KR20220134637A - 작업물을 가공하기 위한 공작 기계의 초음파 발생기 제어 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 작업물을 가공하기 위해 초음파를 발생시키는 공작 기계의 초음파 발생기를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 초음파의 결정된 위상 오프셋이 주파수에 기초하여 분석되며, 분석에 기초하여 초음파 발생기에 의해 발생된 초음파의 주파수를 제어하기 위한 제어 알고리즘이 결정된다.
Description
본 발명은 작업물을 가공하기 위한 공작 기계의 초음파 발생기 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
공작 기계는 대부분의 경우에 칩 제거인, 작업물의 유연한 가공을 허용한다. 따라서 공작 기계는 구성요소 치수 및 가공될 재료에 따라 사용되는 복수의 서로 다른 도구를 포함한다. 일반적으로, 금속 재료의 칩 제거 가공은 기하학적으로 특정된 에지를 사용하여 밀링 또는 선반 가공을 통해 발생한다. 그러나 세라믹과 같이 단단하고 부서지기 쉬운 작업물은 재료 고유의 특성으로 인해 기하학적으로 특정된 에지를 통해서 불충분하게 가공될 수 있다. 이러한 응용 분야에서, 초음파에 의한 기계 가공은 종종 작업물을 비용 효율적이고 효과적으로 가공하기에 적합한 것으로 나타난다.
이를 위해, 고주파 진동을 추가로 중첩함으로써 예로서 연삭 또는 칩 제거와 같은 종래의 기계 가공 공정의 도구 운동학을 지원하는 공작 기계가 당업계에 알려져 있다. 이러한 진동은 도구와 작업물 사이의 접촉에서 수 마이크로미터 범위의 이동 진폭을 생성하여 프로세스 힘을 감소시킨다.
초음파 기능을 갖는 이러한 공작 기계는 초음파 진동을 발생시키는 초음파 발생기를 포함하며, 이는 주로 압전 시스템을 통해 예를 들어 밀링 스핀들에 교환 가능하게 삽입될 수 있는 도구 홀더로 전달된다.
초음파 가공에 의한 작업물 가공의 효율성은 무엇보다도 사용된 도구의 기하학적 형태 및 클램핑 길이에 따라 달라진다.
본 발명의 목적은 공작 기계에 의한 최적화된 초음파 가공을 가능하게 하는, 작업물을 가공하기 위해 초음파를 발생시키는 공작 기계의 초음파 발생기를 제어하는 방법 및 시스템을 각각 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립 청구항 제 1 항 및 제 8 항의 특징에 의해 해결된다. 따라서 종속 청구항은 본 발명의 특정 실시예를 참조한다.
본 발명에 따른 작업물을 가공하기 위해 초음파를 발생시키는 공작 기계의 초음파 발생기를 제어하는 방법은: 초음파 주파수 범위에 있는 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 이것에 의해, 작업물 가공을 위한 진동 시스템의 고유 주파수의 최적 사용에 도달할 수 있다. 일부 실시예에서, 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호가 연속적으로 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 생성된 전기 신호는 서로 다른 주파수를 갖는 다중 중첩된 전기 신호를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 서로 다른 주파수의 모든 주파수 지점은 주파수에 관한 가능한 동작 범위를 결정하는 사전결정된 주파수 대역의 일부이다. 이것은 주파수의 조절이 주파수에 대한 작업물 가공의 요구사항도 충족하는 것을 보장하는 이점을 가질 수 있다.
특히 유리한 실시예에서, 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호를 생성하는 것은 사전결정된 주파수 스펙트럼의 스위프(주파수 통과)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 서로 다른 주파수, 특히 스위프(주파수 통과)의 주파수 스펙트럼은 도구(질량, 온도), 가공 파라미터(피드, 회전 속도, 인피드), 및/또는 재료, 기하학적 형태, 크기, 질량과 같은 하나 이상의 작업물 속성에 의존할 수 있다.
이 방법의 다른 단계는 전기 신호를 통해 도구에 초음파를 인가하는 것이다. 초음파의 인가시에, 생성된 전기적 신호는 예를 들어 특히 압전 모터와 같은 모터에 의해서 기계적 신호(초음파)로 변환될 수 있다.
이 방법은: 주파수의 함수로서 초음파의 위상 시프트(위상 시프트 각도)를 결정하는 단계, 주파수의 함수로서 위상 시프트를 분석하는 단계 및 위상 시프트의 분석에 따라 초음파 발생기에 의해 발생된 초음파의 주파수를 제어하기 위한 조절 알고리즘을 결정하는 단계를 더 포함한다.
초음파의 위상 시프트를 결정하는 것은, 예를 들어 생성된 전기 신호의 전압과 생성된 전기 신호의 전류 사이의 위상 시프트 각도(위상 시프트)를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
위상 시프트의 분석은 위상 기준값에 대한 주파수의 함수로서의 위상 시프트의 정량적 비교를 포함할 수 있다.
이는 초음파에 의한 공작 기계의 서로 다른 작업물 가공에 대해 진동된 도구가 가능한 한 초음파에 공진되도록 초음파의 주파수가 쉽고 효율적으로 조절될 수 있는 이점을 갖는다. 이것에 의해, (초음파 형태의) 에너지 소비가 감소되어 사전결정된 진폭을 갖는 도구의 동작 범위를 편향시킬 수 있다.
주파수의 함수로서 위상 시프트의 분석에 기초한 서로 다른 조절 알고리즘을 사용하는 것은 제어기(조절 알고리즘)가 특히 효율적이고 안정적으로 설계될 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 예를 들어 노이즈로 인해 위상 시프트를 조절 크기로서 결정할 때의 오류가 무시될 수 있다.
이 방법의 특히 유리한 구성에서, 예를 들어 위상 시프트의 분석이 소정의 주파수 지점에서 제 1 위상 기준값이 아래로 내려갔음을 나타낼 때, 이 방법은 위상 시프트 조절 목표를 지정하는 단계, 위상 시프트 조절 목표에 도달하기 위해 초음파 발생기에 의해 발생되는 주파수를 조절하는 단계 및 초음파의 주파수가 조절되는 동안 작업물을 가공하는 단계를 포함할 수 있다. 소정의 주파수 지점에서 제 1 위상 기준값이 아래로 내려가는 조건을 가질 때, 사전결정된 조절 목표가 (대략) 도달될 수 있는지 여부가 결정될 수 있다. 이를 기반으로, 조절 알고리즘이 최적화될 수 있다. 이것은 제어기가 특히 효율적이고 견고하게 설계될 수 있다는 이점을 가질 수 있다.
위상 시프트 조절 목표는 예를 들어 0°이거나 0°에 가까운 범위 내에 있는 위상일 수 있으며, 이는 상응하는 주파수에서 초음파가 인가된 바디가 공진 상태에 있음을 의미한다. 이는 서로 중첩하는 초음파들이 증폭함으로써 사전결정된 초음파의 진폭에 도달하기 위한 에너지 소비가 감소될 수 있는 장점을 가진다.
제 1 위상 기준값은 유리하게는 위상 조절 목표보다 특히 3° 높은 값을 가질 수 있다. 이것은 예를 들어 0°의 위상 값으로 조절하는 위상 조절 목표에서 조절/제어 동안 오버슈트가 조절 알고리즘의 수정으로 이어지지 않는다는 이점을 가질 수 있다.
특히 효율적인 실시예에서, 위상 시프트 조절 목표가 2개의 다른 주파수에 의해 도달될 수 있을 때, 위상 시프트 조절 목표에 도달하기 위해 초음파 발생기에 의해 발생된 주파수는 2개의 서로 다른 주파수 중 더 높은 주파수로 조절될 수 있다. 이것은 사전결정된 편향을 발생시키기 위해 필요한 에너지 소비가 감소될 수 있다는 이점을 갖는다.
특히 유리한 구성에서, 예를 들어 위상 시프트 조절 목표가 2개 이상의 서로 다른 주파수에 의해 도달될 수 있는 경우, 위상 시프트 조절 목표에 도달하기 위해 초음파 발생기에 의해서 생성된 주파수가 둘 이상의 서로 다른 주파수의 임피던스 값에 비해 초음파를 발생시키기 위한 임피던스(저항)가 더 낮은 주파수로 조절될 수 있다. 이것은 예를 들어 압전 모터에 의한 초음파 생성에서, 사전결정된 초음파 여기를 발생시키기 위해 더 낮은 전압이 필요하다는 이점을 갖는다.
특히 최적화된 실시예에서, 예를 들어 위상 시프트의 분석이 모든 주파수 지점에서 제 1 위상 기준값이 초과되고/거나 적어도 하나의 주파수 지점에서 제 2 위상 기준값이 아래로 내려감을 나타내는 경우, 이 방법은 위상 시프트가 최소화되도록 초음파 발생기에 의해 생성된 주파수를 조절하는 단계 및 초음파의 주파수가 조절되는 동안 작업물을 가공하는 단계를 포함할 수 있다.
이것은, 예를 들어 0°의 위상 조절 목표에 도달하지 못할 것으로 예상될 때 최소값을 찾는 데에 특히 효율적인 최소 제어기가 사용된다는 이점을 가질 수 있다. 이것에 의해, 작업물의 가공 속도 및 에너지 절약에 관해 작업물 가공을 향상시키도록 초음파 발생기 및 이에 따른 공작 기계의 제어가 최적화될 수 있다.
특히 다양한 실시예에서, 예를 들어 위상 시프트의 분석이 모든 주파수 지점에서 제 2 위상 기준값이 초과되었음을 나타낼 때, 이 방법은 서로 다른 주파수 중 해당 주파수에서의 결정된 위상 시프트가 최소인 하나의 주파수를 결정하는 단계, 초음파의 주파수가 조절되는 동안 작업물을 가공하는 단계 및 작업물 가공 중에 결정된 주파수 주변의 사전결정된 가공 주파수 대역에서 주파수를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
이것은 특히 위상 노이즈 및 위상 시프트의 최소의 돌극성을 가질 때 도구가 여기될 때까지 공진할 수 있도록 도구가 가능한 잘 여기될 수 있다는 이점을 가질 수 있다. 이것에 의해, 도구를 사전결정된 정도로 진동시키는 데에 필요한 에너지 소비가 감소될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 가공 주파수 대역은 중심 주파수 주변의 ±600Hz의 대역일 수 있다. 일부 실시예에서, 주파수 스위프의 주파수를 변경하는 것은 특히 주파수 통과(frequency pass)를 포함할 수 있다. 이것은 예를 들어 전압 제어 발진기(VCO)에 의해서 선형으로 발생할 수 있다.
특히 유리한 실시예에서, 특히 개별 값으로 주파수를 변화시키는 경우, 주파수 대역의 에지에서의 단계 크기는 가공 주파수 대역의 중심에서보다 클 수 있다.
특히 유리한 실시예에서, 이 방법은 주파수가 변하는 동안 발생된 초음파와 반사된 초음파 사이의 위상 시프트를 주파수의 함수로서 결정하는 단계; 주파수의 함수로서 위상 시프트를 분석하는 단계; 최소 위상 시프트로 결정된 주파수 주변의 가공 주파수 대역으로부터 새로운 주파수를 결정하는 단계; 및 새롭게 결정된 주파수 주변의 가공 주파수 대역의 주파수를 변경하는 단계를 포함한다.
이것은, 특히 최소한의 위상 시프트를 인식하기 어려운 경우, 반복적인 조정에 의해 도구의 보다 넓은 공진 주파수 범위에 대한 주파수의 제어가 향상될 수 있다는 이점을 갖는다. 이것에 의해, 작업물 가공을 위한 에너지 소비가 최소화될 수 있다.
특히 유연한 실시예에서, 이 방법은 작업물 가공 동안 주파수의 함수로서 발생된 초음파와 반사된 초음파 사이의 위상 시프트를 결정하는 단계, 작업물 가공 동안 주파수의 함수로서 위상 시프트를 분석하는 단계, 및 위상 시프트 분석에 따라 초음파 발생기에 의해 발생되는 초음파의 주파수를 제어하기 위한 조절 알고리즘을 변경하는 단계를 포함한다.
이것은 특히 조절 알고리즘과 관련한 초음파 발생기의 제어가 예를 들어, 열원, 도구 특성, 작업물 특성, 가공 특성 등으로 인해 발생하는 시스템 파라미터의 수정에 최적으로 그리고 실시예에 따라서 즉각적으로 (특히 작업물 가공 중에) 적응된다는 장점을 갖는다. 이것에 의해, 작업물 가공이 품질, 속도 및 에너지 소비와 관련해 향상될 수 있다.
작업물을 가공하기 위해 초음파를 발생시키는 공작 기계의 초음파 발생기를 제어하는 본 발명에 따른 시스템은, 작업물을 가공하기 위한 초음파를 발생시키는 초음파 발생기, 초음파의 위상 시프트를 결정하기 위한 위상 시프트 결정 유닛, 주파수의 함수로서 위상 시프트를 분석하고 위상 시프트의 분석에 따른 조절 알고리즘을 결정하기 위한 평가 유닛 및 발생된 초음파와 반사된 초음파 사이의 위상 시프트에 따라 그리고 결정된 조절 알고리즘에 따라 주파수를 조절하기 위한 제어 유닛을 포함한다.
초음파 발생기는, 예를 들어 전류를 기계적 운동으로 변환하는 압전 모터, 및/또는 사전결정된 주파수에서 전류 및 전압을 각각 발생시키는 주파수 발생기를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 초음파 발생기는 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호가 연속적으로 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 생성된 전기 신호는 서로 다른 주파수를 갖는 다중 중첩 전기 신호를 포함할 수 있다. 전기 신호는 예를 들어 하나 이상의 압전 모터에 의해 초음파로 변환될 수 있다.
초음파의 위상 시프트의 예는 초음파로 변환된 전기 신호의 전류와 전압 사이의 위상 시프트이다.
위상 시프트 결정 유닛은 위상 시프트를 결정하기 위한 아날로그 및/또는 디지털 회로일 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 위상 시프트 결정 유닛은 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있다.
위상 시프트를 분석하기 위해, 평가 유닛은 아날로그 및/또는 디지털 회로를 포함할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 평가 유닛은 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 유닛은 아날로그 조절 회로 및/또는 디지털 조절 회로를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어는 개별 시간 또는 연속 시간에 발생할 수 있다. 일부 실시예에서, 조절의 제어 파라미터는 양자화된 또는 연속적인 값으로 출력될 수 있다. 제어 유닛은 초음파 발생기에 의해 발생된 초음파의 주파수를 조절/제어하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 초음파 발생기, 위상 시프트 결정 유닛, 평가 유닛 및/또는 제어 유닛, 또는 언급된 유닛들의 부분들이 각각 한 유닛에 융합될 수 있다.
본 발명의 특히 유리한 구현에서, 평가 유닛은 위상 시프트를 분석하고 작업물 기계 가공 중에 조절 알고리즘을 결정하도록 구성될 수 있다.
이것에 의해, 품질에 관하여 작업물 가공이 모니터링될 수 있다. 일부 실시예에서, 공작 기계는 위상 시프트의 분석에 따라 가공 속도를 제어할 수 있다. 따라서, 마모 감소로 인해 수명이 증가될 수 있다.
특히 본 발명의 유연한 실시예에서, 제어 유닛은 작업물 가공 동안 조절 알고리즘을 변경하도록 구성될 수 있다. 이것은 가공 동안에 작업물 가공이 시스템 파라미터에 맞게 적응된다는 장점을 갖는다. 이것에 의해, 작업물 가공의 에너지 소비 및 품질과 관련하여 작업물 가공이 향상될 수 있다.
특히 본 발명의 최적화된 실시예에서, 시스템은 청구범위 제 1 항 내지 제 7 항 중 하나의 방법을 실행하도록 구성될 수 있다. 이것에 의해, 시스템은 작업물 가공과 관련하여 시스템 파라미터에 최적화될 수 있으므로, 에너지 소비, 가공 속도 및 도구 마모가 최적화될 수 있다.
작업물을 가공하기 위해 초음파를 발생시키는 공작 기계의 초음파 발생기를 제어하는 본 발명에 따른 방법은 작업물을 가공하기 위해 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호를 생성하는 단계; 전기 신호를 통해, 특히 압전 모터에 의해 도구에 초음파를 인가하는 단계; 주파수의 함수로서 초음파의 위상 시프트(위상 시프트 각도)를 결정하는 단계; 위상 시프트가 최소값을 갖는 주파수를 결정하는 단계; 결정된 주파수 주변의 사전결정된 가공 주파수 대역에서 주파수를 변경하는 단계; 및 작업물을 가공하는 단계를 포함한다.
이로써, 특히 검출하기 어려운 도구의 공진을 갖거나 신호에 중첩된 노이즈를 갖는 경우, 도구는 초음파에 의해 여기되어 적은 에너지 소비로 초음파의 진폭이 생성될 수 있다.
특히 유리한 실시예에서, 이 방법은 작업물 가공 동안 주파수의 함수로서 초음파의 위상 시프트를 결정하는 단계; 결정된 주파수 주변의 사전결정된 가공 주파수 대역 내의 주파수가 변경된 후 위상 시프트가 최소가 되는 새로운 주파수를 결정하는 단계; 및 새롭게 결정된 주파수 주변의 사전결정된 가공 주파수 대역에서 주파수를 변경하는 단계를 포함한다.
이것은 방법이 온도, 작업물 질량, 작업물의 형태, 도구 등과 같은 수정된 시스템 파라미터에 특히 효율적으로 반응한다는 이점을 갖는다.
작업물을 가공하기 위해 초음파를 발생시키는 공작 기계의 초음파 발생기를 제어하는 본 발명에 따른 시스템은, 작업물 가공을 위해 초음파를 발생시키기 위한 초음파 발생기, 초음파의 위상 시프트를 결정하기 위한 위상 결정 유닛, 초음파의 위상 시프트를 분석하고 위상 시프트의 분석에 따라 위상 시프트가 최소값을 갖는 주파수를 결정하기 위한 평가 유닛, 및 결정된 주파수 주변의 사전결정된 가공 주파수 대역에서 주파수를 변경하기 위한 제어 유닛을 포함한다.
일부 실시예에서, 초음파 발생기는 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호가 연속적으로 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 생성된 전기 신호는 서로 다른 주파수를 갖는 다중 중첩 전기 신호를 포함할 수 있다. 전기 신호는 예를 들어 하나 이상의 압전 모터에 의해서 초음파로 변환될 수 있다.
초음파의 위상 시프트의 예는 초음파로 변환된 전기 신호의 전류와 전압 사이의 위상 시프트이다.
본 발명의 다른 세부사항과 이점 및 개별적인 실시예들이 도 1 내지 6에 대한 아래의 설명에 기초하여 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 초음파 발생기 제어 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 주파수의 함수로서 초음파의 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답을 도시한다.
도 3은 주파수의 함수로서 초음파의 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답을 도시한다.
도 4는 주파수의 함수로서, 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답을 도시한다.
도 5는 주파수의 함수로서, 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답(21)을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 초음파 발생기 제어 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 발생기를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 평가 유닛을 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제어 유닛을 개략적으로 도시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 초음파 발생기 제어 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 주파수의 함수로서 초음파의 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답을 도시한다.
도 3은 주파수의 함수로서 초음파의 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답을 도시한다.
도 4는 주파수의 함수로서, 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답을 도시한다.
도 5는 주파수의 함수로서, 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답(21)을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 초음파 발생기 제어 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 발생기를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 평가 유닛을 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제어 유닛을 개략적으로 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공작 기계의 초음파 발생기 제어 방법을 개략적으로 도시한 도면이다. 이 방법에서, 단계들이 본 발명을 벗어나지 않고 추가, 분리, 병합 및/또는 동시에 실행될 수 있다. 또한, 단계들의 순서는 본 발명을 손상시키지 않으면서 수정될 수 있다.
제 1 단계(S11)에서, 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호가 생성된다. 따라서, 일부 실시예에서, 복수의 주파수(광역 주파수 스펙트럼)를 갖는 전기 신호가 생성될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서 서로 다른 주파수를 갖는 전기 신호가 순차적으로 생성될 수 있다.
다른 단계(S12)에서, 전기 신호에 의해 도구에 초음파가 인가된다. 즉, 초음파를 인가함으로써 도구 또는 도구의 일부가 진동한다. 초음파를 인가하는 것은, 예를 들어 특히 하나 이상의 압전 모터에 의해 전기 신호를 초음파로 변환함으로써 발생할 수 있다. 일부 실시예에서, 초음파는 도구에서/도구에 대응하는 모터에 의해 도구에서/도구 상에 직접 생성될 수 있다.
단계(S13)는 주파수의 함수로서 초음파의 위상 시프트를 결정하는 것을 포함한다. 이것은 예를 들어, 특히 초음파로 변환되는 전기 신호의 전류와 전압 사이의 위상 시프트를 결정하기 위한 알고리즘에 의해 발생할 수 있다. 일부 실시예에서, 위상 시프트도 유사하게 결정될 수 있다.
다른 단계(S14)에서, 위상 시프트는 주파수의 함수로서 분석된다. 이것은 주파수의 함수로서 위상 시프트를 하나 이상의 위상 기준값과 비교하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 위상 시프트를 분석하는 것은 주파수의 함수로서 위상 시프트의 정성적 평가를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 사전결정된 주파수 대역이 주어지지 않을 수 있지만, 위상 시프트의 분석에 의해 결정될 수 있다.
단계(S14)의 분석에 따라, 단계(S15)에서 초음파의 주파수를 제어하기 위한 조절 알고리즘이 결정된다. 본 발명 내에서 사용되는 조절 알고리즘에 대한 바람직한 예는 사전결정된 주파수 대역에서 주파수를 변화시키는 것(주파수 통과), 특히 스위핑이며, 여기서 주파수 대역은 위상 시프트의 최소값에 따라 통과 후에 재결정되고; 최소 알고리즘은 조절 파라미터(조작된 변수)에 의해서, 특히 볼록 최적화에 의해서 조절 크기를 최소화하도록 구성될 뿐 아니라, 조절 알고리즘은 예를 들어 제로 크로싱인 사전결정된 값에 대해 조작된 변수(조절 파라미터)에 의해서 조절 크기를 조절하도록 구성된다.
최소 알고리즘은 예를 들어, 제 1 주파수에서 최소값을 검출하고 제 1 주파수를 제 2 주파수로 증가시키는 단계; 제 1 주파수의 위상 시프트를 제 2 주파수의 위상 시프트와 비교하는 단계; 제 2 주파수의 위상 시프트가 제 1 주파수의 위상 시프트보다 작은 경우, 제 2 주파수를 제 1 주파수로서 취하는 단계; 제 2 주파수의 위상 시프트가 제 1 주파수의 위상 시프트보다 큰 경우, 제 1 주파수를 제 2 주파수로 감소시키고, 제 2 주파수의 위상 시프트를 제 1 주파수의 위상 시프트와 비교하는 단계; 제 2 주파수의 위상 시프트가 제 1 주파수의 위상 시프트보다 작은 경우, 제 2 주파수를 제 1 주파수로서 취하는 단계를 포함한다.
제 1 주파수 증가 및 감소 사이의 전환의 수에 따라, 주파수 증가 및 감소의 단계 크기는 각각 확대 및 축소될 수 있다.
다른 단계(S16)에서, 작업물이 가공된다. 작업물의 가공(S16) 중에, 실시예에 따라 단계(S14)로 복귀하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 초음파의 주파수는 시스템 수정(도구의 공진 주파수에 영향을 미치는 수정)에 맞게 적응될 수 있다.
일부 실시예에서, 단계(S11)는 주파수 대역이 특정되는 단계(S10)가 선행된다. 바람직하게는, 단계(S11)에서 생성된 서로 다른 주파수는 단계(S10)에서 지정된 주파수 대역에 포함된다. 이것에 의해, 초음파의 주파수가 고차 또는 저차의 공진이 아닌 사전결정된 공진으로 조절되는 것이 보장될 수 있다.
도 2는 주파수의 함수로서의 초음파의, 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답을 도시한다. X축을 따라, 주파수는 킬로헤르츠로 주어진다. Y축 상에서, 위상 시프트 Phi는 도(°) 단위로 주어진다. 주파수의 함수로서 도 2에 도시된 위상 응답(21)은 자신의 최소값(30)에서 제 1 위상 기준값(23) 아래로 내려간다. 제 1 위상 기준값은 예를 들어 3°의 값을 가질 수 있다. 위상 응답의 최소값이 제 1 위상 기준값(23) 아래로 내려가기 때문에, 초음파의 주파수는 위상 시프트 조절 목표(31)로 조절된다. 도 2에 도시된 예에서, 조절 목표는 0°이다.
위상 응답(21)의 최소값(30)이 제 1 위상 기준값(23)과 제 2 위상 기준값(24) 사이의 범위에 있는 경우, 초음파의 주파수는 최소 위상 시프트(30)를 갖는 주파수로 조절되어야 한다.
본 발명에 따르면, 위상 응답(21)의 최소값(30)이 위상 기준값(24) 아래로 내려가지 않거나 위상 응답(21)의 최소값(30)이 위상 기준값(24)을 초과하는 경우 각각은 스위프 알고리즘을 이용하기 유리하다(사전결정된 주파수 대역을 통과함). 이것은 특히, 노이즈에 의해 중첩된 위상 응답에서 최적의 결과가 여전히 달성될 수 있다는 이점을 가진다. 도 2에 도시된 도면에서, 제 2 위상 기준값(24)은 약 58°이며 제 1 위상 기준값(23)은 약 5°이다. 여기서, 조절 목표(31)은 0°로 설정된다. 그러나 제 1 및 제 2 위상 기준값 뿐 아니라 조절 목표의 값 역시 변경될 수 있다. 합리적으로, 이러한 크기의 질적 비율은 유지되어야 한다.
일부 실시예에서, 제 1 위상 기준값(23)은 제 2 위상 기준값(24)과 일치할 수 있고, 오직 하나의 제 1 또는 제 2 위상 기준값이 존재할 수 있으며, 다른 위상 기준값이 각각 존재할 수 있으므로, 초음파 발생기에 의해 발생되는 초음파의 주파수를 제어하기 위한 조절 알고리즘은 위상 시프트의 분석에 따라 주파수에 관해 초음파 발생기를 제어하기 위한 두 개의 또는 복수의 조절 알고리즘으로부터만 결정된다.
도 3은 주파수의 함수로서, 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답을 예시적으로 도시한다. 도 3에서, 도 2와 유사하게 최소 30을 포함하는 위상 응답(21)이 도시되었다. 도 3에서, 위상의 스케일링은 우측에 도시되었고 임피던스 스케일링은 Y축을 따라서 좌측에 도시되었다. X축 상에는 주파수가 헤르츠로 도시되었다.
도 2에 도시된 위상 응답(21)에 더하여, 도 3은 임피던스 응답(22)을 도시한다. 이것에 의해, 주파수의 함수로서의 임피던스 응답(22)은 위상 응답의 제 1 제로 크로싱(28)에서의 최대값을 나타내도록 결정될 수 있으며 임피던스(22)는 위상 응답의 제 2 제로 크로싱(29)에서의 최소값을 대략적으로 나타내도록 결정될 수 있다. 이로 인해, 전류의 함수로서 제어되는 초음파 발생기에서, 주파수를 낮은 임피던스 값을 갖는 주파수로 제어하는 것이 유리하다.
위상 응답은 다수의 최소값(30, 30a)을 포함할 수 있다는 것을 도 3에서 볼 수 있다. 따라서, 예를 들어 하한(25) 및 상한(26)에 의해 주파수 스펙트럼에 관한 동작 범위를 사전결정된 주파수 대역으로 제한하는 것이 합리적일 수 있다. 따라서, 초음파 발생기에 의해 발생된 주파수가 도구의 사전결정된 공진으로 조절되는 것이 보장될 수 있다.
도 4는 주파수의 함수로서, 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답을 도시한다. 도 3과 유사하게, 도 4도 Y축을 따라 도면의 우측에 위상을 도시하고 Y축을 따라 좌측에 임피던스를 도시한다. X축을 따라서, 주파수가 헤르츠로 도시되었다. 도 4에 도시된 위상 응답은 제 2 위상 기준값(24) 아래로 내려가는 동안 제 1 위상 기준값(23)을 초과하는 최소값(30)을 포함한다. 이 실시예에서 제 1 위상 기준값은 3°이고 이 실시예에서 제 2 위상 기준값은 67°이다. 그러나 이들 값으로 제한되는 것은 아니며 단지 예시일 뿐이다.
도 2와 유사하게, 도 4는 또한, 예를 들어 한계값(25, 26)에 의해 주파수에 관한 동작 범위(사전결정된 주파수 대역)를 지정하는 것이 합리적일 수 있음을 나타내며, 그에 따라 초음파 발생기에 의해 발생된 주파수는 도구의 사전결정된 공진 위치로 명확하게 조절된다. 일부 실시예에서, 제 1 주파수 통과 이후에, 주파수에 관한 동작 범위(사전결정된 주파수 대역)를 더 작은 주파수 범위(27)로 제한하여 주파수 통과가 가속화되고 정확도가 향상될 수 있도록 하는 것이 추가로 도움이 될 수 있다.
제 2 위상 기준값(24) 아래로 내려가고 제 1 위상 기준값(23)을 초과하는 최소값(30)으로 인해, 본 발명에 따르면, 위상 시프트가 최소이도록 초음파 발생기에 의해 발생된 초음파의 주파수를 조절하기 위한 최소 알고리즘이 사용된다.
도 5는 주파수의 함수로서, 본 발명에 따라 결정된 위상 시프트의 위상 응답(21)을 도시한다. 도 5에서, 위상은 Y축에 표시되고 주파수는 X축에 도시된다. 도 5에서, 주파수의 함수로서의 위상 응답(21)은 제 1 위상 기준값(23) 및 제 2 위상 기준값(24) 아래로 떨어지지 않는 최소값(30)을 갖는다는 것이 명백하다. 따라서 유리하게는, 중심 주파수로서 최소 위상 시프트(30)를 갖는 가공 주파수 대역(35)에서 발생된 초음파의 주파수를 변화시키는 발생된 초음파의 주파수를 조절하기 위한 제어기가 사용된다. 유리하게는, 주파수 및 최소 위상 시프트를 변경하는 것은 각각 가공 주파수 대역(35)의 중심에 비해 가공 주파수 대역(35)의 에지에서 주파수 지점의 더 큰 간격을 가지고 더 빠르게 발생할 수 있다. 이것은 신호 노이즈으로 인한 위상 시프트의 결정에서 급격한 조절이 방지될 수 있다는 장점을 가진다.
유리하게는, 주파수 대역의 각각의 통과 후에, 위상 시프트의 최소값이 재결정될 수 있고 주파수가 변경되고 있는 주파수 대역이 상응하게 적응될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 초음파 발생기를 제어하기 위한 시스템(50)을 개략적으로 도시한다. 본 발명의 시스템 내에서, 기능 유닛은 그들의 파티션과 관련하여 추가, 분리, 병합 및/또는 수정될 수 있다.
시스템(50)은 초음파 발생기(51), 위상 결정 유닛(52), 평가 유닛(53) 및 제어 유닛(54)을 포함한다. 초음파 발생기(51)는 특히 작업물 가공을 위해 20 내지 40kHz 사이의 주파수(초음파)로 도구(55) 또는 도구(55)의 일부를 진동시키도록 구성된다. 이것에 의해, 초음파 발생기(51)는 주파수를 변화시키도록 구성된다. 일부 실시예에서, 초음파 발생기(51)는 서로 다른 주파수의 초음파를 연속으로 발생시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 초음파 발생기(51)는 서로 다른 주파수를 갖는 다중 중첩 초음파를 포함하는 초음파를 발생시키도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 초음파 발생기(51)에 의해 발생된 서로 다른 주파수의 모든 주파수 지점은 주파수에 관한 가능한 동작 범위를 결정하는 사전결정된 주파수 대역의 일부이다. 이것은 주파수의 조절이 주파수에 관한 작업물 가공의 요구사항도 충족시키도록 보장하는 이점을 가질 수 있다.
특히 유리한 실시예에서, 초음파 발생기(51)는 사전결정된 주파수 스펙트럼의 스위프(주파수 통과)에 의해 서로 다른 주파수를 갖는 초음파를 발생시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 서로 다른 주파수, 특히 스위프(주파수 통과)의 주파수 스펙트럼은 도구(질량, 온도, 기하학적 형태), 가공 특성(피드, 인피드, 회전 속도), 및/또는 재료, 기하학적 형태, 크기, 질량과 같은 하나 이상의 작업물 속성에 따를 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 초음파 발생기(51)는 전압 제어 발진기(VCO)를 포함할 수 있다.
유리한 실시예에서, 초음파 발생기(51)는 초음파를 도구(55)에 인가하기 위한 압전 모터를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 초음파 발생기는 사전결정된 주파수에서 전기 신호를 생성하기 위한 디지털-아날로그 변환기(Digital-Analog-Converter/DAC)를 포함할 수 있으며, 이는 예를 들어 압전 모터에 의해 사전결정된 주파수를 갖는 초음파로 변환될 수 있다.
초음파의 위상 시프트를 결정하기 위한 위상 결정 유닛은, 예를 들어 특히 압전 모터에 의해 초음파를 발생시키기 위한 주파수를 갖는 전기 신호의 전류와 전압 사이의 위상 시프트를 포함하도록 구성될 수 있다.
이것은 예를 들어 아날로그 또는 디지털 회로에 의해 발생할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 위상 결정 유닛(52)은 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함할 수 있다. 이것에 의해, 위상 결정 유닛(52)은 유리하게는 아날로그 또는 디지털 신호 전송에 의해서 초음파 발생기(51)에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 위상 결정 유닛(52)은 각각 알고리즘 또는 프로그램 코드의 실행을 위한 위상 시프트를 결정하도록 구성될 수 있다.
위상 결정 유닛은, 예를 들어 2개의 위상 값을 감산하기 위한 유닛 및/또는 2개의 신호의 위상 시프트를 결정하기 위한 알고리즘을 실행하기 위한 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 위상 시프트를 결정하기 위해, 위상 결정 유닛이 위상 시프트를 결정하기 위한 아날로그 회로를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 위상 결정 유닛은 도구(55)에 연결될 수 있다.
평가 유닛(53)은 결정된 위상 시프트를 분석하고 위상 시프트의 분석에 따라 조절 알고리즘을 결정하도록 구성될 수 있다. 이것에 의해, 분석은 주파수의 함수로서 결정된 위상 시프트를 하나 이상의 위상 기준값과 정량적으로 비교하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 분석은 주파수의 함수로서 결정된 위상 시프트의 정성적 분석, 특히 주파수의 함수로서 기준 위상 응답에 대한 결정된 위상 시프트의 비교를 포함할 수 있다.
본 발명 내에서 사용되는 조절 알고리즘에 대한 바람직한 예는 사전결정된 주파수 대역에서 주파수를 변화시키는 것(주파수 통과), 특히 스위핑이며, 여기서 주파수 대역은 위상 시프트의 최소값에 따라 통과 후에 재결정되고; 최소 알고리즘은 조절 파라미터(조작된 변수)에 의해서, 특히 볼록 최적화에 의해서 조절 크기를 최소화하도록 구성될 뿐 아니라; 조절 알고리즘은 예를 들어 제로 크로싱인 사전결정된 값에 대해 조작된 변수(조절 파라미터)에 의해서 조절 크기를 조절하도록 구성된다.
최소 알고리즘은 예를 들어, 제 1 주파수에서 최소값을 검출하고 제 1 주파수를 제 2 주파수로 증가시키는 단계; 제 1 주파수의 위상 시프트를 제 2 주파수의 위상 시프트와 비교하는 단계; 제 2 주파수의 위상 시프트가 제 1 주파수의 위상 시프트보다 작은 경우, 제 2 주파수를 제 1 주파수로서 취하는 단계; 제 2 주파수의 위상 시프트가 제 1 주파수의 위상 시프트보다 큰 경우, 제 1 주파수를 제 2 주파수로 감소시키고, 제 2 주파수의 위상 시프트를 제 1 주파수의 위상 시프트와 비교하는 단계; 제 2 주파수의 위상 시프트가 제 1 주파수의 위상 시프트보다 작은 경우, 제 2 주파수를 제 1 주파수로서 취하는 단계일 수 있다.
제 1 주파수 증가 및 감소 사이의 전환의 수에 따라, 주파수 증가 및 감소의 단계 크기가 각각 확대 및 감소될 수 있다.
제어 유닛(54)은 결정된 조절 알고리즘 및 결정된 위상 시프트에 따라, 주파수에 관하여 초음파 발생기(51)에 의해 발생된 초음파를 제어하도록 구성된다. 따라서, 제어 유닛(54)은 아날로그 또는 디지털 신호 전송을 통해 초음파 발생기(51)에 연결될 수 있다.
이것은 초음파에 의한 공작 기계의 다양한 작업물 가공에 있어서, 진동된 도구가 가능한 한 초음파에 공진되도록 초음파의 주파수가 쉽고 효율적으로 조절될 수 있는 이점을 가진다. 이것에 의해, (초음파 형태의) 에너지 소비가 감소되어 도구의 동작 범위를 사전결정된 진폭으로 편향시킬 수 있다.
주파수의 함수로서 위상 시프트의 분석에 기초한 서로 다른 조절 알고리즘을 사용하는 것은 제어기(조절 알고리즘)가 특히 효율적이고 안정적으로 설계될 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 예를 들어 노이즈으로 인해 위상 시프트를 조절 크기로서 결정하는 오류가 무시될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 평가 유닛(53)은 작업물 가공 동안 위상 시프트를 분석하고, 분석에 기초하여 조절 알고리즘을 결정하도록 구성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제어 유닛은 작업물 가공 동안 조절 알고리즘을 변경하도록 구성될 수 있다.
이것은 특히, 예를 들어 작업물 속성(예로서 크기, 질량)의 수정, 기계 가공 특성의 수정, 및/또는 도구 특성(질량, 온도)의 수정으로 인한 시스템 파라미터의 수정에서 초음파 주파수가 즉시 적응될 수 있다는 이점을 갖는다. 이것에 의해, 도구가 보호될 수 있으며 작업물 품질이 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 발생기를 개략적으로 도시한다. 초음파 발생기(51)는 특히 압전 모터 형태의 초음파 발생 유닛(71)을 포함할 수 있다. 또한, 초음파 발생기(51)는 특히 전압-제어 발진기(VCO)의 형태로 주파수를 변경하기 위한 유닛(72)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 초음파 발생기(51)는 주파수 통과, 특히 주파수 스위프를 수행하기 위한 유닛(73)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 주파수 통과를 수행하기 위한 유닛(73)은 초음파의 주파수를 변경하기 위한 유닛(72) 및/또는 초음파 발생 유닛을 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 평가 유닛(53)을 개략적으로 도시한다. 일부 실시예에서, 평가 유닛(53)은 특히 전압-제어 발진기를 제어하거나 압전 모터를 제어하도록 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 디지털-아날로그 변환기(DAC)(92)를 포함할 수 있다. 또한, 평가 유닛(53)은 아날로그 신호, 특히 정보로서 위상 시프트를 포함하는 유사하게 이용가능한 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기(ADC)(93)를 포함할 수 있다.
평가 유닛(53)은 주파수의 함수로서 위상 시프트를 분석하기 위한 유닛(94)을 포함할 수 있다. 또한, 평가 유닛은 특히 위상 시프트의 분석에 따라 조절 알고리즘을 결정하기 위한 유닛(95)을 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 제어 유닛(54)을 개략적으로 도시한다. 제어 유닛은 조절 알고리즘을 실행하기 위한, 특히 위상 시프트 및/또는 임피던스에 따라 주파수를 조절하기 위한 유닛(96)을 포함할 수 있다.
또한, 제어 유닛(54)은 특히 작업물 기계 가공 동안 조절 알고리즘을 변경하기 위한 유닛(97)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 유닛(54)은 디지털 또는 아날로그 방식으로 위상 결정 유닛에 직접 연결될 수 있다.
Claims (10)
- 작업물을 가공하기 위해 초음파를 발생시키는 공작 기계의 초음파 발생기를 제어하는 방법으로서,
- 작업물을 가공하기 위해 초음파 주파수 범위에 있는 서로 다른 주파수들로 전기 신호를 생성하는 단계,
- 상기 전기 신호에 의해서 도구에 초음파를 인가하는 단계;
- 주파수의 함수로서 초음파의 위상 시프트를 결정하는 단계;
- 주파수의 함수로서 위상 시프트를 분석하는 단계; 및
- 상기 위상 시프트의 분석에 따라 초음파 발생기에 의해 발생된 초음파의 주파수를 제어하기 위한 조절 알고리즘을 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 위상 시프트의 분석이 소정의 주파수 지점에서 제 1 위상 기준값이 아래로 내려갔음을 나타낼 때, 상기 방법은:
- 위상 시프트 조절 목표를 지정하는 단계;
- 상기 위상 시프트 조절 목표에 도달하기 위해서 초음파 발생기에 의해 발생된 주파수를 조절하는 단계; 및
- 초음파의 주파수가 조절되는 동안 작업물을 가공하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 2 항에 있어서,
두 개의 서로 다른 주파수에 의해서 상기 위상 시프트 조절 목표에 도달할 수 있는 경우,
상기 위상 시프트 조절 목표에 도달하기 위해 초음파 발생기에 의해 발생된 주파수는 상기 두 개의 서로 다른 주파수 중 더 높은 주파수로 조절되는, 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 시프트의 분석이 모든 주파수 지점에서 제 1 위상 기준값이 초과되고 적어도 하나의 주파수 지점에서 제 2 위상 기준값이 아래로 내려갔음을 나타낼 때, 상기 방법은:
- 위상 시프트가 최소화되도록 초음파 발생기에 의해 발생된 주파수를 조절하는 단계; 및
- 초음파의 주파수가 조절되는 동안 작업물을 가공하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 시프트의 분석이 모든 주파수 지점에서 제 2 위상 기준값이 초과되었음을 나타낼 때, 상기 방법은:
- 서로 다른 주파수들 중 결정된 위상 시프트가 최소인 주파수를 결정하는 단계;
- 초음파의 주파수가 조절되는 동안 작업물을 가공하는 단계; 및
- 작업물 가공 중에 결정된 주파수 주변의 사전결정된 주파수 대역에서 주파수를 변경하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 5 항에 있어서,
- 주파수가 변경되는 동안 주파수의 함수로서 발생된 초음파와 반사된 초음파 사이의 위상 시프트를 결정하는 단계;
- 주파수의 함수로서 상기 위상 시프트를 분석하는 단계;
- 최소 위상 시프트를 갖는 결정된 주파수 주변의 주파수 대역으로부터 새로운 주파수를 결정하는 단계; 및
- 새롭게 결정된 주파수 주변의 사전결정된 주파수 대역에서 주파수를 변경하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 작업물 가공 중에 주파수의 함수로서 발생된 초음파와 반사된 초음파 사이의 위상 시프트를 결정하는 단계;
- 작업물 가공 중에 주파수의 함수로서 상기 위상 시프트를 분석하는 단계; 및
- 상기 위상 시프트의 분석에 따라 초음파 발생기에 의해 발생된 초음파의 주파수를 제어하기 위한 조절 알고리즘을 변경하는 단계를 포함하는, 방법. - 작업물을 가공하기 위해 초음파를 발생시키는 공작 기계의 초음파 발생기를 제어하는 시스템으로서,
작업물 가공을 위해 초음파를 발생시키기 위한 초음파 발생기;
초음파의 위상 시프트를 결정하기 위한 위상 결정 유닛;
주파수의 함수로서 위상 시프트를 분석하고 상기 위상 시프트의 분석에 따라 조절 알고리즘을 결정하기 위한 평가 유닛; 및
초음파의 위상 시프트 및 결정된 조절 알고리즘에 따라 주파수를 조절하기 위한 제어 유닛을 포함하는, 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 평가 유닛은 작업물 가공 중에 위상 시프트를 분석하고 조절 알고리즘을 결정하도록 구성되고, 및/또는
상기 제어 유닛은 작업물 가공 중에 조절 알고리즘을 변경하도록 구성되는, 시스템. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법을 실행하도록 구성된, 시스템.
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