压电振动送料装置的研究现状及其应用

压电振动送料装置的研究现状及其应用
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]。

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。

1.2.1 超声波粉体送料装置[20-21]
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;
1.2.2 压电振动料斗[22]
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：
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。

1.2.3 浮动式压电振动送料装置[23]
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;
(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;有部分振动，因此该装置的噪音大大减小;
(7)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、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。

1.2.4 浮动式压电振动螺旋送料装置[24]
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。

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景。

摘自newmaker
整理于自锁螺母。