直线式压电双向给料系统设计

苏 江，童 杰，沈燕虎，张东伟

(1.广东科学技术职业学院机器人学院，广东 珠海 519090)(2.吉林大学机械与航天航空工程学院，吉林 长春 130025)

振动给料系统是一种自动加工和自动装配线上常用的供料设备，它将料盘中的无序物料按照一定的姿态定向排列输送。压电振动给料系统由于采用压电陶瓷作为驱动源，具有无电磁干扰、耗能小、控制精密等优势，在微小电子元器件装配领域得到了广泛应用[1-4]。

压电振动给料系统一般由螺旋式压电喂料器和直线式压电输送器组成。螺旋式压电喂料器利用料盘上的挡板、缺口和台阶等对零件进行筛分并调整姿态，在出口处利用传感器对零件进行检测、计数[5-7]。直线式压电输送器将螺旋式压电喂料器料盘口排列好的物料定向输送到下一个工位。在一些精密自动化装配领域中，由于安装空间较小，而螺旋式压电喂料器占用空间较大，设计人员就要专门为螺旋式压电喂料器的安装增加空间，造成了自动化系统体积增加，提高了成本。

针对上述问题，设计了一种直线式压电双向给料系统(简称双向给料器)，物料在两个平行且相通的直线料槽内作方向相反的直线运动，在两个料槽斜面过渡处利用挡板、缺口、台阶等机构完成筛选，实现了“一机双用”，这种双向给料器减小了给料系统安装空间，降低了自动化生产线成本。

1 结构设计、模态分析与工作原理

设计的双向给料器结构如图1所示，该系统由压电振子、调整块、支承弹簧、底座和两个顶板组成，直线轨道通过螺栓固定在顶板上。

由于双向给料器需要两个顶板振动相位相反，因此对系统振动模态的分析就显得尤为重要。利用有限元分析软件ABAQUS对双向给料器进行振动模态分析，如图2所示，从图中可以看出，在双向给料器的前四阶模态中，只有二阶振型实现了两个顶板振动相位相反，其工作频率为151.41 Hz。

双向给料器的基本工作原理是：将料槽A和B分别固定在顶板A和B上，压电振子引线与压电数字调频给料控制器连接，调节电源控制器电压和频率，使压电振子产生弯曲变形。这种变形通过支承弹簧传递给顶板，从而带动顶板上固定的直线轨道做近似水平的振动。在系统的二阶振动模态下，两个顶板的振动相位相反。固定在顶板A上的料槽A将物料输送到一端，物料沿着料槽A一端斜面进入料槽B，在斜面和料道B入口处设置缺口、挡板等机构实现物料的筛分，物料沿着料槽B被输送到下一个工位。其给料系统实物如图3所示。

图3 双向给料器样机

2 双向给料器振动分析

双向给料器由于顶板是相互独立的，模型可以简化为两个独立的振动系统， 建立其中一个系统的力学模型如图4所示。

图4 双向给料器简化的力学模型

假设激振力F计算公式为F=F0cos(ωt),其中F0为初始激励，ω为激励频率，t为激励时间。建立系统微分方程如下：

(1)

式中：m为顶板和料槽的质量；c为系统阻尼；k为支承弹簧和压电振子串联的系统刚度；x为顶板位移。

式(1)两端同时除以m可得：

(2)

假设方程稳态解为：

x(t)=C1sin(ωt)+C2cos(ωt)

(3)

式中：C1和C2为待定常数。将稳态解代入式(2)，整理得：

(4)

式中：A为激励幅值。

解出C1和C2，再代入式(3)，得到：

(5)

为简化结果，令:

(6)

(7)

则：

x(t)=Xcos(ωt-φ)

(8)

其中：

(9)

压电双晶片端部最大力F0计算公式为[8-10]：

(10)

将设计数据代入计算得到：F0=132.97 N。

系统刚度k为支承弹簧刚度k1和压电振子刚度k2的串联刚度，即：

(11)

将设计数据代入式(11)，计算得到支承弹簧刚度k1=110.8 kN/m，压电振子刚度k2=528.1 kN/m，则系统刚度k=91.6 kN/m。

由于测量时需垂直测量，因此将最大振幅转化成垂直方向振幅Xυ0，可得Xυ0=12.11 μm 。

3 实验测试

3.1 固有频率测试

对所设计的双向给料器进行实验测试前，先利用阻抗分析仪确认双向给料器的固有谐振频率，测试系统如图5所示。测试结果表明，双向给料器固有谐振频率为146.8 Hz。

图5 给料器固有谐振频率测试系统

3.2 频率特性

选取45钢圆柱物料(φ1 mm×1.5 mm)作为输送测试产品，记录料槽B出口20 s掉落的物料个数，计算出每秒输送的个数，作为双向给料器的给料速度。将激光测微仪固定在料槽正上方，可以测得双向给料器的垂直振幅。将电源控制器电压调到220 V，以1 Hz为间隔改变频率，测量其给料速度、振幅随频率变化而变化情况，得到其关系曲线如图6和图7所示。

图6 驱动频率与给料速度的关系曲线

图7 驱动频率与振幅的关系曲线

由图6可知，电源驱动频率对双向给料器的给料速度影响很大，当驱动频率为148 Hz时，双向给料器左右两侧料槽中物料的给料速度达到最大，当驱动频率偏离固有频率时，给料速度显著下降，能够输送物料的有效工作频率为140～156 Hz，谐振频率的测试结果与阻抗分析仪测得的数据基本吻合。由图7可知，双向给料器振幅在驱动频率为148 Hz时达到最大，为11.4 μm；偏离谐振频率，双向给料器振幅显著下降；振幅测试结果与理论计算结果基本吻合。

由此可得，双向给料器在谐振频率下工作时，给料速度最快，通过改变驱动电源频率，可以控制系统的给料速度和振幅。

3.3 电压特性

将电源控制器的频率调到谐振频率148 Hz，电源控制器的电压在0～220 V区间变化，变化间隔为10 V，测定对应的给料速度和振幅，从而得到电压与给料速度、电压与振幅之间的关系曲线，如图8和图9所示。

由图8和图9可知，当电压为0～40 V时，双向给料器给料速度和振幅均为0，当电压超过40 V时，物料开始移动，随着电压进一步增大，给料速度和振幅也随之增大，其关系近似为线性关系。当电压为220 V时，给料速度达到6个/s，振幅为11.4 μm,给料速度和振幅都达到最大值。

图8 驱动电压与给料速度的关系曲线

图9 驱动电压与振幅的关系曲线

由此可得,双向给料器的给料速度和振幅随着电压增加呈线性增加，通过改变电源电压可以控制给料器给料速度和振幅。

4 结束语

本文研制了一种直线式压电双向给料系统，实验测试表明，当电源驱动频率为148 Hz、驱动电压为220 V时，系统给料速度达到6个/s，振幅为11.4 μm。通过调节驱动电源电压和频率，可以控制系统的给料速度。该系统降低了成本，节省了空间，在空间受限的精密电子元件自动化装配线上具有良好的应用前景。