1842_自定中心振動(dòng)篩設(shè)計(jì),自定中心振動(dòng)篩,設(shè)計(jì) 1機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng)文章來(lái)源: Dirk Osswald, Heinz W?rn. Department of Computer Science , Institute for Process Control and Robotics (IPR).,Engler-Bunte-Ring 8 - Building 40.28.摘要: 最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機(jī)械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)了， 多種方法應(yīng)用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機(jī)械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機(jī)械手具備特殊的運(yùn)動(dòng)能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)做更復(fù)雜、更精確的操作變得可能。這些復(fù)雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機(jī)械手的一般設(shè)計(jì)方法，同時(shí)給出了此類(lèi)機(jī)械手的一個(gè)示例，如卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ。本文末介紹了一些新的構(gòu)想，如利用液體驅(qū)動(dòng)器為類(lèi)人型機(jī)器人設(shè)計(jì)一個(gè)全新的機(jī)械手。關(guān)鍵詞：多指機(jī)械手；機(jī)器人手；精操作；機(jī)械系統(tǒng)；控制系統(tǒng)1. 引言2001年 6月在德國(guó)卡爾斯魯厄開(kāi)展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開(kāi)發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類(lèi)合作和互動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這些機(jī)器人系統(tǒng)是為了能夠在非專(zhuān)業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時(shí)，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強(qiáng)的靈活性只能通過(guò)一個(gè)適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來(lái)獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)器人手。上文提到的研究項(xiàng)目，就是要制造一個(gè)人形機(jī)器人，此機(jī)器人將裝備這種機(jī)器人手系統(tǒng)。這個(gè)新手將由兩個(gè)機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的 IPR（過(guò)程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和 c（計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個(gè)組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，但是稍有不同的觀點(diǎn)。IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖 1所示），是一個(gè)四指相互獨(dú)立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI 制造的手（如圖 17所示）是作為殘疾人的假肢。2圖 1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ 圖 2. IAI開(kāi)發(fā)的流體手2. 機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu)一個(gè)機(jī)器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。我們將對(duì)這兩大子系統(tǒng)的問(wèn)題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。3. 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)將描述這個(gè)手看起來(lái)如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動(dòng)器（如電動(dòng)機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將對(duì)機(jī)械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類(lèi)型的物體以及能對(duì)被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人手的時(shí)候，必須確定三個(gè)基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。為了能夠在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得 6個(gè)自由度（3 個(gè)平移和 3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度），每個(gè)手指必須具備 3個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過(guò)。但是，為了能夠重抓一個(gè)物件而無(wú)需將它先釋放再拾取的話，至少需要 4根手指。要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類(lèi)型。擬人化的安置方式很容易從人手3到機(jī)器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個(gè)手指不同的尺寸和不對(duì)稱的安置位置將增加加工費(fèi)用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)手指都必須分別加以控制。對(duì)于相同手指的對(duì)稱布置，常采用非擬人化方法。因?yàn)橹恍杓庸ず蜆?gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時(shí)也可是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化。3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)手的靈活度也有很大的影響，因?yàn)樗鼪Q定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度。機(jī)械運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)方面需加以考慮：運(yùn)動(dòng)來(lái)源和運(yùn)動(dòng)方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)[3]中說(shuō)可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，或者，正如大部分情況一樣使用電動(dòng)機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器（如電機(jī)）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個(gè)運(yùn)動(dòng)必須由驅(qū)動(dòng)器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點(diǎn)處）轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)。有幾種不同的方法可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)方式，如使用鍵、傳動(dòng)帶以及活動(dòng)軸。使用這種間接驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時(shí)也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因?yàn)槊扛种傅牟煌P(guān)節(jié)常常是機(jī)械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨(dú)立控制。由于具有這些缺點(diǎn)，因此小型化的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。3.3 傳感系統(tǒng)機(jī)器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對(duì)手指或被抓物體建立一個(gè)閉環(huán)控制是很必要的。在機(jī)器手中使用了 3種類(lèi)型的傳感器：1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會(huì)打破它。2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺(jué)信息可在抓取過(guò)程中及時(shí)確定與物體第一次接觸的位置點(diǎn)，同時(shí)也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺(jué)到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測(cè)是否滑落。4根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器或直接在關(guān)節(jié)處出測(cè)量。例如，如在電動(dòng)機(jī)和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機(jī)軸上的一個(gè)角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來(lái)測(cè)量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機(jī)械系統(tǒng)為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由 4根手指組成，且每根手指由 3個(gè)相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計(jì)該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖 3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個(gè)相同手指，將它們作對(duì)稱、非擬人化配置，且每個(gè)手指都能旋轉(zhuǎn) 90°（圖 4所示）。鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計(jì)中得到的經(jīng)驗(yàn)，比如因傳動(dòng)帶而導(dǎo)致的機(jī)械問(wèn)題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問(wèn)題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計(jì)決策。每根手指的關(guān)節(jié) 2和關(guān)節(jié) 3之間的直流電機(jī)被整合到手指前部肢體中（圖 5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機(jī)軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時(shí)可作為一個(gè)精度很高的位置狀態(tài)傳感器。圖 3.工業(yè)機(jī)器人上的 KDHⅡ 圖 4. KDHⅡ的頂視圖 為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個(gè)六維力扭矩傳感器（圖 6所示）。這個(gè)傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個(gè)球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時(shí)也能抓取 3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測(cè)量 X、Y 和 Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3 個(gè)共線的激光三角測(cè)量傳感器被安置在 KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因?yàn)橛?3個(gè)這樣的傳感器，因此不僅可以測(cè)量 3單點(diǎn)之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測(cè)出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率5為 1kHz，它能檢測(cè)和避免物體的滑落。圖 5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖 6. 帶應(yīng)變計(jì)量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器4. 控制系統(tǒng)機(jī)器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實(shí)際利用，這些技能都是由機(jī)械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計(jì)算機(jī)即硬件和控制算法即軟件。控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個(gè)的條件：1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有 9個(gè)自由度的低級(jí)手，其驅(qū)動(dòng)器至少需要 9路模擬輸出端口，且要有 9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個(gè)手指上的力傳感器、觸覺(jué)傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號(hào)幾倍。2. 需具備對(duì)外部事件快速實(shí)時(shí)反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測(cè)到物體滑落時(shí)，能立即采取相應(yīng)的措施。3. 需具備較高的計(jì)算能力以應(yīng)對(duì)一些不同的任務(wù)。如可以對(duì)多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)，若沒(méi)有的話，很多的干擾信號(hào)將會(huì)干擾傳感器信號(hào)。4.1 控制硬件為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個(gè)專(zhuān)門(mén)的處理器中。如可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計(jì)算能力，且需要一個(gè)靈活實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。這可以通過(guò) PC機(jī)輕易地解決。6因此，控制硬件常由一個(gè)非均勻的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器。不同的計(jì)算單元?jiǎng)t通過(guò)一個(gè)通信系統(tǒng)連接起來(lái)，比如總線系統(tǒng)。4.2 控制軟件機(jī)器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對(duì)要對(duì)手指進(jìn)行實(shí)時(shí)及平行控制，同時(shí)還要計(jì)劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問(wèn)題的復(fù)雜性，就有必要將此問(wèn)題分成幾個(gè)子問(wèn)題來(lái)處理。另一方面涉及軟件的開(kāi)發(fā)。機(jī)器人手其實(shí)是一個(gè)研究項(xiàng)目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強(qiáng)大和靈活。這些只能使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機(jī)械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過(guò)了修剪，以滿足機(jī)械手的特殊控制要求。4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng)如在 4.1節(jié)中所說(shuō)，對(duì)于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖 7所示）。一個(gè)微控制器分別控制一個(gè)手指的驅(qū)動(dòng)器和傳感器，另外一個(gè)微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖 7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動(dòng)器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)連在一起的。這個(gè)主控計(jì)算機(jī)（圖 7、圖 8中的灰色方塊）是由六臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)并行計(jì)算機(jī)。這些電腦都被排列在一個(gè)二維平面。相鄰電腦模塊（一臺(tái)電腦最多有 8個(gè)相鄰模塊）使用雙端口 RAM進(jìn)行快速通信（圖 7中暗灰色方塊所示）。一臺(tái)電腦用于控制一個(gè)手指。另一臺(tái)用于控制物體狀態(tài)傳感器及計(jì)算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周?chē)?。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)。控制軟件的結(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖 9所示。7圖 7. KDH II的控制硬件構(gòu)架 圖 8.控制 KDH II的平行主計(jì)算機(jī) 一個(gè)關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個(gè)最高層次的網(wǎng)上計(jì)劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機(jī)器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標(biāo)路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點(diǎn)） 。現(xiàn)在知道了物體的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力部分。如果一個(gè)物體被抓取了，那么其手指的運(yùn)動(dòng)路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個(gè)控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個(gè)手指沒(méi)有跟物體接觸，那么它的移動(dòng)路徑將會(huì)直接傳遞給手控制器。這個(gè)手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運(yùn)動(dòng)。這些在手指?jìng)鞲衅鞯膸椭掠址催^(guò)來(lái)驅(qū)動(dòng)手指驅(qū)動(dòng)器。圖 9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng)5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個(gè)要求操作問(wèn)題。一個(gè)問(wèn)題是在網(wǎng)上對(duì)處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個(gè)問(wèn)題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過(guò)重抓才能實(shí)現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)?fù)雜任務(wù)的操作能力。5.1 物體姿態(tài)控制8這個(gè)物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務(wù)必須在實(shí)時(shí)條件通過(guò)在線獲得，盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動(dòng)過(guò)程中，球形指尖在被抓物體上的滾動(dòng)。這種狀況如圖 10、圖 11所示。這將導(dǎo)致物體的不必要的額外移動(dòng)和傾斜。這些錯(cuò)誤的物體姿勢(shì)很難預(yù)先估計(jì)。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯(cuò)誤。對(duì)于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來(lái)說(shuō)，其上的三個(gè)激光三角傳感器就是用來(lái)糾正此種錯(cuò)誤的。圖 12定量地說(shuō)明了圖 9中物體在沒(méi)有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在 X方向上隨時(shí)間推移的預(yù)期軌跡，而上圖顯示了物體實(shí)際的旋轉(zhuǎn)（傾斜）結(jié)果情況。因?yàn)閱⒂昧宋矬w狀態(tài)控制，圖 13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉(zhuǎn)保持基本恒定，這和期望的一樣。圖 10.因滾動(dòng)產(chǎn)生的額外位移 圖 12.沒(méi)有狀態(tài)控制的物體傾斜圖 11.因球形指尖在物體上的滾動(dòng)而產(chǎn)生 圖 13.物體狀態(tài)控制下減少的物體額外的不期望傾斜情況 傾斜情況物體狀態(tài)控制器對(duì)補(bǔ)償外界干擾也是十分必要的。比如，機(jī)器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導(dǎo)致物體的滑落。這更有可能導(dǎo)致被抓物體的損耗，9這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測(cè)出物體的滑落并迅速采取行動(dòng)以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對(duì)這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實(shí)驗(yàn)：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開(kāi)始滑落。在激光三角傳感器檢測(cè)滑落后，物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖 14和圖 15展示了此種實(shí)驗(yàn)的一個(gè)例子。尤其是圖 14，它顯示出物體滑落啟動(dòng)的相當(dāng)突然且相當(dāng)快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測(cè)和補(bǔ)償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是 X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開(kāi)始的期望值很快地相符。圖 14.滑落實(shí)驗(yàn)：X 方向的實(shí)際物體 圖 15.滑落實(shí)驗(yàn)：關(guān)于 Z軸的實(shí)際位置 物體方向5.2 重抓雖然卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個(gè)理想的對(duì)象操縱。這源于這樣一個(gè)事實(shí)：手指相對(duì)于正常的工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱?？尚胁僮鞯臈l件是所有的接觸點(diǎn)必須長(zhǎng)期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個(gè)叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當(dāng)一個(gè)接觸點(diǎn)到達(dá)了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時(shí)，這個(gè)手指就必須從物體上脫離，并移到一個(gè)新的接觸位置。這必須是多于 3個(gè)手指的手才能使操作可靠。周期性的移動(dòng)這些手指，就能使任意的操作變得可行。關(guān)于此種操作有一個(gè)例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時(shí)，此時(shí)重抓動(dòng)作很有必要。圖 16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉(zhuǎn)一個(gè)螺帽狀物體時(shí)的一系列圖片。這個(gè)物體是繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)的。在 a到 c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個(gè)手指相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)才使物體旋轉(zhuǎn)。圖 d到圖 f顯示了一個(gè)手指的的重抓動(dòng)作。在 d圖中這個(gè)手指已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到其工作范圍的極限位置，這時(shí)所有手指的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)也被終止。左前方的手指脫離物體并10單獨(dú)移動(dòng)到另一個(gè)接觸點(diǎn)。在圖 f中這個(gè)手指重新跟物體接觸，另一個(gè)手指此時(shí)可以重新定位（沒(méi)有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時(shí)進(jìn)行幾個(gè)手指的重抓動(dòng)作。這可以加速重抓過(guò)程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說(shuō)螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖 17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)⒁粋€(gè)木柱從一個(gè)平方的基座孔內(nèi)拉出來(lái)的一系列圖片。圖 a到圖 b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時(shí)刻脫離物體并重新定位（圖 c到圖 e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個(gè)木柱被拉出，從而可進(jìn)行進(jìn)一步的操作（沒(méi)有顯示）。圖 16.利用重抓旋轉(zhuǎn)螺帽狀物體 圖 17.利用重抓從孔中拉出木柱6.結(jié)論為了使機(jī)械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標(biāo)準(zhǔn)是必需加以考慮的，正如文中所說(shuō)?？査刽敹蜢`巧手Ⅱ表現(xiàn)的非常成功。這種機(jī)械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復(fù)雜的精細(xì)操作（如重抓）也能實(shí)現(xiàn)。在人行機(jī)器人的特殊研究領(lǐng)域，基于一個(gè)不同的概念叫做流體化（圖 2所示）的基礎(chǔ)上，小型機(jī)械手也具有擬人化和機(jī)械化。這概念是由卡爾11斯魯厄研究中心的 IAI所提出的。但是，這個(gè)控制軟件的主要結(jié)構(gòu)可經(jīng)過(guò)相應(yīng)修改而為此種小型機(jī)械手所用。目 錄引言 ..................................................11.緒論 ................................................21.1 振動(dòng)篩的應(yīng)用 ......................................................................................................21.2 振動(dòng)篩的發(fā)展現(xiàn)狀 ..............................................................................................21.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 ..................................................................................................21.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 ..................................................................................................32.振動(dòng)篩設(shè)計(jì)的基本原理 ................................42.1 篩箱系統(tǒng)的自振頻率 ..........................................................................................42.2 篩箱的激振振幅 ..................................................................................................62.3 自定中心振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)條件 ..............................................................................93.自定中心振動(dòng)篩的參數(shù)選擇 ...........................114.自定中心振動(dòng)篩設(shè)計(jì)計(jì)算 .............................144.1 篩子尺寸的確定 ................................................................................................144.2 中心軸軸承的選擇及軸徑確定 ........................................................................154.3 激振重量的配置 ................................................................................................184.4 支承彈簧計(jì)算 ....................................................................................................204.5 激振電機(jī)選擇 ....................................................................................................244.6 皮帶傳動(dòng)計(jì)算 ....................................................................................................264.7 中心軸強(qiáng)度、剛度以及軸承壽命驗(yàn)算 ............................................................284.8 共振問(wèn)題 ............................................................................................................305.結(jié)論 ...............................................32參考文獻(xiàn) .............................................33致謝 .................................................34南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文1引言隨著社會(huì)的發(fā)展，振動(dòng)篩在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，它是利用振動(dòng)原理完成物料篩分的機(jī)械設(shè)備?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于采礦、冶金、水利、電力、輕工業(yè)、建筑、煤炭、石油化工、交通運(yùn)輸和鐵道等工業(yè)部門(mén)中，用于完成各種不同的工作，成為重要的篩分設(shè)備。另外，振動(dòng)篩是振動(dòng)設(shè)備中行業(yè)需求量較大、發(fā)展最快的設(shè)備，它利用孔狀或縫隙狀的篩網(wǎng)把大小不一的顆粒狀混合物料篩分出來(lái)，生產(chǎn)過(guò)程中不僅可以將物料篩分成成品；而且還可以為下道工序做分級(jí)準(zhǔn)備；甚至可以為破碎生產(chǎn)提供需要的物料顆粒。還可以用于脫泥、脫水等工作，以提高物料的精度，篩分出需要的物料。振動(dòng)篩設(shè)備質(zhì)量的優(yōu)劣和操作水平的高低，直接關(guān)系到生產(chǎn)效率的高低、物料精度的高低和節(jié)約能源的程度。因此，直接影響著企業(yè)的生產(chǎn)成不和經(jīng)濟(jì)效益。振動(dòng)篩以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的處理能力等有點(diǎn)在各種篩分設(shè)備中占有無(wú)法取代的地位。特別是近幾年，世界各國(guó)越來(lái)越重視振動(dòng)篩篩分技術(shù)的研究，而且在普通振動(dòng)篩的基礎(chǔ)上提出許多改進(jìn)措施，比如優(yōu)化振動(dòng)篩的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，設(shè)備朝著大型化發(fā)展，改變零部件材料等。并且現(xiàn)在企業(yè)都要求生產(chǎn)活動(dòng)的自動(dòng)化，智能化，因此就要求了振動(dòng)篩與其他的設(shè)備相互配套，如螺旋輸送機(jī)、振動(dòng)給料機(jī)等設(shè)備一起完成整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本，節(jié)約人力的目的。隨著振動(dòng)篩在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的作用也越來(lái)越重要。所以，發(fā)展量大面廣的優(yōu)良機(jī)型；探索新的篩分理論，發(fā)展新型篩分機(jī)；發(fā)展大型、重型、特重型篩分設(shè)備，限制生產(chǎn)并逐步淘汰生產(chǎn)效率低，設(shè)計(jì)陳舊的老產(chǎn)品，有著重要的意義。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文21.緒論1.1 振動(dòng)篩的應(yīng)用在鐵路線路大修工作中，由于無(wú)縫線路的鋪設(shè)，行車(chē)速度和列車(chē)密度的增高，傳統(tǒng)的“大揭蓋”的施工已不適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展需要，為此需對(duì)枕底清篩機(jī)進(jìn)行不斷研究、設(shè)計(jì)、制造和實(shí)驗(yàn)等工作。鐵路道床清篩機(jī)用的振動(dòng)篩，過(guò)去都采用固定中心振動(dòng)篩，如下圖（a ）所示。運(yùn)用結(jié)果表明，固定中心振動(dòng)篩的最大缺點(diǎn)是，篩箱側(cè)壁由于受到固定軸所給予的周期性反力作用，軸孔附近易于產(chǎn)生疲勞裂縫。為了避免上述缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，先后改用了自定中心振動(dòng)篩，如下圖（b） ，從而使該問(wèn)題得到有效解決。另外振動(dòng)篩還廣泛應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)中，其中主要應(yīng)用于煤炭、冶金、建材、化工等部門(mén)。圖（a ） 圖（b）1—篩箱側(cè)壁； 2—固定軸； 1—篩箱側(cè)壁； 2—浮動(dòng)軸；3—激振輪； 4—激振塊； 3—激振輪； 4—激振塊；5—支承彈簧； 6—篩面。 5—支承彈簧； 6—篩面。固定軸振動(dòng)篩與浮動(dòng)軸振動(dòng)篩比較1.2 振動(dòng)篩的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外從 16 世紀(jì)開(kāi)始篩分機(jī)械的研究與生產(chǎn)，在 18 世紀(jì)歐洲工業(yè)革命時(shí)期，篩分機(jī)械得到迅速發(fā)展，到本世紀(jì)，篩分機(jī)械發(fā)展到一個(gè)較高水平。德國(guó)申克公司可提供 260 多種篩分設(shè)備，STK 公司生產(chǎn)的篩分設(shè)備系列品種較全，技術(shù)水平較高，KHD 公司生產(chǎn) 200 多種篩分設(shè)備，通用化程度較高，KUP 公司和海因南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文3勒曼公司都研制了雙傾角的篩分設(shè)備。美國(guó) RNO 公司新研制 DF11 型雙頻率篩，采用了不同速度的激振器。DRK 公司研制成三路分配器給料，一臺(tái)高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。日本東海株式會(huì)社和 RXR 公司等合作研制了垂直料流篩，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和旋回運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來(lái)，對(duì)細(xì)料一次分級(jí)特別有效。英國(guó)為解決從濕原煤中篩出細(xì)粒末煤，研制成功旋流概率篩。前蘇聯(lián)研制了一種多用途兼有共振篩和直線振動(dòng)篩優(yōu)點(diǎn)的自同步直線振動(dòng)篩。1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀由于工業(yè)發(fā)展緩慢，基礎(chǔ)比較薄弱，理論研究和技術(shù)水平落后，我國(guó)篩分機(jī)械的發(fā)展是本世紀(jì)近 50 年的事情，大體上可分為三個(gè)階段。(1) 仿制階段：這期間，仿制了前蘇聯(lián)的 ГУП 系列圓振動(dòng)篩、BKT-11、BKT-OMZ 型搖動(dòng)篩；波蘭的 WK-15 圓振動(dòng)篩、CJM-21 型搖動(dòng)篩和 WP1、WP2 型吊式直線振動(dòng)篩。這些篩分機(jī)仿制成功，為我國(guó)篩分機(jī)械的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并培養(yǎng)了一批技術(shù)人員。(2) 自行研制階段：從 1966 年到 1980 年研制了一批性能優(yōu)良的新型篩分設(shè)備，1500 毫米×3000 毫米重型振動(dòng)篩及系列，15m2、30m2共振篩及系列，煤用單軸、雙軸振動(dòng)篩系列，YK 和 ZKB 自同步直線振動(dòng)篩系列，等厚、概率篩系列，冷熱礦篩系列。這些設(shè)備雖然存在著故障較多、壽命較短的問(wèn)題，但是它們的研制成功基本上滿足了國(guó)內(nèi)需要，標(biāo)志著我國(guó)篩分機(jī)走上了獨(dú)立發(fā)展的道路。(3) 提高階段：進(jìn)入改革開(kāi)放的 80 年代，我國(guó)篩分機(jī)也進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。成功研制了振動(dòng)概率篩系列、旋轉(zhuǎn)概率篩系列，完成了箱式激振器等厚篩系列、自同步重型等厚篩系列、重型冷熱礦篩系列、弛張篩、螺旋三段篩的研制，粉料直線振動(dòng)篩、琴弦振動(dòng)篩、旋流振動(dòng)篩、立式圓筒篩的研制也取得成功。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文42.振動(dòng)篩設(shè)計(jì)的基本原理2.1 篩箱系統(tǒng)的自振頻率所謂篩箱系統(tǒng)，乃是圖 2.1(a)所示振動(dòng)篩箱體和支承彈簧的統(tǒng)稱。為了便于分析，我們將此系統(tǒng)用圖 2.1(b)所示質(zhì)量—彈簧力學(xué)模型來(lái)代替。按等效條件，此模型中的質(zhì)量為：ｍ= （2—gGP?1）式中 G——激振塊重量；P——除激振塊外篩箱體全部重量（包括參振部分的石渣） ；G——重力加速度模型中彈簧的剛度 K 等于振動(dòng)篩支承彈簧的合成剛度（稱總剛度） 。（a）圖 2.1 振動(dòng)篩彈力模型在圖 2.1(b)、 （ 2—3）中，1—1 為彈簧的未受力位置；2—2 為質(zhì)量 m 的靜平衡位置。若 1—1 到 2—2 位置的變形量為 δ，則Kδ=mg （2—2）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文5圖中 3—3 位置，為質(zhì)量 m 的一般位置。將坐標(biāo)軸 x 原點(diǎn)放在靜平衡位置 2—2，質(zhì)量 m 在 3—3 位置的坐標(biāo)即為 x;速度和加速度就分別為 和 。這里 t 代表dt2x時(shí)間。質(zhì)量 m 在 3—3 位置的受力如圖 2.1(b)所示，其上 mg 為重力；K（δ+x）為彈簧的反力；R 為運(yùn)動(dòng)阻力，設(shè)此阻力是與運(yùn)動(dòng)速度大小的一次方成正比（比例常數(shù)為μ） ，則 R=μ 。在分析系統(tǒng)的自振頻率時(shí)，暫不考慮激振力的作用。這樣，按牛頓dtx第二定律可得m =mg-K(δ+x)- μ2tt將（2—2）式代入，經(jīng)移項(xiàng)簡(jiǎn)化得：+ . + x=0 （2—2dtxmtK3）這是一個(gè)二階常系數(shù)線性齊次微分方程。在 mgcos a南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文13由此得出激振輪每分鐘的轉(zhuǎn)速為：n>30 rg2cos??為了充分保證石渣能從篩面跳起，設(shè)計(jì)時(shí)一般取n=(45～54) （3—1）rg2cos這也就是篩箱激振頻率的估算式。在按（3—1）選取激振頻率時(shí)，不應(yīng)選得過(guò)低，否則小石塊和污土慣性力就太小，不易從篩孔中甩出去，從而影響篩分效率；也不宜過(guò)大，否則篩箱受到的動(dòng)載荷就太大，從而對(duì)篩箱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不利。在振動(dòng)篩設(shè)計(jì)中，采用機(jī)械指數(shù) k 來(lái)表示單位石渣或箱體重量的離心慣性力，k 的表達(dá)式為：（3—2）grk2??可見(jiàn)，機(jī)械指數(shù) k 乃是振幅 γ 和頻率 ω 的綜合指標(biāo)。由（3—1）式可算出：為了充分保證石渣能從篩面跳起，機(jī)械指數(shù)應(yīng)為：=（2.25～3.24）cosagr2??當(dāng)篩面傾角 a=15°時(shí)，由此可得 k=2.18～3.13；當(dāng) a=25°時(shí)，k=2.04～2.94。具體計(jì)算國(guó)產(chǎn)礦用各中自定中心振動(dòng)篩的機(jī)械指數(shù) k，得到 k 的最大值為7.55；最小值為 2.52，對(duì)細(xì)粒（粒度小于 40 毫米）篩分、生產(chǎn)能力?。啃r(shí) 30噸以內(nèi)）的設(shè)備重量較輕（不足 1 噸）的篩子，k 值偏高；而對(duì)中粒（粒度最大為100 毫米）篩分、生產(chǎn)能力較大（每小時(shí)處理 30 噸）和設(shè)備較重（3 噸多）的篩子，k 值偏低。對(duì)道床清篩機(jī)的振動(dòng)篩來(lái)說(shuō)，進(jìn)入篩子的最大粒度不超過(guò) 100 毫米，生產(chǎn)能力最小約為 150 噸/小時(shí)。因此建議將機(jī)械指數(shù) k 值取在 3～4 之間，小型清篩機(jī)的振動(dòng)篩取高限，大型清篩機(jī)的振動(dòng)篩取低限。綜合考慮，振動(dòng)篩的參數(shù)選擇如下：篩面傾角：a=24°篩箱振幅：γ=4 毫米激振頻率：由（3—1）式得南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文14n=(45～54) =（678～814）次/分42cos9810???暫取 n=800 次/分，對(duì)應(yīng) ω= 弧度/秒。8.3?驗(yàn)算機(jī)械指數(shù)，由式（3—1）得機(jī)械指數(shù)k= ??9.2810.4?此數(shù)接近 3，稍低。最后選定 840 次/分，對(duì)應(yīng) ω= 弧度/ 秒，k=3.15。8304???南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文154.自定中心振動(dòng)篩設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 篩子尺寸的確定篩子尺寸主要是根據(jù)“要保留石渣的最小尺寸”來(lái)確定。如按規(guī)定道床石渣的最小尺寸為 20 毫米，則篩孔尺寸就選 20~25 毫米之間，篩面傾角大的取高限，篩面傾角小的取低限。如每小時(shí)進(jìn)入篩子的石渣量較大，為了提高篩分效率，往往采用雙層篩，在確定上層篩面篩孔尺寸時(shí)，最好先對(duì)石渣粒度做一大致分析，定出中等粒度的石渣尺寸（所謂中等粒度，是指在這個(gè)粒度以上和以下的石渣量均約為50%）上層篩面的篩孔尺寸取與中等粒度石渣的尺寸相適應(yīng)，目的要使上層篩面篩下的石渣重量，約為總石渣量的一半。石渣層數(shù)和尺寸，主要根據(jù)：“單位時(shí)間進(jìn)入篩子的石渣量”來(lái)確定每小時(shí)清篩一百米以上的清篩機(jī)，如系采用自定中心振動(dòng)篩，一般為雙層為宜。篩面面積 S按下式計(jì)算：（米 2） （4—1）0qQS?式中 Q——每小時(shí)篩下的石渣量 噸/小時(shí)；q0——每小時(shí)每平方米篩面面積能篩下的石渣污土量 噸/米 2?小時(shí)。q0 是與篩孔尺寸有關(guān)的量，篩孔尺寸大，q 0 也大；反之亦然。設(shè)計(jì)時(shí)，q 0 與篩孔尺寸的關(guān)系，建議采用下表：表（4—1） q 0與篩孔尺寸關(guān)系 篩孔尺寸（mm） 20 30 40 50 60 70q0（t/m 2?h） 24 25 28 31 35 39考慮到篩分道渣的特點(diǎn)，在用于單層篩時(shí)直接用上表中的 q0；而用于雙層篩時(shí)上層篩用上表中的 q0，下層篩則將上表中的 q0 乘以系數(shù) 0.9。這樣，就可以用（4—1）式計(jì)算篩面面積。篩面的長(zhǎng)度與寬度，一般是在 2:1~2.5:1 之間。篩分效率要求高的取高值；單位時(shí)間清篩的石渣量高的取低值。設(shè)計(jì)技術(shù)要求為：清篩進(jìn)程為 200m/小時(shí)，石渣中 40mm 以上的石渣占總量的南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文1650%， 20mm 以下的占總量的 25%，每米道床的石渣體積為 1.5m3，石渣的緊方容重2.0t/m3。因此確定上層篩孔尺寸為 45mm，用 7 毫米的優(yōu)質(zhì)鋼絲編織而成；下層篩面篩孔尺寸為 22 毫米，用 5 毫米的優(yōu)質(zhì)鋼絲編織而成。篩面面積：每小時(shí)進(jìn)入篩子的石渣量為 200 米/小時(shí) ×1.5 米 3×2.0 噸/米 3=600噸/小時(shí)。上層篩面，Q=600×50%=300 噸/小時(shí)。按篩孔尺寸為 45 毫米，查表（4—1）經(jīng)估計(jì) q0=30 噸/米 2?小時(shí)，再由（ 4—1）式得上層篩面面積為 S=300/30=10.0 米 2。下層篩面，Q=600×25%=150 噸/小時(shí)，按篩孔尺寸為 22 毫米查表（4—1）得，=24.2 噸 /米 2?小時(shí)，再由（ 4—1）式得下層篩面面積為 S=150/（24.2×0.9）=6.9 米2。綜合以上計(jì)算，將上下層篩面面積均取成 8.4 米 2，并取篩面尺寸的長(zhǎng)×寬=2.0米×4.2 米。篩箱結(jié)構(gòu)尺寸：按篩面尺寸即可確定篩箱的長(zhǎng)度和寬度。上下層篩面間的高度，取下層篩面上的石渣最大尺寸的三倍，這里取 45 毫米×3=135 毫米；上層篩面以下上的篩箱高，取上層篩面上的石渣最大尺寸的三倍，這里取 80 毫米×3=240 毫米；估計(jì)中心軸套直徑為 400 毫米，這樣篩箱高取 800 毫米。按規(guī)定用某振動(dòng)篩的定型產(chǎn)品，取篩箱板厚為 12 毫米；八根橫梁，每根橫梁取直徑為 60 毫米、厚 8 毫米的無(wú)縫鋼管，即可確定篩箱的結(jié)構(gòu)尺寸。繪出篩箱各部分構(gòu)圖，而估計(jì)篩箱重量為2000 千克。4.2 中心軸軸承的選擇及軸徑確定為了完成這項(xiàng)內(nèi)容，需分以下三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行：1.計(jì)算篩箱箱體的重量：在篩箱結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)確定的條件下，組成篩箱的每個(gè)零部件尺寸及重量也就確定，這樣即可計(jì)算箱體總重。同時(shí)要附帶計(jì)算出箱體重心位置，因?yàn)樵诤Y箱側(cè)板上開(kāi)中心軸軸孔時(shí)，要求軸孔中心位置是在通過(guò)箱體重心的鉛垂線上，并按技術(shù)要求，左右偏差在 50 毫米的范圍內(nèi)。這是保證在振動(dòng)過(guò)程中箱體的穩(wěn)定和篩分效率的提高。2.計(jì)算參振石渣重量：要計(jì)算出參振石渣重量，必須先計(jì)算出篩面上平均全部石渣重量，為此必須先計(jì)算石渣在篩面上的流速。石渣在篩面上的流速，可近似的按如下公式計(jì)算：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文17υ=0.2kg （4—2）??????????1821/3?trn式中 υ——石渣在篩面上的流速 毫米/秒a——篩面傾角 度n——振動(dòng)頻率 次/分r——振幅 米g——重力加速度 g=9.81 米/秒 2kg——排出能力的修正系數(shù)，它與篩面上每米篩寬每小時(shí)通過(guò)的石渣量有關(guān)，具體關(guān)系見(jiàn)表（4—2）表（4—2） 排出能力修正系數(shù)（千克） q(t/m?h) 45 50 60 70 80 100 120 150 200 250 300kg 1.61 1.45 1.29 1.16 1.05 0.93 0.88 0.83 0.78 0.76 0.75當(dāng)石渣在篩面上的流速計(jì)算出來(lái)后，篩面上的石渣重量 Qm 即按下式計(jì)算Qm=Ql/υ （4—3）式中 Q——單位時(shí)間進(jìn)入篩子的石渣重量；l——篩面長(zhǎng)度；υ——石渣在篩面上的流速。實(shí)驗(yàn)證明：篩子在振動(dòng)時(shí)，停留在在篩面上的石渣重量約為篩面上全部石渣重量的 30%，即約有 70%的石渣跳動(dòng)在空間不隨篩子振動(dòng)。設(shè)篩面上全部石渣重為Qm，參振石渣重為 P1，則Qm=Ql/υ （4—4）式中 Q——單位時(shí)間進(jìn)入篩子的石渣重量；l——篩面長(zhǎng)度；υ——石渣在篩上的流速。由此計(jì)算出參振石渣重量。上層篩面：每小時(shí)每米寬篩面上通過(guò)的石渣量 q=600/2.0=300 噸/米·小時(shí)，按此查表（4—2） ，得 kg=0.75。篩面長(zhǎng)為 4.2 米。這樣，即可由（4—2） 、 （4—3） 、 （4—南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文184）三式，分別計(jì)算出上層篩面石渣流速 υ1、全部石渣重量 Qm1、參振石渣重量 P11各為：υ1= 0.2×0.75× =542 毫米/秒???????????82498054/32tgQm1=600×4.2/（3.6×542）=1.3 噸P11=1.3×30%=433 kg下層篩面：每小時(shí)每米寬篩面上通過(guò)的石渣量 q=（600×50%）/2.0=150 噸/米·小時(shí)，按此查表（4—2） ，得 kg=0.83。篩面長(zhǎng)為 4.2 米。這樣，即可由（4—2） 、（4—3） 、 （4—4）三式，分別得υ2= 0.2×0.83× =600 毫米/秒???????????182198054/32tQm2=300×4.2/（3.6×600）=0.61 噸P12=0.61×30%=200 kg全部參振石渣重量為：P 1= P11+ P12=433+200+633 kg，設(shè)計(jì)時(shí)圓整取 700 kg。3.選擇中心軸軸承和確定中心軸軸徑：以箱體重與參振石渣重相加，再乘以機(jī)械指數(shù) k，就得振動(dòng)時(shí)作用在兩側(cè)篩箱板軸孔的總的離心慣性力，這個(gè)力就是選擇軸承所必要的軸承載荷，再結(jié)合中心軸轉(zhuǎn)速按《機(jī)械零件》的原則，即可選擇中心軸軸承。軸承選定后，即可按軸承內(nèi)圈直徑確定出中心軸軸徑?？紤]到清篩機(jī)要在彎道作業(yè)，軸承需要有一定的承受軸向載荷的能力；而且兩側(cè)軸承孔的同心度又較差，軸承內(nèi)外圈軸線需要有一定的相對(duì)偏斜；另外為了減小軸孔單位面積上的壓力，這里采用了中寬系列的雙列向心球面滾子軸承。初估參振重量為 2000+700=2700 kg，作業(yè)時(shí)離心慣性力為 2700×3.15=8505 kg。兩側(cè)各用一相同軸承，故每個(gè)軸承所受的名義徑向載荷為：R=1/2×8505=4253 kg查冶金工業(yè)出版社 1972 年版《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 19—6，取動(dòng)負(fù)荷系數(shù) fd=2.5,顧實(shí)際徑向負(fù)荷為：Fr=fdR=2.5×4253=10633 kg而實(shí)際的軸向負(fù)荷 Fa=0，所以 Fa/Fr=0 l2,為使前后支承彈簧在工作過(guò)程中受力能接近相等；（二）在作業(yè)過(guò)程中，由于箱體實(shí)際上除作前述振動(dòng)外，還作繞中心軸的“點(diǎn)頭”振動(dòng)。箱體上除了中心軸而外的各點(diǎn)合成軌跡均為長(zhǎng)短軸不相同的橢圓。根據(jù)理論推導(dǎo)，當(dāng) 1> 2 時(shí)，入渣端篩面上各點(diǎn)的軌跡為長(zhǎng)軸水平、l短軸鉛垂的橢圓[見(jiàn)圖 4.2（b）]。由于入渣端篩面上的石渣層較厚，需要有教大的鉛垂抖動(dòng)幅度來(lái)松開(kāi)石渣層，所以，讓 1 > 2,旨在使清篩效率能進(jìn)一步提高。l整個(gè)篩箱有四個(gè)支座，每個(gè)支座由兩個(gè)相同的并聯(lián)的彈簧支承，也就是整個(gè)箱體由八個(gè)相同的并聯(lián)彈簧支承。按（2—22）式或（4—8）式，支承彈簧的總剛度應(yīng)為：K= =1310 kg/cm9162?每個(gè)支承彈簧的剛度為：K0=1310×1/8=164 kg/cm所以，在彈簧的計(jì)算中，要求彈簧剛度能近似的等于 164/厘米。以下計(jì)算所用符號(hào)，引用《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二十二章。彈簧最小工作負(fù)荷P1=（2000+2900 ）× 1/8=613 kg南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文24彈簧最大工作負(fù)荷P2=P1+Rp=613+0.5×164=695 kg彈簧的材料選用 60Si2Mn,查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 22—3，按一類(lèi)工作考慮，[τ]=4500 kg/cm2; τj=7500 kg/cm2;G=8×105kg/cm2。取 C= ，查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 22—6，K=1.26，所以彈簧絲直徑8.5?dD為：1.69cm?????4508.692.16.12?CKP取直徑 d=1.7cm=17 毫米；彈簧中徑 D2=5.8×17=100 毫米。驗(yàn)算許用極限負(fù)荷 P3：P3= kgKDdj 150706.1832 ?????由于 P3=1150 千克>1.25P 2=1.25 ×695=869 千克，所以滿足強(qiáng)度要求。彈簧在 P2作用下的變形為：F2=P2/K0=695/164=4.238 cm彈簧工作圈數(shù)為：n= 5???345324106987..DPGd總?cè)?shù) 1=n+1.5=6.5n驗(yàn)算彈簧剛度 P＇：P＇= cmkgnd/167508.34324???由于 P＇=167kg/cm 與要求的剛度 K0=164kg/cm 接近，所以剛度也滿足要求。彈簧圈間距δ=f 3= cn4.1567???節(jié)距 t=d+δ=1.7+1.4=3.1cm=31mm采用 YⅡ 型右旋彈簧，其自由高度為H=δn+(n 1-0.5)d=1.4×5+(6.5-0.5) ×1.7=17.2 cm驗(yàn)算穩(wěn)定性指標(biāo) b南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文25b= 72.102?DH由于 b=1.72GR=11.988 千克?米,滿足起動(dòng)要求，所以就選 J03-132M-4型電動(dòng)機(jī)為激振電機(jī)，功率為 11 千瓦；轉(zhuǎn)速為 1500 轉(zhuǎn)/分。4.6 皮帶傳動(dòng)計(jì)算皮帶計(jì)算包括：計(jì)算皮帶輪尺寸；選定皮帶類(lèi)型和確定皮帶的根數(shù)與長(zhǎng)度。要完成這一部分內(nèi)容，就需要知道皮帶輪的速比；皮帶輪的中心距以及單根皮帶所傳遞的功率。當(dāng)激振電機(jī)選定后，按裝在電機(jī)上的小皮帶輪轉(zhuǎn)速即確定。而大皮帶輪轉(zhuǎn)速是與激振頻率相等的，這是作為參數(shù)被選定的。所以，兩皮帶輪轉(zhuǎn)速比是已知的。在已知速比的條件下又知道大皮帶輪直徑，則小皮帶輪直徑就可算出。當(dāng)激振酊劑選定后，皮帶所要傳遞的功率即確定，按此就可以選擇皮帶類(lèi)型和確定皮帶根數(shù)。激振電機(jī)是安裝在清篩機(jī)的機(jī)架上，這樣，就基本確定了皮帶輪的中心距。按照兩個(gè)皮帶輪的直徑和中心距，可以計(jì)算皮帶長(zhǎng)度；根據(jù)皮帶類(lèi)型和計(jì)算長(zhǎng)度，就可以選定皮帶。由激振電機(jī)到激振輪是采用三角皮帶傳動(dòng)。計(jì)算及引用符號(hào)來(lái)自《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第十章。按前，大皮帶輪計(jì)算直徑 D2=560 毫米，而大皮帶輪轉(zhuǎn)速應(yīng)為 840 轉(zhuǎn)/分，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 1500 轉(zhuǎn)/分，故小皮帶輪計(jì)算直徑為：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文29= =314 毫米12nD?50846?大皮帶輪上的軸孔直徑為 60 毫米，但軸孔中心應(yīng)向激振塊對(duì)面偏離輪緣中心 5毫米；根據(jù) J03-132M-4 型電動(dòng)機(jī)查手冊(cè)，電動(dòng)機(jī)軸徑為 38 毫米，此即小皮帶輪軸孔直徑。皮帶速度用= =24.5 米/秒106??nDv?106534?比較適當(dāng)。三角皮帶的計(jì)算長(zhǎng)度：??ADAL?????422121?= ??035635602??=3579 毫米按傳遞功，查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 10—4 取 C 型帶輪；再按表 10—2，采用標(biāo)準(zhǔn)值 L=3594 毫米的皮帶。皮帶繞轉(zhuǎn)次數(shù)為：秒次 /8.63594210???LVU由于 U=6.8 次/秒<20 次/秒，所以不會(huì)造成皮帶壽命的顯著下降。皮帶實(shí)際中心距為： 毫 米1072102????????A安裝皮帶必需的 Amin=A-0.015L=1053 毫米補(bǔ)償皮帶伸長(zhǎng)的 Amax=A+0.03L=1215 毫米小皮帶輪包角為：а≈180o- = =166o???6012D???60173458三角皮帶根數(shù) Z 按下式計(jì)算：210KN?式中 N=11 千瓦；K 1=0.7（查表 10—6） ；K 2=0.95（查表 10—7） ；N 0=7.9 千瓦（查南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文30表 10—5） ，以上查表均引自《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》 。于是得到：1.295.07.???Z圓整取 Z=3，即采用三根 C3594 的三角皮帶。皮帶作用在軸上的拉力為：千 克086sin32sin0 ??SQ4.7 中心軸強(qiáng)度、剛度以及軸承壽命驗(yàn)算中心軸是連同激振輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，軸內(nèi)應(yīng)力基本上不作周期性交變，所以，中心軸只作靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。在篩箱內(nèi)部裝有中心軸的軸套，護(hù)套直徑稍大于月牙部分的直徑，驗(yàn)算中心軸剛度的目的，是在檢驗(yàn)它在動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生撓度后是否碰到他外層護(hù)套。道床清篩機(jī)每天凈作業(yè)時(shí)間不會(huì)超過(guò)三小時(shí)，每年按三百天作業(yè)計(jì)算，一年作業(yè)時(shí)間最多 1000 小時(shí)，所以軸承壽命取 4000～8000 小時(shí)也就足夠了。驗(yàn)算軸承壽命所用軸承載荷，應(yīng)該是中心軸強(qiáng)度計(jì)算中所求的最大軸承反力。將中心軸取出，其上下受力見(jiàn)圖 4.4：圖 4.4 中心軸受力圖P1——激振重 G1的離心力（ =1964 千克） ；gRGP21??P2——激振重 G1的離心力（ =7449 千克） ；22q——P2沿長(zhǎng)度 =0.51 米的分布力（q=14704 千克/米） ；l南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文31P3——激振重 G1的離心力與皮帶拉力和（P 3=P1+Q=2172 千克）由靜力平衡條件分別求得軸承反力：FA=5696 千克： F B=5939 千克并按彎矩概念求得：MA=-304420 千克?毫米= -0.3044 千克?厘米MB=-336660 千克 ?毫米= -0.3367 千克?厘米MC=531520 千克?毫米=0.5315 千克?厘米MD=355455 千克?毫米=0.3555 千克?厘米MX=531520+3732 -7.352x2=2692-14.704 =0, 得 =254 毫米，dX xMmax=644500+2692 254-2.46?2542=1118106 千克?毫米=1.118 105 千克?米按功率計(jì)算轉(zhuǎn)矩公式，求得電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)而作用在大皮帶輪上的轉(zhuǎn)矩為：M=975000?11 0.95/840=12448 千克?毫米=0.0124 ?105 千克?厘米所以動(dòng)力的輸入端（B 端）的扭矩為：Mn=M=0.0124 105 千克?厘米作出彎矩圖和扭矩圖如圖 4.4 所示，由圖可見(jiàn)，最大彎矩值為 Mmax=1118106 千克?厘米。按￠120 毫米等截面軸考慮，截面抗彎模量W= =170 厘米 332d?考慮到彎矩及扭矩基本上不是周期變化的，即使變動(dòng)，因其變動(dòng)量較小，所以只需驗(yàn)算此軸的靜力強(qiáng)度。軸的材料采用 45 號(hào)剛，強(qiáng)度極限 σb=6000 千克?厘米 2,查燃料工業(yè)出版社 1972 年出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 6—203，酌取其彎曲應(yīng)力[σ]=2000 千克/厘米 2。由于最大應(yīng)力σmax=Mmax/W=111810/170=658 千克/厘米 2 <2000 千克/厘米 2亦即 σmax <[σ],所以軸的強(qiáng)度是足夠的。實(shí)質(zhì)上此軸并非等截面，中間部分直徑為186 毫米，軸在這一部分的應(yīng)力最大值更大，可見(jiàn)，此軸強(qiáng)度是相當(dāng)高的。由此可以斷定，此軸中間部分的最大撓度肯定遠(yuǎn)小于軸與軸套間隙 10 毫米，因此可以不再南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文32驗(yàn)算此軸的剛度。由于最大軸承反力 FB=4854 千克，取動(dòng)荷系數(shù) fd=2.5,姑實(shí)際徑向負(fù)荷為 P=2.5 ?5939=14848 千克。查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 19—13，3264 型軸承的額定動(dòng)負(fù)荷C=58600 千克。軸的轉(zhuǎn)速為 840 轉(zhuǎn)/分，這樣，此軸承的壽命為L(zhǎng)h= 小時(shí)37512586041????????比原定的 5000 小時(shí)要少，但此清篩機(jī)可使用 4 年左右，壽命不算短。4.8 共振問(wèn)題共振問(wèn)題是振動(dòng)篩設(shè)計(jì)中的一個(gè)十分重要的問(wèn)題，如處理不當(dāng)，將會(huì)引起皮帶松脫、支承彈簧折斷、篩條折斷及車(chē)底架劇烈振動(dòng)等現(xiàn)象發(fā)生。所以在振動(dòng)篩設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要方面的共振問(wèn)題。1.箱體的共振問(wèn)題：前面談到，自定中心振動(dòng)篩一般都是在超篩箱系統(tǒng)共振條件下工作的，因此在“開(kāi)車(chē)”和“停車(chē)”過(guò)程中，都要通過(guò)篩箱系統(tǒng)的共振區(qū)。如果在篩箱上沒(méi)有阻尼裝置，當(dāng)通過(guò)共振區(qū)時(shí)，箱體振幅會(huì)大幅度增加，在這種情況下必將引起皮帶松脫等現(xiàn)象的發(fā)生。所以，對(duì)自定中心振動(dòng)篩來(lái)說(shuō)，阻尼裝置是必不可少的。2.支承彈簧的共振問(wèn)題：因在上節(jié)“支承彈簧計(jì)算”部分已經(jīng)談過(guò)，這里就不再重復(fù)。3.篩面共振問(wèn)題：篩面好象是一塊彈性薄板，它與篩箱連接在一起，由于連接情況不同，篩面的自振頻率也不同，目前很難用理論計(jì)算。連得牢繃得緊的篩面，剛度大自振頻率就高；反之自振頻率就低。如篩面的自振頻率與石渣在其上跳動(dòng)的頻率相接近，則篩面是在共振狀態(tài)下工作下工作，結(jié)果構(gòu)成篩面篩條將易于產(chǎn)生裂斷現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在設(shè)計(jì)和安裝篩面時(shí)，應(yīng)盡可能使篩面與篩箱連得牢繃得緊，有可能還要讓篩面有向上的“拱度” ，以曾大篩面的剛度，使其自振頻率遠(yuǎn)高于激振頻率，從而杜絕篩面產(chǎn)生共振的可能。4.車(chē)底架的共振問(wèn)題：車(chē)底架的自振頻率可以用近似的理論來(lái)計(jì)算，但很煩，而且計(jì)算結(jié)果又和實(shí)際出入很大，不足以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。因此，為防止車(chē)底架產(chǎn)生共振，在設(shè)計(jì)車(chē)底架時(shí)，除要滿足強(qiáng)度條件外，還要有足夠剛度，對(duì)車(chē)底架的中梁來(lái)說(shuō)，其許用撓度宜小于 /800～ /1000；從構(gòu)造來(lái)說(shuō)，還要求中梁有一定拱度，跨ll度越長(zhǎng)，拱度越大，跨長(zhǎng) =20 米的中梁，其拱度、不應(yīng)低于 /800～ /1000；在設(shè)ll南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文33計(jì)時(shí)對(duì)車(chē)底架剛度的增加還要留有余地，因?yàn)樵谑褂煤笥捎诮Y(jié)構(gòu)松弛，車(chē)底架剛度還有一定程度減?。涣硪环矫嬉?yàn)檎駝?dòng)篩試運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)車(chē)底架還有可能增加要求。因此建議，在安裝振動(dòng)篩前，可先用儀器來(lái)測(cè)量車(chē)底架的自振頻率，如測(cè)出的頻率振動(dòng)篩的激振頻率接近，在車(chē)底架剛度不能再增加時(shí)，可以減小振動(dòng)篩的激振頻率，其方法是減小小皮帶輪的直徑，并按（1—4）式相應(yīng)減小支承彈簧剛度，只要將激振頻率減小到小于車(chē)底架自振頻率的 20%～30%即可。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文345.結(jié)論在這次設(shè)計(jì)過(guò)程后，我比較系統(tǒng)的了解機(jī)械設(shè)備的總體設(shè)計(jì)，并進(jìn)一不熟練了機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的查詢。自定心振動(dòng)篩運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，只有運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)浮動(dòng)軸成為振動(dòng)中心，相對(duì)固定，才可能保持皮帶傳動(dòng)的皮帶不會(huì)松脫折斷。而自定中心振動(dòng)篩的軸是浮動(dòng)的，沒(méi)有固定支架使其保持在同一位置不動(dòng)。所以，如何使浮動(dòng)軸的位置在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中保持不變是此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文采用使篩箱的激振振幅 A 與皮帶輪輪心對(duì)篩箱重心的偏心矩 r 相等的方法，使浮動(dòng)軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中相對(duì)固定，因此要使激振塊重量 G、除激振塊外振動(dòng)篩箱（包括參振石渣）的全部重量 P、偏心距 r、激振塊相對(duì)輪心的偏心距 R、彈簧總剛度 K 和振動(dòng)頻率 ω 滿足：GR=Pr,Gk=Gω 2,這就是自定心振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)條件。在振動(dòng)篩工作過(guò)程中，雖由于篩內(nèi)石渣量的不同，P 會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)，但通過(guò)計(jì)算知引起軸的波動(dòng)量并不大，不會(huì)使皮帶發(fā)生折斷。另外激振頻率對(duì)振幅的影響也相當(dāng)重要，起動(dòng)時(shí)必須快速通過(guò)其自振頻率，遠(yuǎn)離共振區(qū)，才能避免產(chǎn)生共振。在此次設(shè)計(jì)中，對(duì)軸的強(qiáng)度驗(yàn)算也十分重要，這也使又復(fù)習(xí)了一遍材料力學(xué)。此次設(shè)計(jì)使我們受益匪淺，為我們以后到單位工作起到了一個(gè)良好過(guò)度。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文35參考文獻(xiàn)[1].璞良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第七版.北京：高等教育出版社，2001；[2].孫桓，陳作模主編.機(jī)械原理.第六版.北京：高等教育出版社，2002；[3].成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（機(jī)械振動(dòng)）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004；[5].蔡春源主編.新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).遼寧.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993。[4].聞邦椿，劉樹(shù)英編著. 機(jī)械振動(dòng)學(xué).北京：冶金工業(yè)出版社，2000；[5].王昆，何小柏，汪信遠(yuǎn)主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，1995；[6].徐鶴齡主編.振動(dòng)篩和離心篩設(shè)計(jì).北京：人民鐵道出版社，1979；[7].廖念釗，古瑩奄，莫雨松，李碩根，楊興駿編.互換性與技術(shù)測(cè)量.第四版.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000；[8].劉鴻文主編.材料力學(xué).第四版.北京：高等教育出版社，2004[9].Ye Zhonghe, Lan Zhaohui. 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