块体物料的超声振动输送及同步驱动

　　引言

　　毫米尺度块体是自动加工及装配生产线、智能化现代包装机械系统的普遍操作对象。对该类物料或零部件的短距离传输与配送,一直沿用经典的低频(几十赫兹)高幅(毫米级)电磁振动输送技术[1],工作中的大噪声、低配送精度、不易于实现精确闭环控制和功率体积比小等问题一直制约着系统整体高性能指标的实现。近年来,随着超声压电驱动特别是超声电机技术的发展,压电致动器在物料输送方面得到新的拓展[2-5]。借助于固体表面质点的微米级超声频域的椭圆等特有轨迹的振动,对物体的切向摩擦来驱动物体,其输送系统具有运行安静无噪声、启动停止响应快、结构形式可轻型化及多样化、功率密度大且不受磁场影响等优点。早期的超声振动输送研究是针对粉体物料开展的,现有的超声粉体输送结构的原理都是利用压电陶瓷的逆压电效应,在能量耗损系数较大的细管上产生衰减行波,这一行波导致管内壁产生微观椭圆运动,粉体凭借管内壁的轴向摩擦沿轴向被输送。由于衰减行波的驱动要求,输送体的长度既不能过短也不能过长。过短行波的效果较差;过长料斗处的振幅小而导致输送速度过小。此外,输送体上质点的振动幅度很不均匀,致使物料的输送速度在输送长度上分配不均匀。针对毫米尺度块体物料的输送需求,笔者分析了用于块体物料的超声输送原理,研究了输送装置的核心部件即压电振子的动态设计以及多个驱动振子的同步驱动等问题。

　　1　块体物料的超声振动输送原理

　　当弯曲行波在矩形截面梁中传播时,梁表面质点的运动轨迹为椭圆[2]。设梁的厚度为h,梁中性面弯曲挠度的行波方程为w(x,t)=Acos(Xt-2πx/λ)(ω为弯曲振动的圆频率,λ为波长),梁的上表面任意质点的纵向位移u与横向位移w满足椭圆方程

　　质点在椭圆最高点时的水平速度方向与行波方向相反,其最大值为

　　式(1)、式(2)定量刻画了直线行波超声电机振子(定子)表面各质点的高频椭圆形振动。如果不计动子与定子间的滑动,定子则凭借其与动子间的摩擦力,驱动动子以ûu·maxû的速率移动。

　　块体物料超声振动输送的基本原理类似于直线行波超声电机的摩擦驱动原理。从外观形式上看,不同的是整体的动子被许多远小于动子尺度的块体松散物料所替代,且摩擦副间的正压力(预压力)仅为块体物料的自重,而定子(振子)的振动形式并没有改变。现以振子与单一块体物料的作用为例,简略分析块体物料的超声振动输送原理。

　　图1为梁表面质点在垂直方向上的位移时间曲线。质点的最大加速度为ûamaxû=X2A,若梁弯曲振动的频率为20kHz,振幅为1μm,ûamaxû可达1610g。当梁表面质点的微振动幅值接近1μm时,该点处的块体物料无法跟随振动,必然形成与梁的间歇接触。