直線式振動(dòng)送料器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

蘇 江

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)電工程系，廣東珠海 519000）

科技發(fā)展使企業(yè)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高。振動(dòng)送料器是自動(dòng)加工和自動(dòng)裝配系統(tǒng)中的一種供料裝置，實(shí)現(xiàn)了工廠里的加工、裝配、檢查、計(jì)數(shù)和包裝等工序的自動(dòng)化和無(wú)人化，使零部件能夠自動(dòng)沿著一定方向作穩(wěn)定供給。振動(dòng)送料器按照輸送方式可以分為直線式和旋轉(zhuǎn)式。本文將從結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍方面分析直線式振動(dòng)送料器技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出直線式振動(dòng)送料器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 直線式振動(dòng)送料器研究現(xiàn)狀

1.1 直線式電磁振動(dòng)送料器

直線式電磁振動(dòng)送料器在國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化生產(chǎn)線上獲得了廣泛應(yīng)用，直線式電磁振動(dòng)送料器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由料盤、電磁鐵、主振彈簧片、底座和橡膠底腳等組成。

其工作原理是:當(dāng)電源接通，激振電磁鐵產(chǎn)生吸力，在電磁吸力作用下，料盤（頂盤）偏離靜平衡位置向下移動(dòng)，并且迫使彈簧片產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)電磁吸力消失時(shí)，由于彈簧片已儲(chǔ)存了足夠的彈性變形能，迫使料盤急劇改變運(yùn)動(dòng)方向，并且超越原來(lái)的靜平衡位置達(dá)到某一上限。如此上下循環(huán)往復(fù)，形成高頻微幅振動(dòng)，同時(shí)促使料盤內(nèi)被供送物件沿著直線滑道作快速平穩(wěn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并自動(dòng)定向排列，最后逐個(gè)由排料口排出［1］。

近年來(lái)由于電子技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外研制開發(fā)的送料器變頻變壓電源，使得直線式電磁送料器的輸送速度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，更好地滿足了工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的要求。但目前的直線式電磁振動(dòng)送料器仍然存在體積大、重量大;結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整不方便;工作噪聲大;消耗能源大等缺點(diǎn)。

1.2 直線式壓電振動(dòng)送料器

1977年日本科技人員利用壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)源［2］，研制出直線式壓電振動(dòng)送料器，較好地解決了電磁振動(dòng)送料器存在的問(wèn)題。日本在壓電振動(dòng)送料裝置的理論、設(shè)計(jì)與計(jì)算的研究比較深入完整，也推出了多種直線式壓電振動(dòng)送料裝置。在國(guó)內(nèi)，吉林大學(xué)壓電驅(qū)動(dòng)研究中心對(duì)直線式壓電振動(dòng)送料器進(jìn)行了深入研究，并申請(qǐng)了送料器專利。目前研發(fā)的直線式壓電振動(dòng)送料器有四種形式:分別是直接驅(qū)動(dòng)式、慣性驅(qū)動(dòng)式、垂直驅(qū)動(dòng)式和行波驅(qū)動(dòng)式。

日本Sanki公司研制的直接驅(qū)動(dòng)式壓電振動(dòng)送料器如圖2所示，它由頂盤、壓電雙晶片、彈簧片和底座等組成。工作時(shí)在壓電雙晶片上施加交流電壓使之彎曲振動(dòng)，與壓電雙晶片固定連接的彈簧片隨之彎曲振動(dòng)從而帶動(dòng)頂盤偏離靜平衡位置產(chǎn)生上下與左右搖擺的復(fù)合振動(dòng)，從而使物料按照直線方向進(jìn)行輸送。

日本學(xué)者加藤一路等［3］研制的慣性驅(qū)動(dòng)式壓電振動(dòng)送料器如圖3所示，它由頂盤、壓電雙晶片、慣性塊、支撐彈簧片和底座等組成。給頂盤上的壓電雙晶片施加交流電壓，壓電雙晶片和慣性塊組成的壓電振子產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，其振動(dòng)通過(guò)頂盤傳遞給支撐彈簧片，從而帶動(dòng)支撐彈簧片發(fā)生彈性變形，形成了上下與左右搖擺的復(fù)合振動(dòng)，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)物料輸送的能力。

吉林大學(xué)的張長(zhǎng)健等［4］人研制的垂直驅(qū)動(dòng)式壓電振動(dòng)送料器如圖4所示，它由頂盤、圓形壓電雙晶片、彈性調(diào)整片、支撐彈簧片和底座等組成。基本工作原理是:給圓形壓電雙晶片施加交流電壓，圓形壓電雙晶片所產(chǎn)生的彎曲振動(dòng)通過(guò)與彈性調(diào)整片配合垂直作用于頂盤，并帶動(dòng)支撐彈簧片發(fā)生彈性變形，形成頂盤表面的上下與左右搖擺的復(fù)合振動(dòng)，從而構(gòu)成驅(qū)動(dòng)物料直線移動(dòng)的能力。

臺(tái)灣中原大學(xué)的Yung Ting教授［5］研制了一種行波驅(qū)動(dòng)式壓電振動(dòng)給料器如圖5所示，它由一組連接在一起的雙壓電晶片和固定在壓電雙晶片上的平板組成，通過(guò)給奇數(shù)和偶數(shù)位置壓電雙晶片施加相位不同的交流電壓信號(hào)從而使其產(chǎn)生行波，帶動(dòng)物料產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，形成了直線輸送物料的能力。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

直線式壓電振動(dòng)送料器，由于采用壓電陶瓷元件作為其驅(qū)動(dòng)部件，相比傳統(tǒng)的電磁振動(dòng)送料器具有以下特點(diǎn):

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝和維護(hù)更加方便;

（2）應(yīng)用壓電片作為驅(qū)動(dòng)源，噪聲小，無(wú)需電動(dòng)機(jī)、電磁激振器等驅(qū)動(dòng)裝置，也無(wú)需軸、桿和皮帶等機(jī)械傳動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制作;

（3）改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的幅值、脈寬及頻率中的任意一個(gè)，都可以調(diào)節(jié)輸送率，控制參數(shù)多，可控性好;

（4）不產(chǎn)生干擾電磁場(chǎng)，也不受電磁干擾信號(hào)的影響;

（5）在共振狀態(tài)下工作，因此能量消耗少;

（6）驅(qū)動(dòng)力略顯不足，無(wú)法輸送過(guò)重的料件，因此這類裝置大多應(yīng)用于物料的微量或精量輸送。

1.3 直線式超聲波振動(dòng)送料器

近幾年，隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型的超聲波振動(dòng)送料裝置。日本最早對(duì)超聲波振動(dòng)輸送裝置進(jìn)行了研究，在實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用方面都處于領(lǐng)先地位。超聲波振動(dòng)輸送裝置是超聲馬達(dá)技術(shù)的延伸，是對(duì)傳統(tǒng)振動(dòng)送料裝置的改進(jìn)，但是在原理上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同于傳統(tǒng)的送料裝置。其原理是利用20 kHz以上頻率的超聲波代替?zhèn)鹘y(tǒng)振動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)給料器工作，從而形成一種噪聲小、無(wú)電磁干擾、輸送速度快、能夠輸送輕薄細(xì)小物料而且不污染環(huán)境的新型振動(dòng)給料技術(shù)?，F(xiàn)在研究出的超聲波輸送裝置主要有以下兩種:

第一種超聲波輸送裝置如圖6所示，振動(dòng)平臺(tái)下固定兩個(gè)換能器，一個(gè)發(fā)射聲波，一個(gè)接收聲波，通過(guò)在振動(dòng)平臺(tái)上形成的行波來(lái)輸送物體［6］。

另一種是Takeh iro Takano教授［7］研制的基于超聲波的粉體輸送裝置如圖7所示。超聲波粉體輸送裝置在原理上完全不同于傳統(tǒng)的粉體輸送裝置，它是利用環(huán)形壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的超聲振動(dòng)在輸送管中激起衰減行波，該衰減行波導(dǎo)致輸送管管壁質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)粉體運(yùn)動(dòng)。作為一種新型的粉體輸送裝置，行波型超聲粉體輸送裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于少量或微量粉體物料的精確定量輸送，在化工、食品和制藥等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 直線式振動(dòng)送料器發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外直線式振動(dòng)送料器發(fā)展現(xiàn)狀分析，未來(lái)直線式振動(dòng)送料器將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展:

（1）驅(qū)動(dòng)方式多樣化。送料器從早期的單一電磁鐵驅(qū)動(dòng)發(fā)展到現(xiàn)在的壓電、超聲波等多種驅(qū)動(dòng)方式，以適應(yīng)不同物料的輸送要求。

（2）驅(qū)動(dòng)控制智能化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，送料器控制器對(duì)送料器電壓、頻率等參數(shù)可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整，通過(guò)增加傳感器實(shí)現(xiàn)送料器輸送的智能化控制。

（3）送料裝置低噪聲。早期的電磁鐵驅(qū)動(dòng)方式使得送料器在工作時(shí)產(chǎn)生了很大的噪聲，最新研究的超聲波驅(qū)動(dòng)方式，由于系統(tǒng)工作在超聲頻率，送料器的工作噪聲顯著降低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)目前存在的多種直線式振動(dòng)送料器逐一進(jìn)行了分析比較，從結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍方面做了較為詳細(xì)的論述，并展望了未來(lái)送料器發(fā)展趨勢(shì)。在能源日益緊缺的當(dāng)今世界，節(jié)能型低噪音振動(dòng)送料器的研究日益受到各國(guó)科學(xué)家的重視，特別是壓電振動(dòng)送料器在國(guó)外一些生產(chǎn)線上得到了廣泛應(yīng)用。在全社會(huì)倡導(dǎo)節(jié)能和不斷改善工人工作環(huán)境的的背景下，更多新型的振動(dòng)送料器還有待于我們進(jìn)一步研究和開發(fā)。

［1］湯瑞.輕工機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1992:55－71.

［2］特殊陶業(yè)株式會(huì)社.壓電振動(dòng)搬送裝置.日本，52－61087［P］.1977－5－4.

［3］加藤一路，藤井隆良.壓電驅(qū)動(dòng)型送料器以及壓電元件驅(qū)動(dòng)型送料器.日本，CN1380234A［P］.2002－11－20.

［4］張長(zhǎng)健.垂直驅(qū)動(dòng)式壓電直線振動(dòng)給料器的機(jī)理分析及實(shí)驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2007.

［5］Yung Ting，Ho－Chin Jar，Chung－Yi Lin，et al.A new typeof parts feeder driven by bimorph piezo actuator［J］.Ultrasonics，2005，43（7）:566－573.

［6］上羽貞行.超聲波馬達(dá)的理論與運(yùn)用［M］.楊志剛，譯.上海:上?？萍汲霭嫔纾?998:46－50.

［7］Takeh iro Takano，Yo sh iro Tomikawa.Excitation of a progressive wave in lossy ultrasonic transmission line and an application to a powder feeding device［J］.SmartStract，1998（7）:417－421.