基于单片机的振动传输教学系统关键技术研究

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摘要
- k5 [9 S9 q* [/ K% s! o鹫前，振动俦输被广泛用于电子、医药等轻工业领域跌及汽率、采矿、冶金、化工、建誊|等颁域。通
/ I& a/ v  [" Q: G; R过调查，发现对展示掇幼传输原理的振动传输教学系统研究很少。为推广振动传输技术，方便高校和企业
对该技术的学习和研究，对振动传输教学系娩的开发十分必要。
本文旨在研发一种基于单片机的振动传输教学系统，该系统由机械振动平台和控制系统两部分组成。
+ m3 U6 @  h: k& _桃械擐动平台包括参撅郝分、激振部分和底座i部分。控利系统主要衡童控制板和电源动放传媾扳两部分组
! l% i$ u) ~! ^8 u娥。主控耱扳趣捶革建飘模块、影D转纯模块、D／A转纯搂块、渡藏群最示搂块、事疆逶臻貘j臭和按键模
块。电源功蔽传巷板由电源模块、功率藏大棱块积俦惑器模块三都分缀成。系统敷辩槽攘蠛为控制对象，
由D／A转化模块产生难弦波经功率放大和半波熬流后驱动机械振动平台，传感器模块采阐搬动信号滤波后
/ _+ s% [$ x* Q; V: p缀A／D模块输入到单片机模块，从而实现了闭环控制。
本文对机械振动平静进行了建模，详细分析了工件在料槽中的蠛劫状态，并对T件传输速度进行了仿
- d* I! ]+ `) O9 Z: f0 t真计算，在此基础上捞建了振动传输系统实骏平台。通过实验手段研究了振动传输速度与振动升角、料槽
/ F" }& s7 A( r" S静角、振壤和激振频攀簿缀动参羲之闼的关鬃。在该实验平台孛，激旅籁率帮摄蜒通遘软俘改变，振动舟
; z- Y6 e  O* ~, ~8 [& i7 X5 T建秘瓣撵舞角遥过撬穰调簧，摩擦系数霹逶邂簧换王锌实瑷。
通过实验验证了傍粪结果的正确性，表明该教学系统可用于振动传输教学与研究。
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& h7 {# X! [5 j: j5 g第一章绪论
1．1课题背景及意义
振动机械是20世纪后半期得到迅速发展的一类机械，它是利用共振原理来完成各种工艺过程的机械
: m6 t+ C6 \- n: V6 v( ?: u4 O设备。目前这类机械已广泛应用于工农业各领域，例如采矿、机械、建筑、轻工、食品等。电磁振动料斗，
9 {' p" Y' _9 u( A$ s5 o# U" [" K% k简称振动料斗，是振动机械的典型代表，它是一种利用电磁力实现连续送料的装置“1。电磁振动料斗靠电
磁力带动料斗作周期性往复振动，利用共振原理使得工件沿着料槽运动，从而达到送料的目的。由于它具
  u& t0 ?* \' Z8 Q. s! p8 S有不需要传动装置、无部件之问的相互摩擦、无需润滑、可靠性高、上料平稳等优点，因而在国民经济中
得到广泛的应用。振动料斗是利用振动使工件排列和定向供料的装置，由于其优良的整列定向性能，因此
特别适用于小零件的自动供料，在许多轻工业生产部门(如钟表，自行车、日用五金、制笔、塑料、食品、
日化用品等行业)中得到比较广泛的应用。特别是在自动化生产线上．在小型零件加工生产线上、电子、
$ C1 K' r5 {% B4 P5 Y医药等轻工业领域以及汽车、采矿、冶金、化工、建材等领域得到了越来越多的应用”’。
* x2 ]4 i8 N# h7 F" H9 z据报道，振动料斗及其相关传输装置约占自动装配系统总成本的1／3．另外，有关研究表明自动化生
9 D9 m) }0 @+ _( a3 I产系统失败的事例中约有一半与振动料斗有关”1。由此可见对振动料斗进行深入研究的必要性。振动料斗
的研究已有一段历史，自四十年代末开始使用直线式电磁振动料斗送料起，振动料斗的发展已经经历了半
( V$ G5 r# G/ _+ A2 r个多世纪，可以说振动料斗的研究和发展是机械制造业50年发展的缩影，从最初的机械驱动方式到电磁
驱动方式再到以压电陶瓷为代表的晶体压电式驱动方式；从振动料斗最初依靠经验积累的人工修磨到许多
先进的制造技术，如计算机辅助设计(CAD)、动态仿真与控制(DS＆c)、柔性制造(F姒)等都渗透到这一领域。
振动传输的广泛应用加快了对其研究的步伐，研究振动传输装置的单位较多，而研究用于教学的振动
. y7 x) ^  v/ H+ c7 \) \传输系统却很少。为了更好地研究振动传输，这就需要一种能展示振动传输原理的仪器一振动传输教学
/ Q( H, W+ I6 }" L系统。振动传输教学系统就是一种通过改变振动参数(料槽升角a、振动升角B、振幅、激振频率)，来
0 y) e- M* G: T6 N% ?1 }研究工件传输情况的仪器。振动传输教学系统的研制有很大的意义，有利于振动传输的教学与研究。目前，
$ M6 D6 S! u0 Z6 }# A许多高校都开设了振动课程，有了振动传输教学系统就有利于高校教学，使同学们更容易理解振动的原理
) B2 W) \1 G2 }1 Y" ]+ F( P. l及其应用。由于振动传输的广泛应用，企业也需要用它作为员工技术培训的仪器。因此，研究本课题具有
: x% i; b+ b( u( p5 b- t! Y很大的意义。本课题也就是基于此目的而提出的。
1．2振动传输概述
' M. |" _5 O' M0 A4 N8 G; S通常认为振动是有害的，因而要通过隔振或主动控制等措施予以消除．事实上，振动也有其有利的一
6 U* I. c/ p% @. D& m) \: R& B面，利用振动原理可以实现一般机械所难以达到的功能，振动送料即是其中一例。振动输送机械节能，
- |: y" k' Z/ i7 z. F0 \% N+ G  P体积小、耗电省、效率高，可用于输送物料、给料或卸料工作效率高，结构简单，易输送高温等其他输送
方式不宜实现的物料，输送量均匀、可调。因为其实现了连续送料，并且由于是微幅振动，工件在料槽上
平稳传输，所以在此过程中没有剧烈的冲击和碰撞，且不需要机械传动装置，所以摩擦磨损很小，噪声小，
寿命长，故障少，维护比较简便，而且制造成本也较低，另外，可以通过在料盘上设计一系列的定向、推
挡机构方便的实现工件的定向、剔除、分选，因此它在工业自动化生产上占有重要的地位。
1．2．1振动传输装置的特点
& E/ ]; I  }  T$ r5 i; j振动传输装置与其他形式的工件定向供料机构相比，具有如下优点：
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% h4 f% d- [0 T: [% Y/ M东南大学硕上学位论文
0 d7 ?, S  e+ R( z! {& U; z4 B8 O1．由于振动传输装置无需机械传动装置，没有相互摩擦的运动部件，无需润滑，故易于维护，故障
0 h/ l/ z! h2 `% p少，可靠性高。
1 u, I! T, A% ^9 ~2．由于是微幅振动，工件在料槽上能平稳传输，不发生机械搅拌、撞击和强烈的摩擦作用，因而工
作平稳。
3．适用范围很广．一般中小型零件都能适用，特别适用于那些尺寸小、重量轻、强度低的零件自动
( `$ Q3 C: ?% W上料，且易于标准化、系列化、通用化。
; m4 E: f  D/ p8 L, Y4．传输效率高。如直径为300ram的振动传输装置，上料速度可达4一lOre／rain。
5．由于靠振动传输工件，机械结构紧凑，维护方便，故使_【}j寿命长，成本低。
振动传输装置的缺点主要有以下几点：
4 ~" w0 a. a! c7 U0 j) A$ L1．工作时有噪音，特别当工件较大或振动间隙调整不当时，会产生较强烈的撞击噪音。设计正确和
调整合适时，可以减小或避免噪声，对大型振动传输装置应以隔罩进行屏蔽。
2．不宜输送尺寸和重量较大或有油污、水渍的零件。对于全部浸泡在机油或乳化液中的工件，仍能
定向供料。
3．在振动传输装置的设计与制造过程中存在着一个非常突出、棘手的问题。以前料盘设计与制造往
: _9 v& V0 Y- T: }4 |  @$ e+ X- A往需要由手工来完成，在实际制造中，只能凭经验来做，边调整边修磨，加：T=周期很长，而且过分依赖工人
5 g; \; C6 b8 m& D. a8 u师傅的经验技术，有着很大的不确定性。一旦传送的工件发生了改变，料盘和定向机构必须重新设计、加
' x( [+ J+ g& B( s工，造成人工和成本的很大浪费。国外常把零件定向传输方法及相应的定向机构作为企业的专门技术，甚
至“黑色艺术”。
& L1 {( f$ p4 q, l2 E0 ?! q1．2．2振动传输装置的分类
2 N* Y5 f! z, m" q2 L振动传输装置结构多样，可按以下几种方式进行分类：
5 _( w% E3 d4 J3 x1 i% r/ v一．按振动传输装置的运动方式可分为：
1．直线型振动料斗。它是较为常用的料斗形式之一。直线型又分轴向振动和径向振动两种。
2．平旋型振动料斗．平旋型又可细分为椭圆振动、圆振动和扭振动三种。
3．涡旋型振动料斗。
二．按振动传输装置的驱动方式可分为：
( L6 d8 N1 A0 W! X( O4 I! [1．惯性式振动料斗．它是利用惯性力来驱动料斗工作的，可细分为震动电机、偏心激振器和惯性激
振器三种。
2．电磁式振动料斗。这种形式的振动料斗是应用最为广泛的一种料斗形式。在电磁铁线I翻输入交变
/ n9 T; Q: j" b( T# m电流，铁芯和衔铁在磁力的作用下产生吸合运动，带动倾斜安装的支撑弹簧产生微幅往返扭振，料盘则在
弹簧的作用下，作小振幅高频率的上下往复运动。
% Q* d7 ], w8 O" G3．液力式振动料斗。可分为液力马达和液力激振器两种。由于其结构复杂，噪音难以消除，故目前
以很少采用。
4．气动式振动料斗。有启动马达驱动和空气激振器驱动等方式。由于结构复杂，成本较高，故目前
很少采用。
0 R* k! i6 s- f) W" m( [* T' D5．压电晶体式振动料斗这是一种新型的，越来越广泛被采用的振动方式。弹簧钢片的两面都涂敷有
压电晶体层，通过输入交流电压，压电晶体产生伸缩运动，驱使弹簧片进行往复弯曲弹性变形，从而驱使
! k* C# Q" c+ A1 r' M1 W料盘按所需的方式振动，实现工件的定向输送。
4 l7 |! ~$ S3 j: U0 }, h三．振动传输装置按照主振弹簧形式可以分为：
: Y- N: j! I8 `  N, L7 r- P- D1．板弹簧式电磁振动料斗。
8 y# H! G( f1 P6 S- J' P2．螺旋弹簧式电磁振动料斗。
3．橡胶弹簧式电磁振动料斗。
9 h& {2 A' M1 J, |$ D  U; q四．振动传输装置按照工作状态可以分为：
1．超远共振式振动料斗。频率比Z=2．5～3。
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" `: o9 I6 f! E- U第一章绪论
2．低近共振式振动料斗。频率比Z=0．7～0．95。
五．振动振动传输装置按给料量调节方式可以分为：
2 F$ N" ?6 U# V& z' C/ n6 w! R9 D0 d1．调节振幅和频率的调节方式。分为调节激振力和调节激振方向两种。
1 W$ W7 W  S" [+ n0 Y2．调节给料截面的方式。一般有手动闸门、电动闸门、气动闸门和液压闸门等。
8 R. N, x, C  n六．振动传输装置从供电方式看，可以分以下三种： 1．交流激磁。即直接通交流电，系统振动频率6000姗，对应于50Hz。一般用于微型激振器。
2．半波整流供电。应_【}=l整流二极管整流，相当于应用了正弦波的半个周期，所以振动频率3000次／分。
- _  ], ^* k; c. }6 R: m目前可利用可控整流器调节电流。
3．半波整流加直流。振动频率3000；次．／分。
1．2．3两种典型的振动传输装置
5 A( U8 N3 g2 G9 W- f0 o  U电磁振动料斗如图卜1所示，由具有螺旋料槽的料盘，支承弹簧，电磁振动器，底座及减振底脚等基
3 }; z$ q3 C0 G5 u# y本构件组成。当电磁铁线圈中通入交变电流后，电磁铁吸合，料盘被带动，当线圈中没有电流时，在弹簧
恢复力的作用下，料盘被带动，如此往复作小振幅高频率的上下往复振动。工件在惯性力、重力和摩擦力
) Y( f$ o* Z) |% S! J8 H. {( e的综合作用下，沿科盘内壁的螺旋槽向上移动。并在上移过程中通过定向机构自动定向，然后由料盘上部
出口处进入输料槽，送往加工位置。通过改变电磁铁线圈的输入电压，可以调整料盘的振幅，进而调整料
斗的送料率。上述电磁铁驱动方式是晟常见、最基本的一种驱动方式。
) \8 R$ J8 L  |图1-1电磁式振动料斗
  _6 |( ~& h# A4 z- F1．料盘2．支撑弹簧3．电磁振动器
) L( y) p/ V9 }6 n; R  u' Y4．底座5．减振底脚
6 r$ `# U: H0 L; f图卜2压电式振动料斗
1．料盘2．弹簧片3．压电晶体层
  e9 Z+ R4 z0 I+ i  y4．钢片5．引线6．底座7．减振底脚
- z8 n. ^, x, }! Q; u如图1—2所示为一种压电晶体驱动的振动料斗结构示意图，钢片的两面都涂覆了压电晶体层，通过引
线输入交流电压，压电晶体产生伸缩运动，驱使钢片和弹簧片进行往复弯曲弹性变形，从而驱使料盘按所
( \5 I. b. L" i& t4 T需方式振动，实现对工件的定向与输送．这种驱动方式取消了电磁铁，简化了机械结构，并使得调试、保
养及维修更加方便快捷。
$ E- R1 n$ t( l# G1．2．4振动传输装置的工作原理
$ N' Z9 h/ P- @% A4 t4 w; b. a; r  A如图卜3所示，料槽1由固定在底座6上的板弹簧3支承，电磁振动器的铁芯和线圈4固定在底座上，衔铁
* v# g7 A# ?2 ]: ?7 h& Y5固定在料槽底部，当工频交流电或经半波整流的脉动电压通入线圈后。在电流从零升到最大的l／4周期内，
电磁吸引力逐渐增大，料槽被吸引向左下方运动，而当电流从最大逐渐降到零时，料槽在支承弹簧的作用
* r6 N1 G  x& q( F下向右上方返回。由此不断产生往返振动，位于料槽上的工件2在惯性力、重力和摩擦力的综合作用下便
产生自左向右的上升运动。图中，B称为振动升角，就是料槽振动方向与工件沿料槽运动方向问的夹角a
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调节给料截面的方式。一般有手动闸门、电动闸门、气动闸门和液压闸门等