KR20160134992A - 초음파 용접 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

초음파 용접 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR20160134992A
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문지훈
홍상휘
김정호
이승욱
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재단법인 경북하이브리드부품연구원
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Abstract

본 발명은 초음파 용접 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 전기적 공진과 기계적 공진을 일체화시키기 위해 공진 주파수를 추적해 공진 주파수를 일치시켜 초음파 용접을 수행할 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명에 따른 초음파 용접 시스템은 입력부와 디스플레이부에 각각 연결된 메인 제어부; 메인 제어부에 일측이 연결되고 타측으로 서보 모터에 연결된 서브 제어부; 및 메인 제어부에 일측이 연결되고, 공진점 추적모듈을 내부에 포함하며, 타측으로 초음파 용접 액츄에이터에 연결된 출력부를 포함한 구성으로 이루어진다. 그리고, 본 발명에 따른 초음파 용접 제어 방법은 (A) 초음파 용접 조건을 설정하는 단계; (B) 설정된 초음파 용접 조건에 따라 초음파 용접을 수행하는 단계; (C) 초음파 용접 대상의 공진점 정보를 검출하는 단계; (D) 공진점 정보의 변동 여부를 판단하는 단계; 및 (E) 변동된 공진점 정보에 따라 공진 주파수를 일치시켜 초음파 용접을 수행하는 단계를 포함한 구성으로 이루어진다.

Description

초음파 용접 시스템 및 그 제어 방법{Ultrasonic Welding System and method of controlling the same}
본 발명은 초음파 용접 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 초음파 용접 대상의 공진점을 검출하여 초음파 용접하는 초음파 용접 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초음파 용접은 저항 용접이나 용융 용접을 적용할 수 없는 재료의 접합에 이용되는 방법, 즉 모재를 음극 간에 놓고 가압하면서 초음파를 발생시고 그 진동을 이용하여 용착시키는 방법으로, 주로 금속박 또는 플라스틱 재질로 성형된 상, 하 제품 및 하부 제품을 접착 고정하는 데 사용되고 있다.
이때, 초음파 진동이 가해지면, 용착면의 미세한 표면이 매우 빠르게 발열되고, 이 표면의 돌출된 부분에는 다른 곳보다 많은 응력이 집중되어 큰 변형율과 진동에너지의 대부분을 소모하면서 용융된다.
그리고 이 순간 용착면 전체에 용융층이 얇게 형성되고, 초음파의 계속적인 진동으로 짧은 시간에 확산이 이루어져 예컨대 플라스틱 중합체에서 결합, 즉 남은 가원자들이 상대편의 가원자들과 분자 결합을 이루어 용착되는 것이다.
한편, 종래에 초음파 용접기는 도 1에 도시한 바와 같이 발진기(1)에서 소정 주파수를 발진하면, 이 주파수가 진동자(2)로 전달되어 이 진동자(2)에 의해 기계적 진동으로 변환하게 되는 것이다.
그리고, 진동자(2)에 의해 변환된 기계적 진동은 진동 증폭용 부재(3)인 혼(3a)에 의해 소정의 증폭비로 증폭되고, 증폭된 진동은 상부 탭(4)에 전달되며 하부 탭(5) 상부에 안착된 용접물에 상부 탭(4)이 가압하면서 상부 탭(4)과 하부 탭(5) 사이에 위치하는 용접물을 용착시켜 용접하는 것이다.
전술한 종래의 초음파 용접기를 이용한 초음파 용접은 불규칙한 두께를 가지는 용접물에 대해 용접하기가 용이하지 못한 문제점으로, 예를 들어 높이가 다른 2 단자를 가지는 형태의 용접물을 용접할 경우에 일측 단자를 먼저 용접하고 다측의 단자를 용접해야 하고, 이 경우 먼저 용접된 단자측으로 초음파 진동이 용접물을 타고 전달되어 용접이 불안정하고, 심할 경우 용접된 단자가 떨어지는 등 용접불량이 발생한다.
앞서오하 같은 문제점을 해소하기 위해 초음파 용접과정에서 가장 중요한 사항은 전기적 공진과 기계적 공진을 일체화시키는 것으로, 특히 기계적 공진의 경우, 예를 들어 혼의 상태, 온도, 습도 그리고 용접 과정의 압력 등에 따라 공진 주파수가 변경되므로, 공진 주파수를 추적해 공진 주파수를 일치시켜 초음파 용접을 수행하는 것이 필요하다.
특허문헌 1: 등록특허공보 제10-1332280호
본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전기적 공진과 기계적 공진을 일체화시키기 위해 공진 주파수를 추적해 공진 주파수를 일치시켜 초음파 용접을 수행하는 초음파 용접 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명에 따른 기술의 다른 목적은 전기적 공진과 기계적 공진을 일체화시키기 위해 공진 주파수를 추적해 공진 주파수를 일치시켜 초음파 용접을 수행하는 초음파 용접 시스템의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명은 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 초음파 용접 시스템은 입력부와 디스플레이부에 각각 연결된 메인 제어부; 메인 제어부에 일측이 연결되고 타측으로 서보 모터에 연결된 서브 제어부; 및 메인 제어부에 일측이 연결되고, 공진점 추적모듈을 내부에 포함하며, 타측으로 초음파 용접 액츄에이터에 연결된 출력부를 포함한 구성으로 이루어진다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성에서 서브 제어부에 연결된 정밀압력 측정센서를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 구성에서 정밀압력 측정센서는 로드셀(load cell)을 포함하는 구성으로 이루어질 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 구성에서 공진점 추적모듈은 아날로그 영역과 디지털 영역을 갖는 하이브리드 PLL(Phase Locked Loop)을 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 구성에서 아날로그 영역은 PFD(Phase Frequency Detector), 아날로그 루프 필터, VCO(Voltage Controlled Oscillator) 및 VCO의 출력단과 PFD 사이에 연결된 분할기(divider)를 포함하는 구성으로 이루어질 수도 있다.
아울러, 본 발명에 따른 구성에서 디지털 영역은 아날로그 영역에 연결된 DFC(Digital Frequency Comparator), 필터 및 ADC(Analog Digital Converter)를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 특징인 초음파 용접 시스템의 제어방법은 (A) 초음파 용접 조건을 설정하는 단계; (B) 설정된 초음파 용접 조건에 따라 초음파 용접을 수행하는 단계; (C) 초음파 용접 대상의 공진점 정보를 검출하는 단계; (D) 공진점 정보의 변동 여부를 판단하는 단계; 및 (E) 변동된 공진점 정보에 따라 공진 주파수를 일치시켜 초음파 용접을 수행하는 단계를 포함한 구성으로 이루어진다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 구성의 (A) 단계는 메인 제어부가 입력부를 통해 수신한 초음파 용접 조건에 관한 정보를 이용하여 설정하고, 초음파 용접 조건은 초음파 용접의 대기시간과 용접시간에 관한 정보, 초음파 용접 에너지 정보 및 초음파 용접 압력을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 구성의 (C) 단계에서 공진점 정보를 출력부의 공진점 추적모듈을 이용하여 검출하는 구성으로 이루어질 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 구성의 (E) 단계는 변동된 공진점 정보에 따라 출력부를 통해 초음파 용접 액츄에이터에 인가되는 전기적 공진 주파수를 초음파 용접 대상의 기계적 공진 주파수에 일체화시켜 초음파 용접을 수행하는 구성으로 이루어질 수 있다.
더구나, 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
한편, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 기술에 따르면 초음파 용접 시스템은 공진점 추적모듈을 통해 변경되는 초음파 용접 대상의 공진점을 추적한 정보를 이용하여 전기적 공진과 기계적 공진을 일체화시켜 초음파 용접 대상에 대한 초음파 용접을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 용접 시스템의 제어 방법은 변동되는 초음파 용접 대상의 공진점을 추적 정보를 이용하여, 전기적 공진과 기계적 공진을 일체화시켜 초음파 용접 대상에 대한 초음파 용접을 용이하게 수행할 수 있는 효과가 발현된다.
도 1 은 종래의 초음파 용접기를 나타낸 예시도.
도 2 는 본 발명에 따른 초음파 용접 시스템의 블록도.
도 3 은 본 발명에 따른 초음파 시스템의 공진점 추적 모듈을 보인 블록도.
도 4 는 본 발명에 따른 초음파 용접 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 2 는 본 발명에 따른 초음파 용접 시스템의 블록도, 도 3 은 본 발명에 따른 초음파 시스템의 공진점 추적 모듈을 보인 블록도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 초음파 용접 시스템(100)은 입력부(110), 디스플레이부(120), 메인 제어부(130), 서브 제어부(140), 공진점 추적모듈(155)을 내부에 포함한 출력부(150), 초음파 용접 액츄에이터(160), 로드셀(load cell)과 같은 정밀압력 측정센서(170) 및 서보 모터(180)를 포함한다.
입력부(110)는 예를 들어 5x5 매트릭스로 구성된 키패드(Keypad)를 포함하고 키(Key)가 눌러지는 순간에 메인 제어부(130)의 FPGA에서 CPU에 인터럽트(Interrupt)가 발생하도록 구성될 수 있다.
메인 제어부(130)는 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 및 SPI(Serial Peripheral Interface) 모듈을 포함하고, 연산을 빠르게 수행하고 디스플레이부(120)에 연계하여 자료관리와 초음파 용접 시스템(100)에 대한 모니터링을 사용자가 용이하게 수행할 수 있도록 임베디드 리눅스(Embedded Linux)를 탑재하여 초음파 용접 시스템(100)의 전반적인 동작 제어를 수행한다. 여기서, SPI 모듈은 각 구성 사이의 시리얼 통신 역할을 수행하는 모듈로서, 직/병렬 컨버터와 I/O를 담당하는 FPGA 로직(Logic)으로 구성되고, 선택적으로 내부에 존재하는 높은 전압의 스위칭 노이즈에 의해 통신이 방해될 수 있으므로 LVDS(Low-Voltage Differential Signal) 방식으로도 구성될 수 있다.
전술한 메인 제어부(130)는 출력부(150)의 공진점 추적모듈(155)을 통해 검출된 공진점에 관한 정보 및 정밀압력 측정센서(170)를 통해 검출된 압력정보를 이용하여 초음파 용접 액츄에이터(160)에 공진 주파수를 인가함으로써, 공진 주파수에 의한 초음파 용접을 수행한다.
서브 제어부(140)는 정밀압력 측정센서(170)에 연결된 로드셀 제어부 및 서보 모터(180)에 연결된 모터 제어부를 포함하여, 메인 제어부(130)로부터 수신하는 제어신호에 따라 서보 모터(180)에 의해 초음파 용접 대상에 가해지는 압력을 정밀하게 조절한다.
출력부(150)는 메인 제어부(130)로부터 수신한 제어신호에 따라 초음파 진동자 구동을 위해 초음파 용접 액츄에이터(160)로 전력을 인가하고, 공진점 추적모듈(155)을 통해 초음파 용접 액츄에이터(160)로부터 검출한 부하에 대한 연산처리로서 공진점 정보를 추적하며, 이러한 공진점 정보를 메인 제어부(130)로 전달한다.
구체적으로, 공진점 추적모듈(155)은 도 3에 도시된 바와 같이 입력참조 신호에 대해서 출력신호 위상을 고정시키는 귀환 회로로서 아날로그 영역(155-1)과 디지털 영역(155-2)을 갖는 하이브리드 PLL(Phase Locked Loop: 155)을 포함하여, 주파수 편차를 최소화하면서 초음파 용접 액츄에이터(160)로부터 검출한 부하에 대해 연산처리하여 공진점 정보를 추적할 수 있다.
전술한 공진점 정보는 메인 제어부(130)로 전달되고, 메인 제어부(130)는 수신한 공진점 정보에 따라 전기적 공진과 기계적 공진점을 일체화시킨 공진 주파수의 전력을 초음파 용접 액츄에이터(160)로 인가할 수 있다.
여기서, 아날로그 영역(155-1)은 PFD(Phase Frequency Detector: 155-11), 아날로그 루프 필터(155-12), VCO(Voltage Controlled Oscillator: 155-13) 및 분할기(divider: 155-14)를 포함한다.
디지털 영역(155-2)은 PFD(155-11)에 연결된 DFC(Digital Frequency Comparator: 155-21), 필터(155-22) 및 ADC(Analog Digital Converter: 155-23)를 포함한다.
DFC(155-21)는 필터(155-22)를 거친 다수의 디지털 신호에 대해 입력되는 2개의 디지털 주파수를 비교하여 PFD(155-11)에 인가하는 디지털 주파수 비교기이다.
필터(155-22)는 예를 들어 LPF(low pass filter)를 포함할 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 ADC(155-23) 전단에 구비하여 외부의 노이즈로부터 영향을 최소화할 수 있다.
ADC(155-23)는 아날로그 형태의 전압, 전류 신호를 검출하여 디지털 신호로 바꾸어주는 부재로서, 노이즈, 온도 변화에 따른 데이터의 흔들림, 입력 전원의 흔들림 등으로부터 영향을 최소화하고 신호의 출력을 정확하고 안정되게 한다.
전술한 바와 같이 구성된 공진점 추적모듈(155)은 하이브리드 PLL(155)을 이용하여 예를 들어, 초음파 용접 액츄에이터(160)의 상태, 온도, 습도 및 서보 모터(180)에 의해 초음파 용접 대상에 가해지는 압력 등에 따라 변경되는 초음파 용접 대상의 공진점을 추적할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 용접 시스템(100)은 공진점 추적모듈(155)을 통해 변경되는 초음파 용접 대상의 공진점을 추적한 정보를 이용하여, 전기적 공진과 기계적 공진을 일체화시켜 초음파 용접 대상에 대한 초음파 용접을 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초음파 용접 시스템의 제어 방법에 대해 도 4 를 참조하여 설명한다. 도 4 는 본 발명에 따른 초음파 용접 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 초음파 용접 시스템의 제어 방법은 도 4 에 도시된 바와 같이 먼저, 사용자가 입력부(110)를 통해 초음파 용접의 대기시간과 용접시간을 입력하면, 메인 제어부(130)는 수신한 초음파 용접의 대기시간과 용접시간에 관한 정보로 설정한다(S410).
초음파 용접의 대기시간과 용접시간을 설정한 후, 입력부(110)를 통해 입력된 초음파 용접 에너지 정보에 따라 초음파 용접 에너지를 설정한다(S420).
예를 들어, 직렬공진에서 작동하는 경우, 메인 제어부(130)는 출력전력 또는 진폭을 제어하기 위해 전류(motional current)를 제어하고, 병렬 공진일 때는 출력전력이나 진폭을 제어하기 위해 전압(motional voltage)을 제어하여, 초음파 용접 에너지를 설정할 수 있다. 이때, 직렬공진 변환기는 큰 부하의 전류와 낮은 주파수를 전달하고, 병렬공진 변환기에서는 높은 주파수와 상대적으로 낮은 부하전류를 전달할 수 있다.
초음파 용접 에너지를 설정한 후, 입력부(110)를 통해 입력된 초음파 용접 압력을 설정한다(S430).
즉, 입력부(110)를 통해 입력된 초음파 용접 압력에 따라, 메인 제어부(130)는 서브 제어부(140)를 통해 서보 모터(180)를 제어하여 초음파 용접 대상에 가해지는 압력을 조절할 수 있다. 이때, 초음파 용접 대상에 가해지는 압력은 정밀압력 측정센서(170)에 의해 실시간으로 검출되어 설정된 압력이 인가됐는지를 확인할 수 있다.
이후, 이렇게 설정된 초음파 용접 조건에 따라, 메인 제어부(130)는 출력부(150)를 통해 초음파 용접 액츄에이터(160)를 동작시켜 초음파 용접을 수행한다(S440).
전술한 바와 같이 초음파 용접을 수행하는 과정에서, 메인 제어부(130)는 출력부(150)의 공진점 추적모듈(155)를 통해 검출된 초음파 용접 대상의 공진점 정보를 수신한다(S450). 즉, 공진점 추적모듈(155)이 초음파 용접 액츄에이터(160)로부터 검출한 부하 정보를 연산처리하여 공진점 정보를 추적하고, 이러한 공진점 정보를 메인 제어부(130)로 전달한다.
전술한 공진점 추적과정에서 초음파 용접 대상의 공진점 정보가 변동하는지를 검출하여 판단한다(S460).
공진점 정보의 변동은 예를 들어 초음파 용접 대상의 용접 부위 형상, 초음파 용접 액츄에이터(160)에 구비된 혼의 상태, 온도, 습도 및 용접 압력 등에 따라 발생하므로, 초음파 용접 과정에서 실시간으로 검출된 공진점 변동정보에 따라 초음파 용접 조건을 변경하여 수행한다.
이에 따라, 공진점 변동 정보가 검출됨에 따라, 메인 제어부(130)는 공진점 변동 정보를 참조하여 공진 주파수를 다시 일치시켜 초음파 용접을 수행한다(S470).
즉, 메인 제어부(130)는 변동된 초음파 용접 대상의 공진점 정보에 따라 출력부(150)를 통해 초음파 용접 액츄에이터(160)에 인가되는 전기적 공진 주파수를 초음파 용접 대상의 기계적 공진 주파수에 일체화시켜 초음파 용접을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 용접 시스템의 제어 방법은 변동되는 초음파 용접 대상의 공진점을 추적 정보를 이용하여, 전기적 공진과 기계적 공진을 일체화시켜 초음파 용접 대상에 대한 초음파 용접을 용이하게 수행할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 바람직한 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 초음파 용접 시스템 110: 입력부
120: 디스플레이부 130: 메인 제어부
140: 서브 제어부 150: 출력부
155: 공진점 추적모듈 155-1: 아날로그 영역
155-11: PFD 155-12: 아날로그 루프 필터
155-13: VCO 155-14: 분할기
155-2: 디지털 영역 155-21: DFC
155-22: 필터 155-23: ADC
160: 액츄에이터 170: 정밀압력 측정센서
180: 서보모터

Claims (10)

  1. 입력부와 디스플레이부에 각각 연결된 메인 제어부;
    상기 메인 제어부에 일측이 연결되고 타측으로 서보 모터에 연결된 서브 제어부; 및
    상기 메인 제어부에 일측이 연결되고, 공진점 추적모듈을 내부에 포함하며, 타측으로 초음파 용접 액츄에이터에 연결된 출력부를 포함한 구성으로 이루어진 초음파 용접 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 서브 제어부에 연결된 정밀압력 측정센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 정밀압력 측정센서는 로드셀(load cell)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공진점 추적모듈은 아날로그 영역과 디지털 영역을 갖는 하이브리드 PLL(Phase Locked Loop)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 아날로그 영역은 PFD(Phase Frequency Detector), 아날로그 루프 필터, VCO(Voltage Controlled Oscillator) 및 상기 VCO의 출력단과 상기 PFD 사이에 연결된 분할기(divider)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 디지털 영역은 상기 아날로그 영역에 연결된 DFC(Digital Frequency Comparator), 필터 및 ADC(Analog Digital Converter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템.
  7. (A) 초음파 용접 조건을 설정하는 단계;
    (B) 상기 설정된 초음파 용접 조건에 따라 초음파 용접을 수행하는 단계;
    (C) 초음파 용접 대상의 공진점 정보를 검출하는 단계;
    (D) 상기 공진점 정보의 변동 여부를 판단하는 단계; 및
    (E) 상기 변동된 공진점 정보에 따라 공진 주파수를 일치시켜 초음파 용접을 수행하는 단계를 포함한 구성으로 이루어진 초음파 용접 시스템의 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 (A) 단계는 메인 제어부가 입력부를 통해 수신한 초음파 용접 조건에 관한 정보를 이용하여 설정하고, 상기 초음파 용접 조건은 초음파 용접의 대기시간과 용접시간에 관한 정보, 초음파 용접 에너지 정보 및 초음파 용접 압력을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템의 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 (C) 단계에서 상기 공진점 정보는 출력부의 공진점 추적모듈을 이용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템의 제어 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 (E) 단계는 상기 변동된 공진점 정보에 따라 출력부를 통해 초음파 용접 액츄에이터에 인가되는 전기적 공진 주파수를 상기 초음파 용접 대상의 기계적 공진 주파수에 일체화시켜 초음파 용접을 수행하는 것을 특징으로 하는 초음파 용접 시스템의 제어 방법.
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