本发明属于振动盘研究技术领域，涉及一种纵扭复合的压电振动盘及纵扭复合的压电振动方法和其在压电给料装置中的应用。
背景技术：
振动盘最开始是从振动给料机演变过来的一种新型的振动机械，是解决零件自动化上料难题的主要部件，通过振动将无序工件自动有序的定向排列整齐，准确的输送到下道工序。振动给料机代替了繁琐的手工排序，可分选出不合格工件，提高生产效率；在某些全自动化机械设备上，振动盘可以部分或完全取代人工，实现快速生产，准确稳定的自动上下料和自动装配的功能。传统的振动盘是使用电磁马达来驱动给料槽来回运动实现给料选料。当物料重量变化时需要手动调整给料的振幅，而且给料范围单一、机体大而沉重。为了克服以上不足，产生了压电振动给料机，将压电陶瓷的逆压电效应作为新的振动源，由于在自动给料方面具有无噪声、应用范围广和便于控制的优点，使其在各个领域开始被广泛使用并逐步取代电磁驱动给料机。随之许多国家对压电给料装置进行了深入的研究并研制了多种新型结构的压电振动盘。其中，日本生产的直进型压电驱动振动送料装置，采用双压电晶体片作为激振源。美国生产的螺旋型压电振动送料装置，通过在一对压电片施加相位相反的交流电，压电晶片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而实现给料的目的。但目前的压电振动盘都存在振动功率相对较小的缺点。
技术实现要素：
为了克服上述技术所存在的不足，本发明提供了一种纵扭复合的压电振动盘，通过纵向极化的压电陶瓷堆2作为激励源，在电压激励下发生逆压电效应而产生纵向位移，利用压电陶瓷堆2的纵向振动来激发开槽圆管3的扭转振动，实现低频率、大功率的工作。
同时，本发明还提供了利用上述纵扭复合的压电振动盘实现纵扭复合振动的方法。
本发明还提供了利用上述纵扭复合的压电振动驱动的一种压电给料装置，该装置可以达到振幅可调、输出速度可调且其工作频率低，处理能力大，耗电相对少的目的，实现大体积、大质量的物料的输送。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种纵扭复合的压电振动盘，包括压电陶瓷堆2，开槽圆管3和质量块底座1，所述开槽圆管3和压电陶瓷堆2、质量块底座1依次设置，所述开槽圆管3的轴线沿着压电陶瓷堆2的纵向极化方向延伸；
所述开槽圆管3是在圆管的管壁上沿周向开设有2条相互平行的螺旋通槽，且开槽圆管3以压电陶瓷堆2为激励源，可以将压电陶瓷堆(2)的纵向伸缩振动转化为沿圆管轴向的纵振动和周向的扭转振动。
进一步限定，所述开槽圆管3的2个螺旋通槽的起点在同一圆周上，且在管壁上均匀分布，螺旋通槽的槽宽为5～10mm，螺旋升脚为15～45°，螺距为50～320mm。
进一步限定，所述压电陶瓷堆2是由3～6块压电陶瓷片堆叠并通过螺杆固定组成。
一种利用上述的纵扭复合的压电振动盘实现的纵扭复合压电振动的方法，以压电陶瓷堆2为激励源，在电压激励下产生平行于电场方向的纵向伸缩振动，纵向伸缩振动作用于开槽圆管3，通过开槽圆管3管壁上沿周向开设的2条相互平行的螺旋通槽，将纵向伸缩振动转化为沿开槽圆管3轴向的纵振动和周向的扭转振动，进而形成纵扭复合的合振动。
一种压电给料装置，包括给料槽4，还包括上述的纵扭复合的压电振动盘和程控开关电源模块；所述程控开关电源模块与纵扭复合的压电振动盘的压电陶瓷堆2电连接，所述给料槽4与纵扭复合的压电振动盘的开槽圆管3连接。
进一步限定，所述给料槽4为螺旋轨道式结构，其料槽底部与开槽圆管3的振动输出端固定。
进一步限定，所述程控开关电源模块包括：
emi滤波电路，用来滤除电网干扰，输入端接220v电网电压；
桥式整流滤波电路，将emi滤波电路输出的交流电转化为直流电，并通过滤波输出稳定的直流电，包括并联连接的第一桥式整流滤波子电路和第二桥式整流滤波子电路，第一桥式整流滤波子电路的输出端与dc/dc转换电路的输入端相连接；第二桥式整流滤波子电路的输出端与低压供电电路的输入端相连接；
dc/dc转换电路，将桥式整流滤波电路传输的固定直流电转化为可变直流电；dc/dc转换电路的输出端与采样电路相连接；
tl494脉宽调制电路，包括tl494芯片，tl494芯片的1in-引脚与da转换芯片max517的out引脚相连，tl494芯片的e1引脚与ir2110驱动芯片的hin引脚相连，tl494芯片的1in+引脚与采样电路相连接，接收采样所得的电压，通过调整脉冲宽度来调整占空比使输出电压改变，同时起到稳压作用；
采样电路，由r2和r3分压电阻并联组成，其采样输出端与tl494芯片的1in+引脚相连；
ir2110驱动电路，提高tl494脉宽调制电路的驱动能力，其hin逻辑高端输入与tl494芯片的e1引脚相连，ho高端输出与dc/dc转换电路的开关管vt1的基极相连，vs引脚与开关管vt1的发射极相连接；
低压供电电路，接收第二桥式整流滤波子电路输出的直流电压，经7805稳压器稳压后输出5v电压供给at89c51单片机用做工作电压、经7815稳压器稳压后输出15v电压供给tl494芯片用做工作电压；第二桥式整流滤波子电路的输出端经c11电容滤波后与7805稳压器的vin输入端相连，稳压器7815与稳压器7805并联；
at89c51单片机，接收键盘控制电路输入的电压值，把输入的数字信号转换为模拟信号用作基准电压，与采样电路输出采样的反馈信号一同输入到tl494脉宽调制电路的1in引脚自动调节pwm信号的占空比，单片机的p2.1脚与da转换芯片max517的scl脚相连；
显示电路与at89c51单片机连接，用来显示输出电压值；
输出整流滤波电路，与采样电路的r2、r3相连接，经c8滤波与肖特二极管稳压后再经c9、c10、l2组成的lc滤波电路滤波后输出稳定的电压供给振动盘。
进一步限定，所述程控开关电源模块的输出电压为100～300伏可调。
进一步限定，所述纵扭复合的压电振动盘的质量块底座1上还设置有减震块5。
本发明通过压电陶瓷片粘合成压电陶瓷堆2作为激振源，通过开槽圆管3来传递振动，通过对开槽圆管3参数的调整，用有限元分析法来仿真找到合适的模态和频率，而且可以通过改变所加电压大小来控制超声振动的振幅和功率以适用于不同质量零件的装配。与现有技术相比，本发明的优点是：输出功率大，输出电压100到300伏可调，振幅可调，输出速度可调，通过调节输出电压来控制输出振幅大小进而调节送料速度，传输速度调整容易，噪音小，根据实际工业需要，可以提供不同的振幅大小，可输送的物料质量范围宽，功率大，提高了振动盘给料的产量，适用于体积较大的物料输送，工作频率低，处理能力大，耗电相对少。
附图说明
图1是纵扭复合的压电振动盘的结构示意图。
图2是纵扭复合的压电振动盘在频率为32.559hz的特征频率下的位移矢量图。
图3是压电给料装置的结构示意图。
图4是程控开关电源模块的连接框图。
图5是程控开关电源模块的电路图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
如图1所示，本实施例的纵扭复合的压电振动盘由压电陶瓷堆2、开槽圆管3和质量块底座1组成，开槽圆管3设置在压电陶瓷堆2的纵向极化方向上，即开槽圆管3的轴线沿着压电陶瓷堆2的纵向极化方向延伸，开槽圆管3与压电陶瓷堆2、质量块底座1依次同轴设置。压电陶瓷堆2是由四片厚度相同且极化方向相同的压电陶瓷圆片通过螺杆固定在一起组成，压电陶瓷圆片采用pzt-4压电陶瓷制成，直径为160mm，厚度为10mm，均为纵向极化。该压电陶瓷堆2作为整个振动盘的激励源，一端连接正极引线，一端连接负极引线，通过正极引线、负极引线与外部电源接通。质量块底座1为圆形钢制底座，其为整个压电振动盘提供安装平台。开槽圆管3直径与压电陶瓷圆片直径相同，其结构是在铝制圆管的管壁上沿周向开设有2条相互平行的螺旋通槽，螺旋通槽的起点在同一圆周上，且在管壁上均匀分布，即关于圆管中心对称，螺旋通槽为左螺旋，也可以是右螺旋，其槽宽为10mm，螺旋升脚为45°，螺距为320mm，螺旋圈数为2。开槽圆管3在收到纵向伸缩振动激励下，既能够产生沿着纵振动传递的轴向纵振动，又能够产生沿圆管周向的扭转振动，进而产生纵扭复合振动。
需要进一步说明的是，开槽圆管3的螺旋通槽槽宽可在5～10mm范围内选择，螺旋升脚为15～45范围内选择，螺距为50～320mm，螺旋圈数也可以根据实际开槽圆管3长度和频率需要进行调整，以能够产生纵扭复合振动为准。
需要进一步说明的是，上述压电陶瓷堆2的压电陶瓷圆片的组成可以根据实际需要进行调整，可在3～6块之间调整。
利用上述纵扭复合的压电振动盘即可实现纵扭复合的压电振动方法，具体是：
以压电陶瓷堆2为激励源，在电压激励下产生平行于电场方向的纵向伸缩振动，纵向伸缩振动作用于开槽圆管3，通过开槽圆管3管壁上沿周向开设的2条相互平行的螺旋通槽，将纵向伸缩振动转化为沿开槽圆管3轴向的纵振动和周向的扭转振动，进而形成纵扭复合的合振动。
采用有限元软件建立上述压电振动盘在空气中的三维有限元模型，选用特征频率分析，计算振动盘在空气中的振动模态，找到需要的纵扭模态所对应的特征频率为32.559hz。根据压电振动盘的有限元模型，选用频域分析，同时为了更直观的显示振动盘的运动，画出了振动盘在此特征频率下的位移矢量图，结果如图2所示。由图2可看出，由于开槽圆管的纵扭振动，可以带动圆盘产生周向的旋转。
将上述的纵扭复合的压电振动盘应用于给料装置上，如图3所示，即将纵扭复合的压电振动盘的压电陶瓷堆2正极引线和负极引线分别与程控开关电源模块的正负极对应连接，由程控开关电源模块根据实际需要适应性改变电压进而控制压电陶瓷堆2的振幅。纵扭复合的压电振动盘的开槽圆管3振动输出端与给料槽4连接，其安装在螺旋轨道式给料槽4的底部，能够输出功率大、频率小的工作需求，进而保证给料噪音小，给料质量范围宽，质量大。
为了进一步减小振动影响，在压电振动盘的质量块底座1上还安装有减震块5，减震块5采用橡胶材料制成。
需要进一步说明的是，本实施例的程控开关电源模块通过按键输入电压值，单片机把输入的数字信号转换为模拟信号用作基准电压然后与输出采样的反馈信号输入到tl494芯片的比较端自动调节pwm信号的占空比，通过输出整流滤波电路输出，从而得到所需的稳定电压值，进而实现通过调节输出电压来控制开槽圆管3的输出振幅大小进而调节送料速度的目的。
结合图4和5所示，该程控开关电源模块包括emi滤波电路、桥式整流滤波电路、dc/dc转换电路、tl494脉宽调制电路、采样电路、ir2110驱动电路、低压供电电路、at89c51单片机、显示电路、输出整流滤波电路。
emi滤波电路是利用电感元件和电容元件的特性来滤除电网干扰的，输入端接220v电网电压，输出端与变压器的初级线圈相连接。
桥式整流滤波电路是用来将emi滤波电路输出的交流电转化为直流电，并通过滤波输出稳定的直流电，包括并联连接的第一桥式整流滤波子电路和第二桥式整流滤波子电路，第一桥式整流滤波子电路的输入端与次级线圈的一次绕组相连接，输出端与dc/dc转换电路的输入端相连接；第二桥式整流滤波子电路的输入端与次级线圈的二次绕组相连接，输出端与低压供电电路的输入端相连接。
dc/dc转换电路也即斩波电路，采用back降压拓扑结构，将第一桥式整流滤波子电路传输的固定直流电转化为可变直流电；dc/dc转换电路的输入端与第一桥式整流滤波子电路的输出端相连接，输出端与采样电路相连接。
tl494脉宽调制电路是通过调整脉冲宽度来调整占空比使输出电压改变并达到稳定，采用tl494芯片及其外接元器件组成，tl494芯片的比较器1反相输入端(1in-)与da转换芯片max517输出端(out引脚)相连，tl494芯片的e1输出端与ir2110驱动芯片的hin引脚相连，tl494芯片的1in+引脚与采样电路相连接，接收采样所得的电压，通过调整脉冲宽度来调整占空比使输出电压改变，同时起到稳压作用。
采样电路由r2和r3分压电阻组成，采样输出端与tl494芯片的比较器1的同向输入端(1in+)相连。
ir2110驱动电路，提高tl494脉宽调制电路的驱动能力，它的hin逻辑高端输入与tl494芯片的e1输出端相连，ho高端输出与dc/dc转换电路的开关管vt1的基极相连，vs引脚与开关管vt1的发射极相连接。
低压供电电路，接收第二桥式整流滤波子电路输出的直流电压，经7805稳压器稳压后输出5v电压供给at89c51单片机用做工作电压，经7815稳压器稳压后输出15v电压供给tl494芯片用做工作电压，第二桥式整流滤波子电路的输出端经c11电容滤波后与7805稳压器的vin输入端相连，稳压器7815与稳压器7805并联。
at89c51单片机，接收键盘控制电路输入的电压值，把输入的数字信号转换为模拟信号用作基准电压，与采样电路输出采样的反馈信号一同输入到tl494脉宽调制电路的比较端1in引脚自动调节pwm信号的占空比，单片机的p2.1脚与da转换芯片max517的scl脚相连。
显示电路与at89c51单片机连接，用来显示输出电压值；
输出整流滤波电路，由肖特基二极管(整流管)和lc滤波电路组成，与采样电路的r2、r3相连接，经c8滤波与肖特二极管稳压后再经c9、c10、l2组成的lc滤波电路滤波后输出稳定的电压供给振动盘，输出电压为100～300v可调。
需要进一步说明的是，对于未详细描述的各电路的元器件连接均是按照常规方式连接，上述程控开关电源模块所包括的各电路均可以采用常规功能模块电路，只要实现其各分部电路的功能即可。