直線式壓電垂直驅動振動給料機設計

蘇江，童杰，沈燕虎

直線式壓電垂直驅動振動給料機設計

蘇江1，童杰1，沈燕虎2

（1.廣東科學技術職業(yè)學院，廣東 珠海 519090；2.吉林大學，長春 130025）

為了滿足現代電子工業(yè)領域中對微小電子元器件高速送料的需要，采用環(huán)形壓電雙晶片，設計一種直線式壓電垂直驅動振動給料機。首先對給料機結構進行設計，闡述其工作原理，通過對環(huán)形壓電雙晶片進行模態(tài)分析，確定雙晶片工作振型。然后利用小撓度的彈性薄板理論，推導壓電雙晶片輸出力的表達式，利用Matlab軟件，探究壓電陶瓷和基板的厚度與出力系數的關系，以及壓電陶瓷和基板的彈性模量與出力系數的關系。最后制作振動給料機樣機，并對其進行實驗測試。測試結果表明，系統(tǒng)有效工作頻率為184～190 Hz，當驅動電源電壓為220 V，頻率186.8 Hz時，對3.2 mm×2.8 mm的發(fā)光二極管（LED）給料速度可達到22.6個/s，比市場上同型號的矩形壓電雙晶片驅動給料機速度提升了14.7%。在精密電子元件高速輸送的自動化包裝或自動化檢測線上具有良好的應用前景。

壓電；垂直驅動；振動給料機；環(huán)形壓電雙晶片；振動模態(tài)；輸出力；實驗測試

振動給料機是一種用在自動包裝、自動加工或自動檢測等非標自動化設備中的輔助送料設備[1]。它能把各種小型產品有序地排列出來，對產品進行姿態(tài)調整和篩選，以實現連續(xù)自動供料，從而為自動裝配設備提供正確的組裝配件，或者配合自動加工機械完成對工件的加工。電磁式振動給料機工作頻率一般為50 Hz，通過調節(jié)電壓來調整給料速度，但是由于采用電磁鐵作為驅動源，具有耗能大、噪音大、有電磁干擾等不足。1977年，日本特殊陶業(yè)株式會社首先研制了以矩形壓電雙晶片為驅動源的壓電振動給料機，這種壓電式給料機以能耗小、噪音低、無電磁干擾等優(yōu)勢，在微小電子元器件裝配領域得到了廣泛應用[2]。之后，國內外學者圍繞著壓電振動給料機在振動模態(tài)分析、共振頻率和驅動力的影響因素、優(yōu)化設計、幅頻特性等方面進行了深入研究[3-10]，在工業(yè)應用領域上，給壓電振動給料機性能的不斷提升奠定了基礎。從2007年開始，國內一些學者對矩形壓電雙晶片的布置形式開展了相關研究，出現了水平布置式、斜拉布置式、垂直布置式振動給料機[11-15]，這些給料機結構有效降低了裝置的安裝高度，在空間受限的自動化線上具有獨特優(yōu)勢。在精密電子元件自動化包裝領域，給料速度已成為給料機占領市場的關鍵。由于矩形壓電雙晶片驅動力較小，給料速度難以獲得進一步提升。

針對上述問題，設計一種由環(huán)形壓電雙晶片驅動的直線式振動給料機，由水平放置的環(huán)形壓電雙晶片、連接軸和固定在頂板上的矩形彈簧片組成的系統(tǒng)作為驅動源，由于環(huán)形壓電雙晶片驅動力大，研制的給料機可進一步提升給料速度。

1 結構設計與工作原理

設計的直線式壓電垂直振動給料機結構見圖1，包括頂板1、支承彈簧片2、底座3、底腳4、環(huán)形墊圈5、環(huán)形壓電雙晶片6、連接軸7和共振彈簧片8等。其中驅動源為壓電雙晶片振子，它與頂板頂面平行放置安裝，共振彈簧片固定在頂板下部，連接軸兩端分別連接壓電雙晶片振子與共振彈簧片，壓電雙晶片振子通過環(huán)形墊圈固定在底座上。2個支承彈簧片傾斜安裝，連接底座與頂板，頂板上面安裝輸送物料的料槽，底座下部安裝著底腳。

直線式垂直驅動振動給料機的基本工作原理：向環(huán)形壓電雙晶片振子通入與振動給料機系統(tǒng)固有頻率相同的交流電，壓電振子受到激勵產生彎曲變形；當振子向下彎曲時，連接軸拉動共振彈簧片向下運動，由于共振彈簧片固定在頂板上，從而帶動頂板也向下運動，此時傾斜布置的支承彈簧片發(fā)生彎曲存儲了變形能；當電流方向變化時，振子向上彎曲，從而帶動頂板向上運動，此時支撐彈簧片釋放彎曲變形能；如此往復，形成頂板對料槽中物料周期性斜向上的作用力，構成了物料定向輸送的驅動力。

1.頂板；2.支承彈簧片；3.底座；4.底腳；5.環(huán)型墊圈； 6.環(huán)形壓電雙晶片；7.連接軸；8.共振彈簧片。

2 環(huán)形壓電雙晶片模態(tài)分析

為了確定壓電垂直驅動振動給料機所用壓電雙晶片的振型，利用Ansys軟件對環(huán)形壓電雙晶片進行模態(tài)分析，圖2為壓電雙晶片在周邊簡支邊界條件下的前4階振型。

由圖2可以看出，只有一階振型中心處變形量最大，其他三階振型最大變形處都不在中心位置，而文中所設計的壓電垂直驅動振動給料機正是要利用壓電雙晶片振子中心位置的變形，通過連接軸與共振彈簧片拉動頂板往復擺動，從而產生驅動物料輸送的動力，故選用環(huán)形雙晶片一階振型作為系統(tǒng)工作時的驅動源。

3 環(huán)形壓電振子輸出力分析

環(huán)形壓電雙晶片振子作為送料器的動力元件，通過施加電壓產生彎曲變形，彎曲變形轉化為中心處的輸出力，輸出力通過連接軸傳遞給頂板，從而使得給料器能夠具備驅動物料的能力。接下來將利用薄板理論對壓電振子的輸出力進行研究和分析。

圖2 環(huán)形壓電雙晶片振子四階振型

3.1 假設條件

壓電雙晶片振子的厚度遠遠小于其直徑，且其中心點位移量遠遠小于其總厚度，因此可將其視為小撓度的彈性薄板。環(huán)形壓電雙晶片振子周邊固定在基座上，為了簡化分析過程，忽略中心圓孔，把環(huán)形壓電雙晶片看成是圓形，其半徑為，將壓電振子的有效工作范圍等于壓電陶瓷的面積，簡化模型見圖3。

圖3 壓電振子的支撐方式

3.2 等效集中力作用下的位移

小撓度薄板在橫向載荷作用下彈性曲面的微分方程為[16]：

圓形薄板的彎曲問題采用極坐標計算較為方便，令：

利用式（2）將式（1）變換為極坐標的形式，得到：

從薄板內取一微小單元，如圖4所示，由薄板問題的基本假設及邊界條件可得：

理想情況下，壓電振子所受的橫向載荷均關于軸對稱，因此、為的函數而不隨的變化而變化，此時式（3）可簡化為軸對稱條件下非齊次雙調和方程的極坐標形式，即：

則厚度方向的應力為：

將式（8）代入式（4），得到：

根據式（8）和式（9）可求出：

將式（11）代入式（7）邊界條件可得：

則式（7）可進一步簡化為：

則壓電振子中心點的最大撓度為：

等效集中力為：

3.3 基于壓電效應的位移

通過薄板變形理論可得到，復合板的位移為[17-18]：

如圖5所示，可根據薄板變形假設及多層板理論進行計算，見式（18）。

圖5 壓電振子受力示意圖

Fig.5 Force diagram of piezoelectric vibrator

根據Christensen的研究計算可得[19]：

3.4 輸出力表達式

根據等效集中力假設條件，將式（14）和式（17）聯(lián)立可得到輸出力的表達式為：

由式（18）—（21）可以明顯看出，等效集中力與電壓、壓電陶瓷厚度和材料特性有關，為了方便分析，令=，定義為出力系數，則：

圖6 dpzt、dp與G的關系

圖7 Epzt、Ep與G的關系

利用Matlab軟件可以得到壓電陶瓷和基板的厚度與出力系數的關系，壓電陶瓷和基板的彈性模量與出力系數的關系，見圖6和圖7。由圖6可以看出，隨著基板厚度的增加，出力系數也增加，壓電陶瓷厚度對出力系數幾乎沒有影響。由圖7可以看出，隨著壓電陶瓷和基板的彈性模量增加，出力系數也相應增加，基板彈性模量對出力系數影響更為顯著。

4 實驗測試

制作了如圖8所示的直線式壓電垂直驅動振動給料機樣機，選取3.2 mm×2.8 mm的發(fā)光二極管（LED）為輸送物料，測量給料速度與電壓、頻率的關系，并與日本同型號的直線式壓電振動給料機進行性能對比實驗，實驗測試系統(tǒng)見圖9。

4.1 給料機的頻率特性與電壓特性

給料機頻率特性指在共振頻率附近振幅隨頻率變化的趨勢。將料槽固定在送料機頂板上，將螺旋式振動給料機出口與直線式給料機料槽入料口相連接，激光測微儀器固定在料槽上部，測量給料機振幅。將給料機驅動電源電壓調至220 V，驅動電源頻率從0開始增加，觀察測微儀所測振幅的變化，當振幅達到最大值時，記錄下此時的頻率，這個頻率就是給料機的共振頻率，測試結果見圖10。由圖10可以看出，當頻率為186.8 Hz時，此時振幅達到最大值65.3 μm。送料機振幅對頻率變化敏感度很高，一旦偏離共振頻率，振幅迅速下降，當振幅小于9.5 μm時，料槽中的物料無法定向輸送。給料機具有輸送能力的頻率段為184～190 Hz。

圖8 壓電垂直驅動振動給料機樣機

給料機電壓特性指在共振頻率下，給料速度隨電壓變化的趨勢。調節(jié)驅動電源頻率為186.8 Hz，電壓從0 V開始增加，每增加15 V記錄一次給料速度，從而得到給料速度與電壓的關系曲線，見圖11。由圖11可以看出，當電壓達到85 V時，物料沿著料槽開始移動，隨著電壓的增加，給料速度呈線性增加。

4.2 給料機的性能對比試驗

市場在售的同型號（I15a）直線式壓電振動給料機結構見圖12，主要由矩形壓電雙晶片、底座、彈簧片、頂板等組成，壓電雙晶片與水平方向夾角為75°。直線式壓電振動給料機的工作原理：向壓電雙晶片施加交變電壓，壓電陶瓷在逆壓電效應下產生往復彎曲變形，彎曲變形通過彈簧片進一步放大后帶動頂板形成往復振動，這種振動通過固定在頂板上的料槽轉變?yōu)轵寗游锪现本€運動的動力。

圖9 給料機實驗測試系統(tǒng)

圖10 給料機頻率特性

圖11 給料機電壓特性

圖12 直線式壓電振動給料機

調節(jié)驅動電壓為220 V，在共振狀態(tài)下，將制作的環(huán)形壓電雙晶片驅動的振動給料機（1號）與該矩形雙晶片驅動的振動給料機（2號）進行性能對比實驗，輸送物料為3.2 mm×2.8 mm的LED，測試結果見表1。

表1 給料機性能對比實驗

Tab.1 Comparison experiment of feeder performance

由表1可以看出，設計的給料機電流比市場同型號的給料機電流增加了6.3%，給料速度提升了14.7%。這是由于環(huán)形壓電雙晶片與矩形壓電雙晶片相比，具有更好的出力性能。

5 結語

研制了一種直線式壓電垂直驅動振動給料機，實驗測試表明：當電源驅動頻率為186.8 Hz、電壓為220 V時，給料機料槽振幅為65.3 μm，對3.2 mm×2.8 mm的LED給料速度達到22.6個/s，比市場同型號的矩形雙晶片驅動振動給料機速度提升了14.7%，在精密電子元件高速輸送的自動化包裝或自動化檢測線上具有良好的應用前景。

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Design of Linear Piezoelectric Vertical-driving Vibratory Feeder

SU Jiang1, TONG Jie1, SHEN Yan-hu2

(1. Guangdong Polytechnic of Science and Technology, Guangdong Zhuhai 519090, China; 2. Jilin University, Changchun 130025, China)

The work aims to design a linear piezoelectric vertical-driving vibratory feeder by ring piezoelectric bimorphs, so as to meet the needs of high-speed feeding of micro electronic components in the field of modern electronic industry. Firstly, the structure of the feeder was designed, and the working principle of the feeder was described. Through the modal analysis of the ring piezoelectric bimorphs, the working vibration mode of the bimorphs was determined. Then, the output force expression of piezoelectric bimorphs was derived by the elastic thin plate theory with small deflection. MATLAB software was applied to investigate the relationship between the thickness of piezoelectric ceramics and substrate and the output coefficient, and the relationship between the elastic modulus of piezoelectric ceramics and substrate and the output coefficient. Finally, a prototype of the vibratory feeder was made and tested. The test results showed that the effective working frequency of the system was between 184-190 Hz. When the driving power supply voltage was 220 V and the frequency was 186.8 Hz, the feeding speed of 3.2 mm×2.8 mm LED reached 22.6 pcs/s, which was 14.7% higher than that of the rectangular piezoelectric bimorphs-driven feeder of the same model in the market. The proposed feeder has a good application prospect in the automatic packaging or automatic testing line for the high transportation of precision electronic components.

piezoelectric; vertical-driving; vibratory feeder; ring piezoelectric bimorphs; vibration mode; output force; experimental test

TB486；TH237.1

A

1001-3563(2022)15-0274-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.15.032

2022–06–02

國家自然科學基金（51707081）；2019年度廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項目（2019GKTSCX032）；2021年廣東省教育廳普通高校工程技術中心項目（2021GCZX018）；2021年廣東省繼續(xù)教育質量提升工程項目（JXJYGC2021BY0076）

蘇江（1980—），男，博士，廣東科學技術職業(yè)學院副教授，主要研究方向為壓電驅動技術。

童杰（1986—），男，博士，廣東科學技術職業(yè)學院講師，主要研究方向為固體力學。

責任編輯：曾鈺嬋