磁力弹簧式压电振动送料器的设计与试验

田晓超，杨志刚，刘勇，沈燕虎，吴越

（吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春130025）

磁力弹簧式压电振动送料器的设计与试验

田晓超，杨志刚，刘勇，沈燕虎，吴越

（吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春130025）

针对压电送料器随外部载荷变化输送速度不稳定的问题，提出了一种利用磁力弹簧改变传振性能及系统共振原理的新型结构压电振动送料器装置。分析了磁力弹簧式压电振动送料器的工作原理，建立了振动送料器的动力学模型，计算分析得出了影响振动送料器输送性能的主要因素。制作了系统结构样机，利用阻抗分析仪测得系统的共振频率和阻抗特性。设计了振动送料器的试验装置。试验测试分析表明：系统在共振条件下，磁力弹簧轴向间距为2.8 mm时，振幅达到123 μm，提高了系统的承受载荷，并且在一定的载荷范围内保证了物料稳定、均匀快速的输送。

压电振动送料器；系统共振；磁力弹簧；物料输送

振动送料器由于其整列定向性好、供料效率高等优点，被广泛应用于自动装配、自动加工、自动检测等各种工序上［1］。传统的送料器都是以机械或者电磁式驱动为主，然而它们具有噪音大、受电磁干扰、输送精度低、耗能高等缺点［2-3］。20世纪70年代末，日本成功研制了矩形压电双晶片作为驱动源的悬臂梁式压电振动送料器［4］。韩国Inha大学的敏捷制造与系统实验室制造了新型压电送料器，并对该送料器进行了有限元分析和实验分析［5］。台湾也对直线式送料器结构进行了动态建模和实验分析研究［6］。目前国内市场上使用的压电振动送料器大部分是日本的产品，在自动化生产线上处于垄断地位。国内在近些年也开展了对压电振动送料器相关方面的研究［7-11］，但已有送料器的结构系统刚度是固定的，对物料输送性能没有调节功能。近年来磁力弹簧的研究发展日趋成熟，磁力弹性在距离很小范围内，位移和压力近似呈线性关系。在同等结构和尺寸的情况下，两环形磁铁同向力学性能好、位移范围大［12-14］。用磁性弹簧可以使系统结构简化、降低噪音、无疲劳变形，还可以增加系统的稳定性。因此本文提出了一种磁力弹簧式压电振动送料器装置，该装置具有结构简单、噪音小、易控制、耗能小、性能稳定等优点。该结构工作在共振频率时，压电振子的位移被成倍的放大，提高了压电振子驱动能力。而磁力弹簧可以很方便通过调整轴向间距来调整整个系统的刚度，从而调整系统的共振频率，使系统在要求的频率下处于共振状态。

1 送料器结构与工作原理

驱动源为压电双晶片振子，其通过质量块固定在顶盘上，传振杆一端穿过压电振子的中心，另一端连接悬浮磁铁的中心，两端用螺母紧固。悬浮磁铁与紧固磁铁正中同极相对，紧固磁铁紧固在底座上，支撑弹簧以75°连接顶盘和底座，顶盘上安装有料斗，底座下端装有橡胶底角，起到减振作用。如图1所示，顶盘、质量块、压电振子、悬浮磁铁、传振杆可视为一个整体构成一个振动放大系统。悬浮磁铁和紧固磁铁同极相对可构成一个压缩磁力弹簧。

图1 磁力弹簧式压电振动送料器结构Fig.1 Structure of maganetic spring piezoelectric vibratory feeder

磁力弹簧式压电振动送料器是在压电双晶片振子上施加正弦交流电压，使之发生弯曲变形，且频率与振动系统固有频率一致或接近，达到共振状态。当外加电压发生变化时，压电振子的输出位移也随之发生变化，使之产生纵向振动，迫使底座四周均匀布置的相同倾角的支撑弹簧片产生并且释放变性能，通过顶盘作用在料盘上，把顶盘的纵向振动和扭转运动有效地合成为纵扭复合振动，以及纵向磁力弹簧使系统振动放大，如此循环往复，使料盘中的物料按照一定的顺序和方向运动，完成输送功能。

2 送料器系统动力学模型

磁力弹簧式振动送料器动力学模型如图2所示，其中M为整个机械系统的总质量，包括料盘、顶盘、质量块、连接环以及物料的质量。k1和k2分别为压电振子和磁力弹簧的刚度，k3为四周每相隔90°的支撑弹簧片的刚度，橡胶底角为减振弹簧，刚度很小，可以忽略不计。阻尼为系统内部的结构阻尼。X为顶盘即料盘的振幅，Fsin（ωt）为压电振子提供的简谐激励。

图2 振动送料器的动力学模型Fig.2 Dynamic model of vibratory feeder

此机械振动系统可认为是单自由度系统的简谐激励响应，建立动力学方程为

令

振动体在动态力激励F（t）下所产生的振幅A，与在静态力F作用下产生的位移Ast之比，称为振幅放大系数，即

由式（6）可知，当振动送料器共振时，顶盘振幅与驱动源提供的激励F、整个系统的刚度k系统的阻尼ξ有关，在其他刚度不变的情况下，可通过调整磁力弹簧轴向间距调整整个机械系统的刚度，进而调整整个机械系统的共振频率。磁力弹簧结构图如图3所示。

图3 磁力弹簧结构图Fig.3 Structure of maganetic spring

3 实验性能测试

选用环形压电陶瓷片为50 mm、内径为10 mm、厚度为0.6 mm、压电振子环形基板外径为72 mm、内径为4 mm、厚度为1.8 mm，材质65Mn，顶盘为铝合金，直径为120 mm，四周相隔90°均匀支撑弹簧片的材质为65Mn，有很好的弹性和抗疲劳强度，底座用45＃钢，上面4个凸台的倾斜角与铝合金顶盘皆为75°；减振弹簧材料为黑色橡胶；环形磁铁外径60 mm，内径为15 mm，厚度为10 mm，激励电压为200 V，实验测试装置如图4所示。

图4 实验测试装置Fig.4 Experimental testing device

实验所用的仪器为安捷伦HP4294精密阻抗分析仪、SDVC40-M型数字压电调频控制器、Keyence LC-2400A激光测微仪、时间继电器、电子称、料盘、物料若干。

3.1 共振频率的测试

用精密阻抗分析仪测得振动送料器的阻抗特性如图5所示，得到轴向间距与共振频率关系如图6所示。从图6可以看出，随着磁力弹簧轴向间距增大、刚度减小，系统的共振频率减小。在间距为0.4 mm时，共振频率可达980 Hz，在间距大于3.6 mm时，共振频率保持在一个平稳的位置，没有明显的改变，这是因为随着间距的增大，磁力弹簧之间的排斥力逐渐减弱，最后磁力弹簧对整个系统刚度的影响越来越不明显。送料器最佳工作频率200～400 Hz，磁力弹簧轴向间距在2～3.6 mm最佳。

图5 振动送料器频率阻抗特性Fig.5 Relationship between impedance and frequency of resonant feeder

图6 轴向间距对共振频率影响曲线Fig.6 Curves of resonant frequencies affected by axial spacing

3.2 轴向间距与振动位移关系测试

利用激光测微仪对顶盘某一固定点的振幅进行测试，调节磁力弹簧轴向间距，结果如图7所示，当轴向间距为2.8 mm共振点附近料盘的输出位移达到最大，磁力弹簧式送料器输出位移最大值123 μm。

图7 位移-频率特性曲线Fig.7 Displacement-axial spacing characteristic curve

3.3 轴向间距与载荷关系测试

将送料器调至共振频率，Φ3×2 mm的金属圆柱逐渐倒入料盘中，料盘振动效果逐渐减弱，物料速度逐渐变慢，调节控制器相应频率，每加至料盘上物料输送速度接近为零时，测量出系统承受的最大载荷和磁力弹簧轴向间距，得到轴向间距与载荷关系曲线图，如图8所示，系统承受的最大载荷是可变的，在间距为0.3 mm时，最大载荷可达到26 N，系统最大承受载荷没有在最佳轴向间距之内，发生了很大的偏移，这是因为增加了料盘和物料改变了附加载荷，改变了共振频率。

图8 间距－载荷特性曲线Fig.8 Pitch-load characteristic curve

3.4 载荷与速度关系测试

将频率和电压保持不变，将不同质量Φ 3× 2 mm的金属圆柱放入料盘中，同时调节磁力弹簧的轴向间距，得到送料器输送速度曲线，如图9所示。

图9 载荷－速度特性曲线Fig.9 Load-speed characteristic curve

从图9中可以看出，载荷不断增加，送料速度在一定的载荷范围内不变，继续增加载荷，送料速度逐渐下降，这是因为调节轴向间距改变了系统的刚度，使其处于共振状态，随着载荷增大，逐渐达到系统所能承受的最大载荷，导致了输送速度的下降。结果表明，要想使系统处于理想的工作状态，物料载荷控制在14 N以内。

4 结论

1）设计了磁力弹簧式压电振动送料器装置，建立振动系统动力学模型，通过理论分析得出，影响振动送料器共振时输出位移的主要因素，以及系统刚度可通过磁力弹簧轴向间距来调整，进而使系统在理想共振频率下工作。

2）当机械系统达到共振频率时，共振送料器的物料输送速度就越快；而远离共振频率时，输送速度就越慢。当磁力弹簧轴向间距减小时，磁力弹簧刚度变大，顶盘振幅减小，而其共振频率变大；当磁力弹簧轴向间距变大时，磁力弹簧刚度变小，顶盘振幅变大，而其共振频率变小，所以输送速度受共振振幅和共振频率共同影响。

3）设计了磁力弹簧式压电振动送料器装置试验，并进行了分析，得到不同刚度下不同的共振频率，磁力弹簧轴向间距为2.8 mm时，输出位移为123 μm，该装置提高了承受载荷，解决了在共振频率附近物料质量的变化导致送料速度不稳定、不均匀的现象，并且提高了输送效率。

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Design and experiment of the piezoelectric vibratory feeder with magnetic spring

TIAN Xiaochao，YANG Zhigang，LIU Yong，SHEN Yanhu，WU Yue
（Institute of Mechanical Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China）

The feeding speed of a piezoelectric feeder is not stable under different loads.To get it stable，a new structured piezoelectric vibratory feeder with magnetic spring was developed to improve the vibration performance and to realize system resonance.The paper first presented the working principles of the piezoelectric feeder with magnetic spring，then established the dynamic model of the vibratory feeder，and then derived the main factors influencing the feeding performance of the vibratory feeder through calculation and analysis.A prototype of the piezoelectric vibratory feeder with magnetic spring was made and the resonance frequency and impedance characteristics of this system were measured by an impedance analyzer.The testing apparatus for vibratory feeder was designed.The test and analyses show that under resonance condition，as the axial pitch of the magnetic spring reaches 2.8 mm，the amplitude can arrive at 123 μm，which greatly improves loading capacity of the system，and ensures a stable，uniform and rapid material feeding within a certain loading range.

piezoelectric；vibratory feeder；resonance；magnetic spring；material feeding

10.3969／j.issn.1006-7043.201312020

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201312020.html

TH237＋.1

A

1006-7043（2014）12-1548-05

2013-12-07.网络出版时间：2014-12-02.

国家自然科学基金资助项目（51075175）.

田晓超（1986-），男，博士研究生；杨志刚（1956-），男，教授，博士生导师；刘勇（1981-），男，讲师.

刘勇，E-mail：yongliu＠jlu.edu.cn.