CN114602780B - 同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，包括扭转振动耦合器、超声换能器、扭转振动调幅器和超声扭转振动焊头；所述扭转振动耦合器四周设置若干振动激励端面，用于分别安装超声换能器，中心部位垂直安装扭转振动调幅器和超声扭转振动焊头；本发明的超声波扭转振动耦合器设计成采用一整只材料加工的方式，无需焊接，能够有效保证了成品的一致性，降低了加工和维护成本。激励方式可以任意选择其中一个面或一组或两组的斜对角面来安装一只或两只或四只换能器，并采用同相位角的控制方式，来实现将换能器的提供的纵向振动转换为扭转耦合器中心圆的扭转振动。使得控制电路的设计更为简单，控制精度更为精准，降低了换能器烧毁的风险。

Description

同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统

技术领域

本发明涉及特别涉及超声扭转焊接技术，特别涉及一种同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统。

背景技术

现有的超声扭转焊接机，如图1，是对两只换能器1进行异相位角的电路控制，使得两只换能器1的初始电相位角被错开180°，并在模具上设计出两个轴向伸缩振动的聚能器2，与两只换能器1进行振动耦合，产生一推一拉的轴向往复线性振动，并与耦合杆4的外圆进行振动耦合，就可以在耦合杆3处输出扭转振动V。因为该扭转焊接系统，会存在电相位角控制精度问题而导致换能器经常烧毁；并且聚能器2和耦合杆4之间因采用焊接的连接方式而存在连接处开裂和断裂的问题，会提高用户的使用和维护成本，并且因为该系统受到国际专利的保护售价高昂，使得国内需要该系统进行焊接的厂家望而却步。并且针对相关技术中的超声波扭转焊接机电相位角控制精度低以及聚能器和耦合杆之间的连接方式存在较大的断裂风险问题，目前尚未提出有效的解决方案。

而本发明设计一种同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，在超声波扭转振动耦合器的输入端，使用1个或2个或4个换能器提供初始相位角、推力、振动速度相同的纵向振动，通过胡克定律和泊松效应，在耦合器的中心圆面产生相应的往复扭转振动。

发明内容

本发明目的是：提出一种同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其核心部件超声波扭转振动耦合器设计成采用一整只材料加工的方式，无需焊接，能够有效保证了成品的一致性，降低了加工和维护成本。激励方式可以任意选择其中一个面或一组或两组的斜对角面来安装一只或两只或四只换能器，并采用同相位角的控制方式，来实现将换能器的提供的纵向振动转换为扭转耦合器中心圆的扭转振动。使得控制电路的设计更为简单，控制精度更为精准，降低了换能器烧毁的风险。

本发明的技术方案是：

同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，包括扭转振动耦合器、超声换能器、扭转振动调幅器和超声扭转振动焊头；所述扭转振动耦合器四周设置若干振动激励端面，用于分别安装超声换能器，中心部位垂直安装扭转振动调幅器和超声扭转振动焊头；所述超声换能器数量为一、二或四个，各超声换能器相位角相同。

优选的，所述扭转振动耦合器为正方形结构，正方形每条边的两端分别设置一个与边线垂直的振动激励端面，振动激励端面共八个。

优选的，所述超声换能器数量为一个时，安装于任一个振动激励端面上；所述超声换能器数量为二或四个时，安装于关于扭转振动耦合器中心对称的二或四个振动激励端面上。

优选的，所述超声换能器，由超声发生器提供一定功率和频率的电激励给同相位角控制器，同相位角控制器将超声发生器提供的电功率平均分配给各超声换能器，并依据每只超声换能器反馈的负载电压和电流的情况，进行平衡调节，从而保证每只超声换能器的负载功率相等。

优选的，所述同相位角控制器包括四组扎数比相同且共用一只铁芯的线圈L1、L2、L3、L4；四只线圈的其中两只的同名端和另外两组线圈的异名端连接，作为超声发生器提供的高频信号的输入端；每只线圈的另外一端与四只相同规格的超声换能器C1、C2、C3、C4一端相连接，四只超声换能器的另外一端共同接地。

优选的，所述扭转振动耦合器的八个振动激励端面上加工出螺纹孔，用于安装超声换能器。

优选的，所述扭转振动耦合器的中心处加工出“十”字形的对称结构，并在“十”字形的对称结构的中心加工出螺纹通孔，用于安装扭转振动焊头以及扭转振动调幅器。

优选的，所述扭转振动调幅器的中间位置加工出法兰盘，用于安装固定超声扭转振动系统。

优选的，同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统使用的频率范围15KHz-60KHz。

优选的，所述扭转振动耦合器采用钛合金、铝材或钢材一体成型，表面涂有保护涂层。

本发明的优点是：

1、本发明提出的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其核心部件超声波扭转振动耦合器设计成，采用一整个材料加工成型的方式，无需焊接，有效保证了成品的一致性，有效降低了加工和维护成本。

2、本发明的超声波扭转振动焊接系统激励方式可以任意选择其中一个面或一组或两组的斜对角面来安装一只或两只或四只换能器，每只换能器初始的电相位角相同，来实现将换能器的纵向振动转换为扭转耦合器的中心圆的旋转振动，使得控制电路的设计更为简单，控制精度更为精准，降低了换能器的烧毁风险。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有的超声扭转焊接机的结构示意图；

图2为本发明的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统的结构示意图；

图3为超声波扭转振动耦合器的结构示意图；

图4为超声波扭转振动耦合器施加激励力和激励速度的示意图；

图5为超声波扭转振动耦合器的控制原理图；

图6为同相位角控制器内部电路原理图；

图7为带有两个超声换能器的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统的结构示意图；

图8为带有一个超声换能器的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本实施例的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，包括扭转振动耦合器1、四个超声换能器2、一个扭转振动调幅器3和一个超声扭转振动焊头4。在超声波扭转振动耦合器1的输入端，使用四个换能器提供初始相位角、推力、振动速度相同的纵向振动，通过胡克定律和泊松效应，在耦合器的中心圆面会产生相应的往复扭转振动。扭转振动调幅器3的中间位置的振动接近零，因此选择在此处位置加工出法兰盘用于安装固定超声扭转振动系统，而不影响系统的振动。超声扭转振动焊头4用于将超声扭转振动传递给焊接部件。

如图3所示，所述扭转振动耦合器1为正方形结构，正方形每条边的两端分别设置一个与边线垂直的振动激励端面，振动激励端面共八个，其中包括初始相位为0°的四个同相位角振动激励端面11、13、15、17，和初始相位为180°的四个同相位角振动激励端面12、14、16、18，扭转振动耦合器1的中部设置扭转振动输出端面19。因本发明选择同相位角激励控制，因此只选择其中初始相位为0°或180°的四个激励面安装超声换能器2。

超声波扭转振动耦合器的工作原理，如图4所示，选择扭转振动耦合器的初始相位角相同的四个端面，分别施加F1、F2、F3、F4四个大小及方向相同的激励力，以及ξ1、ξ2、ξ3、ξ4四个大小及方向相同的激励速度，由于胡克定律以及泊松效应的作用，会在耦合器的中心圆面处产生一推力为F以及角速度为ω的往复扭转振动。

超声波扭转振动耦合器的控制原理，如图5所示，超声发生器提供一定功率和频率的电激励给同相位角控制器，同相位角控制器将超声发生器提供的一定频率的电功率平均分配给四只换能器，并依据每只换能器反馈的负载电压和电流的情况，进行平衡调节，从而以保证每只换能器的负载功率相等。

如图6所示，为同相位角控制器内部电路构成，L1、L2、L3、L4是4组扎数比相同且共用一只铁芯的线圈（*代表线圈的同名端，无标注的为线圈的异名端），C1、C2、C3、C4代表四只换能器，将4只线圈的其中两组的同名端和另外两组线圈的异名端连接，作为超声发生器提供的高频信号的输入端；每只线圈的另外一端与四只相同规格的换能器相连接，四只换能器的另外一端共同接地。

依据电磁感应原理：由于四只线圈两两之间为极性相反的连接，每组线圈产生的磁通与相邻线圈产生的磁通大小相同方向相反，就会相互抵消，因此在工作时同相位控制器的铁芯的磁通量和始终为零；如果某一组线圈的磁通因其所对应的换能器负载的变化而改变，那么其产生的多余磁通就会因为电磁感应原理和能量守恒定律会自动被均匀分配到其余三组线圈和对应的三只换能器，这样铁芯内部的磁通量和依旧为零，反之亦然。

公式推导如下，当通电导体与磁场方向垂直时，它受力的大小既与导线长度L成正比，又与导线中的电流I成正比，即与I和L的乘积IL成正比，即，

F=ILB

式中，F是电磁力，I是导体中流过的电流，L是导体的长度，B是磁感应强度。

由于同相位角控制器中的每组线圈的扎数相同，所以，

L1=L2=L3=L4，

每组线圈产生的磁通也相等，即，

B1=B2=B3=B4，

但由于每组线圈并不都是同名端相连，所以存在流过每组线圈的电流只是大小相等，其中只有L1和L4；L2和L3的电流大小相等方向相同，即，

I1= -I2 = -I3 =I4，

因此，每组线圈所产生的电磁力关系为F1= -F2 = -F3 = F4，所以在同相位控制器的铁芯处所产生的叠加电磁力F等于0，即，

F= FI-F2-F3+F4=0。

在具体实施过程中，将扭转振动耦合器的的八个纵向振动输入面加工出螺纹孔，用于安装超声换能器，在扭转振动耦合器的中心位置加工出“十”字形的对称结构，用来保证耦合器中心区域扭转振动的均匀性；并在其中心加工出螺纹通孔，用于安装扭转振动焊头以及扭转振动调幅器方便固定该结构。

实施例2

如图7，为采用两只超声换能器同向相位角激励的整体效果图，两只超声换能器2为系统提供纵向振动源，扭转振动调幅器3的中间位置的振动接近零，因此选择在此处位置加工出法兰盘用于安装固定超声扭转振动系统，而不影响系统的振动。超声扭转振动焊头4用于将超声扭转振动传递给焊接部件。

实施例3

如图8，为采用单只超声换能器同向相位角激励的整体效果图，其中2为扭转振动耦合器，单只超声换能器2为系统提供纵向振动源，扭转振动调幅器3的中间位置的振动接近零，因此选择在此处位置加工出法兰盘用于安装固定超声扭转振动系统，而不影响系统的振动。超声扭转振动焊头4用于将超声扭转振动传递给焊接部件。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其特征在于，包括扭转振动耦合器、超声换能器、扭转振动调幅器和超声扭转振动焊头；所述扭转振动耦合器四周设置若干振动激励端面，用于分别安装超声换能器，中心部位垂直安装扭转振动调幅器和超声扭转振动焊头；所述超声换能器数量为一、二或四个，各超声换能器相位角相同；

所述扭转振动耦合器为正方形结构，正方形每条边的两端分别设置一个与边线垂直的振动激励端面，振动激励端面共八个；

所述超声换能器数量为一个时，安装于任一个振动激励端面上；所述超声换能器数量为二或四个时，安装于关于扭转振动耦合器中心对称的二或四个振动激励端面上；

扭转振动耦合器的中部设置扭转振动输出端面，输出端面为中心圆面。

2.根据权利要求1所述的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其特征在于，所述超声换能器，由超声发生器提供一定功率和频率的电激励给同相位角控制器，同相位角控制器将超声发生器提供的电功率平均分配给各超声换能器，并依据每只超声换能器反馈的负载电压和电流的情况，进行平衡调节，从而保证每只超声换能器的负载功率相等。

3.根据权利要求2所述的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其特征在于，所述同相位角控制器包括四组扎数比相同且共用一只铁芯的线圈L1、L2、L3、L4；四只线圈的其中两只的同名端和另外两组线圈的异名端连接，作为超声发生器提供的高频信号的输入端；每只线圈的另外一端与四只相同规格的超声换能器C1、C2、C3、C4一端相连接，四只超声换能器的另外一端共同接地。

4.根据权利要求1所述的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其特征在于，所述扭转振动耦合器的八个振动激励端面上加工出螺纹孔，用于安装超声换能器。

5.根据权利要求4所述的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其特征在于，所述扭转振动耦合器的中心处加工出“十”字形的对称结构，并在“十”字形的对称结构的中心加工出螺纹通孔，用于安装扭转振动焊头以及扭转振动调幅器。

6.根据权利要求4所述的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其特征在于，所述扭转振动调幅器的中间位置加工出法兰盘，用于安装固定超声扭转振动系统。

7.根据权利要求1-6任一项所述的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其特征在于，同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统使用的频率范围15KHz-60KHz。

8.根据权利要求1-6任一项所述的同相位角激励式超声波扭转振动焊接系统，其特征在于，所述扭转振动耦合器采用钛合金、铝材或钢材一体成型，表面涂有保护涂层。

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