CN204583642U - 超声波换能器及焊接机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超声波换能器及焊接机，其中，该超声波换能器包括：安装法兰；振子连接端，其中，振子连接端包括：第一端和第二端，其中，第一端与振子相连接，第二端与安装法兰相连接，第一端的半径大于第二端的半径。通过本实用新型，解决了相关技术中增大结构增益受调幅器形状限制的技术问题，从而达到了不受调幅器的形状限制提高结构增益的技术效果。

Description

超声波换能器及焊接机

技术领域

本实用新型涉及换能器领域，具体而言，涉及一种超声波换能器及焊接机。

背景技术

超声波换能器是焊接机的核心部件，主要由振子和调幅器两部分组成，功能是在电信号的激励下，通过振子自身的简谐振动并带动整个换能器共振，从而将电能转化为机械能。换能器振子采用夹心式结构，由预应力螺栓把前后驱动块、压电晶片和电极片夹紧组成。前驱动块和调幅器通过连接螺丝组装。

当在压电晶片两极施加电压时，由于压电陶瓷材料的逆压电效应，压电晶片会在厚度方向(即换能器的轴向)产生形变，该形变在交变电流的作用下反复伸张压缩从而将电能转化为机械能。振子在交变电流的作用下以谐振频率发生周期性的伸张压缩形变，同时也带动调幅器共振，这样振子和调幅器就各自变成了一个简谐振动单元，振子受电信号激励，再激励调幅器，两者共振。每个谐振单元在输出轴向振幅的同时，径向也会周期性的产生形变，在单元两端轴向形变最大，径向形变最小，而中间节点位置正相反。谐振单元的结构增益与节点两端的质量比成正比，超声波换能器产生振幅的大小既取决于振子和调幅器各自的结构增益，又和施加的电压高低有关。输出振幅影响超声波换能器的输出功率，振幅越大，电压越高，可输出功率越高。但是结构增益增大会引起材料内部应力升高，加速疲劳，影响使用寿命。而提高工作电压会引起振子自身发热，如果温度升高太快，会严重影响换能器的电声转换效率。

在相关技术中，为了保证超声波换能器的有效输出，避免快速发热，通常采用降低超声波换能器的结构增益或者降低工作电压的方法，通过提高调幅器的增益来保证振幅，或者增加压电晶片数量。

相关技术方案中，不管是降低超声波换能器的结构增益，还是降低工作电压，都会降低超声波换能器的输出振幅，限制超声波焊接机的输出功率。这样 对于一些面积比较大或者材料熔点比较高的零件时，就难以满足应用要求。在这种情况下，为了提高振幅和输出功率，只能提高调幅器的结构增益，或者增加振子的压电晶片数量。如果提高调幅器增益，就要增加节点前端的材料质量，即增大振子连接端的半径，或者减小节点后端即输出端的半径，但是这样会引起材料内部应力的过分集中，而半径减小后的输出端承受内部应力过高会更容易发生断裂，同时还会增加材料成本和加工成本。如果增加振子的压电晶片数量，也会增加材料成本，并且增加能耗。

另外，从安装方式上，市场上出于成本和通用性的需要，通常对换能器的安装法兰尺寸有统一的尺寸要求。因此，调幅器的安装法兰需要考虑通用性的要求，这样也就限制了调幅器的最大半径。而为了提高调幅器的增益，目前一般采用锥形结构(如图1所示)或者圆柱结构(如图2所示)，但是无论哪种方式，调幅器的增益都会受到结构的限制。

针对相关技术中的换能器的调幅器的增益受到结构限制的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种了超声波换能器及焊接机，包括：

一方面，提供了一种超声波换能器，包括：振子和调幅器，所述调幅器包括：安装法兰；振子连接端，其中，所述振子连接端包括：第一端和第二端，其中，所述第一端与所述振子相连接，所述第二端与所述安装法兰相连接，所述第一端的半径大于所述第二端的半径。

优选地，所述振子包括：压电晶片组；前驱动块，所述前驱动块的一端与所述压电晶片组的一端相连接，所述前驱动块的另一端与所述振子连接端的第一端相连接，其中，所述前驱动块为阶梯型结构；后驱动块，与所述压电晶片组的另一端相连接；电极片，位于所述压电晶片组中每个压电晶片的上下两侧；预应力螺栓；与该预应力螺栓配合的组装螺孔，位于所述前驱动块上；其中，所述前驱动块、所述后驱动块、所述电极片、所述压电晶片组通过所述预应力螺栓和所述组装螺栓的旋紧，固定连接。

优选地，所述压电晶片组位于所述振子的轴线的中心位置。

优选地，所述振子还包括：输出端连接螺孔，位于所述前驱动块上，用于和位于振子连接端上的螺栓配合，将所述振子和所述调幅器相连接。

优选地，所述安装法兰位于所述调幅器的轴线的中心位置。

优选地，所述第一端和所述第二端之间通过第三端连接，其中，所述第三端沿着所述调幅器的轴线的剖面在所述调幅器的纵切面上的投影为圆弧。

优选地，所述调幅器还包括：

连接螺孔，与焊接机上的焊头相连接，组成焊接单元。

优选地，所述第二端的半径小于所述安装法兰的半径。

另一方面，提供了一种超声波焊接机，包括：上述的超声波换能器。

优选地，所述超声波换能器通过所述安装法兰固定在焊接机的机架上。

通过上述技术方案，将振子连接端设计为两端，第二端可以满足相关技术中的法兰安装要求，可以根据需要设置第一端的半径，第一端的半径比第二端的半径大，这样就可以按照需要增大结构增益。相关技术中超声波换能器包括：两部分。分别为振子和调幅器，由振子的震动带动与该振子连接的调幅器震动，相关技术中的调幅器一般采用锥形或柱形结构，由于调幅器的增益和其两侧的质量比成正比，因此，为了增大调幅器的增益，因此需要增大调幅器两侧的质量比，相关技术中采用的锥形或柱形结构都会受到具体形状的限制。所以，采用本申请提供的技术方案，可以克服相关技术中增大结构增益受形状限制的技术问题，从而达到了不受形状限制提高结构增益的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的调幅器的结构示意图一：

图2是根据相关技术的调幅器的结构示意图二；

图3是根据本实用新型实施例的超声波换能器的结构示意图；

图4是根据本实用新型优选实施例的超声波振子结构示意图；

图5是根据本实用新型优选实施例的超声波调幅器结构示意图；

图6是根据本实用新型优选实施例的换能器整体结构示意图；

图7是根据本实用新型实施例的超声波焊接机的结构示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供了一种超声波换能器，该超声波换能器包括：振子和调幅器，图3是根据本实用新型实施例的超声波调幅器结构示意图，如图3所示，该调幅器包括：安装法兰11；振子连接端15，其中，振子连接端15包括：第一端13和第二端14，其中，第一端13与振子相连接，第二端14与安装法兰11相连接，第一端13的半径大于第二端14的半径。

在上述技术方案中，将振子连接端设计为两端，第二端可以满足相关技术中的法兰安装要求，可以根据需要设置第一端的半径，第一端的半径比第二端的半径大，这样就可以按照需要增大结构增益。在相关技术中，由振子的震动带动与该振子连接的调幅器震动，且调幅器一般采用锥形或柱形结构，由于调幅器的增益和其两侧的质量比成正比，因此，为了增大调幅器的增益，因此需要增大调幅器两侧的质量比，采用的锥形或柱形结构都会受到具体形状的限制。所以，上述实施例中调幅器的结构，可以克服相关技术中增大结构增益受形状限制的技术问题，从而达到了不受形状限制提高结构增益的技术效果。

作为另一个较优的实施方式，振子可以包括：压电晶片组；前驱动块，前驱动块的一端与压电晶片组的一端相连接，前驱动块的另一端与振子连接端的第一端相连接，其中，前驱动块为阶梯型结构；后驱动块，与压电晶片组的另一端相连接；电极片，位于压电晶片组中每个压电晶片的上下两侧；预应力螺栓；与该预应力螺栓配合的组装螺孔，位于前驱动块上；其中，前驱动块、后驱动块、电极片、压电晶片组通过预应力螺栓和组装螺栓的旋紧，固定连接。

在该优选实施方式中，前驱动块为阶梯结构，这样的结构可以减小前驱动块的前端的半径来减小输出端的质量，由于振子的结构增益与各自节点两端的质量比是成正比的，所以将前驱动块设置为阶梯结构，这样对于振子的中心位置来说，其上部的后驱动块和下部的前驱动块的质量比会增大，从而增大了结构增益。

比较优的，压电晶片组位于振子的轴线的中心位置。该优选实施方式可以降低压电晶片组由于震动带来的发热量。因为振子1在交变电流的作用下以谐振频率发生周期性的伸张压缩形变，在输出轴向振幅的同时，径向也会周期性的产生形变。在超声波换能器两端轴向形变最大，径向形变最小；而中间节点位置正相反，径向形变最大，轴向形变最小，这样，当压电晶片5靠近中心位置时，由于轴向形变最小，所以其自身的发热量就会较低。

优选地，振子还包括：输出端连接螺孔，位于前驱动块上，用于和位于振子连接端上的螺栓配合，将振子和调幅器相连接。该优选实施方式实现了振子和调幅器的连接。

作为另一个较优的实施方式，安装法兰位于调幅器的轴线的中心位置。这种方式，既能够方便超声波换能器同机架的安装，同时振子的压电晶片因不受安装条件的限制可以靠近超声波换能器的节点位置(轴向中心位置)，由于轴向的位移变化变小，因此也在一定程度上减少了压电晶片其自身的发热。

作为再一个较优的实施方式，振子的第一端和第二端之间通过第三端连接，其中，第三端沿着调幅器的轴线的剖面在调幅器的纵切面上的投影为圆弧。该优选实施方式中采用第三端衔接第一端和第二端，保证了材料应力能够平缓的变化。

优选地，调幅器还包括：连接螺孔，与焊接机上的焊头相连接，组成焊接单元。该优选实施方式，通过连接螺孔将调幅器和焊接机上的焊头相连接。

作为另一个较优的实施方式，第二端的半径小于安装法兰的半径。该优选实施方式中的第二端的半径小于安装法兰的半径，使得保证超声波换能器能够和目前市场上通用的机架进行组装，以节省成本。

优选实施例 

本优选实施例提供了一种超声波换能器，该超声波换能器可以应用于超声波焊接设备(超声波焊接机)中，其可以与超声波焊头组成焊接单元，安装在焊接机机架上，作用于焊接区域。在机架运动控制系统和超声波发生器的联合作用下，实现对零件的自动焊接。

本实施例提供的超声波换能器包括：振子1(如图4所示)和调幅器2(如图5所示)，下面对振子1和调幅器2的结构进行详细说明。

振子1包括：预应力螺栓3，后驱动块4、压电晶片5、电极片6和前驱动块7，在前驱动块7上设置有组装螺孔8，其中，后驱动块4、压电晶片5、电极片6和前驱动块7通过预应力螺栓3和组装螺孔8的旋紧而紧固。

作为另一个较优的实施方式，本优选实施例中的压电晶片5设计在节点附近，这样的方式，使得压电晶片5越靠近中心位置，自身的发热量越低，能量转换效率越高。这是因为：根据夹心式振子的技术特点，振子1在交变电流的作用下以谐振频率发生周期性的伸张压缩形变，在输出轴向振幅的同时，径向也会周期性的产生形变。在超声波换能器两端轴向形变最大，径向形变最小；而中间节点位置正相反，径向形变最大，轴向形变最小，这样，当压电晶片5靠近中心位置时，由于轴向形变最小，所以其自身的发热量就会较低。

作为另一个优选的实施方式，振子1的前驱动块7为阶梯结构，这样的结构可以减小前驱动块的前端的半径来减小输出端的质量，由于振子的结构增益与各自节点两端的质量比是成正比的，所以将前驱动块7设置为阶梯结构，这样对于振子的中心位置来说，其上部的后驱动块4和下部的前驱动块7的质量比会增大，从而增大了结构增益，在一定程度上增大了输出振幅。

作为一个较优的实施方式，前驱动块7的输出端设置有连接螺孔9。振子1通过输出端连接螺孔9和连接螺丝10与调幅器2相连接(如图6所示)。

优选地，振子1通过电极片6的引线同外部电源的接通。

作为另一个较优的实施方式，调幅器2设计有安装法兰11和连接螺孔12。通过连接螺孔12与焊头相连接组成焊接单元，通过安装法兰11与机架进行装配。

优选地，调幅器2的节点前端设计成两段半径，第一半径的部分13和第二半径的部分14，两段不同半径的部分之间通过过渡部分151来链接，其中，过渡部分在轴向的切面在调幅器纵截面上的投影为圆弧。将调幅器设置为两部分，且两部分的半径不同，增大第一半径部分的半径，第一半径部分和第二半径部分的质量比就会增大，这样调幅器的结构增益就会加大。通过将调幅器2的前端的半径设计成两段，其中第一段半径的部分13用于增加节点前端质量，提高增益，第二段半径的部分14可以考虑安装的通用性要求，保证超声波换能器能够和目前市场上通用的机架进行组装，以节省成本，衔接两段半径的圆弧的部分保证了材料应力能够平缓的变化。这样的结构能够在满足安装要求的前提下，最大程度地提高调幅器的结构增益，从而提高换能器的整体振幅，提高功率，而且能够使内部应力更均匀地分布以延长材料使用寿命。

这样，结合上述优选实施方式，振子和调幅器可以为超声波换能器带来二次振幅的放大。第一次放大，考虑到晶片发热和材料应力的限制，先通过前驱动块7将振幅第一次放大，再通过设计调幅器2的结构增益将振幅二次放大，这样既能提高换能器的总体振幅，又避免了材料内部应力的过分集中，延长使用寿命。

作为另一个较优的实施方式，将安装法兰11设置在调幅器2的轴向的中心位置，这种方式，既能够方便超声波换能器同机架的安装，同时振子的压电晶片5因不受安装条件的限制可以靠近超声波换能器的节点位置(轴向中心位置)，由于轴向的位移变化变小，因此也在一定程度上减少了压电晶片5其自身的发热。

下面结合图4的结构，对超声波换能器的振子的工作方式进行描述。

通过电极片6在压电晶片5两端施加一定频率的交变电压，由于压电材料在施加电压时产生的逆压电效应，压电晶片就会随着电压极性的变化在压电晶片5的厚度(轴向)方向上产生伸张压缩的形变，形变的频率和交变电压的频率是一致的，形变的幅度和电压值成正比。

振子1在压电晶片5的驱动下发生简谐振动，并通过前驱动块7和后驱动块4的结构增益将振幅第一次放大。调幅器2的固有频率可以设计成和振子1 的简谐振动频率一致，这样在振子的激励下，调幅器2发生共振并将振幅二次放大。整个超声波换能器以共振的方式产生高频振动，从而把电能转化为机械能，并通过焊头传递至焊接区域，从而实现焊接的目的。

通过上述实施例，超声波换能器通过振子和调幅器对振幅进行二次放大，并将压电晶片设计在节点位置，调幅器同振子的连接端设计成二段不同半径的结构，超声波换能器的总体振幅可以分别通过振子和调幅器的结构增益进行一次放大和二次放大，这样可以避免材料的内部应力过于集中，提高超声波换能器的能量转换效率和使用寿命。另外，超声波换能器的前驱动块可以采用阶梯式结构设计，并将压电晶片设计在节点位置(轴线的中心位置)。调幅器的前端(同振子连接端)采用二段半径，用以提高振幅和满足安装法兰的安装要求。

本实施例提供了一种焊接机，该焊接机可以包括超声波换能器，该超声波换能器可以采用上述实施例及其优选实施方式中的超声波换能器，超声波换能器可以通过安装法兰固定在焊接机的机架上。通过该优选实施方式，超声波换能器可以通过安装法兰与焊接机的机架相连接。

图7是根据本实用新型实施例的焊接机的示意图，如图7所示，该焊接机包括：超声波发生器16、超声波换能器的振子17、超声波换能器的调幅器18、焊头19、工件20，图7中箭头方向是振动方向，下面结合图7对焊接机的工作流程进行描述。

超声波发生器16，将产生高频率的电信号，然后产生的电信号加载到超声波换能器的振子17，通过超声波换能器的振子17将电能转换为超声波振动，带动超声波换能器的调幅器18和焊头19沿着振动方向进行简谐振动。随着焊头19的振动，将超声波能量作用到工件20上，实现对工件20的焊接。

通过上述实施例及其优选实施方式，提供了一种超声波换能器及焊接机。通过该技术方案，通过特殊的零件设计和结构装配，既能够满足高振幅的要求，又能够均匀分布材料的内部应力，延长其使用寿命，同时，也不会增加自身发热，提高能量转化效率，从而有效地提高换能器的功率。需要说明的是，这些技术效果并不是上述所有的实施方式所具有的，有些技术效果是某些优选实施方式才能取得的。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声波换能器，包括：振子和调幅器，其特征在于，所述调幅器包括：

安装法兰；

振子连接端，其中，所述振子连接端包括：第一端和第二端，其中，所述第一端与所述振子相连接，所述第二端与所述安装法兰相连接，所述第一端的半径大于所述第二端的半径。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其特征在于，所述振子包括：

压电晶片组；

前驱动块，所述前驱动块的一端与所述压电晶片组的一端相连接，所述前驱动块的另一端与所述振子连接端的第一端相连接，其中，所述前驱动块为阶梯型结构；

后驱动块，与所述压电晶片组的另一端相连接；

电极片，位于所述压电晶片组中每个压电晶片的上下两侧；

预应力螺栓；

与该预应力螺栓配合的组装螺孔，位于所述前驱动块上；

其中，所述前驱动块、所述后驱动块、所述电极片、所述压电晶片组通过所述预应力螺栓和所述组装螺栓的旋紧，固定连接。

3.根据权利要求2所述的超声波换能器，其特征在于，所述压电晶片组位于所述振子的轴线的中心位置。

4.根据权利要求2所述的超声波换能器，所述振子还包括：

输出端连接螺孔，位于所述前驱动块上，用于和位于振子连接端上的螺栓配合，将所述振子和所述调幅器相连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波换能器，其特征在于，

所述安装法兰位于所述调幅器的轴线的中心位置。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波换能器，其特征在于，所述第一端和所述第二端之间通过第三端连接，其中，所述第三端沿着所述调幅器的轴线的剖面在所述调幅器的纵切面上的投影为圆弧。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波换能器，其特征在于，所述调幅器还包括：

连接螺孔，与焊接机上的焊头相连接，组成焊接单元。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波换能器，其特征在于，

所述第二端的半径小于所述安装法兰的半径。

9.一种焊接机，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的超声波换能器。

10.根据权利要求9所述的焊接机，其特征在于，

所述超声波换能器通过所述安装法兰固定在焊接机的机架上。