磁力彈簧式壓電振動送料器的設(shè)計與試驗

田曉超，楊志剛，劉勇，沈燕虎，吳越

（吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130025）

磁力彈簧式壓電振動送料器的設(shè)計與試驗

田曉超，楊志剛，劉勇，沈燕虎，吳越

（吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春130025）

針對壓電送料器隨外部載荷變化輸送速度不穩(wěn)定的問題，提出了一種利用磁力彈簧改變傳振性能及系統(tǒng)共振原理的新型結(jié)構(gòu)壓電振動送料器裝置。分析了磁力彈簧式壓電振動送料器的工作原理，建立了振動送料器的動力學(xué)模型，計算分析得出了影響振動送料器輸送性能的主要因素。制作了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樣機，利用阻抗分析儀測得系統(tǒng)的共振頻率和阻抗特性。設(shè)計了振動送料器的試驗裝置。試驗測試分析表明：系統(tǒng)在共振條件下，磁力彈簧軸向間距為2.8 mm時，振幅達到123 μm，提高了系統(tǒng)的承受載荷，并且在一定的載荷范圍內(nèi)保證了物料穩(wěn)定、均勻快速的輸送。

壓電振動送料器；系統(tǒng)共振；磁力彈簧；物料輸送

振動送料器由于其整列定向性好、供料效率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于自動裝配、自動加工、自動檢測等各種工序上［1］。傳統(tǒng)的送料器都是以機械或者電磁式驅(qū)動為主，然而它們具有噪音大、受電磁干擾、輸送精度低、耗能高等缺點［2-3］。20世紀70年代末，日本成功研制了矩形壓電雙晶片作為驅(qū)動源的懸臂梁式壓電振動送料器［4］。韓國Inha大學(xué)的敏捷制造與系統(tǒng)實驗室制造了新型壓電送料器，并對該送料器進行了有限元分析和實驗分析［5］。臺灣也對直線式送料器結(jié)構(gòu)進行了動態(tài)建模和實驗分析研究［6］。目前國內(nèi)市場上使用的壓電振動送料器大部分是日本的產(chǎn)品，在自動化生產(chǎn)線上處于壟斷地位。國內(nèi)在近些年也開展了對壓電振動送料器相關(guān)方面的研究［7-11］，但已有送料器的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度是固定的，對物料輸送性能沒有調(diào)節(jié)功能。近年來磁力彈簧的研究發(fā)展日趨成熟，磁力彈性在距離很小范圍內(nèi)，位移和壓力近似呈線性關(guān)系。在同等結(jié)構(gòu)和尺寸的情況下，兩環(huán)形磁鐵同向力學(xué)性能好、位移范圍大［12-14］。用磁性彈簧可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、降低噪音、無疲勞變形，還可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此本文提出了一種磁力彈簧式壓電振動送料器裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、噪音小、易控制、耗能小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。該結(jié)構(gòu)工作在共振頻率時，壓電振子的位移被成倍的放大，提高了壓電振子驅(qū)動能力。而磁力彈簧可以很方便通過調(diào)整軸向間距來調(diào)整整個系統(tǒng)的剛度，從而調(diào)整系統(tǒng)的共振頻率，使系統(tǒng)在要求的頻率下處于共振狀態(tài)。

1 送料器結(jié)構(gòu)與工作原理

驅(qū)動源為壓電雙晶片振子，其通過質(zhì)量塊固定在頂盤上，傳振桿一端穿過壓電振子的中心，另一端連接懸浮磁鐵的中心，兩端用螺母緊固。懸浮磁鐵與緊固磁鐵正中同極相對，緊固磁鐵緊固在底座上，支撐彈簧以75°連接頂盤和底座，頂盤上安裝有料斗，底座下端裝有橡膠底角，起到減振作用。如圖1所示，頂盤、質(zhì)量塊、壓電振子、懸浮磁鐵、傳振桿可視為一個整體構(gòu)成一個振動放大系統(tǒng)。懸浮磁鐵和緊固磁鐵同極相對可構(gòu)成一個壓縮磁力彈簧。

圖1 磁力彈簧式壓電振動送料器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of maganetic spring piezoelectric vibratory feeder

磁力彈簧式壓電振動送料器是在壓電雙晶片振子上施加正弦交流電壓，使之發(fā)生彎曲變形，且頻率與振動系統(tǒng)固有頻率一致或接近，達到共振狀態(tài)。當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時，壓電振子的輸出位移也隨之發(fā)生變化，使之產(chǎn)生縱向振動，迫使底座四周均勻布置的相同傾角的支撐彈簧片產(chǎn)生并且釋放變性能，通過頂盤作用在料盤上，把頂盤的縱向振動和扭轉(zhuǎn)運動有效地合成為縱扭復(fù)合振動，以及縱向磁力彈簧使系統(tǒng)振動放大，如此循環(huán)往復(fù)，使料盤中的物料按照一定的順序和方向運動，完成輸送功能。

2 送料器系統(tǒng)動力學(xué)模型

磁力彈簧式振動送料器動力學(xué)模型如圖2所示，其中M為整個機械系統(tǒng)的總質(zhì)量，包括料盤、頂盤、質(zhì)量塊、連接環(huán)以及物料的質(zhì)量。k1和k2分別為壓電振子和磁力彈簧的剛度，k3為四周每相隔90°的支撐彈簧片的剛度，橡膠底角為減振彈簧，剛度很小，可以忽略不計。阻尼為系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)阻尼。X為頂盤即料盤的振幅，F(xiàn)sin（ωt）為壓電振子提供的簡諧激勵。

圖2 振動送料器的動力學(xué)模型Fig.2 Dynamic model of vibratory feeder

此機械振動系統(tǒng)可認為是單自由度系統(tǒng)的簡諧激勵響應(yīng)，建立動力學(xué)方程為

令

振動體在動態(tài)力激勵F（t）下所產(chǎn)生的振幅A，與在靜態(tài)力F作用下產(chǎn)生的位移Ast之比，稱為振幅放大系數(shù)，即

由式（6）可知，當(dāng)振動送料器共振時，頂盤振幅與驅(qū)動源提供的激勵F、整個系統(tǒng)的剛度k系統(tǒng)的阻尼ξ有關(guān)，在其他剛度不變的情況下，可通過調(diào)整磁力彈簧軸向間距調(diào)整整個機械系統(tǒng)的剛度，進而調(diào)整整個機械系統(tǒng)的共振頻率。磁力彈簧結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 磁力彈簧結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of maganetic spring

3 實驗性能測試

選用環(huán)形壓電陶瓷片為50 mm、內(nèi)徑為10 mm、厚度為0.6 mm、壓電振子環(huán)形基板外徑為72 mm、內(nèi)徑為4 mm、厚度為1.8 mm，材質(zhì)65Mn，頂盤為鋁合金，直徑為120 mm，四周相隔90°均勻支撐彈簧片的材質(zhì)為65Mn，有很好的彈性和抗疲勞強度，底座用45＃鋼，上面4個凸臺的傾斜角與鋁合金頂盤皆為75°；減振彈簧材料為黑色橡膠；環(huán)形磁鐵外徑60 mm，內(nèi)徑為15 mm，厚度為10 mm，激勵電壓為200 V，實驗測試裝置如圖4所示。

圖4 實驗測試裝置Fig.4 Experimental testing device

實驗所用的儀器為安捷倫HP4294精密阻抗分析儀、SDVC40-M型數(shù)字壓電調(diào)頻控制器、Keyence LC-2400A激光測微儀、時間繼電器、電子稱、料盤、物料若干。

3.1 共振頻率的測試

用精密阻抗分析儀測得振動送料器的阻抗特性如圖5所示，得到軸向間距與共振頻率關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，隨著磁力彈簧軸向間距增大、剛度減小，系統(tǒng)的共振頻率減小。在間距為0.4 mm時，共振頻率可達980 Hz，在間距大于3.6 mm時，共振頻率保持在一個平穩(wěn)的位置，沒有明顯的改變，這是因為隨著間距的增大，磁力彈簧之間的排斥力逐漸減弱，最后磁力彈簧對整個系統(tǒng)剛度的影響越來越不明顯。送料器最佳工作頻率200～400 Hz，磁力彈簧軸向間距在2～3.6 mm最佳。

圖5 振動送料器頻率阻抗特性Fig.5 Relationship between impedance and frequency of resonant feeder

圖6 軸向間距對共振頻率影響曲線Fig.6 Curves of resonant frequencies affected by axial spacing

3.2 軸向間距與振動位移關(guān)系測試

利用激光測微儀對頂盤某一固定點的振幅進行測試，調(diào)節(jié)磁力彈簧軸向間距，結(jié)果如圖7所示，當(dāng)軸向間距為2.8 mm共振點附近料盤的輸出位移達到最大，磁力彈簧式送料器輸出位移最大值123 μm。

圖7 位移-頻率特性曲線Fig.7 Displacement-axial spacing characteristic curve

3.3 軸向間距與載荷關(guān)系測試

將送料器調(diào)至共振頻率，Φ3×2 mm的金屬圓柱逐漸倒入料盤中，料盤振動效果逐漸減弱，物料速度逐漸變慢，調(diào)節(jié)控制器相應(yīng)頻率，每加至料盤上物料輸送速度接近為零時，測量出系統(tǒng)承受的最大載荷和磁力彈簧軸向間距，得到軸向間距與載荷關(guān)系曲線圖，如圖8所示，系統(tǒng)承受的最大載荷是可變的，在間距為0.3 mm時，最大載荷可達到26 N，系統(tǒng)最大承受載荷沒有在最佳軸向間距之內(nèi)，發(fā)生了很大的偏移，這是因為增加了料盤和物料改變了附加載荷，改變了共振頻率。

圖8 間距－載荷特性曲線Fig.8 Pitch-load characteristic curve

3.4 載荷與速度關(guān)系測試

將頻率和電壓保持不變，將不同質(zhì)量Φ 3× 2 mm的金屬圓柱放入料盤中，同時調(diào)節(jié)磁力彈簧的軸向間距，得到送料器輸送速度曲線，如圖9所示。

圖9 載荷－速度特性曲線Fig.9 Load-speed characteristic curve

從圖9中可以看出，載荷不斷增加，送料速度在一定的載荷范圍內(nèi)不變，繼續(xù)增加載荷，送料速度逐漸下降，這是因為調(diào)節(jié)軸向間距改變了系統(tǒng)的剛度，使其處于共振狀態(tài)，隨著載荷增大，逐漸達到系統(tǒng)所能承受的最大載荷，導(dǎo)致了輸送速度的下降。結(jié)果表明，要想使系統(tǒng)處于理想的工作狀態(tài)，物料載荷控制在14 N以內(nèi)。

4 結(jié)論

1）設(shè)計了磁力彈簧式壓電振動送料器裝置，建立振動系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過理論分析得出，影響振動送料器共振時輸出位移的主要因素，以及系統(tǒng)剛度可通過磁力彈簧軸向間距來調(diào)整，進而使系統(tǒng)在理想共振頻率下工作。

2）當(dāng)機械系統(tǒng)達到共振頻率時，共振送料器的物料輸送速度就越快；而遠離共振頻率時，輸送速度就越慢。當(dāng)磁力彈簧軸向間距減小時，磁力彈簧剛度變大，頂盤振幅減小，而其共振頻率變大；當(dāng)磁力彈簧軸向間距變大時，磁力彈簧剛度變小，頂盤振幅變大，而其共振頻率變小，所以輸送速度受共振振幅和共振頻率共同影響。

3）設(shè)計了磁力彈簧式壓電振動送料器裝置試驗，并進行了分析，得到不同剛度下不同的共振頻率，磁力彈簧軸向間距為2.8 mm時，輸出位移為123 μm，該裝置提高了承受載荷，解決了在共振頻率附近物料質(zhì)量的變化導(dǎo)致送料速度不穩(wěn)定、不均勻的現(xiàn)象，并且提高了輸送效率。

［1］杰弗里.布思羅伊德.裝配自動化與產(chǎn)品設(shè)計［M］.熊永家，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2009：14-23.

［2］蘇江.振動送料器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.機械設(shè)計與制造，2010（7）：244-246.SU Jiang.Current status and development Trends of vibration feeder［J］.Machinery Design and Manufacture，2010（7）：244-246.

［3］MAUL G P，THOMAS M B.A system model and simulation of the vibratory bowl feeder［J］.Journal of Manufacturing Systems，1997，16（5）：309-314.

［4］特殊陶業(yè)株式會社.壓電振動搬送裝置［P］.日本，52-61087.1977-05-04.

［5］CHOI S B，LEE D H.Modal analysis and control of a bowl parts feeder activated by piezoelectric actuators［J］.Journal of Sound and Vibration，2004，275（1／2）：452-458.

［6］CHAO P C，SHEN C Y.Dynamic modeling and experimental verification of a piezoelectric part feeder in a structure with parallel bimorph beams［J］.Ultrasonics，2007，46（3）：205－218.

［7］姜斌，劉曉論，楊志剛，等，垂直驅(qū)動型超聲波送料器的研究［J］.光學(xué)精密工程，2008，16（6）：1082-1086.JIANG Bin，LIU Xiaolun，YANG Zhigang，et al.Study on vertical drive ultrasonic feeder［J］.Optics and Precision Engineering，2008，16（6）：1082-1086.

［8］田忠靜，吳文福，韓峰.浮動式壓電振動送料裝置的試驗研究［J］.壓電與聲光，2006，28（5）：557-559.TIAN Zhongjing，WU Wenfu，HAN Feng.The experimental research on the floating piezoelectric vibratory feeder［J］.Piezoelectrics and Acoustooptics，2006，28（5）：557-559.

［9］焦其偉，崔文會，孫寶元，等.壓電式振動給料器的研制［J］.傳感器技術(shù)，2001，20（4）：23-26.JIAO Qiwei，CUI Wenhui，SUN Baoyuan，et al.Research and produce of piezoelectric vibration feeder［J］.Transducer Technologies，2001，20（4）：23-26.

［10］蘇江，楊志剛，張長健，等.圓形壓電振子驅(qū)動式直線振動給料器［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44（9）：289-292.SU Jiang，YANG Zhigang，ZHANG Changjian，et al.Line vibratory feeder drived by circular piezoelectric vibrator［J］.Journal of Agricultural Machinery，2013，44（9）：289-292.

［11］蘇江，楊志剛，田豐君，等.慣性式壓電振動送料器［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44（8）：281-286.SU Jiang，YANG Zhigang，TIAN Fengjun，et al.Inertial piezoelectric vibratory feeder［J］.Journal of Agricultural Machinery，2013，44（8）：281-286.

［12］錢沖喜，呂利昌，茹偉民，等.一種新穎的磁力彈簧及其彈性［J］.機械工程學(xué)報，1998，34（3）：57-59.QIANG Chongxi，LYU Lichang，RU Weimin，et al.A magnetic spring and its elasticity［J］.Chine Journal of Mechanical Engineering，1998，34（3）：57-59.

［13］蔡長春，徐志峰，莊建平，等.磁力彈簧的工作特性［J］.設(shè)備設(shè)計與維修，2003（6）：73-74.CAI Changchun，XU Zhifeng，ZHUANG Jianping，et al.The analysis of working property for magnetic spring［J］.Equipment Design and Maintenance，2003（6）：73-74.

［14］楊紅，趙韓.稀土永磁彈簧的力學(xué)特性研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2003，34（1）：111-117.YANG Hong，ZHAO Han.Study on dynamic characters of rare earth permanent magnetic spring［J］.Journal of Agricultural Machinery，2003，34（1）：111-117.

Design and experiment of the piezoelectric vibratory feeder with magnetic spring

TIAN Xiaochao，YANG Zhigang，LIU Yong，SHEN Yanhu，WU Yue
（Institute of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China）

The feeding speed of a piezoelectric feeder is not stable under different loads.To get it stable，a new structured piezoelectric vibratory feeder with magnetic spring was developed to improve the vibration performance and to realize system resonance.The paper first presented the working principles of the piezoelectric feeder with magnetic spring，then established the dynamic model of the vibratory feeder，and then derived the main factors influencing the feeding performance of the vibratory feeder through calculation and analysis.A prototype of the piezoelectric vibratory feeder with magnetic spring was made and the resonance frequency and impedance characteristics of this system were measured by an impedance analyzer.The testing apparatus for vibratory feeder was designed.The test and analyses show that under resonance condition，as the axial pitch of the magnetic spring reaches 2.8 mm，the amplitude can arrive at 123 μm，which greatly improves loading capacity of the system，and ensures a stable，uniform and rapid material feeding within a certain loading range.

piezoelectric；vibratory feeder；resonance；magnetic spring；material feeding

10.3969／j.issn.1006-7043.201312020

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201312020.html

TH237＋.1

A

1006-7043（2014）12-1548-05

2013-12-07.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-12-02.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51075175）.

田曉超（1986-），男，博士研究生；楊志剛（1956-），男，教授，博士生導(dǎo)師；劉勇（1981-），男，講師.

劉勇，E-mail：yongliu＠jlu.edu.cn.