KR20150073465A - 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치에 관한 것으로서, 굴삭기의 상부 선회체 선단에 회동 가능하게 마련되는 붐, 아암 및 버켓을 포함하여 구성되는 프론트 작업기 및 상기 프론트 작업기를 구동시키는 복수개의 액추에이터를 포함하고, 상기 액추에이터 중 적어도 하나는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 볼 스크류 및 볼 너트를 포함하는 서보 구동기구인 것을 특징으로 한다.

Description

굴삭기의 프론트 작업 구동 장치{FRONT WORKING DRIVE APPARATUS FOR EXCAVATOR}

본 발명은 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 프론트 작업기의 액추에이터가 전기적으로 구동할 수 있는 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치에 관한 것이다.

일반적인 굴삭기는 엔진 등의 내연 기관을 작동하여 유압 펌프를 구동시키고, 이로부터 발생한 유체의 압력을 컨트롤 밸브를 통해 각 작업 장치의 유압 모터나 유압 실린더에 공급하여 구동되는 구조이다.

이와 같이 연료를 태워 동력을 발생하고 이를 유압으로 전환한 뒤 다시 기계적인 움직임으로 에너지를 전환하는 과정은 많은 에너지 손실이 발생하게 된다. 따라서 유가의 상승과 온실가스의 배출 문제로 에너지 효율을 높이는 연구가 현재 다양하게 진행되고 있다.

한편, 연비 등의 효율을 높이기 위해 내연 기관을 구동하는 대신 전기로 작동하거나, 내연 기관과 전기 구동을 병행하는 굴삭기가 개발되고 있다. 최종적인 목적은 장비의 유압 시스템을 모두 전기 시스템으로 대체하는 것이지만, 현재까지는 선회나 주행에 사용되는 유압 모터를 전기 모터로 변경하는 것에 그치고 있다.

굴삭기의 작업 장치를 구동하는 유압 실린더는 유압으로 큰 힘을 낼 수 있으며 길이 방향으로 큰 스트로크를 낼 수 있다는 장점이 있지만, 유압을 제어하기 위해 큰 제어 밸브가 필요하고 정밀한 제어가 어렵다는 문제점이 있다.

그리고, 굴삭기의 작업 시 작업물이나 주변 환경에 의해 유압 실린더가 손상되는 경우가 많은데, 이로 인해 누유가 발생하고 작업이 중단되고 환경 오염을 발생시키기도 한다.

또한, 유압을 생성하고 제어하기 위한 크고 무거운 유압 장치와 내연 기관으로 인해 장비 고장이 발생할 가능성이 높으며 장비를 구동하는 과정에서 많은 에너지 손실이 발생한다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제2012-0086244호(2012. 8. 2.)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유압 장치와 경우에 따라 내연 기관을 제거하기 위하여 유압 시스템으로 구성되는 작업 장치의 액추에이터를 전기적으로 구동할 수 있는 액추에이터로 대체하는 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치는, 굴삭기의 상부 선회체 선단에 회동 가능하게 마련되는 붐, 아암 및 버켓을 포함하여 구성되는 프론트 작업기; 및 상기 프론트 작업기를 구동시키는 복수개의 액추에이터; 를 포함하고, 상기 액추에이터 중 적어도 하나는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 볼 스크류 및 볼 너트를 포함하는 서보 구동기구인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서보 구동기구는, 상기 프론트 작업기에 장착되는 하우징과, 상기 하우징의 일단부에 마련되는 모터와, 상기 모터의 회전 속도를 감속하도록 상기 모터의 일측에 마련되는 감속기와, 상기 하우징과 상기 볼 스크류 사이에 마련되어 상기 볼 너트에 고정되는 램과, 상기 프론트 작업기에 작용하는 부하를 감지하도록 상기 램의 양단부 중 적어도 하나에 마련되는 로드셀을 포함하고, 상기 볼 스크류는 상기 감속기에 연결되어 상기 하우징의 내측에서 길이 방향을 따라 마련되어 상기 모터의 회전에 연동하여 회전하도록 구성되고, 상기 볼 너트는 상기 볼 스크류의 회전 운동을 직선 운동으로 전환시키도록 상기 볼 스크류에 나사 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모터는 서보 모터이고, 상기 서보 프레스구동기구는, 상기 볼 스크류의 회전 속도를 측정하는 엔코더(encorder)를 더 포함한다.

그리고, 상기 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치는, 상기 프론트 작업기를 조작하는 조작부; 및 상기 조작부에서 발생하는 조작 신호를 인가받아 상기 프론트 작업기를 제어하고, 상기 로드셀 또는 상기 엔코더로부터 상기 프론트 작업기의 작동 상태를 피드백 받아 상기 서보 모터를 제어하는 서보 제어부; 를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 유압 실린더 대신 서보 모터를 사용한 액츄에이터를 굴삭기에 적용함으로써 유압 실린더를 위해 필요한 유압 시스템을 대체할 수 있도록 한다.

따라서, 유압 장치와 경우에 따라 내연 기관을 제거함으로써 장비의 효율을 높이고 고장 발생을 낮출 수 있는 장점이 있으며, 또한 외부 충격에 의해 실린더 장치가 손상을 입게 되어도 누유 없이 해당 부품만 쉽게 교체가 가능하여 작업 중단 시간 및 교체 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.

복잡하고 무거운 유압 제어 밸브를 사용하지 않으면서도 더욱 정밀한 작업이 가능하며 장비를 구동하는 과정에서 발생하는 에너지 손실을 현저히 감소시키는 장점이 있다. 그리고 궁극적으로 전기로만 구동될 수 있는 굴삭기의 개발이 가능하도록 함으로써 작업의 에너지 효율을 높이고 온실 가스 배출을 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기를 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치의 서보 구동기구를 나타낸 측단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다. 그리고 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 실시할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기를 나타낸 측면도이다. 도 1을 참조하여 본 발명인 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치가 적용되는 굴삭기의 전체적인 구조에 대하여 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 상기 굴삭기는 붐(102), 아암(104) 및 버켓(106) 등으로 구성되는 프론트 작업기(100), 상부 선회체(110) 및 하부 주행체(120)를 포함하여 구성된다.

상기 프론트 작업기(100)는 굴삭 등의 작업을 하도록 상기 상부 선회체(110)의 선단부에 회동 가능하게 결합되고, 액추에이터(200)의 직선 왕복 운동에 의하여 회동축을 중심으로 회동한다.

상기 상부 선회체(110)는 엔진 등의 부품이 장착되는 공간과 작업자가 탑승할 수 있는 공간 등을 제공하고, 상기 하부 주행체(120)의 상부에서 회전 가능하게 마련된다. 즉, 상기 상부 선회체(110)의 하부에는 선회 모터(112)가 마련되어 상기 하부 주행체(120)에 대하여 회전한다.

상기 하부 주행체(120)는 주행을 위한 것으로서, 도 1은 크롤러 타입을 나타내고 있으며, 통상적으로 한 쌍의 주행 모터(122)에 의하여 좌우 크롤러가 구동하여 상기 굴삭기를 주행시킨다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치를 나타낸 구성도이며, 도 2 및 도 3을 참조하여 상기 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치의 구조 및 작동 과정에 대하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 상기 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치는 굴삭기에 마련되는 프론트 작업기의 액추에이터를 전기적으로 구동할 수 있게 하는 것으로서, 상기 프론트 작업기(100), 액추에이터(200), 조작부(300), 서보 제어부(400) 및 전원부(500) 등을 포함하여 구성된다.

상기 프론트 작업기(100)는 상술한 바와 같이 굴삭기의 상부 선회체(110)의 선단에 회동 가능하게 마련되는 붐(102), 아암(104) 및 버켓(106)을 포함하여 구성되고,

상기 액추에이터(200)는 상기 프론트 작업기(100)를 구동시키도록 복수개 마련되며, 각각 붐(102), 아암(104) 및 버켓(106)에 연결된다. 여기서, 상기 붐(102)을 구동시키기 위한 액추에이터(200)는 그 양측에 한 쌍이 마련된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 액추에이터(200)는 서보 구동기구로 구성되는 것을 특징으로 하는바, 이에 의하여 유압을 사용하지 않고 전기적으로 상기 프론트 작업기(100)를 구동시킬 수 있다. 상기 서보 구동기구로 구성되는 액추에이터(200)에 대해서는 후술하도록 한다.

상기 조작부(300)는 조이스틱 등으로 마련되어 작업자의 조작에 따라 상기 프론트 작업기(100)를 조작하며, 상기 서보 제어부(400)는 상기 조작부(300)에서 발생하는 조작 신호를 인가받아 상기 프론트 작업기(100)를 제어한다.

한편, 상기 서보 제어부(400)는 상기 액추에이터(200)로부터 프론트 작업기(100)에 작용하는 부하, 프론트 작업기(100)의 구동 범위 등에 관한 정보를 피드백 받으며, 이에 따라 상기 액추에이터(200)를 다시 제어하므로 정밀한 제어가 가능하다.

상기 전원부(500)는 상기 액추에이터(200)에 접속되어 전원을 인가하고, 본 발명의 일 실시예에 따르면 전원부는 외부에서 직접 연결되거나, 별도의 배터리로 마련되거나, 엔진의 구동에 의하여 전력을 생산하는 발전기로 마련될 수 있으며, 상기 액추에이터(200)를 작동시키기 위한 전기적인 힘을 전달하는 구성이면 어느 것이든 가능하며 상기 전원부(500)의 형태에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

이러한 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치의 작동 과정을 살펴보면, 먼저 작업자가 운전석에서 조이스틱 등의 조작부(300)를 조작하면 상기 조작부에서 발생하는 조작 신호가 상기 서보 제어부(400)로 전달되고, 상기 서보 제어부(400)는 상기 조작 신호에 대응되도록 액추에이터(200)를 구동하여 프론트 작업기(100)를 작동시킨다.

이때, 상기 서보 제어부(400)는 상기 액추에이터(200)로부터 프론트 작업기(100)에 작용하는 부하, 프론트 작업기(100)의 구동 범위 등에 관한 정보를 피드백 받으며, 이에 따라 상기 액추에이터(200)를 다시 제어한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치의 서보 구동기구를 나타낸 측단면도이다. 도 3을 참조하여 서보 구동기구로 마련되는 액추에이터(200)의 구체적인 구성 및 작동 과정에 대하여 상세히 설명한다.

상기 액추에이터(200)를 구성하는 서보 구동기구는 전기적인 액추에이터로서, 하우징(210), 서보 모터(220), 감속기(230), 볼 스크류(240), 볼 너트(250), 램(260), 로드셀(270) 및 엔코더(280) 등을 포함하여 구성된다.

상기 하우징(210)은 상기 붐(102), 아암(104) 및 버켓(106) 등의 프론트 작업기(100)에 장착되며, 상기 서보 모터(220)는 상기 하우징(210)의 일단부에 마련되어 상기 전원부(500)로부터 전원을 공급받는다.

상기 감속기(230)는 상기 서보 모터(220)의 회전 속도를 감속하도록 상기 서보 모터(220)의 일측에 마련되고, 상기 볼 스크류(240)는 상기 감속기(230)에 연결되어 상기 하우징(210)의 내측에서 길이 방향을 따라 마련된다.

상기 볼 너트(250)는 상기 볼 스크류(240)의 회전 운동을 직선 운동으로 전환시키도록 상기 볼 스크류(240)에 나사 결합된다. 즉, 상기 볼 스크류(240)가 상기 서보 모터(220)의 회전에 연동하여 회전하게 되면, 상기 볼 스크류(240)의 외주면에 결합된 볼 너트(250)는 상기 볼 스크류(240)를 따라 직선 운동하게 된다.

상기 램(260)은 상기 하우징(210)과 상기 볼 스크류(240) 사이에 마련되어 상기 볼 너트(250)에 고정되며, 상기 볼 너트(250)의 직선 운동에 따라 상기 하우징(210)의 타단 측 외부로 왕복 운동한다. 즉, 상기 램(260)이 상기 프론트 작업기(100)에 연결되어 상기 램(260)의 직선 왕복 운동에 따라 상기 프론트 작업기(100)가 작동한다.

상기 로드셀(270)은 상기 프론트 작업기(100)에 작용하는 부하를 감지하도록 상기 램(260)의 양단부 중 적어도 하나에 마련되며, 상기 프론트 작업기(100)에 과도한 부하가 작용하면 상기 서보 제어부(400)는 이를 감지하여 상기 프론트 작업기(100)의 작동 여부를 제어할 수 있다.

상기 엔코더(280)는 상기 볼 스크류(240)의 회전 속도를 측정하여 이를 상기 서보 제어부(400)로 전달하며, 이에 의하여 상기 서보 제어부(400)는 램(260)의 현재 위치 또는 이동 거리 등을 판단하고, 설정된 범위 내에서 상기 조작부(300)의 조작 신호에 따라 작동시킬 수 있다.

즉, 상기 서보 제어부(400)는 상기 로드셀(270) 및 상기 엔코더(280)로부터 상기 프론트 작업기(100)의 현재 정보에 대하여 피드백 받고, 이를 고려하여 상기 액추에이터(200)를 제어함으로써 정밀한 제어가 가능하게 된다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100: 프론트 작업기 200: 액추에이터
210: 하우징 220: 모터
230: 감속기 240: 볼 스크류
250: 볼 너트 260: 램
270: 로드셀 280: 엔코더
300: 조작부 400: 서보 제어부
500: 전원부

Claims (4)

1. 굴삭기의 상부 선회체 선단에 회동 가능하게 마련되는 붐, 아암 및 버켓을 포함하여 구성되는 프론트 작업기; 및
   상기 프론트 작업기를 구동시키는 복수개의 액추에이터; 를 포함하고,
   상기 액추에이터 중 적어도 하나는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 볼 스크류 및 볼 너트를 포함하는 서보 구동기구인 것을 특징으로 하는 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 서보 구동기구는,
   상기 프론트 작업기에 장착되는 하우징과,
   상기 하우징의 일단부에 마련되는 모터와,
   상기 모터의 회전 속도를 감속하도록 상기 모터의 일측에 마련되는 감속기와,
   상기 하우징과 상기 볼 스크류 사이에 마련되어 상기 볼 너트에 고정되는 램과,
   상기 프론트 작업기에 작용하는 부하를 감지하도록 상기 램의 양단부 중 적어도 하나에 마련되는 로드셀을 포함하고,
   상기 볼 스크류는 상기 감속기에 연결되어 상기 하우징의 내측에서 길이 방향을 따라 마련되어 상기 모터의 회전에 연동하여 회전하도록 구성되고, 상기 볼 너트는 상기 볼 스크류의 회전 운동을 직선 운동으로 전환시키도록 상기 볼 스크류에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 모터는 서보 모터이고,
   상기 서보 프레스구동기구는, 상기 볼 스크류의 회전 속도를 측정하는 엔코더(encorder)를 더 포함하는 전기 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 프론트 작업기를 조작하는 조작부; 및
   상기 조작부에서 발생하는 조작 신호를 인가받아 상기 프론트 작업기를 제어하고, 상기 로드셀 또는 상기 엔코더로부터 상기 프론트 작업기의 작동 상태를 피드백 받아 상기 서보 모터를 제어하는 서보 제어부; 를 더 포함하는 굴삭기의 프론트 작업 구동 장치.

Images