CN115744089A - 一种弯振复合型旋转物料输送装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弯振复合型旋转物料输送装置及其工作方法，装置包括压电换能器、料盘和底座；压电换能器由金属基体和压电陶瓷片组成；压电换能器布置在料盘下端面中心轴处，料盘是用来承载物料并输送物料的工作台；工作时，对换能器施加规定的电压信号，可以激发出其弯弯耦合模态，使得料盘呈现“摇头运动”；由于物料放置在料盘中，随料盘的摇头运动，物料在离心力的作用下向料盘壁聚集并随之向摇头方向运动。本发明采用压电换能器激发弯弯耦合模态，激励料盘实现摇头运动，利用离心力驱动物料运输，具有结构简单、不受电磁干扰、成本低廉的优点；同时，采用弯弯耦合模态，可以通过切换电压信号相位，实现对物料的反向旋转运输。
Description
技术领域
本发明涉及压电送料器、物料输送和微颗粒运输领域，尤其涉及一种弯振复合型旋转物料输送装置及其工作方法。
背景技术
压电振动物料输送装置具有输送精度高、噪音小、输送速度快等优势，在自动包装、现代精密半导体器件的测封环节、精密机械加工装配等需要自动化精密输送的生产领域具有重要应用价值。
压电振动送料装置按照物料输送方式可以分为直线式和旋转式。1977年，日本特殊陶业株式会社科研人员首次提出利用矩形压电陶瓷片作为驱动源的压电式振动送料器。日本研究人员研制的直线型压电振动送料器主要由底座、压电振子、弹簧片、顶板等组成。工作原理是当压电振子受到交变激励信号激励时，由于逆压电效应，弹簧片在压电陶瓷激励下产生往复弯曲变形，诱导顶板产生椭圆运动，从而输送物料。相比于采用电磁式驱动的振动物料输送装置，压电式振动物料输送装置具有无电磁干扰、噪音小、输送精度高等优点。
旋转式压电振动送料装置是在直线式压电振动送料装置的基础上改造的，工作原理相似。旋转式压电振动送料装置主要由圆盘、弹簧片、压电双晶片和底座组成。圆盘底部倾斜布置有三组或更多组弹簧片，弹簧片与压电双晶片相连。压电双晶片通过逆压电效应激励出的弯振可以驱动弹簧片的往复振动，从而诱导圆盘的扭转和垂直方向的复合振动。由于圆盘的扭转和垂直复合运动，位于料盘中的物料在摩擦力和惯性作用下产生单向运动。由于工作原理的原因，上述旋转式压电振动送料装置的结构很长时间内结构形式固定，一直到现在都没有很大改变。由于弹簧片等结构的倾斜布置原因，很多零件涉及斜面设计、加工和装配，因此上述旋转式压电振动送料装置存在结构复杂、加工装配困难、只能单向运动的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种弯振复合型旋转物料输送装置及其工作方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种弯振复合型旋转物料输送装置，包含压电换能器、料盘和底座；
所述压电换能器包含金属基体以及第一至第四压电陶瓷片；
所述金属基体包含振动部和连接部，所述振动部为竖直设置的圆柱；所述连接部为下底面形状和振动部上端面形状相同的圆台，连接部的下底面和振动部的上端面对应同轴固连，连接部的上底面面积小于下底面面积；所述振动部的侧壁上周向均匀设有第一至第四凹槽；
所述第一至第四压电陶瓷片一一对应设置在所述第一至第四凹槽中，均均沿厚度方向极化，极化方向同时朝内或同时朝外；
所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面中心设有和所述连接部形状相同的凹槽；
所述压电换能器的金属基体的连接部和所述料盘下底面中心的凹槽对应固连，压电换能器的金属基体振动部的下端和所述底座固连。
作为本发明一种弯振复合型旋转物料输送装置进一步的优化方案，所述第一至第四压电陶瓷片均通过环氧树脂胶粘贴金属基体上。
作为本发明一种弯振复合型旋转物料输送装置进一步的优化方案，所述料盘中心设有通孔，所述连接部上端面中心设有螺纹盲孔，所述连接部和料盘通过螺栓螺纹固连。
作为本发明一种弯振复合型旋转物料输送装置进一步的优化方案，所述底座为正方形板，其中心设有和所述振动部下端面相配合的凹槽，且底座凹槽的中心设有通孔；所述振动部下端面的中心设有螺纹盲孔；所述振动部和所述底座通过螺栓螺纹固连。
本发明还公开了一种该弯振复合型旋转物料输送装置的工作方法，包括以下步骤：
令俯视弯振复合型旋转物料输送装置时，第一至第四压电陶瓷片依次按照逆时针方向排列，对第一、第三压电陶瓷片施加简谐激励电压信号U1，对第二、第四压电陶瓷片施加简谐激励电压信号U2，U1、U2电压和频率相同且相位相差π/2；U1激励信号能够激发出压电换能器的一阶弯振，U2激励信号能够激发出压电换能器的另一相一阶弯振，两相一阶弯振在空间上振动方向正交，耦合出“摇头运动”，并带动料盘呈现“摇头运动”，使得放置于料盘内的物料在离心力的作用下被甩向料盘的侧壁，并随着料盘的摇头运动在料槽中旋转运动，直到到达物料出口，实现对物料的旋转输送；
如果需要物料反向运输，调整U1、U2的相位差为-π/2即可。
本发明还公开另一种弯振复合型旋转物料输送装置，包含压电换能器、料盘和底座；
所述压电换能器包含上梁、中梁、下梁、预紧螺栓、第一压电驱动单元和第二压电驱动单元；
所述中梁、下梁为横截面形状相同的圆柱；所述上梁为下底面形状和中梁上端面形状相同的圆台，上梁的下底面和中梁的上端面对应同轴固连，上梁的上底面面积小于下底面面积；
所述上梁的下端面设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹盲孔，下梁的下端面中心设有和所述预紧螺栓相配合的沉头通孔；
所述第一、第二压电驱动单元结构相同，均包含n个呈圆环状的二分区压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数，其中，所述二分区压电陶瓷片沿厚度方向极化，分界线经过其圆心，且两个分区的极化方向相反；所述n个二分区压电陶瓷片依次层叠，分界线共面；
所述预紧螺栓从下梁的沉头通孔穿入，依次穿过下梁、第二压电驱动单元、第一压电驱动单元后和中梁下端的螺纹盲孔螺纹相邻，将下梁、第二压电驱动单元、第一压电驱动单元、中梁夹紧并使其同轴；所述第一压电驱动单元、第二压电驱动单元中二分区压电陶瓷片的分界线相互垂直；
所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面中心设有和所述上梁形状相同的凹槽；
所述压电换能器的金属基体的上梁和所述料盘下底面中心的凹槽对应固连，压电换能器的金属基体中梁的下端和所述底座固连。
作为该弯振复合型旋转物料输送装置进一步的优化方案，所述料盘中心设有通孔，所述上梁上端面中心设有螺纹盲孔，所述上梁和料盘通过螺栓螺纹固连。
本发明还公开了一种该弯振复合型旋转物料输送装置的工作方法，包括以下步骤：
对第一压电驱动单元施加简谐激励电压信号U1，对第二压电驱动单元施加简谐激励信号U2，U1、U2电压和频率相同且相位相差π/2；U1激励信号能够激发出压电换能器的一阶弯振，U2激励信号能够激发出压电换能器的另一相一阶弯振，两相一阶弯振在空间上振动方向正交，耦合出“摇头运动”，并带动料盘呈现“摇头运动”，使得放置于料盘内的物料在离心力的作用下被甩向料盘的侧壁，并随着料盘的摇头运动在料槽中旋转运动，直到到达物料出口，实现对物料的输送；
如果需要物料反向运输，调整U1、U2的相位差为-π/2即可。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 送料器结构简单、加工和装配容易，可以极大降低物料输送装置的成本；
2. 采用压电换能器正交的两相一阶弯振模态复合，可以天然形成耦合的弯弯模态，因此可以简化设计，并且装置的结构尺寸可以任意调整，不需要频率匹配；
3. 通过调整施加的电信号可以实现双向运动，提高了送料装置的适用性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中的压电换能器的示意图；
图3是本发明中料盘的结构示意图；
图4是本发明中底座的结构示意图；
图5是本发明中压电换能器及电信号施加方式示意图；
图6是本发明中弯振复合模态的仿真示意图；
图7是本发明中弯振复合模态仿真的俯视图；
图8是本发明的另一种结构示意图。
图中，1-底座，2-压电换能器，3-料盘，4-连接部，5-振动部，6-第一压电陶瓷片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
如图1所示，本发明公开了一种弯振复合型旋转物料输送装置，包含压电换能器、料盘和底座；
如图2所示，所述压电换能器包含金属基体以及第一至第四压电陶瓷片；
所述金属基体包含振动部和连接部，所述振动部为竖直设置的圆柱；所述连接部为下底面形状和振动部上端面形状相同的圆台，连接部的下底面和振动部的上端面对应同轴固连，连接部的上底面面积小于下底面面积；所述振动部的侧壁上周向均匀设有第一至第四凹槽；
所述第一至第四压电陶瓷片一一对应设置在所述第一至第四凹槽中，均均沿厚度方向极化，极化方向同时朝内或同时朝外；
如图3所示，所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面中心设有和所述连接部形状相同的凹槽；
所述压电换能器的金属基体的连接部和所述料盘下底面中心的凹槽对应固连，压电换能器的金属基体振动部的下端和所述底座固连。
所述第一至第四压电陶瓷片均通过环氧树脂胶粘贴金属基体上。
所述料盘中心设有通孔，所述连接部上端面中心设有螺纹盲孔，所述连接部和料盘通过螺栓螺纹固连。
如图4所示，所述底座为正方形板，其中心设有和所述振动部下端面相配合的凹槽，且底座凹槽的中心设有通孔；所述振动部下端面的中心设有螺纹盲孔；所述振动部和所述底座通过螺栓螺纹固连。
本发明还公开了一种该弯振复合型旋转物料输送装置的工作方法，包括以下步骤：
如图5所示，令俯视弯振复合型旋转物料输送装置时，第一至第四压电陶瓷片依次按照逆时针方向排列，对第一、第三压电陶瓷片施加简谐激励电压信号U1，对第二、第四压电陶瓷片施加简谐激励电压信号U2，U1、U2电压和频率相同且相位相差π/2；U1激励信号能够激发出压电换能器的一阶弯振，U2激励信号能够激发出压电换能器的另一相一阶弯振，两相一阶弯振在空间上振动方向正交，耦合出“摇头运动”，如图6、图7所示，并带动料盘呈现“摇头运动”，使得放置于料盘内的物料在离心力的作用下被甩向料盘的侧壁，并随着料盘的摇头运动在料槽中旋转运动，直到到达物料出口，实现对物料的旋转输送；
如果需要物料反向运输，调整U1、U2的相位差为-π/2即可。
如图8所示，本发明还公开另一种弯振复合型旋转物料输送装置，包含压电换能器、料盘和底座；
所述压电换能器包含上梁、中梁、下梁、预紧螺栓、第一压电驱动单元和第二压电驱动单元；
所述中梁、下梁为横截面形状相同的圆柱；所述上梁为下底面形状和中梁上端面形状相同的圆台，上梁的下底面和中梁的上端面对应同轴固连，上梁的上底面面积小于下底面面积；
所述上梁的下端面设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹盲孔，下梁的下端面中心设有和所述预紧螺栓相配合的沉头通孔；
所述第一、第二压电驱动单元结构相同，均包含n个呈圆环状的二分区压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数，其中，所述二分区压电陶瓷片沿厚度方向极化，分界线经过其圆心，且两个分区的极化方向相反；所述n个二分区压电陶瓷片依次层叠，分界线共面；
所述预紧螺栓从下梁的沉头通孔穿入，依次穿过下梁、第二压电驱动单元、第一压电驱动单元后和中梁下端的螺纹盲孔螺纹相邻，将下梁、第二压电驱动单元、第一压电驱动单元、中梁夹紧并使其同轴；所述第一压电驱动单元、第二压电驱动单元中二分区压电陶瓷片的分界线相互垂直；
所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面中心设有和所述上梁形状相同的凹槽；
所述压电换能器的金属基体的上梁和所述料盘下底面中心的凹槽对应固连，压电换能器的金属基体中梁的下端和所述底座固连。
所述料盘中心设有通孔，所述上梁上端面中心设有螺纹盲孔，所述上梁和料盘通过螺栓螺纹固连。
本发明还公开了一种该弯振复合型旋转物料输送装置的工作方法，包括以下步骤：
对第一压电驱动单元施加简谐激励电压信号U1，对第二压电驱动单元施加简谐激励信号U2，U1、U2电压和频率相同且相位相差π/2；U1激励信号能够激发出压电换能器的一阶弯振，U2激励信号能够激发出压电换能器的另一相一阶弯振，两相一阶弯振在空间上振动方向正交，耦合出“摇头运动”，并带动料盘呈现“摇头运动”，使得放置于料盘内的物料在离心力的作用下被甩向料盘的侧壁，并随着料盘的摇头运动在料槽中旋转运动，直到到达物料出口，实现对物料的输送；
如果需要物料反向运输，调整U1、U2的相位差为-π/2即可。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种弯振复合型旋转物料输送装置，其特征在于，包含压电换能器、料盘和底座；
所述压电换能器包含金属基体以及第一至第四压电陶瓷片；
所述金属基体包含振动部和连接部，所述振动部为竖直设置的圆柱；所述连接部为下底面形状和振动部上端面形状相同的圆台，连接部的下底面和振动部的上端面对应同轴固连，连接部的上底面面积小于下底面面积；所述振动部的侧壁上周向均匀设有第一至第四凹槽；
所述第一至第四压电陶瓷片一一对应设置在所述第一至第四凹槽中，均均沿厚度方向极化，极化方向同时朝内或同时朝外；
所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面中心设有和所述连接部形状相同的凹槽；
所述压电换能器的金属基体的连接部和所述料盘下底面中心的凹槽对应固连，压电换能器的金属基体振动部的下端和所述底座固连。
2.根据权利要求1所述的弯振复合型旋转物料输送装置，其特征在于，所述第一至第四压电陶瓷片均通过环氧树脂胶粘贴金属基体上。
3.根据权利要求1所述的弯振复合型旋转物料输送装置，其特征在于，所述料盘中心设有通孔，所述连接部上端面中心设有螺纹盲孔，所述连接部和料盘通过螺栓螺纹固连。
4.根据权利要求1所述的弯振复合型旋转物料输送装置，其特征在于，所述底座为正方形板，其中心设有和所述振动部下端面相配合的凹槽，且底座凹槽的中心设有通孔；所述振动部下端面的中心设有螺纹盲孔；所述振动部和所述底座通过螺栓螺纹固连。
5.根据权利要求1所述的弯振复合型旋转物料输送装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
令俯视弯振复合型旋转物料输送装置时，第一至第四压电陶瓷片依次按照逆时针方向排列，对第一、第三压电陶瓷片施加简谐激励电压信号U1，对第二、第四压电陶瓷片施加简谐激励电压信号U2，U1、U2电压和频率相同且相位相差π/2；U1激励信号能够激发出压电换能器的一阶弯振，U2激励信号能够激发出压电换能器的另一相一阶弯振，两相一阶弯振在空间上振动方向正交，耦合出“摇头运动”，并带动料盘呈现“摇头运动”，使得放置于料盘内的物料在离心力的作用下被甩向料盘的侧壁，并随着料盘的摇头运动在料槽中旋转运动，直到到达物料出口，实现对物料的旋转输送；
如果需要物料反向运输，调整U1、U2的相位差为-π/2即可。
6.一种弯振复合型旋转物料输送装置，其特征在于，包含压电换能器、料盘和底座；
所述压电换能器包含上梁、中梁、下梁、预紧螺栓、第一压电驱动单元和第二压电驱动单元；
所述中梁、下梁为横截面形状相同的圆柱；所述上梁为下底面形状和中梁上端面形状相同的圆台，上梁的下底面和中梁的上端面对应同轴固连，上梁的上底面面积小于下底面面积；
所述上梁的下端面设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹盲孔，下梁的下端面中心设有和所述预紧螺栓相配合的沉头通孔；
所述第一、第二压电驱动单元结构相同，均包含n个呈圆环状的二分区压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数，其中，所述二分区压电陶瓷片沿厚度方向极化，分界线经过其圆心，且两个分区的极化方向相反；所述n个二分区压电陶瓷片依次层叠，分界线共面；
所述预紧螺栓从下梁的沉头通孔穿入，依次穿过下梁、第二压电驱动单元、第一压电驱动单元后和中梁下端的螺纹盲孔螺纹相邻，将下梁、第二压电驱动单元、第一压电驱动单元、中梁夹紧并使其同轴；所述第一压电驱动单元、第二压电驱动单元中二分区压电陶瓷片的分界线相互垂直；
所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面中心设有和所述上梁形状相同的凹槽；
所述压电换能器的金属基体的上梁和所述料盘下底面中心的凹槽对应固连，压电换能器的金属基体中梁的下端和所述底座固连。
7.根据权利要求6所述的弯振复合型旋转物料输送装置，其特征在于，所述料盘中心设有通孔，所述上梁上端面中心设有螺纹盲孔，所述上梁和料盘通过螺栓螺纹固连。
8.根据权利要求6所述的弯振复合型旋转物料输送装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
对第一压电驱动单元施加简谐激励电压信号U1，对第二压电驱动单元施加简谐激励信号U2，U1、U2电压和频率相同且相位相差π/2；U1激励信号能够激发出压电换能器的一阶弯振，U2激励信号能够激发出压电换能器的另一相一阶弯振，两相一阶弯振在空间上振动方向正交，耦合出“摇头运动”，并带动料盘呈现“摇头运动”，使得放置于料盘内的物料在离心力的作用下被甩向料盘的侧壁，并随着料盘的摇头运动在料槽中旋转运动，直到到达物料出口，实现对物料的输送；
如果需要物料反向运输，调整U1、U2的相位差为-π/2即可。
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