一种定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置及方法与流程

本发明属于机械设计领域，具体涉及一种定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置及方法。

背景技术

基于低频大加速度的共振声混合技术是近年来发展起来的新型混合技术，由于其混合工艺在功能性、安全性、混合效率方面相比传统混合方式具有十分明显的优势，被越来越多的应用于含能材料等领域。共振声混合技术的工作频率一般为50-65hz，工作加速度在0～150g（g为重力加速度）之间，所用设备为共振声混合器。共振声混合器基本原理是利用电磁或偏心块作为激振源，通过三阶弹簧系统产生共振将激振源的振幅放大，同时抵消对地作用力。决定共振声混合设备功能性的主要参数为频率和加速度。

现有共振声装置设计主要分为两个类型，分别是基于电磁激振驱动的共振声混合器和基于电机激振驱动的共振声混合器，如中国发明专利cn201710058168.1和cn201710058169.6分别公开了电磁激振共振混合器和电机激振共振混合器。电磁激振混合器的特点是频率和振幅调节简单，也就是控制较为简单，但其硬件可靠性较差，发热尤其严重，限制了其使用场合和量级放大；电机激振混合器的优点是硬件系统较为可靠，但存在多台电机相位控制精度难以保证的难点。无论电磁激振混合器还是电机激振混合器，均是遵从三阶弹簧系统放大原理，该原理最大的优点是节能、降低对地冲击力。但三阶弹簧系统原理在设计、加工、安装及使用方面具有较高的要求，非熟练专业人员不能完成，且设备所需的频率自跟踪系统控制复杂，研发费用高昂。

在共振声混合技术发展初期，共振声混合器研发处于探索阶段，市场上尚未出现成熟产品。基于此，对共振声混合机制及工艺研究需要一款在功能上一致的替代设备，该设备需具备两个条件：①最大加速度大，至少可达100g(重力加速度)；②不但能调节频率，且在固定频率条件下能调节加速度大小。

技术实现要素：

本发明提供一种定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置及方法，其目的一是在定频条件下可以连续调节加速度；目的二是降低成本；目的三是简化结构，提供纯机械结构。

为此，本发明提供了一种定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置，它包括控制器，它还包括两个调频电机、一根传动轴和两个凸轮，所述两个凸轮套在传动轴上并关于传动轴的中点对称分布，两个凸轮同时沿传动轴相向或相背滑动，滑动时，凸轮的中心轴线靠近或远离传动轴的中心轴线，两个调频电机分别安装在传动轴的两个端部；

所述凸轮的顶端力锁合有载物台，载物台内安装有加速度传感器，凸轮具有两个互相平行且均与凸轮中心轴线垂直的侧面，其中一个侧面通过旋转接头连接凸轮位置调节机构，另一个侧面通过旋转接头连接凸轮复位机构，凸轮被夹持在凸轮位置调节机构和凸轮复位机构之间；

所述调频电机、凸轮位置调节机构、凸轮复位机构和加速度传感器均与控制器电连接。

进一步地，所述传动轴沿长度方向的两个相对面上分别设有导向凸台，所述导向凸台关于传动轴中点呈∕＼字形对称分布，凸轮中心用于穿过传动轴的通孔形状与由传动轴、导向凸台组成的整体的截面形状相匹配。

进一步地，所述传动轴为矩形轴，矩形轴具有传动轴左右相对面和传动轴上下相对面，导向凸台设在传动轴左右相对面上；所述凸轮为中心开有矩形孔的圆盘形结构，矩形孔具有凸轮左右相对面和凸轮上下相对面，所述凸轮左右相对面分别开有容纳导向凸台的滑槽。

进一步地，所述传动轴左右相对面与凸轮左右相对面、滑槽和导向凸台之间均为间隙配合。

进一步地，所述传动轴上下相对面之间的距离为h1，凸轮上下相对面之间的距离为h2，凸轮沿传动轴滑动时，h2-h1≥δe，δe为所需调节偏心距。

进一步地，所述传动轴沿长度方向的两个相对面上分别开有滑槽，所述滑槽关于传动轴中点呈∕＼字形对称分布，凸轮上设有导向凸台，导向凸台沿滑槽滑动。

进一步地，所述凸轮位置调节机构为丝杠电机、液压缸、气缸中的任一种；所述凸轮复位机构为弹簧或丝杠。

进一步地，所述载物台与凸轮之间通过力锁合弹簧锁合。

进一步地，一种定频条件下加速度连续可调的振动驱动方法，将待测的被振动物放置在载物台上，在固定转速下启动调频电机，传动轴转动，带动凸轮转动并同时沿着导向凸台滑动，凸轮与传动轴组合形成偏心凸轮机构，载物台通过力锁合弹簧在偏心凸轮机构的运动下上下振动，在调频电机转速一定的情况下，载物台上下振动的频率保持不变，加速度传感器采集载物台的实际加速度并反馈给控制器，控制器根据反馈的数据通过调节凸轮位置调节机构和凸轮复位机构来移动凸轮的位置，使载物台达到预设的振动加速度。

进一步地，通过改变调频电机的转速来调整载物台的振动频率，载物台的加速度最小可达100g，g为重力加速度。

本发明的有益效果：本发明提供的这种定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置及方法，（1）结构简单，纯机械结构设计，不存在复杂的弹簧放大系统；（2）设备结构直接决定运动形式，没有复杂的设计和调试过程，运行可靠。（3）降低成本。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置的结构示意图。

图2是凸轮和传动轴、载物台的连接结构示意图。

图3是传动轴的结构示意图。

图4是凸轮的结构示意图。

图5是凸轮和传动轴组成的偏心凸轮机构的示意图。

图6是定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置的电连接示意图。

附图标记说明：1.调频电机；2.传动轴；3.凸轮；4.凸轮位置调节机构；5.凸轮复位机构；6.旋转接头；7.载物台；8.控制器；9.加速度传感器；21.传动轴左右相对面；22.传动轴上下相对面；23.导向凸台；31.矩形孔；311.凸轮左右相对面；312.凸轮上下相对面；32.滑槽。

具体实施方式

实施例1：

为了解决共振声混合设备结构设计和控制较为专业，普通工艺研究者难以设计出理想工况的共振声混合设备的问题，本实施例提供了一种定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置，如图1和图2所示，它包括控制器8，它还包括两个调频电机1、一根传动轴2和两个凸轮3，所述两个凸轮3套在传动轴2上并关于传动轴2的中点对称分布，两个凸轮3同时沿传动轴2相向或相背滑动，滑动时，凸轮3的中心轴线靠近或远离传动轴2的中心轴线，两个调频电机1分别安装在传动轴2的两个端部；

所述凸轮3的顶端力锁合有载物台7，载物台7内安装有加速度传感器9，凸轮3具有两个互相平行且均与凸轮3中心轴线垂直的侧面，其中一个侧面通过旋转接头6连接凸轮位置调节机构4，另一个侧面通过旋转接头6连接凸轮复位机构5，凸轮3被夹持在凸轮位置调节机构4和凸轮复位机构5之间；

如图6所示，所述调频电机1、凸轮位置调节机构4、凸轮复位机构5和加速度传感器9均与控制器8电连接。

定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置的工作原理如下：

将待测的被振动物放置在载物台7上，在固定转速下启动调频电机1，传动轴2转动，带动凸轮3转动并同时沿着传动轴2滑动，凸轮3与传动轴2组合形成偏心凸轮机构，载物台7通过力锁合弹簧在偏心凸轮机构的运动下上下振动，在调频电机1转速一定的情况下，载物台7上下振动的频率保持不变，加速度传感器9采集载物台7的实际加速度并反馈给控制器8，控制器8根据反馈的数据通过调节凸轮位置调节机构4和凸轮复位机构5来移动凸轮3的位置，使载物台7达到预设的振动加速度。通过改变调频电机1的转速来调整载物台7的振动频率，载物台7的加速度最小可达100g，g为重力加速度。

需要特别说明的是，（1）使从动件与凸轮轮廓始终保持接触的特性成为锁合，在本实施例的结构中，凸轮3的顶端力锁合有载物台7，是凸轮机构中常用的一种锁合方式，通常力锁合包括弹簧力锁合、从动件重力锁合和其他外力锁合，由于力锁合是本领域成熟的现有技术，其具体的结构不作为本发明的保护点，在此不作详细的说明。控制器8是用来控制、监测或者处理调频电机1、凸轮位置调节机构4、凸轮复位机构5、加速度传感器9传输的数据，它可以是可编程控制器plc，也可以是市购的可以实现以上功能的现有控制器。

（2）为了提高系统运行平稳性和实现对电机的保护，调频电机1一般成对布置，对传动轴2形成两端支撑。

（3）旋转接头6截面为空心截面，可随凸轮3一起沿传动轴2移动；如图5所示，凸轮位置调节机构4通过旋转接头6给凸轮3施加一个方向与传动轴2平行的力f1，凸轮复位机构5通过旋转接头6给凸轮3施加一个方向与传动轴2平行的力f2，且f2与f1方向相反。控制器8控制凸轮位置调节机构4和凸轮复位机构5施加力的大小来移动凸轮3的位置，使载物台7达到预设的振动加速度。

相比现有的共振声混合器，本实施例的定频条件下加速度连续可调的振动驱动装置是纯机械结构设计，没有复杂的设计和调试过程，不存在复杂的弹簧放大系统，在降低成本的同时，做到了在固定频率条件下可以连续调节加速度，该装置能够在工艺功能上具备共振声混合设备的所有功能。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图2和图3所示，所述传动轴2沿长度方向的两个相对面上分别设有导向凸台23，所述导向凸台23关于传动轴2中点呈∕＼字形对称分布，凸轮3中心用于穿过传动轴2的通孔形状与由传动轴2、导向凸台23组成的整体的截面形状相匹配。

两个凸轮3穿套在传动轴2上，并可以沿导向凸台23相背或者相向运动，导向凸台23与传动轴2中轴线呈一定夹角，凸轮3在滑动时，凸轮3的中心轴线靠近或远离传动轴2的中心轴线，使凸轮3的偏心距发生了变化，凸轮3与传动轴2组合形成偏心凸轮机构，该偏心凸轮机构与载物台7锁合，偏心凸轮机构运动时，载物台7作为从动件上下振动，从而为共振声混合工艺实验提供等效实验装置。

实施例3：

在实施例2的基础上，如图3所示，所述传动轴2为矩形轴，矩形轴具有传动轴左右相对面21和传动轴上下相对面22，导向凸台23设在传动轴左右相对面21上；如图4所示，所述凸轮3为中心开有矩形孔31的圆盘形结构，矩形孔31具有凸轮左右相对面311和凸轮上下相对面312，所述凸轮左右相对面311分别开有容纳导向凸台23的滑槽32。

需要特别说明的是，传动轴2的截面也可以为其他形状，如三角形截面、五角星截面、六角形截面等，传动轴2的形状只要能达到两点要求即可：凸轮3能够沿传动轴2滑动且在滑动行程内，传动轴2的结构均能对凸轮3起到传动作用。当传动轴2的截面形状为其他非矩形的异形时，凸轮3所开的中通孔也就相应的改变。

实施例4：

在实施例3的基础上，所述传动轴左右相对面21与凸轮左右相对面311、滑槽32和导向凸台23之间均为间隙配合。传动轴左右相对面21与凸轮左右相对面311之间可自由滑动，滑槽32和导向凸台23之间可自由滑动。

实施例5：

在实施例3的基础上，如图2所示，所述传动轴上下相对面22之间的距离为h1，凸轮上下相对面312之间的距离为h2，凸轮3沿传动轴2滑动时，h2-h1≥δe，δe为所需调节偏心距。

当凸轮3沿着传动轴2运动时，凸轮3的中心点在传动轴2上的凸台23的作用下逐渐靠近或远离传动轴2的中轴线，使凸轮3的偏心距发生了改变。在电机转速一定的情况下，载物台7上下振动的频率保持不变，这时改变凸轮3的偏心距使载物台7的振动幅度发生变化，从而实现调节载物台7振动加速度的功能。

实施例6：

在实施例1的基础上，根据设计和实际使用需要，所述传动轴2沿长度方向的两个相对面上分别开有滑槽32，所述滑槽32关于传动轴2中点呈∕＼字形对称分布，凸轮3上设有导向凸台23，导向凸台23沿滑槽32滑动。

实施例7：

在实施例1的基础上，如图5所示，所述凸轮位置调节机构4为丝杠电机、液压缸、气缸中的任一种，通过旋转接头6给凸轮3施加一个方向与传动轴2平行的力f1；所述凸轮复位机构5为弹簧或丝杠，通过旋转接头6给凸轮3施加一个方向与传动轴2平行的力f2，且f2与f1方向相反。

实施例7：

在实施例1的基础上，所述载物台7与凸轮3之间通过力锁合弹簧锁合。力锁合形式包括弹簧力锁合、从动件重力锁合和其他外力锁合，本实施例优选弹簧力锁合，但并不局限于此，也可以是其他形式的锁合方式。

实施例8：

一种定频条件下加速度连续可调的振动驱动方法，

将待测的被振动物放置在载物台7上，在固定转速下启动调频电机1，传动轴2转动，带动凸轮3转动并同时沿着导向凸台23滑动，凸轮3与传动轴2组合形成偏心凸轮机构，载物台7通过力锁合弹簧在偏心凸轮机构的运动下上下振动，在调频电机1转速一定的情况下，载物台7上下振动的频率保持不变，加速度传感器9采集载物台7的实际加速度并反馈给控制器8，控制器8根据反馈的数据通过调节凸轮位置调节机构4和凸轮复位机构5来移动凸轮3的位置，使载物台7达到预设的振动加速度。

通过改变调频电机1的转速来调整载物台7的振动频率，载物台7的加速度最小可达100g，g为重力加速度。

本实施例①最大加速度大，至少可达100g(重力加速度)；②不但能调节频率，且在固定频率条件下能调节加速度大小。本发明的振动驱动装置结构简单、控制方便、价格低廉，且在定频条件下可在设计范围内任意调节加速度，为共振声混合工艺实验提供等效实验装置

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。