超聲波焊接機模具工裝的設計相當重要。國內(nèi)有不少超聲波設備供應商自行生產(chǎn)焊接工裝，但是他們中有相當一部分是仿制已有，然后不斷的修整工裝、測試，通過這種反復調(diào)整的方法達到工裝與設備頻率協(xié)調(diào)的目的。
設計焊接工裝首先是確定其大致的幾何外型和結(jié)構(gòu)，并建立參數(shù)化模型，以便進行后繼分析。）是最為常見焊接工裝的設計，在一個近似長方體的材料上沿振動方向豁開若干個U型槽。整體尺寸是X、Y、Z三個方向的長度，通常橫向尺寸X和Y與被焊接工件的大小相當。Z的長度等于超聲波的半波長，因為在經(jīng)典的振動理論里面，長條型物體的一階軸向頻率是由它的長度確定的，半波長度正好與聲波頻率匹配，這種設計一直被延用，有利與聲波的傳播。U型槽的目的是減少工裝橫向振動的損耗，位置、大小和個數(shù)根據(jù)工裝整體尺寸確定?？梢娫谶@種設計中，可以自由調(diào)控的參數(shù)較少，因此我們在此基礎上做了改進。圖三b）是新設計的工裝，比傳統(tǒng)設計多了一個尺寸參數(shù)：外弧半徑R。另外，在工裝的工作面雕刻出凹槽與塑料工件表面配合，有利于傳遞振動能量和保護工件表明不受到傷害。對此模型在ANSYS中進行常規(guī)的參數(shù)化建模，然后進行下一步實驗設計。
通過有限元方法，在設計工裝時就能把頻率確定，制造出來的工裝測試結(jié)果與設計頻率誤差不過1％。同時，引入DFSS（Design For Six Sigma）的理念，對工裝進行優(yōu)化和健壯設計。6-Sigma設計的理念是在設計過程中充分收集客戶心聲進行針對性的設計；并且預先考慮生產(chǎn)過程可能出現(xiàn)的偏差，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量分布在合理的水平內(nèi)。設計流程從制定設計指標開始，首先根據(jù)已有經(jīng)驗初步設計工裝的結(jié)構(gòu)和外型尺寸，在ANSYS中建立參數(shù)化模型，然后通過仿真實驗設計（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，接著對其他參數(shù)用子問題法進行尋優(yōu)。考慮到工裝在制造和使用過程中材料、環(huán)境參數(shù)的影響，還對其進行了公差設計，滿足制造成本的要求。最后是制造、測試檢驗理論設計和實際的誤差，滿足設計指標即交付使用。以下逐步進行詳細介紹。