藥芯焊絲分選機的設計與研究

丁建梅 伊研 鄭學寶 李想

摘? 要：為提高藥芯焊絲的成品率，在對藥芯焊絲分選機進行運動學和動力學分析的基礎上，對藥芯焊絲分選機構的整體系統進行設計，完成了藥芯焊絲分選機定向機構的設計。在進行模態分析后，得出第 1 階模態固有頻率是對物料輸送起關鍵作用的固有頻率。改變板彈簧參數，觀察板彈簧參數對固有頻率的影響，為機器后續的調試提供理論依據。經樣機給料實驗，分析其實驗數據進行結構改進，改進后的裝置在其振動強度為70 Hz時，篩出的不合格品中合格品比例均能達到企業優選需求。

關鍵詞：振動給料機;模態分析;板彈簧;藥芯焊絲;頻率

中文分類號：TB492文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2018）06-0048-07

Design and Study of Flux Cored Wire Sorting Machine

DING Jianmei， YI yan， ZHENG Xuebao， LI Xiang

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract： In order to improve the yield of flux cored wire， based on the kinematics and dynamics analysis， the whole system of flux cored wire sorting machine was designed， and the design of directional mechanism of the flux cored wire sorting machine was completed. After modal analysis， it was concluded that the natural frequency of the first order was the key to the material transportation. Change the parameters of the plate spring， observe the influence of the plate spring parameters on the natural frequency， and provide a theoretical basis for the debugging of the machine. After the sample feeding experiment， the experimental data was analyzed to improve the structure. When the vibration strength of the improved device was 70Hz， the proportion of unqualified products in the screened out could meet the enterprise optimization requirements.

Keywords： Vibrating feeder; modal analysis; plate spring; flux cored wire; frequency

0引言

藥芯焊絲是近年來發展起來的一種新型焊接材料，在一些工業發達國家已經得到了廣泛的應用，較好地解決了傳統焊接方式存在的成型不好、飛濺大和摻合金難等缺陷[1-4]。藥芯焊絲是由外金屬皮和里邊裹著的藥粉構成的，結構形式為有縫式、無縫式、搭接式和雙重式[5-6]。本文研究分選的是對接式有縫藥芯鋁焊絲，主要用于制冷、空調和汽車行業的鋁零配件的焊接。

該種類型的藥芯鋁焊絲需求量較大，但是生產時產生大量的不合格品，藥芯焊絲體積較小，尺寸精度范圍也小，傳統的人工檢測效率很低，且誤差很大[7-8]。本研究設計的藥芯焊絲分選設備與傳統的人工篩選相比，在檢測效率和精度方面有著明顯的優勢。且藥芯焊絲分選設備能夠調節藥芯焊絲出料速度。

1 藥芯焊絲分選機的總體設計

1.1 電磁振動給料機的篩選機理

研究設計的藥芯焊絲分選設備依托于電磁振動給料機結構，主要通過對振動盤的設計，利用在盤體結構上安裝擋板、缺口和偏重等方式在給料過程中完成對藥芯焊絲的分選定向整理。

目前，常用的電磁振動給料機主要分為直槽式和圓盤式兩種類型，如圖1和圖2所示。直槽式振動給料機的主運動為往復直線運動，主要用來運輸輕小物料，而圓盤式電磁振動給料機，內部有螺旋滑道，工作時繞中心線做扭動振動，這種結構常用于具有一定形狀和尺寸，以及需要定向分選的物料輸送[9-10]。本文研究的藥芯焊絲分選機需要對藥芯焊絲進行定向篩選，所以選取圓盤式電磁振動給料機結構。

1.2 藥芯焊絲分選系統的設計要求

（1）藥芯焊絲的篩選。要保證從出料口輸出的都是尺寸、形狀合格的藥芯焊絲，這就要保證篩選過程的精確性。

（2）連接裝置。各部分之間連接要可靠，使藥芯焊絲能順利的傳送。

（3）整個系統的設計。保證結構件的拆裝，操作維護方便。

（4）藥芯焊絲里面有焊粉，要求過程均勻平穩，不能發生嚴重劃傷，以免焊劑漏出。

1.3 藥芯焊絲分選系統的方案設計

經過分析與構思，藥芯焊絲分選系統主要由以下兩部分組成：

（1）藥芯焊絲分選機的振動給料部分。落入到底部的藥芯焊絲在振動中沿著螺旋軌道上升，輸送到滑道中。

（2）藥芯焊絲分選機的滑道部分。主要完成對滑道上分選裝置的設計，將不合格品篩選出去。

設計思路如下：

（1）完成藥芯焊絲分選機的振動給料部分。也就是電磁振動給料機中間儲存和運輸藥芯焊絲的部分，典型結構有圓柱和圓錐式兩種類型，圓柱形料斗應用比較多，并且便于加工。本結構采用圓柱式，因為內圈需要焊接螺旋槽，且滑道部分的支撐也需要焊接到外壁上，加工后多余的地方也方便切除。

（2）焊接底部的圓型底盤制作螺旋滑道。內螺旋軌道和料壁之間分為整體式和鑲焊式。整體式是指料壁和內螺旋軌道用同一個胚料加工成型，鑲焊式是指將螺旋軌道鑲入在料壁上切好的凹槽內或者直接焊在料斗外壁上。本設計采用第二種方法，使用激光切割機把不銹鋼板切除環形板，然后用電焊把環形板切割，放到專用的擠壓機中進行變形處理，完成螺旋軌道的制作。最后在把螺旋軌道焊接到主體結構上。

（3）設計要求藥芯焊絲分選機的出料量能達到540個/min以上，初步設計外軌道設置4個出料口，最大直徑不超過1 m。

（4）在滑道上安裝各種篩選裝置，對進入滑道的藥芯焊絲進行篩選，保證最后通過出料口的都是符合標準的合格品。

1.4 藥芯焊絲分選系統的滑道與定向分選裝置方案設計

設計要求藥芯焊絲分選機的出料量能達到540個/min以上，初步設計外軌道設置4個出料口，外滑道的最大直徑不超過1 m，重點是藥芯焊絲分選及定向分選裝置的設計。研究的定向分選機構是針對藥芯焊絲這一特定零件而設計的，要設計分選裝置，需要弄清藥芯焊絲不合格品的結構形式和藥芯焊絲在上料過程中最大的穩態結構。定向分選裝置主要有以下結構：

（1）擋條機構。擋條機構在定向機構中屬于被動式定向機構，用于篩出不正確姿態的物料。在送料過程中，期望的姿態為“平躺”狀態的藥芯焊絲。藥芯焊絲由于體積較小而且比較輕，在送料過程中很容易“疊羅”到一起，產生堆積擁堵現象?，F將檔條下沿離螺旋軌道的高度設置為3 mm，

高于一個藥芯焊絲的高度，小于兩個藥芯焊絲的高度并且小于藥芯焊絲的最大跳躍高度。如圖3所示。其中擋條機構與滑道之間的連接為膠接。

（2）導向機構。 在對定向機構進行分析時，擋塊機構主要完成對非期望姿態的物料進行篩選。在藥芯焊絲分選機的定向機構中，將擋塊的功能設計成導向機構，如圖4所示，設計的導向機構幫助藥芯焊絲在過渡處進行導向分流，使藥芯焊絲順利進入相應軌道，導向機構與軌道的連接方式為焊接。

（3）滑道篩選機構。分析藥芯焊絲的工藝過程，造成大量不合格品產生的階段是合縫拉絲階段，藥芯焊絲沒有軋制成O型，造成藥芯焊絲的變形過量，經過統計，99.9%以上的不合格品尺寸小于有縫藥芯焊絲合格品的尺寸范圍。

根據合格品范圍，設置中間缺口尺寸略小于合格品的最小尺寸，這樣，不合格品通過滑道篩選機構后，不符合尺寸精度的藥芯焊絲就會從中掉出，如圖5所示。

（4）二次篩選裝置。考慮到經過擋板篩選出去的藥芯焊絲有很大部分是因為疊到一起而被清理下去，這就導致在不合格品中有一部分為符合要求的合格品。所以設計一個二次篩選裝置，與擋塊機構配合使用，將疊在上層的藥芯焊絲掃出去，篩出的藥芯焊絲能重新掉落回底盤重新參與送料過程，這樣就能在一定程度上降低篩出不合格品中合格品的比例，如圖6所示。

2振動給料機模態分析

2.1 振動給料機的設計與研究

在設計階段通過改變板彈簧的參數來改變振動系統的總體剛度，進而改變固有頻率。板彈簧參數改變與固有頻率間的關系，需要利用有限元分析的模態分析模塊進行仿真，從而得出規律?？紤]到設計的藥芯焊絲分選機結構較為復雜，研究板彈簧參數對固有頻率的影響需要進行多組仿真對比，任務量很大。所以對簡化的振動給料機模型進行建模并倒入Ansys Workbench進行模態分析，改變板彈簧參數進行多組仿真對比，得出板彈簧參數改變對于振動給料機固有頻率的影響，為藥芯焊絲分選機的調試階段提供理論基礎，有效縮短了調試和設計周期。

2.2 板彈簧片數對固有頻率的影響

對簡化的振動給料機模型進行實體建模，把保存為IGS格式文件導入ANSYS Workbench中。如圖7所示。

振動給料機中板彈簧的材料為 60 Si2Mn，振動給料機的機座部分采用灰鑄鐵材料，密度為7 300? kg/m3 。在模態分析的Engineering data材料庫中手動添加相應材料，輸入彈性模量、密度和泊松比等數據。對模型進行網格劃分，在底板下面施加位移約束，在計算中認為底板不發生位移響應。

根據經驗，電磁振動給料機的振動部分一般為4組板彈簧，下面只改變每組板彈簧的片數，進行模態分析，得到第一階固有頻率值的變化情況，表1給出了每一組的第 1 階固有頻率與振型。

描繪表1 中第 1 階固有頻率與板彈簧片數的關系，如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著板彈簧片數的增加，固有頻率變大。并且隨著板彈簧片數的增加，固有頻率增幅也越來越小。這說明板彈簧片數增加到一定程度后，其對固有頻率的影響會逐漸降低。并由此預見，當板彈簧的片數增加到一定程度后，將不會再對振動給料機的固有頻率有影響。將圖8中頻率進行平方運算，做出一個新的關系圖，如圖9所示。從圖9 中可以看出，在板彈簧組數不變時，振動給料機的固有頻率的平方值與板彈簧的片數成正比。

2.3 板彈簧寬度對固有頻率的影響

將板彈簧組數定為 4，片數為 2，厚度3 mm ，板彈簧傾角70°，分別對板彈簧寬度為22、23、24、25、26、27 mm的情況進行模態分析，提取得到第1階固有頻率結果見表 2 ，如圖10所示。

從圖10中看出，振動給料機的固有頻率與板彈簧寬度呈正比關系。板彈簧寬度每增大 1 mm，固有頻率增幅分別為 2.682、2.152、2.308、2.533 、2.25，增幅較小。故板彈簧寬度對振動給料機的固有頻率影響相對較小。

2.4 板彈簧厚度對固有頻率的影響

將板彈簧組數為 4組，每組 2片，板彈簧寬度定為? 25 mm，對板彈簧厚度為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 mm的情況進行模態分析，得到第 1 階模態的固有頻率結果見表3，如圖11所示。

從圖11中可以看出，振動給料機的固有頻率與板彈簧厚度成正比，并且增幅較大。故在對振動給料機設計時，板彈簧厚度作為調節振動系統固有頻率的重要參數，對藥芯焊絲分選機振動給料部分的設計具有重要意義。

3 實驗與改進

通過與廠家的溝通，最終確定底部振動器的型號，生產出設計的分選機樣，進行實驗驗證，以確定設計的機器是否能滿足要求。

3.1 實驗策略

通過前面的分析，得出振幅和頻率是調節藥芯焊絲分選機送料量的兩個重要參數。激振頻率已知，藥芯焊絲分選機在設計階段就將頻率控制在共振區工作，所以不能通過調節頻率來調節送料量。

本文采用可控硅整流調節器，通過調節振強度來調節振幅，振動強度的調節范圍為10 ～ 100，每10為1檔，一共10擋。在頻率一定的情況下，振動強度和振幅成正比。

藥芯焊絲分選機的要求主要是保持一定的送料量，并同時保證合格品率和篩出不合格品中合格品的比例不能過高。本實驗也是圍繞這三個要求展開。

3.2 給料實驗

為研究振動強度對藥芯焊絲分選機下料的影響，進行實驗，實驗現場如圖12所示。在半波整流條件下，調節振動強度旋鈕，統計在1 min內的送料量，從送料口出來的合格品率和篩選下去的不合格品中合格率。

實驗中應注意以下幾點：

（1）盡量保持藥芯焊絲分選機里的物料在同一高度，及時加料，以免影響送料量的測量。

（2）統一標準，等到第一個藥芯焊絲從出料口輸出時計時開始。計時結束時第一時間關閉機器。

實驗數據見表4。

從表4中可以看出：

（1）其他條件一定的情況下，把振動強度調到50以下，出料量為0，振幅過小，不能完成給料過程。

（2）振動強度在50以上，出料量有一個先增加后減小的過程，其中，當振動強度等于70時，出料量最大能達到860個/min。設計要求是每分鐘出料量達到540個以上，從表4中可以看出，當振動強度選擇在60 ～ 80之間時，出料量都能滿足要求。

（3）從出料口輸出的藥芯焊絲合格率能占到99%以上，觀察其中不合格品主要是表面有缺陷而尺寸符合要求。現設計的藥芯焊絲分選機構不能識別表面缺陷特征，如果想要完成這一要求，可以考慮加入視覺處理機構，通過傳感器來識別表面缺陷進而篩選。

（4）從表4中可以看出，隨著振動強度的增加，出料量逐漸變大，但是不合格品中合格品的比例也有了一個顯著的上升。

3.3 分析與改進

分析振動給料過程，造成不合格品中混有一定合格品的主要原因是：壁底堆積大量的藥芯焊絲，當其進入內螺旋軌道時，藥芯焊絲很容易以相互“疊羅”的姿態進入到內螺旋軌道中，直到在外軌道上被擋板機構從振動盤上掃出。現想進一步降低不合格品中的合格品比例，做出如下改進：

（1）原來的設計方案中對藥芯焊絲的篩選整理主要安排在外滑道上，現在內螺旋軌道上膠接多個上擋板，讓“疊羅”的藥芯焊絲在進入外滑道前就被重新推回料盤，如圖13所示。擋板的高度和相對于螺旋軌道的角度需要多次根據振動給料的實際效果進行不斷調整，不能阻塞藥芯焊絲的運送。

（2）控制放入藥芯焊絲分選機底盤的數量，不能堆積到內螺旋軌道。

（3）振動強度設置5組變量，50 ～ 90之間。改進后的藥芯焊絲分選機的實驗數據見表5。

從表5中可以看出，經過合理的改進，出料量相比原來有一定程度的減少，這是因為擋條機構從某種程度上限制了藥芯焊絲的上料速度。與此同時，篩出量減少，不合格品中合格品的比例大大降低。考慮到數據的偶然性，只做一組實驗不能得出準確的結論。為此用同一組藥芯焊絲，重復多次進行實驗，振動強度設置為60 ～ 80，只統計篩出的不合格品中合格品的比例，均能達到企業要求。綜合考慮，選擇振動強度為70 Hz是最有利于藥芯焊絲分選的。

4 結論

本文研究的藥芯焊絲分選系統，包括振動給料裝置的結構設計和滑道定向分選裝置的研究設計。通過對振動給料機進行模態分析，確定了固有頻率與板彈簧參數之間的關系，為藥芯焊絲分選機設計后的調試提供了理論基礎。在對樣機進行給料實驗中，發現出料量和合格品率都能達到設計要求，但是篩出的不合格品中混有一定量的合格品，造成了資源上的浪費。分析原因，并進行改進，改進后經試驗發現不合格品中合格品的比例大大降低。目前該設備運行良好，滿足了實際生產需求。

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