超聲波換能器、超聲波振動器和超聲波振動系統(tǒng)在當代社會，各種塑料制品已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領域。傳統(tǒng)的加工技術已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代塑料工業(yè)的發(fā)展需要。超聲波塑料焊接機在焊接塑料制品時不添加任何粘合劑、填料或溶劑，不消耗大量熱源。它具有操作簡單、焊接速度快、焊接強度高、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點。因此，超聲波焊接技術得到了越來越廣泛的應用。超聲換能器系統(tǒng)通常包括超聲換能器和超聲變幅桿，它們是超聲焊接的基本部件。良好的超聲波換能器是超聲波焊接的前提。

　　在電場的作用下，晶體中正電荷和負電荷的重心移動。這種極化偏移導致晶體變形。這就是所謂的逆壓電效應。超聲變幅桿是超聲加工設備中超聲振動系統(tǒng)的重要組成部分之一。在超聲振動系統(tǒng)的工作過程中，由于超聲換能器的輻射面產(chǎn)生的振動幅度較小，當工作頻率在20 khz范圍內(nèi)時，超聲焊接中超聲換能器的輻射面的幅度只有幾微米，所需的幅度在幾十到幾百微米左右。因此，有必要借助變幅桿放大機械振動粒子的位移和運動速度，將超聲波能量集中在較小的區(qū)域，產(chǎn)生能量收集效果。超聲波變幅桿還可以用作機械阻抗轉(zhuǎn)換器，以橋接傳感器和負載之間的阻抗匹配，從而超聲波可以更有效地從傳感器傳輸?shù)截撦d。2超聲波換能器系統(tǒng)設計超聲波塑料焊接機的換能器系統(tǒng)設計主要包括三個部分：超聲波換能器、超聲波變幅桿和焊接頭，如圖1所示。超聲波換能器主要由前端組成，后蓋板由夾在中間的陶瓷晶體層壓板組成。前后蓋。從圖1可以看出，傳感器的三個部分通過螺釘連接在一起。超聲換能器、超聲變幅桿、變幅桿和焊接頭通過雙頭螺栓連接在一起。在超聲波塑料焊接機中，由傳感器、焊接頭和超聲波焊接頭連接的系統(tǒng)稱為振動系統(tǒng)。通過在喇叭的橫截面上安裝喇叭，整個振動系統(tǒng)被固定在框架上。2.1超聲波換能器的設計超聲波塑料焊接機工作時，需要高頻縱向振動對塑料工件進行處理，使工件上下模具上下振動，焊接層熔化，達到焊接效果。因此，選擇的傳感器類型是結(jié)構(gòu)簡單的縱向復合傳感器。示意圖如圖2所示。前兩個是金屬蓋；第二個是金屬蓋。中間是壓電陶瓷晶體疊層，通常是縱向的偏光板或圓孔管或徑向極化的圓管。用壓力螺釘擰緊這三個零件。1.高強度應力棒

　　2.絕緣環(huán)

　　3.陶瓷板

　　4.后蓋

　　5.電線

　　6.傳播速度c=2418 m/s，陶瓷直徑D=60 mm，陶瓷板數(shù)n=2的前蓋壓電陶瓷體超聲陶瓷板設計。通過計算前后蓋板的長度和直徑，利用振動方程的一般解條件，不難得到頻率方程與前后振動速度的比值。前蓋的大小始終等于蓋下對應的頻率。為了分析1/4波長的彈性波傳播，前蓋長度為64 mm，后蓋采用低碳鋼，型號為45鋼。為了使換能器中后蓋板和陶瓷晶體疊層之間的連接彈性更好，后蓋板和陶瓷晶體疊層之間的連接部分由硬鋁代替。前蓋為硬鋁材質(zhì)，型號為2A01，直徑與陶瓷圓片相同。前蓋和后蓋是圓柱形的，并且具有與陶瓷晶片相同的直徑。后蓋的總長度可計算為48毫米。2.2 2超聲波變幅桿的設計根據(jù)超聲波塑料焊接機的工作條件，選擇變幅桿的類型；根據(jù)振幅放大倍數(shù)、波功率和振幅的關系，得出喇叭的尺寸，最后給出喇叭的設計。傳感器輸出a的幅度計算為0.0022m，喇叭的輸出幅度為0.02 mm，因此幅度放大系數(shù)為9.09，其中喇叭的輸出ve幅度vf為喇叭的輸出幅度。傳感器。因此，當選擇階梯喇叭時，放大系數(shù)不會很大，如圖3所示。選擇硬鋁作為喇叭的材料。杜拉的型號是2A01。喇叭小端的直徑是D6=20毫米。為了使喇叭輸出的最大幅度和速度l5=l6=64mm，喇叭的長度為l=l5l6=128mm。

　　步進式超聲波模具利用PRO-E軟件分析變幅桿的頻率。首先，根據(jù)喇叭的尺寸，利用PRO-E  3D軟件繪制喇叭的三維模型。其次，利用頻率分析工具對喇叭頻率進行分析，輸入的最小頻率值為20000Hz，材料為2A01，材料的彈性模量分別為0.7  105 MPa和0.3。最后，分析結(jié)果如圖4所示。喇叭輸出的振動頻率為20544Hz，與20 kHz的初始頻率相差不大，可以滿足設計要求。2.3超聲波焊接頭的設計超聲波塑料焊接機工作時，切割頭對工件的作用力約為30-50 N，所以作用力不大，屬于中等強度的工作狀態(tài)，可以選擇2A01硬質(zhì)鋁作為制造材料。為了使刀頭正常工作，連接到刀頭輸出端和喇叭的零件應匹配。匹配是指喇叭輸出和刀盤輸入之間的阻抗匹配。因此，在諧振頻率下，喇叭的輸出阻抗需要等于工具頭在其接合面上的輸入阻抗。根據(jù)以上知識，只有當它們的截面積相等時，它們的阻抗才相等。超聲波焊頭圖利用PRO-E軟件分析超聲波焊頭的頻率。首先，根據(jù)焊接頭的尺寸，利用PRO-E三維軟件繪制出工具頭的三維模型。其次，分析了刀頭的頻率，輸入的最小頻率值為20 kHz，材料為2A01，材料的彈性模量分別為0.7  105 MPa和0.3。從頻率分析可以看出，焊頭小端即圖上部的諧振頻率為20021Hz，與原來的超聲頻率20kHz相差不大。因此，刀頭的設計可以滿足設計要求，并可以與之結(jié)合使用。從傳感器通過喇叭傳遞到喇叭輸入端的振動會產(chǎn)生共振。超聲變幅桿的頻率分析根據(jù)任意變截面振動方程，在已知振子各部分坐標和邊界條件的情況下，求解振動方程的通解。最后，得到了通解附近的頻率方程以及超聲換能器各部分隨振動速度變化的邊界條件和應力分布方程。基于壓電陶瓷材料的特性等一系列知識，設計了一種超聲波換能器。根據(jù)超聲波塑料焊接機的工作條件，選擇喇叭的類型；根據(jù)振幅放大系數(shù)、波功率和振幅之間的關系，得到喇叭部分的尺寸。根據(jù)振動速度方程和變幅桿的通解，可以方便地計算變幅桿各部分的應力和振動速度分布。根據(jù)頻率方程和強度條件，設計了超聲波塑料焊接機的焊接頭。

　　經(jīng)過一系列的知識設計和計算，最終確定了超聲換能器、變幅桿和刀盤的尺寸，并用PRO-E軟件進行頻譜分析，驗證是否滿足設計要求。這樣就完成了超聲波塑料焊接機振動系統(tǒng)的設計，為超聲波振動系統(tǒng)的設計提供了有益的步驟和方法。2.超聲波換能器的選擇：超聲波換能器是一種能量轉(zhuǎn)換設備，其功能是將輸入的電能轉(zhuǎn)換成機械能(即超聲波)后進行傳輸，消耗的電能很少(不到10%)。因此，在使用超聲波換能器時，最重要的問題是與輸入和輸出端子的匹配，其次是機械安裝和匹配尺寸。市場上的超聲波機種類繁多，客戶必須提供準確可靠的指標，以確保公司提供的超聲波換能器產(chǎn)品能夠完美匹配您的超聲波機，達到最佳性能。超聲換能器超聲換能器和超聲振動器的選擇應注意以下參數(shù)：共振頻率： f，單位頻率： KHz是指用阻抗特性分析儀、頻率發(fā)生器、毫伏表等用傳輸線法測得的頻率。通常稱為小信號頻率。相反，它是車輛頻率，即當客戶通過電纜將傳感器連接到逆變器電源并通電或通電后清空時測量的實際工作頻率。由于客戶的匹配電路不同，同一換能器不同驅(qū)動功率的頻率也不同。這些頻率不能作為訂購的基礎。傳感器電容為： CT，單位為： PF，也就是說傳感器的自由電容通?？梢猿灶l率或阻抗特性為400Hz-1000Hz的電容電橋。分析儀類似于測量儀器。為了簡單起見，用普通便攜式電容計測量也能滿足要求。由于加工方法和要求不同，換能器的工作方式大致可分為連續(xù)工作(花邊機、CD套機、拉鏈機、金屬焊接等)。)和脈沖工作(如塑料焊接機)。傳感器有不同的要求。一般來說，連續(xù)運行幾乎沒有停頓時間，但工作電流不是很大。脈沖操作間歇暫停，但瞬時電流大。平均來說，這兩個州都有很大的權(quán)力。傳感器類型和最大功率因用途不同，機器制造商可能對機器的標稱功率有不同的規(guī)定。換句話說，不同機器上使用的同一傳感器的標稱功率可能不同。為了避免歧義，客戶應指定傳感器的結(jié)構(gòu)類型，如柱式、倒喇叭形等。以及壓電陶瓷晶片的直徑和數(shù)量。安裝尺寸主要包括超聲變幅桿材料、表面處理方法和形狀。超聲換能器與超聲變幅桿之間的連接螺紋、超聲變幅桿與超聲模具之間的連接螺紋的數(shù)量和位置、直徑、厚度、間隙或螺孔位于超聲變幅桿的法蘭上。