用有限元模拟声场环境设计超声波模具

超声波焊接机模具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。

   设计焊接工装首先是确定其大致的几何外型和结构，并建立参数化模型，以便进行后继分析。）是最为常见焊接工装的设计，在一个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三个方向的长度，通常横向尺寸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，因为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，半波长度正好与声波频率匹配，这种设计一直被延用，有利与声波的传播。U型槽的目的是减少工装横向振动的损耗，位置、大小和个数根据工装整体尺寸确定。可见在这种设计中，可以自由调控的参数较少，因此必勒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。

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，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。