本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，主要涉及曲柄滑塊領(lǐng)域，尤其涉及一種基于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的振動聲混合平臺設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

混合是利用混合裝置使性質(zhì)或形態(tài)不同、呈分區(qū)狀態(tài)的物料達(dá)到隨機(jī)分布的均勻狀態(tài)，可以分為固-固混合、液-液混合、氣-液混合和固-液混合。

工業(yè)中常用的混合工藝有攪拌混合、捏合機(jī)混合、滾筒混合及超聲混合等。隨著化工材料的發(fā)展，特別是納米材料的應(yīng)用，現(xiàn)有混合工藝在混合均勻性上具有一定的局限性。由于納米材料的比表面積大，比表面能高，極易產(chǎn)生自發(fā)凝并、團(tuán)聚現(xiàn)象，而傳統(tǒng)葉片或螺桿元件式混合工藝的混合區(qū)域主要集中在混合元件的周圍，且混合尺度較大，無法將被包裹的納米材料顆粒均勻分散在被混物料體系中，導(dǎo)致混合難以實(shí)現(xiàn)混勻化。此外，傳統(tǒng)捏合機(jī)的鍋壁、鍋底等位置與捏合槳之間存在間隙和死角，發(fā)生固料的沉積，混合效率不高、效果不佳，特別是對于某些含量很少(0.1％)的功能組分，其會在固相體系間局部裹挾，很難實(shí)現(xiàn)均勻分散。

一種振動聲混合技術(shù)，或者叫共振聲混合技術(shù)隨著化工材料的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。其主要原理是使被混物料處于大加速度條件下，物料一方面在振動的作用下發(fā)生質(zhì)量交換，同時由混合容器底部傳遞的振動聲波在物料內(nèi)部發(fā)生傳播和衰減，進(jìn)行物料內(nèi)部的微觀質(zhì)量交換?；谡駝勇暤幕旌瞎に嚲哂谢旌蠠o死角、無混合槳葉的介入、混合尺度小等優(yōu)勢而被廣泛研究。

產(chǎn)生振動聲混合的重要條件是被混物料所受的大加速度。目前，常用來產(chǎn)生加速度的設(shè)備主要有偏心慣性激振器、電磁激振器、電機(jī)-彈簧激振器等。面對振動聲混合技術(shù)的發(fā)展，提供更多種類振動聲混合平臺的設(shè)計(jì)方法對于該技術(shù)應(yīng)用于不同場合和工業(yè)化普及至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上背景中所述振動聲混合的優(yōu)勢以及加速度對混合的關(guān)鍵作用，本發(fā)明的目的在于提供一種基于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的振動聲混合平臺設(shè)計(jì)方法，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)基本原理的應(yīng)用，振動聲混合平臺的負(fù)載需求、加速度需求等進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)和力學(xué)的設(shè)計(jì)選型，實(shí)現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、可靠性強(qiáng)的大負(fù)載、高加速度混合平臺的設(shè)計(jì)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的振動聲混合平臺設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

A、確定平臺負(fù)載：確定平臺負(fù)載m，0kg<m≤50kg；

B、確定平臺最大加速度：確定平臺所需達(dá)到的最大加速度a_max，10g≤a_max≤200g，其中g(shù)為重力加速度；

C、確定平臺振動頻率：平臺振動頻率為f，0Hz<f≤200Hz；

D、確定曲柄旋轉(zhuǎn)角頻率：曲柄角頻率為ω，ω＝2πf；

E、確定連桿比：連桿比為λ，0.1≤λ≤0.6；

F、確定曲柄半徑：曲柄半徑為R；

對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作過程中滑塊加速度大小可以表示為：

a＝Rω²(cosα+λcos2α)，其中α為曲柄擺角；

1)λ≤0.25時，加速度a有兩個極值：其中α＝kπ(π為奇數(shù))時，有極小值，為a_min＝Rω²(λ-1)；其中α＝2kπ(π為整數(shù))時，有極大值，為a_max＝Rω²(λ+1)；

2)λ>0.25時，加速度a有三個極值：其中α＝kπ(π為奇數(shù))時，有極大值，為Rω²(λ-1)；其中α＝2kπ(π為整數(shù))時，有極大值，為Rω²(λ+1)；其中α＝2kπ+arccos(-1/(4λ))(π為整數(shù))時，有極小值，為Rω²(λ+1/(8λ))；

對于加速度a，正負(fù)號代表方向，絕對值代表大小，設(shè)計(jì)中確定平臺所需達(dá)到的最大加速度a_max指加速度的大小為a_max；

因此，根據(jù)amax＝Rω2(λ+1)以及步驟B、步驟D、步驟E確定的amax、ω、λ可以求得曲柄半徑R。

G、確定連桿長度：連桿長度為L，L＝R/λ；

H、確定驅(qū)動電機(jī)數(shù)量及分布：驅(qū)動電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，數(shù)量為N，2≤N≤6，呈中心對稱分布；

I、確定電機(jī)扭矩：電機(jī)扭矩為M；電機(jī)扭矩可根據(jù)以下步驟確定：

滑塊有效壓力F＝m×g+m×a，連桿最大壓力F_l＝F/cosβ，其中β為連桿擺角，驅(qū)動混合平臺所需的力矩M＝F_l×sin(α+β)×R＝(F/cosβ)×sin(α+β)×R＝m×R×(g+Rω²(cosα+λcos2α))×(sinα+λsinαcosα/(1-λ²sin²α)^0.5)；通過數(shù)值解求得扭矩最大值M_max，每臺電機(jī)所需扭矩M＝M_max/N。考慮到計(jì)算過程中未將平臺及各零件自身質(zhì)量計(jì)入，電機(jī)扭矩需乘以一個安全系數(shù)κ，κ＝1.5-3。

J、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：每臺電機(jī)均配備控制器，所有控制器連接至一臺多軸運(yùn)動控制器，多軸運(yùn)動控制器連接上位機(jī)；上位機(jī)集成最大加速度amax隨時間t變化的混合程序。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：(1)提供了一種新型振動聲混合平臺的設(shè)計(jì)方法；(2)該設(shè)計(jì)方法能夠針對具體被混物料及混合量級確定設(shè)備尺寸及控制程序；(2)該方法結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、可靠性高，頻率和加速度的控制不受負(fù)載變化的影響。

附圖說明

圖1為一種基于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的振動聲混合平臺設(shè)計(jì)所依據(jù)方法的基本原理圖。

圖2為驅(qū)動振動聲混合平臺所需扭矩隨曲柄擺角變化示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合發(fā)明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

圖1給出設(shè)計(jì)方法過程的基本原理以及設(shè)計(jì)過程所用符號直觀意義，在圖1的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法的詳述。

一種基于對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的振動聲混合平臺設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

A、確定平臺振動頻率：確定平臺負(fù)載m，0kg<m≤50kg；

B、確定平臺最大加速度：確定平臺所需達(dá)到的最大加速度a_max，10g≤a_max≤200g，其中g(shù)為重力加速度；

C、確定平臺振動頻率：平臺振動頻率為f，0Hz<f≤200Hz；

D、確定曲柄旋轉(zhuǎn)角頻率：曲柄角頻率為ω，ω＝2πf；

E、確定連桿比：連桿比為λ，0.1≤λ≤0.6；

F、確定曲柄半徑：曲柄半徑為R；

對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作過程中滑塊加速度大小可以表示為：

a＝Rω²(cosα+λcos2α)，其中α為曲柄擺角；

1)λ≤0.25時，加速度a有兩個極值：其中α＝kπ(π為奇數(shù))時，有極小值，為a_min＝Rω²(λ-1)；其中α＝2kπ(π為整數(shù))時，有極大值，為a_max＝Rω²(λ+1)；

2)λ>0.25時，加速度a有三個極值：其中α＝kπ(π為奇數(shù))時，有極大值，為Rω²(λ-1)；其中α＝2kπ(π為整數(shù))時，有極大值，為Rω²(λ+1)；其中α＝2kπ+arccos(-1/(4λ))(π為整數(shù))時，有極小值，為Rω²(λ+1/(8λ))；

對于加速度a，正負(fù)號代表方向，絕對值代表大小，設(shè)計(jì)中確定平臺所需達(dá)到的最大加速度a_max指加速度的大小為a_max；

因此，根據(jù)amax＝Rω2(λ+1)以及步驟B、步驟D、步驟E確定的amax、ω、λ可以求得曲柄半徑R。

G、確定連桿長度：連桿長度為L，L＝R/λ；

H、確定驅(qū)動電機(jī)數(shù)量及分布：驅(qū)動電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，數(shù)量為N，2≤N≤6，呈中心對稱分布；對于控制精度要求較低的場合，可以使用步進(jìn)電機(jī)，通過上位機(jī)的混合程序發(fā)出控制指令的模擬信號，通過多軸運(yùn)動控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)所需的加速度要求。由于步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)控制，工作過程中可能出現(xiàn)丟頻現(xiàn)象，造成不同電機(jī)之間產(chǎn)生相位差，造成平臺的傾斜。因此，對于精度要求較高的控制場所，采用具有閉環(huán)控制功能的伺服電機(jī)。

I、確定電機(jī)扭矩：電機(jī)扭矩為M；電機(jī)扭矩可根據(jù)以下步驟確定：

滑塊有效壓力F＝m×g+m×a，連桿最大壓力F_l＝F/cosβ，其中β為連桿擺動角，驅(qū)動混合平臺所需的力矩M＝F_l×sin(α+β)×R＝(F/cosβ)×sin(α+β)×R＝m×R×(g+Rω²(cosα+λcos2α))×(sinα+λsinαcosα/(1-λ²sin²α)^0.5)；通過數(shù)值解求得扭矩最大值M_max，每臺電機(jī)所需扭矩M＝M_max/N?？紤]到計(jì)算過程中未將平臺及各零件自身質(zhì)量計(jì)入，電機(jī)扭矩需乘以一個安全系數(shù)κ，κ＝1.5-3。

圖2為驅(qū)動振動聲混合平臺所需扭矩隨曲柄擺角變化示意圖，圖中扭矩最大值M_max為258.1Nm，假設(shè)所采用驅(qū)動電機(jī)數(shù)量為四個，則每個電機(jī)所需提供的最大扭矩為64.5Nm。

J、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：每臺電機(jī)均配備控制器，所有控制器連接至一臺多軸運(yùn)動控制器，多軸運(yùn)動控制器連接上位機(jī)；上位機(jī)集成最大加速度a_max隨時間t變化的混合程序。

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施例，凡在本申請技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的同等變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例設(shè)計(jì)負(fù)載m為50kg，最大加速度a_max為200g，平臺振動頻率f為100Hz,曲柄角頻率為ω＝2πf＝628rad/s，連桿比λ為0.1。將a_max、ω、λ代入公式a_max＝Rω²(λ+1)求得曲柄半徑R為4.6mm；進(jìn)而求得連桿長度L＝R/λ＝46mm。選擇電機(jī)數(shù)量N＝6個，通過數(shù)值求解求得最大扭矩M_max＝224Nm，進(jìn)而求得每臺電機(jī)所需提供最大扭矩為37Nm。

實(shí)施例2

本實(shí)施例設(shè)計(jì)負(fù)載m為50kg，最大加速度a_max為200g，平臺振動頻率f為200Hz,曲柄角頻率為ω＝2πf＝1256rad/s，連桿比λ為0.1。將a_max、ω、λ代入公式a_max＝Rω²(λ+1)求得曲柄半徑R為1.2mm；進(jìn)而求得連桿長度L＝R/λ＝12mm。選擇電機(jī)數(shù)量N＝2個，通過數(shù)值求解求得最大扭矩M_max＝62Nm，進(jìn)而求得每臺電機(jī)所需提供最大扭矩為31Nm。

實(shí)施例3

本實(shí)施例設(shè)計(jì)負(fù)載m為10kg，最大加速度a_max為100g，平臺振動頻率f為20Hz,曲柄角頻率為ω＝2πf＝125.6rad/s，連桿比λ為0.6。將a_max、ω、λ代入公式a_max＝Rω²(λ+1)求得曲柄半徑R為40mm；進(jìn)而求得連桿長度L＝R/λ＝66mm。選擇電機(jī)數(shù)量N＝4個，通過數(shù)值求解求得最大扭矩M_max＝230Nm，進(jìn)而求得每臺電機(jī)所需提供最大扭矩為58Nm。

實(shí)施例4

本實(shí)施例設(shè)計(jì)負(fù)載m為10kg，最大加速度a_max為10g，平臺振動頻率f為5Hz,曲柄角頻率為ω＝2πf＝31.4/s，連桿比λ為0.3。將a_max、ω、λ代入公式a_max＝Rω²(λ+1)求得曲柄半徑R為78mm；進(jìn)而求得連桿長度L＝R/λ＝260mm。選擇電機(jī)數(shù)量N＝3個，通過數(shù)值求解求得最大扭矩M_max＝45Nm，進(jìn)而求得每臺電機(jī)所需提供最大扭矩為15Nm。