直线振动输送机的结构设计.docx

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直线振动输送机的结构设计

直线振动输送机的结构设计

摘要

面对我国经济近年来的快速发展，机械制造工业的壮大，在国民经济中占重要地位的制造业领域得以健康快速的发展。

制造装备的改进，使得作为工业重要设备的各类机械工艺装备也有了许多新的变化，尤其是振动机械产品，其在今天机械产品的地位越来越重要。

在原普通水平输送机的基础上，经过市场与现场调研，应用非线性振动理论，微弯等截面梁的弯曲振动理论、最优化理论、共振理论以及CAD技术，研制出振动机械新产品。

该产品与国内外同类产品相比具有重量轻、体积小、节能、低噪声、高效的特点，是一个极具有发展前景、推广及应用价值高的高新技术产品。

本文从零件的分析、工艺规格设计和夹具的设计三个方面，阐述了直线振动输送机设计与制造的全过程。

尤其在工艺规程设计中，我们运用了大量的科学的加工理论及计算公式，选择了基面，制定了工艺路线确定了机械加工余量、工序尺寸和毛坯尺寸，最后确定了切削用量及基本工时。

关键词五自由度；工业机器人；非线性

TheDesignOfFiveDegreesOfFreedomOfRboticArm

Abstract

Thisdesignfocusesonsomeknowledgeandprinciplesofindustrialrobots,includingthecompositionofindustrialrobots,classification,themaintechnicalperformanceparametersandthemotionanalysisofindustrialrobots.Theoverallcontentofthisdesignistheabilitytomoveofthemovingmechanismbasedonindicators,comparingtheperformancecharacteristicsofexistingmobilemechanism,todeterminetheoptimalmovementmechanismmoves;designajointmanipulatoroffivedegrees,todeterminefivedegreesoffreedomofanindustrialrobotmaintechnicalparametersandtransmissionrelationsandthroughvariouspartsofthedynamiccalculationofindustrialrobotstochoosingtherightdrivemotor;identifiedthecomputercontrolsystemprogramsofthedesignoffivedegreesoffreedomofindustrialrobots,aswellasbuildaPro/Emodelofthedesignoffivedegreesoffreedomofindustrialrobots.Theauthorsinreferencetolargenumberofdocumentsonthebasis,combinationofdesignrequirements,andwithreferencetothestructureofgeneral-purposerobotforfivedegreesoffreedomindustrialrobotdesignanddesignthecomputercontrolsystem.Theroboticarmofthisarticleisdesignedmainlybygripper,wrist,forearm,armandbasecomposition,whileusingthePro/Ecomputerprogrambeathree-dimensionalmodeling,theroboticarmcanbeusedtosearchfor,capturepipefittingsunderwater,cables,andotherfineorlongobjects,itcanalsobeothershapesobjectsforgripping,acertainversatility.Robotcanautomaticallycontrol,multi-functional,therearefivedegreesoffreedom,itcanbefixedormoving,fortherelatedautomationsystems.

KeywordsFivedegreesoffreedom；Industrialrobot；nolinear

第1章绪论

1.1前言

在工业生产和生活中，人们都使用或接触过许多机器，这些机器能承担人力不能或不便承担的工作，能大大提高人们的劳动生产率，改进产品质量，还能改善人们的劳动环境，减轻劳动强度，尤其是使用机器可大规模进行生产，实现高度的机械化生活的需要。

因此使用机器进行生产的水平是一个国家综合国力的标志，也是这个国家工业化水平的标志。

此次我们设计的机器为直线振动输送机。

该机用于各种颗粒状，中等块度以下的非粘性物料（含水量小于5%）。

最适宜于输送高磨耗，高温度（300度以下的物料）如水泥，熟料，烘干热矿渣，沙等，还可以用于冶金，矿山，化工，电力等行业，是一种理想的新型输送设备。

本机有以下特点：

1.输送量大，重量轻，电耗低。

2.负载特性好，机槽振幅受电压波动动输送量的影响很小；

3.起动快，在满足负载的情况下正常起动；起动快，停车时整机稳定。

4.结构简单，调试容易，磨损件少，维修量小。

5.安装方便，不需要专用的地基和地脚螺栓，便于移动位置。

6.隔振性能好，故适宜水泥及矿渣库顶输送。

本机主要组成部分：

本机主要由出料槽体、底架、主振弹簧、减振弹簧、弹簧座、振动电机等部件组成。

1.输送槽体截面采用优化理论确定，槽体采用耐热板制作，各段间的连接部件要求平整。

2.振动电机两台采用穿透螺栓连接，激振力可调。

3.主振弹簧为非线形弹簧，可用调整螺栓调节其预压缩量，以适应不同比重的物料输送。

该产品由于研制及小批量生产状态，其工时、工装费用较高，使成本提高，在推广新产品的同时，严格控制产品的各种消耗，在保证质量的前提下，进一步降低成本，降低费用，加强核算，就能使该产品的价格进一步降低，取得更好的社会效益和经济利益。

1.2工作原理

振动输送机是通过激振源产生的激振力，强迫物料在振动输送机的槽体内按一定方向做简谐运动。

当其运动速度达到一定值时（大于重力加速度），物料便在承载体（槽体）内做微小的连续的抛掷运动，从而使物料向前运动，实现输送目的。

激振源的选择是振动机械设计的一个关键问题，考虑上述工况下输送机的载荷、速度情况等，参考国内外的先进经验，以振动电机为激振源可使结构简化、调节方便、安装维修量小、能耗降低。

激振电机是在电机轴上安装偏心块，振动电机工作时，电机带动偏心块做回转运动产生激振力，该类振动输送机采用两台振动电机产生一个合成的斜向上的振动力，使物料在槽体内做斜向上简谐运动。

两台电机不断振动，物料连续做周期抛掷运动，从而达到输送物料的目的。

1.3特点

优点：

该机结构简单、重量较轻、造价不高；能量消耗较少、设备运行费用低；润滑点与易损件少，维护保养方便；物料呈抛掷状态运输，对承载体磨损少，可输送磨琢性材料；可以多点给料和多点卸料；便于对含尘的、有毒的、带挥发性气体的物料进行密闭输送，有利于环境保护。

缺点：

向上输送效率低；粉状和含水量大、粘性物料输送效果不佳；制造和调试不良时噪音加大；某些机型对地基有一定的动载荷；输送距离不长。

1.4国内外振动输送机的发展趋势与现状

由于振动理论的日趋成熟及振动电机在振动机械上的应用，使得世界工业发达国家近年来在输送机方面的开发与研制发展异常迅速。

现已广泛用于矿山、冶金、建材、化工等各个领域。

其发展趋势大致有以下几个方面：

1.标含数优化：

重量最轻，造价最低、能耗最少；噪声最小，效率最高，输送量最大；

2.磨损轻，润滑点少，磨损环节少，零部件寿命长，维修量小，维修费用低；

3.输送高温材料：

允许输送物料的温度可达350℃，短时温度可达680℃—1000℃；

4.承载构件做成密封结构，便于封闭输送粉尘性大、有毒、有挥发性异味、危害人体健康和环境卫生的物料；

5.输送过程中，可同时完成其他工艺作业，如筛分、混合、烘干和加热、冷却、清洗等，实现一机多用；

6.可水平或倾斜安装，一般向上、向下倾角分别不超过12°~15°。

近年来，国内在振动输送机方面也得到迅速发展和应用。

不少研制单位、高校及厂家对振动输送机进行了广泛的研究，但就其效率、功能、规格、寿命等诸方面与发达国家相比，还有较大的差距。

国内较为成功的结构形式主要有：

单管、双管输送机、平衡式、不平衡式输送机，单质体、双质体输送机，偏心连杆式、惯性激振式、电磁激振式输送机。

惯性式振动输送机是近年来开始研制的，其长度多在7m以下，个别样机可达12m。

目前，国内同类产品存在主要问题如下：

1.动装置多采用偏心连杆机构，偏心连杆负荷大，应力高，槽体的弯曲应力大，槽体的横向刚度要求高，由此整机重量也成正比增加；

2.结构较为复杂，加工件多，安装、调试、维修工作量大，机体重量大，功耗大，效率低；

3.当设计、制造、安装、调试不当时，常产生较大噪声和振动，弹簧易损坏，维修量过大，影响机器的正常工作；

4.激震源效率低，寿命短，易出现故障，导致维护工作量大，成本提高，以至整机寿命大大缩短；

5.弹性或刚性连杆驱动集中作用于输送机槽体和底架上，使该处极易损坏或断裂。

在本次设计中，我们设计的主要是双质体共振式惯性振动输送机，即我们说明的直线振动输送机。

1.5本章小结

本节以前言开题，主要介绍了此次课题研究的振动输送机的工作原理与特点，并且讲述了国内外振动输送机的发展趋势与现状，并且针对国内情况进行了研究分析。

第2章结构方案的拟订

2.1振动运输机整体方案设计

输送机械按其结构特点和用途可分16类，有带式输送机、板式输送机、刮板式输送机、振动输送机、螺旋输送机、气力输送机等。

由于带式输送机由于输送带上有覆盖胶，因此不能输送高温物料；刮板式输送机不适于输送不允许碾碎和磨损的脆性物料；链式输送机是一种用于水平（或倾斜≤15°）输送粒状、粉状的输送机械，则它不使用于大块物料的输送；埋刮板式输送机是刮板链条埋于被输送物料之中，故不适合传送大块物料；螺旋式输送机不适用于输送，易变质的、粘性大的、易结块的及大块物料，因为这些物料在输送时会粘结在螺旋上并随之旋转不前或吊在轴承处形成物料积塞，而使螺旋机不能正常工作；故根据设计要求，我们选择振动输送机。

振动输送机按其驱动装置可分三类：

偏心连杆式、回转偏心重块惯性式及电磁驱动式。

偏心连杆式主要由带轮、偏心轴轴承和连杆构成。

轴承座固定在底架上，电机通过带轮使偏心轴转动并带动连杆往复运动，然后连杆推动槽体按设计的振幅和频率工作，我们以单质体偏心连杆振动输送机为例说明，其结构示意图2-1如下：

图2-1单质体连杆振动输送机

这种结构复杂而且偏心连杆负荷大，应力高，设计必须精细，研制精度高，成本高，润滑应良好，稍有不当，很快损坏，且连杆以巨大驱动力作用于输送槽体，有一个很大的横向分力，使槽体易于产生弯曲变形，因此对槽体的刚度要求高，所以这种方案不适合。

惯性振动输送机是利用偏心质量旋转时产生离心力作为激震力，其驱动装置就是利用上述两种驱动装置，其又分为单质体和双质体。

单质体惯性振动器同步驱动振动输送机的结构示意图2-2如下：

图2-2单质体自同步惯性振动输送机

图2-3直线振动输送机

这种结构简单，但其传给基础的动态力很大，而且不能实现长距离输送，这是因为：

物料在整个槽体内其垂直方向上的分速度是不同的，当物料被输送到一定距离后，其垂直方向的速度变为0，以至欲停止不前。

惯性式驱动装置主要有惯性振动器驱动和电机拖动偏心重块驱动两种形式，惯性振动器由特种双出轴振动电动机和装在电动轴端的偏心重块构成外偏心块与内侧固定偏心块相对角度可以调整。

以改变惯性力的大小，调整方便。

同时由知惯性振动器的激振力可很大，但电动功率很小。

双质体结构则克服单质体的缺点，它是在底架下方另加一组减振弹簧。

由于这种弹簧较软，而且振动幅值很小，因此传给基础的力很小，其示意图如上图2-3所示.

这种结构中由于弹簧钢板和主振弹簧的共同作用，使得槽体在进行输送时比较稳定。

双质体结构的主振弹簧可以采用线性弹簧和非线性弹簧两种方式。

经实验分析，非线性弹簧不仅具有线性弹簧的功能，而且具备如下优点：

1.运转具有稳定的振幅；

2.可以采用比较接近共振点的工作状态，因此，激振力可以经过线性振动小；

3.结构上可以减小弹簧尺寸；

4.调节非线性弹簧间隙可以容易地调整机器的工作点；

5.承载能力大；

6.电磁驱动装置一般采用电磁振动器，电磁振动输送机采用双质体近共界调谐振动系统。

这种振动机虽然使用寿命长，耗电少，可无级调速与工艺系统设备配合容易实现自动控制，但这种结构大，重量大，且其振幅仅为1.75mm，水平输送距离仅在20m以内。

不宜采用，结合我们设计课题要求，我们采用双质体近共振惯性振动输送机，即直线振动输送机。

7.本机采用两台同步电机反向回转驱动，电机上下垂直对称安装在底架一端，底架和输料槽之间由弹性连接（主振弹簧和导向弹簧板）为了便于制造和运输以及市场钢板的规格，本机的输料槽做为6m一截，然后用紧固螺钉连接装配为一体。

2.2本章小结

本节主要介绍了此次研究课题运输机的方案整体设计，包括了各种运输机的介绍与此次振动运输机的选择。

其中包括了振动运输机的结构设计、电动机选择和选择方案的优点等等。

第3章振动输送机力学模型及动力分析

3.1模型设计与动力分析

为了更好地对振动机进行设计与分析，我们先对其进行力学模型分析（如图3-1），下面分无阻尼自由振动和无阻尼强迫振动两种情况（假定振动物体没有阻力，自由振动振幅是不变的。

但经验证明，振幅是在随时间不断减小，而振动是逐渐被消灭的。

由于阻尼的缘故，振幅是一个最大的上限，它不会超过这个限变）。

图3-1振动输送机力学模型

分析说明：

图3-2弹簧方程示意图

图3-3弹簧受力分析

（3-1）

（3-2）

令

m2=-k2（x2-x1）（3-3）

于是方程（3-1）（3-2）可以写成：

（3-5）

（3-6）

这是二阶常数线性齐次微分方程另其解为：

（3-7）

（3-8）

其中振幅A1与A2频率P和相位角ψ都有待于确定，将（3-5）（3-6）式代入（3-7）（3-8）式得：

（3-9）

（3-10）

如果<3>式是方程组<2>的解，则<4>式恒成立，由于Sin（pt+ψ）不恒为零。

所以必须

这是A1和A2的线性齐次代数方程组，显然A1=A2=0是其解，但是这仅仅适用系统处于平衡的情况，不是我们所需要的解。

对于A1和A2具有非零解的情况，方程组<5>的系统行列式必须等于零，即：

我们将其展开后得：

（3-11）

则式（3-11）的两个特征根为

P1和P2是两个正实根，由于公式Sin（pt+ψ）中，P表示频率，而在公式（6）中P1和P2仅决定于系统本身的物理性质（质量和弹簧刚度），因此称为振动系统的固有频率，较低的称为第一阶固有频率，较高的称为第二阶固有频率。

无阻尼强迫振动的微分方程及振幅ωt

在质体m上作用简谐振力psinωt，根据牛顿运动定律可以直接写成系统强迫振动的微分方程：

（3-12）

（3-13）

令

则（3-12）（3-13）式可写成：

（3-14）

（3-15）

这是二阶线性常系数齐次微分方程组，设其解为：

（3-16）

（3-17）

式中振幅B1B2为待定系数，代入（3-16）（3-17）式则有：

（3-18）

（3-19）

解此系数方程组，得振幅式：

（3-20）

（3-21）

由式（3-20）（3-21）可知，其振幅不仅仅决定于激振力的大小（振幅P）而且与系统的固有频率有着很大的关系，当激振力等于P1或P2时，系统的振幅无限大，即为共振。

采用弹性力为非线性特性线时，由于采用变径或变距硬特性螺旋弹簧，使该变质量系统能在承受突加载荷时，弹簧力增加，在突然减荷时，弹性力减小，对于减少功耗，简化机体结构，减轻整机重量起到了十分显著的效果。

3.2本章小结

本章主要介绍了选择的振动运输机的动力学模型设计，并且针对所设计的动力学模型进行了动力计算，分析得到的各种方案，针对各种方案又进行了无阻尼自由振动和无阻尼强迫振动两种情况的分析，使得到的振动运输机合理、高效。

第4章振动输送机的运动学参数与性能参数

4.1运料参数计算

1.角频率与槽体倾角α0的选择

惯性共振动输送机一般采用中等大小的频率和振幅，振动次数通常为700-1800次/分，最常用的为700-1200次/分，单振幅为1-10mm，此次设计综合考虑到振动电机及主振弹簧的结构尺寸等因素，取n=1000r/min的主振电机，额定转速n=960r/min.

则其角频率为：

对于长距离振动输送机，通常最大升角αmax≤10°~15°，对容易产生滚动的物体取最小值；对不易产生滚动的物体取最大值。

此次设计为水平安装，即取α=0°。

2.振动方向角的选择

振动方向角β为激振力方向与槽体平面的夹角。

虽然从理论上可以求出一个机械指数K相应的速度最大的振动方向角（即最佳振动方向角），但实际上，在常用的那个角度范围内，输送速度的变化并不很明显。

因此，最佳振动方向角可在一定范围内选取。

当K=2~4时,β=31°~50°；当K=4~6时，β=24°~31°；当K=6~8时，β=20°~24°。

而惯性振动输送机的K一般取K=4~6，此处我们取K=5，查得β=30°。

[2]

3.抛掷指数的选择

抛掷指数是振动加速度的最大值在槽底法向的分量与重力加速度的在槽底法向分量的比值。

当D>1时，即4π2f2sinβ>gcosα时，物料做抛掷运动。

同时考虑无聊被抛起的时间不得超过振动周期，以免物料与槽底面冲击过大和尽量减小功率消耗，一般D应限制在1.4~3.3之间，可按下式计算：

此数值在上面限制范围内，说明抛掷指数是适宜的。

抛掷时间与振动周期之比为N，由D、K，N取0.82。

[3]

4.振幅的计算

由公式：

k=4π2f2A/g，得：

A=kg/4π2f2

=kg/ω2

=5×9.8/100.48

=5.35mm

5.物料的平均速度

1）物料的理论平均速度

当D=2~3.3时，物料的平均速度可按下式计算：

=（0.86~0.95）

=2.5时,

=0.93

得：

=0.93

=0.93×100.48×5.35×cos30°

=0.43m/s

2）实际水平速度

=1.0×0.95×0.9×1.05×0.43

=0.39m/s

Ca：

倾角影响系数。

查得：

Ca=1.0

Ch：

物料层厚度影响系数。

查得：

Ch=0.95

Cm：

物料性质影响系数。

查得：

Cm=0.9

Cw：

滑行运动影响系数。

查得：

Cw=1.05

4.2输料槽的设计

大多数槽体是压制而成的，一般采用Q235-A钢板或采用16Mn低合金钢板，钢板厚度3-8mm，为了减少惯性力，应尽量减轻槽体的重量。

设计规格参数如下：

总长度L根据输送要求L=30米，为便于制造，运输和钢板尺寸及弯板机的生产能力。

槽体制成每段6米的长度。

槽宽B：

根据用户要求B=600mm

槽深H：

为满足各种宽度物料的输送取H=200mm

1.上质体质量m1与下质体质量m2的计算

（1）物料槽体的质量m2′：

经粗略估算m2′=1750kg

（2）物料的结合质量m2〞

槽体中物料质量

mm=QL/（3600×V）

∵Q=30×1000kg/h，L=30m,V=0.39m/s

∴mm=30×1000×30/（3600×0.39）=641kg

结合质量系数Km，取Km=0.17

结合质量m2〞

m2〞=Km×mm=0.17×641=109kg

（3）上质体参振质量

m2=m2′+m2〞=1750+109=1859kg

（4）下质体质量m1

m1=2m2=1859×2=3718kg

2.诱导质量的计算：

诱导质量是将双质体系统转化为单质体系统的当量质量

m=m1m2/（m1+m2）

=3718×1859/（3718+1859）

=1239kg

3.主振系统的频率比Z：

为了使振动输送机体有较稳定的振幅及传动部件承受较小的作用力，频率比一般在大于1的范围内选取，该机取Zof=1.2,则系统的高阶固有频率ωog应为：

ωog=ω/Zof=100.48/1.2=83.73s-1

4.3弹簧系统计算分析

1.主振弹簧的刚度：

k2=1/Zof2（ωog2m）

=1/1.22×1239×83.732

=6032134N/m

则单个弹簧的刚度为：

K2’=k2/n=100535N/m

2.减振弹簧的频率比：

通常取Zog=4-5，该振动输送机Zog=4

3.减振系统弹簧刚度：

由于主振弹簧刚度较大，可以将m1、m2视为一个单质体M，即：

M=m1+m2=3718+1859=5577kg

故减振弹簧在主振方向上的刚度为：

K1=1/Zof2（Mω2）

=1/42×（5577×100.482）

=3519167N/m

4.校核计算机主振系统固有频率

由前面公式得：

P122=（a+c）/2±√[（a-c）/2]2+bc

其中，

a=（k1+k2）/m1=（6032134+3519167）/3718=2569

b=k2/m1=3519167/3718=947=947

c=k2/m2=3519167/1859=1893

∴P122=2231±1381

∴P1=60，P2=33　

∴主振频率为：

Zof=ω/P1=1.6

5.振幅的计算

采用激振力F=4000N，应用公式（12），振幅

B1=（c-ω2）f1/Δ（ω2）

B2=cf1/Δ（ω2）

C=1893,ω=100.48

f1=p/m1=Fcosβ/m1

=4000×cos30°/3718

=9.3

Δ（ω2）=（p12-ω2）（p22-ω2）

=（602-100.482）（332-100.482）

=58509472

故下质体m1的振幅为：

B1=（c-w2）f