CN104362887A - 单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，主要用于条状物料的准确精密输送，本发明采用多个振子作为激振体，多个振子分为两组，两组振子交替相向排列，每个振子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端的摩擦驱动块；所述的超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器的前端，为斜楔形结构，该椭圆振动模态转换器可以将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端和摩擦驱动块的纵弯复合超声椭圆振动，当两组不同的振子分别进行工作时，相应的两组摩擦驱动块分别驱动条状物料进行双向连续运动，实现条状物料的双向精密输送。
Description
技术领域
本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的振动精密输送领域，尤其是涉及一种利用单激励超声椭圆振动进行驱动的多振子物料双向输送装置。
背景技术
在医药、化工、食品、机械、材料制备等自动化生产加工及装配等领域，物料及零部件的传输和装配，一直采用传统的低频高幅电磁振动传输装置，这种装置工作时噪音较多，配送精度低，不易于实现精密闭环控制，功率体积小，这些问题一直制约着精密传输系统整体性能的提高。
20世纪80年代以来迅速发展和应用的超声压电驱动为精密传输系统提供了机遇，它通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线(旋转)运动，直接推动负载。因其具有体积小、重量轻、低速大扭矩、噪声小、响应快、定位精度高、无电磁干扰和环境适应性强等优点，在医疗、航空航天、机器人、MEMS 等技术领域得到了日益广泛的应用。
但是现有的行波超声输送装置存在着行波衰减较大、长距离输送受到限制难以实现、物料在输送长度上分配不均匀、结构复杂、输出功率小、制造困难、对制造装配要求较高、成本较高和寿命短等不足。这些问题制约了它们在工业生产中的应用。
发明内容
本发明提供了一种新型的单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，目的是为了克服现有物料精密输送装置中存在的不足，简化振动精密输送装置结构，降低制造难度、减少成本、提高使用寿命和提高系统工作稳定性。
单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，其采用多个振子作为激振体，多个振子分为两组，两组振子交替相向排列，每个振子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和摩擦驱动块；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有可与其它结构装置联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；构成了单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置的能量转换部分，将超声电源输出的超声电能转换为超声换能器的超声振动能量。
所述的椭圆振动模态转换器与前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者将椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端。所述的椭圆振动模态转换器为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器原整体为长方体，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成3-30度夹角。在椭圆振动模态转换器与超声换能器前盖板的联接处设有过渡圆弧。
椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器前端后构成的组合件称为单激励超声椭圆振动换能器，使椭圆振动模态转换器成为斜楔形结构的目的是为了改变单激励超声椭圆振动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等；由于斜楔形结构椭圆振动模态转换器的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜楔形结构椭圆振动模态转换器后，在斜楔形结构椭圆振动模态转换器的末端分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，且两振动分量具有一定的相位差，进而在斜楔形结构椭圆振动模态转换器的末端复合形成椭圆轨迹振动。
所述的摩擦驱动块通过焊接、粘接或螺钉联接方式设置在椭圆振动模态转换器的前端，摩擦驱动块与条状物料相接触，条状物料的长度大于任意连续的3个摩擦驱动块之间的距离，即任意连续的3个振子沿物料输送方向设置的距离小于所输送物料长度。超声振动换能器的法兰盘用来安装振子和预压力装置，将多个振子连接成一整体构成单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，经法兰盘和支架固定后的超声振动换能器轴线与水平面之间的夹角为0度~90度。
所述的振子沿物料输送的方向设置，其路径为直线路径或曲线路径，所述的振子沿物料输送的方向单列设置或多列并行设置。
当超声电源输出的超声电信号接入到超声振动换能器的电极片后，超声振动换能器即产生超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器末端的纵弯复合超声椭圆振动，并驱动摩擦驱动块和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动，进而驱动条状物料进行连续运动。
当不同两组的振子分别进行工作时，相应的两组摩擦驱动块分别驱动条状物料进行双向连续运动，实现条状物料的双向精密输送。相比现有文献介绍的物料输送装置，该单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置具有功率容量大、能量转换效率高、结构简单，制造容易、成本低、结构刚度大、控制驱动系统简单和振动性能稳定等优点。
更进一步，所述的单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置的每个振子均只有一组纵向振动压电陶瓷片。
更进一步，所述的单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置的两组振子只需一路超声电信号激励。
本发明采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换为椭圆振动模态转换器末端和振动头的纵弯复合超声椭圆振动，简化了单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本，整个单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置结构简单、制造容易，有利于微型化目标的实现；另外该发明仅需要一路控制电路及超声电信号进行激励，控制难度低，避免了两相或多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，减小了控制电路及超声电源体积，易于实现控制电路及超声电源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加稳定，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中单激励超声椭圆振动换能器的主视图。
图3是本发明中单激励超声椭圆振动换能器的左视图。
图4是本发明的应用实例示意图。
图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.前盖板，6. 法兰盘，7.椭圆振动模态转换器，8.摩擦驱动块，9.条状物料， 10.超声电源。
具体实施方式
结合图1、2、3所示，单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，其采用10个振子作为激振体，每5个振子分为一组，两组振子交替相向沿输送物料的方向单行成直线排列。每个振子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器7和摩擦驱动块8；超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5上设置有可与其它结构装置联接用的法兰盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压紧，构成了单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置的能量转换部分，将超声电源10输出的超声电能转换为超声振动换能器的超声振动能量。该单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置的每个振子只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3的材料为PZT-8，尺寸为：Ф30mm×Ф15mm×5mm，压电陶瓷片3的片数为2，
椭圆振动模态转换器7和前盖板5制作成一个整体零件设置在前盖板5的前端，椭圆振动模态转换器7整体为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器7原整体为长方体，截面边长为15×15mm，长40mm，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成10度夹角。在椭圆振动模态转换器7与超声换能器前盖板5的联接处设有过渡圆弧，圆弧半径为5mm。
摩擦驱动块8通过粘接设置在椭圆振动模态转换器7的前端，摩擦驱动块8与条状物料9相接触，两个摩擦驱动块8的间距为40mm。条状物料9的长度为90mm，利用超声振动换能器的法兰盘进行安装和预压力装置，将多个振子连接成一整体构成单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，经法兰盘和支架固定后的超声振动换能器轴线与水平面之间的夹角为75度。
单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置每个振子的固有频率均为19.84KHz，阻抗为70~80欧姆，动态电阻为14~25欧姆，该输送装置只需一路超声电信号激励，超声电源10输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为19.84±0.01KHz，且超声电源10在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
结合4所示，当超声电源输出的超声电信号接入到超声振动换能器的电极片4后，超声振动换能器即产生超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动摩擦驱动块8和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。运行10分钟后系统达到稳定振动状态，超声电源10的输出电压为220V，电流为6.2A，当摩擦驱动块8和条状物料9接触后，驱动条状物料9进行连续直线运动，条状物料9速度峰值为24.3mm/s。
当需要物料向另一个方向转动时，通过转换开关将该超声电源10输出的电信号接入到另外一组振子的电极片4即可，另一组振子连续运行10分钟后，超声电源10输出电压为220V，电流为6.3A，条状物料9速度峰值为25.2mm/s。
Claims (6)
1.单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，其特征在于：单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置采用多个振子作为激振体，多个振子分为两组，两组振子交替相向排列，每个振子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和摩擦驱动块；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有可与其它结构装置联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器原整体为长方体，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成3-30度夹角；在椭圆振动模态转换器与超声换能器前盖板的联接处设有过渡圆弧；所述的摩擦驱动块设置在椭圆振动模态转换器的前端；经法兰盘和支架固定后的超声振动换能器轴线与水平面之间的夹角为0度~90度，所述的振子沿物料输送的方向设置，其路径为直线路径或曲线路径，所述的振子沿物料输送的方向单列设置或多列并行设置，任意连续的3个振子沿物料输送方向设置的距离小于所输送物料的长度。
2.根据权利要求1所述的单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端。
3.根据权利要求1所述的单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端。
4.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，其特征在于：所述的摩擦驱动块通过焊接设置在椭圆振动模态转换器的前端。
5.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，其特征在于：所述的摩擦驱动块通过粘接设置在椭圆振动模态转换器的前端。
6.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动多振子双向物料输送装置，其特征在于：还包括一个联接螺钉，用于将摩擦驱动块联接在椭圆振动模态转换器的前端。
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