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超声波塑料焊接系统

整理发布:明和超声波发布时间:2013-04-16 09:25:53

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超声波塑料焊接系统 
 
 电能通过信号发生器和功放,产生超声频率(> 20 kHz)的交变电信号,加到换能器上(压电陶瓷)。经过换能器,电能变为机械振动的能量,机械振动的振幅由变幅器调整至合适的工作振幅,然后通过工具头(焊接工装),均匀地传递到与之接触的物料上。两个焊接物料的接触面做高频受迫振动,摩擦生热导致局部高温融化,冷却后物料结合到一起,实现焊接。 超声波焊接机
 
 
在焊接系统中,信号源是电路部分,包含功放电路,其频率稳定性和驱动能力会影响到机器的性能。物料是热塑性塑料,结合面的设计需要考虑如何快速产生热能和对接良好。换能器、变幅器和工具头都可看作机械结构,便于分析其振动的耦合。在塑料焊接中,机械振动是以纵波的形式传递的,如何有效传递能量和调整振幅是设计的要点。 
 
 
 工具头(焊接工装) 
 
工具头作为超声波焊接机和物料的接触界面,其主要功能是将由变幅器输出的纵向机械振动均匀有效地传递到物料上,所用的材料通常是优质铝合金甚至钛合金。因为塑料物料的设计变化多,外型千差万别,工具头也要随之而变化。工作面的形状要与物料配合良好,在振动时才不至于损伤塑料表明;同时其一阶纵向振动固由频率要与焊接机的输出频率协调,否则振动能量会被内耗掉。工具头在振动时,局部会产生应力集中,如何优化这些局部结构也是设计时需要考虑的问题。本文就如何应用ANSYS设计工具头,优化设计参数和制造公差进行探讨。 
 
 
  焊接工装的设计 
 
如前所述,焊接工装的设计相当重要。国内有不少超声波设备供应商自行生产焊接工装,但是他们中有相当一部分是仿制已有,然后不断的修整工装、测试,通过这种反复调整的方法达到工装与设备频率协调的目的。本文通过有限元方法,在设计工装时就能把频率确定,制造出来的工装测试结果与设计频率误差不过1%。同时,本文引入DFSS(Design For Six Sigma)的理念,对工装进行优化和健壮设计。6-Sigma设计的理念是在设计过程中充分收集客户心声进行针对性的设计;并且预先考虑生产过程可能出现的偏差,保证最终产品的质量分布在合理的水平内。设计流程如图二所示,从制定设计指标开始,首先根据已有经验初步设计工装的结构和外型尺寸,在ANSYS中建立参数化模型,然后通过仿真实验设计(DOE)方法确定模型中的重要参数,根据健壮要求,确定数值,接着对其他参数用子问题法进行寻优。考虑到工装在制造和使用过程中材料、环境参数的影响,还对其进行了公差设计,满足制造成本的要求。最后是制造、测试检验理论设计和实际的误差,满足设计指标即交付使用。以下逐步进行详细介绍。 
 
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