KR101827434B1

KR101827434B1 - 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템 및 그 작동방법

Info

Publication number: KR101827434B1
Application number: KR1020170047939A
Authority: KR
Inventors: 장정환; 윤용선; 구본생
Original assignee: 동아대학교 산학협력단; 칸워크홀딩 주식회사
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2018-02-08
Also published as: WO2018190532A1

Abstract

본 발명은 선반에서 스핀들을 구동하는 모터의 동력을 클러치 기구를 이용하여 척을 구동하기 위한 드로우바와 스핀들을 포함하는 회전시스템에 선택적으로 전달할 수 있도록 한 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템 및 그 작동방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전기구동 척킹시스템은, 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 주축(10)과, 상기 주축(10) 내부에 주축(10)에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20)과, 상기 스핀들(20)에 회전력을 전달하는 스핀들 구동부와, 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들(20)과 함께 회전하는 드로우바(30)와, 상기 드로우바(30)의 후단부에 설치되는 볼스크류(40)와, 상기 스핀들(20)의 외면에 설치되어 스핀들(20)을 스핀들 구동부에 결합 또는 분리시키는 클러치유닛과, 상기 주축(10)에 스핀들(20) 쪽으로 이동 가능하게 설치되어 주축(10)에 대해 스핀들(20)을 구속하는 록킹피스톤(81)과, 상기 록킹피스톤(81)을 주축(10)에 대해 일정 거리 왕복 이동시키는 피스톤액추에이터를 포함한 구성으로 이루어진다.

Description

공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템 및 그 작동방법{Electrically Driven Chucking System Having High Efficiency for Machine Tools, And Method for Operating the Same}

본 발명은 공작 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공작물을 가공하는 선반에서 스핀들을 구동하는 모터의 동력을 클러치 기구를 이용하여 척을 구동하기 위한 드로우바와, 스핀들을 포함하는 회전시스템에 선택적으로 전달할 수 있도록 한 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템 및 그 작동방법에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계는 피가공물과 가공툴로 구성되어 둘 중 하나가 고정될 때, 다른 하나는 회전함으로써 피가공물의 형상을 가공하게 되는데, 회전부에 따라 선반과 밀링으로 구분할 수 있다.

상기 선반은 가공 툴은 정지된 상태에서 피가공물이 회전하는 방식으로 구성되는데, 통상적으로 피가공물을 고정되게 하는 척과 상기 척을 구동하기 위한 드로우바, 그리고 드로우바와 척, 피가공물을 회전시키는 스핀들로 구성되어 있다.

종래의 선반은 드로우바와 스핀들을 구동하기 위해 각각의 독립된 구동 시스템을 필요로 하는데, 주로 드로우바는 유압 시스템이, 스핀들은 전기시스템이 적용되어 왔다. 유압식으로 작동되는 종래의 드로우바는 구동부가 복잡하고, 척이 피가공물을 잡는 힘을 제어할 수 없을 뿐만 아니라 효율이 낮은 문제점이 있다. 이에 기존의 유압시스템을 전기 시스템으로 대체하기 위해 리드스크류를 적용하여 전동기의 회전력을 드로우바의 추력으로 변환하는 전기구동 척킹시스템 개발에 대한 노력들이 지속되고 있다.

그런데 리드스크류는 나사면 사이에서 발생하는 마찰력에 의해 드로우바에 추력을 인가한 이후 모터의 동력을 제거하더라도 초기 인가추력을 기계적으로 유지할 수 있는 장점이 있는 반면, 마찰손실에 의해 드로우바에 인가되는 추력이 높아질수록 모터의 출력토크 대비 드로우바에 인가되는 추력의 효율이 낮아지는 단점이 있다.

이에 반해, 전기구동 척킹시스템에서 리드스크류를 마찰손실이 낮은 볼스크류로 대체할 경우 시스템의 효율을 상대적으로 향상시킬 수 있지만 인가된 드로우바 추력을 유지하기 위해서는 스핀들 시스템의 구동 시에도 모터의 동력이 지속적으로 공급되어야 하는 문제점이 있다.

특히, 스핀들 모터의 동력을 기존의 클러치 기구부를 이용하여 드로우바와 스핀들에 선택적으로 전달하는 전기구동 척킹시스템에서 볼스크류를 적용할 경우, 척킹시스템 구동 이후 스핀들 시스템 운전모드로 절환 시 드로우바에 인가된 추력이 급격히 떨어지는 문제점이 있다.

미국 등록특허 US 4,573,379(1986년 3월 4일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-0732596호(2007년 06월 20일 등록) 대한민국 등록실용신안공보 제20-0243368호(2001년 8월 7일 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 볼스크류를 이용하여 모터의 동력을 드로우바에 효율적으로 전달할 수 있으며, 볼스크류의 구동에 의한 드로우바의 선형 운동 후 선반의 운전모드 절환 시 클러치 시스템에서의 절환 동작이 완료될 때까지 스핀들의 구속 상태를 안정적으로 유지함으로써 척에 인가된 클램핑력을 안정적으로 유지할 수 있도록 한 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템 및 그 작동방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기구동 척킹시스템은, 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 주축과; 상기 주축 내부에 주축에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들과; 상기 스핀들에 회전력을 전달하는 스핀들 구동부와; 상기 스핀들의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바와; 상기 드로우바의 후단부에 고정되며 외면에 스크류홈이 나선형으로 형성되어 있는 스크류축과, 상기 스크류축의 외측을 둘러싸도록 설치되며 상기 스핀들 구동부의 동력을 전달받아 회전 운동하는 캐리어와, 상기 캐리어의 내면에 나선형으로 형성되는 볼수용홈과 상기 스크류축의 스크류홈 내측에 수용되는 복수개의 볼을 포함하는 볼스크류와; 상기 스핀들의 외면에 축방향으로 선형 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 설치되며, 이동 방향에 따라 상기 스핀들 구동부와 결합되거나 스핀들 구동부에서 분리되면서 스핀들을 스핀들 구동부에 결합 또는 분리시키는 클러치유닛과; 상기 주축에 스핀들 쪽으로 이동 가능하게 설치되어 일단부가 상기 스핀들의 외면에 형성되는 록킹홈 내측으로 삽입되면서 주축에 대해 스핀들을 구속하는 록킹피스톤과; 상기 록킹피스톤을 주축에 대해 일정 거리 왕복 이동시키는 피스톤액추에이터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 전기구동 척킹시스템을 작동하는 방법은 다음과 같은 단계들로 구성된다.

(S1) 록킹피스톤을 스핀들 쪽으로 이동시켜 스핀들을 주축에 구속하고, 클러치유닛을 전진시켜 클러치유닛을 스핀들 구동부와 분리하는 단계

(S2) 스핀들 구동부에 전원을 인가하여 스핀들 구동부를 동작시키는 단계

(S3) 스핀들 구동부의 회전력을 볼스크류의 캐리어에 전달하여 스크류축 및 드로우바를 스핀들에 대해 선형이동시켜 피가공물을 고정하는 단계

(S4) 스핀들 구동부에 전원이 인가되어 스크류축 및 드로우바에 추력이 가해진 상태에서 클러치유닛을 동작시켜 클러치유닛을 후진시키는 단계

(S5) 클러치유닛의 구성요소가 스핀들 구동부에 결합되면 스핀들 구동부의 전원을 차단(off)하는 단계

(S6) 상기 록킹피스톤을 스핀들과 먼 쪽으로 이동시켜 주축에 대한 스핀들의 구속 상태를 해제하는 단계

(S7) 스핀들 구동부를 동작시켜 스핀들과 볼스크류 및 드로우바를 동시에 회전시켜 피가공물을 가공하는 단계

본 발명에 따르면, 마찰손실이 낮은 볼스크류를 이용하여 드로우바를 축방향으로 선형 이동시킬 수 있으므로 척킹시스템의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

특히 본 발명의 척킹시스템은 볼스크류의 추력에 의해 드로우바를 선형 이동시켜 피가공물을 단단히 클램핑한 후 스핀들의 고속 회전 운전모드로 절환시에, 록킹피스톤에 의해 스핀들의 회전이 구속된 상태에서 스핀들 모터에 전원이 인가되어 드로우바의 추력이 유지된 상태로 클러치유닛이 동작하여 운전모드의 절환이 이루어지게 되므로 피가공물의 클램핑력 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

요컨대 본 발명은 볼스크류를 사용하여 전체 시스템의 효율을 향상시키면서도 볼스크류의 사용에 따른 운전모드 절환시의 드로우바 추력 감소를 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기구동 척킹시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기구동 척킹시스템의 절개하여 나타낸 절개 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전기구동 척킹시스템의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 전기구동 척킹시스템의 볼스크류의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 전기구동 척킹시스템의 클러치유닛의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 클러치유닛의 주요부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 전기구동 척킹시스템의 척킹 운전모드에 대한 작동례를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 전기구동 척킹시스템의 스핀들 운전모드에 대한 작동례를 나타낸 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템 및 그 작동방법을 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기구동 척킹시스템은, 공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 주축(10)과, 상기 주축(10) 내부에 주축(10)에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20)과, 상기 스핀들(20)에 회전력을 전달하는 스핀들 구동부와, 상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들(20)과 함께 회전하는 드로우바(30)와, 상기 드로우바(30)의 후단부에 설치되는 볼스크류(40)와, 상기 스핀들(20)의 외면에 설치되어 스핀들(20)을 스핀들 구동부에 결합 또는 분리시키는 클러치유닛과, 상기 주축(10)에서 스핀들(20) 쪽으로 이동 가능하게 설치되어 주축(10)에 대해 스핀들(20)을 구속하는 록킹피스톤(81)과, 상기 록킹피스톤(81)을 주축(10)에 대해 일정 거리 왕복 이동시키는 피스톤액추에이터를 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 주축(10)은 내부가 빈 통형태로 이루어져 공작기계의 본체에 고정되게 설치된다. 상기 주축(10)의 후단부에는 상기 스핀들(20)의 후방부가 통과하는 개구부가 형성된 링 형태의 후면커버(11)가 고정되게 결합된다. 상기 후면커버(11)의 외주면에는 상기 클러치유닛을 구성하는 링기어(68)의 전후방향 이동을 위한 나사산(11a)이 형성되어 있다.

상기 주축(10)의 전방부 외측에는 피가공물의 가공을 위한 척(C)이 구비되고, 상기 척(C)에는 피가공물을 파지하기 위한 조오(jaw)(J)가 반경 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 상기 조오(J)는 상기 드로우바(30)의 전단부와 링크부재(미도시)를 통해 연결되어 드로우바(30)의 전후진 선형 운동에 의해 반경 방향으로 이동하면서 피가공물을 파지하거나 해제한다.

상기 스핀들(20)은 기다란 원통형의 중공관 형태로 되어, 상기 주축(10)의 내측 공간에 축방향(전후방향)을 따른 축을 중심으로 회전 가능하게 설치된다. 상기 스핀들(20)의 외면과 주축(10)의 내면 사이에는 주축(10)에 대해 스핀들(20)을 회전 가능하게 지지하는 복수개의 스핀들베어링(25)이 설치된다. 상기 스핀들베어링(25)은 스핀들(20)에 고정되는 베어링 고정너트(26)(도 6a 및 도 6b 참조)에 의해 지지된다.

상기 스핀들(20)의 후방부 외주면에는 상기 클러치유닛을 구성하는 클러치부재(61)의 축방향 이동은 허용하고 상대 회전 운동은 구속하기 위한 커플링키(23)가 축방향으로 연장되게 형성되어 있다. 상기 커플링키(23)는 복수개가 스핀들(20)의 외주면에 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열된다. 그리고, 상기 스핀들(20)의 후단부 내주면에는 상기 볼스크류(40)의 축방향 이동은 허용하고 상대 회전 운동은 구속하기 위한 복수의 스핀들키홈(22)이 축방향으로 연장되게 형성되어 있다. 상기 스핀들키홈(22)은 스핀들(20)의 후단부 내주면에 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열된다.

상기 드로우바(30)는 후단부가 상기 볼스크류(40)의 스크류축(41)의 전단부에 끼워져 고정되어 스크류축(41)과 함께 스핀들(20)의 내측에서 전후 방향으로 직선 운동한다. 상기 드로우바(30)와 스크류축(41)은 개별체로 만들어진 후 상호 결합되어 사용될 수 있지만, 이와 다르게 드로우바(30)와 스크류축(41)이 일체형으로 만들어질 수도 있을 것이다. 이 실시예에서 상기 드로우바(30)와 스크류축(41)은 속이 채워진 중실 구조의 원통체로 된 것으로 도시되었지만, 이와 다르게 속이 빈 중공의 원통체로 이루어져 절삭가공 시 칩을 불어내는 장치 및 공작물을 밀어내는 장치 등을 구성할 수 있다.

상기 볼스크류(40)는 스핀들 구동부의 회전력을 전달받아 상기 드로우바(30)를 전후진시키는 기능을 하도록 구성된다. 상기 볼스크류(40)는 상기 드로우바(30)의 후단부에 고정되며 외주면에 스크류홈(41a)이 나선형으로 형성되어 있는 스크류축(41)과, 상기 스크류축(41)의 외측을 둘러싸도록 설치되며 상기 스핀들 구동부의 동력을 전달받아 회전 운동하는 캐리어(42)와, 상기 캐리어(42)의 내면에 나선형으로 형성되는 볼수용홈(42a)과 상기 스크류축(41)의 스크류홈(41a) 내측에 수용되는 복수개의 볼(43)을 포함한다(도 4 참조).

상기 스크류축(41)의 전방부 외주면에는 상기 스핀들(20)의 후단부 내면에 형성된 스핀들키홈(22)이 전후방향으로 선형 이동 가능하게 삽입되는 스핀들키(41b)가 형성되어 있다. 따라서 상기 스크류축(41)은 스핀들(20)에 대해 전후방향으로 선형 이동은 가능하지만 상대 회전 운동은 하지 않는다.

상기 캐리어(42)는 양단이 개방된 원통형으로 이루어지며, 상기 스핀들 구동부를 구성하는 풀리커버(52)에 고정되어, 풀리커버(52)를 통해 회전력을 전달받아 스크류축(41)에 대해 회전하게 된다.

전술한 것처럼 캐리어(42)의 내면에는 볼(43)이 수용되는 볼수용홈(42a)이 전후방향을 따라 나선형으로 형성되어 있으므로 캐리어(42)가 회전하게 되면 볼(43)이 캐리어(42)의 볼수용홈(42a) 및 스크류축(41)의 스크류홈(41a)을 따라 구름 운동하게 되므로 스크류축(41)이 스핀들(20)에 대해 전후방향으로 선형 운동하게 된다. 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 캐리어(42)의 후방에는 상기 스크류축(41)의 이송 위치를 검출할 수 있는 센서가 부착될 수 있다.

상기 스핀들 구동부는, 상기 주축(10)의 외부에 설치되는 스핀들 모터(미도시)와, 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 상대 회전 가능하게 설치되어 상기 스핀들 모터로부터 동력을 전달받아 회전하는 구동풀리(51)와, 상기 구동풀리(51)와 상기 볼스크류(40)의 캐리어(42)를 연결하는 풀리커버(52)를 포함한다.

상기 구동풀리(51)는 상기 클러치유닛의 클러치부재(61)와 결합되거나 분리된다. 상기 구동풀리(51)는 도면에 도시되지 않은 벨트와 같은 동력전달수단을 통해서 상기 스핀들 모터(미도시)와 연결되어 동력을 전달받아 회전한다.

상기 풀리커버(52)는 원통관 형태로 되어 상기 볼스크류(40)의 외측을 둘러싸며, 전단부가 상기 구동풀리(51)에 결합되고 후단부가 상기 캐리어(42)에 결합되어 구동풀리(51)의 회전력을 캐리어(42)에 전달한다.

상기 록킹피스톤(81)은 주축(10)의 일측면(도면에서 상부면)에 직선 왕복 운동 가능하게 설치되어 일단부가 상기 스핀들(20)의 일측면에 오목하게 형성되어 있는 록킹홈(24) 내측으로 삽입되면서 스핀들(20)의 회전을 구속하는 기능을 한다.

상기 록킹피스톤(81)을 구동시키기 위한 피스톤액추에이터는 이 실시예에서 공압실린더(82)로 구성된다. 상기 공압실린더(82)는 일면에 상기 록킹피스톤(81)이 출몰하는 구멍이 형성되고, 반대편 일면에 외부의 공압라인(미도시)과 연결되는 실린더커버(83)가 구비된 원통체로 이루어져, 상기 주축(10)의 내부에 고정되게 설치된다. 따라서 상기 공압실린더(82) 내측으로 공압이 인가되면 록킹피스톤(81)이 스핀들(20) 쪽으로(도면에서 하측으로) 이동하여 록킹피스톤(81)의 일단부가 록킹홈(24) 내측에 인입되어 스핀들(20)이 구속되고, 공압실린더(82) 내에서 공압이 외부로 배출되면 록킹피스톤(81)이 스핀들(20)에서 먼 쪽으로(도면에서 상측으로) 이동하여 록킹피스톤(81)의 일단부가 록킹홈(24) 내측에서 빠져 나와 스핀들(20)의 구속 상태가 해제된다.

상기 클러치유닛은 주축(10)의 후단부 외측에서 상기 스핀들(20)의 외면에 축방향으로(전후방향으로) 선형 이동이 가능하게 설치되며, 전후진 이동 방향에 따라 상기 스핀들 구동부의 구동풀리(51)와 결합되거나 분리되면서 스핀들(20)을 스핀들 구동부의 구동풀리(51)에 결합시키거나 분리시키는 기능을 한다.

도 5와 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 클러치유닛은, 상기 스핀들(20)의 외면에 축방향으로 선형 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 설치된 클러치부재(61)와, 상기 클러치부재(61)의 후방에 설치되어 클러치부재(61)의 후진시 상기 스핀들 구동부에 밀착되면서 마찰 결합되는 마찰부재(62)와, 상기 클러치부재(61)의 전방과 주축(10)의 후단부 사이에서 스핀들(20)에 대해 축방향으로 선형 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 고정되게 설치되는 스프링마운트부재(64)와, 상기 스프링마운트부재(64)에 설치되어 상기 클러치부재(61)에 후방으로 탄성력을 가하는 탄성부재(63)와, 상기 주축(10)의 후단부에 주축의 외주면을 따라 회전 운동하면서 전후방향으로 이동 가능하게 설치되어 클러치부재(61)를 전방으로 이동시키는 링기어(68)와, 상기 링기어(68)에 회전력을 전달하는 클러치 구동부를 포함한다.

상기 클러치부재(61)는 상기 스프링마운트부재(64)의 외면을 따라 전후방향으로 슬라이딩하도록 설치된 슬라이드링(61a)과, 상기 슬라이드링(61a)의 후방에 결합되어 탄성부재(63)를 지탱하는 스프링디스크(61b)와, 상기 슬라이드링(61a)의 후방에 볼트로 결합되어 스프링디스크(61b)를 슬라이드링(61a)에 대해 고정하며 벨트(74)를 통해 클러치 부재의 회전력을 엔코더풀리(73)에 전달하는 고정링(61c)을 포함한다.

상기 슬라이드링(61a)의 내주면에는 상기 스프링마운트부재(64)의 외면에 형성되어 있는 외측 스플라인홈(64a)에 삽입되는 스플라인돌기(61d)가 반경방향 내측으로 돌출되게 형성되어 있다. 그리고, 상기 스프링디스크(61b)의 전방면에는 상기 탄성부재(63)가 삽입되어 지지되는 복수의 스프링지지홈(61e)이 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되어 있다.

상기 마찰부재(62)는, 전후방향으로 나란하게 배열되며 스핀들(20)에 대해 전후방향으로 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 설치된 복수개의 피동 마찰패드(62a)와, 상기 피동 마찰패드(62a) 사이에 배치되며 상기 스핀들 구동부에 대해 전후방향으로 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하며 상기 스핀들(20)에 대해서는 상대 회전 가능하게 설치되는 복수의 구동 마찰패드(62b)를 포함한다.

상기 피동 마찰패드(62a)의 내주면에는 상기 스핀들(20) 외면에 형성된 커플링키(23)가 삽입되어 상대회전을 제한하는 복수의 커플링키홈(62c)이 원주방향을 따라 형성된다.

상기 구동 마찰패드(62b)의 외주부에는 복수의 스플라인홈(62d)이 원주방향을 따라 형성되고, 상기 구동풀리(51)의 전단부에 상기 스플라인홈(62d)에 삽입되어 상대 회전을 제한하는 복수의 스플라인돌기(51a)가 원주방향을 따라 형성된다.

이와 같이 마찰부재(62)가 여러 장의 패드로 구성되면 마찰력이 증가하여 구동풀리(51)와 마찰부재(62) 간에 슬립(slip) 현상이 발생할 가능성이 없어지게 된다. 특히 구동풀리(51)에 직접 접촉하는 피동 마찰패드(62a) 사이에 구동풀리(51)에 대한 상대 회전이 구속되는 구동 마찰패드(62b)가 개재되어 있으므로 마찰패드 간에도 큰 마찰력이 발생하게 된다.

상기 피동 마찰패드(62a)와 구동 마찰패드(62b)들은 상호 간에는 결합되어 있지 않으므로 클러치부재(61)가 전방으로 이동하여 피동 마찰패드(62a)와 구동 마찰패드(62b)에 후방으로 가압력이 가해지지 않을 때에는 서로 간에 유격이 발생하여 구동풀리(51) 및 구동 마찰패드(62b)가 스핀들(20)에 대해 자유롭게 회전할 수 있다. 이 실시예에서 도시되지 않았지만, 상기 피동 마찰패드(62a)와 구동 마찰패드(62b) 사이에 일정한 간격을 유지하기 위해 얇은 판스프링이 삽입 될 수도 있다.

상기 피동 마찰패드(62a)와 구동 마찰패드(62b)는 서로 다른 재질로 만들어질 수 있다. 또한 전술한 실시예와 다르게 복수의 상기 피동 마찰패드(62a)와 구동 마찰패드(62b)를 겹쳐서 사용하지 않고, 하나의 마찰패드만 사용하여 고정력을 발생시킬 수도 있을 것이다.

상기 탄성부재(63)는 상기 스프링마운트부재(64)의 후방면에 형성된 홈 내측에 설치되는 복수의 압축코일스프링으로 이루어져 클러치부재(61)에 후방으로 탄성력을 가한다.

상기 스프링마운트부재(64)는 원형의 링 형태로 되어 상기 클러치부재(61)의 슬라이드링(61a)과 후면커버(11) 사이에 배치되며, 내주면에 상기 커플링키(23)가 삽입되는 복수의 내측 스플라인홈(64b)이 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열되어 있다. 상기 스프링마운트부재(64)는 탄성부재(63)의 반력에 의해 전방으로(도면상 우측으로) 이동하여 베어링 고정너트(26)와 면접촉하여 지지되며, 스핀들(20)이 회전할 때 베어링 고정너트(26)와 함께 회전하게 된다. 따라서, 스프링마운트부재(64)는 스핀들(20)에 대해 축방향으로 선형 이동이 가능하게 설치되지만, 탄성부재(63)의 탄성력에 의해 베어링 고정너트(26)와 면접촉하여 축방향 위치가 실질적으로 고정된다.

상기 링기어(68)는 원형의 링 형태로 되어 주축(10)에 고정된 후면커버(11)에 대해 회전하면서 전후방향으로 이동할 수 있도록 설치된다. 이를 위해 상기 후면커버(11)의 외주면에 나사산(11a)이 전후방향을 따라 나선형으로 형성되고, 상기 링기어(68)의 내주면에 상기 나사산(11a)과 맞물리는 리드스크류(68b)가 전후방향을 따라 나선형으로 형성되어, 상기 리드스크류(68b)와 나사산(11a) 간의 작용에 의해 링기어(68)가 주축(10)에 대해 회전하면서 전후방향으로 일정 거리 이동하게 된다. 클러치 작동시 상기 링기어(68)의 전후방향 이동 거리는 미세하기 때문에 링기어(68)가 회전하면서 전후방향으로 이동하더라도 링기어(68)는 피니언기어(67)와 계속 맞물린 상태를 유지한다.

상기 링기어(68)가 전방으로 이동할 때 클러치부재(61)를 전방으로 당기면서 이동시킬 수 있도록 링기어(68)의 내주면 후단부에는 클러치부재(61)의 외주면에 결합되는 견인돌기(68c)가 반경방향 내측으로 돌출되게 형성되어 있다.

상기 링기어(68)를 회전시키는 클러치 구동부는, 주축(10)의 외측에 설치되는 클러치 모터(65)와, 상기 클러치 모터(65)로부터 동력을 전달받아 감속하는 감속기(66)와, 상기 감속기(66)로부터 동력을 전달받아 회전하며 상기 링기어(68)의 외면에 원주방향으로 형성된 기어이(68a)와 맞물려 링기어(68)에 회전력을 전달하는 피니언기어(67)를 포함한다. 따라서, 클러치 모터(65)가 작동하게 되면, 감속기(66)를 통해 클러치 모터(65)의 동력이 감속되어 피니언기어(67)로 전달되어 피니언기어(67)가 회전하게 되고, 피니언기어(67)와 치합되어 있는 링기어(68)가 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 된다.

이 실시예에서는 클러치 구동부로서 클러치 모터(65)를 이용하였으나, 이외에도 공압실린더나 솔레노이드 등을 적용할 수도 있다.

한편, 상기 클러치유닛의 외측에는 상기 스핀들(20)의 회전량을 측정하여 스핀들(20)의 위치를 검출하는 엔코더(71) 및, 상기 클러치유닛의 클러치부재(61) 및 엔코더(71)와 연결되어 클러치부재(61)가 스핀들(20)과 함께 회전할 때 클러치부재(61)의 회전력을 상기 엔코더(71)에 전달하는 엔코더회전수단이 구성될 수 있다.

상기 엔코더회전수단은 상기 클러치부재(61)의 외면에 결합되어 클러치부재(61)와 함께 회전하는 고정링(61a)과, 상기 엔코더(71)의 축에 연결되는 엔코더풀리(73)와, 상기 스핀들엔코더풀리(72)의 외면과 엔코더풀리(73)의 외면에 감겨져 스핀들엔코더풀리(72)의 회전력을 엔코더풀리(73)에 전달하는 벨트(74)를 포함한다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 전기구동 척킹시스템의 작동방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다.

(S1) 록킹피스톤(81)을 스핀들(20) 쪽으로 이동시켜 스핀들(20)을 주축(10)에 구속하고, 클러치유닛의 클러치부재(61)를 전진시켜 클러치부재(61)를 스핀들 구동부의 구동풀리(51)에서 분리하는 단계

(S2) 스핀들 모터에 전원을 인가하여 스핀들 구동부를 동작시키는 단계

(S3) 스핀들 구동부의 회전력을 볼스크류(40)의 캐리어(42)에 전달하여 스크류축(41) 및 드로우바(30)를 스핀들(20)에 대해 선형 이동시켜 피가공물을 고정하는 단계

(S4) 스핀들 모터에 전원이 인가되어 스크류축(41) 및 드로우바(30)에 추력이 가해진 상태에서 클러치유닛을 동작시켜 클러치부재(61)를 후진시키는 단계

(S5) 클러치유닛의 클러치부재(61)가 스핀들 구동부의 구동풀리(51)에 밀착되면서 결합되면 스핀들 모터의 전원을 차단(off)하는 단계

(S6) 상기 록킹피스톤(81)을 스핀들(20)과 먼 쪽으로 이동시켜 주축(10)에 대한 스핀들(20)의 구속 상태를 해제하는 단계

(S7) 스핀들 구동부를 동작시켜 스핀들(20)과 볼스크류(40) 및 드로우바(30)를 동시에 회전시켜 피가공물을 가공하는 단계

이러한 본 발명에 따른 전기구동 척킹시스템의 작동방법에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 6a 및 도 7을 참조하면, 스핀들 운전모드 상태에서 록킹피스톤(81)의 끝단부가 스핀들(20)의 록킹홈(24) 내측으로 삽입될 수 있도록 스핀들의 위치를 제어한다. 상기 공압실린더(82)에 공압이 인가되면서 록킹피스톤(81)이 주축(10)의 내측으로, 즉 스핀들(20)과 근접하는 쪽으로 이동하여 록킹피스톤(81)의 끝단부가 스핀들(20)의 록킹홈(24) 내측으로 삽입되고, 이에 따라 상기 스핀들(20)은 주축(10)에 대해 상대 회전이 불가능하게 구속된다.

그리고 클러치 모터(65)에 전원이 인가되어 클러치 모터(65)가 일방향으로 작동하면, 클러치 모터(65)의 동력이 감속기(66) 및 피니언기어(67)를 통해 링기어(68)로 전달되어 링기어(68)가 일방향으로 회전하게 된다. 이에 따라 링기어(68)의 리드스크류(68b)와 후면커버(11)의 나사산(11a) 간의 작용에 의해 링기어(68)가 전방으로 이동하게 된다.

상기 링기어(68)가 전방으로 이동하게 되면, 링기어(68) 후단의 견인돌기(68c)가 클러치부재(61)의 슬라이드링(61a)을 전방으로 끌어서 이동시키게 된다. 이에 따라 구동풀리(51) 후단부에 밀착되어 있던 마찰부재(62)가 느슨해지면서 마찰부재(62)가 구동풀리(51)에서 분리된다(단계 S1).

이와 같이 스핀들(20)이 록킹피스톤(81)에 의해 주축(10)에 구속되고, 클러치부재(61)가 구동풀리(51)와 분리된 상태에서 스핀들 모터(미도시)에 전원을 인가하여 스핀들 모터를 동작시키면 스핀들 모터의 동력이 구동풀리(51)에 전달되어 구동풀리(51)가 회전하게 된다(단계 S2). 이 때 구동풀리(51)와 함께 구동 마찰패드(62b)가 함께 스핀들(20)의 주변으로 회전하게 된다.

상기 구동풀리(51)의 회전력은 풀리커버(52)를 통해 볼스크류(40)의 캐리어(42)로 전달되고, 스핀들(20)이 구속된 상태에서 캐리어(42)가 회전함에 따라 스크류축(41) 및 이에 결합된 드로우바(30)는 후방으로 선형 이동하게 된다. 상기 드로우바(30)가 스핀들(20)에 대해 후방으로 선형 이동함에 따라 척(C)에 구비된 조오(J)가 오므려지면서 피가공물을 단단히 파지하게 된다(단계 S3). 물론 피가공물의 가공이 완료된 후에는 스핀들 모터(미도시)에 의해 캐리어(42)가 이전과는 반대 방향으로 회전하여 스크류축(41)이 및 드로우바(30)를 축방향으로 전진시켜 조오(J)가 파지하고 있던 피가공물을 놓게 한다.

전술한 것과 같이 드로우바(30)가 후진하여 조오(J)가 피가공물을 단단히 파지하는 척킹 운전모드가 완료되면, 스핀들(20)을 고속 회전시켜 피가공물의 가공 작업을 진행하는 스핀들 운전모드로 절환한다.

이러한 운전모드의 절환 시에 상기 스핀들 모터(미도시)에 전원이 인가되어 스크류축(41) 및 드로우바(30)에 추력이 인가된 상태에서 클러치 모터(65)를 이전과는 반대방향으로 작동시키면, 도 6b 및 도 8에 도시한 것과 같이 클러치 모터(65)의 동력이 감속기(66) 및 피니언기어(67)를 통해 링기어(68)로 전달되어 링기어(68)가 이전과는 반대방향으로 회전하게 된다. 이에 따라 링기어(68)가 리드스크류(68b)와 나사산(11a) 간의 작용에 의해 후방으로 이동하게 된다(단계 S4). 이 때, 스핀들(20)은 록킹피스톤(81)에 의해 여전히 구속된 상태이고 스크류축(41) 및 드로우바(30)에 추력이 인가된 상태이므로 클램핑력이 그대로 유지될 수 있게 된다.

상기 클러치부재(61)는 탄성부재(63)에 의해 후방으로 탄성력을 받기 때문에 링기어(68)가 후방으로 이동함에 따라 후방으로 밀려서 이동하게 되고, 마찰부재(62)가 구동풀리(51)의 전방면에 탄력적으로 밀착되어 더 이상 이동하지 않게 되면, 스핀들 모터(미도시)의 전원을 차단(off)한다(단계 S5).

그리고 공압실린더(82)에서 공압을 외부로 배출하여 록킹피스톤(81)을 스핀들(20)에서 멀어지는 방향으로 이동시키면, 록킹피스톤(81)의 끝단부가 록킹홈(24) 내측에서 빠져나오면서 스핀들(20)이 회전 가능한 상태가 된다(단계 S6).

이어서 스핀들 모터(미도시)에 전원을 인가하여 동작시키면, 구동풀리(51)가 회전하게 되고, 구동풀리(51)의 전방면에 강한 마찰력으로 결합되어 있는 클러치부재(61)를 통해 스핀들(20)에 회전력이 전달되어 스핀들(20)이 고속으로 회전하면서 피가공물의 가공이 이루어지게 된다(단계 S7).

상기 단계 S7을 수행할 때, 클러치부재(61)와 스핀들엔코더풀리(72)가 회전하게 되어 엔코더풀리(73)가 회전하게 되므로, 스핀들(20)의 회전량이 엔코더(71)에 실시간으로 측정될 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 마찰손실이 낮은 볼스크류(40)를 이용하여 드로우바(30)를 축방향으로 선형 이동시킬 수 있으므로 척킹시스템의 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 특히 본 발명의 척킹시스템은 볼스크류(40)의 추력에 의해 드로우바(30)를 선형 이동시켜 피가공물을 단단히 클램핑한 후 스핀들(20)의 고속 회전 운전모드로 절환시에, 록킹피스톤(81)에 의해 스핀들(20)의 회전이 구속된 상태에서 스핀들 모터에 전원이 인가되어 드로우바(30)의 추력이 유지된 상태로 클러치유닛의 클러치부재(61)가 후진하여 운전모드의 절환이 이루어지므로 피가공물의 클램핑력 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.

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 : 주축 11 : 후면커버
11a : 제1스플라인요철 20 : 스핀들
22 : 스핀들키홈 23 : 커플링키
24 : 록킹홈 25 : 스핀들베어링
26 : 베어링 고정너트 30 : 드로우바
40 : 볼스크류 41 : 스크류축
41a : 스크류홈 41b : 스핀들키
42 : 캐리어 43 : 볼
51 : 구동풀리 52 : 풀리커버
61 : 클러치부재 61a : 슬라이드링
61b : 스프링디스크 61c : 고정링
62 : 마찰부재 62a : 피동 마찰패드
62b : 구동 마찰패드 62c : 커플링키홈
63 : 탄성부재 64 :스프링마운트부재
65 : 클러치 모터 66 : 감속기
67 : 피니언기어 68 : 링기어
68a : 기어이(gear teeth) 68b : 리드스크류
71 : 엔코더 73 : 엔코더풀리
74 : 벨트 81 : 록킹피스톤
82 : 공압실린더 83 : 실린더커버
C : 척(chuck) J : 조오(jaw)

Claims

공작기계의 본체에 고정되게 설치되는 주축(10)과;
상기 주축(10) 내부에 주축에 대해 회전 가능하게 설치된 중공관 형태의 스핀들(20)과;
상기 스핀들(20)에 회전력을 전달하는 스핀들 구동부와;
상기 스핀들(20)의 내측에 스핀들에 대해 축방향으로의 직선 운동은 가능하지만 상대 회전 운동은 불가능하게 설치되어, 스핀들(20)에 대해 축방향으로 직선 운동하거나 스핀들과 함께 회전하는 드로우바(30)와;
상기 드로우바(30)의 후단부에 고정되며 외면에 스크류홈(41a)이 나선형으로 형성되어 있는 스크류축(41)과, 상기 스크류축(41)의 외측을 둘러싸도록 설치되며 상기 스핀들 구동부의 동력을 전달받아 회전 운동하는 캐리어(42)와, 상기 캐리어(42)의 내면에 나선형으로 형성되는 볼수용홈(42a)과 상기 스크류축(41)의 스크류홈(41a) 내측에 수용되는 복수개의 볼(43)을 포함하는 볼스크류(40)와;
상기 스핀들(20)의 외면에 축방향으로 선형 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 설치되며, 이동 방향에 따라 상기 스핀들 구동부와 결합되거나 스핀들 구동부에서 분리되면서 스핀들(20)을 스핀들 구동부에 결합 또는 분리시키는 클러치유닛과;
상기 주축(10)에 스핀들(20) 쪽으로 이동 가능하게 설치되어 일단부가 상기 스핀들(20)의 외면에 형성되는 록킹홈(24) 내측으로 삽입되면서 주축(10)에 대해 스핀들(20)을 구속하는 록킹피스톤(81)과;
상기 록킹피스톤(81)을 주축(10)에 대해 일정 거리 왕복 이동시키는 피스톤액추에이터;
를 포함하고,
상기 클러치유닛은, 상기 스핀들(20)의 외면에 축방향으로 선형 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 설치된 클러치부재(61)와, 상기 클러치부재(61)의 후방에 설치되어 클러치부재(61)의 후진시 상기 스핀들 구동부에 밀착되면서 마찰 결합되는 마찰부재(62)와, 상기 클러치부재(61)의 전방과 주축(10)의 후단부 사이에서 스핀들(20)에 대해 축방향으로 선형 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 설치되는 스프링마운트부재(64)와, 상기 스프링마운트부재(64)에 설치되어 상기 클러치부재(61)에 후방으로 탄성력을 가하는 탄성부재(63)와, 상기 주축(10)의 후단부에 주축의 외주면을 따라 회전 운동하면서 전후방향으로 이동 가능하게 설치되어 클러치부재(61)를 전방으로 이동시키는 링기어(68)와, 상기 링기어(68)에 회전력을 전달하는 클러치 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템.
제1항에 있어서, 상기 피스톤액추에이터는 공압실린더인 것을 특징으로 하는 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 주축(10)의 후단부 외주면에 나사산(11a)이 전후방향을 따라 나선형으로 형성되고, 상기 링기어(68)의 내주면에 상기 나사산(11a)과 맞물리는 리드스크류(68b)가 전후방향을 따라 나선형으로 형성되어, 상기 리드스크류(68b)와 나사산(11a) 간의 작용에 의해 링기어(68)가 주축(10)에 대해 회전하면서 전후방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템.
제4항에 있어서, 상기 클러치 구동부는, 주축(10)의 외측에 설치되는 클러치 모터(65)와, 상기 클러치 모터(65)로부터 동력을 전달받아 감속하는 감속기(66)와, 상기 감속기(66)로부터 동력을 전달받아 회전하며 상기 링기어(68)의 외면에 원주방향으로 형성된 기어이(68a)와 맞물려 링기어(68)에 회전력을 전달하는 피니언기어(67)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템.
제1항에 있어서, 상기 마찰부재(62)는 전후방향으로 나란하게 배열되며 스핀들(20)에 대해 전후방향으로 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하게 설치된 복수개의 피동 마찰패드(62a)와, 상기 피동 마찰패드(62a) 사이에 배치되며 상기 스핀들 구동부에 대해 전후방향으로 이동은 가능하지만 상대 회전은 불가능하며 상기 스핀들(20)에 대해서는 상대 회전 가능하게 설치되는 복수의 구동 마찰패드(62b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템.
제6항에 있어서, 상기 구동 마찰패드(62b)의 외주부에 복수의 스플라인홈(62d)이 원주방향을 따라 형성되고, 상기 스핀들 구동부의 전단부에 상기 스플라인홈(62d)에 삽입되어 상대 회전을 제한하는 복수의 스플라인돌기(51a)가 원주방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템.
제6항에 있어서, 상기 피동 마찰패드(62a)와 구동 마찰패드(62b) 사이에 판스프링이 삽입된 것을 특징으로 하는 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템.
제1항에 있어서, 상기 록킹피스톤(81)은 클러치유닛이 이동하여 스핀들 구동부와 분리될 때, 그리고 상기 드로우바(30)의 선형 이동이 종료된 후 클러치유닛을 동작시켜 스핀들(20)을 스핀들 구동부와 결합하는 절환 동작이 수행될 때, 스핀들(20) 쪽으로 이동하여 스핀들(20)의 록킹홈(24) 내측으로 삽입되면서 주축(10)에 대해 스핀들(20)을 구속하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템.
제1항에 있어서, 상기 스핀들 구동부는, 상기 주축(10)의 외부에 설치되는 스핀들 모터와, 상기 스핀들(20)의 외측에 스핀들(20)에 대해 상대 회전 가능하게 설치되어 상기 스핀들 모터로부터 동력을 전달받아 회전하며 상기 클러치유닛과 연결되거나 분리되는 구동풀리(51)와, 상기 구동풀리(51)와 상기 볼스크류(40)의 캐리어(42)를 연결하는 풀리커버(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계의 고효율 전기구동 척킹시스템.
제1항 내지 제2항 및 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 전기구동 척킹시스템의 작동방법으로서,
(S1) 록킹피스톤(81)을 스핀들(20) 쪽으로 이동시켜 스핀들(20)을 주축(10)에 구속하고, 클러치유닛을 전진시켜 클러치유닛을 스핀들 구동부와 분리하는 단계;
(S2) 스핀들 구동부에 전원을 인가하여 스핀들 구동부를 동작시키는 단계;
(S3) 스핀들 구동부의 회전력을 볼스크류(40)의 캐리어(42)에 전달하여 스크류축(41) 및 드로우바(30)를 스핀들(20)에 대해 선형이동시켜 피가공물을 고정하는 단계;
(S4) 스핀들 구동부에 전원이 인가되어 스크류축(41) 및 드로우바(30)에 추력이 가해진 상태에서 클러치유닛을 동작시켜 클러치유닛을 후진시키는 단계;
(S5) 클러치유닛의 구성요소가 스핀들 구동부에 결합되면 스핀들 구동부의 전원을 차단(off)하는 단계;
(S6) 상기 록킹피스톤(81)을 스핀들(20)과 먼 쪽으로 이동시켜 주축(10)에 대한 스핀들(20)의 구속 상태를 해제하는 단계;
(S7) 스핀들 구동부를 동작시켜 스핀들(20)과 볼스크류(40) 및 드로우바(30)를 동시에 회전시켜 피가공물을 가공하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기구동 척킹시스템의 작동방법.