第一章 绪论
1.1 概述
上世纪五十年代，随着计算机、电子技术、自动控制、声学、高分子材料等学科的不断发展，超声波塑料焊接技术开始被应用于热塑性塑料的二次连接，相比其他传统工艺，具有生产效率高、焊接质量好、环保又节能等显著优点。超声波塑料焊接设备被广泛应用于医械、包装、汽配、渔具等行业，如一次性输液过滤器及血浆分离杯、自封袋、塑料酒瓶盖、洗碗机水轮、塑料玩具、车灯、塑料假鱼饵、充电器外壳和手机吊带的焊接、一次打火机外壳的焊接等。超声波塑料焊接方式快速、灵活，焊接过程稳定且不需焊剂或保护气体，也不产生有害气体或熔渣，产品焊接质量较易保证。超声波塑料焊接的优点主要有：（1）焊接时间短。约为 0.1 秒到几秒，加上机械作业时间在内不超 10 秒，特别适合自动化程度高、大批量生产的场合;（2）无表面损坏，不会产生外观异常现象;（3）熔接部分以外的区域不发热;（4）焊接前不需要任何前处理;（5）焊接后能保证密封性;（6）无需另行加工，能保证产品的一致性; （7）操作简单，既能手工操作也能自动操作;（8）耗电省，工作场所无异味，对环境不造成污染。超声波塑料焊接机适用于热塑性塑料制品的焊接、铆接、点焊以及金属件与塑料件间的镶嵌和压边工艺，相对于其它焊接种类和焊接方式，超声波塑料焊接的优越性使其在行业内倍受关注，目前已在电子、电器、汽车零件、塑料玩具、文具用品、日用品、工艺品、化妆品等各个行业中广泛应用，并且发展前景广阔。
1.1.2 超声波塑料焊接系统的构成与工作原理
超声波塑料焊接系统的功率至少在千瓦以上，工作频率一般在 15KHz 到 40KHz 范围内。系统主要由气压传动系统、控制系统、超声波发生器、换能器部分和机械装置等组成。
（1） 控制系统
控制系统主要功能是控制超声波发生器的工作时间，使整个焊接过程实现自动化。焊接过程中，首先预置焊接功率、触发压力、焊接压力、保压时间等焊接参数，焊接操作启动后，系统可控制气压传动系统可超声波发生器完成焊接的全过程。整个控制过程是：控制系统控制气压传动系统工作，开启气路阀门，气缸加压使焊接模具下降，压住被焊物件。当达到预设的触发压力时，开启超声波发生器工作，同时对被焊物件施加稳定的压力。在施加超声振动一定时间后，超声波发生器停止产生高压电波，控并制气路阀门换向，使焊接模具回升复位。即完成一次焊接循环。
（2） 气动传动系统
主要部件包括过滤器、减压阀、油雾器、换向器、节流阀和气缸等。工作时由空压机驱动冲程气缸，带动超声换能器振动系统上下移动。
（3） 超声波发生器
对于功率较大的超声波塑料焊接机，超声波信号发生器多采用锁相式频率自动跟踪电路，使发生器输出的频率基本上与换能器机架谐振频率一致。
（4） 换能器
部分换能器部分是将发生器产生的高压电波转换成机械振动，经过传递、放大、达到加工表面。
a. 换能器
换能器的作用是将电信号转换成机械振动信号。现有的超声波塑料焊接设备一般都采用压电陶瓷换能器。压电陶瓷换能器是用两个金属的前后负载块将压电陶瓷夹在中间，通过螺杆紧密连接而制成的。通常，换能器输出的振幅为 10μm 左右。
b.调幅器
调幅器可以将换能器传递过来的振幅进行放大或减小，以达到塑料件加工所需的能量振幅。换能器通常的振幅转换比例范围为 0.5～2.5。
第二章 开槽矩形体的三维耦合振动分析
2.1 概述
超声焊接模具的特性之一是其一阶纵向振动频率需要与焊接系统的工作频率保持一致才能正常工作。合格的超声模具必须符合一定的频段要求，若超出系统允许的频率范围，会降低超声波焊接系统的工作效率，甚至损坏振动元件。对焊接模具的频率控制非常重要。矩形体结构焊接模具是广泛采用的模具类型之一。目前，在工程设计中，对于大尺寸矩形模具振动频率的控制，主要采用仿真计算手段。建模前需要预先估计模具外形尺寸与开槽数量，并建立仿真模型。通过对模型的调整，使其一阶纵振频率满足设计要求。除仿真控制以外，也可以采用矩形体的三维耦合振动理论对矩形模具频率进行分析。相关理论和分析方法多以日本学者森荣司提出的表观弹性理论为基础。对于大尺寸且未开槽的矩形模具，可以近似采用耦合振动理论进行频率求解，并获得满意的计算结果。由于开槽矩形体问题更为复杂，针对开槽矩形模具的频率求解问题，陈秀梅、梁明军、梁召峰提出了单元间耦合振动的分析方法，解决了长条形单向开槽矩形模具的频率计算问题，但无法解决厚度尺寸超过四分之一波长或双向开槽类型模具的频率计算问题。针对以上分析方法中存在的不足，本章提出的开槽矩形体的三维耦合振动分析法对于任意外形尺寸、开槽数、开槽宽度以及开槽长度的矩形体可以计算得出更为精确的纵振频率，较好地解决大尺寸开槽矩形模具的频率计算问题，为模具进一步的优化设计提供了理论基础。
第三章 矩形超声波焊接模具振动性能.................... 31-46
3.1 矩形超声波焊接模具结构.................... 31-32
3.2 建立模具的参数化有限元分析模型.................... 32-35
3.3 模具振动性能影响因素的分析.................... 35-38
3.3.1 分析方法 ....................35-36
3.3.2 仿真分析的试验安排.................... 36-38
3.4 影响因素的显著性分析.................... 38-45
3.5 本章小结 45-46
第四章 遗传算法的矩形模具动态性能优化.................... 46-64
4.1 引言.................... 46
4.2 神经网络和遗传算法理论概述.................... 46-51
4.3 矩形超声焊接模具的结构优化.................... 51-55
4.4 矩形模具优化设计算例.................... 55-62
4.5 本章小结....................62-64
第五章 矩形超声焊接模具动态性能优化应用.................... 64-82
5.1 背景介绍.................... 64-65
5.2 模具的常规设计.................... 65-70
5.2.1 模具设计 ....................65-69
5.2.2 焊接试验 ....................69-70
5.3 模具的优化设计.................... 70-78
5.4 焊接结果比较 ....................78-81
5.5 结论 ....................81-82
结论
超声波塑料焊接技术是目前应用领域广泛的塑料联接技术。矩形焊接模具需要根据被焊接件的形状专门设计，是超声焊接系统中的非标器件。矩形焊接模具的横向振动容易导致焊接工作面振幅分布的不均匀，从而影响焊接质量。为了提高模具的设计质量和效率，本文的研究工作紧密结合在矩形焊接模具设计方法上存在的问题取得了以下研究成果：
（1）应用开槽矩形体三维耦合振动分析法计算未开槽矩形体的纵振频率，可得到与基于表观弹性法的矩形体三维耦合振动分析法相同的计算结果，与实测结果接近；应用开槽矩形体三维耦合振动分析法计算开槽矩形体的纵振频率，尤其对于厚度尺寸大于四分之一波长的矩形体，其计算结果优于单元耦合振动分析法，并且在较大厚度尺寸范围内与模拟结果较吻合。开槽矩形体的三维耦合振动分析法适合用于计算任意外形尺寸、开槽数、开槽宽度及开槽长度矩形体的纵振频率，较好地解决了大尺寸开槽矩形模具的频率计算问题，也为模具的结构优化提供了理论依据；
（2）对三种常见类型的矩形模具进行了方差分析。分析结果表明，各结构尺寸因素都能引起模具纵振频率、工作面振幅均匀性的变化。对于顶、底两面面积相同的矩形模具，振动幅度接近，增益近似为 1，几乎不受各种结构尺寸因素的影响。并且分析得到各结构因素对三种不同类型模具的作用效果表现出一些作用规律，对进一步改善模具的动态性能具有参考意义；
（3）利用基于神经网络和遗传算法结合的结构优化方法实现了对焊接模具动态性能的优化。与 ANSYS 参数化有限元结构优化法和基于三维振动理论的横向振动开槽抑制分析法相比，基于神经网络/遗传算法的结构优化方法对模具工作面振幅不均匀性的优化效果更加明显。应用表明，在保证频率约束的前提下，优化模具实物的动态性能得到显著提高。
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