直線壓電振動(dòng)送料器軌道匹配失效現(xiàn)象研究

田曉超，楊志剛，吳 越，王 銳，楊樹(shù)臣，李慶華

(1.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025; 2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;3.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025; 4.長(zhǎng)春師范大學(xué) 工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130032)

振動(dòng)送料器是自動(dòng)化生產(chǎn)線中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)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(dòng)化系統(tǒng)零件的供應(yīng)工序上[1]。以往的振動(dòng)送料器(或稱為振動(dòng)盤(pán))，一般采用電磁驅(qū)動(dòng)的方式[2-3]，隨著壓電材料的發(fā)展，以壓電材料作為驅(qū)動(dòng)源的新型驅(qū)動(dòng)器越來(lái)越得到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注[4-6]。1977年出現(xiàn)了采用壓電陶瓷所形成的壓電振子作為動(dòng)力源的壓電式振動(dòng)送料器[7]，克服了傳統(tǒng)送料器體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及能耗高的缺點(diǎn)，同時(shí)具有輸送精度高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化設(shè)備領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。送料器一般分為兩類，即圓盤(pán)式振動(dòng)送料器和直線式振動(dòng)送料器，圓盤(pán)式主要進(jìn)行物料的儲(chǔ)存、整列與輸出，直線式則將圓盤(pán)式輸出的物料輸送到具體操作工位上。近年來(lái)出現(xiàn)了大量對(duì)壓電式振動(dòng)送料器結(jié)構(gòu)[8-14]、模型[15-17]及輸出特性等方面的研究，但關(guān)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(dú)設(shè)計(jì)，因而兩者的匹配程度至關(guān)重要，直接決定著送料器系統(tǒng)性能。

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

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

直線送料器簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由基座、壓電振子、振動(dòng)放大支撐片、頂盤(pán)和直線軌道構(gòu)成，基座用于固定整個(gè)系統(tǒng)，兩個(gè)振動(dòng)放大支撐片一端與基座連接，另一端與頂盤(pán)連接，直線軌道固定在頂盤(pán)上。壓電振子在交變電壓的作用下發(fā)生彎曲振動(dòng)，帶動(dòng)頂盤(pán)和直線軌道運(yùn)動(dòng)。壓電振子與水平方向成一定的角度，軌道隨著頂盤(pán)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生垂直與水平方向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)振動(dòng)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(dòng)物料向前運(yùn)動(dòng)。

圖1 直線送料器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of Linear feeder

2 軌道匹配失效現(xiàn)象

設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)的軌道與物料之間有足夠的摩擦力。在直線送料器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)安裝不同的軌道以及安裝不同位置會(huì)出現(xiàn)物料輸送停止或往復(fù)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

為了尋找軌道配合失效的規(guī)律，選擇三種不同長(zhǎng)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(jù)實(shí)際情況，軌道長(zhǎng)度在20～30 cm，選擇20 cm、25 cm和30 cm三種軌道進(jìn)行試驗(yàn)。安裝位置采用：① 進(jìn)料端對(duì)齊安裝方式，即a點(diǎn)與h點(diǎn)對(duì)齊；② 中心對(duì)齊安裝方式，即c點(diǎn)與g點(diǎn)對(duì)齊；③ 出料端對(duì)齊安裝方式，即e點(diǎn)與f點(diǎn)對(duì)齊，如圖2所示。

圖2 軌道和頂盤(pán)取點(diǎn)位置Fig.2 Take the point position of tracks and top plate

軌道安裝在頂盤(pán)后，將驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)制180 V恒定不變，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率，選擇物料可產(chǎn)生移動(dòng)位移的頻率區(qū)間為測(cè)試頻率區(qū)間，觀察物料的運(yùn)動(dòng)情況，判斷在測(cè)試頻率區(qū)間內(nèi)軌道是否出現(xiàn)物料停止前進(jìn)或進(jìn)退往復(fù)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

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

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，軌道配合失效現(xiàn)象與軌道的長(zhǎng)度與軌道的安裝方式有關(guān)，且軌道長(zhǎng)度越長(zhǎng)越容易出現(xiàn)軌道配合失效現(xiàn)象，安裝位置對(duì)軌道失效影響作用同樣明顯，即頂盤(pán)與軌道質(zhì)心不重合或偏差過(guò)大，都會(huì)引起軌道失效，而中心對(duì)齊安裝方式不易出現(xiàn)軌道失效。

3 軌道匹配失效測(cè)試

為了分析軌道匹配失效的形成機(jī)理，對(duì)軌道的振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試對(duì)象采用30 cm長(zhǎng)軌道中心對(duì)齊安裝方式的直線送料系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)采用基恩士公司的LC-2400A激光測(cè)微儀，通過(guò)對(duì)比不同位置的瞬時(shí)振動(dòng)位移判斷軌道的振動(dòng)情況，采用兩個(gè)激光傳感器對(duì)軌道同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 軌道振動(dòng)位移測(cè)試裝置Fig.3 The test device of track vibration displacement

在軌道上均勻選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試點(diǎn)分別為a,b,c,d,e五點(diǎn)，a為進(jìn)料端點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)e為出料端點(diǎn)。其中一個(gè)激光頭固定在a測(cè)試點(diǎn)即基準(zhǔn)位置不變，測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，另一個(gè)激光頭分別在a,b,c,d,e五個(gè)測(cè)試點(diǎn)得到五組數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取兩個(gè)激光頭的測(cè)試數(shù)據(jù)。以基準(zhǔn)點(diǎn)a達(dá)到最大位移為起始點(diǎn)，將數(shù)據(jù)在同一圖中表示后結(jié)果如圖4所示。

安順農(nóng)墾以茶葉為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，茶葉產(chǎn)業(yè)也成安墾系統(tǒng)一張亮麗的“名片”。在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)年代，農(nóng)場(chǎng)的茶葉產(chǎn)業(yè)還是當(dāng)?shù)爻隹趧?chuàng)外匯的主要農(nóng)產(chǎn)品。據(jù)記載，安順一半以上的出口茶葉均出自于墾區(qū)，農(nóng)墾茶葉產(chǎn)業(yè)為保障城市食品供給、創(chuàng)收外匯、市場(chǎng)穩(wěn)定作出了重要貢獻(xiàn)。

圖4 不同測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)位移Fig.4 Vibration displacement of different test points

實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，進(jìn)料端的基準(zhǔn)測(cè)試a點(diǎn)振幅為20.8 μm；測(cè)試b點(diǎn)的振幅為8.2 μm，且與基準(zhǔn)測(cè)試a點(diǎn)間的相位差為307°；測(cè)試c點(diǎn)的振幅為13.1 μm，與基準(zhǔn)測(cè)試a點(diǎn)間相位差為204°；測(cè)試d點(diǎn)的振幅為26.9 μm，與基準(zhǔn)測(cè)試a點(diǎn)間相位差為204°；測(cè)試e點(diǎn)的振幅為67.8 μm，與基準(zhǔn)測(cè)試a點(diǎn)間相位差為186.6°。振動(dòng)相位結(jié)果表明，測(cè)試點(diǎn)a與測(cè)試點(diǎn)b運(yùn)動(dòng)方向相同，與測(cè)試點(diǎn)c、測(cè)試點(diǎn)d和測(cè)試點(diǎn)e的運(yùn)動(dòng)方向相反，即軌道的運(yùn)動(dòng)不是理想的平移運(yùn)動(dòng)，而是平移運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

產(chǎn)生復(fù)合運(yùn)動(dòng)可能有兩種情況:① 是軌道懸臂部分發(fā)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(qū)動(dòng)力的作用下發(fā)生平移振動(dòng)的同時(shí)還發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，形成位移相位差。由于軌道滿足強(qiáng)度要求情況下其厚度較大，剛度也較大(材質(zhì)通常用不銹鋼)，其彎曲振動(dòng)模態(tài)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(huì)產(chǎn)生微小彎曲振動(dòng)，對(duì)物料輸送影響較小，可排除軌道端部彎曲變形對(duì)物料影響的可能性。由此可判斷形成軌道匹配失效現(xiàn)象的原因可能是軌道在向輸送方向平移的同時(shí)產(chǎn)生了沿著某點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，即角振動(dòng)。根據(jù)振幅與相位差可判斷，實(shí)驗(yàn)中軌道的轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)位于測(cè)試點(diǎn)b與測(cè)試點(diǎn)c之間。

4 軌道配合失效的形成機(jī)理

試驗(yàn)及分析結(jié)果表明，軌道匹配失效現(xiàn)象可能是由于其發(fā)生沿著某點(diǎn)附近產(chǎn)生往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的，因此要對(duì)軌道進(jìn)行受力分析，給出回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的規(guī)律、影響因素及軌道匹配失效現(xiàn)象出現(xiàn)的條件，以便避免失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。軌道的受力情況,如圖5所示。

以往直線送料器的動(dòng)力學(xué)模型一般將兩個(gè)振動(dòng)放大支撐片的力直接作為主振質(zhì)量的激勵(lì)，即等效力系中的主矢，對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行分析，忽略了等效力系中的主矩。此處，由于軌道可能發(fā)生角振動(dòng)，因此需要考量主矩對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)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(tǒng)阻尼，認(rèn)為軌道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平移運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)間無(wú)滯后，得到系統(tǒng)質(zhì)心在受力方向的平移位移x的方程

(1)

式中：F為驅(qū)動(dòng)力。

假設(shè)質(zhì)心為O點(diǎn)，受力分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)L1≠L2時(shí)，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(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的方程為

(3)

式中:J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；θ為轉(zhuǎn)動(dòng)角位移；kr為系統(tǒng)彈簧常數(shù)。

軌道的垂直位移可表示為

Δh=Δxcosα

(4)

式中：Δx為平移運(yùn)動(dòng)的位移。

長(zhǎng)度為l的軌道在端點(diǎn)處由于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的垂直位移可表示為

(5)

式中：Δθ為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角位移。

(6)

(7)

當(dāng)hi和ho確定后即可得到軌道的工作狀態(tài)，如表2所示。

表2 軌道工作狀態(tài)分析Tab.2 Analysis of track working status

5 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)了直線振動(dòng)送料器樣機(jī)，通過(guò)不同軌道的配合試驗(yàn)，證明了軌道匹配失效現(xiàn)象的存在，找出了軌道匹配失效現(xiàn)象在軌道長(zhǎng)度較大時(shí)容易出現(xiàn)，且在軌道與振動(dòng)體非對(duì)稱布置時(shí)較容易出現(xiàn)的規(guī)律。

(2) 利用激光測(cè)微儀測(cè)量軌道不同位置的振動(dòng)位移，得出了軌道匹配失效時(shí)軌道的振動(dòng)軌跡，其振動(dòng)形式為繞軌道中心附近一點(diǎn)的往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。