程 陽，滕 燕

(1.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222000；2.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

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電磁振動上料器給料速度及其影響因素分析

程 陽，滕 燕

(1.江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222000；2.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

針對電磁振動上料器普遍存在的穩定性差、送料能力低的問題，文中對上料過程中的物料進行了力學分析和運動學分析，建立了振動力學模型，得出了影響給料速度的相關因素。通過試驗測試了不同參數值條件下的給料速度，分析了軌道加速度、軌道傾角、軌道摩擦系數、工作頻率等參數對給料速度的影響規律。試驗結果表明，較大的軌道加速度和摩擦系數，以及較小的軌道角和工作頻率，有利于提高生產效率，研究結論為振動上料器的設計提供了理論和試驗依據。

上料器；振動；設計參數

0 引言

目前，電磁振動上料器廣泛應用于小型零件的自動定向供料。它是由電磁激振的一種振動機械，具有結構簡單，能量消耗小，工作穩定可靠的特點。在自動上料過程中，還可以利用臺肩擋板、缺口縫隙等方法實現對零件的自動定向，尤其適用于尺寸小、重量輕、強度低的零件的自動化上料[1-3]。

國外較早對電磁振動上料器進行了深入的理論研究，并且在長期實踐應用中積累了大量的經驗。目前研究振動料斗產品具有技術優勢的公司主要有日本的產機公司、神鋼公司，德國的申克公司等，其產品具有智能化、高效集約、壽命長等優點，代表著當今振動機械的發展方向。我國對自動上料設備的研究起步較晚，所生產的振動機普遍存在著結構復雜、效率低、壽命短等問題。進入八十年代，隨著對德國、日本等工業發達國家技術的引進和吸收，我國的振動給料器進入高速發展階段，在設計、制造及技術性能等方面有了長足進步[4-5]。目前雖然我國生產振動機械的企業很多，但產品技術含量不高，設計制造過程中普遍存在著穩定性差、送料能力低下等問題。對于某些復雜的零件，在實際加工過程中，上料機構往往一邊調試，一邊修磨，加工周期長，成本高，不利于企業生產。

電磁振動上料器的可靠性取決于它的設計參數，即振動系統的幾何參數和工作參數。為了保證電磁振動上料器在給定參數下穩定地工作，本文對盤型電磁振動上料器的工作原理和物料輸送原理進行研究，對其運動學進行分析。當零件放置在上料器料盤內的時候，振動作用使零件沿著軌道，以一定速度和要求的姿態，移動至指定位置。通過試驗分析各參數對零件輸送速度的影響，以尋求最佳參數，達到提高物料輸送速度和工作效率的目的。

1 上料器結構及原理

盤型電磁振動上料器是實現零件姿態一致化和上料自動化的專用設備，上料器常見的結構如圖1所示[6]。

1.圓振軌道 2.料盤 3.板彈簧 4.底座 5.支腳 6.電磁鐵 7.支撐座 8.電磁鐵 9.直振軌道圖1 振動上料器結構示意圖

板彈簧將存放零件的料盤固定在支撐座上，當電源接通時，固定在料盤和基座之間的電磁鐵產生電磁力，在電磁力的作用下，料盤沿豎直方向作高頻微幅振動。板彈簧將料盤和底座固定連接在一起，在板彈簧的約束作用下，料盤沿垂直軸上下運動時，圍繞垂直軸發生往返扭振。零件同時受到重力、摩擦力和慣性力，沿著料盤的環形料槽軌道向上移動。在零件移動的過程中，通過軌道上的自動定向機構，使得其中部分的零件形成所要求的姿態，繼續向前運動，其余零件在重力的作用下，通過料道上的縫隙和缺口，落回到料盤底部，重新沿著料槽軌道再次送料上移。

A—工件跳動狀態 B—工件滑動狀態 C—工件和軌道面貼在一起

零件的自動上料過程如圖2所示，零件在料槽內以滑動或跳躍的方式被輸送，料斗的振動軌跡為橢圓。在滑動過程中，零件與軌道間有摩擦力。當軌道上升并向前扭轉時，在零件和軌道之間產生的摩擦力的作用下，零件與軌道一起向前運動。當軌道下降、扭轉恢復的時候，隨著摩擦力的減小，零件相對于軌道向前滑動。在跳躍的過程中，軌道上升扭轉時，零件與軌道一同向前運動，但當軌道向下的加速度超過當地的重力加速度時，零件呈自由落體運動。在向下的自由落體過程中，零件在軌道上，相對于零件向后運動時，產生了向前的運動。

2 振動輸送力學分析

2.1 物料受力分析

斜坡軌道的任何一小段都可以看作是一段極短的近似直線軌道，該直線軌道與水平面保持一定的角度，這個角度比料盤的傾斜角稍大一些。可以近似的把零件在料槽軌道上的運動，看作是在直線軌道上的振動，如圖3所示。當零件放置在盤內時，振動作用使零件沿軌道運動到軌道的末端出料口。

圖3 軌道取直示意圖

振動上料器的軌道與水平面成(θ+ψ)的傾斜角度，零件在近似的直線軌道上做間歇運動，零件的受力分析如圖4所示。假設零件在軌道上沒有運動的趨勢。θ是軌道的傾斜角，ψ為軌道與慣性力之間的夾角。m是零件的質量。 如圖4所示的慣性力，當軌道處在零件的運動上限時，作用在零件上的最大慣性力，這個力可分解為平行于軌道方向上的分力和法向上的分力[7]。

圖4 零件受力示意圖

出現滑動時有：

mAω2cosψ>mgsinθ+F

(1)

其中：

(2)

式中:ω—振動角頻率；

A—零件的振幅；

μs—零件與軌道間的靜摩擦系數。

聯立式(1)和式(2)，由此可得，零件沿軌道正向滑動的條件為：

(3)

與此類似，可得到反向滑動的條件為：

(4)

上料器的運行條件用法向加速度來表示，(an=Anω2=Aω2sinψ),g為重力加速度。從而有:

(5)

把式(5)代入式(3)和(4)中，得出零件向前滑動的條件為：

(6)

向后滑動條件為：

(7)

聯立式(6)和式(7)，可得出物料向前移動的極限條件為：

(8)

當θ角很小的時候，上式可簡化為:

(9)

當振幅足夠大的時候，零件開始跳躍向前移動，這時法線方向反作用力N為0，由式(2)可得：

N=mgcosθ-mAω2sinψ

(10)

因此，零件跳躍的條件為：

(11)

由上可知，在振動上料的過程中，零件在脫離軌道之前，一直作正向滑動。

2.1 物料受力分析

根據機械振動原理，對振動上料器的結構進行簡化，可將其看作是料盤和底座在豎直方向和扭轉方向的雙自由度雙質體的強迫振動系統[8]，原理如圖5所示。該系統主要有慣性激振器、工作機體和彈性元件三部分組成。在建立動力學模型的時候，對系統進行進一步的簡化，將料盤、銜鐵、底座等看作不計彈性的質量集中元件；將支撐彈簧和減振器看作是不計質量的彈性元件。工作機體沿豎直方向上下振動和扭轉，共有兩個自由度。

圖5 雙自由度雙質體強迫振動系統

根據圖5的振動上料器雙自由度雙質體振動的力學模型，根據拉格朗日定理，可得以下方程：

(12)

式中:m1—上質量，包括料盤、銜鐵。

m2—下質量，包括鐵芯、線圈、底座。

x1，x2—上、下質量m1和m2在振動方向的位移。

k1，k2—支撐彈簧和減振器的剛度。

F(t) —上、下質量m1和m2所受廣義干擾力。

(13)

在電磁振動上料器振動系統中，兩個等效的質體離開平衡位置的位移，與各自對應的等效質量成反比。因此在雙自由度雙質體振動系統中，板彈簧上始終存在一個靜止的點，將這個點稱為振動系統的惰性中心。隨著m2/m1比值增大，惰性中心向m2質心靠近，當m2/m1=∞時，惰性中心與m2的中心重合在一起，這時振動系統可轉化為只有m1存在的單自由度單質體振動系統，如圖6所示。由此可得出系統的固有頻率為：

(14)

圖6 單自由度單質體強迫振動系統

3 試驗驗證與分析

圖7給出了試驗平臺的主要組成，圖8為試驗平臺實物圖。零件輸送軌道上有兩個傳感器，一個振幅傳感器測工件跳動的振幅，另一個速度傳感器測工件輸送速度，采集完數據后傳送到計算機[9-10]。通過調節振動控制器，升降可調擋塊，選用不同的料盤等，對不同軌道傾角、軌道加速度條件下的振動系統進行測試，得出不同的速度變化曲線。

圖7 試驗平臺主要組成

圖8 試驗平臺實物照片

3.1 軌道加速度對輸送速度的影響

當其他條件相同時，在軌道加速度an/gn遞增變化，針對不同的振動角ψ值，試驗得到了軌道加速度對輸送速度影響的曲線, 如圖9所示，圖“■”為試驗值。

由圖9可以發現，隨著軌道加速度an/gn的增加，物料的輸送速度也隨之增加。當an/gn>1時，由式(11)可知，在工件自動上料的過程中，零件開始跳躍。當an/gn<1時，零件和軌道面貼在一起，物料輸送速度的理論值和試驗值基本上一致。但隨著軌道加速度逐漸增大，對物料的輸送速度的變化影響也越來越大，當軌道加速度達到臨界值的時候，零件開始進入跳躍狀態，給料周期變得不再固定，從圖9中可以發現，試驗所測得的數值落在了理論曲線的下方，說明理論預測不再準確。

圖9 軌道加速度-速度曲線

實際生產過程中，為了得到最佳的送料條件，在即將引起不穩定狀態的臨界值內，必須以較大的an/gn運行。從圖9可知，在這個范圍內，給定軌道傾斜角θ和摩擦系數μs的值，當振動角ψ值一定的時候，νm和an/gn近似的呈線性關系。

3.2 工作頻率對輸送速度的影響

當其他條件相同時，在不同的工作頻率條件下，物料輸送的速度變化如圖10所示。

圖10 頻率-速度曲線

由圖10可知，隨著工作頻率的增大，物料的輸送速度也隨之呈線性變化，即物料的輸送速度與頻率近似成正比。結合圖9可知，物料輸送速度越大，相應的軌道加速度也越大，因此軌道的振幅也有相應的增加。在實際生產中，通常設置擋塊等決定物料通過時的姿態，所以振幅通常被限制在較小的范圍之內；同時，振動上料器連接到特定的機械設備上，這也將工作頻率限制在一定的范圍內。此外，過高的頻率會增加工件的動應力和動力變形，因此，對于微小零件的上料，適宜選擇較大的振幅和較低的工作頻率。

3.3 軌道傾角對輸送速度的影響

當其他條件相同時，對于不同的軌道傾角，在不同軌道加速度時，工件運動的速度變化如圖11所示。

圖11 軌道傾角-速度曲線

從圖中可以發現，當其他條件不變的時候，對于不同的軌道加速度，軌道傾角θ越小，輸送速度的值越大，當軌道傾角為零時，達到最高速度。當工件在軌道上輸送的時候，料盤底部的軌道傾角為0°，其他位置的平均輸送速度比料盤底部四周的速度要低很多。在實際工作條件的時候，零件通常是由料盤底部的零件推動向前的。因此，設計振動料斗的自由進給速度時，通常采用軌道傾角為0°時的進給速度作為參考依據。

3.4 摩擦系數對輸送速度的影響

當其他條件相同時，在水平軌道振動傾角為20°的條件下，在不同軌道加速度時，對于不同的摩擦系數，速度變化如圖12所示。

圖12 摩擦系數-速度曲線

在振動料斗的實際工況下，實用的摩擦系數是0.2～0.8。據工作經驗可近似認為鋼質零件在鋼質軌道上傳送時的摩擦系數為0.2。當軌道上噴膠時，摩擦系數可以增加到0.8。

從圖中可以發現，軌道加速度值一定時，摩擦系數的增加會引起輸送速度的增加；因此，用橡膠包敷振動給料器的軌道，或者噴鐵氟龍，不僅絕緣，防止靜電，而且還能夠減少工件的磨損，增加摩擦系數，增加工件的壽命，保護工件的外觀，降低噪聲，提高輸送速度。

4 結論

通過對物料運動時的受力分析，得出影響振動料斗輸送速度的相關因素，建立了電磁料斗系統的振動模型，并進行了試驗研究，得出以下結論：

(1)建立了雙自由度雙質體振動的力學模型，在此基礎上，簡化為單自由度單質體強迫振動系統，從而得出了上料器振動系統的固有頻率。

(2)試驗得出了上料器振動系統在不同的工作頻率、軌道加速度、軌道傾斜角和摩擦系數條件下對應的物料輸送速度曲線圖。為了提高物料輸送速度，在引起不穩定狀態的臨界值內，應選擇較大的軌道加速度和摩擦系數，以及較小的軌道角。同時，為了減少工件的動應力和動力變形，應選擇較低的工作頻率。研究結論為振動上料器的動態結構設計提供了重要的理論和試驗依據。

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(編輯 李秀敏)

Analyze on Material Conveying Speed of Vibratory Bowl Feeder and Its Influencing Factors

CHENG Yang1，TENG Yan2

(1.Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang Jiangsu 222000,China;2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

In view of various factors caused by the material conveying for vibratory bowl feeder, such as poor stability, bad ability of material conveying, force and dynamic for the material conveying are analyzed by establishing a dynamic model in this paper. The key factors affecting material conveying is also discussed. Based on the speed analysis of the acceleration when the material move into the trough, the inclination for the feeder, the friction of the trough, and the working frequency that the vibrator has, the results of these show that it is advantageous to improve the production efficiency with larger acceleration and friction, smaller inclination and working frequency, which provides important theoretical basis for the dynamic design of vibratory bowl feeder.

vibratory bowl feeder; vibration; design parameters

1001-2265(2016)11-0009-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.003

2016-01-14;

2016-02-18

程陽(1990—)，男，江蘇連云港人，江蘇自動化研究所助理工程師，碩士，研究方向為機電一體化，(E-mail)352019553@qq.com。

TH162;TG506

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