電磁振動(dòng)上料器給料速度及其影響因素分析

程 陽，滕 燕

(1.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222000；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

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電磁振動(dòng)上料器給料速度及其影響因素分析

程 陽，滕 燕

(1.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222000；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

針對(duì)電磁振動(dòng)上料器普遍存在的穩(wěn)定性差、送料能力低的問題，文中對(duì)上料過程中的物料進(jìn)行了力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了振動(dòng)力學(xué)模型，得出了影響給料速度的相關(guān)因素。通過試驗(yàn)測(cè)試了不同參數(shù)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(shù)、工作頻率等參數(shù)對(duì)給料速度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，較大的軌道加速度和摩擦系數(shù)，以及較小的軌道角和工作頻率，有利于提高生產(chǎn)效率，研究結(jié)論為振動(dòng)上料器的設(shè)計(jì)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

上料器；振動(dòng)；設(shè)計(jì)參數(shù)

0 引言

目前，電磁振動(dòng)上料器廣泛應(yīng)用于小型零件的自動(dòng)定向供料。它是由電磁激振的一種振動(dòng)機(jī)械，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量消耗小，工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。在自動(dòng)上料過程中，還可以利用臺(tái)肩擋板、缺口縫隙等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的自動(dòng)定向，尤其適用于尺寸小、重量輕、強(qiáng)度低的零件的自動(dòng)化上料[1-3]。

國(guó)外較早對(duì)電磁振動(dòng)上料器進(jìn)行了深入的理論研究，并且在長(zhǎng)期實(shí)踐應(yīng)用中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。目前研究振動(dòng)料斗產(chǎn)品具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的公司主要有日本的產(chǎn)機(jī)公司、神鋼公司，德國(guó)的申克公司等，其產(chǎn)品具有智能化、高效集約、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，代表著當(dāng)今振動(dòng)機(jī)械的發(fā)展方向。我國(guó)對(duì)自動(dòng)上料設(shè)備的研究起步較晚，所生產(chǎn)的振動(dòng)機(jī)普遍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、壽命短等問題。進(jìn)入八十年代，隨著對(duì)德國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)的引進(jìn)和吸收，我國(guó)的振動(dòng)給料器進(jìn)入高速發(fā)展階段，在設(shè)計(jì)、制造及技術(shù)性能等方面有了長(zhǎng)足進(jìn)步[4-5]。目前雖然我國(guó)生產(chǎn)振動(dòng)機(jī)械的企業(yè)很多，但產(chǎn)品技術(shù)含量不高，設(shè)計(jì)制造過程中普遍存在著穩(wěn)定性差、送料能力低下等問題。對(duì)于某些復(fù)雜的零件，在實(shí)際加工過程中，上料機(jī)構(gòu)往往一邊調(diào)試，一邊修磨，加工周期長(zhǎng)，成本高，不利于企業(yè)生產(chǎn)。

電磁振動(dòng)上料器的可靠性取決于它的設(shè)計(jì)參數(shù)，即振動(dòng)系統(tǒng)的幾何參數(shù)和工作參數(shù)。為了保證電磁振動(dòng)上料器在給定參數(shù)下穩(wěn)定地工作，本文對(duì)盤型電磁振動(dòng)上料器的工作原理和物料輸送原理進(jìn)行研究，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析。當(dāng)零件放置在上料器料盤內(nèi)的時(shí)候，振動(dòng)作用使零件沿著軌道，以一定速度和要求的姿態(tài)，移動(dòng)至指定位置。通過試驗(yàn)分析各參數(shù)對(duì)零件輸送速度的影響，以尋求最佳參數(shù)，達(dá)到提高物料輸送速度和工作效率的目的。

1 上料器結(jié)構(gòu)及原理

盤型電磁振動(dòng)上料器是實(shí)現(xiàn)零件姿態(tài)一致化和上料自動(dòng)化的專用設(shè)備，上料器常見的結(jié)構(gòu)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(dòng)上料器結(jié)構(gòu)示意圖

板彈簧將存放零件的料盤固定在支撐座上，當(dāng)電源接通時(shí)，固定在料盤和基座之間的電磁鐵產(chǎn)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(dòng)。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(yùn)動(dòng)時(shí)，圍繞垂直軸發(fā)生往返扭振。零件同時(shí)受到重力、摩擦力和慣性力，沿著料盤的環(huán)形料槽軌道向上移動(dòng)。在零件移動(dòng)的過程中，通過軌道上的自動(dòng)定向機(jī)構(gòu)，使得其中部分的零件形成所要求的姿態(tài)，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，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(dòng)狀態(tài) B—工件滑動(dòng)狀態(tài) C—工件和軌道面貼在一起

零件的自動(dòng)上料過程如圖2所示，零件在料槽內(nèi)以滑動(dòng)或跳躍的方式被輸送，料斗的振動(dòng)軌跡為橢圓。在滑動(dòng)過程中，零件與軌道間有摩擦力。當(dāng)軌道上升并向前扭轉(zhuǎn)時(shí)，在零件和軌道之間產(chǎn)生的摩擦力的作用下，零件與軌道一起向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軌道下降、扭轉(zhuǎn)恢復(fù)的時(shí)候，隨著摩擦力的減小，零件相對(duì)于軌道向前滑動(dòng)。在跳躍的過程中，軌道上升扭轉(zhuǎn)時(shí)，零件與軌道一同向前運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)軌道向下的加速度超過當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葧r(shí)，零件呈自由落體運(yùn)動(dòng)。在向下的自由落體過程中，零件在軌道上，相對(duì)于零件向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生了向前的運(yùn)動(dòng)。

2 振動(dòng)輸送力學(xué)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(gè)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(yùn)動(dòng)，看作是在直線軌道上的振動(dòng)，如圖3所示。當(dāng)零件放置在盤內(nèi)時(shí)，振動(dòng)作用使零件沿軌道運(yùn)動(dòng)到軌道的末端出料口。

圖3 軌道取直示意圖

振動(dòng)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(yùn)動(dòng)，零件的受力分析如圖4所示。假設(shè)零件在軌道上沒有運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。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(zhì)量。 如圖4所示的慣性力，當(dāng)軌道處在零件的運(yùn)動(dòng)上限時(shí)，作用在零件上的最大慣性力，這個(gè)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(xiàn)滑動(dòng)時(shí)有：

mAω2cosψ>mgsinθ+F

(1)

其中：

(2)

式中:ω—振動(dòng)角頻率；

A—零件的振幅；

μs—零件與軌道間的靜摩擦系數(shù)。

聯(lián)立式(1)和式(2)，由此可得，零件沿軌道正向滑動(dòng)的條件為：

(3)

與此類似，可得到反向滑動(dòng)的條件為：

(4)

上料器的運(yùn)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(dòng)的條件為：

(6)

向后滑動(dòng)條件為：

(7)

聯(lián)立式(6)和式(7)，可得出物料向前移動(dòng)的極限條件為：

(8)

當(dāng)θ角很小的時(shí)候，上式可簡(jiǎn)化為:

(9)

當(dāng)振幅足夠大的時(shí)候，零件開始跳躍向前移動(dòng)，這時(shí)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(dòng)上料的過程中，零件在脫離軌道之前，一直作正向滑動(dòng)。

2.1 物料受力分析

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)原理，對(duì)振動(dòng)上料器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可將其看作是料盤和底座在豎直方向和扭轉(zhuǎn)方向的雙自由度雙質(zhì)體的強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)[8]，原理如圖5所示。該系統(tǒng)主要有慣性激振器、工作機(jī)體和彈性元件三部分組成。在建立動(dòng)力學(xué)模型的時(shí)候，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，將料盤、銜鐵、底座等看作不計(jì)彈性的質(zhì)量集中元件；將支撐彈簧和減振器看作是不計(jì)質(zhì)量的彈性元件。工作機(jī)體沿豎直方向上下振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，共有兩個(gè)自由度。

圖5 雙自由度雙質(zhì)體強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)

根據(jù)圖5的振動(dòng)上料器雙自由度雙質(zhì)體振動(dòng)的力學(xué)模型，根據(jù)拉格朗日定理，可得以下方程：

(12)

式中:m1—上質(zhì)量，包括料盤、銜鐵。

m2—下質(zhì)量，包括鐵芯、線圈、底座。

x1，x2—上、下質(zhì)量m1和m2在振動(dòng)方向的位移。

k1，k2—支撐彈簧和減振器的剛度。

F(t) —上、下質(zhì)量m1和m2所受廣義干擾力。

(13)

在電磁振動(dòng)上料器振動(dòng)系統(tǒng)中，兩個(gè)等效的質(zhì)體離開平衡位置的位移，與各自對(duì)應(yīng)的等效質(zhì)量成反比。因此在雙自由度雙質(zhì)體振動(dòng)系統(tǒng)中，板彈簧上始終存在一個(gè)靜止的點(diǎn)，將這個(gè)點(diǎn)稱為振動(dòng)系統(tǒng)的惰性中心。隨著m2/m1比值增大，惰性中心向m2質(zhì)心靠近，當(dāng)m2/m1=∞時(shí)，惰性中心與m2的中心重合在一起，這時(shí)振動(dòng)系統(tǒng)可轉(zhuǎn)化為只有m1存在的單自由度單質(zhì)體振動(dòng)系統(tǒng)，如圖6所示。由此可得出系統(tǒng)的固有頻率為：

(14)

圖6 單自由度單質(zhì)體強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖7給出了試驗(yàn)平臺(tái)的主要組成，圖8為試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖。零件輸送軌道上有兩個(gè)傳感器，一個(gè)振幅傳感器測(cè)工件跳動(dòng)的振幅，另一個(gè)速度傳感器測(cè)工件輸送速度，采集完數(shù)據(jù)后傳送到計(jì)算機(jī)[9-10]。通過調(diào)節(jié)振動(dòng)控制器，升降可調(diào)擋塊，選用不同的料盤等，對(duì)不同軌道傾角、軌道加速度條件下的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得出不同的速度變化曲線。

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)主要組成

圖8 試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片

3.1 軌道加速度對(duì)輸送速度的影響

當(dāng)其他條件相同時(shí)，在軌道加速度an/gn遞增變化，針對(duì)不同的振動(dòng)角ψ值，試驗(yàn)得到了軌道加速度對(duì)輸送速度影響的曲線, 如圖9所示，圖“■”為試驗(yàn)值。

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，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(dāng)an/gn>1時(shí)，由式(11)可知，在工件自動(dòng)上料的過程中，零件開始跳躍。當(dāng)an/gn<1時(shí)，零件和軌道面貼在一起，物料輸送速度的理論值和試驗(yàn)值基本上一致。但隨著軌道加速度逐漸增大，對(duì)物料的輸送速度的變化影響也越來越大，當(dāng)軌道加速度達(dá)到臨界值的時(shí)候，零件開始進(jìn)入跳躍狀態(tài)，給料周期變得不再固定，從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)值落在了理論曲線的下方，說明理論預(yù)測(cè)不再準(zhǔn)確。

圖9 軌道加速度-速度曲線

實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了得到最佳的送料條件，在即將引起不穩(wěn)定狀態(tài)的臨界值內(nèi)，必須以較大的an/gn運(yùn)行。從圖9可知，在這個(gè)范圍內(nèi)，給定軌道傾斜角θ和摩擦系數(shù)μs的值，當(dāng)振動(dòng)角ψ值一定的時(shí)候，νm和an/gn近似的呈線性關(guān)系。

3.2 工作頻率對(duì)輸送速度的影響

當(dāng)其他條件相同時(shí)，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(jié)合圖9可知，物料輸送速度越大，相應(yīng)的軌道加速度也越大，因此軌道的振幅也有相應(yīng)的增加。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常設(shè)置擋塊等決定物料通過時(shí)的姿態(tài)，所以振幅通常被限制在較小的范圍之內(nèi)；同時(shí)，振動(dòng)上料器連接到特定的機(jī)械設(shè)備上，這也將工作頻率限制在一定的范圍內(nèi)。此外，過高的頻率會(huì)增加工件的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)力變形，因此，對(duì)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(duì)輸送速度的影響

當(dāng)其他條件相同時(shí)，對(duì)于不同的軌道傾角，在不同軌道加速度時(shí)，工件運(yùn)動(dòng)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件不變的時(shí)候，對(duì)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(dāng)軌道傾角為零時(shí)，達(dá)到最高速度。當(dāng)工件在軌道上輸送的時(shí)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(shí)際工作條件的時(shí)候，零件通常是由料盤底部的零件推動(dòng)向前的。因此，設(shè)計(jì)振動(dòng)料斗的自由進(jìn)給速度時(shí)，通常采用軌道傾角為0°時(shí)的進(jìn)給速度作為參考依據(jù)。

3.4 摩擦系數(shù)對(duì)輸送速度的影響

當(dāng)其他條件相同時(shí)，在水平軌道振動(dòng)傾角為20°的條件下，在不同軌道加速度時(shí)，對(duì)于不同的摩擦系數(shù)，速度變化如圖12所示。

圖12 摩擦系數(shù)-速度曲線

在振動(dòng)料斗的實(shí)際工況下，實(shí)用的摩擦系數(shù)是0.2～0.8。據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)可近似認(rèn)為鋼質(zhì)零件在鋼質(zhì)軌道上傳送時(shí)的摩擦系數(shù)為0.2。當(dāng)軌道上噴膠時(shí)，摩擦系數(shù)可以增加到0.8。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，軌道加速度值一定時(shí)，摩擦系數(shù)的增加會(huì)引起輸送速度的增加；因此，用橡膠包敷振動(dòng)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(shù)，增加工件的壽命，保護(hù)工件的外觀，降低噪聲，提高輸送速度。

4 結(jié)論

通過對(duì)物料運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力分析，得出影響振動(dòng)料斗輸送速度的相關(guān)因素，建立了電磁料斗系統(tǒng)的振動(dòng)模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1)建立了雙自由度雙質(zhì)體振動(dòng)的力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化為單自由度單質(zhì)體強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)，從而得出了上料器振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率。

(2)試驗(yàn)得出了上料器振動(dòng)系統(tǒng)在不同的工作頻率、軌道加速度、軌道傾斜角和摩擦系數(shù)條件下對(duì)應(yīng)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(wěn)定狀態(tài)的臨界值內(nèi)，應(yīng)選擇較大的軌道加速度和摩擦系數(shù)，以及較小的軌道角。同時(shí)，為了減少工件的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)力變形，應(yīng)選擇較低的工作頻率。研究結(jié)論為振動(dòng)上料器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的理論和試驗(yàn)依據(jù)。

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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(dòng)化研究所助理工程師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化，(E-mail)352019553@qq.com。

TH162;TG506

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