階梯式超聲波模具

　　　用PRO- E 軟件對(duì)變幅桿的頻率分析，首先根據(jù)變幅桿的尺寸用PRO- E 三維軟件繪出變幅桿的三維模型。其次用頻率分析工具對(duì)變幅桿作頻率分析，輸入 低頻率值為20000 Hz，材料為2A01 以及材料的彈性模量為0.7×105 MPa, 為0.3。 后得出分析結(jié)果如圖4 所示，變幅桿輸出端振動(dòng)頻率為20544 Hz，和 初給出的頻率值20 kHz 相差不大，因此可以符合設(shè)計(jì)的要求。

超聲波換能器的選型：

　　超聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率（即超聲波）再傳遞出去，而它自身消耗掉很少的一部分功率（小于10%）。所以，使用超聲波換能器 應(yīng)考慮的問題就是與輸入輸出端的匹配，其次是機(jī)械安裝和配合尺寸。市面上超聲波機(jī)械種類繁多，客戶必須提供準(zhǔn)確可靠的指標(biāo)，才能保證公司提供的超聲波換能器產(chǎn)品能與貴公司的超聲波機(jī)器良好匹配，發(fā)揮 佳性能。

超聲波換能器，超聲波振動(dòng)子

超聲波換能器、超聲波振動(dòng)子選型需要注意以下幾個(gè)參數(shù)問題：

① 諧振頻率： f, 單位： KHz

　　該頻率是指用頻率發(fā)生器，毫伏表等通過傳輸線路法測(cè)得的頻率，或用阻抗特性分析儀等類似儀器測(cè)得的頻率。一般通稱小信號(hào)頻率。與它相對(duì)的是上機(jī)頻率，即客戶將換能器通過電纜連到驅(qū)動(dòng)電源上，通電后空載或有載時(shí)測(cè)得的實(shí)際工作頻率。因客戶的匹配電路各不相同，同樣的換能器配不同的驅(qū)動(dòng)電源表現(xiàn)出來的頻率是不同的，這樣的頻率不能作為訂貨依據(jù)。

② 換能器電容量： CT ，單位：PF

　　即換能器自由電容，一般可用電容電橋在400Hz-1000Hz的頻率下測(cè)得，也可用阻抗特性分析儀類似儀器。再簡(jiǎn)單點(diǎn)，用一般的便攜式電容表測(cè)量也可滿足要求。

③ 換能器工作方式

　　因加工方式和要求不同，換能器的工作方式大致可分為連續(xù)工作（花邊機(jī)，CD套機(jī)，拉鏈機(jī)，金屬焊接等）和脈沖式工作（如塑焊機(jī)），不同的工作方式對(duì)換能器的要求是不同的。一般而言，連續(xù)式工作幾乎沒有停頓時(shí)間，但工作電流不是很大，脈沖工作是間歇式的，有停頓，但瞬間電流很大。平均而言，兩種狀態(tài)的功率都很大的。

④ 換能器型式和 大功率

　　整機(jī)廠家可能對(duì)于不同用途和目的的機(jī)器的標(biāo)稱功率有不同的規(guī)定，換句話說，同樣的換能器用在不同的機(jī)器上標(biāo)稱功率可能是不同的。為避免產(chǎn)生岐義，客戶應(yīng)詳細(xì)說明換能器的結(jié)構(gòu)型式，如柱型、倒喇叭型等，及壓電陶瓷晶片的直徑和片數(shù)。

⑤ 安裝和配合尺寸

　　主要有超聲波變幅桿材質(zhì)，表面處理方式，形狀。超聲波換能器與超聲波變幅桿連接螺紋，超聲波變幅桿與超聲波模具連接螺紋，超聲波變幅桿法蘭盤處直徑、厚度、缺口或螺孔數(shù)量和位置。

超聲波換能器原理與設(shè)計(jì)（超聲波振動(dòng)系統(tǒng)）匹配

　　摘要：就塑料焊接機(jī)的超聲波換能器系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，并用PRO- E 三維軟件繪出三維模型， 后進(jìn)行頻率分析，為超聲波換能系統(tǒng)提供了有用的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：超聲波換能器，超聲波振子，超音波振動(dòng)子，超聲波振動(dòng)系統(tǒng)

　　當(dāng)代社會(huì)，塑料的各種制品已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的加工工藝，已不能適應(yīng)現(xiàn)代塑料工業(yè)的發(fā)展需要。超聲波塑料焊接機(jī)在焊接塑料制品時(shí)，既不要填加任何粘接劑、填料或溶劑，也不消耗大量熱源，具有操作簡(jiǎn)便、焊接速度快、焊接強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲波焊接技術(shù)越來越廣泛地獲得應(yīng)用。超聲換能系統(tǒng)通常包括超聲波換能器和超聲波變幅桿，是進(jìn)行超聲焊接加工的基礎(chǔ)組件，而良好的超聲換能器是保證超聲焊接加工的前提條件。

超聲波換能器的設(shè)計(jì)

　　超音波塑料焊接機(jī)工作時(shí)，加工塑料工件需要的是高頻率的縱向振動(dòng)，使得工件的上下模上下高頻振動(dòng)熔化焊接層，得到焊接效果。因此選擇換能器的種類，是縱向復(fù)合式換能器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，示意圖如圖2 所示。首尾兩塊是金屬蓋板；中間是壓電陶瓷晶堆，一般是縱向極化的帶圓孔片或圓管，也可以是徑向極化的圓管；一根應(yīng)力螺桿將這3 部分緊緊壓牢。

超聲波焊接頭的設(shè)計(jì)

　　超聲波塑料焊接機(jī)工作時(shí)，工具頭作用在工件上的力大概為30～50 N，因此作用力并不大，屬于中等強(qiáng)度受力的工作情況，從而可以選擇型號(hào)為2A01 的硬鋁作為制造材料。要使工具頭能正常工作，則工具頭和變幅桿輸出端相聯(lián)的部分就要匹配。匹配指的是變幅桿輸出端和工具頭輸入端之間的阻抗匹配。因此要求在諧振頻率上在他們的接合面上，變幅桿的輸出阻抗等于工具頭的輸入阻抗。根據(jù)前面涉及到的知識(shí)，兩者阻抗相等只需要它們的橫截面積相等。

超聲波焊頭圖紙

　　　用PRO- E 軟件對(duì)超聲波焊頭頭的頻率分析，首先根據(jù)焊頭頭的尺寸用PRO- E 三維軟件繪出工具頭的三維模型。其次對(duì)工具頭作頻率分析，輸入 低頻率值為20 kHz，材料為2A01 以及材料的彈性模量為0.7×105 MPa，0.3。得出的頻率分析圖

超聲波焊頭檢測(cè)

　　　可以看出，焊頭頭小端面部分也就是圖中上部區(qū)域的共振頻率為20021 Hz，與 初給出的超聲波的頻率20 kHz 相差不大，因此工具頭的設(shè)計(jì)可以滿足設(shè)計(jì)要求，工作時(shí)能夠和換能器經(jīng)過變幅桿傳到焊頭頭輸入端的振動(dòng)產(chǎn)生共振。

超聲波焊頭頻率分析

　　　根據(jù)任意變截面的振動(dòng)方程，在振子各部分的坐標(biāo)和邊界條件已知的情況下，解出振動(dòng)方程的通解， 后圍繞通解和超聲波換能器各部分邊界條件，得出頻率方程、振速和應(yīng)力分布方程，結(jié)合作為壓電效應(yīng)陶瓷材料的特性等一系列知識(shí)，設(shè)計(jì)出超聲換能器。根據(jù)超聲塑料焊接機(jī)的工作情況，選擇變幅桿類型；按照振幅放大系數(shù)，波的功率和振幅大小的關(guān)系，得出變幅桿截面面積的大小；根據(jù)振速方程的通解和變幅桿的便捷條件，算出變幅桿各部分的應(yīng)力和振速分布。根據(jù)頻率方程和強(qiáng)度條件，設(shè)計(jì)出了超聲塑料焊接機(jī)的焊頭。

超聲波換能器參數(shù)測(cè)試

　　通過一系列知識(shí)設(shè)計(jì)和計(jì)算， 后確定超聲換能器、變幅桿和工具頭的各部分尺寸，并通過PRO- E 軟件對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，驗(yàn)證其滿足設(shè)計(jì)要求。從而完成了超聲波塑料焊接機(jī)的振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為超聲振動(dòng)系統(tǒng)提供了有用的設(shè)計(jì)步驟和方法。