基于垂直驅動的壓電振動送料器結構設計分析與試驗研究

陳曉云

（煙臺汽車工程職業學院，山東煙臺，265500）

0 引言

供料機構是自動化生產線的重要組成部分，而送料器是供料機構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；從按驅動方式來看，包含壓電式、電機式、電磁式三種。隨著電子行業及其相關領域的快速發展，傳統的電機式和電磁式送料器由于其自身局限已經不能適應現代應用要求，整列與輸送的精密化、快速化，以及輕質微小工件的自動化生產和裝配受到青睞，一種利用壓電陶瓷微振幅的送料器應運而生。壓電振動送料器較之于傳統送料器的優勢，在于其具備較小的振動幅度，噪音干擾較弱，具備良好的穩定性與響應速度，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，它成功彌補了傳統送料器不能實現的一些難題，已經大范圍的應用在了食品、藥物、精密電子等自動化生產線上。因此，本文對垂直驅動的壓電振動送料器結構設計的分析與試驗研究，以及對該結構可行性及相關性能參數的確定，對于其在自動化生產中的有效應用具有重要意義。

1 垂直驅動壓電振動送料器的結構及其工作原理

本研究中的基于垂直驅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，其結構形式根據被輸送物料的差異也要進行不同的選擇；頂盤下面設有圓形壓電雙晶片，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生彎曲，并拉動頂盤進行上下運動，在動力驅使下，底座上均勻分布的4個主振彈簧也發生彎曲，最終形成料盤上下振動與繞中心軸線扭轉的復合振動，以此來實現物料輸送。

2 垂直驅動式壓電振動送料器的動力學模型

基于垂直驅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，頂盤和料盤質量記為m1，底座質量記為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，F0為初始激勵（F0＝ k3y0）。

圖1基于垂直驅動的壓電振動送料器動力學模型

雙自由度雙質量系統的運動微分方程為：

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，上式就可以轉化為：

由此，我們可以得到系統特征方程：

則：

根據上述分析得到結論：振動送料器系統固有頻率ω與m1、m2、k1、k2和 k3有關，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，系統的固有頻率都不變。

3 實驗分析

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

3.1 固有頻率分析

固定驅動電源輸出電壓設為220V，調節驅動頻率fr變動范圍為35～245Hz，間隔0.2Hz，經過相應的測量分析，我們發現，相對應每個頻率點時料斗的垂直振幅D在35～245Hz內，并表現為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分析

驅動電壓的調節范圍為：0～220V，間隔為10V，固定驅動電源頻率為195Hz，系統處于共振狀態。料斗振幅通過調節驅動電壓數值進行控制，測試在額定負載下，對應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、微小、易磨損物料的科學輸送D應當在17～27μm范圍內，此時滑動輸送速度最快（123.5mm/s）。

根據上述固有頻率分析可知，在驅動電壓為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，系統的最佳固有頻率點應為ω＝1224.6rad/s，fr＝ 195Hz。

4 結論

綜上所述，本文分析了一種基于垂直驅動的壓電振動送料器結構設計，并通過試驗得到系統固有頻率為1224.6rad/s，調節驅動頻率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動的壓電振動送料器在自動化生產中更好的應用提供有益參考。

[1]曲紹鵬.壓電振動給料器的結構優化設計[D].大連交通大學,2010.

[2]張坤.垂直驅動壓電振動給料裝置及其驅動技術研究[D].大連交通大學,2010.

[3]王坤坤.垂直雙驅動型壓電振動送料器的結構設計與試驗研究[D].吉林大學,2013.

[4]沈燕虎,蘇江,劉勇,楊志剛,王坤坤.雙振子垂直驅動式壓電振動送料器的設計[J].吉林大學學報(工學版),2014,06:1669-1675.