Aktualności

nd26751326-how_to_use_fem_ansys_parameter_optimization_and_probability_design_of_ultrasonic_welding_horn

Przedmowa

Wraz z rozwojem technologii ultradźwiękowej jej zastosowanie jest coraz szersze, można go używać do czyszczenia drobnych cząstek brudu, a także do spawania metalu lub tworzyw sztucznych. Zwłaszcza w dzisiejszych produktach z tworzyw sztucznych najczęściej stosuje się zgrzewanie ultradźwiękowe, ponieważ pomija się konstrukcję śruby, wygląd może być doskonalszy, a ponadto zapewniona jest funkcja wodoodporności i pyłoszczelności. Konstrukcja plastikowego rogu spawalniczego ma istotny wpływ na końcową jakość spawania i wydajność produkcyjną. W produkcji nowych liczników elektrycznych fale ultradźwiękowe są wykorzystywane do łączenia górnej i dolnej powierzchni. Jednak podczas użytkowania okazuje się, że niektóre klaksony są zainstalowane na maszynie i pękają, a inne awarie pojawiają się w krótkim czasie. Pewien róg spawalniczy Wskaźnik defektów jest wysoki. Różne usterki miały znaczący wpływ na produkcję. Zgodnie z ustaleniami dostawcy sprzętu mają ograniczone możliwości projektowania klaksonu i często poprzez wielokrotne naprawy w celu osiągnięcia wskaźników projektowych. Dlatego konieczne jest wykorzystanie własnych przewag technologicznych, aby opracować trwały tubus i rozsądną metodę projektowania.

2 Zasada zgrzewania ultradźwiękowego tworzyw sztucznych

Ultradźwiękowe zgrzewanie tworzyw sztucznych to metoda przetwarzania, w której wykorzystuje się połączenie tworzyw termoplastycznych w drgania wymuszone o wysokiej częstotliwości, a powierzchnie zgrzewania ocierają się o siebie, powodując miejscowe topienie w wysokiej temperaturze. Aby uzyskać dobre wyniki zgrzewania ultradźwiękowego, wymagany jest sprzęt, materiały i parametry procesu. Poniżej znajduje się krótkie wprowadzenie do jej zasady.

2.1 Ultradźwiękowy system zgrzewania tworzyw sztucznych

Rysunek 1 przedstawia schematyczny widok systemu spawalniczego. Energia elektryczna jest przepuszczana przez generator sygnału i wzmacniacz mocy w celu wytworzenia przemiennego sygnału elektrycznego o częstotliwości ultradźwiękowej (> 20 kHz), który jest doprowadzany do przetwornika (ceramika piezoelektryczna). Za pośrednictwem przetwornika energia elektryczna staje się energią drgań mechanicznych, a amplituda drgań mechanicznych jest regulowana przez klakson do odpowiedniej amplitudy roboczej, a następnie równomiernie przenoszona przez klakson do stykającego się z nią materiału. Powierzchnie stykowe dwóch materiałów spawalniczych są poddawane wymuszonym drganiom o wysokiej częstotliwości, a ciepło tarcia powoduje miejscowe topienie w wysokiej temperaturze. Po schłodzeniu materiały są łączone, aby uzyskać zgrzewanie.

W systemie spawalniczym źródłem sygnału jest część obwodu zawierająca obwód wzmacniacza mocy, którego stabilność częstotliwości i zdolność sterowania mają wpływ na wydajność maszyny. Materiał jest termoplastyczny, a projekt powierzchni złącza musi uwzględniać sposób szybkiego generowania ciepła i dokowania. Przetworniki, rogi i rogi można uznać za konstrukcje mechaniczne, co ułatwia analizę sprzężenia ich drgań. Podczas spawania tworzyw sztucznych wibracje mechaniczne są przenoszone w postaci fal podłużnych. Głównym celem projektu jest efektywne przenoszenie energii i regulacja amplitudy.

2,2horn

Róg służy jako interfejs kontaktowy między zgrzewarką ultradźwiękową a materiałem. Jego główną funkcją jest równomierne i efektywne przenoszenie wzdłużnych drgań mechanicznych generowanych przez wariator na materiał. Zastosowanym materiałem jest zwykle wysokiej jakości stop aluminium lub nawet stop tytanu. Ponieważ konstrukcja tworzyw sztucznych bardzo się zmienia, wygląd jest bardzo różny, a klakson musi się odpowiednio zmienić. Kształt powierzchni roboczej powinien być dobrze dopasowany do materiału, aby nie uszkodzić tworzywa podczas drgań; jednocześnie częstotliwość stałych drgań wzdłużnych pierwszego rzędu powinna być skoordynowana z częstotliwością wyjściową spawarki, w przeciwnym razie energia drgań zostanie zużyta wewnętrznie. Kiedy róg wibruje, następuje lokalna koncentracja stresu. Sposób optymalizacji tych lokalnych struktur jest również kwestią projektową. W tym artykule opisano, jak zastosować tubę projektową ANSYS w celu optymalizacji parametrów projektowych i tolerancji produkcyjnych.

Konstrukcja 3 rogu spawalniczego

Jak wspomniano wcześniej, konstrukcja rogu spawalniczego jest dość ważna. W Chinach jest wielu dostawców sprzętu ultradźwiękowego, którzy produkują własne rogi spawalnicze, ale znaczna część z nich to imitacje, które następnie są stale przycinane i testowane. Dzięki tej wielokrotnej metodzie regulacji uzyskuje się koordynację sygnału dźwiękowego i częstotliwości sprzętu. W artykule metoda elementów skończonych może być wykorzystana do określenia częstotliwości podczas projektowania tuby. Wynik testu klaksonu i błąd częstotliwości projektowej wynoszą tylko 1%. Jednocześnie niniejszy artykuł przedstawia koncepcję DFSS (Design For Six Sigma) w celu optymalizacji i solidnej konstrukcji tuby. Koncepcja projektu 6-Sigma polega na pełnym zebraniu głosu klienta w procesie projektowania w celu projektowania ukierunkowanego; oraz wstępne rozważenie możliwych odchyleń w procesie produkcji, aby zapewnić dystrybucję jakości produktu końcowego na rozsądnym poziomie. Proces projektowania przedstawiono na rysunku 2. Rozpoczynając od opracowania wskaźników projektowych, konstrukcja i wymiary tuby są wstępnie projektowane zgodnie z istniejącym doświadczeniem. Model parametryczny jest tworzony w ANSYS, a następnie jest określany metodą projektowania eksperymentu symulacyjnego (DOE). Ważne parametry, zgodnie z solidnymi wymaganiami, określają wartość, a następnie użyj metody podproblemu, aby zoptymalizować inne parametry. Uwzględniając wpływ materiałów i parametrów środowiskowych podczas produkcji i użytkowania klaksonu, został on również zaprojektowany z tolerancjami, aby sprostać wymaganiom kosztów produkcji. Wreszcie, produkcja, test i projekt teorii testów oraz rzeczywisty błąd w celu spełnienia dostarczonych wskaźników projektowych. Następujące szczegółowe wprowadzenie krok po kroku.

20200117113651_36685

3.1 Projektowanie kształtu geometrycznego (ustalenie modelu parametrycznego)

Zaprojektowanie rogu spawalniczego najpierw określa jego przybliżony kształt geometryczny i strukturę oraz ustala model parametryczny do dalszej analizy. Rysunek 3 a) przedstawia konstrukcję najpopularniejszego rogu spawalniczego, w którym pewna liczba rowków w kształcie litery U jest otwieranych w kierunku drgań na materiale o mniej więcej prostopadłościanie. Wymiary całkowite to długości w kierunkach X, Y i Z, a wymiary boczne X i Y są generalnie porównywalne z rozmiarem spawanego przedmiotu. Długość Z jest równa połowie długości fali fali ultradźwiękowej, ponieważ w klasycznej teorii drgań częstotliwość osiowa pierwszego rzędu wydłużonego obiektu jest określona przez jego długość, a długość półfali jest dokładnie dopasowana do wartości akustycznej częstotliwość fal. Ten projekt został przedłużony. Stosowanie jest korzystne dla rozprzestrzeniania się fal dźwiękowych. Celem rowka w kształcie litery U jest zmniejszenie utraty bocznych drgań tuby. Położenie, rozmiar i liczba są określane na podstawie całkowitego rozmiaru tuby. Widać, że w tej konstrukcji jest mniej parametrów, które można dowolnie regulować, więc na tej podstawie dokonaliśmy ulepszeń. Rysunek 3 b) to nowo zaprojektowana tuba, która ma o jeden parametr rozmiaru więcej niż w tradycyjnej konstrukcji: zewnętrzny promień łuku R. Dodatkowo na powierzchni roboczej tuby wygrawerowany jest rowek do współpracy z powierzchnią obrabianego przedmiotu z tworzywa sztucznego, co jest korzystne dla przenoszenia energii drgań i chroni obrabiany przedmiot przed uszkodzeniem. Ten model jest rutynowo modelowany parametrycznie w programie ANSYS, a następnie następny projekt eksperymentalny.

3.2 Projekt eksperymentalny DOE (określenie ważnych parametrów)

DFSS został stworzony, aby rozwiązywać praktyczne problemy inżynierskie. Nie dąży do perfekcji, ale jest skuteczny i wytrzymały. Uosabia ideę 6-Sigma, oddaje główną sprzeczność i porzuca „99,97%”, wymagając jednocześnie, aby projekt był dość odporny na zmienność środowiska. Dlatego przed dokonaniem optymalizacji parametru docelowego należy go najpierw przesiać, dobrać rozmiar, który ma istotny wpływ na konstrukcję, a ich wartości określić zgodnie z zasadą odporności.

3.2.1 Ustawianie parametrów DOE i DOE

Parametry projektowe to kształt rogu i położenie rozmiaru rowka w kształcie litery U itp., W sumie osiem. Docelowym parametrem jest częstotliwość drgań osiowych pierwszego rzędu, ponieważ ma ona największy wpływ na spoinę, a maksymalne skupione naprężenie i różnica w amplitudzie powierzchni roboczej są ograniczone jako zmienne stanu. Na podstawie doświadczenia zakłada się, że wpływ parametrów na wyniki jest liniowy, więc każdy czynnik jest ustawiony tylko na dwóch poziomach, wysokim i niskim. Lista parametrów i odpowiadających im nazw jest następująca.

DOE jest wykonywane w ANSYS przy użyciu wcześniej ustalonego modelu parametrycznego. Ze względu na ograniczenia oprogramowania, pełny czynnik DOE może wykorzystywać maksymalnie 7 parametrów, podczas gdy model ma 8 parametrów, a analiza wyników DOE firmy ANSYS nie jest tak wszechstronna, jak profesjonalne oprogramowanie 6-sigma i nie radzi sobie z interakcją. Dlatego używamy APDL do pisania pętli DOE do obliczania i wyodrębniania wyników programu, a następnie umieszczamy dane w programie Minitab w celu analizy.

3.2.2 Analiza wyników DOE

Analiza DOE firmy Minitab jest przedstawiona na rysunku 4 i obejmuje analizę głównych czynników wpływających oraz analizę interakcji. Analiza głównych czynników wpływających służy do określenia, które zmiany zmiennej projektowej mają większy wpływ na zmienną docelową, wskazując tym samym, które są ważnymi zmiennymi projektowymi. Następnie analizowana jest interakcja między czynnikami w celu określenia poziomu czynników i zmniejszenia stopnia sprzężenia między zmiennymi projektowymi. Porównaj stopień zmiany innych czynników, gdy współczynnik projektowy jest wysoki lub niski. Zgodnie z niezależnym aksjomatem optymalny projekt nie jest ze sobą sprzężony, więc wybierz poziom, który jest mniej zmienny.

Wyniki analizy tuby spawalniczej w tym artykule są następujące: ważnymi parametrami projektowymi są promień łuku zewnętrznego i szerokość szczeliny tuby. Poziom obu parametrów jest „wysoki”, to znaczy promień przyjmuje większą wartość w DOE, a także szerokość rowka. Określono ważne parametry i ich wartości, a następnie wykorzystano kilka innych parametrów w celu optymalizacji projektu w ANSYS w celu dostosowania częstotliwości klaksonu do częstotliwości pracy spawarki. Proces optymalizacji jest następujący.

3.3 Optymalizacja parametrów docelowych (częstotliwość klaksonu)

Ustawienia parametrów optymalizacji projektu są podobne do ustawień DOE. Różnica polega na tym, że określono wartości dwóch ważnych parametrów, a pozostałe trzy są związane z właściwościami materiału, które są traktowane jako szum i nie mogą być optymalizowane. Pozostałe trzy parametry, które można regulować to osiowe położenie szczeliny, długość i szerokość tuby. Optymalizacja wykorzystuje metodę aproksymacji podproblemów w ANSYS, która jest metodą szeroko stosowaną w problemach inżynierskich, a konkretny proces jest pomijany.

Warto zauważyć, że użycie częstotliwości jako zmiennej docelowej wymaga niewielkich umiejętności w obsłudze. Ponieważ istnieje wiele parametrów projektowych i szeroki zakres zmienności, modów drgań klaksonu jest wiele w interesującym zakresie częstotliwości. Jeżeli wynik analizy modalnej jest używany bezpośrednio, trudno jest znaleźć modę osiową pierwszego rzędu, ponieważ przeplatanie sekwencji modalnej może wystąpić, gdy zmieniają się parametry, to znaczy zmienia się liczba porządkowa częstotliwości drgań własnych odpowiadająca modowi pierwotnemu. Dlatego w niniejszym artykule najpierw przyjęto analizę modalną, a następnie zastosowano metodę superpozycji modalnej w celu uzyskania krzywej odpowiedzi częstotliwościowej. Znajdując wartość szczytową krzywej odpowiedzi częstotliwościowej, może zapewnić odpowiednią częstotliwość modalną. Jest to bardzo ważne w procesie automatycznej optymalizacji, eliminując konieczność ręcznego określania modalności.

Po zakończeniu optymalizacji projektowa częstotliwość pracy klaksonu może być bardzo zbliżona do częstotliwości docelowej, a błąd jest mniejszy niż wartość tolerancji określona w optymalizacji. W tym momencie zasadniczo określa się projekt tuby, a następnie określa się tolerancje produkcyjne dla projektu produkcyjnego.

20200117113652_29938

3.4 Projekt tolerancji

Ogólny projekt konstrukcyjny jest zakończony po określeniu wszystkich parametrów projektowych, ale w przypadku problemów inżynieryjnych, szczególnie biorąc pod uwagę koszt produkcji masowej, niezbędne jest zaprojektowanie tolerancji. Koszt niskiej precyzji jest również zmniejszony, ale możliwość spełnienia wskaźników projektowych wymaga obliczeń statystycznych do obliczeń ilościowych. System PDS Probability Design System w ANSYS może lepiej analizować zależność między tolerancją parametrów projektu a tolerancją parametrów docelowych, a także może generować kompletne powiązane pliki raportów.

3.4.1 Ustawienia i obliczenia parametrów PDS

Zgodnie z ideą DFSS analizę tolerancji należy przeprowadzić na ważnych parametrach projektowych, a inne ogólne tolerancje można określić empirycznie. Sytuacja w tym artykule jest dość szczególna, ponieważ zgodnie z możliwościami obróbki, tolerancja wykonania parametrów geometrycznych jest bardzo mała i ma niewielki wpływ na końcową częstotliwość klaksonu; podczas gdy parametry surowców są bardzo różne ze względu na dostawców, a cena surowców stanowi ponad 80% kosztów przetwarzania rogu. Dlatego konieczne jest ustalenie rozsądnego zakresu tolerancji dla właściwości materiału. Istotne właściwości materiału to gęstość, moduł sprężystości i prędkość propagacji fali dźwiękowej.

Analiza tolerancji wykorzystuje losową symulację Monte Carlo w programie ANSYS do próbkowania metody Latin Hypercube, ponieważ może uczynić rozkład punktów próbkowania bardziej jednorodnym i rozsądnym oraz uzyskać lepszą korelację dzięki mniejszej liczbie punktów. W artykule określono 30 punktów. Załóżmy, że tolerancje trzech parametrów materiału są rozłożone zgodnie z Gaussem, początkowo podając górną i dolną granicę, a następnie obliczane w ANSYS.

3.4.2 Analiza wyników PDS

Poprzez obliczenie PDS podano docelowe wartości zmiennych odpowiadające 30 punktom próbkowania. Rozkład zmiennych docelowych jest nieznany. Parametry są ponownie dopasowywane za pomocą oprogramowania Minitab, a częstotliwość jest zasadniczo rozkładana zgodnie z rozkładem normalnym. Zapewnia to statystyczną teorię analizy tolerancji.

Obliczenie PDS daje wzór dopasowania od zmiennej projektowej do rozszerzania tolerancji zmiennej docelowej: gdzie y jest zmienną docelową, x jest zmienną projektową, c jest współczynnikiem korelacji, a i jest liczbą zmiennej.

Zgodnie z tym docelową tolerancję można przypisać do każdej zmiennej projektowej, aby zakończyć zadanie projektowania tolerancji.

3.5 Weryfikacja eksperymentalna

Część przednia to proces projektowania całego rogu spawalniczego. Po wykonaniu surowiec jest kupowany zgodnie z tolerancjami materiałowymi dopuszczonymi przez projekt, a następnie dostarczany do produkcji. Testy częstotliwości i modalne są wykonywane po zakończeniu produkcji, a zastosowana metoda testowa jest najprostszą i najskuteczniejszą metodą testu snajperskiego. Ponieważ najbardziej zainteresowanym wskaźnikiem jest osiowa częstotliwość modalna pierwszego rzędu, czujnik przyspieszenia jest przymocowany do powierzchni roboczej, a drugi koniec jest uderzany w kierunku osiowym, a rzeczywistą częstotliwość tuby można uzyskać za pomocą analizy spektralnej. Wynik symulacji projektu to 14925 Hz, wynik testu to 14954 Hz, rozdzielczość częstotliwości to 16 Hz, a maksymalny błąd jest mniejszy niż 1%. Można zauważyć, że dokładność symulacji elementów skończonych w obliczeniach modalnych jest bardzo wysoka.

Po przejściu testu eksperymentalnego, klakson zostaje oddany do produkcji i montażu na zgrzewarce ultradźwiękowej. Stan reakcji jest dobry. Praca była stabilna od ponad pół roku, a wskaźnik kwalifikacji spawalniczych jest wysoki, który przekroczył trzymiesięczny okres użytkowania obiecany przez producenta sprzętu ogólnego. To pokazuje, że projekt się powiódł, a proces produkcyjny nie był wielokrotnie modyfikowany i dostosowywany, co oszczędza czas i siłę roboczą.

4. Wniosek

Artykuł rozpoczyna się od zasady ultradźwiękowego zgrzewania tworzyw sztucznych, dogłębnie ujmuje techniczne aspekty spawania i proponuje koncepcję projektową nowej tuby. Następnie użyj potężnej funkcji symulacji elementu skończonego, aby dokładnie przeanalizować projekt i wprowadź koncepcję projektu 6-Sigma DFSS oraz kontroluj ważne parametry projektu za pomocą projektu eksperymentalnego ANSYS DOE i analizy tolerancji PDS, aby uzyskać solidny projekt. Wreszcie klakson został pomyślnie wyprodukowany raz, a projekt był rozsądny na podstawie eksperymentalnego testu częstotliwości i faktycznej weryfikacji produkcji. Dowodzi to również, że ten zestaw metod projektowania jest wykonalny i skuteczny.


Czas postu: Lis-04-2020