zprávy

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Úvodní slovo

S rozvojem ultrazvukové technologie je její aplikace stále rozsáhlejší, lze ji použít k čištění drobných částic nečistot a lze ji také použít ke svařování kovů nebo plastů. Zejména v dnešních plastových výrobcích se většinou používá ultrazvukové svařování, protože je vynechána struktura šroubů, vzhled může být dokonalejší a je zajištěna také funkce hydroizolace a protipožární ochrany. Konstrukce plastové svařovací houkačky má významný dopad na konečnou kvalitu svařování a výrobní kapacitu. Při výrobě nových elektrických měřičů se používají ultrazvukové vlny ke spojení horní a dolní strany. Během používání se však zjistilo, že na stroji jsou nainstalovány některé houkačky a praskly a v krátké době došlo k jiným poruchám. Nějaký svařovací roh Míra vad je vysoká. Různé poruchy měly značný dopad na výrobu. Podle porozumění mají dodavatelé zařízení omezené konstrukční možnosti pro houkačku a často kvůli opakovaným opravám, aby dosáhli indikátorů návrhu. Proto je nutné použít naše vlastní technologické výhody k vývoji odolného klaksonu a rozumné konstrukční metody.

2 Princip ultrazvukového svařování plastů

Ultrazvukové svařování plastů je metoda zpracování, která využívá kombinaci termoplastů ve vysokofrekvenčních nucených vibracích a svařovací povrchy se o sebe třou a vytvářejí místní vysokoteplotní tavení. K dosažení dobrých výsledků ultrazvukového svařování je zapotřebí vybavení, materiály a parametry procesu. Následuje stručný úvod do jeho principu.

2.1 Ultrazvukový systém pro svařování plastů

Obrázek 1 je schematický pohled na svařovací systém. Elektrická energie prochází generátorem signálu a výkonovým zesilovačem a vytváří střídavý elektrický signál s ultrazvukovou frekvencí (> 20 kHz), který je aplikován na převodník (piezoelektrická keramika). Prostřednictvím převodníku se elektrická energie stává energií mechanických vibrací a amplituda mechanických vibrací je nastavena houkačkou na příslušnou pracovní amplitudu a poté rovnoměrně přenášena na materiál, který je s ní v kontaktu. Kontaktní plochy obou svařovacích materiálů jsou vystaveny vysokofrekvenčním nuceným vibracím a třecí teplo generuje lokální vysokoteplotní tavení. Po ochlazení se materiály spojí, aby se dosáhlo svařování.

Ve svařovacím systému je zdrojem signálu část obvodu, která obsahuje obvod výkonového zesilovače, jehož frekvenční stabilita a schopnost pohonu ovlivňují výkon stroje. Materiál je termoplast a při návrhu povrchu spoje je třeba zvážit, jak rychle generovat teplo a dokovat. Měniče, houkačky a houkačky lze považovat za mechanické konstrukce pro snadnou analýzu vazby jejich vibrací. Při svařování plastů se mechanické vibrace přenášejí ve formě podélných vln. Jak efektivně přenášet energii a nastavit amplitudu je hlavním bodem návrhu.

2.2horn

Houkačka slouží jako kontaktní rozhraní mezi ultrazvukovým svařovacím strojem a materiálem. Jeho hlavní funkcí je přenášet podélné mechanické vibrace vydávané variátorem rovnoměrně a efektivně na materiál. Použitým materiálem je obvykle vysoce kvalitní hliníková slitina nebo dokonce slitina titanu. Protože se design plastových materiálů hodně mění, vzhled je velmi odlišný a podle toho se musí změnit i klakson. Tvar pracovní plochy by měl být dobře sladěn s materiálem, aby nedošlo k poškození plastu při vibracích; současně by měla být pevná frekvence podélných vibrací prvního řádu koordinována s výstupní frekvencí svařovacího stroje, jinak bude energie vibrací spotřebována interně. Když vibruje houkačka, dochází k místní koncentraci stresu. Jak optimalizovat tyto místní struktury je také úvaha o návrhu. Tento článek zkoumá, jak použít konstrukční roh ANSYS k optimalizaci konstrukčních parametrů a výrobních tolerancí.

3 design svařovací houkačky

Jak již bylo zmíněno dříve, konstrukce svařovací houkačky je velmi důležitá. V Číně existuje mnoho dodavatelů ultrazvukového zařízení, které vyrábějí své vlastní svařovací rohy, ale značná část z nich jsou napodobeniny a pak je neustále ořezávají a testují. Prostřednictvím této metody opakovaného nastavení je dosaženo koordinace houkačky a frekvence zařízení. V tomto článku lze metodu konečných prvků použít k určení frekvence při navrhování klaksonu. Výsledek zkoušky houkačky a chyba návrhové frekvence jsou pouze 1%. Současně tento článek představuje koncept DFSS (Design For Six Sigma) pro optimalizaci a robustní design houkačky. Koncept designu 6-Sigma je plně shromáždit hlas zákazníka v procesu návrhu pro cílený design; a předběžné zvážení možných odchylek ve výrobním procesu, aby se zajistilo, že kvalita konečného produktu bude distribuována na rozumné úrovni. Proces návrhu je znázorněn na obrázku 2. Počínaje vývojem indikátorů návrhu jsou struktura a rozměry klaksonu původně navrženy podle stávajících zkušeností. Parametrický model je vytvořen v ANSYS a poté je model určen metodou návrhu simulačního experimentu (DOE). Důležité parametry podle robustních požadavků určují hodnotu a poté pomocí metody dílčího problému optimalizují další parametry. S ohledem na vliv materiálů a parametrů prostředí během výroby a používání klaksonu byl také navržen s tolerancemi, aby splňoval požadavky na výrobní náklady. A konečně, výrobní, testovací a testovací teorie design a skutečné chyby, ke splnění návrhových indikátorů, které jsou dodávány. Následující podrobný úvod krok za krokem.

20200117113651_36685

3.1 Návrh geometrického tvaru (vytvoření parametrického modelu)

Návrh svařovací houkačky nejprve určí její přibližný geometrický tvar a strukturu a vytvoří parametrický model pro následnou analýzu. Obrázek 3 a) je návrh nejběžnějšího svařovacího klaksonu, u kterého se otevírá řada drážek ve tvaru písmene U ve směru vibrací na materiálu přibližně kvádru. Celkové rozměry jsou délky ve směrech X, Y a Z a boční rozměry X a Y jsou obecně srovnatelné s velikostí svařovaného obrobku. Délka Z se rovná polovině vlnové délky ultrazvukové vlny, protože v klasické teorii vibrací je axiální frekvence prvního řádu podlouhlého objektu určena jeho délkou a délka půlvlny je přesně shodná s akustickou vlnová frekvence. Tento design byl rozšířen. Použití je výhodné pro šíření zvukových vln. Účelem drážky ve tvaru písmene U je snížit ztrátu bočních vibrací klaksonu. Poloha, velikost a počet se určují podle celkové velikosti klaksonu. Je vidět, že v tomto návrhu je méně parametrů, které lze volně regulovat, takže jsme na tomto základě provedli vylepšení. Obrázek 3 b) je nově navržený roh, který má ještě jeden parametr velikosti než tradiční design: vnější poloměr oblouku R. Kromě toho je na pracovní ploše rohu vyrytá drážka, aby spolupracovala s povrchem plastového obrobku, což je výhodné pro přenos vibrační energie a ochranu obrobku před poškozením. Tento model je rutinně parametricky modelován v ANSYS a poté v dalším experimentálním návrhu.

3.2 Experimentální návrh DOE (stanovení důležitých parametrů)

DFSS je vytvořen k řešení praktických technických problémů. Nesleduje dokonalost, ale je efektivní a robustní. Ztělesňuje myšlenku 6-Sigma, zachycuje hlavní rozpor a opouští „99,97%“, přičemž vyžaduje, aby byl design zcela odolný vůči proměnlivosti prostředí. Proto by měl být před provedením optimalizace cílového parametru nejprve prověřen a měla by být vybrána velikost, která má důležitý vliv na strukturu, a jejich hodnoty by měly být určeny podle principu robustnosti.

3.2.1 Nastavení parametrů DOE a DOE

Konstrukčními parametry jsou tvar rohu a velikostní poloha drážky ve tvaru písmene U atd., Tedy celkem osm. Cílovým parametrem je frekvence axiálních vibrací prvního řádu, protože má největší vliv na svar a maximální koncentrované napětí a rozdíl v amplitudě pracovní plochy jsou omezeny jako stavové proměnné. Na základě zkušeností se předpokládá, že vliv parametrů na výsledky je lineární, takže každý faktor je nastaven pouze na dvě úrovně, vysokou a nízkou. Seznam parametrů a příslušných názvů je následující.

DOE se provádí v ANSYS pomocí dříve zavedeného parametrického modelu. Kvůli softwarovým omezením může plněfaktorový DOE používat pouze až 7 parametrů, zatímco model má 8 parametrů a analýza výsledků DOE ANSYS není tak komplexní jako profesionální software 6-sigma a nedokáže zvládnout interakci. Proto používáme APDL k napsání smyčky DOE pro výpočet a extrakci výsledků programu a poté vložíme data do Minitabu pro analýzu.

3.2.2 Analýza výsledků DOE

Analýza DOE společnosti Minitab je uvedena na obrázku 4 a zahrnuje analýzu hlavních ovlivňujících faktorů a analýzu interakcí. Analýza hlavních ovlivňujících faktorů se používá k určení, které změny návrhové proměnné mají větší dopad na cílovou proměnnou, což naznačuje, které jsou důležité návrhové proměnné. Interakce mezi faktory se poté analyzuje, aby se určila úroveň faktorů a snížil stupeň vazby mezi návrhovými proměnnými. Porovnejte stupeň změny ostatních faktorů, když je návrhový faktor vysoký nebo nízký. Podle nezávislého axiomu není optimální design vzájemně spojen, proto zvolte úroveň, která je méně variabilní.

Výsledky analýzy svařovacího klaksonu v tomto článku jsou: důležitými konstrukčními parametry jsou vnější poloměr oblouku a šířka štěrbiny klaksonu. Úroveň obou parametrů je „vysoká“, to znamená, že poloměr má v DOE větší hodnotu a šířka drážky také větší hodnotu. Byly stanoveny důležité parametry a jejich hodnoty a poté bylo k optimalizaci návrhu v ANSYS použito několik dalších parametrů k úpravě frekvence houkačky tak, aby odpovídala pracovní frekvenci svářečky. Proces optimalizace je následující.

3.3 Optimalizace cílového parametru (frekvence klaksonu)

Nastavení parametrů optimalizace návrhu je podobné jako u DOE. Rozdíl je v tom, že byly stanoveny hodnoty dvou důležitých parametrů a další tři parametry souvisejí s vlastnostmi materiálu, které jsou považovány za hluk a nelze je optimalizovat. Zbývající tři parametry, které lze upravit, jsou axiální poloha štěrbiny, délka a šířka houkačky. Optimalizace využívá metodu aproximace dílčích problémů v ANSYS, což je široce používaná metoda v technických problémech, a konkrétní proces je vynechán.

Stojí za zmínku, že použití frekvence jako cílové proměnné vyžaduje trochu dovednosti v ovládání. Protože existuje mnoho konstrukčních parametrů a široká škála variací, jsou vibrační režimy klaksonu mnoho v požadovaném frekvenčním rozsahu. Pokud se přímo použije výsledek modální analýzy, je obtížné najít axiální režim prvního řádu, protože při změně parametrů může dojít k prokládání modální sekvence, tj. Přirozené frekvence ordinal odpovídající původnímu režimu. Proto tento článek nejprve přijímá modální analýzu a poté používá metodu modální superpozice k získání křivky frekvenční odezvy. Vyhledáním špičkové hodnoty křivky frekvenční odezvy může zajistit odpovídající modální frekvenci. To je v procesu automatické optimalizace velmi důležité, což eliminuje potřebu ručně určit modalitu.

Po dokončení optimalizace může být návrhová pracovní frekvence houkačky velmi blízká cílové frekvenci a chyba je menší než hodnota tolerance specifikovaná v optimalizaci. V tomto okamžiku je v zásadě určen design houkačky, po kterém následují výrobní tolerance pro výrobní design.

20200117113652_29938

3.4 Návrh tolerance

Obecný konstrukční návrh je dokončen poté, co byly stanoveny všechny konstrukční parametry, ale pro technické problémy, zejména při zohlednění nákladů na hromadnou výrobu, je zásadní návrh tolerance. Snižují se také náklady na nízkou přesnost, ale schopnost splňovat metriky návrhu vyžaduje statistické výpočty pro kvantitativní výpočty. Systém návrhu pravděpodobnosti PDS v ANSYS může lépe analyzovat vztah mezi tolerancí návrhových parametrů a tolerancí cílových parametrů a může generovat kompletní související soubory zpráv.

3.4.1 Nastavení a výpočty parametrů PDS

Podle myšlenky DFSS by měla být analýza tolerancí provedena na důležitých konstrukčních parametrech a další obecné tolerance lze určit empiricky. Situace v tomto článku je zcela zvláštní, protože podle schopnosti obrábění je výrobní tolerance geometrických návrhových parametrů velmi malá a má malý vliv na konečnou frekvenci houkačky; zatímco parametry surovin jsou velmi odlišné kvůli dodavatelům a cena surovin představuje více než 80% nákladů na zpracování rohů. Proto je nutné nastavit přiměřený toleranční rozsah pro vlastnosti materiálu. Relevantní vlastnosti materiálu zde jsou hustota, modul pružnosti a rychlost šíření zvukové vlny.

Analýza tolerance využívá náhodnou simulaci Monte Carlo v ANSYS k vzorkování metody Latin Hypercube, protože může zajistit rovnoměrnější a rozumnější rozložení vzorkovacích bodů a získat lepší korelaci o méně bodů. Tento článek stanoví 30 bodů. Předpokládejme, že tolerance tří materiálových parametrů jsou rozloženy podle Gauss, nejprve dána horní a dolní mez, a poté vypočítána v ANSYS.

3.4.2 Analýza výsledků PDS

Prostřednictvím výpočtu PDS jsou uvedeny hodnoty cílové proměnné odpovídající 30 vzorkovacím bodům. Distribuce cílových proměnných není známa. Parametry jsou opět přizpůsobeny pomocí softwaru Minitab a frekvence je v zásadě rozdělena podle normálního rozdělení. Tím je zajištěna statistická teorie analýzy tolerance.

Výpočet PDS poskytuje vhodný vzorec od návrhové proměnné k rozšíření tolerance cílové proměnné: kde y je cílová proměnná, x je návrhová proměnná, c je korelační koeficient a i je počet proměnných.

Podle toho lze cílové toleranci přiřadit každé konstrukční proměnné k dokončení úkolu návrhu tolerance.

3.5 Experimentální ověření

Přední část je procesem návrhu celé svařovací houkačky. Po dokončení jsou suroviny nakupovány v souladu s materiálovými tolerancemi povolenými konstrukcí a poté dodávány do výroby. Frekvenční a modální testování se provádí po dokončení výroby a použitá testovací metoda je nejjednodušší a nejúčinnější testovací metodou odstřelovače. Protože nejdůležitějším indexem je axiální modální frekvence prvního řádu, je snímač zrychlení připojen k pracovní ploše a druhý konec je zasažen v axiálním směru a skutečnou frekvenci houkačky lze získat spektrální analýzou. Výsledek simulace návrhu je 14925 Hz, výsledek zkoušky je 14954 Hz, frekvenční rozlišení je 16 Hz a maximální chyba je menší než 1%. Je vidět, že přesnost simulace konečných prvků v modálním výpočtu je velmi vysoká.

Po absolvování experimentální zkoušky je klakson uveden do výroby a montáže na ultrazvukovém svařovacím stroji. Podmínky reakce jsou dobré. Práce je stabilní déle než půl roku a míra kvalifikace svařování je vysoká, což překročilo tříměsíční životnost slíbenou výrobcem obecného zařízení. To ukazuje, že design je úspěšný a výrobní proces nebyl opakovaně upravován a upravován, což šetří čas a pracovní sílu.

4 Závěr

Tento článek začíná na principu ultrazvukového svařování plastů, hluboce uchopuje technické zaměření svařování a navrhuje koncepční návrh nového klaksonu. Poté použijte výkonnou simulační funkci konečných prvků ke konkrétní analýze návrhu a představte 6-Sigma návrhovou myšlenku DFSS a ovládejte důležité parametry návrhu pomocí experimentálního návrhu ANSYS DOE a analýzy tolerance PDS k dosažení robustního návrhu. Nakonec byla houkačka úspěšně vyrobena jednou a návrh byl rozumný díky experimentální zkoušce frekvence a skutečnému ověření výroby. Rovněž dokazuje, že tato sada návrhových metod je proveditelná a efektivní.


Čas zveřejnění: listopad 04-2020