圓盤解耦式振動(dòng)料斗的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

韓 良，凌少欽，顏凱歌

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 211189)

工件的定向與傳輸是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其相關(guān)成本約占制造設(shè)備總成本的15%[1,2]。振動(dòng)傳輸是實(shí)際生產(chǎn)中最重要的一種定向與傳輸方法，廣泛應(yīng)用于電子元件制造業(yè)以及醫(yī)療、食品、煙草、礦山以及軍事等行業(yè)。其主要優(yōu)點(diǎn)是：上料平穩(wěn)，易于調(diào)節(jié)維護(hù)，易于標(biāo)準(zhǔn)化，系列化，通用化，適用范圍廣。然而，在振動(dòng)傳輸裝置的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中存在著一些突出的棘手問(wèn)題：定向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工難度大，送料率不夠理想，能耗較高，穩(wěn)定性較差，工件堵塞率高等問(wèn)題。有時(shí)對(duì)于一些形狀復(fù)雜的工件，其相應(yīng)的定向機(jī)構(gòu)幾乎難以用通常的視圖來(lái)表達(dá)，在實(shí)際制造與加工過(guò)程中，只能邊調(diào)整邊修磨，加工周期很長(zhǎng)[3]。

為解決這一問(wèn)題，本課題組于1998年首次提出解耦式振動(dòng)傳輸（Decoupled Vibratory Feeding）概念[4]，并相繼于2001年首次將解耦式振動(dòng)傳輸裝置與機(jī)器視覺(jué)、振動(dòng)傳感器以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集成在一起，提出一種全新的智能化柔性振動(dòng)傳輸系統(tǒng)（Sensor-based Flexible Vibratory Feeding System）[5]，隨后研發(fā)了智能化柔性振動(dòng)傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該系統(tǒng)不僅可以在無(wú)須改變料盤機(jī)械結(jié)構(gòu)的前提下就能夠?qū)Χ喾N工件實(shí)現(xiàn)定向與傳輸，而且可以對(duì)具有不同摩擦系數(shù)的工件進(jìn)行最優(yōu)傳輸（以最小的能耗實(shí)現(xiàn)最高的傳輸速率）。在傳統(tǒng)的振動(dòng)傳輸裝置中，水平方向的振動(dòng)與垂直方向上的振動(dòng)耦合在一起，同步進(jìn)行，即兩方向上的振動(dòng)信號(hào)的相位角固定為零（同相），不可進(jìn)行任何調(diào)整。而且，一旦裝置制造完成并投入使用之后，其振動(dòng)升角相應(yīng)固定，也難以進(jìn)行任何有效調(diào)整[6-8]。而解耦式振動(dòng)傳輸則完全不同，其水平方向上的振動(dòng)與垂直方向上的振動(dòng)完全解耦，可獨(dú)立產(chǎn)生并可分別進(jìn)行獨(dú)立控制。這樣，上述兩方向上的振動(dòng)信號(hào)可有不同的頻率、幅值比和相位差。振動(dòng)升角也不再是固定值，而是隨兩信號(hào)幅值比的改變而取不同的值。

天津大學(xué)2005年研究開(kāi)發(fā)的一種柔性振動(dòng)供料器產(chǎn)品平臺(tái)[9-11]，它是將與底座有一定夾角的板彈簧替換為水平板彈簧和垂直板彈簧兩部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)獨(dú)立，分別實(shí)現(xiàn)垂直振動(dòng)和水平扭轉(zhuǎn)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)合成實(shí)現(xiàn)螺旋槽工作面按一定角度和旋向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。因此，兩路振動(dòng)的幅值大小由各自的驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立改變，而其相位關(guān)系也可隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位及振動(dòng)系統(tǒng)的頻率特性的不同而變化。天津工業(yè)大學(xué)2008年研發(fā)的新型直線解耦式電磁振動(dòng)供料器[12]，其水平電磁線圈和垂直電磁線圈分別由兩路控制系統(tǒng)控制，兩路電壓大小、頻率值可調(diào)節(jié)；垂直電磁線圈和水平電磁線圈通電后，各產(chǎn)生一個(gè)垂直脈沖電磁力和水平脈沖電磁力，驅(qū)動(dòng)水平主振彈簧和垂直主振彈簧各自發(fā)生變形。銜鐵與鐵芯之間脈沖電磁力做周期性的變化，垂直作用力使料槽上下振動(dòng)，而水平作用力使料槽左右振動(dòng)，合成后使料槽振動(dòng)方向與水平方向成一定夾角，且?jiàn)A角可以通過(guò)控制上下和左右的振動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制物料的運(yùn)動(dòng)。日本神鋼電機(jī)株式會(huì)社2003年推出了解耦式振動(dòng)料斗（Dual Motion Parts Feeders）產(chǎn)品[13]，以 ATmegal16 單片機(jī)為核心，金屬接近傳感器為反饋單元，采用PWM脈寬調(diào)制控制，可控硅作驅(qū)動(dòng)，單獨(dú)給予料斗水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)的振幅和相位差，不論什么樣的物料都能得到較好的振動(dòng)特性。

雖然解耦式振動(dòng)料斗具有優(yōu)良的特點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)振動(dòng)傳輸系統(tǒng)的不足，但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)解耦式振動(dòng)料斗的研究還處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)制造的生產(chǎn)廠商。因此對(duì)解耦式振動(dòng)料斗機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工件傳輸速度和振動(dòng)參數(shù)間關(guān)系的研究有著重要的意義。

1 解耦式振動(dòng)料斗的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

解耦式振動(dòng)料斗區(qū)別于傳統(tǒng)的電磁振動(dòng)料斗的一個(gè)突出特征就是它的料槽在水平和豎直方向上的振動(dòng)是解耦的，互不相關(guān)的，而且分別由兩組電磁鐵驅(qū)動(dòng)，這樣就使得解耦式振動(dòng)料斗的機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的料斗有著巨大的差別[14]。解耦式振動(dòng)料斗的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括激振器、彈性系統(tǒng)、圓形料盤和減震器組成。料盤的形狀決定于傳輸工件的形狀、定向方法和裝載量，在生產(chǎn)中最常用的有帶螺旋槽的圓柱形料盤和圓錐形料盤。振動(dòng)傳輸工件的具體情況對(duì)料盤及定向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了不同的要求，所以在此并不對(duì)特定的物料進(jìn)行設(shè)計(jì)。減震器一般采用圓柱形彈簧和橡膠彈簧，橡膠作為一種高分子材料，具有良好的彈性，可根據(jù)不同規(guī)格的料斗采用不同的錐形橡膠墊腳。下面將會(huì)針對(duì)激振器和彈性系統(tǒng)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 激振器的設(shè)計(jì)

電磁鐵是利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵或保持某種機(jī)械零件、工件于固定位置的一種電器。銜鐵的動(dòng)作可使與其相連接的機(jī)械裝置發(fā)生聯(lián)動(dòng)。電磁鐵主要由線圈、靜鐵及動(dòng)鐵三部分組成，如圖1所示。

圖1 電磁鐵的基本組成

在具體的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，可以根據(jù)產(chǎn)品用途、使用條件等因素選擇直流或交流電磁鐵。而為能正確選擇合適的電磁鐵，需要初步確定激振力大小。當(dāng)振動(dòng)料斗的激振力是周期性諧波力時(shí)，通過(guò)建立其微分方程進(jìn)行求解，可推導(dǎo)出激振力的計(jì)算公式：

其中，λ 為頻率比，λ=ω/ω0；

f0為料斗固有頻率，f0=1/ω0；

m1為振動(dòng)料斗的上部質(zhì)量，包括料盤、銜鐵等；

a1為質(zhì)量的振幅；

b為衰減系數(shù)，。

由式 (1)可以看出所需的激振力與振幅成正比，在本系統(tǒng)中，由此公式可推出水平安裝電磁鐵的條件。若略去阻尼值，則式(1)可以變?yōu)椋?/p>

由激振力計(jì)算公式可知，阻尼系數(shù)的選定對(duì)激振力F的計(jì)算，以及給料器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)均有影響。實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)傳感器測(cè)試其振幅，反推激振力的大小。同時(shí)使用電磁鐵時(shí)要注意，氣隙對(duì)料斗工作影響很大。氣隙值太大，則電磁吸力不足，影響送料；反之，若氣隙太小或等于零，會(huì)使銜鐵與鐵芯相撞產(chǎn)生噪音，破壞振動(dòng)節(jié)奏，影響正常工作?？傊广曡F被吸后，仍保留一個(gè)最小氣隙，一般取0.1～0.3 mm。

1.2 彈性系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彈性系統(tǒng)為整個(gè)解耦料斗機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心[15]，主要涉及板彈簧的空間布局、板彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算及參振框架的設(shè)計(jì)，彈性系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括豎直方向和水平方向的設(shè)計(jì)。豎直方向的板彈簧擬采用切向的布置，如圖2（a）所示。水平方向的板彈簧擬采用垂直放置，如圖2（b）所示。

圖2 板彈簧的空間位置

振動(dòng)料斗的固有角頻率ω0與支承彈簧的剛度K1有關(guān)，即，若選定頻率比z時(shí)，即可由選擇定的激振頻率確定系統(tǒng)所需的固有頻率ω0[16]。在給定M時(shí)，就可由固有頻率公式算出支承彈簧的剛度K1。根據(jù)特定的支承彈簧剛度，然后結(jié)合不同的安裝方式，按材料力學(xué)即可求出彈簧截面尺寸及其最小工作長(zhǎng)度。

支撐彈簧剛度對(duì)工作性能有很大影響，故在振動(dòng)料斗的設(shè)計(jì)計(jì)算中，彈簧剛度應(yīng)滿足振動(dòng)系統(tǒng)處于亞共振狀態(tài)。為此彈簧剛度應(yīng)滿足系統(tǒng)固有角頻率的要求，即：

如果有i根支承彈簧，則每根彈簧的剛度K1'為 K1'=K1/i，則

其中：i為支承彈簧的數(shù)量，一般i=3或4；

f0為系統(tǒng)的固有頻率(Hz)，一般f0=(1.05～1.1)f（f為電磁鐵外激頻率）；

M為振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量（kg）。

對(duì)于支撐彈簧，可按兩端完全固結(jié)的彈簧計(jì)算，其剛度可由下式求得：

其中：E為彈簧材料的彈性模量（Pa）；

Ia為彈簧截面的慣性矩（m4）。

若 i=3，由式(4)、式(5)，得：

因?yàn)榘鍙椈山孛鎽T性矩為Ia=bh3/12，使式(5)和式(6)相等，得：

其中：h為彈簧厚度（m），一般為(2～3)×10-3m；

b為彈簧寬度（m），一般為(15～20)×10-3m。

彈簧最小長(zhǎng)度lmin應(yīng)以彈簧的最大應(yīng)力σmax不超過(guò)允許的對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞許用應(yīng)力[σ-1]為準(zhǔn)，即

在補(bǔ)短板的同時(shí)，也要把發(fā)動(dòng)群眾的工作放在第一位。堅(jiān)持黨的群眾路線，要始終堅(jiān)持“兩個(gè)一切”，一個(gè)是一切為了群眾，另一個(gè)是一切依靠群眾?，F(xiàn)在司法所面臨的所有困難，應(yīng)該用這兩句話來(lái)尋找突破。依靠群眾，群眾是我們力量的源泉。不管你這個(gè)所是一個(gè)人，是五個(gè)人，還是十個(gè)人，都不能離開(kāi)發(fā)動(dòng)群眾，要充分把群眾發(fā)動(dòng)起來(lái)，共同治理社會(huì)，這也是習(xí)近平總書記反復(fù)強(qiáng)調(diào)的“共建、共治、共享”。在司法所建設(shè)當(dāng)中，我們一定要把共治做到位。別說(shuō)你人不夠，就是有再充分的力量，光依靠我們自己的力量，沒(méi)有發(fā)動(dòng)群眾、沒(méi)有群眾的支持，什么工作也做不好。

對(duì)于這種兩端緊固的支承彈簧，其最大彎曲力矩 Mmax為 Mmax=6EIay/l2，故

其中：Mmax為最大彎曲力矩（N·m）；

W 為彈簧抗彎截面模量（m3），W=bh2/6；

y為彈簧撓度（m）。

同理，先將式(8)和式(9)，可得

根據(jù)上述分析，即可求出支撐板彈簧的剛度、截面尺寸和最小工作長(zhǎng)度，這是解耦料斗中設(shè)計(jì)其它零件的先決條件。通過(guò)以上的分析，可以初步設(shè)計(jì)出解耦式振動(dòng)料斗的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，其初步的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 解耦式振動(dòng)料斗機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了更直接可靠地研究該系統(tǒng)參數(shù)間的關(guān)系，需要對(duì)解耦式振動(dòng)料斗樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從而論證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究振動(dòng)傳輸工件與水平和垂直兩方向振動(dòng)幅值、相位差之間的關(guān)系，并由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證振動(dòng)料斗的最佳工作參數(shù)。

2.1 振幅對(duì)傳輸速度的影響

水平、豎直兩方向上的振動(dòng)頻率相同、相位差為一定，在這些條件下，研究豎直方向振動(dòng)與水平方向振動(dòng)振幅按比值為tanβ取一系列值時(shí)，送料率的情況，即不同振幅對(duì)工件傳送速度的影響。

激振頻率選擇99 Hz；選擇一個(gè)相位差，在這里選擇的λ約106°。在取得一個(gè)豎直方向上的加速幅值以后，調(diào)整水平振幅，測(cè)出此時(shí)工件從一端到另一端所用的時(shí)間，依此方式，取得一系列的數(shù)值，然后計(jì)算出工件平均速度以及此時(shí)相對(duì)應(yīng)的豎直和水平方向上的振幅，以豎直方向上的振幅與重力加速度的比值作為橫坐標(biāo)，以工件速度的絕對(duì)值為縱坐標(biāo)，做出折線圖如圖4所示。

圖4 加速度幅值與工件傳輸速度關(guān)系曲線

2.2 相位差對(duì)傳輸速度的影響

水平、豎直兩方向上的振動(dòng)頻率相同、振幅一定、振動(dòng)升角約為25°、豎直方向上的振動(dòng)約為重力加速度的1.1倍，在這些條件下，研究豎直方向振動(dòng)與水平方向的振動(dòng)不同相位時(shí)，送料率的情況，即不同的相位差對(duì)工件傳送速度的影響。

首先做的是相位差對(duì)工件傳送速度的影響的實(shí)驗(yàn)，將系統(tǒng)調(diào)整好以后，在360°的范圍內(nèi)以間隔為3.6°的步幅提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓，盡可能多的取得符合條件的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的參數(shù)，同一狀態(tài)時(shí)，在示波器上可以直接獲得的相位差數(shù)據(jù)是以毫秒為單位的時(shí)間t，則相位差λ可以由下式獲得：

其中：t為豎直水平方向上的振動(dòng)滯后于水平方向上的振動(dòng)的時(shí)間，單位為ms；

λ為相位差，單位為度（°）。

由秒表可以讀出工件由料盤一端運(yùn)動(dòng)到另一端的時(shí)間T，用卷尺量出工件運(yùn)動(dòng)的距離S，則工件運(yùn)動(dòng)的平均速度V可以由下式算出：

其中：V為工件平均速度，單位為mm/s，工件逆時(shí)針移動(dòng)V記為正，反之，記為負(fù)；

S為工件運(yùn)動(dòng)距離，單位為mm；

T為工件運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，單位為s。

在分別得到工件運(yùn)動(dòng)的速度和其相對(duì)應(yīng)的相位差以后，作出折線如圖5所示。

圖5 相位差與工件傳送速度關(guān)系曲線

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與總結(jié)

由相位差實(shí)驗(yàn)可以得到，在頻率、振幅、振動(dòng)升角以及摩擦系數(shù)、料槽升角都不變的情況下，僅僅改變相位差，此時(shí)，在相位差分別約為-54°和103°時(shí)，工件傳送速度最快，也標(biāo)志著上料效率最高，明顯要比相位差為零時(shí)傳送效率高許多，另外工件可以實(shí)現(xiàn)正方雙向運(yùn)動(dòng)。

由振幅實(shí)驗(yàn)可以看出，在相位一定時(shí)，同時(shí)振動(dòng)升角、驅(qū)動(dòng)頻率等其他條件都不變時(shí)，工件傳送速度與料槽在水平和豎直方向上的振動(dòng)加速度幅值呈正比。這一點(diǎn)，就是傳統(tǒng)的料斗調(diào)節(jié)送料速度的唯一方式。這一點(diǎn)說(shuō)明，解耦式振動(dòng)料斗兼有傳統(tǒng)料斗的優(yōu)點(diǎn)，解耦式振動(dòng)料斗與傳統(tǒng)的振動(dòng)料斗在振幅對(duì)送料率的影響這一參數(shù)上是一致的。

3 結(jié) 論

本文對(duì)圓盤解耦式振動(dòng)料斗的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，給出了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，推導(dǎo)了激振器的激振力、支撐板彈簧的剛度、截面尺寸和最小工作長(zhǎng)度的計(jì)算方法，為解耦式振動(dòng)料斗具體產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，特別是圓盤型振動(dòng)料斗，提供了通用性、系列化的方案選擇，而各具體部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算，可為產(chǎn)品化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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