CN115924424A - 一种压电换能器驱动的旋转型送料装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电换能器驱动的旋转型送料装置及其工作方法，装置包含底座、料盘、以及n个驱动单元；工作时，对n个压电换能器同时施加预设频率的简谐激励电压信号，激发出n个压电换能器的一阶纵振模态；压电换能器的一阶纵振通过其所在驱动单元的第一弹簧片将振动放大传递给料盘，使得料盘和其内的物料产生水平方向和垂直方向的振动；当物料运动至顶点时，各个驱动单元中第一弹簧片的弹性势能到达最大值，料盘开始往回运动，物料则由于惯性呈抛物线下落；周期性振动过程中，物料在料盘中实现旋转并从料盘的物料出口输出。本发明结构简单，加工装配容易、驱动力大、驱动效果好。

Description

一种压电换能器驱动的旋转型送料装置及其工作方法

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，尤其涉及一种压电换能器驱动的旋转型送料装置及其工作方法。

背景技术

振动物料输送装置在现代工业生产、自动化物流、微小电子零件封测等需要自动化精密输送的生产领域具有重要应用价值。振动物料输送装置可以形成物料的整列、排序与定向输送。

振动物料输送装置按照振动激励源可以分为电磁式振动物料输送装置和压电式振动物料输送装置。采用电磁铁作为驱动源的送料装置在生产线上得到了广泛应用，但是这种电磁式振动送料器存在噪声大、能源转换率低、不适合精密物料输送等缺点。随着压电技术的发展，以压电材料作为驱动源的新型驱动器越来越受到研究者关注。

压电式振动物料输送装置按照物料输送方式可以分为直线式压电振动物料输送装置和旋转式压电振动物料输送装置。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直线式压电振动送料器。日本研究人员研制的直线式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。旋转式压电振动物料输送装置在直线式物料输送装置的基础上，采用同样的工作原理，将压电双晶片均布在圆形顶盘下端，通过压电双晶片驱动弹簧片产生弯曲变形，诱导顶盘产生椭圆运动，从而输送物料。由于上述压电振动送料装置均采用贴片式压电陶瓷片激励，上述压电振动送料器的振幅较小，输送效果较差。因此，目前市面上的直线式振动物料输送装置是在上述直线式压电式振动送料器的基础上加上质量块，通过质量块附加的惯性提高料盘的振幅，从而提高输送效果。而旋转型压电振动物料输送装置由于结构原因无法附加质量块，因此结构一直没有很大改变，存在振幅小、应用面窄的缺点。

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，提供一种压电换能器驱动的旋转型送料装置及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电换能器驱动的旋转型送料装置，包含底座、料盘、以及n个驱动单元，n为大于等于3的自然数；

所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面周向均匀设有n个和所述驱动单元一一对应的固定座；

所述驱动单元包含压电换能器、连接件、第一弹簧片和第二弹簧片；

所述压电换能器包含前梁、第一压电单元、夹持件、第二压电单元、后梁和预紧螺栓；

所述前梁包含端部、放大部和根部，其中，所述端部、根部均为圆柱体，端部端面的面积小于根部端面的面积；所述放大部为一端端面形状和端部端面形状相同、另一端端面形状和根部端面形状相同的圆台，且放大部面积较小的一端和端部的一端同轴固连、面积较大的一端和根部的一端同轴固连；所述根部远离放大部的一端端面的中心设有和所述预设螺栓相配合的螺纹盲孔；

所述后梁为横截面和前梁根部端面形状相同的圆柱体，后梁一端端面的中心设有和所述预紧螺栓相配合的沉头通孔；

所述第一压电单元、第二压电单元均包含m个圆环形的压电陶瓷片，m为大于等于1的自然数；所述m个压电陶瓷片依次层叠，均沿厚度方向极化，且相邻压电陶瓷片极化方向相反；

所述夹持件包含夹持部和固定部，所述夹持部和所述压电陶瓷片形状相同，所述固定部通过柔铰和所述夹持部的侧壁相连；

所述第一预紧螺栓从后梁的沉头通孔依次穿过所述后梁、第一压电单元、夹持件的夹持部、第二压电单元后和所述前梁的螺纹盲孔螺纹相连，将后梁、第一压电单元、夹持件、第二压电单元、前梁夹紧并使其同轴；所述第一压电单元的第m个压电陶瓷片的极化方向和第二压电单元的第1个压电陶瓷片的极化方向相反；

所述压电换能器的夹持件的固定部和所述底座固连，使得压电换能器后梁的轴线水平；压电换能器前梁的端部和所述连接件固连；

所述第二弹簧片和压电换能器后梁的轴线垂直，一段和所述连接件固连，另一端和所述底座固连；

所述第一弹簧片一段和所述连接件固连，另一端和其所在驱动单元对应的固定座固连；

所述n个驱动单元的第一弹簧片和水平面的夹角相等且均不等于90°，相邻驱动单元的第一弹簧片之间的夹角相等。

作为本发明一种压电换能器驱动的旋转型送料装置进一步的优化方案，所述压电换能器的前梁上周向设有若干用于夹持的键。

作为本发明一种压电换能器驱动的旋转型送料装置进一步的优化方案，所述m取2，n取4。

本发明还公开了一种该压电换能器驱动的旋转型送料装置的工作方法，包括以下步骤：

对n个压电换能器同时施加预设频率的简谐激励电压信号，激发出n个压电换能器的一阶纵振模态；压电换能器的一阶纵振通过其所在驱动单元的第一弹簧片将振动放大传递给料盘，使得料盘产生扭转和垂直方向的振动，放置于料盘中的物料则产生绕圆盘中心轴的平动和垂直方向的运动；当物料运动至顶点时，各个驱动单元中第一弹簧片的弹性势能到达最大值，料盘开始往回运动，物料则由于惯性呈抛物线下落；周期性振动过程中，物料在料盘中实现旋转并从料盘的物料出口输出。

本发明还公开了另一种压电换能器驱动的旋转型送料装置，包含底座、料盘、以及n个驱动单元，n为大于等于3的自然数；

所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面周向均匀设有n个和所述驱动单元一一对应的固定座；

所述驱动单元包含压电换能器、柔铰、柔铰支座、连接件、第一弹簧片和第二弹簧片；

所述压电换能器包含梁体和p个压电陶瓷片，p为大于等于2的自然数；所述p个压电陶瓷片周向均匀设置再所述梁体的侧壁上，均沿其厚度方向极化，且极化方向同时朝内或同时朝外；

所述梁体包含端部、放大部和根部，其中，所述端部、根部均为圆柱体，端部端面的面积小于根部端面的面积；所述放大部为一端端面形状和端部端面形状相同、另一端端面形状和根部端面形状相同的圆台，且放大部面积较小的一端和端部的一端同轴固连、面积较大的一端和根部的一端同轴固连；

所述柔铰一端和所述梁体侧壁下端固连，另一端通过柔铰支座和所述底座固连，使得梁体水平设置；

所述压电换能器梁体的端部和所述连接件固连；

所述第二弹簧片和压电换能器后梁的轴线垂直，一段和所述连接件固连，另一端和所述底座固连；

所述第一弹簧片一段和所述连接件固连，另一端和其所在驱动单元对应的固定座固连；

所述n个驱动单元的第一弹簧片和水平面的夹角相等且均不等于90°，相邻驱动单元的第一弹簧片之间的夹角相等。

作为该压电换能器驱动的旋转型送料装置进一步的优化方案，所述n取4，p取2。

本发明还公开了一种该压电换能器驱动的旋转型送料装置的工作方法，包括以下步骤：

对n个压电换能器同时施加预设频率的简谐激励电压信号，激发出n个压电换能器的一阶纵振模态；压电换能器的一阶纵振通过其所在驱动单元的第一弹簧片将振动放大传递给料盘，使得料盘产生扭转方向和垂直方向的振动，放置于料盘中的物料在摩擦力作用下产生绕圆盘轴线的平动和垂直方向的运动；当物料运动至顶点时，各个驱动单元中第一弹簧片的弹性势能到达最大值，料盘开始往回运动，物料则由于惯性呈抛物线下落；周期性振动过程中，物料在料盘中实现旋转并从料盘的物料出口输出。

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. 装置结构简单，设计、加工和装配容易，可以有效降低装置的加工和装配时间，从而提高产量降低成本；

2. 通过采用压电换能器的一阶纵振模态，利用压电陶瓷片的d33效应，从而提高振幅；

3. 通过采用可替换弹簧片，方便改变料盘水平振动和垂直振动比值，从而适用于不同物料，提高其应用场景。

附图说明

图1是本发明中的第一种结构示意图；

图2是本发明第一种结构中压电换能器的结构示意图；

图3是本发明的工作模态仿真示意图；

图4是本发明中第二种结构示意图；

图5是本发明第二种结构中压电换能器的结构示意图。

图中，1-底座，2-料盘，3-压电换能器，4-第二弹簧片，5-连接块，6-第一弹簧片，7-料盘上的物料出口，8-后梁，9-第一压电单元，10-第二压电单元，11-夹持件，12-前梁。

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，本发明公开了一种压电换能器驱动的旋转型送料装置，包含底座、料盘、以及n个驱动单元，n为大于等于3的自然数；

所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面周向均匀设有n个和所述驱动单元一一对应的固定座；

所述驱动单元包含压电换能器、连接件、第一弹簧片和第二弹簧片；

如图2所示，所述压电换能器包含前梁、第一压电单元、夹持件、第二压电单元、后梁和预紧螺栓；

所述前梁包含端部、放大部和根部，其中，所述端部、根部均为圆柱体，端部端面的面积小于根部端面的面积；所述放大部为一端端面形状和端部端面形状相同、另一端端面形状和根部端面形状相同的圆台，且放大部面积较小的一端和端部的一端同轴固连、面积较大的一端和根部的一端同轴固连；所述根部远离放大部的一端端面的中心设有和所述预设螺栓相配合的螺纹盲孔；

所述后梁为横截面和前梁根部端面形状相同的圆柱体，后梁一端端面的中心设有和所述预紧螺栓相配合的沉头通孔；

所述第一压电单元、第二压电单元均包含m个圆环形的压电陶瓷片，m为大于等于1的自然数；所述m个压电陶瓷片依次层叠，均沿厚度方向极化，且相邻压电陶瓷片极化方向相反；

所述夹持件包含夹持部和固定部，所述夹持部和所述压电陶瓷片形状相同，所述固定部通过柔铰和所述夹持部的侧壁相连；

所述第一预紧螺栓从后梁的沉头通孔依次穿过所述后梁、第一压电单元、夹持件的夹持部、第二压电单元后和所述前梁的螺纹盲孔螺纹相连，将后梁、第一压电单元、夹持件、第二压电单元、前梁夹紧并使其同轴；所述第一压电单元的第m个压电陶瓷片的极化方向和第二压电单元的第1个压电陶瓷片的极化方向相反；

所述压电换能器的夹持件的固定部和所述底座固连，使得压电换能器后梁的轴线水平；压电换能器前梁的端部和所述连接件固连；

所述第二弹簧片和压电换能器后梁的轴线垂直，一段和所述连接件固连，另一端和所述底座固连；

所述第一弹簧片一段和所述连接件固连，另一端和其所在驱动单元对应的固定座固连；

所述n个驱动单元的第一弹簧片和水平面的夹角相等且均不等于90°，相邻驱动单元的第一弹簧片之间的夹角相等。

作为本发明一种压电换能器驱动的旋转型送料装置进一步的优化方案，所述压电换能器的前梁上周向设有若干用于夹持的键。

作为本发明一种压电换能器驱动的旋转型送料装置进一步的优化方案，所述m取2，n取4。

如图3所示，本发明还公开了一种该压电换能器驱动的旋转型送料装置的工作方法，包括以下步骤：

对n个压电换能器同时施加预设频率的简谐激励电压信号，激发出n个压电换能器的一阶纵振模态；压电换能器的一阶纵振通过其所在驱动单元的第一弹簧片将振动放大传递给料盘，使得料盘产生扭转和垂直方向的振动，放置于料盘中的物料则产生绕圆盘中心轴的平动和垂直方向的运动；当物料运动至顶点时，各个驱动单元中第一弹簧片的弹性势能到达最大值，料盘开始往回运动，物料则由于惯性呈抛物线下落；周期性振动过程中，物料在料盘中实现旋转并从料盘的物料出口输出。

如图4所示，本发明还公开了另一种压电换能器驱动的旋转型送料装置，包含底座、料盘、以及n个驱动单元，n为大于等于3的自然数；

所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面周向均匀设有n个和所述驱动单元一一对应的固定座；

所述驱动单元包含压电换能器、柔铰、柔铰支座、连接件、第一弹簧片和第二弹簧片；

如图5所示，所述压电换能器包含梁体和p个压电陶瓷片，p为大于等于2的自然数；所述p个压电陶瓷片周向均匀设置再所述梁体的侧壁上，均沿其厚度方向极化，且极化方向同时朝内或同时朝外；

所述梁体包含端部、放大部和根部，其中，所述端部、根部均为圆柱体，端部端面的面积小于根部端面的面积；所述放大部为一端端面形状和端部端面形状相同、另一端端面形状和根部端面形状相同的圆台，且放大部面积较小的一端和端部的一端同轴固连、面积较大的一端和根部的一端同轴固连；

所述柔铰一端和所述梁体侧壁下端固连，另一端通过柔铰支座和所述底座固连，使得梁体水平设置；

所述压电换能器梁体的端部和所述连接件固连；

所述第二弹簧片和压电换能器后梁的轴线垂直，一段和所述连接件固连，另一端和所述底座固连；

所述第一弹簧片一段和所述连接件固连，另一端和其所在驱动单元对应的固定座固连；

所述n个驱动单元的第一弹簧片和水平面的夹角相等且均不等于90°，相邻驱动单元的第一弹簧片之间的夹角相等。

作为该压电换能器驱动的旋转型送料装置进一步的优化方案，所述n取4，p取2。

本发明还公开了一种该压电换能器驱动的旋转型送料装置的工作方法，包括以下步骤：

对n个压电换能器同时施加预设频率的简谐激励电压信号，激发出n个压电换能器的一阶纵振模态；压电换能器的一阶纵振通过其所在驱动单元的第一弹簧片将振动放大传递给料盘，使得料盘产生扭转方向和垂直方向的振动，放置于料盘中的物料在摩擦力作用下产生绕圆盘轴线的平动和垂直方向的运动；当物料运动至顶点时，各个驱动单元中第一弹簧片的弹性势能到达最大值，料盘开始往回运动，物料则由于惯性呈抛物线下落；周期性振动过程中，物料在料盘中实现旋转并从料盘的物料出口输出。

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 (7)

1.一种压电换能器驱动的旋转型送料装置，其特征在于，包含底座、料盘、以及n个驱动单元，n为大于等于3的自然数；

所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面周向均匀设有n个和所述驱动单元一一对应的固定座；

所述驱动单元包含压电换能器、连接件、第一弹簧片和第二弹簧片；

所述压电换能器包含前梁、第一压电单元、夹持件、第二压电单元、后梁和预紧螺栓；

所述前梁包含端部、放大部和根部，其中，所述端部、根部均为圆柱体，端部端面的面积小于根部端面的面积；所述放大部为一端端面形状和端部端面形状相同、另一端端面形状和根部端面形状相同的圆台，且放大部面积较小的一端和端部的一端同轴固连、面积较大的一端和根部的一端同轴固连；所述根部远离放大部的一端端面的中心设有和所述预设螺栓相配合的螺纹盲孔；

所述后梁为横截面和前梁根部端面形状相同的圆柱体，后梁一端端面的中心设有和所述预紧螺栓相配合的沉头通孔；

所述第一压电单元、第二压电单元均包含m个圆环形的压电陶瓷片，m为大于等于1的自然数；所述m个压电陶瓷片依次层叠，均沿厚度方向极化，且相邻压电陶瓷片极化方向相反；

所述夹持件包含夹持部和固定部，所述夹持部和所述压电陶瓷片形状相同，所述固定部通过柔铰和所述夹持部的侧壁相连；

所述第一预紧螺栓从后梁的沉头通孔依次穿过所述后梁、第一压电单元、夹持件的夹持部、第二压电单元后和所述前梁的螺纹盲孔螺纹相连，将后梁、第一压电单元、夹持件、第二压电单元、前梁夹紧并使其同轴；所述第一压电单元的第m个压电陶瓷片的极化方向和第二压电单元的第1个压电陶瓷片的极化方向相反；

所述压电换能器的夹持件的固定部和所述底座固连，使得压电换能器后梁的轴线水平；压电换能器前梁的端部和所述连接件固连；

所述第二弹簧片和压电换能器后梁的轴线垂直，一段和所述连接件固连，另一端和所述底座固连；

所述第一弹簧片一段和所述连接件固连，另一端和其所在驱动单元对应的固定座固连；

所述n个驱动单元的第一弹簧片和水平面的夹角相等且均不等于90°，相邻驱动单元的第一弹簧片之间的夹角相等。

2.根据权利要求1所述的压电换能器驱动的旋转型送料装置，其特征在于，所述压电换能器的前梁上周向设有若干用于夹持的键。

3.根据权利要求1所述的压电换能器驱动的旋转型送料装置，其特征在于，所述m取2，n取4。

4.根据权利要求1所述的压电换能器驱动的旋转型送料装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

对n个压电换能器同时施加预设频率的简谐激励电压信号，激发出n个压电换能器的一阶纵振模态；压电换能器的一阶纵振通过其所在驱动单元的第一弹簧片将振动放大传递给料盘，使得料盘产生扭转和垂直方向的振动，放置于料盘中的物料则产生绕圆盘中心轴的平动和垂直方向的运动；当物料运动至顶点时，各个驱动单元中第一弹簧片的弹性势能到达最大值，料盘开始往回运动，物料则由于惯性呈抛物线下落；周期性振动过程中，物料在料盘中实现旋转并从料盘的物料出口输出。

5.一种压电换能器驱动的旋转型送料装置，其特征在于，包含底座、料盘、以及n个驱动单元，n为大于等于3的自然数；

所述料盘呈圆盘状，其侧壁设有物料出口，下底面周向均匀设有n个和所述驱动单元一一对应的固定座；

所述驱动单元包含压电换能器、柔铰、柔铰支座、连接件、第一弹簧片和第二弹簧片；

所述压电换能器包含梁体和p个压电陶瓷片，p为大于等于2的自然数；所述p个压电陶瓷片周向均匀设置再所述梁体的侧壁上，均沿其厚度方向极化，且极化方向同时朝内或同时朝外；

所述梁体包含端部、放大部和根部，其中，所述端部、根部均为圆柱体，端部端面的面积小于根部端面的面积；所述放大部为一端端面形状和端部端面形状相同、另一端端面形状和根部端面形状相同的圆台，且放大部面积较小的一端和端部的一端同轴固连、面积较大的一端和根部的一端同轴固连；

所述柔铰一端和所述梁体侧壁下端固连，另一端通过柔铰支座和所述底座固连，使得梁体水平设置；

所述压电换能器梁体的端部和所述连接件固连；

所述第二弹簧片和压电换能器后梁的轴线垂直，一段和所述连接件固连，另一端和所述底座固连；

所述第一弹簧片一段和所述连接件固连，另一端和其所在驱动单元对应的固定座固连；

所述n个驱动单元的第一弹簧片和水平面的夹角相等且均不等于90°，相邻驱动单元的第一弹簧片之间的夹角相等。

6.根据权利要求5所述的压电换能器驱动的旋转型送料装置，其特征在于，所述n取4，p取2。

7.根据权利要求5所述的压电换能器驱动的旋转型送料装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

对n个压电换能器同时施加预设频率的简谐激励电压信号，激发出n个压电换能器的一阶纵振模态；压电换能器的一阶纵振通过其所在驱动单元的第一弹簧片将振动放大传递给料盘，使得料盘产生扭转方向和垂直方向的振动，放置于料盘中的物料在摩擦力作用下产生绕圆盘轴线的平动和垂直方向的运动；当物料运动至顶点时，各个驱动单元中第一弹簧片的弹性势能到达最大值，料盘开始往回运动，物料则由于惯性呈抛物线下落；周期性振动过程中，物料在料盘中实现旋转并从料盘的物料出口输出。

Images