Nyheter

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Förord

Med utvecklingen av ultraljudsteknik blir dess applikation mer och mer omfattande, den kan användas för att rengöra små smutspartiklar och den kan också användas för svetsning av metall eller plast. Speciellt i dagens plastprodukter används ultraljudssvetsning mestadels, eftersom skruvstrukturen är utelämnad, utseendet kan vara mer perfekt, och funktionen för vattentätning och dammtätning tillhandahålls också. Utformningen av plastsvetshornet har en viktig inverkan på den slutliga svetskvaliteten och produktionskapaciteten. Vid tillverkningen av nya elektriska mätare används ultraljudsvågor för att smälta samman övre och nedre ytorna. Under användning har det emellertid konstaterats att vissa horn installeras på maskinen och spricker och andra fel inträffar på kort tid. Något svetshorn. Felhastigheten är hög. Olika fel har påverkat produktionen avsevärt. Enligt överenskommelsen har utrustningsleverantörer begränsade designmöjligheter för horn och ofta genom upprepade reparationer för att uppnå designindikatorer. Därför är det nödvändigt att använda våra egna tekniska fördelar för att utveckla hållbart horn och en rimlig designmetod.

2 Ultraljudssvetsning av plast

Ultraljudssvetsning av plast är en bearbetningsmetod som använder kombinationen av termoplaster i den högfrekventa tvångsvibrationen och svetsytorna gnuggar mot varandra för att producera lokal högtemperatursmältning. För att uppnå bra ultraljudssvetsresultat krävs utrustning, material och processparametrar. Följande är en kort introduktion till dess princip.

2.1 Ultraljudssvetsningssystem i plast

Figur 1 är en schematisk vy av ett svetssystem. Den elektriska energin leds genom signalgeneratorn och effektförstärkaren för att producera en alternerande elektrisk signal med ultraljudfrekvens (> 20 kHz) som matas till givaren (piezoelektrisk keramik). Genom omvandlaren blir den elektriska energin den mekaniska vibrationens energi, och amplituden hos den mekaniska vibrationen justeras av hornet till lämplig arbetsamplitud och överförs sedan enhetligt till materialet i kontakt med det genom hornet. Kontaktytorna på de två svetsmaterialen utsätts för högfrekvent tvångsvibration och friktionsvärmen genererar lokal högtemperatursmältning. Efter kylning kombineras materialen för att uppnå svetsning.

I ett svetssystem är signalkällan en kretsdel som innehåller en effektförstärkarkrets vars frekvensstabilitet och drivenhet påverkar maskinens prestanda. Materialet är termoplastiskt, och utformningen av fogytan måste överväga hur man snabbt genererar värme och dockar. Omvandlare, horn och horn kan alla betraktas som mekaniska strukturer för enkel analys av kopplingen av deras vibrationer. Vid plastsvetsning överförs mekanisk vibration i form av längsgående vågor. Hur man effektivt överför energi och justerar amplituden är designens viktigaste punkt.

2.2horn

Hornet fungerar som kontaktgränssnitt mellan ultraljudssvetsmaskinen och materialet. Dess huvudsakliga funktion är att överföra den längsgående mekaniska vibrationen som matats ut av variatorn jämnt och effektivt till materialet. Det använda materialet är vanligtvis högkvalitativ aluminiumlegering eller till och med titanlegering. Eftersom designen av plastmaterial förändras mycket är utseendet väldigt annorlunda och hornet måste ändras därefter. Arbetsytans form bör vara väl anpassad till materialet för att inte skada plasten när den vibrerar; samtidigt bör den första ordningens fasta frekvens i längdriktningen samordnas med svetsmaskinens utgångsfrekvens, annars förbrukas vibrationsenergin internt. När hornet vibrerar uppstår lokal spänningskoncentration. Hur man optimerar dessa lokala strukturer är också en designhänsyn. Den här artikeln utforskar hur man använder ANSYS designhorn för att optimera designparametrar och tillverkningstoleranser.

3 svetshorn design

Som nämnts tidigare är svetshornets utformning ganska viktigt. Det finns många leverantörer av ultraljudsutrustning i Kina som producerar sina egna svetshorn, men en stor del av dem är imitationer och sedan trimmar och testar de ständigt. Genom denna upprepade justeringsmetod uppnås koordinationen av horn och utrustningsfrekvens. I det här dokumentet kan metoden med ändliga element användas för att bestämma frekvensen vid utformningen av hornet. Horntestresultatet och konstruktionsfrekvensfelet är bara 1%. Samtidigt introducerar denna artikel konceptet DFSS (Design For Six Sigma) för att optimera och robust design av horn. Konceptet med 6-Sigma design är att helt samla kundens röst i designprocessen för riktad design; och förhandsövervägande av eventuella avvikelser i produktionsprocessen för att säkerställa att kvaliteten på den slutliga produkten fördelas inom en rimlig nivå. Designprocessen visas i figur 2. Med utgångspunkt från utvecklingen av designindikatorerna är hornets struktur och dimensioner initialt utformade enligt befintlig erfarenhet. Den parametriska modellen upprättas i ANSYS och sedan bestäms modellen av simuleringsexperimentdesign (DOE) -metoden. Viktiga parametrar, enligt de robusta kraven, bestämmer värdet och använd sedan delproblemmetoden för att optimera andra parametrar. Med hänsyn till påverkan av material och miljöparametrar under tillverkningen och användningen av hornet har det också utformats med toleranser för att möta kraven på tillverkningskostnader. Slutligen, tillverkning, test och testteori design och faktiska fel för att möta de designindikatorer som levereras. Följande steg för steg detaljerad introduktion.

20200117113651_36685

3.1 Geometrisk formdesign (upprättande av en parametrisk modell)

Att utforma svetshornet bestämmer först dess ungefärliga geometriska form och struktur och skapar en parametrisk modell för efterföljande analys. Figur 3 a) är utformningen av det vanligaste svetshornet, i vilket ett antal U-formade spår öppnas i vibrationsriktningen på ett material av ungefär kuboid. De övergripande dimensionerna är längderna på X-, Y- och Z-riktningarna, och sidodimensionerna X och Y är i allmänhet jämförbara med storleken på arbetsstycket som svetsas. Längden på Z är lika med ultraljudsvågens halva våglängd, för i den klassiska vibrationsteorin bestäms den första ordningens axiella frekvens för det långsträckta objektet av dess längd och halvvågslängden matchas exakt med det akustiska vågfrekvens. Denna design har utökats. Användning är fördelaktig för spridningen av ljudvågor. Syftet med det U-formade spåret är att minska förlusten av sidovibrationer i hornet. Position, storlek och antal bestäms utifrån hornets totala storlek. Det kan ses att det i denna design finns färre parametrar som kan regleras fritt, så vi har gjort förbättringar på grundval av detta. Figur 3 b) är ett nydesignat horn som har en mer storleksparameter än den traditionella designen: den yttre bågradien R. Dessutom är spåret graverat på hornets arbetsyta för att samarbeta med ytan av plastarbetsstycket, vilket är fördelaktigt för att överföra vibrationsenergi och skydda arbetsstycket från skador. Denna modell modelleras rutinmässigt parametriskt i ANSYS och sedan nästa experimentella design.

3.2 DOE experimentell design (bestämning av viktiga parametrar)

DFSS är skapat för att lösa praktiska tekniska problem. Det strävar inte efter perfektion, men är effektivt och robust. Den förkroppsligar idén om 6-Sigma, fångar den huvudsakliga motsättningen och överger "99,97%", samtidigt som designen måste vara ganska motståndskraftig mot miljövariationer. Innan målparameteroptimeringen görs, bör den därför skärmas först och storleken som har ett viktigt inflytande på strukturen väljas och deras värden bör bestämmas enligt robusthetsprincipen.

3.2.1 DOE-parameterinställning och DOE

Designparametrarna är hornformen och storlekspositionen för det U-formade spåret etc., totalt åtta. Målparametern är den första ordningens axiella vibrationsfrekvens eftersom den har störst inflytande på svetsen, och den maximala koncentrerade spänningen och skillnaden i arbetsytans amplitud är begränsad som tillståndsvariabler. Baserat på erfarenhet antas att parametrarnas effekt på resultaten är linjär, så varje faktor är bara inställd på två nivåer, höga och låga. Listan över parametrar och motsvarande namn är som följer.

DOE utförs i ANSYS med den tidigare etablerade parametriska modellen. På grund av programvarubegränsningar kan DOE med full faktor endast använda upp till 7 parametrar, medan modellen har åtta parametrar och ANSYS analys av DOE-resultat är inte så omfattande som professionell 6-sigma-programvara och kan inte hantera interaktion. Därför använder vi APDL för att skriva en DOE-loop för att beräkna och extrahera programmets resultat och sedan lägga in data i Minitab för analys.

3.2.2 Analys av DOE-resultat

Minitabs DOE-analys visas i figur 4 och innehåller de viktigaste påverkansfaktorerna och interaktionsanalysen. Den viktigaste påverkansfaktoranalysen används för att bestämma vilka förändringar i designvariabler som har större inverkan på målvariabeln och därigenom indikera vilka som är viktiga designvariabler. Samspelet mellan faktorerna analyseras sedan för att bestämma faktorernas nivå och för att minska kopplingsgraden mellan designvariablerna. Jämför graden av förändring av andra faktorer när en designfaktor är hög eller låg. Enligt det oberoende axiomet är den optimala designen inte kopplad till varandra, så välj den nivå som är mindre variabel.

Analysresultaten för svetshornet i detta dokument är: de viktiga designparametrarna är den yttre bågradien och spårets bredd. Nivån för båda parametrarna är "hög", det vill säga radien tar ett större värde i DOE, och spårbredden tar också ett större värde. De viktiga parametrarna och deras värden bestämdes, och sedan användes flera andra parametrar för att optimera designen i ANSYS för att justera hornfrekvensen för att matcha svetsmaskinens arbetsfrekvens. Optimeringsprocessen är som följer.

3.3 Optimering av målparametrar (hornfrekvens)

Parameterinställningarna för designoptimeringen liknar DOE: s. Skillnaden är att värdena för två viktiga parametrar har bestämts, och de andra tre parametrarna är relaterade till materialegenskaperna, vilka betraktas som brus och inte kan optimeras. De återstående tre parametrarna som kan justeras är spårets axiella position, längd och hornbredd. Optimeringen använder subproblem approximationsmetoden i ANSYS, som är en allmänt använd metod för tekniska problem, och den specifika processen utelämnas.

Det är värt att notera att användning av frekvens som målvariabel kräver lite skicklighet i drift. Eftersom det finns många designparametrar och ett brett spektrum av variationer, är vibrationslägena för hornet många i frekvensområdet av intresse. Om resultatet av modalanalys används direkt är det svårt att hitta den första ordningens axiella läge, eftersom den modala sekvensinterfoliering kan inträffa när parametrarna ändras, det vill säga den naturliga frekvensordning som motsvarar det ursprungliga läget ändras. Därför antar detta dokument först modalanalysen och använder sedan metoden superposition för att erhålla frekvenskurvan. Genom att hitta toppvärdet för frekvenskurvan kan den säkerställa motsvarande modalfrekvens. Detta är mycket viktigt i den automatiska optimeringsprocessen, vilket eliminerar behovet av att manuellt bestämma modaliteten.

Efter att optimeringen har slutförts kan hornets konstruktionsfrekvens vara mycket nära målfrekvensen och felet är mindre än det toleransvärde som anges i optimeringen. Vid denna tidpunkt bestäms i princip horndesignen, följt av tillverkningstoleranser för produktionsdesign.

20200117113652_29938

3.4 Toleransdesign

Den allmänna konstruktionsdesignen har slutförts efter att alla designparametrar har fastställts, men för tekniska problem, särskilt när det gäller kostnaden för massproduktion, är toleransdesign avgörande. Kostnaden för låg precision minskas också, men förmågan att möta designmätvärden kräver statistiska beräkningar för kvantitativa beräkningar. PDS Probability Design System i ANSYS kan bättre analysera sambandet mellan designparametertolerans och målparametertolerans och kan generera fullständiga relaterade rapportfiler.

3.4.1 PDS-parameterinställningar och beräkningar

Enligt DFSS-idén bör toleransanalys utföras på viktiga designparametrar och andra allmänna toleranser kan bestämmas empiriskt. Situationen i detta dokument är ganska speciell, för enligt bearbetningens förmåga är tillverkningstoleransen för geometriska designparametrar mycket liten och har liten effekt på den slutliga hornfrekvensen. medan parametrarna för råvaror är mycket olika på grund av leverantörer och priset på råvaror står för mer än 80% av bearbetningskostnaderna för horn. Därför är det nödvändigt att ställa in ett rimligt toleransområde för materialegenskaperna. De relevanta materialegenskaperna här är densitet, elasticitetsmodul och hastighet för ljudvågsutbredning.

Toleransanalys använder slumpmässig Monte Carlo-simulering i ANSYS för att prova Latin Hypercube-metoden eftersom den kan göra fördelningen av provtagningspunkter mer enhetlig och rimlig och få bättre korrelation med färre punkter. Denna uppsats sätter 30 poäng. Antag att toleranserna för de tre materialparametrarna fördelas enligt Gauss, initialt ges en övre och nedre gräns och sedan beräknas i ANSYS.

3.4.2 Analys av PDS-resultat

Genom beräkningen av PDS ges målvariabelvärdena motsvarande 30 provtagningspunkter. Fördelningen av målvariablerna är okänd. Parametrarna monteras igen med hjälp av Minitab-programvaran och frekvensen fördelas i princip enligt normalfördelningen. Detta säkerställer den statistiska teorin för toleransanalys.

PDS-beräkningen ger en passande formel från designvariabeln till toleransutvidgningen för målvariabeln: där y är målvariabeln, x är designvariabeln, c är korrelationskoefficienten och i är det variabla antalet.

Enligt detta kan måltoleransen tilldelas varje designvariabel för att slutföra uppgiften med toleransdesign.

3.5 Experimentell verifiering

Den främre delen är designprocessen för hela svetshornet. Efter slutförandet köps råvarorna ut enligt de materialtoleranser som tillåts av konstruktionen och levereras sedan till tillverkningen. Frekvens- och modaltestning utförs efter att tillverkningen är klar, och testmetoden som används är den enklaste och mest effektiva testmetoden för sniper. Eftersom det mest berörda indexet är den första ordningens axiella modalfrekvens, är accelerationssensorn fäst vid arbetsytan och den andra änden träffas längs den axiella riktningen och hornets faktiska frekvens kan erhållas genom spektralanalys. Simuleringsresultatet för konstruktionen är 14925 Hz, testresultatet är 14954 Hz, frekvensupplösningen är 16 Hz och det maximala felet är mindre än 1%. Det kan ses att noggrannheten för den ändliga elementsimuleringen i modalberäkningen är mycket hög.

Efter att ha klarat det experimentella testet sätts hornet i produktion och monteras på ultraljudssvetsmaskinen. Reaktionstillståndet är bra. Arbetet har varit stabilt i mer än ett halvt år och svetskvalificeringsgraden är hög, vilket har överskridit den tre månaders livslängd som den allmänna utrustningstillverkaren lovat. Detta visar att designen är framgångsrik och tillverkningsprocessen har inte ändrats och justerats upprepade gånger, vilket sparar tid och arbetskraft.

4. Slutsats

Denna uppsats börjar med principen om ultraljudssvetsning av plast, tar djupt tag i svetsens tekniska fokus och föreslår designkonceptet för nytt horn. Använd sedan den kraftfulla simuleringsfunktionen för ändligt element för att analysera designen konkret, och introducera 6-Sigma designidén för DFSS, och kontrollera de viktiga designparametrarna genom ANSYS DOE experimentell design och PDS-toleransanalys för att uppnå robust design. Slutligen tillverkades hornet framgångsrikt en gång, och designen var rimlig genom det experimentella frekvensprovet och den faktiska produktionsverifieringen. Det bevisar också att denna uppsättning designmetoder är genomförbar och effektiv.


Inläggstid: Nov-04-2020