CN113601486B - 一种基于磁性液体一阶浮力原理精密分选非导磁物质的装置及方法 - Google Patents

一种基于磁性液体一阶浮力原理精密分选非导磁物质的装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于磁性液体一阶浮力原理精密分选非导磁物质的装置和方法，具体涉及一种自动浮选分离未知物质的装置及其使用方法，所用装置包括：直角坐标机器人(1)、末端执行器(2)、机架(3)、磁源升降平台(4)、载物平台(5)。磁源升降平台(4)移至合适位置提供磁场，基于一阶浮力原理将载物平台(5)上的未知物质悬浮起后，直角坐标机器人(1)将末端执行器(2)移动到相应位置进行抓捕，实现分离操作。传感器测得分离前后容器重量的变化及液面高度变化，得出所分离物质的质量和体积，进而求其密度，可同基于一阶浮力原理计算的理论值进行对比，提高准确性和可靠性，弥补现有分离方法无法立刻对所分离物质进行定量分析的空白。

Description

一种基于磁性液体一阶浮力原理精密分选非导磁物质的装置 及方法
技术领域
本发明属于使用磁性液体精密分选非导磁物质的装置及方法，具体涉及一种自动浮选分离领域，特别适用于非导磁物质的分选。
背景技术
磁性液体是人工合成的无毒无污染的新型功能材料，由直径为纳米量级的磁性颗粒，基载液和表面活性剂三部分组成，兼具固体材料的磁性和液体材料的流动性，可对外加磁场迅速做出反应，呈现出许多特殊的磁能和力学特性。磁性液体的悬浮特性(包括一阶浮力原理和二阶浮力原理)是其最主要的静力学特性之一，一阶浮力原理指的是磁性液体在外加非匀强磁场的作用下可以将密度比自身大的非导磁体悬浮起来，此特性在矿物分选领域有着很大的应用潜力。
现有文献出现的磁选方法或装置大多以磁性液体为分选介质，利用其在磁场下产生的“加重”作用，按矿物的磁性和密度的差异而使不同矿物实现分离，多用于矿物之间磁性差异大或密度、导电性差异较大的情况，但由于浸没于磁性液体中的永磁体矿物会对磁性液体本身的磁化产生影响，并且用永磁体与外部磁源之间也会有相互作用力的产生，这种复杂的相互作用环境下设备的稳定性不能得到很好的保障。而磁性液体一阶浮力原理的应用则可以有效的规避以上问题，因为在一阶浮力原理的应用中悬浮在磁性液体中的是非导磁体而不是永磁体，这样就避免了多个导磁体之间的相互影响，提高了设备的稳定性和灵敏度。
近几年的磁选分离装置的专利设计都集中在粒度分选、静力分选及分离磁性物质上，如CN210496625，提出了一种破碎分选的方式，即将矿物颗粒破碎至所需粒度再将其分选，但此方法不仅会使矿物受到一定程度的破坏，且功耗较大，操作具有一定的危险性；CN212916118U设计了一种依靠原料自身重力进行分选的装置，但分选速度较慢，且受磁性液体粘度影响较大；CN102641777A提出了一种分离磁性物质的方法，但设备较为复杂，且不能对所分离出的物质进行定性定量分析。截至目前，利用磁性液体一阶浮力原理进行非导磁物质的分选及其定性定量分析的方法较少，故此分选方法的原理如下：使用永磁体作为磁源，通过改变永磁体与磁性液体的距离来改变浸没在磁性液体中的非导磁物质的受力情况。当非导磁物质悬浮在指定的高度时，通过装载在直角坐标机器人上的末端执行器将其打捞出来，同时处理传感器所得数据，求出所分离的范围在0.8g/cm3～8.9g/cm3非导磁物质的密度，从而进行定性定量分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：在选矿分离过程中无法对非导磁物质进行精密分选且对其进行定性分析的问题。
为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：一种基于磁性液体一阶浮力原理精密分选非导磁物质的方法，该方法所用装置包括：直角坐标机器人、末端执行器、机架、磁源升降平台、载物平台。其中，直角坐标机器人焊接于机架顶部，磁源升降平台放置于机架底部，载物平台胶接于机架中部，末端执行器安装于直角坐标机器人的Z轴移动端。
直角坐标机器人包括电机、移动端滑块、联轴器、滚珠丝杠、直角坐标，其中，电机安装于直角坐标的Z轴上部电机座上，移动端滑块通过螺栓连接安装于直角坐标的Z轴导轨上，联轴器一端安装于电机的轴上，另一端与滚珠丝杠连接，直角坐标机器人拥有X、Y、Z三个方向的运动自由度，从而可以准确定位到所需分离非导磁物质的位置。
末端执行器包括电机、连杆、滤网、挡板、螺杆、滑块，其中，电机安装在电机座，螺杆通过键安装在电机的输出轴，连杆铰接在电机座的两侧，滑块螺纹套设在螺杆上，连杆通过销同滑块相连，滤网、挡板通过螺栓连接安装在连杆上，通过各部分联动以实现对所需分离的非磁性物质的打捞。
机架包括铝合金立柱、托板、测距传感器、蹄脚，其中，铝合金立柱之间通过焊接形成立方体框架，给直角坐标机器人提供安装位置，同时在其底部中心攻螺纹孔，从而将蹄脚固定在铝合金立柱上，托板与铝合金立柱胶接处理，以支撑载物平台，测距传感器胶接在铝合金立柱下部，以检测磁源的移动距离，机架各个面使用钢化玻璃封闭，提高装置稳定性。
磁源升降平台包括永磁体、升降板、剪叉机构、滑块、电机、联轴器、丝杠，其中，永磁体胶接在升降板中心部位，联轴器一端安装于电机的轴上，另一端与丝杠连接，滑块与丝杠通过螺纹连接安装，剪叉机构通过轴与滑块连接，并与升降板安装结合，通过各部分联动，实现磁源的上下移动，以保证磁性液体的表观密度发生改变从而提供足够的一阶浮力使不同密度的物质发生分离。
载物平台包括装有磁性液体和待分选未知物质的容器、第一盛装所分离非导磁物质的容器、载物板、称重传感器、液位传感器、第二盛装所分离非导磁物质的容器，其中，装有磁性液体和待分选未知物质的容器、第一盛装所分离非导磁物质的容器、第二盛装所分离非导磁物质的容器胶接在载物板上部，称重传感器胶接在载物板下部，液位传感器通过螺纹连接安装在装有磁性液体和待分选未知物质的容器内壁上并垂直放置。
在整机工作时，通过控制磁源升降平台中电机的转动，通过联轴器传递给丝杠，丝杠转动带动滑块平动，继而带动剪叉机构的折叠与展开，最终将电机的转动转化为永磁体的上升与下降，给装有磁性液体和待分选未知物质的容器提供合适的磁场，使其中的非导磁物质悬浮；末端执行器中电机带动螺杆转动，螺杆通过螺旋传动将自身转动转化为方形滑块的上下平动，滑块带动连杆运动，控制两侧抓捕机构打开；直角坐标机器人带动末端执行器伸入装有磁性液体和待分选未知物质的容器中非磁性物质的悬浮深度内，同时末端执行器的两侧抓捕机构闭合，滤网过滤磁性液体将其与非磁性物质分离，挡板防止非磁性矿物从两侧漏出，通过直角坐标机器人带动末端执行器将所打捞出的非磁性物质放入第一盛装非导磁物质的容器或第二盛装非导磁物质的容器，从而实现分离操作，并通过测距传感器、称重传感器、液位传感器获得的数据，进行定性定量分析。
本发明的有益效果
永磁体在磁源升降平台的作用下移至合适位置为磁性液体提供磁场，磁性液体在磁场的作用下基于一阶浮力原理将内部的非导磁物质悬浮起之后，末端执行器对其进行抓捕，滤网过滤磁性液体，不同密度未知物质在不同磁场下实现分离。同时，装置配备称重传感器及超声波传感器测得分离前后容器整体重量的变化以及液面高度变化，即可获得所分离非磁性物质的质量和体积，进而求其密度；此外，基于一阶浮力原理，可通过磁源位置的变换对所分离的非磁性物质的密度进行理论值计算，可与实测的密度进行对比修正，提高分析准确性和可靠性，弥补现有分离方法无法立刻对所分离物质进行定量分析的空白。与以往的分离方法相比，此方法不仅可以迅速分离非导磁物质，同时可定量得出未知物质密度，进而估测物质元素和类属。此发明预期会在贵重材料的二次精密分选、未知物质初步定性判断、科普演示及益智玩具开发等领域具备潜在应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的明显变形方式。
图1一种基于磁性液体一阶浮力原理精密分选非导磁物质的方法示意图。
图2直角坐标机器人示意图。
图3末端执行器示意图。
图4机架示意图。
图5磁源升降平台示意图。
图6载物平台示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以附图为具体实施方式对本发明作进一步说明：一种基于磁性液体一阶浮力原理精密分选非导磁物质的方法，该方法所用装置，如图1所示，该装置包括：直角坐标机器人1、末端执行器2、机架3、磁源升降平台4、载物平台5。
如图1所示，直角坐标机器人1焊接于机架3顶部，磁源升降平台4放置于机架3底部，载物平台5 胶接于机架3中部，直角坐标机器人1为X、Y、Z三轴机器人，可以准确定位到所需分离非导磁物质的位置，末端执行器2安装于直角坐标机器人1的Z轴移动端。
如图2所示，直角坐标机器人1包括电机1-1、移动端滑块1-2、联轴器1-3、滚珠丝杠1-4、直角坐标 1-5，其中，电机1-1安装于直角坐标1-5的Z轴上部电机座上，移动端滑块1-2通过螺栓连接于直角坐标 1-5的Z轴导轨上，联轴器1-3一端安装于电机1-1的轴上，另一端与滚珠丝杠1-4连接。
如图3所示，末端执行器2包括电机2-1、连杆2-2、滤网2-3、挡板2-4、螺杆2-5、滑块2-6，其中，电机2-1安装在电机座，螺杆2-5通过键安装在电机2-1的输出轴，连杆2-2铰接在电机座的两侧，滑块 2-6螺纹套设在螺杆2-5上，连杆2-2通过销同滑块2-6相连，滤网2-3、挡板2-4通过螺栓连接安装在连杆2-2上，通过各部分联动以实现对所需分离的非磁性物质的打捞。
如图4所示，机架3包括铝合金立柱3-1、托板3-2、测距传感器3-3、蹄脚3-4，其中，铝合金立柱 3-1之间通过焊接形成立方体框架，给直角坐标机器人1提供安装位置，同时在其底部中心攻螺纹孔，从而将蹄脚3-4固定在铝合金立柱3-1上，托板3-2与铝合金立柱3-1胶接处理，以支撑载物平台5，测距传感器3-3胶接在铝合金立柱3-1下部，以检测磁源的移动距离，机架各个面使用钢化玻璃封闭，提高装置稳定性。
如图5所示，磁源升降平台4包括永磁体4-1、升降板4-2、剪叉机构4-3、滑块4-4、电机4-5、联轴器4-6、丝杠4-7，其中，永磁体4-1胶接在升降板4-2中心部位，联轴器4-6一端安装于电机(4-5)的轴上，另一端与丝杠4-7连接，滑块4-4与丝杠4-7通过螺纹连接安装，剪叉机构4-3通过轴与滑块4-4连接，并与升降板4-2安装结合，通过各部分联动，实现磁源的上下移动。
如图6所示，载物平台5包括装有磁性液体和待分选未知物质的容器5-1、第一盛装所分离非导磁物质的容器5-2、载物板5-3、称重传感器5-4、液位传感器5-5、第二盛装所分离非导磁物质的容器5-6，其中，有磁性液体和待分选未知物质的容器5-1、第一盛装所分离非导磁物质的容器5-2、第二盛装所分离非导磁物质的容器5-6胶接在载物板5-3上部，称重传感器5-4胶接在载物板5-3上部，液位传感器5-5 通过螺纹连接安装在装有磁性液体和待分选未知物质的容器5-1内壁上并垂直放置。
如图1所示，在整机工作时，通过控制磁源升降平台4中电机4-5的转动，通过联轴器4-6传递给丝杠4-7，丝杠4-7转动带动滑块4-4平动，继而带动剪叉机构4-3的折叠与展开，最终将电机4-5的转动转化为永磁体4-1的上升与下降，给装有磁性液体和待分选未知物质的容器5-1提供合适的磁场，使其中的非导磁物质悬浮；末端执行器2中电机2-1带动螺杆2-5转动，螺杆2-5通过螺旋传动将自身转动转化为方形滑块2-6的上下平动，滑块2-6带动连杆2-2运动，控制两侧抓捕机构打开；直角坐标机器人1带动末端执行器2伸入装有磁性液体和待分选未知物质的容器5-1中非磁性物质的悬浮深度内，同时末端执行器2的两侧抓捕机构闭合，滤网2-3 过滤磁性液体将其与非磁性物质分离，挡板2-4 防止非磁性矿物从两侧漏出，通过直角坐标机器人1带动末端执行器2将所打捞出的非磁性物质放入第一盛装非导磁物质的容器5-2或第二盛装非导磁物质的容器5-6，从而实现分离操作，并通过测距传感器3-3、称重传感器5-4、液位传感器5-5获得的数据，进行定性定量分析。
所述直角坐标机器人1选用三坐标都采用滚珠丝杠传动的龙门式直角坐标机器人，因为其可以承受较大的载荷，运行比较稳定。
所述磁源升降平台4选用剪叉式升降机构，因为剪叉式升降机构结构紧凑，承载量大，安装基础要求不高，为磁源提供适当的位移，给载物平台5提供不同强度大小的磁场，以保证磁性液体的表观密度发生改变从而提供足够的一阶浮力使不同密度的物体发生分离。
所述永磁体4-1选用表面磁场强度为2000～5000Gs，磁能积为30～50MGOe的圆柱形钕铁硼永磁体，放至置于磁源升降平台4上，通过控制电机4-5来调整永磁体4-1的上升与下降，从而给装有磁性液体和待分选未知物质的容器5-1提供合适的磁场，使磁性液体内部的非导磁物质悬浮。
所述装有磁性液体和待分选未知物质的容器5-1中使用的磁性液体密度为1.05g/cm3～2.85g/cm3，饱和磁化强度为300Gs～580Gs。
所述液位传感器5-5 选用接触式液位传感器，因为接触式液位传感器放置于磁性液体中进行测量，可快速准确的得到液位变化数值，且不磁场干扰，稳定性强。
所述测距传感器3-3选用超声波测距传感器，因为超声波传感器价格较低且不受电磁干扰，稳定性强，可对磁源位置的变化进行实时测量。
所述称重传感器5-4选用单点称重传感器，因为单点设计具有极佳的抗偏心负载性能，允许直接安装在秤底座或称重平台上，可快速显示出所分离出物质的质量。
实施例
实例1：
永磁体4-1使用直径为100mm，高度为50mm，表面磁场强度为3000Gs，磁能积为40MGOe的圆柱形钕铁硼永磁体，以此作为磁源；向装有磁性液体的容器5-1中倒入500ml密度为1.85g/cm3，饱和磁化强度为450Gs的煤油基磁性液体，在磁场的作用下，装有磁性液体的容器5-1里的待分选未知物质悬浮于煤油基磁性液体中；此时，直角坐标机器人1开始工作，坐标定位(20,40,35)，控制末端执行器2移动到指定位置，进行待分选未知物质的抓捕，并放入第一盛装所分离非导磁物质的容器5-2中，完成分离后，此时测距传感器3-3测得永磁体4-1的移动距离为30mm，基于一阶浮力原理计算求得所分离物质密度的理论值为2.69g/cm3，称重传感器5-4数值变化为3.2g，液位传感器5-5 变化为14.6mm，通过计算求得此分离物质的密度为2.68g/cm3，与理论值2.69g/cm3相差较小，故结果可靠，所分离出的物质为铝。
实例2：
永磁体4-1使用直径为120mm，高度为75mm，表面磁场强度为3500Gs，磁能积为45MGOe的圆柱形钕铁硼永磁体，以此作为磁源；向装有磁性液体的容器5-1中倒入600ml密度为2.65g/cm3，饱和磁化强度为400Gs的二酯基磁性液体，在磁场的作用下，装有磁性液体的容器5-1里的待分选未知物质悬浮于二酯基磁性液体中；此时，直角坐标机器人1开始工作，坐标定位(60,85,44)，控制末端执行器2移动到指定位置，进行待分选未知物质的抓捕，并放入第二盛装所分离非导磁物质的容器5-6中，完成分离后，此时测距传感器3-3测得永磁体4-1的移动距离为56mm，基于一阶浮力原理计算求得所分离物质密度的理论值为7.13g/cm3，称重传感器5-4数值变化为4.8g，液位传感器5-5 变化为8.6mm，通过计算求得此分离物质的密度为7.12g/cm3，与理论值7.13g/cm3相差较小，故结果可靠，所分离出的物质为锌。
实例3：
永磁体4-1使用直径为150mm，高度为45mm，表面磁场强度为4000Gs，磁能积为42MGOe的圆柱形钕铁硼永磁体，以此作为磁源；向装有磁性液体的容器5-1中倒入550ml密度为2.30g/cm3，饱和磁化强度为470Gs的柴油基磁性液体，在磁场的作用下，装有磁性液体的容器5-1里的待分选未知物质悬浮于柴油基磁性液体中；此时，直角坐标机器人1开始工作，坐标定位(40,27,55)，控制末端执行器2移动到指定位置，进行待分选未知物质的抓捕，并放入第一盛装所分离非导磁物质的容器5-2中，完成分离后，此时测距传感器3-3测得永磁体4-1的移动距离为45mm，基于一阶浮力原理计算求得所分离物质密度的理论值为8.95g/cm3，称重传感器5-4数值变化为6.2g，液位传感器5-5 变化为5.6mm，通过计算求得此分离物质的密度为8.96g/cm3，与理论值8.95g/cm3相差较小，故结果可靠，所分离出的物质为铜。

Claims (4)

1.一种基于磁性液体一阶浮力原理精密分选非导磁物质的装置，其特征在于包括：直角坐标机器人(1)、末端执行器(2)、机架(3)、磁源升降平台(4)、载物平台(5)；其中，直角坐标机器人(1)焊接于机架(3)顶部，磁源升降平台(4)放置于机架(3)底部，载物平台(5)胶接于机架(3)中部；直角坐标机器人(1)为X、Y、Z三轴机器人，可以准确定位到所需分离非导磁物质的位置，末端执行器(2)安装于直角坐标机器人(1)的Z轴移动端；末端执行器(2)包括电机(2-1)、连杆(2-2)、滤网(2-3)、挡板(2-4)、螺杆(2-5)、滑块(2-6)，其中，电机(2-1)安装在电机座，螺杆(2-5)通过键安装在电机(2-1)的输出轴，连杆(2-2)铰接在电机座的两侧，滑块(2-6)螺纹套设在螺杆(2-5)上，连杆(2-2)通过销同滑块(2-6)相连，滤网(2-3)、挡板(2-4)通过螺栓连接安装在连杆(2-2)上，通过各部分联动以实现对所需分离的非磁性物质的打捞；机架(3)包括铝合金立柱(3-1)、托板(3-2)、测距传感器(3-3)、蹄脚(3-4)，其中，铝合金立柱(3-1)之间通过焊接形成立方体框架，给直角坐标机器人(1)提供安装位置，同时在其底部中心攻螺纹孔，从而将蹄脚(3-4)固定在铝合金立柱(3-1)上，托板(3-2)与铝合金立柱(3-1)胶接处理，以支撑载物平台(5)，测距传感器(3-3)胶接在铝合金立柱(3-1)下部，以检测磁源的移动距离，机架各个面使用钢化玻璃封闭，提高装置稳定性；磁源升降平台(4)包括永磁体(4-1)、升降板(4-2)、剪叉机构(4-3)、滑块(4-4)、电机(4-5)、联轴器(4-6)、丝杠(4-7)，其中，永磁体(4-1)胶接在升降板(4-2)中心部位，联轴器(4-6)一端安装于电机(4-5)的轴上，另一端与丝杠(4-7)连接，滑块(4-4)与丝杠(4-7)通过螺纹连接安装，剪叉机构(4-3)通过轴与滑块(4-4)连接，并与升降板(4-2)安装结合，通过各部分联动，实现磁源的上下移动；载物平台(5)包括装有磁性液体和待分选未知物质的容器(5-1)、第一盛装所分离非导磁物质的容器(5-2)、载物板(5-3)、称重传感器(5-4)、液位传感器(5-5)、第二盛装所分离非导磁物质的容器(5-6)，其中，装有磁性液体和待分选未知物质的容器(5-1)、第一盛装所分离非导磁物质的容器(5-2)、第二盛装所分离非导磁物质的容器(5-6)胶接在载物板(5-3)上部，称重传感器(5-4)胶接在载物板(5-3)下部，液位传感器(5-5 )通过螺纹连接安装在装有磁性液体和待分选未知物质的容器(5-1)内壁上并垂直放置。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁性液体一阶浮力原理精密分选非导磁物质的装置，其特征在于：
所述直角坐标机器人(1)选用三坐标都采用滚珠丝杠传动的龙门式直角坐标机器人；
所述磁源升降平台(4)选用剪叉式升降机构，为磁源提供适当的位移，从而给载物平台(5)提供不同强度大小的磁场，以保证磁性液体的表观密度发生改变从而提供足够的一阶浮力使不同密度的物体发生分离；
所述永磁体(4-1)选用表面磁场强度为2000～5000Gs，磁能积为30～50MGOe的圆柱形钕铁硼永磁体，胶接于磁源升降平台(4)上，通过控制电机(4-5)来调整永磁体(4-1)的上升与下降，从而给装有磁性液体和待分选未知物质的容器(5-1)提供合适的磁场，使磁性液体内部的非导磁物质悬浮；
所述装有磁性液体和待分选未知物质的容器(5-1)中使用的磁性液体密度为1.05g/cm3～2.85g/cm3，饱和磁化强度为300Gs～580Gs；
所述液位传感器(3-2)选用接触式液位传感器；
所述测距传感器(5-5 )选用超声波测距传感器；
所述称重传感器(5-4)选用单点称重传感器。
3.一种采用如权利要求1或2之一所述的装置分选非导磁物质的方法，其特征在于：通过控制磁源升降平台(4)中电机(4-5)的转动，通过联轴器(4-6)传递给丝杠(4-7)，丝杠(4-7)转动带动滑块(4-4)平动，继而带动剪叉机构(4-3)的折叠与展开，最终将电机(4-5)的转动转化为永磁体(4-1)的上升与下降，给装有磁性液体和待分选未知物质的容器(5-1)提供合适的磁场，使其中的非导磁物质悬浮；末端执行器(2)中电机(2-1)带动螺杆(2-5)转动，螺杆(2-5)通过螺旋传动将自身转动转化为方形滑块(2-6)的上下平动，滑块(2-6)带动连杆(2-2)运动，控制两侧抓捕机构打开；直角坐标机器人(1)带动末端执行器(2)伸入装有磁性液体和待分选未知物质的容器(5-1)中非磁性物质的悬浮深度内，同时末端执行器(2)的两侧抓捕机构闭合，滤网(2-3 )过滤磁性液体将其与非磁性物质分离，挡板(2-4 )防止非磁性矿物从两侧漏出，通过直角坐标机器人(1)带动末端执行器(2)将所打捞出的非磁性物质放入第一盛装非导磁物质的容器(5-2)或第二盛装非导磁物质的容器(5-6)，从而实现分离操作，并通过测距传感器(3-3)、称重传感器(5-4)、液位传感器(5-5)获得的数据进行定性定量分析。
4.根据权利要求3所述一种采用如权利要求1或2之一所述的装置分选非导磁物质的方法，其特征在于：测距传感器(3-3)测得的永磁体(4-1)的位置数据，基于一阶浮力原理可对所分离的非磁性物质的密度进行理论值的计算，同时，称重传感器(5-4)、液位传感器(5-5)测得分离前后容器整体重量的变化以及液面高度变化，即可得出所分离非磁性物质的质量体积，从而求得其密度。
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