CN114160400B - 一种振幅与频率可调的振动发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种振幅与频率可调的振动发生装置，涉及振动设备技术领域。包括凸轮机构和位移机构，凸轮机构包括箱体、凸轮、凸轮轴和摆动从动件，凸轮安装在凸轮轴上，凸轮轴和摆动从动件安装在箱体中，位移机构设置在凸轮机构的顶端，位移机构包括滑动罩、直动轴体、弹簧、直线轴承和驱动机构，直动轴体、弹簧和直线轴承设置在滑动罩的内支架中，直动轴体的中间设置有轴环，弹簧套设在轴环上方，弹簧与轴环固定连接，直线轴承套设在轴环的下方，直线轴承与滑动罩固定连接，驱动机构设置在滑动罩的一侧，驱动机构与滑动罩固定连接，滑动罩安装在箱体的滑槽上，滑动罩与箱体滑动连接，本发明结构紧凑，能够实现振幅和频率的精确控制。

Description

一种振幅与频率可调的振动发生装置

技术领域

本发明涉及振动设备技术领域，具体为一种振幅与频率可调的振动发生装置。

背景技术

振动是宇宙普遍存在的一种现象，振动原理广泛应用于建筑、医疗、制造、建材、探测、军事等行业。例如在重型矿山机械中的筛分设备，输送设备，粉碎设备，如农业机械中的给料设备，又如航空航天测试设备中的激振台。

随着行业发展和科研的需求，对振动发生装置的工作范围，可靠性，控制精度要求越来越高，特别是实验测试仪器，既可以调节频率又可以控制振幅的需求也越来越多。

现有振动发生装置多为对频率的范围控制，其中较为常见的是电磁式激振器或者是振动电机组成的振动台，电磁式激振器将周期变化的电流输入电磁铁线圈，在被激件与电磁铁之间便产生周期变化的激振力，其体积大，噪音大且价格昂贵，对频率与振幅的控制依赖额外的设备如信号发生器和功率放大器，且不够精确。振动电机是在转子轴两端各安装一组可调偏心块，利用轴及偏心块高速旋转产生的离心力得到激振力。振动电机组成的振动台通过振动电机的位置组合实现振动控制，一般振动台无法实现对振幅的控制，频率控制不准确也无法实现方向性的振动。

因此，如何提供一种能够实现振幅和频率的精确控制、结构紧凑的振动发生装置，成为本领域人员需要考虑的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种振幅与频率可调的振动发生装置，本发明结构简单，结构紧凑体积小，能够实现振幅和频率的精确控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种振幅与频率可调的振动发生装置，包括凸轮机构和位移机构，所述凸轮机构包括箱体、凸轮、凸轮轴和摆动从动件，所述凸轮通过凸轮质心安装在凸轮轴上，所述凸轮轴和摆动从动件安装在箱体中，所述位移机构设置在凸轮机构的顶端，所述位移机构包括滑动罩、直动轴体、弹簧、直线轴承和驱动机构，所述直动轴体、弹簧和直线轴承设置在滑动罩的内支架中，所述直动轴体的中间设置有轴环，所述弹簧套设在直动轴体上，所述弹簧设置在轴环上方并与轴环固定连接，所述直线轴承套设在直动轴体上，所述直线轴承设置在轴环的下方，直线轴承与滑动罩的内支架固定连接，所述驱动机构设置在滑动罩的一侧，所述驱动机构与滑动罩固定连接，所述滑动罩的两侧安装在箱体的滑槽上，所述滑动罩与箱体滑动连接。

进一步的，所述直动轴体靠近摆动从动件的一端为光滑圆弧端面，所述直动轴体的另一端为振动输出端面，所述振动输出端面贯穿滑动罩并留有法兰口。

进一步的，所述驱动机构包括丝杠、丝杠螺母和减速齿轮组，所述丝杠螺母套装在丝杠上，所述丝杠的一端与箱体转动连接，所述丝杠螺母与滑动罩固定连接，所述减速齿轮组设置在丝杠的另一端，所述丝杠与减速齿轮组固定连接。

进一步的，所述箱体中装有润滑液，凸轮机构整体以油浴润滑的方式浸润在润滑液中。

进一步的，还包括机电控制模块，所述机电控制模块设置在凸轮机构的一侧，所述机电控制模块包括伺服电机、电机支架、伺服电机控制器、微型直流电机和位置检测器，所述伺服电机设置在电机支架上，所述伺服电机控制器设置在电机支架的一侧，所述伺服电机控制器与伺服电机电连接，所述伺服电机通过联轴器与凸轮轴驱动连接，所述微型直流电机安装在箱体的一侧，所述微型直流电机与减速齿轮组的输入轴固定连接，所述位置检测器设置在减速齿轮组输出轴的末端，作为位置反馈实现微型直流电机精准转角控制。

进一步的，所述摆动从动件的运动规律遵循改进正弦加速度运动轨迹，所述摆动从动件包括转动轴、摆杆和平底，所述摆杆设置在转动轴之间，所述摆杆一端与转动轴固定连接，所述摆杆的另一端与平底固定连接，所述转动轴的两端设置在箱体上，所述转动轴与箱体转动连接，所述平底设置在凸轮的上方。

进一步的，摆动从动件的摆杆长度为凸轮基圆直径的两倍，转动中心置于凸轮斜上方，摆动从动件的平底上下端面光滑，以摩擦的方式与直动轴体和凸轮接触。

进一步的，还包括第一轴承组、第二轴承组和端盖，所述第一轴承组设置在凸轮轴的两端并与凸轮轴转动连接，所述第一轴承组和第二轴承组均贯穿固定在箱体上，所述第一轴承组和第二轴承组的外侧均设置有端盖，所述第一轴承组之间设置有凸轮轴，所述第二轴承组之间设置有转动轴。

进一步的，所述凸轮机构的封闭方式为力封闭，利用弹簧产生的弹簧力，使摆动从动件与凸轮始终保持接触，所选弹簧为高阻尼压簧，适应摆动从动件的高速往复运动。

进一步的，所述联轴器为具有弹性元件的挠性联轴器。

本发明的有益效果为，本发明利用凸轮机构运动规律可任意拟定的特点和机械传动机构的可靠性，实现对频率和振幅的精确控制，结构紧凑体积小、噪音小、可靠性高，以机械传动的方式同时实现振幅和频率的精确控制，本发明的振动发生装置性能优异结构精巧，能够适用于各类试验测试和精密驱动场景，具有极高的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明主体结构示意图。

图2为本发明内部结构示意图。

图3为本发明内部结构侧视图。

图4为本发明凸轮机构爆炸示意图。

图5为本发明位移机构示意图。

图6为本发明振动传递示意图。

其中，1-箱体；2-凸轮；3-凸轮轴；4-滑动罩；5-直动轴体；6-丝杠；7-丝杠螺母；8-减速齿轮组；9-伺服电机；10-电机支架；11-微型直流电机；12-位置检测器；13-转动轴；14-摆杆；15-平底；16-第一轴承组；17-第二轴承组；18-密封圈；19-挡油环；20-端盖；21-轴环；22-弹簧；23-直线轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

如图1-6所示，本发明公开了一种振幅与频率可调的振动发生装置，包括凸轮机构、位移机构和机电控制模块，位移机构设置在凸轮机构的上方，机电控制模块设置在凸轮机构的一侧，本实施例中的凸轮机构为盘型凸轮机构，凸轮机构包括箱体1、凸轮2、凸轮轴3、第一轴承组16、第二轴承组17、密封圈18、挡油环19、端盖20、联轴器和摆动从动件，箱体1中装有润滑液，凸轮机构整体以油浴润滑的方式浸润在润滑液中，凸轮2通过凸轮质心安装在凸轮轴3上，凸轮轴3两端安装在箱体1上，凸轮轴3上对称布置有第一轴承组16、密封圈18和挡油环19，挡油环19和密封圈18的设置，保证凸轮轴3高速旋转的场景下润滑液的密封，端盖20通过凸轮轴3中心线安装在箱体1两侧，凸轮轴3一端由端盖20密封，另一端穿过端盖20通过联轴器和机电控制模块中的伺服电机9的输出轴相连，本实施例中凸轮机构的封闭方式为力封闭，利用弹簧产生的弹簧力，使摆动从动件与凸轮始终保持接触，连轴器选择具有弹性元件的挠性联轴器，这类联轴器装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，而且具有缓冲减振的能力，所选用的轴承为深沟球轴承，深沟球轴承径向承载好并适合高速轻载的工作场景。

摆动从动件包括转动轴13、摆杆14和平底15，摆杆14设置在转动轴13与平底15之间，摆杆14一端与转动轴13固定连接，摆杆14的另一端与平底15固定连接，摆动从动件的摆杆14长度为凸轮基圆直径的两倍，转动中心置于凸轮2的斜上方。摆动从动件的平底15上下端面光滑，以摩擦的方式分别与直动轴体5和凸轮2接触，其中，转动轴13两端安装在箱体上，转动轴13上对称布置第二轴承组17、密封圈和挡油环，第二轴承组17的外侧对应设置有端盖。工作时，伺服电机驱动凸轮轴3和凸轮2高速旋转，摆动从动件的平底15与凸轮2发生滑动摩擦并绕转动轴13上下往复摆动，摆动从动件结构简单，摩擦阻力小，摆动从动件的平底15与凸轮2偏置一定距离，偏距小于凸轮自身厚度，适中的偏距可以使导路摩擦减小，凸轮机构的摆动从动件的运动规律遵循改进正弦加速度运动轨迹，改进正弦加速度曲线的特点是无冲击，加速度连续，启动平稳适合高速轻、中载。

位移机构包括直动轴体5、直线轴承23、滑动罩4、弹簧22、丝杠6、丝杠螺母7和减速齿轮组8。直线轴承23、弹簧22和直动轴体5整体安装在滑动罩4的内支架上，直动轴体5一端为光滑圆弧端面，与摆动从动件的平底15上表面摩擦接触，另一端为振动输出端面，并留有法兰口便于外接设备或平台，直动轴体5的中间位置设置有轴环21，直动轴体5通过中心线安装在直线轴承23中，弹簧22同轴安装在直动轴体轴环21的上方，弹簧22与轴环21固定连接，直线轴承23固定在滑动罩4的内支架上，直动轴体21、直线轴承23和弹簧22互相同轴约束，皆安装在箱体1内部、滑动罩4的内侧。弹簧22选用高阻尼压簧，能够适应摆动从动件的高速往复运动。丝杠6布置在箱体1的一侧，丝杠6的一端转动连接在箱体1上，丝杠6的另一端与减速齿轮组8的输出轴固定连接，丝杠螺母7套装在丝杠6上，通过丝杠6，将微型直流电机11的旋转运动转换为丝杠螺母7的直线位移，丝杠螺母7与滑动罩4的外支架固定连接，通过丝杠6的转动驱动滑动罩4和直动轴体5整体位移，丝杠螺母7的直线位移是一种无级调速的方式，这种位移的无级调速最终转化为振动发生装置振幅的精确调整，工作时，直动轴体5将摆动从动件的绕转动中心转动转换为上下直线运动，通过直线轴承限制五个自由度，通过弹簧55与摆动从动件上表面始终保持接触，保证振动输出频率(HZ)始终和凸轮转速(r/s)保持一致。

机电控制模块包括伺服电机9、电机支架10、伺服电机控制器、微型直流电机11和位置检测器12。伺服电机9安装在固定支架10上，用于驱动凸轮轴3高速旋转，伺服电机9通过伺服电机控制器实现对位置和速度的精确控制，伺服电机9的转速(r/s)对应直动轴体5的振动频率(HZ)，伺服电机9的转速越高，直动轴体5的振动频率越大。微型直流电机11安装在箱体一侧，与减速齿轮组8输入轴相连，减速齿轮组8输出轴与丝杠6一端相连，位置检测器12安装在减速齿轮组8输出轴末端，作为位置反馈实现微型直流电机11精准转角控制，减速齿轮组8对微型直流电机11产生的转动角度进行放大，进一步的，通过减速齿轮组8，微型直流电机11可提供的角度变化更多，通过控制微型直流电机11的正反转和转角改变丝杠螺母7的位置，减速齿轮组8输出轴更多的角度变化最终为振动发生装置提供了更广的振幅调节范围，间接实现了控制直动轴体5的振幅。

实施例2

本实施例提出一种小型振动发生装置，该装置的振动类型为周期性简谐振动，振动频率(f)为0～200Hz可调，振动振幅(A)为0.5mm～2mm可调。该装置包含凸轮机构，位移机构，机电控制模块。

凸轮机构具体为摆动从动件盘型凸轮机构，凸轮2的基圆半径为10mm，凸轮厚度5mm。推程阶段起始升程0mm，终止升程1mm，起始角度0°，终止角度170°；远休止角10°；回程阶段起始升程1mm，终止升程0mm，起始角度190°，终止角度350°；近休止角10°。凸轮本体经过刚性转子的静平衡设计，保证质心和基圆中心重合，消除凸轮2高速旋转过程中的不规则震动造成的系统误差。摆动从动件和凸轮2接触部位是平底15，平底是尺寸为25mm×10mm×2mm的薄钢板，固定在摆动从动件下部，平底15上下面光滑，粗糙度(Ra)小于1.6。摆动从动件的平底15与凸轮偏置一定距离，偏距为5mm，摆动从动件的摆杆14长度为凸轮基圆直径20mm，转动中心置于凸轮2斜上方，摆动从动件绕转动中心摆动角度1.5°。凸轮机构采用力封闭的方式，选用高阻尼压簧，使摆动从动件与凸轮2始终保持接触。凸轮机构的凸轮轴3的材料为钢，凸轮轴3直径5mm，凸轮轴3两侧安装有第一轴承组16(型号为696ZZ微型深沟球轴承)，轴承一侧为挡油环19和密封圈18，凸轮轴3一端封闭在箱体一侧端盖20内，另一端穿过另一侧端盖20安装有弹性元件的挠性联轴器(型号为WQ-C19L19单膜片联轴器)。

在凸轮机构的摆动从动件上方是位移机构的直动轴体5(直径为5mm的细直杆)，直动轴体5的材质为钢，一端为光滑弧面，一端为振动输出，中间有轴环21用于限制弹簧22一端。直动轴体5与摆动从动件通过弹簧22压紧，表面摩擦接触。直线轴承23(型号为LM5UU)安装在滑动罩4内支架上，用于约束直动轴体除轴向外的五个自由度。弹簧22与轴环21固定的一端为活动端，另一端与滑动罩4内支架固定。直动轴体5、直线轴承23和弹簧22互相同轴约束，皆安装在箱体内部，滑动罩4内侧。在箱体外部滑动罩4外侧安装有位移机构的丝杠6及减速齿轮组8。减速齿轮组8减速级数为一级，传动比i为5，输入端与微型直流电机11相连，输出端与丝杠6连接。丝杠6行程15mm，丝杠6上安装有丝杠螺母7，丝杠螺母7与滑动罩4外支架固定。

机电控制模块包括伺服电机9和微型直流电机11，伺服电机9型号是冯哈勃3564K024B直流无刷伺服电机，输出扭矩562mN/m，空载转速212r/s。微型直流电机11具体型号是CIK816空心杯电机。另外，在减速齿轮组8输出轴位置安装有位置传感器12。

工作时，伺服电机驱动器控制伺服电机9，速度为100r/s，伺服电机9将旋转运动通过联轴器传递给凸轮轴3，凸轮轴3带动凸轮2高速旋转至远休止角，行程从0增加到1mm。摆动从动件的平底15与凸轮2摩擦接触并绕转动中心旋转，推动平底15上方直动轴体5向上运动至行程终点，直动轴体5向上行程与凸轮2行程一致。接着凸轮2继续旋转从远休止角到近休止角，行程从1mm回到0。平底15上部直动轴体5通过弹簧22产生回弹力，直动轴体5弧形端面与平底15贴合，向下运动复位。此时直动轴体5完成一次往复运动，如此随伺服电机9转动上下往复100次，则输出振动幅度1mm，频率100Hz。进一步的，伺服电机9转动速度越快输出振动频率越大，伺服电机9转动速度越慢，振动频率越小。进一步的，控制微型直流电机11正转，丝杠6正转，丝杠螺母7向一侧运动，驱动安装在滑动罩4支架上的直动轴体5向一侧直线位移，反之，微型直流电机11反转，丝杠7反转，丝杠螺母7驱动安装在滑动罩4支架上的直动轴体5向另一侧直线位移。当直动轴体5的位移方向是远离摆动从动件旋转中心时，直动轴体5的上下运动行程增加，输出振幅增加；直动轴体5的位移方向是靠近摆动从动件旋转中心时，直动轴体5的上下运动行程减小，输出振幅减小。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种振幅与频率可调的振动发生装置，其特征在于，包括凸轮机构和位移机构，所述凸轮机构包括箱体、凸轮、凸轮轴和摆动从动件，所述凸轮通过凸轮质心安装在凸轮轴上，所述凸轮轴和摆动从动件安装在箱体中，所述位移机构设置在凸轮机构的顶端，所述位移机构包括滑动罩、直动轴体、弹簧、直线轴承和驱动机构，所述直动轴体、弹簧和直线轴承设置在滑动罩的内支架中，所述直动轴体的中间设置有轴环，所述弹簧套设在直动轴体上，所述弹簧设置在轴环上方并与轴环固定连接，所述直线轴承套设在直动轴体上，所述直线轴承设置在轴环的下方，直线轴承与滑动罩的内支架固定连接，所述驱动机构设置在滑动罩的一侧，所述驱动机构与滑动罩固定连接，所述滑动罩的两侧安装在箱体的滑槽上，所述滑动罩与箱体滑动连接；

所述直动轴体靠近摆动从动件的一端为光滑圆弧端面，所述直动轴体的另一端为振动输出端面，所述振动输出端面贯穿滑动罩并留有法兰口；

所述驱动机构包括丝杠、丝杠螺母和减速齿轮组，所述丝杠螺母套装在丝杠上，所述丝杠的一端与箱体转动连接，所述丝杠螺母与滑动罩固定连接，所述减速齿轮组设置在丝杠的另一端，所述丝杠与减速齿轮组固定连接；

所述摆动从动件的运动规律遵循改进正弦加速度运动轨迹，所述摆动从动件包括转动轴、摆杆和平底，所述摆杆设置在转动轴与平底之间，所述摆杆一端与转动轴固定连接，所述摆杆的另一端与平底固定连接，所述转动轴的两端设置在箱体上，所述转动轴与箱体转动连接，所述平底设置在凸轮的上方；

所述摆动从动件的摆杆长度为凸轮基圆直径的两倍，转动中心置于凸轮斜上方，摆动从动件的平底上下端面光滑，以摩擦的方式与直动轴体和凸轮接触。

2.根据权利要求1所述的一种振幅与频率可调的振动发生装置，其特征在于，所述箱体中装有润滑液，凸轮机构整体以油浴润滑的方式浸润在润滑液中。

3.根据权利要求1所述的一种振幅与频率可调的振动发生装置，其特征在于，还包括机电控制模块，所述机电控制模块设置在凸轮机构的一侧，所述机电控制模块包括伺服电机、电机支架、伺服电机控制器、微型直流电机和位置检测器，所述伺服电机设置在电机支架上，所述伺服电机控制器设置在电机支架的一侧，所述伺服电机控制器与伺服电机电连接，所述伺服电机通过联轴器与凸轮轴驱动连接，所述微型直流电机安装在箱体的一侧，所述微型直流电机与减速齿轮组的输入轴固定连接，所述位置检测器设置在减速齿轮组输出轴的末端，作为位置反馈实现微型直流电机精准转角控制。

4.根据权利要求1所述的一种振幅与频率可调的振动发生装置，其特征在于，还包括第一轴承组、第二轴承组和端盖，所述第一轴承组设置在凸轮轴的两端并与凸轮轴转动连接，所述第一轴承组和第二轴承组均贯穿固定在箱体上，所述第一轴承组和第二轴承组的外侧均设置有端盖，所述第一轴承组之间设置有凸轮轴，所述第二轴承组之间设置有转动轴。

5.根据权利要求1所述的一种振幅与频率可调的振动发生装置，其特征在于，所述凸轮机构的封闭方式为力封闭，利用弹簧产生的弹簧力，使摆动从动件与凸轮始终保持接触，所选弹簧为高阻尼压簧，适应摆动从动件的高速往复运动。

6.根据权利要求3所述的一种振幅与频率可调的振动发生装置，其特征在于，所述联轴器为具有弹性元件的挠性联轴器。

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