[논문]특허분석을 통한 공작기계 주축기술현황과 발전방향

박동근; 최준영; 최치혁; 이춘만

doi:10.7736/kspe.2012.29.5.500

특허분석을 통한 공작기계 주축기술현황과 발전방향
The Technical Trend and Future Development Direction of Machine Tools Spindle System by Patent Analysis 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.5, 2012년, pp.500 - 505

박동근 (창원대학교 R&D 클러스터사업단) , 최준영 (창원대학교 기계설계공학과) , 최치혁 (창원대학교 R&D 클러스터사업단) , 이춘만 (창원대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, a high speed spindle is an essential part of machine tools to satisfy latest demand of high precision product and machining of hard materials. But, there are many disadvantages such as heat generation of built-in-motor, bearing friction, noise, vibration and displacement because of the high speed. Many researches on spindle systems have been conducted for solving these problems. In this study, technical trend of machine tools spindle systems are analyzed with patent PSM, mapping and grouping. The analysis is carried out for the applied patent during January 2000 and December 2009 in Korea, Japan, EU and U.S.A. And development of the direction, strategy and promising technologies of the spindle system are suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 공작기계 개발에 종사하는 전문업체에 정보를 제공하고 공작기계 분야의 R&D 전략방향을 설정하는데 도움을 주고자 한다.
본 연구에서는 유럽, 중국, 일본, 한국내의 공작기계의 핵심부품인 주축 관련 특허 및 연구논문을 검색 분석하여 공작기계 주축의 기술 수준을 파악하고자 한다. 그리고 공작기계 개발에 종사하는 전문업체에 정보를 제공하고 공작기계 분야의 R&D 전략방향을 설정하는데 도움을 주고자 한다.

제안 방법

공작기계 관련 국내외 특허 총 2,000 건을 출력하여 주축 분야만 국내외를 구분하여 집계하였다. Fig.
유망 기술을 선정할 때 특허와 논문 데이터 분석을 사용하였는데, 우선 특허 및 논문을 대상으로 PSM(Problem solution map)을 작성하여 최신 트렌드(Trend) 및 연구방향을 그루핑(Grouping)하였다. 그 후 기술 분류와 맵핑(Mapping)을 이용하고 핵심 기술내용을 발취하는 방법으로 진행하였다. 우선 주축 관련분야에 대한 특허검색을 위해 IPC(International patent classification) 국제 특허분류검색 식(1)을 아래와 같이 정의하였다.
PSM 이란, 제품의 문제점을 해결하기 위한 수단을 살펴볼 수 있는 분석도구로서, 문제점과 해결수단의 그루핑을 통하여 세부기술의 연구방향 및 핵심내용을 추적할 수 있다. 본 연구 활용된 PSM 은 특허와 논문을 공동으로 적용하여 수행하였다.
식 (1)을 이용하여 주축과 관련된 자료를 출력하고, 주축에 관한 특허 및 논문 분석 평가는 공작기계 전체와 연관하여 3P(Product market patent, paper)분석에 의해 최종 선정하였다. 선정된 결과를 다시 PSM 으로 작성하고 특허 및 기술논문 데이터는 최종 분류와 맵핑을 이용하여 최종 결론을 도출하였다.
여기에는 한국 320 건, 미국 480 건, 일본 1,000 건, 유럽 300 건이 포함되어 있다. 유망 기술을 선정할 때 특허와 논문 데이터 분석을 사용하였는데, 우선 특허 및 논문을 대상으로 PSM(Problem solution map)을 작성하여 최신 트렌드(Trend) 및 연구방향을 그루핑(Grouping)하였다. 그 후 기술 분류와 맵핑(Mapping)을 이용하고 핵심 기술내용을 발취하는 방법으로 진행하였다.
특허조사에 이어 공작기계 주축 관련 국내ㆍ외 논문을 검색하여 주요 연구내용을 발췌하였다. 향후 국가 산업이 IT, NT 및 BT 등 신산업 중심으로 성장할 것임을 생각할 때, 고속, 고정밀 스핀들 시스템의 개발은 기술적, 경제적 및 전략적으로 매우 중요하다.

대상 데이터

70 년대 초 모터동력을 주축으로 전달하기 위해 커플링(coupling), 벨트(belt), 기어(gear) 등을 사용하였다. 그러나 2,000 년대 들어와서 12,000rpm에서 45,000rpm 까지 주축이 고속화됨에 따라 주축과 모터 사이의 조정 불량(misalignment)에 의한 진동과 소음이 증가 하였다.
본 연구를 위한 특허조사는 최신 기술 파악을 위하여 2,000 년도 이후로 검색 구간을 한정하였으며 약 2,000 건의 특허를 선별 분석하였다. 여기에는 한국 320 건, 미국 480 건, 일본 1,000 건, 유럽 300 건이 포함되어 있다.

이론/모형

식 (1)을 이용하여 주축과 관련된 자료를 출력하고, 주축에 관한 특허 및 논문 분석 평가는 공작기계 전체와 연관하여 3P(Product market patent, paper)분석에 의해 최종 선정하였다. 선정된 결과를 다시 PSM 으로 작성하고 특허 및 기술논문 데이터는 최종 분류와 맵핑을 이용하여 최종 결론을 도출하였다.
그 후 기술 분류와 맵핑(Mapping)을 이용하고 핵심 기술내용을 발취하는 방법으로 진행하였다. 우선 주축 관련분야에 대한 특허검색을 위해 IPC(International patent classification) 국제 특허분류검색 식(1)을 아래와 같이 정의하였다.

성능/효과

한국은 내국인의 출원 비율이 높은 것으로 나타나 기술의존도가 낮은 것으로 분석되었다. 미국은 외국인의 출원 비율이 높아 기술 의존도가 높고, 일본은 내국인의 출원비율이 높아 기술의존도가 낮으며, 유럽은 내국인 및 외국인의 출원비율이 비슷하여 한쪽에 의존하고 있지 않은 것으로 분석되었다.
미국의 특허는 일본 국적의 출원인이 113 건, 독일 국적의 출원인이 66 건, 미국 국적의 출원인이 61 건을 출원하여 다른 국가에 비해 분포도가 높은 것으로 나타났다. 일본의 특허는 자국인의 분포도가 가장 높은 것으로 나타났으며, 유렵의 특허는 일본 국적의 출원인이 63 건, 독일 국적의 출원인이 37 건, 이탈리아 국적의 출원인이 18 건을 출원하여 다른 국가에 비해 분포도가 높은 것으로 나타났다.

후속연구

고부가가치 공작기계의 경쟁력을 키우기 위해서는 40,000rpm 이상을 넘어 60,000 ~ 80,000rpm 대의 스핀들에 대한 연구개발이 필요로 한다. 하지만 현재 국내 주축 기술은 45,000rpm 수준의 고속 주축이 개발되어 있으며, 앞으로 50,000rpm 까지 연구가 진행된다. 40,000rpm 주축계에서 정밀도를 더욱 높이거나 주축의 상태 감시 장치 개발과 신뢰성 평가 시험 강화가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고효율의 초정밀 가공을 위해서는 무엇이 필요합니까?	고효율의 초정밀 가공을 위해서는 높은 소재 제거율과 생산성 향상, 가공정밀도 향상, 제품 품위의 향상 등의 효과가 필요할 뿐만 아니라 정강성과 동강성을 충분히 확보하여야 한다. 고속 절삭에 있어 가공기의 수명 단축 및 생산 제품의 불량을 초래하는 가공기의 진동을 제어하기 위한 기술개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
	기술의존도란 무엇입니까?	기술의존도란 내국인과 외국인의 특허출원건수를 비교하여 기술 분야별로 내국인의 기술보호가 어느 정도 이루어지고 있는지를 살펴보는 지표자료이다. Fig.
	모터내장형 구동방법의 장점은 무엇입니까?	3 따라서 12,000rpm 이상 고속 주축에서는 모터내장형 구동방법이 주목 받게 되었다. 모터 내장형(built-in-motor) 주축계는 구조가 간단하고, 주축계가 운동하는 구조에 적합하기 때문에 공작기계의 가공 유연성을 대폭적으로 향상시킬 수 있다. 하지만 주축의 고속화에서는 내장된 모터의 발열, 베어링의 마찰 발열, 소음, 진동, 변위 발생 등 여러 단점으로 인하여 공작기계 메이커나 학회에서도 이 문제를 해결하고 개선하기 위한 방법들을 연구하고 있다.

참고문헌 (10)

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Hwang, Y. K. and Lee, C. M., "Development of a newly structured variable preload control device for a spindle rolling bearing by using an electromagnet," International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 50, No. 3, pp. 253-259, 2010.

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Hwang, Y. K. and Lee, C. M., "Development of automatic variable preload device for spindle bearing by using centrifugal force," International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 49, No. 10, pp. 781-787, 2009.

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Research Report of WOOIN, "R&D strategy report of Machine Tools field," Changwon Chamber of Commerce and Industry, pp. 18-121, 2011.

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