仿生機械擺動篩設計

徐榮友 ， 苗洪敏

（1.揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225000；2.揚州啟達知識產權代理事務所，江蘇 揚州 225000）

在物料分離領域經常使用振動原理作為篩體的激振源，振動篩利用高速振動的原理對物料進行篩分，對機器的破壞性很大，長時間容易引起變形、篩網損壞。針對這一缺點，擺動篩的理念逐漸走進人們的視野，擺動篩有輕微的橢圓擺動運動，無高速振動，可以克服振動篩的以上缺點。擺動篩與振動篩相比采用了仿人工篩分原理，物料在篩面做非線性的三維運動，既有圓周運動，又有上拋弧運動，而振動篩是采用雙電機或直立式電機驅動，物料運動軌跡是一臺直線或者水平、傾斜、垂直的三次元運動。擺動篩由于采用了仿人工篩分并加設了清網裝置，所以更加適合質地較粗或者篩分環境復雜的不規則或潮濕的物料，克服了普通振動篩的堵網風險。而振動篩屬于非平衡破壞暴力運動，利用了振動原理來篩分物料，所以有時還會破壞物料。擺動篩的出現，改變了精細篩分領域的格局，徹底打破了振動篩的統治局面，從根本上解決了振動篩的缺點和不足。本文對仿生擺動篩進行了進一步的研究，有利于推動物料分離領域仿生擺動篩的進一步發展[1-6]。

1 總體設計思路

本研究小組提出的仿生機械擺動篩是一種結構簡單、便于維護且生產高效的新型物料分離機構。本設計建立了人機交互模式，通過藍牙通信控制單片機對電機進行啟停、調速控制。通過曲柄滑塊機構進行動力傳遞，帶動機械擺動篩進行仿生運動并分離篩選物料，可適應工況復雜、物料直徑較大的待分離對象。本研究主要包括仿生機械擺動篩的整體結構設計、仿生推動手臂設計、轉軸組件設計、推動結構設計、控制系統設計等。

2 整體結構設計

仿生擺動篩整體結構示意圖如圖1 所示，整體框架結構由頂部框架1 和底部框架2 組成，局部由橫梁3、轉軸組件4、側網5、床體6、懸吊支架7 和仿生手臂9 連接構成。橫梁連接固定在頂部框架上，轉軸組件與橫梁固定連接，懸吊支架的上端與轉軸組件固定連接，懸吊支架的底端與床體固定連接。懸吊支架與轉軸組件形成轉動連接，仿生手臂設置在整體框架結構的外側，仿生手臂與懸吊支架活動連接；通過仿生手臂的往復運動，實現床體的平穩搖動。

圖1 整體結構示意圖

3 仿生推動手臂設計

3.1 仿生手臂結構設計

仿生手臂結構示意圖如圖2 所示，由立柱、安裝板、伺服電機、曲柄、連桿、導向滑塊和推桿連接構成。立柱與頂部框架固定連接，安裝板固定設置在立柱的頂部，伺服電機連接設置在安裝板的底面，曲柄、連桿、導向滑塊和推桿連接設置在安裝板的頂面，曲柄由伺服電機驅動連接，推桿滑動設置在導向滑塊內，推桿的一頭與懸吊支架連接，推桿的另一頭通過連桿與曲柄連接。

圖2 仿生手臂結構示意圖

3.2 仿生手臂原理

由圖3仿生手臂原理示意圖可知，仿生手臂采用的是曲柄滑塊機構，將曲柄1的回轉運動變換為滑塊3的往復運動，2 為連桿，4 為機架。曲柄滑塊機構中運動副為低副，各元件間為面接觸，構成低副兩元件的幾何形狀比較簡單，加工方便，易于得到較高的制造精度，因此選用曲柄滑塊機構作為仿生手臂的基本形式。若已知各結構的尺寸參數、位置參數和原動件的運動規律，即可完成對曲柄滑塊機構運動特性的分析。

圖3 仿生手臂原理示意圖

3.3 仿生手臂運動特性分析

3.3.1 位置分析

為了對機構進行運動分析，將各構件表示為矢量，可寫出各桿所構成的封閉矢量方程。將各矢量分別向X軸和Y軸進行投影，得：

求解得：

3.3.2 速度分析

將式（1）、（2）對時間t求導，得速度關系：

將式（3）、（4）用矩陣形式來表示，如下所示：

3.3.3 加速度分析

將式（3）、（4）對時間t求導，得加速度關系：

采用ANSYS Workbench 軟件對仿生手臂進行剛體動力學分析，對仿生手臂工作過程中的位移、速度、變形量進行分析，分析結果如圖4 所示[7]。從圖4（a）、圖4（b）中可以看出，X軸方向所示的變形量最小，符合實際要求。從圖4（c）中可以看出，推桿的速度變化平緩，最高速度僅為0.1 m/s 左右，速度輕柔和舒緩，可以滿足嬰兒的睡眠要求。從圖4（d）中可以看出，在仿生手臂運動變化過程中，只有X軸的位移發生變化，Y、Z軸方向的位移不發生變化，符合仿生手臂實際工作的位移變化。

圖4 仿生手臂ANSYS 剛體動力學分析結果圖

4 轉軸組件設計

轉軸組件結構示意圖如圖5 所示，由連接板1、軸承座2、轉軸3、軸端支架4 和軸承8 連接構成。兩個軸端支架與橫梁6 連接固定，兩個軸端支架的內側面上設有中心孔5，軸承座、軸承、轉軸和連接板設置在兩個軸端支架之間，連接板設置在軸承座的下方，軸承固定設置在軸承座內，轉軸固定在軸承內部，轉軸的兩頭與軸端支架的中心孔配合連接。軸承的外圈與軸承座的內圈過盈配合，軸承的內圈與轉軸的外壁過盈配合，轉軸的兩頭與中心孔間隙配合。

圖5 轉軸組件結構示意圖

5 推動結構設計

推桿與懸吊支架之間設有連接塊，連接塊的一端設有通孔，另一端設有卡槽，連接塊通過通孔套置在懸吊支架上，推桿的頭部設有卡塊，卡塊與卡槽插接連接并通過銷軸形成相對轉動。通過仿生手臂的往復運動，實現床體的平穩搖動，推動結構示意圖如圖6所示。

圖6 推動結構示意圖

6 仿生手臂控制系統設計

仿生手臂控制系統主要由HC-05 藍牙模塊、STC89C52RC 單片機、直流步進電機驅動板L9110S兩路H 橋、XL4016 直流8 A 可調降壓模塊和控制電源等組成。本系統基本工作方式如下：在手機模擬串口發出指令，通過HC-05 藍牙模塊傳遞給STC89C52RC 單片機，控制28BYJ-48 電機轉動，并實現電機速度的快中慢調節。XL4016 直流8 A 可調降壓模塊采用XL4016 調壓芯片，配合100 A 雙整流橋+大儲能電感，對直流功率PWM 調壓；HC-05 藍牙模塊通過串口與51 單片機連接，實現人機交互，通過手機端的藍牙調試器App 發送控制信息（兩者之間的通信方式為串口通信，波特率設置為9 600），在App中設置五個鍵，分別用作啟、一擋速、二擋速、三擋速、停，按鍵按下去后會通過串口發送對應的數值，51 單片機的SBUF 寄存器存儲接收到的值，然后對接收到的信息進行處理[8-10]。

7 結語

綜上所述，本研究從仿生機械擺動篩的整體結構設計、仿生推動手臂設計、轉軸組件設計、推動結構設計、控制系統設計等分別進行探討，尤其是通過ANSYS 軟件對仿生機械手臂進行了參數優化設計，求出仿生機械擺動篩的尺寸參數最優解，在保證動力傳遞的同時進行了輕量化設計，從結構和控制兩個大方向上分別進行了相應的現代設計，彌補了振動篩的相關不足，提高了物料分離領域的工作效率，并克服了相關的復雜工況，為仿生擺動篩相關結構設備的研發提供了參考。