CN111356538A - 带有阻尼的超声振动单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声振动单元，具有用于将交流电压转换为机械超声振动的转换器(1)和具有联接到转换器(1)的振动的超声焊极，其中，超声焊极和转换器(1)彼此协配，使得超声振动单元能以固有频率f振动，在该固有频率下，在超声振动单元内部形成具有至少一个振动节点和至少两个振动波腹的纵驻波。为了使超声振动单元可用，其中通常在操作期间以工作频率发生的寄生振动很小或不发生，其中同时，实际的工作振动不减弱，本发明提出了一种经由联接元件(3)连接到超声振动单元的阻尼的减振器单元(2)，其中，联接元件(3)在振动节点处连接到超声振动单元，其中，减振器单元(2)连接到构造成阻尼减振器单元(2)的振动的阻尼元件(4)。

Description

带有阻尼的超声振动单元
技术领域
本发明涉及一种超声振动单元，其具有至少一个用于将交流电压转换为机械超声振动的转换器和振动地联接到该转换器的超声焊极。在该结构中，可以通过将转换器直接固定到超声焊极或通过插设振幅变换器来完成振动联接。
背景技术
这种超声振动单元可以用于焊接最广泛的多种材料。在该情况下，使超声焊极与待加工的材料接触，从而使超声焊极将超声振动传递到待加工的材料。为此，通常将待加工的材料定位在超声焊极和配对工具之间，从而使超声焊极在配对工具的方向上向材料施加力。
通常，超声振动单元的部件：转换器、振幅变换器和超声焊极沿明显的纵向轴线布置。
作为示例，在图7中示出了超声振动单元10的已知构造。它包括转换器壳体18、具有压电振动模块的转换器12和固定到转换器12的超声焊极11。转换器12具有凸缘13，该凸缘13借助弹性的O形环被软安装在转换器壳体18中。配对工具15与超声焊极11以相对关系布置。在超声焊极11与配对工具15之间保持间隙17，待借助超声振动单元10加工的材料幅材16移动穿过该间隙17。
为了产生具有最大可能振幅的超声振动，必须以接近超声焊极的共振频率的激励频率来激励超声焊极。超声焊极的共振频率通常也称为固有频率。
转换器通常以几乎等于超声焊极的固有频率f的工作频率操作。通过向转换器中的压电元件施加交流电压来使转换器本身在很大程度上振动。转换器所振动的工作频率因此由施加的交流电压的频率控制。超声振动单元的各个部件彼此匹配，使得整个振动系统所具有的固有频率对应于超声焊极的固有频率。在以该固有频率激励超声振动单元时，在整个超声振动单元中形成具有固定振动模式和波幅的纵驻波，其中与驻波相关的振动处于工作频率。
为了清楚地显示，在图7上方示出了曲线图，该曲线图示出了振动幅度依赖于位置的大小。可以看出，在超声振动单元10与材料幅材16接触的右端和超声振动单元10的左端，振动振幅都显示出最大值。在凸缘13的区域中，振动幅度最小。在超声焊极11中发现另一个振动节点。
凸缘13在振动节点中的布置提供了凸缘13在超声振动的传播方向上仅轻微振动。
借助于O形环14的软安装意指超声振动单元10与转换器壳体18分离，使得实际上没有振动能量从超声振动单元10传递到转换器壳体18。
当在超声焊接设备中使用超声振动单元时，当执行薄材料的超声焊接时，例如在焊接色拉袋时，与待焊接材料和/或为此目的使用的焊接砧座的相互作用也引起了不希望的寄生振动的激励，这在超声振动单元中产生了额外的纵向振动。经验表明，这些寄生振动的频率通常低于工作频率。
特别是在超声波焊接中，那些低频寄生振动会导致焊接结果质量下降。它们还可能导致超声焊接设备的各部件、尤其是转换器的压电元件的压力过大，以及造成增加的能源需求。另外，寄生振动导致增加的噪声产生，这是不希望的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种超声振动单元，其中通常在以工作频率操作中发生的寄生振动低或不发生，而同时实际的工作振动不减弱。
根据本发明，该目的通过以下方式实现，即，提供一种阻尼的减振器单元，该阻尼的减振器单元在振动节点处连接到超声振动单元，其中，该减振器单元连接到阻尼元件，该阻尼元件构造成阻尼该减振器单元的振动。
术语“减振器单元”用于意指可以被激励以振动的任何单元。即使这可能是有利的，减振器单元也不必具有匹配于某些频率的共振频率。由于减振器单元连接到减振元件，减振器单元也被称为阻尼的减振器单元。
使用该阻尼的减振器单元的优点在于，通过阻尼元件不阻尼具有工作频率的转换器的期望的纵向工作振动，而阻尼低频寄生振动。这是由于阻尼元件在减振器单元处的事实，该减振器单元在工作振动的驻波的振动节点处连接到超声振动单元。然而，由于实际上没有期望的工作振动的振动分量在期望的工作振动的驻波的振动节点处传递到减振器单元，所以工作振动也不受减振器单元的阻尼的影响。借助布置在振动节点处的联接元件的根据本发明的连接仅允许在振动节点的区域中的振动分量被传递到减振器单元并且在那里被阻尼。然而，这些本质上是不希望的寄生振动。因此，工作振动几乎不受阻尼的减振器单元的影响。
基本上，可以将根据本发明的结构与电磁阻挡回路进行比较。阻挡回路防止传输频率很高的信号，而所有其它频率的信号几乎不会受到影响。
以相同的方式，联接元件的布置允许在联接元件的区域中不具有振动节点的振动的传递以及因此能量传递。在联接元件的区域中具有振动节点的所有振动都被阻挡，即，它们没有借助联接元件被传递到减振器单元。
减振器单元因此具有施加在其上的强制振动，其振动频率不同于超声振动单元的工作频率或固有频率f。由于减振器单元的振动，振动能量从减振器单元传递到阻尼元件，并且例如转换成热能。
因此，本发明利用以下认识：相对于不同频率，超声振动单元内的驻波在不同位置处具有振动节点和振动波腹。
应当理解，用振动节点和振动波腹描述的驻波是在实践中无法获得的物理上理想的概念。根据超声振动的实际几何形状，并且特别是超声焊极的实际几何形状，然而在任何情况下都产生最小振动幅度的区域和最大振动幅度的区域。根据本发明，术语“振动节点”因此总是用于表示最小振动幅度的区域。就在振动节点处将联接元件连接到超声振动单元而言，这仅意味着联接元件应设置在最小振动幅度的区域中。还应当理解，联接元件在驻波方向上具有有限的延伸部，并因此不能以点状的关系接合超声振动单元。
在较佳的实施例中，阻尼元件包括与减振器单元不同的材料。在那种情况下，阻尼元件较佳地包括弹性体。已经发现，弹性体特别适合于产生减振器单元的期望的阻尼。使用弹性体作为阻尼元件另外也是廉价且简单的。弹性体可以例如通过夹紧或模制连接到减振器单元。
在另一较佳的实施例中，包括弹性体的阻尼元件具有接触面，借助该接触面与减振器单元接触，其中，该接触面较佳为＞2cm2，特别较佳为＞10cm2并且最较佳地＞20cm2。如此处所述，在减振器单元和弹性体之间的足够大的接触表面提供了振动能量能够有效地从减振器单元传递到弹性体，并且由弹性体转换成热能。
在特别较佳的实施例中，包括弹性体的阻尼元件布置成使得它借助所述接触表面在减振器单元上施加力，其中，较佳地，阻尼元件在接触表面上在朝向减振器单元的方向上施加力。在此描述的力传递例如可以通过夹紧环实现，该夹紧环将弹性体压在减振器单元上或抵靠减振器单元。这导致阻尼元件至减振器单元的有利联接，从而提供振动能量从减振器单元到阻尼元件的有效传递。
在另一个较佳的实施例中，减振器单元的质量小于超声振动单元的质量的10％，较佳在1％至8％之间，并且最佳在3％至5％之间。
在另一较佳的实施例中，阻尼元件被设计和布置成使得它以5％至50％之间、较佳地在7.5％至20％之间的阻尼度来阻尼减振器单元。阻尼度是无量纲的值，其表示相对于减振器单元的阻尼的量度。阻尼度在某种程度上也称为阻尼因子或莱尔(Lehrsches)阻尼量度。
在特别较佳的实施例中，联接元件布置在超声振动单元的转换器处。
在该实施例中，超声振动单元构造成使得工作振动的振动节点在转换器的区域中。例如，超声振动单元可以提供两个振动节点和三个振动波腹，其中，一振动节点在转换器的区域中，而一振动节点布置在超声焊极的区域中。
将联接元件布置在转换器的区域中的振动节点处一方面具有的优点是，在该区域中期望的超声振动的振动幅度小于在超声焊极的区域中的振动幅度，使得仍然进一步降低了从期望的振动向减振器单元的能量传递。另一方面，测试和仿真计算已经表明，在转换器的区域中，寄生振动的振动幅度要比在超声焊极的区域中更大，使得在转换器的区域中，寄生振动到减振器单元的能量传递更大。
借助联接元件联接阻尼减振器单元的目的是从寄生振动向减振器单元传递尽可能多的能量，并同时从期望的工作振动向减振器单元传递尽可能少的振动能量。
在另一特别较佳的实施例中，转换器具有呈圆柱形表面形式的外表面，并且联接元件至少部分地呈凸缘的形式，该凸缘连接到转换器的圆柱形的外表面。在那种情况下，凸缘较佳与转换器设置成一体。将联接元件成形为凸缘是易于制造且廉价的变型。特别地，凸缘代表用于将转换器联接到圆柱形减振器单元的理想联接元件。
在替代的较佳实施例中，联接元件构造成使得其为Z形的横截面。换言之，联接元件具有三个部分，即相对于圆柱形的轴线径向延伸并接合转换器的第一径向部分、在轴向方向上相对于第一径向部分延伸的轴向部分和在径向方向上从轴向部分延伸的第二径向部分。
在特别较佳的实施例中，减振器单元连接到转换器并且形成转换器壳体，该转换器壳体在其远离超声焊极的端部处封围转换器。较佳地，转换器壳体具有壳体底部和圆筒形的壳体壁，该圆筒形的壳体壁连接到联接元件。将减振器单元用作转换器壳体是特别有利的，因为这样减振器单元同时执行两个重要的功能。一方面，它保护转换器和与其相连的电子器件不受外界影响，并且另一方面，借助阻尼元件的配装，它提供有效地阻尼在操作中发生的寄生振动的选项。
在另一较佳的实施例中，阻尼元件呈围绕转换器壳体的套筒的形式。在该布置中，阻尼元件被弹性地偏置，使得其在转换器壳体上施加力。在这种情况下，例如，弹性体套筒可以用作阻尼元件，其中，弹性体套筒在未膨胀状态下的直径小于圆筒形转换器壳体的直径。当现在将弹性体套筒配装在转换器壳体上时，弹性体的弹性引起弹性体的力以作用在转换器壳体上。对于该实施例，简单的可行性是特别有利的。
在替代实施例中，阻尼元件布置在转换器壳体内。特别地，在这种情况下，阻尼元件或者在整个接触表面上连接到转换器壳体，或者借助于夹紧元件压靠转换器壳体。该实施例具有的优点在于，阻尼元件本身通过转换器壳体被保护免受环境影响，并且因此作用在阻尼元件上的环境影响被最小化。
在另一替代实施例中，包括弹性体的阻尼元件借助于夹紧元件压靠转换器壳体的内壁，该夹紧元件具有锥形的外轮廓。阻尼元件是套筒形的构造并且具有锥形的内轮廓，该锥形的内轮廓的构造对应于夹紧元件的外轮廓。由于夹紧元件相对于转换器壳体在锥形的轴线的方向上的运动，阻尼元件被夹紧在夹紧元件和转换器壳体之间，并因此实现期望的阻尼效果。
例如，弹性体的套筒和具有锥形外轮廓的金属套筒可用作夹紧元件。发现这种结构的安装是简单的并且可以按照以下描述实现。两个套筒都被推入圆筒形的转换器壳体中，筒体底部为此目的必须打开。首先推入弹性体套筒，然后推入金属套筒，金属套筒由于其外轮廓的锥形构造，将弹性体套筒压靠转换器壳体的内壁。在该布置中，金属套筒的锥形外轮廓构造成使得，在将金属套筒已经完全推入转换器壳体时，可以精确地实现弹性体的稳定推压。
附图说明
通过以下较佳实施例的描述，本发明的其它优点、特征和可能的用途将变得明显。在附图中：
图1示出了固定到本发明的第一实施例的转换器的减振器单元的剖视图，
图2示出了固定到本发明的第二实施例的转换器的减振器单元的剖视图，
图3示出了固定到本发明的第三实施例的转换器的减振器单元的剖视图，
图4示出了固定到本发明的第四实施例的转换器的减振器单元的剖视图，
图5示出了固定到本发明的第五实施例的转换器的减振器单元的剖视图，
图6示出了联接元件的替代实施例的剖视图，以及
图7示出了现有技术的超声振动单元的示意图。
具体实施方式
图1示出了固定到转换器的减振器单元的第一实施例。该附图示出了通过转换器1的剖视图，该转换器借助联接元件3连接到减振器单元2。在当前情况下，所示的所有元件相对于转换器1的纵向轴线呈圆柱形对称关系，因此本剖视图表示包括转换器壳体/减振器单元和转换器的纵向轴线的任何截面。
尽管未在附图中示出，但是转换器1振动地联接到超声焊极。在这种情况下，可以通过使超声焊极在图1中的右边处连结转换器1，或通过将转换器1在其右侧处连接到超声焊极所固定的振幅变换器来实现振动联接。
图1还示出了转换器1的进一步的细节，比如压电元件6和转换器螺钉7。转换器的联接元件3呈凸缘的形式，减振器单元2安装到该凸缘。减振器单元在此呈转换器壳体2的形式，并在此视图中封闭了转换器1的左半部。套筒形的阻尼元件4配装到转换器壳体2的内壁，该阻尼元件借助锥形夹紧元件5压靠转换器壳体2的内壁。如图1所示，被阻尼元件4和锥形夹紧元件5阻尼的减振器单元2借助联接元件3固定到转换器。
超声振动单元包括超声焊极和转换器1以及可选的振幅变换器，振幅变换器布置在转换器1和超声焊极之间，使得具有这样一种构造，即，当以超声固有频率f激励它时，在纵向方向上产生驻波。该纵波的振动幅度取决于位置，即在超声振动单元内形成的最小振动幅度的区域和最大振动幅度的区域。为了说明目的，在转换器的图示上方示出了曲线图，该曲线图示出了纵向轴线x上的振动幅度A的大小。可以看出，在其中联接元件3接合转换器1的区域中，振动幅度A最小(振动节点)，而振动幅度在转换器的边界表面的方向上增加。因此在端面处形成振动波腹。
根据本发明，选择联接元件3的位置，使得其与振动节点的位置一致。这确保了借助联接元件传递到减振器单元的期望的超声振动的能量很少或没有。对于其中超声振动单元具有寄生振动分量的情况，它们通常不涉及在联接元件3的位置处的任何振动节点，使得对于寄生振动分量发生到减振器单元2的能量传递。
如图1所示，联接元件3呈与转换器成一件的凸缘的形式。然而，在替代实施例中，它也可以呈单独的部件的形式。
图2示出了通过减振器单元的第二实施例的剖视图，该减振器单元固定到转换器。转换器1、联接元件3(凸缘)和减振器单元2在此对应于第一实施例的设计。所示出的横截面对应于图1所示的横截面。阻尼元件4在此也是弹性体套筒，然而，与第一实施例不同，在该实施例中，该弹性体套筒借助扩散环8压靠转换器壳体2的内壁。扩散环8在其与阻尼元件4接触的所有区域中将大致相同的力施加在阻尼元件4上。
图3示出了固定到转换器的减振器单元的第三实施例的剖视图。该实施例相对于第二实施例(图2)的不同之处仅在于，阻尼元件4没有借助扩散环8固定，而是通过铸造到转换器壳体的内壁而配装。因此，该实施例不包括用于将阻尼元件4固定到减振器单元2的附加夹紧元件。
图4示出了固定到转换器的减振器单元的第四实施例。这与本发明先前示出的实施例的不同之处在于，阻尼元件4安装到转换器壳体2的外部。在这种情况下，阻尼元件4可以例如包括弹性的弹性体套筒，该弹性体套筒相对于圆柱形的转换器壳体2具有较小的尺寸。当这种弹性体套筒4如在当前情况下配装在转换器壳体2上时，那么由于其较小的尺寸和其弹性，它利用依赖于较小的尺寸和弹性的力压靠转换器壳体2的外壁。
图5示出了本发明的第五实施例，该实施例与图4所示的实施例的不同之处在于，在这种情况下再次由弹性体套筒提供的阻尼元件4在此借助夹紧环8配装到转换器壳体2的外壁并且压靠转换器壳体2。因此，在该实施例中，也正如在第四实施例中那样，阻尼元件4被用力压靠转换器壳体2的外壁，在这种情况下，阻尼元件4在此不必涉及较小的尺寸，因为该力是借助夹紧环8产生的张紧效果来施加的。
图6示出了联接元件3的替代实施例的局部剖视图。联接元件3一体地连接到转换器1并且具有第一径向部分3a、轴向部分3b和第二径向部分3c，第一径向部分3a从转换器1的圆柱形的外轮廓基本上径向地延伸，轴向部分3b基本上垂直地相对于第一径向部分3a延伸并且因此基本上轴向地延伸，第二径向部分3c从轴向部分3b径向地延伸。第二径向部分3c然后可以连接到减振器单元或呈减振器单元形式的转换器壳体。
附图标记列表
1 转换器
2 减振器单元/转换器壳体
3、3a-c 联接元件
4 阻尼元件
5 锥形夹紧元件
6 压电元件
7 转换器螺钉
8 扩散环
9 夹紧环
10 超声振动单元
11 超声焊极
12 转换器
13 凸缘
14 O形环
15 配对工具
16 材料幅材
17 间隙
18 转换器壳体

Claims (12)

1.一种超声振动单元，
所述振动单元具有用于将交流电压转换为机械超声振动的转换器(1)和振动地联接到所述转换器(1)的超声焊极，其中，所述超声焊极和所述转换器(1)彼此匹配，使得所述超声振动单元能够以固有频率f振动，其中，在所述超声振动单元内形成具有至少一个振动节点和至少两个振动波腹的纵驻波，其特征在于，设有阻尼的减振器单元(2)，所述减振器单元借助联接元件(3)连接到所述超声振动单元，其中，所述联接元件(3)在振动节点处连接到所述超声振动单元，其中，所述减振器单元(2)连接到阻尼元件(4)，所述阻尼元件设计成阻尼所述减振器单元(2)的振动。
2.根据权利要求1所述的超声振动单元，其特征在于，所述阻尼元件(4)包括与所述减振器单元(2)不同的材料，其中，所述阻尼元件(4)较佳地包括弹性体。
3.根据权利要求2所述的超声振动单元，其特征在于，所述阻尼元件(4)具有接触表面，所述阻尼元件(4)利用所述接触表面与所述减振器单元(2)接触，所述接触表面较佳地大于2cm2，特别较佳地大于10cm2，并且最佳地大于20cm2。
4.根据权利要求3所述的超声振动单元，其特征在于，所述阻尼元件(4)布置成使得它借助所述接触表面在所述减振器单元(2)上施加力，其中，所述阻尼元件(4)较佳地借助所述接触表面在朝向所述减振器单元(2)的方向上施加力。
5.根据权利要求1-4中一项所述的超声振动单元，其特征在于，所述减振器单元(2)的质量小于所述超声振动单元的质量的10％，较佳地在百分之一至8％之间，并且最佳地在3％至5％之间。
6.根据权利要求1-5中一项所述的超声振动单元，其特征在于，所述阻尼元件(4)构造和布置成使得它以在5％至50％之间的阻尼度、较佳地在7.5％至20％之间的阻尼度来阻尼所述减振器单元(2)。
7.根据权利要求1-6中一项所述的超声振动单元，其特征在于，将所述联接元件(3)布置在所述转换器(1)处。
8.根据权利要求7所述的超声振动单元，其特征在于，所述转换器(1)具有圆柱形的外表面，其中，所述联接元件(3)至少部分地呈凸缘的形式，所述凸缘连接到所述转换器(1)的所述圆柱形的外表面，其中，较佳地，所述凸缘整体地连接到所述转换器(1)。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的超声振动单元，其特征在于，所述减振器单元(2)呈转换器壳体(2)的形式，所述转换器壳体在其远离所述超声焊极的端部处封围所述转换器(1)，其中，较佳地，所述转换器壳体(2)具有壳体底部和圆筒形的壳体壁，其中，所述圆筒形的壳体壁连接到所述联接元件(3)。
10.根据权利要求9所述的超声振动单元，其特征在于，所述阻尼元件(4)呈围绕所述转换器壳体(2)的套筒的形式，其中，较佳地，所述阻尼元件(4)被弹性地偏置，使得它在所述转换器壳体(2)上施加力。
11.根据权利要求9所述的超声振动单元，其特征在于，所述阻尼元件(4)布置在所述转换器壳体(2)内，并且，或者在整个接触表面上与其连接，或者借助于夹紧元件压靠所述阻尼器单元(2)。
12.根据权利要求11所述的超声振动单元，其特征在于，所述夹紧元件具有锥形的外轮廓，并且包括弹性体的阻尼元件具有相应的锥形的内轮廓。
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