CN111006755B - 用于超声波焊头机械振动的静态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，检测方法包括：（ⅰ）连接装置，检测参数；（ⅱ）超声振动参数判定，并根据判定结果对振动系统进行调整；（ⅲ）复核检测。本发明提供了一种用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，可在机械振动系统的非工作状态下进行检测，在振动测试过程中无需启动由换能器、变幅杆及焊头组成的超声振动系统，也无需对超声振动系统进行外部激励，即可对焊头的固有频率、系统阻抗、品质因数等关键参数进行检测，避免传统加速度传感器测试方法对系统参数的影响，实现系统的静态参数测量。

Description

用于超声波焊头机械振动的静态检测方法

技术领域

本发明属于机械振动参数检测领域，具体涉及一种用于超声波焊头机械振动的静态检测方法。

背景技术

超声波金属焊接是一种快速、清洁和经济的焊接技术，被广泛应用于各种自动化行业。它是介于冷压焊接和摩擦焊接之间的一种工艺，利用高频机械振动产生的高密度能量进行焊接。超声波发生器是一个变频装置，它将工频电流转变为超声波频率(16～80KHz)的振荡电流，换能器则利用逆压电效应转换成弹性机械能，变幅杆用来放大振幅，并通过焊头传递到工件。换能器、变幅杆、焊头及夹持机构共同组成一个振动系统。该振动系统中各构件的固有频率需按同一频率(16～80KHz)设计。当发生器的振荡电流频率与振动系统固有频率一致或者接近时，系统即产生了共振或亚共振并向工件传递弹性振动能。当工件在压力及弹性振动能量的共同作用下，将弹性振动能量转变成为工件间的摩擦功、形变能和热能，就会在短时间内(0.1～1s)实现工件间的焊接。

根据机械振动原理，为保证焊接效果和振动参数可控性，焊头应工作在亚共振区。但是焊头实际的振动参数很难实现在线检测，在其振动工作参数发生变化时，不但严重影响焊接效果，更可能导致焊头开裂、变幅杆变形、或换能器烧毁等设备损坏。一套合理可行的焊头机械振动参数检测方法显得尤为重要。公知技术中对振动机械设备进行振动参数检测时，多采用加速度传感器连接振动测试系统进行在线检测。在测试过程中加速度传感器需吸附在振动零部件上，且需在设备运行条件下或在施加外部激励条件下进行。但对于超声振动系统而言，焊头尺寸和质量通常较小，如果将加速度传感器吸附在焊头上进行在线检测，传感器对焊头的附加质量将严重影响测试结果，产生较大的测试偏差。另外，加速度传感器在线检测将影响焊头的振动参数，影响焊头能量输出，进而影响焊接质量。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种用于超声波焊头机械振动的静态检测装置及检测方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，包括以下步骤：

（ⅰ）连接装置，检测参数

将阻抗测试仪与超声振动系统的换能器接线进行连接，使用阻抗测试仪检测超声振动系统的超声振动参数；

所述超声振动参数包括系统阻抗值、固有频率及品质因数；

（ⅱ）超声振动参数判定

若超声振动参数检测值正常，则进行焊接操作；

若阻抗值偏高，则通过调整超声振动系统中变幅杆上的固定挡圈的方法对系统阻抗值进行调整；

若固有频率不在规定数值范围内，则更换换能器或者重新加工振动传导零部件；

（ⅲ）复核检测

重新检测步骤（ⅱ）超声振动系统的超声振动参数，参数落入允许范围内则进行焊接操作，否则重复步骤（ⅱ）操作。

在上述技术方案中，所述调整超声振动系统中变幅杆上的固定挡圈的方法包括：（ⅰ）更换不同材料的固定挡圈；（ⅱ）调整固定挡圈的安装松紧程度。

在上述技术方案中，所述固定挡圈的材料为铝合金管或橡胶材料。

在上述技术方案中，所述调整固定挡圈的安装松紧程度包括调整固定挡圈的结构尺寸和调整压紧固定挡圈的锁紧力大小。

在上述技术方案中，所述振动传导零部件包括变幅杆和焊头。

在上述技术方案中，所述重新加工振动传导零部件的方法包括：首次采用有限单元分析法重新调整振动传导零部件的设计尺寸，根据设计尺寸重新加工，然后采用阻抗测试仪检测重新加工完成的振动传导零部件的振动参数。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，可在机械振动系统的非工作状态下进行检测，在振动测试过程中无需启动由换能器、变幅杆及焊头组成的超声振动系统，也无需对超声振动系统进行外部激励，即可对焊头的固有频率、系统阻抗、品质因数等关键参数进行检测，避免传统加速度传感器测试方法对系统参数的影响，实现系统的静态参数测量。

附图说明

图1是本发明用于超声波焊头机械振动的静态检测方法中装置的连接关系示意图；

图2是本发明检测的超声振动系统的结构示意图。

其中：

1 阻抗测试仪

2 连接线

3 超声振动系统

31 焊头

32 变幅杆

33 换能器

34 固定机构

341 前端轴承端盖 342 轴承基座

343 前端压块 344 后端压块

345 后端轴承端盖

35 固定挡圈。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明用于超声波焊头机械振动的静态检测装置及检测方法的技术方案。

如图2所示，本发明检测的对象超声振动系统3包括依次连接的焊头31、变幅杆32和换能器33，变幅杆32为阶梯柱结构，中间形成凸环，凸环朝向换能器33的一侧设置固定挡圈35；变幅杆32外部设置前端压块343和后端压块344，两者通过螺栓连接；前端压块343和后端压块344外部套设轴承基座342，轴承基座342的两端分别设置前端轴承端盖341和后端轴承端盖345。前端压块343和后端压块344将固定挡圈35固定于其安装位。

一种用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，包括以下步骤：

（ⅰ）连接装置，检测参数

如图1所示，将阻抗测试仪1与超声振动系统3的换能器33接线进行连接，使用阻抗测试仪1检测超声振动系统3的超声振动参数；

所述超声振动参数包括系统阻抗值、固有频率及品质因数；

（ⅱ）超声振动参数判定

a. 若超声振动参数检测值正常，则进行焊接操作；

b. 若阻抗值偏高，品质因数偏低，此时拆除焊头31后对超声振动系统3进行重新检测，并单独对换能器33进行检测，如结果均无显著性差异，则通过调整超声振动系统3中变幅杆32上的固定挡圈35的方法对系统阻抗值进行调整；

所述调整超声振动系统3中变幅杆32上的固定挡圈35的方法包括两种方式：

（ⅰ）更换不同材料的固定挡圈35；

所述固定挡圈35的材料可以为铝合金管或橡胶材料。

（ⅱ）调整固定挡圈35的安装松紧程度。

所述调整固定挡圈35的安装松紧程度包括：第一，调整固定挡圈35的结构尺寸，如大小、厚度等；第二，调整压紧固定挡圈35的锁紧力大小，即调节前端压块343和后端压块344之间的连接螺栓，进而调节固定挡圈35所受压紧力。

c. 若固有频率不在规定数值范围内，则更换换能器33或者重新加工振动传导零部件，所述振动传导零部件包括变幅杆32和焊头31；所述重新加工振动传导零部件的方法包括：首次采用有限单元分析法重新调整振动传导零部件的设计尺寸，根据设计尺寸重新加工，然后采用阻抗测试仪1检测重新加工完成的振动传导零部件的振动参数。

具体处理方法包括：

A. 固有频率偏高，品质因数偏低，此时拆除焊头31后对超声振动系统（3）进行重新检测，结果均无显著性差异，单独对换能器33进行检测，固有频率偏高，则需要更换换能器33；

B. 固有频率偏低，品质因数偏低，此时拆除焊头31后对超声振动系统（3）进行重新检测，固有频率依旧偏低，但高于未拆除焊头31时固有频率，且判断为焊头31振动参数不当，则对焊头31进行有限单元建模仿真，根据仿真结果调整焊头31结构，依据设计结果进行外圆及过渡圆角加工；

（ⅲ）复核检测

重新检测步骤（ⅱ）超声振动系统3的超声振动参数，参数落入允许范围内则进行焊接操作，否则重复步骤（ⅱ）操作。

所述系统设计时的固有频率通常包括20、30、35、40、50KHz。

所述阻抗测试仪1为声波振动检测系统，包括信号检测及后处理分析系统。

实施例1

使用阻抗测试仪1通过连接线2连接超声振动系统3的换能器33，检测系统阻抗值为80Ω，固有频率为34.6KHz，系统品质因数为520。系统阻抗值偏高，品质因数偏低，焊头31输出能量不足，导致焊机无法正常焊接。拆除焊头31后对系统重新检测，单独对换能器33进行检测，结果均无显著性差异，判断为变幅杆32振动参数不当。对变幅杆32的固定挡圈35进行更换，由铝合金材料改为橡胶材料，尺寸略有减小，重新安装后再次进行振动参数检测，阻抗降低为50Ω，系统品质因数提高为1200，焊头31输出能量正常。

实施例2

使用阻抗测试仪1通过连接线2连接超声振动系统3的换能器33，检测系统阻抗值为50Ω，固有频率为34.1KHz，系统品质因数为800。系统固有频率偏低，品质因数偏低，焊头31输出能量不足，导致焊机无法正常焊接。拆除焊头31后对系统重新检测，单独对换能器33进行检测，系统阻抗为50Ω，固有频率为34.6KHz，判断为焊头31振动参数不当。对焊头31进行有限单元建模仿真，根据仿真结果调整焊头31结构，依据设计结果进行外圆及过渡圆角加工，重新安装后再次进行振动参数检测，系统固有频率为34.6KHz，系统品质因数提高为1200，焊头31输出能量正常。

实施例3

使用阻抗测试仪1通过连接线2连接超声振动系统3的换能器33，检测系统阻抗值为50Ω，固有频率为35.8KHz，系统品质因数为400,。系统固有频率偏高，品质因数偏低，焊头31输出能量不足，导致焊机无法正常焊接。拆除焊头31后对系统重新检测，单独对换能器33进行检测，结果均无显著性差异；单独对换能器33进行检测，系统固有频率为35.9KHz，判断为换能器33振动参数不当。更换固有频率为35KHz的换能器33，重新安装后再次进行振动参数检测，系统固有频率为35KHz，系统品质因数提高为1400，焊头31输出能量正常。

本发明通过有限单元仿真分析系统主要振动参数，结合阻抗测试仪对超声振动系统的实际振动参数进行检测，明确了检测的主要振动参数项目；在系统振动参数出现偏差时，提出了具体的调整方法。实现了对焊头工作状态的检测和预判，有效避免了因振动参数偏差导致的焊接失效，保证了焊接质量。

本发明的方法与现有技术相比具有以下优点：（1）提出的有限单元分析法可指导系统关键振动零部件的结构设计和加工，提出的系统阻抗测试方法可对系统阻抗、系统固有频率、品质因数等关键振动参数进行静态检测，可准确判断系统的工作状态。（2）避免了现有技术在线检测时加速度传感器对系统振动参数的影响，检测结果更加准确。（3）在焊接工作前即实现了对焊头工作状态的检测和预判，避免了不必要的焊接试验，节省了试验的人力物力成本。（4）执行该方法可快速有效地调整系统工作状态，避免了大量试验摸索。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (5)

1.一种用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

（ⅰ）连接装置，检测参数

将阻抗测试仪（1）与超声振动系统（3）的换能器（33）接线进行连接，使用阻抗测试仪（1）检测超声振动系统（3）的超声振动参数；

所述超声振动参数包括系统阻抗值、固有频率及品质因数；

（ⅱ）判定超声振动参数，调整振动系统

若超声振动参数检测值正常，则进行焊接操作；

若阻抗值偏高，品质因数偏低，拆除焊头（31）后对超声振动系统（3）进行重新检测，并单独对换能器（33）进行检测，如结果均无显著性差异，则通过调整超声振动系统（3）中变幅杆（32）上的固定挡圈（35）的方法对系统阻抗值进行调整；

若固有频率不在规定数值范围内，则更换换能器（33）或者重新加工振动传导零部件；

具体处理方法包括：

（a）若固有频率偏高，品质因数偏低，拆除焊头（31）后对超声振动系统（3）进行重新检测，结果均无显著性差异，单独对换能器（33）进行检测，固有频率偏高，则更换换能器（33）；

（b）若固有频率偏低，品质因数偏低，拆除焊头（31）后对超声振动系统（3）进行重新检测，固有频率依旧偏低，但高于未拆除焊头（31）时固有频率，且判断为焊头（31）振动参数不当，则对焊头（31）进行有限单元建模仿真，根据仿真结果调整焊头（31）结构，依据设计结果进行外圆及过渡圆角加工；

所述重新加工振动传导零部件的方法包括：采用有限单元分析法重新调整振动传导零部件的设计尺寸，根据设计尺寸重新加工，然后采用阻抗测试仪（1）检测重新加工完成的振动传导零部件的振动参数；

（ⅲ）复核检测

重新检测步骤（ⅱ）超声振动系统（3）的超声振动参数，参数落入允许范围内则进行焊接操作，否则重复步骤（ⅱ）操作。

2.根据权利要求1所述的用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，其特征在于：所述调整超声振动系统（3）中变幅杆（32）上的固定挡圈（35）的方法包括：（ⅰ）更换不同材料的固定挡圈（35）；（ⅱ）调整固定挡圈（35）的安装松紧程度。

3.根据权利要求2所述的用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，其特征在于：所述固定挡圈（35）的材料为铝合金管或橡胶材料。

4.根据权利要求2所述的用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，其特征在于：所述调整固定挡圈（35）的安装松紧程度包括调整固定挡圈（35）的结构尺寸和调整压紧固定挡圈（35）的锁紧力大小。

5.根据权利要求1所述的用于超声波焊头机械振动的静态检测方法，其特征在于：所述振动传导零部件包括变幅杆（32）和焊头（31）。

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