ANSYS参数优化和概率设计在超声波焊接工装上的应用.docxVIP

摘要：超声波技术已经广泛应用于金属、塑料焊接工艺中。焊接工装（Horn），因其对构造动力学方面的高性能规定，传统的仿造、修模设计办法已不能适应塑料产品多变的规定。本文从超声波塑料焊接的原理入手，通过有限元法进行固有频率和模态分析，设计新型工装，满足有效传递和均匀分派振动能量的功效规定。在设计过程中结合ANSYS的参数化建模、全因子实验设计优化（DOE）和概率设计系统（PDS）模块，进行参数设计和强健性设计，调节几何尺寸，使得工装的固有频率和超声波频率匹配，对应的模态在工作面振幅均匀，减少了局部构造应力集中的问题，同时对材料和环境的参数变化有较好的适应性。所设计的工装一次加工完毕投入使用，避免了重复修整工装所带来的时间和成本上的浪费。

核心词：实验设计、参数优化、强健性设计、超声波塑料焊接

前言

随着超声波技术的发展，其应用越来越广泛，能够用来清洗微小脏污颗粒，也能够用于金属或塑料的焊接。特别是现在的塑料制品，大多采用超声波焊接，由于省去了螺钉构造，能够使得外观更完美，并且尚有防水防尘的功效。其中塑料焊接工装（Horn）的设计对最后焊接质量和生产能力有着重要的影响。在新型电表的生产中也是使用超声波将上下两个面壳融合到一起，但是在使用过程中发现，有的工装安装到机器上使用很短一段时间就发生开裂等失效，有的工装焊接产品的缺点率较高。多种故障对生产造成了相称严重的影响。根据理解，是由于设备供应商对工装的设计能力有限，往往是通过重复修模来达成设计指标。因此我们有必要运用本身的技术优势开发耐用的工装以及一套合理的设计办法。

超声波塑料焊接原理

超声波塑料焊接是运用了热塑性塑料在高频受迫振动时，焊接面互相摩擦产生局部高温融化结合的一种加工办法。为了达成良好的超声波焊接效果，需要设备、物料和工艺参数等几方面的配合。下列简朴介绍其原理。

超声波塑料焊接系统

图一是焊接系统的示意图。电能通过信号发生器和功放，产生超声频率（20kHz）的交变电信号，加到换能器上（压电陶瓷）。通过换能器，电能变为机械振动的能量，机械振动的振幅由变幅器调节至适宜的工作振幅，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，摩擦生热造成局部高温融化，冷却后物料结合到一起，实现焊接。

图一：超声波塑料焊接系统示意图

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构造，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节振幅是设计的要点。

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，其重要功效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，所用的材料普通是优质铝合金甚至钛合金。由于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，如何优化这些局部构造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，焊接工装的设计相称重要。国内有不少超声波设备供应商自行生产焊接工装，但是他们中有相称一部分是仿制已有，然后不停的修整工装、测试，通过这种重复调节的办法达成工装与设备频率协调的目的。本文通过有限元办法，在设计工装时就能把频率拟定，制造出来的工装测试成果与设计频率误差但是1％。同时，本文引入DFSS（DesignForSixSigma）的理念，对工装进行优化和强健设计。6-Sigma设计的理念是在设计过程中充足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，确保最后产品的质量分布在合理的水平内。设计流程如图二所示，从制订设计指标开始，首先根据已有经验初步设计工装的构造和外型尺寸，在ANSYS中建立参数化模型，然后通过仿真实验设计（DOE）办法拟定模型中的重要参数，根据强健规定，拟定数值，接着对其它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，满足制造成本的规定。最后是制造、测试检查理论设计和实际的误差，满足设计指标即交付使用。下列逐步进行具体介绍。

图二：设计流程图

几何外型设计（建立参数化模型）

设计焊接工装首先是拟定其大致的几何外型和构造，并建立参数化模型，方便进行后继分析。图三a）是最为常见焊接工装的设计，在一种近似长方体的材料上沿振动方向豁开若干个U型槽。整体尺寸是X、Y、Z三个方