微小零件聚攏分離柔性振動(dòng)供料器設(shè)計(jì)

趙志強(qiáng)， 方 宇， 吳明暉

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院， 上海 201620)

振動(dòng)供料器是自動(dòng)化生產(chǎn)和裝配中常見(jiàn)的送料設(shè)備，因其具有體積小、送料效率高等優(yōu)點(diǎn)，在3C、輕工和醫(yī)藥等行業(yè)被廣泛應(yīng)用。目前具備整列定向功能的振動(dòng)供料器主要為圓盤(pán)式振動(dòng)料斗[1]。因?yàn)樵摲N料斗用于特定零件的定向整列，當(dāng)料斗內(nèi)零件尺寸或種類(lèi)更換時(shí)，需重新設(shè)計(jì)圓盤(pán)軌道，且不易與視覺(jué)機(jī)器人協(xié)作，因此難以適應(yīng)柔性化及自動(dòng)化的生產(chǎn)需求。為此，課題組設(shè)計(jì)了一種基于單個(gè)電磁作動(dòng)器、通過(guò)CANopen協(xié)議控制的微小零件供料器，該振動(dòng)供料器具有零件分離和聚攏的功能，適用于機(jī)器視覺(jué)識(shí)別及機(jī)器人抓取等應(yīng)用場(chǎng)景。

1 硬件設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖1 振動(dòng)供料器結(jié)構(gòu)Figure 1 Vibration feeder structure

1.2 硬件選型

1.2.1物料盤(pán)選型

物料盤(pán)是振動(dòng)供料器在工作振動(dòng)時(shí)承載物料的容器，因此物料盤(pán)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(dòng)供料器的工作性能。因此，課題組將對(duì)不同材質(zhì)和尺寸的物料盤(pán)進(jìn)行模態(tài)分析，以選擇合適的物料盤(pán)材質(zhì)和尺寸，具體內(nèi)容將在1.3.2節(jié)中進(jìn)行討論。

1.2.2驅(qū)動(dòng)器選型

系統(tǒng)采用的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為copley controls公司的ACJ-055-18。該款驅(qū)動(dòng)器體積小、功能多，采用直流供電(20～55 V)。此外，該款驅(qū)動(dòng)器提供多種控制方式，如CANopen、步進(jìn)信號(hào)以及模擬信號(hào)等，足以滿(mǎn)足本系統(tǒng)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(xiàn)象，波的形式不只局限于機(jī)械波，還包括聲波、水波和空氣波等[2]。文中應(yīng)用的正是機(jī)械振動(dòng)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(diǎn)為波節(jié)(node)，實(shí)心點(diǎn)為波腹(anti-node)。在駐波中，波節(jié)處振幅最小，波腹處振幅最大[3]。因此當(dāng)零件位于波節(jié)外的其他位置時(shí)(波腹為最理想位置)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的振動(dòng)，將由初始位置向波節(jié)移動(dòng)。課題組提出的柔性振動(dòng)供料器就基于此原理，實(shí)現(xiàn)微小零件在物料盤(pán)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(qū)域B為波節(jié)，也稱(chēng)為波節(jié)線(xiàn)，此區(qū)域振幅趨于零；中心區(qū)域A為波腹，此區(qū)域振幅最大。因此，若零件集中在波腹區(qū)域(位置A)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間振動(dòng)，將向波節(jié)區(qū)域(位置B)移動(dòng)，移動(dòng)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(qū)域，即4個(gè)角(位置A)，在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的振動(dòng)下，零件將向波節(jié)區(qū)域(位置B)移動(dòng)。

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

根據(jù)以上原理，交替實(shí)現(xiàn)圖3、圖4所示振動(dòng)形式，則可以交替實(shí)現(xiàn)零件的相對(duì)聚集和分散。

1.4 模態(tài)分析

1.4.1共振分析

考慮物料盤(pán)底面的一個(gè)單元，其固有振動(dòng)的偏微分方程為：

(1)

式中：ρ為料盤(pán)材質(zhì)密度；h為料盤(pán)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(tài)是系統(tǒng)固有的一種振動(dòng)形態(tài)，進(jìn)行模態(tài)分析可確定系統(tǒng)的固有頻率和各階固有頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型[5]。模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)是計(jì)算所研究結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征方程的特征向量和特征值[6]。進(jìn)行振動(dòng)分析的第一步是建立振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，如式(2)所示:

(2)

對(duì)于模態(tài)分析負(fù)載矢量為零，則對(duì)于無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程演變?yōu)槭?3)[7]：

[M]{ü}+[K]{u}=0。

(3)

1.4.2邊界條件

由1.1節(jié)可知，振動(dòng)供料器的物料盤(pán)直接由電磁作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有其他約束條件作用于物料盤(pán)上，因此物料盤(pán)的模態(tài)分析邊界為自由邊界條件[8]。

1.4.3有限元建模

1) 料盤(pán)尺寸設(shè)計(jì)

考慮到振動(dòng)效果以及加工難度，物料盤(pán)厚度選擇為3 mm。對(duì)于料盤(pán)的長(zhǎng)度和寬度，課題組將對(duì)2種尺寸規(guī)格的料盤(pán)進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)比分析結(jié)果，選擇合適的尺寸以獲得理想的模態(tài)振型。將物料盤(pán)材質(zhì)均設(shè)置為不銹鋼，以便觀察料盤(pán)尺寸對(duì)模態(tài)形狀的影響。分別對(duì)2種尺寸的料盤(pán)采用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，料盤(pán)尺寸如表1中所列。

表1 物料盤(pán)尺寸

①第1種尺寸料盤(pán)模態(tài)分析

長(zhǎng)300 mm，寬100 mm的物料盤(pán)前10階模態(tài)頻率如表2所示。由分析結(jié)果可看出，物料盤(pán)的前6階模態(tài)頻率均為0，這是因?yàn)榍?階模態(tài)對(duì)應(yīng)的是6個(gè)自由度上的剛體運(yùn)動(dòng)，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(tài)，模態(tài)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(pán)，亦主要研究其第7和第8階模態(tài)振型及頻率。

表2 不銹鋼料盤(pán)前10階模態(tài)頻率

圖5 不銹鋼物料盤(pán)模態(tài)分析結(jié)果Figure 5 Stainless steel material tray modal analysis results

由圖5中該尺寸物料盤(pán)的第7階模態(tài)形狀可看出，波節(jié)區(qū)域(深色區(qū)域)主要集中在料盤(pán)的幾何中心(位置B0)，略向4個(gè)邊界方向延伸；波腹區(qū)域則集中于4個(gè)角位置(A)。由第8階模態(tài)形狀可以看出，在此模態(tài)下波腹區(qū)域出現(xiàn)在料盤(pán)的幾何中心(C0)和2條短邊的位置(C1)；波節(jié)區(qū)域出現(xiàn)在2個(gè)條形區(qū)域(D)。

假設(shè)若干零件均勻分布于料盤(pán)中，首先使用模態(tài)7集中零件，由圖5(a)可知，零件除集中于B0附近外，還將會(huì)有少量零件移動(dòng)到B1位置。由此可得，理論上該尺寸料盤(pán)的零件集中效果并不理想。假設(shè)零件集中于料盤(pán)中心區(qū)域，由圖5(b)可看出，波腹區(qū)域相對(duì)于料盤(pán)非常小，因此推斷在此模態(tài)下中心區(qū)域的振動(dòng)效果難以在較短時(shí)間內(nèi)分散零件。綜上所述，300 mm×100 mm×25 mm的物料盤(pán)在有效集中和分散零件上不理想，該尺寸設(shè)計(jì)不合理。

②第2種尺寸料盤(pán)模態(tài)分析

長(zhǎng)300 mm，寬200 mm的物料盤(pán)第7～8階模態(tài)振型如圖6所示。由圖6(a)可看出，此模態(tài)振型中波節(jié)主要位于料盤(pán)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(tài)下，波腹區(qū)域主要位于料盤(pán)幾何中心(A1)，且波腹區(qū)域面積較大；波節(jié)區(qū)域則位于圖中B1所示的環(huán)狀位置。

圖6 不銹鋼料盤(pán)模態(tài)分析結(jié)果Figure 6 Stainless steel material tray modal analysis results

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

2) 料盤(pán)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(pán)的尺寸均設(shè)定為300 mm×200 mm×25 mm，厚度3 mm，以便觀察不同材料對(duì)模態(tài)形狀的影響。不同材料的前10階模態(tài)各階頻率如表4所示。由表4的分析結(jié)果可知，對(duì)于不銹鋼和鋁合金2種材料的物料盤(pán)，第7階振動(dòng)模態(tài)的頻率分別為140 Hz和143 Hz；第8階振動(dòng)模態(tài)的共振頻率分別為376 Hz和395 Hz。而對(duì)于PP共聚物材料的物料盤(pán)，其第7階、第8階振動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)頻率分別為38 Hz和86 Hz，模態(tài)振型如圖7所示。對(duì)于本研究所使用的音圈電磁作動(dòng)器，當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到100 Hz以上時(shí)，已無(wú)法提供有效工作振幅。因此，課題組將振動(dòng)供料器料盤(pán)材料選擇PP共聚物。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)編寫(xiě)PC端的上位機(jī)程序，采用CANopen協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的通信與控制。

表4 不同材料各階模態(tài)頻率

圖7 PP材料物料盤(pán)的模態(tài)分析結(jié)果Figure 7 Modal analysis results of PP material tray

2.1 CANopen協(xié)議介紹

CAN總線(xiàn)是德國(guó)Bosch公司于 1983 年為汽車(chē)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的一種能有效支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(FieldBus)的范疇[9]。從OSI的7層網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)看，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的基本協(xié)議只定義了第1層(物理層)和第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)[10]，而沒(méi)有定義應(yīng)用層的使用規(guī)范，不同行業(yè)在使用CAN總線(xiàn)協(xié)議時(shí)，需各自定義自己的應(yīng)用層協(xié)議，設(shè)備的互通互聯(lián)不方便?；诖吮尘埃珻ANopen協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。

CANopen協(xié)議是基于CAN串行總線(xiàn)的應(yīng)用層協(xié)議，遵循ISO/OSI模型[11]。CANopen協(xié)議主要包括應(yīng)用、對(duì)象字典和通信接口3部分。設(shè)備對(duì)象字典是CANopen協(xié)議的核心[12]。對(duì)象字典是一組有序的參數(shù)和變量集合，參數(shù)也稱(chēng)為索引，而變量則包含了設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和狀態(tài)描述，設(shè)備對(duì)象字典索引及對(duì)象具體描述如表5所示[13]。

表5 CANopen對(duì)象字典

2.2 控制流程

課題組提出的柔性振動(dòng)供料器由PC端的上位機(jī)窗體軟件進(jìn)行操控，PC通過(guò)CANopen轉(zhuǎn)接卡連接到驅(qū)動(dòng)器CAN接口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性振動(dòng)供料器的控制。電磁作動(dòng)器與物料盤(pán)使用螺釘緊固，該緊固方式可以在動(dòng)能損失較小的情況下將振動(dòng)從電磁作動(dòng)器傳遞至物料盤(pán)?？刂茖?shí)現(xiàn)流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)控制流程圖Figure 8 System control flow chart

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 上位機(jī)界面

課題組使用Visual Studio 2017開(kāi)發(fā)工具，使用C#語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)操作界面，并通過(guò)CANopen協(xié)議與驅(qū)動(dòng)器建立通信。通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)CANopen從站的添加、工作狀態(tài)設(shè)置以及電機(jī)動(dòng)作控制等功能。電機(jī)的動(dòng)作控制界面即柔性振動(dòng)供料器操作界面，可實(shí)現(xiàn)CANopen從站啟停(電機(jī)啟停)、零件聚攏、零件分散以及其他數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的功能，操作界面如圖9所示。

圖9 上位機(jī)操作界面Figure 9 PC operation interface

3.2 樣機(jī)搭建

課題組最終采用的物料盤(pán)尺寸為200 mm×200 mm×25 mm，厚度為3 mm，材質(zhì)為PP共聚物。物料盤(pán)與電磁作動(dòng)器使用M4螺釘緊固，電磁作動(dòng)器與不銹鋼板用M4螺釘緊固，不銹鋼板再與光學(xué)平臺(tái)用M6螺釘緊固。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Figure 10 Experimental prototype

3.3 柔性振動(dòng)供料器性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，首先在上位機(jī)中添加驅(qū)動(dòng)器從站，然后在柔性振動(dòng)供料器操作界面啟動(dòng)從站。本實(shí)驗(yàn)選用的零件為M3墊片，數(shù)量約為130個(gè)。零件初始位置為均勻分布于料盤(pán)中(狀態(tài)Ⅰ)，如圖11所示。經(jīng)多次試驗(yàn)測(cè)試，樣機(jī)的最佳聚攏頻率為33 Hz，零件分散振動(dòng)頻率為72 Hz，試驗(yàn)結(jié)果與ANSYS軟件模態(tài)分析結(jié)果有一定誤差。經(jīng)分析，這種誤差最有可能來(lái)自料盤(pán)的加工誤差。

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

1) 零件聚攏實(shí)驗(yàn)。設(shè)置電磁作動(dòng)器的頻率為33Hz，工作電流為0.3 A，振動(dòng)時(shí)間10 s；無(wú)延時(shí)切換的頻率33 Hz，工作電流為0.2 A，振動(dòng)時(shí)間5 s。零件由狀態(tài)Ⅰ改變?yōu)闋顟B(tài)Ⅱ(圖12)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)振動(dòng)，零件呈現(xiàn)較明顯的聚攏狀態(tài)。

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

2) 零件分散實(shí)驗(yàn)。設(shè)置電磁作動(dòng)器的頻率為73 Hz，工作電流為0.3 A，振動(dòng)時(shí)間3 s，振動(dòng)后的零件狀態(tài)改變?yōu)閳D13所示的狀態(tài)Ⅲ。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)振動(dòng)，零件具有良好的分散效果。

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

4 結(jié)語(yǔ)

課題組提出了一種零件柔性供應(yīng)的技術(shù)方法，首先分析了零件聚攏分散的理論原理，并進(jìn)行了物料盤(pán)的模態(tài)分析，然后設(shè)計(jì)了合適的硬件系統(tǒng)。最后，經(jīng)過(guò)搭建的實(shí)物樣機(jī)，驗(yàn)證了理論原理和模態(tài)分析結(jié)果一致并且實(shí)現(xiàn)了零件的聚攏和分散。該方法為工廠生產(chǎn)的柔性化供料提供了參考。但同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全部零件的聚攏，經(jīng)分析，可能是由料盤(pán)的設(shè)計(jì)和實(shí)際加工誤差導(dǎo)致的。