料斗式振动上料装置设计及应用

杨军安

（新疆众和股份有限公司 乌鲁木齐830013）

1 引言

任何复杂、庞大的自动化生产设备都可以分解一个个相对简单的机构。机构是自动化生产的最基本得组成部分。在自动化机械上，要完成整个工序动作，首先必须将工件移送到操作位置或定位夹具上，自动上料系统是自动化机械或生产线不可或缺的基本部分。本问从夹紧机构、换向机构以及隔料机构等方面对自动上料系统进行整体设计，确定上料机构的基本结构，最后概述了自动上料系统在实际应用中的一些解决问题。

2 自动上料机构的工作流程

自动上料机构的任务就是自动地把待加工工件定时、定量、定向地送到加工、装配、测试设备的相应位置，以便缩短辅助时间，提高劳动生产率，稳定产品质量和改善劳动条件。

自动化上料时任务，是把坯料、工件或产品，以一定的方位，按照一定的生产节拍，自动地传送到相应的加工、装配或测试分类岗位上，以缩短辅助时间，提高劳动生产率，稳定产品质量和改善工人劳动条件等。它是实现单机自动化、建立自动生产线和自动化工厂的基本条件之一[1]。

2.1 自动上料机构的分类

自动上料机构按工件(材料)形状、尺寸等特征，可分以下四类[1-2]：

（1）粉、液料自动上料机构，主要是解决自动定量上料问题。

（2）管、棒料自动上料机构，主要是解决按工件所需长度周期地自动送料问题。

（3）卷料(丝、带料)自动上料机构，主要是解决材料的校直机构、放料和制动机构、送料机构等问题。

（4）件料自动上料机构，件料因料性质、工件尺寸大小及形状复杂程度差异很大，故供料装置也截然不同。

料斗式上料机构的特点是能自动定向。适用于工件尺寸较小，外形简单，易于自动定向排列，且上料频繁的场合；料仓式上料机构的特点是需要人工排料。适用于工件尺寸与重量较大，外形复杂，难于自动定向排列，或加工周期较长，上料不频繁，没有必要采用自动化程度更高的料斗式上料[2]。

2.2 上料机构各主要部件的应用特点

2.2.1 料斗式上料机构的特点是能自动定向

适用于工件尺寸较小，外形简单，易于自动定向排列，且上料频繁的场合；料仓式上料机构的特点是需要人工排料。适用于工件尺寸与重量较大，外形复杂，难于自动定向排列，或加工周期较长，上料不频繁，没有必要采用自动化程度更高的料斗式上料。

2.2.2 料仓式上料机构

根据上料功能的需要，上料机构由料仓、输料槽、隔料器、上料器、定向机构及驱动装置等组成。料仓(包括输料槽)主要用以储存和输送已定向的工件[3]。

（1）上料器

上料器是将已定向的工件，按一定的生产节拍和方位送到机器工座位置的装置，其基本动作夹紧和传送。夹紧的方法有机械、电磁、真空和粘附力等几种方式。工件的传送运动，常分直线往返式、往返摆动式、旋转式和复合运动式四种。传送动力有机械的、气动的，液压的和机电联动等几种。上料器的选用和设计，应根据工件的几何形状及其材料特性、定位精度、生产率以及机器结构布局等因素决定[3-5]。

（2）隔料器

隔料器是控制工件从料仓进入上料器或直接送到工作位置的机构，可分直线往返式隔料器、摇摆式隔料器、旋转式隔料器[3～5]，见表1。

表1 隔料器种类

（3）定向机构

定向机构的工作方法和类型使工件从成堆散乱的状态下获得定向，主要采用下列方法：

①抓取法：利用运动着的定向机构抓取工件的一些特殊表面如凸肩，内孔、凹槽等，使之分离出来并定向排列。如螺钉类工件的扇形定向机构，套管类工件的杆式、钩式定向机构。

②型孔选取法：利用定向机构上一定形状尺寸的孔穴进行筛选分离，只有工件的位置及形状相应于这一型孔的，才能通过而获得定向排列。如圆盘式、圆管式、半管式等定向机构。

3 上料方案的确定

由于在架台上所贴矩形薄片状，体积小，并且分正反面。上料须满足以下几个要求：

（1）薄片须方向一致，该上料机构要有定向机构，且误差尽可能小。

（2）确保薄片上料时有序的依次下来，避免重叠现象发生。

（3）提高设备生产率和工人劳动生产率、显著减轻工人的劳动强度。

（4）工作稳定可靠，运转噪声小，不会损伤端子，使用寿命长。

（5）结构紧凑简单，最大限度采用标准化零部件，通用性好，易于制造和维修，成本低。

3.1 料斗式振动上料装置工作原理

利用振动产生运动和动力的机构称振动机构，广泛用于散状物料的捣实、装卸、输送、筛选、研磨、粉碎、混合等工艺中。如图1所示利用电磁振动的供料机构，当交流电输入铁芯线圈5，产生频率50 Hz的断电磁力时，吸引固定在料道上的衔铁6，使槽体向左下方向运动；当电磁力迅速减少并趋近零时，槽体在板簧2的作用下，向右上方作复位运动，如此周而复始便使槽体产生微小的振动[4～5]。

图1 料斗式振动上料装置结构

当槽体在电磁铁作用下向左下方运动时，由于惯性力的作用，工件将按原来运动方向向前抛射(或称跳跌)，工件在空中微量跳跌后，又落到槽体上。这样，槽体经过一次振动后，在槽体上的工件就向上移动一定的距离，直至出料口，从而达到供料的目的。显然，在槽体的空间位置、工件和槽体的摩擦系数等一定时，工件的运动状态与槽体的加速度有关。

3.2 料斗式振动上料工件运动状态建模

了对工件运动状态进行理论分析，以便合理地确定料斗的基本参数，需要建立工件沿料槽运动的微分方程：如图2工件受力分析所示[5]。

图2 工件受力分析

工件沿水平直槽相对运动的微分方程表示

式中：m为工件的质量（kg）；xˉ为工件沿x 轴的相对加速度(mm/s2)；F 为工件与料槽间的动摩擦力（N）；αX为料槽在X轴的分加速度(mm/s2)。

设料槽的位移s、速度v、加速度分别表示

式中：A1/2为料槽的振幅（mm）；ω为料槽的角频率（1/m）；T为瞬时时间（s）。

料槽在x与y轴方向分加速度分别

式中β为振动方向角，即料槽振动方向与工件沿料槽运动方向间的夹角。

摩擦力F的方向取决于相对运动方向，即

式中：μ为工件与料槽面间的动摩擦系数；N为料槽对工件的反作用力（N）。

由图1得

式中：g为重力加速度（mm/s2）。

经整理后得

式中上面的符号适用于工件沿料槽向前滑移，下面的符号适用于工件沿料槽向后滑移。工件向前、向后滑移，或脱离料槽“瞬时腾空”，跳跃前进，决定于惯性力和摩擦力等阻力对工件综合作用的结果。只有当与料槽平行的惯性力分量大于静摩擦力等阻力时，工件才有可能向前或向后滑移。由于工件质量是常数，频率在选用电磁振动器时已经确定，所以惯性力又主要受料槽振幅大小的影响。试验证明：振幅太小，则惯性力也太小，不能克服工件和料槽面间的摩擦阻力，故工件只能随料槽一起振动，而不能向前或向后滑移；只有当振幅达到某临界值时，工件才能相对料槽移动，而在开始向前移动的一瞬间，作用在工件上的所有力，在其移动方向上的投影应等于零，即

将αx代入上式，得

式中：F1为静摩擦力（N）；t1为工件向前滑移的起始时间（s）。

将静摩擦系数μ1代入式（5），得

再将式（6）代入式（5），经整理后得

式中：A为料槽在工件移动方向上的振幅（mm）。

由于cosωt1是负值，所以，若，工件才能向前滑移，因在此相位范围内，惯性力逐渐增大，当增大到超过静摩擦力时，才有可能产生滑移。而在此范围内的余弦值在0 ～-1范围内变化，故由式（7）得

即

由此可见，只有当料槽水平方向的振幅满足次不等式，工件才能向前滑移，而工件向前滑移的临界振幅A+1

以上述同样的分析方法，可导出工件向后和脱离料槽“瞬时腾空”的临界振幅A-1和A0，即

工件在料槽振动过程中处于何种运动状态，取决于A+1、A-1、A0、A之间的大小关系。由式（9）～式（11）可得

工件向前移动所需振幅A+1最小，较易实现；跳跃所需振幅A0最大。实际上，工件向前移动时，惯性力使工件与料槽间的反作用力N减少，而工件向后滑移时，惯性力使N增大。因此，工件向前移动较向后滑动所受到的摩擦阻力要小，故易于实现。

3.3 振动上料料斗装置的调试

振动上料料斗的调试，决定着振动上料的稳定性，熟练掌握调试方法至关重要。需要调试的项目归纳起来有以下几点[6]:

3.3.1 工件前进速度

若工件前进速度不均匀稳定，会出现两边上料速度的快慢不同，会出现片状端子重叠，或卡死，致使上料不通畅，影响下一环节等现象。其主要原因是几根弹簧振幅不等，而使料斗各部分振动加速度不一致的结果。影响振幅不等的因素有：

（1）弹簧的材料成分、性能及其尺寸不一致；

（2）弹簧安装位置不对称；

（3）各电磁铁的气隙大小不相等；

（4）连接处螺帽、螺钉有松动。

3.3.2 料斗送料率

料斗送料率与机器生产率必须适应。因送料率与振幅及激振电源频率成正比，故其调节方法可以分以下两点：

（1）改变振幅值调节送料率因振幅与激振力成正比，而激振力与外加电乓平方成正比，以及与线圈匝数平方成反比等。故改变外加电压及线圈匝数就能调节振幅值。电压常采用调压器或可变电阻进行调节。改变线圈匝数调节激振力较简单，但不能实现无级调节。此外，振幅的大小还可以通过改变电磁线圈中的电流大小来调节。

（2）改变激振电源频率调节送料率因频率提高后，工件跳跃次数增多。即使在振幅固定的情况下，也能提高料斗送料率。

3.4 料斗式振动上料装置优点

定向平稳，由于没有抓取机构及其对坯件的搅动，坯件在定向过程中产生损伤的程度大大减轻。可用于薄壁、脆性、弹性等小型零件自动上料；通用性广，适用于各种形状和尺寸的零件的定向。在零件改变时，除定向元件略-有变化外，其他结构均具有通用性；送料速度较高而且可以方便地调节；结构简单可靠不易产生阻塞。

[1]隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010，1.

[2]芮延年.机电一体化原理及应用[M].苏州：苏州大学出版社，2004，9.

[3]陈庆生，佘时伟，杨兴邦，罗中先，何幼瑛.机械加工过程自动(第1版)[M].贵阳：贵州科技出版社，1991，8.

[4]伍福顺.车辆修造专用机械设计[M].北京：中国铁道出版社，1987，3.

[5]徐祥和，韩良，王兴松.电子精密机械设计（第2版）[M].北京：国防工业出版社，1995，5.

[6]黄靖远，龚剑霞，贾延林.机械设计学[M].北京：机械工业出版社，2000:10-41.