仿生機(jī)械擺動(dòng)篩設(shè)計(jì)

徐榮友 ， 苗洪敏

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州啟達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所，江蘇 揚(yáng)州 225000）

在物料分離領(lǐng)域經(jīng)常使用振動(dòng)原理作為篩體的激振源，振動(dòng)篩利用高速振動(dòng)的原理對(duì)物料進(jìn)行篩分，對(duì)機(jī)器的破壞性很大，長(zhǎng)時(shí)間容易引起變形、篩網(wǎng)損壞。針對(duì)這一缺點(diǎn)，擺動(dòng)篩的理念逐漸走進(jìn)人們的視野，擺動(dòng)篩有輕微的橢圓擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，無(wú)高速振動(dòng)，可以克服振動(dòng)篩的以上缺點(diǎn)。擺動(dòng)篩與振動(dòng)篩相比采用了仿人工篩分原理，物料在篩面做非線性的三維運(yùn)動(dòng)，既有圓周運(yùn)動(dòng)，又有上拋弧運(yùn)動(dòng)，而振動(dòng)篩是采用雙電機(jī)或直立式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，物料運(yùn)動(dòng)軌跡是一臺(tái)直線或者水平、傾斜、垂直的三次元運(yùn)動(dòng)。擺動(dòng)篩由于采用了仿人工篩分并加設(shè)了清網(wǎng)裝置，所以更加適合質(zhì)地較粗或者篩分環(huán)境復(fù)雜的不規(guī)則或潮濕的物料，克服了普通振動(dòng)篩的堵網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。而振動(dòng)篩屬于非平衡破壞暴力運(yùn)動(dòng)，利用了振動(dòng)原理來(lái)篩分物料，所以有時(shí)還會(huì)破壞物料。擺動(dòng)篩的出現(xiàn)，改變了精細(xì)篩分領(lǐng)域的格局，徹底打破了振動(dòng)篩的統(tǒng)治局面，從根本上解決了振動(dòng)篩的缺點(diǎn)和不足。本文對(duì)仿生擺動(dòng)篩進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，有利于推動(dòng)物料分離領(lǐng)域仿生擺動(dòng)篩的進(jìn)一步發(fā)展[1-6]。

1 總體設(shè)計(jì)思路

本研究小組提出的仿生機(jī)械擺動(dòng)篩是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)且生產(chǎn)高效的新型物料分離機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)建立了人機(jī)交互模式，通過(guò)藍(lán)牙通信控制單片機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟停、調(diào)速控制。通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力傳遞，帶動(dòng)機(jī)械擺動(dòng)篩進(jìn)行仿生運(yùn)動(dòng)并分離篩選物料，可適應(yīng)工況復(fù)雜、物料直徑較大的待分離對(duì)象。本研究主要包括仿生機(jī)械擺動(dòng)篩的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿生推動(dòng)手臂設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)軸組件設(shè)計(jì)、推動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生擺動(dòng)篩整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，整體框架結(jié)構(gòu)由頂部框架1 和底部框架2 組成，局部由橫梁3、轉(zhuǎn)軸組件4、側(cè)網(wǎng)5、床體6、懸吊支架7 和仿生手臂9 連接構(gòu)成。橫梁連接固定在頂部框架上，轉(zhuǎn)軸組件與橫梁固定連接，懸吊支架的上端與轉(zhuǎn)軸組件固定連接，懸吊支架的底端與床體固定連接。懸吊支架與轉(zhuǎn)軸組件形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，仿生手臂設(shè)置在整體框架結(jié)構(gòu)的外側(cè)，仿生手臂與懸吊支架活動(dòng)連接；通過(guò)仿生手臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)床體的平穩(wěn)搖動(dòng)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿生推動(dòng)手臂設(shè)計(jì)

3.1 仿生手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生手臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，由立柱、安裝板、伺服電機(jī)、曲柄、連桿、導(dǎo)向滑塊和推桿連接構(gòu)成。立柱與頂部框架固定連接，安裝板固定設(shè)置在立柱的頂部，伺服電機(jī)連接設(shè)置在安裝板的底面，曲柄、連桿、導(dǎo)向滑塊和推桿連接設(shè)置在安裝板的頂面，曲柄由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接，推桿滑動(dòng)設(shè)置在導(dǎo)向滑塊內(nèi)，推桿的一頭與懸吊支架連接，推桿的另一頭通過(guò)連桿與曲柄連接。

圖2 仿生手臂結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 仿生手臂原理

由圖3仿生手臂原理示意圖可知，仿生手臂采用的是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將曲柄1的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為滑塊3的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，2 為連桿，4 為機(jī)架。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副為低副，各元件間為面接觸，構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡(jiǎn)單，加工方便，易于得到較高的制造精度，因此選用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為仿生手臂的基本形式。若已知各結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)、位置參數(shù)和原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即可完成對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的分析。

圖3 仿生手臂原理示意圖

3.3 仿生手臂運(yùn)動(dòng)特性分析

3.3.1 位置分析

為了對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，將各構(gòu)件表示為矢量，可寫(xiě)出各桿所構(gòu)成的封閉矢量方程。將各矢量分別向X軸和Y軸進(jìn)行投影，得：

求解得：

3.3.2 速度分析

將式（1）、（2）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得速度關(guān)系：

將式（3）、（4）用矩陣形式來(lái)表示，如下所示：

3.3.3 加速度分析

將式（3）、（4）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得加速度關(guān)系：

采用ANSYS Workbench 軟件對(duì)仿生手臂進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)仿生手臂工作過(guò)程中的位移、速度、變形量進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4 所示[7]。從圖4（a）、圖4（b）中可以看出，X軸方向所示的變形量最小，符合實(shí)際要求。從圖4（c）中可以看出，推桿的速度變化平緩，最高速度僅為0.1 m/s 左右，速度輕柔和舒緩，可以滿(mǎn)足嬰兒的睡眠要求。從圖4（d）中可以看出，在仿生手臂運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程中，只有X軸的位移發(fā)生變化，Y、Z軸方向的位移不發(fā)生變化，符合仿生手臂實(shí)際工作的位移變化。

圖4 仿生手臂ANSYS 剛體動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果圖

4 轉(zhuǎn)軸組件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)軸組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示，由連接板1、軸承座2、轉(zhuǎn)軸3、軸端支架4 和軸承8 連接構(gòu)成。兩個(gè)軸端支架與橫梁6 連接固定，兩個(gè)軸端支架的內(nèi)側(cè)面上設(shè)有中心孔5，軸承座、軸承、轉(zhuǎn)軸和連接板設(shè)置在兩個(gè)軸端支架之間，連接板設(shè)置在軸承座的下方，軸承固定設(shè)置在軸承座內(nèi)，轉(zhuǎn)軸固定在軸承內(nèi)部，轉(zhuǎn)軸的兩頭與軸端支架的中心孔配合連接。軸承的外圈與軸承座的內(nèi)圈過(guò)盈配合，軸承的內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸的外壁過(guò)盈配合，轉(zhuǎn)軸的兩頭與中心孔間隙配合。

圖5 轉(zhuǎn)軸組件結(jié)構(gòu)示意圖

5 推動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推桿與懸吊支架之間設(shè)有連接塊，連接塊的一端設(shè)有通孔，另一端設(shè)有卡槽，連接塊通過(guò)通孔套置在懸吊支架上，推桿的頭部設(shè)有卡塊，卡塊與卡槽插接連接并通過(guò)銷(xiāo)軸形成相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)仿生手臂的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)床體的平穩(wěn)搖動(dòng)，推動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 推動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

6 仿生手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿生手臂控制系統(tǒng)主要由HC-05 藍(lán)牙模塊、STC89C52RC 單片機(jī)、直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板L9110S兩路H 橋、XL4016 直流8 A 可調(diào)降壓模塊和控制電源等組成。本系統(tǒng)基本工作方式如下：在手機(jī)模擬串口發(fā)出指令，通過(guò)HC-05 藍(lán)牙模塊傳遞給STC89C52RC 單片機(jī)，控制28BYJ-48 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的快中慢調(diào)節(jié)。XL4016 直流8 A 可調(diào)降壓模塊采用XL4016 調(diào)壓芯片，配合100 A 雙整流橋+大儲(chǔ)能電感，對(duì)直流功率PWM 調(diào)壓；HC-05 藍(lán)牙模塊通過(guò)串口與51 單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)手機(jī)端的藍(lán)牙調(diào)試器App 發(fā)送控制信息（兩者之間的通信方式為串口通信，波特率設(shè)置為9 600），在App中設(shè)置五個(gè)鍵，分別用作啟、一擋速、二擋速、三擋速、停，按鍵按下去后會(huì)通過(guò)串口發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)值，51 單片機(jī)的SBUF 寄存器存儲(chǔ)接收到的值，然后對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理[8-10]。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本研究從仿生機(jī)械擺動(dòng)篩的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿生推動(dòng)手臂設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)軸組件設(shè)計(jì)、推動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等分別進(jìn)行探討，尤其是通過(guò)ANSYS 軟件對(duì)仿生機(jī)械手臂進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，求出仿生機(jī)械擺動(dòng)篩的尺寸參數(shù)最優(yōu)解，在保證動(dòng)力傳遞的同時(shí)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)和控制兩個(gè)大方向上分別進(jìn)行了相應(yīng)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了振動(dòng)篩的相關(guān)不足，提高了物料分離領(lǐng)域的工作效率，并克服了相關(guān)的復(fù)雜工況，為仿生擺動(dòng)篩相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)備的研發(fā)提供了參考。