（机械电子工程专业论文）qy01型振动料斗教学系统的关键技术研究.pdf

摘要 q y - 0 1 型振动料斗教学系统的关键技术研究 姓名：李鹏飞 导师：张传海，韩良 东南大学 摘要 本文旨在研发一振动料斗教学系统，该系统由直线式振动料斗、传感器装置、功放部分和驱动控制部 分组成。直线式振动料斗包括料槽、板弹簧、电磁铁和底座。传感器装置由传感器电路、滤波电路和减法 电路组成。驱动控制部分由计算机和计算机板卡组成，其中计算机板卡包括一个d a 转换卡、一个a d 转 换卡和一个定时卡。系统以料槽振幅为控制对象，由计算机d a 转换卡产生正弦波经功率放大和半波整流 后驱动直线式振动料斗，传感器采回振动信号滤波后经a d 采样输入到计算机，用p i d 算法补偿反馈控制 振动料斗。整个系统实现闭环控制。该系统中，激振频率和振幅通过软件改变，振动升角和料槽升角通过 机械调节，摩擦系数可通过更换工件实现。 本文建立了振动料斗模型，详细分析了工件在料槽中的运动形式，并用c + + 对工件传输速度进行仿真 计算，开发了一振动料斗教学系统实验平台。并在此实验平台上研究振动传输与振动升角、料槽升角、振 幅和激振频率之间的关系，通过实验验证了仿真结果的正确性，从而证明振动料斗教学系统可用于振动料 斗教学和培训或振动料斗研究。 关键字：振动料斗建模仿真频率振动升角料槽升角摩擦系数 a s t u d yo nk e yt e c h n o l o g i e so f v i b r a t o r y f e e d e rt e a c h i n gs y s t e mq y - o1 n a m e ：l ip e n g - f e i 、 s u p s v i s o r ：z h a n gc h u a n - h a l ，h a nl i a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ea i mo f t h ep a p e ri st od e v e l o pav i b r a t o r yf e e d i n gs y s t e mf o rt e a c h i n gp u r p o s e , w h i c hi sc o m p o s e do f a l i n e a rv i b r a t o r yf e e d e r , as e n $ o rd e v i c e ，ap o w e ra m p l i f i e ra n dad r i v i n gc o n t r o l l e r t h el i n e a rv i b r a t o r yf e e d e r c o n s i s t so f at r o u g h , t w os p r i n g s , ae l e c t r o m a g n e ta n dab a s e t h es e n s i n gd e v i c ei sm a d eu po f as e n s i n gc i r c u i t , af i l t e r i n gc i r c u i ta n dac a l i b r a t i n gc i r c u i t t h ed r i v i n gc o n t r o l l e ri sm a d eu po fac o m p u t e r , ad ac a r d a na d c a r da n dat i m i n gc a r d t r o u g ha m p l i t u d ei st h ec o n t r o lt a r g e t i nt h i ss y s t e m ，as i n ew a v ep r o d u c e db yc o m p u t e r i sa m p l i f i e da n dr e c t i f i e dt od r i v et h ev i b r a t o r yf e e d e r t h es e n s o rc 锄o b t a i nt h ev i b r a t o r ys i g n a l t h e nt h es i g n a l i ss a m p l e db yt h ea dc a r d , p r o c e s s e db yc o m p u t e rw i t hp i da l g o r i t h m t h ed i g i t a ls i g n a lo b t a i n e db yt h e c o m p u t e ri st od r i v et h ev i b r a t o r yf e e d e rt h r o u g ht h ed ac a r d i tr e a l i z e sac l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m t h e f r e q u e n c ya n da m p l i t u d ec a l lb ea d j u s t e db ys o f t w a r em c a l 皓，w h i l et h ev i b r a t i o na n g l ea n dt r a c ka n g l ec a nb e a d j u s t e db y m e c h a n i c a l m e a n s a n d t h ec o e f f i c i e n t o f f r i c t i o n c mb e c h a n g e d b yr e p l a c i n g p a r t s i nt h ep a p e r , av i b r a t o r yf e e d e rm o d e li sb u i l t , t h em o v i n gf o r m so ft h ep a r t sa ma n a l y s e di nd e t a i la n dt h e p a r t sc o n v e y i n gv e l o c i t yi ss i m u l a t e da n dc a l c u l a t e db yc + + l a n g u a g e a ne x p e r i m e n t a ls e t - u po fv i b r a t o r y f e e d i n gs y s t e mf o rt e a c h i n gp u r p o s ei sd e v e l o p e di nt h er e s e a r c h , b a s e do nw h i c has t u d yf o rt h er e l a t i o n b e t w e e nv i b r a t o r yc o n v e y i n gv e l o c i t ya n dv i b r a t i o na n g l e ，t r a c ka n g l e ，t r o u g ha m p l i t u d e , f r e q u e n c yc a nb em a d e f i n a l l y , t h ec o r l c c t n c s so f t h es i m u l a t i o ni sv e r i f i e db ye x p e f i m a n ta n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so f v i b r a t o r yf e e d e r c a nb eo b t a i n e d , c o n s e q u e n t l y , t h et e a c h i n gs y s t e mc a nb eu s e dt ot e a c ht h es t u d e n t sa n dt r a i nt h ee m p l o y e e so r r e s e a r c hf o rv i b r a t o r yf e e d e r k e y w o r d s ：v i b r a t o r yf e e d e r m o d e ls i m u l a t i o n f r e q u e n c y v i b r a t i o na n g l e t r a c ka n g l ec o e f f i c i e n to f f r i c t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：李越兰导师签名：垄缪违弛日期：川量， 第一章绪论 1 i 课题背景及意义 1 1 1 课题背景 第一章绪论 当今社会，竞争日益激烈，生产的自动化程度要求也越来越高。因此，需要自动化程度很高的上料机 构，而自动上料系统多由振动料斗组成。据报道，振动料斗及其相关传输装置约占自动装配系统总成本的 i 3 。另外，有关研究表明自动化生产系统失败的事例中约有一半与振动料斗有关。由此可见对振动料斗 进行深入研究的必要性。电磁振动料斗，简称振动料斗，是靠电磁力带动料斗作周期性往复振动，从而使 得工件沿着料槽运动，达到送料目的的一种自动送料装置。它是振动输送机械的典型代表，一种利用电磁 力实现连续送科的装置，利用了共振原理。振动料斗是利用振动使工件排列和定向供料的装置。由于其优 良的整列定向性能，因此特别适用于小零件的自动供料，在许多轻工业生产部j ( 如钟表、自行车、日用五 金、制笔、塑料、食品，日化用品等行业) 中得到比较广泛的应用。特别是在自动化生产线上。在小型零件 加：亡生产线上、电子、医药等轻工业领域以及汽车、采矿、冶金、化工、建材等领域得到了越来越多的应 用1 2 1 。 近年随着生产技术的不断发展和需求的增长。我国在振动料斗制造方面也取得了很大的进步。目前生 产的振动料斗主要有两种：一种是本课题中采用的电磁式振动料斗，是利用电磁铁驱动，这种是最常见、 最基本的一种驱动方式。另一种是压电晶体驱动的振动料斗，压电晶体驱动的振动料斗是在钢片的两面涂 覆了压电晶体层，通过引线输入交流电压，压电晶体产生伸缩运动，驱使钢片和弹簧片进行往复弯曲弹性 变形，从而驱使料斗按所需方式振动，实现对工件的定向与输送。这种驱动方式取消了电磁铁，简化了机 械结构，并使得调试、保养及维修更加方便快捷”1 。这些振动料斗上料装置的主要优点是：它无需机械传动 装置，没有相互摩擦的运动部件，无需润滑，易于维护、故障少、可靠性高；它靠微小的振动送料，没有 强烈搅拌、碰撞等现象。故上料平稳；适用范围很广，一般中小型零件都能适用，特别适用于那些尺寸小、 重量轻、强度低的零件自动上料；送料率高，且易于调节；易于标准化、系列化、通用化，具有优良的整 列特性，整列过程中可以利用挡板、缺口或偏重等方法对工件进行定向整理、分离筛选后供料等优点，同 其它供料装置相比其结构简单、能量消耗小、工作平稳可靠、通用性好、设计正确和调整合适时，可以减 小或避免噪声。但这些振动料斗都采用扭转与垂直方向上的直线振动相互耦合，不可单独进行振动或控制。 在这种结构下，振动料斗的振动升角是同定的，即料斗一旦制造完成，其振动升角便唯一确定，不再可调。 当对不同工件进行定向与传输，而工件可能由不同的材料制成，其相应的最佳振动升角也就不同。这样便 存在一个问题即：科斗的振动升角只对某一种工件而言是最佳的，而其它工件则无法运行于最佳状态，可 见这种振动料斗只适合某一种工件，柔性较差。一旦工件形状有所改动。则整个料斗结构需重新设计加工。 振动料斗的研究已有一段历史。自四十年代末开始使用直线式电磁振动料斗送料起。振动料斗的发展 已经经历了半个多世纪，可以说振动料斗的研究和发展是机械制造业5 0 年发展的缩影，从最初的机械驱动 方式到电磁驱动方式再到以压电陶瓷为代表的晶体压电式驱动方式：从振动料斗最初依靠经验积累的人工 修磨到许多先进的制造技术，如计算机辅助设计( c a d ) ，动态仿真与控制( d s c ) 、柔性制造( f 姒) 等都渗透 到这一领域。 近年日本、欧美等发达国家把计算机广泛用于振动科斗的设计、仿真与控制之中。而且机器视觉已用 东南大学硕士学位论文 于工件的识别与定向，使得振动料斗不再仅适合某一种工件，而是可以适合多种工件，从而大大提高了振 动料斗的柔性，使其能快速适应产品变化的需求。这种振动料斗一般配备有视觉传感器，当工件改动时， 只需对软件的相应部分进行修改即可，而料斗的硬件部分不作任何变动，因此其柔性好，适应性强。适用 于工件批量一般较小而且变化比较频繁的情况“1 目前国内外对电磁振动料斗自动上料进行控制的方法很 多，如用多抽头变压器、可调白耦变压器、交流稳压器和叠片式结构主振弹簧等，这些方法都有一定的局 限性，前三种方法只能改变电磁铁端电压，而对阻尼力变化带来的动态影响则无能为力；第四种方法则对 端电压变化带来的动态影响无能为力，面对阻尼力变化带来的影响的修正效果不大。 目前，研究振动料斗的单位很多。在国际上，在振动传输的研究上更多的与柔性传输结合了起来，o h i o s t a t eu n i v e r s i t y ，d e p a r t m e n to fi n d u s t r i a lw e l d i n ga n ds y s t e m se n g i n e e r i n g ，g a r yp m a u l 在基 于传感器智能振动传输方面进行了很多的研究”1 ，而且还尝试在振动传输装置上安装压缩空气喷嘴代替工 业机械臂完成工件剔除动作的研究。亚特兰大乔治亚州技术学院的y i f e iq i a n 和k o k - m e n gl e e 把传输的 过程与机器视觉和工业机器人结合起来，在视觉引导的模糊控制等方面进行了卓有成效的研究”1 。新加坡 南洋理工大学学者g h l i m 在工件传输速度分析与建模方面进行了十多年的深入研究，应用t u r b oc + + 进行了仿真，对线性振动料斗进行了建模和动态分析。得出影响传输速度的因素有料槽升角、工件与料槽 间的摩擦系数，振动频率和振幅，取得了丰硕的成果”j 。另一方面，许多学者研究传统振动料斗料盘的设 计方法，其目的也是为了降低料盘设计的难度，并使给料器对工件筛选的功能得到加强。如振动料斗的设 计先驱b o o t h r o y d 等基于大量的实际设计实例，对常用工件及其定向装置进行了系统的分析与研究，推出 了i j l 4 a s s 编码系统，并出版了许多关于小型工件定向与传输的颇具权威性的手册”1 。在1 9 9 9 年国际机器人 与自动化年会上r o b e r t p a u lb e r r e t t y ，k e ng o l d b e r g ，l a w r e n c ec h e u n g 等人介绍了陷阱设计在振动料 斗设计中的应用”1 。大连理工大学焦其伟，崔文会，孙宝元等研制了压电式振动给料器的智能驱动电源， 并取得了较好的效果“。东南大学韩良副教授在读博士期间研制了解耦式振动料斗“”，提出了解耦的概念。 东南大学硕士研究生王金鹏和导师韩良博士共同研制了小型化解耦式振动料斗”。天津大学杜玉明老师和 他的学生，通过研究振动料斗的工作原理和零件在振动料斗中的运动状况，分析零件的分类和零件在振动 料斗中的姿态，研究零件在振动料斗中的定向和整列问题。然后，通过大量的资料搜集和统计以及专家经 验找出定向装置设计规律的可循性，并通过对零件运动特性的研究和定向装置的研究，尝试用计算机来 代替设计专家在料斗中工件定向方面开展深入的研究，并开发了工件定向专家系统“”“”。东南大学李广安 老师和他的学生吕家东、邵长青等人在基于c a d 的料斗设计与仿真方面进行了大量的研究，并对振动料斗 c a d 系统总体方案规划及其关键技术进行了深入探讨和开发“”“。电子工业部第四十五研究所的白拴堂 研究员“”以及北京科技大学的朱超甫等人对振动料斗的最佳工作参数进行了理论实验方面的研究。哈尔 滨工业大学的唐文彦等人对电磁振动料斗自动上料控制技术方面进行了研究，结合企业项目以料斗的振幅 为控制对象，以振动料斗上料速度的精确控制为目的，以单片机系统为控制单元进行了较为深入的研究和 探索”。广东工业大学的龙建军和吴金萍对振动料斗电磁激振器微控器控制“”1 作了研究，采用微控器对 设备进行在线控制，可以保证控制的实时性，提高设备的自动化程度，并可实现实时检测。基于微控器的 特点，如果在合理设计振动料斗参数的基础上，利用徽控器对其电磁激振器进行控制。正是解决电磁振动 辩斗振幅变化和激振频率能连续调整的有效途径。江南大学的李力和付蔡安对自动送料零件的自然姿态编 码作出研究。，分析了现有零件编码系统的结构，指出了对自然姿态编码的可行性和必要性，并对自然姿 态进行了探讨性的编码，通过实例分析验证了改进后的编码对设计的参考意义。天津大学机械工程学院的 陈永亮、焦明生和李云梅对一种柔性振动供料器产品平台作出了研究，对传统振动料斗进行了再设计， 即机械耦合和数字化控制耦合，提出了一种更具适应性振动料斗产品平台构造，以适应系列工件和不同材 料工件的最佳的输送要求。分析了可适应振动料斗产品平台的解耦式机械结构和工作原理，通过解耦，实 2 第一章绪论 现了扭转振动和直线振动的独立控制。通过理论分析和仿真，给出了振动料斗的工作面运动轨迹和振动角 的工作空间。在此基础上，成功研制了钕铁硼磁片振动供料器满足了其对高速、低破损、低嗓音等性能 要求。陈永亮、李云梅、徐燕申、杜玉明对振动料斗进行模块化划分和有限元建模，运用有限元分析软件 a n s y s 对振动料斗模型进行动态分析，计算出振动料斗的固有频率和振型，以及对正弦激振的响应曲线。 结果表明，这种方法可有效地指导振动料斗的设计和调试”1 。西北轻工业学院机械系林茂对料斗式电磁振 动供料器进行理论分析，编制计算机程序计算得到计算数据，并对振动供料器固有频率进行了脉冲实验研 究。从而为设计和调试振动料斗供料器创造了条件，为研制料斗式电磁振动供料器的工作状态测试仪和实 现计算机控制打下了基础”1 。广东工业大学的龙建军研究了变参数电磁振动料斗，采用微控器对电力电子 元件的驱动和电磁铁端电压进行实时控制，对双频双振幅电磁振动料斗进行了实现，同时介绍了变参数实 现电路原理和控制参数“。 在振动机械中，振动料斗应用较为广泛。研究振动料斗的单位也较多，而研究用于教学的振动料斗系 统却是一个空白，笔者也没有检索到与振动料斗教学系统相关文章。振动料斗教学系统便是为了解决这个 问题而提出的，有了振动料斗教学系统可通过实验硪究振动传输速度与振动升角、料槽升角、振幅，工件 摩擦系数以及激振频率之间的关系。 1 1 2 课题的意义 在现代化生产中，如在自动生产线、在有机器人和机械手应用的场合，电磁振动料斗的应用越来越广 泛。振动料斗的广泛应用加快了对其研究的步伐，因此制造生产振动料斗的厂家也相应地增多。然而他们 研究的振动料斗主要是根据需要制造工业中使用的振动料斗而生产设计的，仅在局部的地方根据平时积累 的经验加以改进。而振动料斗教学系统能够通过实验研究振动传输与振动升角、工件摩擦系数、料槽升角， 振幅和激报频率之间的关系。振动料斗教学系统的研制，有利于振动料斗教学、培训与研究。因此，振动 料斗教学系统的研制具有很大的意义。目前，许多高校开设了振动课程，目前没有一个能很好讲解振动原 理的仪器，教学仅是按照书本上的知识讲解，学生们对振动传输没有一个感性的认识，有了振动料斗教学 系统便有利于高校教学，使同学们更容易理解振动的原理及其应用。由于振动料斗的广泛应用，企业也需 要用它作为员工技术培训的仪器。而本课题也是基于这个目的而提出的。因此。研究本课题具有很大的意 义，对制造业、自动化生产业的发展有很大帮助，在国民经济的发展中起着举足轻重的地位。 1 2 振动料斗结构和工作原理 1 2 。1 振动料斗的特点 振动料斗与其他形式的工件定向供料机构相比，具有如下优点： 1 工件在定向过程中，无需机械传动装置。故机构的结构简单、紧凑，并且使用、维修方便。 2 工件在定向过程中，由于是微幅振动，工件在料槽上能平稳传输。不发生机械搅拌、撞击和强烈 的摩擦作用因而工作平稳，对于已做过精细加工的的半成品工件以及薄壁，弹性和脆性零件的定向供料 更为合适。 3 供料速度较快，效率高且供料速度容易调节，如直径为3 0 0 m 的振动科斗。上料速度可达4 - 1 0 m m i n 。 4 通用性强。对于一般小型工件( 尺寸小于1 0 0 m ，重量小于0 1 k g ) 都能适用。仅更换一、两个定向 元件，就可用于不同形状和尺寸的工件供料。且易于调节：易于标准化、系列化、通用化。 5 因其靠振动传输工件，所以摩擦磨损很小。噪声小，寿命长，故障少，维护较简便，且制造成本 3 东南大学硕士学位论文 较低，而且可以通过在料盘上设计一系列的定向、推挡机构实现工件的定向、剔除，分选 2 8 l ，因此，其在 工业自动化生产中占有极其重要的地位。 振动料斗在使用中也有局限性和缺点：如对于有油污、水溃或很轻的薄片和细小的工件就不适用。而 对于全部浸泡在机油或乳化液中的工件。仍能定向供料。另外在工作时有噪音，特别当工件较大或振动间 隙调整不当时，会产生较强烈的撞击噪音。因此，必须合理设计供料器的技术参数，使用时必须调整上e 确， 避免振动体的互相撞击，以减少噪音。另外在振动料斗的设计与制造过程中存在着一个非常突出的、棘手 的问题：料斗中定向机构的设计与加工，尤其对形状较复杂的工件。相应的定向机构几乎难以用通常的视 图来表达，在实际制造与加工过程中，只能边调整边修磨，加工周期很长。此时，实际经验和钳工劳动起 着主导作用，当代的许多理论分析及计算机辅助设计在这里尚 未显示其威力，国外常把零件定向传输方法及相应的定向机构 作为企业的专门技术，甚至“黑色艺术”。 1 2 2 两种典型的振动料斗 电磁振动料斗如图卜1 所示，由具有螺旋料槽的料盘，支 承弹簧，电磁振动器，底座及减振底脚等基本构件组成。当电 磁铁线圈中通入交变电流后，电磁铁吸合，料盘被带动，当线 圈中没有电流时，在弹簧恢复力的作用下，料盘被带动，如此 往复作小振幅高频率的上下往复振动。工件在惯性力、重力和 摩擦力的综合作用下，沿料盘内壁的螺旋槽向上移动，并在上 移过程中通过定向机构自动定向，然后由料盘上部出口处进入 输料槽，送往加工位置。通过改变电磁铁线圈的输入电压，可 以调整料盘的振幅，进而调整料斗的送料率。上述电磁铁驱动 方式是最常见、最基本的种驱动方式。 如图卜2 所示为一种压电晶体驱动的振动料斗结构示意图， 钢片的两面都涂覆了压电晶体层，通过引线输入交流电压，压 电晶体产生伸缩运动，驱使钢片和弹簧片进行往复弯曲弹性变 形，从而驱使料盘按所需方式振动，实现对工件的定向与输送。 这种驱动方式取消了电磁铁，简化了机械结构，并使得调试、 保养及维修更加方便快捷。 1 2 3 振动料斗的分类 振动料斗的结构形式繁多，使用的环境和状况各异，可按 以下几种方式进行分类： 一按振动料斗的激振方式可分为： 图1 - 1 电磁式振动料斗 1 料盘2 支撑弹簧3 电磁振动器 4 底座5 减振底脚 图1 - 2 压电式振动料斗 1 _ 誊墟2 弹簧片& 压电服 4 钾亘片& 弓饯6 j 自重7 凋曲搠 1 电磁式振动料斗，这种形式的振动料斗是应用最为广泛 的一种料斗形式。在电磁铁线圈输入交变电流，铁芯和衔铁在磁力的作用下产生吸合运动，带动倾斜安装 的支撑弹簧产生微幅往返扭振，料盘则在弹簧的作用下，作小振幅高频率的上下往复运动。 2 压缩空气式振动料斗以压缩空气弹簧组成振动源，这种方式由于结构复杂、庞大，加之噪声大难 以消除，目前已极少采用。 4 第一章绪论 3 机械式振动料斗以电动机、变速箱、偏心马达、齿轮等机械传动装置作为振动源，结构比较复杂， 价格较高，也已很少使用。 4 压电晶体式振动料斗这是一种新型的，越来越广泛被采用的振动方式。弹簧钢片的两面都涂敷有 压电晶体层，通过输入交流电压，压电晶体产生伸缩运动，驱使弹簧片进行往复弯曲弹性变形，从而驱使 料盘按所需的方式振动，实现工件的定向输送。 二按振动料斗的料盘形状可分为： 1 圆柱形料斗是常用的料斗形式之一有可拆卸和不可拆卸之分，料盘的结构相对简单，既可整体 浇铸，也可以分体焊接。 2 圆锥形料斗是最常用的料斗形状。有可拆卸和不可拆卸之分；相对于圆柱形料斗而言输送效率高。 3 椭圆形料斗不是指料斗的形状是椭圆，而是指料槽的运动轨迹为椭圆。常用于一些特殊的场合。 4 直线振动料斗较为常用的料斗形式之一。又称为直线振动输送器。 5 分离底式振动料斗又称为浮动料斗，该料斗的最大特点是料斗和底座分离，输送件的重量由科斗 底座承担。这样，振动料斗工作时，其振动系统的固有频率不会因为零件的数量受到影响，这就是做成分 离底式的原因。 6 带有前置料斗的振动料斗，当零件的体积较大时，为了减少加料的次数，而不增加料斗的尺寸， 通常在料斗的上面装有不动的前置料斗。 三振动料斗从供电方式看，可以分以下三种： 1 交流激磁。即直接通交流电，系统振动频率6 0 0 0 次分，对应于5 0 h z 。一般用于微型激振器。 2 半波整流供电。应用整流二极管整流，相当于应用了正弦波的半个周期，所以振动频率3 0 0 0 次分。 目前可利用可控整流器调节电流。 3 半波整流加直流。振动频率3 0 驸分。 四振动料斗按照主振弹簧【冽形式可以分为： 1 板弹簧式电磁振动料斗 2 螺旋弹簧式电磁振动料斗 3 橡胶弹簧式电磁振动料斗 五振动料斗按照电磁激振力与弹性力的形式可以分为以下五类： 1 电磁力为谐波形式的线性电振机。弹性力为线性，整个振动系统也为线性。这类电振机包括交流 激磁的电振机；电磁铁漏磁很小，电路内的电阻可以忽略的半波整流电振机及半波整流加全波整流的电振 机等。 2 电磁力为非谐波形式的线性电振机。其中包括可控半波整流电振机、半波整流或可控半波整流的 降频电振机、电路内电阻不能忽略的半波整流电振机与半波整流加全波整流的电振机等。 3 电磁力为拟线性或非线性的电振机。其中包括漏磁不能忽略的电振机和利用电感进行调节的电振 机等。 4 弹性力为拟线性或非线性的电振机。其中包括剪切橡胶弹簧或压缩橡胶弹簧的电振机，带有安装 间隙的橡胶弹簧电振机和两侧带曲线压板的板弹簧电振机等。 5 冲击作用的电振机。电振机利用冲击原理进行工作，如冲击式电磁振动落砂机等。 1 2 4 振动料斗的工作原理 5 东南大学硕士学位论文 振动方向与工件沿料槽运动方向间的夹角。v 称 为弹簧倾角，是保证获得振动升角b 的结构措施。图1 - 3 振动料斗工作原理图 选择b 角的原则应是在其他条件相同的情况1 料槽2 工件3 支撑弹簧4 衔铁5 线圈6 底座 下。使工件获得沿料槽方向前进的最佳速度。料槽倾角a 一般在1 0 6 0 之间，太大或太小都会影响给料器 的工作状态，甚至无法正常工作。a 太小。上料速度高，但会增加料槽圈数或料斗直径。反之，a 角太大， 则影响送料速度。a 大于摩擦角时，即使没有振动，工件也会沿料槽自由f 滑。 工件向前、向后滑移或脱离料槽“瞬时腾空”，跳跃前进，决定于惯性力和摩擦力等阻力对工件综 合作用的结果。只有当与料槽平行的惯性力分量大于或等于阻力时，工件才有可能向前或向后滑移。设工 件摩擦系数为m ，工件向前、向后和跳跃的临界振幅为a + l 、a 1 和a o ，为激振圆频率，由电子精密机 械设计中振动料斗工作原理部分【3 0 l 得： 工件向前滑移的临界振幅a + l 为 a “= 嵋g o + h 信) 彩。 ( 1 1 ) 工件向后的临界振幅九。为 al = g ( 1 一“，g ) ( 1 2 ) 工件脱离料槽“瞬时腾空”，跳跃前进的临界振幅a 0 为 a o = g 矿t g p ( 1 3 ) 且a o a i a + 1 ，工件向前移动所需振幅a - 最小。较易实现；跳跃所需振幅a o 最大。根据料稽水平振 幅a 的数值大小，工件沿振动料槽的运动在实际中最常见的有下列五种典型状态： i a a 。 a - - a _ 工件与料槽一起运动，没有相对移动； i i a ， a a - l ( r 一工件单向向前滑移： i i a - a ； a a r 一工件双向滑移，且向前滑移大于向后滑移； a - a ，- o a 一工件双向滑移，并伴有“瞬时腾空”，跳跃前进； v “( a o a a - - - - i 件单向向前滑移，并伴有“瞬时腾空”，跳跃前进。 1 3 本课题的主要内容和研究任务 本课题所研究的振动料斗教学系统由驱动控制部分、功率放大部分、振动料斗装置部分和传感器部分 6 第一章绪论 组成。该系统由计算机经d a 卡转换产生驱动信号，经功率放大半波整流驱动电磁铁，电磁铁在一个周期 内，上半周期有电流通过，电磁铁吸合，弹簧发生弯曲变形，下半周期没有电流通过，在弹簧恢复力作用 下带动料槽运动，如此往复循环，使工件沿着料槽向上运动。在该系统中采用了a c 传感器来测量竖直方 向的加速度，而水平方向的加速度可以通过料槽升角a 、振动升角b 来计算。这个传感器装置是根据需要 自己设计。传感器采回的信号经a d 卡采样，计算机进行p i d 控制，最后由d a 转换产生正弦波经功放放大、 半波整流后驱动振动料斗，系统实现对料斗的闭环控制。其框图如图1 q 所示 图1 4q y o l 型振动料斗教学系统组成 本课题的研究任务是： 1 机械和电气部分 ( 1 ) 直线式振动料斗的设计。 ( 2 ) 驱动控制器的设计，包括功率放大装置的设计。 ( 3 ) 传感器装置的设计。 2 软件部分 驱动信号控制和反馈控制的软件。 最后希望把整套系统设计搭建完成，使系统达到调节振动料斗参数( 振动升角b 与料槽升角a ) 、振 幅、激振频率来改变工件传输速度的目的。并通过实验验证振动传输与这些参数之间的关系。 7 东南大学硕士学位论文 2 1 系统总体设计方案 第二章系统总体设计 本课题研究的目的是开发一个用来展示振动传输原理的教学系统。该系统能展示振动传输与振动升 角、料槽升角、摩擦系数、竖直方向振动加速度( 振幅) 、激振频率之间的关系。本系统的设计思路是： 以计算机为核心，d a 板卡产生正弦波，经功率放大、半波整流后驱动电磁铁，由传感器采回 料槽的振动信号，经减法滤波电路后，a d 采样由计算机采用p i d 算法处理后控制振动料斗。 振幅的调节是通过调节竖直方向的加速度实现( 软件) ，频率的调节是通过改变激振信号的频率 实现，激振信号频率由改变定时常数实现。机械装置可调节振动升角和料槽升角，作为一个教学 仪，更应注重机构的调节方便。教学系统包括一个a d 转换板卡( p c 7 4 2 9 ) 、一个8 2 5 5 ，8 2 5 3i ，o 卡、( 8 2 5 3 提供可编程的时钟信号，8 2 5 5 提供可编程接口输入输出功能) 计算机、功放部分、二极管( 半 波整流) 、直线式振动料斗，一个传感器装置( 采用a c 传感器芯片) 、减法滤波电路、一个d a 转换板卡 ( p c 7 4 6 2 ) ，系统把料槽的振幅作为控制对象实现闭环控制。系统设计框蚓如图2 - 1 所示。 r 一r _ 1 r 1r _ 1 直 计 一鍪h 兰兰h 兰h 兰二卜 线 式 算 振 机吨摊 动 料 斗 目一1 6 2 9 * * * 目 2 2 机械部分设计 电磁振动料斗的主要结构特点是利用机械共振原理，以较小的消耗功率产生较大的机械效能。要达到 共振状态，就要使振动系统的固有频率( 自由振动频率) 等于或接近于振动源的外激频率；系统的固有频 率与系统的刚度有关，因此，若取外激频率为固有频率来计算弹簧的功能刚度，依次计算出弹簧的尺寸， 从理论上来讲，能够使振动料斗达到机械共振状态。振动料斗的弹性系统为支承弹簧，按机械共振原理设 计，即应使系统的固有频率接近于电磁振动器的外激频率。因此，首先应对系统的固有频率进行分析。 2 2 1 弹性系统设计与计算 1 系统的固有频率 当振动料斗底座质量与料斗质量相近时，振动科斗装置应当作为双质量双自由度系统来研究，其动力 学模型如图2 2 所示。本文所研究的振动料斗教学系统中的振动料斗可近似看成双质量双自由度振动系统。 图中m 广振动料斗的上部质量，包括料盘、衔铁等( k g ) 。 m 2 振动料斗的下部质量，包括铁芯、线圈、底座等( k g ) 。 8 第二章系统总体设计 q 。x 2 分别表示m i 和m 2 在振动方向 位移( m ) 。 k l ，k 广分别为支承弹簧和减振 器的刚度( n m ) 。 f ( 咿m l 和m 2 所受到的广义干扰力 ( 激振力n ) 。 双质点振动系统振动时，弹簧上有一点是静 止的，这个静止点就是振动系统的惰性中心。当 m 2 ：m l _ 1 时，静止点就是中点处，随着比值的增 大，静止点相应地向“2 移近。如果m 2 ：m im o o 时， 静止点就与m 2 的质量中心重合。这时。振动系统 就变成只有m 的单质点振动系统。 根据对双质点振动系统强迫振动的动力学的研究， 2 _ 2 双自由度振动料斗模型 可得出下面的结论 啊b = d 2 q ( 2 ，1 ) 式中a ”a 2 分别是质量m l 、m 2 的单振幅。这表示电磁振动科斗振动系统的两个质点离开平衡位置的位移与 它们本身的质量成反比，同时也与该质量上的阻力系数成反比。 根据图2 一i 的振动料斗二自由度力学模型图。应用拉格朗日定理，可对两个质体分别写出其微分方程 码p 气“一2 = 即j ( 2 2 ) 【”+ 局x 2 一k ( 而一x 2 ) = 一f ( f ) 一。 因k 2 k i ，即可令k 2 为零。将( 2 2 ) 式中的第一个式子乘以m 2 ( m r 卜m 2 ) ，第二个式子乘以i n ( m l + m 2 ) ， 两式相减得 m a m 2 ( 而 一) ( 啊+ 鸭) + 墨“- x o = f ( f ) ( 2 3 ) 即 缸。+ 墨x = f “) 其中：，= 一巧 x 2 置一x 2 其中式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 分别表示相对加速度和相对位移。 肘= 码( 码+ m o 为系统的总质量，k 1 即代表了系统的弹簧刚 度。至此。已经将一个两自由度双质量振动系统简化为一个单自由度 单质量的系统，系统的固有频率为：u 庐、药。7 面一。因此，本文研究 的振动料斗可看作是单自由度的振动系统，如图2 - 3 所示。在电磁振 动料斗的设计中，料盘和底座之间是通过主弹簧( 板弹簧) 连接的， 主弹簧的质量i l l i 可以按力臂定理分配给m l 和m z ，即分配与m 1 的质量 为m z m s ( m i + m 2 ) ：分配与m 2 的质量为m i m ( m i + m 2 ) 。 2 频率比x 选择 ( 2 4 ) ( 2 ，5 ) ( 2 6 ) 图2 - 3 单自由度振动料斗模型 如前所述，振动料斗的弹性系统按共振原理设计，由f o = u o 励b 将激振频率代入，即可求得弹簧的刚度k ，以此刚度确定的支承弹簧尺寸，便能使系统处于共振状态。但 这只有在无阻尼的理想状态下才能实现，实际上，料斗在振动过程中总会有一定阻尼，因而就不能取频率 9 东南大学硕士学位论文 图2 - 4 幅一频特性曲线 n 一动力放大系数( 又称振幅比) ；丸一频率比，拓, oo b - - 衰减系数，b = 。； 比 = c o c ao = l ，其原因可根据图2 4 所示的幅一频特性曲线。由图知当x = 1 时，料斗振幅最大。功率消 耗最小。但料斗振动过程中总有一定阻尼，而最大振幅点随阻尼增大而向左偏移，处在略小于1 的位置， 即亚共振区。一般取x = o 9 0 9 5 。本设计中取x = o 9 3 。 3 。电磁铁的选取 若振动料斗的激振力是周期性谐波力，并且初相位由= o ，则有f ( c ) = fs i n c e t ，这里f 为激振力振幅。另 外，振动料斗的振动系统中还存在着以下几个力： 弹簧反力k ( xj - - x z ) ，它的方向与位移方向相反，起阻止位移的作用； 弹簧系统的内阻力c ( 一) ，其大小与弹簧的位移速度成正比。这两个力同时作用在两个质点上， 大小相等，方向相反； 外阻力爿( 屹蔓) ，它与振动质量运动速度成正比； 惯性力鸭讯m 2 ) 其方向与加速度相反。 因此，电磁振动料斗的双质点振动系统的微分方程为 ，职”+ ( r + c ) x + j b = f s i n ( 国t + ) ( 2 6 ) 式中x 一相对位移； r 一系统的外阻力系数； c 一系统的内阻力系数； 一激振角频率； 这个方程的特解为 工= f r s i n ( w , + 妒一占) 埘国0 2 ( 2 7 ) 上式又可以写为 r = 叫以s i n ( a ，t + # - 8 ) = 叫矗= a x 。 ( 2 8 ) 式中中动力放大系数； 一相对振幅； 一力与位移的相位角； 1 0 第二章系统总体设计 x 广在激振力f 的作用下，振动系统弹簧的最大变形； x r 振动系统弹簧的瞬时变形； 由机械振动学可知，有阻尼的单自由度强迫振动系统中，其动力放大系数 与频率比圾衰减系数b y _ 闻有如下关系 r = 1 打巧再丽i 二i 7 孑= l 打刁了i 历f ( 2 9 ) 式中a - 频率比； r 一阻尼系数，n 撕妮m = t 屹m ； 卜与速度成正比的阻力系数。h - - - 件c ； b _ 袁减系数，6 = 形= 五1 础2 ； 力与位移的相位角为 占= t a n h o , ( k 一所国2 1 ( 2 1 0 ) 用k 除以上式右边的分子分母，可得 占= t a n 一2 b , z ( 1 一五2 1 ( 2 1 1 ) n 称为动力放大系数，又称振幅比，其意义就是双质点振动系统在激振力f 作用下的振幅a 与主弹簧在 力f 下的最大静变形之比，即 q = a x a 。在亚共振区时，b p m l m o = l ，动力放大系数总是远大于l ，这就产生 了共振。 由以上推导可知，r l = 4 x 。而弹簧的最大静变形与弹簧刚度和力的关系为：j i 乙= f k 。代入动 力放大系数公式( 2 9 ) 得 f = a k , 7 = a k ( 1 一五2 ) 2 + 4 b 2 a 2 ( 2 1 2 ) 式中a 相对振幅，a = a l + a 2 ，a i 、a 2 分别是质量m 1 、m 2 的振幅； k 弹簧刚度。 由式( 2 1 ) 得 辨= 玛( 码+ 强) = q ( q + 龟) = 码a a a ( 2 ，1 3 ) k = 埘2 = 4 m a 2 矗2 ( 2 1 4 ) 将n l 、k 表达式代入( 2 1 2 ) 得 f = 4 万2 f 0 2 q ( 1 一五2 ) 2 + 4 b 2 丑2 ( 2 1 5 ) 由此公式可以看出所需的激振力与振幅成正比，在本系统中，由此公式可推出水平安装电磁铁的条件。 可以推出频率比与激振力之间的关系曲线。 若略去阻尼值，则式( 2 1 5 ) 可以变为 f = 4 x 2 五2 玛q ( 1 一五2 ) ( 2 1 6 ) 由激振力计算公式可知，阻尼系数的选定对激振力f 的计算，以及给料器结构尺寸设计均有影响。它 一般通过实验测定。 本文设计的直线式振动料斗，振动单元质量约为1 4 9 0 2 9 克，振动频率为4 2 1 - 1 z ，竖直方向上振幅约为 0 3 m m ，由上一节频率比选为0 9 3 ，可以计算出所需激振力f 约为5 9 6 n 。考虑到市场上的情况，电磁铁选 1 l 东南大学硕士学位论文 择额定电压为2 4 v ，吸力5 9 n 的直流电磁铁。经过实验铡定，满足设计要求。在本系统中， 磁铁。从安装方便和所需激振力方面考虑，电磁铁采用水平安装方式。 4 弹簧尺寸确定 计算弹簧，应先求弹簧刚度，然后确定弹簧长度，最后进行强度校核。 ( 1 ) 弹簧刚度的确定 由上文得 k = m ( 2 = f o ) 2 单个弹簧的刚度为 k l = k 2 7 3 5 4 2 n r a m ( 2 ) 弹簧截面尺寸的确定 对于支承弹簧，可按两端完全紧固的粱计算，其刚度k 的表达式为 k = 1 2 e i o 妒 式中 e 弹簧材料的弹性模量( p a ) ； l 弹簧截面的惯性矩( m 4 ) 。 本设计采用的是板弹簧，板弹簧的l 为 毛= b h 3 1 2 式中 弹簧厚度( m ) ； 仅需要一个电 6 弹簧宽度( m ) 。 根据经验，取h = 3 x 1 0 4 m 。b = 2 0 x 1 0 - 3 m 。则 厶= 4 5 x 1 0 1 1 m 4 查手册i 3 l 】，选弹簧钢作为板