KR20190031175A

KR20190031175A - 이중 캠 서보 용접 스플라이서

Info

Publication number: KR20190031175A
Application number: KR1020180110125A
Authority: KR
Inventors: 병 오; 데이비드 리 시퍼트; 제이슨 이 스미스
Original assignee: 테크-소닉, 인크.
Priority date: 2017-09-15
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2019-03-25
Also published as: CN109702313B; CN109702313A; MX2018011059A; US20210346977A1; EP3459674A1; KR102617169B1; US11517977B2

Abstract

초음파 용접 장치는 용접 구역에 배치된 와이어 등의 금속 피스들을 접합하며, 용접 구역에서 금속 피스들은 압축용 높이 앤빌 및 조절 가능 폭 앤빌을 통해 압력을 받으며 초음파 스택의 소노트로드의 친밀한 접촉이 이루어진다. 제1 전기 모터가 높이 앤빌의 이동을 조작하여 금속 피스들의 초음파 용접을 위한 압축력을 생성한다. 제2 전기 모터가 용접 전 및 용접 중에 폭 앤빌을 위치 설정할 수 있다. 로드 셀 등의 센서가 생성되는 압축력을 측정한다. 그 센서는 초음파 스택과는 독립적으로 높이 앤빌에서의 하중을 측정할 수 있다. 소프트웨어 알고리즘이 로드 셀 센서의 편향 및 제1 전기 모터가 조작하는 이동에서의 손실 운동(lost motion)을 보상할 수 있다.

Description

이중 캠 서보 용접 스플라이서{DUAL CAM SERVO WELD SPLICER}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2017년 9월 15일자로 출원된 미국 특허 가출원 번호 62/558,975의 이익을 주장한다.

재료들 간의 용접부를 생성하기 위해 고진동수의 초음파 진동을 사용하는 것은 1960년대 이래로 사용되어 왔다. 초음파 용접기는 재료에 열을 인가하기 보다는 재료에 인가된 초음파 진동에 의해 생성된 마찰을 이용하여 용접부를 생성한다. 초음파 용접은 플라스틱과 금속 모두를 접합하는 데에 효과적인 것으로 입증되었으며, 장난감 제조에서부터 자동차 및 항공우주 산업에 이르기까지 수많은 산업에 적용되어 왔다. 초음파 용접은 용접부를 생성하는 데에 있어서의 용이성 및 용접부 당 저렴한 비용으로 인해 널리 보급되어 있다. 초음파 용접은 소형 부품을 접합하는 데에 이상적이다.

초음파 용접은 아크 또는 열 용접 또는 솔더링의 대안적인 방법으로서, 땜납이나 플럭스 등의 소모성 물품, 부품의 번 백(burn back), 냉각수 요건 및 고에너지 사용을 제거한다. 초음파 용접 작업의 추가적 이점은, 용접 프로세스 중에 최소한의 열이 생성되어, 부품의 손상을 최소화한다.

초음파 용접은 전자 컴포넌트 및 배관 밀봉에 이용되는 유사하거나 상이한 비철계 금속의 조립에 적합하다. 초음파 용접에 의해 접합될 부품들은 초음파 혼과 앤빌 사이에 압력 하에 함께 유지된다. 약 20 내지 40㎑의 진동수의 초음파 진동이 인가되며, 혼의 진동은 부품들이 서로 문질러지게 하며, 그 초래되는 전단력이 표면 오염물을 제거하고 나금속 영역(bare metal area)을 노출시킨다.

2개의 부품이 함께 동시에 가압됨에 따라 용접부에 가해지는 그러한 강렬한 마찰은 기재 금속의 산화물 피막을 파괴한다. 금속에 적용되는 경우, 용접부는 재료의 용융에 의해서가 아니라 고상 용접부의 생성을 통해 달성된다. 초음파 진동은 표면 거칠기(asperity)의 전단 및 변형을 야기하고, 이는 해당 재료 상에 존재하는 산화물 및 오염물을 분산시켜, 금속간 접촉 및 인접한 표면들의 접합을 가능하게 한다. 이들 프로세스는 두 재료가 원자 수준의 접합이 발생하기에 충분하게 친밀하게 접촉하게 한다. 그 재료의 원자 구조들이 함께 섞여, 깨끗하고 낮은 전기 저항을 갖는 강력한 표면 원자의 고상 접합을 생성한다. 마찰에 의해 생성되는 비교적 약간의 상승 온도는 용융점보다 상당히 낮고 용접부를 생성하는 데에 본질적인 역할을 하진 않는다.

초음파 용접부는 상이한 프로세스를 통해 플라스틱과 금속에서 얻어진다. 플라스틱에 적용되는 경우, 초음파 진동에 의해 생성되는 마찰은 그 재료의 접합될 부분을 용융시키기에 충분하여, 냉각 시에 용접부를 생성한다. 초음파 용접을 위한 용접 시간은 통상 매우 짧고 그 용접 시간은 일반적으로 200 내지 400mSec에 이른다. 초음파 용접에 관한 추가적 개괄적 개시에 대해, New Developments in Advanced Welding(Nasir Ahmed, ed. (2005))을 참고할 수 있다.

초음파 용접 시스템의 기본 구성 요소들은 프레스, 앤빌, 초음파 스택(ultrasonic stack), 초음파 발생기 또는 전원 및 전자 제어기이다. 용접될 공작물이 프레스와 앤빌 사이에 배치되고 그 프레스로 공작물에 압력을 인가한다. 앤빌은 초음파 진동이 재료의 표면으로 보내지게 한다. 공작물(부품)이 배치되는 네스트(nest) 또는 앤빌은 스택에 의해 생성되는 고진동수의 진동이 용접 기재들의 계면에 보내지게 한다.

초음파 스택은 통상 컨버터, 부스터, 소노트로드(Sonotrode) 또는 "혼"으로 이루어진다. 컨버터가 전기 에너지를 기계적 진동으로 변환하고, 부스터가 그 진동의 진폭을 수정하며, 소노트로드가 기계적 진동을 용접될 부품에 인가한다. 이들 세 요소들은 통상 동일 초음파 진동수(통상, 20, 35 또는 40㎑)로 공진하도록 튜닝된다. 이들 스택 구성 요소들은 전자 초음파 발생기에 연결되고, 이 발생기는 스택의 공진 진동수를 매칭시키면서 고출력 AC 신호를 스택에 급송한다.

사용자는 제어기를 통해 시스템에 명령을 내려, 프레스의 이동을 제어하고 스택의 전원을 활성화시켜, 용접 유도 전기 신호를 초음파 스택에 전송한다. 스택의 컨버터 부분은 전기 신호를 기계적 진동을 변환하는 한편, 부스터가 진동의 진폭을 수정하는 데에 이용될 수 있다. 혼은 진동을 공작물에 인가한다.

초음파 용접의 품질 및 성공은, 신호 진폭, 용접 시간, 용접 압력, 용접 속도, 유지 시간(hold time) 및 유지 압력을 비롯한 다수의 인자에 의존한다. 각 인자의 적절한 크기는 용접을 위해 당해 재료의 종류에 영향을 받고 단일 재료 내에서도 달라질 수 있다. 산업 역사의 대부분에 걸쳐, 효과적으로 제어될 수 있는 변수들은 단지 진폭, 힘, 용접 시간 또는 지속 시간뿐이었다. 진폭은 진동수의 선택, 혼 및 부스터의 설계 및 컨버터에 대한 전기 입력의 변조(modulation)의 조합을 통해 제어하였다.

초음파 용접의 변수 및 프로세스에 대한 사용자 제어가 유효한 용접부를 일관되게 달성하는 것을 좌우한다. 보다 양호한 프로세스 제어는 일반적으로 용접부의 개선된 품질은 물론 용접부의 개선된 일관성 및 반복성으로 나타낸다. 업계에서의 통상의 제품들은 개별 제품들 간의 용접 품질을 검사하였을 때에 2% 내지 4%의 표준 편차를 갖고 용접부를 생성한다.

공압 작동식 초음파 용접 시스템이 업계에서 통상적이다. 이들 시스템은 공압 실린더를 이용하여 힘을 제어하고 스택의 속도를 감속한다. 공압 시스템에서, 수용된 공기가 시스템의 공압 액추에이터를 통해 이동하는 유입 및 배출 속도가 제한된다. 결과적으로, 공압 시스템은 갑작스런 방향 및 속도 변화를 달성할 수 없고, 또한 시스템의 거리 제어를 제한한다. 이상적으로는 재료의 변화에 맞춰 순간적으로 속도를 조절할 수 있는 시스템이 완전히 일관된 용접부를 생성할 것이다. 용접 품질에서의 감소된 편차는 속도 및 거리에 대한 시스템의 제어가 개선될 때에 이루어질 것이다.

공압 시스템은 또한 정적 압력(static pressure)을 이용하여 그 시스템에 의해 맞물린 부품들을 압박한다. 당해 재료에서의 변화가 이용될 이상적인 압력에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 정적 압력은 재료에 의해 제시되는 조건에 맞도록 동적 압력(dynamic pressure)을 인가할 수 있는 시스템보다 약한 용접부를 초래할 가능성이 크다. 공압 시스템의 특징은 또한 혼 페이스(horn face)의 이동 및 위치 설정에 대한 제한된 제어를 제공한다. 이들 시스템은 통상 이용 가능한 용접면의 대략 1/4만을 이용한다. 따라서, 혼 페이스는 사용 중에 불균일하게 마모되어, 그 활성 페이스는 과도하게 마모되고 용접 헤드의 다른 부분들은 여전히 사용 가능할 수 있다. 공압식 초음파 용접 시스템의 약점은 용접부들 간에 이상적인 표준 편차보다 큰 편차를 야기할 뿐만 아니라, 외부 오염물 및 용접 재료의 변화에 대한 적응성의 감소를 초래한다.

이상적인 초음파 용접 시스템은 사용자에게 그 프로세스에서의 최대한의 수의 변수에 대한 제어를 제공한다. 재료 간의 변화 및 재료에 존재하는 오염물의 변화는 용접 강도를 유지하도록 용접 속도 및 압축력에서의 적응성을 필요로 할 수 있다. 공압식 초음파 용접 시스템을 비롯한 통상의 시스템은 종종 이상적인 용접부를 완성하는 데에 필요한 용접 속도 및 압력에서의 가변성이 부족하다. 공압식 시스템은 산업용 공기 공급원에 흔히 존재하는 그리스 및 오일 등의 외부 오염물이 시스템에 침투할 수 있는 경우, 용접부의 품질에서의 큰 강하를 겪을 수 있다. 게다가, 기존의 공압식 시스템은 혼 표면을 완전히 이용할 수 없거나 공작물을 앤빌 및 혼에 대해 동적으로 위치 설정할 수 없다.

와이어 접속 해법(wire splice solution)으로서 용접을 가능하게 하는 것에 대한 지속적인 필요성이 새로운 산업 상황에서 존재한다. 특히, 균일한 와이어 접속, 와이어 크림프 또는 배터리 케이블 접속을 생성하기 위해 5 내지 10개의 가닥의 연선(stranded wire), 편조선(braided wire) 또는 자석 와이어의 집속(bundling)이 필요하다. 그러한 접속은 자동차, 항공기, 컴퓨터 및 가전제품 산업은 물론 기타 프로세스 제어 및 산업 장비 용례에서 이용되고 있다. 가장 통상적으로는 와이어 하네스의 제조에 이용된다. 불행히도, 용접 작업을 통한 와이어의 집속은 최종 하네스 내에 미집속된 표류 와이어 가닥이 존재하는 일 없이 전기적으로 완전해야 하고, 기계적으로는 튼튼해야 한다.

종래 시장에서 입수 가능한 것보다 초음파 용접에서의 통상의 변수에 대한 큰 제어를 제공하는 초음파 용접 시스템이 요구된다. 동적으로 인가되는 힘과, 공작물과 앤빌에 대한 선택 가능한 위치 설정을 제공하는 시스템이 통상의 입수 가능한 공압식 또는 정적 위치 설정 초음파 용접 시스템에 대한 개선책으로서 기능할 것이다. 이상적인 시스템은 또한 용접 헤드의 전체 폭을 이용할 능력을 제공하여, 용접 헤드에서의 마모를 감소시키고 또한 헤드의 사용 수명을 연장시킬 것이다.

초음파 용접 장치는 용접 구역에 배치된 와이어 등의 금속 피스들을 접합하며, 용접 구역에서 금속 피스들은 압축용 높이 앤빌(compressive height anvil) 및 조절 가능 폭 앤빌(width anvil)을 통해 압력을 받으며 초음파 스택의 소노트로드와의 친밀한 접촉이 이루어진다. 제1 전기 모터가 높이 앤빌의 이동을 조작하여 금속 피스들의 초음파 용접을 위한 압축력을 생성한다. 제2 전기 모터가 용접 전 및 용접 중에 폭 앤빌을 위치 설정할 수 있다. 로드 셀 등의 센서가 생성되는 압축력을 측정한다. 그 센서는 초음파 스택과는 독립적으로 높이 앤빌에서의 하중을 측정할 수 있다. 소프트웨어 알고리즘이 로드 셀 센서의 편향 및 제1 전기 모터가 조작하는 이동에서의 손실 운동(lost motion)을 보상할 수 있다.

본 개시의 다른 양태는, 초음파 장치에 의해 와이어를 초음파 용접하는 방법에 관한 것으로, 접합될 금속 피스는 용접 구역에 배치되며, 이 용접 구역에서 금속 피스는 압축용 높이 앤빌 및 조절 가능 폭 앤빌을 통해 압력을 받고 초음파 스택의 소노트로드와의 친밀한 접촉이 이루어지며, 제1 전기 모터가 높이 앤빌의 이동을 조작하여 금속 피스의 초음파 용접을 압축력을 생성하고 제어기는 상기한 방법을 수행하는 용접 알고리즘을 포함하고 있다. 상기한 방법의 단계들은 높이 보상을 생성하기 위해 가변적인 힘으로 빈 용접 구역에 힘을 인가하고 용접 구역에서의 높이를 측정함으로서 높이 보상을 결정하는 것으로 시작한다. 인가된 힘과 바로 결정된 높이 보상의 상관관계를 나타내는 표를 생성한다. 와이어를 접합하도록 용접 구역 내의 와이어에 힘을 인가한다. 와이어의 높이는 힘을 인가한 상태에서 용접 구역에서 측정되고 높이 보상은 와이어의 실제 높이를 구하기 위해 감해진다.

다른 양태는 초음파 용접 장치를 캘리브레이션하는 방법이다. 이 캘리브레이션 방법은 제1 전기 모터를 작동시켜 높이 앤빌이 빈 용접 구역에 복수의 압축력을 인가하게 함으로써 시작한다. 빈 용접 구역에 인가된 힘은 복수의 압축력 각각에 대해 로드 센서에 의해 측정된다. 제어기가 복수의 압축력 각각에 대해 제1 전기 모터의 위치 인코더로부터 측정된 높이를 수신한다. 인가된 힘과 결정된 높이 보상의 상관관계를 나타내는 표를 생성하여 저장한다.

전술한 양태 및 특징은 물론 기타 양태 및 특징은 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

본 발명의 방법 및 장치의 본질 및 이점에 대한 보다 완벽한 이해를 위해, 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조해야 할 것이다.
도 1은 테이블이 하부 또는 홈 위치에 있는 상태에서의 본 개시의 이중 캠 서보 용접 스플라이서의 사시도이며,
도 2는 그 평면도이며,
도 3은 테이블이 상승 또는 사용 위치에 있는 상태에서의 본 개시의 이중 캠 서보 용접 스플라이서의 사시도이며,
도 3a는 적외선 손가락 안전 조립체의 확대도이며,
도 4는 도 3과 동일하지만, 스택 커버 및 손가락 안전 조립체가 제거된 상태의 사시도이며,
도 4a는 도 4의 본 개시의 용접 스플라이서의 개방 개구 모드의 확대도이며,
도 5는 도 4와 동일하지만, 용접 스플라이서의 다른 쪽의 사시도이며,
도 5a는 도 5의 본 개시의 용접 스플라이서의 개방 개구 모드의 확대도이며,
도 6은 폭 캠 조립체의 사시도이며,
도 7은 높이 캠 조립체의 사시도이며,
도 8은 폭 앤빌 조립체를 나타내는 본 개시의 용접 스플라이서의 사시도이며,
도 9는 캐리지 또는 폭 프레임의 사시도이며,
도 10은 도 4의 라인 10-10을 따라 취한 단면도이며,
도 11은 도 4의 라인 11-11을 따라 취한 단면도이며,
도 12는 장착 위치에서의 스택 조립체의 사시도이며,
도 13은 높이 앤빌 조립체의 사시도이며,
도 14는 다른 쪽에서 본 도 13의 높이 앤빌 조립체의 사시도이며,
도 15는 스택 조립체의 사시도이며,
도 16은 혼의 사시도이며,
도 17은 전방 절점 지지체(front nodal support)의 사시도이며,
도 18은 혼을 유지하는 전방 절점 지지체의 사시도이며,
도 19 내지 도 22는 용접 스플라이싱 프로세스에 걸친 앤빌의 다양한 위치를 나타내는 스택 커버와 손가락 안전 커버 조립체가 제거된 상태에서의 본 개시의 용접 스플라이서의 정면도이다.
이 도면들은 아래에서 보다 상세하게 설명할 것이다

용접 스플라이서 머신(10)은 전체적으로 도 1 에 도시되어 있다. 테이블(12)이 한 쌍의 실린더(14, 16)에 의해 지지되고, 이들 실린더가 테이블(12) 내의 용접 스플라이서 머신(10)을 상승 및 하강시킨다. 스택 커버(18)가 아래에 도시하고 설명하는 스택 조립체를 덮는다. 한 쌍의 손가락 안전 커버 조립체(20, 22)가 용접 스플라이싱(splicing)이 이루어지는 폭 앤빌 조립체, 높이 앤빌 조립체 및 혼을 덮는다. 도 2에서, 파선으로 도시한 사용자 손이 와이어(24, 26)들을 함께 초음파 용접 스플라이싱하기 위해 손가락 안전 커버 조립체(20, 22)들 사이에 와이어(24, 26)들을 배치하고 있다. 물론, 단일 가닥 와이어, 다중 가닥 와이어, 및 추가적 공작물이 본 개시의 용접 스플라이서 머신(10)에 의해 초음파 용접될 수 있다는 점을 이해할 것이다.

도 3 및 도 3a에서, 테이블(12) 내의 용접 스플라이서 머신(10)은 도 1에 도시한 바와 같은 홈 위치로부터 상승하여, 때때로 요구될 수 있는 수리 및 유지보수 활동 위치에 맞물려 있다. 높이(수직) 캠 조립체(28)는 모터 풀리(30)를 구비하고 그 주위에 타이밍 벨트(32)가 감겨 있는 것으로 도시되어 있다. 높이 캠 조립체(28)는 본 명세서에서 도 6 등에 상세하게 도시한 높이 캠 조립체의 일부이다. 타이밍 벨트(36)를 갖는 폭 캠 조립체(34)는 본 명세서에서 도 7 등에 상세하게 도시한 폭 캠 조립체의 일부이다.

도 3a의 분해도는 적외선(IR) 손가락 조립체이며, 이 조립체는 IR 송신기(40)와 IR 광을 수신하기 위한 IR 센서 또는 수신기(42)(파선으로 도시함)를 포함한다. IR광이 사용자의 손가락 등에 의해 차단되는 경우, 용접 스플라이서(10)는 안전장치로서 사용자가 부상당하지 않도록 용접을 행할 수 없다. 안전 영역의 경계는 IR 송신기 및 IR 수신기의 어레이에 의해 결정된다.

또한, 도 3에서는 아래에서 보다 상세하게 설명하는 수평 및 수직 캠 조립체를 각각 작동시키는 수평 및 수직 캠 서보모터(44, 69)를 확인할 수 있다. 폭(수평) 및 높이(수직) 서보 구동 모터는 타이밍 벨트 또는 이붙이 풀리에 의해 해당 피동 조립체에 결합된다. 그 구동 모터들은 용접 앤빌의 위치를 보고하도록 내장장된 고해상도의 절대 위치 인코더(absolute encoder)를 구비한다. 또한, 도 3에서는 불량 용접 와이어를 절단하기 위한 커터 실린더 조립체(46)가 도시되어 있다. 힘 센서 신호 조절기(48)이 우측 모터 플레이트(50)에 장착된 것을 볼 수 있다.

이하, 도 4 및 도 4a를 참조하면, 다양한 커버를 제거하여 용접 스플라이서(10)를 위한 추가적 세부 구성을 제공하고 있다. 스택 조립체(52)가 부스터 마운트(56)에 의해 대략 중심에 그리고 전방 절점 지지 조립체(front nodal support assembly)(58)에 의해 대략 그 근위 단부에 지지된 것을 볼 수 있다. 스택 조립체(52)는 그 원위 단부의 컨버터(60), 컨버터(62)(이 컨버터(62)의 대략 중앙점에 부스터 마운트(56)가 위치함), 및 그 근위 단부에 위치하고 개방 개구(66) 내로 연장하는 혼(64)을 포함하고, 그 개방 개구(66)에서 도 4a에 상세하게 도시한 바와 같이 초음파 용접이 발생한다. 높이 앤빌 슬라이드 조립체(86)가 전방 절점 지지 조립체(58)의 전방에서 혼(64)에 인접하게 위치한다.

커넥터(70)를 갖는 회로 기판(68)이 컨버터(60)의 아래에서 제어 밸브 조립체(72)의 바로 앞에 또한 냉각 팬 조립체(74)의 바로 아래에 위치하는 것으로 도시되어 있다. 회로 기판(68)은, 예를 들면 Windows CE 실행시키는 TwinCat2 소프트웨어를 갖는 Beckhoff CX5020 제어기, 내장 Windows 7을 실행시키는 Beckhoff CX5130 제어기 등의 제어기에 연결되지만, 다른 제어기 및 소프트웨어도 유리하게 이용될 수 있다. 도면 부호 76a 내지 76f로 나타낸 바와 같이 리니어 베어링들이 베이스 플레이트(73)에 고정된다(도 5 역시 참조). 리니어 베어링(76a 내지 76f)은 테이블(12) 내의 용접 스플라이서 머신(10)을 상승 및 하강시키기 위해 테이블(12)에 부착된 가이드 로드(75a 내지 75f) 상에 얹혀진다(도 1 내지 도 3 참조). 용접 힘 측정 로드 셀이 베이스 플레이트(73)에 부착된 로드 셀 고정 플레이트(78) 아래에 부착된다. 로드 셀 민감 접촉 지점이 고정 플레이트(78)의 하측에 놓여, 도 6에서 폭 높이 캠 조립체에 상세하게 나타낸 바와 같이 연결 로드(114a, 114b)(나사 형성 스터드)에 의해 높이 앤빌 조립체에 연결된다. 베이스 플레이트(73)에 역시 부착된 메인 또는 공구 프레임 조립체(tooling frame assembly)(80)가 커터 실린더 조립체(46)에 인접해 있고 그 프레임 조립체(80)의 상부 전면에 공기 포트(82)를 갖고 있는 것을 볼 수 있다. 공기 포트(82)는 냉각 공기를 프레임 조립체(80) 내의 매니폴드를 통해 공기 노즐(77)로 공급하여, 혼의 앞쪽 부분(도 15 참조)을 냉각시킨다.

이하, 도 4a를 살펴보면, 개방 개구 모드를 확대도로 볼 수 있다. 수평 폭 앤빌 리테이너(83)가 혼(64)이 안쪽으로 폭 앤빌(84) 아래 위치하고 있는 상태로 폭 앤빌(84)을 장착한다. 높이 앤빌 조립체(86)가 혼(64) 위에서 폭 앤빌(84)의 바로 맞은편에 위치한다. 커터 실린더 조립체(46)의 커터는 도 5 및 도 5a에서 더 상세하게 설명하는 바와 같이 불량 용접 와이어를 절단하도록 혼(64)의 앞에 위치한다.

이하, 도 5 및 도 5a를 살펴보면, 높이 앤빌 조립체(86)는 그 중에서도 높이 앤빌(88) 및 높이 앤빌 리테이너(89)(도 5a 참조)를 포함한다. 커터 조립체(46)는 스프링(92)에 의해 스프링 압박되며, 커터(94)가 회전하여 불량 와이어 용접부를 절단한다. 또한, 본 개시의 용접 스플라이서의 개방 개구 모드가 도 5 및 도 5a에 도시되어 있다. 또한, 도 5에서는 타이밍 벨트(36)를 위한 모터 풀리(71)와 함께 수직 캠 모터(69)도 확인할 수 있다.

용접 스플라이서(10)에 이용되는 이중 캠이 폭 앤빌 및 높이 앤빌 각각에 대해 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 이 조립체는, 둘레면 내로 절삭된 캠 트랙(96)을 갖는 고정 회전축선 폭 캠(34)과, 측면 내로 절삭된 캠 트랙(98)을 갖는 피벗 높이 캠(28)으로 구성된다. 폭 앤빌 조립체(85)는 2개의 캠 종동자(100, 102)(도 9 참조)에 의해 폭 캠 트랙(96)에 결합된다. 이중 캠 종동자(100, 102)는 정밀한 양방향 폭 위치 설정을 위해 백래시(backlash)를 제거한다. 고정형 폭 사이드 가이드(104(도 10 참조)는 그 조립체의 일부분이다. 폭 사이드 가이드(104)의 용도는 와이어 가닥이 폭 앤빌(84) 아래로 끌어당겨지는 것을 방지하고 또한 혼(64)(소노트로드)의 파형 용접 표면에 대한 폭 앤빌(84)의 정확한 수직 갭 위치 설정을 제공하는 데에 있다. 폭 사이드 가이드(104)는 혼(64)으로부터 측방향으로 약 0.5㎜에 위치한다. 사이드 가이드(104)는 공구 갭(tooling gap)을 위한 높이 제어를 제공한다. 이러한 위치 설정은 폭 사이드 가이드 캠 조립체(106)에 의해 달성된다. 소켓 헤드 캡 스크루(103)(SHCS: socket head cap screw)가 최종 위치에 사이드 가이드(104)를 로킹시킨다. 캠 지지 샤프트 조립체(108)는 사이드 가이드(104)와 폭 가이드 캠 조립체(106) 모두를 제위치에 유지하고 메인 공구 프레임 조립체(80)에 견고하게 부착된다. 수직 캠 샤프트(110)은 이중 베어링/핀 조립체(112) 상에서 피벗하고, 수직 캠 샤프트(110)은 2개의 하향 나사 형성 스터드(114A, 114B)에 부착되며, 이들 스터드(114A, 114B)는 힘 트랜스듀서(118)를 유지하는 로드 셀 베이스 플레이트(116)에 고정된다. 높이 캠 조립체(28)가 수직 캠 샤프트(110) 상에서 회전한다.

높이 앤빌 조립체(86)가 압축 프로세스 중에 높이 캠(28)에 의해 하향으로 당겨질 때, 그것은 상향으로 편향되어, 베이스 플레이트(73)에 부착된 로드 셀 고정 플레이트(78) 상에 힘 트랜스듀서(118)의 압착을 야기하고, 이는 또한 스택 조립체(52)에서의 혼(64) 상의 하중을 보고한다. 높이 캠(28)이 가요성 타이밍 벨트(32)에 의해 구동되기 때문에, 캠의 약간의 상향 아치형 이동은 구동 트레인 기능에 영향을 주지 않는다. 가변 용접 힘의 인가 하에서 힘 트랜스듀서(118)의 편향으로부터 초래되는 상향 편향은 위치 보고 에러를 야기할 것이다. 구동 모터(44, 69) 모두를 위한 위치 보고 인코더는 모터에 위치한다. 따라서, 높이 인코더는 위치 에러로 인해 압착 중에 실제 높이를 보고하지 못한다. 이러한 에러를 보상하기 위해, 캘리브레이션 방법이 필요하다. 캘리브레이션 중에, 높이 앤빌 조립체(86)는 혼(65)의 팁과의 접촉이 발생할 때까지 하강된다. 힘 트랜스듀서(118)는 접촉시에 에러 없는 위치를 보고한다. 높이 앤빌 조립체(28)가 계속 회전하여 용접 힘을 증가시킴에 따라, 힘 트랜스듀서(118)는 계속해서 회전을 보고한다. 고정 혼(44)과의 접촉으로 인해 높이 앤빌 조립체(86)가 더 이상 하향으로 이동하지 않기 때문에, 높이 인코더로부터의 펄스(이하의 문단에서 논의함)가 인가된 힘에 비례하는 기계적 손실 운동을 보고한다. 보상 표(compensation table)가 힘/위치 에러에 기초하여 생성된다. 이 보상 표는 용접 높이를 정확하게 보고하기 위해 용접 압축 중에 이용된다.

표 1은 높이 측정값이 힘 측정치에 기초하여 어떠한 식으로 보상되는 지를 보여주는 예시적 보상 표이다.

[표 1]

표 1은 이하의 방법을 이용하여 생성되었다.

1) 힘 목표치 증분량(step size)이 0에서부터 이용될 최대 힘, 본 예의 경우에 1150N(정수 증분량으로 대략 어림함)에 이르기까지 25개의 값에 대해 산출된다.

2) 시스템은 앤빌들 사이의 간극에 아무것도 없이 작동되었다.

3) 힘 제어 목표치는 원하는 힘으로 설정되었고, 측정된 힘과 측정된 높이는 짧은 기간 동안 수집되어 평균 내에 표에 저장하였다.

앤빌들 사이의 갭에 아무것도 없기 때문에, 높이 측정치는 임의의 인가된 힘에 대해 0.0이었다. 높이 측정치가 변경되었기 때문에(높이 보상), 그 측정된 값은 앤빌을 구동하는 하드웨어에서의 손실된 기계적 운동으로 인한 것이 틀림없다. 그래서, 앤빌들 사이의 거리의 정밀한 높이 측정치를 구하기 위해, 시스템은 센서로부터 높이 측정치를 취하고 그 값을 이용된 힘에서의 높이 보상으로부터 뺀다. 이는 정밀한 측정치를 제공하여 손실된 기계적 운동을 보상한다.

캘리브레이션 표는 보상 값을 산출하기 위해 기록된 값들을 보간(interpolating)하는 룩업 테이블(lookup table)로서 이용될 수 있거나, 측정 힘에서의 플러깅(plugging)에 의해 높이 보상을 제공할 수 있는 방정식을 산출하는 데에 이용될 수 있다. 그 데이터를 이용하여 일차 방정식에 최소 제곱법을 행함으로써, "y" 교차 값(crossing value)(즉, y = mx + b에서의 "b")의 검사에 의해 제로 높이의 실제 위치가 결정될 수 있다.

초음파 와이어 접합은 초음파 혼과 앤빌 사이에 와이어의 다발에 진동 에너지를 안가하면서 함께 압착함으로써 수행된다. 혼에 의해 급송되는 에너지의 크기는 초음파 진동의 진폭 및 용접부에 인가되는 힘에 직접적으로 관련이 있다. 용접을 실시하는 방법을 정의하는 데에 2가지 기본적인 방식이 있다.

1. 초음파 진동의 진폭, 용접부에 인가될 힘 및 급송될 에너지의 크기를 정의. 용접기는 용접부에 원하는 에너지를 급송하는 데에 걸리는 시간 동안 작동할 것이다. 이는 와이어 접속 용접의 "Weld to Energy" 모드이다.

2. 초음파 진동의 진폭, 용접부에 인가될 힘 및 용접기가 얼마나 오래 작동할 지를 정의. 용접기는 시간에 기초하여 작동할 것이며, 용접부에 급송될 에너지의 크기는 혼과 애빌 사이에 인가되는 힘에 크게 의존한다. 이는 "Weld to Time" 모드이다.

본 개시는 "용접 힘 표(Weld Force Table)"을 도입함으로써 용접에 대해 그러한 2가지 방식으로 확장되었는데, 이는 용접 중에 인가되는 진폭 및 힘을 제어할 수 있게 하여 에너지기 얼마나 빨리 용접부에 인가되는 지를 제어하고, 이에 따라 보다 낮은 에너지로 보다 양호한 용접부를 제공한다. "용접 힘 표"는 어느 용접 방식에도, 즉 Weld to Time 또는 Weld to Energy와 함께 이용될 것이다.

용접 힘 표는 용접이 어떻게 수행될 지에 관한 일련의 방향성이다. 용접 힘 표에서의 각각의 항목은 3개의 값, 즉 지속 시간, 힘 및 진폭으로 이루어진다. 지속 시간은 해당 단계가 얼마나 오래 지속 되는 가이며, 힘은 수직 앤빌 서보 제어를 위한 목표치이며, 진폭은 백분율 파워로 변환되며, 초음파 발생기를 위한 파워 출력 목표치이다. 이 표는 최소한의 크기의 에너지를 이용하고 인가된 에너지로부터 와이어의 손상을 최소화하면서 와이어를 효율적으로 접합할 수 있게 하는 단계들의 순서를 사용자가 결정할 수 있게 한다.

통상의 순서는 짧은 시간 동안 높은 힘과 0의 진폭으로 시작할 것이다. 이는 와이어들을 함께 압착하고 와이어들을 앤빌과 혼의 널링(knurling) 내로 굴곡시킨다. 다음 단계는 초음파 발생기에 대해 큰 진폭과 보다 작은 힘을 이용할 것이다. 이는 와이어에 대한 그립을 완화시키고, 초음파 진동이 와이어들을 함께 문지르게 하고, 외어어로부터 표면 오염물을 청소하여, 와이어 접합 작용을 개시한다. 추가적인 단계들은 와이어들을 가까이 접촉하게 하고 보다 높은 힘 및 낮은 진폭을 이용하여 접합을 허용하는 데에 이용될 수 있다.

최종 단계는 0의 진폭과 높은 힘을 이용하도록 포함될 수 있고, 이는 초음파 발생기를 정지시키고 접합부를 냉각시키면서 와이어를 함께 유지할 것이다. 이러한 최종 단계는 알루미늄을 용접하는 데에 있어서 접합부를 냉각하면서 함께 유지하고 또한 오염물이 접합부에 침입할 수 없게 하는 데에 중요하다.

표 2는 전술한 바와 같이 미리 정해진 순서의 힘, 지속 시간 및 진폭의 세팅을 갖는 용접 작업의 하나의 실시예를 도시한다. 표 2에서의 값은 인가된 초음파 에너지를 보다 효율적으로 이용하고 용접되는 재료에 최소한의 손실을 부여하도록 용접 중에 힘 및 진폭의 변화의 순서를 정하는 데에 이용될 수 있다.

[표 2]

예를 들면, 용접이 시작될 때,

1) 와이어는 700N의 힘으로 압착되고 250mSec의 타이머가 시작된다.

2) 그 타이머가 만료된 경우, 제2 단계로 진행되며, 힘은 500N으로 감소된다. 이것이 정해진 진폭을 갖는 첫 번째 단계이기 때문에, 그 단계의 힘이 달성될 때에 시작 높이 측정이 행해질 것이다. 이러한 시작 높이는 레시피에서의 예상되는 시작 높이와 비교된다. 예상되는 시작 높이로부터의 편차는, 와이어들 또는 와이어 가닥들이 용접부로부터 빠져 있거나 맞지 않는 와이어가 용접부에 존재함을 나타낸다. 그 측정치가 허용 가능 범위 내에 있다면, 초음파 발생기는 40㎛의 진폭으로 켜지고 500mSec의 타이머가 시작된다(그렇지 않다면, 용접이 중지되거나 경보가 발령될 것이다).

3) 타이머의 만료 시에, 제3 단계로 진행하여, 힘은 750N으로 증가되고 초음파 진폭은 26㎛으로 감소되며, 400mSec의 타이머가 시작된다.

4) 타이머의 만료 시에, 제4 단계로 진행하여, 힘 목표치가 1550N으로 변경되고 초음파 진폭은 20㎛으로 감소된다. 다음 단계가 0.0의 진폭을 갖기 때문에, 타이머는 시작되지 않고, 시스템은 용접이 완료되고 초음파가 정지될 때까지 이 단계의 힘 및 진폭으로 그대로 유지될 것이다.

용접이 완료되는 경우, 최종 단계로 진행하고, 정해진 진폭이 없다는 점에서 유지 단계(hold step)이며, 힘은 500N으로 감소하고 500mSec 동안 유지된다.

6) 최종 단계의 타이머가 만료된 경우, 힘 보상 높이 측정이 이루어지고, 그 용접부에 대해 예상된 높이에 대해 테스트된다. 예상된 용접 높이로부터의 편차를 이용하여 결함 용접부를 검출할 수 있다.

용접이 용접 단계 동안에 완료된다면, 그 단계는 중지될 것이며, 단계 프로세싱은 0.0 진폭을 볼 수 있는 후속 단계(제1 유지 단계)로부터 계속되거나, 그 용접은 유지 단계가 없다면 종료될 것이다.

용접이 진행 중이고 마지막 용접 단계에 대해 타이머가 만료된 경우, 용접이 완료될 때까지 현재의 힘 및 진폭으로 유지될 것이다. 유지 단계가 있다면 유지 단계를 처리할 것이다. 그러한 변수를 이용하는 다른 표가 본 명세서에 기재한 개시에 기초하여 당업자들에 의해 생성될 수 있을 것이다.

다른 실시예에서, 용접 작업은 목표 높이 또는 폭이 달성될 때까지 인가되는 힘을 증가시키는 것에 의해 일련의 목표 높이 또는 폭에 의해 정해질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 용접 작업은 각 단계 동안에 인가될 하나 이상의 힘 프로파일을 포함하며, 그 힘 프로파일은 그 단계의 지속 시간에 걸쳐 인가될 힘을 정의한다(일정, 증가, 감소 또는 변동). 용접 작업에서의 각 단계는 또한 진폭 프로파일을 규정할 수 있으며, 그 프로파일은 그 단계 동안에 인가될 진폭을 정의한다. 또 다른 실시예에서, 용접 작업은 힘 프로파일과 진폭 프로파일을 갖는 단일 단계로서 정의될 수도 있다.

다수의 실시예에서, 용접 작업은 압착 단계(들)(0.0의 진폭)로 시작하고, 하나 이상의 용접 단계(제로가 아닌 진폭)를 포함하고, 그리고 유지 단계(들)(0.0의 진폭)로 끝날 수 있다.

또 다른 실시예에서, 용접 작업은 힘 및 진폭 값을 갖는 하나의 사항으로 정의될 수도 있다. 지속 시간은 임의일 수 있다. 이 리스트가 처리되었을 때, 시스템은 힘을 원하는 힘까지 증가시키고, 시작 높이를 측정하며, 그리고 그 높이가 사양 내에 있다면, 초음파 발생기를 원하는 진폭으로 켠다. 원하는 힘은 용접의 지속 시간 동안 유지된다. Time to Weld는, 진폭과 힘이 정의되고 용접 작업이 미리 설정된 시간 동안 행해지고, 그 시간의 만료에 의해 용접 작업이 중지되는 또 다른 작업 모드이다.

2개의 추가적 위치 보고 인코더(156, 158)가 존재한다. 차동 변압기식 인코더(156)는 폭 앤빌 조립체(85) 상의 강자성 전기 전도성 센서 스트립(160)(도 9에 도시)의 위치에 의해 조절되는 폭 프레임(120)(도 11a 및 도 7a에 도시) 상에 위치한다. 차동 변압기식 인코더(158)는 높이 앤빌 조립체(86) 상의 강자성 전기 전도성 센서 스트립(162)(도 12 및 도 13에 도시)의 위치에 의해 조절되는 메인 공구 프레임 조립체(80)(도 5에 파선으로 도시)의 전방 레그의 후방측에 위치한다. 이러한 2개의 추가적인 위치 보고 인코더(156, 158)는 모터의 인코더보다 높이 및 폭 앤빌 조립체의 위치를 보다 정밀하게 검출한다.

또한, 도 8 및 도 9에 폭 앤빌 조립체(85)가 도시되어 있다. 폭 앤빌 조립체(85)를 보다 잘 도시하기 위해 메인 공구 프레임(80), 높이 앤빌 조립체(86) 및 커터 실린더 조립체(46)는 도 8에서 제거되었다. 폭 프레임(120)이 견인 샤프트(tow shaft) 또는 핀(121)(도 9 및 도 10 참조)에 의해 폭 앤빌(84)에 결합된다. 그것은 0 내지 16㎜의 폭 개방을 허용하는 이동 범위를 갖는다. 폭 앤빌(84)은 와이어 다발의 로딩 및 언로딩을 제어하도록 위치 설정될 뿐만 아니라, 완성된 용접부 너깃(weld nugget)의 용접 폭을 정밀하게 제어할 수 있다. 폭 앤빌(84)은 다양한 용접 표면을 제공하도록 끝과 끝을 반대로 그리고 아래위를 반대로 배치할 수도 있다. 이 조립체의 정밀한 선형 운동은 메인 공구 프레임(80)에 부착된 레일(123) 상의 단일 리니어 베어링 캐리어(122)에 의해 제공된다(도 10 및 도 11에 도시). 이는 캠 종동자(100, 102)들 간의 최소 조율 모멘트(turning moment)와 용접 구역의 측방향 용접 힘에 의해 용접 구역과 일직선으로 위치하는 대칭적으로 균형 잡힌 링크 기구 때문에 가능하다. 스택 조립체(54)를 냉각시키는 공기 매니폴드(72)에 연결된 공기 포트(124) 또한 도 8 및 도 15에서 확인할 수 있다.

높이 앤빌 조립체(86)는 도 10 내지 도 11에서 확인할 수 있다. 높이 캠 조립체(28)가 캠 트랙(98)(도 7 참조)을 타고 이동하는 단일 캠 종동자(126)에 의해 높이 앤빌 조립체(86)에 결합된다. 높이 사이드 가이드(128)는 2개의 소켓 헤드 캡 스크루(SHCS)(130A, 130B)에 의해 제위치에 유지된다. 높이 사이드 가이드(128)는 높이 앤빌 베이스(132) 위에 안착되어 있다. 높이 사이드 가이드(128)는 혼(64)(소노트로드)의 측부와의 사이에 갭을 제공하도록 위치 설정된다. 이 갭은 높이 앤빌 조립체(86)가 아래위로 이동할 때뿐만 아니라 압축 용접 힘이 가해지는 동안에도 유지된다. 갭이 너무 크게 되면, 와이어 가닥이 그 갭 내로 들어가 기구의 재밍(jamming)을 야기할 것이다. 그 갭 내로 미끄러져 들어간 와이어 가닥들은 용접되지 않아 허용 불가능한 용접을 초래할 것이다. 갭이 너무 작다면, 사이드 가이드(128)가 혼(64)과 접촉하게 하고, 그 생성된 열로 인해 공구가 영구적으로 손상될 수 있다. 적절한 갭을 세팅하는 것을 보조하기 위해, 사이드 가이드(128)는 갭의 정밀한 조절을 제공하는 소형 편심 캠 조립체(134)에 의해 위치 설정된다. 사이드 가이드(128)는 통상의 마모로 인해 거꾸로 회전시켜 2개의 작업면을 제공하도록 될수 있다. 높이 앤빌(84)은 공압 실린더(136)에 의해 후퇴 및 연장 위치로 구동된다.

도 11 및 도 11a에서 , 폭 앤빌 조립체(85)가 단면도로 도시되어 있다. 그 구성 요소들의 대부분은 앞서 이미 설명하였다. SCHS(138)이 폭 앤빌 리테이너(83)를 눌러 유지하고, 그 아래에 마모 플레이트(142)가 위치한다. 마모 플레이트(142)는 혼(64) 위에 놓인 슬라이드 가이드(104) 상에서 슬라이드하는 폭 앤빌(84)에 대해 조절기(140)에 의해 조절된다. 사이드 가이드 캠 조립체(106)는 전술한 폭 앤빌(84)과 혼(64) 사이의 갭을 유지한다. 높이 앤빌 리테이너(89)는 높이 앤빌(88)을 위해 유사한 구성 요소들을 갖고 있다.

도 12에서는 또한 모터 장착 플레이트(102)와 함께 스택 조립체(52)를 확인할 수 있다. 높이 앤빌 조립체(85)를 보다 잘 도시하기 위해 메인 공구 프레임(80), 폭 앤빌 조립체(85) 및 커터 실린더 조립체(46)는 도 12에서 제거되었다. 도 12 내지 도 14에서의 특히 흥미로운 것은 도 10 및 도 10a의 설명과 함께 고려되는 높이 앤빌 조립체(86)에 대해 계속되는 설명이다. 높이 앤빌 클레비스(height anvil clevis)(144)에 부착된 공압 실린더 조립체(136)를 볼 수 있으며, 그 높이 앤빌 클레비스(144)는 전방 및 후방 액추에이터 플레이트(145, 146)에 부착되고, 이들 액추에이터 플레이트(145, 146)는 커넥터 핀(149)을 통해 샤프트(147) 상에서 피벗하여, 높이 앤빌(88)을 연장 및 후퇴 위치로 이동시킨다. 센서(180)가 높이 앤빌(88)이 후퇴 위치에 있을 때(도 14에 도시함)의 플레이트(146)의 위치를 검출한다. 높이 앤빌(88)의 후퇴 위치는 스톱(182)에 의해 유지된다. 높이 앤빌 베이스 플레이트(148)가 당해 조립체를 위한 구성 요소들을 유지한다. 높이 앤빌 베이스 플레이트(148)는 또한 2개의 리니어 베어링 캐리어(170, 172)를 유지한다(역시 도 4에 도시함). 높이 앤빌 조립체(86)의 정밀한 선형 운동은 메인 공구 프레임(80)(도 4에 도시함)에 장착된 레일(174, 176) 상에 올라 탄 2개 리니어 베어링 캐리어(170, 172)에 의해 제공된다. 높이 앤빌 베이스 플레이트(148)의 외부 에지에 장착된 롤러(150)가 높이 캠(28)의 외부 내측 에지와 접촉하여, 하향 힘이 높이 앤빌(88)에 가해질 때에 높이 캠을 안정시킨다. 전술한 유도성 센서 스트립(162)을 위한 슬롯을 높이 앤빌 베이스 플레이트(148)에서 확인할 수 있다.

도 15 내지 도 18은 스택 조립체(12) 및 그 다양한 구성 요소들을 도시한다. 도 16 내지 도 18은 전방 절점 지지 조립체(58) 및 혼(64)을 도시한다. 혼(64)은 그 중심을 중심으로 둘러진 4개의 평면부를 갖고 있고, 그 중 2개의 평면부(190, 192)만이 도면에 도시되어 있다. 나머지 두 평면부는 평면부(190, 192)와 유사하지만, 그 반대측에 배치된다. 상부 및 저부 평면부는 서로 평행하며, 2개의 측부 평면부는 상부 및 저부 평면부에 대해 90도의 각도로 배치되고 서로에 대해서는 평행하다. 측부 평면부(들)(192)에는 전방 절점 지지 조립체(58)의 좌측의 세트스크루(196)를 수용하는 딤플(dimple)(194)이 밀링 가공되어 있다. 딤플(194)은 혼(64)의 길이방향에 있어서의 정밀한 위치를 부여한다. 전방 절점 지지 조립체(58)의 우측에는 2개의 세트스크루(198, 200)를 구비하며, 이들 세트스크루는 혼(64)의 좌우 배치를 설정한다. 전방 절점 지지 조립체(58)의 개구(204)의 저부에는 베이스 플레이트(72)에 평행한 바아(202)가 있다. 바아(202)는 전방 절점 지지 조립체(58) 내에서 혼(64)을 그 저부 평면부에서 유지한다. 혼(64)은 전방 절점 지지 조립체(58)의 상부 플레이트(208) 내의 세트스크루(206)에 의해 눌려 유지된다. 혼(64)은, 상부 플레이트(208)를 전방 절점 지지 조립체(58)에 유지하는 2개의 스크루(210, 212)만을 단지 제거하고 세트스크루(196)를 느슨하게 함으로써 전방 절점 지지 조립체(58) 내에서 180도 회전시킬 수 있다. 혼(64)은 근위 단부에 주름형 표면을 갖는 2개의 해머 헤드(214, 216)를 구비한다. 혼(64)을 180도만큼 회전시킴으로써, 다른 해머 헤드를 사용하는 것이 가능해지고 그리고 그 해머 헤드를 전방 절점 지지 조립체(58)를 통해 동일한 정밀한 위치에 세팅할 수 있다. "해머 헤드"의 표면의 파형은 와이어 가닥을 파지하여, 혼과 접촉한 와이어가 초음파 운동에 따라 이동하는 한편, 높이 앤빌과 접촉한 와이어 가닥은 정지 상태로 유지되게 하며, 그 결과 필요한 상호 스크러빙 작용(scrubbing interaction)이 얻어진다.

초음파 용접 작업의 단계들을 도 19 내지 도 22에 도시하며, 각 단계가 각각의 도면에 의해 도시되어 있다.

I. 처음에, 폭 앤빌(84)이 후퇴 해제 위치에 있다. 이는 작업자가 와이어들을 서로 아래위로 로딩하는 것을 돕는다. 높이 앤빌(88) 또한 해제 위치에 있고, 와이어의 위치 설정을 위한 방해물이 없는 통로를 제공하도록 후퇴되어 있다. 이것이 개방 개구 모드이다.

II. 와이어들은 모두 폐쇄 개구 모드에서의 폐쇄 용접 영역 내에 수용되어 있다. 높이 앤빌(88)이 앤빌(84)과 접촉하게 공압 실린더 조립체(136)에 의해 옮겨진다. 용접 영역은, 폭 앤빌(84)을 최종 용접 위치로 이동시키기 전에는 폐쇄되어 있어, 모든 와이어 가닥이 그 영역에 유지되고 대향한 앤빌 페이스 사이로 가닥이 미끄러지는 일이 없을 수 있다.

III. 폭 앤빌(84)이 최종 용접 폭 위치로 이동되었다. 폭 앤빌(84)은 높이 앤빌(88)을 뒤로 누른다. 공압 실린더 조립체(136)가 여전히 작동하고 있지만, 공기가 압축 가능하기 때문에, 높이 앤빌(88)이 뒤로 이동하는 것을 허용할 것이다. 2개의 앤빌 페이스들 간의 친밀한 접촉은, 모든 와이어 가닥을 실수로 공구 면들 사이에 유지하는 일 없이 용접 영역 내에 유지하는 데에 필요하다.

IV. 높이 앤빌(88)은 하향으로 이동하여 와이어 가닥들을 압착한다. 용접 힘 로드 셀(118)이 인가된 힘을 보고하고 하향 이동 속도가 감소할 때에, 시작 용접 높이가 결정되어 품질 요건에 적합한지에 대해 평가된다. 시작 높이가 한계 범위 내에 있다면, 용접을 시작한다. 용접의 종료 시에 높이를 다시 측정하고, 한계 범위 내에 있다면, 높이 앤빌(88)과 폭 앤빌(84)을 로딩 위치로 복귀시키고 사이클을 종료한다.

프로세스 셋업 파라미터에 따라, 용접 실패는 공구를 폐쇄 상태로 유지하여, 실패한 용접부를 적소에 로킹시킬 수 있다. 그러면, 담당자가 "불량 와이어" 장치를 작동시켜, 용접부를 해제하기 전에 용접 접합부로부터 와이어를 절단할 수 있다. 이는 불량 용접부가 생산에 투입되지 않도록 보장한다. 현재 상용 와이어 스플라이서는 단지 구리 면적 검출의 5.5%를 보장한다. 용접 스플라이서 머신(10)은 와이어 검출 누락과 관련하여 구리 면적의 최소 3%까지 성공적이었다.

장치, 시스템 및 방법이 다양한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자라면 본 개시의 범위 및 본질을 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 그 요소로 대체 될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 게다가, 본 개시의 본질적인 범위로부터 벗어나지 않고 본 개시의 교시에 따라 특정 상황 또는 재료를 맞추도록 수많은 수정이 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 개시는 개시한 특정 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 본 개시는 첨부된 청구 범위의 보호 범위 내에 포함되는 모든 실시예를 포함고자 한 것이다. 본 명세서에서, 달리 명시적으로 언급하지 않는다면 단위는 미터계이며 모든 양 및 백분율은 중량으로 나타낸다. 또한, 본 명세서에서 언급한 모든 인용 문헌은 명시적으로 참조로 본 명세서에 원용된다.

Claims

초음파 용접 장치로서, 접합될 금속 피스들이 용접 구역에 배치되고, 상기 금속 피스들은 압축용 높이 앤빌(compressive height anvil) 및 조절 가능 폭 앤빌(width anvil)을 통해 압력을 받게 되고 초음파 스택의 소노트로드와의 친밀한 접촉이 이루어지며, 상기 초음파 용접 장치는,
상기 높이 앤빌의 이동을 조작하여 상기 금속 피스들의 초음파 용접을 위한 압축력을 생성하는 제1 전기 모터
를 포함하는 것인 초음파 용접 장치.
제1항에 있어서,
생성되는 압축력을 측정하는 센서를 더 포함하는 것인 초음파 용접 장치.
제2항에 있어서,
상기 센서는 로드 셀이며, 상기 초음파 용접 장치는, 상기 로드 셀 센서의 편향 및 상기 제1 전기 모터가 조작하는 이동에서의 손실 운동(lost motion)을 보상하는 소프트웨어 알고리즘을 더 포함하는 것인 초음파 용접 장치.
제1항에 있어서,
용접 중에 조절된 압축력과 동기하여 상기 소노트로드의 초음파 진폭을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것인 초음파 용접 장치.
제1항에 있어서,
용접 전 및 용접 중에 상기 폭 앤빌을 위치 설정하는 제2 전기 모터를 더 포함하는 것인 초음파 용접 장치.
초음파 용접 장치를 캘리브레이션하는 방법으로서:
(a) 제1 전기 모터를 작동시켜 높이 앤빌이 빈 용접 구역에 복수의 압축력을 인가하는 단계;
(b) 상기 복수의 압축력 각각에 대해 상기 빈 용접 구역에 인가된 힘을 로드 센서에 의해 측정하는 단계;
(c) 상기 복수의 압축력 각각에 대해 상기 제1 전기 모터의 위치 인코더로부터 측정된 높이를 제어기에 의해 수신하는 단계;
(d) 인가된 힘과 단계 (a)에서 결정된 높이 보상 간의 상관관계를 나타내는 표를 생성하는 단계; 및
(e) 상기 표를 저장하는 단계
를 포함하는 방법.
초음파 용접 방법으로서:
(a) 용접될 복수의 와이어를 수용한 초음파 용접기의 용접 구역에 높이 앤빌이 압축력을 인가하도록 제1 전기 모터를 작동시키는 단계;
(b) 로드 센서에 의해 상기 용접 구역에 인가된 힘을 측정하는 단계;
(c) 상기 제1 전기 모터의 위치 인코더로부터 측정된 높이를 제어기에 의해 수신하는 단계;
(d) 상기 제어기에 의해, 복수의 압축력 각각에 대해 용접 구역에 인가된 힘과 측정된 높이 간의 상관관계를 나타내는 저장된 높이 보상 데이터에 접속함으로써 높이 캘리브레이션 인자를 결정하는 단계; 및
(e) 상기 측정된 높이와 결정된 높이 캘리브레이션 인자에 기초하여 용접될 복수의 와이어의 실제 높이를 결정하는 단계
를 포함하는 방법.
초음파 용접 방법으로서:
(a) 제어기에 의해 용접 작업 중의 힘, 지속 시간 및 진폭에 대한 미리 정해진 순서를 수신하는 단계로서, 각 힘-진폭 조합은 해당 지속 시간에 이르기까지 순차적으로 적용되는 것인 단계;
(a) 정해진 용접 작업에 기초하여 용접될 복수의 와이어를 수용한 초음파 용접기의 용접 구역에 높이 앤빌이 압축력을 인가하도록 제1 전기 모터를 작동시키는 단계;
(c) 상기 정해진 용접 작업에 기초하여 초음파 스택의 소노트로드를 작동시켜 용접될 복수의 와이어에 진동을 인가하는 단계;
(d) 로드 센서에 의해 상기 용접 구역에 인가된 힘을 측정하는 단계;
(e) 상기 제1 전기 모터의 위치 인코더로부터 측정된 높이를 제어기에 의해 수신하는 단계;
(f) 상기 제어기에 의해, 복수의 압축력 각각에 대해 용접 구역에 인가된 힘과 측정된 높이 간의 상관관계를 나타내는 저장된 높이 보상 데이터에 접속함으로써 높이 캘리브레이션 인자를 결정하는 단계;
(g) 상기 측정된 높이와 결정된 높이 캘리브레이션 인자에 기초하여 용접될 복수의 와이어의 실제 높이를 결정하는 단계; 및
(h) 상기 용접될 복수의 와이어의 결정된 실제 높이가 상기 용접 작업에 의해 정해지는 목표 종료 높이의 정해진 공차 내에 있는 경우에 상기 용접 작업을 중단하는 단계
를 포함하는 방법.
제8항에 있어서, 상기 용접될 복수의 와이어의 결정된 실제 높이가 목표 시작 높이 범위로부터 벗어나는 경우에 상기 용접 작업을 중지는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
제8항에 있어서, 상기 용접될 복수의 와이어의 결정된 실제 높이가 현재의 힘-진폭 조합에 대한 목표 높이를 충족하는 경우에 상기 미리 정해진 순서에 있어서의 그 다음의 힘-진폭 조합으로 진행하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.