一種新型超聲波焊線機(jī)減振機(jī)構(gòu)的設(shè)計

梁 杰

（廣西玉林農(nóng)業(yè)學(xué)校，廣西 玉林 537000）

0 引言

隨著社會的不斷進(jìn)步和發(fā)展，半導(dǎo)體焊接行業(yè)也隨之高速發(fā)展。手動超聲波半導(dǎo)體焊接設(shè)備順應(yīng)了生產(chǎn)的需要，加快了焊接速度，但代價是工作振動加大。原有的彈性減振機(jī)構(gòu)只能在一定程度上緩解振動，卻無法徹底根除振動，造成了機(jī)器在高速運(yùn)動中無法保障高質(zhì)量的焊接。因此需要設(shè)計一種新型機(jī)構(gòu)，以徹底消除超聲波焊接設(shè)備高速運(yùn)動中產(chǎn)生的振動，從而保證焊接質(zhì)量。本設(shè)計采用了吸盤及電磁鐵，并通過精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了良好的減振效果，且不減損設(shè)備的工作效率。

1 原理分析

本課題研究的振動，是工作臺作高速往復(fù)運(yùn)動過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動。高速移動的工作臺，在100 ms內(nèi)減速為零，完成焊接動作后反向加速，平移10 mm后再次急停，停穩(wěn)后焊接，再換向移位，如此往復(fù)動作。重達(dá)2 kg的工作臺在急停過程中會產(chǎn)生很大的沖擊力，這就是本研究振動產(chǎn)生的主要原因。

超聲波焊接機(jī)工作時需要在不同的工作點(diǎn)移位，工作臺的移動就是為了實(shí)現(xiàn)這種功能。而工作臺移動的速度越快，工作時單位耗時就越短，超聲波焊接設(shè)備的工作效率就越高、產(chǎn)量越大。這既是市場的需要，也是技術(shù)突破的方向。

超聲波焊接是利用焊件間超過60 Hz的高頻振動產(chǎn)生金屬鍵合，從而實(shí)現(xiàn)金屬間的焊接。工作能量來源于相對穩(wěn)定的超聲波振動，而這種工作模式對于外界的振動干擾很敏感，外來振動會直接影響超聲波的焊接質(zhì)量。

2 方案探討

既然外界的振動對焊接有害，必須設(shè)法減少，或者根除。在實(shí)際應(yīng)用中，我們做了多方試驗(yàn)，對比嘗試了幾個解決方案。

2.1 方案一

從馬達(dá)的驅(qū)動著手，加長工作臺減速段的時間，利用馬達(dá)減速產(chǎn)生的阻尼消耗工作臺的動能。這種方法的減振效果很明顯，但馬達(dá)減速時間加長會增加工作臺的移動時間，導(dǎo)致焊接速度下降，這與工作臺加速的目的背道而馳，雖能有減振，但不可取。

2.2 方案二

從振源著手，工作臺急停過程產(chǎn)生的沖擊實(shí)際上是能量轉(zhuǎn)換的結(jié)果，工作臺的動能轉(zhuǎn)換成了一種較大的沖擊力。只要能把工作臺的動能減少，那么由此產(chǎn)生的沖擊力就會下降。所以，我們對工作臺進(jìn)行重新設(shè)計，縮小部分零件的尺寸、減少可有可無的零件、部分零件以鋁材替代原用的鋼材，最終工作臺的總重量下降了1／3。通過改進(jìn)，工作振動明顯減小，有利于設(shè)備提速，但工作臺始終存在一定的自重，振動只能減小，無法根除。

2.3 方案三

既然振動難以根除，繼續(xù)沿著老思路走下去，可能問題難以解決。經(jīng)過多次試驗(yàn)、分析，我們發(fā)現(xiàn)，只要是從超聲波釋放到完成焊接的20 ms～40 ms內(nèi)沒有振動干擾，就不會影響焊接質(zhì)量?；谶@個發(fā)現(xiàn)，得出了一個解決問題的思路：只要能夠在焊接開始之前把振動消除，就不會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。因此，可以通過人為的阻尼設(shè)計，在焊接開始前把振動的能量消耗掉，就可以有效地保證焊接質(zhì)量，而不需要自始至終地?fù)?dān)心振動的存在。

3 解決措施

最終，我們選擇了第三種方案，把減振分為兩個階段——減速段和焊接段。在減速段把工作臺的動能完全消耗掉，此階段不論振動是大是小都不會直接影響焊接質(zhì)量。只要焊接段確保工作臺能完全停下來，就可以保證焊接質(zhì)量。

為此，我們針對性地設(shè)計了一種新型的減振機(jī)構(gòu)，以保證高速運(yùn)動的工作臺在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)急停。這種新型的減振機(jī)構(gòu)包括底座、置于底座內(nèi)部的滑板和在滑板與底座之間的吸盤機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 減振機(jī)構(gòu)

工作臺固定在滑板上，滑板相對于底座可以水平移動。我們要實(shí)現(xiàn)的是：焊接時工作臺相對于底座沒有位移。要做到這一點(diǎn)，只要滑板能夠適時停下來，工作臺也就隨之停下。所以，在滑板與底座之間設(shè)計安裝了一個吸盤機(jī)構(gòu)，通過該機(jī)構(gòu)，讓滑板與底座在焊接瞬間吸合在一起，起到固定工作臺的作用。

吸盤機(jī)構(gòu)見圖2，它包括吸盤電磁鐵、置于吸盤電磁鐵底部的摩擦片、位于吸盤電磁鐵上部的壓板座板、置于吸盤電磁鐵上表面的彈片、用于將彈片與吸盤電磁鐵固定一起的連接螺釘、貫穿于壓板座板至連接螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)螺釘以及置于調(diào)節(jié)螺釘上的壓簧。

圖2 吸盤機(jī)構(gòu)

吸盤機(jī)構(gòu)的工作原理如下：吸盤電磁鐵通電時產(chǎn)生強(qiáng)磁場，會把電磁鐵的端面和接近它的摩擦片吸附在一起，當(dāng)吸力達(dá)到一程度時，即可阻止吸盤電磁鐵與摩擦片間的相對運(yùn)動，最終實(shí)現(xiàn)把工作臺瞬間固定在底座上的目的。而當(dāng)吸盤電磁鐵斷電時，磁場消失，電磁鐵與摩擦片間的吸附力為零，電磁鐵可以在摩擦片上自由移動，此時工作臺可以自由移位對點(diǎn)。

實(shí)踐證明，如果吸盤電磁鐵與摩擦片之間有間隙，那么兩者在吸附瞬間會產(chǎn)生位移，結(jié)果會產(chǎn)生振動和噪聲。要解決這個問題，就必須保證電磁鐵的端面與摩擦片間為零間隙?；谏鲜隹紤]，設(shè)計時把電磁鐵安裝在一片厚度為0.5 mm的彈簧鋼片上，此時的電磁鐵可在彈簧鋼片的柔性限制下適度擺動一定的角度，然后再在電磁鐵的正上方安裝一個小壓簧，給電磁鐵施加一個向下的力，這個向下的力可以確保通過彈簧鋼片的柔性變形讓吸盤電磁鐵的端面始終貼合在摩擦片上。

4 結(jié)果和討論

本實(shí)用新型減振機(jī)構(gòu)的設(shè)計效果如下：因在該滑板與底座之間設(shè)置有吸盤結(jié)構(gòu)，當(dāng)通電時，吸盤電磁鐵與剛性連接于底座上的摩擦片吸合，使得滑板與底座之間固定在一起而無法產(chǎn)生相對運(yùn)動，焊接動作產(chǎn)生的振動由底座吸收而無法對焊接構(gòu)成影響，從而達(dá)到徹底清除振動對高質(zhì)量或高速焊接的影響；而在非焊接狀態(tài)，工作臺相對于底座可進(jìn)行水平方向的移動，實(shí)現(xiàn)工位自由移動對點(diǎn)。

此設(shè)計可有效消除振動對焊接的影響，但也存在一個問題，那就是操作時阻力有所增加。因?yàn)楣ぷ髋_相對底座移動時，電磁鐵與摩擦片一直以一定的壓力相互接觸，移動難免會產(chǎn)生摩擦阻力。這對操作雖然不構(gòu)成較大的影響，但的確有待考慮并加以解決。

［1］ 王純正.超聲學(xué)［M］.北京：人民衛(wèi)生出版社，1993.

［2］ 王愛玲，祝錫晶，吳秀玲.功率超聲振動加工技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［3］ 聞邦椿，劉樹英，陳照波，等.機(jī)械振動理論及應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［4］ 聞邦椿，劉樹英，張純宇.機(jī)械振動學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

［5］ 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.