KR20070104903A - 진동체의 공진 주파수 점검에 의한 진동체 및 고정점 간의간극 판단 방법 및 시스템 - Google Patents

진동체의 공진 주파수 점검에 의한 진동체 및 고정점 간의간극 판단 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20070104903A
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세틴더 케이. 나야르
도널드 에스. 오브라크
폴 엠. 페티그
도널드 엘. 포샤르트
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

진동체 및 기준 사이의 간극을 점검하기 위한 방법과 시스템은 진동체의 공진 주파수를 점검함으로써 달성된다. 진동체의 일부가 강성 장착 시스템에 의해 기준에서 소정 거리만큼 이격되어 고정된다. 진동체의 공진 주파수가 수신된다. 그 후, 간극의 적절한 길이 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양이 공진 주파수에 기초해서 판단된다.
초음파 용접, 간극 점검, 진동체, 혼, 앤빌, 공진 주파수

Description

진동체의 공진 주파수 점검에 의한 진동체 및 고정점 간의 간극 판단 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING A GAP BETWEEN A VIBRATIONAL BODY AND FIXED POINT BY MONITORING THE RESONANT FREQUENCY OF THE VIBRATIONAL BODY}
본 발명은 진동체와 고정점 간의 간극을 판단하기 위한 방법과 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진동체의 공진 주파수에 기초하여 이런 판단을 수행하는 방법과 시스템에 관한 것이다.
초음파 용접("어쿠스틱 용접" 또는 "소닉 용접"이라고도 함)시, 연결 대상인 두 부품(통상적으로 열가소성 부품)은 진동 에너지 전달을 위한 소위 초음파 "혼(horn)"이라는 공구에 근접해서 위치된다. 이들 부품(또는 "작업물")은 혼과 앤빌 사이에 억제된다. 주로 혼은 작업물과 앤빌 위에 수직하게 위치된다. 혼은 통상적으로 20,000 ㎐ 내지 40,000 ㎐로 진동해서 이들 부품에 가압 하에서 통상 마찰열 형태의 에너지를 전달한다. 마찰열과 압력으로 인해 적어도 한 부품의 일부가 연화되거나 용융됨으로써 이들 부품을 연결한다.
용접 과정 동안, 교류 신호(AC) 신호가 컨버터, 승압기 및 혼을 포함하는 혼 적층체로 공급된다. 컨버터("변환기"라고도 함)는 AC 신호를 수신하여 AC 신호의 주파수와 동일한 주파수로 압축 팽창함으로써 이에 응답한다. 따라서 탄성 파(acoustic wave)는 컨버터를 통해 승압기로 진행한다. 음파 파면이 승압기를 통해 전파됨에 따라, 음파 파면은 증폭되어 혼에 의해 수신된다. 최종적으로 파면은 혼을 통해 전파되어 작업물 상에 인가됨으로써 상술한 바와 같이 이들 작업물을 용접시킨다.
다른 유형의 초음파 용접은 "연속 초음파 용접"이다. 이런 유형의 초음파 용접은 통상적으로 섬유와 필름, 또는 일반적으로 연속적인 방식으로 용접 장치를 통해 공급될 수 있는 그 밖의 "웹(web)" 작업물들을 실링하기 위해 이용된다. 연속 용접시, 초음파 혼은 통상적으로 고정되어 있고 용접하고자 하는 부품은 그 아래에서 이동된다. 일 유형의 연속 초음파 용접은 회전 고정형 막대 혼과 회전식 앤빌을 이용한다. 작업물은 막대 혼과 앤빌 사이로 공급된다. 혼은 통상적으로 작업물 쪽으로 종 방향으로 연장되고 진동은 혼을 따라 작업물 내로 축방향으로 진행한다. 다른 유형의 연속 초음파 용접에서, 혼은 회전식이며 원통 형상이고 종축을 중심으로 회전한다. 입력 진동은 혼의 축방향이고 출력 진동은 혼의 방사 방향이다. 혼은 용접 대상인 작업물이 원통형 표면들의 접선 속도와 사실상 동일한 선속도로 원통형 표면 사이를 통과하도록 마찬가지로 회전 가능한 앤빌에 인접해서 위치된다. 이런 유형의 초음파 용접 시스템은 본 명세서에 완전히 참조로 포함된 미국 특허 제5,976,316호에 설명되어 있다.
상술한 각각의 초음파 용접 기술에서, 연결 대상인 작업물들은 용접 과정 동안 혼과 앤빌 사이에 배치된다. 한 가지 용접 방식은 혼과 앤빌 사이의 간극을 고정하는 것이다. 혼과 앤빌 사이의 간극은 작업물들이 연결되는 동안 작업물들을 적소에 유지하는 핀칭력(pinching force)을 형성한다. 균일하고 신뢰성 있는 용접 작업을 위해, 혼과 앤빌 사이의 간극을 일정하게 유지하는 것이 중요하다.
작업 동안, 혼 자체를 포함한 혼 적층체의 하나 이상의 구성요소는 일반적으로 온도 상승을 겪게 된다. 따라서 혼 적층체는 일반적으로 열 팽창을 겪는다. 혼 적층체가 팽창함에 따라, 혼과 앤빌 사이의 간극은 감소되고, 이로써 균일하고 신뢰성 있는 용접 작업이라는 상술한 목적에 배치되는 결과를 가져온다.
상술한 바와 같이, 종래의 초음파 용접 구조는 혼 적층체와 앤빌 간의 간극이 연속 용접 작업 동안 점차 좁아진다는 단점을 갖는다.
본 발명은 이런 단점을 해결하고자 개발되었다. 일 실시예에 따르면, 진동체의 일부가 강성 장착 시스템에 의해 기준에서 소정 거리를 두고 고정된 진동체 및 기준 간의 간극을 점검하기 위한 방법은 진동체의 공진 주파수를 수신하는 단계를 포함한다. 간극 길이의 적절한 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양이 공진 주파수에 기초해서 판단된다.
다른 실시예에 따르면, 작업물에 초음파 에너지를 인가하기 위한 시스템은 혼 적층체 및 혼 적층체가 장착되는 장착 시스템을 포함한다. 에너지원은 혼 적층체에 결합된다. 시스템은 작업물을 지지하기 위한 표면을 갖는 앤빌을 추가로 포함한다. 제어부는 혼 적층체의 공진 주파수를 수신하고 혼 적층체와 앤빌 사이의 간극 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양을 판단하도록 구성된다.
또다른 실시예에 따르면, 작업물에 초음파 에너지를 인가하기 위한 시스템은 혼 적층체 및 혼 적층체가 장착되는 장착 시스템을 포함한다. 시스템은 혼 적층체에 결합된 에너지원과 작업물을 지지하기 위한 표면을 갖는 앤빌을 추가로 포함한다. 또한, 시스템은 혼 적층체와 앤빌 사이의 간극 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양을 판단하기 위한 수단을 포함한다.
도1은 에너지원에 결합된 간단한 초음파 용접 혼 적층체의 일 실시예를 도시한다.
도2는 도1의 초음파 용접 혼 적층체에 결합된 장착 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도3은 혼과 앤빌 사이의 간극 길이를 판단하기 위한 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도4a는 간극 판단 유닛의 일부로 이용될 수 있는 테이블의 바람직한 실시예를 도시한다.
도4b는 간극 길이 판단 방법의 바람직한 실시예를 도시한다.
도5a는 연속 초음파 용접 작업에 사용하기 위한 간단한 회전식 초음파 용접 혼의 일 실시예를 도시한다.
도5b는 간극 길이 판단 방법의 바람직한 실시예를 도시한다.
도6은 용접 혼과 앤빌 사이의 사실상 일정한 간극을 유지하기 위한 시스템의 바람직한 실시예를 도시한다.
도7은 초음파 용접 시스템에서 혼과 앤빌 사이의 간극 조절을 위한 시스템의 바람직한 실시예를 도시한다.
도8a는 초음파 용접 시스템에서 혼과 앤빌 사이의 사실상 일정한 간극을 유지하기 위한 시스템의 바람직한 실시예를 도시한다.
도8b는 초음파 용접 시스템에서 혼과 앤빌 사이의 사실상 일정한 간극을 유지하기 위한 시스템의 다른 바람직한 실시예를 도시한다.
도9a는 힘 판단 유닛의 바람직한 실시예를 도시한다.
도9b는 힘 판단 유닛의 다른 바람직한 실시예를 도시한다.
도10은 초음파 용접 시스템에서 혼과 앤빌 사이의 간극 조절을 위한 시스템의 바람직한 실시예를 도시한다.
도11a는 혼의 종축을 따라 전파되는 음향 신호에 의해 구동되는 혼의 표면을 도시한다.
도11b는 음향 신호가 혼의 종축을 따라 전파됨에 따라 도11a에서의 크기보다 작은 크기를 갖는 음향 신호에 의해 구동되는 혼의 표면을 도시한다.
도12a는 혼과 앤빌 사이의 간극 제어를 위한 시스템의 바람직한 실시예를 도시한다.
도12b는 혼과 앤빌 사이의 간극 제어를 위한 시스템의 다른 바람직한 실시예를 도시한다.
도13은 조절기 및 진폭 판단 모듈의 작업을 결합하기 위한 방법의 바람직한 실시예를 도시한다.
도14는 조절기 및 진폭 판단 모듈의 작업을 결합하기 위한 방법의 다른 바람 직한 실시예를 도시한다.
이하 도면을 참조로 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 이들 도면에서 유사 참조 부호는 유사 부품 및 조립체를 나타낸다. 이들 다양한 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다. 또한, 본 명세서에 개시된 모든 예들은 제한을 목적으로 하는 것이 아니며 단지 본 발명의 많은 가능한 실시예들 중 일부를 설명한 것이다.
도1은 AC 전원(102)에 결합된 간단한 혼 적층체(100)의 일 예를 도시한다. 도1에서 알 수 있는 바와 같이, 혼 적층체(100)는 컨버터(104)와 승압기(106)와 초음파 용접 혼(108)을 포함한다. 작업 동안, AC 전원은 컨버터(104)로 전기 에너지를 공급하며, 컨버터(104)는 AC 신호의 주파수와 동일한 주파수로 압축 팽창함으로써 이에 응답한다. 따라서 탄성파는 컨버터(104)를 통해 승압기(106)로 진행한다. 음파 파면이 승압기(106)를 통해 전파됨에 따라, 음파 파면은 증폭되어 용접 혼(108)에 의해 수신된다. [일부 실시예에서, 혼(108)은 게인을 달성하도록 설계되어 승압기(106)에 대한 요구를 제거한다.] 최종적으로 파면은 혼(108)을 통해 전파되어 용접 혼(108)과 앤빌(110) 사이에 위치되는 작업물(도1에 미도시)에 인가된다. 그 밖의 혼 적층체 예들이 기술 분야에 공지되어 있으며 후술하는 시스템, 구조 및 방법과 작용한다.
혼(108)은 도1에 "간극"으로 지시된 거리만큼 앤빌(110)로부터 이격되어 있다. 작업물에 마찰 에너지를 인가하는 과정은 혼 적층체(100)의 다양한 요소들의 온도를 상승시킨다. 혼 적층체(100)의 요소들의 온도가 상승함에 따라, 이들 요소는 열팽창을 겪게 되는데, 이는 혼(108)과 앤빌(110) 사이의 간극이 혼 적층체(100)를 장착하는 특별한 방식에 따른 치수 변화를 겪기 쉽다는 것을 의미한다.
도2는 도1의 혼 적층체(100)를 위한 간단한 바람직한 장착 구조를 도시한다. 장착 구조는 전체적으로 세 부분으로 나눠진 강성 프레임(200)을 이용한다. 프레임(200)은 앤빌(110)이 장착되는 제1 부분(202)과 혼 적층체(100)의 결절점에 인접한 제2 부분(206)을 포함한다. 예컨대, 도2에는 프레임의 제2 부분(206)이 승압기(106)의 중간점(208)에 결합된 것으로 도시되어 있다. 프레임(200)의 제3 부분(204)은 제1 및 제2 부분(202, 206) 사이에서 연장된다.
장착 시스템(200)은 앤빌(110)의 작업물 지지면(210)과 혼 적층체(100)의 일부 사이의 사실상 고정된 거리를 유지한다. 이 경우, 장착 시스템(200)은 앤빌(110)의 상부면(210)과 승압기(106)의 중간/결절점(208) 사이의 사실상 고정된 거리를 유지한다. 따라서 혼 적층체(100)가 작업 동안 팽창될 경우, 혼 적층체(100)는 도2에서 "팽창"으로 지시된 화살표에 의해 지시된 바와 같이 적층체(100)의 종축을 따라 승압기(106)의 중간점(208)에서 외향 팽창된다. 그 밖의 다양한 장착 시스템도 앤빌(110)의 상부면(210)과 혼 적층체(100)의 일부 간의 사실상 고정된 거리를 유지할 수 있으며, 이런 그 밖의 장착 시스템은 본 출원의 범위에 속하는 것임을 알 수 있다.
도2의 장착 구조가 주어지면, 컨버터(104)와 승압기(106)의 상부의 열 팽창은 간극 길이에 어떠한 효과도 주지 않는다[프레임(200)이 적층체(100)와 연결되는 지점(208)에 대한 이들 요소의 위치 때문에, 이들 요소는 상향으로, 즉 앤빌(110)로부터 벗어나 자유롭게 확장된다]. 한편, 간극 길이는 승압기(106) 하부의 팽창과 혼(108)의 팽창에 의해 영향을 받는데, 이들 요소는 팽창할 때 앤빌(110) 쪽으로 팽창하고 간극은 수축된다.
일 실시예에 따르면, 컨버터(104)와 승압기(106)는 사실상 일정한 온도로 유지된다. 예컨대, 컨버터(104)와 승압기(106)는 이들의 온도를 사실상 유지함으로써 이들의 열팽창을 사실상 억제하기 위해 컨버터(104)와 승압기(106)의 표면으로 비교적 차가운 공기를 순환시키는 하나 이상의 팬과 같은 냉각 시스템에 의해 냉각될 수 있다. 따라서 이런 실시예에 따르면, 혼 적층체(100)의 여하한 길이 변화도 사실상 용접 혼(108)의 팽창에 의한 것으로 간주될 수 있다.
또한, 일부 실시예에 따르면, 혼(108)은 작업 동안 열축적 성향을 억제하거나 감소시키기 위해 냉각 시스템에 의해 냉각된다. 일반적으로, 이런 구조는 혼(108)의 열팽창을 전체적으로 제거하지 못하며, 이는 혼이 간극 길이를 사실상 일정하게 유지해야 할 경우 감안해야만 하는 어느 정도의 열팽창을 여전히 겪고 있음을 의미한다.
주지하다시피 소정 몸체의 길이는 소정 몸체의 공진 주파수에 반비례한다. 즉, 몸체는 그 길이가 증가할수록 낮은 공진 주파수를 나타낸다. 따라서 예컨대 열팽창에 의해 발생하는 경우와 같이 혼 적층체(100)는 그 길이가 증가함에 따라 낮은 공진 주파수를 나타낸다. 구체적으로, 몸체의 길이 ℓ은 다음 식에 의해 그 공진 주파수 f와 관련된다.
Figure 112007056367019-PCT00001
이때, E는 대상물의 탄성계수이고 ρ는 대상물의 밀도를 나타낸다. 대상물이 (예컨대, 복수의 부품으로 구성되거나 다양한 재료 등으로 제조된 다양한 구역역을 갖는) 복합물이라면, E와 ρ는 이들 다양한 부품(예컨대, 가중평균 등일 수 있음)을 고려하여 재료의 거동을 나타내는 할당값일 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 에너지원(102)은 혼 적층체의 주파수와 동일 주파수로 AC 신호를 생성하기 위해 혼 적층체(100)의 공진 주파수 f를 검출한다. 예컨대, 에너지원(102)은 특별한 피크-대-피크 전압(또는 제곱평균 제곱근 전압)을 나타내는 정현파 신호를 혼 적층체(100)로 전달할 수 있다. 에너지원(102)은 정현파 신호의 피크-대-피크 (또는 RMS) 전압을 유지하면서 신호의 주파수를 조절하고 최소 전류가 혼 적층체(100)에 의해 인출되는 주파수를 찾게 되는데, 이 주파수는 혼 적층체(100)의 공진 주파수이다. 따라서 이런 실시예에 따르면, 적층체(100)의 공진 주파수는 전원(102)에서 얻어질 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 적층체(100)의 공진 주파수는 검출기를 이용한 적층체(100)의 관찰에 의해 검출될 수 있다.
혼 적층체(100)의 공진 주파수를 얻을 때, 적층체(100)의 전체 길이는 상술한 물리적 원리와 유사한 방식으로 혼 적층체 길이에 공진 주파수를 관련시킴으로써 얻어질 수 있다. 컨버터(104)와 승압기(106)가 이들에 대한 열팽창의 효과를 사실상 억제하기 위해 냉각된다고 하면, 혼 적층체(100)의 길이는 간극 길이에 관련될 수 있다. 예컨대, 도2의 구조에 따르면, 혼(108)의 길이와 간극 길이인 ℓ는 다음 식에 의해 관련된다.
간극 길이 ≒ D - ℓ
이때, D는 혼(108)의 상부와 앤빌(110)의 작업물 지지면(210) 사이의 길이를 나타내는 대략적으로 일정한 값이다.
도3은 용접 혼(108)과 앤빌(110)의 작업물 지지면(210) 사이의 간극의 길이를 판단하기 위한 시스템을 도시한다. 도3의 시스템은 혼(및 승압기)(302)으로 음향 신호를 전달하는 초음파 전원 공급부(300)(예컨대, AC 신호를 음향 신호로 변환하는 컨버터로 AC 신호를 전달하는 전원 공급부)를 포함한다. 초음파 전원 공급부(300)는 초음파 전원 공급부(300)의 작업을 제어하는 펌웨어/소프트웨어를 저장하는 메모리 장치와 데이터 통신을 수행하는 프로세서와 같은 제어부 회로에 의해 제어된다. 이와 달리, 제어부 회로는 하드웨어 기반 제어 루프로서 구현될 수도 있다. 어느 경우든, 초음파 전원 공급부(300)의 제어부 회로는 혼 적층체의 공진 주파수를 식별하고 내부의 전원 공급 신호 생성 회로에 컨버터와 함께 음향 신호와 동일한 주파수를 생성하도록 명령한다. 전원 공급부(300) 내의 제어부는 간극 판단 유닛(304)에 인터페이스될 수 있다.
간극 판단 유닛(304)은 혼 적층체의 공진 주파수를 수신해서 간극 길이에 대해 알려진 관계에 있는 양을 생성한다. 일 실시예에 따르면, 간극 판단 유닛(304)은 메모리 유닛에 결합된 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어 모듈이다. 간극 판단 유닛(304)은 초음파 전원 공급부(300)를 제어하는 펌 웨어가 실행되는 동일 프로세서 상에서 실행될 수 있다. 이와 달리, 간극 판단 유닛은 이것과 데이터 통 신을 하는 다른 프로세서 상에서 실행될 수도 있다. 어느 경우든, 간극 판단 유닛(304)에 의해 실행되는 소프트웨어/펌 웨어는 도4a 내지 도5b를 참조로 설명되는 구조(후술함)에 따르는 기능을 할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 간극 판단 유닛(304)은 초음파 전원 공급부(300) 이외의 전원으로부터 혼 적층체의 공진 주파수를 수신할 수 있다. 예컨대, 시스템은 혼 적층체를 관찰해서 그 공진 주파수를 측정하고 공진 주파수를 간극 판단 유닛(304)으로 전달하는 검출기(306)를 포함할 수 있다. 다음의 설명에서, 공진 주파수는 단지 예시를 위해 초음파 전원 공급부(300)에서 발원한다고 가정한다.
도4a는 간극 판단 유닛(304)이 동작할 수 있는 구조를 도시한다. 간극 판단 유닛(304)은 메모리 장치에 저장된 테이블(400)을 포함할 수 있다. 테이블(400)은 공진 주파수에 따라 구성되며 간극 길이 G를 공진 주파수 f에 관련시킨다. 따라서 공진 주파수 f를 수신하면 간극 판단 유닛(304)는 이 공진 주파수를 이용하여 테이블(400)에 접근하고 공진 주파수 f에 대응하는 간극 길이 G를 판단한다. 예컨대, 간극 판단 유닛(304)이 입력값으로 f2의 주파수를 수신한다고 하면, 간극 판단 유닛(304)은 테이블(400)에 접근함으로써 주파수 f2에 대응하는 열(row)을 확인하도록 응답한다. 열을 확인했을 때, 입력된 간극 길이 G2가 반환된다. 선택적으로, 테이블(400)은 혼 적층체(100)의 길이 L을 판단하거나 간극 길이에 알려진 관계에 있는 임의의 다른 값을 판단하도록 접근될 수 있다. 간극 판단 유닛(304)이 입력값으로 어떤 값 fx를 수신하고 fx가 연속적인 테이블 입력값 사이에 속한다(즉, fi<fx<fi+1) 고 한다면, 간극 판단 유닛(304)은 간극 길이값 Gi와 Gi+1을 얻기 위해 테이블(400)에 접근할 수 있고 공진 주파수 fx에 대응하는 간극 길이를 얻도록 두 값 사이에 보간할 수 있다.
테이블(400) 내의 다양한 입력값들은 혼 적층체(100)의 길이와 간극의 길이가 테이블(400) 내에서 각각의 주파수 f에 대해 기록된 경험적 프로세스에 의해 사전에 위치될 수 있다. 이와 달리, 테이블(400) 내의 다양한 입력값들은 상술한 방식과 유사한 방식으로 이론적 계산에 의해 위치될 수도 있다.
도4b는 간극 판단 유닛(304)이 이론적 연산 작업을 할 수 있는 다른 구조를 도시한다. 예컨대, 간극 판단 유닛(304)은 작업(402)에 도시된 바와 같이 혼 적층체(100)의 공진 주파수 f를 수신함으로써 그 작업을 시작할 수 있다. 그 후, 간극 판단 유닛(304)은 작업(404)에 도시된 식에 근거한 물리적 원리에 기초한 수학식을 사용하는 것과 같이 공진 주파수에 기초하여 혼(108)의 길이 L을 계산함으로써 응답한다. 최종적으로, 작업(406)에 도시된 바와 같이, 간극 판단 유닛(304)은 이용되는 장착 구조에 의해 부여되는 특별한 기하학적 제한에 대한 이해에 기반한 간극 길이에 작업(404)에서 판단된 길이 L을 관련시킬 수 있다. 예컨대, 도2의 장착 구조에 있어서 간극 길이는 다음과 같이 확인될 수 있다.
간극 길이 = D - L
이때, D는 혼(108)의 상부와 앤빌(110)의 작업물 지지면(210) 사이의 거리를 나타내고 L은 혼의 길이를 나타낸다.
도5a는 연속 초음파 용접을 위해 이용되는 용접 혼(500)의 일 예를 도시한다. 여기에서 혼(500)은 혼(500)이 회전하는 중심인 종축(502)을 포함한다. 혼(500)은 간극이 혼과 앤빌(504) 사이에 유지되도록 장착 시스템(도5a에는 미도시)에 의해 억제된다. 혼 적층체는 시스템 상의 임의의 결절점에 장착될 수 있다. 혼의 종축(502)은 앤빌(504)의 작업물 지지면(506)에 사실상 평행하다.
혼 적층체의 공진 주파수에 기초하여 혼과 앤빌 사이의 간극 길이를 판단하는 상술한 원리는 도5의 혼(500)에 적용 가능하다. 소재들은 열적으로 팽창할 때 모든 방향으로 동일한 비율로 팽창한다. 따라서 도5b에 도시된 후술하는 기술이 혼과 앤빌 사이의 간극 길이를 판단하기 위해 이용될 수 있다.
작업(508)에 도시된 바와 같이, 우선 혼 적층체의 공진 주파수가 수신된다. 그 후, 혼(502)의 길이 L이 상술한 바와 유사한 방식으로 주파수에 기초해서 판단된다[작업(510)]. 이전과 마찬가지로, 도5a의 혼 적층체는 컨버터(도5a에 미도시)와 승압기(도5a에 미도시)가 작업 동안 사실상 일정한 온도로 유지됨으로써, 그 열팽창과 시스템 공진 주파수에 대한 효과를 억제하도록 냉각된다.
혼(500)의 모든 치수는 비례적으로 팽창하기 때문에, 혼의 길이 L과 직경 B 사이의 비율은 일정하게 유지된다. 그 후, 혼(502)의 길이를 계산한 후, 혼의 반경은 작업(512)에 도시된 바와 같이 길이와 상술한 비율을 곱함으로써 얻어질 수 있다. 최종적으로, 간극 길이는 작업(514)에 도시된 바와 같이 혼(500)의 종축과 앤빌(504)의 작업물 지지면(506) 사이의 거리 D로부터 반경을 뺌으로써 판단될 수 있다.
도5b에 대해 설명된 방법의 결과는 도4a를 참조로 설명된 바와 같이 테이블에 저장될 수 있다. 따라서 간극 길이와 이에 대해 알려진 관계에 있는 임의의 값이 혼 적층체의 공진 주파수에 기초한 이런 테이블에 접근함으로써 얻어질 수 있다.
도6은 혼 적층체의 공진 주파수에 대한 관찰에 기초하여 혼과 앤빌 사이의 사실상 일정한 간극을 유지하기 위한 제어 시스템을 도시한다. 시스템은 혼 적층체(600)와 여기에 결합된 전원 공급부(602)를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 전원 공급부(602)는 상술한 바와 같이 혼 적층체(600)의 공진 주파수를 판단한다.
혼 적층체에는 위치 조절기(606)가 결합된다. 위치 조절기(606)는 입력 신호의 제어에 따라 앤빌에 가까워지거나 이로부터 멀어지게 혼 적층체(600)를 조절한다. 조절기(606)으로 전달되는 입력 신호와 이에 대한 응답 신호 사이에는 인지 관계가 존재한다. 위치 조절기(606)는 제어 신호 생성부(604)와 데이터 통신을 한다. 제어 신호 생성부(604)는 입력값으로 혼 적층체의 공진 주파수를 수신하고 위치 조절기(606)로 전달되는 제어 신호를 생성한다. 혼 적층체(600)의 공진 주파수와 위치 조절기(606)의 응답 및 그 입력 신호 간의 관계가 주어지면, 제어 신호 생성부(604)는 앤빌과 혼 사이의 사실상 일정한 간극을 유지하는 제어 신호를 산출한다.
제어 신호 생성부(604)는 상술한 원리에 따라 펌웨어/소프트웨어를 저장하는 메모리 장치와 데이터 통신을 수행하는 프로세서와 같은 제어부 회로로서 구현될 수 있다. 이와 달리, 제어 신호 생성부는 사실상 일정 간극을 유지하기 위해 상술 한 제어 신호를 산출하는 ASIC로서 구현될 수 있다. 본 명세서의 다음 부분에는 위치 조절기의 특별한 실시예가 개시된다. 발명의 실시를 위해 후술하는 위치 조절기를 사용할 필요가 없다. 또한, 본 명세서의 상술한 부분은 혼 적층체의 공진 주파수에 기초하여 혼의 길이와 간극 길이를 판단하는 특별한 방법들에 관한 것이다. 다른 실시예에 따르면, 이런 판단은 혼 적층체 또는 혼 적층체의 다양한 구성 요소의 온도를 측정함으로써 도달될 수 있다.
도7은 혼과 앤빌 사이의 간극을 조절하기 위한 시스템의 하나의 바람직한 실시예를 도시한다. 시스템은 앤빌(704)의 작업물 지지면(702) 위로 향하는 혼(700)을 포함한다. 혼(700)은 프레임(706)에 단단히 결합된다. 프레임(706)은 프레임(706)과 혼(700)이 수직하게 병진할 수 있도록 리시버(710)와 결합된 활주체(708)를 포함한다.
또한, 프레임(706)은 한 쌍의 부재(714)에 의해 프레임(706)에 결합된 힘 수용판(712)을 포함한다. 힘은 힘 인가기(도7에는 미도시)에 의해 힘 수용판(712)으로 인가된다. 힘은 혼(700)을 앤빌(704) 쪽으로 압박한다. 힘의 방향은 화살표(713)에 의해 지시된다. 힘은 접촉면(716)이 탄성 변형 가능한 정지부(718)을 지지하도록 하는 효과를 갖는다. 탄성 변형 가능한 정지부(718) 상에 작용하는 힘은 정지부(718)를 변형시켜 하향 편향[즉, 앤빌(704) 방향으로 편향]시킨다. 일반적으로, 힘 수용판(712)에 인가되는 힘이 클수록 정지부(718)에 의해 발현되는 하향 편향은 커진다. 정지부(718)에 의해 발현되는 편향이 클수록 혼(700)과 앤빌(704) 사이의 간극은 작아진다.
혼(700)과 앤빌(704) 사이의 일정한 간극을 유지하기 위해 다음과 같은 구조가 이용될 수 있다. 혼(700)이 온도가 상승되지 않은 상태로 있는 동안, 초기 힘은 힘 수용판(712)에 인가되어 혼(700)과 앤빌(704) 사이의 간극이 "이상적" 길이로 설정되도록 한다. 혼(700)이 작업 동안 열적으로 팽창함에 따라 간극은 점차 작아진다. 이런 효과를 상쇄하기 위해, 힘 수용판(712)으로 인가되는 힘이 저감됨으로써 정지부(718)가 보다 적은 편향을 나타내도록 하는데, 이는 혼(700)과 프레임이 상향(즉, 앤빌에서 멀어지게) 이동됨을 의미한다. 따라서 혼(700)과 앤빌(704) 사이의 간극은 힘 수용판(712)에 대한 제어된 힘 인가에 의해 사실상 일정하게 유지될 수 있다. 이런 구조의 기능성을 보장하기 위해, 힘 수용판(712)으로 인가되는 초기 힘은 정지부(718)가 적어도 상쇄될 예상 열팽창 정도로 큰 변형을 나타내도록 충분히 커야 한다.
변형 가능한 정지부(714)는 탄성적이고, 바람직하게는 비교적 높은 탄성계수를 갖는다. 비교적 높은 탄성계수를 갖는 재료를 선택함으로써 정지부(714)를 편향시키기 위해 요구되는 힘이 가공력(즉, 혼에 의해 작업물 상에 작용하는 힘)보다 비교적 큰 환경이 설정된다. 이런 구조는 제어 설계를 용이하게 한다. 일 실시예에 따르면, 정지부(714)는 강 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 정지부(714)에 작용하는 힘은 그 재료가 탄성 범위를 벗어나도록 하지 않는다[즉, 힘의 회수시 정지부(714)는 그 원형으로 복귀하게 된다]. 또한, 일 실시예에 따르면, 정지부(714)는 인가되는 힘에 비례하는 편향을 나타내는데, 따라서 정지부(714)에 인가된 힘과 이로 인해 나타나는 편향도 사이에 선형적인 관계가 존재한다.
도8a는 도7의 바람직한 조절 시스템을 이용한 제어 시스템의 일 예를 도시한다. [후술하는 도8a의 다양한 유닛(804 내지 810)들은 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장되어 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로서 구현될 수 있거나, 하나 이상의 주문형 집적 회로와 같은 전용 하드웨어 또는 현장 프로그램형 게이트 어레이로서 구현될 수 있다. 또한, 유닛(804 내지 810)들은 설계 선택 문제로서 결합되거나 분리될 수 있다.] 도8a에서 알 수 있는 바와 같이, 시스템은 초음파 전원(802)에 결합된 혼(800)을 포함한다. 간극 판단 유닛(804)은 혼(800)과 앤빌(도8a 및 도8b에 미도시) 사이의 간극을 판단한다. 일 실시예에 따르면, 간극 판단 유닛(804)은 전원(802)으로부터 혼 적층체의 공진 주파수를 얻고 이로부터 간극을 판단한다. 다른 실시예에 따르면, 간극 판단 유닛(804)은 그 관찰에 의해 혼(800)의 공진 주파수를 검출한다. 다른 실시예에 따르면, 간극 판단 유닛(804)은 혼의 온도를 측정해서 그로부터 혼의 길이를 추론하고 혼 길이에 기초하여 간극 길이를 얻음으로써 간극 길이를 판단한다.
간극 판단 유닛에 의해 얻어진 간극 길이는 힘-판단 유닛(806)으로 공급된다. 힘-판단 유닛(806)은 간극을 사실상 일정하게 유지하기 위해 프레임[예컨대, 도7의 판(712)]에 작용될 힘을 판단한다. 간극 판단 유닛(806)에 의해 얻어진 힘은 제어 신호 생성부(808)로 공급된다. 제어 신호 생성부(808)는 제어 신호를 발현시켜서 그 제어 신호를 힘 인가기(810)로 전달한다. 힘 인가기(810)는 수신된 제어 신호와 이것이 작용하는 힘 사이에 인지된 관계를 갖는다. 따라서 제어 신호 생성부(808)는 그 관계에 따라 제어 신호를 발현시킨다.
도 8b는 간극 판단 유닛(804)과 힘-판단 유닛(806)의 바람직한 실시예를 도시한다. [도8a의 유닛의 경우와 같이, 후술하는 도8b의 다양한 유닛들은 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장되어 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로서 구현될 수 있거나, 하나 이상의 주문형 집적 회로와 같은 전용 하드웨어 또는 현장 프로그램형 게이트 어레이로서 구현될 수 있다. 또한, 도8b의 유닛들은 설계 선택 문제로서 결합되거나 분리될 수 있다.] 도8b로부터 알 수 있는 바와 같이, 간극 판단 유닛(804)은 길이 판단 유닛(812)과 간극 확인 유닛(814)을 포함한다. 길이 판단 유닛(812)은 혼 적층체의 공진 주파수를 수신하며 혼의 길이를 확인하기 위해 도4a 및 도4b를 참조로 설명된 방법들 중 하나를 적용한다. 그 후, 혼의 길이는 간극 확인 유닛(814)에 의해 수신된다. 간극 확인 유닛(814)은 장착 구조에 의해 부여되는 특별한 구조와 혼의 길이에 대한 이해를 기반으로 간극 길이를 판단한다[예컨대, 간극 길이는 혼의 상부에서 작업물 지지면까지의 길이와 혼 길이 사이의 차이와 동일할 수 있다. 즉 간극 = D - L].
간극 길이를 판단한 후, 이 값은 힘-판단 유닛(806)으로 제공된다. 힘-판단 유닛(806)은 간극을 사실상 일정하게 유지하기 위해 프레임에 인가될 힘을 판단한다. 판단된 힘은 다른 것들 중에서도 정지부의 길이 Lstop과 정지부의 탄성계수 E와 정지부의 단면적 A와 초기 간극 길이 및 간극 판단 유닛(804)에 의해 판단된 간극 길이 사이의 차이값 △와 조립된 시스템 편향의 함수이다.
도9a는 힘-판단 유닛(806)이 작동할 수 있는 구조를 도시한다. 힘-판단 유닛(806)은 메모리 장치에 저장된 테이블(900)을 포함할 수 있다. 테이블(900)은 공진 간극 길이 G에 따라 구성되며 힘 F를 간극 길이 G에 관련시킨다. 따라서 간극 길이 G를 수신하면 간극 판단 유닛(806)는 이 간극 길이를 이용하여 테이블(900)에 접근하고 간극 길이 G에 대응하는 힘 F를 판단한다. 예컨대, 힘 판단 유닛(806)이 입력값으로 G2의 간극 길이를 수신한다고 하면, 힘-판단 유닛(806)은 테이블(900)에 접근함으로써 간극 길이 G2에 대응하는 열을 확인하도록 응답한다. 열을 확인했을 때, 입력된 힘 F2가 반환된다. 선택적으로, 테이블(900)은 힘 인가기(810)로 전달될 제어 신호(C)를 판단하거나 프레임 상에서 작용하는 힘에 대해 알려진 관계에 있는 임의의 다른 값을 판단하도록 접근될 수 있다. 힘-판단 유닛(806)이 입력값으로 어떤 값 Gx를 수신하고 Gx가 연속적인 테이블 입력값 사이에 속한다(즉, Gi<Gx<Gi+1)고 한다면, 힘-판단 유닛(806)은 힘값 Fi와 Fi+1을 얻기 위해 테이블(900)에 접근할 수 있고 간극 길이 Gx에 대응하는 힘을 판단하도록 두 값 사이에서 보간할 수 있다.
테이블(900) 내의 다양한 입력값들은 프레임에 적용될 힘과 이에 대응하는 제어 신호가 테이블(900) 내에서 각각의 간극 길이 G에 대해 실험적으로 판단된 경험적 프로세스에 의해 사전에 위치될 수 있다. 이와 달리, 테이블(900) 내의 다양한 입력값들은 도9b를 참조로 후술하는 것과 유사한 방식으로 이론적 계산에 의해 위치될 수도 있다.
도9b는 힘-판단 유닛(806)이 이론적 연산 작업을 할 수 있는 다른 구조를 도시한다. 예컨대, 힘-판단 유닛(806)은 작업(902)에 도시된 바와 같이 간극 판단 유닛(804)에 의해 계산된 간극 길이 CG를 수신함으로써 그 작업을 시작할 수 있다. 그 후, 힘-판단 유닛(806)은 작업(904)에 도시된 바와 같이 초기 간극 IG와 계산된 간극 CG 사이의 차이를 계산함으로써 응답한다. 이 차이값 △는 간극을 그 초기 길이로 복원하기 위해 정지부의 편향이 감소되어야 하는 양을 지칭한다. 따라서 작업(906)에서, 프레임에 인가될 새로운 힘 Fnew는 여기에 도시된 수학식에서 Fnew에 대해 해결함으로써 얻어질 수 있다.
도10은 혼과 앤빌 사이의 간극을 조절하기 위한 시스템의 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 용접 시스템(1010)은 지지면(1017)에 고정된 용접 시스템(1030)과 지지면(1018)에 고정된 앤빌(1021)을 갖는다. 용접 시스템(1030)은 혼 지지부(1020)에 의해 지지되고 표면(1017)에 대해 이동 가능한 혼(1032)과, 표면(1017)에 대해 고정된 지지판(1056)을 갖는 고정 정지부(1055)와, 확장 가능한 공압 블래더(1061)을 포함한다.
블래더(1061)는 혼 지지부(1020)와 혼(1032)을 앤빌(1021) 쪽으로 이동시키도록 힘을 인가하기 위해 이용되며, 이때 힘은 블래더(1061)의 기압을 조절함으로써 제어된다. 표면(1025)이 고정 정지부(1055)와 접촉할 때, 지지판(1056)은 인가된 힘을 받아 약간 편향된다.
하나의 특정 실시예에서, 원하는 제품을 용접하기 위한 최소의 허용 가능한 힘은 약 272 ㎏(600 파운드)로서, 이는 블래더(161) 내의 약 207 kPa(30 psig) 기압에 의해 생성된다. 원하는 고정 간극은 약 0.05 ㎜(0.0020 인치)이다.
티탄 혼을 이용한 작업시, 온도는 실온으로부터 최대 약 27.7 ℃(50 ℉)만큼 증가하고, 이는 혼 길이를 약 0.025 ㎜(0.0010 인치)만큼 증가시킬 것으로 판단되었다. 그 결과, 어떠한 보상도 이루어지지 않을 경우 혼(132)과 앤빌(121) 사이의 간극은 약 0.025 ㎜(0.0010 인치)로 감소된다. 지지판(156)의 편향은 약 306 ㎏f(675 파운드 힘)당 약 0.025 ㎜(0.0010 인치)인 것으로 인지된다. 따라서 실온의 혼에 의해 인가된 힘은 적어도 약 510 ㎏(1125 파운드) 또는 약 414 kPa(60 psig)이어야 한다. 혼이 작동하고 길이가 증가함에 따라, 인가된 기압은 혼과 앤빌 사이의 간극을 유지하기 위해 약 414 kPa(60 파운드) 또는 약 207 kPa(30 psig)로 감소된다.
일반적으로 변형 가능한 정지 조립체를 이용함으로써 혼과 앤빌 사이의 거리를 제어하도록 구성되는 용접 장치는 고정 정지부를 구비한 앤빌과, 혼과, 고정 정지부의 탄성 변형이 혼과 앤빌 사이의 간극을 미세 제어하도록 고정 정지부에 대해 혼을 가압하기 위한 힘을 인가할 수 있도록 장착되는 힘 인가기를 포함한다. 용접 장치는 혼의 특수한 성질을 점검하고 이 특수한 성질의 변화에도 불구하고 혼과 앤빌 사이의 간극을 고정값으로 유지하기 위해 혼에 인가되는 힘을 제어하는 감지 시스템을 포함할 수 있다. 점검되는 성질은 예컨대, 온도, 길이 또는 혼의 진동 주파수일 수 있다.
열팽창으로 인한 혼 길이의 증가를 보상하기 위해 변형 가능하지만 고정된 정지부의 이용은 회전식 앤빌, 고정식 앤빌, 회전식 혼, 고정식 혼 또는 이들의 임의의 조합과 이용될 수 있다.
사용시, 연결 대상인 작업물이 혼과 앤빌 사이에 위치되고 에너지가 혼으로 인가되어 혼이 전원을 공급받으면, 고정 정지부의 탄성 변형이 혼과 앤빌 사이의 간극을 정밀하게 제어하도록 혼을 고정 정지부에 대해 가압하기 위해 힘이 혼에 인가될 것이다.
상술한 방법을 이용하기 위해, 사용자는 시스템을 위한 데이터를 결정해서 이 데이터를 특별한 유닛을 위한 제어 시스템에 사용될 수 있는 수학식에 맞출 수 있다. 출원인은 상술한 시스템을 위해 다음의 방법을 이용했지만 본 방법은 다른 구성을 갖는 다른 시스템에도 적용될 수 있다. 수학식은 공학적 원리를 이용하거나 개개의 시스템에서 얻은 측정 데이터를 이용하여 도출될 수 있다.
수학식 2 내지 5는 두 변수의 선형 시스템에 가장 잘 맞았다. 수학식에서 기울기와 절편은 시스템의 가장 적합하게 측정된 데이터로부터 경험적으로 판단되었다. 변수들 사이의 관계를 측정하면 어떤 특별한 시스템의 기울기와 절편도 유사하게 산출할 수 있다. 시스템이 작업 영역에서 선형적으로 거동하는 것이 바람직하지만, 시스템이 비선형적이라도 2차 또는 고차 수학식이 이용될 수 있다.
출원인은 초음파 용접 동안 간극 제어를 위해 후술하는 방법을 개발하여 이용했다.
첫째로, 상술한 회전식 초음파 시스템의 경우, 다음의 매개변수가 판단되었 다.
(1) 혼 직경 = 17.475 ㎝(6.880")
(2) 주변 온도 ℃(℉) = 18.3 ℃(65 ℉)
(3) 주변 온도에서의 주파수 = 19.986 KHz
(4) 간극이 설정된 압력 = 약 500 kPa(72.5 psig)
(5) 공정을 위한 간극 설정점 = 2 밀(mil) (1 mil = 0.001 inch)
혼의 재료적 성질도 공지되어 있다.
(6) 열팽창 계수 α,
Figure 112007056367019-PCT00002
시스템이 전원을 공급받아 작동하면, 혼은 온도가 증가한다. 그 후, 사용자는 연속 용접을 할 때 간극이 남지 않게 되는(즉, 2.0 밀의 간극이 0이 되어 예컨대 혼과 앤빌 간의 접촉이 이루어지는) 온도인 Tfinal을 판단한다. 이 온도는 수학식 1을 해결함으로써 얻어진다.
Figure 112007056367019-PCT00003
수학식 1에서, Tfinal은 간극이 소멸하는 온도이고 IG는 시스템이 설정되어 작동하지 않을 때 설정되어 측정된 초기 간극(밀 단위)이고 D는 회전식 혼의 외경이 고 α는 혼 재료의 열팡창계수이다. 알루미늄 혼에 대해 상술한 입력값들을 이용하여 수학식 1을 풀면 작업 동안 혼의 가열에 기초해서 간극이 0이 되는 경우 온도는 78.2 ℃(172.7 ℉)가 된다. 따라서 혼이 78.15 ℃(172.67 ℉)까지 가열되면, 간극은 남지 않게 된다. 따라서 온도에 대한 상한이 있다. 어떤 주어진 시스템에 대한 상한은 회전 시스템인 경우 수학식 1을 이용하여 알아낼 수 있다. 기술 분야의 당업자라면 다른 구조로부터도 유사한 수학식이 도출될 수 있고 간극 소멸을 방지하기 위한 상한 작동 온도가 판단될 수 있음을 이해할 것이다.
혼이 동적 공진 상태에 있을 때 온도를 측정하는 것은 어렵기 때문에, 출원인은 간접적이지만 정확한 온도 측정을 제공하는 대행자를 이용하여 개발했다. 온도를 직접 측정하는 대신 작업 동안 혼의 주파수를 측정함으로써 혼의 주파수가 판단되고, 다음으로 다음의 수학식 2를 이용하여 온도를 판단한다.
λmin = -0.0017*Tfinal + 20.096
수학식 2에서, λmin는 간극이 0이 되기 전에 혼이 작동될 수 있는 최소 주파수이고 선형 수학식의 계수는 실험에 의해 경험적으로 판단되었다. 입력 매개변수에 대해 수학식 2를 풀면, 혼의 주파수가 19,802 Hz로 떨어질 때 간극은 0이 될 것이다. 혼의 주파수는 기술분야의 당업자에 의해 일반적으로 이용되는 표준설비를 이용하여 용이하게 측정될 수 있는 매개변수이기 때문에, 사용자는 수학식 1과 2를 이용하여 제품 손상과 함께 접촉으로 인한 혼 및/또는 앤빌의 손상도 가져올 수 있 는 간극 접근을 막는 회전식 시스템의 최소 작동 주파수를 판단할 수 있다.
수학식 1과 2를 이용함으로써 이제 사용자는 간극을 온도에 관련시키고 온도를 주파수에 관련시키는 능력을 갖게 된다. 따라서 사용자는 간극을 주파수에 관련시킬 수 있다. 일반 작업 동안 재료가 간극(또는 닙) 내에 있는 경우, 간극을 측정하기가 어렵지만, 상술한 원리를 이용하면 간극을 판단하기 위해 주파수가 이용될 수 있다. 혼의 주파수와 혼과 앤빌 사이의 간극 간의 관계는 다음의 수학식 3(주파수의 함수로서 간극에 대해 또는 그 반대로 해결될 수 있다)을 이용하여 판단될 수 있다.
λ = 0.0965*간극 + 19.7925
수학식 3에서, λ은 혼의 주파수이고 간극은 밀(1 밀 = 0.001 인치) 단위로 측정된다. 1 밀의 간극에 대해 수학식 3을 풀면 19.889 ㎐의 주파수가 얻어진다. 이제 주파수의 함수로서 간극 변화를 판단하는 방법이 있음을 주목해야 한다. 이처럼 수학식 1 내지 3에 의해 판단된 정보를 이용함으로써, 혼/앤빌 구조에 인가되는 힘은 혼의 온도와 주파수가 용접 조립 작업 동안 변할 때 작업 간극을 일정하게 유지하도록 제어될 수 있다.
간극을 제어하고 이를 일정 작업 값으로 유지하기 위해 시스템에 인가되는 압력이 제어됨으로써 작업 동안 혼이 가열할 때 혼의 열팽창을 보상한다. 다시 상술한 예를 참조하면, 간극이 1 밀로 저감될 때, 사용자는 시스템이 2 밀의 초기 간극 설정을 유지하거나 복원할 수 있도록 시스템에 작용하는 압력을 저감할 필요가 있다. 따라서 열팽창을 보상하기 위해서 압력은 간극을 2 밀로 복귀시키도록 감소된다.
압력을 적절히 감소시키기 위해, 사용자는 다음 수학식 4에 의해 도시된 바와 같이 압력과 주파수 간의 관계를 판단할 필요가 있다.
Pcompensation = -367.3404*λ + 7412.7731 - Psetpoint
이때, Pcompensation는 시스템 상에서의 압력 감소(psig: pound per sqquare inch gage)이고 λ는 수학식 3에 의해 판단된 주파수이고 Psetpoint는 초기 간극 설정점에서의 압력이다.
예컨대, 사용자는 상기 매개변수들을 이용함으로써 혼이 열팽창으로 인해 1 밀 팽창할 때 2 밀의 초기 간극을 복원하도록 이동하기 위해 필요한 압력 감소를 판단할 수 있다.
예: 간극이 1 밀로 변화되었을 때 필요한 압력 보상값은?
우선, 수학식 3으로부터 1 밀 간극에 대한 주파수를 계산한다(그 값은 위에서 판단된 바와 같이 19.889 ㎐이다.). 다음으로, 이 값들을 수학식 4에 대입하여 산출하면,
Pcompensation = -367.3404(19.889) + 7412.7731 - 72.5
= 106.7399 - 72.5
Pcompensation = 34.24 psig (작업 압력 감소)
압력이 판단된 후, 열팽창을 보상하기 위해 이런 압력 보상시의 간극이 얼마인지가 확인될 수 있다. 이 간극은 초기 간극에 열팽창으로 인한 간극 변화를 더한 값과 대략적으로 동일해야 한다. 입증하기 위해, 우선, 압력과 간극 사이의 관계가 다음 수학식 5에 의해 판단된다.
PCompensation = 35.461*(간극@압력 보상) + 142.205
예컨대, (수학식 4로부터) 34.24 psig(236 kPa)의 압력 보상에서, 사용자는 수학식 5를 재배열하여 간극값을 얻을 수 있다.
갭 @ 압력 보상 = (34.24-142.205)/-35.461 = 3.045 밀
따라서 사용자는 초기 간극이 2.0 밀로 설정되고 간극 변화가 1 밀이기 때문에 모델을 확인할 수 있다. 따라서 작업 동안 혼의 열로 인한 1 밀의 팽창을 보상하기 위해 사용자는 간극을 1 밀만큼 개방함으로써 초기의 2.0 밀 간극을 복원하게 될 것이다.
따라서 작업 매개변수를 판단하기 위해 상술한 수학식을 이용하면(또는 선형 혼이나 그 밖의 구조에 대해 그 등가적인 식을 도출하면), 사용자는 회전식 초음파 용접 과정에서의 작업 한계를 판단할 수 있다. 예컨대, 작업 온도 한계는 수학식 1과 간극 설정점(목표)의 값을 이용하여 확인된다. 초음파 혼의 작업 주파수 한계는 수학식 2을 이용하고 수학식 1로부터 얻은 온도 한계값을 이용하여 확인된다. 간극 변화시의 주파수는 수학식 3을 이용하고 입력값으로서 간극의 값을 이용하여 확인된다. 간극 변화시의 온도는 수학식 2를 이용하지만 수학식 3에서 판단된 주파수 값을 이용하여 확인된다. 간극 변화에 대한 압력 보상은 수학식 4를 이용하지만 수학식 3에서 판단된 주파수 값을 이용하여 확인된다. (주변 온도에서의) 간극 보상시 간극은 수학식 5를 이용하지만 수학식 4에서 판단된 압력 보상값을 이용하여 확인된다.
혼과 앤빌 사이의 간극을 제어할 수 있는 다른 구조가 존재한다. 상술한 바와 같이, 초음파 용접 상황에서 혼은 일반적으로 20,000 내지 40,000 ㎐ 영역에 있는 음향 신호에 의해 구동된다. 도11a는 음파가 혼의 종축을 따라 전파될 때 혼의 표면(1100)을 도시한다. 음파의 전파 방향은 화살표(1102)로 도시된다. 도11a로부터 알 수 있는 바와 같이, 음파가 혼의 종축을 따라 전파됨에 따라 혼의 표면(1100)은 섭동되어 표면에 기립 파형(1104)을 나타낸다. 기립 파형(1104)은 혼 표면에 의해 나타나는 소위 "변위"로 지칭되는 피크-대-피크 진폭을 나타낸다. 피크-대-피크 진폭 또는 표면 변위는 혼을 따라 전파되는 음향 신호의 진폭의 함수이다. 물론, 음향 신호의 진폭은 혼에 결합된 컨버터로 공급되는 전기 신호의 진폭의 함수이다. 따라서 혼의 표면(1100)에 의해 나타나는 변위는 컨버터로 전달되는 전기 신호의 진폭의 함수이다. 통상적으로, 컨버터로 전달되는 전기 신호의 진폭이 클수록 혼을 따라 전파되는 음향 신호의 진폭은 커진며, 음향 신호의 진폭이 클수록 혼의 표면(1100)에 의해 나타나는 변위는 커진다.
도11a에서 알 수 있는 바와 같이, 혼의 표면(1100)과 앤빌(1106) 사이의 간 극은 변위의 함수이다. 혼이 보다 큰 표면 변위를 나타낼수록 혼의 표면과 앤빌 사이의 간극은 감소한다.
추가 설명에 앞서, 도11a와 도11b는 실척으로 도시된 것이 아니며 표면 변위와 같은 일부 특징은 설명의 편의를 위해 과장하여 도시되었음을 지적하고자 한다. (통상의 혼은 예컨대 정상 조건 하에서 작업할 때 대략 2 내지 3 밀의 표면 변위를 나타낼 수 있다.)
논의의 편의상, 도11a에 도시된 표면 변위를 조장하는 전압 신호의 진폭을 진폭1이라 한다. 도11b는 도11a의 혼 표면(1100)을 도시하는데, 이는 진폭2(진폭2는 진폭1보다 작음)의 진폭을 갖는 전압 신호에 의해 조장될 때 나타난다. 도11a와 도11b의 비교를 통해 알 수 있는 바와 같이, 혼의 표면(1100)은 앤빌 쪽으로 그다지 크게 변위되지 않기 때문에 혼의 표면(1100)과 앤빌(1106) 사이의 간극은 혼을 자극하는 전압 신호의 진폭이 감소될 때 커진다.
상술한 바와 같이, 통상의 용접 작업 동안 혼은 예컨대 대략 3 밀의 표면 변위를 나타낸다. 그러나, 표면 변위가 예컨대 33%만큼 감소되더라도 용접 작업은 만족스러운 제품을 산출할 수 있다. 따라서 상술한 예에 따르면, 용접 작업은 2 밀만큼 적은 변위를 나타내는 혼을 이용하여 수행될 수 있다. 따라서 용접 작업은 3 밀의 표면 변위를 조장하기에 충분한 진폭의 전기 신호를 이용하여 개시될 수 있다. 작업 동안, 혼은 열팽창을 겪는데, 이는 혼이 앤빌 쪽으로 팽창함에 따라 혼과 앤빌 사이의 간극이 감소됨을 의미한다. 이런 효과를 상쇄하기 위해 혼을 자극 하는 전기 신호의 진폭은 초기의 3 밀보다 작은 표면 변위를 산출하도록 감쇠됨으로써 사실상 일정한 간극을 유지할 수 있다. 물론, 적절한 제품을 제조하기 위해 적어도 2 밀의 변위를 요구하는 작업 상황에서, 전기 신호는 혼의 표면이 2 밀의 필요 변위보다 적은 변위를 나타낼 정도로 감쇠되어서는 안된다.
도12a에는 혼과 앤빌 사이의 간극을 제어하기 위한 시스템의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 도12a에서 알 수 있는 바와 같이, 시스템은 전원 공급부(1202)로부터 AC 전기 신호를 공급받는 혼(1200)(이는 다시 컨버터와 승압기를 포함한다)을 포함한다. 전원 공급부(1202)는 혼(1200)의 공진 주파수를 간극 판단 모듈(1204)로 전달한다. [상술한 바와 같이, 전원 공급부(1202)는 혼 적층체의 공진 주파수를 검출해서 그 주파수로 혼 적층체를 구동한다.]
간극 판단 모듈(1204)은 상술한 바와 같이 공진 주파수에 기초해서 간극의 길이를 판단한다(또는 간극의 변화를 판단하거나 혼의 길이에 대해 알려진 관계에 있는 임의의 다른 값을 판단할 수 있다). 그 후, 간극 길이(또는 그 변화)는 진폭 판단 모듈(1206)로 공급된다. 응답시, 진폭 판단 모듈은 간극을 사실상 일정하게 유지하기 위해 전원 공급부에 의해 전달될 전기 신호의 적절한 진폭을 확인한다. 진폭은 검색 테이블로부터 검색되거나 계산에 의해 얻어질 수 있다. 이렇게 판단된 진폭은 제어 신호 생성 모듈(1208)로 전달되며, 제어 신호 생성 모듈은 적절한 명령 또는 제어 신호를 생성해서 전원 공급부(1202)가 진폭 판단 모듈(1206)에 의해 선택된 진폭으로 신호의 진폭을 조절하도록 한다.
상술한 바와 같이, 각각의 모듈(1204 내지 1208)은 서로 함께 작동하는 하나 이상의 ASIC와 같은 전용 하드웨어로서 구현될 수 있다. 이와 달리, 모듈(1204 내지 1208)은 메모리에 저장되어 이들과 통신하는 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어/펌웨어로 구현될 수 있다. 펌웨어/소프트웨어로 구현되는 경우, 모듈(1204 내지 1208)을 구성하는 지시들은 설계 선택에 따라 동일 프로세서에 의해 실행되거나 복수의 프로세서에 의해 실행될 수 있다.
도12b에는 혼과 앤빌 사이의 간극을 제어하기 위한 시스템의 다른 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 도12b의 시스템은 (1) 혼 자체의 위치를 제어하고 (2) 혼에 의해 나타나는 표면 변위의 양을 제어함으로써 간극을 조절할 수 있는 두 개의 서로 다른 구조의 장점을 갖고 있다. 도12b에서 알 수 있는 바와 같이, 시스템은 전원 공급부(1212)로부터 AC 전기 신호를 공급받는 혼(1210)(이는 다시 컨버터와 승압기를 포함한다)을 포함한다. 전원 공급부(1212)는 혼(1210)의 공진 주파수를 간극 판단 모듈(1214)로 전달한다. [상술한 바와 같이, 전원 공급부(1212)는 혼 적층체의 공진 주파수를 검출해서 그 주파수로 혼 적층체를 구동한다.]
간극 판단 모듈(1214)은 상술한 바와 같이 공진 주파수에 기초해서 간극의 길이를 판단한다(또는 간극의 변화를 판단하거나 혼의 길이에 대해 알려진 관계에 있는 임의의 다른 값을 판단할 수 있다). 그 후, 간극 길이(또는 그 변화)는 진폭 판단 모듈(1216)과 조절기(1220)로 공급된다. 조절기(1220)는 정도를 변화시켜 탄성 중지부의 변형을 변경함으로써 혼의 위치를 조절하는 도7과 도10에 도시된 조절 시스템과 같이 혼의 위치를 변경할 수 있는 시스템이다. 도12a의 실시예의 경우와 같이, 진폭 판단 모듈(1216)은 간극을 사실상 일정하게 유지하기 위해 전원 공급부 에 의해 전달될 전기 신호의 적절한 진폭을 확인한다. 그러나, 진폭 판단 모듈(1216)은 사실상 일정한 간극을 유지한다는 최종 목적을 달성하기 위해 전원 공급부에 의해 전달되는 AC 신호의 진폭을 조절하고 그리고/또는 위치를 공동으로 조절하도록 조절기(1220)와 함께 작동한다.
예컨대, 일 실시예에 따르면, 진폭 판단 모듈(1216)과 조절기(1220)는 도13에 도시된 방법에 따라 작동한다. 여기에 도시된 바와 같이, 이들 두 모듈(1216, 1220)은 작업(1300)에 도시된 바와 같이 간극 판단 유닛(1214)으로부터 간극 길이 또는 그 변화를 수신한다. 그 후, [조절기(1220)가 변형 가능한 정지부에 대해 혼을 가압하는 힘 인가기를 포함하는 실시예를 가정하면] 진폭 판단 모듈(1216)은 조절기(1220)로부터 인가되는 힘을 받는다[(작업(1302)]. 다음으로, 작업(1304)에 도시된 바와 같이, 힘은 용접 작업을 위해 허용 가능한 힘의 하한값과 비교된다. 힘이 여전히 하한값보다 크다면, 조절기(1220)는 적용을 위해 요구되는 새로운 힘을 판단해서 이에 따라 힘을 조절한다[작업(1306)]. 한편, 힘이 하한값에 도달하면 힘은 더이상 저감되어서는 안되며 제어는 작업(1308)으로 진행해서 표면 변위의 진폭이 그 하한값에 도달했는지 여부가 판단된다. 도달하지 않았다면, 제어는 작업(1310)으로 진행되고 진폭 판단 모듈(1216)은 간극을 사실상 일정하게 유지하기 위해 전원 공급부에 의해 전달될 전기 신호의 적절한 진폭을 확인한다. 진폭 판단 모듈에 의해 판단된 진폭은 제어 신호 생성 모듈(1218)로 전달되며, 제어 신호 생성 모듈은 적절한 명령 또는 제어 신호를 생성해서 전원 공급부(1212)가 진폭 판단 모듈(1216)에 의해 선택된 진폭으로 신호의 진폭을 조절하도록 한다. 한편, 표면 변위의 진폭이 그 하한값에 도달했다면, 제어는 작업(1312)으로 진행하게 되며, 허용 가능한 한계 아래로 가공력을 감소시키거나 허용 가능한 한계 아래로 혼의 표면 변위를 감소시키지 않고 간극이 일정한 길이로 유지될 수 없음을 알리는 경보가 생성된다.
비록 도13의 작업은 진폭 판단 모듈(1216)에 의해 수행되는 것으로 설명되었지만, 작업은 도12b에 도시된 모듈 중 어떤 것에 의해서도 수행될 수 있거나 진폭 판단 모듈(1216) 및 조절기(1220)의 작업을 통합하는데 전용되는 다른 모듈에 의해 수행될 수 있다.
또한, 작업(1302)에서, 조절기(1220)는 도13의 방법을 수행하는 모듈에 혼의 위치를 전달할 수 있다. 그 후, 작업(1304)에서, 혼의 위치는 혼을 앤빌로부터 회수하기 위해 조절기(1220)의 용량을 나타내는 위치 한계값과 비교될 수 있다. 즉, 작업(1304)에서, 조절기(1220)가 그렇게 할 수 있을 때 조절기(1220)가 앤빌로부터 혼을 회수했는지 여부가 판단된다.
다른 실시예에 따르면, 진폭 판단 유닛(1216)과 조절기(1220)는 도14에 도시된 방법에 따라 동작한다. 여기에 도시된 바와 같이, 이들 두 모듈(1216, 1220)은 작업(1400)에 도시된 바와 같이 간극 판단 유닛(1214)으로부터 간극 길이 또는 그 변화를 수신한다. 그 후, [다시 조절기(1220)가 변형 가능한 정지부에 대해 혼을 가압하는 힘 인가기를 포함하는 실시예를 가정하면] 진폭 판단 모듈(1216)은 조절기(1220)로부터 인가되는 힘을 받는다[(작업(1402)]. 다음으로, 작업(1404)에 도시된 바와 같이, 표면 변위의 진폭이 그 하한값에 도달했는지 여부가 판단된다. 도달하지 않았다면, 제어는 작업(1406)으로 진행되고 진폭 판단 모듈(1216)은 간극을 사실상 일정하게 유지하기 위해 전원 공급부(1212)에 의해 전달될 전기 신호의 적절한 진폭을 확인한다. 진폭 판단 모듈에 의해 판단된 진폭은 제어 신호 생성 모듈(1218)로 전달되며, 제어 신호 생성 모듈은 적절한 명령 또는 제어 신호를 생성해서 전원 공급부(1212)가 진폭 판단 모듈(1216)에 의해 선택된 진폭으로 신호의 진폭을 조절하도록 한다. 한편, 혼에 의해 나타나는 표면 변위의 진폭이 하한값에 도달하면 힘은 더이상 저감되어서는 안되며 제어는 작업(1408)으로 진행해서 작업(1402) 동안 수신된 힘값이 용접 작업을 위해 허용 가능한 힘의 하한값에 있는지 여부가 판단된다. 힘이 여전히 하한값보다 크다면, 조절기(1220)는 적용을 위해 요구되는 새로운 힘을 판단해서 이에 따라 힘을 조절한다[작업(1410)]. 한편, 힘이 하한값에 도달하면, 제어는 작업(1412)으로 진행해서 허용 가능한 한계 아래로 가공력을 감소시키거나 허용 가능한 한계 아래로 혼의 표면 변위를 감소시키지 않고 간극이 일정한 길이로 유지될 수 없음을 알리는 경보가 생성된다.
비록 도14의 작업은 진폭 판단 모듈(1216)에 의해 수행되는 것으로 설명되었지만, 작업은 도12b에 도시된 모듈 중 어떤 것에 의해서도 수행될 수 있거나 진폭 판단 모듈(1216)과 조절기(1220)의 작업을 통합하는데 전용되는 다른 모듈에 의해 수행될 수 있다.
또한, 작업(1402)에서, 조절기(1220)는 도14의 방법을 수행하는 모듈에 혼의 위치를 전달할 수 있다. 그 후, 작업(1408)에서, 혼의 위치는 혼을 앤빌로부터 회수하기 위해 조절기(1220)의 용량을 나타내는 위치 한계값과 비교될 수 있다. 즉, 작업(1408)에서, 조절기(1220)가 그렇게 할 수 있을 때 조절기(1220)가 앤빌로부터 혼을 회수했는지 여부가 판단된다.
기술 분야의 당업자라면 초음파 용접 시스템을 제어하는 상술한 과정을 읽고 이해하여 시스템에 대한 간극 제어가 혼의 작업 주파수를 측정하고 간극을 제어하는 예컨대 압력과 같은 힘을 조절함으로써 달성될 수 있음을 알게 될 것이다. 특정한 수학식들은 선형 및 회전형 혼을 포함한 모든 가능한 혼 구조에 대해 경험적으로 도출 또는 판단될 수 있다.
상술한 다양한 실시예들을 단지 설명을 위해 제공된 것이며 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 기술 분야의 당업자라면 본 명세서에서 예시되고 설명된 실시예와 응용을 따르지 않고 다음의 청구범위에 의해 제시되는 본 발명의 진정한 정신과 범위에서 벗어나지 않은 본 발명에 대해 이루어질 수 있는 다양한 개조와 변경을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (23)

  1. 진동체의 일부가 강성 장착 시스템에 의해 기준에서 소정 거리만큼 이격되어 고정된 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법에 있어서,
    진동체의 공진 주파수를 수신하는 단계와,
    공진 주파수에 기초해서 간극의 적절한 길이 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  2. 제1항에 있어서, 진동체는 복합물인 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  3. 제2항에 있어서, 복합물 진동체는 컨버터, 승압기 및 초음파 혼을 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  4. 제1항에 있어서, 간극의 적절한 길이 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양을 판단하는 단계는 공진 주파수에 대응하는 간극 길이를 얻기 위해 테이블에 접근하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  5. 제1항에 있어서, 간극의 적절한 길이 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양을 판단하는 단계는,
    공진 주파수에 걸쳐진 주파수들에 대응하는 제1 및 제2 양을 얻기 위해 테이블에 접근하는 단계와,
    적절한 간극 길이를 얻기 위해 제1 및 제2 간극양 사이를 보간하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  6. 제1항에 있어서, 간극의 적절한 길이 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양을 판단하는 단계는 진동체의 공진 주파수와 재료적 특징의 함수로서 진동체의 길이를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  7. 제6항에 있어서, 재료적 특징은 진동체의 밀도를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  8. 제6항에 있어서, 재료적 특징은 진동체의 탄성계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  9. 제1항에 있어서, 진동체의 공진 주파수를 검출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  10. 제1항에 있어서, 간극 길이를 사실상 일정하게 유지하기 위해 진동체의 고정된 부분과 기준 사이의 소정 거리를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  11. 제1항에 있어서, 진동체의 공진 주파수를 기초로 진동체의 고정된 부분과 기준 사이의 소정 거리를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  12. 제11항에 있어서, 진동체의 고정된 부분과 기준 사이의 소정 거리는 진동체의 공진 주파수로부터 발현된 제어 신호에 기초하여 조절되는 것을 특징으로 하는 진동체 및 기준 간의 간극 점검 방법.
  13. 작업물에 초음파 에너지를 인가하기 위한 시스템에 있어서,
    혼 적층체와,
    혼 적층체가 장착되는 장착 시스템과,
    혼 적층체에 결합되는 에너지원과,
    작업물을 지지하기 위한 표면을 갖는 앤빌과,
    혼 적층체의 공진 주파수를 수신하고 혼 적층체와 앤빌 사이의 간극 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양을 판단하도록 구성되는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 혼 적층체는 컨버터, 승압기 및 혼을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 장착 시스템은 사실상 혼 적층체의 결절점에서 혼 적층체와 결합되는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 혼 적층체는 혼이 회전하는 중심인 종축을 가지며 종축은 앤빌의 지지면에 사실상 평행한 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 혼 적층체는 종축을 가지며 종축은 앤빌의 지지면에 사실상 수직한 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  18. 제13항에 있어서, 시스템의 작업 동안 컨버터와 승압기를 냉각시키기 위한 냉각 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 냉각 시스템은 시스템의 작업 동안 컨버터와 승압기의 현저한 열팽창을 방지하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  20. 제13항에 있어서, 시스템의 작업 동안 혼 적층체와 앤빌 사이의 사실상 일정 한 간극을 유지하기 위해 혼 적층체에 결합되어 혼 적층체의 위치를 조절하기 위한 위치 조절 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  21. 제13항에 있어서, 혼 적층체에 결합되어 혼의 공진 주파수를 기초로 혼 적층체의 위치를 조절하기 위한 위치 조절 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  22. 제13항에 있어서, 혼 적층체에 결합되어 혼의 공진 주파수로부터 생성되는 제어 신호를 기초로 혼 적층체의 위치를 조절하기 위한 위치 조절 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
  23. 작업물에 초음파 에너지를 인가하기 위한 시스템에 있어서,
    혼 적층체와,
    혼 적층체가 장착되는 장착 시스템과,
    혼 적층체에 결합된 에너지원과,
    작업물을 지지하기 위한 표면을 갖는 앤빌과,
    혼 적층체와 앤빌 사이의 간극 변화에 대해 알려진 관계에 있는 양을 판단하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 에너지 인가 시스템.
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