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超声波焊接模具的设计原理
时间:2018-09-21
  
  根据超声波塑料焊接系统的原理设备更合理:
 
  那超声波塑料焊接是电能通过信号发生器与功放,产生超声频率的交变电信号,经过换能器,电能变为机械式振动的能量,然后通过焊接工具头,均匀地传递到接触的物料上。两个焊接物料的接触面受到了高频被迫振动,摩擦生热导致局部高温地融化,再冷却后使物料结合到一起,达到了焊接目的。
模具设计
  在超声波发生器的电路部分,包括了功放电路,它的频率稳定性与驱动能力会影响到设备的性能。物料如果是热塑性塑料,那么结合面的设计需要考虑如何快速产生热能与对接是否良好。换能器、变幅器与工具头在工程师眼里是看成机械结构,这样可以分析其振动的耦合。在塑料焊接情况下,机械振动会以纵波的形式来传递,如何有效传递能量和调整振幅是工程师需要考虑设计的要点。
 
  超声波模具是超声波焊接机与物料的接触主要部分,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7075进口铝材。塑料物料的设计根据外型的不同来设计,焊接工具头也会变化。工作面的形状与物料配合好,这样的情况下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。
模具设计
  超声波焊接模具的设计特别地重要。通过元方法在设计工装时就能够把频率确定,制造出来的工装测试结果与设计频率误差不能超过1%。同时引入DFSS(Design For Six Sigma)的理论,对工装进行优化设计。6-Sigma设计的理念是根据设计过程中充分收集用户心声来进行针对性的设计;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。从制定设计指标开始,根据已有经验初步设计工装的结构与外型尺寸,在ANSYS中建立参数化模型,然后通过仿真来实验设计(DOE)方法确定模型中的重要参数,确定了数值后对其它参数用子问题法进行寻找更好的方法。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。
 
  先是确定大致的几何外型和结构设计来制定超声波模具,建立参数化的模型,是为了方便进行后继分析。最为常见焊接工装的设计,是一个近似长方体的材料上沿振动方向豁开若干个U型槽。它的整体尺寸是X、Y、Z三个方向的长度,一般情况下是横向尺寸X和Y与被焊接工件的大小相当。Z的长度等于超声波的半波长,在经典的振动理论里面,长条型物体的一阶轴向频率是由它的长度确定的,半波长度刚好与声波频率来匹配,这样的设计一直被大部分超声波焊接模具工程采用,有利于声波的传播。U型槽的设计思维是减少工装横向振动的损耗,它的位置、大小与个数是根据工装整体尺寸来确定。这样情况能够自由调控的参数比较少,因此我们在此基础上做了改进。图三b)是新设计的工装,比传统设计多了一个尺寸参数:外弧半径R。另外,在工装的工作面雕刻出凹槽与塑料工件表面配合,有利于传递振动能量和保护工件表明不受到伤害。对此模型在ANSYS中进行常规的参数化建模,然后进行下一步实验设计。
 
  DFSS是为了解决实际的工程问题而产生,不是为了追求完美是为了有效与健壮设计。它体现了6-Sigma的思维,抓住了主要的矛盾,放弃了“99.97%”以外的,同时要求设计对环境变异有相当的抵抗能力。在做目标参数优化前必须是先进行筛选,挑出对结构有重要影响的尺寸,根据健壮性原理来确定它们的数值。
 
  设计参数是工装外型和U型槽的尺寸位置等等一共有8个。目标参数是一阶轴向振动频率,它对焊接影响最大,而最大集中应力和工作面振幅差异作为状态变量来限制。根据已有经验,假设参数对结果的影响是线性的,因此每个因素只设置高、低两个水平。参数和对应的名字列表如下:
 
  使用前面建立的参数化模型在ANSYS中进行DOE。因为是软件的限制,全因子DOE最多只能使用7个参数,但是模型有8个参数,而且ANSYS本身对DOE结果的分析没有专业的6-sigma软件那么全面,不能处理交互作用。因此,我们利用APDL编写DOE循环计算并提取计算结果的程序,然后将这些数据放到Minitab里面进行分析。
 
  Minitab的DOE分析,包含主影响因素分析和交互作用分析。主影响因素分析用于判断哪个设计变量的变化对目标变量影响较大,由此指出哪些是重要的设计变量。然后分析因素间的交互影响,目的是确定因素的水平,使得设计变量之间的耦合程度减少。比较某个设计因素分别在高、低水平时,其他因素变化程度的大小。根据独立公理,最优设计是互不耦合的,因此选择变化程度较小的那个水平。
 
  焊接工装的分析结果是:重要设计参数是工装外弧半径和开槽宽度。两个参数的水平都是“高”较好,即半径取DOE中偏大的值,槽宽也取偏大的值。确定了重要参数和他们的数值,然后用其他几个参数在ANSYS中做设计优化,以调整工装频率匹配焊接机的工作频率。
 
  设计优化的参数设置和DOE的类似,不同的是其中2个重要参数的数值已经确定,另外有3个参数和材料属性相关,视为噪音,不能作优化。剩下3个可以调整的参数是开槽的轴向位置,长度和工装宽度。优化采用ANSYS中的子问题逼近法,这是一种在工程问题中广泛应用的方法,具体过程省略。
 
  值得注意的是用频率作为目标变量,在操作上需要使用一点技巧。因为设计参数较多,变化范围宽,工装的振动模态在感兴趣的频率范围内有很多个。如果直接使用模态分析的结果,从中找出一阶轴向模态比较困难,因为参数变化时可能发生模态顺序交错的现象,即原先模态对应的固有频率序数会发生变化。因此本文采用先进行模态分析,然后用模态叠加法得出频响曲线,通过找频响曲线的峰值可以确保对应的是需要的模态频率。这在自动优化过程中非常重要,免除了人工判断模态的步骤。
 
  优化完成后可以使工装的设计工作频率十分接近目标频率,误差小于优化时指定的公差值。工装设计基本确定,接下来是为生产设计制造公差。
 
  一般的结构设计在确定全部设计参数后即告完成,但是对于工程问题,尤其是考虑到批量制造的成本时,公差设计必不可少。低精度的成本也降低,但是能否满足设计指标需要利用统计特性进行定量计算。ANSYS中的PDS概率设计系统能够较好地完成设计参数公差和目标参数公差关系的分析,并能产生完整的相关报告文件。
 
  按照DFSS的思路,应该对重要设计参数进行公差扩展分析,其他一般公差按照经验确定即可。本文的情况较为特殊,因为按照机械加工的能力,几何设计参数的制造公差非常小,对最终工装频率几乎没有影响;而原材料的参数却因供应商而有较大的差异,同时原材料的价格占工装加工费用的80%以上。所以需要对材料属性设定一个合理的公差范围。这里相关的材料属性是密度,弹性模量和声波传播速度。
 
  公差分析采用ANSYS中的随机Monte Carlo 仿真,抽样选择Latin Hypercube方法,因为它能够使抽样点的分布比较均匀合理,通过较少的点数获得较好的相关,本文设为30个点。假设3个材料参数的公差都按Gauss分布,初步给定一个上下限,然后在ANSYS中进行计算。
  通过PDS的计算,给出了30个抽样点对应的目标变量值,如图五所示。目标变量的分布是未知的,再次使用Minitab软件进行参数拟合,确认频率基本还是按照正态分布的,这样可以保证公差分析在统计理论上的正确性。
 
  PDS计算给出了一条从设计变量到目标变量公差扩张的拟合公式: y是目标变量,x是设计变量,c是相关系数,i是变量序号。这样可以将目标公差分配到各个设计变量中,完成公差设计的任务。
 
  前面进行的是整个焊接工装的设计过程,完成后按照设计允许的材料公差采购原材料,然后交付制造。制造完成后进行频率、模态测试,采用的测试方法是最简单有效捶击测试法。因为最关心的指标一阶轴向模态频率,所以将加速度传感器贴在工作面上,沿轴向敲击另一端,通过谱分析可以得到工装的实际频率。设计的仿真结果是14925 Hz,测试结果是14954 Hz,频率分辨率是16 Hz,最大误差不超过1%。由此可见有限元仿真在进行模态计算时的准确性非常高。
 
  超声波模具在通过实验测试后投入生产装配到超声波焊接机上使用后反应情况良好,使用半年多时间以来生产效率稳定,焊接合格率高,已经超过了一般设备商承诺的3个月使用寿命。由此说明设计是成功的,而且制造过程没有反复修改、调整,这样可以节省了大量时间和人力物力。
 
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