压电振动给料技术及装置的研究进展

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振动输送是近代发展起来的-种先进的物料整理输送技术，它利用激振源使槽体产生定向振动，将物料从某-位置输送至另-位置。振动输送装置根据输送物料的质量不同可分为重型、轻型和微型，按运动形式可分为直线槽式和螺旋圆盘式，按驱动方式不同可分为机械式、电磁式和压电式。

20世纪 80年代初，鉴于机械式振动给料器不适于微量的物料输送；电磁振动给料器也不适于油污、水渍环境下的易磁化或微蝎细物料的输送；由于机械制造行业的微机械加工、装配工作中的零件趋于向轻、雹小的方向发展，电子及电器行业生产中需要无磁化的电子元器件的整理和输送，食品和医药行业生产中的微量物料的计量、输送等也需要精细振动给料 J，至此利用压电陶瓷晶片作为驱动源，实现微小物料的精确输送及整理的压电振动给料装置应运而生。压电振动给料器是利用压电晶片的逆压电效应产生振动，具有高频、微幅、微量的特征，且具有体积孝低噪声、响应快、节能、方便控制等优点，近年来得到迅速发展。

1 压电驱动技术1881年居里兄弟首先在 仅石英晶体上发现了逆压电效应，某些电介质晶体置于电场中，会引起其内部正负电荷中心发生相对位移产生应力，从而使晶体产生与电场强度成线性关系的机械形变的现象称为逆压电效应 。1947年美国的罗收稿日期：2012-03-05； 修稿日期：2013-03-l1 ·作者简介：孙智慧(1962-)，男，教授，博士生导师，研究方向包装机械设计理论及智能化，通信地址：150028黑龙江哈 尔滨市松北区学褐 1号 哈 尔滨商业大学轻工学院。E-mail：Sunzhihui1962###163.toni。

55包装与食品机械 2013年第3l卷第3期伯特在 Bario 陶瓷上施加电压进行极化处理，获得了压电陶瓷的压电性，1955年美国的 B.贾菲发现了比 BaTiO 的压 电性优越的 PZT压电陶瓷4 J，使压电驱动技术得到快速发展。

目前，常用的压电驱动元件有压电叠堆型与双压电晶片型两种。压电叠堆型是利用压电效应将电能转换为位移或力之类机械能的陶瓷元件。

如图 1所示，它由很多相同的压电陶瓷片叠堆粘接而成，其极化方向沿压电叠堆轴向方向，压电叠堆振子具有高效、高能、超精驱动等优点，可用作微小驱动的动力源。

以悬臂梁支撑方式的双压电晶片振子为例，其结构如图2所示，两压电片中间粘结-弹性金属薄片，当在压电片上施加适当电压时，极化方向相同的两压电片产生变形。悬臂梁式压电双晶片振子末端的位移为 J： (41 /4L )d31V式中 Z--双晶片长度- - 悬臂梁长度d， --压电材料的压电常数- - 激振电压可见，改变压电驱动器的几何尺寸，选择压电系数大的压电材料，增大激振电压均可获得较大的偏位移。由偏转位移得到的激振力大小为：F(3dlll61 )d31E式中 d--压电晶片的宽度E--双晶片杨氏模量双压电晶片振子与叠堆振子相比具有成本低、驱动位移大等优点。

56变形厚度图 1 压电叠堆振子结构PZT层 金属层罐图 2 双压电晶片振子结构1982年日本人把压电驱动器作为振动给料装置的激振源，实现微小轻物料的精确输送和整理，并应用于工业生产。

基于先进压电驱动技术的激振源具有如下特点：(1)-般压 电晶片运动位移 范围为 0-25 m，定位精度为15nm，可以满足微输送精度高的要求 ；(2)从电敞立到产生逆压电效应只需10- s，启动、停止迅速，响应速度快；(3)改变驱动电压或频率中的任何-个即可调整激振频率及输送速度，可控性好；(4)用压电片作为驱动源，不需要轴、杆等机械传动件，也不需要电磁和电机激振器等驱动装置，不会产生电磁干扰，并且易于制造 ；(5)相比电磁振动可节省70%的电能 ]，耗能少；(6)与传统振动方式相比，其工作频率高，振幅小，驱动力孝噪声小，适合于轻、雹小产品的微量或精量输送 j。

2 压电驱动振动给料装置的研究进展2.1 国外的研究进展日本在压电振动给料器的研究与应用方面居于世界的前列，早在1982年日本就有人申请了压电式振动给料器的专利，其后20年间，屋木晋、加藤-路、藤井隆良等申请了不同结构形式的压电振动给料器专利 。J。图3所示是采用压电双晶片驱动源与板弹簧并联的压电振动给料器，工作时在压电双晶片上施加交流电，压电双晶片和加振体组成的压电振子产生弯曲振动，振动通过与之连接的顶盘传递给板弹簧，从而使板弹簧产生弹性变形，实现物料的振动输送。图4所示是采用压电双晶片驱动源与板弹簧串联的压电振动给料器，其驱动元件采用-端固定于底座上的悬臂梁形式安装，可以增大与之串联的板簧端部的变形，从而增大料槽的位移，但是这种固定安装形式，给压电双晶片的弯曲振动带来约束，克服约束将会消耗更多能量。图5所示的压电振动给料器结构与图3相似，只是在-对压电晶片加上相位相反的交流电，使压电双晶片产生更大的弯曲变形，从而扩大料盘的振动位移。图6所示是美国的-种螺旋式压电振动送料器，其工作时在压电双晶片上施加交流电压，使晶片弯曲振动，迫使主振弹簧片产生弯曲变形，从而带动料盘做扭转振动，使料盘中的物料按照-定的顺序和方向进行压电振动给料技术及装置的研究进展--孙智慧，李伟输送和整理 引。青木登在 1988年对压电式给料器进行了深入的研究u引，其中对压电元件的特性、压电给料器的工作原理以及压电振动给料器的设计等进行系统的研究，确定了给料装置的系列尺寸标准，为压电振动给料器的产品化奠定基矗韩国继日本之后也做了大量的压电振动给料装置的研究工作，Inha大学的敏捷制造与系统实验室在2003年设计制造了新型的螺旋式压电振动给料器-l引，通过对其进行有限元模态分析得出螺旋式给料器在不同模态下的频率，并提出改进送料器对物料适应性和减少输送噪音的措施；Chung-YiLin教授研制了-种曲线式压电振动给料器 ]，它通过在其奇数和偶数压电双晶片驱动源上施加相位不同的电压信号，从而产生行波振动带动物料做曲线运动，实现物料的直线式输送。

l---- - 2r----- -- ----，l- 图6 螺旋式压电振动给料器1-料槽 2-弹簧片 3-压电双晶片4-底座 5-减振底角国外的压电式振动给料器已经商品化，成功应用于各种自动化生产线。

2.2 国内的研究进展国内对压电振动给料器的研究起步较晚，与发达国家相比还存在-定的差距。目前国内自动化生产线上使用的压电振动给料器大多来自于日本、美国等发达国家。国内开展压电振动给料器研究的单位有吉林大学、大连理工大学、天津大学等。

1995年曲祥普申请了关于压电振动料斗的专利 引，它是采用激振元件与支撑元件串联的结构，实现物料的微振动输送。1999年，天津大学的杜玉明教授等以电磁料斗为基础，借鉴国外的技术，利用反求理论和方法对压电振动给料器进行实物反求，通过反求制作出样机，进行试验研究，证明其设计的压电式振动给料器具有显著的节能降噪优势，为后续研究奠定了理论基础l 。

2000年大连理工大学焦其伟教授等用国产的压电晶片研制出直进式压电振动送料器及其智能化驱动电源。加 ，通过试验，分析结构参数对于振幅及固有频率的影响，实现压电振动给料装置的结构和参数优化，其新型智能化电源利用8031单片机为核心系统，在监控程序控制下可以输入200Hz以内任何频率的正弦波，通过软件实现启停、存储常用工作数据以及对振动给料器的工作进行反馈调节等功能。

2005年吉林大学陈忠奎、张长健通过正交试验设计对压电振动给料器的结构进行优化，得到垂直驱动式压电振动给料器 引，如图7所示，它采用圆形压电双晶片作为振动源，经试验证明圆形压电双晶片可以获得更大的驱动力，能够驱动大型号给料盘；新型压电驱动器将压电双晶片与弹簧片分开，使给料器输送性能更加稳定图7 垂直驱动式压电直线振动给料器筒图1-料槽 2-压电双晶片 3-弹性支撑片4-传振杆 5-底座 6-减振橡胶2005年吉林大学苏江通过对压电振动给料器进行结构优化设计，得到-种惯性式压电振动57包装与食品机械 2013年第31卷第3期给料器 。如图8所示，它将压电双晶片-端固定在顶盘上，另-端安装-质量块，利用质量块的惯性冲击力作为驱动源，当外加电压波形急剧变化时，会使双晶片输出的位移尧生急剧变化，从而使质量块产生惯性冲击力，这个惯性力构成了惯性式压电振动送料器的驱动力。通过试验证明惯性式振动给料器输送物料的速度比日本的压电振动给料器的送料速度明显提高。

l23456图8 惯性式压电振动给料器简图1-顶盘 2-压电双晶片 3-支撑弹簧4-惯性块 5-底座 6-减振橡胶2007年吉林大学乔忠智利用ANSYS软件对压电双晶片进行模态分析，得到-阶振型中心变形量最大，设计出利用压电片中心变形横向驱动实现弹簧片振动的横推式压电振动给料器，如图9所示 ]。通过整机试验，证明该结构具有结构简单、拆装方便、给料快速平稳、噪声小等特点 ]。

图9 横推式压电振动给料器简图1-料盘 2-主振弹簧 3-连接杆 4-支撑弹簧5-压电双晶片 6-底座 7-减振橡胶2007年吉林大学范尊强、赵立东采用三组压电双晶片作为压电送料器的激振源，设计了压电双晶片水平布置驱动式振动送料器，它改变了传统送料装置的驱动方式 ]，如图 10所示。通过建立横向悬臂式压电给料器的整体力学模型，用解析法分析了压电双晶片和主振弹簧片的弹性与压电送料器振幅的关系；在电源控制器中引入了嵌入式实时操作系统。经过试验证明，实时操58作系统可以提高驱动电源的软件效率和振动稳定性；应用模糊PID控制算法，实现了驱动电源随给料工作状态的变化而自动协调，所设计的专用电源输出正弦波频率变化范围较日本同类电源宽，有利于提高输送物料速度。

图10 水平布置式压电振动给料器简图1-顶盘 2-主振弹簧 3-压电双晶片4-底座 5-减振橡胶2010年大连交通大学李东明等在直立式压电振动给料器的基础上设计出-种斜拉式振动给料器，并对驱动技术进行研究 。。 J，如图 11所示。通过建立压电振动给料器的力学模型，计算给料器固有频率理论值，为设计控制电源频率提供参照；设计了基于 80C51和集成芯片SA4828数字化 SPWM控制器，实现了频率和电压幅值可调的数字化电源，使其的调频范围更宽。

图 1 1 斜拉式压电振动给料器简图1-料盘 2-主振弹簧 3-压电双晶片4-梯形块 5-底座 6-减振橡胶3 压电振动给料器存在的问题及发展趋势3.1 存在的问题国内外对于压电振动给料装置的研究已经取得了长足的进步，但是它的发展时间还较短，受压电材料、控制技术、结构、制造等方面的制约，其存在的主要问题如下。

(1)目前使用的压电材料主要依赖进口，成1 2 3 4 5 6 7 压电振动给料技术及装置的研究进展--孙智慧，李伟本高，国内压电材料需提高性能和降低成本；(2)在压电振动给料器的动力学分析中，直接假设其多个驱动源的物理参数与几何初始条件完全相同，并将其简化为单激振源进行分析，未考虑多个激振源共同作用时的机电耦合问题；(3)缺少双晶片的布置、驱动方式、支撑恢复板弹簧等对激振效果的深入系统研究；(4)国内压电振动给料器的产品较少，形式单-，需要开发系列产品，制定产品标准。

3.2 发展趋势通过对国内外压电振动给料器的发展历程的分析，压电振动给料器的发展趋势如下：(1)优化压电陶瓷的制备工艺，提高国产压电晶片的性能，降低成本；(2)研究多个压电激振源系统的振动耦合问题，实现多驱动的协同工作；(3)优化压电驱动振动给料器的结构，进-步降低噪声、能耗，提高效率；(4)开发系列化产品32 J，实现工业化生产；(5)开发给料电压与频率等参数在较大范围内可以调整的控制器，实现给料器输送的智能化控制。