KR101773185B1

KR101773185B1 - 터닝 센터 베드의 리브 구조체

Info

Publication number: KR101773185B1
Application number: KR1020100086815A
Authority: KR
Inventors: 이상규
Original assignee: 두산공작기계 주식회사
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2017-09-12
Also published as: CN103108715A; WO2012033309A2; US20130160619A1; US9475159B2; WO2012033309A3; KR20120024113A; CN103108715B

Abstract

본 발명은 공작물이 척킹되는 주축 하우징(20)과, 공작물을 툴에 의해 가공하기 위한 터렛(40) 및 공구대(50)와, 상기 터렛(40) 및 공구대(50)를 이송시키기 위한 이송장치(30)가 조립되는 터닝센터의 베드(10)로서, 상기 베드(10)는 복수개의 리브 요소(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)로 구성된 리브(13)를 포함하고, 상기 리브 요소는 상기 주축 하우징(20)이 조립되는 베드(10)의 하부에 위치하는 제1 리브 요소(13-1)와, 상기 이송장치(30)가 조립되는 상기 베드(10)의 하부에 위치하는 제2 리브 요소(13-2)를 포함한다. 본 발명에 따르면 위상 최적화에 의해 상기 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)이 상기 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)보다 작게 구성된 것을 특징으로 하고, 바람직하게는 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)과 상기 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)의 상대 비율은 0.5 < α < 0.6, 1.37 < β < 1.55 인 것을 특징으로 한다.

Description

터닝 센터 베드의 리브 구조체{RIB STRUCTURE FOR BED OF TURNING CENTER}

본 발명은 공작 기계 베드에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 터닝 센터의 베드 리브(Rib)의 구조에 관한 것이다.

공작 기계, 특히 터닝 센터의 베드는 주물 성형으로 제작 되며, 도 1에 도시된 것과 같이 베드(10) 상부에는 공작물이 척킹되는 주축 하우징(20)과, 공작물을 툴에 의해 가공하기 위한 터렛(40) 및 공구대(50)와, 터렛(40) 및 공구대(50)를 각축별로(X, Y, Z)으로 이송시키기 위한 이송계 또는 이송장치(30)가 조립된다.

일반적인 머시닝 센터의 경우, 대칭 구조이기 때문에 외부 온도변화에 따른 구조물의 열변위 제어가 실시간 보정으로 가능하지만, 도 2a에 도시된 것과 같이 터닝 센터는 베드(10)의 형상이 비대칭 구조이고, 특히 이송장치(30)와 주축 하우징(20)의 위치가 비대칭 구조이기 때문에 실시간 보정이 어려울 뿐만 아니라, 최대 절삭력의 작용 방향에 따른 정강성(Static Stiffness) 확보가 필요하다. 그리고 베드(10) 내부에는 리브(Rib)가 존재하는데, 일반적인 베드 리브 형상은 사각 박스 형태로 설계되며 베드 상부 조립체의 무게에 따라 리브의 간격을 조정하도록 설계된다.

도 2b에 도시된 것과 같이, 터닝 센터는 비대칭 구조로 인해 외부 온도변화에 따른 열변형은 선형과 비선형 모드가 혼합된 형태를 띠게 되며 비선형 변형은 터닝센터 열변위 제어를 어렵게 한다. 또한 최대 절삭력 조건을 고려한 하중 조건에서는 정강성(Static Stiffness) 특성 역시 좋지 않게 된다.

도 3a 및 도 3b는 종래 터닝센터 베드 및 베드 내부의 리브의 형상을 도시하고 있다.

종래의 터닝센터 베드(10)의 형상은 외부 온도변화의 영향은 고려하지 않고 최대 절삭력 조건에서 정강성만을 고려하였기 때문에, 도 3a에 도시된 것과 같이 종래의 터닝센터의 베드(10)는 상부 베드(11) 및 하부 베드(12)의 상하부 2단 구조를 가지고 있고, 도 3b에 도시된 것과 같이 베드(10) 내부 리브요소[11-1(12-1), 11-2(12-2), 11-3(12-3), 11-4(12-4)]의 간격이 1 : 1 : 1 : 1의 등간격 형상을 가지고 있다.

그러나, 종래의 터닝센터 베드 구조에서는 공작물과 공구 끝점에서의 상대 열변위량이 시험 조건에 따라 상당히 큰 값(예: 20~30㎛)을 나타내고 있으며, 고속, 고정밀 가공 조건에서는 더욱 큰 열변형량을 나타내고 있다.

공작 기계 베드의 온도 구배나 이로 인한 열변위를 저감하기 위한 방안의 하나는, 열적 특성이 우수한 주물 재료를 사용하는 등 공작 기계 베드의 재질을 개선하는 것이다. 그러나, 이는 비용적인 면에서 부담이 클 뿐만 아니라, 이러한 대책만으로는 열적 환경의 변화에 따른 국부적인 온도 구배의 발생에 의한 열변위를 근본적으로 크게 저감할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은, 터닝센터 베드 각 부위의 온도 응답 속도를 균일화함으로써 국부적인 온도 구배의 발생에 따른 열변위를 저감하여 가공 정확도를 향상시킬 수 있는 터닝센터의 베드 형상을 고안하는 데에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따라서 외부 온도변화에 따른 터닝 센터의 열변형을 저감하고 최대 절삭력 조건에서 정강성을 확보하여 공구와 공작물 끝점에서의 상대변위를 저감할 수 있는 베드 리브 형상을 위상최적화(Topology Optimization) 기법을 활용하여 제안하고 가공 품질을 개선하고자 하였다.

구체적으로, 본 발명은 공작물이 척킹되는 주축 하우징(20)과, 공작물을 툴에 의해 가공하기 위한 터렛(40) 및 공구대(50)와, 상기 터렛(40) 및 공구대(50)를 이송시키기 위한 이송장치(30)가 조립되는 터닝센터의 베드(10)로서, 상기 베드(10)는 복수개의 리브 요소(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)로 구성된 리브(13)를 포함한다.

그리고 상기 리브 요소는 상기 주축 하우징(20)이 조립되는 베드(10)의 하부에 위치하는 제1 리브 요소(13-1)와, 상기 이송장치(30)가 조립되는 상기 베드(10)의 하부에 위치하는 제2 리브 요소(13-2)를 포함하는데, 상기 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)이 상기 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)보다 작게 구성된 것을 특징으로 한다.

위상 최적화 기법에 의해 최적화한 결과, 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)과 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)의 상대 비율은 0.5 < α < 0.6, 1.37 < β < 1.55 이었으며, 이 때 공작물 반경방향(x축) 정강성이 극대화되고(25% 향상), 열변형 또한 최소화(10% 저감)되었다.

한편, 베드(10)를 구성하는 리브요소(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)들은 좌우 대칭 형상으로 제작되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 리브 요소는 상기 제2 리브 요소(13-2)에 인접하여 배치된 제3 리브 요소(13-3) 및 제4 리브 요소(13-4)를 더 포함하도록 구성되되, 제3 리브 요소(13-3)의 간격은 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)과 동일하게 구성되고, 상기 제4 리브 요소(13-1)의 간격은 상기 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)과 동일하게 구성됨으로써 전체적으로 좌우대칭형상인 것이 바람직하다.

또한 상기 리브(13)는 일체화된 단일 구조로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 위상 최적화(Topology Optimization) 기법에 의해 리브 요소 중 주축 하우징(20)이 조립되는 베드(10)의 하부에 위치하는 제1 리브 요소(13-1) 간격(α)과, 이송장치(30)가 조립되는 베드(10)의 하부에 위치하는 제2 리브 요소(13-2) 의 간격(β)과의 상대 비율을 조절함으로써 열저항이 큰 부분의 온도 응답 속도를 개선함으로써, 베드 각 부위의 온도 응답 속도를 전체적으로 균일화하여 국부적인 온도 구배의 발생을 방지할 수 있고, 이에 따라 열변위를 저감하여 가공 정확도를 향상시킬 수 있다.

특히, 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)과 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)의 상대 비율을 0.5 < α < 0.6, 1.37 < β < 1.55 로 하는 경우 공작물 반경방향(x축) 정강성이 극대화되고(25% 향상), 열변형 또한 최소화(10% 저감)되었다.

도 1은 터닝 센터의 구조물 조립도.
도 2a는 터닝 센터 베드의 비대칭 구조를 설명하기 위한 도면.
도 2b는 터닝 센터 베드의 불균형 온도 분포를 설명하기 위한 도면.
도 3a 및 도 3b는 종래 기술에 따른 터닝 센터 베드의 구조를 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 위상최적화 적용 원리 및 설계 영역을 설명하기 위한 도면.
도 5a 및 도 5b는 고려된 외부 환경온도와 최대 절삭력 조건에서 정의된 설계영역 내의 위상 최적화 과정을 나타낸 도면.
도 6a 및 도 6b는 위상최적화를 적용하여 설계된 본 발명의 터닝센터 베드의 구조를 도시한 도면.
도 7a 및 도 7b는 종래 기술과 본 발명에 따른 터닝 센터 베드의 각축방향 열변위를 비교 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따르면 터닝 센터의 외부 온도변화에 따른 열변형 저감과 최대 절삭력 조건에서의 고속, 고정밀 가공을 위해 정강성을 개선하기 위하여 최대 절삭력이 작용하는 방향으로 충분한 강성을 확보하면서 외부 환경온도 변화에 따른 공구와 공작물 끝점에서의 상대 열변위가 최소화 되는 최적의 베드 리브 형상을 위상 최적화(Topology Optimization)를 통해 도출하고자 하였다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 위상최적화 적용 원리 및 설계 영역을 설명하기 위한 도면이다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 같이, 베드에 설치되는 구조물(주축하우징, 이송장치, 터렛, 툴포스트 등)의 설치공간(C, D)을 남기고 공구의 끝점(B)와 공작물의 끝점(A)에서의 상대변위 δ를 제어하여 δ가 최소화되는 베드 내부공간의 잉여영역이 설계공간(design space)으로 정의된다.

도 5a 및 도 5b는 고려된 외부 환경온도와 최대 절삭력 조건에서 정의된 설계영역 내의 위상 최적화 과정을 나타낸다.

도시된 것과 같이, 베드(10) 내부 리브(13)를 구성하는 제1 리브요소(13-1), 제2 리브요소(13-2), 제3 리브요소(13-3) 및 제4 리브요소(13-4)의 상대 간격이 위상 최적화 과정을 통해 최적 설계 된다.

도 6a 및 도 6b는 도 5a 및 도 5b의 위상최적화 과정을 통해 도출된 베드(10) 및 그 내부의 리브(13) 형상을 도시하고 있다.

도 6a에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 베드(10)의 리브(13) 구조는 상하부 2단 구조였던 종래 기술(도 3a 참조)와 달리, 일체화된 단일 구조로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 도 6b에 도시된 것과 같이 리브(13)를 구성하는 제1 내지 제4 리브요소(13-1, 13-2, 13-3, 13-4) 중 주축 하우징(20)이 조립되는 베드(10)의 하부에 위치하는 제1 리브 요소(13-1)의 간격을 α로 정의하고, 이송장치(30)가 조립되는 베드(10)의 하부에 위치하는 제2 리브 요소(13-2)의 간격을 β로 정의하였다.

이 경우, 도 6b에 도시된 것과 같이 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)과, 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)의 상대 비율이 0.5 < α< 0.6, 1.37 < β< 1.55가 되었을 때, 외부 온도변화에 대한 최대 열변형 저감과 최대 절삭력 조건에서의 최대 베드 정강성이 확보되는 것을 확인 할 수 있었다.

그리고, 제2 리브요소(13-3)에 인접한 제3 리브요소(13-3)의 간격은 제2 리브요소(13-2)의 간격(β)과 동일하게 설정하고, 제3 리브요소(13-3)에 인접한 제4 리브요소(13-4)의 간격은 제1 리브요소(13-1)의 간격(α)과 동일하게 설정함으로써 전체적으로 리브(13)가 좌우대칭 형상으로 설계하는 경우 외부 온도변화에 대한 최대 열변형 저감과 최대 절삭력 조건에서의 최대 베드 정강성이 확보되는 것을 확인 할 수 있었다.

하기 표 1은 종래기술과 본 발명의 효과를 비교한 것으로서 본 발명은 종래 기술에 비해 x축방향(공작물 반경방향) 정강성은 25% 향상되고, 열변형은 10% 저감되었음을 확인할 수 있었다.

	종래기술	본발명
α	1	0.5 ~ 0.6
β	1	1.37 ~ 1.55
x 축방향 정강성	-	25% ↑
x 축방향 상대변위	-	10% ↓

도 7a와 도 7b는 종래 기술과 본 발명에 따른 각축(X, Y, Z)방향 열변위를 비교 도시한 도면이다.

도시된 것과 같이 본 발명은 종래 기술에 비하여 x축방향(공작물 반경방향) 열변형이 10% 저감되었음을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

10: 베드 11: 상부 베드
12: 하부 베드 11-1~11-4 (12-1~12-4): 리브 요소
13: 리브 13-1~13-4: 제1 내지 제4 리브 요소
20: 주축 하우징 30: 이송계(이송장치)
40: 터렛 50: 툴포스트
α: 제1 리브 요소의 간격 β: 제2 리브 요소의 간격

Claims

공작물이 척킹되는 주축 하우징(20)과, 공작물을 툴에 의해 가공하기 위한 터렛(40) 및 공구대(50)와, 상기 터렛(40) 및 공구대(50)를 이송시키기 위한 이송장치(30)가 조립되는 터닝센터의 베드(10)로서,
상기 베드(10)는 복수개의 리브 요소(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)로 구성된 리브(13)를 포함하고,
상기 리브 요소는 상기 주축 하우징(20)이 조립되는 베드(10)의 하부에 위치하는 제1 리브 요소(13-1)와, 상기 이송장치(30)가 조립되는 상기 베드(10)의 하부에 위치하는 제2 리브 요소(13-2)를 포함하고,
상기 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)이 상기 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)보다 작게 구성된 것을 특징으로 하는 터닝센터의 베드(10).
제1항에 있어서,
상기 리브 요소는 상기 제2 리브 요소(13-2)에 인접하여 배치된 제3 리브 요소(13-3) 및 제4 리브 요소(13-4)를 더 포함하고,
상기 제3 리브 요소(13-3)의 간격은 상기 상기 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)과 동일하게 구성되고,
상기 제4 리브 요소(13-4)의 간격은 상기 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)과 동일하게 구성되는 것을 특징으로 하는 터닝센터의 베드(10).
제1항에 있어서,
상기 제1 리브 요소(13-1)의 간격(α)과 상기 제2 리브 요소(13-2)의 간격(β)의 상대 비율은 0.5 < α < 0.6, 1.37 < β < 1.55 인 것을 특징으로 하는 터닝센터의 베드(10).
제1항에 있어서,
상기 리브(13)는 일체화된 단일 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 터닝센터의 베드(10).