KR20220035139A - 공작 기계 상의 가공 공정을 위한 초음파 공구 유닛 제어 방법 및 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작 기계 상의 작업물을 기계가공하기 위한 초음파 공구 유닛의 제어 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 공작 기계의 제어 디바이스의 저장 디바이스 상에 다수의 파라미터 세트가 저장된다. 초음파 공구 유닛에 할당되고 제어기의 동작을 설정하는 제 1 파라미터 세트에 따라 제어기에 의해서 동작되는 발전기를 이용하여 제어기에 입력되는 센서 신호에 기초해 공작 기계의 작업 스핀들 상에 수용된 초음파 공구 유닛의 초음파 변환기를 제어할 때, 제어기의 동작을 설정하는 제 1 파라미터 세트를 저장 디바이스 상에 저장된 복수의 파라미터 세트 중 초음파 공구에 할당된 제 2 파라미터 세트에 따라 변경함으로써 제어기의 동작 설정이 수정된다.

Description

공작 기계 상의 가공 공정을 위한 초음파 공구 유닛 제어 방법 및 디바이스

본 발명은 공작 기계 상에서 작업물을 기계가공하기 위한 초음파 공구 유닛의 제어 방법 및 디바이스에 관한 것이다.

종래기술은 작업물을 공구로 기계가공할 때 공구의 초음파 진동에 의해 공구의 회전 운동이 중첩될 수 있는 공작 기계를 개시한다.

이와 관련하여, EP 1 763 416 B1은 제 1 단부에 회전식 스핀들 노즈에 적용하기 위한 공구 홀더 리셉터클을 갖고 제 1 단부 반대편의 제 2 단부에 공구 리셉터클을 갖는 공구 홀더를 포함하고, 공구 리셉터클에 삽입될 수 있는 공구 헤드를 포함하며, 공구 홀더는 진동 모터를 포함하는 공구를 개시한다.

이러한 공작 기계에서, 공구의 초음파 진동을 발생시키는 공구 홀더의 초음파 변환기, 진동체 및 공구 홀더에 삽입된 공구는 전기 신호에 의해 기계적으로 진동하게 되는 진동 시스템을 구성하며, 진동 시스템이 공진 주파수로 여기될 때 가능한 최대한 기계적 진동 진폭이 획득된다.

이와 관련하여, 공진 주파수가 처리 동작의 과정에서 변경될 수 있다는 문제가 발생한다. 기본적으로, 여기에는 세 가지 이유가 존재한다. 한편으로, 진동 시스템 또는 그 부품들은 처리 중에 가열되어 재료의 속성을 변화시킬 수 있다. 이것은 공진 주파수의 온도 드리프트로 이어진다. 다른 한편으로, 진동은 공구가 기계가공될 작업물과 접촉할 때 처리력에 의해 감쇠되며, 감쇠 진동의 경우, 시스템의 공진 주파수는 시스템의 자유 공진 주파수보다 낮다.

또한, 진동 시스템을 작업물에 결합함으로써 새로운 결합 진동 시스템이 형성되며, 상기 진동 시스템의 공진 주파수는 일반적으로 자유 공진 주파수보다 높다. 실제로, 이들 세 가지 효과는 조합되어 발생하며 어느 효과가 지배적인지는 특정 처리 상황에 따른다.

공진 주파수의 이동 외에도, 공구와 작업물 사이의 상호작용으로 인해서 동일한 힘을 얻는 데에 보다 높은 출력 전압이 필요하므로 전력의 변화 또한 중요함에 주목해야 한다.

여기(excitation)를 위해 자유 공진 주파수가 사용되지만 처리 중에 시스템의 실제 공진 주파수가 그와 다를 경우, 공구의 진동은 더 낮은 진폭을 가질 것이며 따라서 더 낮은 처리 효율을 나타낸다.

이러한 이유로, 가능한 가장 큰 진동 진폭이 다시 획득되도록 진동 파라미터를 상응하게 조정할 수 있게 진동 시스템의 공진 주파수 변화를 검출하는 것이 중요하다.

이러한 목적을 위해, 기계적 진동을 위한 전기 신호를 공구 홀더의 압전 드라이브에 공급하는, 발전기의 초기 값으로부터의 시스템의 공진 주파수의 변화 및 자유 공진 주파수를 모두 결정하는 것은 초음파 용접 응용분야에서 알려져있다. 유도 전송 경로를 통해 연결된 진동 시스템으로부터, 발전기는 주파수에 의존하고 기계적 공진 주파수에서 최소값을 갖는 전기 임피던스를 감지한다. 따라서, 공진 주파수가 변하는 경우 발전기는 다시 임피던스 최소값에 도달할 때까지 주파수를 재조정한다. 임피던스 최소값의 주파수 외에도, 처리 동작으로 인해 임피던스 값 또한 그렇게 변경하며, 즉 동일한 힘을 구동하기 위해서 보다 높은 출력 전압이 필요하다.

그러나 이러한 방법은 초음파 용접과는 달리, 사용되는 소노트로드(sonotrode)의 임피던스 곡선이 삽입된 공구와 함께 훨씬 더 복잡하기 때문에 기계 가공에 적합하지 않다. 한편으로, 복잡한 형태를 가진 공구의 다수의 서로 다른 진동 모드로 인해 훨씬 더 많은 임피던스 최소값이 존재한다. 다른 한편으로, 공진 주파수의 이동을 발생시키는 영향을 미치는 변수는 보다 극단적인 영향를 가지며, 즉 주파수 이동이 너무 커서 추가 임피던스 최소값을 건너뛸 수 있다. 전체 용접 과정에 걸쳐서, 소노트로드는 작업물에 거의 동일한 압력을 가한다. 이로 인해 반복 프로세스에서 동일하고 임피던스 최소값이 항상 명확하게 식별될 수 있는 단일 주파수 이동이 발생한다. 그러나 주파수 이동은 재료에 대한 공구의 다양한 결합 조건으로 인해 기계가공 중에 지속적으로 변경되며, 전술된 바와 같이 임피던스 측정만으로는 매핑이 더 이상 가능하지 않은 경우가 많다.

이는 서로 다른 치수를 가진 드릴 및 밀링 공구와 서로 다른 절단 형태를 갖는 절단 공구와 같은 서로 다른 형태의 매우 다수의 공구가 사용되기 때문이며, 이는 초음파 용접에 비해 임피던스 곡선의 형태에서 더 큰 편차를 초래한다. 또한, 기계가공 작업에서 진동 시스템에 작용하는 힘은 일반적으로 훨씬 더 높으므로 임피던스 곡선의 변화가 훨씬 더 두드러진다.

또한, 용접 중에 반복되는 공정 단계로 인해, 지배적인 주파수 이동 효과가 잘 예측될 수 있으며 이는 시스템의 가능한 반응을 제한한다. 한편, 기계가공 작업에는 모든 영향이 고려되어야만 하며, 이것이 예측 가능성 및/또는 제어 파라미터의 제한 가능성이 충분하지 않은 이유이다.

또한, 임피던스 측정만으로는 굴곡 진동 등을 축방향 진동 모드와 구별할 수 없다. 진동을 전혀 생성하지 않는 순수한 전기 공명도 존재한다. 이러한 기생 효과는 알려진 방법으로 검출될 수 없다.

발전기 전력에 기초하여 진동을 모니터링할 때 발생하는 추가 문제는 전력의 어느 부분이 진동 발생에 들어가고 어느 부분이 관련된 구성요소의 가열과 같은 다른 공정에 들어가는지 알려지지 않았다는 것이다. 따라서, 발전기에 의해 제공되는 전력 중 진동 발생에 사용되는 부분이 변경되기는 하지만 발전기에 의해 제공되는 전체 전력은 변하지 않기 때문에 진동의 변화가 검출되지 않을 수 있다.

이러한 이유로, 가능한 최대의 진동 진폭이 다시 획득될 수 있도록 진동 파라미터를 그에 따라 조정할 수 있게 하기 위해서 진동 가능한 시스템의 공진 주파수의 변화를 검출하는 것이 중요하다.

위의 고려사항에 비추어, 진동 시스템을 제어하기 위한 일반적인 방법은 특히 공진 주파수를 결정함으로써 발전기 제어를 이용하고 결정된 공진 주파수에 기초하여 발전기를 제어하는 DE 10 2015 212 809 A1에 기술되었다.

위의 종래기술에 기초하고 상기 고려사항의 관점에서, 본 발명의 목적은 서로 다른 처리 조건에 더 잘 적응할 수 있는 진동 시스템의 향상된 제어를 제공하기 위해 일반적인 방법을 추가로 개발하는 것이다.

특히, 본 발명의 목적은 다양한 또는 변화하는 기계가공 조건 하에서 작업물의 초음파 가공에서 더 높은 가공 정확도를 달성할 수 있게 하는 방법을 제공하는 것이다.

위의 목적을 달성하기 위해, 독립 청구항의 주제가 제안된다. 종속 청구항은 본 발명에 따른 방법 또는 본 발명에 따른 디바이스의 유리한 예시적인 실시예에 관한 것이다.

예시적인 실시예에 따르면, 공작 기계 상에서 작업물을 기계가공하기 위한 초음파 공구 유닛을 제어하는 디바이스가 제안되고, 초음파 공구 유닛과 연관되고 제어기의 동작을 설정하는 제 1 파라미터 세트에 기초해, 제어기에 의해 동작되는 발전기에 의해서 제어기로의 센서 신호 입력에 기초하여 작업물을 기계가공하도록 공작 기계의 작업 스핀들 상에 수용된 초음파 공구 유닛의 초음파 변환기를 제어하는 제어 디바이스를 포함한다.

제어 디바이스는 바람직하게는 복수의 파라미터 세트를 저장하기 위한 저장 디바이스를 포함한다. 제어 디바이스는 바람직하게는 제어 저장 디바이스 상에 저장된 복수의 파라미터 세트 중 초음파 공구 유닛과 연관된 제 2 파라미터 세트에 기초하여 제어기의 동작을 설정하는 제 1 파라미터 세트를 변경함으로써 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성된다.

바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 제어 디바이스는 작업물을 기계가공할 때 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성된다.

바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 제어 디바이스는 작업물의 처리 유형이 변경될 때 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성된다.

바람직한 실시예에 따르면, 제 1 파라미터 세트는 복수의 처리 유형 중 제 1 처리 유형과 연관되고, 제 2 파라미터 세트는 바람직하게는 복수의 처리 유형 중 제 2 처리 유형과 연관된다.

바람직하게는, 복수의 처리 유형은 밀링 및 드릴링을 포함한다.

바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 공작 기계의 초음파 공구 유닛이 다른 초음파 공구 유닛으로 대체될 때, 제어 디바이스는 저장 디바이스 상에 저장된 복수의 파라미터 세트 중 다른 초음파 공구 유닛과 연관된 파라미터 세트에 기초하여 초음파 공구 유닛과 연관된 파라미터 세트를 변경함으로써 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성된다.

바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 공작 기계의 초음파 공구 유닛 상의 공구가 다른 공구로 대체될 때, 제어 디바이스는 저장 디바이스 상에 저장된 복수의 파라미터 세트 중 다른 공구와 연관된 파라미터 세트에 기초하여 공구와 연관된 파라미터 세트를 변경함으로써 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성된다.

다른 예시적인 실시예에 따르면, 초음파 공구 유닛을 수용하기 위한 작업 스핀들 및 위의 양태에 따른 공작 기계 상에서 작업물을 기계가공하도록 초음파 공구 유닛을 제어하는 디바이스를 포함하는 공작 기계가 제안된다.

예시적인 실시예에 따르면, 공작 기계 상에서 작업물을 기계가공하기 위한 초음파 공구 유닛을 제어하는 방법이 또한 제안되고, 이 방법은 초음파 공구 유닛과 연관되고 제어기의 동작을 설정하는 제 1 파라미터 세트에 기초해, 제어기에 의해 동작되는 발전기에 의해서 제어기로의 센서 신호 입력에 기초하여 작업물을 기계가공하도록 공작 기계의 작업 스핀들 상에 수용된 초음파 공구 유닛의 초음파 변환기를 제어하는 단계를 포함한다.

이 방법은 바람직하게는 공작 기계의 제어 디바이스의 저장 디바이스 상에 복수의 파라미터 세트를 저장 또는 디파짓하는 단계를 포함한다.

이 방법은 바람직하게는 저장 디바이스 상에 저장된 복수의 파라미터 세트 중 초음파 공구 유닛과 연관된 제 2 파라미터 세트에 기초하여 제어기의 동작을 설정하는 제 1 파라미터 세트를 변경함으로써 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계를 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계는 작업물이 처리될 때 수행된다.

바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계는 작업물의 처리 유형이 전환될 때 수행된다.

바람직한 실시예에 따르면, 제 1 파라미터 세트는 복수의 처리 유형 중 제 1 처리 유형과 연관되고 제 2 파라미터 세트는 바람직하게는 복수의 처리 유형 중 제 2 처리 유형과 연관된다.

바람직한 실시예에 따르면, 복수의 처리 유형은 밀링 및 드릴링을 포함할 수 있다.

바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 이 방법은 공작 기계 상의 초음파 공구 유닛을 다른 초음파 공구 유닛과 교환하는 단계 및 저장 디바이스 상에 저장된 복수의 파라미터 세트 중 다른 초음파 공구 유닛과 연관된 파라미터 세트에 기초하여 초음파 공구 유닛과 연관된 파라미터 세트를 변경함으로써 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계를 포함한다.

바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 이 방법은 공작 기계 상의 초음파 공구 유닛 상의 공구를 다른 공구와 교환하는 단계 및 저장 디바이스 상에 저장된 복수의 파라미터 세트 중 다른 공구와 연관된 파라미터 세트에 기초하여 공구와 연관된 파라미터 세트를 변경함으로써 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계를 포함한다.

위에서 기술된 양태들 및 특징들의 장점 및 보다 구체적인 구현 옵션뿐만 아니라 추가의 양태 및 그들의 장점은 이어지는 설명과 첨부된 도면의 묘사로 기술되며, 이들이 임의의 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다.

도 1은 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 공구 홀더의 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 방법이 수행될 수 있는 공작 기계의 부분을 도시한다.
도 3은 전기 임피던스 곡선을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 디바이스의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 예시적인 주파수 스펙트럼을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 디바이스의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 공구 홀더(공구 헤드)를 갖는 공작 기계의 개략도의 예를 도시한다.
도 8은 서로 다른 임피던스 또는 위상 프로파일의 예를 주파수의 함수로서 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 서로 다른 임피던스 또는 위상 프로파일의 예를 주파수의 함수로서 도시한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시 또는 예시적인 실시예가 상세히 기술된다. 도면에서 동일하거나 유사한 소자는 동일한 참조번호로 지정될 수 있지만, 때로는 상이한 참조번호로 지정될 수도 있다.

본 발명은 아래에 기술되는 예시적인 실시예 및 이들의 구현 특징으로 결코 제한되거나 한정되지 않으며, 기술된 예시의 특징의 수정 또는 기술된 예시의 하나 이상의 특징의 조합에 의한, 독립 청구항의 범주 내에 포함되는 예시적인 실시예의 수정사항을 더 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 공구 홀더(10)의 예시적인 설계를 도시한다. 예를 들어, (도시되지 않은) 공구(90)를 수용하기 위한 공구 수용부(11)는 공구 홀더(10)의 일 단부에 배치된다.

복수의, 예를 들어 6개의 천공된 디스크-형태의 제 1 압전 소자(21)는 적층된 방식으로 공구 홀더(10)에 배치되고, 압전 소자(21)는 예를 들어 전송부(12)를 통해 공구 수용부(11)에 연결되고 전압을 기계적 진동으로 변환하도록 초음파 변환기(20)를 구성한다.

제 1 압전 소자(21)의 기계적 진동은 예를 들어 전달부(12)를 통해 공구(90)로 전달된다. 제 1 압전 소자(21)는 예를 들어 그들 사이에 장착된 전극을 갖는 압전 세라믹 디스크로서 구성될 수 있다. 에너지는 기계 측에서 제 1 포트 코어(31) 및 1차 권선(32)(도시되지 않음)으로 구성되고 공구 측에서 예로서 공구 홀더(10)의 외측에 링 소자로서 배치되는 제 2 포트 코어(33) 및 2차 코일(34)로 구성되는 변압기(제 1 변압기)를 통해 초음파 변환기(20)에 공급된다.

예를 들어, 공구 수용부(11)로부터 멀어지는 제 1 압전 소자(21)의 적층의 측면 상에 제 1 압전 소자에 기계적으로 결합되고 세라믹 천공 디스크로 구성될 수 있는 절연 소자(43)에 의해 제 1 압전 소자(21)로부터 전기적으로 절연된 천공된 디스크 형태의 압전 센서 소자(40)가 배치된다. 압전 센서 소자(40)는 예를 들어 추가의 절연 소자(43)에 의해서 고정 너트(fastening nut)와 같은 고정 소자(13)로부터 전기적으로 절연된다. 예를 들어, 고정 소자(13)는 압전 센서 소자(40)를 초음파 변환기(20)에 부착하고 동적 부하로 인해 제 1 압전 소자(21)를 바이어스하는 역할을 한다.

제 1 압전 소자(21) 및 압전 센서 소자(40)는 동일한 방향을 가지며, 그에 의해서 한편으로는 동일한 방향으로의 진동 발생 및 검출을 가능하게 하고, 다른 한편으로는 공구 홀더(10) 내의 요소들의 공간 절역 배치를 획득한다.

압전 센서 소자(40)는 공구(90), 전달부(12), 초음파 변환기(20) 및 압전 센서 소자(40)를 포함하는 진동 시스템의 기계적 진동을 센서 신호(S2)로 변환하고, 이 신호는 와이어 연결부(50)를 통해 전압을 압전 센서 소자(40)로부터 공구 홀더(10)를 통해 공구 홀더(10)의 외측 상의 송신기 소자(60)로의 전달된다.

센서 신호(S2)는 비접촉 방식으로 송신기 소자(60)로부터 기계 측의 (도시되지 않은) 수신기 소자(80)로 전송된다. 송신기 소자(60)는 추가 변압기(제 2 변압기)의 일부이고 제 1 페라이트 코어(61) 및 1차 권선(62)으로 구성되며; 수신기 소자(80)는 또한 제 2 변압기의 일부이고 제 2 페라이트 코어(81) 및 2차 권선(82)으로 구성된다. 따라서, 센서 신호(S2)는 공구 홀더(10)로부터 기계측 상의 (도시되지 않은) 센서 신호 평가 디바이스(110)로 유도식으로 전송될 수 있다. 대안적으로 광 전송 또한 가능하며, 여기서 송신기 소자(60)는 LED로서 구성되고 수신기 소자(80)는 광다이오드로서 구성된다. 송신기 소자(60)는 DIN 69893 표준에 따른 공구 데이터용 데이터 칩에 대해 보어(70)에 맞춰지는 방식으로 치수가 결정되고 위치될 수 있다. 공구 홀더(10)는 (도시되지 않은) 공작 기계의 고정부에 대해 회전 가능하다.

도 2는 예시로서 초음파 변환기(20)를 위한 에너지를 작동 신호(S1)의 형태로 공구 홀더(10) 내로 전달하기 위한 에너지 전달 디바이스(30)의 배치 및 공구 홀더(10)로부터 센서 신호(S2)를 전송하기 위한 송신기 소자(60) 및 수신기 소자(80)의 배치의 단면도를 도시한다.

에너지 전송 디바이스(30)는 제 1 포트 코어(31), 1차 권선(32), 제 2 포트 코어(33) 및 2차 권선(34)을 갖는 변압기(제 1 변압기)로 구성되며, 예를 들어 포트 코어(31, 33)의 개구는 서로 마주하고 권선(32, 34)은 각 포트 코어(31, 33) 내에 배치된다. 여기서, 제 2 포트 코어(33)는 공구 홀더 주변을 따라 환형으로 배치되며; 예를 들어, 제 1 포트 코어(31)는 축방향으로 제 2 포트 코어(33)로부터 이격되도록 기계 측의 하우징(100)에 위치되고 링 세그먼트로서 또는 공구 홀더(10) 둘레의 전체 링으로서 구성된다. 따라서 작업 신호(S1)는 1차 권선(32)으로부터 2차 권선(34)으로 축방향(도 2의 상단에서 하단으로)으로 유도식으로 전송된다.

예로서, 수신기 소자(80)는 또한 하우징(100) 내에 위치된다. 송신기 소자(60)는 공구 홀더(10) 상의 보어(70)에서 수신기 소자(80)에 대향하여 그로부터 거리를 두고 배치된다. 센서 신호(S2)는 따라서 송신기 소자(60)로부터 수신기 소자(80)로 반경 방향(도 2에서 좌측으로부터 우측으로) 비접촉 방식으로 전송된다. 또한, 센서 신호(S2)가 공구 홀더(10)의 회전 동안 전송될 때 신호 손실을 줄이기 위해 공구 홀더(10)에 원주 방향으로 복수의 송신기 소자(60)를 배치하는 것이 가능하다. 유사하게, 복수의 수신기 소자(80)가 송신기 소자(60) 또는 송신기 소자들(60)의 반대편에 배치될 수 있다.

공구 홀더(10)가 회전하는 동안, 에너지 전달 디바이스(30)의 제 2 포트 코어(33) 및 2차 권선(34) 뿐만 아니라 송신기 소자(60)는 에너지 전달 디바이스(30)의 제 1 포트 코어(31) 및 1차 권선(32) 뿐만 아니라 수신기 소자(80)를 갖는 하우징(100)이 예를 들어 (도시되지 않은) 공구 스핀들 상에 장착되어 회전하지 않는 동안에 공구 홀더(10)와 공동 회전한다.

이하, 처리 동작 중 진동 시스템의 양상이 도 3에 의해 설명된다. 본 발명의 일 실시예에서 압전 드라이브로서의 초음파 변환기(20), 전송부(12), 공구 수용부(11)에 삽입되는 공구(90), 센서 신호(S2)를 생성하기 위한 압전 센서 소자(40) 및 압전 센서 소자(40)를 위한 고정 소자(13)를 포함하는 진동 시스템은 발전기(120)에 의해 생산되고 에너지 전달 디바이스(30)를 통해 초음파 변환기(20)로 전송되는 작동 신호(S1)에 의해 기계적으로 진동하도록 여기된다. 여기서, 작동 신호(S1)의 작동 주파수(f1)는 기계적 진동의 주파수를 결정하고 발전기(120)에 의해 공급되는 전력(P1)은 진동 진폭을 결정한다. 주어진 전력(P1)에 대해, 진동 진폭은 진동 시스템의 공진 주파수(f2)에서 최대가 되며, 여기서 시스템의 자유 진동의 공진 주파수(f21)은 일반적으로 처리 중 시스템의 공진 주파수(f22)와 상이하다.

도 3은 유도식 전송 경로로서 제 1 변압기(31-34)를 통해 연결된 진동 시스템으로부터 발전기(120)가 감지하는 전기 임피던스 곡선을 예시로서 도시한다. 자유 진동의 임피던스 곡선은 저주파에서 최대 임피던스(직렬 공진) 그리고 고주파에서 최소 임피던스(병렬 공진)를 갖는다. 임피던스 최소값의 위치는 자유 진동의 공진 주파수(f21)에 상응한다.

기계가공 중에, 발전기(120)는 극한값이 덜 뚜렷한 변화된 임피던스 곡선을 감지한다. 또한, 최소값은 자유 진동에서 최소값에 대해 이동된다. 도 3에서, 최소값은 처리 중에 더 높은 주파수 쪽으로 이동하는데, 즉 도시된 예에서 처리 중의 공진 주파수(f22)는 자유 진동의 공진 주파수(f21)보다 더 높다. 그러나 처리 중에 공진 주파수(f22)가 자유 진동의 공진 주파수(f21)보다 작아지는 것 또한 가능하다. 어떤 경우가 발생하고 공진 주파수가 얼마나 강하게 변경될지는 처리력에 의한 감쇠의 영향, 처리 중 시스템의 가열 및 관련된 결합 진동 시스템의 공진 양상에 따라서 달라진다.

자유 공진 주파수(f21)는 압전 구동을 위한 작동 신호(S1)를 공급하는 발전기(120)의 초기 값에 기초하여 또는 공구(90)가 작업물로 진행하기 전에 도 4를 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명될 본 발명에 따른 방법에 의해서 결정될 수 있으며, 이는 가능한 가장 높은 진폭이 획득되게 하는 작업 주파수(f1)에 대한 추정치로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 처리 중 공진 주파수(f2)의 변화를 검출하는 데 적용되고; 그 값은 원래의 진폭이 다시 획득되도록 작업 신호(S1)의 파워를 증가시키거나 실제 공진 주파수(f2)에 더 가깝게 작업 주파수(f1)를 가져오는 데에 사용될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 방법이 수행될 수 있는 본 발명에 따른 디바이스를 개략적으로 도시한다. 디바이스는 공작 기계의 일부일 수 있다. 이 도면은 압전 센서 소자(40)를 갖는 공구 홀더(10)를 도시하며, 그 설계는 도 1에 도시된 공구 홀더(10)에 상응한다. 작업물의 초음파 가공을 위한 공구(90)는 공구 홀더(10)에 수용된다.

발전기(120)는 공구 홀더(10)의 압전 구동을 위한 구동 신호로서 작동 신호(S1)를 출력한다. 작동 신호(S1)는 작동 주파수(f1)를 가지며 제 1 포트 코어(31)를 가진 1차 권선(32) 및 제 2 포트 코어(33)를 가진 2차 권선(34)으로 구성된 변압기로서 구성된 에너지 전송 디바이스(30)를 통해 전원(P1)을 이용하여 비접촉 방식으로 회전 공구 홀더(10)에 전송된다. 또한, 발전기(120)는 작동 신호(S1)에 중첩되는 전력 Pt＜P1의 테스트 신호(St)를 출력하며 이것의 주파수는 주파수(f1) 주변 범위에서 변한다.

신호(S1, St)의 결과로서, 공구 홀더(10)의 진동 시스템이 여기되어 진동하며, 이러한 진동의 주파수 스펙트럼은 실질적으로 2개의 주파수를 갖는다. 예시적인 주파수 스펙트럼이 도 5에 도시되었다. 주파수 스펙트럼의 더 높은 피크는 상대적으로 높은 전력(P1)에서 작동 주파수(f1)에 의해 여기된 시스템의 강제 진동으로부터 발생한다. 더 작은 피크는 f1에 대해 변하는 주파수에서 여기된 시스템의 강제 진동으로 인해 발생한다. 그러나 이 진동은 시스템의 현재 공진 주파수(f2)를 제외한 모든 주파수에서 감쇠로 인해 매우 빠르게 사라지는 이러한 낮은 전력(Pt)에서 발생한다.

진동 시스템의 진동으로 인해, 압전 센서 소자(40)도 동일한 방식으로 진동하여 진동의 주파수 스펙트럼에 대한 정보를 포함하는 전기 센서 신호(S2)를 생성한다. 센서 신호(S2)는 제 1 페라이트 코어(61)를 갖는 1차 권선(62) 및 제 2 페라이트 코어(81)를 갖는 2차 권선(82)으로 구성된 추가 변압기를 통해 비접촉 방식으로 판독 디바이스(130)에 의해서 회전 공구 홀더(10)로부터 판독되며 분석기(140a)로 전송된다.

분석기(140a)는 예를 들어 분석기(140a)의 일부로서 구현될 수 있는 공진 주파수를 결정하기 위한 디바이스(140b)에서, 스펙트럼 내의 가장 높은 피크의 주파수의 주파수(메인 주파수)가 작동 주파수(f1)와 연관될 수 있고 스펙트럼 내의 더 낮은 피크(사이드 주파수)는 공진 주파수(f2)와 연관될 수 있도록 주파수 스펙트럼(S2)에 포함된 주파수를 결정한다. 판독 디바이스(130), 분석기(140a) 및 공진 주파수를 결정하기 위한 디바이스(140b)는 또한 두 개의 디바이스로 결합되거나 또는 단일 디바이스로서 구현될 수도 있다.

결정된 공진 주파수(f2)의 값은 제 1 제어 디바이스(150)로 전달되어 작동 신호(S1)의 주파수(f1)가 공진 주파수(f2)의 값으로 조정되도록 발전기(120)를 제어한다.

대안적으로 또는 추가적으로, 결정된 공진 주파수(f2)의 값은 공진 주파수(f2)를 갖는 여기의 경우에 최대 진폭으로서 획득될 기계적인 진동 진폭이 f1≠f2를 갖는 여기의 경우에도 도달되는 방식으로, 작업 신호(S1)가 공구 홀더(10) 내에 복사되게 하는 전력(P1)이 전력(P1')으로 증가되는 방식으로 발전기(120)를 제어하는 제 2 제어 디바이스(160)에 전달될 수 있다.

이와 같이, 공구 팁의 기계적 진동 진폭은 소정의 값에서 안정화될 수 있으며, 이는 공구(90)를 사용한 기계가공 동작 중에 정밀도에 긍정적인 영향을 가진다. 진동 진폭이 소정의 전력으로 가능한 최대값으로 안정화될 때, 작업물 처리의 효율성도 또한 증가된다.

디바이스의 사용자는 작동 신호(S1)가 오직 사용자의 명령에 의해서만 또는 설정 상태가 발생할 때만 조정되는 방식으로 사용자 인터페이스(170)를 통해서 제 1 제어 디바이스(150) 및/또는 제 2 제어 디바이스(160)를 제어할 수 있다. 사용자는 또한 마지막으로 결정된 공진 주파수(f2)에 기초하여 작동 신호(S1)가 규칙적 또는 불규칙적인 간격으로 자동 조정되는 것으로 결정할 수 있다.

발전기(120), 판독 디바이스(또는 검출 디바이스)(130), 분석기(140a) 및 제 1 제어 디바이스(150)는 출력 신호를 출력하고 입력 신호를 수신하는 디바이스(200) 내에 결합될 수 있으며, 여기서 이러한 디바이스(200)의 제 1 출력 신호는 이 디바이스(200)는 작동 신호(S1)에 대응하고, 제 2 출력 신호는 테스트 신호(St)에 대응하며, 입력 신호는 센서 신호(S2)에 대응한다.

도 6은 예시적인 보상 회로를 갖는 전술된 구성요소의 회로도를 도시한다. 이것은 공구 홀더(10), 좌측에 1차 권선(32), 우측에 2차 권선(34)이 있는 제 1 변압기(31-34) 및 초음파 발전기(120)의 압전 드라이브의 교체 회로도를 도시한다. 기계 측에서, 커패시턴스(180)는 변압기(31-34)에 병렬로 연결되고, 커패시턴스의 값은 릴레이(190)(도시되지 않음)를 통해 변경 가능하다.

전압과 전류 사이의 위상차에 따라, 발전기(120)와 공구 홀더(10) 사이를 무효 전력이 왕복하며 기계적 작업은 하지 않고 시스템의 가열에만 기여한다. 무효 전력은 커패시턴스(180)에 의해 보상될 수 있다. 그러나 보상된 전기 임피던스도 주파수 응답을 가지기 때문에, 보상은 작동 주파수(f1)의 변화가 작을 때 커패시턴스(180)의 일정한 값에서 충분한 정확도로만 작동한다. 작동 주파수(f1)로부터 공진 주파수(f2)의 큰 변화 및/또는 큰 편차의 경우, 커패시턴스(180)의 값은 상응하게 릴레이(190)에 의해 전환된다.

보상 회로는 커패시턴스 및/또는 인덕턴스로부터 병렬 회로, 직렬 회로 또는 조합 회로로서 구성될 수 있으며 릴레이(190)에 의해 스위칭될 수 있다.

도 7은 예시적인 실시예에 따른 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 공구 홀더(10)(공구 헤드)를 포함하는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공작 기계(1000)의 개략도의 예를 도시한다.

공작 기계(1000)는 예를 들어 수치 제어 가능한 밀링 머신, 수치 제어 가능한 범용 밀링 머신 또는 수치 제어 가능한 머시닝 센터로서 구성될 수 있다. 공구와 작업물 사이의 상대 이동을 제어하기 위해, 공작 기계는 복수의 제어 가능한 선형 축(일반적으로 X축, Y축 및/또는 Z축으로 지칭됨) 및/또는 하나 이상의 회전 또는 회전식 축(일반적으로 예를 들어 A-축, B-축 및/또는 C-축으로 지칭됨)을 가질 수 있다.

예를 들어, 도 7의 공작 기계(1000)는 머신 베드(1010), 머신 스탠드(1020) 및 스핀들 헤드(1030)를 포함하며, 예로서 머신 베드(1010)는 작업물 테이블(1050)을 운반하고 스핀들 헤드(1030)는 작업 스핀들(1040)을 운반한다.

공구 테이블(1050)은 예를 들어 수평 방향에서 선형으로 변위 가능하도록 수평 방향으로 머신 베드(1010) 상에 배치되고 공작 기계(1000)의 제 1 선형 축의 선형 드라이브(1052)에 의해 제어 가능하게 이동 가능한, 수평 선형 가이드(1051)에 장착된다. 작업물(WS)은 예를 들어 작업물 클램핑 디바이스(1053)의 공구 테이블 상에 클램핑된다.

스핀들 헤드(1030)는 예를 들어 수직 방향에서 선형으로 변위 가능하도록 수직 방향으로 기계 스탠드(1020) 상에 배치된 수직 선형 가이드(1031) 상에 장착되며, 공구(90)를 홀딩하는 공구 헤드(10)가 수용되는 작업 스핀들(1040)이 수직으로 이동될 수 있는 방식으로 공작 기계(1000)의 제 2 선형축의 선형 드라이브(1032)를 통해서 제어 가능하게 이동 가능하다.

추가의 예시적인 실시예에서, 예를 들어 도 7의 도면의 평면에 수직인 방향으로 공구에 대한 작업물의 선형 이동을 추가로 가능하게 하기 위해 하나 이상의 추가 선형 축이 제공될 수 있다.

또한, 공구 테이블(1050)(소위 회전 테이블)을 회전시키기 위한 회전 축 드라이브를 갖는 회전축과 같은 하나 이상의 회전 또는 회전식 축이 제공될 수 있다. 작업물(WS)에 대한 공구(90)의 상대 이동은 전술된 선형 및 가능하게는 회전 또는 회전식 축에 의해서 또는 이들의 드라이브에 의해서 제어될 수 있다.

이를 위해서, 공작 기계(1000)의 제어 디바이스(1100)는 예를 들어 저장 디바이스(1111) 내에 저장된 NC 데이터에 기초하여 공작 기계(1000)에서 기능 또는 가공 공정을 제어하도록 구성된 CNC 또는 NC 제어 디바이스(1112)를 포함하는 기계 제어 디바이스(1110)를 포함한다. 또한, 기계 제어 디바이스(1110)는 예를 들어 PLC 또는 SPS 디바이스(1113)(프로그램 가능한 로직 제어기를 위한 "PLC" 또는 메모리 프로그램 가능한 제어를 위한 "SPS")를 포함한다.

PLC 또는 SPS 디바이스(1113)는 특히 바람직하게는 NC 제어 디바이스(1112)로부터의 제어 명령에 기초하여 또는 가능하게는 또한 NC 제어 디바이스(1112)와 독립적으로 공작 기계의 액추에이터, 예를 들어 선형 축의 선형 드라이브(1052 또는 1032) 또는 일반적으로 기계 축의 드라이브 또는 작업 스핀들(1040)의 스핀들 드라이브(1042)에 제어 신호를 전송하도록 구성된다.

또한, PLC 또는 SPS 디바이스(1113)는 공작 기계(1000)의 위치 측정 센서(도시되지 않음)로부터 센서 신호를 수신 또는 판독하도록 구성되며, 이는 처리 중에 측정된 드라이브 및/또는 기계 축의 실제 위치를 나타내며, 만약 필요하다면 이를 NC 제어 디바이스(1112)로 전달한다. PLC 또는 SPS 디바이스(1113)는 또한 다른 기계 내부 또는 외부 디바이스 또는 장치가 드라이브 및/또는 PLC 또는 SPS 디바이스(1113)의 기계 축의 실제 위치를 나타내는 위치 데이터를 판독할 수 있게 구성될 수 있다.

전술된 스핀들 드라이브(1042)에 더하여, 작업 스핀들(1040)은 또한 공구 헤드(10)가 수용되고 (특히 절단 운동을 생성하기 위해) 스핀들 드라이브(1042)에 의해서 회전식으로 구동될 수 있는 공구 홀더(1041)(공구 홀더 부분)를 포함한다.

공구 헤드(10)는 개략적으로만 도시되어 있으며, 예를 들어 공구 헤드(10)가 작업 스핀들(1040)의 공구 홀더(1041) 상에 수용되게 하는 공구 인터페이스 본체(14)(예로서, 공구 테이퍼, 또는 가파른 또는 속이 빈 생크 테이퍼, 또는 모스 테이퍼 또는 다른 공구 인터페이스)를 포함한다. 예를 들어, 공구 헤드(10)는 도 1과 유사하게 구성될 수 있다.

공구 헤드(10)는 예를 들어, 스핀들 헤드(또는 스핀들)에 부착된 수신기 유닛(32)(1차 코일 또는 권선)으로부터 제어 신호의 비접촉 또는 유도식 수신을 위한 유도식 수신기 유닛(32)(예로서, 도 1의 2차 코일 또는 권선(34)과 유사함)을 포함한다.

예로서, 도 7의 공구 헤드(10)는 액추에이터(20)(예를 들어, 가능한 하나 이상의 압전 소자를 포함하는 초음파 변환기 또는 초음파 발전기) 및 액추에이터(20)를 제어하기 위한 센서(40)를 더 포함한다. 공구 헤드(10) 또는 공구 헤드(10) 내에 수용된 공구(90)를 바람직하게는 특히 초음파 범위에서, 즉 특히 초음파 주파수 또는 10kHz보다 높은 주파수, 또는 특히 15kHz 초과의 주파수, 예를 들어 최대 60kHz인 초음파 범위에 있는 제어 신호에 기초하여 (특히 공구 축(92)의 방향으로) 진동시키도록 구성된다.

또한 공구 헤드(10)는 밀링 공구(90)가 수용되거나 유지되는 공구 수용부(11)를 포함한다. 공구(90)는 공구 축(92)을 가지며, 이 축을 중심으로 공구가 스핀들 드라이브(1042)를 통해 회전 구동된다.

액츄에이터(20)를 구동하거나 공구(90)의 진동을 제어 또는 조절하기 위해서, 공작 기계(1000)의 제어 디바이스(1100)는 센서(40)로부터의 센서 신호(진동 제어)에 기초하여 제어 신호를 생성하고 액츄에이터(20)용 수신기 디바이스(34)로의 전송을 위해 송신기 유닛(32)을 통해서 이를 공구 헤드(10)로 출력하는 제어 디바이스(1120)(초음파 변환기 제어)를 더 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 제어 디바이스(1120)는 또한 기계 제어 디바이스(1110)로 통합될 수 있고/있거나 외부 데이터 처리 디바이스, 예를 들어 컴퓨터를 포함할 수 있거나, 또는 외부 연결 데이터 처리 디바이스, 컴퓨터에 의해 형성될 수 있다.

제어 디바이스(1120)는 예를 들어 액츄에이터(20)에 출력되는 고주파 제어 신호를 생성하기 위해 (예를 들어, 위의 발전기(120)와 유사한) 발전기(1124)를 포함한다. 제어 신호의 주파수는 고주파수(즉 특히 10kHz보다 큰 주파수, 바람직하게는 15kHz보다 큰 주파수)이고 바람직하게는 초음파 범위에 있다.

발전기(1124)는 예를 들어 제어기 유닛으로 출력되는 센서(40)로부터의 센서 신호에 기초하여 발전기(1124)의 동작을 제어하도록 구성된 제어기 유닛(1123)에 연결된다. 제어는 예를 들어 위에서 기술된 양태와 유사하게 수행될 수 있다.

제어 디바이스(1120)는 예로서, 특히 액추에이터(20)(초음파 변환기)를 제어하기 위한 기초로서 제어 디바이스(1120)에 의해 사용되는 제어 파라미터를 포함하는 파라미터 데이터를 저장하기 위한 저장 디바이스(1121)를 더 포함한다.

제어 디바이스(1120)는 또한 예로서 저장 디바이스(1121)로부터 데이터를 판독하고 처리하도록 구성된 데이터 처리 디바이스(1122)를 포함한다. 특히, 데이터 처리 디바이스(1122)는 저장 디바이스(1121)로부터 파라미터 데이터를 판독하고 발전기(124)의 동작을 제어하기 위한 기초로서 제어기(1123)에 입력된 제어 파라미터를 결정하도록 구성된다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 복수의 파라미터 세트를 파라미터 데이터로서 저장 디바이스(1121)에 저장하는 것이 고려되며, 각 파라미터 세트는 서로 다른 공구, 서로 다른 초음파 변환기, 서로 다른 공구 홀더 및 서로 다른 처리 유형 또는 처리 조건과 연관된다.

특히, 데이터 처리 디바이스(1122)는 바람직하게는 현재 사용 중인 공구, 공구 홀더, 초음파 변환기에 기초하여, 그리고 특히 현재 처리 유형에 기초하여 또는 현재 처리 조건에 기초하여 저장 디바이스(1121)로부터 적절한 파라미터 세터를 판독하고 상응하는 제어 파라미터를 제어기(1123)에 출력하도록 구성된다.

이를 위해, 변경된 파라미터 세트에 기초하여 처리에 따른 방식으로 제어기(1123)를 조정하기 위해 처리 전 또는 처리 중에 파라미터 세트 변경을 수행하는 것이 바람직하다.

예시로서, 파라미터 세트 변경은 공구가 공작 기계(1000)에서 교체될 때 처리 중에 수행될 수 있으며, 여기서 삽입될 공구, 공구 홀더 및/또는 그의 초음파 변환기에 상응하는 변경된 파라미터 세트가 저장 디바이스(1121)에서 판독되고 제어기(1123)에서 설정된다.

예시로서, 파라미터 세트 변경은 공작 기계(1000)에서의 처리 중에 수행될 수 있으며, 여기서 변경된 처리 조건 또는 변경된 유형의 처리에 상응하는 변경된 파라미터 세트가 저장 디바이스(1121)에서 판독되고 제어기(1123)에서 설정된다.

배경 정보는 각각이 주파수의 함수로서 서로 다른 임피던스 또는 위상 곡선을 도시하는 도 8, 도 9a 및 도 9b를 참조한다.

도 8은 특히 예로서 서로 다른 공구에 대한 대략 15kHz 내지 대략 60kHz의 넓은 주파수 범위에 걸쳐 주파수의 함수로서 서로 다른 임피던스 프로파일 또는 관련 위상 프로파일을 도시한다(A:open_milling tool, B:closed_milling tool 또는 C:schw_milling tool).

여기에서, 서로 다른 공구는 때때로 매우 다른 임피던스 프로파일 또는 관련 위상 프로파일을 가질 수 있으며, 부분적으로는 각각의 최소 또는 최대에서 매우 다른 임피던스 또는 위상 스파이크와 또한 이동된 공진 주파수를 가질 수 있음을 알 수 있다. 특히, 다중 최대 또는 최소, 즉 다중 공진이 발생한다는 점에 유의해야 한다.

일반적으로, 위상 프로파일은 위상이 발전기(120) 또는 발전기(1124)를 공진점으로 제어하기 위한 제어 변수로서 적합하도록 공진점에서 최소값을 가진다. 각 임피던스 곡선은 먼저 각 공진점에서 최대(병렬 공진) 및 최소(직렬 공진)를 가진다. 최대 및 최소의 순서는 유도 에너지 전달에 의해 발생한다. 변압기 없이 직접 연결하는 경우, 순서는 항상 정확히 반대이다(최소-최대).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 변환기 또는 액츄에이터(20)가 공진점의 임피던스 최대 주파수에서 동작하도록 제어기(1123)가 주파수 설정을 시도하는 방식으로 발전기의 제어가 구성된다.

그러나 예로서 항상 동일한 송신기를 갖는 동일한 액츄에이터(20)로부터 기인하는 서로 다른 곡선들이 도 8에서 보여질 수 있다는 점에 유의해야 한다. 일반적으로, 아래의 소자가 곡선의 정확한 성질에 영향을 미칠 수 있다:

◎ 송신기와 수신기 사이의 공극의 크기,

◎ 액추에이터 및 송신기 제조 시의 기계적 허용오차,

◎ 액츄에이터 및 송신기 제조 시의 전기적 허용 오차, 및

◎ 기계 내의 가능한 결함.

개별 임피던스 곡선 사이의 차이가 (a) 허용오차 및 에이징 효과로 인해 그리고 (b) 다양한 서로 다른 공구의 사용으로 인해 발생할 수 있다는 사실로 인해, 예시적인 실시예에 따라 다음의 조치가 제안된다:

공진점을 결정하기 위해, 위상 곡선에서 최소값을 찾도록 발전기(120/1224)를 통해서 더욱 큰 주파수 범위에 걸쳐 주파수 스캔이 수행될 수 있다. 위상 곡선의 이러한 최소값은 일반적으로 잘 나타나며(도 8 참조) 따라서 주파수 스캔에서 결정될 수 있다.

일반적으로, 복수의 최소값(도 8 참조)은 보다 넓은 사전설정된 주파수 범위, 예로서 15kHz 내지 60kHz 내에 있으며, 그에 따라 만약 주파수 스캔에서 여러 최소값이 발견되면, 구별이 이루어질 수 있고 적절한 공진점이 선택될 수 있다.

주파수 스캔을 통한 주파수 결정과 관련하여, 발전기는 어떤 위상차를 공진점으로 분류할지에 대한 사양을 제공받을 수 있다. 예를 들어, 최소의 최대 깊이 및/또는 최소 깊이가 명시되거나 사전결정될 수 있다. 특히, 최소 깊이 아래의 최소값은 "노이즈"로 무시될 수 있다.

(예를 들어, 또한 서로 다른 공구(90)를 갖는) 서로 다른 액츄에이터(20)는 차례로 서로 다른 깊이의 최소값을 생성할 수 있다.

동작 중에, 제어기(1123)는 주파수가 공진하도록 동작 중의 주파수가 설정되는 방식으로 (주파수 제어) 발전기(1124)를 구동 또는 제어해야 한다. 이를 위해서, 센서(40)의 센서 신호의 위상이 제어 변수로서 사용될 수 있다.

다른 한편으로, 일정한 전류 진폭이 일정한 진동 진폭과 물리적으로 연관되기 때문에 (전류 제어) 공진 시에 발전기가 액추에이터에 일정한 전류 진폭을 출력하도록 제어기(1123)가 설정될 수 있다.

그러나 옴의 법칙에 의하면, 발전기는 주어진 최대 출력 전압(U)에서 최대 전류 I = U/R만을 구동할 수 있다. 만약 (예로서, 작업자에 의해 명시된 것과 같은) 원하는 출력 전류가 이 값을 초과하면, 명시된 값에 도달될 수 있는 상태가 존재하지 않기 때문에 제어기가 불안정해질 수 있다.

반대로, 0V와 최대 전압 사이의 주어진 레벨 수에 있어서 제어기에 대해 불필요하게 분해능이 저하될 것이기 때문에 최대 출력 전압은 소정의 한계까지만 지정될 수 있다.

순수한 임피던스/위상 파라미터에 더하여, 사용되는 PID 제어기의 파라미터뿐 아니라 주파수 및/또는 전류 제어기를 설정하기 위한 잠재적으로 추가의 파라미터 또한 역할을 한다: PID 제어기의 경우, 정확한 처리를 가능하게 하기 위해 제어될 시스템에 최적이거나 적응된 제어의 기본이 되는 파라미터의 설계가 선호된다.

사용될 수 있는 다양한 액츄에이터 및 사용되는 서로 다른 공구들로 인해, 뿐만 아니라 서로 다른 처리 시나리오 또는 처리 조건 또는 처리 유형으로 인해, 보편적인 파라미터 세트는 적합하지 않다.

바람직하게는, 제어 디바이스(1120)는 작업자가 특정 액추에이터를 이용하여, 만약 적절하면 특정 공구를 이용하여 공구 홀더를 설정할 수 있게 한 기능을 허용한다. 설정 동안, 가능하게는 특정 공구와 함께 액추에이터 구동의 후속하는 제어를 위한 기초로서 결정되고, 선택되며 설정할 수 있거나, 또는 저장 디바이스(1121)에 저장될 수 있다.

여기에서, 예를 들어 주파수 스캔은 매우 넓은 주파수 범위(넓은 범위에 걸쳐 가능한 사전 정의할 수 있는 주파수 범위 및 가능한 발전기의 전체 기술 대역폭까지)에 걸쳐 수행된다. 그 결과 발견된 모든 공진점이 특히 가능하면 특정 공구와 함께 설정될 공구 홀더 또는 액추에이터를 갖는 기계를 동작하기에 어느 공진점이 적합한지를 선택하기 위해 개별적으로 확인될 수 있다. 이에 대한 서로 다른 가능성이 존재한다:

(1) 예를 들어 공구를 들어올리거나 테스트 작업물에 반응하여 댐핑을 이용, 예로서 오직 적절한 공진(감쇠됨). 가능한 설정 방법은 댐핑이 있는 모든 공진을 보거나 스캔하고 곡선을 비교함으로써 부적절한 공진을 분류하는 것이다.

(2) 실제 기계적 진동은 구현된 진동 진폭에 기초하여 적절한 공진을 선택하기 위해 기계에서 광학적인 (또는 기타) 방법을 이용하여 측정될 수 있다. 적합하지 않은 공진점은 예를 들어 진동 형태에 기초하여 분류될 수 있다.

(3) 정의된 시간에 걸쳐 각 공진점에서 진동이 발생될 수 있으며 시간에 따른 각각의 공진점에서의 진동 양상이 관찰될 수 있다: 만약 온도 양상이 종래의 온도 드리프트에 일치하면, 상응하는 공진점이 적절한 것으로 선택될 수 있다.

(4) 추가 센서(예로서, 변환기 상의 온도 센서)는 부적절한 공진 지점을 분류하기 위해 진동이 켜질 때 (예로서, 변환기 상의 열 발생으로 인한 초과 전력 손실) 편차를 검출할 수 있다.

복수의 공진점으로부터 적절한 공진점을 선택하기 위해 위의 선택 방법들 중 하나 이상을 사용하는 것 또한 가능하다.

적절한 공진점을 선택한 후에, 동작 중에 발전기의 주파수 범위가 특히 적절한 범위 내에 추가의 공진이 없도록 선택된 공진점 주변의 적절한 범위로 한정될 수 있다.

예로서, 도 9a 및 도 9b를 참조한다. 도 9a는 넓은 주파수 범위, 예를 들어 대략 17kHz 내지 대략 35kHz, 특히 주파수 스캔에서 인식 가능한 2개의 더 넓은 위상 최소값(공진점)에 대한 임피던스 프로파일 및 관련 위상 프로파일을 도시한다. 여기서, 예로서 공진점이 선택되고 선택된 공진점 주변에서 선택되며, 더 이상의 추가 공진점을 포함하지 않는 주파수 범위가 하한값(UG) 및 상한값(OG)을 통해 설정할 수 있으며, 도 9b를 참조한다(대략 21.9kHz에서 더 작은 공진점이 설정 가능한 최소 깊이 아래의 최소 깊이를 갖기 때문에 여기서 노이즈로서 무시될 수 있다).

결과적으로, 발전기는 선택된 주파수 범위 내에서 (예로서 감쇠, 가열로 인한) 공진 주파수의 실제 변화에만 응답할 수 있지만, 우발적으로 잘못된 공진점에 도달하지 않는다.

또한, 임피던스/위상 측정이 수행될 수 있다. 이에 기초하여, 최대 임피던스가 또한 결정되며 발전기의 최대 출력 전압이 (스위치를 통해서) 필요에 따라 선택된다. 이 측정은 특수 측정 회로를 사용하거나 동작 중에 진동을 활성화하고 모든 관련 변수를 측정함으로써 수행된다.

제어기(1123)는 (예로서, PID 제어기에 기초한) 주파수 제어기 및 전류 제어기를 포함할 수 있다.

입력 변수(예를 들어, 주파수 제어를 위한 위상 및/또는 전류 제어를 위한 전류)의 변화에 대한 제어기(1123)의 응답은 예를 들어 (예컨대 Kp, Ti 또는 Td로서 지정되는 소스에 따라) 2개의 상수에 의해서 결정된 복수의 제어기 상수(예로서 PID 제어기 상수)에 의해 설정될 수 있다.

또한, 입력 변수에 대해 데드 밴드(dead band)를 정의할 수도 있으며, 즉 데드 밴드 폭보다 큰 경우에만 변경으로 간주된다. 데드 밴드 폭 내에서 약간의 변경이 있는 경우, 제어기(1123)는 비활성 상태로 유지될 수 있다(가상 스위치오프).

이러한 설정 모드는 바람직하게는 특정 공구와 관련하여 (송신기 및 액츄에이터를 가진) 공구 홀더의 특정 조합에 대한 적절한 파라미터 세트를 결정하기 위해 결정되는 것이 바람직하다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 바람직하게는 소정의 공구와 함께, 특히 바람직하게는 송신기 및 액츄에이터와 공구 홀더의 복수의 소정의 조합을 위해 각 설정 동작이 수행되고 각 파라미터 세트가 저장 디바이스(1121) 상에 저장된다.

이것은 또한 공작 기계 제조자 측에서 이미 수행될 수 있으며 이러한 파라미터 세트는 공작 기계 상에 파라미터 데이터로서 사전 저장되거나 추후에 판독될 수 있다. 또한, 이것은 저장 디바이스(1121)에 새로운 파라미터 세트를 저장하기 위해 공작 기계에서 작업자에 의해 수행될 수도 있다. 사용된 시스템에 따라, 가공 중에 상응하는 공구를 변경하는 경우 또는 공작 기계 상의 공구를 설정할 때 작업자에 의해서 이러한 파라미터 세트를 불러올 수 있다.

또한, 예를 들어 드릴링(드릴링은 제어기가 빠르게 반응해야 하는 작업물 재료로 들어가고 나갈 때 일반적으로 신속한 부하 변화를 발생시킨다) 또는 밀링(밀링은 일반적으로 보다 균일하고 더 느린 부하 변화를 생성한다. 만약 제어기가 너무 동적이면 오버스윙할 수 있고 불안정해질 수 있다)을 위해서, 서로 다른 파라미터 세트는 각 공구 홀더가 초음파 변환기(액추에이터)를 갖거나 또는 서로 다른 처리 조건 또는 처리 유형에 대한 공구 홀더를 갖는 공구들의 소정의 조합인 서로 다른 공구들에 대해 저장될 수 있다.

특히, 처리의 유형 또는 조건에 따라 공작 기계 상에서의 처리 중에 개별 처리-종속 파라미터 세트 사이의 전환 또는 공작 기계 상에서의 처리 중에 개별 처리-종속 파라미터를 변경이 가능하다. 이것은 또한 예를 들어 현재 NC 데이터의 명세에 따라(예로서 현재 실행되는 NC에 기초하여) 처리 유형을 변경할 때 저장 디바이스(1121)로부터 상응하는 파라미터 세트를 판독하며 그에 따라 제어기(1123)를 설정 또는 전환하는 데이터 처리 디바이스(1122)를 통해 자동으로 수행될 수 있다.

위에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시들과 예시적인 실시예 및 이들의 이점이 상세하게 기술되었다. 본 발명은 위에서 기술된 예시적인 실시예 및 이들의 구현 특징에 결코 제한되거나 제한되지 않으며, 대신에 예시적인 실시예, 특히 설명된 예시의 특징의 수정사항 또는 설명된 예시의 특징들 중 하나 이상의 조합에 의해 독립 청구항의 범위 내에 포함되는 예시적인 실시예의 수정사항을 추가로 포함한다는 것이 다시 강조되어야 한다.

Claims (15)

1. 공작 기계 상에서 작업물을 기계가공하기 위한 초음파 공구 유닛을 제어하는 디바이스로서,
   - 상기 초음파 공구 유닛과 연관되고 제어기의 동작을 설정하는 제 1 파라미터 세트에 기초해, 상기 제어기에 의해 동작되는 발전기에 의해서 제어기로의 센서 신호 입력에 기초하여 작업물을 기계가공하도록 상기 공작 기계의 작업 스핀들 상에 수용된 상기 초음파 공구 유닛의 초음파 변환기를 제어하는 제어 디바이스를 포함하고,
   상기 제어 디바이스는 복수의 파라미터 세트를 저장하기 위한 저장 디바이스를 포함하며,
   상기 제어 디바이스는 상기 저장 디바이스 상에 저장된 상기 복수의 파라미터 세트 중 상기 초음파 공구 유닛과 연관된 제 2 파라미터 세트에 기초하여 상기 제어기의 동작을 설정하는 상기 제 1 파라미터 세트를 변경함으로써 상기 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 제어 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 디바이스는 상기 작업물을 처리할 때 상기 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 제어 디바이스.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제어 디바이스는 상기 작업물의 처리 유형이 변경될 때 상기 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 제어 디바이스.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 파라미터 세트는 복수의 처리 유형 중 제 1 처리 유형과 연관되고, 상기 제 2 파라미터 세트는 상기 복수의 처리 유형 중 제 2 처리 유형과 연관되는 것을 특징으로 하는, 제어 디바이스.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 복수의 처리 유형은 밀링 및 드릴링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제어 디바이스.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공작 기계의 상기 초음파 공구 유닛이 다른 초음파 공구 유닛으로 대체될 때, 상기 제어 디바이스는 상기 저장 디바이스 상에 저장된 상기 복수의 파라미터 세트 중 다른 초음파 공구 유닛과 연관된 파라미터 세트에 기초하여 상기 초음파 공구 유닛과 연관된 파라미터 세트를 변경함으로써 상기 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 제어 디바이스.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공작 기계의 상기 초음파 공구 유닛 상의 공구가 다른 공구로 대체될 때, 상기 제어 디바이스는 상기 저장 디바이스 상에 저장된 상기 복수의 파라미터 세트 중 다른 공구와 연관된 파라미터 세트에 기초하여 상기 공구와 연관된 파라미터 세트를 변경함으로써 상기 제어기의 동작 설정을 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 제어 디바이스.
8. 공작 기계로서,
   - 초음파 공구 유닛을 수용하기 위한 작업 스핀들, 및
   - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 상기 공작 기계 상에서 작업물을 기계가공하도록 상기 초음파 공구 유닛을 제어하는 디바이스를 포함하는, 공작 기계.
9. 공작 기계 상에서 작업물을 기계가공하기 위한 초음파 공구 유닛을 제어하는 방법으로서,
   - 상기 초음파 공구 유닛과 연관되고 상기 제어기의 동작을 설정하는 제 1 파라미터 세트에 기초해, 상기 제어기에 의해 동작되는 발전기에 의해서 제어기로의 센서 신호 입력에 기초하여 작업물을 기계가공하도록 상기 공작 기계의 작업 스핀들 상에 수용된 상기 초음파 공구 유닛의 초음파 변환기를 제어하는 단계를 포함하고,
   상기 방법은,
   - 상기 공작 기계의 제어 디바이스의 저장 디바이스 상에 복수의 파라미터 세트를 저장하는 단계, 및
   - 상기 저장 디바이스 상에 저장된 상기 복수의 파라미터 세트 중 상기 초음파 공구 유닛과 연관된 제 2 파라미터 세트에 기초하여 상기 제어기의 동작을 설정하는 상기 제 1 파라미터 세트를 변경함으로써 상기 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계는 상기 작업물이 처리될 때 수행되는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계는 상기 작업물의 처리 유형이 전환될 때 수행되는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 파라미터 세트는 복수의 처리 유형 중 제 1 처리 유형과 연관되고 상기 제 2 파라미터 세트는 상기 복수의 처리 유형 중 제 2 처리 유형과 연관되는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 처리 유형은 밀링 및 드릴링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 공작 기계 상의 상기 초음파 공구 유닛을 다른 초음파 공구 유닛과 교환하는 단계, 및
    - 상기 저장 디바이스 상에 저장된 상기 복수의 파라미터 세트 중 다른 초음파 공구 유닛과 연관된 파라미터 세트에 기초하여 상기 초음파 공구 유닛과 연관된 파라미터 세트를 변경함으로써 상기 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 공작 기계 상의 상기 초음파 공구 유닛 상의 공구를 다른 공구와 교환하는 단계, 및
    - 상기 저장 디바이스 상에 저장된 상기 복수의 파라미터 세트 중 다른 공구와 연관된 파라미터 세트에 기초하여 상기 공구와 연관된 파라미터 세트를 변경함으로써 상기 제어기의 동작 설정을 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 제어 방법.

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