压电振动送料装置的研究现状及其应用

1、压电振动送料装置的研究现状及其应用吴文福1、田忠静1.2、韩峰1(1.吉林大学 生物与农业工程学院,吉林 长春 130025;2.通化市农机设计研究院,吉林 通化 134100摘 要:与传统振动送料装置相比较,分析了压电振动送料装置的特点,列举了国内外现近年报道的压电振动送料装置的结构及其工作机理,并总结了各结构的特点。最后针对目前自动化生产分析了压电振动送料装置的应用前景。关键词:压电、输送、振动、现状、应用引言随着自动化、半自动化在国民经济各行业的普及深入,自动送料装置作为生产线一个不可缺少的环节,对其结构、噪音、工作原理、输送精度及控制难易程度等方面提出了更高的要求,传统的振动送料装置已

2、不能满足要求。因此近十几年利用压电陶瓷作为驱动源的新型振动送料装置快速发展起来1-2。压电振动送料装置是将压电技术应用于振动输送的一种新型振动送料装置,它利用压电片的逆压电效应产生振动,作为驱动源驱动料槽实现物料的输送。1国内外的研究现状对于这种新型的振动送料装置,其结构和工作原理都不同于传统的电磁或机械驱动的振动送料装置,因此它具有许多传统振动送料装置所不具备的特点1-7:(1结构简单,安装和维护更加方便;(2应用压电片作为驱动源,无需电机、电磁激振器等驱动装置,也无需轴、杆、皮带等机械传动部件,结构简单,易于加工制作;(3改变驱动信号中的幅值、脉宽及频率中的任意一个,都可以调节输送率,控制

3、参数多,可控性好;(4无转动惯性,几乎没有加速和减速过程,启动、停止迅速,响应性能快;(5不产生干扰电磁场,也不受电磁干扰信基金项目:博士后科学基金,2005037704作者简介:吴文福(1965-,男,甘肃人,博士,教授,主要从事智能机械的设计、检测和控制的研究。号的影响;(6在低频率段或超声段工作,噪音小;(7在共振或亚共振状态下工作,因此能量消耗少;(8驱动力不足,因此这类装置大多应用于物料的微量或精量输送。压电振动送料装置是振动送料领域的一个重大的突破,国内外的科技人员都进行了不同程度的研究,取得了一定的成果8,其按照物料前进的方式可将其分为直进型和螺旋型两种。1.1国外的研究现状在工

4、业发达国家或地区,日本、美国最具代表性,尤其是日本,对压电振动送料装置的理论、设计与计算的研究比较深入与完整,也推出了许多新型与异型机构的振动送料装置9。对于直进型压电驱动振动送料装置,日本现在已报道的装置有三种10-15。图1是日本现已报道的压电振动送料装置的第一种结构,压电片采用双压电晶体片。在压电片上加交流电,双压电晶体片产生周期性的弯曲运动,带动料槽斜向运动,进而实现物料的输送。图2所示为日本已报道的第二种结构,压电片也采用了双压电晶体片。图3所示为日本已报道的第三种结构,它不是应用双压电晶体片,而是在一对压电片上所加的交流电相位相反。图4所示为美国报道的一种压电驱动的螺旋型压电振动料

5、斗,在一对压电片上施加相位相反的交流电压,压电晶体产生长度方向的伸缩运动,驱使钢片和弹簧片进行往复弯曲扭振 16-19。12 3456图1 日本压电振动送料装置一fig.1 The frist configuration of piezoelectric vibratoryfeeder in Japan1、料槽2、板弹簧3、压电陶瓷片4、弹簧片5、加振体6、底座12345图2 日本压电振动送料装置二fig .2 The second configuration of piezoelectric vibratoryfeeder in Japan1、料槽2、板弹簧3、弹簧片4、压电陶瓷片、5、底座

6、123456图3 日本压电振动送料装置三fig.3 The third configuration of piezoelectric vibratoryfeeder in Japan1、料槽2、支撑弹簧片3、主振弹簧片4、压电陶瓷片5、加振质量体6、底座图4 美国螺旋压电振动送料装置fig .4 Helix piezoelectric vibratory feeder in US1 料盘2 弹簧片3 压电陶瓷片4 钢片5 引线6 底座7 减振底角国外压电振动送料装置上的研究已经取得了长足的进步,它们除了具有上述压电振动送料装置的共同特点外,它们也有其独特之处:(1压电片应用其长度方向上的伸缩振

7、动模式;(2采用特殊制造的双压电晶体片,或者在一对压电片上施加相位相反的电压,不但增加了生产成本,而且大大提高对电源的要求;(3直进式压电振动送料装置都采用振动元件和料槽支撑元件分开的方式,这使振动元件的受力系统简单化;(4多数需要增加加振体来扩大振动幅度,使装置结构复杂化;(5直进式第二种结构和螺旋压电振动送料装置虽然料槽(料盘的支撑元件和振动元件分开,但是振动元件仍然承受料槽(料盘及物料的重量,使振动元件受力复杂,会影响装置的工作稳定性;(6直进式第二种结构和螺旋压电振动送料装置的振动元件都采用固定的安装方式,给料槽的运动带来很大约束,而且克服此约束将消耗更多的能量;1.2国内的研究现状我

8、国对压电振动送料装置的研究整体水平仍然落后于发达国家和地区,成型产品很少,国内厂家的自动化生产线或设备上的压电振动送料装置大部分来自日本、美国等制造业相对发达的国家和地区1-2。国内较为成功的结构形式有超声波粉体输送装置、压电振动料斗、浮动式压电振动送料装置及浮动式压电振动螺旋送料装置,下面将逐一介绍。超声波粉体送料装置其结构如图5所示,该研究填补了国内在超声波粉体输送研究方面的空白,它具有以下几个特点:(1工作在超声频率段,因此没有噪音;(2所用的压电片由于工作在超声频率段,因此需特殊定做;(3只能输送流动性能好的金刚砂粉体,不能输送大颗粒物料及形状不规则的小型零件。(4压电片被夹在两块压板

9、之间,散热条件极差,严重影响压电片的寿命和装置的工作稳定性; 图5 超声波粉体输送装置fig.5 Ultrasonic powder-feeding device压电振动料斗是在现有的日本压电振动送料装置的基础上将振动体的支撑元件与振动元件结合为一体,使该元件即支撑料槽又完成振动任务。如图6所示:1234图6 压电振动料斗fig 6 Piezoelectric vibratory hopper1、料槽2、弹性板3、压电晶体4、底座相对于国外的同类产品,压电振动料斗具有以下特点:(1料槽的支撑元件与振动元件结合为同一元件,但是振动元件既用来支撑料槽,又用来与压电片配合产生振动。因此物料和料槽的重

10、量长期作用在振动元件上,对振动元件和压电片的振动稳定性影响较大;(2无需加振体来增加振动幅度,简化了装置的结构;(3压电片应用厚度方向上的逆压电效应,无需应用特殊的电源;(4振动元件的下端固定在底座上,这种固定的方式会对料槽的振动产生约束,限制料槽的运动,而且要消耗更多的能量。浮动式压电振动送料装置如图7所示,其主要部件是浮动底座。它利用压电片的厚度方向上的振动模式带动料槽运动,实现物料输送。浮动式压电振动送料装置也有其独到之处:(1、料槽采用浮动式结构,不但使振动元件与料槽支撑元件分开,而且避免了料槽及物料的重量长期作用于振动元件,而影响其工作稳定性的情况发生;(2、工作频率段低,噪音小;(

11、3、该装置采用的压电片不需要特殊定制,而且应用压电片厚度方向的振动模式,所以不需要特殊的驱动电源来产生相位差;(4调节电压、频率和脉宽中的任意一个都可控制输送效率,因此控制参数多,可控性好;(5、弹性板尺寸大小对该装置的工作频率影响较大;(6、该装置的共振频率段很窄,共振频率的调节和稳定不易控制;61234578910图7 浮动式压电振动送料装置结构图 fig 7 configuration of the floating piezoelectric vibratory feeder 1、底座 2、弹性板 3、压电陶瓷片 4、料槽 5、限流板6、料斗7、支板8、底板9、滚珠 10、U型压板24

12、 图9 浮动式压电振动螺旋送料装置结构图 Fig8 Configuration of the floating piezoelectric vibratory helix feeder1、料盘2、三棱支柱3、压电片4、弹性板5、圆形支撑板6、滚珠7、底板8、底座9、限位螺钉浮动式压电振动螺旋送料装置与浮动式压电振动送料装置的工作原理相同,其结构如图8,区别于浮动式压电振动送料装置,它也有其独特之处:(1弹性板只有一端与料槽连接,装置中只有部分振动,因此该装置的噪音大大减小;(2弹性板较小,因此驱动力不足,输送速度相对较慢;2、应用在工农业各领域及试验室内, 各种固体颗粒物料的输送、称量、分装、

13、添加等操作异常频繁18。特别是在化工领域,使用浮动式压电振动送料装置处理不宜与人体接触的颗粒物料,可以减少或避免因散失而对环境的污染;同样在医药及食品领域,使用浮动式压电振动送料装置处理药物及食品颗粒,可以避免由于人的直接接触而产生的不健康因素。 浮动式压电振动送料装置作为一种理想的固体颗粒物料的自动送料装置,可以在如下几个方面得到应用25-26:(1微精量输送配合精确的称量、测试和控制系统,可以实现固体颗粒物料的自动化微精量输送,提高工作效率和操作精度。例如药剂生产中的少量化学成分的微精量输送。 (2用于变量输送配合传感器和自动控制系统,可根据实际情况实现物料的变量输送。例如用于变量施肥、变

14、量播种。 (3用于自动化生产线 在自动化生产线上,实现固体颗粒物料的自动化连续、定时定量添加,减少人为因素造成的误差,同时也减小了有害物品对人体的危害。例如在化学制品的自动生产线上,少量对人体有害成分的自动添加。(4用于其他固体颗粒物料加工设备与筛选、研磨、充填、包装等加工设备相结合,实现固体颗粒物料的自动化、连续化生产。例如光电色选机。结束语综上所述,压电振动送料装置作为振动送料领域的新成员,已受到国内外科技人员的重视,在此方面的研究也日益完善。由于其具有结构简单、噪音小、功耗低、工作稳定性好及可控性好等诸多优点,可以预见,压电振动送料装置在工业、农业、化工、医药等各个领域都具有广阔的应用前

15、景。 1 张竞寰.振动给料斗M.北京:水利电力出版社,1989.2 上海市机电设计院.铸造车间机械化-振动输送机M.北京:机械工业出版社,1982.3 闻邦椿.振动机械的理论与动态设计方法M.北京:机械工业出版社,2001.5 何育民、刘凯.水平振动输送机运动机理的研究J.重型机械.2003(5:35-386 刘极峰、王文深、牛克中.非线性变质量系统双质体自同步长距离水平振动输送机的研制J.河南机电高等专科学校学报.2000(84:27-327 周家春.电磁振动料斗的工作特性分析J.电子工业专用设备.1998(273:8-108 韩 良.振动料斗的研究状况与前景展望J.电子工业专用设备.199

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