KR20210137129A - 소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법 - Google Patents

소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법 Download PDF

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KR20210137129A
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제르하드 그나드
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헤르만 울트라샬테흐닉 게엠베하 운트 콤파니 카게
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Abstract

본 발명은 주파수(f) 및 진동 진폭(A0)으로 진동시키는 소노트로드(4)와 대응 요소(5)의 접촉의 형성 또는 차단을 검출하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법은, 대응 원소와 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단을 특히 빠르고 저렴하게 검출할 수 있는 방법을 제공하기 위해서, a) 제1 측정 시간 간격(△T) 중에 진동 진폭(A0)의 시간 구성(1)을 기록하는 단계, 및 b) 진동 진폭(A0)의 시간 구성(1)으로부터, 측정 시간 간격(△T) 내에서 접촉의 형성 또는 차단이 발생했는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 제안한다.

Description

소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법
본 발명은 주파수(f) 및 진동 진폭(Ao)으로 진동시키는 소노트로드(sonotrode)와 대응 요소의 접촉 형성 또는 차단을 검출하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 소노트로드와 대응 도구의 접촉 형성을 검출하는 방법에 관한 것으로, 처리될 재료는 소노트로드와 대응 도구 사이에 배치될 수 있다. 본 발명은 또한 초음파 진동 장치를 제어하는 방법에 관한 것이다.
초음파 진동 장치는 일반적으로 의도된 용도에서 기계적 진동을 수행 할 수 있는 적어도 하나의 소노트로드를 갖는다. 초음파 용접 장치를 사용한 초음파 용접 또는 초음파 절단 장치를 사용한 초음파 절단의 경우, 대응 도구는 소노트로드의 반대편에 배치되고, 처리될 재료는 소노트로드와 대응 도구의 사이에 배치된다. 그 다음, 재료는 각 적용 영역에 따라 용접 이음새가 제공되거나 소노트로드에 의해 절단된다.
초음파 절단에서 절단이 성공적으로 완료되거나 또는 초음파 용접에서 재료 스트립의 단부에 도달하면, 소노트로드와 대응 도구 사이에 접촉이 형성된다.
소노트로드의 작동 조건이 조정된 진동 중에 형성하는, 소노트로드와 대응 도구 사이의 이러한 접촉 또는 충돌하면, 한편으로는 소노트로드와 대응 도구 모두가 경질 재료를 포함하기 때문에 바람직하지 않은 효과를 가져오고, 그 결과 대응 도구와 소노트로드가 충돌하거나 서로 마찰할 때, 두 구성 요소에 심각한 마모가 발생한다.
반면, 소노트로드와 대응 도구 간의 접촉 형성은 특정 공정 사례를 나타낸다. 초음파 절단 장치를 사용한 절단 작업에서, 소노트로드와 대응 도구 사이의 접촉 형성은 절단할 재료가 절단되었음을 나타낸다. 초음파 용접 장치를 사용하여 용접할 때, 소노트로드와 대응 도구 사이의 접촉 형성은 그에 상응하여 해당 재료의 의도하지 않은 절단을 나타낼 수 있다. 두 응용 분야에서, 소노트로드와 대응 도구가 서로 접촉한다는 사실은 또한 소노트로드와 대응 도구 사이를 따라 안내되는 재료 스트립의 단부에 도달했음을 나타낼 수도 있다.
특히, 초음파 절단 장치를 사용하여 절단할 때, 공정 안정성과 가공 할 제품의 품질에 있어서, 후속되는 적절한 조치를 수행할 수 있도록 소노트로드와 해당 대응 도구가 접촉하는 순간을 설정하는 것이 중요하다. 그 점에서 실제로 접촉이 발생되는 시간과 접촉이 확인 및 위치 결정되는 시간 사이에 차이가 있어야 한다. 본 발명에서는 삽입된 시간을 기록 시간이라고 지칭한다. 따라서 접촉에 대한 반응은, 기록 시간이 만료된 후에만 발생할 수 있으므로 반응 시간은 기록 시간보다 크거나 같다.
지금까지의 초음파 절단 작업은 일반적으로 미리 규정된 소정의 작동 시간 또는 미리 규정된 소정의 에너지 소비량에 도달할 때까지 단순히 수행되었으며, 이전 경험으로부터 각각의 용도에 대해서, 작동 시간이 종료된 후 또는 해당 에너지 소비 수준에 도달한 후, 절단 작업이 완료되었음을 표시하였다. 그러나 이러한 방법은 특히 정확하지 않고, 긴 리드(lead) 시간을 필요로 하며, 먼저 특정 용도에 대해 충분한 경험이나 측정치를 수집할 필요가 있다.
대안적으로, 소노트로드와 대응 전극의 접촉 형성이 외부로부터 추가로 인가된 직류 전압을 통해 릴레이 스위치의 경우와 유사하게 확립된 소위 금속 접촉 전자 효과가 이용되었다. 그러나 이러한 방법은 추가적인 센서 수단과 전자 수단이 필요하므로 더 복잡하고 더 높은 비용을 수반한다. 이러한 방법의 기록 시간은 2ms 이상이다. 이는 수 많은 적용 분야에서 너무 길다.
소노트로드와 대응 도구의 접촉 형성을 결정하는 것 외에도, 소노트로드와 대응 도구가 서로 접촉하지 않는 시점과 소노트로드가 또 다른 대응 요소와 접촉하지 않는 시점을 결정할 수 있는 것도 바람직하다. 그러나 추가적인 센서 수단으로 이러한 사례를 검출하는 것은 종종 너무 오래 걸리거나 너무 복잡하다.
이러한 배경을 감안할 때, 본 발명의 목적은 소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 또는 접촉 차단을 검출할 수 있는 방법을 제공하는 데 있으며, 이 방법은 언급된 문제를 배제하거나 적어도 완화시킨다. 특히, 본 발명의 목적은 1 ms 미만의 기록 시간으로 소노트로드가 대응 도구와 접촉하는 순간을 결정하고, 또한 비용이 저렴한 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다.
청구항 1의 발명은, 주파수(f) 및 진동 진폭(Ao)으로 진동시키는 소노트로드와 대응 소자와의 접촉 형성 또는 차단을 검출하는 방법으로서, 다음 단계를 포함한다:
a) 제1 측정 시간 간격(△T) 동안 진동 진폭(Ao)의 시간 구성을 기록하는 단계, 및
b) 진동 진폭(Ao)의 시간 구성으로부터 측정 시간 간격(△T) 내에서 접촉의 형성 또는 차단이 발생했는지 여부를 결정하는 단계.
접촉-형성의 검출만을 목적으로 하는 이전에 공지된 방법과 비교하여, 본 발명에 따른 방법은 또한 접촉 차단을 검출하는 것을 가능하게 한다. 이는, 예를 들어 내측으로 배치된 더 단단한 층의 절단(따라서 더 단단한 층과의 접촉이 차단됨)이 기록될 때, 다층 시스템의 초음파 작업에서 중요할 수 있다.
바람직한 진동은 주기적인 진동, 특히 고조파(harmonic vibration) 진동이다. 주파수(f)의 고조파 진동을 가정하면, 진동의 편향 A(t)은 일반적인 방식으로 시간(t)의 함수와 관련된다:
A(t) = A0(t) cos (2πft)
상기 식에서, A0는 진동 진폭이다.
이상적인 상태에서 소노트로드는 일정한 진동 진폭(A0)으로 진동한다. 그러나, 소노트로드와 대응 도구 사이, 또는 소노트로드와 작업할 재료 사이의 결합이 변경되면 진동 진폭이 변경되므로, 진동 진폭도 시간-의존 파라미터(A0(t))가 된다. 본 발명은 그것을 이용한다.
본 발명에 따른 방법을 이용하면, 접촉 형성 또는 차단 시간은 최신 기술로부터 알려진 방법을 이용하는 경우보다 현저하게 더 빠르게 결정된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 방법은 100 ㎲ 이하의 더 짧은 기록 시간을 가능하게 한다. 그 결과, 대응 요소 및 소노트로드, 특히 대응 도구 및 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단에 더욱 빠르게 반응할 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 방법은 소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 및 차단에 대해 매우 짧은 반응 시간으로 반응할 수 있는 가능성을 제공한다.
반응 시간이라는 용어는, 예를 들어 제어 명령의 구현과 같이 접촉 형성 또는 차단이 발생하는 실제 순간과 이에 대한 반응 순간 사이의 시간을 나타내는 데 사용된다.
본 발명에 따른 방법 중 단계 b)의 바람직한 실시형태에서, 기록된 진동 진폭(A0)이 미리 결정된 허용 값(α) 이상으로 미리 결정된 기준 진폭(R)과 다른 경우, 또는 기록된 진동 진폭(A0)이 미리 결정된 허용 범위 [Tmin, Tmax]를 벗어난 경우, 소노트로드와 대응 요소의 접촉을 형성하거나 차단하는 것이 확립된다.
결과적으로, 이 실시형태는 기준 진폭(R) 및 허용 값(α) 또는 허용 범위 [Tmin, Tmax]에 의해 규정되는 허용 범위를 제공한다. 이러한 허용 범위는 가능한 진동 진폭의 연속 하위 범위를 포함한다. 이러한 허용 범위는 초음파 진동 장치의 어떠한 진동 소노트로드에 대해서도 규정될 수 있으므로, 소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 또는 차단 시, 특히 소노트로드와 대응 도구 간의 접촉 형성 시, 진동 진폭은 정의 가능한 허용 범위 밖에 있고, 그렇지 않고 소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 또는 차단 없는 규칙적인 진동의 경우에는 해당 허용 범위 내에 있다.
바람직하게는 접촉 형성 또는 차단은 진동 진폭이 허용 범위를 벗어날 때만 설정된다.
이는 초음파 진동 장치의 과도 상태를 별도로 처리할 필요가 없다는 장점이 있다. 소노트로드의 과도 상태에서, 진동 진폭은 소노트로드와 대응 요소의 해당 접촉 형성 또는 차단이 발생하지 않더라도, 미리 규정된 허용 범위를 벗어난 값을 가정할 수 있다. 그러나, 여기서 설명되는 바람직한 실시형태에 따라, 접촉 형성 또는 접촉 차단을 결정하는 것은 진동 진폭이 허용 범위를 벗어나는 것을 전제로 한다. 그러나 일반적으로 진동 진폭은 먼저 과도 상태가 종료될 때만 허용 범위 내의 값을 가정한다. 따라서 "이탈"의 요건에 의해, 과도 상태 중에 접촉 형성 또는 차단의 잘못된 결정이 확실하게 발생하지 않도록 한다.
접촉 형성 또는 차단의 오 탐지 위험을 최소화하는 중복(redundant) 시스템을 형성하기 위해, 측정 시간 간격(△T)은 또한 측정 시간 간격(△T)의 시작 전에 소노트로드의 과도 상태가 종결되도록 하는 것이 바람직하다.
소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 또는 차단을 결정하기 위해 허용 범위를 사용하는 것은, 접촉 형성 또는 차단이 매우 쉽고 빠르게 결정될 수 있고 진동 진폭의 시간 구성을 기반으로 하는 시간 소모적인 계산을 수행할 필요가 없다는 점에서 특히 유리하며, 이는 기록 시간과 잠재적인 반응 시간을 늘어나게 한다. 오히려 접촉 형성 또는 차단은 진동 진폭이 허용 범위 밖에 있거나 허용 범위를 벗어나는 것에 의해 직접 설정된다.
특히 단순한 실시형태에서, 기준 진폭은 단순히 이전에 검출된 측정 값일 수 있다. 곧 현재 측정 값과 이전 측정 값(기준 진폭)의 차이가 접촉 형성(또는 접촉 차단)으로 해석되는 미리 결정된 허용 값(α)보다 커진다. 허용 값(α)은 경험 값을 기반으로 할 수 있다.
진동 진폭의 단기적인 변화를 무시할 수 있도록 하기 위해서는, 진동 진폭의 측정 신호가 저역 통과 필터(low pass filter)를 통과하는 것이 유리할 수 있다.
단계 a) 이전의 특히 바람직한 실시형태에서, 제2 측정 시간 간격(△t) 중에 진동 진폭(A0)의 시간 구성이 기록되고, 기준 진폭 및/또는 허용 범위는 제2 측정 시간 간격(△t) 중의 기록으로부터 계산된다.
이 실시형태에서, 허용 범위는 초음파 진동 장치를 사전에 설정하거나 조정하지 않고 작동 시 유리하게 설정된다. 결과적으로, 초음파 진동 장치의 자동 자기 교정이 이루어지며, 이는 항상 진행중인 작업 또는 진행중인 작업의 진동에 맞게 조정되므로, 각각의 적절한 기준 진폭은 상이한 초음파 진동 장치 또는 상이한 적용 또는 상이한 외부 환경에 대해 외부로부터 설정될 필요가 없다. 이는 취급을 단순화하고 문제의 초음파 진동 장치의 효율성을 향상시킨다.
특히, 소노트로드와 대응 도구 사이의 접촉 형성 검출과 관련하여, 예를 들어 초음파 용접 또는 초음파 절단과 같은 수많은 초음파 응용 분야와 관련하여, 통상의 상황 하에서는, 소노트로드와 대응 도구 사이의 접촉 형성이 기대되는 시간 간격이 알려져 있다. 본 명세서에서 설명된 실시형태는, 허용 범위에 대한 기준 진폭을 규정하기 위해 제2 측정 시간 간격으로서 하나 이상의 이러한 시간 간격을 이용하는 것을 가능하게 한다.
따라서, 소노트로드와 대응 도구의 접촉 형성을 검출하는 해당 방법의 경우, 제2 측정 시간 간격 내에 통상의 상황 하에서 소노트로드와 대응 도구 사이의 접촉 형성이 예상되지 않도록 선택되는 것이 바람직하다.
추가 실시형태는, 평균 진동 진폭이 제2 측정 시간 간격(△t) 중의 기록으로부터 계산되고, 계산된 평균 진동 진폭이 미리 결정된 기준 진폭으로서 단계 b)에서 이용된다는 것을 제공한다. 작동 중에 계산된 진동 진폭의 평균값을 기준 진폭으로 이용함으로써, 기준 진폭 및 허용 값으로부터 발생하는 허용 범위가 항상 진행중인 작동에 정확하게 적용되는 것을 보장한다.
추가 실시형태에서, 최소 진동 진폭(Amin) 및 최대 진동 진폭(Amax)은 제2 측정 시간 간격(△t) 중의 기록으로부터 결정되고, 허용 간격은 최소 진동 진폭(Amin) 및 최대 진동 진폭(Amax)으로부터, Tmin ≤ Amin 및 Tmax ≥ Amax의 조건에서 계산된다. 이 실시형태는 특히 허용 간격에 의해 형성된 허용 범위가 소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 또는 차단을 나타내지 않는 진동 진폭의 모든 값을 포함하는 것을 확실하게 한다. 이러한 점에서 허용 간격은 항상 작동과 관련된 특정 상황에 맞게 조정된다. 따라서 단일 초음파 절단 장치의 허용 간격은 다양한 외부 환경을 기반으로 동적으로 조정될 수 있다. 예를 들어 허용 간격은 후속적인 제2 절단 공정에서보다 제1 절단 공정에서 더 넓을 수 있다.
거듭 반복되고 초음파 진동 장치에 의해 수행되는 공정의 경우, 기준 진폭 및/또는 허용 간격을 자동으로 결정하기 위한 전술한 실시형태는 바람직하게는 한 번 또는 몇 번만 수행된다. 그 다음, 그 방식으로 결정된 기준 진폭 및/또는 허용 간격은 외부 환경의 변화가 예상되지 않는 추가적인 유사 공정에 이용된다.
'초음파 진동 장치의 공정'이라는 용어는 특히 초음파 절단 도구의 절단 공정 및 초음파 용접 도구의 용접 공정을 나타내기 위해 사용된다.
바람직한 실시형태는 단계 a)에서 소노트로드가 컨버터에 의해 여기되고, 여기서 컨버터는 전류 발생기에 연결되고, 전류 발생기에 의해 제공되어 컨버터를 통해 흐르는 전류(IE(t))를 측정한다. 이 경우 전류 발생기에 의해 컨버터에 인가된 전압(UE(t))가 측정되고, 전류 발생기 및 컨버터를 포함하는 전기 진동 시스템의 진동 진폭과 관련된 진동 진폭 또는 필드 크기는 측정된 전압(UE(t)) 및 측정된 전류(IE(t))로부터 계산된다.
특히 진동 진폭은 WO 2013/017452 A2에 공지된 방법으로 측정될 수 있다.
전류 생성 유닛은 바람직하게는 발전기이고 주기적으로 변하는 전압, 바람직하게는 교류 전압을 제공하며, 이 교류 전압은 바람직하게는 압전 소자가 있는 컨버터에서 기계적 진동으로 변환되므로, 자유롭게 진동하는 초음파 진동 장치 내에서 정재파(standing wave)가 생성되고, 여기서 소노트로드와 인가 전압은 정재파 파고의 위치가 소노트로드의 전면(front face)의 위치와 일치하도록 되어 있다. 주기적으로 변하는 전압이 인가되는 주파수는 자유롭게 진동하는 초음파 진동 장치의 공진 주파수, 즉 다른 소자와 접촉하지 않도록 선택된 여자기 주파수이다.
본 명세서에서 설명된 실시형태와 관련하여, 본 발명은 특히 소노트로드와 대응 요소의 접촉 형성 또는 차단에 따라, 전체 초음파 진동 장치의 진동 구성은 초음파 진동 장치의 공진 주파수가 이동하는 방식으로 변경된다는 인식에 기초한다. 결과적으로 여자기 주파수와 공진 주파수가 더 이상 일치하지 않는다. 그 결과, 예를 들어 "지터(jitter)"와 같은 변화, 즉 진동 진폭의 교대 증가 및 감소가 발생한다.
추가 실시형태에서, 본 발명에 따른 방법은 하기 추가 단계 c)를 갖는다:
c) 단계 b)에서 기록된 접촉 형성 또는 차단이 진동 진폭(1)의 시간 구성으로부터 발생하는 시간(t0)을 결정하는 단계로서, 측정 시간 간격(△T) 내의 진동 진폭이 처음으로 허용 범위를 벗어나는 시간, 또는 미리 규정된 시간만큼 상기 시간으로부터 이동한 시간은 접촉 형성 또는 차단 시간(t0)으로 설정되는 결정단계.
순간 시점을 결정함으로써 유리하게는 기본 공정의 추가 최적화를 구현할 수 있다.
측정 시간 간격 내에서 처음으로 진동 진폭이 허용 범위를 벗어나는 순간의 시점이 접촉 형성 또는 차단 시간(t0)으로서 설정되는 제1의 대안은, 접촉 형성 또는 차단 시간을 결정하는 특히 간단한 방법을 나타내며, 이는 진동 진폭에 대한 간단한 쿼리(query)와 허용 범위와의 비교만을 필요로 한다. 또한, 특히 이 바람직한 방법에 의해 접촉 형성 또는 차단 시간(t0)의 빠르고 효율적인 결정이 이루어지도록 추가적인 방법 단계가 필요하지 않다.
수정 시간을 제공하는 제2 대안에 대해서는, 개별 초음파 진동 장치에서 행해지는 사례, 경험 및 측정 값에 의존하여 접촉 형성 또는 차단 시간을 매우 정확하고 구체적으로 설정할 수 있다.
단계 a)의 일 실시형태에서, 적어도 2,000 샘플/초, 바람직하게는 적어도 5,000 샘플/초, 특히 바람직하게는 적어도 15,000 샘플/초의 진동 진폭의 시간 구성을 결정하기 위한 샘플링 속도가 이용된다. 따라서 바람직한 실시형태에서, 측정 값은 매 50㎲마다 기록되었으며, 이는 20,000 샘플/초에 해당한다.
위에서 지정한 샘플링 속도에 의해, 진동 진폭이 실제로 허용 범위를 벗어나는 순간과 허용 범위가 남아있는 것으로 설정되는 순간 사이의 시간이 충분히 짧은 것을 확실하게 한다. 예를 들어 진동 진폭이 실제로 허용 범위를 벗어나는 시간과 진폭이 허용 범위를 벗어난 것으로 인식되는 주어진 시간 사이에 샘플링 속도가 5,000 샘플/초인 경우 항상 200 ㎲ 미만이고, 샘플링 속도가 10,000 샘플/초이면 항상 100 ㎲ 미만이고, 샘플링 속도가 20,000 샘플/초이면 항상 50 ㎲ 미만이다.
특히 바람직한 실시형태에서 대응 도구가 대응 요소로서 사용되며, 여기서 처리될 재료는 소노트로드와 대응 도구 사이에 배치될 수 있고, 소노트로드와 대응 도구의 접촉 형성이 검출된다.
이와 같이 하여, 예를 들어 초음파 용접에서, 소노트로드와 대응 도구 사이에서 발생하는 접촉 사실은 절단 공정에서 성공이 발생했음을 나타내므로 절단이 완료된 시점을 검출하는 것이 유리하게 가능하다.
본 발명의 목적은 또한 초음파 진동 장치를 제어하는 방법에 의해 달성되며, 여기서 초음파 진동 장치는 소노트로드와 대응 도구를 가지며, 대응 도구는 소노트로드에 의해 처리할 재료가 소노트로드와 대응 도구 사이에 배치될 수 있도록 소노트로드와 반대 관계로 작동하도록 배치되는 것으로, 상기 제어 방법은,
A) 미리 결정된 시간(td) 동안 진동으로 소노트로드를 여기시키는 단계,
B) 청구항 8에 따른 방법을 수행하는 단계(전술한 실시형태에 따라), 및
C) 소노트로드의 여기를 종료하거나 또는 단계 B)에서 소노트로드와 대응 도구 사이의 접촉 형성이 검출된 경우 소노트로드를 대응 도구로부터 멀리 이동하는 단계를 포함한다.
전술한 방법에 의해 결정된 소노트로드와 대응 도구 간의 접촉 형성은 본 실시형태에 설명된 초음파 진동 장치의 제어 방법에 의해 사용된다. 이 경우 방법의 단계는 자동화 과정에서 수행되는 것이 바람직하다.
소노트로드와 대응 도구 사이의 접촉 형성을 결정하기 위한 본 발명에 따른 상기 설명된 방법의 기록 시간은 종래 기술로부터 알려진 기록 시간보다 현저히 짧기 때문에, 접촉 형성 사실이 결정된 후의 제어 명령의 잠재적 반응 시간도 또한 현저히 짧다.
진동하는 소노트로드 하에서 부품끼리 서로 부딪히거나 마찰이 일어나는 상황에서 발생하는 소노트로드와 대응 도구의 접촉 형성은 마모량의 증가를 수반하기 때문에, 여기의 종료(셧다운) 또는 소노트로드와 대응 도구 사이에서 발생하는 첫 번째 검출된 접촉 후 소노트로드가 멀리 이동한다는 사실은 소노트로드와 대응 도구의 마모가 최소로 제한됨을 의미한다. 이 경우에 이용될 수 있는 반응 시간은 금속 접촉 검출을 기반으로 하여 이전에 이용된 방법보다, 특히 약 100 ㎲의 영역에서, 현저하게 더 짧다. 이러한 방법은 해당 상황에서 달성할 수 있는 기록 시간을 기준으로 최소 2ms의 달성 가능한 반응 시간을 포함한다.
이 방법의 바람직한 실시형태에서, 단계 C)는 접촉-형성의 검출 후 미리 규정된 후속 시간(tN)의 만료 후에만 수행되며, 바람직하게는 접촉-형성의 검출 직후에 진동 진폭의 감소가 수행된다.
이렇게 미리 규정된 후속 시간(tN)은, 대응 도구와 소노트로드 사이에 접촉이 발생하여 초음파를 적용하는 공정, 예를 들어 초음파 용접 작업 또는 초음파 절단 작업이 완전히 종료되지 않은 경우 특히 유리하다. 따라서, 절단할 재료가 아직 100% 절단되지 않았더라도 소노트로드와 대응 도구가 절단 작업에서 부분적으로 접촉할 수 있다. 따라서 초음파 진동 장치에 대해 이러한 사전 규정된 후속 시간이 제공되고 조정 가능한 것이 유리하다.
또한 접촉이 실제 일어나기 직전에 접촉 형성이 결정되는 것도 발생할 수 있다. 이 경우 기록 시간은 결과적으로 마이너스가 된다. 따라서 이러한 상황에서, 예를 들어 초음파 절단 작업과 같은 원하는 사용을 확실히 성공시키기 위해서는 후속 시간도 의미가 있다.
바람직하게는, 진동 진폭은 후속 시간 내에 꾸준히 감소되어 진동에 대한 갑작스런 결론이 아니라 진동의 "페이드 아웃(fading out)"을 수반하도록 한다. 이러한 방식으로 초음파 절단 작업에서 절단 모서리와 초음파 용접 작업에서 용접 이음새가 특히 깨끗하다.
특히 바람직한 실시형태에서, 소노트로드의 진동 시작(스위치-온) 시간으로부터 고려되는 측정 시간 간격(△T)의 시작은 지연 시간(td)의 만료 후에만 발생하여 소노트로드 진동의 과도 상태가 측정 시간 간격(△T) 밖에서 발생한다.
이러한 방식으로, 진동이 일반적으로 규정된 허용 범위 밖에서도 발생하는 상기 언급된 소노트로드의 과도 상태는 측정 시간 간격으로부터 배제되므로, 소노트로드의 진동 진폭의 시간 구성에 기초하여 접촉의 오탐 결정이 있을 수 없다. 이러한 방식으로 측정 시간 간격을 설정하는 것은, 과도 상태 중에 소노트로드와 대응 도구 사이의 접촉 형성은 일반적으로 초음파 진동 장치 또는 초음파 진동 적용의 경우 예상되지 않기 때문에, 측정 시간 간격 밖에서 발생하는 접촉 형성을 결정하지 않을 위험과 관련하여 대부분의 경우에 중요하지 않다.
본 발명에 따른 방법의 모든 실시형태는 바람직하게는 컴퓨터 구현 방법의 형태이다.
또한, 본 발명은 소노트로드, 대응 도구를 갖는 초음파 진동 장치, 전술한 실시형태 중 하나에 따른 컴퓨터 수행 방법 수행하는 수단을 포함하며, 여기서 소노트로드에 의해 처리될 재료는 소노트로드와 대응 도구 사이에 배치될 수 있다. 이점에 관해서, 바람직하게는 초음파 진동 장치는 고주파 전압을 제공하기 위한 발생기, 고주파 전압을 기계적 진동으로 변환하기 위한 적어도 하나의 압전 소자가 있는 컨버터를 가지며, 여기서 컨버터는 컨버터의 기계적 진동이 소노트로드로 전달되도록 소노트로드에 연결된다.
바람직하게는 본 발명에 따른 초음파 진동 장치는 초음파 절단 장치이다. 이러한 초음파 절단 장치와 관련하여, 초음파 진동 장치를 제어하기 위한 반응 시간이 소노트로드와 대응 도구 사이에 발생하는 소정의 접촉 후에 특히 짧은 경우, 소노트로드와 대응 도구와의 사이에서 발생하는 접촉이 절단 작업 종료에 상당하기 때문에 특히 유리하다. 이러한 방식으로, 사용되는 도구와 관련하여 절단 공정을 보다 효율적이고 부드럽게 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 컴퓨터 또는 프로세서에 의한 프로그램 실행 시 전술한 실시형태 중 하나에 따른 방법을 수행하게 하는 명령을 갖는 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
본 발명은 또한 컴퓨터에 의해 실행되어 전술한 실시형태 중 하나에 따른 방법을 수행하게 하는 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함한다.
본 발명의 추가적인 장점, 특징 및 가능한 응용은 이하의 바람직한 실시예의 설명 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 접촉 발생 전(왼쪽)과 접촉 발생 시 소노트로드와 앤빌(anvil)의 다이어그램을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시형태를 이용할 때 소노트로드의 진동 진폭의 시간 구성을 예시하는 그래프를 나타낸다.
도 1은 소노트로드(4)와 대응 도구(5)의 개략도를 보여준다. 절단될 재료(7)는 소노트로드(4)와 대응 도구(5) 사이에 배치된다. 대응 도구(5)는 융기 부분(6)을 갖는다.
처리 직전 상황은 도 1의 좌측에 도시되어 있다. 재료(7)를 절단하기 위해 소노트로드(4)가 대응 도구(5)의 방향으로 이동한다. 도 1의 우측에 도시된 바와 같이, 재료는, 소노트로드(4)와 융기 부분(6)이 서로 접촉할 때까지, 소노트로드(4)와 융기 부분(6) 사이에서 압축된다. 융기 부분(6)이 소노트로드(4)와 접촉하면, 재료(7)가 절단되고 가공 단계가 종료된다. 도 1의 우측에 도시된 상태에서, 융기 부분(6)과 소노트로드(4) 사이의 접촉 발생은 본 발명에 따라 검출되는 소노트로드(4)의 진동 진폭의 변화로 이어진다.
도 2는 시간(t)이 수평 축에 표시되고, 진동 진폭(Ao)이 수직 축에 표시되는 2-축 그래프를 나타낸다. 결과적으로 참조 번호 1로 특정되는 선은 진동 진폭(Ao)의 시간 구성(1)을 나타낸다.
진동 진폭(Ao)의 예시된 시간 구성(1)은 초음파 절단 장치의 소노트로드의 진동 진폭의 시간 구성을 포함하며, 여기서 본 발명에 따른 소노트로드와 대응 도구 사이의 접촉 형성을 검출하는 방법이 이용되었다. 기본 절단 공정에서 재료는 소노트로드와 대응 도구 사이에 배치되고, 그 재료는 초음파 가공으로 소노트로드에 의해 절단되었다. 도 2에 도시된 시간 구성(1)은 소노트로드의 경우에 사용된 진동의 시작 또는 개시 순간부터 소노트로드의 진동이 종료되는 순간까지의 소노트로드의 진동 진폭(Ao)을 나타낸다.
과도(transient) 상태는 좌측 영역의 진동 진폭(Ao)의 시간 구성(1)에서 볼 수 있으며, 여기서 소노트로드의 진동 진폭(Ao)은 처음에는 그래프의 0 위치에서 중앙 부분 전까지 꾸준히 상승한 다음, 고정된 값에 대해 약간 진동하는 구성을 채택하여 과도 상태가 종료되었음을 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 진동 진폭(Ao)의 시간 구성에서, 측정 시간 간격(△T)이 과도 상태의 종료 후에만 시작되도록 지연 시간(td)를 포함하는 본 발명에 따른 방법의 실시형태가 이용되었다. 지연 시간(td)의 시간 범위는 도 2의 그래프에서 양방향 화살표로 표시되어 있다.
또한, 도 2에 도시된 그래프는 기준 진폭(R) 및 허용 값(α)에 의해 규정된 허용 범위(3)을 나타낸다. 허용 범위(3)는 진동 진폭의 하한(R-α)에서 진동 진폭의 상한(R+α)까지 확장된다. 본 발명에 따라 기초가 되는 방법은, 진동 진폭이 측정 시간 간격(△T) 내에서 허용 범위(3)를 벗어날 때, 따라서 지연 시간(td) 이후에, 대응하는 도구와 소노트로드 사이의 접촉이 결정되고, 그에 따라 (R+α)보다 크거나 (R-α)보다 작은 값을 가정한다는 것을 제공한다.
진동 진폭(Ao)의 시간 구성(1)에 있어서 참조번호 2로 표시된 위치에서, 지연 시간(td) 이후에 시작된 측정 시간 간격(△T) 내에서 진동 진폭(Ao)은 이전에 허용 범위(3) 내의 값을 가정한 후 허용 범위(3)을 벗어난 값을 가정함을 알 수 있다. 관련 시간(to)은 결과적으로 진동 진폭(Ao)이 처음으로 허용 범위(3)를 벗어나는 순간 시점에 의해 결정된다. 시간(to)은 이제 소노트로드와 대응 도구 사이에 접촉이 발생한 순간 시점으로 결정된다.
도 2에 도시된 그래프의 기초를 형성하는 본 발명의 실시형태에서, 초음파 진동 장치는 대응 도구와 소노트로드 사이에서 발생하는 주어진 접촉에 대한 반응으로 후속 시간(tN) 후에 중단되어 소노트로드의 진동이 종료된다. 후속 시간(tN)은 또한 소노트로드와 대응 도구가 접촉하는 시간(t0)부터 시작하여 도 2의 양방향 화살표로 표시된다. 그 점에서, 진동 진폭(Ao)의 예시된 구성(1)에 대한 기초를 형성하는 방법은 진동 진폭이 후속 시간(tN) 내에서 꾸준히 감소된다는 것을 제공한다. 후속 시간(tN)의 만료와 함께 소노트로드의 진동은 매우 짧은 기간 내에 종료되며, 그 내에서 진동 진폭은 진동 진폭의 0 위치까지 떨어진다.
요약하자면, 본 발명은 주파수(f) 및 진동 진폭(Ao)으로 대응 요소(5)와 진동시키는 소노트로드(4)의 접촉의 형성 또는 차단을 검출하는 방법에 관한 것이다. 대응 요소와 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단을 특히 빠르고 저렴하게 검출할 수 있는 방법을 제공하기 위해, 본 발명에 따른 방법은 다음 단계를 포함하는 것이 제안된다:
a) 제1 측정 시간 간격(△T) 중에 진동 진폭(Ao)의 시간 구성(1)을 기록하는 단계, 및
b) 진동 진폭(Ao)의 시간 구성(1)으로부터 측정 시간 간격(△T) 내에서 접촉이 형성되었는지 또는 차단되었는지 여부를 결정하는 단계.
1 : 진동 진폭의 시간 구성 2 : 진동 진폭 값 범위의 위치
3 : 허용 범위 4 : 소노트로드
5 : 대응 도구 6 : 융기 부분
7 : 재료 R : 기준 진폭
α : 허용 값 td : 지연 시간
tN : 후속 시간 to : 순간
t : 시간
Ao : 진동 진폭(소노트로드의 진동 진폭)

Claims (10)

  1. 주파수(f) 및 진동 진폭(Ao)으로 진동하는 소노트로드(4)와 대응 요소(5)의 의 접촉 형성 또는 차단을 검출하는 방법으로서,
    a) 제1 측정 시간 간격(△T) 중에 진동 진폭(Ao)의 시간 구성(1)을 기록하는 단계, 및
    b) 진동 진폭(Ao)의 시간 구성(1)으로부터 측정 시간 간격(△T) 내에서 접촉 형성 또는 차단이 발생하였는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 소노트로드(4)의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단계 b)에서 소노트로드(4)와 대응 요소(5)의 접촉 형성 또는 차단은, 기록된 진동 진폭(A0)이 미리 결정된 허용 값(α)을 초과하여 미리 결정된 기준 진폭(R)과 상이한 경우, 또는 기록된 진동 진폭(A0)이 미리 결정된 허용 간격[Tmin, Tmax]을 벗어난 경우 설정되는 것을 특징으로 하는 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    단계 a) 이전에, 제2 측정 시간 간격(△t) 중에 진동 진폭(A0)의 시간 구성이 기록되고, 그리고 기준 진폭 및/또는 허용 간격이 제2 측정 시간 간격(△t) 중의 기록으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    i) 평균 진동 진폭은 제2 측정 시간 간격(△t) 중의 기록으로부터 계산되고, 계산된 평균 진동 진폭은 단계 b)에서 미리 결정된 기준 진폭으로 이용되고, 및/또는
    ii) 최소 진동 진폭(Amin) 및 최대 진동 진폭(Amax)은 제2 측정 시간 간격(△t) 중의 기록으로부터 결정되고, 허용 범위는 최소 진동 진폭(Amin) 및 최대 진동 진폭(Amax)으로부터, Tmin ≤ Amin 및 Tmax ≥ Amax으로 계산되는 것을 특징으로 하는 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a)에서 소노트로드(4)는 컨버터에 의해 여기되고, 컨버터는 전류 발생기에 연결되고, 그리고 전류 발생기에 의해 제공되고 컨버터를 통해 흐르는 전류 IE(t)가 측정되고, 이 경우 전류 발생기에 의해 컨버터에 인가된 전압 UE(t)가 측정되고, 여기서 전류 발생기 및 컨버터를 포함하는 전기 진동 시스템의 진동 진폭에 관련된 진동 진폭 또는 필드 크기는 측정된 전압(UE(t)) 및 측정된 전류(IE(t))로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    c) 진동 진폭의 시간 구성(1)으로부터 단계 b)에서 기록된 접촉 형성이 발생하는 시간(t0)를 결정하는 단계로서, 측정 시간 간격(△T) 내의 진동 진폭이 최초로 허용 범위(3) [Tmin, Tmax] 또는 [R-α, R+α]를 벗어나는 시간, 또는 미리 정의된 수정 시간에 의해 상기 시간으로부터 이동한 시간이 접촉 형성 시간(t0)으로 설정되는 결정단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a)에서 적어도 2,000 샘플/초, 바람직하게는 적어도 5,000 샘플/초, 특히 바람직하게는 적어도 15,000 샘플/초의 진동 진폭의 시간 구성을 결정하기 위한 샘플링 속도가 이용되는 것을 특징으로 하는 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    대응 도구(5)가 대응 요소로서 사용되며, 처리될 재료(7)는 소노트로드(4)와 대응 도구(5) 사이에 배치될 수 있고, 소노트로드(4)와 대응 도구(5)의 접촉 형성이 검출되는 것을 특징으로 하는 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법.
  9. 소노트로드(4) 및 대응 도구(5)를 가지며, 대응 도구(5)는 소노트로드에 의해 가공하기 위한 재료(7)가 소노트로드(4)와 대응 도구(5) 사이에 배치될 수 있도록 소노트로드(4)와 반대 관계로 작동하도록 배치되는 초음파 진동 장치 제어 방법으로서,
    A) 미리 결정된 시간(td) 동안 소노트로드(4)를 진동으로 여기시키는 단계,
    B) 제 8 항에 따른 방법을 수행하는 단계, 및
    C) 또는 단계 B)에서 소노트로드(4)와 대응 도구(5) 사이의 접촉 형성이 검출된 경우, 소노트로드(4)의 여기를 종료하거나 또는 소노트로드(4)를 대응 도구(5)로부터 멀리 이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동 장치 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    단계 C)는 접촉 형성의 검출 후 미리 정의된 후속 시간(tN)의 종료 후에만 수행되고, 바람직하게는 접촉 형성의 검출 직후에 진동 진폭 감소가 수행되는 것을 특징으로 하는 소노트로드의 접촉 형성 또는 차단 검출 방법.
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