振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu)

柯顯信,信繼忠,楊陽

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200444)

振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu)

柯顯信,信繼忠,楊陽

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200444)

針對目前圓周振蕩機(jī)構(gòu)的振幅一般不具有可調(diào)性的問題,研制了振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)主要包括偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和自適應(yīng)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu),并對偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和分析.結(jié)果表明,振幅可調(diào)圓周振蕩機(jī)構(gòu)的偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)0～50 mm擺正幅度可調(diào)和2～36 rad/s振蕩頻率可調(diào),動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)可以補(bǔ)償工作臺(tái)上不平衡質(zhì)量對機(jī)器運(yùn)行帶來的不利影響,提高機(jī)器使用壽命.振幅可調(diào)圓周振蕩機(jī)構(gòu)具有振幅調(diào)節(jié)簡單方便、速度快,機(jī)構(gòu)整體簡單緊湊、連接剛性、承載能力強(qiáng)、易維護(hù)等特點(diǎn),在生物工程領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

圓周振蕩機(jī)構(gòu);振幅可調(diào);動(dòng)力學(xué)仿真

圓周振蕩機(jī)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于生物工程、生物制藥、生物菌種和醫(yī)療業(yè)等領(lǐng)域[1-2],因此引起了研究人員的廣泛關(guān)注.新型設(shè)計(jì)的圓周振蕩機(jī)構(gòu)[3-5]類型繁多,使用原理大多是在工作臺(tái)面上放置玻璃瓶,瓶內(nèi)裝有接好菌種的液體培養(yǎng)基,接通電源后,菌種隨著圓周振蕩機(jī)構(gòu)在水平面上旋轉(zhuǎn)振搖,為菌絲的溶氧及擴(kuò)大提供較好的條件.這種類型的圓周振蕩機(jī)構(gòu)具有傳氧速率較高、功率消耗小、培養(yǎng)物不會(huì)濺到瓶口等優(yōu)點(diǎn)[6].目前圓周振蕩機(jī)構(gòu)的振幅大多為固定值,例如:美國精騏立式單門雙層恒溫振蕩器IS-RDV1,振幅為26 mm;德國IKA圓周振蕩搖床KS 501,振幅為30 mm;英國Grant公司的圓周往復(fù)一體式振蕩水浴搖床OLS 26,振幅為9 mm;上海博迅搖床BSD-YX 1400,振幅為26 mm;常州國華HY-6雙層調(diào)速多用振蕩器,振幅為20 mm.另外,也存在少數(shù)振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu),例如:瑞士INFORS公司的振蕩培養(yǎng)箱,振幅為25和50 mm;韓國DAIHAN公司的SHO圓周搖床,振幅為10,15和20 mm.但是,這類振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu)在使用的過程中,振幅不具有可調(diào)性或調(diào)節(jié)較為復(fù)雜.不同的細(xì)菌或菌種等[7-8]的培養(yǎng)條件是不同的,這就使得圓周振蕩機(jī)構(gòu)的使用范圍受到一定程度的限制,從而需要用戶購買不同振幅的圓周振蕩機(jī)構(gòu),因此提高了圓周振蕩機(jī)構(gòu)的使用成本.

基于上述情況,本工作研制了振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)振幅調(diào)節(jié)簡單方便、快速,可以滿足用戶振幅可調(diào)的需求.

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圓周振蕩機(jī)構(gòu)的振幅改變原理是機(jī)構(gòu)中從動(dòng)軸的軸線與主軸的軸線產(chǎn)生偏心距.基于此,本工作設(shè)計(jì)了偏心距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)由主軸、從動(dòng)軸、銷軸及兩個(gè)偏心距調(diào)整螺釘組成(見圖1).相對于主軸的圓盤端,從動(dòng)軸的圓盤端可以繞銷軸轉(zhuǎn)過一定的角度,且兩圓盤為剛性連接,這樣從動(dòng)軸的軸線相對于主軸的軸線產(chǎn)生偏心距,轉(zhuǎn)角不同,偏心距也隨之改變.通過調(diào)節(jié)偏心距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)整螺釘,可以實(shí)現(xiàn)0～50 mm的任意擺正幅度,且該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)連接可靠,振幅調(diào)節(jié)簡單方便、速度快等特點(diǎn).圖2為3種不同偏心距的偏心距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu).

圖1 偏心距調(diào)節(jié)原理Fig.1Principle of adjusting eccentricity

在偏心距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)主要包括主電機(jī)、4個(gè)支撐軸、配重塊、方形板、底座和固定座,其中每個(gè)支撐軸由支撐上軸、支撐下軸、直線導(dǎo)軌和軸承座組成(見圖3).通過主電機(jī)帶動(dòng)皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸回轉(zhuǎn),主軸驅(qū)動(dòng)偏心距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和4個(gè)支撐軸回轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)方形板的圓周振蕩運(yùn)動(dòng).當(dāng)偏心距較大時(shí),通過調(diào)整2個(gè)配重塊的夾角改變質(zhì)量分布.固定座使用具有吸振作用的鑄鐵材料,且4個(gè)支撐腳固定在地面上,最大限度地減小了由于機(jī)器高速運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的移動(dòng),也可以在一定程度上調(diào)整固定座的高度.

圖2 3種不同偏心距的偏心距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.2 Eccentricity adjusting mechanism with different eccentricities

圖3 偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3 Eccentric motion mechanism

1.2 自適應(yīng)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)

本工作研制的圓周振蕩機(jī)構(gòu)是高通量培養(yǎng)裝置的重要組成部分,該裝置配有在線光密度(optical density,OD)檢測機(jī)構(gòu)[9],OD檢測頭沿著x軸和y軸方向做大范圍的平面運(yùn)動(dòng)(見圖4).由于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)質(zhì)量分布不均勻,工作臺(tái)質(zhì)心位置不斷變化.隨著工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn),這些不平衡的質(zhì)量分布就產(chǎn)生了不平衡的慣性力,使機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲,從而降低了機(jī)器的性能、工作效率和使用壽命.根據(jù)磨床砂輪動(dòng)平衡的工作原理[10-11],增加一個(gè)自適應(yīng)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu),與不平衡質(zhì)量實(shí)現(xiàn)相位平衡和質(zhì)量平衡,這樣可以補(bǔ)償質(zhì)量不平衡對機(jī)器壽命造成的不利影響,降低機(jī)器運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲.

設(shè)在線OD檢測機(jī)構(gòu)質(zhì)量為mhv,其中質(zhì)量mh沿著x方向做水平運(yùn)動(dòng),質(zhì)量mv沿y方向做上下運(yùn)動(dòng),三者之間的關(guān)系如下:

圖4 自適應(yīng)動(dòng)平衡實(shí)現(xiàn)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of adaptive dynamic balance mechanism

兩個(gè)校正質(zhì)量塊的質(zhì)量分別為ma和mb,位置方位角分別為α和β,運(yùn)動(dòng)半徑為R.控制兩個(gè)校正質(zhì)量塊的角平分線與不平衡質(zhì)量的半徑呈180°,實(shí)現(xiàn)相位平衡控制;控制兩個(gè)校正質(zhì)量塊同時(shí)接近或遠(yuǎn)離,在保持角平分線不變的情況下,調(diào)整校正質(zhì)量塊與不平衡質(zhì)量中心點(diǎn)連線的夾角大小,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量平衡控制.圓周振蕩機(jī)構(gòu)的動(dòng)平衡實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示.

根據(jù)離心力平衡公式,可得

根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)自適應(yīng)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)(見圖5).由圖5可以看出,該結(jié)構(gòu)主要由圓形板、圓形導(dǎo)軌、外齒圈和兩個(gè)校正質(zhì)量塊組成,其中每個(gè)校正質(zhì)量塊由電機(jī)、小齒輪和電機(jī)固定板構(gòu)成.電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn),并與外齒圈嚙合,使得校正質(zhì)量塊沿著圓形導(dǎo)軌做圓周運(yùn)動(dòng).外齒圈和圓形導(dǎo)軌均固定在圓形板上.

1.3 振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu)

圖6為振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)主要包括偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)和工作臺(tái).通過偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主電機(jī)帶動(dòng)皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)主軸回轉(zhuǎn),主軸驅(qū)動(dòng)偏心距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和4個(gè)支撐軸回轉(zhuǎn),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)和工作臺(tái)同時(shí)做圓周振蕩運(yùn)動(dòng).該機(jī)構(gòu)可以通過偏心距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0～50 mm的擺正幅度可調(diào),通過主電機(jī)調(diào)速實(shí)現(xiàn)2～36 rad/s的振蕩頻率可調(diào),通過動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)補(bǔ)償工作臺(tái)的質(zhì)量不平衡對機(jī)器運(yùn)行造成的不利影響.

圖5 自適應(yīng)動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)Fig.5 Adaptive dynamic balance mechanism

圖6 振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu)Fig.6 Circumference oscillation mechanism with adjustable amplitude

2 動(dòng)力學(xué)建模與仿真分析

將SolidWorks三維模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件MSC Adams 2013,對偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與仿真分析[12].仿真的基本步驟如下:首先,建立零件的三維模型;然后,確定運(yùn)動(dòng)零件以及各運(yùn)動(dòng)零件之間的約束關(guān)系;最后,進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真分析.仿真時(shí)不僅可以設(shè)置控制參數(shù),還可以與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,也可以添加必要的輔助分析工具如傳感器等,用以檢驗(yàn)所建立的模型是否存在問題[13].建立虛擬樣機(jī)時(shí)要盡可能地簡化,在滿足仿真性能要求的情況下,建模和簡化的過程要遵循3點(diǎn)原則[14].偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況的動(dòng)力學(xué)仿真如圖7所示,此時(shí)調(diào)節(jié)偏心距為40 mm.

當(dāng)主軸以一定方式運(yùn)動(dòng)時(shí),各個(gè)零部件的運(yùn)動(dòng)位置、速度和加速度都存在一定的規(guī)律.利用Adams軟件中的Measure模塊測量方形板上任意一點(diǎn)的位移變化曲線和運(yùn)動(dòng)軌跡(見圖8).由圖8可知,方形板上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍均為40 mm.運(yùn)動(dòng)范圍由偏心距的大小決定,這與之前調(diào)節(jié)的40 mm偏心距保持一致,且運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓.應(yīng)用后處理模塊查看和分析任意一點(diǎn)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù),在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),各零部件的位移為0,表示各零部件都回到原來的位置,并開始進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期.各個(gè)零部件間運(yùn)動(dòng)無干涉現(xiàn)象,從而驗(yàn)證了該偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性.上述分析為物理樣機(jī)的加工提供了理論依據(jù).

圖7 偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模擬運(yùn)動(dòng)情況Fig.7 Simulation movement of the eccentric motion mechanism

圖8 方形板上任意一點(diǎn)的位移變化及運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Displacement curves and trajectory of a random point on the square plate

3 實(shí)驗(yàn)

圖9為加工裝配調(diào)試后的振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu)的物理樣機(jī).首先,單獨(dú)對偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將該物理樣機(jī)上方的動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)拆下并調(diào)整為0,通過改變主電機(jī)的轉(zhuǎn)速,觀察偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為2～36 rad/s時(shí)的運(yùn)行情況,結(jié)果表明該機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn).當(dāng)偏心距在0～50 mm變化時(shí)觀察偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況,結(jié)果表明機(jī)構(gòu)運(yùn)行良好.

圖9 振幅可調(diào)圓周振蕩機(jī)構(gòu)的物理樣機(jī)Fig.9 Physical prototype of the circumference oscillation mechanism with adjustable amplitude

最后,對整個(gè)物理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).為安全起見,首先從偏心距較小的實(shí)驗(yàn)做起,在保證正常運(yùn)行的前提下,逐漸增大主電機(jī)轉(zhuǎn)速直至36 rad/s,然后調(diào)整偏心距的大小(最大為50 mm),逐漸提高轉(zhuǎn)速(最大為36 rad/s)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),同時(shí)測量振幅的大小.主電機(jī)轉(zhuǎn)速為10 rad/s,偏心距分別為10,30,40 mm時(shí)振幅的測量結(jié)果如圖10所示.由圖10可以看出,振幅的大小與給定偏心距的大小是一致的.綜上分析可知,該物理樣機(jī)可以較好地實(shí)現(xiàn)0～50 mm的圓周振幅可調(diào)和2～36 rad/s的振蕩頻率可調(diào),達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo).

圖10 偏心距不同時(shí)物理樣機(jī)的振幅測量結(jié)果Fig.10 Results of measured amplitude for the physical prototype with different eccentricities

4 結(jié)束語

針對目前的圓周振蕩機(jī)構(gòu)的振幅在一般情況下不可調(diào)的問題,研制了振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu),然后通過動(dòng)力學(xué)仿真分析驗(yàn)證了偏心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本工作設(shè)計(jì)的振幅可調(diào)圓周振幅機(jī)構(gòu)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)0～50 mm的擺正振幅可調(diào)和2～36 rad/s的振蕩頻率可調(diào),其中動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)可以補(bǔ)償工作臺(tái)質(zhì)量不平衡對機(jī)器運(yùn)行造成的不利影響,提高了機(jī)器的使用壽命.振幅可調(diào)的圓周振蕩機(jī)構(gòu)具有振幅調(diào)節(jié)簡單方便、速度快,機(jī)構(gòu)簡單緊湊、連接剛性、承載能力強(qiáng)、易維護(hù)等特點(diǎn),在生物工程領(lǐng)域中的細(xì)菌培養(yǎng)、發(fā)酵、雜交及生物化學(xué)反應(yīng)等過程中具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

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A circular oscillation mechanism with adjustable amplitude

KE Xianxin,XIN Jizhong,YANG Yang
(School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

As the currently developed oscillation mechanism generally does not have adjustable amplitude,a circular oscillation mechanism with adjustable amplitude is designed.It contains an eccentric motion mechanism and an adaptive dynamic balance mechanism.Dynamic simulation and analysis are carried out on the eccentric motion mechanism.Experimental results show that 0～50 mm adjustable amplitude and 2～36 rad/s adjustable oscillation frequency can be achieved simultaneously.Unbalance quality of the table causing adverse effects can be compensated by the adaptive dynamic balance mechanism to increase life of the die.Its oscillation amplitude can be changed easily, conveniently and quickly,with simplicity,compact mechanism,rigid connection,strong bearing capacity and easy maintenance.It is expected to be used widely in biological engineering.

circular oscillation mechanism;adjustable amplitude;dynamics simulation

TP 391.9

A

1007-2861(2017)02-0216-09

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.02.008

2015-03-25

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012YQ150087)

柯顯信(1973—),男,副教授,博士,研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)和機(jī)電裝備開發(fā)等. E-mail:xxke@staff.shu.edu.cn