料斗式振動(dòng)上料裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊軍安

（新疆眾和股份有限公司 烏魯木齊830013）

1 引言

任何復(fù)雜、龐大的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備都可以分解一個(gè)個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化生產(chǎn)的最基本得組成部分。在自動(dòng)化機(jī)械上，要完成整個(gè)工序動(dòng)作，首先必須將工件移送到操作位置或定位夾具上，自動(dòng)上料系統(tǒng)是自動(dòng)化機(jī)械或生產(chǎn)線不可或缺的基本部分。本問(wèn)從夾緊機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)以及隔料機(jī)構(gòu)等方面對(duì)自動(dòng)上料系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，確定上料機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)，最后概述了自動(dòng)上料系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的一些解決問(wèn)題。

2 自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的工作流程

自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的任務(wù)就是自動(dòng)地把待加工工件定時(shí)、定量、定向地送到加工、裝配、測(cè)試設(shè)備的相應(yīng)位置，以便縮短輔助時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動(dòng)條件。

自動(dòng)化上料時(shí)任務(wù)，是把坯料、工件或產(chǎn)品，以一定的方位，按照一定的生產(chǎn)節(jié)拍，自動(dòng)地傳送到相應(yīng)的加工、裝配或測(cè)試分類崗位上，以縮短輔助時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和改善工人勞動(dòng)條件等。它是實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化、建立自動(dòng)生產(chǎn)線和自動(dòng)化工廠的基本條件之一[1]。

2.1 自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的分類

自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)按工件(材料)形狀、尺寸等特征，可分以下四類[1-2]：

（1）粉、液料自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，主要是解決自動(dòng)定量上料問(wèn)題。

（2）管、棒料自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，主要是解決按工件所需長(zhǎng)度周期地自動(dòng)送料問(wèn)題。

（3）卷料(絲、帶料)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，主要是解決材料的校直機(jī)構(gòu)、放料和制動(dòng)機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)等問(wèn)題。

（4）件料自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，件料因料性質(zhì)、工件尺寸大小及形狀復(fù)雜程度差異很大，故供料裝置也截然不同。

料斗式上料機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是能自動(dòng)定向。適用于工件尺寸較小，外形簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)定向排列，且上料頻繁的場(chǎng)合；料倉(cāng)式上料機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是需要人工排料。適用于工件尺寸與重量較大，外形復(fù)雜，難于自動(dòng)定向排列，或加工周期較長(zhǎng)，上料不頻繁，沒(méi)有必要采用自動(dòng)化程度更高的料斗式上料[2]。

2.2 上料機(jī)構(gòu)各主要部件的應(yīng)用特點(diǎn)

2.2.1 料斗式上料機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是能自動(dòng)定向

適用于工件尺寸較小，外形簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)定向排列，且上料頻繁的場(chǎng)合；料倉(cāng)式上料機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是需要人工排料。適用于工件尺寸與重量較大，外形復(fù)雜，難于自動(dòng)定向排列，或加工周期較長(zhǎng)，上料不頻繁，沒(méi)有必要采用自動(dòng)化程度更高的料斗式上料。

2.2.2 料倉(cāng)式上料機(jī)構(gòu)

根據(jù)上料功能的需要，上料機(jī)構(gòu)由料倉(cāng)、輸料槽、隔料器、上料器、定向機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置等組成。料倉(cāng)(包括輸料槽)主要用以儲(chǔ)存和輸送已定向的工件[3]。

（1）上料器

上料器是將已定向的工件，按一定的生產(chǎn)節(jié)拍和方位送到機(jī)器工座位置的裝置，其基本動(dòng)作夾緊和傳送。夾緊的方法有機(jī)械、電磁、真空和粘附力等幾種方式。工件的傳送運(yùn)動(dòng)，常分直線往返式、往返擺動(dòng)式、旋轉(zhuǎn)式和復(fù)合運(yùn)動(dòng)式四種。傳送動(dòng)力有機(jī)械的、氣動(dòng)的，液壓的和機(jī)電聯(lián)動(dòng)等幾種。上料器的選用和設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)工件的幾何形狀及其材料特性、定位精度、生產(chǎn)率以及機(jī)器結(jié)構(gòu)布局等因素決定[3-5]。

（2）隔料器

隔料器是控制工件從料倉(cāng)進(jìn)入上料器或直接送到工作位置的機(jī)構(gòu)，可分直線往返式隔料器、搖擺式隔料器、旋轉(zhuǎn)式隔料器[3～5]，見(jiàn)表1。

表1 隔料器種類

（3）定向機(jī)構(gòu)

定向機(jī)構(gòu)的工作方法和類型使工件從成堆散亂的狀態(tài)下獲得定向，主要采用下列方法：

①抓取法：利用運(yùn)動(dòng)著的定向機(jī)構(gòu)抓取工件的一些特殊表面如凸肩，內(nèi)孔、凹槽等，使之分離出來(lái)并定向排列。如螺釘類工件的扇形定向機(jī)構(gòu)，套管類工件的桿式、鉤式定向機(jī)構(gòu)。

②型孔選取法：利用定向機(jī)構(gòu)上一定形狀尺寸的孔穴進(jìn)行篩選分離，只有工件的位置及形狀相應(yīng)于這一型孔的，才能通過(guò)而獲得定向排列。如圓盤式、圓管式、半管式等定向機(jī)構(gòu)。

3 上料方案的確定

由于在架臺(tái)上所貼矩形薄片狀，體積小，并且分正反面。上料須滿足以下幾個(gè)要求：

（1）薄片須方向一致，該上料機(jī)構(gòu)要有定向機(jī)構(gòu)，且誤差盡可能小。

（2）確保薄片上料時(shí)有序的依次下來(lái)，避免重疊現(xiàn)象發(fā)生。

（3）提高設(shè)備生產(chǎn)率和工人勞動(dòng)生產(chǎn)率、顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）工作穩(wěn)定可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小，不會(huì)損傷端子，使用壽命長(zhǎng)。

（5）結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，最大限度采用標(biāo)準(zhǔn)化零部件，通用性好，易于制造和維修，成本低。

3.1 料斗式振動(dòng)上料裝置工作原理

利用振動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)稱振動(dòng)機(jī)構(gòu)，廣泛用于散狀物料的搗實(shí)、裝卸、輸送、篩選、研磨、粉碎、混合等工藝中。如圖1所示利用電磁振動(dòng)的供料機(jī)構(gòu)，當(dāng)交流電輸入鐵芯線圈5，產(chǎn)生頻率50 Hz的斷電磁力時(shí)，吸引固定在料道上的銜鐵6，使槽體向左下方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電磁力迅速減少并趨近零時(shí)，槽體在板簧2的作用下，向右上方作復(fù)位運(yùn)動(dòng)，如此周而復(fù)始便使槽體產(chǎn)生微小的振動(dòng)[4～5]。

圖1 料斗式振動(dòng)上料裝置結(jié)構(gòu)

當(dāng)槽體在電磁鐵作用下向左下方運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于慣性力的作用，工件將按原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向向前拋射(或稱跳跌)，工件在空中微量跳跌后，又落到槽體上。這樣，槽體經(jīng)過(guò)一次振動(dòng)后，在槽體上的工件就向上移動(dòng)一定的距離，直至出料口，從而達(dá)到供料的目的。顯然，在槽體的空間位置、工件和槽體的摩擦系數(shù)等一定時(shí)，工件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與槽體的加速度有關(guān)。

3.2 料斗式振動(dòng)上料工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建模

了對(duì)工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行理論分析，以便合理地確定料斗的基本參數(shù)，需要建立工件沿料槽運(yùn)動(dòng)的微分方程：如圖2工件受力分析所示[5]。

圖2 工件受力分析

工件沿水平直槽相對(duì)運(yùn)動(dòng)的微分方程表示

式中：m為工件的質(zhì)量（kg）；xˉ為工件沿x 軸的相對(duì)加速度(mm/s2)；F 為工件與料槽間的動(dòng)摩擦力（N）；αX為料槽在X軸的分加速度(mm/s2)。

設(shè)料槽的位移s、速度v、加速度分別表示

式中：A1/2為料槽的振幅（mm）；ω為料槽的角頻率（1/m）；T為瞬時(shí)時(shí)間（s）。

料槽在x與y軸方向分加速度分別

式中β為振動(dòng)方向角，即料槽振動(dòng)方向與工件沿料槽運(yùn)動(dòng)方向間的夾角。

摩擦力F的方向取決于相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，即

式中：μ為工件與料槽面間的動(dòng)摩擦系數(shù)；N為料槽對(duì)工件的反作用力（N）。

由圖1得

式中：g為重力加速度（mm/s2）。

經(jīng)整理后得

式中上面的符號(hào)適用于工件沿料槽向前滑移，下面的符號(hào)適用于工件沿料槽向后滑移。工件向前、向后滑移，或脫離料槽“瞬時(shí)騰空”，跳躍前進(jìn)，決定于慣性力和摩擦力等阻力對(duì)工件綜合作用的結(jié)果。只有當(dāng)與料槽平行的慣性力分量大于靜摩擦力等阻力時(shí)，工件才有可能向前或向后滑移。由于工件質(zhì)量是常數(shù)，頻率在選用電磁振動(dòng)器時(shí)已經(jīng)確定，所以慣性力又主要受料槽振幅大小的影響。試驗(yàn)證明：振幅太小，則慣性力也太小，不能克服工件和料槽面間的摩擦阻力，故工件只能隨料槽一起振動(dòng)，而不能向前或向后滑移；只有當(dāng)振幅達(dá)到某臨界值時(shí)，工件才能相對(duì)料槽移動(dòng)，而在開(kāi)始向前移動(dòng)的一瞬間，作用在工件上的所有力，在其移動(dòng)方向上的投影應(yīng)等于零，即

將αx代入上式，得

式中：F1為靜摩擦力（N）；t1為工件向前滑移的起始時(shí)間（s）。

將靜摩擦系數(shù)μ1代入式（5），得

再將式（6）代入式（5），經(jīng)整理后得

式中：A為料槽在工件移動(dòng)方向上的振幅（mm）。

由于cosωt1是負(fù)值，所以，若，工件才能向前滑移，因在此相位范圍內(nèi)，慣性力逐漸增大，當(dāng)增大到超過(guò)靜摩擦力時(shí)，才有可能產(chǎn)生滑移。而在此范圍內(nèi)的余弦值在0 ～-1范圍內(nèi)變化，故由式（7）得

即

由此可見(jiàn)，只有當(dāng)料槽水平方向的振幅滿足次不等式，工件才能向前滑移，而工件向前滑移的臨界振幅A+1

以上述同樣的分析方法，可導(dǎo)出工件向后和脫離料槽“瞬時(shí)騰空”的臨界振幅A-1和A0，即

工件在料槽振動(dòng)過(guò)程中處于何種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，取決于A+1、A-1、A0、A之間的大小關(guān)系。由式（9）～式（11）可得

工件向前移動(dòng)所需振幅A+1最小，較易實(shí)現(xiàn)；跳躍所需振幅A0最大。實(shí)際上，工件向前移動(dòng)時(shí)，慣性力使工件與料槽間的反作用力N減少，而工件向后滑移時(shí)，慣性力使N增大。因此，工件向前移動(dòng)較向后滑動(dòng)所受到的摩擦阻力要小，故易于實(shí)現(xiàn)。

3.3 振動(dòng)上料料斗裝置的調(diào)試

振動(dòng)上料料斗的調(diào)試，決定著振動(dòng)上料的穩(wěn)定性，熟練掌握調(diào)試方法至關(guān)重要。需要調(diào)試的項(xiàng)目歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)[6]:

3.3.1 工件前進(jìn)速度

若工件前進(jìn)速度不均勻穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)兩邊上料速度的快慢不同，會(huì)出現(xiàn)片狀端子重疊，或卡死，致使上料不通暢，影響下一環(huán)節(jié)等現(xiàn)象。其主要原因是幾根彈簧振幅不等，而使料斗各部分振動(dòng)加速度不一致的結(jié)果。影響振幅不等的因素有：

（1）彈簧的材料成分、性能及其尺寸不一致；

（2）彈簧安裝位置不對(duì)稱；

（3）各電磁鐵的氣隙大小不相等；

（4）連接處螺帽、螺釘有松動(dòng)。

3.3.2 料斗送料率

料斗送料率與機(jī)器生產(chǎn)率必須適應(yīng)。因送料率與振幅及激振電源頻率成正比，故其調(diào)節(jié)方法可以分以下兩點(diǎn)：

（1）改變振幅值調(diào)節(jié)送料率因振幅與激振力成正比，而激振力與外加電乓平方成正比，以及與線圈匝數(shù)平方成反比等。故改變外加電壓及線圈匝數(shù)就能調(diào)節(jié)振幅值。電壓常采用調(diào)壓器或可變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。改變線圈匝數(shù)調(diào)節(jié)激振力較簡(jiǎn)單，但不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。此外，振幅的大小還可以通過(guò)改變電磁線圈中的電流大小來(lái)調(diào)節(jié)。

（2）改變激振電源頻率調(diào)節(jié)送料率因頻率提高后，工件跳躍次數(shù)增多。即使在振幅固定的情況下，也能提高料斗送料率。

3.4 料斗式振動(dòng)上料裝置優(yōu)點(diǎn)

定向平穩(wěn)，由于沒(méi)有抓取機(jī)構(gòu)及其對(duì)坯件的攪動(dòng)，坯件在定向過(guò)程中產(chǎn)生損傷的程度大大減輕。可用于薄壁、脆性、彈性等小型零件自動(dòng)上料；通用性廣，適用于各種形狀和尺寸的零件的定向。在零件改變時(shí)，除定向元件略-有變化外，其他結(jié)構(gòu)均具有通用性；送料速度較高而且可以方便地調(diào)節(jié)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠不易產(chǎn)生阻塞。

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