纵径耦合振动的双滚轮超声滚动焊接装置的制作方法

1.本实用新型属于超声设备技术领域，具体涉及一种纵径耦合振动的双滚轮超声滚动焊接装置。


背景技术：

2.超声波无纺布焊接与超声波塑料焊接原理类似，是对一些具有热塑性材料性质的化纤布料或含有化纤原料的混纺布料进行缝合(焊接)，可归类为超声波塑料焊接的一种。与传统缝衣机装配针、线及线轴进行缝合的技术相比，能够提高生产效率，且缝合花边外观、质量均有提高。其可应用于成衣花边、床套、枕头套、电视机套、汽车篷盖、沙发套、风衣、雨衣、鞋类、帽子、旅行袋、帐篷、包装袋、pvc手提袋、包装食品的薄膜、餐巾纸等缝合。在现代化的服装等加工业中具有广阔的应用前景。随着行业的发展，在一些特定的无纺布焊接领域，如尿不湿、女性卫生巾、口罩机等高速焊接领域对超声振动系统提出了一些新的更高要求：功率更大、焊速更高、焊面更大，焊质更高、焊接密封性更好。
3.传统无纺布焊接领域中通常是将多层无纺布通过一个固定的超声焊接工具头(超声底模)和一个旋转的滚轮进行焊接。但是超声底模和辅助滚轮线存在行进速度的差异，会引起产品起皱、焊接密封性差等焊接质量问题，焊接速度也受限；同时焊接过程中，辅助滚轮对超声底模的纵作用力能直接传到至换能器，对换能器极易造成损伤。
4.如图1所示，传统无纺布焊接设备的超声波振动部分由换能器111、变幅杆112和焊接工具头113通过螺栓同轴连接而成；该装置的固定装夹部分主要包括固定法兰121 和固定法兰后盖122，固定法兰121与变幅杆112的法兰相连接。焊接设备在使用前，通过固定法兰121与外部安装支架进行固定。焊接过程中需要辅助滚轮131的旋转辅助无纺布的进料和出料；同时辅助滚轮131需提供足够的刚度以满足在焊接过程中焊接工具头113给予的焊接压力。在该焊接设备中，焊接工具头113的超声作用方向是一个平面，辅助滚轮只能在超声面上滑动。由于两者存在线速度的差异，在一定压力下会引起多层无纺布产品起皱、焊接密封性差等焊接质量问题。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种纵径耦合振动的双滚轮超声滚动焊接装置。
6.为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：
7.提供一种纵径耦合振动的双滚轮超声滚动焊接装置，包括超声波振动部分和固定装夹部分；所述超声波振动部分包括同轴布置的双滚轮滚焊工具头和超声波换能器；双滚轮滚焊工具头由两个对接的t形滚焊工具头组成，两者的端部圆盘结构以螺栓连接实现对称布置，其轴向变幅杆的端部分别连接一个超声波换能器；在两个超声波换能器的外侧端部，分别设置同轴的导电滑环；所述固定装夹部分包括一组同步带轮，以及两组固定外壳和轴承；圆筒状的固定外壳同轴套装在滚焊工具头的轴向变幅杆外部，其一端与滚焊工具头
上呈径向凸出的法兰实现固定连接；在固定外壳的外部同轴套装轴承，轴承外圈紧固安装在支撑板中；同步带轮套装在其中一个固定外壳的外部，环状的卡套设于同步带轮与轴承之间。
8.作为改进，所述滚焊工具头包括一体加工而成的端部圆盘结构和轴向变幅杆结构，整体截面呈t形；端部圆盘结构的径向谐振频率和轴向变幅杆结构的的纵向谐振频率在滚动焊接的耦合振动过程中是一致的。
9.作为改进，两个超声波换能器连接至同一个超声驱动电源或各自连接一个超声驱动电源，两个超声波换能器的压电晶片具有相反的极化方向。
10.作为改进，超声波换能器与滚焊工具头之间通过螺栓紧密连接。
11.作为改进，固定外壳的端部通过螺栓与滚焊工具头的法兰固定连接。
12.作为改进，滚焊工具头上呈径向凸出的法兰位于节点处。
13.作为改进，两个轴承的外圈各自紧固安装在单独的支撑板中，或者安装在同一个支撑板中。
14.作为改进，超声波换能器与滚焊工具头的轴向变幅杆之间设防震垫片，防震垫片外侧设有防震垫片后盖，后者通过螺丝安装在固定外壳上。
15.作为改进，还包括两根变幅杆，分别安装在两组滚轮滚焊工具头和超声波换能器之间，并通过螺栓实现同轴连接。
16.本实用新型中，超声波换能器可根据实际需要的功率和谐振频率进行选择。滚焊工具头可根据实际需要选择不同的尺寸、振幅放大倍数和谐振频率。但是，两者的谐振频率必须一致。
17.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
18.1、本实用新型提出一种新的滚焊工具头结构，解决了纵径耦合振动系统的双滚轮超声隔离、模态耦合、固定方式和旋转方式存在的冲突协调问题；可以确保超声波振动部分在其共振频率处达到最佳的振动效果，且在该振动频率下，可以确保超声波振动部分和固定装夹部分的超声有效隔离。同时，可以实现超声波振动部分的高速旋转功能。
19.2、本实用新型中，滚焊工具头的超声作用面是其径向面，该超声作用面可以与辅助滚轮径向面同步滚动，从而实现线速度同步；在焊接的同时实现平稳送料，从而避免了焊接过程中挤料的问题，进而可以在不同的材料厚度上可以实现更好的焊接密封。
20.3、因为滚焊工具头和辅助滚轮的焊接面线速度同步解决了挤料问题，所以滚焊工具头和辅助滚轮间便可以允许更大的焊接压力，进而在同振幅的情况下可以显著增大焊接速度。另一方面，两边双轴承设计可以使设备承受更大的焊接压力从而提高设备的焊接速度。
21.4、焊接过程中，滚焊工具头径向表面上受到的冲击力不会直接作用至换能器，大大降低了换能器损坏的风险。
22.5、通过双滚轮反相位振动方式，可实现理想纵径耦合振动，20khz时可达到100mm 以上焊接宽度，是单滚轮设备的两倍。两滚轮振幅可以达到均匀，虽然两滚轮为反相位工作，但在焊接过程中功率输出并无差别。而采用传统单滚轮振动方式，在20khz条件下，在100mm以上焊接宽度的纵径耦合振动过程中会产生径向振动不均匀，即边缘与中心振幅不一致的情况。
附图说明
23.图1为传统无纺布焊接设备的结构示意图；
24.图2为本实用新型的结构示意图；
25.图3为本实用新型的立体结构示意图。
26.图4为本实用新型的双滚轮设备的振动模态示意图。
27.图5为传统单滚轮设备的振动模态示意图。
28.附图标记说明：换能器111；变幅杆112；焊接工具头113；固定法兰121；固定法兰后盖122；辅助滚轮131；超声波换能器(连外壳)11；滚焊工具头12；导电滑环21；支撑板22；轴承23；同步带轮25；卡套24；固定外壳26。
具体实施方式
29.下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体说明。
30.图2展示了本实用新型提供的纵径耦合振动的双滚轮超声滚动焊接装置，包括超声波振动部分和固定装夹部分；超声波振动部分包括同轴布置的双滚轮滚焊工具头和超声波换能器。
31.双滚轮滚焊工具头由两个对接的滚焊工具头12组成。滚焊工具头12包括一体加工而成的端部圆盘结构和轴向变幅杆结构，整体截面呈t形；端部圆盘结构的径向谐振频率和轴向变幅杆结构的纵向谐振频率在滚动焊接的耦合振动过程中是一致的。两个滚焊工具头12的端部圆盘结构以螺栓连接实现对称布置，其轴向变幅杆的端部分别连接一个超声波换能器11；超声波换能器11与滚焊工具头12之间通过螺栓紧密连接。在两个超声波换能器11的外侧端部，分别设置同轴的导电滑环21，起导电和旋转隔离作用；
32.所述固定装夹部分包括一组同步带轮25，以及两组固定外壳26和轴承23。圆筒状的固定外壳26同轴套装在滚焊工具头12的轴向变幅杆外部，其一端通过螺栓与滚焊工具头12上呈径向凸出的法兰实现固定连接；在固定外壳26的外部同轴套装轴承23，轴承23外圈紧固安装在支撑板22中，起固定安装和旋转隔离作用；两个轴承23的外圈各自紧固安装在单独的支撑板22中，或者安装在同一个更大的一体式支撑板中。超声波换能器11与滚焊工具头12的轴向变幅杆之间设防震垫片，防震垫片外侧设有防震垫片后盖，后者通过螺丝安装在固定外壳26上。同步带轮25套装在其中一个固定外壳26 的外部，用于外部电机带动下驱使超声波振动部分能够旋转。环状的卡套24设于同步带轮25与轴承23之间。
33.两个超声波换能器11通过线缆连接至同一个超声驱动电源(图中未示出)或各自连接一个超声驱动电源；两个超声波换能器11的压电晶片具有相反的极化方向，使两个工具头的圆盘结构做反相位振动，即其中一个径向扩展，另一个径向收缩。
34.作为一种替换方案，还可以增设两根变幅杆，分别安装在两组滚轮滚焊工具头和超声波换能器之间，并通过螺栓实现同轴连接。
35.滚焊工具头12上呈径向凸出的法兰位于节点处。节点是超声领域的一个专业用语，是指结构在某阶固有频率下，振型与原来形状的交汇节点，振动过程中位移为零处。变幅杆在其一阶纵向振动过程中，存在一个位移为零的截面，固定法兰一般设计在这个位置。
36.在使用前，通过支撑板22将该超声滚动焊接装置固定在工作台的安装支架上，并将滚焊工具头12的端部圆盘结构外缘对准设于工作台上的辅助滚轮。将外设的接电端子搭
接在导电滑环21上，用于装置供电。导电滑环21负责将超声驱动电源的电信号输入到超声波换能器11上。由于本装置的超声波振动部分是旋转结构，故使用导电滑环 21来传输电能。
37.该超声滚动焊接装置的工作原理基本如下：
38.(1)超声波的产生及输出：
39.在对应频率的交流电激励下，超声波换能器11将电能转化为超声振动的机械能，然后通过滚焊工具头12将振动进行放大和振动模式转化，将纵向超声波振动转化为径向超声波振动，进而产生所需超声输出。振动过程中，两个滚焊工具头12的圆盘结构做反相位振动，即其中一个径向扩展，另一个径向收缩。可通过两个超声波换能器11 的压电晶片进行相反极化来控制这种振动模式的激励。
40.(2)超声波振动部分的固定和超声隔离：
41.通过两套固定外壳26与轴承23进行连接固定，可以确保固定强度；根据超声原理，通过节点处固定设计，可以实现超声波振动部分和固定装夹部分的超声有效隔离。
42.(3)旋转的传递和隔离：
43.通过卡套24和同步带轮25依次固定在某一侧滚焊工具头12的法兰外壳上，使设备可以在外部电机带动下进行旋转。通过两套轴承23(第一轴承和第二轴承)和导电滑环21，可以实现超声系统旋转部分和固定部分的旋转隔离。两套轴承23确保了旋转时的稳定性，导电滑环21确保了旋转时电信号的正常激励。
44.图4为本实用新型的双滚轮设备的振动模态示意图，图5为传统单滚轮设备的振动模态示意图。两图中设备均处于20khz且焊接宽度均为120mm。从两图中可以看出，传统单滚轮设备在的纵径耦合振动过程中会产生径向振动不均匀，即边缘与中心振幅不一致的情况，从而导致单滚轮焊接能量输出不均匀。而双滚轮设备由两个60mm双滚轮组合以代替120mm宽单滚轮，可实现120mm焊接宽度的焊接能量均匀输出；此时，两滚轮虽为反相位工作，但在焊接过程中功率输出并无差别。
45.由此，本实用新型解决了纵径耦合双滚轮超声振动系统的超声隔离、模态耦合、固定方式和旋转方式，可以确保超声波振动部分在其共振频率处达到最佳的振动效果，且在该振动频率下，可以确保超声波振动部分和固定装夹部分的超声有效隔离。同时，可以实现超声波振动部分的高速旋转功能。旋转工具头和辅助滚轮的滚动接触，不仅提高了焊接质量，也提高了焊接速度，还减小了焊接过程中对换能器的冲击力。同时，两边双轴承设计可以使设备承受更大的焊接压力从而提高设备的焊接速度，双滚轮设计提高了超声焊接的面积。
46.上述实施例只是对本实用新型的说明，不是对本实用新型的限定，任何对本实用新型简单交换后的方案均属于本实用新型的保护范围。