JP6068198B2 - 超音波加工システム及び超音波加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波加工システム及び超音波加工方法に関し、特に、超音波カッターを用いて被加工物を加工する技術に関する。

従来、超音波でカッター刃を振動させることによって、皮革、ゴム等の被加工物を容易に切断する超音波カッターを用いた超音波加工システムが知られている。超音波カッターとは、超音波発振器から加えられる周期的な駆動電圧に基づいて振動を発生させる振動子としての圧電素子（圧電セラミックス等）を備え、圧電素子に発生した振動にカッター刃を共振させるものである（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、上記のカッター刃に相当する超音波ナイフの送り速度を、適応制御を使用して最適化する技術が開示されている。

特表２０１１−５１０８３１号公報

ところで、超音波カッターによる加工において、カッター刃の切削抵抗はカッター刃の振幅量に応じて変化する。そして、このカッター刃の振幅量は、カッター刃及びカッター刃を保持するカッター刃ホルダの摩耗、欠損による重量変化、圧電素子の経年劣化等により変動するものである。

このカッター刃の振幅量が減少すると、カッター刃の切削抵抗が大きくなり、カッター刃の破損や被加工物の品質劣化を招いてしまう問題があった。そこで、これらの問題を防止するためにも、カッター刃の振幅量を適切に管理することが望ましかった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、カッター刃の振幅量を適切に管理することによって、カッター刃の破損や被加工物の品質劣化を防止する超音波加工システム及び超音波加工方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る超音波加工システムは、超音波カッターを用いて被加工物を加工する超音波加工システムであって、前記超音波カッターのカッター刃の刃先画像を測定する測定部と、前記測定部によって測定された刃先画像に基づいて前記カッター刃の刃先の振幅量を算出し、算出された前記刃先の振幅量が所定範囲に含まれない場合に、前記刃先の振幅量が前記所定範囲に含まれるための電圧調整量を決定する制御部と、前記制御部によって決定された電圧調整量によって調整された駆動電圧を、前記超音波カッターの圧電素子に加える超音波発振部と、を備えることを特徴とする。

また上記の目的を達成するために、前記測定部は、前記超音波カッターが当該超音波加工システムの起動前又は動作中の待機位置に配置されたときに前記カッター刃の刃先の画像を測定可能な位置に配置されることを特徴とする。

また上記の目的を達成するために、前記制御部は、前記所定範囲に含まれない振幅量について、振幅量と電圧調整量とが対応付けられたテーブルを保持し、前記テーブルでは、前記所定範囲よりも大きい振幅量については、振幅量が大きいほど、小さいマイナス値の電圧調整量が対応付けられ、前記所定範囲よりも小さい振幅量については、振幅量が小さいほど、大きいプラス値の電圧調整量が対応付けられ、前記制御部は、算出された前記刃先の振幅量に対応付けられた電圧調整量を、前記刃先の振幅量が前記所定範囲に含まれるための電圧調整量として決定することを特徴とする。

また上記の目的を達成するために、前記測定部、前記制御部及び前記超音波発振部による各処理は、前記制御部によって算出される刃先の振幅量が前記所定範囲に含まれるまで繰り返されることを特徴とする。

また上記の目的を達成するために、本発明に係る超音波加工方法は、超音波カッターを用いて被加工物を加工する超音波加工方法であって、前記超音波カッターのカッター刃の刃先画像を測定する工程と、前記測定する工程において測定された刃先画像に基づいて前記カッター刃の刃先の振幅量を算出し、算出された前記刃先の振幅量が所定範囲に含まれない場合に、前記刃先の振幅量が前記所定範囲に含まれるための電圧調整量を決定する工程と、前記決定する工程において決定された電圧調整量によって調整された駆動電圧を、前記超音波カッターの圧電素子に加える工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、カッター刃の振幅量を適切に管理することによって、カッター刃の破損や被加工物の品質劣化を防止できる。

本発明の実施形態に係る超音波加工システムの構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係る超音波カッターの加工原理を説明する図である。 本発明の実施形態に係る超音波加工システムの制御ロジックを示すフローチャートである。

本発明に係る超音波加工システムは、超音波カッターを用いて被加工物を加工する超音波加工システムであって、超音波カッターのカッター刃の刃先画像を測定する測定部と、測定部によって測定された刃先画像に基づいてカッター刃の刃先の振幅量を算出し、算出された刃先の振幅量が所定範囲に含まれない場合に、刃先の振幅量が所定範囲に含まれるための電圧調整量を決定する制御部と、制御部によって決定された電圧調整量によって調整された駆動電圧を、超音波カッターの圧電素子に加える超音波発振部と、を備えるものである。これにより、カッター刃の振幅量を適切に管理することによって、カッター刃の破損や被加工物の品質劣化を防止するものである。以下、本発明の実施の形態を説明する。

［超音波加工システムの構成］
図１は、本発明の実施形態に係る超音波加工システムの構成例を示す図である。

図１に示す超音波加工システム１は、３次元位置決め装置２、超音波カッターユニット（単に、「超音波カッター」と称しても良い）３、測定部４、制御部５、超音波発振部６を備える。この超音波加工システム１は、例えば自動車のインストルメント・パネルの製造工程においてパネルに張り付けられる皮革等の被加工物を切断する際に用いられる。なお、他の被加工物の切断に用いられても良い。

３次元位置決め装置２は、制御部５による指示に基づいて、超音波カッターユニット３を３次元空間上の所望の位置に移動させる装置である。この３次元位置決め装置２は既知の技術を用いるとしてここでは詳細な説明を省略する。

超音波カッターユニット（超音波カッター）３は、３次元位置決め装置２の先端に取り付けられ、圧電素子３ａ、カッター刃ホルダ３ｂ及びカッター刃３ｃを備える。この超音波カッターユニット３は、圧電素子３ａの振動にカッター刃３ｃを共振させることによって皮革、ゴム等の被加工物（不図示）を切断する装置である。なお、図１では超音波カッターユニット３を模式的に示している。

この超音波カッターユニット３では、超音波発振部６から加えられる周期的な駆動電圧に基づいて、圧電素子３ａが振動を発生させる。そうすると、圧電素子３ａに発生した振動に共振して、カッター刃ホルダ３ｂに保持されたカッター刃３ｃが振動する。

図２は、本発明の実施形態に係る超音波カッターの加工原理を説明する図である。図２では、図１のカッター刃３ｃを拡大して示している。

図２では、カッター刃３ｃが進行方向Ｘに移動した場合のカッター刃３ｃの刃先３ｄの軌跡Ｙ及びカッター刃３ｃの振幅（「振幅量」と同義）Ａを示している。カッター刃３ｃは、１周期振動する間に進行方向Ｘに１振幅進行量Ｘ_１進む。

このようなカッター刃３ｃを備えた超音波カッターユニット３によれば、カッター刃３ｃの高速上下振動により被加工物の加工に係る切削抵抗を低減させることができる。ただし、カッター刃３ｃの振幅Ａによりカッター刃３ｃの切削抵抗が変化するため、カッター刃３ｃの振幅Ａの管理が重要である。

図１に戻り、測定部４は、カッター刃３ｃの刃先の画像を測定する。この測定部４は、例えばデジタル顕微鏡や光学式顕微鏡等のマイクロスコープである。この測定部４によって測定されたカッター刃３ｃの刃先画像のデータは、制御部５に送信される。

なお、この測定部４の配置位置について補足する。測定部４は、超音波カッターユニット３が所定位置に配置されたときにカッター刃３ｃの刃先の画像を測定可能な位置に配置されることが好ましい。ここでいう所定位置とは、当該超音波加工システム１の起動前又は動作中における超音波カッターユニット３の待機位置である。これにより、超音波加工システム１の起動時や動作中に、カッター刃３ｃの刃先画像の測定及び後述する制御を行うことによって、その後のカッター刃の破損や被加工物の品質劣化を防止できる。ただし、測定部４の配置位置は、上記の位置に限定されるものではない。

制御部５は、測定部４から送信されたカッター刃３ｃの刃先画像のデータに基づいて、カッター刃３ｃの刃先の振幅量が振幅管理範囲に含まれるように超音波発振部６の動作を制御する制御装置、例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等の設備シーケンサーである。

ここでいう振幅管理範囲とは、カッター刃３ｃの刃先の振幅量が含まれるべき範囲であり、例えば基準振幅量が６０μｍである場合には、誤差±５μｍを考慮して５５μｍ〜６５μｍの範囲である。このような振幅管理範囲を示す情報が制御部５に設定されている。この制御部５の詳細については図３を用いて後述する。

超音波発振部６は、制御部５によって制御され、圧電素子３ａに対して周期的な駆動電圧を加えることによって圧電素子３ａの振動を発生させる装置、例えばオシロスコープ等の超音波発振器である。この超音波発振部６の詳細については図３を用いて後述する。

以上に示す構成により、本実施形態に係る超音波加工システム１では、まず測定部４がカッター刃３ｃの刃先画像を測定する。次に、制御部５が、測定された刃先画像のデータに基づいて、カッター刃３ｃの刃先の振幅量が振幅管理範囲に含まれるように超音波発振部６の動作を制御する。これにより、カッター刃３ｃの振幅量を適切に管理し、カッター刃３ｃの破損や被加工物の品質劣化を防止することができる。

［超音波加工システムの制御ロジック］
図３は、本発明の実施形態に係る超音波加工システムの制御ロジックを示すフローチャートである。以下、超音波加工システム１の制御ロジックについて、適宜図１、図２を参照しながら説明する。

なお、図３に示す制御ロジックは、例えば超音波加工システム１がインラインで起動する前に実行される。

まずステップＳ１において、測定部４が、カッター刃３ｃの刃先画像を測定する（Ｓ１）。ここでは、測定部４が所定期間継続してカッター刃３ｃの刃先画像を測定し、測定された複数の刃先画像のデータは制御部５に送信される。

次にステップＳ２において、制御部５は、測定部４から送信された刃先画像のデータに基づいて、カッター刃３ｃの刃先の振幅量を算出する（Ｓ２）。ステップＳ２において具体的には、制御部５は、複数のカッター刃３ｃの刃先画像を画像解析することによって、刃先３ｄ（図２参照）が最も伸びた状態の位置と最も縮んだ状態の位置との差、すなわち図２の振幅Ａの値をカッター刃３ｃの刃先の振幅量として算出する。

その後ステップＳ３において、制御部５は、算出されたカッター刃３ｃの刃先の振幅量が振幅管理範囲に含まれるか否かを判定する（Ｓ３）。

振幅量が振幅管理範囲内に含まれる場合には（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御部５は、カッター刃３ｃの刃先の振幅量が正常値であると判定し、ステップＳ４に進んでインラインでの設備起動可とする（Ｓ４）。具体的には、インラインでの起動を可能とする旨を指示する信号を制御部５自身に送信する動作を行う。

一方、振幅量が振幅管理範囲内に含まれない場合には（ステップＳ３でＮＯ）、ステップＳ５に進み、制御部５は、ステップＳ２で算出された振幅量に対応する電圧調整量を決定する（Ｓ５）。電圧調整量とは、調整すべき超音波発振部６の駆動電圧の値である。プラスの値でもマイナスの値でも良い。

ステップ５の説明に先立ち、図１の制御部５について補足する。制御部５は、振幅管理範囲に含まれない振幅量について、振幅量と電圧調整量とが対応づけられたテーブルを予め保持している。

具体的には、振幅管理範囲よりも大きい振幅量については、振幅量が大きいほど、小さい電圧調整量（マイナス値）が対応付けられる。例えば振幅管理範囲が５５μｍ〜６５μｍの場合には、６５μｍよりも大きい振幅量である。一方、振幅管理範囲よりも小さい振幅量については、振幅量が小さいほど、大きい電圧調整量（プラス値）が対応付けられる。上記の例では５５μｍより小さい振幅量である。

ステップＳ５では、制御部５は、ステップＳ２で算出された振幅量に対応する電圧調整量を上記のテーブルから取得することによって、超音波発振部６に対して指示する電圧調整量を決定する。その後、決定された電圧調整量を、制御情報として超音波発振部６に対して送信する。

ステップＳ６に進むと、超音波発振部６は、制御部５から送信された電圧調整量に基づいて、超音波カッターユニット３の圧電素子３ａに対して加えるべき駆動電圧を調整する（Ｓ６）。また、調整された駆動電圧を圧電素子３ａに対して周期的に加えることによって、圧電素子３ａの振動を発生させる。

ステップＳ６では、電圧調整量がマイナス値である場合には、圧電素子３ａに加えるべき駆動電圧を小さくする。そうすると、圧電素子３ａの振動量は小さくなるため、調整前は振幅管理範囲よりも大きかった振幅量を本調整によって小さくすることにより、振幅量が振幅管理範囲に含まれるようにすることができる。

一方、電圧調整量がプラス値である場合には、圧電素子３ａに加えるべき駆動電圧を大きくする。そうすると、圧電素子３ａの振動量は大きくなるため、調整前は振幅管理範囲よりも小さかった振幅量を本調整によって大きくすることにより、振幅量が振幅管理範囲に含まれるようにすることができる。

以上に示すステップＳ６の処理が終了すると、ステップＳ１に戻って再び処理を繰り返す。その後、ステップＳ１〜Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６の各処理は、制御部５によって算出されるカッター刃３ｃの刃先の振幅量が振幅管理範囲に含まれるまで繰り返される。

以上に示す制御ロジックにより、本実施形態に係る超音波加工システム１では、カッター刃３ｃの刃先の振幅量が振幅管理範囲に含まれるまで、圧電素子３ａに加えられる駆動電圧を繰り返しフィードバックにより調整する。これにより、カッター刃３ｃの振幅量を適切に管理し、カッター刃３ｃの破損や被加工物の品質劣化を防止することができる。

また従来は、超音波発振部６からの駆動電圧を測定し、所定電圧が超音波カッター側の圧電素子３ａに加えられているかを確認する方法があった。しかしながら、この方法ではカッター刃３ｃの刃先の実動作量を定量的に測定することができず、圧電素子３ａから刃先までの状態変化や、圧電素子３ａ、カッター刃３ｃの劣化等を検出できなかった。

一方、本実施形態に係る超音波加工システム１によれば、このような問題を解決することができるとともに、被加工物の加工バラつきを低減するとともに、カッター刃３ｃの長寿命化を実現できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば上記の実施形態では、制御部５に一つの振幅管理範囲が設定されていたが、この場合に限定されるものではない。例えば被加工物毎に振幅管理範囲を設定して、複数の振幅管理範囲の内の一つの振幅管理範囲を選択可能な構成としても良い。これにより、被加工物に応じて、カッター刃３ｃの振幅量を制御することができる。

また例えば上記の実施形態では、制御部５が、振幅量と電圧調整量とが対応づけられたテーブルを保持していたが、テーブルの形態はこの場合に限定されるものではない。例えば振幅量と駆動電圧値とが対応付けられたテーブルを保持しても良い。この場合、制御部５は、算出されたカッター刃３ｃの振幅量に対応付けられた駆動電圧値を上記のテーブルから取得し、取得された駆動電圧値を超音波発振部６に送信する。超音波発振部６は受信した駆動電圧値の駆動電圧を圧電素子３ａに対して加える。

１ 超音波加工システム
３ 超音波カッターユニット
３ａ 圧電素子
３ｃ カッター刃
３ｄ 刃先
４ 測定部
５ 制御部
６ 超音波発振部

Claims (5)

1. 超音波カッターを用いて被加工物を加工する超音波加工システムであって、
   前記超音波カッターのカッター刃の刃先画像を測定する測定部と、
   前記測定部によって測定された刃先画像に基づいて前記カッター刃の刃先の振幅量を算出し、算出された前記刃先の振幅量が所定範囲に含まれない場合に、前記刃先の振幅量が前記所定範囲に含まれるための電圧調整量を決定する制御部と、
   前記制御部によって決定された電圧調整量によって調整された駆動電圧を、前記超音波カッターの圧電素子に加える超音波発振部と、
   を備えることを特徴とする超音波加工システム。
2. 前記測定部は、前記超音波カッターが当該超音波加工システムの起動前又は動作中の待機位置に配置されたときに前記カッター刃の刃先の画像を測定可能な位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工システム。
3. 前記制御部は、前記所定範囲に含まれない振幅量について、振幅量と電圧調整量とが対応付けられたテーブルを保持し、
   前記テーブルでは、前記所定範囲よりも大きい振幅量については、振幅量が大きいほど、小さいマイナス値の電圧調整量が対応付けられ、前記所定範囲よりも小さい振幅量については、振幅量が小さいほど、大きいプラス値の電圧調整量が対応付けられ、
   前記制御部は、算出された前記刃先の振幅量に対応付けられた電圧調整量を、前記刃先の振幅量が前記所定範囲に含まれるための電圧調整量として決定することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工システム。
4. 前記測定部、前記制御部及び前記超音波発振部による各処理は、前記制御部によって算出される刃先の振幅量が前記所定範囲に含まれるまで繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工システム。
5. 超音波カッターを用いて被加工物を加工する超音波加工方法であって、
   前記超音波カッターのカッター刃の刃先画像を測定する工程と、
   前記測定する工程において測定された刃先画像に基づいて前記カッター刃の刃先の振幅量を算出し、算出された前記刃先の振幅量が所定範囲に含まれない場合に、前記刃先の振幅量が前記所定範囲に含まれるための電圧調整量を決定する工程と、
   前記決定する工程において決定された電圧調整量によって調整された駆動電圧を、前記超音波カッターの圧電素子に加える工程と、
   を含むことを特徴とする超音波加工方法。

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