本發(fā)明涉及機械設計領域，主要涉及曲柄滑塊領域，尤其涉及一種基于對心曲柄滑塊機構的振動聲混合平臺設計方法。

背景技術：

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)的物料達到隨機分布的均勻狀態(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，導致混合難以實現(xiàn)混勻化。此外，傳統(tǒng)捏合機的鍋壁、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，很難實現(xiàn)均勻分散。

一種振動聲混合技術，或者叫共振聲混合技術隨著化工材料的發(fā)展應運而生。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，進行物料內(nèi)部的微觀質(zhì)量交換。基于振動聲的混合工藝具有混合無死角、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)生加速度的設備主要有偏心慣性激振器、電磁激振器、電機-彈簧激振器等。面對振動聲混合技術的發(fā)展，提供更多種類振動聲混合平臺的設計方法對于該技術應用于不同場合和工業(yè)化普及至關重要。

技術實現(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構的振動聲混合平臺設計方法，通過曲柄滑塊機構基本原理的應用，振動聲混合平臺的負載需求、加速度需求等進行設備結(jié)構和力學的設計選型，實現(xiàn)一種結(jié)構簡單、造價低廉、可靠性強的大負載、高加速度混合平臺的設計。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于對心曲柄滑塊機構的振動聲混合平臺設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

A、確定平臺負載：確定平臺負載m，0kg<m≤50kg；

B、確定平臺最大加速度：確定平臺所需達到的最大加速度a_max，10g≤a_max≤200g，其中g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；

對心曲柄滑塊機構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，正負號代表方向，絕對值代表大小，設計中確定平臺所需達到的最大加速度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)動電機數(shù)量及分布：驅(qū)動電機為步進電機或伺服電機，數(shù)量為N，2≤N≤6，呈中心對稱分布；

I、確定電機扭矩：電機扭矩為M；電機扭矩可根據(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，每臺電機所需扭矩M＝M_max/N?？紤]到計算過程中未將平臺及各零件自身質(zhì)量計入，電機扭矩需乘以一個安全系數(shù)κ，κ＝1.5-3。

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

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

附圖說明

圖1為一種基于對心曲柄滑塊機構的振動聲混合平臺設計所依據(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。

具體實施方式

下面結(jié)合發(fā)明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明。

圖1給出設計方法過程的基本原理以及設計過程所用符號直觀意義，在圖1的基礎上實現(xiàn)本發(fā)明設計方法的詳述。

一種基于對心曲柄滑塊機構的振動聲混合平臺設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

A、確定平臺振動頻率：確定平臺負載m，0kg<m≤50kg；

B、確定平臺最大加速度：確定平臺所需達到的最大加速度a_max，10g≤a_max≤200g，其中g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；

對心曲柄滑塊機構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，正負號代表方向，絕對值代表大小，設計中確定平臺所需達到的最大加速度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)動電機數(shù)量及分布：驅(qū)動電機為步進電機或伺服電機，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，可以使用步進電機，通過上位機的混合程序發(fā)出控制指令的模擬信號，通過多軸運動控制器控制電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)所需的加速度要求。由于步進電機為開環(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。

I、確定電機扭矩：電機扭矩為M；電機扭矩可根據(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，每臺電機所需扭矩M＝M_max/N?？紤]到計算過程中未將平臺及各零件自身質(zhì)量計入，電機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，假設所采用驅(qū)動電機數(shù)量為四個，則每個電機所需提供的最大扭矩為64.5Nm。

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

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的說明，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術方案基礎上做的同等變換均落入本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

本實施例設計負載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；進而求得連桿長度L＝R/λ＝46mm。選擇電機數(shù)量N＝6個，通過數(shù)值求解求得最大扭矩M_max＝224Nm，進而求得每臺電機所需提供最大扭矩為37Nm。

實施例2

本實施例設計負載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；進而求得連桿長度L＝R/λ＝12mm。選擇電機數(shù)量N＝2個，通過數(shù)值求解求得最大扭矩M_max＝62Nm，進而求得每臺電機所需提供最大扭矩為31Nm。

實施例3

本實施例設計負載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；進而求得連桿長度L＝R/λ＝66mm。選擇電機數(shù)量N＝4個，通過數(shù)值求解求得最大扭矩M_max＝230Nm，進而求得每臺電機所需提供最大扭矩為58Nm。

實施例4

本實施例設計負載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；進而求得連桿長度L＝R/λ＝260mm。選擇電機數(shù)量N＝3個，通過數(shù)值求解求得最大扭矩M_max＝45Nm，進而求得每臺電機所需提供最大扭矩為15Nm。