KR101809901B1 - 이중 동축형 밀링 장치 및 이를 구비하는 기계 가공 시스템 - Google Patents

이중 동축형 밀링 장치 및 이를 구비하는 기계 가공 시스템 Download PDF

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심종엽
노승국
황주호
허세곤
박천홍
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 고정 지지부; 상기 고정 지지부에 회전 가능하게 설치되며, 외부 밀링툴을 구비하는 외부 스핀들; 상기 외부 스핀들 내에 형성된 수용 공간에 상대 회전 가능하게 설치되며, 상기 외부 밀링툴에 대해 동축으로 회전 가능한 내부 밀링툴을 구비하는 내부 스핀들; 및 상기 외부 스핀들과 내부 스핀들의 사이에 설치되며, 상기 내부 스핀들과 외부 스핀들을 서로 반대 방향으로 회전 구동시키는 구동 유닛을 포함하며, 상기 외부 밀링툴은 외부 툴바디와, 상기 외부 툴바디의 외주면에 방사상으로 배치되는 외부 커터를 포함하며, 상기 내부 밀링툴은 내부 툴바디와, 상기 내부 툴바디의 외주면에 방사상으로 배치되는 내부 커버를 포함하되, 상기 외부 커터와 내부 커터는 절삭 방향이 반대가 되도록 반대 방향을 향하게 설치됨을 더 포함하고, 상기 외부 툴바디는 중공을 갖는 링 형태의 단면을 가지며, 상기 내부 툴바디는 상기 외부 밀링툴의 내측면과 일정 간격 이격되게 상기 외부 밀링툴의 중공에 배치되는 것을 더 포함하고, 상기 내부 밀링툴은 그 절삭면이 상기 외부 밀링툴의 절삭면보다 일정 높이 아래에 배치되도록 구성되는 것을 더 포함하는 이중 동축형 밀링 장치 및 이를 구비하는 기계 가공 시스템을 개시한다.

Description

이중 동축형 밀링 장치 및 이를 구비하는 기계 가공 시스템 {DUAL COAXIAL TYPE MILLING DEVICE AND MACHINING SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 밀링툴의 절삭력에 대한 반력이 지지 구조로 전달되지 않도록 구성된 이중 동축형 밀링 장치 및 이를 구비하는 기계 가공 시스템에 관한 것이다.
기계 가공 시스템 또는 플랫폼은 일반적으로 공작물을 절삭, 연삭 등에 의하여 불필요한 부분을 제거해 내어 필요한 형상을 만드는 수단 및 이를 포함하는 시스템 또는 플랫폼을 말한다.
전통적인 형태의 기계 가공 시스템은 기계 구조물 또는 가이드에 가공 모듈이 이동 가능하게 설치되어 가공 모듈을 원하는 위치로 이동시키는 구조를 갖는다. 그러나 이러한 전통적인 형태에서 벗어나 기계 구조물 또는 가이드 없이 그 자체가 이동할 수 있도록 구성된 모바일 가공 시스템이 제안되고 있으며, 이를 구현하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
이러한 모바일 가공 시스템은 가공 시스템 자체가 이동하는 방식이기 때문에, 가공 대상물의 크기에 상관없이 운용이 가능하여 가공 영역 확대 및 다중 가공모듈의 동시 협업이 가능한 장점이 있으며, 온-사이트(On-site) 가공이 가능하여 운송 비용 및 시간을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
모바일 가공 시스템은 가공 대상 또는 지면에 대해 이동 가능하면서도, 가공 모듈의 절삭력에 의해 발생하는 반력을 지탱할 수 있어야 하며, 이를 위한 기술로서 자석을 통한 흡착 기술이 제안되고 있다 (특허문헌 1 참조). 그러나 이러한 자석 흡착 기술은 가공 모듈의 절삭력이 증가함에 따라 흡착력도 그만큼 증가시켜야 한다는 기술적 한계가 존재한다. 또한 모바일 가공 시스템의 구조 변형도 최소화 되도록 요구되므로 기계 강성도 증가시켜야 하나 이러한 결과로 무게 증가를 야기하게 되어 가공 시스템의 움직임 및 요구 동력에 한계를 부여하게 된다.
일본등록특허공보 제5748884호 (2015.05.22)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 밀링 장치의 밀링툴의 절삭력에 의해 발생하는 반력이 가공 시스템으로 전달되지 않도록 하는 것이 가능한 구조의 밀링 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 특히, 본 발명의 밀링 장치는 위와 같은 모바일 가공 시스템에 그 적용이 한정되지 않으며, 전통적인 가공 시스템까지 그 적용이 가능하다 할 것이다.
본 발명은 고정 지지부; 상기 고정 지지부에 회전 가능하게 설치되며, 외부 밀링툴을 구비하는 외부 스핀들; 상기 외부 스핀들 내에 형성된 수용 공간에 상대 회전 가능하게 설치되며, 상기 외부 밀링툴에 대해 동축으로 회전 가능한 내부 밀링툴을 구비하는 내부 스핀들; 및 상기 외부 스핀들과 내부 스핀들의 사이에 설치되며, 상기 내부 스핀들과 외부 스핀들을 서로 반대 방향으로 회전 구동시키는 구동 유닛을 포함하며, 상기 외부 밀링툴은 외부 툴바디와, 상기 외부 툴바디의 외주면에 방사상으로 배치되는 외부 커터를 포함하며, 상기 내부 밀링툴은 내부 툴바디와, 상기 내부 툴바디의 외주면에 방사상으로 배치되는 내부 커버를 포함하되, 상기 외부 커터와 내부 커터는 절삭 방향이 반대가 되도록 반대 방향을 향하게 설치됨을 더 포함하고, 상기 외부 툴바디는 중공을 갖는 링 형태의 단면을 가지며, 상기 내부 툴바디는 상기 외부 밀링툴의 내측면과 일정 간격 이격되게 상기 외부 밀링툴의 중공에 배치되는 것을 더 포함하고, 상기 내부 밀링툴은 그 절삭면이 상기 외부 밀링툴의 절삭면보다 일정 높이 아래에 배치되도록 구성되는 것을 더 포함하는 이중 동축형 밀링 장치 및 이를 구비하는 기계 가공 시스템을 개시한다.
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본 발명의 이중 동축형 밀링 장치에 따르면, 상기 내부 스핀들 및 외부 스핀들 중 적어도 하나에는 상기 내부 밀링툴과 외부 밀링툴 사이의 절삭면 사이의 높이를 조절하기 위한 높이 조절부가 설치될 수 있다.
본 발명의 이중 동축형 밀링 장치에 따르면, 상기 구동 유닛으로서 상기 외부 스핀들의 내주면과 상기 내부 스핀들의 외주면에 각각 결합되는 빌트 인 모터가 사용될 수 있다.
본 발명의 이중 동축형 밀링 장치에 따르면, 상기 고정 지지부의 내주면과 상기 외부 스핀들의 외주면에는 외부 베어링이 설치되고, 상기 외부 스핀들의 내주면과 상기 내부 스핀들의 외주면에는 내부 베어링이 설치될 수 있다.
본 발명의 이중 동축형 밀링 장치는 상기 고정 지지부와 외부 스핀들의 사이에 설치되며, 상기 구동 유닛의 동작시 상기 외부 스핀들에 회전력을 인가하는 보조 구동 유닛과, 상기 구동 유닛과 보조 구동 유닛의 회전 속도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 이중 동축형 밀링 장치에 따르면, 상기 제어부는 상기 외부 스핀들에 대한 내부 스핀들의 회전 속도와, 상기 고정 지지부에 대한 외부 스핀들의 회전 속도가 각각 제1 및 제2설정치가 되도록 상기 구동 유닛과 보조 구동 유닛을 제어할 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 밀링 장치의 스핀들을 이중 동축형으로 구성하여 내부 밀링툴과 외부 밀링툴의 절삭력에 대한 반력을 서로 상쇄시키는 것이 가능하며, 그에 따라 밀링툴의 절삭력에 대한 반력이 고정 지지부로 전달되는 것을 방지할 수 있다.
이를 이용하면 가공 시스템의 지지 및 고정 구조의 절삭력에 대한 지지력을 과다하게 증가시키지 않아도 되며, 이를 모바일 가공 시스템에 적용할 경우 가공 시스템의 지지 구조와 관련된 제반 문제들을 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 동축형 밀링 장치의 개략도
도 2는 도 1에 도시된 내부 및 외부 밀링툴의 아래에서 바라본 저면도
도 3은 도 1에 도시된 이중 동축형 밀링 장치의 작동 상태도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 동축형 밀링 장치의 개략도
이하, 본 발명과 관련된 이중 동축형 밀링 장치 및 이를 구비하는 기계 가공 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 동축형 밀링 장치의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 내부 및 외부 밀링툴의 아래에서 바라본 저면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 이중 동축형 밀링 장치는 고정 지지부(110), 외부 스핀들(120), 내부 스핀들(140), 구동 유닛(160)을 포함한다.
고정 지지부(110)는 고정 구조(예를 들면, 가공 시스템의 본체, 이송 수단 등)에 고정 설치된 구조를 말한다. 고정 지지부(110)는 가공 시스템에 설치된 이송 수단의 이송에 의해 상승/하강하거나, 수평 이동될 수 있다. 고정 지지부(110)의 내부에는 외부 스핀들(120)이 수용되는 실린더 형태의 내부 공간(113)이 형성된다.
외부 스핀들(120)는 고정 지지부(110)에 회전 가능하게 설치되며, 이를 위해 고정 지지부(111)의 내주면과 외부 스핀들(120)의 외주면 사이에는 외부 베어링(111,112)이 설치될 수 있다. 외부 스핀들(120)의 내부에는 내부 스핀들(140)이 수용되는 실린더 형태의 수용 공간(123)이 형성된다.
내부 스핀들(140)은 외부 스핀들(120)의 수용 공간(123)에 상대 회전 가능하게 설치된다. 외부 스핀들(120)의 내주면과 내부 스핀들(140)의 사이에는 내부 베어링(121,122)이 설치될 수 있다.
외부 스핀들(120)과 내부 스핀들(140)은 동축(C)을 회전 중심으로 갖도록 배치되며, 외부 스핀들(120)과 내부 스핀들(140)에는 외부 밀링툴(130)과 내부 밀링툴(150)이 각각 구비된다. 외부 밀링툴(130)과 내부 밀링툴(150)은 외부 스핀들(120)과 내부 스핀들(140)의 단부에 각각 고정되게 설치된다.
외부 밀링툴(130)은 그 중앙 부위에 내부 밀링툴(135)이 위치되는 중공(135)을 구비하며, 내부 밀링툴(150)은 외부 밀링툴(130)에 대해 동축(C)으로 회전 가능하게 배치된다.
도 2의 도시와 같이, 외부 밀링툴(130)은 외부 툴바디(131)와 그에 설치되는 외부 커터(132, 또는 외부 바이트)를 포함하며, 내부 밀링툴(150)은 내부 툴바디(151)와 그에 설치되는 내부 커터(152, 또는 내부 바이트)를 포함한다.
외부 툴바디(131)는 중공(135)을 갖는 링 형태의 단면을 가질 수 있으며, 내부 툴바디(151)는 중공(135)에 외부 툴바디(131)와 동심을 갖도록 배치된다. 내부 툴바디(151)는 일반적인 형태의 밀링 툴의 툴바디와 동일한 형태를 가지며, 그 외주면이 외부 툴바디(131)의 내측면(내주면)과 일정 간격 이격되게 배치될 수 있다.
외부 커터(132)와 내부 커터(152)는 외부 툴바디(131)와 내부 툴바디(151)에 착탈 가능하게 설치될 수 있으며, 이들은 그 절삭 방향이 반대가 되도록 반대 방향을 항하게 설치된다.
다시 도 1을 참조하면, 내부 밀링툴(150)은 그 절삭면이 외부 밀링툴(130)의 절삭면보다 일정 높이(h)만큼 아래에 배치되도록 구성된다. 이는 밀링 공정 수행시 외부 밀링툴(130)의 선절삭 부분을 내부 밀링툴(150)이 후절삭할 수 있게 하기 위함이다. 내부 스핀들(140) 및 외부 스핀들(120) 중 적어도 하나에는 내부 밀링툴(150)과 외부 밀링툴(130) 사이의 절삭면 사이의 높이(h)를 조절하기 위한 높이 조절부가 설치될 수 있다. 이러한 높이 조절부로서 일 예로서 스핀들과 밀링 툴 사이이에 설치되는 스페이서 등과 같은 구성을 사용될 수 있으며, 스페이서의 높이, 개수 등을 조절하여 높이를 조절할 수 있다.
구동 유닛(160)은 외부 스핀들(120)과 내부 스핀들(140)의 사이에 설치되며, 내부 스핀들(140)과 외부 스핀들(120)을 서로 반대 방향으로 회전 구동시키는 기능을 한다. 이러한 구동 유닛(160)으로서 외부 스핀들(120)의 내주면과 내부 스핀들(140)의 외주면에 각각 결합되는 빌트 인 모터(Built-in motor)가 사용될 수 있다. 이러한 경우 빌트 인 모터의 고정자는 외부 스핀들(120)의 내주면에 고정되고, 회전자는 내부 스핀들(140)의 외주면에 고정되며, 빌트 인 모터의 가동에 따라 외부 스핀들(120)과 내부 스핀들(140)이 서로 반대 방향으로 회전 구동하게 된다.
이러한 외부 및 내부 스핀들(120,140)의 반대 방향 회전에 따라 그에 각각 고정된 외부 및 내부 밀링툴(130,150)도 서로 반대 방향으로 회전하게 되는 것이다. 도 2의 경우 외부 밀링툴(130)이 시계 방향, 내부 밀링툴(150)이 반시계 방향으로 회전하는 구조를 예시하고 있다.
고정 지지부(110)와 외부 스핀들(120)의 사이에는 슬립 링과 같은 전기 접속 구조가 설치되어 고정 지지부(110)를 통해 외부 전원과 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 전기 접속 구조는 외부 스핀들(120)의 모터 고정자와 연결된 단자와 마찰 접촉하여 외부 스핀들(120)의 회전 시에도 외부 전원의 전력이 구동 유닛(160)으로 공급되도록 한다.
구동 유닛(160)에는 회전 속도 제어를 위한 제어부가 전기적으로 연결될 수 있으며, 제어부는 외부 스핀들(120)에 대한 내부 스핀들(140)의 회전 속도가 일정 회전속도가 되도록 구동 유닛(160)을 제어할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 이중 동축형 밀링 장치의 작동 상태도이다.
도 3에 따르면, 고정 지지부(110)가 이송 수단을 통해 가공 대상(10)까지 이동하여 절삭을 수행하는 공정을 나타내고 있다. 구동 유닛(160)의 동작에 따라 외부 스핀들(120)과 내부 스핀들(140)이 서로 반대 방향으로 회전 구동하며, 그에 따라 외부 밀링툴(130)과 내부 밀링툴(150)이 서로 반대 방향으로 회전하여 가공 대상(10)을 절삭한다.
이에 따르면, 외부 밀링툴(130)의 절삭력에 대한 반력과 내부 밀링툴(150)의 절삭력에 대한 반력이 서로 반대 방향으로 발생하는바, 이러한 두 반력(토크와 평면 방향의 힘을 포함)이 서로 상쇄되게 된다.
나아가 구동 유닛(160)에 의해 외부 스핀들(120)과 내부 스핀들(140)이 서로 반대 방향으로 동시 구동하여 각 스핀들(120,140)의 구동력에 의한 토크가 서로 상쇄되므로, 일반적인 밀링 장치의 스핀들 구동시 발생하는 스핀들 구동력(토크)이 발생하지 않는다.
이상과 같이 밀링 툴의 절삭력에 의한 반력 및 스핀들 구동력이 상쇄되므로, 고정 지지부(110)에는 어떠한 힘도 전달되지 않게 된다. 이에 따르면 절삭 공정 수행시 고정 지지부(110)를 지탱하는 지지력이 이론적으로 필요없게 되는 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 동축형 밀링 장치의 개략도이다.
본 실시예의 이중 동축형 밀링 장치는 앞선 실시예의 구성에 보조 구동 유닛(170)이 추가된 구성을 갖는다. 보조 구동 유닛(170)은 고정 지지부(110)와 외부 스핀들(120)의 사이에 설치되며, 구동 유닛(160)의 동작시 외부 스핀들(120)에 회전력을 인가하도록 구성된다.
이중 동축형 밀링 장치의 동작시 내부 밀링툴(150)의 절삭력과 외부 밀링툴(130)의 절삭력에 차이가 발생할 수 있고, 이에 따라 내부 밀링툴(150)과 외부 밀링툴(130)에 가해지는 토크에 차이가 발생할 수 있다. 이러한 토크의 차이로 인해 외부 스핀들(120)의 회전 속도와 내부 스핀들(140)의 회전 속도가 이상적 속도(+,-)를 벗어나게 될 우려가 있다.
본 실시예의 경우 외부 스핀들(120)을 회전 구동시키는 보조 구동 유닛(170)을 추가로 설치하여, 해당 토크 차이가 보상되도록 한다.
구동 유닛(160)과 보조 구동 유닛(170)의 이들 각각의 회전 속도를 제어하는 제어부가 전기적으로 연결될 수 있으며, 제어부는 외부 스핀들(120)에 대한 내부 스핀들(140)의 회전 속도와, 고정 지지부(110)에 대한 외부 스핀들(120)의 회전 속도가 각각 제1 및 제2설정치가 되도록 구동 유닛(160)과 보조 구동 유닛(170)을 제어할 수 있다.
예를 들어 제어부는 외부 스핀들(120)에 대한 내부 스핀들(140)의 회전 속도가 2이 되도록 구동 유닛(160)을 제어하고, 고정 지지부(110)에 대한 외부 스핀들(120)의 회전 속도가 +이 되도록 보조 구동 유닛(170)을 제어할 수 있다. 이에 따라 외부 스핀들(120)과 내부 스핀들(140)은 고정 지지부(110)에 대하여 각각 +과 -의 상대 회전 속도를 갖도록 유지될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 절삭력 상쇄 메커니즘이 밀링 장치에 적용된 구성만을 설명하였으나, 본 발명은 연삭 가공, 연마 가공 및 기타 회전 절삭형 가공 장치에 모두 적용이 가능하다 할 것이다.
이상에서 설명한 이중 동축형 밀링 장치 및 이를 구비하는 기계 가공 시스템은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있으며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
110: 고정 지지부 111,112: 외부 베어링
120: 외부 스핀들 121,122: 내부 베어링
130: 외부 밀링툴 131: 외부 툴바디
132: 외부 커터 140: 내부 스핀들
150: 내부 밀링툴 151: 내부 툴바디
152: 내부 커터 160: 구동 유닛
170: 보조 구동 유닛

Claims (9)

  1. 고정 지지부; 상기 고정 지지부에 회전 가능하게 설치되며, 외부 밀링툴을 구비하는 외부 스핀들; 상기 외부 스핀들 내에 형성된 수용 공간에 상대 회전 가능하게 설치되며, 상기 외부 밀링툴에 대해 동축으로 회전 가능한 내부 밀링툴을 구비하는 내부 스핀들; 및 상기 외부 스핀들과 내부 스핀들의 사이에 설치되며, 상기 내부 스핀들과 외부 스핀들을 서로 반대 방향으로 회전 구동시키는 구동 유닛을 포함하며,
    상기 외부 밀링툴은 외부 툴바디와, 상기 외부 툴바디의 외주면에 방사상으로 배치되는 외부 커터를 포함하며, 상기 내부 밀링툴은 내부 툴바디와, 상기 내부 툴바디의 외주면에 방사상으로 배치되는 내부 커버를 포함하되, 상기 외부 커터와 내부 커터는 절삭 방향이 반대가 되도록 반대 방향을 향하게 설치됨을 더 포함하고,
    상기 외부 툴바디는 중공을 갖는 링 형태의 단면을 가지며, 상기 내부 툴바디는 상기 외부 밀링툴의 내측면과 일정 간격 이격되게 상기 외부 밀링툴의 중공에 배치되는 것을 더 포함하고,
    상기 내부 밀링툴은 그 절삭면이 상기 외부 밀링툴의 절삭면보다 일정 높이 아래에 배치되도록 구성되는 것을 더 포함하는 이중 동축형 밀링 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 스핀들 및 외부 스핀들 중 적어도 하나에는 상기 내부 밀링툴과 외부 밀링툴 사이의 절삭면 사이의 높이를 조절하기 위한 높이 조절부가 설치되는 것을 특징으로 하는 이중 동축형 밀링 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 상기 외부 스핀들의 내주면과 상기 내부 스핀들의 외주면에 각각 결합되는 빌트 인 모터인 것을 특징으로 하는 이중 동축형 밀링 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정 지지부의 내주면과 상기 외부 스핀들의 외주면에는 외부 베어링이 설치되고,
    상기 외부 스핀들의 내주면과 상기 내부 스핀들의 외주면에는 내부 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 이중 동축형 밀링 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정 지지부와 외부 스핀들의 사이에 설치되며, 상기 구동 유닛의 동작시 상기 외부 스핀들에 회전력을 인가하는 보조 구동 유닛; 및
    상기 구동 유닛과 보조 구동 유닛의 회전 속도를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 동축형 밀링 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 외부 스핀들에 대한 내부 스핀들의 회전 속도와, 상기 고정 지지부에 대한 외부 스핀들의 회전 속도가 각각 제1 및 제2설정치가 되도록 상기 구동 유닛과 보조 구동 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 이중 동축형 밀링 장치.
  9. 본체; 및
    상기 본체에 설치되며, 제1,4,5,6,7,8항 중 어느 한 항을 따르는 이중 동축형 밀링 장치를 구비하는 기계 가공 시스템.
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