直线压电振动送料器轨道匹配失效现象研究

田晓超，杨志刚，吴 越，王 锐，杨树臣，李庆华

(1.吉林大学 生物与农业工程学院，长春 130025; 2.长春大学 机械与车辆工程学院，长春 130022;3.吉林大学 机械科学与工程学院，长春 130025; 4.长春师范大学 工程学院，长春 130032)

振动送料器是自动化生产线中的一个关键设备，其功能是形成物料的整列、排序与定向输送，一般布置在自动化系统零件的供应工序上[1]。以往的振动送料器(或称为振动盘)，一般采用电磁驱动的方式[2-3]，随着压电材料的发展，以压电材料作为驱动源的新型驱动器越来越得到相关学者的关注[4-6]。1977年出现了采用压电陶瓷所形成的压电振子作为动力源的压电式振动送料器[7]，克服了传统送料器体积大、结构复杂及能耗高的缺点，同时具有输送精度高、能耗低等优点，在自动化设备领域得到了广泛的应用。送料器一般分为两类，即圆盘式振动送料器和直线式振动送料器，圆盘式主要进行物料的储存、整列与输出，直线式则将圆盘式输出的物料输送到具体操作工位上。近年来出现了大量对压电式振动送料器结构[8-14]、模型[15-17]及输出特性等方面的研究，但关于直线式压电送料器与轨道匹配方面的研究较少，一般送料器本体与轨道单独设计，因而两者的匹配程度至关重要，直接决定着送料器系统性能。

本文使用中出现的直线式压电振动送料器(以下称直线送料器)与轨道匹配失效现象进行试验与理论分析，讨论轨道匹配失效现象的形成机理及其控制方法。

1 结构与工作原理

直线送料器简易结构图如图1所示，主要由基座、压电振子、振动放大支撑片、顶盘和直线轨道构成，基座用于固定整个系统，两个振动放大支撑片一端与基座连接，另一端与顶盘连接，直线轨道固定在顶盘上。压电振子在交变电压的作用下发生弯曲振动，带动顶盘和直线轨道运动。压电振子与水平方向成一定的角度，轨道随着顶盘的运动产生垂直与水平方向的复合运动，经过振动放大支撑片位移放大，由于物料与轨道之间存在摩擦力，推动物料向前运动。

图1 直线送料器结构简图Fig.1 Structural diagram of Linear feeder

2 轨道匹配失效现象

设计样机进行试验研究，设计的轨道与物料之间有足够的摩擦力。在直线送料器的设计与试验过程中，发现安装不同的轨道以及安装不同位置会出现物料输送停止或往复运动现象。

为了寻找轨道配合失效的规律，选择三种不同长度的轨道，采用三种不同的安装位置，观察物料输送情况。根据实际情况，轨道长度在20～30 cm，选择20 cm、25 cm和30 cm三种轨道进行试验。安装位置采用：① 进料端对齐安装方式，即a点与h点对齐；② 中心对齐安装方式，即c点与g点对齐；③ 出料端对齐安装方式，即e点与f点对齐，如图2所示。

图2 轨道和顶盘取点位置Fig.2 Take the point position of tracks and top plate

轨道安装在顶盘后，将驱动电压调制180 V恒定不变，调节驱动频率，选择物料可产生移动位移的频率区间为测试频率区间，观察物料的运动情况，判断在测试频率区间内轨道是否出现物料停止前进或进退往复运动现象，试验数据如表1所示。

表1 不同轨道长度和安装位置对配合失效的影响Tab.1 The effect of different track lengths and mounting

试验数据表明，轨道配合失效现象与轨道的长度与轨道的安装方式有关，且轨道长度越长越容易出现轨道配合失效现象，安装位置对轨道失效影响作用同样明显，即顶盘与轨道质心不重合或偏差过大，都会引起轨道失效，而中心对齐安装方式不易出现轨道失效。

3 轨道匹配失效测试

为了分析轨道匹配失效的形成机理，对轨道的振动情况进行测试，测试对象采用30 cm长轨道中心对齐安装方式的直线送料系统。试验系统采用基恩士公司的LC-2400A激光测微仪，通过对比不同位置的瞬时振动位移判断轨道的振动情况，采用两个激光传感器对轨道同时进行测量，测试系统如图3所示。

图3 轨道振动位移测试装置Fig.3 The test device of track vibration displacement

在轨道上均匀选取5个点进行测量，测试点分别为a,b,c,d,e五点，a为进料端点，测试点e为出料端点。其中一个激光头固定在a测试点即基准位置不变，测量结果为基准数据，另一个激光头分别在a,b,c,d,e五个测试点得到五组数据，同时读取两个激光头的测试数据。以基准点a达到最大位移为起始点，将数据在同一图中表示后结果如图4所示。

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图4 不同测试点振动位移Fig.4 Vibration displacement of different test points

实验结果中，进料端的基准测试a点振幅为20.8 μm；测试b点的振幅为8.2 μm，且与基准测试a点间的相位差为307°；测试c点的振幅为13.1 μm，与基准测试a点间相位差为204°；测试d点的振幅为26.9 μm，与基准测试a点间相位差为204°；测试e点的振幅为67.8 μm，与基准测试a点间相位差为186.6°。振动相位结果表明，测试点a与测试点b运动方向相同，与测试点c、测试点d和测试点e的运动方向相反，即轨道的运动不是理想的平移运动，而是平移运动与回转运动的复合运动。

产生复合运动可能有两种情况:① 是轨道悬臂部分发生弯曲变形，端部位移放大，振幅要大于靠近轨道中间的位置，而形成位移相位差；② 是由于轨道在受到驱动力的作用下发生平移振动的同时还发生了转动，形成位移相位差。由于轨道满足强度要求情况下其厚度较大，刚度也较大(材质通常用不锈钢)，其弯曲振动模态的固有频率一般在几千赫兹以上，而直线送料器的工作频率一般低于300 Hz，即使会产生微小弯曲振动，对物料输送影响较小，可排除轨道端部弯曲变形对物料影响的可能性。由此可判断形成轨道匹配失效现象的原因可能是轨道在向输送方向平移的同时产生了沿着某点的转动，即角振动。根据振幅与相位差可判断，实验中轨道的转动中心点位于测试点b与测试点c之间。

4 轨道配合失效的形成机理

试验及分析结果表明，轨道匹配失效现象可能是由于其发生沿着某点附近产生往复回转运动引起的，因此要对轨道进行受力分析，给出回转运动出现的规律、影响因素及轨道匹配失效现象出现的条件，以便避免失效现象的出现。轨道的受力情况,如图5所示。

以往直线送料器的动力学模型一般将两个振动放大支撑片的力直接作为主振质量的激励，即等效力系中的主矢，对其振动进行分析，忽略了等效力系中的主矩。此处，由于轨道可能发生角振动，因此需要考量主矩对轨道运动的影响。

图5 轨道受力分析Fig.5 Track force analysis

为了凸显主要因素，忽略系统阻尼，认为轨道运动过程中平移运动与回转运动间无滞后，得到系统质心在受力方向的平移位移x的方程

(1)

式中：F为驱动力。

假设质心为O点，受力分析发现当L1≠L2时，刚体的主矩不为0，得到

M=F(L2-L1)cosα

(2)

式中：α为压电振子与水平面夹角；M为刚体的主矩轨道绕O点转动的方程为

(3)

式中:J为转动惯量；θ为转动角位移；kr为系统弹簧常数。

轨道的垂直位移可表示为

Δh=Δxcosα

(4)

式中：Δx为平移运动的位移。

长度为l的轨道在端点处由于回转运动产生的垂直位移可表示为

(5)

式中：Δθ为回转运动的角位移。

(6)

(7)

当hi和ho确定后即可得到轨道的工作状态，如表2所示。

表2 轨道工作状态分析Tab.2 Analysis of track working status

5 结 论

(1) 设计了直线振动送料器样机，通过不同轨道的配合试验，证明了轨道匹配失效现象的存在，找出了轨道匹配失效现象在轨道长度较大时容易出现，且在轨道与振动体非对称布置时较容易出现的规律。

(2) 利用激光测微仪测量轨道不同位置的振动位移，得出了轨道匹配失效时轨道的振动轨迹，其振动形式为绕轨道中心附近一点的往复回转运动。