直線壓電振動送料器軌道匹配失效現象研究

田曉超，楊志剛，吳 越，王 銳，楊樹臣，李慶華

(1.吉林大學 生物與農業工程學院，長春 130025; 2.長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022;3.吉林大學 機械科學與工程學院，長春 130025; 4.長春師范大學 工程學院，長春 130032)

振動送料器是自動化生產線中的一個關鍵設備，其功能是形成物料的整列、排序與定向輸送，一般布置在自動化系統零件的供應工序上[1]。以往的振動送料器(或稱為振動盤)，一般采用電磁驅動的方式[2-3]，隨著壓電材料的發展，以壓電材料作為驅動源的新型驅動器越來越得到相關學者的關注[4-6]。1977年出現了采用壓電陶瓷所形成的壓電振子作為動力源的壓電式振動送料器[7]，克服了傳統送料器體積大、結構復雜及能耗高的缺點，同時具有輸送精度高、能耗低等優點，在自動化設備領域得到了廣泛的應用。送料器一般分為兩類，即圓盤式振動送料器和直線式振動送料器，圓盤式主要進行物料的儲存、整列與輸出，直線式則將圓盤式輸出的物料輸送到具體操作工位上。近年來出現了大量對壓電式振動送料器結構[8-14]、模型[15-17]及輸出特性等方面的研究，但關于直線式壓電送料器與軌道匹配方面的研究較少，一般送料器本體與軌道單獨設計，因而兩者的匹配程度至關重要，直接決定著送料器系統性能。

本文使用中出現的直線式壓電振動送料器(以下稱直線送料器)與軌道匹配失效現象進行試驗與理論分析，討論軌道匹配失效現象的形成機理及其控制方法。

1 結構與工作原理

直線送料器簡易結構圖如圖1所示，主要由基座、壓電振子、振動放大支撐片、頂盤和直線軌道構成，基座用于固定整個系統，兩個振動放大支撐片一端與基座連接，另一端與頂盤連接，直線軌道固定在頂盤上。壓電振子在交變電壓的作用下發生彎曲振動，帶動頂盤和直線軌道運動。壓電振子與水平方向成一定的角度，軌道隨著頂盤的運動產生垂直與水平方向的復合運動，經過振動放大支撐片位移放大，由于物料與軌道之間存在摩擦力，推動物料向前運動。

圖1 直線送料器結構簡圖Fig.1 Structural diagram of Linear feeder

2 軌道匹配失效現象

設計樣機進行試驗研究，設計的軌道與物料之間有足夠的摩擦力。在直線送料器的設計與試驗過程中，發現安裝不同的軌道以及安裝不同位置會出現物料輸送停止或往復運動現象。

為了尋找軌道配合失效的規律，選擇三種不同長度的軌道，采用三種不同的安裝位置，觀察物料輸送情況。根據實際情況，軌道長度在20～30 cm，選擇20 cm、25 cm和30 cm三種軌道進行試驗。安裝位置采用：① 進料端對齊安裝方式，即a點與h點對齊；② 中心對齊安裝方式，即c點與g點對齊；③ 出料端對齊安裝方式，即e點與f點對齊，如圖2所示。

圖2 軌道和頂盤取點位置Fig.2 Take the point position of tracks and top plate

軌道安裝在頂盤后，將驅動電壓調制180 V恒定不變，調節驅動頻率，選擇物料可產生移動位移的頻率區間為測試頻率區間，觀察物料的運動情況，判斷在測試頻率區間內軌道是否出現物料停止前進或進退往復運動現象，試驗數據如表1所示。

表1 不同軌道長度和安裝位置對配合失效的影響Tab.1 The effect of different track lengths and mounting

試驗數據表明，軌道配合失效現象與軌道的長度與軌道的安裝方式有關，且軌道長度越長越容易出現軌道配合失效現象，安裝位置對軌道失效影響作用同樣明顯，即頂盤與軌道質心不重合或偏差過大，都會引起軌道失效，而中心對齊安裝方式不易出現軌道失效。

3 軌道匹配失效測試

為了分析軌道匹配失效的形成機理，對軌道的振動情況進行測試，測試對象采用30 cm長軌道中心對齊安裝方式的直線送料系統。試驗系統采用基恩士公司的LC-2400A激光測微儀，通過對比不同位置的瞬時振動位移判斷軌道的振動情況，采用兩個激光傳感器對軌道同時進行測量，測試系統如圖3所示。

圖3 軌道振動位移測試裝置Fig.3 The test device of track vibration displacement

在軌道上均勻選取5個點進行測量，測試點分別為a,b,c,d,e五點，a為進料端點，測試點e為出料端點。其中一個激光頭固定在a測試點即基準位置不變，測量結果為基準數據，另一個激光頭分別在a,b,c,d,e五個測試點得到五組數據，同時讀取兩個激光頭的測試數據。以基準點a達到最大位移為起始點，將數據在同一圖中表示后結果如圖4所示。

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圖4 不同測試點振動位移Fig.4 Vibration displacement of different test points

實驗結果中，進料端的基準測試a點振幅為20.8 μm；測試b點的振幅為8.2 μm，且與基準測試a點間的相位差為307°；測試c點的振幅為13.1 μm，與基準測試a點間相位差為204°；測試d點的振幅為26.9 μm，與基準測試a點間相位差為204°；測試e點的振幅為67.8 μm，與基準測試a點間相位差為186.6°。振動相位結果表明，測試點a與測試點b運動方向相同，與測試點c、測試點d和測試點e的運動方向相反，即軌道的運動不是理想的平移運動，而是平移運動與回轉運動的復合運動。

產生復合運動可能有兩種情況:① 是軌道懸臂部分發生彎曲變形，端部位移放大，振幅要大于靠近軌道中間的位置，而形成位移相位差；② 是由于軌道在受到驅動力的作用下發生平移振動的同時還發生了轉動，形成位移相位差。由于軌道滿足強度要求情況下其厚度較大，剛度也較大(材質通常用不銹鋼)，其彎曲振動模態的固有頻率一般在幾千赫茲以上，而直線送料器的工作頻率一般低于300 Hz，即使會產生微小彎曲振動，對物料輸送影響較小，可排除軌道端部彎曲變形對物料影響的可能性。由此可判斷形成軌道匹配失效現象的原因可能是軌道在向輸送方向平移的同時產生了沿著某點的轉動，即角振動。根據振幅與相位差可判斷，實驗中軌道的轉動中心點位于測試點b與測試點c之間。

4 軌道配合失效的形成機理

試驗及分析結果表明，軌道匹配失效現象可能是由于其發生沿著某點附近產生往復回轉運動引起的，因此要對軌道進行受力分析，給出回轉運動出現的規律、影響因素及軌道匹配失效現象出現的條件，以便避免失效現象的出現。軌道的受力情況,如圖5所示。

以往直線送料器的動力學模型一般將兩個振動放大支撐片的力直接作為主振質量的激勵，即等效力系中的主矢，對其振動進行分析，忽略了等效力系中的主矩。此處，由于軌道可能發生角振動，因此需要考量主矩對軌道運動的影響。

圖5 軌道受力分析Fig.5 Track force analysis

為了凸顯主要因素，忽略系統阻尼，認為軌道運動過程中平移運動與回轉運動間無滯后，得到系統質心在受力方向的平移位移x的方程

(1)

式中：F為驅動力。

假設質心為O點，受力分析發現當L1≠L2時，剛體的主矩不為0，得到

M=F(L2-L1)cosα

(2)

式中：α為壓電振子與水平面夾角；M為剛體的主矩軌道繞O點轉動的方程為

(3)

式中:J為轉動慣量；θ為轉動角位移；kr為系統彈簧常數。

軌道的垂直位移可表示為

Δh=Δxcosα

(4)

式中：Δx為平移運動的位移。

長度為l的軌道在端點處由于回轉運動產生的垂直位移可表示為

(5)

式中：Δθ為回轉運動的角位移。

(6)

(7)

當hi和ho確定后即可得到軌道的工作狀態，如表2所示。

表2 軌道工作狀態分析Tab.2 Analysis of track working status

5 結 論

(1) 設計了直線振動送料器樣機，通過不同軌道的配合試驗，證明了軌道匹配失效現象的存在，找出了軌道匹配失效現象在軌道長度較大時容易出現，且在軌道與振動體非對稱布置時較容易出現的規律。

(2) 利用激光測微儀測量軌道不同位置的振動位移，得出了軌道匹配失效時軌道的振動軌跡，其振動形式為繞軌道中心附近一點的往復回轉運動。