工具頭作為超聲波焊接機(jī)和物料的接觸界面，其主要功能是將由變幅器輸出的縱向機(jī)械振動(dòng)均勻有效地傳遞到物料上，所用的材料通常是優(yōu)質(zhì)鋁合金甚至鈦合金。因?yàn)樗芰衔锪系脑O(shè)計(jì)變化多，外型千差萬(wàn)別，工具頭也要隨之而變化。工作面的形狀要與物料配合良好，在振動(dòng)時(shí)才不至于損傷塑料表明;同時(shí)其一階縱向振動(dòng)固由頻率要與焊接機(jī)的輸出頻率協(xié)調(diào)，否則振動(dòng)能量會(huì)被內(nèi)耗掉。工具頭在振動(dòng)時(shí)，局部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，如何優(yōu)化這些局部結(jié)構(gòu)也是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。本文就如何應(yīng)用ANSYS設(shè)計(jì)工具頭，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)和制造公差進(jìn)行探討。

　　如前所述，超聲波焊接工裝的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。國(guó)內(nèi)有不少超聲波設(shè)備供應(yīng)商自行生產(chǎn)焊接工裝，但是他們中有相當(dāng)一部分是仿制已有，然后不斷的修整工裝、測(cè)試，通過(guò)這種反復(fù)調(diào)整的方法達(dá)到工裝與設(shè)備頻率協(xié)調(diào)的目的。本文通過(guò)有限元方法，在設(shè)計(jì)工裝時(shí)就能把頻率確定，制造出來(lái)的工裝測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)頻率誤差不過(guò)1%。同時(shí)，本文引入DFSS(Design For Six Sigma)的理念，對(duì)工裝進(jìn)行優(yōu)化和健壯設(shè)計(jì)。6-Sigma設(shè)計(jì)的理念是在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分收集客戶心聲進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì);并且預(yù)先考慮生產(chǎn)過(guò)程可能出現(xiàn)的偏差，保證產(chǎn)品的質(zhì)量分布在合理的水平內(nèi)。設(shè)計(jì)流程如圖二所示，從制定設(shè)計(jì)指標(biāo)開(kāi)始，首先根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)工裝的結(jié)構(gòu)和外型尺寸，在ANSYS中建立參數(shù)化模型，然后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法確定模型中的重要參數(shù)，根據(jù)健壯要求，確定數(shù)值，接著對(duì)其他參數(shù)用子問(wèn)題法進(jìn)行尋優(yōu)。考慮到工裝在制造和使用過(guò)程中材料、環(huán)境參數(shù)的影響，還對(duì)其進(jìn)行了公差設(shè)計(jì)，滿足制造成本的要求。制造、測(cè)試檢驗(yàn)理論設(shè)計(jì)和實(shí)際的誤差，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)即交付使用。以下逐步進(jìn)行詳細(xì)介紹。