激振源對(duì)高頻精密物料輸送裝置性能影響的試驗(yàn)研究

□ 李紅雙

沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110136

1 研究背景

隨著各行業(yè)的需求及市場(chǎng)的發(fā)展，物料輸送裝置已經(jīng)逐步成為各個(gè)行業(yè)必備的輸送設(shè)備，是現(xiàn)代化生產(chǎn)和物流運(yùn)輸不可缺少的重要輸送設(shè)備之一［1］。傳統(tǒng)的物料輸送驅(qū)動(dòng)形式因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、噪聲大及輸送精度低等原因，難以滿足市場(chǎng)需求［2-5］。

隨著壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)在超聲電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用日益成熟，壓電驅(qū)動(dòng)器在高頻物料輸送應(yīng)用方向上有了新的突破［6］。高頻精密物料輸送裝置以低噪聲、高精度、控制方便、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)在精密輸送領(lǐng)域應(yīng)用前景極為廣闊［7］。

高頻精密物料輸送裝置采用壓電陶瓷片作為激振源，輸送裝置中壓電元件為驅(qū)動(dòng)核心部件，對(duì)系統(tǒng)的輸送性能有很大影響。

高頻精密物料輸送裝置中核心部件激振源的粘貼位置及材料對(duì)輸送性能有一定影響，激振源尺寸的設(shè)計(jì)對(duì)輸送裝置輸送性能也起到重要作用?；诖?，筆者設(shè)計(jì)并制作了兩種不同尺寸激振源驅(qū)動(dòng)壓電輸送振子，并進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究，為高頻精密物料輸送裝置激振源的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 激振源驅(qū)動(dòng)原理

壓電輸送振子中激振體的輸送表面設(shè)計(jì)成矩形，在激振源的作用下，利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)，激發(fā)壓電輸送振子產(chǎn)生一階縱向彎曲振動(dòng)模態(tài)。壓電輸送振子在輸送物料自重的作用下產(chǎn)生接觸正壓力與接觸變形，物料與壓電輸送振子表面之間產(chǎn)生微觀運(yùn)動(dòng)，輸送面物料依靠表面質(zhì)點(diǎn)形成的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡［8］，即鉛垂方向運(yùn)動(dòng)和水平方向運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)軌跡，驅(qū)動(dòng)壓電輸送振子輸送面上的物料實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)輸送。物料與壓電輸送振子通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了將壓電輸送振子的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)換為宏觀的物料輸送運(yùn)動(dòng)。

壓電輸送振子的中間部分設(shè)計(jì)成類似啞鈴形狀，當(dāng)壓電輸送振子的高度尺寸較小時(shí)，其諧振頻率也會(huì)較低，但是輸出力的增幅卻比較大［9］。壓電輸送振子如圖1所示。

通過(guò)激振源材料的機(jī)電耦合系數(shù)可知，縱向機(jī)電耦合系數(shù)最大，沿極化方向激振源的伸縮振動(dòng)效果最好［10］。 可見(jiàn)，研制的壓電輸送振子在激振源作用下激發(fā)產(chǎn)生一階縱向彎曲振動(dòng)模態(tài)，使輸送振幅達(dá)到最大，輸送效果達(dá)到最佳。

▲圖1 壓電輸送振子

3 激振源結(jié)構(gòu)參數(shù)有限元分析

對(duì)研制的壓電輸送振子進(jìn)行理論研究。由于激振頻率對(duì)壓電輸送振子輸送性能影響很大，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)激振源的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析。

激振源的軸向尺寸變化范圍為6～30 mm，步長(zhǎng)為2 mm。寬度方向尺寸變化范圍為1～4 mm，步長(zhǎng)為0.5 mm。長(zhǎng)度方向尺寸變化范圍為4～13 mm，步長(zhǎng)為1 mm。圖2所示為激振源結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)壓電輸送振子一階縱向彎曲振動(dòng)固有頻率的影響曲線。

由圖2可看出：激振源的軸向尺寸以步長(zhǎng)2 mm遞增，寬度方向尺寸以步長(zhǎng)0.5 mm遞增，壓電輸送振子一階縱向彎曲振動(dòng)固有頻率呈線性遞減規(guī)律變化；激振源長(zhǎng)度方向尺寸以步長(zhǎng)1 mm遞增，壓電輸送振子一階縱向彎曲振動(dòng)固有頻率呈線性遞增趨勢(shì)變化?？梢?jiàn)，激振源尺寸的變化對(duì)壓電輸送振子一階縱向彎曲振動(dòng)固有頻率有很大影響。

4 激振源參數(shù)試驗(yàn)

為驗(yàn)證理論分析，制作了相同激振體、不同尺寸激振源的壓電輸送振子，如圖3所示。激振體材料為不銹鋼，尺寸為30 mm×30 mm×70.1 mm，輸送面傾斜角為19°。激振源尺寸分別為24 mm×24 mm×1 mm（壓電輸送振子 1）和 24 mm×6 mm×1 mm（壓電輸送振子 2）。對(duì)不同激振源尺寸的壓電輸送振子振幅分布進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激光測(cè)振儀和示波器組成。信號(hào)發(fā)生器發(fā)出正弦、余弦信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大之后，將信號(hào)傳給激振源。由激光測(cè)振儀的激光束采集到振動(dòng)信息，傳遞給示波器。示波器顯示出振動(dòng)頻率及振動(dòng)振幅的峰峰值，峰峰值以電壓形式輸出，可計(jì)算出壓電輸送振子的振幅。

通過(guò)試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)電壓為120 V時(shí)，壓電輸送振子1激振頻率為34.773 kHz，示波器電壓峰峰值為22.6 V。壓電輸送振子2激振頻率為34.585 kHz，示波器電壓峰峰值為18.4 V。由此可以看出，同一振子采用不同尺寸激振源，諧振頻率相差188 Hz，電壓峰峰值也不同。

壓電輸送振子輸送面振幅的分布對(duì)整個(gè)輸送裝置的輸送性能影響很大。在壓電輸送振子輸送面長(zhǎng)度方向，以振子軸向尺寸大的一側(cè)為測(cè)試的起始點(diǎn)，步長(zhǎng)為2.5 mm，均勻移動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試壓電輸送振子輸送面在長(zhǎng)度方向上的振幅分布情況。由圖4可以看出，壓電輸送振子1振幅比壓電輸送振子2大，而同一輸送振子振幅不同是由于輸送面采用斜面引起的。

▲圖2 激振源結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)固有頻率的影響曲線

▲圖3 壓電輸送振子

▲圖4 壓電輸送振子長(zhǎng)度方向振幅分布

▲圖5 壓電輸送振子寬度方向振幅分布

在輸送面寬度方向上，分別以步長(zhǎng)為2.5 mm作為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試壓電輸送振子輸送面在寬度方向的振幅分布情況。由圖5可以看出，壓電輸送振子1輸送振幅比壓電輸送振子2大，兩個(gè)振子振幅存在7.69%的偏差?？梢?jiàn)，激振源尺寸對(duì)輸送振幅的大小有一定程度影響。

5 結(jié)論

對(duì)用于高頻精密物料輸送裝置的激振源的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了理論與試驗(yàn)分析，激振源結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)輸送面長(zhǎng)度與寬度方向的振幅有很大影響，激振源結(jié)構(gòu)尺寸大，驅(qū)動(dòng)振幅大，則輸送性能好。

采用同一激振體，激振源尺寸分別為24 mm×24 mm×1 mm 和 24 mm×6 mm×1 mm，驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值為120 V時(shí)，激振頻率相差188 Hz，電壓峰峰值相差4.2 V。

可見(jiàn)，激振源尺寸越大，輸送振幅越大，輸送性能就越好，為高頻精密物料輸送裝置激振源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。