基于垂直驱动的压电振动送料器结构设计分析与试验研究

陈晓云

（烟台汽车工程职业学院，山东烟台，265500）

0 引言

供料机构是自动化生产线的重要组成部分，而送料器是供料机构的不可缺少的重要组成部分，从送料方式来看，包含螺旋式和直线式两种；从按驱动方式来看，包含压电式、电机式、电磁式三种。随着电子行业及其相关领域的快速发展，传统的电机式和电磁式送料器由于其自身局限已经不能适应现代应用要求，整列与输送的精密化、快速化，以及轻质微小工件的自动化生产和装配受到青睐，一种利用压电陶瓷微振幅的送料器应运而生。压电振动送料器较之于传统送料器的优势，在于其具备较小的振动幅度，噪音干扰较弱，具备良好的稳定性与响应速度，能够更加精准的进行定位，无电磁干扰，不必耗费太多电量等显著，它成功弥补了传统送料器不能实现的一些难题，已经大范围的应用在了食品、药物、精密电子等自动化生产线上。因此，本文对垂直驱动的压电振动送料器结构设计的分析与试验研究，以及对该结构可行性及相关性能参数的确定，对于其在自动化生产中的有效应用具有重要意义。

1 垂直驱动压电振动送料器的结构及其工作原理

本研究中的基于垂直驱动的压电振动送料器主要包括料斗、顶盘、主振弹簧片、传振杆、压电双晶片、支撑弹簧、底座和橡胶底脚等部件。其中，料盘利用螺栓在顶盘上进行固定，其结构形式根据被输送物料的差异也要进行不同的选择；顶盘下面设有圆形压电双晶片，顶盘通过4个均匀分布的主振弹簧与底座固定连接，而压电双晶片则借助于传振杆与底盘固定连接，支撑弹簧与振动杆连接，直接用螺丝钉将橡胶底脚与底座进行连接。

该垂直驱动压电振动送料器的工作原理是，以压电双晶片为送料器的主要驱动源，在给压电双晶片施加交流电压之后，压电双晶片首先弯曲，同时在振动作用下使振动杆带动支撑弹簧发生弯曲，并拉动顶盘进行上下运动，在动力驱使下，底座上均匀分布的4个主振弹簧也发生弯曲，最终形成料盘上下振动与绕中心轴线扭转的复合振动，以此来实现物料输送。

2 垂直驱动式压电振动送料器的动力学模型

基于垂直驱动的压电振动送料器动力学模型如图1所示。在分析过程中，我们将橡胶底脚、主振弹簧与支撑弹簧、压电双晶片的刚度分别记为k0，k1，k2，k3，顶盘和料盘质量记为m1，底座质量记为m2，压电振子、顶盘和料盘、底座的振动位移分别记为y0，y1，y2，且令 y0＝ Acostωt，F0为初始激励（F0＝ k3y0）。

图1基于垂直驱动的压电振动送料器动力学模型

双自由度双质量系统的运动微分方程为：

由于k0为橡胶底脚刚度，其值远远小于k1，所以，我们可以取k0≈0，那么，上式就可以转化为：

由此，我们可以得到系统特征方程：

则：

根据上述分析得到结论：振动送料器系统固有频率ω与m1、m2、k1、k2和 k3有关，也就是说，在明确变量 m1、m2、k1、k2和k3之后，就可以认为任何形式下的电压激励信号，系统的固有频率都不变。

3 实验分析

试验中，调频调压控制器选取SDVC40型，调压范围为0～220V，输出电压为正弦信号；输入为220V、50Hz；精度为1V；调频范围为40～400Hz，精度为0.1Hz。

3.1 固有频率分析

固定驱动电源输出电压设为220V，调节驱动频率fr变动范围为35～245Hz，间隔0.2Hz，经过相应的测量分析，我们发现，相对应每个频率点时料斗的垂直振幅D在35～245Hz内，并表现为2次峰值。当fr=78.4Hz时，D为15μm；当fr=195Hz时，D为32μm。尽管该测量结果比理论计算值相对要小一些，但是并未超出允许偏差范围，该实验表明了理论分析的正确性。

3.2 送料速度与振幅状态分析

驱动电压的调节范围为：0～220V，间隔为10V，固定驱动电源频率为195Hz，系统处于共振状态。料斗振幅通过调节驱动电压数值进行控制，测试在额定负载下，对应于每个振幅时物料的输送速度v，最终得到垂直振幅－输送速度曲线（如图2）。

图2 垂直振幅-输送速度曲线

由图2可知，当D值在大于27μm时，物料开始出现跳动，此时物料开始进行抛掷运动，而不是正常的滑移；当D值在10μm～17μm范围内时，物料开始移动，但是仅限于在料盘底部移动，无法攀爬螺旋轨道；当D值在17μm～27μm范围时，物料可顺着螺旋轨道平稳向前滑行，振幅不断增大，滑动速度也不断提升；D小于10μm时，物料无法进行输送。当驱动电压为220V时，料斗的D达到最大值32μm，此时物料输送最快（140.5mm/s），跳动程度十分明显。由此我们认为：轻质、微小、易磨损物料的科学输送D应当在17～27μm范围内，此时滑动输送速度最快（123.5mm/s）。

根据上述固有频率分析可知，在驱动电压为220V，fr＝78.4Hz，ω ＝ 492.4rad/s时，料斗的最大 D为15μm，这时物料并不能被输送。因此，系统的最佳固有频率点应为ω＝1224.6rad/s，fr＝ 195Hz。

4 结论

综上所述，本文分析了一种基于垂直驱动的压电振动送料器结构设计，并通过试验得到系统固有频率为1224.6rad/s，调节驱动频率fr为195Hz时，是进行物料输送的最佳条件。望本文的研究能够为垂直驱动的压电振动送料器在自动化生产中更好的应用提供有益参考。

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