KR101313363B1 - 초음파 혼의 진폭 조정 - Google Patents

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도날드 엘. 포카츠
사틴더 케이. 나야
폴 엠. 페티그
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

혼과 앤빌 사이에 실질적으로 일정한 간극을 유지하기 위한 시스템 및 방법은 혼과 앤빌 사이에 간극이 형성되도록 앤빌에 인접하게 혼을 위치시키는 것을 포함한다. 교류(AC) 신호가 혼에 결합된 컨버터에 인가된다. 이러한 AC 신호는 진폭을 나타낸다. AC 신호의 진폭은 혼의 작동 중에 조정되어 혼과 앤빌 사이의 간극을 실질적으로 일정하게 유지한다.
혼, 앤빌, 컨버터, 간극, 전원

Description

초음파 혼의 진폭 조정{AMPLITUDE ADJUSTMENT OF AN ULTRASONIC HORN}
관련 출원
본 출원은 발명의 명칭이 "초음파 용접 시스템의 주파수 기반 제어"인 2005년 1월 3일 출원된 가특허 출원 제60/640,978호 및 발명의 명칭이 "초음파 용접 시스템에 대한 간극 조정"인 2005년 1월 3일 출원된 가특허 출원 제60/641,048호에 관한 것으로, 이들 출원의 둘 모두는 참고로 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 진동체와 고정점 사이의 간극을 결정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 진동체의 공진 주파수에 근거하여 그러한 결정을 얻는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
초음파 용접(때로는, "음향 용접"(acoustic welding) 또는 "음파 용접"(sonic welding)으로 불림)에 있어서, 접합될 2개의 부품(전형적으로 열가소성 부품)은 진동 에너지를 전달하는 초음파 "혼"(horn)이라 불리는 공구에 근접 배치된다. 이들 부품(또는 "공작물")은 혼과 앤빌(anvil) 사이에 구속되게 된다. 종종 혼은 공작물과 앤빌의 수직 상방에 위치된다. 혼은 전형적으로 20,000㎐ 내지 40,000㎐로 진동하여, 가압 하에 전형적으로 마찰열의 형태인 에너지를 이들 부품에 전달한다. 마찰열 및 압력으로 인해, 이들 부품 중의 적어도 하나의 일부가 연 화되거나 또는 용융되어 이들 부품을 접합시킨다.
용접 공정 동안, 컨버터(coverter), 부스터(booster) 및 혼을 포함하는 혼 스택(horn stack)에 교류(AC) 신호가 공급된다. 컨버터["트랜스듀서"(transducer)라고도 불림]는 교류 신호를 수신하고, 교류 신호의 주파수와 동일한 주파수로 압축 및 팽창시킴으로써 교류 신호에 응답한다. 그러므로, 음파는 컨버터를 통해 부스터로 진행한다. 음파면(acoustic wavefront)이 부스터를 통해 전파됨에 따라, 이는 증폭되고 혼에 의해 수신된다. 최종적으로, 음파면은 혼을 통해 전파되고, 공작물에 전달되어 전술한 바와 같이 공작물을 서로 용접시키게 된다.
초음파 용접의 다른 유형으로는 "연속 초음파 용접"(continuous ultrasonic welding)이 있다. 이러한 유형의 초음파 용접은 전형적으로 직물 및 필름, 또는 대체로 연속적인 방법으로 용접 장치를 통해 공급될 수 있는 다른 "웨브" 공작물을 밀봉하기 위해 사용된다. 연속 용접에 있어서, 초음파 혼은 전형적으로 움직이지 않으며, 용접될 부품이 그 아래로 이동한다. 연속 초음파 용접 중 하나의 유형은 회전식으로 고정된 바아 혼 및 회전 앤빌을 사용한다. 공작물은 바아 혼과 앤빌 사이에 공급된다. 이 혼은 전형적으로 공작물을 향해 종방향으로 연장되며, 진동은 혼을 따라 축방향으로 공작물로 진행한다. 연속 초음파 용접의 다른 유형에 있어서, 혼은 원통형이고 종방향 축을 중심으로 회전하는 회전식 타입이다. 입력 진동은 혼의 축방향으로 이루어지고, 출력 진동은 혼의 반경 방향으로 이루어진다. 혼은 앤빌에 근접하게 위치되며, 이 앤빌은 전형적으로 용접될 공작물이 원통형 표면의 접선 방향 속도와 실질적으로 동일한 선형 속도로 이들 원통형 표면 사이를 통과하도록 또한 회전될 수 있다. 이러한 유형의 초음파 용접 시스템은 전체적으로 본 명세서 내에 참고로 포함되는 미국 특허 제5,976,316호에 설명되어 있다.
전술한 초음파 용접 기술의 각각에 있어서, 접합될 공작물은 용접 공정 동안 혼과 앤빌 사이에 배치된다. 한가지 용접 방법은 혼과 앤빌 사이의 간극을 고정시키는 것이다. 혼과 앤빌 사이의 간극은 공작물이 접합되는 동안 이들을 제 위치에 유지시키는 파지력(pinching force)을 발생시킨다. 균일하고 신뢰성 있는 용접 작업을 생성하기 위해, 혼과 앤빌 사이에 일정한 간극을 유지하는 것이 바람직하다
작업 동안, 혼 자체를 포함하는 혼 스택의 하나 이상의 구성요소는 일반적으로 온도 상승을 겪는다. 따라서, 혼 스택은 일반적으로 열팽창을 겪는다. 혼 스택이 팽창됨에 따라 혼과 앤빌 사이의 간극은 감소되는데, 이는 균일하고 신뢰성 있는 용접 작업을 생성하고자 하는 전술한 목적에 불리한 결과이다.
전술한 것이 시사하는 바와 같이, 현재 존재하는 초음파 용접 방안(scheme)은 연속하는 용접 작업 동안 혼 스택과 앤빌 사이의 간극이 점점 더 좁아진다는 점에서 결점이 된다.
이러한 배경으로, 본 발명이 개발되었다. 일 실시예에 따르면, 일 방법은 혼을 앤빌에 근접하게 위치시켜 혼과 앤빌 사이에 일정 간극이 형성되게 하는 것을 포함한다. 교류(AC) 신호가 혼에 결합된 컨버터에 인가된다. 이러한 AC 신호는 진폭을 나타낸다. AC 신호의 진폭은 혼의 작동 중에 조정되어 혼과 앤빌 사이의 간극을 실질적으로 일정하게 유지한다.
또 다른 실시예에 따르면, 일 시스템은 장착 시스템에 의해 유지되는 혼 스택을 포함한다. 앤빌은 일정 간극만큼 혼 스택으로부터 떨어져 있다. 전원은 혼 스택에 작동식으로 결합되고, 명령에 응답하여 소정 진폭의 교류(AC) 신호를 혼 스택에 공급하도록 구성되며, 또한 혼 스택에 공급된 AC 신호의 주파수를 나타내는 데이터를 출력하도록 구성된다. 제어기가 전원에 작동식으로 결합된다. 제어기는 전원으로부터 주파수 데이터를 수신하여 전원으로 하여금 상기 주파수 데이터에 의해 결정되는 선택된 진폭의 AC 신호를 전달하게 하도록 구성된다.
도 1은 에너지 공급원에 결합된 간단한 초음파 용접 혼 스택의 일 실시예를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 초음파 용접 혼 스택에 결합되는 장착 시스템의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 혼과 앤빌 사이의 간극의 거리를 결정하기 위한 시스템의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 4A는 간극 결정 유닛의 일부로서 사용될 수 있는 테이블의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 4B는 간극 거리를 결정하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 5A는 연속 초음파 용접 작업에 사용하기 위한 간단한 회전식 초음파 용접 혼의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 5B는 간극 거리를 결정하는 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 6은 용접 혼과 앤빌 사이에 실질적으로 일정한 간극을 유지하기 위한 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 초음파 용접 시스템에서 혼과 앤빌 사이의 간극을 조정하기 위한 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 8A는 초음파 용접 시스템에서 혼과 앤빌 사이에 실질적으로 일정한 간극을 유지하기 위한 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 8B는 초음파 용접 시스템에서 혼과 앤빌 사이에 실질적으로 일정한 간극을 유지하기 위한 시스템의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 9A는 힘 결정 유닛의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 9B는 힘 결정 유닛의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 초음파 용접 시스템에서 혼과 앤빌 사이의 간극을 조정하기 위한 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 11A는 혼의 종방향 축을 따라 전파되는 음향 신호에 의해 구동되는 혼의 표면을 도시하는 도면.
도 11B는 도 11A의 신호보다 진폭이 작은 음향 신호가 혼의 종방향 축을 따라 전파될 때 상기 신호에 의해 구동되는 혼의 표면을 도시하는 도면.
도 12A는 혼과 앤빌 사이의 간극을 제어하기 위한 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 12B는 혼과 앤빌 사이의 간극을 제어하기 위한 시스템의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 13은 조정기(adjustor)와 진폭 결정 모듈의 작업을 조합하기 위한 방법의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 14는 조정기와 진폭 결정 모듈의 작업을 조합하기 위한 방법의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
여러 도면에 걸쳐 유사한 도면 부호가 유사한 부분 및 조립체를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 상세하게 설명될 것이다. 다양한 실시예에 대한 참조는 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위에 의해서만 제한된다. 추가적으로, 본 명세서에 개시된 임의의 예는 한정적인 것을 의도하는 것이 아니며, 청구된 본 발명을 위한 가능한 다수의 실시예 중 일부를 단순히 개시하는 것이다.
도 1은 AC 전기 에너지 공급원(102)에 결합되는 간단한 혼 스택(100)에 대한 일 실시예를 도시한다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 혼 스택(100)은 컨버터(104), 부스터(106) 및 초음파 용접 혼(108)을 포함한다. 작동 동안, AC 공급원은 컨버터(104)에 전기 에너지를 공급하고, 컨버터(104)는 AC 신호의 주파수와 동일한 주파수로 압축 및 팽창시킴으로써 이에 응답한다. 따라서, 음파는 컨버터(104)를 통해 부스터(106)로 진행한다. 음파면이 부스터(106)를 통해 전파됨에 따라, 음파면은 증폭되고 용접 혼(108)에 의해 수용된다. [일부 실시예에서, 혼(108)은 이득(gain)을 얻어 부스터(106)에 대한 필요성을 제거하도록 설계된다.] 최종적으로, 파면은 혼(108)을 통해 전파되고, 그 결과 파면은 용접 혼(108)과 앤 빌(110) 사이에 위치되는 공작물(도 1 에 도시되지 않음)에 전달된다. 혼 스택에 대한 다른 예가 본 기술 분야에 알려져 있으며, 본 명세서에 개시된 이하의 시스템, 방안 및 방법으로 작용한다.
혼(108)은 도 1에 거리 표시된 "간극" 만큼 앤빌(110)로부터 떨어져 있다. 마찰 에너지를 공작물에 제공하는 공정으로 인해 혼 스택(100)의 다양한 요소의 온도가 상승하게 된다. 혼 스택(100)의 요소의 온도가 상승함에 따라 이들 요소는 열팽창을 보이는데, 이는 혼 스택(100)이 장착되는 특정 방식에 따라 혼(108)과 앤빌(110) 사이의 간극의 치수가 변경될 수 있음을 의미한다.
도 2는 도 1의 혼 스택(100)에 대한 간략화된 예시적인 장착 방안을 도시한다. 이러한 장착 방안은 대체로 3개의 부분으로 나눠진 강성 프레임(200)을 이용한다. 프레임(200)은 앤빌(110)이 장착되는 제1 부분(202)과, 혼 스택(100) 상의 절점(nodal point)에 인접하는 제2 부분(206)을 포함한다. 예를 들어, 프레임의 제2 부분(206)은 부스터(106)의 중간점(208)에 결합된 것으로 도 2에 도시된다. 프레임(200)의 제3 부분(204)은 제1 부분(202)과 제2 부분(206) 사이에서 연장된다.
장착 시스템(200)은 앤빌(110)의 공작물 지지면(210)과 혼 스택(100)의 일부 사이에 실질적으로 일정한 거리를 유지한다. 이러한 경우에, 장착 시스템(200)은 앤빌(110)의 상부면(210)과 부스터(106)의 중간점/절점(208) 사이에 실질적으로 일정한 거리를 유지한다. 그러므로, 혼 스택(100)이 작업 중에 팽창하게 된다면, 혼 스택(100)은 도 2에서 "팽창"이라고 표시된 화살표가 나타내는 바와 같이, 혼 스 택(100)의 종방향 축을 따라 부스터(106)의 중간점(208)으로부터 외측으로 팽창하게 된다. 다양한 다른 장착 시스템도 또한 앤빌(110)의 상부면(210)과 혼 스택(100)의 일부 사이에 실질적으로 일정한 거리를 유지할 수 있다는 것과 그러한 다른 장착 시스템이 본 출원의 범위 내에 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 2의 장착 배치를 고려하여 보면, 부스터(106)의 상부 및 컨버터(104)의 열팽창은 간극 거리에 어떠한 영향도 미치지 않는다[프레임(200)이 스택(100)과 결합하는 지점(208)에 대한 이들 요소의 위치로 인해, 이들 요소는 위쪽을 향해, 즉 앤빌(110)로부터 멀어지는 방향으로 자유롭게 팽창하게 된다]. 한편, 간극 거리는 부스터(106)의 하부의 팽창 및 혼(108)의 팽창에 의해 영향을 받으며, 즉 이들 요소가 팽창함에 따라, 이들은 앤빌(110)을 향해 팽창하여 간극이 줄어든다.
일 실시예에 따르면, 컨버터(104) 및 부스터(106)는 실질적으로 일정한 온도로 유지된다. 예를 들면, 컨버터(104) 및 부스터(106)는 온도를 실질적으로 일정하게 유지하여 열팽창을 실질적으로 억제하기 위해 컨버터(104) 및 부스터(106)의 표면으로 상대적으로 차가운 공기를 순환시키는 하나 이상의 팬과 같은 냉각 시스템에 의해 냉각될 수 있다. 그러므로, 이와 같은 실시예에 따르면, 혼 스택(100)의 길이 변화는 실질적으로 용접 혼(108)의 팽창에 의한 것으로 생각될 수 있다.
더욱이, 일부 실시예에 따르면, 혼(108)은 작업 중에 가열되는 경향을 억제하거나 감소시키기 위해 냉각 시스템에 의해 냉각된다. 일반적으로, 이와 같은 방안은 혼(108)의 열팽창을 전부 제거하지는 못하는데, 이는 간극 거리가 실질적으로 일정하게 유지되어야 하더라도 차지해야만 하는 어느 정도의 열팽창이 여전히 있다 는 것을 의미한다.
주어진 물체의 길이는 주어진 물체의 공진 주파수에 반비례한다는 것이 알려져 있다. 달리 표현하면, 물체의 길이가 증가함에 따라, 물체는 더 낮은 공진 주파수를 나타낸다. 그러므로, 혼 스택(100)의 길이가 예컨대 열팽창에 의해 일어나는 바와 같이 증가됨에 따라, 이는 더 낮은 공진 주파수를 나타낸다. 특히, 물체의 길이(l)는 하기의 식에 의해 공진 주파수(f)와 관련된다.
Figure 112008032289578-pct00001
,
여기서, E는 물체의 탄성 계수를 나타내며, ρ는 물체의 밀도를 나타낸다. 물체가 혼성적인(예를 들어, 여러 부분으로 구성되거나, 상이한 재료로 형성된 여러 섹션을 갖는) 경우에, E 및 ρ는 그 다양한 부분을 고려하여 이들 재료의 거동을 나타내는 값으로 할당될 수(예를 들어, 가중 평균치가 될 수) 있다.
일부 실시예에 따르면, 에너지 공급원(102)은 혼 스택(100)의 공진 주파수(f)를 검출하여 이와 동일한 주파수의 AC 신호를 발생시킨다. 예를 들어, 에너지 공급원(102)은 특정 피크-피크 전압(또는 실효 전압)을 나타내는 정현파 신호를 혼 스택(100)에 전달할 수 있다. 정현파 신호의 피크-피크(또는 실효) 전압을 일정하게 유지하면서, 에너지 공급원(102)은 신호의 주파수를 조정하고 혼 스택(100)에 의해 최소 전류가 인출되는 주파수를 찾게 되는데, 이 주파수는 혼 스택(100)의 공진 주파수이다. 따라서, 이러한 각 실시예에 있어서, 혼 스택(100)의 공진 주파수는 에너지 공급원(102)으로부터 얻어질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 혼 스 택(100)의 공진 주파수는 검출기로 혼 스택(100)을 관측함으로써 검출될 수 있다.
혼 스택(100)의 공진 주파수를 얻고 나서, 전술한 물리적 원리와 유사한 방식으로 공진 주파수를 혼 스택의 길이와 관련시킴으로써 혼 스택(100)의 전체 길이를 얻을 수 있다. 컨버터(104) 및 부스터(106)가 냉각되어 이에 작용하는 열팽창의 영향을 실질적으로 억제하는 것으로 가정하면, 혼 스택(100)의 길이는 간극 거리와 관련될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 방안에 따르면, 간극 거리 및 혼(108)의 길이(l)는 하기의 식과 관련된다.
간극 거리
Figure 112008032289578-pct00002
D - l,
여기서 D는 혼(108)의 상부와 앤빌(110)의 공작물 지지면(210) 사이의 거리를 나타내는 대략 일정한 값이다.
도 3은 용접 혼(108)과 앤빌(110)의 공작물 지지면(210) 사이의 간극 거리를 결정하기 위한 시스템을 도시한다. 도 3의 시스템은 음향 신호를 혼(302)(및 부스터)에 전달하는 초음파 전원(300)(예를 들어, AC 신호를 컨버터에 전달하는 전기 전원, 여기서 상기 컨버터는 상기 신호를 음향파로 변환시킴)을 포함한다. 초음파 전원(300)의 작동을 제어하는 펌웨어/소프트웨어를 저장하는 메모리 장치와 데이터 통신하는 프로세서와 같은 제어기 회로에 의해 초음파 전원(300)이 제어된다. 대안적으로, 제어기 회로는 하드웨어 기반 제어 루프(hardware-based control loop)로서 구현될 수 있다. 여하튼간에, 초음파 전원(300)의 제어기는 혼 스택의 공진 주파수를 확인하고 내부의 전력 공급 신호 발생 회로에 명령을 내려 상기 공진 주파수와 동일한 주파수의 음향 신호를 생성하기 위해 컨버터와 상호 작용하게 한다. 전원(300) 내의 제어기는 간극 결정 유닛(304)과 인터페이스할 수 있다.
간극 결정 유닛(304)은 혼 스택의 공진 주파수를 수신하여 간극 거리에 대해 알려진 관계에 있는 양을 생성한다. 일 실시예에 따르며, 간극 결정 유닛(304)은 메모리 유닛에 결합된 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어 모듈이다. 간극 결정 유닛(304)은 초음파 전원(300)을 제어하는 펌웨어가 실행되는 동일한 프로세서 상에서 실행될 수 있다. 대안적으로, 간극 결정 유닛은 데이터 통신 관계에 있는 상이한 프로세서 상에서 실행될 수도 있다. 여하튼간에, 간극 결정 유닛(304)에 의해 실행되는 소프트웨어/펌웨어는 도 4A 내지 도 5B를 참조하여 설명되는 (이하의) 방안에 따라 작용할 수도 있다.
대안적인 실시예에 따르며, 간극 결정 유닛(304)은 초음파 전원(300) 이외의 공급원으로부터 혼 스택의 공진 주파수를 수신할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 혼 스택을 관측하고 그 공진 주파수를 측정하여 공진 주파수를 간극 결정 유닛(304)으로 전달하는 검출기(306)를 포함할 수 있다. 이어지는 설명에서, 단지 예시적으로, 공진 주파수는 초음파 전원(300)으로부터 발생되는 것으로 가정된다.
도 4A는 간극 결정 유닛(304)이 작동할 수 있는 방안을 도시한다. 간극 결정 유닛(304)은 메모리 장치에 저장되는 테이블(400)을 포함할 수 있다. 테이블(400)은 공진 주파수에 따라 구성되며, 간극 거리(G)를 공진 주파수(f)에 연관시킨다. 따라서, 공진 주파수(f)를 수신하면, 간극 결정 유닛(304)은 공진 주파수를 이용하여 테이블(400)에 액세스하고 공진 주파수(f)에 대응하는 간극 거리(G)를 결 정한다. 예를 들어, 간극 결정 유닛(304)이 입력으로서 주파수(f2)를 수신한 것으로 가정하면, 유닛(304)은 테이블(400)에 액세스하여 주파수(f2)에 대응하는 행(row)을 확인함으로써 응답한다. 상기 행의 확인시, 그 행에 입력된 간극 거리(G2)가 되돌려 보내진다. 선택적으로, 테이블(400)은 혼 스택(100)의 길이(L)를 결정하거나 또는 간극 거리에 대해 알려진 관계에 있는 임의의 다른 양을 결정하도록 액세스될 수 있다. 간극 결정 유닛(304)이 입력으로서 값(fx)을 수신하는 것으로 가정하고, 이 값(fx)이 연속하는 테이블 항목(entry) 사이에 존재(즉, fi<fx<fi+1)하는 것으로 가정하면, 간극 결정 유닛(304)은 테이블(400)에 액세스하여 간극 거리 값(Gi, Gi +1)을 얻을 수 있으며 공진 주파수(fx)에 대응하는 간극 거리를 얻도록 상기 2개의 값 사이에 보간될 수 있다.
테이블(400) 내의 다양한 항목은 혼 스택(100)의 길이 및 간극 거리가 테이블(400) 내의 각각의 주파수(f)에 대해 기록된 귀납적 과정(heuristic process)에 의해 사전에 지정(populated)될 수 있다. 대안적으로, 테이블(400) 내의 다양한 항목은 전술된 바와 유사한 방법으로 이론적 계산에 의해 지정될 수도 있다.
도 4B는 간극 결정 유닛(304)이 작동될 수 있는 다른 방안, 즉 이론적 계산을 도시한다. 예를 들어, 간극 결정 유닛(304)은 작업(402)에 도시된 바와 같이 혼 스택(100)의 공진 주파수(f)를 수신함으로써 그 작업을 개시할 수 있다. 이후, 유닛(304)은 작업(404)에 도시된 식의 기초가 되는 물리적 원리에 근거하는 식의 사용과 같이 공진 주파수에 근거하여 혼(108)의 길이(L)를 계산함으로써 응답한다. 최종적으로, 작업(406)에 도시된 바와 같이, 유닛(304)은 적용된 장착 방안으로부터 유발되는 특정 기하학적 제한치에 대한 이해를 근거로 작업(404)에서 결정된 길이(L)를 간극 거리에 연관시킬 수 있다. 예를 들어, 도 2의 장착 방안의 관점에서, 간극 거리는 다음과 같이 얻어질 수 있다.
간극 거리 = D - L,
여기서 D는 혼(108)의 상부와 앤빌(110)의 공작물 지지면(210) 사이의 거리를 나타내며, L은 혼의 길이를 나타낸다.
도 5A는 연속 초음파 용접에 사용되는 용접 혼(500)의 일 예를 도시한다. 혼(500)은 혼(500)이 회전할 수 있는 종방향 축(502)을 포함한다. 혼(500)은 장착 시스템(도 5A에는 도시되지 않음)에 의해 제한되어, 혼과 앤빌(504) 사이에 일정 간극이 유지된다. 혼 스택은 시스템 상의 소정의 절점에 장착될 수 있다. 혼의 종방향 축(502)은 앤빌(504)의 공작물 지지면(506)과 실질적으로 평행하다.
혼 스택의 공진 주파수에 근거하여 혼과 앤빌 사이의 간극 거리를 결정하는 전술한 원리는 도 5의 혼(500)에 적용 가능하다. 재료가 열적으로 팽창될 때, 이들은 모든 방향으로 동일한 비율로 팽창된다. 그러므로, 도 5B에 도시된 하기의 기술을 이용하여 혼과 앤빌 사이의 간극의 거리를 결정할 수 있다.
먼저, 작업(508)에 도시된 바와 같이, 혼 스택의 공진 주파수가 수신된다. 이후, 혼(502)의 길이(L)가 전술한 바와 유사한 방식으로 주파수에 근거하여 결정된다 [작업(510)]. 이전과 같이, 도 5A의 혼 스택은 컨버터(도 5A에 도시되지 않 음) 및 부스터(도 5A에 도시되지 않음)가 작동 중에 실질적으로 일정한 온도로 유지되어 열팽창 및 시스템 공진 주파수에 대한 영향을 억제하도록 냉각된다.
혼(500)이 모든 차원에서 비례적으로 팽창되기 때문에, 혼의 길이(L) 및 반경 사이의 비율(B)은 일정하게 유지된다. 그러므로, 혼(502)의 길이를 계산한 후에, 혼의 반경은 작업(512)에서 도시된 바와 같이 길이에 전술한 비율(B)을 곱함으로써 얻을 수 있다. 최종적으로, 간극의 거리는 작업(514)에 도시된 바와 같이 혼(500)의 종방향 축과 앤빌(504)의 공작물 지지면(506) 사이의 거리(D)로부터 반경을 뺌으로써 결정될 수 있다.
도 5B에 관하여 설명된 방법의 결과는 도 4A에 관하여 설명된 바와 같이 테이블 내에 저장될 수 있다는 것을 알아야 한다. 따라서, 간극 거리 또는 이에 대해 알려진 관계에 있는 임의의 값은 혼 스택의 공진 주파수에 근거하여 이러한 테이블에 액세스함으로써 얻어질 수 있다.
도 6은 혼 스택의 공진 주파수의 관측에 근거하여 혼과 앤빌 사이에 실질적으로 일정한 간극을 유지하기 위한 제어 시스템을 도시한다. 이 시스템은 혼 스택(600) 및 이에 결합되는 전원(602)을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 전원(602)은 전술한 바와 같이 혼 스택(600)의 공진 주파수를 결정한다.
위치 조정기(606)가 혼 스택에 결합된다. 위치 조정기(606)는 입력 신호의 제어 하에 앤빌을 향하도록 또는 앤빌로부터 멀어지도록 혼 스택(600)을 조정한다. 조정기(606)에 전달되는 입력 신호와 그에 대한 응답 사이에는 알려진 관계가 존재한다. 위치 조정기(606)는 제어 신호 발생기(604)와 데이터 통신 관계에 있다. 제어 신호 발생기(604)는 입력으로서 혼 스택의 공진 주파수를 수신하고 위치 조정기(606)에 전달되는 제어 신호를 발생시킨다. 혼 스택(600)의 공진 주파수 및 위치 조정기(606)의 응답과 그 입력 신호 사이의 관계가 주어진다면, 제어 신호 발생기(604)는 앤빌과 혼 사이에 실질적으로 일정한 간극을 유지시키는 제어 신호를 발생시킨다.
제어 신호 발생기(604)는 전술한 원리에 따라 펌웨어/소프트웨어를 저장하는 메모리 장치와 데이터 통신하는 프로세서와 같은 제어 회로로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 제어 신호 발생기는 전술한 제어 신호를 발생시켜 실질적으로 일정한 간극을 유지시키는 ASIC(application-specific integrated circuit)로서 구현될 수 있다. 본 명세서의 하기의 부분에서, 위치 조정기에 대한 특정 실시예가 개시된다. 본 발명의 실시를 위해 이하 설명되는 위치 조정기를 사용하는 것이 꼭 필요한 것은 아니다. 또한, 본 명세서의 전술한 부분은 혼 스택의 공진 주파수에 근거하여 간극의 거리 또는 혼의 길이를 결정하는 특정 방법에 관한 것이다. 다른 실시예에 따르면, 이러한 결정은 혼 스택 또는 그의 다양한 구성요소의 온도의 측정에 의해 얻어질 수 있다.
도 7은 혼과 앤빌 사이의 간극을 조정하기 위한 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 시스템은 앤빌(704)의 공작물 지지면(702) 위에 배향되는 혼(700)을 포함한다. 혼(700)은 프레임(706)에 견고하게 결합된다. 프레임(706)은 수납기(receiver, 710)와 결합하는 슬라이드(708)를 포함하여 프레임(706) 및 혼(700)이 수직 방향으로 이동할 수 있다.
프레임(706)은 한 쌍의 부재(714)에 의해 프레임(706)에 결합되는 힘 수용 플레이트(712)를 또한 포함한다. 힘은 힘 작용기(force applicator; 도 7에 도시되지 않음)에 의해 힘 수용 플레이트(712)에 가해진다. 힘은 혼(700)을 앤빌(704)을 향해 가압한다. 힘의 방향은 화살표(713)로 표시된다. 힘은 접촉면(716)이 탄성 변형 정지부(elastic deformable stop; 718)와 접하도록 하는 효과를 갖는다. 탄성 변형 정지부(718)에 가해지는 힘은 정지부(718)가 변형되게 하여 하향 휨(deflection)[즉, 앤빌(704)의 방향으로의 휨]을 나타내게 한다. 일반적으로, 플레이트(712)에 가해지는 힘이 클수록 정지부(718)에 나타나는 하향 휨은 더 커진다. 정지부(718)에 나타나는 휨이 클수록 혼(700)과 앤빌(704) 사이의 간극은 작아진다.
혼(700)과 앤빌(704) 사이에 일정한 간극을 유지하기 위해, 하기의 방안이 이용될 수 있다. 혼(700)이 상승되지 않은 온도에 있는 동안, 초기 힘이 플레이트(712)에 가해져 혼(700)과 앤빌(704) 사이의 간극이 "이상적인" 거리로 형성되게 한다. 혼(700)이 작동 동안 열적으로 팽창함에 따라 간극은 점점 작아진다. 이러한 영향에 대항하기 위해, 플레이트(712)에 가해지는 힘이 감소되어 정지부(718)가 더 작은 휨을 나타내도록 하는데, 이는 혼(700)과 프레임이 상향(즉, 앤빌로부터 멀어지는 방향)으로 이동됨을 의미한다. 따라서, 혼(700)과 앤빌(704) 사이의 간극은 플레이트(712)에 가해지는 힘을 제어함으로써 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 방안의 기능성을 보장하기 위해, 플레이트(712)에 가해지는 초기 힘은 크기가 적어도 대항할 예상 열팽창만큼은 큰 휨을 정지부(718)가 나타내기에 충 분한 크기여야 한다.
변형 가능한 정지부(714)는 탄성적이며, 바람직하게는 상대적으로 큰 탄성 계수를 갖는다. 상대적으로 큰 탄성 계수를 갖는 재료를 선택함으로써, 정지부(714)를 휘게 하는 데에 요구되는 힘이 공정 상의 힘(process force)(즉, 혼에 의해 공작물에 가해지는 힘)에 비해 상대적으로 큰 상황이 생성된다. 이러한 배치는 제어 설계를 용이하게 한다. 일 실시예에 따르면, 정지부(714)는 강 또는 다른 적합한 재료로 제조될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 정지부(714)에 가해지는 힘은 그 재료가 탄성 범위를 벗어나지 않도록 한다[즉, 정지부(714)는 힘이 제거되면 원래의 형태로 복귀할 것이다]. 또한, 일 실시예에 따르면, 정지부(714)는 그에 가해지는 힘에 비례하는 휨을 나타내는데, 즉 정지부(714)에 가해지는 힘과 이에 의해 나타나는 휨의 크기 사이의 선형 관계가 존재한다.
도 8A는 도 7의 예시적인 조정 시스템과 함께 사용하기 위한 제어 시스템의 일 예를 도시한다. [이하 설명되는 도 8A의 다양한 유닛(804-810)은 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장되고 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로서 구현될 수 있거나, 또는 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASIC)와 같은 전용 하드웨어로서 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array)로서 구현될 수 있다.] 또한, 유닛(804 내지 810)은 설계상 선택의 문제로 조합되거나 분리될 수 있다. 도 8A로부터 알 수 있는 바와 같이, 시스템은 초음파 전원(802)에 결합되는 혼(800)을 포함한다. 간극 결정 유닛(804)은 혼(800)과 앤빌(도 8에 도시되지 않음) 사이의 간극을 결정한다. 일 실시예에 따르면, 간극 결정 유닛(804)은 전 원(802)으로부터 혼 스택의 공진 주파수를 얻게 되며, 그로부터 간극을 결정한다. 다른 실시예에 따르면, 간극 결정 유닛(804)은 혼(800)의 관측에 의해 상기 혼의 공진 주파수를 검출한다. 또 다른 실시예에 따르면, 간극 결정 유닛(804)은 혼의 온도의 측정에 의해 간극 거리를 얻게 되는데, 이는 온도 측정에 의해 혼 길이를 추정하고 혼 길이에 기초하여 간극 거리를 얻는다.
간극 결정 유닛에 의해 얻어진 간극 거리는 힘 결정 유닛(806)에 공급된다. 힘 결정 유닛(806)은 간극을 실질적으로 일정한 거리로 유지하기 위해 프레임[즉, 도 7의 플레이트(712)]에 가해지는 힘을 결정한다. 힘 결정 유닛(806)에 의해 얻어진 힘은 제어 신호 발생기(808)에 공급된다. 제어 신호 발생기(808)는 제어 신호를 형성하여 그 제어 신호를 힘 작용기(810)에 전달한다. 힘 작용기(810)는 수신된 제어 신호와 작용기가 가하는 힘 사이의 알려진 관계를 나타낸다. 따라서, 제어 신호 발생기(808)는 그러한 관계의 관점에서 제어 신호를 형성한다.
도 8B는 간극 결정 유닛(804)과 힘 결정 유닛(806)의 예시적인 실시예를 도시한다. [도 8A의 유닛에서와 같이, 이하 설명되는 도 8B의 다양한 유닛은 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장되고 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로서 구현될 수 있거나, 또는 하나 이상의 주문형 집적 회로와 같은 전용 하드웨어로서 또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이로서 구현될 수 있다. 또한, 도 8B의 유닛은 설계상 선택의 문제로 조합되거나 분리될 수 있다]. 도 8B에서 알 수 있는 바와 같이, 간극 결정 유닛(804)은 길이 결정 유닛(812)과 간극 확인 유닛(814)을 포함한다. 길이 결정 유닛(812)은 혼 스택의 공진 주파수를 수신하고, 도 4A 및 도 4B에 관하여 설명된 방법 중 하나를 적용하여 혼의 길이를 구한다. 이후, 혼의 길이는 간극 확인 유닛(814)에 의해 수신된다. 간극 확인 유닛(814)은 장착 방안에 의해 부여되는 특정 기하학적 형상 및 혼의 길이에 대한 이해에 의해 간극 거리를 얻는다[예를 들어, 간극 거리는 혼의 상부로부터 공작물 지지면까지의 거리와 혼 길이 사이의 차이와 동일할 수 있다(간극 = D - L)].
간극 거리를 얻은 후에, 이 값은 힘 결정 유닛(806)에 제공된다. 힘 결정 유닛(806)은 간극을 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 프레임에 가해지는 힘을 얻는다. 얻어진 힘은 특히 정지부의 길이(L정지부), 정지부의 탄성 계수(E), 정지부의 단면적(A), 초기 간극 거리와 간극 결정 유닛(804)에 의해 얻어지는 간극 거리 사이의 차이(ㅿ) 및 조립된 시스템의 휨의 함수이다.
도 9A는 힘 결정 유닛(806)이 작동될 수 있는 방안을 도시한다. 힘 결정 유닛(806)은 메모리 장치에 저장되는 테이블(900)을 포함할 수 있다. 테이블(900)은 공진 간극 거리(G)에 따라 구성되며, 힘(F)을 간극 거리(G)에 연관시키게 된다. 따라서, 간극 거리(G)를 수신하면, 힘 결정 유닛(806)은 간극 거리를 이용하여 테이블(900)에 액세스하고 그리고 간극 거리(G)에 대응하는 힘(F)을 결정한다. 예를 들어, 힘 결정 유닛(806)이 입력으로서 간극 거리(G2)를 수신한다고 가정하면, 유닛(806)은 테이블(900)에 액세스하여 간극 거리(G2)에 대응하는 행을 확인함으로써 응답한다. 상기 행의 확인시, 그 행에 입력된 힘(F2)이 되돌려 보내진다. 선택적으로, 테이블(900)에 액세스하여 힘 작용기(810)로 전달될 제어 신호(C)를 결정하 거나 또는 프레임 상에 가해지는 힘에 대해 알려진 관계에 있는 임의의 다른 양을 결정할 수 있다. 힘 결정 유닛(806)이 입력으로서 값(Gx)을 수신하는 것으로 가정하고 이 값(Gx)이 연속하는 테이블 항목 사이에 존재(즉, Gi<Gx<Gi+1)하는 것으로 가정하면, 힘 결정 유닛(806)은 테이블(900)에 액세스하여 힘의 값( Fi, Fi+1)을 얻을 수 있으며 간극 거리(Gx)에 대응하는 힘에 도달하도록 상기 2개의 값 사이에 보간될 수도 있다.
테이블(900) 내의 다양한 항목은 프레임에 가해질 힘과 이에 대응하는 제어 신호가 테이블(900) 내의 각각의 간극 거리(G)에 대해 실험적으로 결정되는 귀납적 과정에 의해 사전에 지정될 수 있다. 대안적으로, 테이블(900) 내의 다수의 항목은 도 9B와 관련하여 이하에 설명되는 바와 유사한 방법으로 이론적 계산에 의해 지정될 수도 있다.
도 9B는 힘 결정 유닛(806)이 작동될 수 있는 다른 방안, 즉 이론적 계산을 도시한다. 예를 들어, 힘 결정 유닛(806)은 작업(902)에 도시된 바와 같이 간극 결정 유닛(804)에 의해 계산되는 간극 거리(CG)를 수신함으로써 그 작업을 개시할 수 있다. 이후, 유닛(806)은 작업(904)에 도시된 바와 같이 초기 간극(IG)과 계산된 간극(CG) 사이의 차이를 계산함으로써 응답하게 된다. 이러한 차이(ㅿ)는 간극을 그 초기 거리로 복귀시키기 위해 정지부의 휨이 감소되어야 하는 양을 의미한다. 따라서, 작업(906)에서, 프레임에 가해지는 새로운 힘(F신규)은 상기 작업에 도 시된 식을 힘(F신규)에 대해 풀어서 얻을 수 있다.
도 10은 혼과 앤빌 사이의 간극을 조정하기 위한 시스템의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 용접 시스템(1010)은 지지면(1017)에 고정되는 용접 시스템(1030) 및 지지면(1018)에 고정되는 앤빌(1021)을 구비한다. 용접 시스템(1030)은, 혼 지지체(1020)에 의해 지지되고 표면(1017)에 대해 이동 가능한 혼(1032), 표면(1017)에 대해 고정된 지지 플레이트(1056)를 갖는 고정 정지부(1055), 및 팽창식 공압 블래더(bladder; 1061)를 포함한다.
블래더(1061)는 혼 지지부(1020) 및 혼(1032)이 앤빌(1021)을 향해 이동하도록 힘을 가하기 위해 사용되며, 이 힘은 블래더(1061) 내의 공기압을 조정함으로써 제어된다. 표면(1025)이 고정 정지부(1055)와 접촉함에 따라, 지지 플레이트(1056)는 가해진 힘 하에서 약간 휘게 된다.
하나의 특정 예에 있어서, 원하는 제품을 용접하기 위해 허용되는 최소의 힘은 약 272 kgf (600 lbf)이며, 이는 블래더(161) 내의 약 207 ㎪ (30 psig)의 공기압에 의해 발생된다. 원하는 고정 간극은 약 0.05 ㎜ (0.0020 인치)이다.
티타늄 혼을 이용한 작업에 있어서, 온도는 실온에서부터 최대 약 27.7℃ (50℉)만큼 증가할 것이며, 이는 혼의 길이를 약 0.025 ㎜(0.0010 인치)만큼 증가시킬 것이다. 결과적으로, 혼(1032)과 앤빌(1021) 사이의 간극은 별도의 보상이 없다면 약 0.025 ㎜ (0.0010 인치)로 감소된다. 지지 플레이트(1056)의 휨은 약 3002.5 N[675 lbf (306 kgf)] 당 약 0.025 ㎜ (0.0010 인치)인 것으로 알려져 있다. 그러므로, 실온의 혼에 가해진 힘은 적어도 약 510 kgf (1125 lbf) 또는 약 414 ㎪ (60 psig)이어야 한다. 혼이 작동하고 길이가 증가됨에 따라, 가해진 공기압은 약 414 ㎪ (60 psig )로부터 약 207 ㎪ (30 psig)로 감소되어 혼과 앤빌 사이의 간극을 일정하게 유지한다.
변형 가능한 정지부 조립체를 이용함으로써 앤빌과 혼 사이의 거리를 제어하도록 일반적으로 구성되는 용접 장치는 고정 정지부를 갖는 앤빌, 혼, 및 고정 정지부의 탄성 변형이 혼과 앤빌 사이의 간극에 대한 정밀 제어를 제공하도록 고정 정지부에 대해 혼을 가압하도록 힘을 가할 수 있게 장착되는 힘 작용기를 포함한다. 이 장치는 혼의 특정 특성을 모니터링하여 특정 특성의 변경에도 불구하고 혼과 앤빌 사이의 간극을 고정값으로 유지하기 위해 혼에 가해지는 힘을 제어하는 감지 시스템을 포함할 수 있다. 모니터링된 특성은 예를 들어 혼의 온도, 길이 또는 진동 주파수일 수 있다.
열팽창으로 인한 혼 길이 증가에 대한 보상을 위해 변형 가능하지만 고정된 정지부의 사용은 회전식 앤빌, 고정식 앤빌, 회전식 혼, 고정식 혼 또는 이들의 조합과 함께 사용될 수 있다.
사용시, 접합될 공작물은 혼과 앤빌 사이에 위치될 것이며, 에너지가 혼에 인가되어 혼이 활성화되고, 힘이 혼에 가해져 고정 정지부의 탄성 변형이 혼과 앤빌 사이의 간극의 미세 조정을 제공하도록 혼을 고정 정지부에 대해 가압되게 한다.
전술한 방법을 이용하기 위해, 시스템에 대한 데이터를 결정하고 이어서 특 정 유닛을 위한 제어 시스템에 사용될 수 있는 식에 상기 데이터를 피팅(fit)한다. 출원인은 전술한 시스템을 위한 하기의 방법을 사용하였으나, 이 방법은 상이한 구성을 갖는 다른 시스템에도 적용될 수 있다. 이 식은 공학적 원리를 이용하거나 또는 별개의 시스템으로부터 측정된 데이터를 이용하여 도출될 수 있다.
수학식 2 내지 5는 2개의 변수의 선형 시스템에 대해 최상으로 피팅되었다. 식의 기울기 및 절편은 시스템의 최상의 피팅 측정 데이터로부터 실험적으로 결정되었다. 변수들 사이의 관계에 대한 측정은 유사하게는 임의의 특정 시스템의 기울기 및 절편을 산출할 수 있다. 시스템이 작동 영역에서 선형으로 거동하는 것이 바람직하며, 만약 시스템이 비선형이라면 2차 이상의 방정식이 사용될 수 있다.
출원인은 초음파 용접 동안 간극의 제어를 위해 이하 설명되는 방법을 개발하여 사용하였다.
먼저, 전술한 회전식 초음파 시스템에 대해, 하기의 매개변수가 결정되었다.
(1) 혼 직경 = 17.48 ㎝ (6.880") (2) 주위 온도 = 18℃ (65℉).
(3) 주위 온도에서의 주파수 = 19.986 ㎑
(4) 간극이 설정된 압력 = 499.9 ㎪ (72.5 psig).
(5) 공정을 위한 간극 설정점 = 0.05 ㎜ (2 mils) (1 mil = 0.001 inch).
혼의 물성 또한 알려져 있다.
(6) 열팽창 계수, α
Figure 112008032289578-pct00003
Figure 112008032289578-pct00004
시스템이 활성화되어 작동할 때, 혼은 온도가 증가할 것이다. 그후, 연속적으로 용접을 할 때, 간극이 남아있지 않게 될[즉, 0.05 ㎜ (2.0 mil) 간극이 영(zero), 예를 들어 혼과 앤빌 사이의 접촉이 되는] 온도(T최종)가 얼마가 될지를 결정한다. 이 온도는 수학식 1을 풀어 구한다.
Figure 112008032289578-pct00005
수학식 1에서, T최종은 간극이 영(zero)이 되는 온도이며, IG는 시스템이 설치되고 작동되지 않고 있을 때 설정 및 측정된 초기 간극(단위: mil)이며, D는 회전식 혼의 외경이고, α는 혼 재료의 열팽창 계수이다. 알루미늄 혼에 대해 상기의 입력을 이용하여 수학식 1을 풀면 작업 동안 혼의 가열에 근거하여 간극이 영이 되게 하는 78.17℃ (172.7℉)의 온도를 얻게 된다. 따라서, 만약 혼이 78.15℃ (172.67℉)로 가열되면, 남아 있는 간극은 없게 될 것이다. 따라서, 온도에 대한 상한선이 존재한다. 임의의 주어진 시스템에 대한 상한선은 회전식 시스템에 대해 수학식 1을 사용하여 얻을 수 있다. 당업자는 유사한 식이 다른 기하학적 형상에 대해 도출될 수 있으며, 간극이 없어지는 것을 방지하기 위한 상한의 작업 온도가 결정될 수 있다는 것을 또한 알게 될 것이다.
혼의 동적 공진 상태에서의 온도를 측정하는 것은 어렵기 때문에, 본 발명자 는 간접적이지만 정확한 온도 측정이 가능한 대안(surrogate)을 사용하여 발전시켰다. 직접적인 온도 측정 대신에, 혼의 주파수는 작동 중에 혼의 주파수를 측정하고 이어서 하기의 수학식 2를 이용하여 온도를 결정함으로써 혼의 주파수를 결정한다.
Figure 112008032289578-pct00006
수학식 2에서, λ최소는 간극이 영이 되기 전에 혼이 작동될 수 있는 최소 주파수이며, 일차 방정식의 계수는 실험에 의해 경험적으로 결정되었다. 입력 매개변수에 대해 수학식 2를 풀면, 간극은 혼의 주파수가 19,802 ㎐ 미만으로 떨어질 때 영이 될 것이다. 혼의 주파수는 당업자에 의해 통상 사용되는 표준 장비를 이용하여 쉽게 측정될 수 있는 매개변수이므로, 당업자는 간극이 폐쇄되는 것을 방지하는 회전식 시스템의 최소 작동 주파수를 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 결정할 수 있으며, 이와 같이 간극이 폐쇄되면 제품의 손상이 초래될 수 있고 또한 접촉에 의해 혼 및/또는 앤빌이 손상될 수 있다.
수학식 1 및 수학식 2를 사용하여, 간극을 온도에, 그리고 온도를 주파수에 관련시키는 능력을 갖게 된다. 따라서, 간극을 주파수에 관련시킬 수 있게 된다. 정상 작동 동안, 재료가 간극[또는 닙(nip)] 내에 있을 때, 간극을 측정하는 것은 어렵지만 전술한 원리를 이용하여 간극을 결정하기 위해 주파수를 이용할 수 있다. 혼과 앤빌 사이의 간극과 혼의 주파수 사이의 관계는 (주파수의 함수로서 간극을 구하거나 아니면 그 역으로 구할 수 있는) 하기의 수학식 3을 사용하여 결정될 수 있다.
Figure 112008032289578-pct00007
수학식 3에서, λ는 혼 주파수이고 간극은 mil 단위(1 mil = 0.001 inch)로 측정된다. 0.025 ㎜ (1 mil)의 간극에 대해 수학식 3을 풀면 19,889 ㎐의 주파수가 얻어진다. 주파수의 함수로서 간극 변화를 결정하는 방법이 이제 있음을 알 수 있다. 수학식 1 내지 수학식 3에 의해 이와 같이 결정된 정보를 이용하여, 혼/앤빌 배치에 가해지는 힘을 제어하여 용접 조립체의 작동 동안 혼의 주파수 및 온도가 변할 때 작동 간극을 일정하게 유지할 수 있다.
간극을 제어하여 일정한 작동 값을 유지하기 위해, 시스템에 가해지는 압력이 제어되며, 이럼으로써 혼이 작동 동안 가열됨에 따른 혼의 열팽창을 보상한다. 상기의 예를 다시 참조하면, 간극이 0.025 ㎜ (1 mil)로 감소할 때, 시스템이 0.05 ㎜ (2 mils)의 최초 간극 설정값을 유지하거나 이로 되돌아 갈 수 있도록 시스템 상에 가해지는 압력을 감소시킬 필요가 있다. 따라서, 열팽창을 보상하기 위해, 압력은 간극이 0.05 ㎜ (2 mils)으로 되돌아 가도록 감소된다.
압력을 적절히 감소시키기 위해, 하기의 수학식 4에 의해 알 수 있는 바와 같이, 압력과 주파수 사이의 관계를 먼저 결정할 필요가 있다.
Figure 112008032289578-pct00008
여기서 P보상은 시스템 상의 압력(psi 단위)의 감소이며, λ는 수학식 3으로부터 결정된 주파수이며, P설정점은 초기 간극 설정점에서의 압력이다.
예를 들어, 상기의 매개변수를 이용하여, 혼이 열팽창으로 인해 0.025 ㎜ (1 mil) 팽창할 때 0.05 ㎜ (2 mils)의 초기 간극을 회복하는 데에 필요로 하는 압력 감소를 결정할 수 있다.
예: 간극이 0.025 ㎜ (1 mil )로 변경되는 경우 필요로 하는 압력 보정은 얼마인가?
먼저 수학식 3으로부터 0.025 ㎜ (1 mil)의 간극에 대한 주파수를 계산한다(앞서 결정된 바와 같이 그 값은 19.889 ㎑이다). 이어서, 그 값을 수학식 4에 대입하게 되면,
P보상 = -367.3404 (19.889) + 7412.7731 - 72.5
= 106.7399 - 72.5
P보상 = 34.24 psig (236.08 ㎪) (작동 압력의 감소)
압력이 결정된 후, 열팽창을 보상하기 위해 압력 보상시 간극은 얼마인지를 확인할 수 있다. 이러한 간극은 열팽창으로 인한 간극 변경을 초기 간극에 합한 것과 대략 동일해야 한다. 확인을 위해, 압력과 간극 사이의 관계가 하기의 수학 식 5에 의해 먼저 결정된다.
P보상 = 35.461 * (압력 보상시의 간극) + 142.205
예를 들어, (수학식 4로부터의) 236.08 ㎪ (34.24 psig)의 압력 보상시 수학식 5를 재정리(rearrange)할 수 있으며 간극에 대해 풀 수 있다.
압력 보상시의 간극 = (34.24-142.205)/-35.461 = 3.045 mils(0.77 ㎜)
따라서, 초기 간극이 0.05 ㎜ (2.0 mils)로 설정되었고 간극 변화가 0.025 ㎜ (1 mil)이었기 때문에 당업자는 상기 모델의 유효함을 확인할 수 있다. 따라서, 작업 동안 혼의 가열로 인한 0.025 ㎜ (1 mil) 팽창에 대한 보상을 위해, 간극을 0.025 ㎜ (1 mil)만큼 개방하여 원래의 0.05 ㎜ (2.0 mils) 간극으로 회복되게 한다.
따라서, 작동 매개변수를 결정하기 위해 전술한 식을 사용하여(또는 선형 혼 또는 다른 기하학적 형상에 대한 등가물을 유도하여), 회전식 초음파 용접 공정에 대한 작업 한계를 결정할 수 있다. 예를 들어, 작업 온도 한계는 수학식 1 및 간극 설정점 값(목표치)을 이용하여 얻어진다. 초음파 혼의 작동 주파수 한계는 수학식 2를 이용하고 수학식 1로부터의 온도 한계치를 이용하여 얻어진다. 간극이 변할 때의 주파수는 수학식 3 및 입력으로서의 간극의 값을 이용하여 얻어진다. 간극이 변할 때의 온도는 수학식 2를 이용하지만 수학식 3으로부터 결정된 주파수의 값을 이용하여 얻어진다. 간극 변화에 대한 압력 보상은 수학식 4를 이용하지 만 수학식 3으로부터의 주파수의 값을 이용하여 얻어진다. (주위 온도에서의) 압력 보상시의 간극은 수학식 5를 이용하지만 수학식 4로부터의 압력 보상 값을 이용하여 얻어진다.
혼과 앤빌 사이의 간극이 제어될 수 있는 또 다른 방안이 존재한다. 이미 언급한 바와 같이, 초음파 용접의 관점에서, 혼은 대체로 20,000 내지 40,000 ㎐ 범위의 음향 신호에 의해 구동된다. 도 11A는 음파가 혼의 종방향 축을 따라 전파될 때의 혼의 표면(1100)을 도시한다. 음파의 전파 방향은 화살표(1102)로 도시된다. 도 11A로부터 알 수 있는 바와 같이, 음파가 혼의 종방향 축을 따라 전파됨에 따라, 혼의 표면(1100)은 교란(perturb)되고 정재 파형(1104, standing waveform)을 나타낸다. 정재 파형(1104)은 혼 표면에 나타나는 "변위"(displacement)로 불리는 피크-피크 진폭을 나타낸다. 피크-피크 진폭 또는 표면 변위는 혼을 따라 전파되는 음향 신호의 진폭의 함수이다. 물론, 음향 신호의 진폭은 혼에 결합된 컨버터에 공급되는 전기 신호의 진폭의 함수이다. 따라서, 혼의 표면(1100)에 나타난 변위는 컨버터로 전달되는 전기 신호의 진폭의 함수이다. 전형적으로, 컨버터로 전달되는 전기 신호의 진폭이 커질수록, 혼을 따라 전파되는 음향 신호의 진폭이 커지며; 음향 신호의 진폭이 커질수록, 혼의 표면(1100) 상에 나타나는 변위도 커진다.
도 11A로부터 알 수 있는 바와 같이, 혼의 표면(1100)과 앤빌(1106)의 표면 사이의 간극은 변위의 함수이다. 혼이 더 큰 표면 변위를 나타냄에 따라, 혼의 표면과 앤빌의 표면 사이의 간극은 감소된다.
더 설명하기에 앞서, 도 11A 및 도 11B는 실제 척도로 도시되지 않았으며 표면 변위와 같은 도면 내의 일부 특징부는 예시를 위해 과장되었다는 점을 지적한다. [전형적인 혼은 예를 들어 정상 상태 하에서 작동될 때 대략 0.05 ㎜ (2 mils) 내지 0.08 ㎜ (3 mils)의 표면 변위를 나타낼 수 있다.]
설명을 위해, 도 11A에 도시된 표면 변위를 자극하는 전압 신호의 진폭은 진폭1로 불린다. 도 11B는 혼 표면이 진폭2(진폭2는 진폭1보다 작음)의 진폭을 갖는 전압 신호에 의해 자극을 받는 때인 것처럼 도 11A의 혼 표면(1100)을 도시한다. 도 11A와 도 11B를 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, 혼의 표면(1100)과 앤빌(1106) 사이의 간극은 혼을 자극하는 전압 신호의 진폭이 감소될 때 증가하는데, 이는 혼의 표면(1100)이 앤빌을 향해 그다지 많이 변위되지 않기 때문이다.
전술한 바와 같이, 전형적인 용접 작업 동안, 혼은 예를 들어 0.08 ㎜ (3 mils) 정도의 표면 변위를 나타낼 수 있다. 그러나, 용접 작업은 표면 변위가 예컨대 33% 감소되더라도 만족스러운 제품을 생산할 수 있다. 따라서, 전술된 예에 의하면, 용접 작업은 0.05 ㎜ (2 mils) 정도로 작은 변위를 나타내는 혼을 이용하여 실행될 수 있다. 이어서, 용접 작업은 0.08 ㎜ (3 mils)의 표면 변위를 자극하기에 충분한 진폭의 전기 신호를 이용하여 개시된다. 작업 동안, 혼은 열팽창을 겪는데, 이는 혼이 앤빌을 향해 팽창됨에 따라 혼과 앤빌 사이의 간극이 감소한다는 것을 의미한다. 이러한 영향에 대항하기 위해, 혼을 자극하는 전기 신호의 진폭은 원래의 0.08 ㎜ (3 mils)보다 작은 표면 변위를 생성하여 실질적으로 일정한 간극을 유지하도록 감쇠될 수 있다. 물론, 적절한 제품을 생산하기 위해 적어도 0.05 ㎜ (2 mils)의 변위를 필요로 하는 작업의 관점에서, 전기 신호는 혼의 표면이 요구되는 0.05 ㎜ (2 mils) 미만의 변위를 나타내는 정도로 감쇠되어서는 안된다.
혼과 앤빌 사이의 간극을 제어하기 위한 시스템의 예시적인 실시예가 도 12A에 도시된다. 도 12A에서 알 수 있는 바와 같이, 시스템은 전원(1202)으로부터 AC 전기 신호를 공급받는 혼(1200)(이 혼은 컨버터 및 부스터를 포함함)을 포함한다. 전원(1202)은 혼(1200)의 공진 주파수를 간극 결정 모듈(1204)에 전달한다. [이미 설명한 바와 같이, 전원(1202)은 혼 스택의 공진 주파수를 검출하고 그 주파수에서 혼 스택을 구동한다.]
간극 결정 모듈(1204)은 전술한 바와 같이 공진 주파수에 근거하여 간극 거리를 결정한다(아니면, 간극 변화를 결정하거나 또는 혼의 길이에 대해 알려진 관계에 있는 임의의 다른 값을 결정할 수 있다). 그후, 간극 거리(또는 그 변화)는 진폭 결정 모듈(1206)에 공급된다. 이에 응답하여, 진폭 결정 모듈은 간극을 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 전원에 의해 전달되는 전기 신호의 적합한 진폭을 확인한다. 진폭은 조회 테이블(look-up table)로부터 검색될 수 있거나 또는 계산에 의해 얻을 수 있다. 이에 의해 결정된 진폭은 제어 신호 발생 모듈(1208)에 전달되며, 이 제어 신호 발생 모듈은 적절한 명령 또는 제어 신호를 발생시켜 전원(1202)이 신호의 진폭을 진폭 결정 모듈(1206)에 의해 선택되는 진폭으로 조정하게 한다.
전술한 바와 같이, 모듈(1204 내지 1208)의 각각은 서로 상호 작용하는 하나 이상의 ASIC와 같은 전용 하드웨어로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 모듈(1204 내지 1208)은 메모리에 저장되는 소프트웨어/펌웨어로서 구현될 수 있으며, 통신 관계에 있는 프로세서에 의해 실행될 수 있다. 만약 펌웨어/소프트웨어로서 구현된다면, 모듈(1204 내지 1208)을 구성하는 명령이 동일한 프로세서에 의해 실행될 수 있거나 또는 설계상 선택의 문제로 복수의 프로세서에 의해 실행될 수 있다.
혼과 앤빌 사이의 간극을 제어하기 위한 시스템의 다른 예시적인 실시예가 도 12B에 도시된다. 도 12B의 시스템은 간극이 조정될 수 있는 2개의 상이한 방안을 이용하는데, 이는 (1) 혼의 위치 자체를 제어하는 것과, (2) 혼에 의해 나타나는 표면 변위의 양을 제어하는 것이다. 도 12B에서 알 수 있는 바와 같이, 시스템은 전원(1212)으로부터 AC 전기 신호를 공급받는 혼(1210)(이 혼은 컨버터 및 부스터를 포함함)을 포함한다. 전원(1212)은 혼(1210)의 공진 주파수를 간극 결정 모듈(1214)에 전달한다. [이미 설명한 바와 같이, 전원(1212)은 혼 스택의 공진 주파수를 검출하고 그 주파수에서 혼 스택을 구동한다.]
간극 결정 모듈(1214)은 전술한 바와 같이 공진 주파수에 근거하여 간극 거리를 결정한다(아니면, 간극 변화를 결정하거나 또는 혼의 길이에 대해 알려진 관계에 있는 임의의 다른 값을 결정할 수 있다). 그후, 간극 거리(또는 그 변화)는 진폭 결정 모듈(1216) 및 조정기(1220)에 공급된다. 조정기(1220)는 변하는 범위로 탄성 정지부의 변형을 변경함으로써 혼의 위치를 조정하는 도 7 및 도 10에 도시된 조정 시스템과 같이 혼의 위치를 변경할 수 있는 시스템이다. 도 12A의 실시 예에서와 같이, 진폭 결정 모듈(1216)은 간극을 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 전원에 의해 전달되는 전기 신호의 적절한 진폭을 확인한다. 그러나, 진폭 결정 유닛(1216)은 일정한 간극을 실질적으로 유지하고자 하는 최종 목적을 달성하기 위해 전원(1212)에 의해 전달되는 AC 신호의 진폭 및/또는 위치를 함께 조정하도록 조정기(1220)와 상호 작용한다.
예를 들어, 일 실시예에 따르면, 진폭 결정 유닛(1216) 및 조정기(1220)는 도 13에 도시된 방법에 따라 작동한다. 그에 도시된 바와 같이, 모듈(1216, 1220)의 둘 모두는 작업(1300)에 도시된 바와 같이 간극 결정 유닛(1214)으로부터 간극 거리 또는 그 변화를 수신한다. 그후, [조정기(1220)가 변형 가능한 탄성 정지부에 대해 혼을 가압하는 힘 작용기를 포함하는 실시예를 가정하면] 진폭 결정 유닛(1216)은 작용기에 의해 가해진 힘을 조정기(1220)로부터 수신한다[작업(1302)]. 다음으로, 작업(1304)에 도시된 바와 같이, 힘은 용접 작업을 위해 허용 가능한 힘의 하한(lower limit)과 비교된다. 힘이 상기 하한보다 큰 경우라면, 조정기(1220)는 적용시 필요로 하는 새로운 힘을 결정하고, 이에 따라 힘을 조정한다[작업(1306)]. 한편, 힘이 상기 하한에 도달한 경우라면, 힘은 더 이상 감소되어서는 안되며, 제어는 작업(1308)으로 진행되고, 여기서 표면 변위의 진폭이 그 하한에 도달하였는지를 결정한다. 도달하지 않았다면, 제어는 작업(1310)으로 진행되고, 그 결과 진폭 결정 모듈(1216)은 간극을 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 전원에 의해 전달되는 전기 신호의 적절한 진폭을 확인한다. 이에 의해 결정된 진폭은 제어 신호 발생 모듈(1218)에 전달되며, 이 제어 신호 발생 모듈은 적절한 명 령 또는 제어 신호를 발생시켜 전원(1212)이 신호의 진폭을 진폭 결정 모듈(1216)에 의해 선택되는 진폭으로 조정하게 한다. 한편, 표면 변위의 진폭이 상기 하한에 도달한 경우라면, 제어는 작업(1312)으로 진행되고, 경보(alarm)가 발생되어 공정 상의 힘을 허용 한계 아래로 감소시키거나 또는 혼의 표면 변위를 그 허용 한계 아래로 감소시키지 않으면 간극을 일정한 거리로 유지할 수 없다는 것을 알린다.
비록 도 13의 작업이 진폭 결정 모듈(1216)에 의해 실행되는 것으로 기술되어 있지만, 이 작업은 도 12B에 도시된 임의의 모듈에 의해 실행될 수도 있거나 또는 진폭 결정 모듈(1216) 및 조정기(1220)의 작동을 조절하는 데 사용되는 다른 모듈에 의해 실행될 수도 있다.
또한, 작업(1302)에서, 조정기(1220)는 혼의 위치를 도 13의 방법을 실행하는 모듈에 전달할 수 있다는 사실을 알아야 한다. 이어서, 작업(1304)에서, 혼의 위치는 혼을 앤빌로부터 철수시키는 조정기(1220)의 능력을 나타내는 위치 한계와 비교될 수 있다. 다시 말하면, 작업(1304)에서, 조정기(1220)가 혼을 앤빌로부터 철수시킬 수 있을 때 조정기(1220)가 그리 하였는지의 여부가 결정된다.
다른 실시예에 따르면, 진폭 결정 유닛(1216) 및 조정기(1220)는 도 14에 도시된 방법에 따라 작동한다. 이에 도시된 바와 같이, 양 모듈(1216, 1220)은 작업(1400)에 도시된 바와 같이 간극 결정 유닛(1214)으로부터 간극 거리 또는 그 변화를 수신한다. 그후, [조정기(1220)가 변형 가능한 탄성 정지부에 대해 혼을 가압하는 힘 작용기를 포함하는 실시예를 다시 가정하면] 진폭 결정 유닛(1216)은 작용기에 의해 가해진 힘을 조정기(1220)로부터 수신한다[작업(1402)]. 다음으로, 작업(1404)에 도시된 바와 같이, 표면 변위의 진폭이 그 하한에 도달했는지의 여부를 결정한다. 도달하지 않았다면, 제어는 작업(1406)으로 진행되고, 그 결과 진폭 결정 모듈(1216)은 간극을 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 전원(1212)에 의해 전달되는 전기 신호의 적절한 진폭을 확인한다. 이에 의해 결정된 진폭은 제어 신호 발생 모듈(1218)에 전달되며, 이 제어 신호 발생 모듈은 적절한 명령 또는 제어 신호를 발생시켜 전원(1212)이 신호의 진폭을 진폭 결정 모듈(1216)에 의해 선택되는 진폭으로 조정하게 한다. 한편, 혼에 의해 나타나는 표면 변위의 진폭이 하한에 도달되면, 힘은 더 감소되어서는 안되며, 제어는 작업(1408)으로 진행되고, 여기서 작업(1402) 동안 수신된 힘의 값이 용접 작업을 위해 허용 가능한 힘의 하한에 있는지를 결정한다. 힘이 상기 하한보다 큰 경우라면, 조정기(1220)는 적용시 필요로 하는 새로운 힘을 결정하고, 이에 따라 힘을 조정한다[작업(1410)]. 한편, 힘이 상기 하한에 도달한 경우라면, 제어는 작업(1412)으로 진행되고, 경보가 발생되어 공정 상의 힘을 허용 한계 아래로 감소시키거나 또는 혼의 표면 변위를 그 허용 한계 아래로 감소시키지 않으면 간극을 일정한 거리로 유지할 수 없다는 것을 알린다.
비록 도 14의 작업이 진폭 결정 모듈(1216)에 의해 실행되는 것으로 기술되어 있지만, 이 작업은 도 12B에 도시된 임의의 모듈에 의해 실행될 수도 있거나 또는 진폭 결정 모듈(1216) 및 조정기(1220)의 작동을 조절하는 데 사용되는 다른 모듈에 의해 실행될 수도 있다.
또한, 작업(1402)에서, 조정기(1220)는 혼의 위치를 도 14의 방법을 실행하 는 모듈에 전달할 수 있다는 사실을 알아야 한다. 이어서, 작업(1408)에서, 혼의 위치는 혼을 앤빌로부터 철수시키는 조정기(1220)의 능력을 나타내는 위치 한계와 비교될 수 있다. 다시 말하면, 작업(1408)에서, 조정기(1220)가 혼을 앤빌로부터 철수시킬 수 있을 때 조정기(1220)가 그리 하였는지의 여부가 결정된다.
초음파 용접 시스템을 제어하기 위한 전술한 공정을 읽어 파악하고 이해하면, 당업자는 혼의 작동 주파수를 측정하고 이어서 간극을 제어하는 힘, 예를 들어 압력을 조정함으로써 시스템을 위한 간극 제어가 달성될 수 있다는 것을 알게 될 것이다. 특정 방정식이 선형 및 회전식 혼을 포함하는 임의의 혼의 기하학적 형상에 대해 실험적으로 도출되거나 또는 결정될 수 있다.
전술된 다양한 실시예가 단지 예시적인 목적으로 제공되며, 본 발명을 제한하도록 해석되어서는 안 된다. 당업자는 본 명세서에 도시되고 설명된 예시적인 실시예 및 적용예를 따르지 않고서도 그리고 후속의 청구의 범위에 개시된 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고서도 본 발명에 행해질 수 있는 다양한 변형예 및 변경예를 용이하게 인식할 것이다.

Claims (20)

  1. 혼과 앤빌 사이에 간극이 형성되도록 혼을 앤빌에 인접하게 위치시키는 단계;
    혼의 공진 주파수를 측정하는 단계;
    혼의 공진 주파수에 근거하여 혼과 앤빌 사이의 간극을 모니터링하는 단계;
    혼에 결합된 컨버터에 진폭을 나타내는 교류(AC) 신호를 인가하는 단계; 및
    혼의 작동 중에 AC 신호의 진폭을 조정하여 혼과 앤빌 사이의 간극을 실질적으로 일정하게 유지하는 단계
    를 포함하고,
    혼의 공진 주파수를 측정하는 단계는 혼에 연결된 컨버터 및 부스터를 냉각시킴으로써 혼에 연결된 컨버터 및 부스터의 온도를 실질적으로 일정하게 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 혼과 앤빌 사이의 간극에 근거하여 조정된 진폭을 계산하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 조정된 가압력은 컨버터에 인가된 AC 신호의 진폭과 혼의 표면에 나타나는 파의 진폭 사이에 나타나는 관계에 추가로 근거하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 혼의 온도에 근거하여 혼과 앤빌 사이의 간극을 모니터링하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 혼과 앤빌 사이의 간극에 근거하여, 조회 테이블(look-up table)로부터 검색되는, 간극에 대응하는 조정된 진폭을 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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