直線式壓電雙向給料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇 江，童 杰，沈燕虎，張東偉

(1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)器人學(xué)院，廣東 珠海 519090)(2.吉林大學(xué)機(jī)械與航天航空工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025)

振動(dòng)給料系統(tǒng)是一種自動(dòng)加工和自動(dòng)裝配線上常用的供料設(shè)備，它將料盤中的無序物料按照一定的姿態(tài)定向排列輸送。壓電振動(dòng)給料系統(tǒng)由于采用壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)源，具有無電磁干擾、耗能小、控制精密等優(yōu)勢(shì)，在微小電子元器件裝配領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。

壓電振動(dòng)給料系統(tǒng)一般由螺旋式壓電喂料器和直線式壓電輸送器組成。螺旋式壓電喂料器利用料盤上的擋板、缺口和臺(tái)階等對(duì)零件進(jìn)行篩分并調(diào)整姿態(tài)，在出口處利用傳感器對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)數(shù)[5-7]。直線式壓電輸送器將螺旋式壓電喂料器料盤口排列好的物料定向輸送到下一個(gè)工位。在一些精密自動(dòng)化裝配領(lǐng)域中，由于安裝空間較小，而螺旋式壓電喂料器占用空間較大，設(shè)計(jì)人員就要專門為螺旋式壓電喂料器的安裝增加空間，造成了自動(dòng)化系統(tǒng)體積增加，提高了成本。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種直線式壓電雙向給料系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱雙向給料器)，物料在兩個(gè)平行且相通的直線料槽內(nèi)作方向相反的直線運(yùn)動(dòng)，在兩個(gè)料槽斜面過渡處利用擋板、缺口、臺(tái)階等機(jī)構(gòu)完成篩選，實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)雙用”，這種雙向給料器減小了給料系統(tǒng)安裝空間，降低了自動(dòng)化生產(chǎn)線成本。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模態(tài)分析與工作原理

設(shè)計(jì)的雙向給料器結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由壓電振子、調(diào)整塊、支承彈簧、底座和兩個(gè)頂板組成，直線軌道通過螺栓固定在頂板上。

由于雙向給料器需要兩個(gè)頂板振動(dòng)相位相反，因此對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)的分析就顯得尤為重要。利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)雙向給料器進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，如圖2所示，從圖中可以看出，在雙向給料器的前四階模態(tài)中，只有二階振型實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)頂板振動(dòng)相位相反，其工作頻率為151.41 Hz。

雙向給料器的基本工作原理是：將料槽A和B分別固定在頂板A和B上，壓電振子引線與壓電數(shù)字調(diào)頻給料控制器連接，調(diào)節(jié)電源控制器電壓和頻率，使壓電振子產(chǎn)生彎曲變形。這種變形通過支承彈簧傳遞給頂板，從而帶動(dòng)頂板上固定的直線軌道做近似水平的振動(dòng)。在系統(tǒng)的二階振動(dòng)模態(tài)下，兩個(gè)頂板的振動(dòng)相位相反。固定在頂板A上的料槽A將物料輸送到一端，物料沿著料槽A一端斜面進(jìn)入料槽B，在斜面和料道B入口處設(shè)置缺口、擋板等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物料的篩分，物料沿著料槽B被輸送到下一個(gè)工位。其給料系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

圖3 雙向給料器樣機(jī)

2 雙向給料器振動(dòng)分析

雙向給料器由于頂板是相互獨(dú)立的，模型可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)系統(tǒng)， 建立其中一個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 雙向給料器簡(jiǎn)化的力學(xué)模型

假設(shè)激振力F計(jì)算公式為F=F0cos(ωt),其中F0為初始激勵(lì)，ω為激勵(lì)頻率，t為激勵(lì)時(shí)間。建立系統(tǒng)微分方程如下：

(1)

式中：m為頂板和料槽的質(zhì)量；c為系統(tǒng)阻尼；k為支承彈簧和壓電振子串聯(lián)的系統(tǒng)剛度；x為頂板位移。

式(1)兩端同時(shí)除以m可得：

(2)

假設(shè)方程穩(wěn)態(tài)解為：

x(t)=C1sin(ωt)+C2cos(ωt)

(3)

式中：C1和C2為待定常數(shù)。將穩(wěn)態(tài)解代入式(2)，整理得：

(4)

式中：A為激勵(lì)幅值。

解出C1和C2，再代入式(3)，得到：

(5)

為簡(jiǎn)化結(jié)果，令:

(6)

(7)

則：

x(t)=Xcos(ωt-φ)

(8)

其中：

(9)

壓電雙晶片端部最大力F0計(jì)算公式為[8-10]：

(10)

將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代入計(jì)算得到：F0=132.97 N。

系統(tǒng)剛度k為支承彈簧剛度k1和壓電振子剛度k2的串聯(lián)剛度，即：

(11)

將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代入式(11)，計(jì)算得到支承彈簧剛度k1=110.8 kN/m，壓電振子剛度k2=528.1 kN/m，則系統(tǒng)剛度k=91.6 kN/m。

由于測(cè)量時(shí)需垂直測(cè)量，因此將最大振幅轉(zhuǎn)化成垂直方向振幅Xυ0，可得Xυ0=12.11 μm 。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 固有頻率測(cè)試

對(duì)所設(shè)計(jì)的雙向給料器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試前，先利用阻抗分析儀確認(rèn)雙向給料器的固有諧振頻率，測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。測(cè)試結(jié)果表明，雙向給料器固有諧振頻率為146.8 Hz。

圖5 給料器固有諧振頻率測(cè)試系統(tǒng)

3.2 頻率特性

選取45鋼圓柱物料(φ1 mm×1.5 mm)作為輸送測(cè)試產(chǎn)品，記錄料槽B出口20 s掉落的物料個(gè)數(shù)，計(jì)算出每秒輸送的個(gè)數(shù)，作為雙向給料器的給料速度。將激光測(cè)微儀固定在料槽正上方，可以測(cè)得雙向給料器的垂直振幅。將電源控制器電壓調(diào)到220 V，以1 Hz為間隔改變頻率，測(cè)量其給料速度、振幅隨頻率變化而變化情況，得到其關(guān)系曲線如圖6和圖7所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)頻率與給料速度的關(guān)系曲線

圖7 驅(qū)動(dòng)頻率與振幅的關(guān)系曲線

由圖6可知，電源驅(qū)動(dòng)頻率對(duì)雙向給料器的給料速度影響很大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為148 Hz時(shí)，雙向給料器左右兩側(cè)料槽中物料的給料速度達(dá)到最大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率偏離固有頻率時(shí)，給料速度顯著下降，能夠輸送物料的有效工作頻率為140～156 Hz，諧振頻率的測(cè)試結(jié)果與阻抗分析儀測(cè)得的數(shù)據(jù)基本吻合。由圖7可知，雙向給料器振幅在驅(qū)動(dòng)頻率為148 Hz時(shí)達(dá)到最大，為11.4 μm；偏離諧振頻率，雙向給料器振幅顯著下降；振幅測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

由此可得，雙向給料器在諧振頻率下工作時(shí)，給料速度最快，通過改變驅(qū)動(dòng)電源頻率，可以控制系統(tǒng)的給料速度和振幅。

3.3 電壓特性

將電源控制器的頻率調(diào)到諧振頻率148 Hz，電源控制器的電壓在0～220 V區(qū)間變化，變化間隔為10 V，測(cè)定對(duì)應(yīng)的給料速度和振幅，從而得到電壓與給料速度、電壓與振幅之間的關(guān)系曲線，如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可知，當(dāng)電壓為0～40 V時(shí)，雙向給料器給料速度和振幅均為0，當(dāng)電壓超過40 V時(shí)，物料開始移動(dòng)，隨著電壓進(jìn)一步增大，給料速度和振幅也隨之增大，其關(guān)系近似為線性關(guān)系。當(dāng)電壓為220 V時(shí)，給料速度達(dá)到6個(gè)/s，振幅為11.4 μm,給料速度和振幅都達(dá)到最大值。

圖8 驅(qū)動(dòng)電壓與給料速度的關(guān)系曲線

圖9 驅(qū)動(dòng)電壓與振幅的關(guān)系曲線

由此可得,雙向給料器的給料速度和振幅隨著電壓增加呈線性增加，通過改變電源電壓可以控制給料器給料速度和振幅。

4 結(jié)束語

本文研制了一種直線式壓電雙向給料系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，當(dāng)電源驅(qū)動(dòng)頻率為148 Hz、驅(qū)動(dòng)電壓為220 V時(shí)，系統(tǒng)給料速度達(dá)到6個(gè)/s，振幅為11.4 μm。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電源電壓和頻率，可以控制系統(tǒng)的給料速度。該系統(tǒng)降低了成本，節(jié)省了空間，在空間受限的精密電子元件自動(dòng)化裝配線上具有良好的應(yīng)用前景。