壓電振動送料裝置的研究現(xiàn)狀及其應用

1、壓電振動送料裝置的研究現(xiàn)狀及其應用吳文福1、田忠靜1.2、韓峰1(1.吉林大學 生物與農(nóng)業(yè)工程學院,吉林 長春 130025;2.通化市農(nóng)機設計研究院,吉林 通化 134100摘 要:與傳統(tǒng)振動送料裝置相比較,分析了壓電振動送料裝置的特點,列舉了國內(nèi)外現(xiàn)近年報道的壓電振動送料裝置的結(jié)構(gòu)及其工作機理,并總結(jié)了各結(jié)構(gòu)的特點。最后針對目前自動化生產(chǎn)分析了壓電振動送料裝置的應用前景。關鍵詞:壓電、輸送、振動、現(xiàn)狀、應用引言隨著自動化、半自動化在國民經(jīng)濟各行業(yè)的普及深入,自動送料裝置作為生產(chǎn)線一個不可缺少的環(huán)節(jié),對其結(jié)構(gòu)、噪音、工作原理、輸送精度及控制難易程度等方面提出了更高的要求,傳統(tǒng)的振動送料裝置已

2、不能滿足要求。因此近十幾年利用壓電陶瓷作為驅(qū)動源的新型振動送料裝置快速發(fā)展起來1-2。壓電振動送料裝置是將壓電技術應用于振動輸送的一種新型振動送料裝置,它利用壓電片的逆壓電效應產(chǎn)生振動,作為驅(qū)動源驅(qū)動料槽實現(xiàn)物料的輸送。1國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀對于這種新型的振動送料裝置,其結(jié)構(gòu)和工作原理都不同于傳統(tǒng)的電磁或機械驅(qū)動的振動送料裝置,因此它具有許多傳統(tǒng)振動送料裝置所不具備的特點1-7:(1結(jié)構(gòu)簡單,安裝和維護更加方便;(2應用壓電片作為驅(qū)動源,無需電機、電磁激振器等驅(qū)動裝置,也無需軸、桿、皮帶等機械傳動部件,結(jié)構(gòu)簡單,易于加工制作;(3改變驅(qū)動信號中的幅值、脈寬及頻率中的任意一個,都可以調(diào)節(jié)輸送率,控制

3、參數(shù)多,可控性好;(4無轉(zhuǎn)動慣性,幾乎沒有加速和減速過程,啟動、停止迅速,響應性能快;(5不產(chǎn)生干擾電磁場,也不受電磁干擾信基金項目:博士后科學基金,2005037704作者簡介:吳文福(1965-,男,甘肅人,博士,教授,主要從事智能機械的設計、檢測和控制的研究。號的影響;(6在低頻率段或超聲段工作,噪音小;(7在共振或亞共振狀態(tài)下工作,因此能量消耗少;(8驅(qū)動力不足,因此這類裝置大多應用于物料的微量或精量輸送。壓電振動送料裝置是振動送料領域的一個重大的突破,國內(nèi)外的科技人員都進行了不同程度的研究,取得了一定的成果8,其按照物料前進的方式可將其分為直進型和螺旋型兩種。在工業(yè)發(fā)達國家或地區(qū),日

4、本、美國最具代表性,尤其是日本,對壓電振動送料裝置的理論、設計與計算的研究比較深入與完整,也推出了許多新型與異型機構(gòu)的振動送料裝置9。對于直進型壓電驅(qū)動振動送料裝置,日本現(xiàn)在已報道的裝置有三種10-15。圖1是日本現(xiàn)已報道的壓電振動送料裝置的第一種結(jié)構(gòu),壓電片采用雙壓電晶體片。在壓電片上加交流電,雙壓電晶體片產(chǎn)生周期性的彎曲運動,帶動料槽斜向運動,進而實現(xiàn)物料的輸送。圖2所示為日本已報道的第二種結(jié)構(gòu),壓電片也采用了雙壓電晶體片。圖3所示為日本已報道的第三種結(jié)構(gòu),它不是應用雙壓電晶體片,而是在一對壓電片上所加的交流電相位相反。圖4所示為美國報道的一種壓電驅(qū)動的螺旋型壓電振動料斗,在一對壓電片上施

5、加相位相反的交流電壓,壓電晶體產(chǎn)生長度方向的伸縮運動,驅(qū)使鋼片和彈簧片進行往復彎曲扭振 16-19。12 3456圖1 日本壓電振動送料裝置一fig.1 The frist configuration of piezoelectric vibratoryfeeder in Japan1、料槽2、板彈簧3、壓電陶瓷片4、彈簧片5、加振體6、底座12345圖2 日本壓電振動送料裝置二fig .2 The second configuration of piezoelectric vibratoryfeeder in Japan1、料槽2、板彈簧3、彈簧片4、壓電陶瓷片、5、底座123456圖3 日

6、本壓電振動送料裝置三fig.3 The third configuration of piezoelectric vibratoryfeeder in Japan1、料槽2、支撐彈簧片3、主振彈簧片4、壓電陶瓷片5、加振質(zhì)量體6、底座圖4 美國螺旋壓電振動送料裝置fig .4 Helix piezoelectric vibratory feeder in US1 料盤2 彈簧片3 壓電陶瓷片4 鋼片5 引線6 底座7 減振底角國外壓電振動送料裝置上的研究已經(jīng)取得了長足的進步,它們除了具有上述壓電振動送料裝置的共同特點外,它們也有其獨特之處:(1壓電片應用其長度方向上的伸縮振動模式;(2采用特殊

7、制造的雙壓電晶體片,或者在一對壓電片上施加相位相反的電壓,不但增加了生產(chǎn)成本,而且大大提高對電源的要求;(3直進式壓電振動送料裝置都采用振動元件和料槽支撐元件分開的方式,這使振動元件的受力系統(tǒng)簡單化;(4多數(shù)需要增加加振體來擴大振動幅度,使裝置結(jié)構(gòu)復雜化;(5直進式第二種結(jié)構(gòu)和螺旋壓電振動送料裝置雖然料槽(料盤的支撐元件和振動元件分開,但是振動元件仍然承受料槽(料盤及物料的重量,使振動元件受力復雜,會影響裝置的工作穩(wěn)定性;(6直進式第二種結(jié)構(gòu)和螺旋壓電振動送料裝置的振動元件都采用固定的安裝方式,給料槽的運動帶來很大約束,而且克服此約束將消耗更多的能量;我國對壓電振動送料裝置的研究整體水平仍然落

8、后于發(fā)達國家和地區(qū),成型產(chǎn)品很少,國內(nèi)廠家的自動化生產(chǎn)線或設備上的壓電振動送料裝置大部分來自日本、美國等制造業(yè)相對發(fā)達的國家和地區(qū)1-2。國內(nèi)較為成功的結(jié)構(gòu)形式有超聲波粉體輸送裝置、壓電振動料斗、浮動式壓電振動送料裝置及浮動式壓電振動螺旋送料裝置,下面將逐一介紹。1.2.1超聲波粉體送料裝置20-21超聲波粉體送料裝置其結(jié)構(gòu)如圖5所示,該研究填補了國內(nèi)在超聲波粉體輸送研究方面的空白,它具有以下幾個特點:(1工作在超聲頻率段,因此沒有噪音;(2所用的壓電片由于工作在超聲頻率段,因此需特殊定做;(3只能輸送流動性能好的金剛砂粉體,不能輸送大顆粒物料及形狀不規(guī)則的小型零件。(4壓電片被夾在兩塊壓板之

9、間,散熱條件極差,嚴重影響壓電片的壽命和裝置的工作穩(wěn)定性; 圖5 超聲波粉體輸送裝置fig.5 Ultrasonic powder-feeding device1.2.2壓電振動料斗22壓電振動料斗是在現(xiàn)有的日本壓電振動送料裝置的基礎上將振動體的支撐元件與振動元件結(jié)合為一體,使該元件即支撐料槽又完成振動任務。如圖6所示:1234圖6 壓電振動料斗fig 6 Piezoelectric vibratory hopper1、料槽2、彈性板3、壓電晶體4、底座相對于國外的同類產(chǎn)品,壓電振動料斗具有以下特點:(1料槽的支撐元件與振動元件結(jié)合為同一元件,但是振動元件既用來支撐料槽,又用來與壓電片配合產(chǎn)生

10、振動。因此物料和料槽的重量長期作用在振動元件上,對振動元件和壓電片的振動穩(wěn)定性影響較大;(2無需加振體來增加振動幅度,簡化了裝置的結(jié)構(gòu);(3壓電片應用厚度方向上的逆壓電效應,無需應用特殊的電源;(4振動元件的下端固定在底座上,這種固定的方式會對料槽的振動產(chǎn)生約束,限制料槽的運動,而且要消耗更多的能量。1.2.3浮動式壓電振動送料裝置23浮動式壓電振動送料裝置如圖7所示,其主要部件是浮動底座。它利用壓電片的厚度方向上的振動模式帶動料槽運動,實現(xiàn)物料輸送。浮動式壓電振動送料裝置也有其獨到之處:(1、料槽采用浮動式結(jié)構(gòu),不但使振動元件與料槽支撐元件分開,而且避免了料槽及物料的重量長期作用于振動元件,

11、而影響其工作穩(wěn)定性的情況發(fā)生;(2、工作頻率段低,噪音小;(3、該裝置采用的壓電片不需要特殊定制,而且應用壓電片厚度方向的振動模式,所以不需要特殊的驅(qū)動電源來產(chǎn)生相位差;(4調(diào)節(jié)電壓、頻率和脈寬中的任意一個都可控制輸送效率,因此控制參數(shù)多,可控性好;(5、彈性板尺寸大小對該裝置的工作頻率影響較大;(6、該裝置的共振頻率段很窄,共振頻率的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定不易控制;61234578910圖7 浮動式壓電振動送料裝置結(jié)構(gòu)圖 fig 7 configuration of the floating piezoelectric vibratory feeder 1、底座 2、彈性板 3、壓電陶瓷片 4、料槽 5

12、、限流板6、料斗7、支板8、底板9、滾珠 10、U型壓板24 圖9 浮動式壓電振動螺旋送料裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig8 Configuration of the floating piezoelectric vibratory helix feeder1、料盤2、三棱支柱3、壓電片4、彈性板5、圓形支撐板6、滾珠7、底板8、底座9、限位螺釘浮動式壓電振動螺旋送料裝置與浮動式壓電振動送料裝置的工作原理相同,其結(jié)構(gòu)如圖8,區(qū)別于浮動式壓電振動送料裝置,它也有其獨特之處:(1彈性板只有一端與料槽連接,裝置中只有部分振動,因此該裝置的噪音大大減小;(2彈性板較小,因此驅(qū)動力不足,輸送速度相對較慢;2、應用在工

13、農(nóng)業(yè)各領域及試驗室內(nèi), 各種固體顆粒物料的輸送、稱量、分裝、添加等操作異常頻繁18。特別是在化工領域,使用浮動式壓電振動送料裝置處理不宜與人體接觸的顆粒物料,可以減少或避免因散失而對環(huán)境的污染;同樣在醫(yī)藥及食品領域,使用浮動式壓電振動送料裝置處理藥物及食品顆粒,可以避免由于人的直接接觸而產(chǎn)生的不健康因素。 浮動式壓電振動送料裝置作為一種理想的固體顆粒物料的自動送料裝置,可以在如下幾個方面得到應用25-26:(1微精量輸送配合精確的稱量、測試和控制系統(tǒng),可以實現(xiàn)固體顆粒物料的自動化微精量輸送,提高工作效率和操作精度。例如藥劑生產(chǎn)中的少量化學成分的微精量輸送。 (2用于變量輸送配合傳感器和自動控制

14、系統(tǒng),可根據(jù)實際情況實現(xiàn)物料的變量輸送。例如用于變量施肥、變量播種。 (3用于自動化生產(chǎn)線 在自動化生產(chǎn)線上,實現(xiàn)固體顆粒物料的自動化連續(xù)、定時定量添加,減少人為因素造成的誤差,同時也減小了有害物品對人體的危害。例如在化學制品的自動生產(chǎn)線上,少量對人體有害成分的自動添加。(4用于其他固體顆粒物料加工設備與篩選、研磨、充填、包裝等加工設備相結(jié)合,實現(xiàn)固體顆粒物料的自動化、連續(xù)化生產(chǎn)。例如光電色選機。結(jié)束語綜上所述,壓電振動送料裝置作為振動送料領域的新成員,已受到國內(nèi)外科技人員的重視,在此方面的研究也日益完善。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、噪音小、功耗低、工作穩(wěn)定性好及可控性好等諸多優(yōu)點,可以預見,壓電振動

15、送料裝置在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、醫(yī)藥等各個領域都具有廣闊的應用前景。 參考文獻:1 張競寰.振動給料斗M.北京:水利電力出版社,1989.2 上海市機電設計院.鑄造車間機械化-振動輸送機M.北京:機械工業(yè)出版社,1982.3 聞邦椿.振動機械的理論與動態(tài)設計方法M.北京:機械工業(yè)出版社,2001.4 劉極峰.非線性振動理論在振動輸送機中的研究與應用.機械設計J.2004(212:20-225 何育民、劉凱.水平振動輸送機運動機理的研究J.重型機械.2003(5:35-386 劉極峰、王文深、?？酥?非線性變質(zhì)量系統(tǒng)雙質(zhì)體自同步長距離水平振動輸送機的研制J.河南機電高等?？茖W校學報.2000(84:

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