효과가 있다.

그리고 하우징 내부에 설치된 내측 베어링유닛과 외측 베어링유닛이 선형이동축의 선형 이동에 따른 추력과 회전부재의 고속 회전에 따른 반경방향 하중을 안정적으로 지탱할 수 있게 되므로, 동작 안정성이 향상되고, 설치가 용이해지는 이점이 있다.

이와 더불어 공작기계 혹은 작업장 내 공간 확보가 용이하며, 작업장을 깨끗이 유지할 수 있다. 또한 시스템을 경량화할 수 있으며, 비용절감 효과가 크고, 기존의 유압방식보다 환경 친화적이며, 고효율의 축 구동장치를 구현할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 축 구동장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 전기식 축 구동장치의 선형이동축의 단면도 및 정면도이다.
도 3은 도 1의 전기식 축 구동장치의 클램핑블록의 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 클램핑블록의 종단면도이다.
도 5는 도 1의 전기식 축 구동장치의 클램핑플레이트의 결합 상태의 단면도이다.
도 6은 도 5의 클램핑플레이트의 각 부분을 나타낸 단면도와 정면도 및 사시도를 함께 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5의 클램핑플레이트와 클램핑블록이 결합된 상태의 단면도와 정면도 및 사시도를 함께 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1의 전기식 축 구동장치의 선형이동축이 전진한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 9는 도 1의 전기식 축 구동장치의 선형이동축이 도 8에 도시된 상태에서 후진한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 10은 도 1의 전기식 축 구동장치의 선형이동축이 클램핑블록과 클램핑플레이트의 작용에 의해 후진한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기식 축 구동장치의 단면도이다.
도 12는 도 11의 전기식 축 구동장치의 임펠러의 사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기식 축 구동장치 및 그 작동방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

이하의 실시예에 대한 설명에서 이해를 돕기 위해 도면상 오른쪽을 장치의 전방으로 하고, 도면상 왼쪽을 장치의 후방으로 하여 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 전기식 축 구동장치는 하우징(10)과; 상기 하우징(10)에 하우징(10)의 길이방향을 따라 연장되게 설치되어 회전운동하면서 축방향으로 선형 이동하도록 설치되고, 외주면에 나사산(21)이 형성되어 있는 선형이동축(20)과; 상기 하우징(10) 내부에 설치되며, 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 발생시키는 클램핑블록(40)과; 상기 클램핑블록(40)의 일측 또는 양측에 상기 하우징(10)에 대해 길이방향으로만 이동 가능하게 설치되어, 상기 클램핑블록(40)에 생성된 자기장에 의해 클램핑블록(40) 쪽으로 이동하여 부착되는 자성체로 된 클램핑플레이트(50)와; 상기 클램핑플레이트(50)의 중앙부에 고정되게 설치되며, 상기 선형이동축(20)의 나사산(21)과 나선 결합하는 암나사산(56)이 내주면에 형성되어 있는 가이드보스(55)와; 상기 선형이동축(20)과 스플라인 구조로 연결되어 선형이동축(20)과 함께 회전 운동하는 구동블록(65)과; 상기 구동블록(65)을 회전시킴으로써 선형이동축(20)의 회전 운동 및 축방향 선형 이동을 발생시키는 선형구동유닛과; 상기 하우징(10)의 내측에서 선형이동축(20)의 외주면과 일정 거리 이격되게 설치되며, 하우징(10)에 대해 회전 운동하도록 설치된 회전부재(30)와; 상기 선형이동축(20)과 회전부재(30) 사이에서 선형이동축(20)의 외면에 결합되어 선형이동축(20)과 함께 회전부재(30)에 대해 선형 이동하면서 추력을 지탱하는 내측 베어링유닛(70)과; 상기 하우징(10)의 내주면과 회전부재(30)의 외주면 사이에 설치되어, 하우징(10)에 대해 회전부재(30)를 회전 가능하게 지지하는 외측 베어링유닛(80)과; 상기 회전부재(30)의 전단부에 결합되어 회전부재(30)를 하우징(10) 및 선형이동축(20)에 대해 회전시키는 회전구동수단을 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 하우징(10)은 대략 원통형의 통형상으로 이루어지며, 후방면 중앙부에는 상기 선형이동축(20)이 통과하는 원형의 관통공이 형성되어 있다. 상기 하우징(10)은 본 발명의 축 구동장치가 적용되는 가공장비의 본체에 고정된다.

도 1 및 도 2에 도시한 것과 같이, 상기 선형이동축(20)은 소정의 길이를 갖는 원형의 봉 형태로 이루어지며, 중간부분에 나사산(21)이 일체로 형성되어 있다. 상기 선형이동축(20)의 후단부 외면에는 축방향을 따라 스플라인홈(22)이 오목하게 형성되어 있다. 그리고, 상기 선형이동축(20)이 연결되는 구동블록(65)의 중앙의 구멍 내주면에는 상기 스플라인홈(22) 내측으로 삽입되어 스플라인홈(22)의 이동을 안내하는 스플라인돌기(66)가 축방향을 따라 형성된다. 따라서, 상기 선형이동축(20)은 상기 스플라인홈(22)과 스플라인돌기(66)의 결합에 의해 구동블록(65)에 대해 전후방향(축방향)으로 선형 이동은 하지만 구동블록(65)에 대해 상대 회전은 불가능하게 되어 구동블록(65)과 함께 회전 운동을 하게 된다.

상기 구동블록(65)은 중앙에 상기 선형이동축(20)이 관통하는 구멍이 형성되고, 이 구멍에 상기 스플라인돌기(66)가 형성되어 있는 원반형으로 이루어져 하우징(10)의 후단부 외측에 회전 가능하게 설치되며, 선형구동유닛과 결합되어 선형구동유닛에 의해 회전운동하게 된다.

상기 선형구동유닛은 전동모터(61)와 상기 전동모터(61)에 축결합되어 회전하는 구동기어(62)와, 상기 구동기어(62)와 치합되어 구동기어(62)로부터 동력을 전달받아 회전하며 중심부에 상기 구동블록(65)이 고정되게 결합되는 종동기어(63)를 포함한다. 따라서, 상기 전동모터(61)에 전원이 인가되어 전동모터(61)가 작동하게 되면, 구동기어(62)가 회전하여 종동기어(63)에 동력이 전달되어 종동기어(63)가 회전하게 되고, 종동기어(63)와 결합되어 있는 구동블록(65)이 종동기어(63)와 함께 회전하게 된다.

상기 종동기어(63)는 상기 구동기어(62)보다 큰 직경을 갖도록 되어 구동기어(62)보다 많은 잇수를 갖는다. 따라서, 상기 구동기어(62)와 종동기어(63)의 기어비에 의해 전동모터(61)의 동력이 선형이동축(20)에 감속되면서 큰 토오크로 전달된다. 상기 구동기어(62) 및 종동기어(63)는 스퍼기어(spur gear)를 적용하여 구성할 수 있으나, 이외에도 헬리컬기어, 웜기어 등 임의의 기어를 적용하여 구성할 수 있다.

이 실시예에서는 전동모터(61)의 동력을 구동블록(65)에 전달하기 위해 기어를 이용하였지만, 이외에도 기어비가 있는 벨트 또는 공지의 동력전달기구를 이용하여 모터의 동력을 구동블록(65)에 전달할 수 있음은 물론이다.

상기 클램핑블록(40)은 하우징(10) 내부의 후방부에 외부의 제어장치(미도시)와 전기적으로 연결되도록 설치되어 제어장치로부터 전원을 공급받으며, 양측면, 즉 후방면과 전방면 각각에서 선택적으로 자기장을 발생시킬 수 있도록 구성된다. 이 실시예에서 상기 클램핑블록(40)은 2개가 하우징(10)의 길이방향으로 소정의 간격으로 배치된다. 하지만, 이와 다르게 1개의 클램핑블록(40)만 구성되거나 3개 이상의 클램핑블록(40)이 배치될 수도 있다.

도 3 내지 도 4b를 참조하면, 상기 클램핑블록(40)은 상기 하우징(10)의 내측에 고정되는 원반형의 고정자 철심(41)과, 상기 고정자 철심(41)에 감겨져 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 발생시키는 코일(42)을 포함하여 구성된다. 상기 고정자 철심(41)의 외주부에는 볼트삽입공(44a)이 형성되어 있는 복수개의 플랜지부(44)가 원주방향으로 일정 간격으로 배열된다.

상기 클램핑블록(40)의 양측면 각각에는 상기 코일(42)이 감겨지는 복수개의 슬롯(43)이 형성되며, 클램핑블록(40)의 양측면에 감겨진 코일(42)에 선택적으로 전원이 인가되어 클램핑블록(40)의 양측면에서 선택적으로 자기장이 발생한다. 상기 클램핑블록(40)의 어느 한 측면에서 발생하는 자기장은 반대편의 다른 한 측면 쪽에는 영향을 미치지 않는다.

상기 클램핑블록(40)은 상기 코일(42)에서 발생하는 열을 발산하기 위하여 에폭시 수지와 같은 합성수지에 함침되어 코팅되는 것이 바람직하다.

상기 클램핑블록(40)의 양측 슬롯(43)에 각각 권선되는 코일(42)에 흐르는 전류의 방향은 도 4a에 도시된 것과 같이 동일한 방향이 될 수도 있고, 도 4b에 도시한 것과 같이 교대로 다르게 배열될 수도 있다.

도 5 내지 도 7은 상기 클램핑블록(40)에 의해 생성된 자기장에 의해 하우징(10)의 길이방향(선형이동축의 축방향과 동일한 방향임)으로 선형 이동하는 클램핑플레이트(50)의 구성을 나타낸다. 상기 클램핑플레이트(50)는 복수개(이 실시예에서 3개; 이해를 돕기 위해 전방에 위치한 것부터 차례로 50a, 50b, 50c로 표기함)가 하우징(10)의 길이방향을 따라 소정의 간격으로 배열되며, 상기 2개의 클램핑블록(40)의 면과 소정의 공극을 갖도록 설치된다. 상기 클램핑플레이트(50)는 하우징(10) 내부에서 회전운동은 하지 않고 하우징(10)의 길이방향으로만 이동할 수 있도록 설치된다.

상기 클램핑플레이트(50)의 중앙에는 상기 선형이동축(20)이 관통하는 원통관 형태의 가이드보스(55)가 일체로 형성되는데, 이 실시예에서는 최후방에 위치하는 클램핑플레이트(50c)와 가운데 위치하는 클램핑플레이트(50b)에 가이드보스(55)가 각각 형성되며, 상기 가이드보스(55) 중 적어도 어느 하나(이 실시예에서 가운데 위치하는 클램핑플레이트)의 내주면에는 선형이동축(20)의 나사산(21)과 나선 결합되는 암나사산(56)이 형성되어 있다.

상기 클램핑플레이트(50a, 50b, 50c)의 외주부에는 복수개의 클램핑플레이트(50a, 50b, 50c)들을 상호 연결하기 위한 볼트(57)(도 1 참조)가 체결되는 복수개의 볼트체결공(52)이 형성되어 있다.

그리고 상기 클램핑플레이트(50)의 외주연부에는 클램핑플레이트(50)의 회전을 방지하기 위한 복수개의 회전방지홈(51)이 소정의 간격으로 형성되어 있고, 상기 클램핑블록(40)의 플랜지부(44)에는 상기 회전방지홈(51) 내측으로 삽입되는 원호형의 회전방지부재(45)가 설치된다. 상기 회전방지부재(45) 및 클램핑블록(40)의 외주부는 끝단이 하우징(10)에 나선 결합되는 복수개의 볼트(47)에 의해 서로 결합되면서 하우징(10)에 고정된다. 상기 회전방지부재(45)와 클램핑블록(40)은 개별체로 구성될 수 있지만 이와 다르게 일체로 만들어질 수도 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 내측 베어링유닛(70)은 하우징(10)의 전방부 내측에서 선형이동축(20)의 전방부에 결합되어, 선형이동축(20)의 선형 이동시 회전부재(30)에 대해 슬라이딩하면서 선형 이동에 의한 추력을 지지하며, 동축도를 유지하는 작용을 한다. 이 실시예에서 상기 내측 베어링유닛(70)은 내륜이 상기 선형이동축(20)에 결합되는 복수개(4개)의 내측베어링(71)과, 상기 내측베어링(71)의 외륜에 결합되며 회전부재(30)의 내주면에 축방향으로 슬라이딩 가능하게 연결된 내측베어링하우징(72)을 포함한다. 상기 내측베어링하우징(72)의 전단부에는 척과 연결된 드로우바(D)의 드로우바 조인트(draw-bar joint)(75)가 결합된다.

그리고, 상기 회전부재(30)의 내주면에는 키홈(32)이 축방향으로 연장되게 형성되고, 상기 내측베어링하우징(72)에는 상기 키홈(32)을 따라 슬라이딩 가능하게 연결된 키(73)(key)가 설치된다. 따라서, 선형이동축(20)이 선형 운동을 할 때 상기 내측베어링하우징(72)의 키(73)가 회전부재(30)의 키홈(32)을 따라 슬라이딩하면서 선형이동축(20)의 선형 이동이 원활하게 이루어지게 된다.

상기 외측 베어링유닛(80)은 회전부재(30)의 외주면과 하우징(10)의 내주면 사이에 설치되는 복수개(이 실시예에서는 4개가 구성되었지만 이외에도 다양한 수로 구성될 수 있다)의 베어링을 포함한 구성으로 되어, 회전부재(30)가 회전할 때 하우징(10)에 대해 회전부재(30)의 반경방향 하중을 지지하는 작용을 한다.

상기 회전부재(30)는 전방면과 후방면이 개방된 원통형으로 이루어지며, 전단부는 회전구동수단을 구성하는 컨넥팅디스크(90)와 결합된다. 상기 컨넥팅디스크(90)는 중심부에 관통공(91)이 형성된 원반형으로 이루어지며, 복수개의 볼트(92)에 의해 회전부재(30)의 전단부에 결합된다. 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 회전구동수단은 전동모터와, 상기 컨넥팅디스크(90)와 연결된 스핀들과, 상기 전동모터의 동력을 스핀들에 연결하는 동력전달부재(예를 들어 벨트) 등으로 구성될 수 있다. 상기 회전구동수단을 구성하는 스핀들의 선단부에는 가공장비에서 공구 또는 피가공물을 파지하는 척(chuck)과 같은 기구가 연결된다.

이 실시예에서는 스핀들(미도시)의 일단에 피가공물을 파지하는 척이 결합되고, 상기 선형이동축(20)의 전단부에 결합된 내측 베어링유닛(70)이 드로우바 조인트(draw-bar joint)(75)를 매개로 척과 연결된 드로우바(D)와 연결되는 것으로 가정하여 설명한다.

이하 상기와 같이 구성된 본 발명의 전기식 축 구동장치의 작동방법에 대해 상세히 설명한다.

먼저 도 1에 도시된 것과 같은 초기 위치에서 선형구동유닛의 전동모터(61)에 전원을 인가하면, 전동모터(61)의 회전력이 구동기어(62)를 통해 종동기어(63)에 전달되어 종동기어(63)가 회전하게 된다. 이 때, 전술한 것과 같이 구동기어(62)와 종동기어(63)의 기어비에 의해 전동모터(61)의 동력이 감속되면서 큰 토오크로 구동블록(65)에 전달된다.

상기 선형이동축(20)과 구동블록(65)은 스플라인 구조로 연결되어 있으므로 상기 구동블록(65)이 회전함에 따라 선형이동축(20)이 함께 회전하게 된다. 상기 선형이동축(20)은 나사산(21)이 가이드보스(55)의 암나사산(56)에 나선 결합되어 있으므로 선형이동축(20)은 상기 나사산(21)과 암나사산(56)의 작용에 의해 회전 운동하면서 축방향으로(도면상 우측으로) 선형 이동하여 전진하게 된다. 이 때, 선형이동축(20)의 전방에 결합된 내측 베어링유닛(70)의 내측베어링하우징(72)이 회전부재(30)의 내주면을 따라 슬라이딩하면서 선형 이동에 따른 하중을 지탱한다.

상기 선형이동축(20) 및 내측 베어링유닛(70)이 설정된 위치까지 전진하여 선형 이동하게 되면(도 8 참조), 드로우바 조인트(75) 및 드로우바(D)를 통해 연결된 척(미도시)이 벌어지게 되고, 척(미도시) 사이에 피가공물을 투입한다.

이어서 상기 전동모터(61)가 이전과는 반대 방향으로 회전하게 되면, 구동블록(65) 및 이에 연결된 선형이동축(20)이 이전과는 반대 방향으로 회전하게 되고, 전술한 것과 같이 가이드보스(55)의 암나사산(56)과 선형이동축(20)의 나사산(21)의 작용에 의해 선형이동축(20)이 이전과는 반대 방향으로, 즉 도면상 좌측으로 선형 이동하게 된다(도 9참조). 이에 따라 척(미도시)이 오므려지면서 피가공물(미도시)을 파지하게 된다.

피가공물의 가공을 위해서는 척(미도시)이 피가공물을 더욱 단단하게 클램핑할 필요가 있다. 이를 위해 클램핑블록(40)의 전방면(도 1의 도면상 우측면)에 권선된 코일(42)에 전류가 인가되어 클램핑블록(40)의 전방면에서 자기장이 발생하면, 도 10에 도시한 것과 같이, 클램핑플레이트(50)가 자기력에 의해 클램핑블록(40)의 전방면 쪽으로 끌려가게 된다. 이 때, 클램핑플레이트(50)의 가이드보스(55)와 선형이동축(20)은 상기 나사산(21)과 암나사산(56)에 의해 서로 결합되어 있으므로, 클램핑플레이트(50)와 선형이동축(20)이 함께 후방으로 일정 거리만큼 선형 이동하게 되고, 척(미도시)이 더욱 안쪽으로 오므려지면서 유압에 비견되는 큰 힘으로 피가공물을 클램핑하게 된다.

전술한 것과 같은 과정을 통해 선형이동축(20) 및 내측 베어링유닛(70)이 전방 및 후방으로 선형 이동하여 척(미도시)이 피가공물을 파지한 후에는 피가공물의 가공을 위해 회전부재(30)를 회전시킨다. 이를 위해 컨넥팅디스크(90)와 연결되어 있는 회전구동수단의 전동모터(미도시)에 전원을 인가하면, 전동모터의 회전력이 동력전달부재(미도시)를 통해서 상기 컨넥팅디스크(90)에 전달되어 컨넥팅디스크(90) 및 이에 결합된 회전부재(30)가 고속으로 회전하게 된다. 이 때, 회전부재(30)의 외측에 배치된 외측 베어링유닛(80)이 회전부재(30)의 외측에서 반경방향으로의 하중을 지탱하게 되므로 회전부재(30)는 하우징(10) 내측에서 안정적으로 회전 운동을 하게 된다.

가공대상물의 가공이 완료되어 상기 회전부재(30)의 회전 운동이 정지되면, 이전과는 역순으로 동작하여 클램핑블록(40)과 클램핑플레이트(50)가 서로 분리되고, 선형이동축(20) 및 내측 베어링유닛(70)이 전진하여 척(미도시)이 피가공물(미도시)로부터 이격되면서 피가공물의 고정 상태를 해제한다.

한편 상기 회전부재(30)가 고속으로 회전하면서 가공 작업을 수행하는 동안 상기 클램핑블록(40)에 지속적으로 전원이 공급되어 클램핑블록(40)에서 많은 열이 발생하게 된다.

이에 도 11 및 도 12에 도시된 것과 같이, 회전부재(30)의 후단부에 회전부재(30)와 함께 회전하면서 상기 클램핑플레이트(50) 쪽으로 공기를 송풍시키는 임펠러(100)를 설치하고, 상기 클램핑플레이트(50) 및 클램핑블록(40) 각각에는 임펠러(100)에서 송풍된 공기가 통과하는 복수개의 통기공(58, 48)을 관통되게 형성하여 클램핑블록(40)을 공냉시킬 수 있게 구성할 수도 있다.

상기 임펠러(100)는 원형 링 형태의 몸체(101)에 복수개의 블레이드(102)가 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열된 구조로 이루지고, 상기 회전부재(30)의 후단부에 고정되게 결합되어 회전부재(30)와 함께 고속으로 회전하면서 공기를 송풍시키는 작용을 하게 된다.

상기 임펠러(100)에 의한 공기 송풍이 원활하게 이루어지도록 상기 하우징(10)에는 복수개의 공기유입구(15) 및 공기배출구(16)가 형성된다.

이 실시예에 따른 축 구동장치는 회전부재(30)가 고속으로 회전할 때 임펠러(100)가 함께 회전하면서 공기를 송풍하고, 송풍된 공기가 클램핑플레이트(50)의 통기공(58) 및 클램핑블록(40)의 통기공(48)들을 통해서 클램핑블록(40)에 공급되어 클램핑블록(40)을 냉각시킨 후 공기배출구(16)를 통해 외부로 배출되도록 구성된다. 따라서 클램핑블록(40)의 발열이 억제될 수 있는 이점이 있다.

전술한 것과 같이 본 발명의 축 구동장치는 선형이동축(20)을 설정된 위치까지 선형 이송하는 동작을 선형구동유닛이 담당하고, 2차적인 강력한 파지력 전달을 위한 별도의 클램핑 동작을 클램핑블록(40) 및 클램핑플레이트(50)가 담당하는 이원화된 축 구동 시스템을 구현하고 있다.

또한 하우징(10) 내부에서 선형이동축(20)과 결합된 내측 베어링유닛(70)이 상기 선형이동축(20)의 선형 이동에 따른 추력을 지탱하고, 상기 회전부재(30)의 외측에 배치된 외측 베어링유닛(80)이 회전부재(30)의 고속 회전에 따른 반경방향 하중을 안정적으로 지탱할 수 있게 된다.

한편 전술한 전기식 축 구동장치는 클램핑블록(40)을 통해 큰 클램핑력을 제공하고 있지만, 큰 클램핑력이 요구되지 않는 장치에 적용할 경우에는 클램핑블록(40)의 작용을 생략하고 전동모터(61)의 정격토크, 또는 필요시 최대토크를 활용하여 척의 피가공물에 대한 클램핑력을 확보할 수도 있을 것이다.

그리고 고속으로 회전하고 있는 척이 공작물을 파지하고 있기 때문에 갑자기 정전이 되었을 경우 클램핑력이 떨어지면 공작물이 비산할 가능성이 있다. 따라서 밧데리 또는 슈퍼커패시터 등을 활용한 전원유지부를 구성하여 갑작스러운 정전 등의 비상 상황이 발생하더라도 클램핑블록(40)에 일정 시간까지는 전원을 공급하여 회전하고 있는 회전부재(30) 및 스핀들이 멈출 때까지만이라도 척이 공작물을 계속해서 파지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

10 : 하우징 15 : 공기유입구
16 : 공기배출구 20 : 선형이동축
21 : 나사산 30 : 회전부재
32 : 키홈 40 : 클램핑블록
41 : 고정자 철심 42 : 코일
43 : 슬롯 44: 플랜지부
45 : 회전방지부재 50 : 클램핑플레이트
51 : 회전방지홈 52 : 볼트체결공
55 : 가이드보스 56 : 암나사산
61 : 제1전동모터 62 : 구동기어
63 : 종동기어 70 : 내측 베어링유닛
71 : 내측베어링 72 : 내측베어링하우징
73 : 키 75 : 드로우바 조인트
80 : 외측 베어링유닛 90 : 컨넥팅디스크
D : 드로우바

Claims

하우징(10)과;
상기 하우징(10)에 하우징(10)의 길이방향을 따라 연장되게 설치되어 회전운동하면서 축방향으로 선형 이동하도록 설치되고, 외주면에 나사산(21)이 형성되어 있는 선형이동축(20)과;
상기 하우징(10) 내부에 설치되며, 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 발생시키는 클램핑블록(40)과;
상기 클램핑블록(40)의 일측 또는 양측에 상기 하우징(10)에 대해 길이방향으로만 이동 가능하게 설치되어, 상기 클램핑블록(40)에 생성된 자기장에 의해 클램핑블록(40) 쪽으로 이동하여 부착되는 자성체로 된 클램핑플레이트(50)와;
상기 클램핑플레이트(50)의 중앙부에 고정되게 설치되며, 상기 선형이동축(20)의 나사산(21)과 나선 결합하는 암나사산(56)이 내주면에 형성되어 있는 가이드보스(55)와;
상기 선형이동축(20)이 관통하면서 연결되어 선형이동축(20)과 함께 회전 운동하는 구동블록(65)과;
상기 구동블록(65)에 회전력을 전달하여 구동블록(65)을 회전시킴으로써 선형이동축(20)의 회전 운동 및 축방향 선형 이동을 발생시키는 선형구동유닛과;
상기 하우징(10)의 내측에서 선형이동축(20)의 외주면과 일정 거리 이격되게 설치되며, 하우징(10)에 대해 회전 운동하도록 설치된 회전부재(30)와;
상기 선형이동축(20)과 회전부재(30) 사이에서 선형이동축(20)의 외면에 결합되어 선형이동축(20)과 함께 회전부재(30)에 대해 선형 이동하면서 추력을 지탱하는 내측 베어링유닛(70)과;
상기 하우징(10)의 내주면과 회전부재(30)의 외주면 사이에 설치되어, 하우징(10)에 대해 회전부재(30)를 회전 가능하게 지지하는 외측 베어링유닛(80)과;
상기 회전부재(30)의 전단부에 결합되어 회전부재(30)를 하우징(10) 및 선형이동축(20)에 대해 회전시키는 회전구동수단;을 포함하며,
상기 클램핑블록(40)은 상기 하우징(10)의 내측에 고정되는 고정자 철심(41)과, 상기 고정자 철심(41)에 감겨져 외부에서 인가되는 전원에 의해 자기장을 발생시키는 코일(42)을 포함하고,
상기 고정자 철심(41)의 양측면 각각에 상기 코일(42)이 감겨지는 복수개의 슬롯(43)이 형성되며, 상기 클램핑블록(40)의 양측면에 감겨진 코일(42)에 선택적으로 전원이 인가되어 클램핑블록(40)의 양측면에서 선택적으로 자기장이 발생하는 것을 특징으로 하는 전기식 축 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 회전부재(30)의 후단부에 설치되어 회전부재(30)와 함께 회전하면서 상기 클램핑플레이트(50) 쪽으로 공기를 송풍시키는 임펠러(100)를 더 포함하며;
상기 클램핑플레이트(50) 및 클램핑블록(40) 각각에는 임펠러(100)에서 송풍된 공기가 통과하는 복수개의 통기공(58, 48)이 관통되게 형성된 것을 특징으로 하는 전기식 축 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 내측 베어링유닛(70)은 내륜이 상기 선형이동축(20)에 결합되는 복수개의 내측베어링(71)과, 상기 내측베어링(71)의 외륜에 결합되며 회전부재(30)의 내주면에 축방향으로 슬라이딩 가능하게 연결된 내측베어링하우징(72)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 축 구동장치.
제3항에 있어서, 상기 회전부재(30)의 내주면에 키홈(32)이 축방향으로 연장되게 형성되고, 상기 내측베어링하우징(72)에 상기 키홈(32)을 따라 슬라이딩 가능하게 연결된 키(73)(key)가 설치된 것을 특징으로 하는 전기식 축 구동장치.
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제1항에 있어서, 상기 선형구동유닛은, 전동모터(61)와, 상기 전동모터(61)의 축에 연결되어 전동모터(61)에 의해 회전하는 구동기어(62)와, 상기 구동기어(62)와 치합되어 구동기어(62)로부터 동력을 전달받아 회전하며 중심부에 상기 구동블록(65)이 고정되게 결합되는 종동기어(63)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 축 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 선형이동축(20)의 외주면과, 선형이동축(20)이 통과하는 구동블록(65) 중앙부는 스플라인홈과 상기 스플라인홈 내측으로 삽입되는 스플라인돌기에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 전기식 축 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 회전부재(30)가 회전 운동하면서 가공 작업을 수행하는 도중 갑작스러운 정전에 의해 전원이 차단되는 비상 상황이 발생할 경우, 상기 회전부재(30)가 정지할 때까지 클램핑블록(40)에 전원을 공급하여 클램핑블록(40)과 클램핑플레이트(50) 간의 부착 상태를 유지하는 전원유지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 축 구동장치.
(a) 선형구동유닛을 작동시켜 구동블록(65) 및 선형이동축(20)을 일방향으로 회전시켜 선형이동축(20)을 설정된 위치까지 전진시켜 내측 베어링유닛(70)에 연결된 가공용 척이 벌어지게 하는 단계와;
(b) 선형구동유닛을 이전과는 반대로 작동시켜 구동블록(65) 및 선형이동축(20)을 이전과는 반대 방향으로 회전시켜 선형이동축(20)을 설정된 위치까지 후진시킴으로써 상기 가공용 척이 오므려지면서 피가공물을 파지하는 단계와;
(c) 회전구동수단을 작동시켜 회전부재(30)를 설정된 속도로 회전시킴으로써 피가공물을 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제4항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전기식 축 구동장치의 작동 방법.
제10항에 있어서, 상기 (b) 단계와 (c) 단계 사이에, 클램핑블록(40)에 전원을 인가하여 클램핑플레이트(50)가 자력에 의해 클램핑블록(40) 쪽으로 후진하도록 하여 클램핑플레이트(50)를 클램핑블록(40)에 부착시켜 선형이동축(20)을 일정 거리만큼 더 후진시키는 단계를 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 전기식 축 구동장치의 작동 방법.
제11항에 있어서, 상기 (c) 단계를 수행하는 도중 갑작스러운 정전에 의해 전원이 차단되는 비상 상황이 발생할 경우, 상기 회전부재(30)가 정지할 때까지 클램핑블록(40)에 전원을 공급하여 클램핑블록(40)과 클램핑플레이트(50) 간의 부착 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 전기식 축 구동장치의 작동 방법.