KR100702192B1 - 초음파 시스템의 소노트로드와 카운터 표면으로 구성되고초음파 절삭 장치의 일부를 형성하는 공구사이의 평균간극 폭을 일정하게 유지하는 방법 - Google Patents

초음파 시스템의 소노트로드와 카운터 표면으로 구성되고초음파 절삭 장치의 일부를 형성하는 공구사이의 평균간극 폭을 일정하게 유지하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 시스템의 소노트로드와, 조절 장치를 사용하여 절삭 공구에 의해 예컨대, 합성박, 합성 물질을 포함하는 직물과 같은 다양한 형태의 재료를 절삭 및/또는 용접하기 위해 카운터 표면으로 설계되는 초음파 절삭 장치의 공구사이의 평균 간극 폭을 일정하게 유지하는 방법에 관한 것이다. 공지된 방법 및 장치의 단점들을 해소하고, 외부 영향 인자와 무관하게 일정하고 정의된 최적의 간극 폭을 제어함으로써 합성박 및 합성 물질을 포함하는 직물과 같은 다양한 형태의 재료가 일정한 품질로 신뢰성있고 효과적으로 용접 및/또는 절삭될 수 있도록, 초음파 절삭 장치의 평균 간극 폭을 일정하게 유지하기 위한 카테고리 관련 방법을 개발하는 본 발명의 목적은, 상기 소노트로드(2)와 최소 하나의 카운터 표면(3)사이의 클리어런스를 일정하게 유지하기 위한 상기 소노트로드와 접촉 표면(23)사이의 접촉 시간이 제어 시스템에 의해 일정하게 유지되는 방식으로 달성된다.
초음파 시스템, 소노트로드, 절삭 공구, 카운터 공구, 액츄에이터.

Description

초음파 시스템의 소노트로드와 카운터 표면으로 구성되고 초음파 절삭 장치의 일부를 형성하는 공구사이의 평균 간극 폭을 일정하게 유지하는 방법{METHOD FOR KEEPING CONSTANT THE MEAN GAP WIDTH BETWEEN A SONOTRODE OF AN ULTRSOUND SYSTEM AND A TOOL CONFIGURED AS A COUNTER SURFACE AND FORMING PART OF AN ULTRASONIC CUTTING DEVICE}
본 발명은 특허 청구의 범위 제 1 항의 전문에 따른, 초음파 시스템의 소노트로드(sonotrode)와, 예컨대, 합성박(synthetic foils), 합성 물질을 포함하는 직물과 같은 다양한 형태의 재료를 절삭 및/또는 용접하기 위해 카운터 표면으로 설계되는 초음파 절삭 장치의 공구사이의 평균 간극 폭을 일정하게 유지하는 방법에 관한 것이다.
초음파를 발생시키고 그 발생된 초음파를 요구되는 일정한 성능 정격을 갖는 매체에 적용하기 위해, 인가된 전기 에너지를 기계적 진동 에너지로 변환하는 초음파 변환기(λ/2-발생기), 소노트로드 및/또는 혼(horn)이 대체로 사용된다.
상기 소노트로드는 초음파 에너지가 효과적인 위치로 유도되도록 하는 공구로 간주된다.
현재의 일반적인 기술 수준에 따르면, 상호 중첩 배치되는 재료 경로(들)는 예컨대, 절삭 공구(cutting tool)와 같은 카운터 공구(counter tool)와 초음파 장치사이에서 유도된다.
재료속으로 전달되는 종축방향의 진동으로 인해, 상기 재료가 가열 및/또는 분열되고, 그 후속 과정으로서 용접 및/또는 절삭 동작이 수행된다.
일정하고 최적인 용접 및 절삭 품질을 달성함은 물론, 절삭 공구의 마모 관리를 달성하기 위해, 상기 소노트로드와 상기 공구사이의 일정하고 최적인 평균 용접 및/또는 절삭 간극 폭을 설정하는 것은 특히 중요하다.
DE 44 39 284 A1에는, 상기 소노트로드와 상기 카운터 공구사이의 간극이 조절될 수 있는 재료 이동 경로의 연속적인 초음파 진행을 위한 초음파 변환 장치(Ultrasonic transducer unit)가 개시되어 있다. 상기 초음파 변환 장치는 온도 제어용 조절 장치에 의해 기계 컬럼(machine column)과 견고하게 연결되어 있다. 상기 온도 제어용 조절 장치에 의해, 초음파 속도에서의 온도 관련 길이 변화가 보상됨으로써 용접 및 절삭 간극은 일정한 크기를 나타낸다.
이 경우의 단점은, 상기 온도 관련 길이 변화만이 등록 및 보상되고, 관련 성분들의 길이 변화는 그렇지 않은데, 이는 재료의 탄성 및 공구의 마모에 기인하며, 예컨대, 재료의 이동 경로의 통과 후에 변화 크기가 몇 ㎛가 될 수 있다는 점이다.
따라서, 본 발명은 상기 공지된 방법 및 장치의 단점들을 해소하고, 외부 영향 인자와 무관하게 일정하고 정의된 최적의 간극 폭을 제어함으로써 상이한 재료 종류, 특히 합성박이 일정한 품질로 신뢰성있고 효과적으로 용접 및/또는 절삭될 수 있도록, 초음파 절삭 장치의 평균 간극 폭을 일정하게 유지하기 위한 카테고리 관련 방법의 개발 목적에 기초하여 창안된 것이다.
본 발명에 따르면, 상기한 개발 연구 과제는 하기 특허 청구의 범위 제 1 항의 특징부에 의해 달성된다. 그에 따르면, 상기 소노트로드(2)와 최소 하나의 카운터 표면(3)사이의 클리어런스를 일정하게 유지하기 위한 상기 소노트로드(2)와 접촉 표면(23)사이의 접촉 시간이 제어 시스템에 의해 일정하게 유지된다.
하기 특허 청구의 범위 제 2항에 기재된 양호한 실시예에 따른 제어 시스템은 상호 연결된 두 개의 제어 회로로 구성된다. 전자 수단을 사용한 제 1 고속 제어 회로의 경우, 상기 진동(초음파) 시스템의 진폭은 연속적으로 보정되고, 후속하여 주기적으로 작용하는 고속 하중하에서 접촉 시간이 일정하게 유지된다. 작동 요소에 의해 상기 초음파 시스템에서의 온도 변화보다 빠른 제어 시간을 갖는 제 2 저속 제어 회로의 경우, 예상 크기로 인해 진폭 제어에 의해 더 이상 보상될 수 없는 상기 절삭 공구와 상기 소노트로드사이에서의 열 및 마모 관련 클리어런스 변화가 보상됨으로써 예비 설정 접촉 시간이 일정하게 유지된다.
이러한 방식으로, 실질적인 클리어런스와 실질적인 간극 폭이 각각 포함된다. 상기 세트포인트으로부터의 편차는 상기 영향 인자와는 무관하게 자동으로 보상된다. 일정하게 우수하고 재생 가능한 용접 및 절삭 결과는 물론, 상기 절삭 공구 및 상기 소노트로드의 최소 마모가 보장된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적절한 레버 기구에 의해, 예컨대 절삭 지점의 마모 이후에 재조절이 필요한 경우에도 두 개 또는 몇 개의 평균 간극 폭이 일정하게 유지된다. 다음 단계의 간극 폭은 이전 단계의 간극 폭보다 작거나 동일해진다. 이러한 방식으로, 예컨대, 절삭 공정중에 마모 보상을 통해 용접 및 절삭 동작이 보장된다. 상기 용접 및 절삭시 기하학적 구조는 상호 무관하다. 이러한 이유로 인해, 예컨대, 폭 넓은 규모로 용접할 수 있고 예각으로 절삭할 수 있다.
피용접물이 첫 번째 처리 공정중에 분리되지 않았을 때, 용접 공정중에 보다 많은 에너지가 상기 피용접물에 인가될 수 있기 때문에, 분리된 2 단계의 용접 및 절삭 동작을 통해, 에지 품질(edge quality)의 저하없이 처리 속도가 크게 증가한다.
적용된 공구들은 다양한 방식으로 배열 및 사용될 수 있다. 예컨대, 비 접촉 공구는 트러니언(trunnion) 장착이 가능하고 윤곽 표면을 가질 수 있다.
또한, 하나의 공구가 진동하고 다른 공구는 그 위치에 정지상태에 있는 방식으로 공구 배치가 이루어 질 수 있다.
하기 특허 청구의 범위 제 1 항에 따른 본 발명의 유리한 실시예는 추가적인 종속 청구항들로부터 유도된다.
본 발명은 절삭 장치의 실시예에 대한 도면에 기초하면 이해가 더 잘 될 것이다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명이 이하에서 상세 설명될 것이다. 첨부 도면 중에서,
도 1은 초음파 절삭 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 제어 구조를 도시한 블록도이다.
도 3은 초음파 절삭 장치의 또 다른 실시예를 도시한 개략도이다.
이제, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 도면에 따르면, 상기 초음파 절삭 장치는 초음파 시스템(1), 무진동 플랜지(8)를 통해 고정판(4)과 연결되는 소노트로드(2), 용접/절삭판이 구비된 절삭 공구(3)가 고정되는 결합 요소(7), 상기 소노트로드(2)와 상기 절삭 공구(3)사이의 간극(9)이 기계적으로 조절 가능하게 해주는 마이크로나사가 구비된 세팅 나사(5), 및 상기 소노트로드(2)와 상기 절삭 공구(3)사이(간극(9))에서 열 및 마모 관련 클리어런스(clearance) 변화를 보상하기 위해 액츄에이터가 구비된 열 작동 요소 및 레버 시스템(6)으로 구성된다.
진폭 변압기역할을 하는 상기 초음파 시스템(1)의 소노트로드(2)를 통해 상기 절삭 공구(3)에 초음파 에너지가 전달된다. 종축 방향으로의 초음파 진동으로 여자된 상기 소노트로드(2)를 통해, 짧은 진동 주기동안 피절삭물 및 상기 절삭 공구(3)가 포지티브 록킹 맞물림 결합상태(positive locking engagament)에 놓이는 방식으로 용접 및/또는 절삭 동작이 수행된다. 만약, 상기 소노트로드 및 상기 카운터 공구의 해당 형태 형성 및 피절삭물 특성에 의해 상기 피절삭물이 용접되는 경우, 상기 피절삭물은 피절삭물의 용접을 위한 적당히 높은 온도가 얻어지도록 압착된다.
도 2에 따른 제어 시스템은 두 개의 제어 회로로 구성된다. 그 중, 제 1 제어 회로는, 전자 경로상에서 상기 소노트로드(2)와 상기 절삭 공구(3)의 접촉 시간을 영구적으로 측정함은 물론, 상기 초음파 진동 시스템(1)의 진폭 변화를 통해 상기 접촉 시간을 보정하여 상기 절삭 공구(3)와 상기 소노트로드(2)간의 예비 설정 접촉 시간이 일정하게 유지되도록 하는 신속 제어 회로이다.
상기 접촉 시간의 기준 및/또는 예비 설정 세트포인트 값(12)은 마이크로미터 나사(5)에 의한 상기 간극(9)의 예비 설정(기본 설정)값으로 부터 유도된다. 상기 간극(9)의 기계적 설정은, 상기 접촉 시간이 제로 근사값을 의미하는 매우 작은 값이 되는 방식이 되도록 수행된다.
또한, 상기 접촉 시간의 세트포인트 값(12)은 다른 조절 장치로 기계적 및/또는 전자적, 광전자적으로, 수동 또는 자동으로 예컨대 압전 소자에 의해 설정될 수 있다. 보다 오랜 시간에 걸쳐 상기 간극의 일정한 유지가 보장되어야 할 경우, 소노트로드 마모를 충분히 고려한 자동 재조절 기능이 필요할 수 있다.
상기 접촉 시간은 측정 회로(10)(도 2 참조)에서 전자적으로 측정되어 평가 회로(11)에 인가된다.
주기적으로 작용하는 고속 하중과 관련된 경우, 예컨대, 피절삭물의 이동 경로가 상기 갭(9)속으로 진행하는 경우, 상기 소노트로드(2)와 상기 절삭 공구(3)사이의 고정된 구조의 최소 탄성 수율은 후속하여 신속하게 수 밀리초 시간에 보상되어, 상기 접촉 시간의 세트포인트 값(12)이 다시 얻어질 때까지 진폭이 즉시 증가한다. 상기 피절삭물의 이동 경로가 상기 간극(9)밖으로 진행하는 경우, 그 반대 의 제어동작이 수행되고, 이때 진동의 진폭은 감소한다.
상기 접촉 시간의 측정으로부터 임펄스 지속은 상기 접촉 시간에 비례하는 신호(13)로서 나타나고, 이것은 상기 평가 회로(11)에서 확실하게 예비 설정된(세트포인트) 임펄스 지속 신호(12)와 비교되고, 상기 임펄스 지속의 보정 신호(14)로 진행되어 진폭 작동 요소(15)에 인가됨으로써, 상기 진폭 보정 신호(17)를 통해 상기 진동 진폭이 증가하거나 감소된다.
열 작동 요소(6)(도 1의 액츄에이터 참조) 및 레버 시스템을 통해 상기 제 1 제어 회로와 연결되는 제 2 및 저속 회로의 경우, 상기 절삭 공구(3)와 상기 소노트로드(2)사이에서의 열 및 마모 관련 클리어런스 변화는 균형을 유지하게 된다.
상기 열 작동 요소(6)의 작동 및 비작동에 대한 상기 확실하게 예비 설정된 기준값(18,19)은 진폭 조절을 위한 상기 진폭 보정 신호(17)와 함께, 온/오프 온도 스위치(20)로 인가되어 그 출력 신호(21)가 상기 열 작동 요소(6)로 전달된다.
상기 접촉 시간에 대한 최적의 작용 범위의 규정으로부터, 기계적 종합 시스템의 기계적 기본 설정을 위해 사용되는 제한값 신호들이 정의된다.
상기 진폭 보정 신호(17)는 정의된 신호 범위에서 작용하고; 상기 열 작동 요소(6)의 작동 또는 비작동은 이러한 범위의 변경시에 수행된다.
도 3에 도시된 실시예에 따르면, 두개의 간극 폭(9)은 레버 기구(22) 및 조절 장치(24)에 의해 일정하게 유지될 수 있다.
상기 접촉 표면이 상기 카운터 표면과 일치하는 도 1에 도시된 실시예와는 달리, 금번 실시예에서는, 상기 접촉 표면(23)이 소노트로드 리세스(16)와 가조절 텅(adjustable tongue)(24)사이에 형성된다. 여기서, 상기 카운터 표면은 상기 레버 기구(24)를 통해 상기 소노트로드(2)와 일정한 간극(9)을 유지하는 용접 공구(3)가 된다. 이 경우, 분리 동작이 수행되지 않는다. 또한, 재료를 부분적으로 절단하는 절삭 공구의 응용 동작이 가능하다.
상기 절삭 공구(3)와 상기 소노트로드(2)사이의 직접적인 접속으로 발생하는 재료 마모는 여기서 발생하지 않고 재 조절될 필요가 없다. 그러나, 이 경우, 상기 접촉 표면(23)과 상기 카운터 표면(3)의 두개의 평균 간극 폭이 일정하게 유지된다.
도시되지 않은 변형은 두 개의 카운터 표면을 나타내고, 그 중 하나는 예컨대, 용접 및 후속 분리 동작이 수행되는 접촉 표면에 의해 형성된다. 이 경우, 상기 절삭 공구(3)의 마모가 재 조절되고, 그 결과 용접 간극은 변화하지 않는다.

Claims (9)

  1. 초음파 시스템(1)의 소노트로드(2)와, 예컨대, 합성박, 합성 물질을 포함하는 직물과 같은 다양한 형태의 재료를 절삭 및/또는 용접하기 위해 카운터 표면으로 설계되는 초음파 절삭 장치의 공구(3)사이의 평균 간극 폭을, 조절 장치를 사용하여, 일정하게 유지하는 방법에 있어서,
    상기 소노트로드(2)와 최소 하나의 카운터 표면(3)사이의 클리어런스를 일정하게 유지하기 위한 상기 소노트로드(2)와 접촉 표면(23)사이의 접촉 시간은 제어 시스템에 의해 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전자 수단을 구비한 제 1고속 제어 회로를 통해 상기 진동(초음파) 시스템(1)의 진폭이 연속적으로 보정되고, 후속하여 주기적으로 작용하는 고속 하중하에서 접촉 시간이 일정하게 유지되고, 최소 하나의 작동 요소(6)에 의해 상기 초음파 시스템(1)에서의 온도 변화보다 빠른 제어 시간을 갖는 제 2저속 제어 회로를 통해 상기 절삭 공구(3)와 상기 소노트로드(2)사이의 열 및 마모 관련 클리어런스 변화가 보상됨으로써 예비 설정 접촉 시간이 일정하게 유지되는 방식으로 상기 접촉 시간이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 미모 관련 클리어런스 변화의 보상을 위한 작동 요소(6)로서 최소 두 개의 예비 설정된 평균 간극 폭을 일정하게 유지시켜주는 레버 기구(22)가 배열되고, 이때 각 경우의 다음 단계의 간극 폭은 이전 단계의 간극 폭보다 작거나 동일해지는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    자체 조절 장치를 각각 구비하는 평행한 카운터 표면(3)이 고려되는 경우, 이와 유사한 평행한 접촉 표면(23)이 연속적인 순서대로 주기적으로 스캐닝되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 두 개의 제어 회로는 그 유효성에 대해 상호 조정되고, 최소 하나의 작동 요소(6)의 작동/비작동은 상기 진폭 보정 신호(17)의 정의된 신호 범위로 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3, 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소노트로드(2)와 상기 접촉 표면(23)사이의 접촉 시간을 위한 세트포인트(12)의 예비 설정은, 마이크로미터 나사, 압전 소자, 액츄에이터와 같은 조절 장치(5)에 의해 측정된 접촉 시간이 매우 작은 제로 근접값이 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 청구항 2, 청구항 3 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 및 마모 관련 클리어런스 변화의 보상을 위한 상기 작동 요소(6)로서, 최소 하나의 가입증 알루미늄 부품(provable aluminium part)이 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3, 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절삭 및/또는 용접은 단속(斷續)적인 동작으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3, 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공구(3)는 진동 소노트로드(2)에 적용되고, 평균 간극 폭은 상기 공구(3)와 상기 공구(3)로 작동하는 카운터 베어링사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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