直線式振動送料器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

蘇 江

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)電工程系，廣東珠海 519000）

科技發(fā)展使企業(yè)的自動化程度越來越高。振動送料器是自動加工和自動裝配系統(tǒng)中的一種供料裝置，實(shí)現(xiàn)了工廠里的加工、裝配、檢查、計數(shù)和包裝等工序的自動化和無人化，使零部件能夠自動沿著一定方向作穩(wěn)定供給。振動送料器按照輸送方式可以分為直線式和旋轉(zhuǎn)式。本文將從結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍方面分析直線式振動送料器技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出直線式振動送料器的未來發(fā)展趨勢。

1 直線式振動送料器研究現(xiàn)狀

1.1 直線式電磁振動送料器

直線式電磁振動送料器在國內(nèi)外自動化生產(chǎn)線上獲得了廣泛應(yīng)用，直線式電磁振動送料器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由料盤、電磁鐵、主振彈簧片、底座和橡膠底腳等組成。

其工作原理是:當(dāng)電源接通，激振電磁鐵產(chǎn)生吸力，在電磁吸力作用下，料盤（頂盤）偏離靜平衡位置向下移動，并且迫使彈簧片產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)電磁吸力消失時，由于彈簧片已儲存了足夠的彈性變形能，迫使料盤急劇改變運(yùn)動方向，并且超越原來的靜平衡位置達(dá)到某一上限。如此上下循環(huán)往復(fù)，形成高頻微幅振動，同時促使料盤內(nèi)被供送物件沿著直線滑道作快速平穩(wěn)的相對運(yùn)動并自動定向排列，最后逐個由排料口排出［1］。

近年來由于電子技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外研制開發(fā)的送料器變頻變壓電源，使得直線式電磁送料器的輸送速度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，更好地滿足了工業(yè)自動化生產(chǎn)線的要求。但目前的直線式電磁振動送料器仍然存在體積大、重量大;結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整不方便;工作噪聲大;消耗能源大等缺點(diǎn)。

1.2 直線式壓電振動送料器

1977年日本科技人員利用壓電陶瓷作為驅(qū)動源［2］，研制出直線式壓電振動送料器，較好地解決了電磁振動送料器存在的問題。日本在壓電振動送料裝置的理論、設(shè)計與計算的研究比較深入完整，也推出了多種直線式壓電振動送料裝置。在國內(nèi)，吉林大學(xué)壓電驅(qū)動研究中心對直線式壓電振動送料器進(jìn)行了深入研究，并申請了送料器專利。目前研發(fā)的直線式壓電振動送料器有四種形式:分別是直接驅(qū)動式、慣性驅(qū)動式、垂直驅(qū)動式和行波驅(qū)動式。

日本Sanki公司研制的直接驅(qū)動式壓電振動送料器如圖2所示，它由頂盤、壓電雙晶片、彈簧片和底座等組成。工作時在壓電雙晶片上施加交流電壓使之彎曲振動，與壓電雙晶片固定連接的彈簧片隨之彎曲振動從而帶動頂盤偏離靜平衡位置產(chǎn)生上下與左右搖擺的復(fù)合振動，從而使物料按照直線方向進(jìn)行輸送。

日本學(xué)者加藤一路等［3］研制的慣性驅(qū)動式壓電振動送料器如圖3所示，它由頂盤、壓電雙晶片、慣性塊、支撐彈簧片和底座等組成。給頂盤上的壓電雙晶片施加交流電壓，壓電雙晶片和慣性塊組成的壓電振子產(chǎn)生彎曲振動，其振動通過頂盤傳遞給支撐彈簧片，從而帶動支撐彈簧片發(fā)生彈性變形，形成了上下與左右搖擺的復(fù)合振動，構(gòu)成驅(qū)動物料輸送的能力。

吉林大學(xué)的張長健等［4］人研制的垂直驅(qū)動式壓電振動送料器如圖4所示，它由頂盤、圓形壓電雙晶片、彈性調(diào)整片、支撐彈簧片和底座等組成。基本工作原理是:給圓形壓電雙晶片施加交流電壓，圓形壓電雙晶片所產(chǎn)生的彎曲振動通過與彈性調(diào)整片配合垂直作用于頂盤，并帶動支撐彈簧片發(fā)生彈性變形，形成頂盤表面的上下與左右搖擺的復(fù)合振動，從而構(gòu)成驅(qū)動物料直線移動的能力。

臺灣中原大學(xué)的Yung Ting教授［5］研制了一種行波驅(qū)動式壓電振動給料器如圖5所示，它由一組連接在一起的雙壓電晶片和固定在壓電雙晶片上的平板組成，通過給奇數(shù)和偶數(shù)位置壓電雙晶片施加相位不同的交流電壓信號從而使其產(chǎn)生行波，帶動物料產(chǎn)生橢圓運(yùn)動，形成了直線輸送物料的能力。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

直線式壓電振動送料器，由于采用壓電陶瓷元件作為其驅(qū)動部件，相比傳統(tǒng)的電磁振動送料器具有以下特點(diǎn):

（1）結(jié)構(gòu)簡單，安裝和維護(hù)更加方便;

（2）應(yīng)用壓電片作為驅(qū)動源，噪聲小，無需電動機(jī)、電磁激振器等驅(qū)動裝置，也無需軸、桿和皮帶等機(jī)械傳動部件，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制作;

（3）改變驅(qū)動信號中的幅值、脈寬及頻率中的任意一個，都可以調(diào)節(jié)輸送率，控制參數(shù)多，可控性好;

（4）不產(chǎn)生干擾電磁場，也不受電磁干擾信號的影響;

（5）在共振狀態(tài)下工作，因此能量消耗少;

（6）驅(qū)動力略顯不足，無法輸送過重的料件，因此這類裝置大多應(yīng)用于物料的微量或精量輸送。

1.3 直線式超聲波振動送料器

近幾年，隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型的超聲波振動送料裝置。日本最早對超聲波振動輸送裝置進(jìn)行了研究，在實(shí)驗研究和應(yīng)用方面都處于領(lǐng)先地位。超聲波振動輸送裝置是超聲馬達(dá)技術(shù)的延伸，是對傳統(tǒng)振動送料裝置的改進(jìn)，但是在原理上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同于傳統(tǒng)的送料裝置。其原理是利用20 kHz以上頻率的超聲波代替?zhèn)鹘y(tǒng)振動方式驅(qū)動給料器工作，從而形成一種噪聲小、無電磁干擾、輸送速度快、能夠輸送輕薄細(xì)小物料而且不污染環(huán)境的新型振動給料技術(shù)。現(xiàn)在研究出的超聲波輸送裝置主要有以下兩種:

第一種超聲波輸送裝置如圖6所示，振動平臺下固定兩個換能器，一個發(fā)射聲波，一個接收聲波，通過在振動平臺上形成的行波來輸送物體［6］。

另一種是Takeh iro Takano教授［7］研制的基于超聲波的粉體輸送裝置如圖7所示。超聲波粉體輸送裝置在原理上完全不同于傳統(tǒng)的粉體輸送裝置，它是利用環(huán)形壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的超聲振動在輸送管中激起衰減行波，該衰減行波導(dǎo)致輸送管管壁質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動從而驅(qū)動粉體運(yùn)動。作為一種新型的粉體輸送裝置，行波型超聲粉體輸送裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于少量或微量粉體物料的精確定量輸送，在化工、食品和制藥等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 直線式振動送料器發(fā)展趨勢

通過對國內(nèi)外直線式振動送料器發(fā)展現(xiàn)狀分析，未來直線式振動送料器將朝著以下幾個方向發(fā)展:

（1）驅(qū)動方式多樣化。送料器從早期的單一電磁鐵驅(qū)動發(fā)展到現(xiàn)在的壓電、超聲波等多種驅(qū)動方式，以適應(yīng)不同物料的輸送要求。

（2）驅(qū)動控制智能化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，送料器控制器對送料器電壓、頻率等參數(shù)可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整，通過增加傳感器實(shí)現(xiàn)送料器輸送的智能化控制。

（3）送料裝置低噪聲。早期的電磁鐵驅(qū)動方式使得送料器在工作時產(chǎn)生了很大的噪聲，最新研究的超聲波驅(qū)動方式，由于系統(tǒng)工作在超聲頻率，送料器的工作噪聲顯著降低。

3 結(jié)語

本文對目前存在的多種直線式振動送料器逐一進(jìn)行了分析比較，從結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍方面做了較為詳細(xì)的論述，并展望了未來送料器發(fā)展趨勢。在能源日益緊缺的當(dāng)今世界，節(jié)能型低噪音振動送料器的研究日益受到各國科學(xué)家的重視，特別是壓電振動送料器在國外一些生產(chǎn)線上得到了廣泛應(yīng)用。在全社會倡導(dǎo)節(jié)能和不斷改善工人工作環(huán)境的的背景下，更多新型的振動送料器還有待于我們進(jìn)一步研究和開發(fā)。

［1］湯瑞.輕工機(jī)械設(shè)計［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1992:55－71.

［2］特殊陶業(yè)株式會社.壓電振動搬送裝置.日本，52－61087［P］.1977－5－4.

［3］加藤一路，藤井隆良.壓電驅(qū)動型送料器以及壓電元件驅(qū)動型送料器.日本，CN1380234A［P］.2002－11－20.

［4］張長健.垂直驅(qū)動式壓電直線振動給料器的機(jī)理分析及實(shí)驗研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2007.

［5］Yung Ting，Ho－Chin Jar，Chung－Yi Lin，et al.A new typeof parts feeder driven by bimorph piezo actuator［J］.Ultrasonics，2005，43（7）:566－573.

［6］上羽貞行.超聲波馬達(dá)的理論與運(yùn)用［M］.楊志剛，譯.上海:上海科技出版社，1998:46－50.

［7］Takeh iro Takano，Yo sh iro Tomikawa.Excitation of a progressive wave in lossy ultrasonic transmission line and an application to a powder feeding device［J］.SmartStract，1998（7）:417－421.