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硬幣自動分選清點機械設計 附錄Ⅰ 外文翻譯（中文） 反饋控制電磁振動給料器 （應用雙自由度比例加積分加微分控制器的非線性元） Tomoharu DOI**，Koji YOSHIDA***， Yutaka TAMAI* ***，Katsuaki KONO****， Kazufumi NAITO****and Toshiro ONO***** 電磁式振動給料機是一種用于自動稱重機的傳輸設備。現(xiàn)有的送料器是由前饋控制，所謂的“發(fā)射角控制” ，無法使突然出現(xiàn)的干擾無效。在這項研究中，我們考慮采用一種反饋控制這種饋線系統(tǒng)。首先，我們給出對于振動部分和電磁力部分模型的兩個細節(jié)。其次，反饋控制系統(tǒng)是為電磁振動給料器構建的，我們提出一個運用非線性元件兩自由度比例加積分加微分（ PID控制器）控制器。下一步，我們還采用反饋控制的饋線與標準槽。最后，我們考慮一種方法兼容多種槽調整的非線性因素。在一些實驗結果的基礎上，我們證實了雙自由度PID控制比傳統(tǒng)的角發(fā)射控制更加有效。 關鍵詞：振動控制，喂料機，非線性控制，電磁作動器，雙自由度PID控制，建模 1、緒論 對于各種食品制造業(yè)的包裝過程，自動秤是一個非常重要的設備。自動秤發(fā)展于1973年，后來得到改進，從而成為高度精確和有效的。電磁振動給料器在這篇文章中被認為是一個重要的用于系統(tǒng)地傳輸材料給稱重單位的傳輸設備。然而，在發(fā)射角控制（前饋控制）被用于給料器至今，仍未得到進一步的完善。在這項研究中，我們提出一個運用非線性元件的兩自由度的PID控制器的反饋控制系統(tǒng)構建于電磁振動給料器下。首先，我們給予振動部分和電磁力部分模型的細節(jié)。下一步，我們還采用對于給料器標準槽的反饋控制。然后，我們考慮一個方法兼容各種槽調整的非線性因素的兩自由度PID控制器。在一些實驗結果的基礎上，我們證實了雙自由度PID控制比傳統(tǒng)的角發(fā)射控制更加有效。 2、電磁振動給料器 2.1給料器的概要及其傳輸原理 圖1.顯示的是一個給料器。術語“料槽”是指用于運輸的鋼板形狀的管道。料槽可以很容易地改變，以配合運輸對象。料槽是靠平行板彈簧和位于料槽底下的電磁線圈支持的。板彈簧和線圈是固定在基座上的。該基座是由三根螺旋彈簧支承著的。所有部件，除了料槽，被稱為“直屬零件”和所有設定的部分，包括料槽，被稱為“送料器”。 料槽連接到基座的鋼板彈簧，因此，這一系統(tǒng)基本上相當于一個質量彈簧系統(tǒng)的共振頻率ω。如果在共振頻率ω下被驅動，送料器將做共振運動。共振現(xiàn)象是高效率的，因為少量的電源作為輸入可以造成大位移量的出現(xiàn)。 圖1 電磁振動送料器 圖2 輸送過程 圖2所示為運輸物料的過程。陰影箭頭表示料槽振動時物料的移動方向。圖2（i）表明送料器處于平衡位置。最初，當電流流向電磁鐵線圈（以下簡稱“線圈” ），由電磁力的作用料槽向左移動到更低的位置（見灰色箭頭），就如圖2（ii）所示的那樣。在此期間，料槽內輸送的物料向重力方向移動（見白箭）。 當關閉電源開關，板彈簧和料槽將推進運輸對象向右上方移動（見灰色箭頭），如圖2（iii）所示。在這種方式下，被輸送的物料緩慢前行。送料器將在共振頻率ω的驅動下重復圖2（ii）和（iii）中的步驟。 2.2 振動機械因素的模型 圖3所示為送料器振動因素的模型。這一模型中術語的坐標軸，使用的變量和參數被列表1中。模型的一個關鍵要素是料槽的移動方向是被固定了的。然后，下面的線性動態(tài)模型，四階可得出的詳細模型的振動。 M ，K是對稱矩陣（符號*顯示對稱元素）如下所示： 因此，本模型（1）是有用的設計振動因素。模型（1）對應的特征頻率符合實驗模態(tài)分析的結果。 圖3 振動因素模型 圖4 電磁線圈模型 送料器的主振彈簧是由一些板彈簧組成的。該模型沒有考慮非線性特性的彈簧元（1）（2），這改變了共振頻率按照振幅變化的共振。 表1 模型中用到的參數 表2 料槽的特性 2.3 電磁驅動要素 我們采用的電磁懸浮（3）模型技術就如圖4中模型顯示的那樣。在圖4中e，i和R分別表示線圈的電壓，線圈電流和線圈電阻。線圈和料槽之間的電感z被表達的功能為。其結果是，電磁力F可表示為 （2） 線圈和電流之間的關系可以表達為 （3） Q、和為線圈決定的常數。使用公式（1）、（2）、（3）可以在計算機上構建一個仿真的送料器。此外，狀態(tài)空間模型可以由公式（1）、（2）、（3）得出一個線性均衡器。 3.實驗控制系統(tǒng)的結構 3.1 反饋系統(tǒng)的結構 圖5顯示的是一個反饋系統(tǒng)的結構。反饋系統(tǒng)的操作變量（以下簡稱“振幅能量”為AP，AP是個無綱量）是一個存在發(fā)射角控制的變量（以下簡稱“FAC”，它的詳情稍后給出）。測量變量，控制變量，命令變量假定振幅為料槽與線圈表面的距離（以下簡稱“間隙振幅”為）z。由FAC、激勵系統(tǒng)和振動因素組成的部分被稱為控制系統(tǒng)。圖5顯示的結構來實現(xiàn)取消和干擾，以改善其跟蹤特性的命令變量的兩自由度PID控制器。這種結構成為一個現(xiàn)有FAC系統(tǒng)的內置結構，，它描述了兩自由度PID控制器的一般結構（5）（6）。因此，如果操縱變量如圖5所示，當由于反饋控制器而使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定時將會關閉，這結構將符合當前的常規(guī)系統(tǒng)。因此，這種結構已成為故障安全系統(tǒng)。 圖5 反饋系統(tǒng)結構 圖6 實驗系統(tǒng) 3.2 送料器和料槽在實驗中的使用 圖6顯示了設立的實驗系統(tǒng)。這個實驗送料器可運輸約10公斤的最高質量，但是送料器通常由約0.1公斤的質量驅動。這個送料器的共振頻率f是40Hz。當送料器運輸最大質量是，共振頻率的變化約4%。然而，因為運輸0.5千克或更多是罕見的，我們忽視了由共振的運輸物料質量變化引起的共振頻率的變化。關于料槽形狀和類型，根據運輸物料的不同有100多個品種的料槽。對于我們的實驗，運用到了五種特別類型的料槽。這些料槽的參數列在表2中，并在圖7中給出了料槽的形狀。在下面，料槽B是所謂的“標準料槽”。由于料槽E的質量是最大的，我們改變組合鋼板彈簧等要素的共振頻率的支線為40赫茲。 圖7 料槽的形狀 圖8 在FAC中電流電壓的循環(huán)曲線 3.3 送料器驅動部分 在現(xiàn)有送料器系統(tǒng)中，F(xiàn)AC常用作驅動系統(tǒng)。圖8顯示的是FAC的操作綱要。曲線圖8分別指出了交流源，線圈電壓和線圈電流。FAC是一個利用交流源過境時間（ZAT：零跨越時間）的重復控制方法。從ZAT延遲時間L后，經處理進入線圈的電流開始進行。L是從（常量）和AP（操縱量）中獲得的，并表達如下： （4） 這里是交流電流入的時間。當AP變大時，延遲時間L與函數F將變短。FAC會在此基礎上運作的延遲時間如下：（i）由延遲時間L和線圈電流作用后，交流源的電壓將直接激起線圈的電壓。（ii）在高峰期過后，該線圈電流開始下降。（iii）當線圈電流變?yōu)?A時，交流電源將關閉。在共振期間，像（i）——（iii）這類非線性處理的方案將被多次重復執(zhí)行。在FAC中，線圈電流靠AP而增加并且變大以致于振幅變大。AP決定了一個共振周期的輸入功率。共振期符合更新期間的操縱變量。因此，在控制實驗中的取樣時間變?yōu)?.025秒。取決于FAC驅動硬件的AP采取的整數值從0到127（7位）。 3.4 間隙振幅測量部分 因為加速度傳感器對環(huán)境變化的低敏感度和易于維護，所以用來測量測量變量。加速度傳感器和金屬配件被安裝在實驗送料器的料槽固定部分。如果要取得一個標準的價值差距測量，將光學位移傳感器安裝在實驗送料器中。然而，位移信號的光學傳感器不是用于反饋控制對加速度傳感器信號測量精度的研究中的。 3.4.1 從加速度到間隙振幅的變化 由于送料器驅動是由發(fā)射角控制的，加速度傳感器的輸出信號a（t）的加速度傳感器，可以假定為是一個正弦波的振幅和共振頻率。 從這個假設，間隙z（t）是由整合加速的a（t）的兩倍獲得的。因此，間隙可由料槽位移和送料器的幾何關系表達如下： （5） 換言之，差距環(huán)z（t）是不通過整合輸出信號a（t）的兩倍得到的，但乘以輸出信號為常數，因為它可以假設為一個輸出信號正弦波。從間隙z（t）中獲得的方法也是被制定了的。當是由公式（5）計算的間隙z（t）的最大和最小值計算得出的，有可能會直接受到噪聲造成的影響。首先，在圖9中陰影部分的可通過用加速度傳感器獲得的輸出信號a（t）算出。其次，的獲得基于。如果輸出信號為一個正弦波，則變?yōu)椋優(yōu)槿缦滤荆? 因此，可以由通過加速度a（t）算出的對進行測量。 圖9 振幅的測量曲線 圖10 與的關系 可由下列步驟計算出：(i) 為了使正弦波將集中在0V，一個補償（-1.397V）被刪除。（ii）一個絕對值波是通過步驟（i）中的絕對值正弦波產生的。（iii）梯形規(guī)則的一體化算法應用于步驟（ii）中的絕對波和最后的計算。間隔時間為0.25毫秒一體化和采樣時間的加速度傳感器也是0.25毫秒。共振周期1/f的整合時間為25毫秒，區(qū)域是由這一周期計算出的。我們考慮獲得由[VS]轉換為光學位移傳感器輸出值的表達式。圖10所示為光學傳感器算出的和由加速度傳感器計算出的的關系。在圖10中和的關系顯示它在12.6VS邊界時開關。這種開關特性被認為是由于一套鋼板彈簧引起的非線性（1）（2）。因此，轉化率的表達逼近兩直線，改變邊界的表達式如下： 3.4.2 輸送物料造成的噪聲 當固體物質運輸時，運送物體料槽產生一個沖擊力。因此，加速度受到沖擊力的影響，并且噪聲隨著加速度傳感器輸出信號的出現(xiàn)而出現(xiàn)。當料槽和輸送物料被替代時，噪聲的頻率也隨之變化。然而，有人證實了實驗的頻率為0.5 kHz或更多，即使是進行更換。0.5Hz或更多的噪聲被三階數字低通濾波器[Hz]過濾掉，并且運用低通濾波器的預處理可以計算出。在我們的實驗中，下面的過濾器被使用。 當噪聲被通過原來的加速度傳感器輸出影響的數字濾波器刪除時，為圖11所示。 圖11 數字低通濾波器的影響 圖12 在測量過程中的信號流出 3.4.3 在測量過程中的數據處理 圖12所示為在測量過程中簡要的數據處理。首先，由加速度傳感器產生的輸出信號是在4KHz下采樣，噪聲是被數字濾波器刪除的。是通過濾波信號計算出來的，是通過公式（6）中共振周期1/f的關系得到的。圖13所示為安裝在運用FAC，68AP的標準料槽的的有效力是通過數據處理獲得的。驅動測試期間，50g的測試片（質量0.5g的木欄一塊；直徑8mm；長15mm。）被放到料槽上四次。測量使用光學傳感器和那些從刪除噪聲后計算出的所獲得的值將得到相似的輸出。然而，在中間圖像的測量結果中，測試片造成了噪聲的出現(xiàn)，就是通過噪聲的一個最大和最小值得出的。因此，確認獲得的位移加速度傳感器，并顯示了類似的測量性能的光學傳感器。從得的數據處理方法的成效通過結果而被證明了。 圖13 檢測方法的比較 圖14 γ和AP的關系 3.5 控制部分 控制器的結構類似于雙自由度PID控制器。PID控制器（以下稱為“反饋控制器”）負責取消干擾，命令變量過濾器負責在命令變量的跟蹤特性中進行改進。命令變量過濾器被在圖5中所示的“變換參考AP”的塊所顯示出來。 3.5.1 反饋控制器 數字反饋控制器的功能可表達為如下： （7）其中是錯誤，是采樣時間，是比例增益，是整合的時間和是分化時間。在控制實驗中，這些參數的粗值是通過靈敏度估算方法獲得的，通過調整假設=12.0，=0.1，=0.25。 3.5.2 命令變量過濾器 基于命令變量，命令變量濾波器可計算出穩(wěn)態(tài)振幅能量。衍生控制器參照圖5的參考值（命令）工作以改善對于命令變量的跟蹤特性。在這項研究中，我們采用一種非線性函數f（r）能夠命令變量過濾器，但比例控制器通常用作命令變量過濾器。體系的穩(wěn)定性不是問題，因為這一非線性因素通過命令變量產生一個獨特的輸出。非線性因素在反饋系統(tǒng)中也是獨立的。圖14所示為通過利用標準料槽所做實驗獲得的命令變量和AP之間的關系。基于這些結果獲得命令變量過濾器的具體情況如下： （8） 改善其跟蹤性能命令變量的衍生控制器，假定是一個近似分化根據一階傳遞函數如下： （9） 衍生控制器和命令變量過濾器（8）在采樣時間實現(xiàn)在離散時間中獲得，并命令變量過濾器得到如下： 和作為相反的一對離散系數是必要的，關系如下： ， 參數為=6.0和=0.1是用于控制實驗。 4.標準料槽控制實驗 4.1 輸送物料的質量變化 當輸送物料的質量變化時，通過料槽的實驗驗證了干擾取消的表現(xiàn)。 當得命令變量假定為0.2mm，重200g的測試片扔到空料槽中時，如圖15所示的時間行為。短虛線表示的是FAC，實線表示的是反饋控制。當輸送物料下放時（通過輸送和測試片的質量在料槽上減小，測試片從料槽上掉下），利用FAC，減少后的將恢復。另一方面，用反饋控制，在測試片從料槽上掉下后，將在8秒內恢復。 因此，反饋控制可以取消的干擾從而突然增加了運輸物體的質量。 圖15 輸送木塞的結果 圖16 2-d.o.f控制器的每步驟結果 4.2 關于命令變量的跟蹤特性 命令變量跟蹤特性的改進被確認是通過一個使用標準料槽的階躍響應實驗實現(xiàn)的。圖16顯示了實驗的結果。虛線表明了利用FAC控制的結果，實線顯示了使用反饋控制的結果。當命令變量增加時，振動和穩(wěn)態(tài)偏差的結果是被FAC監(jiān)視的。另一方面，利用反饋控制的結果顯示改善了跟蹤特性，并消除了穩(wěn)態(tài)偏差。特別是，針對反饋控制在1.0mm顯示良好的跟蹤響應，因為PID參數的調整在1.0mm。然而，送料器變化的特點主要取決于。因此，當G有一個其他值時，結果會比G去1.0mm時的結果還壞。 5.不同料槽的控制實驗 5.1 分組料槽 被提到的料槽種類已經超過了100種。因此，調整PID參數為個別槽增加花費。所以，我們認為這種方法可以控制幾種料槽使用相同的PID參數。在這項研究中，我們考慮的一種方法，這種方法是基于在表2中提到的5種料槽的實驗結果調整命令變量過濾器。 圖17所示為5種料槽的AP和的關系（見表2）。我們進行了以下自動實驗：（i）送料器通過AP每0.2秒增加一次從0增加到127來驅動，接著再從127到0每0.2秒減小一次來驅動。（ii）在這個過程中，AP和被自動測量。實驗結果自動繪制在圖17內。這個實驗花費了大約50秒，因為這個關系可以很容易的從各種料槽中得到。 圖17 和AP的關系 圖18 料槽組G每步驟結果 圖17顯示的料槽C、D和標準料槽B也有相似的關系。料槽A是最輕的，振動和其他料槽相比要好，還有振幅范圍也更寬。換句話說，料槽E是最重的，要求更大的AP和相對要小的振幅范圍。通過這些結果，基于AP和的關系，料槽的形狀和參數可以被組合在一起。 5.2 料槽組命令變量的跟蹤特性 通過AP和，將由相似關系的料槽B、C和D組合在一起就成了料槽組G。我們用反饋控制器的相同的PID參數的料槽組G的反饋控制進行試驗。圖18顯示了實驗步驟的反應。如圖18所示的是與料槽B、C和D相符合的輸出結果，因此，在這組中AP和的關系相似。所以，使用相同的PID控制參數和相同的命令變量過濾器是有可能的。從結果中我們認為，如果AP和的關系相似，相同的PID參數和相同的命令變量過濾器可用作控制系統(tǒng)。因此，如果我們組合料槽時考慮到AP和的關系，這些數量的控制器和時間需要PID參數的調整可以降低。 5.3 命令變量過濾器的調整 據證實，對于命令變量的跟蹤特性可以通過調節(jié)命令變量過濾器來改善。 在我們的實驗中，基于標準料槽的命令變量過濾器被稱為標準過濾器。此外，基于AP和關系的可以單獨調節(jié)的命令變量過濾器像料槽E那樣被稱為“個別調整過濾器”，可表示如下： （11） 圖19 和每步驟結果的比較 圖19所示為運用一個標準過濾器和一個個別調節(jié)過濾器實驗的步驟結果。當命令變量0.65mm， 0.75mm， 0.85mm和0.95mm，瞬態(tài)反應是不同的方面的差異，命令變量過濾器。如果運用一個標準過濾器，結果是無效的，然而，它是改進個別調整濾波器但所得到的結果不穩(wěn)定。當命令變量0.95mm或以上，良好的跟蹤特性表明無論單獨調整濾波器。我們認為，原因是整體增益反饋控制器因為如圖17所示不同的關系中顯示了一些偏差范圍其中大于0.9mm。 由于AP和G的關系不同使當分組困難時，一個命令變量過濾器的調節(jié)時有效的。因此，如果命令變量過濾器為料槽A調整，被認為可使對于命令變量的跟蹤特性改進。 6.結論 在這項研究中，我們做出了關于送料器反饋控制的努力和實驗。結論總結如下： （1） 包含F(xiàn)AC驅動的兩自由度PID控制系統(tǒng)的結構被認為是合理的。 （2） 反饋控制系統(tǒng)和FAC控制系統(tǒng)的性能是相當的。 （3） 通過實驗我們證實了AP和關系相似的料槽組可以由相同的PID參數和相同的命令變量過濾器控制。 （4） 通過實驗證實了當AP和的關系不同時，命令變量過濾器的調節(jié)是有效的。 參考文獻 （1） Konishi, S，Sakaguchi, K., Amijima, S., Matsuoka, T., Okano, I. and Morinaka, H., Non-Linear Phenomenon Observed on Resonance Curve for Vibratory Feeder-Electromagnetic Type, Proc. APVC '95, (1995), pp. 258-263. （2） Konishi, S., Sakaguchi, K., Amijima, S., Matsuoka, T., Okano, I. and Morinaka, H., Analysis of Non-Linear Resonance Phenomenon for Vibratory Feeder, Proc. APVC '97, (1997), pp. 854-859. （3） The Institute of Electrical Engineers of Japan(ed)，Magnetic Levitation and Magnetic Bearing,(in Japanese),(1993),p.30, Corona Publishing Co., Ltd. （4） Doi, T., Yoshida, K., Tamai, Y., Kono, K., Naito, K. and Ono, T., Feedback Control for the Vibratory Feeder of Electromagnetic Type, Proc. ICAM '98, (1998), pp. 849-854. （5） Suda, N., PID control, (in Japanese), (1992), Asakura Publishing Co., Ltd. （6） Araki, M. and Taguchi, H., Two-Degrees-of-Freedom PID Controller, Journal of the Institute of Systems, Control and Information, Vol. 42, No. 1 (1998), pp. I8-25. 14 塔里木大學 畢業(yè)論文（設計）中期檢查記錄表 2012年 5 月 8 日 學生姓名 班級 課題名稱 震動給料機的設計 課題完成進度（學生自述） 1. 完成對設計所需全部資料的查找和使用； 2. 設計說明書已經撰寫80%； 3. CAD零件圖紙已經繪制完成； 4. solidworks零件圖基本繪制完成； 5. 按時上交了所有設計材料。 存在的問題及整改措施（學生自述） 問題：1.設計理念不夠新穎； 2.設計結構偏于簡單； 3.進度偏慢。 措施：添加修改相關零部件，盡量使設計簡單，輕巧易裝卸，且易安放，修理。 指導教師意見（課題進展情況、優(yōu)缺點、整改措施等） 指導教師簽名 年 月 日 學院意見 負責人簽名 年 月 日 塔里木大學 畢業(yè)論文（設計）任務書 學院 機械電氣化工程學院 班級 學生姓名 學號 課題名稱 振動給料機的設計 起止時間 2012年3 月1 日—2012 年 5 月 28 日（共14 周） 指導教師 職稱 講師 課題內容 1. 查找振動給料機的相關資料、文獻，確定課題方向 2. 確定最優(yōu)方案，繪制機構零件圖、裝配圖 3. 制作機構的運動仿真動畫，撰寫設計說明書 擬定工作進度（以周為單位） 第1周至第2周：查閱相關文獻，撰寫開題報告； 第3周至第4周：確定總體方案，明確設計內容； 第5周至第6周根據設計要求查閱相關手冊，對各部分機構進行設計； 第7周至第8周：繪制零件圖、裝配圖； 第9周至第11周：完成對產品的校核工作及設計說明書； 第12周至第13周：整理資料，做好答辯準備； 第14周：整理畢業(yè)設計,上交學院。 主要參考文獻 [1]何筑生,盛振東,. 低噪聲調速型電機振動給料機工作機理[J]. 礦山機械,1984,(2). [2]魏延明,. 介紹一種VF型電機振動給料機[J]. 金屬礦山,1985,(9). [3]張洪濤. 慣性振動給料機交流變頻調速方案的選擇與計算[J]. 礦山機械,2000,(6). [4]趙繼云,王振興,戚厚寶,. 連續(xù)式給料機特性分析與比較研究[J]. 礦山機械,2009,(21). [5] 濮良貴,紀名剛.機械設計.高等教育出版社,2006. [6] 胡仁喜，康士廷. Solidworks2008中文版標準實例教程.機械工業(yè)出版社，2009. [7] 潘沛林，陳秀.機械設計課程設計圖冊.高等教育出版社，1989. 任務下達人（簽字） 年 月 日 任務接受人意見 任務接受人簽名 年 月 日 注：1、此任務書由指導教師填寫，任務下達人為指導教師。 2、此任務書須在學生畢業(yè)實踐環(huán)節(jié)開始前一周下達給學生本人。 3、此任務書一式三份，一份留學院存檔，一份學生本人留存，一份指導教師留存。 12 屆畢業(yè)設計 震動給料機的 設計說明書 學生姓名 學 號 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 指導教師 起止時間 2012.06 塔里木大學教務處監(jiān)制 塔里木大學 畢業(yè)論文（設計）開題報告 課題名稱 自同步振動給料機的設計 學生姓名 學 號 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班 級 指導教師 起止時間 機械電氣化工程學院教務辦制 填 表 說 明 一、學生撰寫《開題報告》應包含的內容： 1、本課題來源及研究的目的和意義； 2、本課題所涉及的問題在國內（外）研究現(xiàn)狀及分析； 3、對課題所涉及的任務要求及實現(xiàn)預期目標的可行性分析； 4、本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路； 5、完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法； 6、完成本課題的工作方案及進度計劃； 7、主要參考文獻（不少于7篇）。 二、本報告必須由承擔畢業(yè)論文（設計）課題任務的學生在接到“畢業(yè)論文（設計）任務書”的兩周內獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。 三、開題報告要求手寫體，字數在3000字以上，由學生在本報告冊內填寫，頁面不夠可自行添加A4紙張。 四、每個畢業(yè)論文（設計）課題須提交開題報告一式三份，一份學生本人留存，一份指導教師存閱，一份學生所在學院存檔，備檢備查。 自同步振動給料機的設計開題報告 一、 本課題來源及研究的目的和意義 振動給料機是一種廣泛應用的給料設備,先后經歷了電磁振動、電機振動、機械振動的發(fā)展過程。廣泛應用在冶金、煤炭、電力、化工、建材、輕工和糧食等行業(yè)中,與其他設備配套,實現(xiàn)給料、喂料、配料、定量包裝和流程自動化作業(yè)。在冶金礦山,主要用在溜井放礦、轉載裝車、選礦破碎給料作業(yè);在煤礦,主要用在井下轉載,箕斗下轉載,原煤倉下配煤、精煤倉下裝車和洗選機均勻給料等作業(yè);包裝行業(yè),主要用于定量包裝秤給料機構和定量包裝系統(tǒng);在水泥生產中,用于混凝土攪拌站水泥的給料;在化工行業(yè),主要用于為化肥生產定量給料。振動給料機的發(fā)展沿革20世紀50年代初,由連桿及偏心軸傳動的K型機械式往復給料機廣泛運用在礦井生產中,特別是煤礦井下。該機型結構簡單,動力消耗較大,設備笨重,處理量小且成間接成堆式不均勻給料。但該機型維修量小、耐用,布置所需高度低,且對物料的粒度組成、外在水分等物理性質要求不嚴。隨著礦井機械化程度的提高,這種振動給料機已無法滿足生產的需要。 進入現(xiàn)代，尤其是金融危機過后，世界采礦采石設備制造行業(yè)迎來了新一輪的發(fā)展，中國市場的發(fā)展，在很大程度上帶動了世界采礦采石設備行業(yè)的復蘇。后危機時代，隨著礦產資源需求市場的回暖，帶動采礦采石設備的需求也繼續(xù)增長。礦采石設備的科技發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在大型化、智能化、數控化；更加注重工程設計技術與設備設計技術緊密結合；更加重視產品的節(jié)能效果和礦物資源的有效利用；更加注重設備對環(huán)境的影響和勞動衛(wèi)生與安全問題；對產品的使用可靠性和壽命要求越來越高、越嚴格。雖然自同步振動給料機，在這些方面恰好有著足夠的優(yōu)勢，如具有運動穩(wěn)定性好，耗能少，噪音低等優(yōu)點。但仍存在著很多需要改進的地方，以滿足市場多樣化的要求。因而，關于振動給料機的優(yōu)化設計需求，越來越凸顯，新型的自同步振動給料機的市場前景很大. 二、 本課題所涉及的問題在國內外研究現(xiàn)狀及分析 在國外，振動同步的研究不論是理論上，還是在實際應用上都已經達到了相當高的水平，同步振動及其控制在很多領域已經得到了廣泛應用。近年來，隨著我國經濟和科學技術的高速發(fā)展，人們對采礦和加工制造業(yè)中的解放勞動力，提高生產效率，安全生產，節(jié)約資源，降低噪音等方面有了更高的要求。因而對于振動給料機自動控制和低噪音工作的研究提進日程。我國在引進國外先進理論和技術的的同時，獨立自主地進行了這方面的研究，在振動同步應用和控制領域已有了取得了很大的進展，并在此基礎之上進行了自同步振動給料機的研究，目前已取得了不錯的成果，并有自同步振動給料機的成品投入市場，但總的來說，還不夠完善，應用領域還不夠廣泛，靈活性不強，不能滿足市場多樣化的需求，因而需要對自同步振動給料機進行改進和創(chuàng)新以滿足市場要求。 對本課題所涉及的任務要求及實現(xiàn)預期目標的可行性分析 1．工作原理 自同步給料機采用了彈簧隔振 ,強迫振動系統(tǒng)，參振部分由四組支承裝置彈性支承 ,采用自同步原理 ,選用一對參數接近的普通電機通過一對撓性聯(lián)軸器與安裝在給料機底部的一對偏心軸聯(lián)接 ,兩偏心質量分別為 m1 和 m2,做同步異向運轉 ,在各瞬時位置 ,兩組偏心質量產生的離心力沿振動方向的分力總是相互疊加 ,而在其法向分力總是相互抵消 ,從而形成單一的沿振動方向的激振力 ,使給料機體作往復直線運動 ,物料在給料機槽體內作連續(xù)斜上拋運動 ,從而達到振動輸送物料的目的。 2．結構特點 (1)選用一對普通電機應用自同步理論產生激振力 ,電機與偏心質量之間采取撓性連接 ,電機不直接參振 ,大大提高了給料機的可靠性和使用壽命。 (2)選用較大的振幅和較高的轉速 ,相對較小的參振質量及轉動慣量 ,以保證穩(wěn)定的同步運行及較小的相位差角 ,從而使振動方向角前后一致 ,給料均勻 ,對于水份大和粘性大的物料可提供較高的輸送速度和給料量。 (3)簡化了激振器結構 ,提高了可靠性 ,并降低了生產成本。激振器是給料機提供激振力的關鍵部件 本給料機激振器在吸收國內外先進振動器的成熟技術并結合本機特點 ,取消了強迫同步的傳動齒輪 ,選用高精度標準游隙滾柱軸承 ,與以往的給料機振動器球軸承相比 ,增大了接觸面積 ,確保軸承滾柱均勻的承受負荷 ,大大提高了軸承的承載能力 ,采取這些措施對提高給料機可靠性和使用壽命 ,降低噪聲和加工成本起到了關鍵性作用 ,并可采用油脂潤滑就能滿足軸承的潤滑要求 ,進一步簡化了振動器結構 ,減少了生產、 維護費用。 (4)給料機鋼制槽體上 ,加鋪了高分子塑料復合材料 ,提高了槽體的耐磨性和抗腐蝕性 ,減少了因槽體所產生的振動噪聲 ,槽體采取一次彎折成形和噴丸處理 ,消除其加工形成的應力 ,提高了槽體的整體剛度和強度。 (5)減振裝置的作用是保證給料機工作的正常和穩(wěn)定 ,同時 ,減少傳給基礎的動負荷 ,為達到上述目的 ,我們反復計算與實驗后 ,采用橡膠、金屬復合彈簧結構 ,同時還設置了阻尼消振裝置 ,以保證給料機工作平穩(wěn)和停、啟車時平穩(wěn)通過共振區(qū)。 (6)運用了現(xiàn)代模態(tài)分析和動應力測試技術 ,在制造廠對本機樣機進行了動態(tài)性能研究和降噪效果分析 ,并進行了設計修改 ,加工工藝改進 ,進一步提高了整機的可靠性與先進性。 鑒于以上工作原理和結構的優(yōu)勢，自同步振動給料機的設計是完全可行，并且可以根據具體工作情況靈活更換振動盤以滿足任務的更新要求。 三、 本課題需要重點研究的關鍵問題及解決的思路 1. 解決的關鍵問題 （1）同步問題 （2）振動盤的設計 2．解決的思路 （1）同步問題 為了使自同步振動給料機獲得較佳的自同步能力,在設計和使用中要確保 以下幾點： （1）保證系統(tǒng)在遠超共振區(qū)情況下工作，并且各方向阻尼應盡量小。 （2）電機的機械特性以軟特性為佳，兩電機特性應盡可能一致,最好是同一型號、同一的批產品，運轉軸摩擦阻力應盡量小兩電機的外阻力矩差值也要盡量小。 （3）因為自同步能力和慣性激振器參數的平方成正比，所以采用大偏距和轉數是有利的。 （2）振動盤的設計 振動盤的設計使整個設計的中心環(huán)節(jié)，它對應著振動給料機的實際應用，針對具體的應用情況設計合適的振動盤，在保證功能的基礎上，力求簡單實用，結構精巧美觀！ 四、 完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法 目前關于自同步振動給料機的研究很廣泛，理論上已經比較成熟，但應用與實際的理論成果相對較少，所能借鑒和參考的設計資料不是很充分。因此，在設計的過程中必須獨立的完成很多的相關資料的查找工作和相關的設計工作，在此過程中，我會向同學咨詢設計意見，參考網絡和書籍相關設計成果，融合自己的設計構思，并向指導老師尋求專業(yè)意見，在指導老師的的指引下，嚴格按照要求保質保量地完成指定任務，我相信，在指導老師的幫助下，通過自身的努力，我一定能很好地完成設計任務。 五、 完成本課題的工作方案及進度計劃 第 1-2 周：查閱相關文獻，撰寫開題報告。 第 3-5 周：確定總體方案，明確設計內容。 第 6-8 周：根據設計要求查閱相關手冊，對各部分機構進行設計。 第 9-10周：繪制零件圖、裝配圖。 第10-11周：完成對產品的校核工作及設計說明書。 第12-13周：整理資料，做好答辯準備。 六、 主要參考文獻 [1]丁志華,. 自同步振動給料機動力學分析[J]. 上海建材學院學報,1988,(1). [2]劉宗時,李明輝,唐海洪. GZM型新型自同步振動給料機的研制與應用[J]. 煤礦設計,1999,(10). [3]晁禮鋒,. 一種振動給料機的設計計算[J]. 鋼鐵技術,2001,(6). [4]彭世德. 雙電機振動給料機的振動分析及動力學參數計算[J]. 機械設計與制造,1994,(5). [5]李宗斌,劉滿銀,. 雙電機自同步振動給料機的研究[J]. 陜西科技大學學報,1993,(1). [6]李宗斌,劉滿銀,. 雙電機自同步振動給料機的自同步理論[J]. 陜西科技大學學報,1991,(3). [7]何筑生,盛振東,. 低噪聲調速型電機振動給料機工作機理[J]. 礦山機械,1984,(2). [8]劉安源,劉石,潘忠剛. 振動給料機中固體顆粒物料運動規(guī)律的數值研究[J]. 中國科學院研究生院學報,2002,(1) 學生簽名 2011 年 11 月 20 日 指導教師審閱意見 指導教師簽名 年 月 日 振動給料機的設計 前 言 震動給料機廣泛運用于廣泛用于礦山、冶金、煤炭、建材、輕工、機械、糧食等行業(yè)中，用于把粉狀、顆粒狀等物料從貯料倉或其他貯料設備中均勻或定量的給到受料設備中。例如破碎機、分選設備、篩分設備、運輸機械等輸送散狀物料機械設備。震動給料機還可用于自動配稱、定量安裝、自動控制的流程中，實現(xiàn)流水作業(yè)和自動化，目前市場出售的震動給料機種類雖然繁多，但是要滿足不同層次和運作條件需求的產品就需要有更優(yōu)化，更適合實際情況的產品。 塔里木大學畢業(yè)設計 目 錄 前 言 1 1緒論 1 1.1課題提出背景 1 1.2突破重點 1 2ZG系列電機振動給料機的特征概括 1 2.1用途 1 2.2特點 1 2.3分類 1 2.4主要的組成部分 1 2.5選型說明 1 3工作原理和結構分析 2 3.1結構分析 2 3.2工作原理 2 4振動參數的確定 2 4.1運動學參數 2 4.2動力學參數 3 5物料在槽體上運動情況分析 4 5.1運動分析 4 5.3物料平均速度 7 6槽體尺寸參數的確定 7 6.1給料能力與給料槽體尺寸的確定 7 7懸掛設計 9 7.1彈性元件的類型和用途 9 7.2設計計算振動給料機的彈簧 10 8振動電機的選取及其確定 12 8.1激振力和功率 12 8.2傳動基礎的動載荷 13 致 謝 14 參考文獻 15 附錄 16 1緒論 1.1課題提出背景 目前震動給料機的運用越來越廣泛，所涉及的行業(yè)和層面也越來越深入，針對于這種情況，特別提出了這次真對于家用小型震動給料機用于農用肥或者糧食，飼料等的均勻配料，實現(xiàn)小成本的輕型機械簡潔快速配送，從而相當程度地減少家庭勞動者的工作量和勞動強度。 1.2突破重點 本次課題設計重點要解決的問題是振動方式的選擇，震動的方式有很多種，例如純機械振動，電磁振動，電機振動，電氣震動等等，針對本次課題所針對市場消費主體和使用情況，以及經濟性等因素，本次震動部件選擇的是電機振動。對于電機的選擇也是本次設計的重點和難點，其中對電機系數選擇所需要進行的選擇數據計算要求理論上計算正確，還要考慮實際工作情況個方面因素所帶來的綜合影響，最后選擇出符合要求的電機類型和型。經設計計算，本次設計選用的是ZG系列電機。 2ZG系列電機振動給料機的特征概括 2.1用途 ZG系列電機振動給料機廣泛用于礦山、冶金、煤炭、火電、耐火、玻璃、建材、輕工、機械、糧食等行業(yè)中，用于把粉狀、顆粒狀及粉體物料從貯料倉或其他貯料設備中均勻或定量的給到受料設備中。例如向破碎機、分選設備、篩分設備、運輸機械等輸送散狀物料。并可用于自動配稱、定量安裝、自動控制的流程中，實現(xiàn)流水作業(yè)自動化。 2.2特點 ZG系列電機振動給料機是一種新型給料設備，其它給料設備相比具有以下特點： （1）體積小、重量輕、結構簡單、安裝方便、維修少，費用低； （2）利用特制振動電機自同步原理，工作穩(wěn)定、啟動迅速，停車平穩(wěn)； （3）物料按拋物線軌跡連續(xù)向前跳躍運動。因此給料槽磨損較??； （4）因為可以瞬時的改變和啟閉料流，所以給料量有較高的精度； （5）本系列電機振動給料機不適合于有防爆要求的場合。 2.3分類 按照不同的分類方法，可以將振動給料機分成許多類型。 按照物料輸送方向的不同，可分為水平型振動給料機和垂直型振動給料機兩大類。 按照其驅動方式不同，可分為電磁、氣力、液壓和機械振動給料機；機械振動給料機使用較多，又可分為慣性振動給料機和偏心連桿振動給料機。 2.4主要的組成部分 （1）激振器----振動給料機的振源，它產生激振力的大小直接影響著承載體的振幅。 （2）承載體----在振動過程中，將能量傳給物料，又是參振質體，其質量是振動系統(tǒng)中的重要參數，承載體還必須具有足夠的剛度和強度。 （3）減振支承--既是整機的支承裝置，又作減振用。 2.5選型說明 （1）使用條件 海拔不超過1000m；環(huán)境溫度不超過，在環(huán)境溫度為15～25度時，周圍介質的相對濕度不大于85%。 （2）生產效率 振動給料機的生產效率常以松散密度的河沙為標準物料，當所運物料的松散密度和粒度大于河沙時，其生產效率與松散密度成正比來計算，當所運物料的松散密度和粒度小于河沙時，其生產效率與松散密度成正比來計算成績的0.8～0.9倍，當所運物料為顆?；蚍勰顣r，其生產效率與松散密度成正比來計算成績的0.5～0.7倍。 （3）物料的最大進料粒度 一般情況下，為防止造成堵塞，物料的最大線形尺寸為槽寬的1/3 ～1/4尤其對封閉的槽體更要注意。 （4）起跳頻度 所謂頻繁起動，一般指每兩次起動時間間隔小于2min，如果小于2min，應選擇1號或2號的振動電機。 3工作原理和結構分析 3.1結構分析 ZG系列電機振動給料機結構組成如下： 圖3-1 振動給料機的組成部分 1給料槽 2傳振體 3振動電機 4減震裝置 3.2工作原理 ZG系列電機振動給料機給料過程是利用特制的振動電機驅動給料槽沿傾方作用周期直線往復振動來實現(xiàn)的，當給料槽振動的加速度垂直分量大于重力加速度時，槽中的物料將被拋起，并按照拋物線的軌跡向前跳躍運動[1]。拋起或下落在1/50秒內完成。由于振動電機的連續(xù)激振動，給料槽連續(xù)振動，槽中的物料則連續(xù)向前跳躍，以達到給料的目的。其給料過程如下圖所示： 槽體雙振幅 料槽靜止點 料槽位移上限 物料平位移 料槽位移下限 振動方向 振動電機 圖3-2 給料過程 4振動參數的確定 說明：在重有色金屬冶煉過程中，所產生的高溫物料采用振動輸送、篩分和給料，是行之有效的方法之一。它具有工作可靠，結構簡單，能耗低等一系列優(yōu)點。通常在工程設計中，除采用單質體振動設備外，還有采用雙質體的呈拋擲狀態(tài)的振動設備。振動參數有運動學參數和動力學參數[2]。 4.1運動學參數 運動學參數有激振頻率、振幅、振動方向角、機械指數、拋擲系數和運動速度等。 （1）振幅A A的取值范圍因激振機構不同而異，通常對于慣性驅動機構（偏心塊激振器）宜采用中頻中幅，即A=0.5-6mm，我們在這里取5mm。 （2）機械指數 機械指數亦稱動力強度指數，它是承載槽體運動的最大加速度與重力加速度的比值，即 式中，為使設備運行可靠及延長其使用壽命，對于常用慣性振動設備取K=3～5，較為適當。由于機械指數受材料強度與起決定性作用的慣性力大小限制，所以本次設計選取機械指數K=4。 輸送物料的運動情況主要取決于垂直加速度的大小，槽體最大垂直加速度與重力加速度的比值稱為拋料指數D。 (4-1) 拋料指數與機器指數有如下關系： (4-2) 周期性跳躍過程的拋料指數D在1.0～3.3之間。 （3）激振頻率 當機械指數K和振幅A值確定以后由求出激振頻率。推薦取值范圍為：相當于600~1500次/min.有K=4,A=5mm得到 (4-3) （4）振動方向角 振動方向角大小取決于設備用途和物料性質。為提高輸送速度，最佳振動方向角與機械指數相對應： 當K=3時， 當K=4時， 對于慣性驅動機構或振動頻率大于1000次/min，取δ=20～30。本次設計δ取45°。由，K=4可得D=2.83 （5）拋擲指數D 它是承載槽體最大加速度垂直分量與重力加速度g之比即： (4-4) 式中是振動設備的傾角。 為使輸送物料呈微拋物狀態(tài)滑行，一般取11時，物料相對槽體的運動狀態(tài)以拋擲運動狀態(tài)為主，這樣可以降低物料運動的阻力和減少物料對槽體的磨損，但拋擲運動過于激烈又易使物料破碎或使輸送狀態(tài)不穩(wěn)。一般取1

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