丁建梅 伊研 鄭學(xué)寶 李想

摘? 要：為提高藥芯焊絲的成品率，在對(duì)藥芯焊絲分選機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)藥芯焊絲分選機(jī)構(gòu)的整體系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了藥芯焊絲分選機(jī)定向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行模態(tài)分析后，得出第 1 階模態(tài)固有頻率是對(duì)物料輸送起關(guān)鍵作用的固有頻率。改變板彈簧參數(shù)，觀察板彈簧參數(shù)對(duì)固有頻率的影響，為機(jī)器后續(xù)的調(diào)試提供理論依據(jù)。經(jīng)樣機(jī)給料實(shí)驗(yàn)，分析其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后的裝置在其振動(dòng)強(qiáng)度為70 Hz時(shí)，篩出的不合格品中合格品比例均能達(dá)到企業(yè)優(yōu)選需求。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)給料機(jī);模態(tài)分析;板彈簧;藥芯焊絲;頻率

中文分類(lèi)號(hào)：TB492文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2018）06-0048-07

Design and Study of Flux Cored Wire Sorting Machine

DING Jianmei， YI yan， ZHENG Xuebao， LI Xiang

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract： In order to improve the yield of flux cored wire， based on the kinematics and dynamics analysis， the whole system of flux cored wire sorting machine was designed， and the design of directional mechanism of the flux cored wire sorting machine was completed. After modal analysis， it was concluded that the natural frequency of the first order was the key to the material transportation. Change the parameters of the plate spring， observe the influence of the plate spring parameters on the natural frequency， and provide a theoretical basis for the debugging of the machine. After the sample feeding experiment， the experimental data was analyzed to improve the structure. When the vibration strength of the improved device was 70Hz， the proportion of unqualified products in the screened out could meet the enterprise optimization requirements.

Keywords： Vibrating feeder; modal analysis; plate spring; flux cored wire; frequency

0引言

藥芯焊絲是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型焊接材料，在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，較好地解決了傳統(tǒng)焊接方式存在的成型不好、飛濺大和摻合金難等缺陷[1-4]。藥芯焊絲是由外金屬皮和里邊裹著的藥粉構(gòu)成的，結(jié)構(gòu)形式為有縫式、無(wú)縫式、搭接式和雙重式[5-6]。本文研究分選的是對(duì)接式有縫藥芯鋁焊絲，主要用于制冷、空調(diào)和汽車(chē)行業(yè)的鋁零配件的焊接。

該種類(lèi)型的藥芯鋁焊絲需求量較大，但是生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生大量的不合格品，藥芯焊絲體積較小，尺寸精度范圍也小，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)效率很低，且誤差很大[7-8]。本研究設(shè)計(jì)的藥芯焊絲分選設(shè)備與傳統(tǒng)的人工篩選相比，在檢測(cè)效率和精度方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。且藥芯焊絲分選設(shè)備能夠調(diào)節(jié)藥芯焊絲出料速度。

1 藥芯焊絲分選機(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.1 電磁振動(dòng)給料機(jī)的篩選機(jī)理

研究設(shè)計(jì)的藥芯焊絲分選設(shè)備依托于電磁振動(dòng)給料機(jī)結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)對(duì)振動(dòng)盤(pán)的設(shè)計(jì)，利用在盤(pán)體結(jié)構(gòu)上安裝擋板、缺口和偏重等方式在給料過(guò)程中完成對(duì)藥芯焊絲的分選定向整理。

目前，常用的電磁振動(dòng)給料機(jī)主要分為直槽式和圓盤(pán)式兩種類(lèi)型，如圖1和圖2所示。直槽式振動(dòng)給料機(jī)的主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，主要用來(lái)運(yùn)輸輕小物料，而圓盤(pán)式電磁振動(dòng)給料機(jī)，內(nèi)部有螺旋滑道，工作時(shí)繞中心線做扭動(dòng)振動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)常用于具有一定形狀和尺寸，以及需要定向分選的物料輸送[9-10]。本文研究的藥芯焊絲分選機(jī)需要對(duì)藥芯焊絲進(jìn)行定向篩選，所以選取圓盤(pán)式電磁振動(dòng)給料機(jī)結(jié)構(gòu)。

1.2 藥芯焊絲分選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

（1）藥芯焊絲的篩選。要保證從出料口輸出的都是尺寸、形狀合格的藥芯焊絲，這就要保證篩選過(guò)程的精確性。

（2）連接裝置。各部分之間連接要可靠，使藥芯焊絲能順利的傳送。

（3）整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。保證結(jié)構(gòu)件的拆裝，操作維護(hù)方便。

（4）藥芯焊絲里面有焊粉，要求過(guò)程均勻平穩(wěn)，不能發(fā)生嚴(yán)重劃傷，以免焊劑漏出。

1.3 藥芯焊絲分選系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)分析與構(gòu)思，藥芯焊絲分選系統(tǒng)主要由以下兩部分組成：

（1）藥芯焊絲分選機(jī)的振動(dòng)給料部分。落入到底部的藥芯焊絲在振動(dòng)中沿著螺旋軌道上升，輸送到滑道中。

（2）藥芯焊絲分選機(jī)的滑道部分。主要完成對(duì)滑道上分選裝置的設(shè)計(jì)，將不合格品篩選出去。

設(shè)計(jì)思路如下：

（1）完成藥芯焊絲分選機(jī)的振動(dòng)給料部分。也就是電磁振動(dòng)給料機(jī)中間儲(chǔ)存和運(yùn)輸藥芯焊絲的部分，典型結(jié)構(gòu)有圓柱和圓錐式兩種類(lèi)型，圓柱形料斗應(yīng)用比較多，并且便于加工。本結(jié)構(gòu)采用圓柱式，因?yàn)閮?nèi)圈需要焊接螺旋槽，且滑道部分的支撐也需要焊接到外壁上，加工后多余的地方也方便切除。

（2）焊接底部的圓型底盤(pán)制作螺旋滑道。內(nèi)螺旋軌道和料壁之間分為整體式和鑲焊式。整體式是指料壁和內(nèi)螺旋軌道用同一個(gè)胚料加工成型，鑲焊式是指將螺旋軌道鑲?cè)朐诹媳谏锨泻玫陌疾蹆?nèi)或者直接焊在料斗外壁上。本設(shè)計(jì)采用第二種方法，使用激光切割機(jī)把不銹鋼板切除環(huán)形板，然后用電焊把環(huán)形板切割，放到專(zhuān)用的擠壓機(jī)中進(jìn)行變形處理，完成螺旋軌道的制作。最后在把螺旋軌道焊接到主體結(jié)構(gòu)上。

（3）設(shè)計(jì)要求藥芯焊絲分選機(jī)的出料量能達(dá)到540個(gè)/min以上，初步設(shè)計(jì)外軌道設(shè)置4個(gè)出料口，最大直徑不超過(guò)1 m。

（4）在滑道上安裝各種篩選裝置，對(duì)進(jìn)入滑道的藥芯焊絲進(jìn)行篩選，保證最后通過(guò)出料口的都是符合標(biāo)準(zhǔn)的合格品。

1.4 藥芯焊絲分選系統(tǒng)的滑道與定向分選裝置方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求藥芯焊絲分選機(jī)的出料量能達(dá)到540個(gè)/min以上，初步設(shè)計(jì)外軌道設(shè)置4個(gè)出料口，外滑道的最大直徑不超過(guò)1 m，重點(diǎn)是藥芯焊絲分選及定向分選裝置的設(shè)計(jì)。研究的定向分選機(jī)構(gòu)是針對(duì)藥芯焊絲這一特定零件而設(shè)計(jì)的，要設(shè)計(jì)分選裝置，需要弄清藥芯焊絲不合格品的結(jié)構(gòu)形式和藥芯焊絲在上料過(guò)程中最大的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。定向分選裝置主要有以下結(jié)構(gòu)：

（1）擋條機(jī)構(gòu)。擋條機(jī)構(gòu)在定向機(jī)構(gòu)中屬于被動(dòng)式定向機(jī)構(gòu)，用于篩出不正確姿態(tài)的物料。在送料過(guò)程中，期望的姿態(tài)為“平躺”狀態(tài)的藥芯焊絲。藥芯焊絲由于體積較小而且比較輕，在送料過(guò)程中很容易“疊羅”到一起，產(chǎn)生堆積擁堵現(xiàn)象?，F(xiàn)將檔條下沿離螺旋軌道的高度設(shè)置為3 mm，

高于一個(gè)藥芯焊絲的高度，小于兩個(gè)藥芯焊絲的高度并且小于藥芯焊絲的最大跳躍高度。如圖3所示。其中擋條機(jī)構(gòu)與滑道之間的連接為膠接。

（2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。 在對(duì)定向機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，擋塊機(jī)構(gòu)主要完成對(duì)非期望姿態(tài)的物料進(jìn)行篩選。在藥芯焊絲分選機(jī)的定向機(jī)構(gòu)中，將擋塊的功能設(shè)計(jì)成導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖4所示，設(shè)計(jì)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)幫助藥芯焊絲在過(guò)渡處進(jìn)行導(dǎo)向分流，使藥芯焊絲順利進(jìn)入相應(yīng)軌道，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與軌道的連接方式為焊接。

（3）滑道篩選機(jī)構(gòu)。分析藥芯焊絲的工藝過(guò)程，造成大量不合格品產(chǎn)生的階段是合縫拉絲階段，藥芯焊絲沒(méi)有軋制成O型，造成藥芯焊絲的變形過(guò)量，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，99.9%以上的不合格品尺寸小于有縫藥芯焊絲合格品的尺寸范圍。

根據(jù)合格品范圍，設(shè)置中間缺口尺寸略小于合格品的最小尺寸，這樣，不合格品通過(guò)滑道篩選機(jī)構(gòu)后，不符合尺寸精度的藥芯焊絲就會(huì)從中掉出，如圖5所示。

（4）二次篩選裝置。考慮到經(jīng)過(guò)擋板篩選出去的藥芯焊絲有很大部分是因?yàn)榀B到一起而被清理下去，這就導(dǎo)致在不合格品中有一部分為符合要求的合格品。所以設(shè)計(jì)一個(gè)二次篩選裝置，與擋塊機(jī)構(gòu)配合使用，將疊在上層的藥芯焊絲掃出去，篩出的藥芯焊絲能重新掉落回底盤(pán)重新參與送料過(guò)程，這樣就能在一定程度上降低篩出不合格品中合格品的比例，如圖6所示。

2振動(dòng)給料機(jī)模態(tài)分析

2.1 振動(dòng)給料機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

在設(shè)計(jì)階段通過(guò)改變板彈簧的參數(shù)來(lái)改變振動(dòng)系統(tǒng)的總體剛度，進(jìn)而改變固有頻率。板彈簧參數(shù)改變與固有頻率間的關(guān)系，需要利用有限元分析的模態(tài)分析模塊進(jìn)行仿真，從而得出規(guī)律?？紤]到設(shè)計(jì)的藥芯焊絲分選機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，研究板彈簧參數(shù)對(duì)固有頻率的影響需要進(jìn)行多組仿真對(duì)比，任務(wù)量很大。所以對(duì)簡(jiǎn)化的振動(dòng)給料機(jī)模型進(jìn)行建模并倒入Ansys Workbench進(jìn)行模態(tài)分析，改變板彈簧參數(shù)進(jìn)行多組仿真對(duì)比，得出板彈簧參數(shù)改變對(duì)于振動(dòng)給料機(jī)固有頻率的影響，為藥芯焊絲分選機(jī)的調(diào)試階段提供理論基礎(chǔ)，有效縮短了調(diào)試和設(shè)計(jì)周期。

2.2 板彈簧片數(shù)對(duì)固有頻率的影響

對(duì)簡(jiǎn)化的振動(dòng)給料機(jī)模型進(jìn)行實(shí)體建模，把保存為IGS格式文件導(dǎo)入ANSYS Workbench中。如圖7所示。

振動(dòng)給料機(jī)中板彈簧的材料為 60 Si2Mn，振動(dòng)給料機(jī)的機(jī)座部分采用灰鑄鐵材料，密度為7 300? kg/m3 。在模態(tài)分析的Engineering data材料庫(kù)中手動(dòng)添加相應(yīng)材料，輸入彈性模量、密度和泊松比等數(shù)據(jù)。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在底板下面施加位移約束，在計(jì)算中認(rèn)為底板不發(fā)生位移響應(yīng)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電磁振動(dòng)給料機(jī)的振動(dòng)部分一般為4組板彈簧，下面只改變每組板彈簧的片數(shù)，進(jìn)行模態(tài)分析，得到第一階固有頻率值的變化情況，表1給出了每一組的第 1 階固有頻率與振型。

描繪表1 中第 1 階固有頻率與板彈簧片數(shù)的關(guān)系，如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著板彈簧片數(shù)的增加，固有頻率變大。并且隨著板彈簧片數(shù)的增加，固有頻率增幅也越來(lái)越小。這說(shuō)明板彈簧片數(shù)增加到一定程度后，其對(duì)固有頻率的影響會(huì)逐漸降低。并由此預(yù)見(jiàn)，當(dāng)板彈簧的片數(shù)增加到一定程度后，將不會(huì)再對(duì)振動(dòng)給料機(jī)的固有頻率有影響。將圖8中頻率進(jìn)行平方運(yùn)算，做出一個(gè)新的關(guān)系圖，如圖9所示。從圖9 中可以看出，在板彈簧組數(shù)不變時(shí)，振動(dòng)給料機(jī)的固有頻率的平方值與板彈簧的片數(shù)成正比。

2.3 板彈簧寬度對(duì)固有頻率的影響

將板彈簧組數(shù)定為 4，片數(shù)為 2，厚度3 mm ，板彈簧傾角70°，分別對(duì)板彈簧寬度為22、23、24、25、26、27 mm的情況進(jìn)行模態(tài)分析，提取得到第1階固有頻率結(jié)果見(jiàn)表 2 ，如圖10所示。

從圖10中看出，振動(dòng)給料機(jī)的固有頻率與板彈簧寬度呈正比關(guān)系。板彈簧寬度每增大 1 mm，固有頻率增幅分別為 2.682、2.152、2.308、2.533 、2.25，增幅較小。故板彈簧寬度對(duì)振動(dòng)給料機(jī)的固有頻率影響相對(duì)較小。

2.4 板彈簧厚度對(duì)固有頻率的影響

將板彈簧組數(shù)為 4組，每組 2片，板彈簧寬度定為? 25 mm，對(duì)板彈簧厚度為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 mm的情況進(jìn)行模態(tài)分析，得到第 1 階模態(tài)的固有頻率結(jié)果見(jiàn)表3，如圖11所示。

從圖11中可以看出，振動(dòng)給料機(jī)的固有頻率與板彈簧厚度成正比，并且增幅較大。故在對(duì)振動(dòng)給料機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，板彈簧厚度作為調(diào)節(jié)振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的重要參數(shù)，對(duì)藥芯焊絲分選機(jī)振動(dòng)給料部分的設(shè)計(jì)具有重要意義。

3 實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)

通過(guò)與廠家的溝通，最終確定底部振動(dòng)器的型號(hào)，生產(chǎn)出設(shè)計(jì)的分選機(jī)樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以確定設(shè)計(jì)的機(jī)器是否能滿足要求。

3.1 實(shí)驗(yàn)策略

通過(guò)前面的分析，得出振幅和頻率是調(diào)節(jié)藥芯焊絲分選機(jī)送料量的兩個(gè)重要參數(shù)。激振頻率已知，藥芯焊絲分選機(jī)在設(shè)計(jì)階段就將頻率控制在共振區(qū)工作，所以不能通過(guò)調(diào)節(jié)頻率來(lái)調(diào)節(jié)送料量。

本文采用可控硅整流調(diào)節(jié)器，通過(guò)調(diào)節(jié)振強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)振幅，振動(dòng)強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍為10 ～ 100，每10為1檔，一共10擋。在頻率一定的情況下，振動(dòng)強(qiáng)度和振幅成正比。

藥芯焊絲分選機(jī)的要求主要是保持一定的送料量，并同時(shí)保證合格品率和篩出不合格品中合格品的比例不能過(guò)高。本實(shí)驗(yàn)也是圍繞這三個(gè)要求展開(kāi)。

3.2 給料實(shí)驗(yàn)

為研究振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)藥芯焊絲分選機(jī)下料的影響，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。在半波整流條件下，調(diào)節(jié)振動(dòng)強(qiáng)度旋鈕，統(tǒng)計(jì)在1 min內(nèi)的送料量，從送料口出來(lái)的合格品率和篩選下去的不合格品中合格率。

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）盡量保持藥芯焊絲分選機(jī)里的物料在同一高度，及時(shí)加料，以免影響送料量的測(cè)量。

（2）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，等到第一個(gè)藥芯焊絲從出料口輸出時(shí)計(jì)時(shí)開(kāi)始。計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)第一時(shí)間關(guān)閉機(jī)器。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

從表4中可以看出：

（1）其他條件一定的情況下，把振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)到50以下，出料量為0，振幅過(guò)小，不能完成給料過(guò)程。

（2）振動(dòng)強(qiáng)度在50以上，出料量有一個(gè)先增加后減小的過(guò)程，其中，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度等于70時(shí)，出料量最大能達(dá)到860個(gè)/min。設(shè)計(jì)要求是每分鐘出料量達(dá)到540個(gè)以上，從表4中可以看出，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度選擇在60 ～ 80之間時(shí)，出料量都能滿足要求。

（3）從出料口輸出的藥芯焊絲合格率能占到99%以上，觀察其中不合格品主要是表面有缺陷而尺寸符合要求。現(xiàn)設(shè)計(jì)的藥芯焊絲分選機(jī)構(gòu)不能識(shí)別表面缺陷特征，如果想要完成這一要求，可以考慮加入視覺(jué)處理機(jī)構(gòu)，通過(guò)傳感器來(lái)識(shí)別表面缺陷進(jìn)而篩選。

（4）從表4中可以看出，隨著振動(dòng)強(qiáng)度的增加，出料量逐漸變大，但是不合格品中合格品的比例也有了一個(gè)顯著的上升。

3.3 分析與改進(jìn)

分析振動(dòng)給料過(guò)程，造成不合格品中混有一定合格品的主要原因是：壁底堆積大量的藥芯焊絲，當(dāng)其進(jìn)入內(nèi)螺旋軌道時(shí)，藥芯焊絲很容易以相互“疊羅”的姿態(tài)進(jìn)入到內(nèi)螺旋軌道中，直到在外軌道上被擋板機(jī)構(gòu)從振動(dòng)盤(pán)上掃出?，F(xiàn)想進(jìn)一步降低不合格品中的合格品比例，做出如下改進(jìn)：

（1）原來(lái)的設(shè)計(jì)方案中對(duì)藥芯焊絲的篩選整理主要安排在外滑道上，現(xiàn)在內(nèi)螺旋軌道上膠接多個(gè)上擋板，讓“疊羅”的藥芯焊絲在進(jìn)入外滑道前就被重新推回料盤(pán)，如圖13所示。擋板的高度和相對(duì)于螺旋軌道的角度需要多次根據(jù)振動(dòng)給料的實(shí)際效果進(jìn)行不斷調(diào)整，不能阻塞藥芯焊絲的運(yùn)送。

（2）控制放入藥芯焊絲分選機(jī)底盤(pán)的數(shù)量，不能堆積到內(nèi)螺旋軌道。

（3）振動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置5組變量，50 ～ 90之間。改進(jìn)后的藥芯焊絲分選機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

從表5中可以看出，經(jīng)過(guò)合理的改進(jìn)，出料量相比原來(lái)有一定程度的減少，這是因?yàn)閾鯒l機(jī)構(gòu)從某種程度上限制了藥芯焊絲的上料速度。與此同時(shí)，篩出量減少，不合格品中合格品的比例大大降低。考慮到數(shù)據(jù)的偶然性，只做一組實(shí)驗(yàn)不能得出準(zhǔn)確的結(jié)論。為此用同一組藥芯焊絲，重復(fù)多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置為60 ～ 80，只統(tǒng)計(jì)篩出的不合格品中合格品的比例，均能達(dá)到企業(yè)要求。綜合考慮，選擇振動(dòng)強(qiáng)度為70 Hz是最有利于藥芯焊絲分選的。

4 結(jié)論

本文研究的藥芯焊絲分選系統(tǒng)，包括振動(dòng)給料裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和滑道定向分選裝置的研究設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)振動(dòng)給料機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，確定了固有頻率與板彈簧參數(shù)之間的關(guān)系，為藥芯焊絲分選機(jī)設(shè)計(jì)后的調(diào)試提供了理論基礎(chǔ)。在對(duì)樣機(jī)進(jìn)行給料實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)出料量和合格品率都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是篩出的不合格品中混有一定量的合格品，造成了資源上的浪費(fèi)。分析原因，并進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不合格品中合格品的比例大大降低。目前該設(shè)備運(yùn)行良好，滿足了實(shí)際生產(chǎn)需求。

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