圆盘解耦式振动料斗的机械结构设计与实验研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

M echanical Structure Design and Experimental Study onBowl Type Decoupled Vibratory FeederHAN Liang，LING Shaoqin，YAN Kaige(School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 2 1 1 1 89，China)Abstract：This paper analyses the mechanical structure and vibratory characteristics of bowl typedecoupled vibratory feeder.A kind of mechanical structure design has been proposed.Throughcontroling acceleration amplitude and phase diference in experiments，decoupled vibratory feedermakes optimal covey speed，and the amplitude and phase difference are obtained，which proves thatmechanical structure design is reasonable。

Keywords：Decoupled vibratory feeder；M echanical structure；Amplitude；Phase diference工件的定向与传输是实现制造业生产 自动化的关键技术之-。据统计，其相关成本约 占制造设备总成本的 15%l1 。振动传输是实际生产中最重要的-种定向与传输方法，广泛应用于电子元件制造业以及医疗、食品、烟草、矿 山以及军事等行收稿 日期 ：2013-03.13基金项目：国家 自然科学基金项 目(51275087)业。其主要优点是：上料平稳，易于调节维护，易于标准化，系列化，通用化，适用范围广。然而，在振动传输装置的设计与制造过程中存在着-些突出的棘手问题：定向机构的设计和加工难度大，送料率不够理想，能耗较高，稳定性较差，工件堵塞率匝豳 (总第218 gq)(电子制造设备自动化研究 电 字 工 业 毫 用 设 备 -高等问题。有时对于-些形状复杂的工件，其相应的定向机构几乎难 以用通常的视图来表达，在实际制造与加工过程中，只能边调整边修磨，加工周期很长[ 。

为解决这-问题，本课题组于 1998年首次提出解耦式振动传输 (Decoupled Vibratory Feeding)概念4]，并相继于 2001年首次将解耦式振动传输装置与机器视觉、振动传感器以及计算机控制系统集成在-起，提出-种全新的智能化柔性振动传输系统 (Sensor.based Flexible Vibratory FeedingSystem)5J，随后研发了智能化柔性振动传输系统实验平台，该系统不仅可以在无须改变料盘机械结构的前提下就能够对多种工件实现定向与传输，而且可以对具有不同摩擦系数的工件进行最优传输 (以最小的能耗实现最高的传输速率)。在传统的振动传输装置中，水平方向的振动与垂直方向上的振动耦合在-起，同步进行，即两方向上的振动信号的相位角固定为零 (同相)，不可进行任何调整。而且，-旦装置制造完成并投入使用之后，其振动升角相应固定，也难 以进行任何有效调整 。而解耦式振动传输则完全不同，其水平方向上的振动与垂直方向上的振动完全解耦，可独立产生并可分别进行独立控制。这样，上述两方向上的振动信号可有不同的频率、幅值 比和相位差。

振动升角也不再是固定值，而是随两信号幅值 比的改变而取不同的值。

天津大学 2005年研究开发的-种柔性振动供料器产品平台[9-1]，它是将与底座有-定夹角的板弹簧替换为水平板弹簧和垂直板弹簧两部分，机械结构独立，分别实现垂直振动和水平扭转，通过运动合成实现螺旋槽工作面按-定角度和旋向的复合运动。因此，两路振动的幅值大小由各 自的驱动器独立改变，而其相位关系也可随驱动信号的相位及振动系统的频率特性的不同而变化。天津工业大学 2008年研发的新型直线解耦式电磁振动供料器 [12，其水平 电磁线圈和垂直 电磁线圈分别由两路控制系统控制，两路电压大孝频率值可调节；垂直电磁线圈和水平电磁线圈通电后，各产生-个垂直脉冲 电磁力和水平脉冲 电磁力，驱动水平主振弹簧和垂直主振弹簧各 自发生变形。

衔铁与铁芯之间脉冲电磁力做周期性的变化，垂直作用力使料槽上下振动，而水平作用力使料槽左右振动，合成后使料槽振动方向与水平方向成- 定夹角，且夹角可以通过控制上下和左右的振动进行调节，从而控制物料的运动。日本神钢电机株式会社 2003年推 出了解耦式振动料斗 (DualMotion Pans Feeders)产 品[13]，以 ATmegal6单 片机为核心 ，金属接近传感器为反馈单元，采用PWM 脉宽调制控制，可控硅作驱动，单独给予料斗水平振动和垂直振动的振幅和相位差，不论什么样的物料都能得到较好的振动特性。

虽然解耦式振动料斗具有优 良的特点，能够弥补传统振动传输系统的不足，但是目前国内对解耦式振动料斗的研究还处于试验阶段，没有能够独立设计制造的生产厂商。因此对解耦式振动料斗机械结构设计、工件传输速度和振动参数问关系的研究有着重要的意义。

1 解耦式振动料斗的机械结构设计解耦式振动料斗区别于传统的电磁振动料斗的-个突出特征就是它的料槽在水平和竖直方向上的振动是解耦的，互不相关的，而且分别由两组电磁铁驱动，这样就使得解耦式振动料斗的机械结构与传统的料斗有着 巨大的差别[14♀耦式振动料斗的机械结构主要包括激振器、弹性系统、圆形料盘和减震器组成。料盘的形状决定于传输工件的形状、定向方法和装载量，在生产中最常用的有带螺旋槽的圆柱形料盘和圆锥形料盘。振动传输工件的具体情况对料盘及定向机构的设计提出了不同的要求，所 以在此并不对特定的物料进行设计。减震器-般采用圆柱形弹簧和橡胶弹簧，橡胶作为-种高分子材料，具有 良好的弹性，可根据不同规格的料斗采用不同的锥形橡胶垫脚。下面将会针对激振器和弹性系统分别进行设计。

1.1激振器的设计电磁铁是利用通电的铁心线圈吸引衔铁或保持某种机械零件、工件于固定位置的-种电器。衔铁的动作可使与其相连接的机械装置发生联动。

电子制造设备自动化研究 于 首目功 针笼力：0 mm时 10 kg。

2.1振幅对传 输速 度的影 响水平、竖直两方向上的振动频率相同、相位差为-定，在这些条件下，研究竖直方向振动与水平方向振动振幅按比值为 ta 取-系列值时，送料率的情况，即不同振幅对工件传送速度的影响。

激振频率选择 99 Hz；选择-个相位差，在这里选择的 A约 106。。在取得-个竖直方向上的加速幅值 以后 ，调整水平振幅，测出此时工件从～ 端到另-端所用的时间，依此方式 ，取得-系列的数值，然后计算出工件平均速度以及此时相对应的竖直和水平方向上的振幅，以竖直方 向上的振幅与重力加速度的比值作为横坐标 ，以工件速度的绝对值 为纵坐标 ，做 出折线 图如图 4所示。

藿 /r /厂 /////卢 I// 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 An/gEj亟亟 三垂匦 图 4 加 速度 幅值与 工件 传输速 度 关 系曲线2.2相位差对传输速度的影响水平 、竖直两方 向上的振动频率相 同、振 幅- 定、振动升角约为 25。、竖直方向上 的振动约为重力加速度的 1.1倍 ，在这些条件下，研 究竖直方 向振动与水平方 向的振动不 同相位 时，送料率的情况，即不 同的相位差对工件传送速度的影响。

首先做的是相位差对工件传送速度的影响的实验 ，将系统调整好 以后，在 360。的范围内以间隔为 3.6。的步幅提供驱动信号电压，旧能多的取得符合条件的相对稳定状态时的参数，同-状态时，在示波器上可以直接获得的相位差数据是以毫秒为单位的时间 t，则相位差 A可以由下式获得：ft×360/23.2 (0≤t

由秒表可以读出工件由料盘-端运动到另-端的时间 ，用卷尺量出工件运动的距离 S，则工件运动的平均速度 可以由下式算出：Vs/T r12)其中： 为工件平均速度 ，单位为 mm/s，工件逆时针移动 记为正，反之，记为负；S为工件运动距离，单位为 mm；为工件运动的时间，单位为 s。

在分别得到工件运动的速度和其相对应的相位差以后，作出折线如图 5所示。

- ：激振频率 99Hz，振动升角 25。，竖直方向 1.1g//， / / / - 200 -l5O -100 -50 50 100 150 20C/ / / ，/-相位差 /。

图 5 相 位 差与 工件 传送 速度 关 系曲线2.3实验数据分析与总结由相位差实验可 以得到，在频率、振幅、振动升角以及摩擦系数、料槽升角都不变的情况下，仅仅改变相位差，此时，在相位差分别约为 -54。和103。时，工件传送速度最快，也标志着上料效率最高，明显要比相位差为零时传送效率高许多，另外工件可以实现正方双向运动。

由振幅实验可以看出，在相位-定时，同时振动升角、驱动频率等其他条件都不变时，工件传送速度与料槽在水平和竖直方 向上 的振动加速度幅值呈正比。这-点，就是传统的料斗调节：3∞ 如 ∞ 如 加皇 羹塑鱼自 窒-- 团 送料速度的唯-方式。这-点说明，解耦式振动料斗兼有传统料斗的优点，解耦式振动料斗与传统的振动料斗在振幅对送料率的影响这-参数上是-致的。

3 结 论本文对圆盘解耦式振动料斗的振动系统进行了分析，给出了机械结构的设计方案，推导了激振器的激振力、支撑板弹簧的刚度、截面尺寸和最小工作长度的计算方法，为解耦式振动料斗具体产品的开发，特别是圆盘型振动料斗，提供了通用性、系列化的方案选择，而各具体部分的设计和计算，可为产品化设计提供依据。