电磁振动上料器给料速度及其影响因素分析

程 阳，滕 燕

(1.江苏自动化研究所，江苏 连云港 222000；2.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)



电磁振动上料器给料速度及其影响因素分析

程 阳，滕 燕

(1.江苏自动化研究所，江苏 连云港 222000；2.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

针对电磁振动上料器普遍存在的稳定性差、送料能力低的问题，文中对上料过程中的物料进行了力学分析和运动学分析，建立了振动力学模型，得出了影响给料速度的相关因素。通过试验测试了不同参数值条件下的给料速度，分析了轨道加速度、轨道倾角、轨道摩擦系数、工作频率等参数对给料速度的影响规律。试验结果表明，较大的轨道加速度和摩擦系数，以及较小的轨道角和工作频率，有利于提高生产效率，研究结论为振动上料器的设计提供了理论和试验依据。

上料器；振动；设计参数

0 引言

目前，电磁振动上料器广泛应用于小型零件的自动定向供料。它是由电磁激振的一种振动机械，具有结构简单，能量消耗小，工作稳定可靠的特点。在自动上料过程中，还可以利用台肩挡板、缺口缝隙等方法实现对零件的自动定向，尤其适用于尺寸小、重量轻、强度低的零件的自动化上料[1-3]。

国外较早对电磁振动上料器进行了深入的理论研究，并且在长期实践应用中积累了大量的经验。目前研究振动料斗产品具有技术优势的公司主要有日本的产机公司、神钢公司，德国的申克公司等，其产品具有智能化、高效集约、寿命长等优点，代表着当今振动机械的发展方向。我国对自动上料设备的研究起步较晚，所生产的振动机普遍存在着结构复杂、效率低、寿命短等问题。进入八十年代，随着对德国、日本等工业发达国家技术的引进和吸收，我国的振动给料器进入高速发展阶段，在设计、制造及技术性能等方面有了长足进步[4-5]。目前虽然我国生产振动机械的企业很多，但产品技术含量不高，设计制造过程中普遍存在着稳定性差、送料能力低下等问题。对于某些复杂的零件，在实际加工过程中，上料机构往往一边调试，一边修磨，加工周期长，成本高，不利于企业生产。

电磁振动上料器的可靠性取决于它的设计参数，即振动系统的几何参数和工作参数。为了保证电磁振动上料器在给定参数下稳定地工作，本文对盘型电磁振动上料器的工作原理和物料输送原理进行研究，对其运动学进行分析。当零件放置在上料器料盘内的时候，振动作用使零件沿着轨道，以一定速度和要求的姿态，移动至指定位置。通过试验分析各参数对零件输送速度的影响，以寻求最佳参数，达到提高物料输送速度和工作效率的目的。

1 上料器结构及原理

盘型电磁振动上料器是实现零件姿态一致化和上料自动化的专用设备，上料器常见的结构如图1所示[6]。

1.圆振轨道 2.料盘 3.板弹簧 4.底座 5.支脚 6.电磁铁 7.支撑座 8.电磁铁 9.直振轨道图1 振动上料器结构示意图

板弹簧将存放零件的料盘固定在支撑座上，当电源接通时，固定在料盘和基座之间的电磁铁产生电磁力，在电磁力的作用下，料盘沿竖直方向作高频微幅振动。板弹簧将料盘和底座固定连接在一起，在板弹簧的约束作用下，料盘沿垂直轴上下运动时，围绕垂直轴发生往返扭振。零件同时受到重力、摩擦力和惯性力，沿着料盘的环形料槽轨道向上移动。在零件移动的过程中，通过轨道上的自动定向机构，使得其中部分的零件形成所要求的姿态，继续向前运动，其余零件在重力的作用下，通过料道上的缝隙和缺口，落回到料盘底部，重新沿着料槽轨道再次送料上移。

A—工件跳动状态 B—工件滑动状态 C—工件和轨道面贴在一起

零件的自动上料过程如图2所示，零件在料槽内以滑动或跳跃的方式被输送，料斗的振动轨迹为椭圆。在滑动过程中，零件与轨道间有摩擦力。当轨道上升并向前扭转时，在零件和轨道之间产生的摩擦力的作用下，零件与轨道一起向前运动。当轨道下降、扭转恢复的时候，随着摩擦力的减小，零件相对于轨道向前滑动。在跳跃的过程中，轨道上升扭转时，零件与轨道一同向前运动，但当轨道向下的加速度超过当地的重力加速度时，零件呈自由落体运动。在向下的自由落体过程中，零件在轨道上，相对于零件向后运动时，产生了向前的运动。

2 振动输送力学分析

2.1 物料受力分析

斜坡轨道的任何一小段都可以看作是一段极短的近似直线轨道，该直线轨道与水平面保持一定的角度，这个角度比料盘的倾斜角稍大一些。可以近似的把零件在料槽轨道上的运动，看作是在直线轨道上的振动，如图3所示。当零件放置在盘内时，振动作用使零件沿轨道运动到轨道的末端出料口。

图3 轨道取直示意图

振动上料器的轨道与水平面成(θ+ψ)的倾斜角度，零件在近似的直线轨道上做间歇运动，零件的受力分析如图4所示。假设零件在轨道上没有运动的趋势。θ是轨道的倾斜角，ψ为轨道与惯性力之间的夹角。m是零件的质量。 如图4所示的惯性力，当轨道处在零件的运动上限时，作用在零件上的最大惯性力，这个力可分解为平行于轨道方向上的分力和法向上的分力[7]。

图4 零件受力示意图

出现滑动时有：

mAω2cosψ>mgsinθ+F

(1)

其中：

(2)

式中:ω—振动角频率；

A—零件的振幅；

μs—零件与轨道间的静摩擦系数。

联立式(1)和式(2)，由此可得，零件沿轨道正向滑动的条件为：

(3)

与此类似，可得到反向滑动的条件为：

(4)

上料器的运行条件用法向加速度来表示，(an=Anω2=Aω2sinψ),g为重力加速度。从而有:

(5)

把式(5)代入式(3)和(4)中，得出零件向前滑动的条件为：

(6)

向后滑动条件为：

(7)

联立式(6)和式(7)，可得出物料向前移动的极限条件为：

(8)

当θ角很小的时候，上式可简化为:

(9)

当振幅足够大的时候，零件开始跳跃向前移动，这时法线方向反作用力N为0，由式(2)可得：

N=mgcosθ-mAω2sinψ

(10)

因此，零件跳跃的条件为：

(11)

由上可知，在振动上料的过程中，零件在脱离轨道之前，一直作正向滑动。

2.1 物料受力分析

根据机械振动原理，对振动上料器的结构进行简化，可将其看作是料盘和底座在竖直方向和扭转方向的双自由度双质体的强迫振动系统[8]，原理如图5所示。该系统主要有惯性激振器、工作机体和弹性元件三部分组成。在建立动力学模型的时候，对系统进行进一步的简化，将料盘、衔铁、底座等看作不计弹性的质量集中元件；将支撑弹簧和减振器看作是不计质量的弹性元件。工作机体沿竖直方向上下振动和扭转，共有两个自由度。

图5 双自由度双质体强迫振动系统

根据图5的振动上料器双自由度双质体振动的力学模型，根据拉格朗日定理，可得以下方程：

(12)

式中:m1—上质量，包括料盘、衔铁。

m2—下质量，包括铁芯、线圈、底座。

x1，x2—上、下质量m1和m2在振动方向的位移。

k1，k2—支撑弹簧和减振器的刚度。

F(t) —上、下质量m1和m2所受广义干扰力。

(13)

在电磁振动上料器振动系统中，两个等效的质体离开平衡位置的位移，与各自对应的等效质量成反比。因此在双自由度双质体振动系统中，板弹簧上始终存在一个静止的点，将这个点称为振动系统的惰性中心。随着m2/m1比值增大，惰性中心向m2质心靠近，当m2/m1=∞时，惰性中心与m2的中心重合在一起，这时振动系统可转化为只有m1存在的单自由度单质体振动系统，如图6所示。由此可得出系统的固有频率为：

(14)

图6 单自由度单质体强迫振动系统

3 试验验证与分析

图7给出了试验平台的主要组成，图8为试验平台实物图。零件输送轨道上有两个传感器，一个振幅传感器测工件跳动的振幅，另一个速度传感器测工件输送速度，采集完数据后传送到计算机[9-10]。通过调节振动控制器，升降可调挡块，选用不同的料盘等，对不同轨道倾角、轨道加速度条件下的振动系统进行测试，得出不同的速度变化曲线。

图7 试验平台主要组成

图8 试验平台实物照片

3.1 轨道加速度对输送速度的影响

当其他条件相同时，在轨道加速度an/gn递增变化，针对不同的振动角ψ值，试验得到了轨道加速度对输送速度影响的曲线, 如图9所示，图“■”为试验值。

由图9可以发现，随着轨道加速度an/gn的增加，物料的输送速度也随之增加。当an/gn>1时，由式(11)可知，在工件自动上料的过程中，零件开始跳跃。当an/gn<1时，零件和轨道面贴在一起，物料输送速度的理论值和试验值基本上一致。但随着轨道加速度逐渐增大，对物料的输送速度的变化影响也越来越大，当轨道加速度达到临界值的时候，零件开始进入跳跃状态，给料周期变得不再固定，从图9中可以发现，试验所测得的数值落在了理论曲线的下方，说明理论预测不再准确。

图9 轨道加速度-速度曲线

实际生产过程中，为了得到最佳的送料条件，在即将引起不稳定状态的临界值内，必须以较大的an/gn运行。从图9可知，在这个范围内，给定轨道倾斜角θ和摩擦系数μs的值，当振动角ψ值一定的时候，νm和an/gn近似的呈线性关系。

3.2 工作频率对输送速度的影响

当其他条件相同时，在不同的工作频率条件下，物料输送的速度变化如图10所示。

图10 频率-速度曲线

由图10可知，随着工作频率的增大，物料的输送速度也随之呈线性变化，即物料的输送速度与频率近似成正比。结合图9可知，物料输送速度越大，相应的轨道加速度也越大，因此轨道的振幅也有相应的增加。在实际生产中，通常设置挡块等决定物料通过时的姿态，所以振幅通常被限制在较小的范围之内；同时，振动上料器连接到特定的机械设备上，这也将工作频率限制在一定的范围内。此外，过高的频率会增加工件的动应力和动力变形，因此，对于微小零件的上料，适宜选择较大的振幅和较低的工作频率。

3.3 轨道倾角对输送速度的影响

当其他条件相同时，对于不同的轨道倾角，在不同轨道加速度时，工件运动的速度变化如图11所示。

图11 轨道倾角-速度曲线

从图中可以发现，当其他条件不变的时候，对于不同的轨道加速度，轨道倾角θ越小，输送速度的值越大，当轨道倾角为零时，达到最高速度。当工件在轨道上输送的时候，料盘底部的轨道倾角为0°，其他位置的平均输送速度比料盘底部四周的速度要低很多。在实际工作条件的时候，零件通常是由料盘底部的零件推动向前的。因此，设计振动料斗的自由进给速度时，通常采用轨道倾角为0°时的进给速度作为参考依据。

3.4 摩擦系数对输送速度的影响

当其他条件相同时，在水平轨道振动倾角为20°的条件下，在不同轨道加速度时，对于不同的摩擦系数，速度变化如图12所示。

图12 摩擦系数-速度曲线

在振动料斗的实际工况下，实用的摩擦系数是0.2～0.8。据工作经验可近似认为钢质零件在钢质轨道上传送时的摩擦系数为0.2。当轨道上喷胶时，摩擦系数可以增加到0.8。

从图中可以发现，轨道加速度值一定时，摩擦系数的增加会引起输送速度的增加；因此，用橡胶包敷振动给料器的轨道，或者喷铁氟龙，不仅绝缘，防止静电，而且还能够减少工件的磨损，增加摩擦系数，增加工件的寿命，保护工件的外观，降低噪声，提高输送速度。

4 结论

通过对物料运动时的受力分析，得出影响振动料斗输送速度的相关因素，建立了电磁料斗系统的振动模型，并进行了试验研究，得出以下结论：

(1)建立了双自由度双质体振动的力学模型，在此基础上，简化为单自由度单质体强迫振动系统，从而得出了上料器振动系统的固有频率。

(2)试验得出了上料器振动系统在不同的工作频率、轨道加速度、轨道倾斜角和摩擦系数条件下对应的物料输送速度曲线图。为了提高物料输送速度，在引起不稳定状态的临界值内，应选择较大的轨道加速度和摩擦系数，以及较小的轨道角。同时，为了减少工件的动应力和动力变形，应选择较低的工作频率。研究结论为振动上料器的动态结构设计提供了重要的理论和试验依据。

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(编辑 李秀敏)

Analyze on Material Conveying Speed of Vibratory Bowl Feeder and Its Influencing Factors

CHENG Yang1，TENG Yan2

(1.Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang Jiangsu 222000,China;2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

In view of various factors caused by the material conveying for vibratory bowl feeder, such as poor stability, bad ability of material conveying, force and dynamic for the material conveying are analyzed by establishing a dynamic model in this paper. The key factors affecting material conveying is also discussed. Based on the speed analysis of the acceleration when the material move into the trough, the inclination for the feeder, the friction of the trough, and the working frequency that the vibrator has, the results of these show that it is advantageous to improve the production efficiency with larger acceleration and friction, smaller inclination and working frequency, which provides important theoretical basis for the dynamic design of vibratory bowl feeder.

vibratory bowl feeder; vibration; design parameters

1001-2265(2016)11-0009-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.003

2016-01-14;

2016-02-18

程阳(1990—)，男，江苏连云港人，江苏自动化研究所助理工程师，硕士，研究方向为机电一体化，(E-mail)352019553@qq.com。

TH162;TG506

A