一种纵径耦合振动的多换能器并联式的超声波总成的制作方法

1.本实用新型属于超声波总成技术领域，尤其涉及一种纵径耦合振动的多换能器并联式的超声波总成。


背景技术：

2.超声波设备，尤其是焊接类的超声波设备，其超声波总成一般包括一个超声波换能器、一个或若干超声波变幅杆、一个超声波工具头和一台超声波驱动电源。其中超声波驱动电源负责将市电转化为高频高压交流电信号，输入到超声波换能器上，换能器将电信号转化成超声波高频振动，再由变幅杆和工具头逐级将振动幅度放大，最终将超声波振动作用到工件上。
3.超声波的输出功率是由超声波驱动电源和换能器共同决定的，超声波换能器中的压电陶瓷的体积越大，则换能器的功率越大，但由于超声波换能器是谐振工作的，其大小由超声波振动频率决定，例如20khz的超声波换能器，一个半波长换能器，其长度一般在110mm到130mm之间，为了减少换能器的横向振动，其直径一般控制在40mm到60mm之间，因此超声波换能器中的压电陶瓷体积也被限制。如一个20khz直径50mm的超声波换能器，最大的设计功率为3000w。超声波驱动电源的功率与电源内部的功率管或igbt等的功率和数量有关，一般来说，超声波驱动电源的设计功率是根据所驱动的超声波换能器的功率为依据的。
4.随着社会的发展，市场上也对超声波设备的功率不断提出更高的要求，如锂电池焊接、线束焊接等，一般要求超声波总成的功率达到5000w以上。目前市场上一般采用两种方案来增大超声波设备总成的功率。
5.一、进一步增大换能器体积，比如增大换能器直径，但同时也造成了换能器的内耗增加，发热量增大，效率下降等问题
6.二、增大变幅杆的体积，在变幅杆的输入端面上，安装两个超声波换能器，同时驱动这两个换能器工作。总所周知，超声波换能器是设备中最易损坏的部件，使用两个换能器会造成设备故障率增加一倍，任何一个换能器损坏都将造成超声波设备无法使用。
7.以上两种方式，都需要一台大功率的超声波驱动电源进行驱动，若在驱动电源中增加功率管，则会降低电源稳定性，一个功率管烧坏则整台电源无法工作。若使用igbt驱动，则大功率的igbt会大大增加设备成本。


技术实现要素：

8.本实用新型为了克服现有技术的不足，提供一种纵径耦合振动的多换能器并联式的超声波总成。
9.本实用新型为了实现上述目的，提供如下技术方案：一种纵径耦合振动的多换能器并联式的超声波总成，包括纵径耦合转换器，所述纵径耦合转换器侧面中心位置均开设有换能器装配螺孔，所述换能器装配螺孔处安装有换能器，换能器装配螺孔与纵径耦合转换器中心呈中心对称分布，所述纵径耦合转换器的一个端面上开设有变幅杆装配螺孔，所
述变幅杆装配螺孔上安装有变幅杆，所述变幅杆上安装有工具头，每个换能器匹配一套功率放大电路，两者用动力电缆连接，每套功率放大电路通过信号线并联到信号控制电路上，由信号控制电路对所有换能器进行振动控制和频率跟踪。
10.可选的，所述纵径耦合转换器可以设计成圆盘形，也可以设计成多边形。多边形边数不限于六或八条，可根据实际使用增减。
11.可选的，功率放大电路除了可以同时单独匹配一个换能器，也可以一个功率放大电路同时匹配两个或多个换能器。
12.可选的，纵径耦合转换器的侧面可以直接连接换能器外，也可以连接变幅杆，变幅杆再连接换能器。
13.综上所述，与现有技术相比，本方案的有益效果为：
14.(1)、通过振动或声的互易性原理，设计出一种纵径耦合转换器，实现了多个换能器在径向上，同时驱动转换器振动，转换器将径向振动转化为纵向(轴向)振动；
15.(2)、通过纵径耦合转换器的应用，可以在转换器的圆周上并联多个小功率换能器，从而提高了整套超声波总成的功率，其功率等于所有小功率换能器的叠加，如每个换能器的功率为1000w，转换器的圆周上共安装6个该换能器，则该套超声波总成的额定功率就为6000w；
16.(3)、通过将超声波驱动电源内的控制电路与功率放大电路分离，同时将功率放大电路分解为若干个小的功率放大电路，每个功率放大电路只驱动一个换能器工作。同时根据换能器的频率、阻抗和相位的一致性，每个放大电路及其所驱动的换能器都可以使用同一个控制电路进行控制，其设计方式和现有的超声波驱动电源的控制电路一致；
17.(4)、通过采用多个换能器并联的结构，当一个换能器出现故障时，其他换能器依然可以正常工作，依然可以有效的驱动转换器工作。这样的设计，就可以对超声波总成进行功率冗余设计。比如所需的超声波系统功率为4000w，我们可以在转换器上同时安装5个1000w的换能器，这样设计冗余为1000w，正常工作是，5个换能器以800w的功率工作，当一个换能器损坏是，其他4个换能器依然可以以1000w的额定功率工作，从而确保整套系统正常运行。
附图说明
18.图1为切向形变和径向形变的示意图；
19.图2为轴向形变和径向形变的示意图；
20.图3为本专利所述的超声波总成的俯视图；
21.图4为本专利所述的超声波总成的振动部分的正视图；
22.图5为本专利所述的纵径耦合转换器的正视图。
23.1、换能器；2、纵径耦合转换器；21、换能器装配螺孔；22、变幅杆装配螺孔；3、变幅杆；4、工具头；5、功率放大电路；51、动力电缆；6、信号控制电路；61、信号线。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
25.一种纵径耦合振动的多换能器并联式的超声波总成，根据图5所示，并依照本专利所述的方法，设计并制作出纵径耦合转换器2，为了便于实际的安装，纵径耦合转换器2的侧面设计成多边形，图5所示为六边形结构，侧面的每个面中心位置加工出换能器装配螺孔21，同时在纵径耦合转换器的一个端面加工出变幅杆装配螺孔22，纵径耦合转换器2的两个端面可以加工成圆台形或棱台形，这样便于振动能量的集中。纵径耦合转换器2加工完成后，依照图4所示，在纵径耦合转换器2的侧面安装上换能器1，在纵径耦合转换器2的端面依次安装变幅杆3和工具头4，其安装方法与一般焊接类超声波设备的安装方法一致。
26.以上步骤安装完成后，将每个换能器1匹配一套功率放大电路5，两者用动力电缆51连接，此处的功率放大电路5只需和对应的换能器1匹配即可，无需同时匹配所有换能器。每套功率放大电路5通过信号线61并联到信号控制电路6上，由信号控制电路6对所有换能器1进行振动控制和频率跟踪。对于所有换能器1都连接在同一个纵径耦合转换器2、进而连接在同一个变幅杆3和工具头4上，所有的输入信号和反馈信号都是同相位的，因此信号控制电路6的可视为同一个超声波换能器的输入和反馈，因此信号控制电路6的控制方式可与标准的焊接类超声波驱动电源的控制方式一致。
27.纵径耦合转换器2可以设计成圆盘形，也可以设计成多边形。多边形边数不限于六或八条，可根据实际使用增减，功率放大电路5除了可以同时单独匹配一个换能器1，也可以一个功率放大电路5同时匹配两个或多个换能器1，纵径耦合转换器2的侧面可以直接连接换能器1外，也可以连接变幅杆3，变幅杆3再连接换能器1。
28.超声波纵径耦合转换器2，其作用是将径向振动转换为纵向振动，该转换器可以通过有限元分析软件进行设计，依照设计经验，该转换器的圆盘直径大小如表1所示
29.频率段直径范围15khz230mm-250mm20khz170mm-190mm28khz120mm-140mm35khz90mm-110mm40khz80mm-100mm60khz50mm-70mm
30.表1
31.在具体设计中，可以通过有限元设计软件，并根据实际的要求和换能器1安装方式进行调整，一般来说该圆盘式转换器的厚度为直径的0.15-0.25倍。圆盘式转换器的两个端面可以设计成圆台型，这样更有利于减少振动的应力集中问题。在圆盘的侧面，加工出多个平面，这些平面大小与换能器1的端面大小基本一致，并在垂直于平面方向加工换能器装配螺孔21，用这些换能器装配螺孔21与多个换能器1连接固定。
32.在圆盘式转换器的一个端面加工变幅杆装配螺孔22，并通过该变幅杆装配螺孔22和变幅杆3连接，变幅杆3垂直于圆盘式转换器的端面，安装完成后，再在变幅杆3的一个端面安装工具头4。至此超声波总成的振动部分安装完成。
33.对于每个换能器1，独立匹配一套功率放大电路5，这些功率放大电路5，同时和一套超声波信号控制电路6连接，实现对每个换能器1的驱动。
34.这样的结构将多个小功率换能器1并联起来，从而实现功率的成倍增加，同时由于
每个换能器1的功放电路是独立工作的，不必使用大功率的功放元件，可以有效控制成本。
35.发明原理描述：
36.总所周知，超声波设备的振动，本质上是一种形变振动，对于任何一个具有一定体积的弹性体的振动来说，在轴向压缩或拉伸在该弹性体时，由于存在切向形变，也会引起径向的形变，如图1所示
37.当轴向压缩一个物体的时候，由于剪切力的存在，该物体径向会产生拉伸形变，反之，当轴向拉伸物体时，径向会产生压缩形变。
38.总所周知，在一个物体中，声场或振动场存在互易性，即轴向的振动会引起径向的振动，则径向的振动也会引起轴向的振动。
39.本专利中，使用了这种振动的互易性，在径向上使用换能器1进行激励，从而产生轴向的振动，如图2所示
40.图2为圆盘式纵径耦合转换器2的基本原理结构，圆盘的侧面为振动输入面，通过圆周上的多个换能器1进行振动激励，圆盘的端面为振动输出面，产生轴向振动，该轴向振动再输入到变幅杆3和工具头4，最终将超声波振动作用到工件上。
41.以圆盘的圆心为基准点，圆盘式纵径耦合转换器2在径向振动上是同相位的，因此圆盘侧面上所固定的换能器1，也是同相位振动的，且所有换能器1同时连接在一个转换器上，对于圆盘上所有换能器1来说，其负载都是一致的，即换能器1的阻抗和频率都是一致的。
42.对于超声波驱动电源来说，若换能器1的阻抗、频率、振动相位都是一致的，则其可以使用同一信号进行驱动。即可以使用一套控制电路，来并联控制多套功率放大电路5，进而驱动多个换能器1同时工作。
43.如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
44.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
45.上述说明示出并描述了本技术的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本技术并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本技术的精神和范围，则都应在本技术所附权利要求的保护范围内。