JP5176456B2 - Ultrasonic horn design support device, ultrasonic horn design support method and program for the device - Google Patents

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本発明は、超音波かしめ機や超音波加工機等に使用する超音波ホーンの設計から製造を行う際に利用する超音波ホーン設計支援装置と該装置の超音波ホーン設計支援方法及びプログラムに関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic horn design support device used when designing and manufacturing an ultrasonic horn used in an ultrasonic caulking machine, an ultrasonic processing machine, etc., an ultrasonic horn design support method, and a program therefor It is.

(1) :従来例1
以下、特許文献1を従来例1として説明する。従来例1には次のような内容が記載されている。
(1): Conventional example 1
Hereinafter, Patent Document 1 will be described as Conventional Example 1. Conventional Example 1 describes the following contents.

(a) :「横揺れや異音の発生を防止するとともに、超音波ホーンの先端部の破損を防止できる超音波ホーンを提供すること。」・・・要約の欄を参照。   (a): “To provide an ultrasonic horn capable of preventing the occurrence of rolling and abnormal noise and preventing damage to the tip of the ultrasonic horn.” See the summary section.

(b) :「本発明は、超音波圧搾機、超音波かしめ機、超音波半田付機、超音波切断機、超音波溶接機などの超音波加工機や、超音波洗浄機、超音波攪拌機などに用いられる超音波ホーンに関するものである。」・・・段落番号[0001]参照
(c) :「実際には、単純ステップ形ホーンのN部にはRがついていたり、工具部は複雑形状とされている場合が多く、単純に前記共振条件式(1)にて設計した値では振動が得られないことがある。その場合、試行錯誤によりLを調整したり、近年では有限要素法の固有値解析によって設計する場合が多くなってきている。」・・・段落番号[0009]参照
(2) :従来例2
以下、特許文献2を従来例2として説明する。従来例2には次のような内容が記載されている。
(b): “The present invention is an ultrasonic processing machine such as an ultrasonic squeezing machine, an ultrasonic caulking machine, an ultrasonic soldering machine, an ultrasonic cutting machine, an ultrasonic welding machine, an ultrasonic cleaning machine, and an ultrasonic stirring machine. It is related to an ultrasonic horn used for the etc. "... Refer to paragraph [0001].
(c): "In practice, the N part of the simple step type horn is often attached with R or the tool part has a complicated shape, and is simply a value designed by the resonance conditional expression (1). In some cases, L may be adjusted by trial and error, or designed by eigenvalue analysis of the finite element method in recent years. ”Paragraph number [0009] reference
(2): Conventional example 2
Hereinafter, Patent Document 2 will be described as Conventional Example 2. Conventional Example 2 describes the following contents.

(a) :「本考案は、プラスチック溶着等に用いられる超音波振動用大型円柱ホーンに係り、特に直径が使用振動周波数の1/4波長を超えても、スロットを設ける必要がない大型円柱ホーンに関する。」・・・明細書第1頁下段右欄第10行目〜第1頁下段右欄第13行目参照
(b) :「直径が使用振動周波数の1/4波長を超える値に設定された大型の円柱ホーンにおいて、入力面に、軸心位置を中心として放射面側に切れ込む少なくとも1本のリング状の溝を設けるようにしているので、スロットを設けることなく、放射面の変位を均一にすることができる。」・・・明細書第3頁右欄第33行目〜第3頁右欄第38行目参照
(3) :従来例3
以下、特許文献3を従来例3として説明する。従来例3には次のような内容が記載されている。
(a): “The present invention relates to a large cylindrical horn for ultrasonic vibration used for plastic welding or the like, and in particular, there is no need to provide a slot even if the diameter exceeds a quarter wavelength of the operating vibration frequency. Refer to the specification, page 1, lower column, right column, line 10 to page 1, lower column, right column, line 13
(b): “In a large cylindrical horn whose diameter is set to a value exceeding a quarter wavelength of the operating vibration frequency, at least one ring-shaped slit is formed on the input surface and cuts toward the radiation surface about the axial center position. Since the groove is provided, it is possible to make the displacement of the radiation surface uniform without providing a slot. ”... Specification, page 3, right column, line 33 to page 3, right column, number 38 Line reference
(3): Conventional example 3
Hereinafter, Patent Document 3 will be described as Conventional Example 3. Conventional Example 3 describes the following contents.

(a) :「周波数100KHZ 以上の高周波で振動し、振幅拡大ができる超音波ホーンを具備した高周波用超音波振動子を提供する。」・・・要約の欄を参照。 (a): ". vibrate at a frequency 100KH Z or high frequency, to provide a high frequency ultrasonic transducer provided with the ultrasonic horn that may amplitude expansion" ... refer to the column summary.

(b) :「円錐殻状ホーンの小端面側にツールを固定し、その大端面側当接面をツールを含めた円錐殻状ホーンの伸びたわみ振動と同一周波数・同相モードとなるように振動要素を設置したリング状突起により駆動することを特徴としている。」・・・要約の欄を参照。
特開平11−226499号公報 実用新案登録第2508236号公報 特開平6−269077号公報
(b): “A tool is fixed to the small end face side of the conical shell horn, and the large end face contact surface vibrates to have the same frequency and common mode as the extended flexural vibration of the conical shell horn including the tool. It is characterized by being driven by a ring-shaped protrusion on which the element is installed. "... See the summary section.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-226499 Utility Model Registration No. 2508236 JP-A-6-269077

(1) :従来の超音波ホーンの設計は、例えば、従来例1にあるように、実験やこれまでの経験によって得られた寸法関係、および共振条件の式などを用いて設計していた。ここ最近は解析技術の精度向上したこともあり、有限要素法により固有値を求めて、モード図からホーンの節と腹の位置を求め、加振位置やホーンを保持する位置を求めていた。   (1): The design of the conventional ultrasonic horn has been designed using, for example, the relationship between dimensions obtained by experiments and experience, and the equation for resonance conditions as in Conventional Example 1. Recently, the accuracy of the analysis technique has been improved, and eigenvalues were obtained by the finite element method, the positions of the nodes and antinodes of the horn were obtained from the mode diagram, and the excitation position and the position where the horn was held were obtained.

前記の方法により設計されたホーンは、試行錯誤を繰り返しながらも通常使用に耐えられるように調整されてきた。しかし、精密で微細な加工を実現するためには、より詳細にホーンの特徴を把握し最適な形状および加振条件および加工条件まで検討する必要がある。超音波ホーン単体で評価されることはあっても加工条件(例えば、塑性加工の条件)も含めて検討はできなかった。   The horn designed by the above method has been adjusted to withstand normal use while repeating trial and error. However, in order to realize precise and fine machining, it is necessary to grasp the characteristics of the horn in more detail and to study the optimum shape, vibration conditions and machining conditions. Although the ultrasonic horn alone was evaluated, it was not possible to examine it including processing conditions (for example, plastic processing conditions).

(2) :従来からの設計手法により開発された超音波ホーンは大まかな形状(固有値解析から得られた形状)のみで、詳細な形状、例えば、コーナーRの大きさや、段差やテーパー、および断面形状など細かな形状は試行錯誤を繰り返し決めていた。   (2): The ultrasonic horn developed by the conventional design method has only a rough shape (the shape obtained from the eigenvalue analysis), and the detailed shape, for example, the size of the corner R, the step, the taper, and the cross section Fine shapes such as shapes were repeatedly determined by trial and error.

(3) :超音波ホーンに超音波振動を印加して、加工を行なっているとき超音波ホーンの先端がどのように変化しているか、殆ど検討されて出来なかった。何の抵抗もない場合は、例えば40KHZ で共振している超音波ホーンは、当然のように先端もきれいなSin波形(40KHZ )で振動している。そこに負荷がかかるとホーン先端のSin波は崩れ、先端は大きく振られてしまう。 (3): It was hardly possible to examine how the tip of the ultrasonic horn changed during processing by applying ultrasonic vibration to the ultrasonic horn. If there is no resistance, the ultrasonic horn resonating in example 40KH Z, vibrating in course as the tip also clean Sin waveform (40KH Z). When a load is applied, the sine wave at the tip of the horn collapses and the tip is shaken greatly.

(4) :前記従来例2は、プラスチック溶着等に用いられる超音波振動用大型ホーンに係り、特に直径が使用振動周波数の1/4波長を超えても、スロットを設ける必要がない大型円柱ホーンに関するものである。   (4): Conventional Example 2 relates to a large horn for ultrasonic vibration used for plastic welding or the like, and in particular, a large cylindrical horn that does not need to be provided with a slot even if the diameter exceeds a quarter wavelength of the used vibration frequency. It is about.

しかし、従来例2には、本発明の超音波ホーン設計支援装置の必須構成要件を備えておらず、本発明の参考程度の内容である。   However, Conventional Example 2 is not provided with the essential constituent requirements of the ultrasonic horn design support device of the present invention, and it is the content of the reference level of the present invention.

(5) :従来例3は、円錐殻状ホーンの小端面側にツールを固定し、その大端面側当接面をツールを含めた円錐殻状ホーンの伸びたわみ振動と同一周波数・同相モードとなるように振動要素を設置したリング状突起により駆動することを特徴としている。   (5): Conventional example 3 has a tool fixed to the small end face side of the conical shell horn, and its large end face side contact surface has the same frequency and common mode as the extended flexural vibration of the conical shell horn including the tool. It is characterized by being driven by a ring-shaped projection provided with a vibration element.

しかし、従来例3には、本発明の超音波ホーン設計支援装置の必須構成要件を備えておらず、本発明の参考程度の内容である。   However, Conventional Example 3 does not include the essential constituent requirements of the ultrasonic horn design support device of the present invention, and is just a reference content of the present invention.

本発明は従来の課題を解決するためになされたものであり、超音波ホーン先端の振れを最小限に押さえるためのホーン形状や、負荷条件及び印加条件(加振周波数、振幅)を決定すると共に、超音波ホーンの振動特性を把握し、より最適な形状を簡単に求められるようにすることを目的としている。   The present invention has been made to solve the conventional problems, and determines the shape of the horn for minimizing the vibration of the tip of the ultrasonic horn, the load condition and the application condition (excitation frequency, amplitude). The purpose is to grasp the vibration characteristics of an ultrasonic horn and to easily obtain a more optimal shape.

本発明は前記の目的を達成するため、次のように構成した。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

(1) :表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段(プログラムで構成する)と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置であって、前記設計データ処理手段は、外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第1の手段と、前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第2の手段と、前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第3の手段と、前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第4の手段と、前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第5の手段とを備え、前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う。 (1): Display device, display data processing means for processing display data, data input means, design data processing means (configured by a program) for processing design data of an ultrasonic horn, and design in advance An ultrasonic horn design support apparatus for supporting design of an ultrasonic horn while displaying data of a design process on a screen, the data storage means for registering necessary data, the design data processing means, First means for taking in an excitation frequency inputted from the outside, reading registration data from the data storage means according to the excitation frequency, and determining the total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn based on an instruction from the outside; Based on the determined total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn, a model of the ultrasonic horn by the finite element method is created, and eigenvalue analysis of the model is performed. And, as a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, third means for determining whether or not there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency, and in the determination, an eigenvalue of longitudinal vibration is in the vicinity of the excitation frequency. Otherwise, repeat the shape correction and eigenvalue analysis of the ultrasonic horn, and if it is determined that there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency, use the result of eigenvalue analysis to determine the node of the ultrasonic horn longitudinal vibration. A fourth means for obtaining, and a fifth means for performing an impact analysis by obtaining an output waveform by applying an input wave of an ultrasonic wave to be actually used centering on the obtained node. The design support of the ultrasonic horn is performed while displaying information on the screen of the display device .

(2) :前記(1) において、前記設計データ処理手段は、前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第6の手段と、前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第7の手段と、条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第8の手段と、前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第9の手段とを備えている。   (2): In the above (1), the design data processing means includes a sixth means for adding a model obtained by a finite element method of a workpiece during the impact analysis, and a machining simulation for the model. And an eighth means for giving a feed rate to the ultrasonic horn or the workpiece model in accordance with conditions, and a result of giving the feed rate to the workpiece model, And an ninth means for repeatedly performing the process from the beginning when an instruction is given that there is a problem with the ultrasonic horn or processing.

(作用)
図1は本発明の原理説明図である。以下、図1を参照しながら前記構成に基づく本発明の作用を説明する。
(Function)
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention. The operation of the present invention based on the above configuration will be described below with reference to FIG.

(a) :前記(1) の作用
設計データ処理手段(設計データ処理部6を構成するプログラム)は、主制御部5の制御により、第1の手段(プログラム)が、外部(データ入力部2)から入力された加振周波数を取り込み、入力データ記憶部11に記憶する。そして、該加振周波数に従って、データ記憶手段(データ記憶部7の登録データ記憶部10)から登録データを読み出し、外部(データ入力部2)からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める。
(a): Action of (1) The design data processing means (program constituting the design data processing section 6) is controlled by the main control section 5 and the first means (program) is externally (data input section 2). ) Is input and stored in the input data storage unit 11. Then, in accordance with the excitation frequency, the registration data is read from the data storage means (the registration data storage unit 10 of the data storage unit 7), and based on the instruction from the outside (data input unit 2), the total length of the ultrasonic horn and the ultrasonic horn Determine the shape.

次に、第2の手段(プログラム)は、前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う。そして、第3の手段(プログラム)は、超音波ホーン固有値解析の結果、加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する。   Next, the second means (program) creates a model of the ultrasonic horn by the finite element method based on the determined total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn, and performs eigenvalue analysis of the model. Then, the third means (program) determines whether or not there is a longitudinal vibration eigenvalue near the excitation frequency as a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis.

次に、第4の手段(プログラム)は、前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める。   Next, the fourth means (program) repeats the modification of the shape of the ultrasonic horn and the eigenvalue analysis if there is no eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency in the above determination, and longitudinal vibration near the excitation frequency. When it is determined that there is an eigenvalue, the node of the ultrasonic horn longitudinal vibration is obtained using the result of the eigenvalue analysis.

次に、第5の手段(プログラム)は、前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う。この場合、前記設計過程の情報を表示データ処理部8が処理を行い、表示装置3の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う。 Next, the fifth means (program) performs an impact analysis by obtaining an output waveform by applying an input wave of an ultrasonic wave to be actually used around the obtained node. In this case, the display data processing unit 8 processes the design process information and supports the design of the ultrasonic horn while displaying it on the screen of the display device 3 .

このようにすれば、超音波ホーン先端の振れを最小限に押さえるためのホーン形状や、負荷条件及び印加条件(加振周波数、振幅)を決定すると共に、超音波ホーンの振動特性を把握し、より最適な形状を簡単に求められる。   In this way, the shape of the horn for minimizing the vibration of the tip of the ultrasonic horn, the load condition and the application condition (excitation frequency, amplitude) are determined, and the vibration characteristics of the ultrasonic horn are grasped. A more optimal shape can be easily obtained.

(b) :前記(2) の作用
設計データ処理手段(設計データ処理部6のプログラム)は、主制御部5の制御により、第6の手段(プログラム)が、前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する。次に、第7の手段(プログラム)が、前記モデルに対して加工シミュレーションを行う。
(b): Action of (2) The design data processing means (program of the design data processing section 6) is controlled by the main control section 5 so that the sixth means (program) is to be processed during the impact analysis. Add a model obtained by the finite element method of an object. Next, seventh means (program) performs machining simulation on the model.

そして、第8の手段(プログラム)が、条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える。この場合、第8の手段(プログラム)が、被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う。   Then, the eighth means (program) gives the feed speed to the ultrasonic horn or the workpiece model in accordance with the conditions. In this case, if the eighth means (program) gives a feed speed to the workpiece model and an instruction is issued from the outside that there is a problem with the ultrasonic horn or machining, the process from the beginning is repeated. Do.

このようにすれば、超音波ホーン先端の振れを最小限に押さえるためのホーン形状や、負荷条件及び印加条件(加振周波数、振幅)を決定すると共に、超音波ホーンの振動特性を把握し、より最適な形状を簡単に求められる。   In this way, the shape of the horn for minimizing the vibration of the tip of the ultrasonic horn, the load condition and the application condition (excitation frequency, amplitude) are determined, and the vibration characteristics of the ultrasonic horn are grasped. A more optimal shape can be easily obtained.

本発明は請求項1乃至5では、次のような効果がある。   The present invention has the following effects in claims 1 to 5.

(a) :超音波ホーン先端の振れを最小限に押さえるためのホーン形状や、負荷条件及び印加条件(加振周波数、振幅)を決定すると共に、超音波ホーンの振動特性を把握し、より最適な形状を簡単に求められる。   (a): Determine the shape of the horn to minimize vibration at the tip of the ultrasonic horn, load conditions and application conditions (excitation frequency, amplitude), and grasp the vibration characteristics of the ultrasonic horn, making it more optimal A simple shape is required.

(b) :超音波ホーン設計に関して、従来は試行錯誤によって詳細な形状を決めてきたが、本発明の超音波ホーン設計支援装置を用いることで、超音波ホーンの振動特性把握し、より最適な形状を簡単に求められるだけでなく、超音波ホーン形状の他に被加工物の形状も含めて、超音波を用いた加工(塑性加工)を支援することができる。   (b): Regarding the design of the ultrasonic horn, the detailed shape has been determined by trial and error. However, by using the ultrasonic horn design support device according to the present invention, the vibration characteristics of the ultrasonic horn can be grasped and more optimal. Not only can the shape be easily determined, but also the processing using the ultrasonic wave (plastic processing) including the shape of the workpiece in addition to the ultrasonic horn shape can be supported.

(c) :超音波ホーンの基本設計に固有値解析は通常良く用いられる方法である。しかし、その超音波ホーンに超音波を印加して加工させた場合、どのような結果になるかは実際に加工してみなければ分からない。それを見極める手段として本発明の超音波ホーン設計支援装置が有効である。   (c): Eigenvalue analysis is usually used in the basic design of ultrasonic horns. However, if the ultrasonic horn is processed by applying ultrasonic waves to the ultrasonic horn, it will not be understood unless actual processing is performed. The ultrasonic horn design support apparatus of the present invention is effective as a means for determining this.

(d) :現在、世の中にある加工用の超音波ホーンは被加工物と比較して非常に強い構造と強度を有しているので、固有値解析で形状が決まれば問題なく使用できる。しかし、これらは超音波を利用した加工も微細なものが要求されるようになってきた。従って、超音波ホーン形状もこれまでのような強くて大きなものばかり扱ってはいられない。   (d): Since an ultrasonic horn for processing currently in use in the world has a very strong structure and strength compared to the workpiece, it can be used without problems if the shape is determined by eigenvalue analysis. However, fine processing is required for these processes using ultrasonic waves. Therefore, the ultrasonic horn shape cannot be handled only as strong and large as before.

細長いもの、形状が不均一のものなど、いろいろな超音波ホーンが考えられる。超音波振動する、しないは固有値解析で判断できても、実際に加工に適したものかどうかが重要である。そこを判断する手段として本発明の超音波ホーン設計支援装置を利用する価値がある。   Various types of ultrasonic horns such as elongated ones and non-uniform ones are conceivable. Whether it vibrates ultrasonically or not can be determined by eigenvalue analysis, but it is important whether it is actually suitable for processing. It is worth using the ultrasonic horn design support device of the present invention as a means for judging that.

(e) :超音波ホーンの強度を判断する場合、超音波なしで単純に押付けた場合の曲がり具合や、応力値でみることも可能である。その程度の判断で済む場合が多いことも事実である。しかし、超音波を印加した場合は、ハンマリング効果や摩擦低減効果が作用し、一般的な加工とは別の問題が発生する。   (e): When judging the strength of the ultrasonic horn, it is possible to see the degree of bending or the stress value when simply pressing without an ultrasonic wave. It is also true that such a judgment is often sufficient. However, when an ultrasonic wave is applied, a hammering effect and a friction reducing effect act, and problems different from general machining occur.

ハンマリング効果は飛躍的な加工力アップになる反面、超音波ホーンには非常に負担がかかる。摩擦低減効果は加工の抵抗を小さくできる反面、超音波ホーンがブレル原因になる。本発明の実施の形態にあるように、φ1.2ホーンの場合、超音波なしでは全体が撓ることはあっても先端が大きく振れることはない。この2つの効果をどのように作用するかを判断できるのが本発明の超音波ホーン設計支援装置である。   While the hammering effect dramatically increases processing power, the ultrasonic horn is extremely burdensome. Although the friction reduction effect can reduce the resistance of processing, the ultrasonic horn causes the brill. As in the embodiment of the present invention, in the case of a φ1.2 horn, even if the whole is bent without an ultrasonic wave, the tip does not shake greatly. It is the ultrasonic horn design support device of the present invention that can determine how these two effects work.

§1:概要説明
図1は本発明の原理説明図である。図1において、1は超音波ホーン設計支援装置本体、2はデータ入力部、3は表示装置、5は主制御部(例えば、CPU)、6は設計データ処理部(プログラム)、7はデータ記憶部、8は表示データ処理部、10は登録データ記憶部、11は入力データ記憶部、12は処理結果データ記憶部を示す。
§1: Outline Description FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention. In FIG. 1, 1 is an ultrasonic horn design support device main body, 2 is a data input unit, 3 is a display device, 5 is a main control unit (for example, CPU), 6 is a design data processing unit (program), and 7 is data storage. , 8 is a display data processing unit, 10 is a registered data storage unit, 11 is an input data storage unit, and 12 is a processing result data storage unit.

(1) :超音波ホーン設計支援装置は、超音波ホーン設計支援装置本体1と、表示装置3と、データ入力手段(データ入力部2)とを備えている。そして、超音波ホーン設計支援装置本体1には、主制御部(CPU等のプロセッサ)5と、表示データの処理を行う表示データ処理手段(表示データ処理部8)と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段(設計データ処理部6:プログラム)と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段(データ記憶部7)とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うものである。   (1): The ultrasonic horn design support device includes an ultrasonic horn design support device main body 1, a display device 3, and a data input means (data input unit 2). The ultrasonic horn design support device main body 1 includes a main control unit (processor such as a CPU) 5, display data processing means (display data processing unit 8) for processing display data, and design data for the ultrasonic horn. Design data processing means (design data processing section 6: program) for performing processing and data storage means (data storage section 7) for pre-registering data necessary for design are provided, and design process data is displayed on the screen. The design of the ultrasonic horn is supported while displaying.

この設計支援装置では、設計データ処理手段(設計データ処理部6:プログラム)は、外部から(データ入力部2から)入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、データ記憶手段から登録データを読み出し(登録データ記憶部10から読み出す)、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第1の手段と、前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第2の手段と、前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第3の手段と、前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第4の手段と、前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第5の手段とを備え、前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う。 In this design support apparatus, the design data processing means (design data processing unit 6: program) takes in the excitation frequency input from the outside (from the data input unit 2) and registers it from the data storage means according to the excitation frequency. First means for reading data (reading out from the registered data storage unit 10) and determining the total length of the ultrasonic horn and the ultrasonic horn shape based on an instruction from the outside, the total length of the ultrasonic horn and the ultrasonic horn shape determined above Based on the above, a second means for creating an ultrasonic horn model by the finite element method and performing eigenvalue analysis of the model, and as a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, an eigenvalue of longitudinal vibration is found in the vicinity of the excitation frequency. If there is no eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency in the above-mentioned determination and the third means for determining whether or not there is, the shape correction of the ultrasonic horn and eigenvalue analysis are repeated. If it is determined that there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency, using the result of eigenvalue analysis, a fourth means for obtaining a node of the ultrasonic horn longitudinal vibration and the obtained node as a center And a fifth means for performing an impact analysis by applying an input wave of an ultrasonic wave to be actually used to obtain an output waveform, and displaying the design process information on the screen of the display device. Supports horn design.

(2) :前記(1) において、設計データ処理手段(設計データ処理部6)は、前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第6の手段と、前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第7の手段と、条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第8の手段と、前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第9の手段とを備えている。   (2): In the above (1), the design data processing means (design data processing unit 6) includes a sixth means for adding a model obtained by a finite element method of the workpiece during the impact analysis; A seventh means for performing a machining simulation on the model; an eighth means for giving a feed speed to the ultrasonic horn or the workpiece model in accordance with conditions; and a feed speed to the workpiece model. As a result, when there is an instruction from the outside that there is a problem with the ultrasonic horn or the processing, there is provided a ninth means for repeatedly performing the process from the beginning.

§2:超音波ホーン設計支援装置の構成の説明
図2は超音波ホーン設計支援装置の説明図である。図2に示したように、超音波ホーン設計支援装置は、超音波ホーン設計支援装置本体(コンピュータ本体)1と、データ入力部2と、表示装置3等で構成されており、例えば、パーソナルコンピュータやワークステーション本体等のコンピュータにより構成されている。
§2: Description of configuration of ultrasonic horn design support device FIG. 2 is an explanatory diagram of the ultrasonic horn design support device. As shown in FIG. 2, the ultrasonic horn design support device includes an ultrasonic horn design support device main body (computer main body) 1, a data input unit 2, a display device 3, and the like. And a computer such as a workstation main body.

そして、超音波ホーン設計支援装置本体(コンピュータ本体)1には、主制御部(例えば、CPU)5、設計データ処理プログラム6A、データ記憶部7、表示データ処理部8、ワークメモリ9等が設けてある。また、前記データ記憶部7には、登録データ記憶部10、入力データ記憶部11、処理結果データ記憶部12等が設けてある。なお、前記設計データ処理プログラム6Aも最初はデータ記憶部7に記憶しておき、処理の開始までに他のメモリに記憶してから使用しても良い。   The ultrasonic horn design support device main body (computer main body) 1 is provided with a main control unit (for example, CPU) 5, a design data processing program 6A, a data storage unit 7, a display data processing unit 8, a work memory 9, and the like. It is. The data storage unit 7 includes a registration data storage unit 10, an input data storage unit 11, a processing result data storage unit 12, and the like. The design data processing program 6A may be stored in the data storage unit 7 at first and stored in another memory before the processing is started.

前記登録データ記憶部10は、予め、超音波ホーンの設計支援を開始する際に使用する各種データを、オペレータ等がデータ入力部2から入力して登録しておくものである。入力データ記憶部11は、超音波ホーンの設計支援を開始してから必要となったデータ等をオペレータ等が入力し、記憶しておくものである。処理結果データ記憶部12は、超音波ホーンの設計支援の各種処理を行なった結果のデータを記憶しておくものである。   The registration data storage unit 10 is registered in advance by an operator or the like from the data input unit 2 with various data used when starting the design support of the ultrasonic horn. The input data storage unit 11 is used by an operator or the like to input and store data and the like necessary after starting the design support of the ultrasonic horn. The processing result data storage unit 12 stores data of results obtained by performing various types of processing for supporting the design of the ultrasonic horn.

表示データ処理部8は、表示装置3の表示影面に表示するデータを表示用のデータに加工し、表示装置3へ送出するものである。ワークメモリ9は設計データ処理プログラム6Aが処理途中に必要となったデータをワーク用として記憶しておくものである。   The display data processing unit 8 processes data to be displayed on the display shadow surface of the display device 3 into display data and sends the data to the display device 3. The work memory 9 stores data required for the work by the design data processing program 6A for work.

前記構成の装置において、設計データ処理プログラム6Aを主制御部(CPU)5が読み出して実行することにより、超音波ホーン設計支援装置が行う処理を実行する。しかし、本発明は、このような例に限らず、例えば、超音波ホーン設計支援装置本体(コンピュータ本体)1に磁気ディスク装置(図示省略)を設けておき、この磁気ディスク装置の磁気ディスクに、次のようにして設計データ処理プログラムを格納し、このプログラムを主制御部(CPU)5が読み出して実行することにより、前記処理を行うことも可能である。この場合、次のようにして前記設計データ処理プログラムを磁気ディスク装置に記憶させることが可能である。   In the apparatus having the above-described configuration, the design data processing program 6A is read and executed by the main control unit (CPU) 5 to execute processing performed by the ultrasonic horn design support apparatus. However, the present invention is not limited to such an example. For example, a magnetic disk device (not shown) is provided in the ultrasonic horn design support device main body (computer main body) 1, and the magnetic disk of this magnetic disk device includes: The design data processing program is stored as follows, and the main control unit (CPU) 5 reads out and executes the program, so that the processing can be performed. In this case, the design data processing program can be stored in the magnetic disk device as follows.

(a) :他の装置で作成されたリムーバブルディスクに格納されている設計データ処理プログラム(他の装置で作成したプログラムデータ)を、リムーバブルディスクドライブ(図示省略)により読み取り、磁気ディスク装置の記録媒体に記憶する。   (a): A design data processing program (program data created by another device) stored in a removable disk created by another device is read by a removable disk drive (not shown), and the recording medium of the magnetic disk device To remember.

(b) :通信回線を介して他の装置から伝送された設計データ処理プログラム等のデータを、通信制御部(図示省略)を介して受信し、そのデータを磁気ディスク装置の記録媒体に記憶する。   (b): Receives data such as a design data processing program transmitted from another device via a communication line via a communication control unit (not shown), and stores the data in a recording medium of the magnetic disk device .

§3:超音波ホーン設計支援装置の処理の説明
図3は超音波ホーン設計支援装置の処理フローチャート(その1)、図4は超音波ホーン設計支援装置の処理フローチャート(その2)である。以下、図3、4に基づいて、超音波ホーン設計支援装置の処理を説明する。なお、以下に説明する処理では、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う。
§3: Explanation of processing of ultrasonic horn design support device FIG. 3 is a processing flowchart (part 1) of the ultrasonic horn design support device, and FIG. 4 is a processing flowchart (part 2) of the ultrasonic horn design support device. Hereinafter, the processing of the ultrasonic horn design support apparatus will be described with reference to FIGS. In the process described below, the design support of the ultrasonic horn is performed while displaying the data of the design process on the screen.

超音波ホーン設計支援装置を起動し処理を開始すると、先ず、加振周波数fを決定する(S1)。この場合、加振周波数はオペレータがデータ入力部2のキーボードを操作して周波数fの決定データを入力する。この時、設計データ処理プログラム6Aは、前記決定データである加振周波数fをデータ記憶部7の入力データ記憶部11に記憶しておく。   When the ultrasonic horn design support device is activated and the process is started, first, the excitation frequency f is determined (S1). In this case, as for the excitation frequency, the operator operates the keyboard of the data input unit 2 and inputs the determination data of the frequency f. At this time, the design data processing program 6 </ b> A stores the excitation frequency f, which is the determination data, in the input data storage unit 11 of the data storage unit 7.

次に、設計データ処理プログラム6Aは、超音波ホーンの全長を算出する(S2)。この場合、設計データ処理プログラム6Aは、ホーンの物性値E(E:ヤング率)、質量密度(ρ)、焼き入れ硬度修正(κ)のデータを登録データ記憶部10から読み出し、一旦ワークメモリ9に記憶してから使用する。   Next, the design data processing program 6A calculates the total length of the ultrasonic horn (S2). In this case, the design data processing program 6A reads the data of the physical property value E (E: Young's modulus), mass density (ρ), and quenching hardness correction (κ) of the horn from the registered data storage unit 10, and once the work memory 9 Remember to use it.

この場合、超音波ホーンは金属内を伝播する縦波(疎密波)を利用して振動させる。縦波の電波速度CはC=√(E/ρ)であリ、E=縦弾性係数、ρ=質量密度、例えば、金属内の縦波の速度は凡そC=5000(m/sec)である。   In this case, the ultrasonic horn is vibrated using a longitudinal wave (dense wave) propagating in the metal. The wave velocity C of longitudinal waves is C = √ (E / ρ), E = longitudinal elastic modulus, ρ = mass density, for example, the velocity of longitudinal waves in a metal is approximately C = 5000 (m / sec). is there.

超音波ホーンへ印加する超音波の振動周波数をfを、f=40KHZ とした場合、波長λ(ホーンの全長)は、λ=C/f=5000/40000=0.125(m)=125(mm)となる。通常、超音波ホーンには熱処理(焼き入れ)が実施されるため、超音波ホーン材料の硬度が増し、ヤング率Eが高くなる。一般的に熱処理によりヤング率Eは15〜25%高くなる。従って、ヤング率E’=(1+κ)×Eとなる。この場合、κ=1.15〜0.25(経験値)となる。 The ultrasonic vibration frequency applied to the ultrasonic horn f, f = 40KH case of a Z, the wavelength lambda (the total length of the horn) is, λ = C / f = 5000 /40000 = 0.125 (m) = 125 (Mm). Usually, since heat treatment (quenching) is performed on the ultrasonic horn, the hardness of the ultrasonic horn material is increased and the Young's modulus E is increased. Generally, the Young's modulus E increases by 15 to 25% by heat treatment. Therefore, Young's modulus E ′ = (1 + κ) × E. In this case, κ = 1.15 to 0.25 (experience value).

従って、超音波ホーンの全長を算出する際、ヤング率E、質量密度ρ、焼き入れ硬度修正κのデータを予め登録データ記憶部10の登録データテーブルに記憶しておき、これらのデータを読み出して超音波ホーンの全長を算出する。   Therefore, when calculating the total length of the ultrasonic horn, data of Young's modulus E, mass density ρ, and quenching hardness correction κ are stored in advance in the registration data table of the registration data storage unit 10, and these data are read out. Calculate the total length of the ultrasonic horn.

次に、設計データ処理プログラム6Aは、超音波ホーンの形状(詳細形状)を決める(S3)。この処理では、超音波ホーンの軸径、段差、コーナー部等を、登録データ記憶部10の登録データテーブルから読み出して決める。なお、どのようにして決めるかの詳細な説明は後述する。   Next, the design data processing program 6A determines the shape (detailed shape) of the ultrasonic horn (S3). In this process, the shaft diameter, step, corner portion, etc. of the ultrasonic horn are read out from the registration data table of the registration data storage unit 10 and determined. A detailed description of how to decide will be given later.

次に、設計データ処理プログラム6Aは、求めた超音波ホーンの詳細形状を参考に超音波ホーンの有限要素モデル(以下、単に「FEモデル」と記す)を作成し、固有値解析(両端自由)を行う(S4)。この場合、前記のように有限要素法を用いて固有値解析を行うが、有限要素法を用いて固有値解析を行う手法は従来から良く知られた手法(従来例1の公報にも記載がある)なので詳細な説明は省略する。この場合も詳細な説明は後述する。   Next, the design data processing program 6A creates a finite element model (hereinafter simply referred to as “FE model”) of the ultrasonic horn with reference to the obtained detailed shape of the ultrasonic horn, and performs eigenvalue analysis (free at both ends). Perform (S4). In this case, the eigenvalue analysis is performed using the finite element method as described above, but the technique of performing the eigenvalue analysis using the finite element method is a well-known technique (also described in the publication of Conventional Example 1). Therefore, detailed description is omitted. Also in this case, a detailed description will be given later.

次に、設計データ処理プログラム6Aは、超音波ホーン固有値解析の結果、加振動周波数f近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定(固有値判定)する(S5)。なお、この判定は、予め、判定に必要な固有値の条件を登録データ記憶部10の登録データテーブルに登録しておき、設計データ処理プログラム6Aがその条件を満たしたか否かを判定することにより、自動的に行う処理である。   Next, as a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, the design data processing program 6A determines whether there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency f (eigenvalue determination) (S5). This determination is performed by previously registering eigenvalue conditions necessary for determination in the registration data table of the registered data storage unit 10 and determining whether or not the design data processing program 6A satisfies the conditions. This is an automatic process.

例えば、40KHZ で超音波加振する場合、超音波ホーンもこの周波数近傍に縦振動の固有値が存在することが必要である。固有値がない場合(NGの判定がなされた場合)は前記S3の処理に戻って超音波ホーンの形状修正および固有値解析を繰り返して行う。 For example, when ultrasonic vibration at 40KH Z, the ultrasonic horn is also necessary that the eigenvalues of the longitudinal vibration in this frequency near there. When there is no eigenvalue (when NG is determined), the process returns to S3 and the shape correction and eigenvalue analysis of the ultrasonic horn are repeated.

その後、設計データ処理プログラム6Aは、固有値判定で、固有値が存在すると判定した場合、すなわち固有値判定OKとなった場合は超音波ホーンの節を求める(S6)。この処理では、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーンの縦振動の節位置を求める。超音波ホーンの縦振動の振れ幅の小さい位置が振動の節になる。   Thereafter, the design data processing program 6A obtains a node of the ultrasonic horn when it is determined in the eigenvalue determination that there is an eigenvalue, that is, when the eigenvalue determination is OK (S6). In this process, the node position of the longitudinal vibration of the ultrasonic horn is obtained using the result of the eigenvalue analysis. A position where the vibration amplitude of the ultrasonic horn is small becomes a vibration node.

次に、設計データ処理プログラム6Aは、超音波ホーンの超音波振動(共振)を行う(S7)。この処理では、入力片振幅をaとする。そして、前記S6の処理で求めた位置を中心に±1/16λ以内の対称な位置に超音波振動を与える。節に対して振動は180°の位相差をつけて正弦波(Sin波)を与える。この時、オペレータは、先端の出力振幅を表示装置3の画面で確認する。すなわち、必要とする出力振幅が出ているかどうか表示装置3の画面で確認する。   Next, the design data processing program 6A performs ultrasonic vibration (resonance) of the ultrasonic horn (S7). In this process, the input piece amplitude is a. Then, ultrasonic vibration is applied to a symmetrical position within ± 1 / 16λ with the position obtained in the process of S6 as the center. The vibration gives a sine wave (Sin wave) with a phase difference of 180 ° to the node. At this time, the operator confirms the output amplitude at the tip on the screen of the display device 3. That is, it is checked on the screen of the display device 3 whether the required output amplitude is output.

次に、設計データ処理プログラム6Aは、被加工物のFEモデル追加を行う(S8)。この場合、被加工物の物性値、被加工物の形状、拘束・荷重条件、その他を用いる。すなわち、この処理では、設計データ処理プログラム6Aは、被加工物、または被加工物を模した形状のFEモデルを作成する。   Next, the design data processing program 6A adds the FE model of the workpiece (S8). In this case, the physical property value of the workpiece, the shape of the workpiece, the constraint / load conditions, and the like are used. That is, in this process, the design data processing program 6A creates a workpiece or an FE model having a shape imitating the workpiece.

次に、設計データ処理プログラム6Aは、加工シミュレーションを行う(S9)。この処理では、条件に合わせて、超音波ホーン、または被加工物に送り速度を与える。そして、実際の加工(主に塑性加工)を模した解析を行う。例えば、被加工物を固定して、超音波振動した超音波ホーンに送り速度V=20(mm/sec)を与えた場合の超音波ホーンの振れ量を計算する。   Next, the design data processing program 6A performs a machining simulation (S9). In this process, a feed speed is given to the ultrasonic horn or the workpiece according to the conditions. Then, an analysis simulating actual processing (mainly plastic processing) is performed. For example, the amount of vibration of the ultrasonic horn is calculated when the workpiece is fixed and a feed speed V = 20 (mm / sec) is applied to the ultrasonically oscillated ultrasonic horn.

そして、超音波ホーンの加工不具合を判定する(S10)。この処理では、超音波ホーン先端の振れ量や他の構造物への影響をチェックする。被加工物、またはそれを模したFEモデルの挙動をオペレータが表示装置3の表示画面上で見る。   And the processing defect of an ultrasonic horn is determined (S10). In this process, the amount of vibration at the tip of the ultrasonic horn and the influence on other structures are checked. The operator sees the behavior of the workpiece or the FE model imitating it on the display screen of the display device 3.

その結果、判定がNGであった場合は、前記S3の処理へ移行する。そして、超音波加工における超音波ホーン先端の出力振幅aや送り速度Vや被加工物の条件を修正する。また、超音波ホーン形状や被加工物形状を見直す。その後、S10の処理で判定結果がOKとなったら、この処理を終了する。   As a result, if the determination is NG, the process proceeds to S3. Then, the output amplitude a at the tip of the ultrasonic horn, the feed speed V, and the condition of the workpiece are corrected in ultrasonic processing. Also, review the ultrasonic horn shape and workpiece shape. Thereafter, when the determination result is OK in the process of S10, this process is terminated.

§4:詳細な処理の説明
以下、前記フローチャートの処理を更に詳細に説明する。なお、以下の説明でも、図3、4で使用したステップS1乃至S10の記号はそのまま使用して説明する。
§4: Detailed processing description Hereinafter, the processing of the flowchart will be described in more detail. In the following description, the symbols in steps S1 to S10 used in FIGS.

(1) :加振動周波数fの決定(S1参照)
この場合、加振動周波数f=40.0KHZ としてオペレータがデータ入力部2から装置に入力する。なお、現在の超音波発振器は加振動周波数が固定(一定)のものが多い。発振器周波数を自由に変更することは出来ないため、発振周波数に合わせるように超音波ホーンを作成する必要がある。
(1): Determination of vibration frequency f (see S1)
In this case, the operator inputs to the device from the data input unit 2 as a pressure vibration frequency f = 40.0KH Z. Many of the current ultrasonic oscillators have a fixed (constant) excitation frequency. Since the oscillator frequency cannot be freely changed, it is necessary to create an ultrasonic horn so as to match the oscillation frequency.

(2) :超音波ホーンの全長算出(S2参照)
超音波ホーンの全長算出例としては、例えば、図5のA図のようになる。
(2): Calculate the total length of the ultrasonic horn (see S2)
An example of calculating the total length of the ultrasonic horn is as shown in FIG. 5A.

(a) :超音波ホーン物性値E=220000.0(MPa)、質量密度ρ=8.67×10-9(ton/mm3
(b) :焼き入れ硬度修正κ=0.25(硬度の修正はΔ25%)
E’=(1+κ)×E=1.25×220000.0=275000.0
よって
伝播速度C=√(275000.0/8.67E−09)=5631924.16(mm/sec)
波長λ(超音波ホーン全長)=C/F=5631924.16/40000≒140(mm)
(なお、断面形状は任意である。円である必要はない)
前記の例で算出した結果に基づき、超音波ホーンの詳細形状例を図5のA図に示す。図5のA図の詳細形状例では、超音波ホーン本体20の長さと先端部21の長さを合わせると、超音波ホーンの全長が約140mmとなっている。
(a): ultrasonic horn property value E = 220000.0 (MPa), mass density ρ = 8.67 × 10 −9 (ton / mm 3 )
(b): Hardening hardness correction κ = 0.25 (hardness correction is Δ25%)
E ′ = (1 + κ) × E = 1.25 × 220000.0 = 275000.0
Therefore, propagation speed C = √ (275000.0 / 8.67E−09) = 5631924.16 (mm / sec)
Wavelength λ (total length of ultrasonic horn) = C / F = 5631924.16 / 40000≈140 (mm)
(Note that the cross-sectional shape is arbitrary. It need not be a circle.)
A detailed shape example of the ultrasonic horn is shown in FIG. 5A based on the result calculated in the above example. In the detailed shape example of FIG. 5A, the total length of the ultrasonic horn is about 140 mm when the length of the ultrasonic horn main body 20 and the length of the tip 21 are matched.

(3) :超音波ホーンのモデル作成及び固有値解析(両端自由)例(S4)
超音波ホーンのFEメッシュは図5のB図に示す。このモデルでは、超音波ホーン本体20は図示のような形状となっている。
(3): Ultrasonic horn model creation and eigenvalue analysis (free at both ends) (S4)
The FE mesh of the ultrasonic horn is shown in FIG. 5B. In this model, the ultrasonic horn body 20 has a shape as shown in the figure.

(4) :固有値解析(両端自由)(S4)
固有値解析の場合、解析モデルの一部を拘束(又は固定)して行うのが通常のやり方である。しかし、超音波ホーンの場合は振動ユニットの先に装着されるため、超音波ホーン全体が振動するような解析手法をとるので、どこも拘束しないで、固有値解析を行う。固有値解析結果を図6のA図に示す。
(4): Eigenvalue analysis (free at both ends) (S4)
In the case of eigenvalue analysis, it is a normal practice to constrain (or fix) a part of the analysis model. However, since the ultrasonic horn is attached to the tip of the vibration unit, the analysis method is such that the entire ultrasonic horn vibrates, and therefore, eigenvalue analysis is performed without restraining anything. The eigenvalue analysis results are shown in FIG.

図6のA図に示した固有値解析結果では、モードが1〜40まで示されており、各モードの周波数がそれぞれ示されている。また、モード=33で、周波数=40.807KHZ の場合の縦振動が図示されている。 In the eigenvalue analysis results shown in FIG. 6A, modes 1 to 40 are shown, and the frequency of each mode is shown. Also, the mode = 33, longitudinal vibration in the case of frequency = 40.807KH Z is shown.

(5) :固有値判定(S5)
例えば、Mode33、40.807(KHZ )が縦振動である(前記の例を参照)。従って、固有値判定はOKとなる。
(5): Eigenvalue determination (S5)
For example, Mode 33, 40.807 (KH Z ) is longitudinal vibration (see the above example). Therefore, the eigenvalue determination is OK.

(6) :超音波ホーン縦振動の節を求める(S6)。   (6): The node of the longitudinal vibration of the ultrasonic horn is obtained (S6).

超音波ホーンにおける振動の節は、図7のA図に示したように、底面から34.81(mm)の位置である。   The vibration node in the ultrasonic horn is at a position 34.81 (mm) from the bottom as shown in FIG. 7A.

(7) :超音波ホーンの超音波振動(共振)の確認(S7)
図7のB図に示したように、前記のような超音波ホーンの節位置(底面より、34.81(mm)の前後λ/16(=8.75mm)以内の対称位置に超音波振動を印加する(図7のB図に示した超音波印加位置を参照)。
(7): Confirmation of ultrasonic vibration (resonance) of the ultrasonic horn (S7)
As shown in FIG. 7B, the ultrasonic vibration is located at a symmetrical position within the λ / 16 (= 8.75 mm) before and after the node position of the ultrasonic horn as described above (34.81 mm from the bottom). Is applied (see the ultrasonic wave application position shown in FIG. 7B).

図7のB図には、入力波形(40KHZ )の場合の出力波形例が図示されている。入力波形(40KHZ )の図及び出力波形例の図では、いずれも横軸が時間(time) 、縦軸が波形の変位(displacement)を示している。また、出力片振幅a=0.0036(mm)となっている。 To B of FIG. 7, the output waveform example of the input waveform (40KH Z) are shown. In the illustration of the figures and the output waveform example of an input waveform (40KH Z), both the horizontal axis indicates time (time), the vertical axis represents a displacement waveform (displacement). The output piece amplitude a is 0.0036 (mm).

(8) :被加工物のFEモデルの追加(S8)
被加工物(リングと鋼球)を追加したFEモデルは図8のA図に示した通りである。図8のA図では、追加された被加工物FEモデルは鋼球23とリング24からなり、この被加工物FEモデルに対し、超音波ホーンの先端部21を当て、超音波振動を与えている。すなわち、超音波ホーンの先端部21が超音波振動しながら鋼球23を送り出し、リング24を貫通させる。
(8): Addition of FE model of workpiece (S8)
The FE model to which workpieces (rings and steel balls) are added is as shown in FIG. 8A. In FIG. 8A, the added workpiece FE model is composed of a steel ball 23 and a ring 24, and an ultrasonic vibration is applied to the workpiece FE model by applying the tip 21 of the ultrasonic horn. Yes. That is, the tip 21 of the ultrasonic horn sends out the steel ball 23 while ultrasonically vibrating, and causes the ring 24 to penetrate.

(9) :加工シミュレーション(S9)
前記被加工物のFEモデルにおいて、超音波ホーンに速度V=20(mm/sec)の送りを与え、加工シミュレーションを行い、超音波ホーンの先端部21の挙動を解析する。解析結果は図8のB図の通りである。図8のB図の解析結果において、横軸が時間(time) 、縦軸がノッドアウトデータ(Nodout Data)を示している。
(9): Machining simulation (S9)
In the FE model of the workpiece, the ultrasonic horn is fed at a speed V = 20 (mm / sec), a machining simulation is performed, and the behavior of the tip 21 of the ultrasonic horn is analyzed. The analysis result is as shown in FIG. 8B. In the analysis result of FIG. 8B, the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates nodout data.

(10):超音波ホーンの不具合判定(S10)
超音波ホーン先端振れ量が大きい場合、例えば、δ=1.13(mm)であれば、判定はNGとなる。
(10): Defect determination of ultrasonic horn (S10)
If the ultrasonic horn tip deflection amount is large, for example, if δ = 1.13 (mm), the determination is NG.

(11):超音波ホーンの詳細形状修正(S10の判定結果がNGとなり、詳細形状修正を行う例)
例えば、超音波ホーン先端の軸径をφ1.2をφ=1.7に変更する。変更後の超音波ホーン形状は図9のA図のようになる。
(11): Detailed shape correction of ultrasonic horn (example in which the determination result in S10 is NG and the detailed shape is corrected)
For example, the diameter of the tip of the ultrasonic horn is changed from φ1.2 to φ = 1.7. The shape of the ultrasonic horn after the change is as shown in FIG.

(12):超音波ホーンのモデル作成及び固有値解析(両端自由)例
超音波ホーンのFEメッシュを図9のB図に示す。また、固有値解析(両端自由)の結果は図10のA図に示した通りである。
(12): Example of ultrasonic horn model creation and eigenvalue analysis (both ends are free) An FE mesh of an ultrasonic horn is shown in FIG. 9B. The result of eigenvalue analysis (both ends are free) is as shown in FIG.

図10のA図に示した固有値解析(両端自由)例では、モードが1〜40まで示されており、各モードの周波数がそれぞれ示されている。また、モード=29で、周波数=40.795KHZ の場合の縦振動が図示されている。 In the eigenvalue analysis (both ends are free) example shown in FIG. 10A, modes 1 to 40 are shown, and the frequency of each mode is shown. Also, the mode = 29, longitudinal vibration in the case of frequency = 40.795KH Z is shown.

(13):固有値判定
Mode29、40.795(KHZ )が縦振動である。この場合、固有値判定はOKとなる。
(13): Eigenvalue determination Mode 29, 40.795 (KH Z ) is longitudinal vibration. In this case, the eigenvalue determination is OK.

(14):超音波ホーンの縦振動の節
振動の節は、図11のA図に示したように、底面から34.32(mm)の位置である。
(14): Longitudinal vibration node of the ultrasonic horn The vibration node is at a position 34.32 (mm) from the bottom as shown in FIG.

(15):超音波ホーンの超音波振動(共振)の確認例
図11のB図には、超音波ホーンの超音波振動(共振)の確認例が示されており、入力波形(40KHZ )の場合の出力波形例が図示されている。入力波形(40KHZ )の図及び出力波形例の図では、いずれも横軸が時間(time) 、縦軸が波形の変位(displacement)を示している。また、出力片振幅a=0.0039(mm)となっている。
(15): The B view of the check example Figure 11 of the ultrasonic vibration of the ultrasonic horn (resonance), have been shown confirmation of the ultrasonic vibration of the ultrasonic horn (resonance) is input waveform (40KH Z) An output waveform example in the case of is shown. In the illustration of the figures and the output waveform example of an input waveform (40KH Z), both the horizontal axis indicates time (time), the vertical axis represents a displacement waveform (displacement). Further, the output piece amplitude a is 0.0039 (mm).

(16):被加工物FEモデルの修正
図12のA図には、被加工物FEモデルの修正例が示されており、被加工物FEモデルの修正を行う。この場合、以下のような変更が行なわれている。
(16): Correction of Workpiece FE Model FIG. 12A shows a correction example of the work piece FE model, and the work piece FE model is corrected. In this case, the following changes have been made.

(a) :鋼球径変更
(b) :リング径変更(被加工物形状変更)
(17):被加工シミュレーション例
超音波ホーンに速度V=20(mm/sec)の送りを与え、被加工シミュレーションを行い、超音波ホーン先端の挙動を解析する。解析結果は図12のB図に示す。図12のB図の解析結果において、横軸が時間(time) 、縦軸がノッドアウトデータ(Nodout Data)を示している。
(a): Steel ball diameter change
(b): Ring diameter change (workpiece shape change)
(17): Example of machining simulation A feed at a speed V = 20 (mm / sec) is applied to the ultrasonic horn, a machining simulation is performed, and the behavior of the tip of the ultrasonic horn is analyzed. The analysis results are shown in FIG. In the analysis result of FIG. 12B, the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates nodout data.

(18):超音波ホーンの不具合判定(S10)
例えば、超音波ホーン先端振れが大きい場合、δ=0.033(mm)なら判定はOKとなる。
(18): Defect determination of ultrasonic horn (S10)
For example, if the ultrasonic horn tip deflection is large, if δ = 0.033 (mm), the determination is OK.

§5:付記の説明
前記の説明に対し、次の構成を付記する。
§5: Explanation of additional notes The following configuration is added to the above description.

(付記1)
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置であって、
前記設計データ処理手段は、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第1の手段と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第2の手段と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第3の手段と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第4の手段と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第5の手段と、
を備え、前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うことを特徴とする超音波ホーン設計支援装置。
(Appendix 1)
Display device, display data processing means for processing display data, data input means, design data processing means for processing design data of ultrasonic horn, and data storage for preregistering data necessary for design An ultrasonic horn design support device for supporting design of an ultrasonic horn while displaying design process data on a screen,
The design data processing means includes
First means for taking in an excitation frequency inputted from the outside, reading registration data from the data storage means according to the excitation frequency, and determining the total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn based on an instruction from the outside; ,
A second means for creating an ultrasonic horn model by the finite element method based on the determined total length of the ultrasonic horn and the ultrasonic horn shape, and performing eigenvalue analysis of the model;
As a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, third means for determining whether there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency;
If there is no longitudinal vibration eigenvalue near the excitation frequency in the above determination, the ultrasonic horn shape correction and eigenvalue analysis are repeated, and if it is determined that the longitudinal vibration eigenvalue is near the excitation frequency, eigenvalue analysis is performed. A fourth means for obtaining a node of the longitudinal vibration of the ultrasonic horn using the result of
Centering on the obtained node, a fifth means for performing an impact analysis by applying an ultrasonic input wave actually used to obtain an output waveform;
Wherein the design process of information the display device ultrasonic horn design support apparatus according to claim display while performing the design support of the ultrasonic horn to screen.

(付記2)
前記設計データ処理手段は、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第6の手段と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第7の手段と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第8の手段と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第9の手段と、
を備えていることをを特徴とする付記1記載の超音波ホーン設計支援装置。
(Appendix 2)
The design data processing means includes
A sixth means for adding a model obtained by the finite element method of the workpiece in the impact analysis;
A seventh means for performing a machining simulation on the model;
According to conditions, an ultrasonic horn, or an eighth means for giving a feed rate to the workpiece model;
As a result of giving a feed speed to the model of the workpiece, when an instruction is issued from the outside that there is a defect in the ultrasonic horn or machining, ninth means for repeatedly performing the process from the beginning;
The ultrasonic horn design support device according to appendix 1, characterized by comprising:

(付記3)
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法であって、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第1の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第2の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第3の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第4の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第5の手順を行い、
前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うことを特徴とする超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法。
(Appendix 3)
Display device, display data processing means for processing display data, data input means, design data processing means for processing design data of ultrasonic horn, and data storage for preregistering data necessary for design An ultrasonic horn design support method of an ultrasonic horn design support device for supporting design of an ultrasonic horn while displaying design process data on a screen,
By the processing of the design data processing means,
A first procedure for taking in an externally input excitation frequency, reading out registration data from the data storage means according to the excitation frequency, and determining an overall length of the ultrasonic horn and an ultrasonic horn shape based on an external instruction; ,
Based on the determined total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn, a second procedure for creating a model of the ultrasonic horn by the finite element method and performing eigenvalue analysis of the model,
As a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, a third procedure for determining whether there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency;
If there is no longitudinal vibration eigenvalue near the excitation frequency in the above determination, the ultrasonic horn shape correction and eigenvalue analysis are repeated, and if it is determined that the longitudinal vibration eigenvalue is near the excitation frequency, eigenvalue analysis is performed. A fourth procedure for determining the longitudinal vibration node of the ultrasonic horn using the result of
Centering on the obtained node, the fifth procedure for performing the impact analysis by applying the input wave of the ultrasonic wave actually used and obtaining the output waveform is performed,
Ultrasonic horn design support method of the ultrasonic horn design support apparatus characterized by the design support of the ultrasonic horn while displaying information of the design process on the screen of the display device.

(付記4)
前記設計データ処理手段の処理により、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第6の手順と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第7の手順と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第8の手順と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第9の手順と、
を行うことを特徴とする付記記載の超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法。
(Appendix 4)
By the processing of the design data processing means,
A sixth procedure for adding a model obtained by the finite element method of the workpiece in the impact analysis;
A seventh procedure for performing machining simulation on the model;
An eighth procedure for providing a feed rate to an ultrasonic horn or workpiece model in accordance with the conditions;
As a result of giving a feed speed to the model of the workpiece, if an instruction is issued from the outside that there is a defect in the ultrasonic horn or machining, a ninth procedure for repeating the process from the beginning,
The ultrasonic horn design support method of the ultrasonic horn design support device according to appendix 3, wherein:

(付記5)
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置のコンピュータに、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第1の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第2の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第3の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第4の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第5の手順と、
を実現させるためのプログラム。
(Appendix 5)
Display device, display data processing means for processing display data, data input means, design data processing means for processing design data of ultrasonic horn, and data storage for preregistering data necessary for design A computer of an ultrasonic horn design support device that supports design of an ultrasonic horn while displaying design process data on a screen.
By the processing of the design data processing means,
A first procedure for taking in an externally input excitation frequency, reading out registration data from the data storage means according to the excitation frequency, and determining an overall length of the ultrasonic horn and an ultrasonic horn shape based on an external instruction; ,
Based on the determined total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn, a second procedure for creating a model of the ultrasonic horn by the finite element method and performing eigenvalue analysis of the model,
As a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, a third procedure for determining whether there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency;
If there is no longitudinal vibration eigenvalue near the excitation frequency in the above determination, the ultrasonic horn shape correction and eigenvalue analysis are repeated, and if it is determined that the longitudinal vibration eigenvalue is near the excitation frequency, eigenvalue analysis is performed. A fourth procedure for determining the longitudinal vibration node of the ultrasonic horn using the result of
Centering on the obtained node, a fifth procedure for performing an impact analysis by applying an ultrasonic input wave actually used to obtain an output waveform;
A program to realize

(付記6)
前記設計データ処理手段の処理により、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第6の手順と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第7の手順と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第8の手順と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第9の手順と、
を実現させるための付記5記載のプログラム。
(Appendix 6)
By the processing of the design data processing means,
A sixth procedure for adding a model obtained by the finite element method of the workpiece in the impact analysis;
A seventh procedure for performing machining simulation on the model;
An eighth procedure for providing a feed rate to an ultrasonic horn or workpiece model in accordance with the conditions;
As a result of giving a feed speed to the model of the workpiece, if an instruction is issued from the outside that there is a defect in the ultrasonic horn or machining, a ninth procedure for repeating the process from the beginning,
The program according to appendix 5 for realizing

(付記7)
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置のコンピュータに、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第1の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第2の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第3の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第4の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第5の手順と、
を実現させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
(Appendix 7)
Display device, display data processing means for processing display data, data input means, design data processing means for processing design data of ultrasonic horn, and data storage for preregistering data necessary for design A computer of an ultrasonic horn design support device that supports design of an ultrasonic horn while displaying design process data on a screen.
By the processing of the design data processing means,
A first procedure for taking in an externally input excitation frequency, reading out registration data from the data storage means according to the excitation frequency, and determining an overall length of the ultrasonic horn and an ultrasonic horn shape based on an external instruction; ,
Based on the determined total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn, a second procedure for creating a model of the ultrasonic horn by the finite element method and performing eigenvalue analysis of the model,
As a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, a third procedure for determining whether there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency;
If there is no longitudinal vibration eigenvalue near the excitation frequency in the above determination, the ultrasonic horn shape correction and eigenvalue analysis are repeated, and if it is determined that the longitudinal vibration eigenvalue is near the excitation frequency, eigenvalue analysis is performed. A fourth procedure for determining the longitudinal vibration node of the ultrasonic horn using the result of
Centering on the obtained node, a fifth procedure for performing an impact analysis by applying an ultrasonic input wave actually used to obtain an output waveform;
The computer-readable recording medium which recorded the program for implement | achieving.

(付記8)
前記設計データ処理手段の処理により、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第6の手順と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第7の手順と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第8の手順と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第9の手順と、
を実現させるための付記7記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
(Appendix 8)
By the processing of the design data processing means,
A sixth procedure for adding a model obtained by the finite element method of the workpiece in the impact analysis;
A seventh procedure for performing machining simulation on the model;
An eighth procedure for providing a feed rate to an ultrasonic horn or workpiece model in accordance with the conditions;
As a result of giving a feed speed to the model of the workpiece, if an instruction is issued from the outside that there is a defect in the ultrasonic horn or machining, a ninth procedure for repeating the process from the beginning,
The computer-readable recording medium which recorded the program of Additional remark 7 for implement | achieving.

本発明の原理説明図である。It is a principle explanatory view of the present invention. 実施の形態における超音波ホーン設計支援装置の説明図である。It is explanatory drawing of the ultrasonic horn design assistance apparatus in embodiment. 実施の形態における超音波ホーン設計支援装置の処理フローチャート(その1)である。It is a process flowchart (the 1) of the ultrasonic horn design assistance apparatus in embodiment. 実施の形態における超音波ホーン設計支援装置の処理フローチャート(その2)である。It is a process flowchart (the 2) of the ultrasonic horn design assistance apparatus in embodiment. 実施の形態における具体的事例の説明図(その1)であり、A図は超音波ホーン全長算出例と超音波ホーンの詳細形状例、B図は超音波ホーンのモデル作成及び固有値解析(両端自由)例である。It is explanatory drawing (the 1) of the specific example in embodiment, A figure is an example of ultrasonic horn total length calculation, the detailed shape example of an ultrasonic horn, B figure is model creation and eigenvalue analysis (both ends free) of an ultrasonic horn ) An example. 実施の形態における具体的事例の説明図(その2)であり、A図は固有値解析(両端自由)例である。It is explanatory drawing (the 2) of the specific example in embodiment, A figure is an example of an eigenvalue analysis (both ends free). 実施の形態における具体的事例の説明図(その3)であり、A図は超音波ホーン縦振動の節の例、B図は超音波ホーンの超音波振動(共振)の確認例である。It is explanatory drawing (the 3) of the specific example in embodiment, A figure is an example of the node of ultrasonic horn longitudinal vibration, B figure is a confirmation example of the ultrasonic vibration (resonance) of an ultrasonic horn. 実施の形態における具体的事例の説明図(その4)であり、A図は被加工物FEモデルの追加例、B図は加工シミュレーション例である。It is explanatory drawing (the 4) of the specific example in embodiment, A figure is an additional example of the workpiece FE model, B figure is an example of a process simulation. 実施の形態における具体的事例の説明図(その5)であり、A図は超音波ホーンの詳細形状修正例、B図は超音波ホーンのモデル作成及び固有値解析(両端自由)例である。It is explanatory drawing (the 5) of the specific example in embodiment, A figure is an example of detailed shape correction of an ultrasonic horn, B figure is an example of ultrasonic horn model creation and eigenvalue analysis (both ends free). 実施の形態における具体的事例の説明図(その6)であり、A図は固有値解析(両端自由)例である。It is explanatory drawing (the 6) of the specific example in embodiment, A figure is an example of an eigenvalue analysis (both ends free). 実施の形態における具体的事例の説明図(その7)であり、A図は超音波ホーン縦振動の節の例、B図は超音波ホーンの超音波振動(共振)の確認例である。It is explanatory drawing (the 7) of the specific example in embodiment, A figure is an example of the node of ultrasonic horn longitudinal vibration, B figure is an example of confirmation of the ultrasonic vibration (resonance) of an ultrasonic horn. 実施の形態における具体的事例の説明図(その8)であり、A図は被加工物FEモデルの修正例、B図は被加工シミュレーション例である。It is explanatory drawing (the 8) of the specific example in embodiment, A figure is a modification example of the workpiece FE model, B figure is a machining simulation example.

符号の説明Explanation of symbols

1 超音波ホーン設計支援装置本体
2 データ入力部
3 表示装置
5 主制御部
6 設計データ処理部
6A 設計データ処理プログラム
7 データ記憶部
8 表示データ処理部
10 登録データ記憶部
11 入力データ記憶部
12 処理結果データ記憶部
20 超音波ホーン本体
21 先端部
23 鋼球
24 リング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic horn design support apparatus main body 2 Data input part 3 Display apparatus 5 Main control part 6 Design data processing part 6A Design data processing program 7 Data storage part 8 Display data processing part 10 Registration data storage part 11 Input data storage part 12 Process Result data storage section 20 Ultrasonic horn body 21 Tip section 23 Steel ball 24 Ring

Claims (5)

表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置であって、
前記設計データ処理手段は、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第1の手段と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第2の手段と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第3の手段と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第4の手段と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第5の手段と、
を備え、前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うことを特徴とする超音波ホーン設計支援装置。
Display device, display data processing means for processing display data, data input means, design data processing means for processing design data of ultrasonic horn, and data storage for preregistering data necessary for design An ultrasonic horn design support device for supporting design of an ultrasonic horn while displaying design process data on a screen,
The design data processing means includes
First means for taking in an excitation frequency inputted from the outside, reading registration data from the data storage means according to the excitation frequency, and determining the total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn based on an instruction from the outside; ,
A second means for creating an ultrasonic horn model by the finite element method based on the determined total length of the ultrasonic horn and the ultrasonic horn shape, and performing eigenvalue analysis of the model;
As a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, third means for determining whether there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency;
If there is no longitudinal vibration eigenvalue near the excitation frequency in the above determination, the ultrasonic horn shape correction and eigenvalue analysis are repeated, and if it is determined that the longitudinal vibration eigenvalue is near the excitation frequency, eigenvalue analysis is performed. A fourth means for obtaining a node of the longitudinal vibration of the ultrasonic horn using the result of
Centering on the obtained node, a fifth means for performing an impact analysis by applying an ultrasonic input wave actually used to obtain an output waveform;
Wherein the design process of information the display device ultrasonic horn design support apparatus according to claim display while performing the design support of the ultrasonic horn to screen.
前記設計データ処理手段は、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第6の手段と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第7の手段と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第8の手段と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第9の手段と、
を備えていることを特徴とする請求項1記載の超音波ホーン設計支援装置。
The design data processing means includes
A sixth means for adding a model obtained by the finite element method of the workpiece in the impact analysis;
A seventh means for performing a machining simulation on the model;
According to conditions, an ultrasonic horn, or an eighth means for giving a feed rate to the workpiece model;
As a result of giving a feed speed to the model of the workpiece, when an instruction is issued from the outside that there is a defect in the ultrasonic horn or machining, ninth means for repeatedly performing the process from the beginning;
The ultrasonic horn design support apparatus according to claim 1, comprising:
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法であって、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第1の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第2の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第3の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第4の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第5の手順を行い、
前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うことを特徴とする超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法。
Display device, display data processing means for processing display data, data input means, design data processing means for processing design data of ultrasonic horn, and data storage for preregistering data necessary for design An ultrasonic horn design support method of an ultrasonic horn design support device for supporting design of an ultrasonic horn while displaying design process data on a screen,
By the processing of the design data processing means,
A first procedure for taking in an externally input excitation frequency, reading out registration data from the data storage means according to the excitation frequency, and determining an overall length of the ultrasonic horn and an ultrasonic horn shape based on an external instruction; ,
Based on the determined total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn, a second procedure for creating a model of the ultrasonic horn by the finite element method and performing eigenvalue analysis of the model,
As a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, a third procedure for determining whether there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency;
If there is no longitudinal vibration eigenvalue near the excitation frequency in the above determination, the ultrasonic horn shape correction and eigenvalue analysis are repeated, and if it is determined that the longitudinal vibration eigenvalue is near the excitation frequency, eigenvalue analysis is performed. A fourth procedure for determining the longitudinal vibration node of the ultrasonic horn using the result of
Centering on the obtained node, the fifth procedure for performing the impact analysis by applying the input wave of the ultrasonic wave actually used and obtaining the output waveform is performed,
Ultrasonic horn design support method of the ultrasonic horn design support apparatus characterized by the design support of the ultrasonic horn while displaying information of the design process on the screen of the display device.
前記設計データ処理手段の処理により、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第6の手順と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第7の手順と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第8の手順と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第9の手順と、
を行うことを特徴とする請求項記載の超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法。
By the processing of the design data processing means,
A sixth procedure for adding a model obtained by the finite element method of the workpiece in the impact analysis;
A seventh procedure for performing machining simulation on the model;
An eighth procedure for providing a feed rate to an ultrasonic horn or workpiece model in accordance with the conditions;
As a result of giving a feed speed to the model of the workpiece, if an instruction is issued from the outside that there is a defect in the ultrasonic horn or machining, a ninth procedure for repeating the process from the beginning,
The ultrasonic horn design support method of the ultrasonic horn design support apparatus according to claim 3, wherein:
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置のコンピュータに、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第1の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第2の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第3の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第4の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第5の手順と、
を実現させるためのプログラム。
Display device, display data processing means for processing display data, data input means, design data processing means for processing design data of ultrasonic horn, and data storage for preregistering data necessary for design A computer of an ultrasonic horn design support device that supports design of an ultrasonic horn while displaying design process data on a screen.
By the processing of the design data processing means,
A first procedure for taking in an externally input excitation frequency, reading out registration data from the data storage means according to the excitation frequency, and determining an overall length of the ultrasonic horn and an ultrasonic horn shape based on an external instruction; ,
Based on the determined total length of the ultrasonic horn and the shape of the ultrasonic horn, a second procedure for creating a model of the ultrasonic horn by the finite element method and performing eigenvalue analysis of the model,
As a result of the ultrasonic horn eigenvalue analysis, a third procedure for determining whether there is an eigenvalue of longitudinal vibration in the vicinity of the excitation frequency;
If there is no longitudinal vibration eigenvalue near the excitation frequency in the above determination, the ultrasonic horn shape correction and eigenvalue analysis are repeated, and if it is determined that the longitudinal vibration eigenvalue is near the excitation frequency, eigenvalue analysis is performed. A fourth procedure for determining the longitudinal vibration node of the ultrasonic horn using the result of
Centering on the obtained node, a fifth procedure for performing an impact analysis by applying an ultrasonic input wave actually used to obtain an output waveform;
A program to realize
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