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高速弹簧参数测试仪设计,高速,弹簧,参数,测试仪,设计
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湖北工业大学硕士学位论文数控弹簧高速自动分选机自动上料机的设计姓名：任欢申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：王为20080501湖北工业大学硕士学位论文摘要弹簧弹性力测试分选机是对大批量生产的弹簧依据其弹性系数不同，按照预先规定的指标进行测试，自动筛选出合格与不合格产品，并在不合格产品范围内依据是否可以修复再将弹簧进一步细分，自动流入不同料箱，以用予不同场合。国内，现已初步开发出弹簧高速自动分选设备，其发震和市场都有极大的空闻。目前，所开发出来的弹簧分选设备都是人工手动上料，工作量大，并且不易实现快速检测、分选，所以需要有与之匹配的上料机来工作。本文就弹簧上料槐的结梭设计、运动仿真、以及上料祝工作台的控制等几方面进行了论述。提出利髑振动的方式来实现弹簧的上辩。本文对弹簧上料机的结构设计做了详细设计。对上料机的运动学参数和动力学参数进行了计算，并对组成上料机的主要部件( 激振器、送料槽、隔振弹簧)分别做了结构设计。在S o l i d w o r k s 中将设计好的激振器、送料槽、隔振弹簧进行实体建模。将上料机的各组成部件设计好后，利用S o l i d w o r k s 对其进行装配，分别将激振器机构简化为凸轮机构，将整个上料机构简化为摇杆机构在P r o E 中对其进行运动仿真。工作台的控制部分采用F X 2 N 系列的P L C 为主控制器，对工作台的旋转路径进行控制。控制程序( 梯形圈) 是在可编程控铡器编程软件S W O P C F X G P W I N - c 中实现。本课题的完成，使原有的数控弹簧高速自动分选机实现了自动上料，节省了劳动力成本，提高了生产效率。关键词；弹簧分选，上料，振动，结构设计，仿真，可编程控制器。湖北5 - 业大学硕士学位论文A b s t r a c tA u t o m a t i cs p r i n gc l a s s i f i c a t i o nm a c h i n ei st h em a c h i n et h a tc a nt e s tl a r g eq u a n t i t i e so fs p r i n g s w h i c hh a v ed i f f e r e n tf l e x i b i l i t yc o e 伍c i e m sa n du s e df o rt h ed i f f e r e ms i t u a t i o n , a n ds i e v ea u t o m a t i c a l l yt h eq u a l i f e dd i f f e r e n tf r o mt h eu n q u a l i f i e da c c o r d i n gt ot h er u l e sp r o c e e d e di na d v a n c e ，a l s of u r t h e rs u b d i v i d et h es p r i n gc o i la c c o r d i n gt ow h e t h e rC a r lr e p a i rw i t h i nt h es c o p eo f t h eu n q u a l i f i e d a u t o m a t i c a l l ya m u xa n t i c i p a t eb o x A u t o m a t i cs p r i n gc l a s s i f i c a t i o nm a c h i n eh a sb e e nm a n u f a c t u r e da th o m e ，t h ed e v e l o p m e n ta n dm a r k e tw i l lh ev e r yl a r g e A tp r e s e n t ，a u t o m a t i cs p r i n gc l a s s i f i c a t i o nm a c h i n et h a tw a sm a n u f a c t u r e db a s i co nm a n p o w e r , t h ew o r k l o a di sh e a v y , a n dw a sd i f f i c u l tt oa c h i e v et h ec l a s s i f i c a t i o no fc e l e r i t y T h e r e f o r e ，t h es u i t e da u t o m a t i cs p r i n gf e e d e rW a sn e e d e d T b es t r u c t u r ea n dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o no fa u t o m a t i cs p r i n gf e e d e r , a n dt h ec o n t r o lo fa u t o m a t i cs p r i n gf e e d e rw o r k t a b l ea r ea l ld i s c u s s e di nt h i sp a p e r U s i n gt h ev i b r a t i o nt ot r a n s p o r t a t i o nt h es p r i n gw a st h ei n n o v a t i v ea n di m p o r t a n tp 撒so f t h i sp a p e r T h es t r u c t u r ea n dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o no fa u t o m a t i cs p r i n gf e e d e rw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r T h ep a r a m e t e ro fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sw e r ec a l c u l a t e d A n dt h e nt h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i cs p r i n gt r a n s p o r t a t i o nm a c h i n ew a sd e s i g n e d O nt h eb a s eo fc u r r e n tk n o w nd a t u m , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es o f t w a r es o l i d w o r k sa n dm a k eu s eo fs o l i d w o r k st om o d e l l i n gt h em a i np a r t s ( v i b r a t i o ne x c i t o r ，f e e dt r o u g h , i s o l a t i o ns p r i n g ) o ft h ea u t o m a t i cf e e d e r 骶nt h es t r u c t u r eo ft h ea u t o m a t i cf e e d e rw a sm o d e l l i n g ，u s i n gt h eP r o Et om a k ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o no ft h ea u t o m a t i cf e e d e r T h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t sF X 2 nP L Ca st h ep r i n c i p a lm a c h i n e I ti sr e a l i z e du n d e rS W O P C F X G P 刚Cd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 1 1 1 er e s e a r c ho ft h i sp r o j e c tr e a l i z e dt h ea u t o m a t i cs p r i n gc l a s s i f i c a t i o nm a c h i n et 0t r a n s p o r tt h es p r i n ga u t o m a t i c a l l y A sw e l la s ，t h i sr e s e a r c ho ft h i sp r o j e c ts a v e dt h ec o s t , a n di m p r o v e dt h ep r o d u c t i v i t y K e y w o r d s ：S p r i n gc l a s s i f i c a t i o n ，T m n s p o r t a t i o n ，V i b r a t i o n ，S t r u c t u r ed e s i g n ，S i m u l a t i o n , P L C 溯办j 繁大粤学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：彳i 够己日期：硼年堂月2 多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名：彳五次日期：7 矿瞎年多月弓日指导教师签名：易伤日期：砂学年r 月7 4 日湖北工业大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 课题背景及任务来源1 1 1 课题背景近几年来，国内弹簧工业的产品设计制造工艺生产设备以及弹簧的材料等方面都有了新发展，同时对应用弹簧的要求也越来越高，就用于汽车的气门弹簧而言，如果气门弹簧的自由高度自然磨损及疲劳将使气门复位密封的预紧力度减小，或者气门弹簧垂直度超过了允许范围，都会影响气门弹簧的有效寿命，导致气门漏气。一只弹簧有多个参数需要检测，如负荷、刚度、柔度等，其中负荷是最常见的检测指标【l 】，它表明了在指定变形的情况下，该弹簧所产生的负荷值，用以控制自动机械所需要的动力，同时又不至于产生过大的载荷。在各种螺旋弹簧中，内燃机的气门弹簧是其中较为重要的弹簧之一【2 ，3 】，它是国家质监部门要求负荷值全检的弹簧，也就是说装入内燃机的每一只气门弹簧，都必须经过符合一定要求的，用计算机控制的数字显示检测设备检测，这样方能保证内燃机工作的可靠性与寿命。气门弹簧又以汽车用气门弹簧为最大的使用对象，2 0 0 3 年中国汽车产量已突破4 0 0 万辆，今后还会有较大的增幅，可以想见，如果气门弹簧用仅仅能数字显示，而不能自动分类的检测设备来检测，其工作量是惊人的，同时又不能保证分类的准确性( 用人根据读数分类) 1 4 。这样，弹簧分选设备就成了气门弹簧分类的重要设备，它将采集到的数据与己设数值相比较将不同负荷范围的弹簧送到不同的地点，以达到自动分类的目的，其可靠性与用人来分类是不可同同而语的：它用高性能的气缸与阀相配合产生动力，其效率也是以往的分选机所不能比拟的。除了气门弹簧外，离合器弹簧一般也要用到弹簧分选机。虽然离合器弹簧对负荷的要求不是很高，但是离合器弹簧的特点，就是一个离合器总成上的所有弹簧的负荷值要一致，这样才能保证离合器可靠地分离与结合，而由上面的数据可知离合器弹簧的产量也是十分惊人的，如果不用智能分选机的话，其工作量也是十分巨大与不可靠的【5 6 】。综上所述，弹簧分选设备对弹簧生产企业是十分有用的设备，对提高产品质量与企业的劳动生产率起着十分重要的作用。3湖北工业大学硕士学位论文国内弹簧行业与 j l k 发达困家相比，有相当大的差距。许多弹簧_ 家也采取了相应的措施来改善弹簧生产工艺，同时，也提高了对弹簧分选设备的认识与重视。国内，现已初步开发出弹簧高速自动分选设备，其发展和市场都有极大的空间。目前，所开发出来的弹簧分选设备都是人工手动上料，工作量大，并且不易实现快速检测、分选，所以需要有与之匹配的自动上料机来工作。1 1 2 课题来源课题来源于湖北省教育厅 项目资助。1 2 上料技术的发展概况1 2 1 国内上料技术的发展概况当今，国内上料技术的发展已趋于成熟。出现了很多种类的上料机。如：螺旋上料机、真空上料机，振动上料机、斗式上料机等。这些上料机都各有各的功能，各有各的用途，各有各的特点。例如：螺旋上料机既可水平输送也可以以任意角度向上输送，物料在密封的不锈钢筒内输送不漏料、无粉尘、无污染。它可将物料送至喂料机或调质器，也可直接送至膨化机的进料口。它的特点是：与物料接触的部分全部采用不锈钢材料或采用先进的表面喷涂处理，避免了物料污染物和物料与设备黏结。某些系列的螺旋上料机采用变频调速技术，上料量均匀稳定，可无级调节【7 】。还有某些振动上料机也设计的非常实用，如电磁振动给料机是一种较新型的定量给料设备，能适应于连续性生产的要求，因此已广泛应用于矿山、冶金、煤炭、建材、轻工、化工、电力、机械、粮食、医药等工矿企业生产环节中。用于把块状、颗粒状及粉状物料从贮料仓或漏斗中定量均匀连续地送到受料装置中，可作为带式输送机、斗式提升机、筛分设备、水泥磨机、破碎机、粉碎机及各工业部门粘滞性的颗粒或粉末状料的供料装置；用于自动配料，定量包装等，并可用于自动控制的流程中，实现生产流程的自动化。1 2 2 国外上料技术的发展概况在I 虱# 1 - ，特别是欧美一些国家，上料技术的发展己相当成熟。上料机功能强大，外观做的也非常精美，大致也是国内的几种类型。真空上料机、螺旋上料机、斗式上料机振动给料机( 惯性振动给料机、电磁振动给料机等) 掣8 1 。其大型上料4湖北工业大学硕士学位论文机在工业和食晶业都有相当广泛的应用。比如将振动给料机运动在输送茶叶，运送花生方面，都是很有效率的。1 3 研究本课题的意义从整个弹簧行业来讲，不论是生产设备，还是生产工艺，不论是产品结构，还是产品质量，不论是企业管理，还是经济效益，与国际上工业发达国家相比，都有相当大的差距。针对我国弹簧工业存在的问题，许多弹簧厂家也采取了相应的措施来改善弹簧生产工艺，同时，也提高了对弹簧分选设备的认识与重视。当前，国内开发出的弹簧分选机的上料是都是手工操作，其劳动强度大( 每2 3 个小时就需要换一名操作工) ，达不到理想的生产状态，生产效率低。据不完全统计全国有弹簧生产企业2 0 0 0 - - 3 0 0 0 家，其中有一定实力或规模的企业也有3 0 0 , - , 5 0 0 家，这些企业都已经购置了一定数量的数显测试设备，已经尝到了先进设备的甜头。所以，能实现弹簧检测的智能化分选设备的开发，也成为弹簧工业发展的需要和必然趋势。试想要是有与之匹配的自动上料机，会大大提高弹簧分选的效率。近几年来，国内弹簧工业的产品设计制造工艺生产设备以及弹簧的材料等方面都有了新发展，同时对应用弹簧的要求也越来越高。弹簧需求量大幅度增长，弹簧分选设备成了弹簧分类的重要设备。弹簧分选设备对弹簧生产企业是十分有用的设备，对提高产品质量与企业的劳动生产率起着十分重要的作用。国内弹簧行业与工业发达国家相比，有相当大的差距【9 】。许多弹簧厂家也采取了相应的措施来改善弹簧生产工艺，同时，也提高了对弹簧分选设备的认识与重视。能实现弹簧检测的智能化分选设备的开发，成为弹簧工业发展的需要和必然趋势。国内，现已初步开发出弹簧高速自动分选设备，其发展和市场都有极大的空间。目前，所开发出来的弹簧分选设备都是人工手动上料，工作量大，并且不易实现快速检测、分选，所以需要有与之匹配的上料机来工作。该产品的开发可实现弹簧的快速检测分选，并且可以持续工作，这对大批量的弹簧分选是很有利的。1 4 论文的主要工作5湖北工业大学硕士学位论文本项目对已有的数控弹簧分选机进行改进和完善，主要：I ：作包括：1 对弹簧上料机进行结构设计。确定激振器的类型，设计出激振器的结构；设计弹簧上料机送料槽的结构；选择减震弹簧。2 对设计好的上料机进行运动仿真。用S o l i d w o r k s 对组成上料机的零部件进行建模、装配；用P r o E 对上料机进行运动仿真。3 对弹簧上料系统进行控制系统设计。弹簧自动上料机工作轨迹的规划及工作流程设计；主控制器的选择；控制部分软件程序的编写。下面是主要内容的框架图( 图1 1 ) ：图1 1 本课题主要研究内容的框架6湖北工业大学硕士学位论文第2 章弹簧自动上料机的设计理论2 1 振动给料机的组成部分由于弹簧的体积比较小，自身存在着间隙，用普通的机械手不易抓取，也不易实现大量输送，影响弹簧的上料速度，故选用振动的方式来输送弹簧。由此，所设计的弹簧上料机实际上就是一个振动给料机。振动机械通常是由三个部分所组成【i o , 1 1 。1 激振器用以产生周期变化的激振力，使工作机体产生持续的振动。常用的激振器有惯性式激振器、弹性连杆式激振器、电磁式激振器、液压式或气动式激振器，以及凸轮式激振器等。2 工作机体或平衡机体如输送槽、筛箱、台面和平衡架体等。但在一些振动机中无平衡架体。为了完成各种工艺过程，它们通常做周期性的运动。3 弹性元件( 弹簧)包括隔振弹簧( 其作用是支承振动机体，使机体实现所要求的振动，并减小传给地基或结构架的动载荷) 、主振弹簧( 即共振弹簧或称蓄能弹簧) 和连杆弹簧( 传递激振力等) 。振动机械与其它类型的机械相比，优点是结构简单、制造容易、重量较轻、金属消耗量少、成本低、能耗小、安装方便、维修容易等。某些振动机械也存在着振幅不够稳定、调整复杂、传给地基的振动较大、零部件工作寿命较短以及噪音较大等缺点。2 1 1 振动给料机概述振动给料机是利用振动原理进行给料的设型4 9 1 它具有产量高，能耗少、尺寸小、结构简单、工作可靠、便于维护检修、易于实现自动控制等一系列优点，目前在采矿、冶金、机械制造、煤炭、化工、建材以及粮食、轻工等部门获得了广泛的应用。例如：从料仓排料，向带式输送机、斗式提升机给料，向破碎机、球磨机喂料，在包装机系统中做定量给料，在配料系统中做均匀连续配料等。7湖北5 - 业大学硕士学位论文振动给料机所适应的物料范围很广，对粒度在0 1 m m 以上的颗粒状物料、一般的块状物料的块度达4 0 0 - - 一5 0 0 m m 的大块物料，直至块度达l m 以上的特大块物料，输送效果都很好；另外它还可以输送粉状物料，在采取适当措施后，还可以输送高温物料和具有强烈腐蚀性的物料近年来，由于生产的发展，研制成功了各种结构形式的振动给料机。大型振动给料机的功率可达1 0 千瓦以上，每小时排料量达千吨以上。而微型振动给料机，则功率只有十几瓦，每小时排料量小到几千克。另外振动给料机的形式也多种多样。按激振方式来分，主要可分成三类【1 2 , 1 3 , 1 4 ，电磁振动给料机( 以下简称电振给料机) 、自同步振动给料机及惯性共振给料机。电磁给料机和惯性共振给料机属于近共振类振动机，它们均在低临界近共振状态下工作，因此所需的激振力甚小。自同步振动给料机，则在远超共振状态下工作，属于非共振类振动机，容易获得较稳定的振幅。电磁振动给料机的突出特点是没有转动的零部件，没有润滑点，在运行过程中可以很方便地无级调节给料量，还易于实现给料量的自动控制。另外，结构也比较简单，重量也比较轻【” 4 6 】。自同步振动给料机与强制同步的振动给料机相比，结构较简单；便于设计和制造多驱动结构形式，这一点对于设计、制造大型的振动给料机十分有利，对于设计较长料槽的振动给料机也十分有利。与电振给料机相比，具有工作频率低，振幅较大的优点，因而可以获得较高的输送速度。另外，维修费用较少，噪音较小。2 1 2 激振器概述激振器就是用以产生周期变化的激振力，使工作机体产生持续的振动。按照结构及驱动方式的不同，激振器可分为【1 6 4 6 】：惯性式激振器、弹性连杆式激振器、电磁式激振器、液压式或气动式激振器，以及凸轮式激振器等。2 1 3 项目所用主要应用型软件、P r o EP r o E 是美国P T C 公司推出的三维C A D C A M 系统，是目前国际国内专业设计人员使用的最广泛、最先进的三维设计软件1 7 1 。P r o E 主要分零件设计、产品设计、机构装配、以及动态机构设计与仿真等模块。本项目主要运用P r o E 的动态机构设计与仿真模块对所设计的激振器及上料机进行运动仿真。二、S o l i d w o r k s8湖北工业大学硕士学位论文S o li d w o r k s 也是一个非常适用的二维没计软件，以其方便快捷收到专业设计人士的欢迎。本项目主要应用S o l i d w o r k s 进行激振器、送料槽的三维建模，以及对建好模的三维实体进行装配。2 2 弹簧自动上料机工作台控制部分的总体设计方案2 2 1 弹簧自动上料机工作流程自动上料机最终目的是要将弹簧送到工作台上，其具体工作过程如下：激振器将激振力传递给送料槽，弹簧在送料槽中作抛掷运动，不断地向前运动，当到达送料槽末端时落入出料器( 这里设计的是一个漏斗形状的出料器) ，漏斗的下端装有传感器，和气缸活塞。当一个弹簧落入漏斗中，传感器检测到，并将信号传给工作台的主控制系统，主控制系统控制工作台转一个工位，使装弹簧的口对准出料口，弹簧落入工作台上的检测口。当工作台在做这一系列的动作时，若还有弹簧不断的落入出料器，气缸活塞就压住要落下的弹簧，避免其落下而干扰前一步骤的动作。当前一个弹簧放入工作台后，气缸活塞自动移开，下一个弹簧自动落下，如此循环。工作过程可用下图( 图2 1 ) 简单表示：图2 1 弹簧上料机工作过程示意图9湖北工业大学硕士学位论文2 2 2 硬件控制系统的构成选用日本三菱公司生产的F X 2 N 系列的可编程序控制器，用其对自动上料机工作台进行控制。工作台是由步进电机带动，对工作台旋转的控制实际上就是对步进电机旋转的控制。工作台是问歇式的旋转运动，所以P L C 也要利用定时器来控制步进电机进行间歇式的转动。2 3 系统开发的技术难点技术难点如下：l 、振动给料机的动力学建模，动力学参数计算复杂。2 、弹簧出料漏斗的定位困难，气缸活塞与漏斗的配合。1 0湖北工业大学硕士学位论文第3 章弹簧自动上料机的结构设计3 1 弹簧自动上料机结构设计任务分布弹簧自动上料机结构设计主要包括三个部分的内容：送料槽的设计、激振器的设计、隔振弹簧的设计l 、送料槽的设计包括：振动给料机运动学参数的计算、动力学参数的计算、送料槽三维结构的设计。2 、激振器的设计包括：激振器轴的设计、偏心块的设计、平衡体的设计、激振器壳体的设计。3 、隔振装置的设计包括：隔振装置类型的选择，隔振装置刚度的计算。如下图( 图3 1 ) 所示：图3 1 弹簧自动上料机结构设计包括的内容3 2 弹簧自动上料机送料槽的设计3 2 1 弹簧自动上料机送料槽的类型选择一、物料振动输送的基本形式及其选择振动输送机、振动给料机和振动筛( 统称为振动机) 是通过槽体的振动来输送物料的。物料在槽体中输送的基本方式有两种5 0 , 51 】：滑行运动和抛掷运动只要适湖北工业大学硕士学位论文当地选择振动机的运动学参数( 振幅、频率、振动方向角和安装倾角) ，便可以对槽体中的物料按上述的任意一种方式进行输送 1 8 , 1 9 。1 、滑行运动物料始终保持与槽底相接触，在槽体的每一个振动周期中，物料沿槽底向前滑动一个微小距离，因而在槽体以一定的频率连续振动的情况下，便可以将物料连续地从槽体中输送出去。2 、抛掷运动物料时而与槽底接触，时而与槽底脱离，即物料时而被槽体向前上方抛起，作抛物线运动，时而又落回槽底。物料每次被抛起之后，都向前前进一个微小距离，从而实现物料的连续输送。在设计振动输送机、振动给料机和振动筛时，对上述两种输送方式或物料运动状态的选择，主要取决于物料的磨损性、对输送速度的要求。防止物料自身破碎的要求、振动机构的形式及工作面的运动轨迹等。当用于不允许破碎的易碎性物料或粉状物料的输送时，常采用滑行运动的输送方式或滑行运动状态，但在这种状态下，振动机的槽体易受到磨损。当用于对破碎无特殊要求的物料的输送时，则通常选用抛掷运动的输送方式或抛掷运动状态。因为在这种状态下，振动机槽体的磨损较轻，物料的输送速度一般较滑行运动状态为高，所以大多数振动机通常都选用抛掷运动状态【2 。物料输送方式的选择还与振动机构的类型和机体的运动轨迹有关。对于连杆式振动机构，既可采用滑行运动的输送方式，也可采用抛掷运动的输送方式；在惯性式与电磁式振动机构中，通常采用抛掷运动的输送方式。对于直线运动的振动机或近似于直线的椭圆运动的振动机，既可以在滑行运动状态下输送物料，也可以在抛掷运动状态下输送物料；对于圆周运动的振动机和近似于圆周的椭圆运动的振动机，通常只采用抛掷运动的输送方式，因为在滑行运动情况下，该种振动机不能获得较大的输送速度【2 。在选定物料的输送方式之后，便可进一步确定与物料运动状态相适应的运动学参数，即振动机槽体的振幅、振动频率、振动方向角及安装倾角等。本项目要设计的给料机是用来进行弹簧的上料工作的，所要输送的物料是弹簧。弹簧是属于不易破碎的物料，故弹簧的输送形式选择抛掷运动。在这种状态下，振动机槽体的磨损较轻，物料的输送速度一般较滑行运动状态时高。二、振动机的分类与类型选择振动机形式很多，结构差别也很大，主要区别是驱动方式的不同。目前常用的激振器有三种：偏心连杆驱动：偏心块惯性力驱动和电磁铁驱动。其他还有采用液压1 2湖北工业大学硕士学位论文气力装置作为振动输送机的驱动机构，但应用较少。本项目中的振动机选择电机振动给料机，利用偏心块惯性力驱动。3 2 2 弹簧自动上料机送料槽的结构设计在设计惯性振动设备时，必须对运动学和动力学参数及其特性进行较详细分析、并建立相应的数学模型和运动方程，从而确定必要的设计参数。呈抛掷状态工作的振动设备，振动参数有运动学参数和动力学参数。3 2 2 。1 运动学参数确定一、实现抛掷运动的条件及抛掷指数进行选取由于此项目所设计的振动上料机的输送形式是采用抛掷运动，那么就需要对实现抛掷运动的条件及抛掷指数进行选取。要使物料在振动机中出现抛掷运动，也就是使物料抛离工作机体，必须使物料颗粒在垂直于工作面方向的重力加速度分量小于工作面最大振动加速度在垂直于工作面方向的分量( 如图3 2 ) 。由式图3 2 槽体运动规律及物料受力分析G c o s o f o m a ) 2 2 s i n 8式中G 物料的重量；m 物料的质量；口o 振动机安装倾角；缈槽体振动的圆频率；入槽体振幅；1 3( 3 - 1 )湖北工业大学硕士学位论文6 振动方向角，即槽体振动方向与螬体底隧的必角。可得这个条件为：g C O S O ! 。 1( 3 3 )gC O S ( ：t oD ：c 0 2 2 s i n 8 ：爱皇生因为g c o s d oc o s 掰o ，所以当抛掷指数D 大于1 时，物料便可以被抛起，即可以实现抛掷运动。物料开始抛掷的瞬时的振动相位角纨称为抛始角，它可根据重力加速度和振动加速度在垂直于工作面方向的分量之和等于零的条件求出，即g c o s c r o - - ( 2 ) 2 2 s i n 8 s i n C d = 0( 3 4 )上式可写成以下形式1s l n 纨2 五或镪2a r c s 遗石1( 3 5 抛掷指数D 恒为正值，所以抛始角的值通常在0 。1 8 0 。的范围内。显然，当振动相位角缈等于抛始角妒d 时，物料开始出现抛掷。出现抛掷运动之后，在垂直于槽体方向的运动方程为：缈。= m o ) 2 A s i n g s i n f a G c o s a o( 3 6 式中歹。物料对槽体在垂直于槽底方向的相对运动加速度。相对速度和相对位移可根据上式对时问t 的一次积分和二次积分求出：够夕。= 筮夕。d t啦! 4湖北王业大学硕士学位论文儿= 旦夕。d t搿( 3 ，7 )= 2 s i n 8 ( s i n ( P d s i n 咖+ c o s 伤( 缈一仍) 卜l g c o s 翻。( 竺 堕)缈当抛掷运动终了时，Y 。- - 0 ，由上式可求出抛掷运动终了时的振动相位角纯，并称它为抛止角。抛止焦纹与抛始角终之差称为抛离焦岛，岛= 鲵一纯。这时式( 3 7 ) 可写为s i n 纯= s i n ( 纯+ O a ) = s i n + 吼c 。s 纯一华( 3 忡8 )因为抛掷指数D 只与抛始角纯的关系式为D = c 留2 鳓+ l ，我们把抛掷一次的时间与一个振动周期之比定义为抛离系数如，即fn：盟(3-9)z D2 茜根据式( 3 8 ) ，可导出抛掷指数D 与抛离系数i D 的关系式：D =按照上式在M a t l a b 中可做出如图3 。3 所示的趣线。Z D( a )( 3 1 0 )图3 3D 与i D 的关系、O d - - 与i o 的关系1 5( b )湖北工业大学硕士学位论文由此越线图上呵查得，当i D = 0 时，D 1 ；当易一l 时，D 一3 3 ；当i D = 2 或3时，D = 6 。3 6 或9 。4 8 。对于工业用的大多数振动输送机和振动给料机，通常选取抛掷指数D = 1 3 3 ，即槽体每振动一次，物料仅出现一次抛掷运动。当D = 3 3 6 3 6 时，物料抛掷一次的时间大予一个振动周期，所以，当物料下落与槽体的碰撞属塑性碰撞，即恢复系数等于0 时，槽体每振动两次，物料只出现次抛掷运动。当D - - 6 3 6 - - ,9 4 8 时，槽体每振动三次，物料只出现一次抛掷运动。因此，从减少不必要的能量消耗和提高振动机效率的观点来看，选取抛掷指数D 3 3 是适当的。但是，当D 选得过小，物料只麓出现轻微的抛掷运动，这会增加槽体的磨损，对振动筛来说，这会使物料颗粒堵塞筛孔的情况加重，所以目前大多数振动输送机、振动给料枫和振动筛，选取抛掷指数D = 1 4 3 3 。对于各种振动机，抛掷指数的选择范围是不相同的。例如：对于大多数长距离大产量的振动输送机，抛掷指数D 通常在1 和2 。5 范围内选取；对于振动给料机，由于其长度小，为了得到较大的输送速度，抛掷指数的选择范围为D = 2 5 3 3二、运动学参数的选择与计算运动学参数有激振频率、振幅、振动方向角、机械指数、抛掷指数和运动速度腊掣乎ol 、槽体倾角的选取槽体倾焦的大小，对振动机的生产率、槽体的磨损情况和筛孔堵塞都有影响。对于长度较大的振动输送机，在无特殊要求的情况下，通常水平安装。当要求倾斜向一b 输送时，最大升角一般不超过1 5 0 ，对于粒度较大或易于向下滚动的物料，最大升角一般不超过1 2 0 。当要求倾斜向上输送时，为了避免输送机槽体或管体受到过于严重的蘑损，一般要求向下的倾角不超过1 5 0 , - - - , 2 0 0 。对于振动给料机，除了因某些工艺作业需要而作水平安装外，般为了提高给料机的产量，通常采用向下倾斜安装倾角一般为1 0 0 。左右。下倾角为5 0 的振动给料机较水平安装的给料祝产量可增大5 - - - 1 0 ；而下额角为1 0 0 时，可增大3 0 - -4 0 ；下倾角为1 5 0 时，可增大5 0 - - , 1 0 0 由此可见，增大下倾角对提高振动给料机的产量有重要意义。当输送含水量较大或粘性较强的物料时，下倾角可取1 5 0 2 0 0 。2 、振动方向焦的选取1 6湖北工业大学硕士学位论文对振动输送机和振动给料机来说，选择振动方向角时应使机器有最大的产量，也就是说当振动机的振动强度一定时，应选择能获得最大平均速度的所谓最佳振动方向角。为此，必须首先分析振动机振动方向角与平均速度的关系。物料被抛起以后，沿槽体( 即X 方向) 的运动方程为m 膏u = m 缈2 2 c o s S s i n 缈+ G s i n a o( 3 1 1 )对X 方向的相对初速度我积分两次，并以抛止角纯代替伊，便可求得物料每次抛掷运动对槽体的相对位移：屹2 ( 2 c o s 8 ) 2 y 2 i D 2 去( 1 + 慨( 3 1 2 )= 2 万2 i D 2 昙( c o 溜。c 留讣s i 觚。)物料抛掷运动的理论平均速度等于每次抛掷运动的相对位移除以所需的振动周期，丝，即1 ，d = 去= c 0 2c o s J 告( 1 + t g a o t 9 8 )J 打)( 3 - 1 3 )国J - J J ：三碗：譬( c o s a o)2 了廊。i (+，式中，物料每次抛掷运动的周期数。根据上式，对于一定的振动强度K ，可求得一个最佳的振动方向角万。，使物料的输送速度为最大。当振动强度K = 2 - - 一，4 时，最佳振动方向角万。5 0 0 3 l o ，相应的抛掷指数D =1 5 - - - - 2 ；当K = 4 6 时，以一3 1 。2 4 。，D 2 2 4 5 ；当K = 6 8 时，以2 2 4 。2 0 0 ，D 2 4 5 2 7 4 。最佳振动方向角仅供振动机设计时参考，因为振动方向角的选择还要考虑槽体磨损等其它因素的影响。当输送磨损性强烈的物料，加水泥熟料、焦炭或烧结矿时，为了减小槽体的磨损，应该使物料在槽体中停留的时间与抛起时间之比尽可能小些，即增大抛掷指数D ，使抛离系数近似等于l 。这也说明，当K 一定时，应采用较大的振动方向角。例如，选取D = 2 8 3 0 可以显著减小槽体的磨损。1 7湖北工业大学硕士学位论文最后，在选取振动方向角时，还要考虑物料对冲击的敏感性及对物料保护的要求等因素。引起物料颗粒破坏的原因，主要是物料落到槽体上时，物料与槽体之间的相对冲击速度，显然，相对冲击速度与抛掷指数有关，抛掷指数愈大，相对冲击速度也愈大，也就是当振动强度K 一定时，振动方向角越大，相对冲击速度越大，越不利于对物料的保护。目前工业中应用的电磁振动给料机，振动方向角万= 2 0 0 2 5 0 ；惯性式振动给料机，一般万= 2 5 0 3 5 0 ；振动输送机一般万= 3 5 0 4 0 0 极常见的为万= 3 0 0振动方向角大小取决于设备用途和物料性质。为提高输送速度，最佳振动方向角与振动强度相对应：当K = 3 时，万：3 0 。4 0 。；当K = 4 时，万= 2 6 。3 6 。对于惯性驱动机构或振动频率大于1 0 0 0 次m i n 取万= 2 0 0 3 0 。3 、振动强度K振动强度亦称机械指数，它是承载槽体运动最大加速度k = 与重力加速度g 的比值，即K = A c 0 2 g式中C O = 2 矿。为使设备运行可靠及延长其使用寿命，对于常用惯性和弹性振动设备取K = 3 - - 4 较为恰当。4 、振幅入入的取值范围因激振机构不同而异。通常对于惯性驱动机构( 偏心块激振器)宜采用中频中幅，即入= 0 5 , - - - , 6 m m5 、振动次数对于在抛掷状态下工作的振动输送机和振动给料机，当抛掷指数D 选定之后，共振动次数n 和振幅入按下列公式计算。当预先选定振幅入之后，振动次数为删。篝器次份M )当预先选定振动次数n 之后，振幅为旯：9 0 了0 D g - c _ o s - a o 毫米( 3 15 )几= 一笔小j 万。n s l n D1 8湖北工业大学硕士学位论文电磁式振动机( 给料机和输送机等) 一般采用高频率小振幅，如n = 3 0 0 0 次分，振幅入般为O 5 1 毫米；如n = 1 5 0 0 次分，振幅般为1 5 。3 毫米。也有少数电振机的振动次数聆= 6 0 0 0 次分或低于1 5 0 0 次分。惯性式振动桃( 0 i l 鲁同步式和惯性共振式振动给料枕、振动输送机) 一般采用中频中幅。少数惯性振动机采用高频率小振幅。振动次数通常为7 0 0 - - 一1 8 0 0 次分，振幅为1 0 - 1 毫米。因为采用过大的振幅必然要加大偏心块的质量，采用过高的频率又会增大轴承的压力及零部件上的应力。弹性连杼式振动机( 魏长距离或中距离振动输送枕等) ，逶常选用低频率大振幅，少数采用中频率中振幅。振动次数通常为4 0 0 - - 1 0 0 0 次分，振幅入= 2 0 - 3毫米。振动机的振动次数及振幅不仅与振动机的结构型式有关，而且与工艺要求也有密切联系。例如，对予缨筛用的振动筛，宜采用小振幄、高频率；粗筛宜采用较大的振幅、较低的频率。当振动次数和振幅选定之后，还应对振动强度K 进行校核，实际所用的振动强度K 以小于许用振动强度区】，即足：塑：丝 吲( 3 - 1 6 )g9 0 0 9。式中医 _ 一许用振动强度，一般为5 - 1 0 。当实际选用的爱过大时，会增大振动机的动应力，并零| 起振动橇零部件的早期损坏。6 、激振频率厂当振动强度鬈和振幅么值确定之后由f = ( g X 4 ，r 2 五) 0 5 求出激振频率。推荐取值范圈为：歹= 1 0 2 5 嚣z 相当于6 0 0 - 1 5 0 0 次m i n 。7 、抛掷系数D它是承载槽体最大加速度垂直分量与重力加速度g 之比即A o ) 2 S i n y g C o s o t 。式中是振动设备的安装角。安装焦是指槽体与水平面之间的夹角( 安装倾角) ，其值影响物料的输送速度。楷体向下安装时，输送速度显著提高。如= - 1 0 。时，输送速度可提高4 0 左1 9湖北工业大学硕士学位论文右：= 一1 5 。时可提高7 5 以上。但掰。值不宜过大，因为它不仅加剧物料对槽体的蘑损，同时也受物料自然体止惫的限制。般不超过1 0 。1 5 。为使输送物料呈抛掷状态滑行，般驭l D 已导出了物料在抛掷运动状态下理论平均速度的公式。在槽体倾焦掰o = e 时，物料抛掷运动的理论公式可由式( 3 1 3 ) 褥蹬：，d d = f ( D ) o A c o s 8( 3 1 8 )式中厂( 伪与抛掷指数有关的系数：他) = 吾( 3 1 9 )上式表明，在槽体水平安装的情况下，理论平均速度是无因次系数功与振动槽体沿箱底方向的最大速度( 称为极限速度) v f = a ，2 c o s 6 的乘积。当D = I 5 - 3 3 时，无因次系数厂( D ) 在O 7 O 9 5 的范围内变化当D = 1 5 时，湖北工业大学硕士学位论文( D ) = O 7 ；当D - - - - 2 时，f ( D ) = 0 8 6 ；当的D = 2 5 时，厂( D ) = O 9 3 ；当D = 3 3时，厂( D ) = O 9 5 f ( D ) 与D 的关系曲线见图3 4 图3 4 无因次系数f ( D ) 与抛掷指数D 的关系当计算抛掷指数D = 2 3 3 的水平振动输送机的物料理论平均速度时，可按以下公式：V d = ( O 8 6 0 9 5 ) c 0 2 , c o s( 3 2 0 )抛掷指数D 较大时，系数取大值；D 较小时，取小值利用上式可很方便地求出水平振动输送机的物料理论平均速度当倾角不等于零时，物料的理论平均速度可按下式计算：，d = f ( D ) f ( t z o ) c 0 2c o s 8( 3 2 1 )式中厂( D ) 与工作面倾角有关的系数，f ( c r o ) = l + t g a o t 9 6( 3 - 2 2 )2 实际平均速度的计算实际平均速度与理论平均速度有一定的差值。这是因为在理论分析过程中忽略了影响物料运动速度的某些因素。例如，物料的性质( 水分与粒度等) 、料层厚度、槽体安装倾角等。含水物料的实际平均速度比干物料低；粉状物料的实际平均速度在抛掷运动情2 1湖北工业大学硕士学位论文况下显著减小，毽为在这种情况下容易产生气垫，影响物料运动。料层厚度越大，上层物料的运动速度就会显著下降，其综合平均速度，即实际平均速度也将随着减小。试验还证明，在较大的下倾角的情况下，抛掷运动的实际速度较理论公式计算得出的速度大得多，这是与物料颖粒的滚动及加速运动有关，倾角愈大，滚动与老瑟速度的运动也愈显著。此外，当抛掷指数较小，即在轻微抛掷的情况下，在物料抛掷开始和终了时，都会产生不同程度的滑行运动。因此，这会略微增大物料的实际平均速度。根据上述情况，对物料的理论平均速度必须加以修正。物料的实际平均速度公式可表示为：V = Y a C h C 。C 。v d Y 。c h c 。e 。f ( D ) 0 2c o s6 ( 1 + t g a o t g S )( 3 2 3 )式中以倾角对平均速度的修正系数( 表3 1 ) ；c 。料层厚度影响系数( 表3 2 ) ；C 。物料性质影响系数( 表3 3 ) ；c 。，滑行运动影响系数( 表3 4 ) 。由于影响物料实际平均速度的因素很多，用上述方法计算所褥的平均速度往往只能给出近似的结果。表3 1 倾角修正系数7 。倾角。15 0 + 5 01 0 01 5 0心lI 2 1 31 2 5 1 6“一号表示向上送，“+ 号表示向下送表3 2 料层厚度影响系数C 矗物料层厚度薄料层中厚料层厚料层q0 9 lO 8 0 90 7 , - 一0 8表3 3 物料性质影响系数秽辫物料性质颗粒状于物料颗粒状滠物料粉状物料C m0 9 l0 7 - - 一0 90 6 O 7湖北工业大学硕士学位论文表3 4 滑行运动影响系数c w抛掷指数D1 7 522 53C 擀1 1 1 1 51 0 5 - - 一1 1l 1 0 5l四、弹簧上料机运动学参数的选取与计算：l 、振幅天= 3 m m2 、振动强度K = 43 、激振频率f = ( g K 4 x 2 磊) o 5：晒8 x 4 ) ( 4 n 2 3 x 1 0 。) r 5= = 1 8 H z满足取值范围为：f = 1 0 2 5 H z ；1 8 H z 楣当于1 0 8 07 欠m i n4 、振动方向角艿一2 8 05 、安装倾角= 1 0 。6 、抛掷系数D ：A c 0 2 S i n ? g C o s c z：【3 x ( 2 矿) 2 S i n 2 8 0 】 9 8 xC o s l o o 】= 1 9满足为使输送物料呈微抛掷状态滑行，一般取l D 3 3 。7 、振动次数n = 3 0= 3 0= 1 0 9 0 次分8 、校核振动强度彪= 警= 哿= 9 0 0 9 。8 X 1 0 3= 3 9 8 8湖北工业大学硕士学位论文3 9 8 8 1 0 ，故K 式中：缈一与时间无关的位移向量。( 足一c 0 2 M ) 矿= 0由以上方程即可以求得系统的固有频率和振型。个自由度的系统有个固有频率，每个霹有频率都有相应的振型。此外，还可以对动力学方程进行坐标变换，将方程变换到主坐标或正规坐标上，然后求出系统的动态响应。二、对弹簧上料机进行动力学建模湖北工业大学硕士学位论文本项目所设计的上料机足单电机立式安装的振动给料机。下面对其进行动力学建模。主要任务是：简化力学模型、受力分析、微分方程的建立、微分方程的求解。根据单电机立式振动给料机结构，忽略阻尼的影响，建立如图3 5 所示的力学模型，取给料机质心为坐标原点，水平方向为彳轴，垂直方向为y 轴。| l I I IO图3 5 单轴立式惯性振动给料机的力学模型单电机立式安装由于偏心块旋转将产生周期激振力F o = m r ( x ) 2 ，分解为沿力心D 和质心C 连线方向的力B ，B = F oC O S O ) t ，进一步分解为曩和E ，另一个分力F z 沿z 轴方向垂直于D C 。F z = F 0s i n c o t ，因此会产生沿X 、】，、Z 三个方向的振动。又由于力心D 和质心C 不重合，由F z 产生的力矩会引起机体的转动，在这里湖北工业大学硕士学位论文仅考虑绕y 轴的转动，用角位移秒表示。根据牛顿运动定律翻转动方程式，= 兵，可建立系统的振动微分方程：其中：j r 是指机体绕y 轴转动惯量：秘Y = F z 掰c o s 8将足、耳、疋、肘y 代入以上方程组中，得设方程的解为( 3 - 3 2 )( 3 - 3 4 )融于给料机是在过共振区工作，所以忽略阻尼的条件下岱= = 厂= 痧一万，再将其代入上述方程，震开、整理蜀以求得三个方向的振幅和绕Y 轴转动的幅值：2 7国力辨一一一一湖北工业大学硕士学位论文因此系统的响应为：X ：- m z c o s dc o s f一一o U 3 “，M】，：m y c e 2s i n _ dc o s 彩fj Z k M Z ：型s i n 缈fM秒：a m Y c o s ds i n 缈f3 2 2 3 振动给料机送料槽的结构振动给料机送料槽的机构参数如下表( 表3 5 ) 所示：表3 5 振动给料机送料槽的结构参数( 3 - 3 6 )项目长( m )宽( m )振动方向角安装倾斜角出口弯曲弧度数值6O 52 8 01 0 0R = 6 0 0 m m振动给料机送料槽的三维实体图如下图( 图3 6 ) 所示图3 6 振动给料机送料槽的三维实体图要分选的弹簧从大端口进入送料槽，在激振器不断产生激振力的作用下，送2 8湖北工业大学硕士学位论文料槽产生振动，送料槽中的弹簧不断地向前做抛掷运动，直到从送料槽的出口落入出料器。3 2 2 4 振动给料机出料器的结构本项目中将振动给料机的出料器的结构设计成漏斗的形状，漏斗的下端装有挡块，挡块装在伸缩杆上。下图即为出料器的三维实体图( 图3 7 )图3 7 出料器的三维实体图当有弹簧落下，而工作台的工位还未转到出料器下端时，挡块伸出，阻止弹簧落下；当工作台的工位转到出料器下端时，挡块缩进，弹簧落入工作台工位中。由于弹簧分选机分选的弹簧外径是 2 0 6 0 m m ，此出料器的出料口直径是按所能分选的最大外径所设计的，为7 0 m m 。若要分选外径比较小的弹簧时，可以在出料口中加套筒，以减小出料口直径。3 3 弹簧自动上料机激振器的结构设计3 3 1 弹簧自动上料机激振器的类型选择一、激振器的分类常用的激振器有惯性式激振器、弹性连杆式激振器、电磁式激振器、液压式或气动式激振器，以及凸轮式激振器等。l 、惯性式激振器惯性振动机是由带偏心快的惯性激振器驱动的。惯性激振器可分为以下几种：2 9湖北工业大学硕士学位论文单轴式。睽性激振器单轴式惯性激振器通常产生沿圆周方向变化的激振力。当轴两端的偏心块具有不同的安装相位时，还会产生沿圆周方向变化的激振力偶。双轴式惯性激振器双轴式惯性激振器的两轴通常做反向等速回转运动，所以当瓶轴上的偏心块质量及偏心距相等时，该激振器将产生一个直线的、大小变化的激振力。当轴两端的偏心块具有不同的安装相位时，还会产生定向周期变化的激振力偶。多轴式惯性激振器最常见的为四轴式惯性激振器，通常产生两j ；f 申频率的激振力。目前单轴式和双轴式惯性激振器得到了相当广泛的应用，多轴式惯性激振器仅在少数机器中应用。2 、弹性连轷式激振器3 、电磁式激振器电磁式激振器由铁心、电磁线圈、衔铁和弹簧等所组成。铁心通常与平衡质体固定在一起，而衔铁则与耩体( 或机体) 固定在一起。4 、液压式或气动式激振器液压式激振器的类型很多，最常见的为液压缸活塞式激振器，此外，还有利用回转阀调节频率的液压式激振器。5 、凸轮式激振器二、弹簧自动上料机激振器的选择根据手机的振动原理“电动机带动偏心块产生激振力 ，确定弹簧自动上料机选择：单轴式惯性激振器。3 3 2 弹簧自动上料机激振器的结构设计弹簧自动上料机激振器结构参数如下表( 表3 6 ) 所示表3 6 弹簧自动上料机激振器的结构参数( 单位：l l l n l )构件激振器轴激振器壳体偏心块平衡体最大项目长度长宽商外径偏心距长宽高直径数值6 03 4 54 3 52 8 52 7 01 5 01 52 5 51 6 52 2 5湖北工业大学硕士学位论文下图( 图3 8 ) 是惯性共振给料机激振器的三维结构图。图3 8 惯性共振给料机激振器的三维实体图激振器包括连接板、激振器壳体、激振器轴、偏心块、平衡体等。下图( 图3 9 ) 是激振器主要部件的三维实体图：a ) 激振器轴、b ) 激振器壳体、c ) 偏心块、d ) 平衡体。a ) 激振器轴c ) 偏心块b ) 激振器壳体d ) 平衡体图3 9 激振器主要部件的三维实体图1 、激振器轴：对称的阶梯轴，承载偏心块，与电动机的输出轴相连，电动机湖北工业大学硕士学位论文转动，带动激振器轴转动，从而装在轴上的偏心块也随之转动。2 、激振器壳体：用来承载激振器的所有部件，并且与送料槽用连接板相连，连接板焊接在激振器壳体上。3 、偏心块：主要用来产生激振力。4 、平衡体：与偏心块直接接触，若偏心块相当于凸轮，那么偏心块就相当于与凸轮机构的从动件。3 4 弹簧自动上料机隔振装置的设计3 4 1 弹簧自动上料机隔振装置设计的相关理论一、弹性元件的种类及其特点在振动筛、振动给料机和振动输送机中，广泛采用各种类型的弹性元件( 弹簧) ，其中隔振弹簧的使用非常重要。隔振弹簧的作用是对振动机体实现弹性支承，使机体得以实现弹性振动，并减小传给地基或结构架的动载荷，这类弹簧的刚度取得较小，机器振动系统的固有频率远小于其强迫振动频率( 即工作频率) 【l j 。目前在振动筛、振动输送机和振动给料机中隔振弹簧型式很多，最常见的有以下几种：1 金属螺旋弹簧圆断面圆柱形金属螺旋弹簧是目前振动筛、振动输送机和振动给料机中应用最广的一种弹性元件。它的优点是：制造比较方便；内摩擦小：在正确设计与正确制造的情况下，具有较长的寿命。缺点是：体积较大；容易产生噪声；调节其刚度较不方便，横向刚度小，容易使机体出现横向摇摆【2 2 1 。除了采用钢丝为圆截面的圆柱弹簧外还采用矩形截面的圆柱弹簧，以及采用圆截面塔形弹簧等。在小型振动机中还采用拉力弹簧。2 橡胶弹簧近十多年来，在振动机械中，橡胶弹簧得到广泛应用。它可以作为主振弹簧使用，也可以作为隔振弹簧和传动弹簧使用。这种弹簧即可以在压缩状态下工作，也可以在剪切情况下工作。橡胶弹簧具有以下特点。( 1 ) 可以制成各种不同形状和尺寸的制品。它的结构紧凑，能有效地利用几何空间。( 2 ) 橡胶的弹性模数比金属小得多，且随其硬度的变化在较大范围内变动，所以可以根据实际需要来改变橡胶的硬度，使弹簧获得不问的刚度，即同一形状和3 2湖北工业大学硕士学位论文尺寸的橡胶弹簧，其刚度I l 在定范嗣内选取。此外改变弹簧的内部结构( 改变其中心孔的尺寸等) ，也可以改变弹簧的刚度。( 3 ) 橡胶弹簧三个方向的刚度可根据实际需要进行设计。此外，橡胶弹簧也可以同时承受压缩变形和剪切变形。( 4 ) 橡胶弹簧的内摩擦阻尼比金属大得多，因而橡胶弹簧振动机起动停车通过共振区时，出现的振幅比螺旋弹簧振动机要小。( 5 ) 橡胶弹簧传递声音的阻力比金属弹簧大得多，所以隔音较好，工作时噪音小。但橡胶弹簧也有很多弱点，例如，与金属弹簧相比，适应高温及低温的能力差，刚度受温度影响大，对于近共振振动机，温度变化极易引起工作点的漂移。橡胶弹簧的抗油性和抗光性都较差，且易老化。3 裹胶金属螺旋弹簧( 复合弹簧)近几年来，在振动机械中开始采用裹胶金属螺旋弹簧，即以金属螺旋弹簧为基础硫化成空心圆柱的复合弹簧。这种弹簧的刚度较金属螺旋弹簧增大2 4 倍，工作时噪声小，阻尼增大。此外还有空气弹簧和金属蝶形弹簧等。二、弹性元件的组合刚度在振动筛、共振筛、振动给料机和振动输送机中，常常是由多个弹簧组成一个弹簧组，并将它们连接于一个或多个振动质体上。对于隔振弹簧来说，按照它们的组合力式均可分为以下四种，反按式、并联式、中联式和复联式【2 引。3 4 2 弹簧自动上料机隔振装置的结构设计一、弹簧自动上料机的隔振弹簧的选择：经过比较各种弹簧的优缺点，决定弹簧自动上料机的隔振弹簧选用橡胶弹簧。在振动筛、共振筛振动给料机和振动输送机中，最常用的橡胶弹簧按其形状分为实心圆柱、空心圆柱、矩形等几种。按照受力情况分为受压、受剪和受倾斜力等几种。在倾斜力的作用下，弹簧产生复合变形，即压缩变形与剪切变形同时产生。按照弹性力曲线的形状分为线性和非线性两类( 图3 1 0 ) 。此项目中选取实心圆柱橡胶弹簧作为隔振弹簧。3 3湖北工业大学硕士学位论文图3 1 0 橡胶弹簧的弹性力1 、橡胶试件的拉压特性在拉力或压力e 作用下，橡胶试件将产生拉伸或压缩变形。如果橡胶试件拉力或压力与变形的关系和金属材料一样符合虎克定律，那么拉压应力仃与应变g ，或拉力( 压力) 弓与变形Y 的关系可由下式表示：盯= E 占或e 。以P 音( 3 _ 3 7 )式中E 试件的弹性模数54 试件受力面积；y 试件变形：h 试件的长度或高度。但是大量试验证明，只有在橡胶试件变形很小的情况下，拉力或压力与变形的关系才与虎克定律相将合。当拉力与压力增大后，橡胶试件的长度或高度变化，试件上下两端受力面积并不改变或改变很少而中部横截面积不等于初始横断面积，试件产生变形愈来愈不容易，因而弹性力与变形呈现出非线性的关系。假设橡胶试件在负荷作用下，体积保持不变，而橡胶试件的初始面积为彳p ，湖北工业大学硕士学位论文变形后的平均面积为彳。，显然4 与彳。有以下关系：A P h = A l ( h y )( 3 3 8 )式中的“+ ”号为拉伸，“一”号为压缩。因此，在变形较大的情况下，力与变形有以下关系式：e = e 4y ，l = 睇去E A p h ( 1 千万Y ) ( 3 - 3 9 )所以弹性力具有非线性的性质。试验还指出，橡胶材料的弹性模数( 拉伸弹性模数E 和剪切弹性模数G ) 与邵氏硬度H S 有关。橡胶材料的拉压弹性模数E 与邵氏硬度H S 的关系如下；E = 3 5 7 e 0 0 3 3 册( 3 - 4 0 )而其剪切弹性模数G 与邵氏硬度的关系如下；G = 1 1 9 e O 0 3 3 傩( 3 4 1 )也可以由表3 7 查出E 或G 。表3 7 橡胶材料的拉压弹性模数E 与剪切弹性模数G拉压弹性模数E剪切弹性模数G邵氏硬度H S动刚度系数K 。( k g c m 2 )( k g c m 2 )4 01 3 54 51 14 51 5 45 11 1 55 01 8 06 O1 25 52 1 I27 11 2 86 02 4 88 31 4 06 52 9 59 97 03 4 711 82 、圆柱形橡胶弹簧的计算尽管橡胶弹簧具有某些非线性的特性，仍然可以按线性的特性进行近似计算。圆柱形橡胶弹簧的受力面积4 = 刀2 自由面积A ，= 2 n r h 。受力面积彳P 与自由面积之比称为形状因数，即3 5湖北工业大学硕士学位论文g ：生：旦二：一r( 3 4 2 )J = = = 一J 叶二，A P2 n r h2 h式中卜橡胶弹簧半径，c n l ；h 橡胶弹簧高度，C l n 。形状系数为= 1 2 ( 1 + 1 6 5 s 2 )s 与均为无因次量。压缩方向( z 向) 的橡胶弹簧刚度的经验公式h ：掣E k C I I l以剪切方向( x 向) 的橡胶弹簧刚度计算公式为“2 网A e G 咖( 3 4 3 )( 3 4 4 )( 3 4 5 )式中E 橡胶的拉伸静态弹性模数，k g c m 2 ；G 橡胶的剪切静态弹性模数，k g c m 2 。根据试验，橡胶弹簧的动刚度与静刚度有显著差别，此外，温度对橡胶的刚度也有明显影响，因此，计算一定温度下的橡胶弹簧的动态刚度，应乘以动刚度系数K d 及温度影响系数尼，即H=KdKTh(3-46)k | f i = K d K T k i |K d 动刚度系数，见表3 7 ；K r 温度影响系数，见图3 11湖北工业大学硕士学位论文bg图3 11 温度影响系数K ，预选用实心圆柱形橡胶弹簧，r = l O O m m ，h = 6 0 m m ，下面计算弹簧在室温( 2 5 0 )及邵氏硬度H S = 5 0 时的动刚度：此弹簧的受力面积A P 与自由面积4 ：A 。= 2 = 7 X1 0 2 = 3 1 4 c m 2A ，= 2 砌= 2xzx1 0 x6 = 3 7 7 c m 2形状因素s 与形状系数：s ：生：坐：0 8 3 3S = o = =A ，3 7 7= 1 2 ( 1 + 1 6 5 s 2 ) = 2 5 7 4压缩方向与剪切方向橡胶弹簧的静刚度为：尼：坐E ：3 1 4 x 2 5 7 4 1 8 ：2 4 2 4 7 k g c m1h6铲唾A e G2 陌瓣3 1 4 x64Gh2 h矸瑚2 酬硎2 陬一2 阿瓣书0 2 嘲硎尼i = K d K T k 上= 1 2 xo 9x2 4 2 4 7 = 2 6 1 8 7 k g c m3 7湖北工业大学硕士学位论文k ：F = K d K l k l f = 1 2 xo 9 x3 0 2 = 3 2 6 2 k g c m下图( 图3 1 2 ) 是隔振弹簧的三维实体图：图3 1 2 隔振弹簧的三维实体图3 8湖北工业大学硕士学位论文第4 章弹簧自动上料机的运动仿真4 1 机构运动仿真的相关理论随着计算机辅助设计技术的飞速发展与功能的不断完善，工程技术人员的设计方法和手段越来越丰富。尤其是三维C A D C A M 软件的广泛应用与普及，使现代机械产品设计逐步进入了三维时代。三维设计具有形象、直观、精确、快速的特点，在新产品开发的方案设计、结构分析、产品性能的评估、确定和优化物理样机参数的过程中能够起到决定性作用，并为新产品研发取得成功，提供了强有力的技术支持。计算机动态仿真技术已经广泛应用于机构的研究和设计中，对机构进行运动仿真，在动态显示前，需要对原动件作周期运动的整个过程，即组成机构的所有构件的运动位置进行分析计算，得到机构在做周期运动过程中所有构件均满足和不满足装配条件的原动件位置信息，该过程可称作机构仿真的预运行，将满足装配条件的区域称为可行域。由此提出了机构运动仿真的可行性概念【2 4 1 。这样，在运动仿真演示时，显示的是机构在可行域内的连续运动。机构运动仿真分析，可以实现机械工程中非常复杂机构运动分析在实际制造前利用零件的三维数字模型进行机构运动仿真已成为现代C A D 工程中的一个重要方向及课题。机构仿真分析所解决的问题有以下几点：位移、速度、加速度、力解决零件间干涉、作用力、反作用力等问题【2 5 1 。一般说，工程师首先将零件的三维模型建好。其次确定运动零件，此外确定各运动零件之间的约束关系最后利用特定分析软件进行机构分析，如A D A M S A N S Y S 等。其中的关键环节为建立零件问约束关系及载荷定义并求解。用传统的方法，如图解法，对机构进行分析和综合时，效率和精度低【2 6 1 。随着计算机技术的发展，机构运动仿真正逐渐应用到机构的分析和设计中。不仅可以对机构进行快速和高精度的分析及综合，而且，在结构设计完成后，无需试制样机，就可提前仿真整个机构的运动过程，对设计中可能出现的问题做出预测和改进。机构运动仿真一般可用一些高级语言如V B 、V C 、O P E N G L 、A U T O C A D 和3 D M A X等软件编程实现。编程序比较复杂，通用性不强，而且无法自动生成对运动分析有用的数据。美国P T C 公司推出的P r o E n g i n e e r 软件不仅C A D 功能很强，而且3 9湖北工业大学硕士学位论文具有C A M 和C A E 功能，其中机构( M e c h a n i s m ) 模块可对构建的装配进行仿真，以观察整个机构的实际运动过程。同时也可以检查构件间是否干涉，具体干涉的体积。进一步可以确定运动的极限位置，兴趣点的轨迹和曲线，以及运动学和动力学参数等。相比编程而言，只需简单地构建装配实体和定义运动分析，省去了参数的矢量推导、分析和程序化。为机构的设计分析提供了一种简便的方法4 2 弹簧自动上料机的装配4 2 1 弹簧自动上料机送料槽的装配在S o l i d w o r k s 中将已建好的出料器和送料槽的三维实体模型调出来，利用S o l i d w o r k s 的装配模块对其进行装配。将出料器作为固定件，选择送料槽各基准面与出料器的基准面进行匹配。具体装配关系如图4 1图4 1 出料器与送料槽的装配关系图装配关系为：( 1 )出料器的定面与送料槽的出口底面相距2 0 m m ；( 2 )出料器的前视基准面与送料槽的前视基准面重合；( 3 )出料器的右视基准面与送料槽的出口对称中心面重合。下图( 图4 2 ) 即为两构件装配完成的装配图：湖北工业大学硕士学位论文图4 2 出料器与送料槽的装配图4 2 2 弹簧自动上料机激振器的装配l 、首先将平衡体作为固定件；2 、将激振器轴装入平衡体中，其装配关系如图4 3 所示：图4 3 激振器轴的装配关系图装配关系为：( 1 ) 平衡体的前视基准面与激振器轴的前视基准面重合；( 2 ) 平衡体的上视基准面与激振器轴的上视基准面重合；4 1湖北工业大学硕士学位论文( 3 ) 平衡体的右视基准面与激振器轴的中心线重合。3 、将偏心块装在激振器轴上，其装配关系如图4 4 所示：图4 4 偏心块的装配关系图装配关系为：( 1 ) 偏心块的孔与激振器轴同心；( 2 ) 偏心块的右视基准面与激振器轴的右视基准面重合；( 3 ) 偏心块的前视基准面与激振器轴的前视基准面重合。4 、将偏心块挡圈对称安装在偏心块两侧，用以限制偏心块的轴向移动，其装配关系和装配状态如图4 5 所示：图4 5 偏心块挡圈的装配关系图4 2湖北工业大学硕士学位论文装配关系为：( 1 ) 偏心块挡圈的侧面与偏心块的侧面重合；( 2 ) 偏心块挡圈的孔与激振器轴同心；( 3 ) 偏心块挡圈的前视基准面与激振器轴的右视基准面重合5 、将平衡体端盖装上，其装配关系如图( 图4 6 ) 所示：图4 6 平衡体端盖的装配关系图装配关系为：( 1 ) 平衡体端盖的侧面与平衡体的侧面重合：( 2 ) 平衡体端盖上的孔与平衡体上的孔同心：( 3 ) 平衡体端盖的右视基准面与平衡体的前视基准面重合。6 、将圆锥滚子轴承对称安装在轴承座中，其装配关系如图4 7 所示：4 3湖北工业大学硕士学位论文图4 7 圆锥滚子轴承的装配关系图装配关系为：( 1 ) 圆锥滚子轴承内圈右端面与激振器阶梯轴端面重合；( 2 ) 圆锥滚子轴承与激振器轴同心；( 3 ) 圆锥滚子轴承的前视基准面与平衡体的右视基准面重合。7 、轴承盖，其装配关系如图4 8 所示：图4 8 轴承盖的装配关系图湖北工业大学硕士学位论文装配关系为：( 1 ) 轴承盖孔与激振器轴同心；( 2 ) 轴承盖内端面与圆锥滚子轴承外圈左端面重合；( 3 ) 轴承盖的前视基准面与平衡体的右视基准面重合。8 、将装配好的实体再装入壳体中，其装配关系和装配状态如图4 9 所示：图4 9 壳体的装配关系图装配关系为：( 1 )壳体的前视基准面与平衡体的前视基准面重合；( 2 ) 壳体的上视基准面与平衡体的上视基准面重合；( 3 ) 壳体的右视基准面与平衡体的右视基准面间隔5 m m 。到此，激振器装配完成，装配完成的激振器如图3 8 所示。4 2 3 弹簧自动上料机的总体装配1 、先将送料槽作为固定件，把激振器装在送料槽上，用螺栓连接。激振器与送料槽的装配关系如下图( 图4 1 0 ) 所示：4 5湖北工业大学硕士学位论文图4 1 0 激振器与送料槽的装配关系图装配关系为：( 1 ) 送料槽的前视基准面与激振器的前视基准面重合；( 2 ) 送料槽的上视基准面与激振器的上视基准面重合；( 3 ) 送料槽的右视基准面与激振器的右视基准面间隔1 5 r a m 。2 、将出料器作为固定件，将其与上步装配完成的激振器与送料槽的装配体进行装配。其装配关系如图4 - 1 。装配关系为：( 1 ) 出料器的定面与送料槽的出口底面相距2 0 m m ；( 2 ) 出料器的前视基准面与送料槽的前视基准面重合；( 3 ) 出料器的右视基准面与送料槽的出口对称中心面重合。装配完成后的弹簧上料机总装图( 图4 1 1 ) 如下：图4 11 弹簧上料机总装图湖北工业大学硕士学位论文4 3 弹簧自动上料机的运动仿真4 3 1 激振器的仿真激振器的运动是：电动机带动激振器轴运动，进而，使套在激振器轴上的偏心块转动，偏心块转动时，时而与平衡体接触，时而与平衡体脱离，则平衡体的运动就是一个近似的摇摆运动，可以近似看作直线运动，即激振器产生振动的轨迹可以近似看作直线。由于激振器的总体运动方案是将转动转化为直线运动，所以，够成激振器的主要机构就是一个凸轮机构。那么，对于激振器的仿真就可以简化为对凸轮机构的仿真。下图( 图4 1 2 ) 即为简化的凸轮机构，主动轮作顺时针转动，带动从动杆做直线运动。凸轮的主动轮就相当于激振器中的偏心块，从动轮相当于平衡体，从动杆相当于激振器的壳体。图4 1 2 中的一一一一即为凸轮的旋转过程图4 1 2 凸轮机构运动示意图将凸轮机构装配好，进入P r o E 的“机构”模块对其进行仿真：1 、设置凸轮从动机构连接。分别点选主动轮和从动轮的外圆弧面。P r o E 系统自动抓取这两个面为贴和面。2 、创建弹簧。在点P N T 0 P N T 0 中创建弹簧。耿弹簧常数k = 1 0 0 ，弹簧原始长度= 6 0 m m ，弹簧直径- - 2 5 m m 。3 、创建阻尼器。在点P N T 0 一P N T 0 中创建阻尼器。取阻尼器常数C = 1 0 0 。4 、设置伺服电机。将伺服电机装在凸轮机构的主动轮中心轴上，电机的转动速度为7 2 d e g s e c 。各项参数设置完成以后的凸轮机构如下图( 图4 1 3 ) ：4 7一一一一湖北工业大学硕士学位论文黑00图4 1 3 各项参数设置完成以后的凸轮机构示意图5 、选取位于弹簧下端的P N T O 点，即相当于激振器中平衡体上的一点，对其进行Y 方向上的位置、速度、加速度的动态分析，得出其测量图，三条曲线位于一个测量界面中，如图4 1 4 ：j 互翟| 夏件( D 视图( 必格式( 凹i 团+ 固习；j ：一二图4 1 4 凸轮机构位置、速度、加速度的动态分析曲线图湖北工业大学硕士学位论文图中浅蓝色的曲线代表位置( f o l l o w e r曲线；深蓝色的曲线代表速_position)度( f o l l o w e ry e l o c i t y ) 曲线；青色的曲线代表加速度( f o l l o w e r曲线。横_acceleration)轴表示时间轴，纵轴表示测量轴。由这个曲线图可知，凸轮机构在刚开始运动时、以及在运动到第4 5 秒的时候，加速度最大。凸轮机构在刚开始启动时，运动状态由静止变为运动，很显然，要有相当大的加速度才能运动起来，故在刚开始启动时加速度很大。当凸轮机构运行起来后，速度逐渐趋于恒定，加速度减小为O ，当运动到第4 5 秒时，即图4 1 1 所示的位置时，也就是P N T 0 点到达最低点时，因有重力加速度的影响，加速度达到最大。而后速度又趋于恒定，如此循环。激振器中平衡体上某一点的位移、速度、加速度曲线也是同样道理。4 3 2 弹簧上料机的仿真由于激振器的运动轨迹是一个近似的摇摆运动，它将振动传递给送料槽，那么送料槽的运动轨迹就是一个椭圆。故整个上料机系统就可以简化为一个摇杆机构，则对弹簧上料机的仿真就可以简化为对摇杆机构的仿真。下图( 图4 1 5 ) 即为简化的摇杆机构。图中左边的杆，也就是1 所表示的杆，是主动件，相当于激振器。右边的杆，也就是2 所指的杆是从动杆，相当于送料槽。2图4 1 5 摇杆机构示意图将四杆机构装配好，进入P r o E 的“机构”模块对其进行静态仿真分析。当施3 0 n # l - 力于机构上的某个位置时，机构在施力处会因为施加的力量而产生加速度，进而使机构产生运动，静态分析是让我们能了解到机构由“受力开始 至“达到力平衡 为止的机构运动状况，以及施力处的加速度曲线。当加速度到达0 时，整个机构便达到平衡的配置，不再运动。下面就是对四杆机构进行静态分析的详细过程，直至得出加速度曲线图：4 9湖北工业大学硕士学位论文l 、将心擞杆拿 ：罔销钉方式连接。2 、切换P r o E 进入“机构”模块，用“快照”将四杆机构的目前配置记录下来。3 、创建一个弹簧。在杆l 的P N T 0 所在的轴上创建一个弹簧。取弹簧的常数k = 1 2 0 0 。4 、创建一个作用于机构组件上的力。使力的作用点落在P N T l 上，作用力的大小取5 0 0 N 。将作用力的方向设为Y 方向。其示意图如图4 1 6 ：p N T lP N 哟图4 1 6 摇杆机构受力示意图5 、运用静态分析工具，启用重力外部载荷，进行机构的静态分析。待出网杆机构的加速度曲线。由于在P N T 0 点有5 0 0 N 的作用力，故杆会向逆时针方向旋转，直到达到作用力与反作用力两者平衡才能停止旋转，但旋转角度不大。由“受力开始 到“到达力平衡”期间，加速度的变化益线图如图4 1 7 ：湖北工业大学硕士学位论文图中横轴表示计算的次数，纵轴表示加速度。当施加力的初始时刻，也就是计算次数临界于0 时，组件在施力处产生相当大的加速度。也就是说，上料机在刚刚启动的时候会产生相当大的加速度。但组件在受力的同时又会产生反作用力，因此，在运行过程中，施力处的加速度会逐渐减小。当反作用力大到等于作用力的时候，组件即达到平衡的状态。湖北工业大学硕士学位论文第5 章弹簧自动上料机工作台的控制系统设计5 1 弹簧自动上料机工作台工作流程及具体操作自动上料视最终目的是要将弹簧送到工作台上，其具体工作过程如下：激振器将激振力传递给送料槽，弹簧在送料槽中作抛掷运动，不断地向前运动，当到达送料槽末端时落入出料器( 这里设计的是一个漏斗影状的出料器) ，漏斗的下端装有传感器，和气缸活塞。当一个弹簧落入漏斗中，传感器检测到，并将信号传给工作台的主接制系统，主控制系统控制工作台转一个工位，使装弹簧的口对准出料口，弹簧落入工作台上的检测口。当工作台在做这一系列的动作时，若还有弹簧不断的落入出料器，气缸活塞就压住要落下的弹簧，避免其落下而干扰前一步骤的动作。当前一个弹簧放入工作台后，气缸活塞自动移开，下一个弹簧自动落下，如此循环。振动上料机工作过程流程图( 图5 1 如下：5 2湖北5 - 业大学硕士学位论文。弹歙燧、椭H打并控露激搌器的琏骟扫瓿，电动梗麓动一n电动机的输出轴与激振器的输入轴相连，电动机转动抬动激搌秣蚰转动一 装在激振器轴上的偏心块在激振器轴酌蒂蘑节也转动超来，麸蔼芦生激搌力pH激攘嚣鞯澈椽踟传递给遴释漕，盔奎乎港誊|槽中的弹簧便在振动的作用力下开始向送料搪的出料了髓运动一娃弹赞从送料槽的出料口出来后，直接落入漏斗形出料纛中，漏- z l - 形出辩差拜端装煮挡板JU当分选工作台的麦藏孑b 对准出料嚣的下端时，挡板打开，弹簧落入工作台。一 Q 送耀缄哆图5 1 振动上料机工作过程流程图5 2 弹簧自动上料系统工作台主控制器的选择本项目选择可编程控制器P L C 作为工作台的主控制器5 3湖北工业大学硕士学位论文5 。2 1 输入输出设备的确定l 、输入设备用于产生输入控制信号本项哥的输出设备有3 个：快速运行按锂S B l ，慢速运行按钮S B 2 ，箨止按钮S B 3 ；这三个按钮在程序中对应的代号分别为X 0 、X 2 、X 3 。2 、输出设备幽P L C 的输出信号驱动的执行元件本项目的输出设备即为工作台的旋转，程序中代号为Y 0 。5 2 2P L G 的选择F X 系列可编程序控制器的系统配置灵活，用户除了可以选用不同的子系列外，还可以选用多种基本单元、扩展单元和扩展模块，组成不同I 0 点和不同功能的控制系统，各种不同的配置都可以得到很高的性能价格L L 2 7 ；8 测。F x 系列的硬件配置就像模块式可编程序控制器那样灵活，因为它的基本单元采用整体式结构，又疑有眈模块式可编程序控制器更高的性能价格比。每台F X 2 N 可将一块功能扩展叛安装在基本单元内，不需要外部的安装空间，这种功能扩展板的价格非常便宜。功能扩展板包括8 点模拟量设定单元、R S 一2 3 2 C通信板、R S - 4 8 5 通信板和F X o N 适配器连接板【3 0 , 3 。F X 2 N 系列有多种特殊模块，如模拟量输入输出模块、热电阻热电偶温度传感器用模拟量输入模块、高速计数模块、l 轴2 轴位置控制单元和位置控制模块、脉冲输出模块、M E L S E C N E T M I N I 接口模块和I D 接口模块【3 2 , 4 4 , 4 5 1 。F X 系罗| j 可编程序控制器还有多种规格的数据存取单元，可用来修改定时器、计数器的设定值和数据寄存器的数据，也可以用来傲监控装置，有的显示字符，有的可以显示画面。F X 还有电流分别为1 A 和2 A 的D C 2 4 V 电源组件，输入电压为A C 2 2 0 V ，可装在D I N 导轨上【3 3 ，3 羽，作为晶体管输蹬模块的外部电源，或接近开关、光电开关等传感器的电源。F X 系列的体积虽小，却具有很强的功能。它可以捕捉脉宽大于7 51 1S 的窄脉冲，内置高速计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波时间调整、恒定扫描时闻等功能，有高速计数器的专用吃较指令。使用脉冲列输出功能，可直接控制步进电机或伺服电枫。脉冲宽度调制功能可用于温度控制或照明灯的调光控制。关键字登录功能可以用来对存储器设置3 级【3 5 ，3 6 】保护，以防止别人对用户程序的误湖北工业大学硕士学位论文改写或盗岗，保护设计者的知识产权。媚三菱公司A 系列1 ；t f 编程序控制器图形编程器的编程软件，F X 系列还可以直接使用顺序功能图编程语言。数控弹簧分选机囱动上料机工作台的控制系统要实现的是步进控制，可以选择使用一般P L C ，用移位寄存器和移位指令编程，考虑上料规运动的工艺是固定的，P L C 的I O 基本上可不鼹余量【3 7 ，4 3 1 。考虑经济、维修等因素可选择F 1 F 2 系列可编程控制器。F 1 F 2 系列P L C 的C P U 为8 0 3 9 单片机芯片，执行时间为1 2 步，F l 系列容量为1 K 3 8 3 9 4 0 。F 2 系统容量为2 K 步。储存方式有机内删、E P R O M 、E E P R O M 。输入为直流2 4 V 。输出有继电器、晶体管和可控硅三种输出方式。F 1 F 2 系列P L C 最大I O 点数为1 2 0 点，可任意组合【4 1 ，4 2 】。经综合考虑，选用F X 2 N系列的P L C ，此控制系统有3 个输入，1 个输出。5 3 弹簧自动上料系统软件设计5 3 1 上料工作台的工作流程图上料工作台是一个圆形的转盘，周围布置2 0 个孔( 工位) ，其工作流程图如下图( 图5 5 ) 所示：磊台的其中一沁竺警罕出料器下鬯一一lI 弹簧从出料器中落下，落入工l作台的一位中IlI2 s 问隰时间lI 此丁位转离出料器。卜 端，下1个工位转至离料器”F 端l ，一如此循繇、7图5 5 上料工作台的工作流程图5 5湖北5 - 业大学硕士学位论文5 3 2P L C 各端口的连接图一、步迸电机P L C 控制输入输出点分配情况上料机的圆形工侔台是由步迸电机带动其转动的，并且做阀歇运动的，根据弹簧分选机的分选速度为4 0 - - - 6 0 件分钟，而工作台周围有2 0 个工位，也就是一个工位的问歇时间为1 5 1 S ，这里设计工作台的间歇时间就设计了两个间歇时间，l ，5 S 和l S ，两个间歇时间的输入分别囱控制面板上的按钮输入。步迸电梳P L C 控制输入输出点分配见表5 。l表5 1 步进电机P L C 控制输入输出点分配表输入信号输出信号名称代号输入点编号名称代号输入点编号快速按钮S 8 lX e慢速按钮S B 2X lA 棚输入端A停止按钮S B 3X 2二、步进电机P L C 控制接线图如图5 6S B l 一8 8 2 一S B 3 一X O C O M l p。X l pY 0 一X 2 )Y l 一py 2 Y 4 poC O h 如图5 6 步进电机P L C 控制接线图5 3 3 工作台工作的软件设计工作台运动过程的梯形图如图5 7 ，此程序在可编程控制器编程软件S W O P C - F X G P W I N - C 中实现。湖北工业大学硕士学位论文1 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一II I I I II I I I I I I I I I I图5 7 工作台运动过程的梯形图其相对应的指令如下：0L 玲Y 0l0 RM 1 0 02A N IT O3A N IX 24A N I零量50 U TY O6A N IM 1 0 17O U TT O1 0L D Iy Ol l0 RX O1 2R S TT 01 4跚TM 1 0 01 5R S TT l1 7L DX 11 80 RM 1 0 11 9渊TM 1 0 15 7湖北工业大学硕士学位论文6 I 全文总结第6 章全文总结与展望本文对弹簧分选机自动上料机进行了结构设计及仿真，并对其工律台的运动过程进行了程序设计，主要工作包括：l ，根据弹簧本身的特点，提出稍用振动的方式来实现上料的星的，则设计自动上料机实际上就是设计振动给料机。2 。对弹簧自动上料机的结构进行设计。其中包括3 个方面的内容：( 1 ) 弹簧自动上料机送料槽和出料器的设计：首先对其进行运动学参数的选取和计算，设计出上料槽的基本结构尺寸；然后对上料机进行动力学参数计算；上料槽设计完成焉，根据其尺寸再设计出出料器的结构尺寸，最后在S o l i d w o r k s 中对设计完成的送料槽和出料器进行三维建模。( 2 ) 弹簧自动上料机激振器的设计：对激振器的设计主要包括激振器轴、激振器壳体、偏心块、平衡体的设计。其中激振器轴是对称的阶梯轴，承载偏心块，与电动机的输怒轴相连，电动机转动，带动激振器轴转动，从而装在轴上的偏心块也随之转动；激振器壳体是用来承载激振器的所有部件，并且与送料槽用连接板相连，连接板焊接在激振器壳体上；偏心块是主要用来产生激振力的；而平衡体是与偏心块越接接触的，若偏心块相当于凸轮，那么偏心块就相当于与凸轮机构的从动件。将各个零件设计好以精，在S o l i d w o r k s 中对其进行三维建模。( 3 ) 弹簧自动上料隔振装置的设计；3 。对弹簧鱼动上料机进行运动仿真。其中包括2 个方面的内容：( 1 ) 利用S o l i d w o r k s 将设计完成的送料槽、激振器、出料器进行装配，得出弹簧自动上料枧总装三维模型。( 2 ) 将激振器简化为凸轮机构，对凸轮机构从动件上某一点进行位置、速度、加速度得动态分概，进面德出激振器中平衡体上某一点的位移、速度、加速度曲线；将整个上料机简化为摇杆机构，对其进行静态分析，得漱摇杆机构加速度静态分析曲线，从而得出上料机得加速度静态分析曲线。4 对弹簧自动上料枫工作台的控制程痔的设计选用日本三菱公司生产的F X 2 N 系列的P L C 作为主控制器。利用P L C 向控制工5 8湖北工业大学硕士学位论文作台转动的电动机发闻隔3 S 的脉冲，控制工 乍台的间歇运动。6 2 展望数控弹簧分选机自动上料机的结构现已设计出来，但由于研究手段和时间所限，还有一些问题尚未解决：1 弹簧上料桃的主振弹簧还未设计出来。主振弹簧的作用是使振动枫在指定的动力学状态( 如近共振状态) 下工作。例如，惯性式共振筛在近共振状态下工作的振动机，通常选用强迫振动频率稍小于系统网有频率的近亚共振的工作状态，必须选择刚度适当的主振弹簧2 弹簧上料机的激振器中偏心块及平衡体上的应力分析，建议利用有限元对其进行应力分析。3 有于此上料机所要输送的是弹簧，基于弹簧不同于其他粉末物料或者矿石物料的特殊性质，需要对弹簧在送料槽中，对槽内壁的刮痕进行考虑。也就是对楷体内壁进行应力分析。所以在对槽体进行应力分析时，一定要考虑这个因素的影响。4 整个上料系统总体控制程序还需要设计。建议使用单片机或可编程控制器对其进行控制。湖北工业大学硕士学位论文致谢在我攻读硕士学位的学习、科研和论文的撰写、答辩过程中，有许多老师和同学给予了我大量的支持和帮助，在此我对他们表示衷心的感谢!本论文是在导师王为教授的悉心指导、严格要求和耐心帮助下完成的。在我即将完成学业之际，我要向我的导师王为教授致以崇高的敬意和深深的谢意。我能顺利的完成课题和论文与王老师的精心指导和辛勤劳动是分不开的。王教授渊博的学识、开拓性的思维方式、严谨的工作态度将让我终生受益。在此，我要感谢武汉科技学院机电工程系的邹安阳老师和乔桥老师。在论文完成阶段他们给我进行了耐心的传授和指导；在生活中他们也给予了我很多的关心和帮助，可以说我学业的完成是与他们的帮助分不开的。此外，我还要学习他们严谨的学术作风和谦逊的工作态度。同时，我还要感谢吴斌芳副教授，吴斌芳老师在平时的学习中给予我极大的关怀和支持，有时，我在学习中犯一些不该犯的错误，吴老师总能帮助我走出困境。我还要感谢湖北工业大学机械工程学院的马文平老师、王劲青老师、王莉老师、贺春老师在这三年墨给予我的关心和帮助。此外，在我学习工作的过程中，得到了同班同学及师弟的帮助。在此，感谢他们。最后，衷心的感谢家人的关心，理解和支持。湖北工业大学硕士学位论文1 _ II I I I I I I参考文献 1 张成杰，张万巨。温度对弹簧符负荷的影响 J 弹簧工程2 0 0 1 年第4 期：P 1 7 1 9 2 宋士忠气门弹簧抗松驰性机理的讨论 J 弹簧工程2 0 0 0 年第4 期：P 1 4 1 6【3 刘久富，沈春林圜柱螺旋弹簧剐度的稳键性设计 嗣，中隅视槭工程2 0 0 3 年第1 4 卷第5期：P 3 8 9 3 9 1 4 徐榕，马登哲，张惠侨金属薄膜弹簧疲劳寿命预测 J 机械强度2 0 0 3 年第2 5 卷第4 期：P 4 4 1 4 4 4【5 】黄飞。调：管弹簧憨优化设计【j 】瓿械工程师。2 0 0 2 年第l 期：P 7 8 7 8 6 L a m a r q u e ，J e a n F r a n c o i s ；H e s s ，P e t e rG ，A r c t i cO s c i l l a t i o nm o d u l a t i o no ft h eN o r t h e r nH e m i s p h e r es p r i n gt r o p o s p h e r i co z o n e J ，G e o p h y s i c a lR e s e a r c hL e t t e r s ，1 9 9 4 W ) d 6L i a n g A p p li c a t i o no fP L Ci nR e c o n s t r u c t i n gM a n i p u l a t o r ? 】M o s t a f aS 。E ls h a h e d ，lF a r e sZ N a j a r ，2B r u c eA R o e ，2A h a r o nO r e n ，3T h o m a sA D e w e r s ，4a n dL e eR K r u m h o l z l ，S u r v e yo fA r c h a e a lD i v e r s i t yR e v e a l sa nA b u n d a n c eo fH a l o p h i l i cA r c h a e ai naL o w S a l t ，S u l f i d e a n dS u l f u r R i c hS p r i n g J ，A p p l i e d& E n v i r o n m e n t a 王醚i c r o b 主。王o g y ，1 9 9 9 8 A 。S r i n a t h ；A ，C 。R a o S p e e dB a s e dS e l e c t i o no fP l a n a r P a r a l l e lM a n i p u l a t o rS t r u c t u r e s J 【9 储健，张军微机控制的共振式惯性振动机 J 起重运输机械2 0 0 3 年第4 期：P l l 一1 2 1 0 3 闻邦椿，支g 风翘，文# 杰编著振动筛振动给料枫振动输送枕的设计与调试 M j 艺京化学- 下业出舨社 1 1 闻邦椿，刘树英，何京著振动机械的理论与动态设计方法 M 北京机械工业出版社 1 2 郭焕生竖窑上耩机的设计j 】玻璃1 9 9 7 年第2 4 卷第4 麓：P 1 9 2 4 1 3 王春彦，屠大鑫振动筛振动电机的选取与激振力的调整 J 农业装备与车辆工程2 0 0 7年第2 期：P 5 0 5 l ，5 5 1 4 朱智，谢欣荣，程从由惯性振动给料机的动态设计及应用 J 安徽冶金科技职业学院学报+ 2 0 0 7 年第1 7 卷第1 期：P 2 1 - 2 3 1 5 王春彦，岳大鑫振动筛振动电机的选取与激振力的调整 J 2 0 0 7 年第2 期：P 5 0 5 1 ，5 5 1 6 杨宏伟，袁凯峰薄板自动上料机设计 J 机械工程师1 9 9 7 年第2 期：P 1 6 1 6 1 7 程海正，曹清林，荚亚梅基于P r o E 的平蘅机构运动仿真 J 3 南通工学院学报：自然科6 1湖北工业大学硕士学位论文学版2 0 0 4 年第3 卷第4 期：P 3 9 - 4 1 1 8 尤晟华振动给料机设计概述科技信息：学术版2 0 0 7 年第5 期：P 6 4 6 4
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