微小零件聚攏分離柔性振動供料器設計

趙志強， 方 宇， 吳明暉

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

振動供料器是自動化生產和裝配中常見的送料設備，因其具有體積小、送料效率高等優點，在3C、輕工和醫藥等行業被廣泛應用。目前具備整列定向功能的振動供料器主要為圓盤式振動料斗[1]。因為該種料斗用于特定零件的定向整列，當料斗內零件尺寸或種類更換時，需重新設計圓盤軌道，且不易與視覺機器人協作，因此難以適應柔性化及自動化的生產需求。為此，課題組設計了一種基于單個電磁作動器、通過CANopen協議控制的微小零件供料器，該振動供料器具有零件分離和聚攏的功能，適用于機器視覺識別及機器人抓取等應用場景。

1 硬件設計及工作原理

1.1 結構設計

零件柔性振動供料器結構如圖1所示，供料器主要包括物料盤、電磁作動器和支撐彈簧等。彈簧兩端分別與電磁作動器的定子和動子緊固連接，圖1中彈簧作簡化處理。由于采用單一電磁作動器作為動力源，因此為獲得較好振動效果和工作性能，電磁作動器置于料盤的幾何中心正下方。

圖1 振動供料器結構Figure 1 Vibration feeder structure

1.2 硬件選型

1.2.1物料盤選型

物料盤是振動供料器在工作振動時承載物料的容器，因此物料盤的固有物理屬性(如彈性模量、泊松比及固有頻率等)將影響振動供料器的工作性能。因此，課題組將對不同材質和尺寸的物料盤進行模態分析，以選擇合適的物料盤材質和尺寸，具體內容將在1.3.2節中進行討論。

1.2.2驅動器選型

系統采用的驅動器型號為copley controls公司的ACJ-055-18。該款驅動器體積小、功能多，采用直流供電(20～55 V)。此外，該款驅動器提供多種控制方式，如CANopen、步進信號以及模擬信號等，足以滿足本系統的控制需求。

1.3 工作原理

駐波是由2列方向相反、振幅相同、頻率相同的波疊加形成的一種現象，波的形式不只局限于機械波，還包括聲波、水波和空氣波等[2]。文中應用的正是機械振動波疊加形成的駐波。駐波的一維形式如圖2所示，圖中的空心點為波節(node)，實心點為波腹(anti-node)。在駐波中，波節處振幅最小，波腹處振幅最大[3]。因此當零件位于波節外的其他位置時(波腹為最理想位置)，經過一段時間的振動，將由初始位置向波節移動。課題組提出的柔性振動供料器就基于此原理，實現微小零件在物料盤中位置的改變。

圖2 駐波一維圖Figure 2 One-dimensional graph of standing wave

將駐波的一維形式拓展至二維平面形式，如圖3所示。圖3中深色區域B為波節，也稱為波節線，此區域振幅趨于零；中心區域A為波腹，此區域振幅最大。因此，若零件集中在波腹區域(位置A)，經過一定時間振動，將向波節區域(位置B)移動，移動方向如圖3中箭頭所示。

圖3 駐波二維圖ⅠFigure 3 Two-dimensional graph of standing wave Ⅰ

二維駐波圖的另一種形式如圖4所示。在此種情況下，若零件處于波腹區域，即4個角(位置A)，在經過一定時間的振動下，零件將向波節區域(位置B)移動。

圖4 駐波二維圖ⅡFigure 4 Two-dimensional graph of standing wave Ⅱ

根據以上原理，交替實現圖3、圖4所示振動形式，則可以交替實現零件的相對聚集和分散。

1.4 模態分析

1.4.1共振分析

考慮物料盤底面的一個單元，其固有振動的偏微分方程為：

(1)

式中：ρ為料盤材質密度；h為料盤厚度；ω為法向位移；D=Eh3/12(1-ν2)為抗彎剛度，E為彈性模量，ν為泊松比。

模態是系統固有的一種振動形態，進行模態分析可確定系統的固有頻率和各階固有頻率對應的模態振型[5]。模態分析的實質是計算所研究結構的振動特征方程的特征向量和特征值[6]。進行振動分析的第一步是建立振動運動方程，如式(2)所示:

(2)

對于模態分析負載矢量為零，則對于無阻尼自由振動的運動方程演變為式(3)[7]：

[M]{ü}+[K]{u}=0。

(3)

1.4.2邊界條件

由1.1節可知，振動供料器的物料盤直接由電磁作動器驅動，沒有其他約束條件作用于物料盤上，因此物料盤的模態分析邊界為自由邊界條件[8]。

1.4.3有限元建模

1) 料盤尺寸設計

考慮到振動效果以及加工難度，物料盤厚度選擇為3 mm。對于料盤的長度和寬度，課題組將對2種尺寸規格的料盤進行模態分析，對比分析結果，選擇合適的尺寸以獲得理想的模態振型。將物料盤材質均設置為不銹鋼，以便觀察料盤尺寸對模態形狀的影響。分別對2種尺寸的料盤采用ANSYS進行模態分析，料盤尺寸如表1中所列。

表1 物料盤尺寸

①第1種尺寸料盤模態分析

長300 mm，寬100 mm的物料盤前10階模態頻率如表2所示。由分析結果可看出，物料盤的前6階模態頻率均為0，這是因為前6階模態對應的是6個自由度上的剛體運動，因此頻率均為零。本研究具有重要意義的是第7階和第8階模態，模態振型如圖5所示。同理，下文所研究的其他尺寸及材料的物料盤，亦主要研究其第7和第8階模態振型及頻率。

表2 不銹鋼料盤前10階模態頻率

圖5 不銹鋼物料盤模態分析結果Figure 5 Stainless steel material tray modal analysis results

由圖5中該尺寸物料盤的第7階模態形狀可看出，波節區域(深色區域)主要集中在料盤的幾何中心(位置B0)，略向4個邊界方向延伸；波腹區域則集中于4個角位置(A)。由第8階模態形狀可以看出，在此模態下波腹區域出現在料盤的幾何中心(C0)和2條短邊的位置(C1)；波節區域出現在2個條形區域(D)。

假設若干零件均勻分布于料盤中，首先使用模態7集中零件，由圖5(a)可知，零件除集中于B0附近外，還將會有少量零件移動到B1位置。由此可得，理論上該尺寸料盤的零件集中效果并不理想。假設零件集中于料盤中心區域，由圖5(b)可看出，波腹區域相對于料盤非常小，因此推斷在此模態下中心區域的振動效果難以在較短時間內分散零件。綜上所述，300 mm×100 mm×25 mm的物料盤在有效集中和分散零件上不理想，該尺寸設計不合理。

②第2種尺寸料盤模態分析

長300 mm，寬200 mm的物料盤第7～8階模態振型如圖6所示。由圖6(a)可看出，此模態振型中波節主要位于料盤幾何中心位置(B0)，且略向4邊部分延伸；波腹位于4角位置(A0)。由圖6(b)可知，此模態下，波腹區域主要位于料盤幾何中心(A1)，且波腹區域面積較大；波節區域則位于圖中B1所示的環狀位置。

圖6 不銹鋼料盤模態分析結果Figure 6 Stainless steel material tray modal analysis results

基于以上分析結果，可初步推斷相對于300 mm×100 mm×25 mm料盤，若使用當前尺寸(300 mm×200 mm×25 mm)料盤的第7～8階模態可以分別聚攏和分散零件，具有較好的工作效果。

2) 料盤材料選型

課題組考慮了3種常用材料：304不銹鋼、7075鋁合金板材和PP共聚物。3種材料的物理特性如表3所示。

表3 不同材料屬性

將物料盤的尺寸均設定為300 mm×200 mm×25 mm，厚度3 mm，以便觀察不同材料對模態形狀的影響。不同材料的前10階模態各階頻率如表4所示。由表4的分析結果可知，對于不銹鋼和鋁合金2種材料的物料盤，第7階振動模態的頻率分別為140 Hz和143 Hz；第8階振動模態的共振頻率分別為376 Hz和395 Hz。而對于PP共聚物材料的物料盤，其第7階、第8階振動模態的振動頻率分別為38 Hz和86 Hz，模態振型如圖7所示。對于本研究所使用的音圈電磁作動器，當振動頻率達到100 Hz以上時，已無法提供有效工作振幅。因此，課題組將振動供料器料盤材料選擇PP共聚物。

2 軟件設計

本系統通過編寫PC端的上位機程序，采用CANopen協議，實現上位機與驅動器的通信與控制。

表4 不同材料各階模態頻率

圖7 PP材料物料盤的模態分析結果Figure 7 Modal analysis results of PP material tray

2.1 CANopen協議介紹

CAN總線是德國Bosch公司于 1983 年為汽車應用而開發的一種能有效支持分布式實時控制的串行通信網絡，屬于現場總線(FieldBus)的范疇[9]。從OSI的7層網絡模型來看，CAN現場總線的基本協議只定義了第1層(物理層)和第2層(數據鏈路層)[10]，而沒有定義應用層的使用規范，不同行業在使用CAN總線協議時，需各自定義自己的應用層協議，設備的互通互聯不方便。基于此背景，CANopen協議應運而生。

CANopen協議是基于CAN串行總線的應用層協議，遵循ISO/OSI模型[11]。CANopen協議主要包括應用、對象字典和通信接口3部分。設備對象字典是CANopen協議的核心[12]。對象字典是一組有序的參數和變量集合，參數也稱為索引，而變量則包含了設備的相關參數和狀態描述，設備對象字典索引及對象具體描述如表5所示[13]。

表5 CANopen對象字典

2.2 控制流程

課題組提出的柔性振動供料器由PC端的上位機窗體軟件進行操控，PC通過CANopen轉接卡連接到驅動器CAN接口，從而實現對柔性振動供料器的控制。電磁作動器與物料盤使用螺釘緊固，該緊固方式可以在動能損失較小的情況下將振動從電磁作動器傳遞至物料盤。控制實現流程圖如圖8所示。

圖8 系統控制流程圖Figure 8 System control flow chart

3 實驗驗證

3.1 上位機界面

課題組使用Visual Studio 2017開發工具，使用C#語言編寫上位機操作界面，并通過CANopen協議與驅動器建立通信。通過上位機實現CANopen從站的添加、工作狀態設置以及電機動作控制等功能。電機的動作控制界面即柔性振動供料器操作界面，可實現CANopen從站啟停(電機啟停)、零件聚攏、零件分散以及其他數據讀寫的功能，操作界面如圖9所示。

圖9 上位機操作界面Figure 9 PC operation interface

3.2 樣機搭建

課題組最終采用的物料盤尺寸為200 mm×200 mm×25 mm，厚度為3 mm，材質為PP共聚物。物料盤與電磁作動器使用M4螺釘緊固，電磁作動器與不銹鋼板用M4螺釘緊固，不銹鋼板再與光學平臺用M6螺釘緊固。實驗樣機如圖10所示。

圖10 實驗樣機Figure 10 Experimental prototype

3.3 柔性振動供料器性能測試

實驗開始，首先在上位機中添加驅動器從站，然后在柔性振動供料器操作界面啟動從站。本實驗選用的零件為M3墊片，數量約為130個。零件初始位置為均勻分布于料盤中(狀態Ⅰ)，如圖11所示。經多次試驗測試，樣機的最佳聚攏頻率為33 Hz，零件分散振動頻率為72 Hz，試驗結果與ANSYS軟件模態分析結果有一定誤差。經分析，這種誤差最有可能來自料盤的加工誤差。

圖11 零件初始位置(狀態Ⅰ)Figure 11 Initial position of parts (state Ⅰ)

1) 零件聚攏實驗。設置電磁作動器的頻率為33Hz，工作電流為0.3 A，振動時間10 s；無延時切換的頻率33 Hz，工作電流為0.2 A，振動時間5 s。零件由狀態Ⅰ改變為狀態Ⅱ(圖12)。由實驗結果可知，經過振動，零件呈現較明顯的聚攏狀態。

圖12 零件聚攏狀態(狀態Ⅱ)Figure 12 Parts gathered state (state Ⅱ)

2) 零件分散實驗。設置電磁作動器的頻率為73 Hz，工作電流為0.3 A，振動時間3 s，振動后的零件狀態改變為圖13所示的狀態Ⅲ。由實驗結果可知，經過振動，零件具有良好的分散效果。

圖13 零件分散狀態(狀態Ⅲ)Figure 13 Dispersion state of parts (state Ⅲ)

4 結語

課題組提出了一種零件柔性供應的技術方法，首先分析了零件聚攏分散的理論原理，并進行了物料盤的模態分析，然后設計了合適的硬件系統。最后，經過搭建的實物樣機，驗證了理論原理和模態分析結果一致并且實現了零件的聚攏和分散。該方法為工廠生產的柔性化供料提供了參考。但同時，本實驗并沒有實現全部零件的聚攏，經分析，可能是由料盤的設計和實際加工誤差導致的。