硕士论文-一种新型振动供料器及其控制系统的研究.pdf

天率大謦 硕士学位论文 灌啊跚| ：啊盯i 学科专业： 机械制造及其自动化 作者姓名： 李云梅 指导教师： 陈永亮副教授 工匙鲁+ 芒z 索j 生r 堂 中文摘要 振动供料器是自动加工和自动装配系统的一种供料装置。由于其整列、定向 性优良，供料效率高，通用性好，因此在各种机械设备的制造，仪表的加工与装 配，电子元件的生产和组装，医药与食品的加工和包装等工业上得到广泛应用。 本文以斗式电磁振动供料器为研究对象，首先介绍了国内外振动供料器的现 状、发展，分析了现代设计方法：机电一体化和模块化设计在振动供料器中的应 用。 其次，阐述了传统电磁振动供料器的原理、结构和控制系统，分析了机械结 构和控制结构的缺点和不足，利用解耦原理设计了一种新型的供料器和控制系 统，根据系统分解和功能分析，确定新型供料器机械结构和控制结构的原理方案， 并绘制了简单示意图。 第三，介绍了新型振动供料器的工作原理，结构选型和参数计算方法，并建 立动力学模型，分析了动态特性和主要性能参数之间的关系。 第四，分析了新型振动供料器闭环控制系统的工作原理和p i d 校正设计方 法，利用微控制器h t m e g a 8 数字控制芯片实现了硬件和软件控制，在硬件设计中 以m o s 功率管为驱动元件，以加速度传感器为反馈元件，设计了伺服控制系统， 从而实现了幅值、相位、频率的调节。 最后，建立了实验装置，对主要性能参数进行了实验测试，实验结果验证所 建立模型的合理性。 关键词：振动供料器；解耦原理；动力学模型；微控制器；实验装置 a b s t r a c t + i h ev i b m t i o nb o w e lf e e d e ri sak i n do ff e e dd e v i c eu s e di nt h ea u t o m a t i cp r o c e s s i n g a n da s s e m b l i n gs y s t e m i nv i r t u eo fi t sc o m p l e t es t r u c t u r ea n de x c e l l e n to r i e n t a t i o n a b i l i t yt o g e t h e rw i t hh i g he f f i c i e n c yo ff e e d i n ga n dg e n e r a lu s a g e ，i ti sw i d e l yu s e di n al a r g er a n g eo ff i e l d s ，s u c ha st h em a k i n go fv a r i o u sm e c h a n i c a le q u i p m e n t ，t h e p r o c e s s i n ga n da s s e m b l i n go fi n s t r u m e n t sa n dm e t e r s ，t h ep r o d u c i n ga n dp a c k i n go f e l e c t r o n i ca p p a r a t u sa sw e l la st h ep r o c e s s i n ga n dp a c k i n go f m e d i c i n ea n df o o d t a k i n ge l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nb o w e lf e e d e ra st h er e s e a r c h i n go b j e c kt h ep a p e r f i r s tg i v e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n d f o r e i g nv i b r a t i o nb o w e lf e e d e r s ，a n dm a k e sa na n a l y s i so ft h em o d e md e s i g n i n g m e t h o d - - t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r i c a lm e c h a n i c si n t e g r a t i n ga n dm o d u l ed e s i g n i n gt o t h ev i b m t i o nb o w e lf e e d e r s e c o n d ，t h ep a p e rg i v e sad e s e r i p t i o no ft h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea n dc o n t r o l s y s t e mo ft h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nb o w e lf e e d e r , a n a l y z e st h e d i s a d v a n t a g e so fi t sm e c h a n i c a ls t r u e t u r ca n dc o n t r o ls y s t e m ，a n db ym e a n so f d e c o u p l i n gp r i n c i p l e ，d e s i g n sa n o v e lv i b r a t i o nb o w e lf e e d e ra n dan e wc o n t r o ls y s t e m b a s e do ns y s t e md i s i n t e g r a t i o na n df u n c t i o n a la n a l y s i s ，t h ep a p e rw o r k so u tt h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h en o v e lv i b r a t i o nb o w e lf e e d e ra n dt h ep r i n c i p l eo fi t s c o n t r o ls t r u c t u r ea n dd r a w sas k e t c hm a po f i t t h i r d ，t h ep a p e rm a k e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h en e wv i b r a t i o n f e e d e r , t h ew a y so fi t ss t r u c t u r es e l e c t i o na n dt h em e t h o d so fi t sp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n b e s i d e s ，t h ep a p e re s t a b l i s h e sa k i n e t i cm o d e la n da n a l y z e si t sd y n a m i cf e a t u r e sa n d t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gv a r i o u sm a j o rp a r a m e t e r s f o u r t h ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h en o v e lv i b r a t i o nb o w e lf e e d e r s c l o s e - l o o pc o n t r o ls y s t e ma n dt h ep i dv e r i f y i n gd e s i g n i n gm e t h o d b yu s i n g m i c r o c o n t r o l l e ra t m e g a 8d i g i t a lc o n t r o lc h i p t h ep a p e rr e a l i z e st h eh a r d w a r ea n d s o t ! t 、) v a r cc o n t r o l 。i nt h eh a r d w a r ed e s i g n i n g , b yt a k i n gm o sp o w e rt u b ea sd r i v i n g c o m p o n e n ta n da c c e l e r a t i o ns e n s o ra sf e e d b a c kc o m p o n e n t ，t h ep a p e rd e s i g n st h e s e r v oc o n t r o ls y s t e m ，a n dt l r e f o r e ，r e a l i z e st h ea d j u s t i n go fs w i n g ，p h a s ea n d f r e q u e n c y f i n a l l y , t ot e s t i f yt h em a j o rf u n c t i o n a lp a r a m e t e r s ，t h ea u t h o rs e t su pa ne x p e r i m e n t d e v i c ea n dc a r r i e so u ts o m ee x p e r i m e n t s a si tt u r n so u t ，t h ec o n s t r u c t i o no f t h em o d e l i sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：v i b r a t i o nb o w e lf e e d e r ；d e c o u p l i n g ；k i n e t i cm o d e l ；m i c r o c o n t r o l l e r ； e x p e r i m e n td e v i c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他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。 学位论文作者签名：夕转物签字日期： 一。r 年月，业日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：奄物 导师签名：锨采知 签字日期：d 。4 j 年f 月fy 日 签字日期： 口厂年月哆日 第一章绪论 1 1 振动供料器概述 第一章绪论 自二十世纪四十年代末开始使用直迸式电磁振动供料器送料起，振动供料 器的发展己经经历了半个多世纪，可以说振动供料器的研究和发展是机械制造 业5 0 多年发展的缩影，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、动态仿真与控制、柔性制造等都渗 透到实际生产应用中。 一、振动供料器的结构分类 1 以振动供料器的激振源可分为： ( 1 ) 电磁式振动供料器 ( 2 ) 压缩空气式振动供料器 ( 3 ) 机械式振动供料器 ( 4 ) 压电晶体式振动供料器 2 供料器的料盘形状可分为： ( 1 ) 斗形料斗 ( 2 ) 圆锥形料斗 ( 3 ) 椭圆形料斗 ( 4 ) 直线振动料斗 ( 5 ) 分离底式振动料斗 3 从料盘的大小可分为： 小型、中型、大型三个系列。 二、振动供料器的特点 1 上料平稳，没有抓取机构，无机械传动，避免了工件撞击； 2 整列、定向性能优良； 3 上料效率高，容易调节供料率： 4 通用性好，可适合多种形状和大小的工件送料。 因此作为自动加工和自动装配系统的一种供料装置。1 ，振动供料器在轻工 业、机械工业、煤炭、冶金中较早得到运用，目前在电子元件的生产和组装， 医药与食品的加工和包装等行业上也得到广泛应用。 第一章绪论 1 2 振动供料器研究状况 1 2 1 国内外振动供料器的现状 从资料中表明，在工业发达国家或地区，尤其是美国、日本、新加坡，对 振动供料器的理论、设计与计算的研究比较深入与完整，振动供料器系统都有 专门的厂家设计、生产、销售，技术比较成熟，产品也已经标准化、系列化和 通用化。近几年国外也推出了许多新型与异型结构的振动供料器，例如：日本 神钢电机株式会社制造的双运动机构供料器。1 ，通过微机控制单独给予料斗水 平振动和垂直振动的振幅以及相位差，不论什么样的物料都能得到最佳的振动 特性，而且当达到最佳的相位差，物件可以得到椭圆振动，特别适用于家电产 品、食品、医药等生产线的供料。图卜l 、图卜2 为双运动供料器和控制器。 随着压电陶瓷技术飞速发展，逆压电效应作为新的振动源的压电振动供料装置 压电陶瓷振动供料器“”已经在生产实际中使用了，这是一种新型的、越来 越广泛被采用的振动方式。 图卜1 双运动机构供料器图卜2 双运动机构供料器控制器 我国在振动供料器的研制工作上比国外起步晚些，但顺应国外供料器的发 展模式”1 。在我国，东北的辽阳、河南鹤壁和江苏海安是较早生产电磁振动供 料器的定点生产厂，北京有色总院、东北工学院等单位合作研制电机不参振供 料器；我们也参观了制作振动供料器的一些企业，如天津雅闻菲德自动化技术 公司，大多生产电磁振动供料器，为其它装置做配套，还没有形成批量生产的 规模，更多的业务是为国外的供料器做代理。通过调研了解到，我国在大型工 程中常常用电磁振动供料器和电机振动供料器，小型精密的工程中也有采用压 电振动供料器，但大部分来自日本、韩国和台湾等制造业相对发达的国家和地 区，只有一小部分是国产制造或属于仿制这些国家和地区的，制作振动供料器 至今尚未形成行业，小厂家做不好，大厂家不肯做，总体上来讲，我国振动供 料器的开发目前尚处于一种相对落后状态。 2 第一章绪论 1 2 2 国内外振动供料器的发展 近几年，国内外有关振动供料器的研究工作大致可分为以下几个方面“1 ： 1 振动供料器的建模 振动供料器模型是振动料斗设计的理论基础及根据。振动供料器模型建立 的正确与否和准确可靠是设计与控制的关键。 2 振动供料器驱动信号 工业上最常用的是直接将电网中的正弦波电流来产生驱动信号。o k a b e 等曾对非正弦波驱动信号进行了理论分析，提出了驱动信号的优化波形； s r i n a t h 等则对水平和垂直方向受到两个相位相同但彼此独立的非正弦波激 振信号进行了试验，驱动信号都是由一阶和二阶谐波分量构成；m a h d a v i a n 等 将微机与传统电磁振动供料器结合起来，通过p c 机达到控制驱动信号的目的。 3 基于机器视觉的振动供料器 这类供料器对视觉传感器以及相关的图像处理的软硬件依赖性强。传感器 的成像质量与能力，相应的图像处理速度都是很重要的处理指标。 4 工件在料斗中的自然姿态 工件在料斗中的自然姿态是指工件从定高度自然垂直降落到料盘水平底 面上所呈现的稳定姿态。 5 振动料斗的动态仿真 振动供料器中定向机构是料斗设计中的一个难题，而且制造加工的周期长， 若能在加工之前了解设计是否可行，例如有限元动态分析计算，这无疑是十分 有意义的。 可喜的是目前国内已有许多学校和科研单位对供料器的制造和设计提出了 一些新的设计方法： ( 1 ) 有限元动态建模仿真“1 ：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对模型进行动态分析： ( 2 ) 反求设计法在压电陶瓷振动给料机的应用“1 ：对已有的日本压电式振 动料斗进行测绘，利用反求设计试制了一台性能类似的供料器，对有关的动态 参数，通过实验进行了验证： ( 3 ) 压电式振动给料机的模块化和系列化设计瑚：通过模块化对给料机进 行功能分解，系列化分析得出各模块的参数，通过实验验证理论的可靠性； ( 4 ) 电磁激振器微控制器控制。1 ：采用微控制器对电磁供料器进行控制原 理和参数设计，提出以振幅为反馈参数形成闭环的控制方式； 因此开发新型振动供料器及控制系统，首先要选取适宜它自身性能的设计方 第一章绪论 法，不但为实践提供指导，而且能降低成本和缩短设计周期，很快地形成一个 系列的批量生产。 1 3 机电一体化设计 机电一体化是微电子技术向机械工业渗透逐步形成的一个新概念，它较确 切的定义是9 3 ：主功能、动力性能、信息功能和控制功能上引进微电子技术， 并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的总称。我们要设计的新 型振动供料器和控制系统就是机电一体化产品，其目的是高效率、高智能化、 高可靠性，快速适应市场化，满足精密行业对供料器的需求，更好地为生产服 务。 振动供料器系统一般由机械本体部分、传感器部分、控制与信息处理部分、 驱动部分、执行部分和接口等部分组成。机电一体化的发展状况在振动供料器 中的应用如下： 1 传感器与自动检测技术 为监测振动中料斗内物件的运动状况和供料情况，提高检测信号的精确性， 使操作简单易行，可以引入传感器进行自动检测。目前使用较多的有位移传感 器、加速度传感器、压电传感器等，传感器的发展方向是集成化和智能化。目 前内装微型i c 集成电路放大器的压电加速度传感器已经上市，它将传统的压电 加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接与示波器连接，不用再外加电荷放 大器，从而简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性。 2 信息处理技术 信息处理技术包括信息输入、变换、运算、储存、判断、决策和输出等技 术。其硬件有输入输出设备、。显示器、磁盘、计算机，信息处理及时、处理结 果正确和精确，将直接影响振动供料器供料的品质好坏和稳定性。 3 、微机自动控制技术 微机自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、位移控制、自适应控 制，与模拟控制相比具有自诊断、仿真、校正、补偿、再现、检索等功能。自 从1 9 7 6 年9 月美国i n t e l 公司的m c s 4 8 单片机问世以来，世界各大厂商己相 继研制出6 0 多个系列，包括m c s 一5 1 系列、a r m 系列、a v r 系列。随着微电子技 术对智能控制要求的不断提高，嵌入式微控制器也可应用在供料器控制系统中， 通过单片机控制，使得机电相辅相成，整个设备自动化水平较高，并且抗干扰 能力强、数据采集较精确、运行平稳、可靠、噪音低。因此说单片机数字控制 是控制技术发展的趋势。 4 第一章绪论 4 伺服驱动技术 伺服驱动技术在很大程度上决定了振动供料器系统的性能。我们所设计的 新型振动供料器驱动源为电力驱动，激振源仍采用最广泛使用的电磁铁，电 磁铁是直接执行机构，在控制系统的作用下，将电磁能转化为机械能，驱动主 振弹簧发生变形，实现物料的输送，从而形成电磁驱动的伺服控制。 1 4 模块化设计 1 4 1 模块化设计的步骤 随着生产线的自动化程度的提高，对自动输送、整列装置的需求必然会越 来越大，生产也必须能够满足需求，因此对振动供料器进行模块化设计是必要 的。振动供料器的模块化设计就是在对一定范罔内的不同功能或相同功能不同 性能、不同规格的供料器进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模 块，通过对模块的选择和组合可以构成不同的供料器，以满足市场的不同需求。 它包括两方面的内容“：一是根据新设计要求进行功能分析，合理创建出一组 模块即模块创建；二是根据设计要求将组存在的特定模块合理组合成 模块化产品方案即模块组台。 我们对振动供料器进行模块设计的一般步骤为： ( 1 ) 市场调查和用户对振动供料器需求分析； ( 2 ) 振动供料器参数范围和系列型谱j 口确定：合理确定产品主参数范围的系 列谱是模块化产品设计所不可缺少的关键步骤之一。如第一节所分系列，本 文研究的对象是中小型斗式电磁振动供料器。 - ( 3 ) 基型设计：在( 1 ) 、( 2 ) 的基础上，通过对几种草拟方案进行综合评 估，得出定论方案，然后便开始模块化产品的基型设计。进行基型设计的步骤： 根据原理方案，进行产品的总功能分析，供料器的总功能即改变物料的 状态； 进行总功能分解，并对分功能进行分析，供料器的分功能即为：物料进 入、物料定位、物料输出； 根据功能分解结果建立相应的功能模块系统，供料器的功能元即为：装 载物料、料斗支撑、物料起振、机构稳定、信号控制、能源输入和输出： 要进行产品主参数的优化( 如板弹簧的参数、料斗的参数等) ，并由此 建立对应功能模块的生产模块； 进行模块接丌设计和组成产品的技术工作等，考虑到为便于模块化生 产，因而供料器各部件采用标准零件联结，这样有利于，f 发系列产品； 产，因而供料器各部件采用标准零件联结，这样有利于开发系列产品； e 第一章绪论 要对基型产品进行试制和考核。 ( 4 ) 变型产品设计：变型产品设计，是指在基型产品基础上，通过相似理论 改变基型产品板弹簧或料斗的结构、尺寸或性能参数等，从而引出一系列成本 低，功能和性能有所改善的变型产品来。 ( 5 ) 模块的编码及其管理：当模块化系列产品中的基型产品和变型产品都设 计完成以后，为了使各种模块不发生混乱，必须对设计完成的模块按功能、品 种、规格以及层次等特性来进行分类编码。 1 4 2 模块化设计的特点 通过模块化设计进行振动供料器的设计和开发，主要有如下特点“： ( 1 ) 振动供料器产品更新换代快。可依据当今科学技术的发展，将已经试 验过的新技术融入所设计的新模块，加进产品中，以取代陈旧的结构。 ( 2 ) 产品在结构和性能上更为协调合理。在模块化设计中，同一种功能的 单元不是一种单一的部件，而是若干可互换的模块，这就使得由模块组成的产 品在结构和性能上具有柔性，从而便于合理的协调。 ( 3 ) 缩短设计和调试周期。因模块化设计是基于全面调查与分析后所进行 的，当用户提出定货要求后，只要更换一些模块或设计、制造个别的模块和专 用部件即可，因此可很快提供产品而不需重新设计。 ( 4 ) 具有较大范围的通用化特征。在模块化设计中，同一功能的模块可在 基型、变型、甚至跨系列、跨类型产品中使用，因此它的通用化程度较大。 ( 5 ) 降低了成本。模块化设计后，使产品的大多数零件、部件由单个、小 批量生产变为批量生产，这样便有利于采用先进工艺、成组加工和应用电子计 算机等技术，于是便降低了成本，提高了制造质量。 ( 6 ) 维修方便。因产品的大多数部件是由模块组成的，这就在很大程度上 简化了产品的维修和修理，必要时可更换整个模块而不影响生产。 ( 7 ) 保证产品的性能稳定可靠。当产品按功能划分为模块后，便可对模块 进行既定的试验和研究，以确保产品性能的稳定可靠。 1 5 本课题的提出及意义 进些年，为了适应多品种、小批量的生产，尤其是在一些便携式信息通讯设 备，如家电产品、机械、食品、医药品等生产公司，需要高精度、噪音小、供料 平滑、具有调幅、变频功能，又能自动检测功能的电磁振动供料器，那么现有的 产品已远远达不到要求，如何在生产中利用已有的供料装置，改进技术，推陈出 6 第一章绪论 新，提高供料器的定量精度要求，已势在必行。 目前，国内外正在开展对电磁振动供料器的研究工作，来改进传统的电磁振 动供料器和模拟控制系统的工作性能： ( 1 ) 供料器必须精确地机械调整到5 0 赫兹的频率，才能共振： ( 2 ) 供料器工作中，共振频率发生漂移时，需要停机进行手动调谐； ( 3 ) 改变线电压或频率，会明显改善供料器的输出功率。 ( 4 ) 料斗内物料重量发生变化，供料器需要手动的调整振幅； ( 5 ) 在全功率硬起动时产生破坏性的振动，带来机械装配的失谐和工具损 伤，引起生产损失： ( 6 ) 因为控制系统的电源来自动力输电线，由于振动和瞬变，又没有隔离 措施，容易出现事故； ( 7 ) 由于没有装入传感装置，直接测量供料器的振幅及其它数据是不可能 的。 日本神钢电机株式会社制造的双运动机构供料器以及控制系统己在生产中 应用了，我们以此为设计目标，以机械结构的解耦原理、高性能的微处理器a v r 系列单片机在控制系统中的应用、脉宽调制( p 册v d 控制技术和m o s 功率驱动的 性能为理论依据，按照控制理论的新思路、结合机电一体化及模块化设计的现 代新设计方法，试图制造一种新型的振动供料器及控制系统。 我国是一个发展中国家，工业化进程起步较晚，在振动供料器的改革上虽 提出了一些新的设计方法，但国内尚没有一家正规公司有能力开发并制造双运 动机构供料器及自动化程度较高的控制系统，而大部分需求产品的企业则依赖 进口，价格昂贵。因此从现状看，利用我们已有的技术和产品、制造出新型的 双机构的电磁振动供料器和控制系统，并进一步推广、改进、发展，具有广阔 的经济效益和市场潜力，对促进供料器的开发、制造技术及控制系统的数字化 具有重要意义。 1 6 本文研究的思路和主要内容 针对国内已有电磁振动供料器和控制器的不足与存在问题，结合日本神钢 电机株式会社制造的双运动供料器和控制器的特点，本文在传统的电磁振动供 料器的机械结构和控制结构两方面均做了改进和创新，按照控制理论的新思路 和现代设计方法制作出一种新型的振动供料器以及微控制系统。 一、本文研究的思路 本设计包括两部分：机械结构设计和控制系统设计，这两部分相辅相成， 7 第一章绪论 互相促进；而机械结构动力学建模和控制系统建模是理论分析，通过调试设备 和实验相互验证。研究的思路流程图如卜3 所示。 图卜3 研究的思路流程图 二、本文研究的主要内容 1 结合国内外一些资料和文献，采用模块化设计和机电一体化设计方法， 根据总功能分析，确定供料器机械结构和控制结构的原理方案，并绘制了简单 示意图。 2 对新型振动供料器进行了模块化和系列化设计，介绍了各功能模块，对 各部分零件进行了选型和参数的计算，建立动力学模型，分析了系统的动态特 性，物料的运送形式，并分析了性能参数之间的关系。 3 在控制系统中，引入了微控制器，以嵌入式芯片h t m e g a 8 作为整个硬件 的核心，开发p w m 调压、变频功能，形成两路驱动、两路传感器检测闭环控制 系统。 苎二主堕笙 4 绘制了整个硬件控制系统的原理图、设计了p i d 校正装置，绘制程序流 程图，并对主要功能模块编写c 语言程序，以达到设定的控制功能。 5 建立了实验装置，对主要性能参数进行了实验测试，实验结果验证所建 立模型的合理性。 第二章新型电磁振动供料器的工作原理和设计 第二章耘型电磁振动供料器的工作原理和设计 2 1 传统电磁振动供料器概述 2 1 1 传统电磁振动供料器结构及原理 斗式电磁振动供料器【l 】。 主要由料斗、支持板弹簧、 电磁铁线圈、衔铁、托盘、2 减振弹簧及底座组成。料斗 借螺钉及塑性薄垫片同托盘 3 联接，托盘借三根板弹簧同 底盘联接，并有一定的夹角， 底座下安装橡胶弹簧。如图 。 2 - 1 为中小型斗式电磁振动 供料器结构。 电磁振动供料器的工作 一- 原理“7 3 是：出于料斗的底平 面与激振力作用线有一定的 夹角，利用衔铁与铁芯之问脉 冲电磁力，驱动主振弹簧发生 变形，使料斗沿圆周切线方向 向斜下方运动，同时板弹簧储 存势能。当电磁力消失后，主 l 一料斗2 一螺旋滑道3 一支持板弹簧4 一罩壳 5 一调节气隙螺母6 一橡胶弹簧7 一底座 8 - 磁铁线圈9 一托盘1 0 一衔铁l l 一排料口 图2 - 1 传统电磁振动供料器结构 振弹簧释放能量，使料斗向斜上方向运动。因为物料与料斗料道之间摩擦力的 变化，使料斗中杂乱堆放的物料沿着周边的螺旋滑道上升并进行自动定向排列。 2 1 2 传统电磁振动供料器的控制系统 电磁振动供料器工作在工频2 2 0 v ，5 0 h z 交流电源下，经单相半波整流或 全波整流后为直流电，利用5 0 h z 主频电压触发晶闸管( s c r ) ，并为电磁铁提 供一个定时高能量脉冲，此电磁能在5 0 h z 主频下驱动机械板弹簧系统。由于 控制电路不断的使电磁铁通电或断电，从而使振动料斗产生高频微幅振动。为 1 0 第二章新型电磁振动供料器的工作原理和设计 了调节物料的速度，通常采用调压电位器来改变可控硅触发角，改变激振力的 大小，从而改变料斗的振幅。这是我们常用的调压型控制器【8 1 ，调压型控制系 统是一个开环电路，方框图如图2 2 所示。 图2 - 2 控制器开环方框图 2 2 新型电磁振动供料器及控制系统方案的确定 原理方案的确定从质的方面决定了产品的设计水平和综合性能状况，是产 品实现创新的关键，为具体的设计工作奠定基础。 新型振动供料器主要是利用解耦原理来确定的，耦合是工业生产中的普遍 现象，变量间相互干涉现象称为耦合，消除这种耦合称为解耦，解耦原理是一 种重要的实验理论方法，它是把原本较复杂的物理现象转化为若干个简单的物 理现象集合，能够更清楚地看清现象的本质，使得实验或分析过程大大简化， 并最终得到解决。从上一节中可以看出传统电磁振动供料器是一种耦合方式， 即通过单一控制器和驱动装置，与底座有一定夹角的板弹簧配合实现料斗的垂 直振动和水平扭转的复合运动，框图表示如下图2 3 所示；而解耦就是将与底 座有一定夹角的板弹簧替换为水平板弹簧和垂直板弹簧两部分，机械结构独立， 合成后实现料斗的垂直振动和水平扭转的复合运动，框图表示如下图2 - 4 所示。 其中c 、c 1 、c 2 为控制器，d 、d 1 、d 2 为驱动装置，m 、m 1 、m 2 为机械部分。 c 卜怔m 秉鬈+ 图2 - a 耦合方式框图 ( 三三二卜一- ( 二三二 也垂直振动一： 垂直振动+ ( 二三二) _ 三至二 _ 蛔水平扭转一竺j 水平扭转 图2 - 4 解耦方式框图 第二章新型电磁振动供料器的工作原理和设计 1 机械结构方案的确定 下表2 1 中给出了传统机械结构的特征、新功能需求、在新产品中引用的技 术和方案。 表2 1 新老机械结构的对比表 传统机械结构 新功能需求新型的机械结构 单一电磁线圈减振消噪水平、垂直电磁线圈 具有倾斜角的板弹簧振动角可变水平、垂直的板弹簧 没有传感器实时检测振幅两个传感器 减少机械调整 物料的跳跃式搬运平滑无摩擦搬运椭圆搬运方式 新型电磁振动供料器工作原理：水平电磁线圈和垂直电磁线圈分别由两路 控制系统控制，两路电压大小、频率值可调节，垂直电磁线圈和水平电磁线圈 通电后，各产生一个垂直脉冲电磁力和水平脉冲电磁力，驱动水平主振弹簧和 垂直主振弹簧各发生变形。衔铁与铁芯之间脉冲电磁力傲周期性的变化，垂直 作用力使料斗上下振动，而水平作用力使料斗沿垂直方向扭转，合成后使料斗 既绕其垂直轴扭转又伴随着上下振动。因为物料与料斗滑道之间摩擦力的变化， 使料斗中杂乱堆放的物料，沿着螺旋滑道上升并进行自动定向排列。 采用新型机械结构使得垂直方向和水平方向机构独立，便于数字化控制， 为实现微控制系统提供了先决条件，图2 5 为新型振动供料器的原理结构示意 图。 图2 - 5 新型振动供料器的原理结构示意图 2 控制结构方案的确定 下表2 2 中列出了传统控制系统的特性，新功能需求和在新产品中引用的技 第二章新型电磁振动供料器的工作原理和设计 术和方案。 表2 ，2 新老控制系统对比表 传统控制系统新功能需求新型的控制系统 开环控制振幅定值控制闭环有反馈控制 模拟线路线路简单，能耗少单片机控制 没有传感器独立有负载的振动传感器 减少机械调谐 来自动力线路的5 0h z 频率振动频率定值控制内部振荡器 调压控制可选择频率p w m 脉宽调制 线路噪音隔离的清洁电源 光电隔离开关 一路控制电磁线圈分别控制水平、垂直电磁线圈两路驱动控制 没有闭环反馈分别反馈水平、垂直振幅两路闭环反馈 采用微控制器对设备进行在线控制，可以保证控制的实效性，提高设备的 自动化程度，并可以实现实时检测，这正是解决电磁振动供料器振幅变化和激 振频率连续调整的有效途径1 ，因此在控制系统引入了单片机。整个控制系统 中，驱动电路分两路，一路加在水平电磁线圈上，另一路加在垂直电磁线圈上， 两路互不影响，可独立改变电压和频率，并增加光电隔离开关。为实时监测物 料的运行情况，引入两个传感器分别检测水平振幅和垂直振幅，反馈给单片机， 信号经单片机处理后得到有用的数据，并达到实时显示的功能。 2 3 新型电磁振动供料器的模块化、系列化设计 2 3 1 新型电磁振动供料器的结构 新型电磁振动供料器选用圆柱形单内螺旋滑道振动料斗，下联铝合金上托 盘，在上托盘下还有一铝合金中间托盘。中间托盘上面联结四组水平板弹簧， 下面联接垂直板弹簧，而中问镂空，便于安装垂直电磁铁的衔铁，垂直电磁线 圈安装在底座上，电磁铁位置处于底座和托盘的对心位置。为使水平激振力足 够大，故在垂直电磁铁两侧的底座上安装两块水平电磁铁，两块电磁铁极性保 持一致，水平电磁铁的衔铁联结在其中一组垂直板弹簧上，而电磁铁的线圈依 靠支座联接在底座上。垂直板弹簧的下端也固定在底座上，四组垂直或水平板 弹簧沿着一个圆周均匀分布，彼此间隔9 0 度，底座下端联接橡胶弹簧。图2 - 6 为新型振动供料器的结构图。 第二章新型电磁振动供料器的_ t 作原理和设计 图2 _ 6 新型振动供料器结构图 2 3 2 新型电磁振动供料器模块化设计 1 一料斗 2 一上托盘 3 一中间托盘 4 一垂直板弹簧 5 一底座 6 一水平板弹簧 7 一水平衔铁 8 一水平电磁线圈 5 9 一橡胶弹簧 ， l o 垂直电磁线圈 1 1 一垂直衔铁 我们所设计的新型电磁振动供料器采用电磁铁为驱动元件，结构简单，分工 明确，通过进行功能分析和用途需求，建立模块化单元。新型电磁振动供料器 各模块具体组成和功能如表2 3 所示。 各模块之间的关系如框图2 7 所示，不同的模块间需要通过一定的方式连接 起来，组成为模块系统。模块问的联接也是一个极为重要的部分，应该实现标 准化、合理化和简便化。料斗和上托盘以螺栓联接，螺栓取标准件，保证了装 拆的方便和料斗形状和规格的变化；板弹簧与底座和托盘的联接：垂直板弹簧 下端固定在底座上，上端联接中间托盘，四组板弹簧与底座、中间托盘垂直放 置，采用螺钉紧固，水平板弹簧也采用螺钉联接在中间托盘上方和上托盘的下 方连接块上；橡胶弹簧和底座以螺栓联接：传感器安装在料斗内侧底部，一个 水平放置，另一个垂直放置；电磁铁驱动和控制信号的连接，主要是能量与信 息的连接，通过电源线输入电力，驱动供料器振动，实现预定的目标。 1 4 第二章新型电磁振动供料器的工作原理和设计 表2 - 3 新型振动供料器的功能模块 模块零件名称 功能 工作模块料斗、滑道装载物料、变换状态、有序输出 连接模块托盘、中间托盘、底座安装料斗、连接板弹簧和衔铁，传递振动 两组起振模块垂直板弹簧、水平板弹簧实现振动和扭转的弹性元件 两路驱动模块水平电磁铁、垂直电磁铁驱动执行机构 减振模块橡胶弹簧减振消噪 两路控制模块单片机变频、调幅频率开关控制、初始值设定、显示 两路传感模块加速度传感器2 个检测料斗的振幅 图2 7 各模块之间的关系框图 2 3 3 新型电磁振动供料器系列化设计 在电磁振动供料器基型产品的基础上，通过相似理论可以进行某个相似产品 或相似产品的系列化的设计，在系列产品的设计中应尽量选用优先数和标准公 比优先轳是由河( “1 6 ) 、师( “1 2 5 ) 、师( m 1 1 2 ) 、嘶( “1 0 6 ) 导出的近似一组近似等比的数列，各数列分别用符号r 5 、r i o 、r 2 0 、r 4 0 表示， 为基本系列，此外还有派生系列。经过多年生产的使用证明，优先数具有一系列 第二章新裂电磁振动供料器的工作原理和设计 优点，在设计系列产品中应努力遵守优先数系列表中的值。 1 斗体尺寸系列化设计 我们以日本神钢电机株式会社制造的双运动机构供料器为基础，分析了它的 队和e r 两大系列“1 产品，根据相似理论设计出新型电磁振动供料器的中小型、 大型的d m s 系列产品，如表2 - 4 所示。 表2 - 4d m s 系列产品 系 料斗上段料斗下段额定电 额定电流a 振动数装载质 名称 列 直径f i l m直径i l l i l 压v 水平垂直 n z 量k g m f s 一1 52 5 01 5 02 2 00 1 5o 1 51 0 0 1 8 02 3 中 d m s 一2 03 2 02 0 02 2 0o 2 50 2 51 0 0 1 8 0 4 小 d m s 一2 54 0 02 5 02 2 0o 60 36 0 1 1 08 型 d m s 一3 05 0 03 0 02 2 02 0 o 8 6 0 i i 0 1 2 5 大 d m s 一3 8 6 0 0 3 7 52 2 02 o 0 8 6 0 1 1 01 7 型 d m s 一4 5 7 0 0 4 5 0 2 2 0 2 02 06 0 “o2 6 对上表的数据进行系列分析： 料斗上段直径相似比为：l 1 = 3 2 0 2 5 0 = 1 2 8 、l 2 = 4 0 0 3 2 0 = 1 2 5 、 l 3 = 5 0 0 4 0 0 = 1 2 5 、l 4 = 7 0 0 6 0 0 = 1 1 7 ： 料斗下段直径相似比为：l i = 2 0 0 1 5 0 = 1 3 3 、l 2 = 2 5 0 2 0 0 = 1 2 5 、 l 3 = 3 0 0 2 5 0 = 1 2 、l 4 = 4 5 0 3 7 5 = 1 2 ： 水平功率相似比为：尸- = 三；i 罢詈；= 6 ，、p 2 = 淼= 2 。、 p 3 2 2 0 x 2 03 3 、p 4 2 2 0 x 2 01 ： 2 2 0 0 62 2 0 x2 0 垂直功率相似比为：尸1 = 器= 1 6 7 、p 2 = 器= i 2 、 p 3 ；2 2 0 x 0 8 ：2 6 7 、p 4 ：2 2 0 x 2 0 ：2 5 ： 2 2 0 0 32 2 0 0 8 装载质量相似比为：m 1 = 4 2 3 = 1 7 4 、m 2 = 8 4 = 2 0 、 肘3 = 1 2 5 8 = 1 6 、m 4 = 2 6 1 7 = 1 5 3 。 其中： 下段直径相似比l l ，装载质量相似比m 3 、m 4 均满足r 4 0 系列； 水平功率相似比为p 1 、p 2 ，垂直功率相似比p i 均满足r 2 0 系列： 1 6 第二章新型电磁振动供料器的工作原理和设计 上段直径相似比l l 、l 2 、l 3 ，下段直径相似比l 2 、l 3 、l 4 ，水平功率相似 比p 4 ，垂直功率相似比为p 4 ，装载质量相似比为m 2 均满足r i o 系列； 装载质量相似比m 3 满足r 1 0 系列。 2 板弹簧的尺寸系列化设计 ( 1 ) 截面尺寸的确定 板弹簧的的截面尺寸不能任意选取，一般取b h = 6 1 0 ，宽度b 和厚度h 应 符合现有扁钢的规格，下表2 - 5 给出了矩形截面尺寸的系列规范。“，该系列中的 数值都符合标准优先数系列，o 表示可选。 表2 - 5 板弹簧矩形截面的尺寸 系板宽板厚h ( f i l m ) 列b ( r a m ) 234567891 01 11 21 31 41 61 82 0 1 0o 中 2 0o oo 小 3 0o0o 型 4 5o o0 5 0o o 0 o o o o 大 6 0o o ooo oo 型7 0oo o oooo o 8 0o o o oo ooo oo ( 2 ) 按下式计算出板弹簧的数量n ，2 ：_ 1 2 1 - 0 ( 2 - 1 ) b h 3 式中i 。为截面的总惯性矩。 ( 3 ) 下式验证主振板弹簧的应力，一般小于等于金属板弹簧的许用弯曲应力 盯 盯= 等印】 ( 2 - 2 ) 式中i 。为截面的总惯性矩，地h 。为最大静弯矩。 如果应力盯超过允许范围，必须增加i 。或改选h 。 第二章新型电磁振动供料器的工作原理和设计 ( 4 ) 板弹簧长度的确定 板弹簧长度用做图法确定比较方便，也可以预选长度，经校核调谐值再修改。 板弹簧尺寸的选取直接影响着弹簧刚度，也是机械结构设计中重要的一环， 经过系列化设计便于不同设计的取材和需求。 2 4 新型电磁振动供料器的机械结构设计 我们首先对工作模块、连接模块、起振模块，两路驱动模块、减振模块进 行有关零件选型和参数计算，对于两路控制模块、两路传感模块的原理和实现 将在第四章阐述。 2 4 1 料斗的结构参数 新型振动供料器的料斗结构图如2 - 8 所示，我们设计的新型振动供料器主 要用于自动定向排列外径“= 6 m m ，高度h w = 1 5 m m 的金属圆柱体物料，要求 生产能力可调，一般控制在3 5 0 _ 4 5 0p c s m i n ，能实时检测物料的运行情况， 具有调幅和变频两种控制功能。选用圆柱形单内螺旋滑道振动料斗，用厚度为 j = 1 5 m m 的不锈钢板焊制，由文献 2 ，可得到结构参数如下： 图2 - 8 振动料斗剖面图 螺旋螺距：h d = 1 8 h 。+ 占= 1 8 1 5 + 1 5 = 2 8 r l n (