基于垂直驅(qū)動的壓電振動送料器結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與試驗研究

陳曉云

（煙臺汽車工程職業(yè)學院，山東煙臺，265500）

0 引言

供料機構(gòu)是自動化生產(chǎn)線的重要組成部分，而送料器是供料機構(gòu)的不可缺少的重要組成部分，從送料方式來看，包含螺旋式和直線式兩種；從按驅(qū)動方式來看，包含壓電式、電機式、電磁式三種。隨著電子行業(yè)及其相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的電機式和電磁式送料器由于其自身局限已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代應(yīng)用要求，整列與輸送的精密化、快速化，以及輕質(zhì)微小工件的自動化生產(chǎn)和裝配受到青睞，一種利用壓電陶瓷微振幅的送料器應(yīng)運而生。壓電振動送料器較之于傳統(tǒng)送料器的優(yōu)勢，在于其具備較小的振動幅度，噪音干擾較弱，具備良好的穩(wěn)定性與響應(yīng)速度，能夠更加精準的進行定位，無電磁干擾，不必耗費太多電量等顯著，它成功彌補了傳統(tǒng)送料器不能實現(xiàn)的一些難題，已經(jīng)大范圍的應(yīng)用在了食品、藥物、精密電子等自動化生產(chǎn)線上。因此，本文對垂直驅(qū)動的壓電振動送料器結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析與試驗研究，以及對該結(jié)構(gòu)可行性及相關(guān)性能參數(shù)的確定，對于其在自動化生產(chǎn)中的有效應(yīng)用具有重要意義。

1 垂直驅(qū)動壓電振動送料器的結(jié)構(gòu)及其工作原理

本研究中的基于垂直驅(qū)動的壓電振動送料器主要包括料斗、頂盤、主振彈簧片、傳振桿、壓電雙晶片、支撐彈簧、底座和橡膠底腳等部件。其中，料盤利用螺栓在頂盤上進行固定，其結(jié)構(gòu)形式根據(jù)被輸送物料的差異也要進行不同的選擇；頂盤下面設(shè)有圓形壓電雙晶片，頂盤通過4個均勻分布的主振彈簧與底座固定連接，而壓電雙晶片則借助于傳振桿與底盤固定連接，支撐彈簧與振動桿連接，直接用螺絲釘將橡膠底腳與底座進行連接。

該垂直驅(qū)動壓電振動送料器的工作原理是，以壓電雙晶片為送料器的主要驅(qū)動源，在給壓電雙晶片施加交流電壓之后，壓電雙晶片首先彎曲，同時在振動作用下使振動桿帶動支撐彈簧發(fā)生彎曲，并拉動頂盤進行上下運動，在動力驅(qū)使下，底座上均勻分布的4個主振彈簧也發(fā)生彎曲，最終形成料盤上下振動與繞中心軸線扭轉(zhuǎn)的復(fù)合振動，以此來實現(xiàn)物料輸送。

2 垂直驅(qū)動式壓電振動送料器的動力學模型

基于垂直驅(qū)動的壓電振動送料器動力學模型如圖1所示。在分析過程中，我們將橡膠底腳、主振彈簧與支撐彈簧、壓電雙晶片的剛度分別記為k0，k1，k2，k3，頂盤和料盤質(zhì)量記為m1，底座質(zhì)量記為m2，壓電振子、頂盤和料盤、底座的振動位移分別記為y0，y1，y2，且令 y0＝ Acostωt，F(xiàn)0為初始激勵（F0＝ k3y0）。

圖1基于垂直驅(qū)動的壓電振動送料器動力學模型

雙自由度雙質(zhì)量系統(tǒng)的運動微分方程為：

由于k0為橡膠底腳剛度，其值遠遠小于k1，所以，我們可以取k0≈0，那么，上式就可以轉(zhuǎn)化為：

由此，我們可以得到系統(tǒng)特征方程：

則：

根據(jù)上述分析得到結(jié)論：振動送料器系統(tǒng)固有頻率ω與m1、m2、k1、k2和 k3有關(guān)，也就是說，在明確變量 m1、m2、k1、k2和k3之后，就可以認為任何形式下的電壓激勵信號，系統(tǒng)的固有頻率都不變。

3 實驗分析

試驗中，調(diào)頻調(diào)壓控制器選取SDVC40型，調(diào)壓范圍為0～220V，輸出電壓為正弦信號；輸入為220V、50Hz；精度為1V；調(diào)頻范圍為40～400Hz，精度為0.1Hz。

3.1 固有頻率分析

固定驅(qū)動電源輸出電壓設(shè)為220V，調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率fr變動范圍為35～245Hz，間隔0.2Hz，經(jīng)過相應(yīng)的測量分析，我們發(fā)現(xiàn)，相對應(yīng)每個頻率點時料斗的垂直振幅D在35～245Hz內(nèi)，并表現(xiàn)為2次峰值。當fr=78.4Hz時，D為15μm；當fr=195Hz時，D為32μm。盡管該測量結(jié)果比理論計算值相對要小一些，但是并未超出允許偏差范圍，該實驗表明了理論分析的正確性。

3.2 送料速度與振幅狀態(tài)分析

驅(qū)動電壓的調(diào)節(jié)范圍為：0～220V，間隔為10V，固定驅(qū)動電源頻率為195Hz，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。料斗振幅通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓數(shù)值進行控制，測試在額定負載下，對應(yīng)于每個振幅時物料的輸送速度v，最終得到垂直振幅－輸送速度曲線（如圖2）。

圖2 垂直振幅-輸送速度曲線

由圖2可知，當D值在大于27μm時，物料開始出現(xiàn)跳動，此時物料開始進行拋擲運動，而不是正常的滑移；當D值在10μm～17μm范圍內(nèi)時，物料開始移動，但是僅限于在料盤底部移動，無法攀爬螺旋軌道；當D值在17μm～27μm范圍時，物料可順著螺旋軌道平穩(wěn)向前滑行，振幅不斷增大，滑動速度也不斷提升；D小于10μm時，物料無法進行輸送。當驅(qū)動電壓為220V時，料斗的D達到最大值32μm，此時物料輸送最快（140.5mm/s），跳動程度十分明顯。由此我們認為：輕質(zhì)、微小、易磨損物料的科學輸送D應(yīng)當在17～27μm范圍內(nèi)，此時滑動輸送速度最快（123.5mm/s）。

根據(jù)上述固有頻率分析可知，在驅(qū)動電壓為220V，fr＝78.4Hz，ω ＝ 492.4rad/s時，料斗的最大 D為15μm，這時物料并不能被輸送。因此，系統(tǒng)的最佳固有頻率點應(yīng)為ω＝1224.6rad/s，fr＝ 195Hz。

4 結(jié)論

綜上所述，本文分析了一種基于垂直驅(qū)動的壓電振動送料器結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過試驗得到系統(tǒng)固有頻率為1224.6rad/s，調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率fr為195Hz時，是進行物料輸送的最佳條件。望本文的研究能夠為垂直驅(qū)動的壓電振動送料器在自動化生產(chǎn)中更好的應(yīng)用提供有益參考。

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