CN106693807B - 一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台，为振动声混合技术的发展和应用提供了新的实现途径。本发明包括支架(1)、电机(2)、轴承(3)、偏心盘(4)、螺栓轴承(5)、连杆(6)、十字万向节(7)、滑杆(8)、直线导轨(9)、物料平台(10)，所述轴承(3)、偏心盘(4)连接电机输出轴(21)；偏心盘(4)的中孔(41)连接于电机输出轴(21)，偏心盘(4)的偏心孔(42)连接于连杆(6)的一端；连杆(6)的另一端连接滑杆(8)的一端；滑杆(8)的另一端连接物料平台(10)；滑杆(8)穿过直线导轨(9)。本发明结构简单、造价低廉、可靠性强、能够实现100g级别加速度条件下的物料振动声混合需要。

Description

一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台
技术领域
本发明涉及机械设计领域，主要涉及曲柄滑块领域，尤其涉及一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台。
背景技术
混合是利用混合装置使性质或形态不同、呈分区状态的物料达到随机分布的均匀状态，可以分为固-固混合、液-液混合、气-液混合和固-液混合。
工业中常用的混合工艺有搅拌混合、捏合机混合、滚筒混合及超声混合等。随着化工材料的发展，特别是纳米材料的应用，现有混合工艺在混合均匀性上具有一定的局限性。由于纳米材料的比表面积大，比表面能高，极易产生自发凝并、团聚现象，而传统叶片或螺杆元件式混合工艺的混合区域主要集中在混合元件的周围，且混合尺度较大，无法将被包裹的纳米材料颗粒均匀分散在被混物料体系中，导致混合难以实现混匀化。此外，传统捏合机的锅壁、锅底等位置与捏合桨之间存在间隙和死角，发生固料的沉积，混合效率不高、效果不佳，特别是对于某些含量很少(0.1％)的功能组分，其会在固相体系间局部裹挟，很难实现均匀分散。
一种振动声混合技术，或者叫共振声混合技术随着化工材料的发展应运而生。其主要原理是使被混物料处于大加速度条件下，物料一方面在振动的作用下发生质量交换，同时由混合容器底部传递的振动声波在物料内部发生传播和衰减，进行物料内部的微观质量交换。基于振动声的混合工艺具有混合无死角、无混合桨叶的介入、混合尺度小等优势而被广泛研究。
产生振动声混合的重要条件是被混物料所受的大加速度。目前，常用来产生加速度的设备主要有偏心块惯性激振器、电磁激振器、电机-弹簧激振器等。面对振动声混合技术的发展，提供更多种类振动声混合平台对于该技术应用于不同场合和工业化普及至关重要。
发明内容
针对以上背景中所述振动声混合的优势以及加速度对混合的关键作用，本发明的目的在于提供一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台，这种平台能够实现被混物料在竖直方向的往复运动，运动加速度呈正弦函数。该类平台结构简单、造价低廉、可靠性强。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台，包括：支架、电机、轴承、偏心盘、螺栓轴承、连杆、十字万向节、滑杆、直线导轨、物料平台，所述轴承、偏心盘通过键槽连接在电机输出轴上，其中轴承靠近电机一侧，电机和轴承均固定在支架上；偏心盘的中孔连接于电机输出轴，偏心盘的偏心孔通过螺栓轴承连接于连杆的一端；连杆的另一端通过十字万向节连接于滑杆的一端；滑杆的另一端通过螺纹孔连接物料平台；滑杆穿过固定在支架上的直线导轨。
所述电机、轴承、偏心盘、螺栓轴承、连杆、十字万向节、滑杆、直线导轨共同组成一副振动分支，整个振动声混合平台包括绕振动声平台中心轴沿周向均匀分布的2-6副振动分支。
所有振动分支的电机均通过各自的控制器连接到多轴运动控制器上，多轴运动控制器连接上位机，上位机中集成特定被混物料的混合工艺程序，该工艺程序为最大加速度amax和时间t的函数；通过偏心盘的偏心距离以及电机的转速的调节，可以实现混合工艺程序的连续化调节。
所述电机旋转频率为0Hz-200Hz，所述物料平台振动加速度为10g-200g，其中g为重力加速度。
所述偏心盘上可根据需要开设能代表不同曲柄半径的偏心孔。
所述物料平台(10)与混合容器底部紧密贴合，在对应混合量级和最大工作加速度amax条件下物料平台(10)与混合容器的最大分离距离不超过偏心盘(4)偏心半径的0.5‰；所述物料平台(10)可以根据具体混合物料进行更换，所采用材质及尺寸保证在对应混合量级和最大工作加速度amax条件下物料平台(10)的最大形变位移不超过偏心盘(4)偏心半径的5‰，以保证声波产生的强度。
与现有技术相比，本发明的优点是：(1)提供了一种新型振动声混合平台，能够实现振动宏观混合和声波微观混合的耦合，有利于纳米材料、高粘态材料的均匀分散；(2)该平台结构简单、造价低廉、可靠性高，频率和加速度的控制不受负载变化的影响；(3)能够在紧凑结构的条件下实现大加速度和大负载的兼顾，适合于形成产品。
附图说明
图1为本发明的组装结构侧示图。
图2为本发明的组装结构正示图。
图3为本发明的偏心盘结构示意图。
图4为本发明的物料平台结构示意图。
图5为本发明的控制系统连接示意图。
图中：1、支架，2、电机，3、轴承，4、偏心盘，5、螺栓轴承，6、连杆，7、十字万向节，8、滑杆，9、直线导轨，10、物料平台，21、电机输出轴，41、中孔，42、偏心孔，101、螺纹，102、凹槽，103、固定孔。
具体实施方式
下面结合发明书附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
图1和图2所示为一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台的整体结构示意图，包括支架1、电机2、轴承3、偏心盘4、螺栓轴承5、连杆6、十字万向节7、滑杆8、直线导轨9、物料平台10，轴承3和偏心盘4通过键槽连接在电机输出轴21上，其中轴承3靠近电机2一侧，电机2和轴承)均固定在支架1上；偏心盘4的中孔41连接于电机输出轴21，偏心盘4的偏心孔42通过螺栓轴承5连接于连杆6的一端；连杆6的另一端通过十字万向节7连接于滑杆8的一端；滑杆8的另一端通过螺纹孔101连接物料平台10；滑杆8穿过固定在支架1上的直线导轨9。
电机2、轴承3、偏心盘4、螺栓轴承5、连杆6、十字万向节7、滑杆8、直线导轨9共同组成一副振动分支，整个振动声混合平台包括绕振动声平台中心轴沿周向均匀分布的2-6副振动分支。
所有振动分支的电机2均通过各自的控制器连接到多轴运动控制器上，多轴运动控制器连接上位机，上位机中集成特定被混物料的混合工艺程序，该工艺程序为最大加速度amax和时间t的函数；通过偏心盘4的偏心距离以及电机2的转速的调节，可以实现混合工艺程序的连续化调节。
电机2为整个平台的动力源，旋转频率为0Hz-200Hz，物料平台10在电机2驱动下可实现的振动加速度为10g-200g，其中g为重力加速度。
图3所示为偏心盘4的结构示意图，偏心盘4上可开设多个不同偏心孔，用以提供不同曲柄半径，使电机2转速在0Hz-200Hz之间调节时，使物料平台10的最大加速度在10g-200g范围内变动。
图4所示物料平台10的结构示意图，物料平台10的正中心设置与所加载混合容器底面尺寸相同的凹槽102，并设置用于固定混合容器的固定孔103。物料平台10的尺寸和结构形式不局限于此，重要的是使物料平台10和混合容器底部紧密贴合，在对应混合量级和最大工作加速度amax条件下物料平台10与混合容器的最大分离距离不超过偏心盘4偏心半径的0.5‰，最大程度保证被混物料能够得到所输出的混合工艺参数。
物料平台10可以根据具体混合物料进行更换，所采用材质及尺寸保证在对应混合量级和最大工作加速度amax条件下物料平台10的最大形变位移不超过偏心盘4偏心半径的5‰，以保证声波产生的强度。振动声混合平台混合过程中的微混合作用主要是由物料平台10产生的振动机械波(这里称为声波)在物料内部的传播衰减产生的，因此，声波产生的强度是微混合效果的关键影响因素。通过提高物料平台10的刚度，使电机2的驱动力最大化转变成为物料平台10的振动力，有助于保证声波的强度。
图5为本发明控制系统连接示意图，图5中的电机采用步进电机或伺服电机。对于控制精度要求较低的场合，可以使用步进电机，通过上位机的混合程序发出控制指令的模拟信号，通过多轴运动控制器控制电机转速，实现所需的加速度要求。由于步进电机为开环控制，工作过程中可能出现丢频现象，造成不同电机2之间产生相位差，造成平台的倾斜。因此，对于精度要求较高的控制场所，采用具有闭环控制功能的伺服电机。
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的同等变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
本实施例设计负载m为50kg，最大加速度amax为200g，平台振动频率f为100Hz,曲柄角频率为ω＝2πf＝628rad/s，连杆比λ为0.1。将amax、ω、λ代入公式amax＝Rω2(λ+1)求得曲柄半径R为4.6mm；进而求得连杆长度L＝R/λ＝46mm。电机均匀带有水冷的伺服电机，选择电机数量N＝6个，通过数值求解求得最大扭矩Mmax＝224Nm，进而求得每台电机所需提供最大扭矩为37Nm。
实施例2
本实施例设计负载m为50kg，最大加速度amax为200g，平台振动频率f为200Hz,曲柄角频率为ω＝2πf＝1256rad/s，连杆比λ为0.1。将amax、ω、λ代入公式amax＝Rω2(λ+1)求得曲柄半径R为1.2mm；进而求得连杆长度L＝R/λ＝12mm。电机均匀带有水冷的伺服电机，选择电机数量N＝2个，通过数值求解求得最大扭矩Mmax＝62Nm，进而求得每台电机所需提供最大扭矩为31Nm。
实施例3
本实施例设计负载m为10kg，最大加速度amax为100g，平台振动频率f为20Hz,曲柄角频率为ω＝2πf＝125.6rad/s，连杆比λ为0.6。将amax、ω、λ代入公式amax＝Rω2(λ+1)求得曲柄半径R为40mm；进而求得连杆长度L＝R/λ＝66mm。电机均匀带有水冷的伺服电机，选择电机数量N＝4个，通过数值求解求得最大扭矩Mmax＝230Nm，进而求得每台电机所需提供最大扭矩为58Nm。
实施例4
本实施例设计负载m为10kg，最大加速度amax为10g，平台振动频率f为5Hz,曲柄角频率为ω＝2πf＝31.4/s，连杆比λ为0.3。将amax、ω、λ代入公式amax＝Rω2(λ+1)求得曲柄半径R为78mm；进而求得连杆长度L＝R/λ＝260mm。电机均匀带有水冷的伺服电机，选择电机数量N＝3个，通过数值求解求得最大扭矩Mmax＝45Nm，进而求得每台电机所需提供最大扭矩为15Nm。

Claims (4)

1.一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台，包括：支架(1)、电机(2)、轴承(3)、偏心盘(4)、螺栓轴承(5)、连杆(6)、十字万向节(7)、滑杆(8)、直线导轨(9)、物料平台(10)，其特征在于，所述轴承(3)、偏心盘(4)通过键槽连接在电机输出轴(21)上，其中轴承(3)靠近电机(2)一侧，电机(2)和轴承(3)均固定在支架(1)上；偏心盘(4)的中孔(41)连接于电机输出轴(21)，偏心盘(4)的偏心孔(42)通过螺栓轴承(5)连接于连杆(6)的一端；连杆(6)的另一端通过十字万向节(7)连接于滑杆(8)的一端；滑杆(8)的另一端通过螺纹孔(101)连接物料平台(10)；滑杆(8)穿过固定在支架(1)上的直线导轨(9)；所述电机(2)、轴承(3)、偏心盘(4)、螺栓轴承(5)、连杆(6)、十字万向节(7)、滑杆(8)、直线导轨(9)共同组成一副振动分支，整个振动声混合平台包括绕振动声平台中心轴沿周向均匀分布的2-6副振动分支；所有振动分支的电机(2)均通过各自的控制器连接到多轴运动控制器上，多轴运动控制器连接上位机，上位机中集成特定被混物料的混合工艺程序，该工艺程序为最大加速度amax和时间t的函数；通过偏心盘(4)的偏心距离以及电机(2)的转速的调节，可以实现混合工艺程序的连续化调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台，其特征在于，所述电机(2)为步进电机或伺服电机，旋转频率为0Hz-200Hz；所述物料平台(10)振动加速度为10g-200g，其中g为重力加速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台，其特征在于，所述偏心盘(4)上可根据需要开设能代表不同曲柄半径的偏心孔(42)。
4.根据权利要求1所述的一种基于对心曲柄滑块机构的振动声混合平台，其特征在于，所述物料平台(10)与混合容器底部紧密贴合，在对应混合量级和最大工作加速度amax条件下物料平台(10)与混合容器的最大分离距离不超过偏心盘(4)偏心半径的0.5‰；所述物料平台(10)可以根据具体混合物料进行更换，所采用材质及尺寸保证在对应混合量级和最大工作加速度amax条件下物料平台(10)的最大形变位移不超过偏心盘(4)偏心半径的5‰，以保证声波产生的强度。
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