超声物料输送的微摩擦驱动力实验研究

　　0 引言

　　振动弹性体与被驱动物体之间的动态接触情况及相互作用形式是极其复杂的,实验观察到的被驱动体的动力响应与振动弹性体的振动参数(频率、振幅等)、接触界面的表面粗糙度及预压力等[1-2]有关。现有超声驱动的量化理论模型的研究虽然取得了一些初步成果[3-5],但多是围绕超声电机的摩擦驱动模型展开研究,即考虑定子与动子间有较大的预压力,这样的模型与超声物料输送(给料)的情况不一致。

　　本文针对毫米尺度块体物料的超声振动输送问题,采取实验研究方法,分析了输送振子与被驱动物料间的微小摩擦驱动力的影响因素。为超声物料输送装置的设计提供了必要的实验数据支撑。

　　1 双弯曲压电振子及其对试件的驱动

　　本文所设计的用于超声物料输送中微摩擦驱动力测试实验的压电振子,其结构形式为一种沿长度方向突变的变截面直梁弹性体(两端自由),如图1所示。正方形截面(实际加工完成后为准正方形截面)直梁因其结构上的对称性,可在空间上分别实现两个互相垂直的同阶弯曲模态(简称双弯曲)。中间凸起部分为输送物料的工作面,两个相互垂直的同频5阶弯曲模态叠加可使压电振子R工作面或G工作面上的任意一点做椭圆运动。以图1(a)所示的R工作面为例, R工作面(水平面)上任意一点在yoz平面内做椭圆运动,此时若在R工作面上放置物料试件,试件将沿z方向运动。“R”、“G”两工作面的区分在于平行此面的压电陶瓷片的引线的颜色分别为红色和绿色。两个压电陶瓷片分别粘贴在相应的5阶弯曲模态的波腹处,当两陶瓷片同时在两相交变电压激励下,可激发弹性梁产生所需的椭圆运动,椭圆长短轴的大小由激励电压的幅值U1、U2调节。压电陶瓷片为PIC181,弹性体振子材料选为黄铜,振子工作面的大小为7mmx8mm,适用毫米尺度块体物料的输送测试。为保证工作面上各点的振动幅值、频率及相位具有一致性,工作面一段与直梁弹性体的连接部分采用缩颈结构。实测直梁振子的两个5阶弯曲振动的谐振频率分别为25.35kHz和25.57 kHz,频率差为0.22kHz。

　　2 微摩擦驱动力测试实验装置

　　毫米尺度块体物料的质量较轻,所受摩擦驱动力为毫牛量级。现有商用的测力传感器,因量程与精度的相互制约,难以用于超声物料输送技术中微摩擦驱动力的测量。因此,本文基于悬臂梁结构,设计了一种采用激光模组放大挠度的结构简单的微力传感器,用于测试超声物料输送中的微摩擦驱动力,其原理图如图2所示。图中,悬臂梁(不锈钢弹片)的长、宽、厚分别为100mm、3mm、0.12mm。

　　微摩擦驱动力测试装置主要由双弯曲压电振子、悬臂梁式微摩擦驱动力传感器及其支座组成(见图2(b))。压电输送振子通过橡胶块水平地粘接在支座上,悬臂梁一端紧固在支座上,支座本身水平固定在光学减震平台上。双弯曲压电振子两个陶瓷片分别由两路不同幅值不同相位的激励电压驱动,其同一工作面上各质点将产生相同的椭圆运动轨迹,椭圆长短轴大小可由激光测振仪测得。驱动及测试系统框图与实物照片如图3所示。