1843_自定中心振動(dòng)篩設(shè)計(jì)1

1843_自定中心振動(dòng)篩設(shè)計(jì)1,自定中心振動(dòng)篩,設(shè)計(jì) 目 錄1.緒論 ..............................................................11.1 振動(dòng)篩的應(yīng)用 ......................................................................................................11.2 振動(dòng)篩的發(fā)展現(xiàn)狀 ..............................................................................................12.振動(dòng)篩設(shè)計(jì)的基本原理 ..............................................32.1 篩箱系統(tǒng)的自振頻率 ..........................................................................................32.2 篩箱的激振振幅 ..................................................................................................52.3 自定中心振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)條件 ..............................................................................83.自定中心振動(dòng)篩的參數(shù)選擇 .........................................114.自定中心振動(dòng)篩設(shè)計(jì)計(jì)算 ...........................................144.1 篩子尺寸的確定 ................................................................................................144.2 中心軸軸承的選擇及軸徑確定 ........................................................................154.3 激振重量的配置 ................................................................................................184.4 支承彈簧計(jì)算 ....................................................................................................204.5 激振電機(jī)選擇 ....................................................................................................244.6 皮帶傳動(dòng)計(jì)算 ....................................................................................................274.7 中心軸強(qiáng)度、剛度以及軸承壽命驗(yàn)算 ............................................................294.8 共振問題 ............................................................................................................315.結(jié)論 .............................................................33參考文獻(xiàn) ...........................................................34致謝 ...............................................................35南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文11.緒論1.1 振動(dòng)篩的應(yīng)用在鐵路線路大修工作中，由于無縫線路的鋪設(shè)，行車速度和列車密度的增高，傳統(tǒng)的“大揭蓋”的施工已不適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展需要，為此需對(duì)枕底清篩機(jī)進(jìn)行不斷研究、設(shè)計(jì)、制造和實(shí)驗(yàn)等工作。鐵路道床清篩機(jī)用的振動(dòng)篩，過去都采用固定中心振動(dòng)篩，如下圖（a ）所示。運(yùn)用結(jié)果表明，固定中心振動(dòng)篩的最大缺點(diǎn)是，篩箱側(cè)壁由于受到固定軸所給予的周期性反力作用，軸孔附近易于產(chǎn)生疲勞裂縫。為了避免上述缺點(diǎn)，經(jīng)過調(diào)查研究，先后改用了自定中心振動(dòng)篩，如下圖（b） ，從而使該問題得到有效解決。另外振動(dòng)篩還廣泛應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)中，其中主要應(yīng)用于煤炭、冶金、建材、化工等部門。圖（a ） 圖（b）1—篩箱側(cè)壁； 2—固定軸； 1—篩箱側(cè)壁； 2—浮動(dòng)軸；3—激振輪； 4—激振塊； 3—激振輪； 4—激振塊；5—支承彈簧； 6—篩面。 5—支承彈簧； 6—篩面。固定軸振動(dòng)篩與浮動(dòng)軸振動(dòng)篩比較1.2 振動(dòng)篩的發(fā)展現(xiàn)狀 改革開放以后，我國各行業(yè)都得到長足的進(jìn)步。振動(dòng)篩的應(yīng)用也越來越廣泛，但同時(shí)對(duì)振動(dòng)篩的各項(xiàng)性能都有了新的要求。在此大背景下，我國振動(dòng)篩技術(shù)通過自主研發(fā)和吸收消化國外先進(jìn)技術(shù)，也得到了長足的進(jìn)步。相繼研制出 DYS 大型圓振動(dòng)篩、YA 型圓振動(dòng)篩、ZKX 系列直線篩和 SZZ 型自定心振動(dòng)篩等。近幾年來，國內(nèi)外對(duì)振動(dòng)篩的研制越發(fā)重視。目前，振動(dòng)篩的發(fā)展已經(jīng)朝著大南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文2型化、智能化、高效集中、使用壽命長方向發(fā)展。世界上振動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品處于領(lǐng)先地位的公司主要有德國的 SCHENCK 公司、美國的 ALIS-CHALMERS 公司、日本的HITACHI 公司等，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品代表了世界范圍內(nèi)振動(dòng)篩發(fā)展的主流趨勢。而在國內(nèi)，只有太行公司、鞍山礦山機(jī)械股份有限公司、上海冶金礦山機(jī)械廠等少數(shù)幾家企業(yè)開始大型振動(dòng)機(jī)械的研制、開發(fā)與生產(chǎn)。但基于振動(dòng)機(jī)械的工業(yè)環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣、生產(chǎn)企業(yè)小，再加上我國振動(dòng)機(jī)械工業(yè)起步較晚，我國產(chǎn)品與國外產(chǎn)品還存在較大差距。但是，隨著改革開放的不斷發(fā)展，我國的振動(dòng)篩技術(shù)要會(huì)不斷進(jìn)步，逐步縮短與國外先進(jìn)的差距。目前，河南新鄉(xiāng)眾多廠家生產(chǎn)的 SZZ 系列自定心振動(dòng)篩，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為 QJ/AKJ02.08-89 自定中心振動(dòng)篩和 QJ/AKJ02.09-89 自定中心振動(dòng)篩，已具有相當(dāng)先進(jìn)水平。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文32.振動(dòng)篩設(shè)計(jì)的基本原理2.1 篩箱系統(tǒng)的自振頻率所謂篩箱系統(tǒng)，乃是圖 2.1(a)所示振動(dòng)篩箱體和支承彈簧的統(tǒng)稱。為了便于分析，我們將此系統(tǒng)用圖 2.1(b)所示質(zhì)量—彈簧力學(xué)模型來代替。按等效條件，此模型中的質(zhì)量為：ｍ= （2—1）gGP?式中 G——激振塊重量；P——除激振塊外篩箱體全部重量（包括參振部分的石渣） ；G——重力加速度模型中彈簧的剛度 K 等于振動(dòng)篩支承彈簧的合成剛度（稱總剛度） 。（a）圖 2.1 振動(dòng)篩彈力模型在圖 2.1(b)、 （ 2—3）中，1—1 為彈簧的未受力位置；2—2 為質(zhì)量 m 的靜平衡位置。若 1—1 到 2—2 位置的變形量為 δ，則Kδ=mg （2—南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文42）圖中 3—3 位置，為質(zhì)量 m 的一般位置。將坐標(biāo)軸 x 原點(diǎn)放在靜平衡位置 2—2，質(zhì)量 m 在 3—3 位置的坐標(biāo)即為 x;速度和加速度就分別為 和 。這里 t 代表dt2x時(shí)間。質(zhì)量 m 在 3—3 位置的受力如圖 2.1(b)所示，其上 mg 為重力；K（δ+x）為彈簧的反力；R 為運(yùn)動(dòng)阻力，設(shè)此阻力是與運(yùn)動(dòng)速度大小的一次方成正比（比例常數(shù)為μ） ，則 R=μ 。在分析系統(tǒng)的自振頻率時(shí)，暫不考慮激振力的作用。這樣，按牛頓dtx第二定律可得m =mg-K(δ+x)- μ2dtxdtx將（2—2）式代入，經(jīng)移項(xiàng)簡化得：+ . + x=0 （2—2txtmK3）這是一個(gè)二階常系數(shù)線性齊次微分方程。在 mgcos a由此得出激振輪每分鐘的轉(zhuǎn)速為：n>30 rg2cos??為了充分保證石渣能從篩面跳起，設(shè)計(jì)時(shí)一般取n=(45～54) （3—1）rg2cos這也就是篩箱激振頻率的估算式。在按（3—1）選取激振頻率時(shí)，不應(yīng)選得過低，否則小石塊和污土慣性力就太小，不易從篩孔中甩出去，從而影響篩分效率；也不宜過大，否則篩箱受到的動(dòng)載荷就太大，從而對(duì)篩箱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不利。在振動(dòng)篩設(shè)計(jì)中，采用機(jī)械指數(shù) k 來表示單位石渣或箱體重量的離心慣性力，k 的表達(dá)式為：（3—2）grk2??可見，機(jī)械指數(shù) k 乃是振幅 γ 和頻率 ω 的綜合指標(biāo)。由（3—1）式可算出：為了充分保證石渣能從篩面跳起，機(jī)械指數(shù)應(yīng)為：=（2.25～3.24）cosagrk2??當(dāng)篩面傾角 a=15°時(shí)，由此可得 k=2.18～3.13；當(dāng) a=25°時(shí)，k=2.04～2.94。具體計(jì)算國產(chǎn)礦用各中自定中心振動(dòng)篩的機(jī)械指數(shù) k，得到 k 的最大值為7.55；最小值為 2.52，對(duì)細(xì)粒（粒度小于 40 毫米）篩分、生產(chǎn)能力小（每小時(shí) 30噸以內(nèi)）的設(shè)備重量較輕（不足 1 噸）的篩子，k 值偏高；而對(duì)中粒（粒度最大為100 毫米）篩分、生產(chǎn)能力較大（每小時(shí)處理 30 噸）和設(shè)備較重（3 噸多）的篩子，k 值偏低。對(duì)道床清篩機(jī)的振動(dòng)篩來說，進(jìn)入篩子的最大粒度不超過 100 毫米，生產(chǎn)能力最小約為 150 噸/小時(shí)。因此建議將機(jī)械指數(shù) k 值取在 3～4 之間，小型清篩機(jī)的振動(dòng)篩取高限，大型清篩機(jī)的振動(dòng)篩取低限。綜合考慮，振動(dòng)篩的參數(shù)選擇如下：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文13篩面傾角：a=24°篩箱振幅：γ=5 毫米激振頻率：由（3—1）式得n=(45～54) =（678～814）次/分524cos9810???暫取 n=800 次/分，對(duì)應(yīng) ω= 弧度/秒。8.3??驗(yàn)算機(jī)械指數(shù)，由式（3—1）得機(jī)械指數(shù)k= ??9.2810.4?此數(shù)接近 3，稍低。最后選定 840 次/分，對(duì)應(yīng) ω= 弧度/ 秒，k=3.15。8304???南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文144.自定中心振動(dòng)篩設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 篩子尺寸的確定篩子尺寸主要是根據(jù)“要保留石渣的最小尺寸”來確定。如按規(guī)定道床石渣的最小尺寸為 20 毫米，則篩孔尺寸就選 20~25 毫米之間，篩面傾角大的取高限，篩面傾角小的取低限。如每小時(shí)進(jìn)入篩子的石渣量較大，為了提高篩分效率，往往采用雙層篩，在確定上層篩面篩孔尺寸時(shí)，最好先對(duì)石渣粒度做一大致分析，定出中等粒度的石渣尺寸（所謂中等粒度，是指在這個(gè)粒度以上和以下的石渣量均約為50%）上層篩面的篩孔尺寸取與中等粒度石渣的尺寸相適應(yīng)，目的要使上層篩面篩下的石渣重量，約為總石渣量的一半。石渣層數(shù)和尺寸，主要根據(jù)：“單位時(shí)間進(jìn)入篩子的石渣量”來確定每小時(shí)清篩一百米以上的清篩機(jī)，如系采用自定中心振動(dòng)篩，一般為雙層為宜。篩面面積 S按下式計(jì)算：（米 2） （4—1）0qQS?式中 Q——每小時(shí)篩下的石渣量 噸/小時(shí)；q0——每小時(shí)每平方米篩面面積能篩下的石渣污土量 噸/米 2?小時(shí)。q0 是與篩孔尺寸有關(guān)的量，篩孔尺寸大，q 0 也大；反之亦然。設(shè)計(jì)時(shí)，q 0 與篩孔尺寸的關(guān)系，建議采用下表：表（4—1） q 0與篩孔尺寸關(guān)系 篩孔尺寸（mm）20 30 40 50 60 70q0（t/m 2?h） 24 25 28 31 35 39考慮到篩分道渣的特點(diǎn)，在用于單層篩時(shí)直接用上表中的 q0；而用于雙層篩時(shí)上層篩用上表中的 q0，下層篩則將上表中的 q0 乘以系數(shù) 0.9。這樣，就可以用（4—1）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文15式計(jì)算篩面面積。篩面的長度與寬度，一般是在 2:1~2.5:1 之間。篩分效率要求高的取高值；單位時(shí)間清篩的石渣量高的取低值。設(shè)計(jì)技術(shù)要求為：清篩進(jìn)程為 200m/小時(shí)，石渣中 40mm 以上的石渣占總量的50%， 20mm 以下的占總量的 25%，每米道床的石渣體積為 1.5m3，石渣的緊方容重2.0t/m3。因此確定上層篩孔尺寸為 45mm，用 7 毫米的優(yōu)質(zhì)鋼絲編織而成；下層篩面篩孔尺寸為 22 毫米，用 5 毫米的優(yōu)質(zhì)鋼絲編織而成。篩面面積：每小時(shí)進(jìn)入篩子的石渣量為 200 米/小時(shí) ×1.5 米 3×2.0 噸/米 3=600噸/小時(shí)。上層篩面，Q=600×50%=300 噸/小時(shí)。按篩孔尺寸為 45 毫米，查表（4—1）經(jīng)估計(jì) q0=30 噸/米 2?小時(shí)，再由（ 4—1）式得上層篩面面積為 S=300/30=10.0 米 2。下層篩面，Q=600×25%=150 噸/小時(shí)，按篩孔尺寸為 22 毫米查表（4—1）得，=24.2 噸 /米 2?小時(shí)，再由（ 4—1）式得下層篩面面積為 S=150/（24.2×0.9）=6.9 米2。綜合以上計(jì)算，將上下層篩面面積均取成 8.4 米 2，并取篩面尺寸的長×寬=2.0米×4.2 米。篩箱結(jié)構(gòu)尺寸：按篩面尺寸即可確定篩箱的長度和寬度。上下層篩面間的高度，取下層篩面上的石渣最大尺寸的三倍，這里取 45 毫米×3=135 毫米；上層篩面以下上的篩箱高，取上層篩面上的石渣最大尺寸的三倍，這里取 80 毫米×3=240 毫米；估計(jì)中心軸套直徑為 400 毫米，這樣篩箱高取 800 毫米。按規(guī)定用某振動(dòng)篩的定型產(chǎn)品，取篩箱板厚為 12 毫米；八根橫梁，每根橫梁取直徑為 60 毫米、厚 8 毫米的無縫鋼管，即可確定篩箱的結(jié)構(gòu)尺寸。繪出篩箱各部分構(gòu)圖，而估計(jì)篩箱重量為2000 千克。4.2 中心軸軸承的選擇及軸徑確定為了完成這項(xiàng)內(nèi)容，需分以下三個(gè)步驟來進(jìn)行：1.計(jì)算篩箱箱體的重量：在篩箱結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)確定的條件下，組成篩箱的每個(gè)零部件尺寸及重量也就確定，這樣即可計(jì)算箱體總重。同時(shí)要附帶計(jì)算出箱體重心南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文16位置，因?yàn)樵诤Y箱側(cè)板上開中心軸軸孔時(shí)，要求軸孔中心位置是在通過箱體重心的鉛垂線上，并按技術(shù)要求，左右偏差在 50 毫米的范圍內(nèi)。這是保證在振動(dòng)過程中箱體的穩(wěn)定和篩分效率的提高。2.計(jì)算參振石渣重量：要計(jì)算出參振石渣重量，必須先計(jì)算出篩面上平均全部石渣重量，為此必須先計(jì)算石渣在篩面上的流速。石渣在篩面上的流速，可近似的按如下公式計(jì)算：υ=0.2kg （4—2）??????????1821/3?trn式中 υ——石渣在篩面上的流速 毫米/秒a——篩面傾角 度n——振動(dòng)頻率 次/分r——振幅 米g——重力加速度 g=9.81 米/秒 2kg——排出能力的修正系數(shù)，它與篩面上每米篩寬每小時(shí)通過的石渣量有關(guān)，具體關(guān)系見表（4—2）表（4—2） 排出能力修正系數(shù)（千克） q(t/m?h) 45 50 60 70 80 100 120 150 200 250 300kg 1.61 1.45 1.29 1.16 1.05 0.93 0.88 0.83 0.78 0.76 0.75當(dāng)石渣在篩面上的流速計(jì)算出來后，篩面上的石渣重量 Qm 即按下式計(jì)算Qm=Ql/υ （4—3）式中 Q——單位時(shí)間進(jìn)入篩子的石渣重量；l——篩面長度；υ——石渣在篩面上的流速。實(shí)驗(yàn)證明：篩子在振動(dòng)時(shí)，停留在在篩面上的石渣重量約為篩面上全部石渣重量的 30%，即約有 70%的石渣跳動(dòng)在空間不隨篩子振動(dòng)。設(shè)篩面上全部石渣重為Qm，參振石渣重為 P1，則Qm=Ql/υ （4—4）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文17式中 Q——單位時(shí)間進(jìn)入篩子的石渣重量；l——篩面長度；υ——石渣在篩上的流速。由此計(jì)算出參振石渣重量。上層篩面：每小時(shí)每米寬篩面上通過的石渣量 q=600/2.0=300 噸/米·小時(shí)，按此查表（4—2） ，得 kg=0.75。篩面長為 4.2 米。這樣，即可由（4—2） 、 （4—3） 、 （4—4）三式，分別計(jì)算出上層篩面石渣流速 υ1、全部石渣重量 Qm1、參振石渣重量 P11各為：υ1= 0.2×0.75× =542 毫米/秒???????????1824981054/32tgQm1=600×4.2/（3.6×542）=1.3 噸P11=1.3×30%=433 kg下層篩面：每小時(shí)每米寬篩面上通過的石渣量 q=（600×50%）/2.0=150 噸/米·小時(shí)，按此查表（4—2） ，得 kg=0.83。篩面長為 4.2 米。這樣，即可由（4—2） 、（4—3） 、 （4—4）三式，分別得υ2= 0.2×0.83× =600 毫米/秒???????????182198054/32tQm2=300×4.2/（3.6×600）=0.61 噸P12=0.61×30%=200 kg全部參振石渣重量為：P 1= P11+ P12=433+200+633 kg，設(shè)計(jì)時(shí)圓整取 700 kg。3.選擇中心軸軸承和確定中心軸軸徑：以箱體重與參振石渣重相加，再乘以機(jī)械指數(shù) k，就得振動(dòng)時(shí)作用在兩側(cè)篩箱板軸孔的總的離心慣性力，這個(gè)力就是選擇軸承所必要的軸承載荷，再結(jié)合中心軸轉(zhuǎn)速按《機(jī)械零件》的原則，即可選擇中心軸軸承。軸承選定后，即可按軸承內(nèi)圈直徑確定出中心軸軸徑。考慮到清篩機(jī)要在彎道作業(yè)，軸承需要有一定的承受軸向載荷的能力；而且兩側(cè)軸承孔的同心度又較差，軸承內(nèi)外圈軸線需要有一定的相對(duì)偏斜；另外為了減小軸孔單位面積上的壓力，這里采用了中寬系列的雙列向心球面滾子軸承。初估參振重量為 2000+700=2700 kg，作業(yè)時(shí)離心慣性力為 2700×3.15=8505 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文18kg。兩側(cè)各用一相同軸承，故每個(gè)軸承所受的名義徑向載荷為：R=1/2×8505=4253 kg查冶金工業(yè)出版社 1972 年版《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 19—6，取動(dòng)負(fù)荷系數(shù) fd=2.5,顧實(shí)際徑向負(fù)荷為：Fr=fdR=2.5×4253=10633 kg而實(shí)際的軸向負(fù)荷 Fa=0，所以 Fa/Fr=0 l2,為使前后支承彈簧在工作過程中受力能接近相等；（二）在作業(yè)過程中，由于箱體實(shí)際上除作前述振動(dòng)外，還作繞中心軸的“點(diǎn)頭”振動(dòng)。箱體上除了中心軸而外的各點(diǎn)合成軌跡均為長短軸不相同的橢圓。根據(jù)理論推導(dǎo)，當(dāng) 1> 2 時(shí)，入渣端篩面上各點(diǎn)的軌跡為長軸水平、l短軸鉛垂的橢圓[見圖 4.2（b）]。由于入渣端篩面上的石渣層較厚，需要有教大的鉛垂抖動(dòng)幅度來松開石渣層，所以，讓 1 > 2,旨在使清篩效率能進(jìn)一步提高。l整個(gè)篩箱有四個(gè)支座，每個(gè)支座由兩個(gè)相同的并聯(lián)的彈簧支承，也就是整個(gè)箱體由八個(gè)相同的并聯(lián)彈簧支承。按（1—4）式或（4—8）式，支承彈簧的總剛度應(yīng)為：K= =1310 kg/cm98162?每個(gè)支承彈簧的剛度為：K0=1310×1/8=164 kg/cm所以，在彈簧的計(jì)算中，要求彈簧剛度能近似的等于 164/厘米。以下計(jì)算所用符號(hào)，引用《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二十二章。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文23彈簧最小工作負(fù)荷P1=（2000+2900 ）× 1/8=613 kg彈簧最大工作負(fù)荷P2=P1+Rp=613+0.5×164=695 kg彈簧的材料選用 60Si2Mn,查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 22—3，按一類工作考慮，[τ]=4500 kg/cm2; τj=7500 kg/cm2;G=8×105kg/cm2。取 C= ，查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 22—6，K=1.26，所以彈簧絲直徑8.5?dD為：1.69cm?????4508.692.16.12?CKP取直徑 d=1.7cm=17 毫米；彈簧中徑 D2=5.8×17=100 毫米。驗(yàn)算許用極限負(fù)荷 P3：P3= kgKDdj 1507026.1832 ?????由于 P3=1150 千克>1.25P 2=1.25 ×695=869 千克，所以滿足強(qiáng)度要求。彈簧在 P2作用下的變形為：F2=P2/K0=695/164=4.238 cm彈簧工作圈數(shù)為：n= 5???345324106987..DPGd總?cè)?shù) 1=n+1.5=6.5n驗(yàn)算彈簧剛度 P＇：P＇= cmkgnDGd/167508.34324???由于 P＇=167kg/cm 與要求的剛度 K0=164kg/cm 接近，所以剛度也滿足要求。彈簧圈間距δ=f 3= cn4.1567???節(jié)距 t=d+δ=1.7+1.4=3.1cm=31mm南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文24采用 YⅡ 型右旋彈簧，其自由高度為H=δn+(n 1-0.5)d=1.4×5+(6.5-0.5) ×1.7=17.2 cm驗(yàn)算穩(wěn)定性指標(biāo) bb= 72.102?DH由于 b=1.72GR=11.988 千克?米,滿足起動(dòng)要求，所以就選 J03-132M-4型電動(dòng)機(jī)為激振電機(jī)，功率為 11 千瓦；轉(zhuǎn)速為 1500 轉(zhuǎn)/分。4.6 皮帶傳動(dòng)計(jì)算皮帶計(jì)算包括：計(jì)算皮帶輪尺寸；選定皮帶類型和確定皮帶的根數(shù)與長度。要完成這一部分內(nèi)容，就需要知道皮帶輪的速比；皮帶輪的中心距以及單根皮帶所傳遞的功率。當(dāng)激振電機(jī)選定后，按裝在電機(jī)上的小皮帶輪轉(zhuǎn)速即確定。而大皮帶輪轉(zhuǎn)速是與激振頻率相等的，這是作為參數(shù)被選定的。所以，兩皮帶輪轉(zhuǎn)速比是已知的。在南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文28已知速比的條件下又知道大皮帶輪直徑，則小皮帶輪直徑就可算出。當(dāng)激振酊劑選定后，皮帶所要傳遞的功率即確定，按此就可以選擇皮帶類型和確定皮帶根數(shù)。激振電機(jī)是安裝在清篩機(jī)的機(jī)架上，這樣，就基本確定了皮帶輪的中心距。按照兩個(gè)皮帶輪的直徑和中心距，可以計(jì)算皮帶長度；根據(jù)皮帶類型和計(jì)算長度，就可以選定皮帶。由激振電機(jī)到激振輪是采用三角皮帶傳動(dòng)。計(jì)算及引用符號(hào)來自《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第十章。按前，大皮帶輪計(jì)算直徑 D2=560 毫米，而大皮帶輪轉(zhuǎn)速應(yīng)為 840 轉(zhuǎn)/分，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 1500 轉(zhuǎn)/分，故小皮帶輪計(jì)算直徑為：= =314 毫米12n?50846?大皮帶輪上的軸孔直徑為 60 毫米，但軸孔中心應(yīng)向激振塊對(duì)面偏離輪緣中心 5毫米；根據(jù) J03-132M-4 型電動(dòng)機(jī)查手冊(cè)，電動(dòng)機(jī)軸徑為 38 毫米，此即小皮帶輪軸孔直徑。皮帶速度用= =24.5 米/秒106??nDv?106534?比較適當(dāng)。三角皮帶的計(jì)算長度：??ADAL?????422121?= ??035635602??=3579 毫米按傳遞功，查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 10—4 取 C 型帶輪；再按表 10—2，采用標(biāo)準(zhǔn)值 L=3594 毫米的皮帶。皮帶繞轉(zhuǎn)次數(shù)為：秒次 /8.63594210???LVU由于 U=6.8 次/秒<20 次/秒，所以不會(huì)造成皮帶壽命的顯著下降。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文29皮帶實(shí)際中心距為： 毫 米10723594102????????LA安裝皮帶必需的 Amin=A-0.015L=1053 毫米補(bǔ)償皮帶伸長的 Amax=A+0.03L=1215 毫米小皮帶輪包角為：а≈180o- = =166o???6012D???60173458三角皮帶根數(shù) Z 按下式計(jì)算：210KN?式中 N=11 千瓦；K 1=0.7（查表 10—6） ；K 2=0.95（查表 10—7） ；N 0=7.9 千瓦（查表 10—5） ，以上查表均引自《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》 。于是得到：1.95.07.???Z圓整取 Z=3，即采用三根 C3594 的三角皮帶。皮帶作用在軸上的拉力為：千 克2086sin32sin20 ??SQ4.7 中心軸強(qiáng)度、剛度以及軸承壽命驗(yàn)算中心軸是連同激振輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，軸內(nèi)應(yīng)力基本上不作周期性交變，所以，中心軸只作靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。在篩箱內(nèi)部裝有中心軸的軸套，護(hù)套直徑稍大于月牙部分的直徑，驗(yàn)算中心軸剛度的目的，是在檢驗(yàn)它在動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生撓度后是否碰到他外層護(hù)套。道床清篩機(jī)每天凈作業(yè)時(shí)間不會(huì)超過三小時(shí)，每年按三百天作業(yè)計(jì)算，一年作業(yè)時(shí)間最多 1000 小時(shí)，所以軸承壽命取 4000～8000 小時(shí)也就足夠了。驗(yàn)算軸承壽命所用軸承載荷，應(yīng)該是中心軸強(qiáng)度計(jì)算中所求的最大軸承反力。將中心軸取出，其上下受力見圖 4.4：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文30圖 4.4 中心軸受力圖P1——激振重 G1的離心力（ =1964 千克） ；gRGP21??P2——激振重 G1的離心力（ =7449 千克） ；22q——P2沿長度 =0.51 米的分布力（q=14704 千克/米） ；lP3——激振重 G1的離心力與皮帶拉力和（P 3=P1+Q=2172 千克）由靜力平衡條件分別求得軸承反力：FA=5696 千克： F B=5939 千克并按彎矩概念求得：MA=-304420 千克?毫米= -0.3044 千克?厘米MB=-336660 千克 ?毫米= -0.3367 千克?厘米MC=531520 千克?毫米=0.5315 千克?厘米MD=355455 千克?毫米=0.3555 千克?厘米MX=531520+3732 -7.352x2=2692-14.704 =0, 得 =254 毫米，dX xMmax=644500+2692 254-2.46?2542=1118106 千克?毫米=1.118 105 千克?米按功率計(jì)算轉(zhuǎn)矩公式，求得電動(dòng)機(jī)通過皮帶傳動(dòng)而作用在大皮帶輪上的轉(zhuǎn)矩為：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文31M=975000?11 0.95/840=12448 千克?毫米=0.0124 ?105 千克?厘米所以動(dòng)力的輸入端（B 端）的扭矩為：Mn=M=0.0124 105 千克?厘米作出彎矩圖和扭矩圖如圖 4.4 所示，由圖可見，最大彎矩值為 Mmax=1118106 千克?厘米。按￠120 毫米等截面軸考慮，截面抗彎模量W= =170 厘米 332d?考慮到彎矩及扭矩基本上不是周期變化的，即使變動(dòng)，因其變動(dòng)量較小，所以只需驗(yàn)算此軸的靜力強(qiáng)度。軸的材料采用 45 號(hào)剛，強(qiáng)度極限 σb=6000 千克?厘米 2,查燃料工業(yè)出版社 1972 年出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 6—203，酌取其彎曲應(yīng)力[σ]=2000 千克/厘米 2。由于最大應(yīng)力σmax=Mmax/W=111810/170=658 千克/厘米 2 <2000 千克/厘米 2亦即 σmax <[σ],所以軸的強(qiáng)度是足夠的。實(shí)質(zhì)上此軸并非等截面，中間部分直徑為186 毫米，軸在這一部分的應(yīng)力最大值更大，可見，此軸強(qiáng)度是相當(dāng)高的。由此可以斷定，此軸中間部分的最大撓度肯定遠(yuǎn)小于軸與軸套間隙 10 毫米，因此可以不再驗(yàn)算此軸的剛度。由于最大軸承反力 FB=4854 千克，取動(dòng)荷系數(shù) fd=2.5,姑實(shí)際徑向負(fù)荷為 P=2.5 ?5939=14848 千克。查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表 19—13，3264 型軸承的額定動(dòng)負(fù)荷C=58600 千克。軸的轉(zhuǎn)速為 840 轉(zhuǎn)/分，這樣，此軸承的壽命為Lh= 小時(shí)37512586041????????比原定的 5000 小時(shí)要少，但此清篩機(jī)可使用 4 年左右，壽命不算短。4.8 共振問題共振問題是振動(dòng)篩設(shè)計(jì)中的一個(gè)十分重要的問題，如處理不當(dāng)，將會(huì)引起皮帶松脫、支承彈簧折斷、篩條折斷及車底架劇烈振動(dòng)等現(xiàn)象發(fā)生。所以在振動(dòng)篩設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要方面的共振問題。1.箱體的共振問題：前面談到，自定中心振動(dòng)篩一般都是在超篩箱系統(tǒng)共振條南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文32件下工作的，因此在“開車”和“停車”過程中，都要通過篩箱系統(tǒng)的共振區(qū)。如果在篩箱上沒有阻尼裝置，當(dāng)通過共振區(qū)時(shí)，箱體振幅會(huì)大幅度增加，在這種情況下必將引起皮帶松脫等現(xiàn)象的發(fā)生。所以，對(duì)自定中心振動(dòng)篩來說，阻尼裝置是必不可少的。2.支承彈簧的共振問題：因在上節(jié)“支承彈簧計(jì)算”部分已經(jīng)談過，這里就不再重復(fù)。3.篩面共振問題：篩面好象是一塊彈性薄板，它與篩箱連接在一起，由于連接情況不同，篩面的自振頻率也不同，目前很難用理論計(jì)算。連得牢繃得緊的篩面，剛度大自振頻率就高；反之自振頻率就低。如篩面的自振頻率與石渣在其上跳動(dòng)的頻率相接近，則篩面是在共振狀態(tài)下工作下工作，結(jié)果構(gòu)成篩面篩條將易于產(chǎn)生裂斷現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在設(shè)計(jì)和安裝篩面時(shí)，應(yīng)盡可能使篩面與篩箱連得牢繃得緊，有可能還要讓篩面有向上的“拱度” ，以曾大篩面的剛度，使其自振頻率遠(yuǎn)高于激振頻率，從而杜絕篩面產(chǎn)生共振的可能。4.車底架的共振問題：車底架的自振頻率可以用近似的理論來計(jì)算，但很煩，而且計(jì)算結(jié)果又和實(shí)際出入很大，不足以作為設(shè)計(jì)依據(jù)。因此，為防止車底架產(chǎn)生共振，在設(shè)計(jì)車底架時(shí)，除要滿足強(qiáng)度條件外，還要有足夠剛度，對(duì)車底架的中梁來說，其許用撓度宜小于 /800～ /1000；從構(gòu)造來說，還要求中梁有一定拱度，跨ll度越長，拱度越大，跨長 =20 米的中梁，其拱度、不應(yīng)低于 /800～ /1000；在設(shè)ll計(jì)時(shí)對(duì)車底架剛度的增加還要留有余地，因?yàn)樵谑褂煤笥捎诮Y(jié)構(gòu)松弛，車底架剛度還有一定程度減?。涣硪环矫嬉?yàn)檎駝?dòng)篩試運(yùn)轉(zhuǎn)后，對(duì)車底架還有可能增加要求。因此建議，在安裝振動(dòng)篩前，可先用儀器來測量車底架的自振頻率，如測出的頻率振動(dòng)篩的激振頻率接近，在車底架剛度不能再增加時(shí)，可以減小振動(dòng)篩的激振頻率，其方法是減小小皮帶輪的直徑，并按（1—4）式相應(yīng)減小支承彈簧剛度，只要將激振頻率減小到小于車底架自振頻率的 20%～30%即可。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文33南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文345.結(jié)論在這次設(shè)計(jì)過程后，我比較系統(tǒng)的了解機(jī)械設(shè)備的總體設(shè)計(jì)，并進(jìn)一不熟練了機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的查詢。自定心振動(dòng)篩運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，只有運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)浮動(dòng)軸成為振動(dòng)中心，相對(duì)固定，才可能保持皮帶傳動(dòng)的皮帶不會(huì)松脫折斷。而自定中心振動(dòng)篩的軸是浮動(dòng)的，沒有固定支架使其保持在同一位置不動(dòng)。所以，如何使浮動(dòng)軸的位置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中保持不變是此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文采用使篩箱的激振振幅 A 與皮帶輪輪心對(duì)篩箱重心的偏心矩 r 相等的方法，使浮動(dòng)軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中相對(duì)固定，因此要使激振塊重量 G、除激振塊外振動(dòng)篩箱（包括參振石渣）的全部重量 P、偏心距 r、激振塊相對(duì)輪心的偏心距 R、彈簧總剛度 K 和振動(dòng)頻率 ω 滿足：GR=Pr,Gk=Gω 2,這就是自定心振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)條件。在振動(dòng)篩工作過程中，雖由于篩內(nèi)石渣量的不同，P 會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)，但通過計(jì)算知引起軸的波動(dòng)量并不大，不會(huì)使皮帶發(fā)生折斷。另外激振頻率對(duì)振幅的影響也相當(dāng)重要，起動(dòng)時(shí)必須快速通過其自振頻率，遠(yuǎn)離共振區(qū)，才能避免產(chǎn)生共振。在此次設(shè)計(jì)中，對(duì)軸的強(qiáng)度驗(yàn)算也十分重要，這也使又復(fù)習(xí)了一遍材料力學(xué)。此次設(shè)計(jì)使我們受益匪淺，為我們以后到單位工作起到了一個(gè)良好過度。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文35參考文獻(xiàn)[1].璞良貴，紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第七版.北京：高等教育出版社，2001；[2].孫桓，陳作模主編.機(jī)械原理.第六版.北京：高等教育出版社，2002；[3].成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（機(jī)械振動(dòng)）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004；[5]. 蔡春源主編.新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).遼寧.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1993。[4]. 聞邦椿，劉樹英編著. 機(jī)械振動(dòng)學(xué).北京：冶金工業(yè)出版社，2000；[5]. 王昆，何小柏，汪信遠(yuǎn)主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，1995；[6]. 徐鶴齡主編.振動(dòng)篩和離心篩設(shè)計(jì).北京：人民鐵道出版社，1979；[7]. 廖念釗，古瑩奄，莫雨松，李碩根，楊興駿編.互換性與技術(shù)測量.第四版.北京：中國計(jì)量出版社，2000；[8]. 劉鴻文主編.材料力學(xué).第四版.北京：高等教育出版社，2004[9]. Ye Zhonghe, Lan Zhaohui. Mechanisms and Machine Theory. Higher Education Press, 2001.7南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文36致謝在這次設(shè)計(jì)過程中我遇到了不少困難，在此要感謝吳暉老師的悉心指導(dǎo)，感謝各位同學(xué)各種幫助，還要感謝同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供代寫論文良好的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的環(huán)境。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文37低能耗機(jī)器人懸浮機(jī)構(gòu)的應(yīng)用摘要 （文檔摘要）本文給出一種采用懸浮裝置直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手臂來操縱重型物體的低能量操縱方法?？紤]到在水平面內(nèi)懸吊工具的操作，利用懸吊在水平面內(nèi)的工具的動(dòng)態(tài)行為給出了混合位置/力跟蹤計(jì)劃的運(yùn)算法則，為了垂直操縱懸浮機(jī)器人手臂 ,由考慮到彈簧秤的重力補(bǔ)償，這種混合位置/力的動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)發(fā)展。為了顯示應(yīng)用于工業(yè)的可能性，這種模型在倒角作業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)展開。模擬和實(shí)驗(yàn)證明了此擬議系統(tǒng)的可行性。文本全文 (5295 個(gè)字)著作權(quán) MCB UP Limited (MCB) 2000 截至 2000 小型斷路器有限公司(簡稱 MCB)Mohammad Jashim Uddin: 博士, 山形大學(xué)系統(tǒng)和信息工程系, 日立 4-3-16, 日本Yonezawa 992-8510,電話: +81 238 26 3237; 傳真 : +81 238 26 3205.Yasuo Nasu:山形大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程部教授,日立 4-3-16, 日本 Yonezawa 992-8510,Kazuhisa Mitobe: 副教授, 山形大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程部教授, 日立 4-3-16, 日本 Yonezawa 992-8510,Kou Yamada: 副研究員, 山形大學(xué)電子及信息工程系, 日立 4-3-16, 日本 Yonezawa 992-8510,鳴謝: 在此作者真誠的感謝 Yoshihiro Ishihara 先生, Yoshiyasu Hariu 先生, Hidekazu Satou 先生, 及 Kazuo Abe 先生在機(jī)器人的制作和控制軟件的執(zhí)行中所做出的努力Mohammad Jashim Uddin 還將感謝教育部，科學(xué)會(huì)，運(yùn)動(dòng)商及(MONBUSHO) 給出的獎(jiǎng)學(xué)金, Japan. Received: 5 January 2000 Accepted: 7 February 20001. 簡介：在水平的運(yùn)動(dòng)中，工具重量在連接摩擦上有相當(dāng)大的影響，它直接地影響推進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。在垂直的運(yùn)動(dòng)中，地心引力效果在操作體的動(dòng)力學(xué)上有相當(dāng)大的影響。機(jī)器人的操縱應(yīng)該在推進(jìn)轉(zhuǎn)力矩的可允許極限和力量感應(yīng)器的能力里面。懸浮工具系統(tǒng)(STS)是一種新提議的橫向操縱重型工具的處理策略，懸吊機(jī)器人手臂系統(tǒng)(SRAS)是一種新提議的機(jī)器人手臂用在垂直面實(shí)現(xiàn)低功率驅(qū)動(dòng)和小容量感應(yīng)器的操作方法。由于和傳統(tǒng)的系統(tǒng)比起來具有很多優(yōu)點(diǎn)，懸浮工具系統(tǒng)和懸吊機(jī)器人手臂系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域越來越感興趣的話題。當(dāng)需要結(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬性和高性能動(dòng)態(tài)的時(shí)候，并聯(lián)操作結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的機(jī)器人系列相比，提供了許多明顯的優(yōu)點(diǎn)。因此, 這種機(jī)制在過去二十年受到了一定的關(guān)注 (自 1983). 一般說來，直接驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手, ,容易出現(xiàn)過快的操作幅度, 然而其輸出動(dòng)力卻很小。為了使其能拿起物體，在多個(gè)機(jī)械手的協(xié)調(diào)性控制方面做了很多研究(Schneider and Cannon, 1992; Walker et al., 1988). 當(dāng)兩個(gè)或更多機(jī)器人手臂用來完成一單一的任務(wù)時(shí)，其承載、南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文38處理、操縱能力會(huì)得到增強(qiáng)。 然而, 一個(gè)單一的機(jī)械手不能操縱重物，因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩滯留在一個(gè)固定的極限。當(dāng)前，許多工業(yè)機(jī)器人被用于研磨作業(yè)。大部分的研磨機(jī)器人操作受限于環(huán)境. 許多研究人員開展了工業(yè)機(jī)器人的力量控制 (Kashiwagi et al., 1990; Whitney and Brown, 1987). 然而, 在那些系統(tǒng)中, 研墨工具以傳統(tǒng)的方式直接裝在機(jī)器人手臂上，而且需要一個(gè)很大的驅(qū)動(dòng)力，雖然對(duì)有關(guān)在垂直面內(nèi)機(jī)器人手臂的操作有所研究 (Nemec, 1994), 但沒考慮到重力的補(bǔ)償，一般，由一個(gè)或多個(gè)機(jī)械手完成一個(gè)任務(wù)的可能性取決于其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)態(tài)的能力。自動(dòng)化機(jī)器人的修邊已經(jīng)在(Her and Kazerooni, 1991)被描述。在惠特尼等地報(bào)道，美洲獅 560 機(jī)器人的機(jī)械手焊珠研磨系統(tǒng)已經(jīng)具有視覺系統(tǒng) (1990). 在所有先前的修邊或研磨的研究中,大功率驅(qū)動(dòng)器被應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)。在垂直面內(nèi)，由于機(jī)械手的巨大的重力的影響，研磨加工過程變得非常困難，尤其是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩極限小于重力的影響范圍。機(jī)器人系統(tǒng)通常應(yīng)用于一個(gè)受約束的環(huán)境，所以，要控制最終受力器在自由方向的位置和在被約束方向的觸點(diǎn)壓力 。由 Raibert 和 Craig (1981)提出的混合位置/力控制方案在別的現(xiàn)存的控制方案上擁有相當(dāng)大的聲望。本文中, 將闡述具有一種懸吊工具系統(tǒng)的機(jī)械手混合位置 /力控制方案?？紤]到懸浮工具在水平面內(nèi)的動(dòng)態(tài)性能，我們將延伸說明到混合控制方案的基本原理。在垂直的運(yùn)動(dòng)中,討論由彈簧秤引起的重力補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)性能。2. 系統(tǒng)描述：Asada 和 Ro (1985) 設(shè)計(jì)了直接驅(qū)動(dòng)五桿并聯(lián)機(jī)器人,具有如下許多優(yōu)點(diǎn)：沒有后沖，微小的摩擦，高機(jī)械硬度以及精確的運(yùn)動(dòng)。這種實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)包含一個(gè)兩自由度機(jī)器人，具有一個(gè)五桿連接結(jié)構(gòu)和懸架系統(tǒng)。圖 1 和圖 2 展示了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，在水平面和豎直面內(nèi)分別附帶一個(gè)彈簧平衡器。表一顯示了五桿連接機(jī)制的一些重要性能。2.1. 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程：本節(jié)討論的連接結(jié)構(gòu)是一個(gè)五桿閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu)，如圖 3。有兩個(gè)輸出環(huán)節(jié)，分別由兩個(gè)獨(dú)立的直驅(qū)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)馬達(dá)安裝在底架上， 1，2 ，3，4 桿的長度分別由[sub]1,\ l[sub]2,\ l[sub]3,\ & l[sub]4 表示。輸入桿的角度由 q[sub]1 和 q[sub]2 表示，從 Y 軸測量所得。終點(diǎn)坐標(biāo)(見方程式 1)(見方程式 2)，從方程 (1)和 (2)得該機(jī)器人的反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)為：(見方程式 3)( 見方程式 4)，工作空間是一個(gè) Jacobian 矩陣 2×2 矩陣,可以表示為：(見方程式 5)，機(jī)器人手臂的慣量矩陣是一個(gè) 2 x 2 矩陣，可以表示為 (見方程式 6) A=I[sub]1+m[sub]1l[sup]2[sub]C1+I[sub]3+m[sub]3l[sup]2[sub]C3+m[sub]4l[sup]2[sub]1 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文39B m= (m[sub]3l[sub]2l[sub]C3+m[sub]4l[sub]1l[sub]C4)cos(q[sub]1-q[sub]2) C m= (m[sub]3l[sub]2l[sub]C3+m[sub]4l[sub]1l[sub]C4)cos (q[sub]1-q[sub]2) Dm=I[sub]2+m[sub]2l[sup]2[sub]C2+I[sub]4+m[sub]4l[sup]2[sub]C4+m[sub]3l[sup]2[sub]2 科里奧利公式和向心力矩陣是一個(gè) 2 x 1 矩陣，可表達(dá)為:( 見方程式 7)(見方程式 8)，重利矩陣是一個(gè) 2 x 1 矩陣，可以表示為： ( (見方程式 9)( (見方程式 10)，g 是由重力引起的重力加速度。2.2.硬件描述：控制系統(tǒng)的一個(gè)硬件示意圖如圖 4，一部奔騰微型計(jì)算機(jī), 133 兆赫, 被用來控制此系統(tǒng)。輸入（A/D ）和輸出（D/A）轉(zhuǎn)換具有八條通道和 12 字節(jié)的處理能力。伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器有三種控制模式：位置控制模式速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式。此計(jì)算機(jī)主板具有三個(gè)端口和 24 字節(jié)脈沖處理。一個(gè)低容量的三軸力傳感器 (逐漸校正到 19.62 N) 裝在機(jī)器人手臂頂端和氣動(dòng)夾子之間。運(yùn)算放大器與一個(gè)低通濾過器設(shè)計(jì)在一起，以消除預(yù)想不到的噪音，表 2 顯示了直驅(qū)馬達(dá)的一些重要性能。2.3. 工作空間與異常：對(duì)于一個(gè)給定的末端受動(dòng)器位置，反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)一般具有兩個(gè)可行的解決方案。異常的結(jié)構(gòu)會(huì)分開這兩種解決方案，在異常的結(jié)構(gòu)中，操縱器的最終受動(dòng)器不能在一個(gè)特定的方向移動(dòng)。異常分為兩種：固定異常和不定異常。一個(gè)閉環(huán)操縱器可能既有固定異常又有不定異常，在一個(gè)靜止的異常中, Jacobian 點(diǎn)陣具有零決定因素，然而在一個(gè)不定異常中，Jacobian點(diǎn)陣的決定因素為無窮大。Ting (1992) 、 Asada和 Ro (1985) 指出了五桿閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu)的異常問題。對(duì)于五連桿結(jié)構(gòu)，Jacobian 矩陣的決定因素 J 被定義為(見方程式 11)；對(duì)于五連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)( 見方程式 12)的情況時(shí)，固定異常存在。由方程式 (10)知,固定異常發(fā)生在工作空間的邊界，所以，籍由選擇鏈環(huán)尺寸來獲得一個(gè)自由空間的寬闊異常。機(jī)器人手臂的笛卡爾工作空間是最終受力器的總電子掃頻量，同時(shí)機(jī)器人手臂執(zhí)行所有的可行的動(dòng)作，最終受力器伴有一種特殊的力，即法向力和切向力。迪卡爾工作空間受限于機(jī)器人手臂的幾何學(xué)分析和鉸鏈的機(jī)械約束以及驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)極限。力量工作空間受限于最終受力器的發(fā)向力和切向力。實(shí)際上，力量工作空間是機(jī)械人手臂的一個(gè)笛卡爾工作空間的子集。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)力矩在如下范圍內(nèi)時(shí)：0[sup]- <= q[sub]1\ <=180[sup]- & 0[sup]- <= q[sub]2 <=180[sup]-.圖 5 展示了五連桿機(jī)構(gòu)在水平面內(nèi)的模擬卡迪爾工作空間。笛卡爾總工作空間應(yīng)付 5.0 N 的力量工作空間，在 10.0 N 的力量工作空間情況下是卡迪爾工作空間的一個(gè)子集。當(dāng)彈簧秤的提升力設(shè)為 9.81 N 和驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)力在以下范圍時(shí)：0[sup]- <= q[sub]1 <=180[sup]- and 180[sup]- <= q[sub]2 <=360[sup]-.圖 6 展示展示了南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文40五連桿機(jī)構(gòu)在豎直面內(nèi)的模擬卡迪爾工作空間。笛卡爾總工作空間應(yīng)付 5.0 N 的力量工作空間，在 10.0 N 的力量工作空間情況下是卡迪爾工作空間的一個(gè)子集。3. 懸浮動(dòng)態(tài)懸浮工具系統(tǒng)和懸浮機(jī)器人手臂系統(tǒng)的模型分別如圖 7 圖 8 所示。 彈簧秤的性能參數(shù)見表 III 。在懸浮系統(tǒng)中, [phi]是旋轉(zhuǎn)角度, [psi] 是方位角。為了將懸浮系統(tǒng)形象化，我們考慮做如下假設(shè)：高架鐵路的彈性變形，鋼索的質(zhì)量，滾動(dòng)阻力，風(fēng)力以及忽略噪音。最終受力器的卡迪爾坐標(biāo)定義如下： (見方程式 13)( 見方程式 14)，有效的提升力F[sub]取決于彈簧秤的設(shè)置，與懸浮的質(zhì)量有關(guān)而不是鋼絲繩的長度變化。在懸浮工具上的有效力被定義為： (見方程式 15)( 見方程式 16)?，F(xiàn)在，水平面內(nèi)的懸浮力為：(見方程式 17)。在豎直面內(nèi)的有效力 F[sub]vy 和 F[sub]vz 被定義為：(見方程式 18)( 見方程式 19)。此時(shí)，在豎直面內(nèi)來自彈簧秤的補(bǔ)償力可被定義為：(見方程式 20)4. 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)混合位置/力控制方案以一個(gè)工作空間的直角分解為基礎(chǔ)。在平面運(yùn)動(dòng)中，考慮到懸浮工具的動(dòng)態(tài)影響，我們討論位置/力控制模型 。在這部分中，豎直面中的混合位置/力控制模型從彈簧秤的重力補(bǔ)償方面來描述。5. 仿真結(jié)果為了探討機(jī)器人手臂在橫向和縱向面內(nèi)的執(zhí)行性能，利用前面章節(jié)的 MATLAB 仿真程序進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模型模擬，仿真框圖如圖 10。軌跡發(fā)生器 ,運(yùn)動(dòng)器, 控制器,操作器動(dòng)力, 以及約束條件都在 MATLAB 函數(shù)中被描述了。端口用來連接標(biāo)量或矢量信號(hào)匯集成一個(gè)更大的矢量信號(hào)。轉(zhuǎn)換器用來選擇輸出矢量的有用信號(hào)。5.1.水平面內(nèi)為顯示工具重力的影響，利用混合位置/力模擬以實(shí)現(xiàn)水平面運(yùn)動(dòng)。在模擬過程中，總操作時(shí)間為 10 秒，混合的時(shí)間為 0.5 秒，要求速度為 0.02 米/ 秒。最終受力器的軌跡在一個(gè)被約束的表面，從(0.0, 0.3) 到 (0.2, 0.3) 。模型工具的重量是 2.0 kg 。 假設(shè)是特制鋼，彈簧秤的提升力看作是 19.62 N ，所需的力為 5.0 N 。從圖 11 可看出, 與傳統(tǒng)的工具系統(tǒng)相比，由于特制鋼工具系統(tǒng)具有更小的連接摩擦，故其位置誤差更小。 此外，從圖 12 可看出，由于小的懸浮力作用于此懸浮工具系統(tǒng)，故其引起力的誤差更小。5.2. 豎直面內(nèi)在豎直面內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器力矩極限在重力影響范圍之內(nèi)時(shí)，彈簧秤的提升力是必要的，用以補(bǔ)償重力。一個(gè)特征曲線圖用來說明提升力的必要性以使機(jī)械手在力矩的極限內(nèi)保持南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文41在一個(gè)預(yù)設(shè)的速度。圖 13 表示了在速度為 0.01 米/ 秒時(shí)彈簧秤的提升力和馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力矩之間的關(guān)系 F[sub]b。 在此特征曲線圖里，提升力達(dá)到 5.0 N ，由于假想摩擦力的影響（方向力河切向力），馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力保持不變。此時(shí)，由于受到提升力的影響，馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力將增加。從此特征圖可以看出，當(dāng)提升力從 5.2 N 變到 16.5 N 時(shí)，在驅(qū)動(dòng)力極限內(nèi)機(jī)器人手臂能夠被操作。我們進(jìn)行了懸浮機(jī)器人手臂操作的混合位置/力控制模擬實(shí)驗(yàn)。在模擬實(shí)驗(yàn)中，總操作時(shí)間為 10 秒，混合的時(shí)間為 0.5 秒，最大速度為 0.01 米/ 秒，從特征曲線圖可知，提升力設(shè)定為 9.81 N ，要求的力是 5.0 N。在垂直向上的運(yùn)動(dòng)中，機(jī)械手的軌跡在一個(gè)被約束的表面，從(0.3, 0.0) 到(0.3, 0.1) 。圖 14 展示了機(jī)械手的有效的提升力和重力 。在豎直面的運(yùn)動(dòng)，彈簧秤的提升力是補(bǔ)償重力的主要部分，以及有效力非常小。圖 15 和圖16 分別展示了位置軌跡和力的軌跡。輸出的位置軌跡與要求的位置軌跡之間存在一個(gè)小的固定誤差以及力的輸出與要求的力輸出有一個(gè)小的時(shí)間滯后。6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了證明以上系統(tǒng)地有效性和正確性，我們?cè)谒矫婧拓Q直面都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下部分所示。6.1. 靜力圖 17 和圖 18 分別展示了在靜態(tài)時(shí)沿 X 軸和 Y 軸的有效力 F[sub]hx 和 F[sub]hy。很明顯， 當(dāng)機(jī)器人手臂抓住懸浮工具時(shí)，有效的靜態(tài)力大小接近最佳，但是當(dāng)機(jī)器人手臂抓住工具而沒有懸浮時(shí)，由于工具自身重量的影響，有效力將非常高。由于工具自身重量，機(jī)械手頂端會(huì)偏離引起位置誤差。有效的靜態(tài)力造成連接摩擦影響驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力矩。6.2.水平運(yùn)動(dòng)在本實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械手抓取一個(gè) 2.0 千克的懸浮工具的運(yùn)動(dòng)軌跡在一條從(0.1, 0.34) 到 (0.2, 0.34)的線上。速度指令為 0.02 米/秒，所需的力是 10.0 牛。從彈簧秤上懸吊起工具所需的力為 19.62 N 。在實(shí)驗(yàn)開始之前，最終受力器與一個(gè)被約束的表面接觸，圖19 展示了本實(shí)驗(yàn)的位置軌跡，圖 20 展示了力的軌跡。實(shí)際的位置軌跡與所需的位置軌跡存在一個(gè)穩(wěn)定的小誤差，以及實(shí)際力與要求的力輸出有一個(gè)小的時(shí)間滯后。6.3. 豎直運(yùn)動(dòng)在豎直平面內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力矩極限在重力影響范圍之內(nèi)時(shí)，機(jī)器人手臂不能進(jìn)行自動(dòng)操作。在本實(shí)驗(yàn)中，彈簧秤的提升力設(shè)定為 15.0 N，足夠?qū)⒃诘退龠\(yùn)行的機(jī)器人手臂懸吊起來。機(jī)械手的軌跡在一個(gè)從(0.28, 0.22) 到 (0.28, 0.26)的被約束表面上。指令速度為 0.005 米/秒，所需的力為 2.0 牛 。圖 21 和圖 22 分別展