柯顯信,信繼忠,楊陽

(上海大學機電工程與自動化學院,上海 200444)

振幅可調的圓周振蕩機構

柯顯信,信繼忠,楊陽

(上海大學機電工程與自動化學院,上海 200444)

針對目前圓周振蕩機構的振幅一般不具有可調性的問題,研制了振幅可調的圓周振蕩機構,該機構主要包括偏心運動機構和自適應動平衡機構,并對偏心運動機構進行動力學仿真和分析.結果表明,振幅可調圓周振蕩機構的偏心運動機構可以同時實現(xiàn)0～50 mm擺正幅度可調和2～36 rad/s振蕩頻率可調,動平衡機構可以補償工作臺上不平衡質量對機器運行帶來的不利影響,提高機器使用壽命.振幅可調圓周振蕩機構具有振幅調節(jié)簡單方便、速度快,機構整體簡單緊湊、連接剛性、承載能力強、易維護等特點,在生物工程領域具有一定的應用價值.

圓周振蕩機構;振幅可調;動力學仿真

圓周振蕩機構已廣泛應用于生物工程、生物制藥、生物菌種和醫(yī)療業(yè)等領域[1-2],因此引起了研究人員的廣泛關注.新型設計的圓周振蕩機構[3-5]類型繁多,使用原理大多是在工作臺面上放置玻璃瓶,瓶內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構在水平面上旋轉振搖,為菌絲的溶氧及擴大提供較好的條件.這種類型的圓周振蕩機構具有傳氧速率較高、功率消耗小、培養(yǎng)物不會濺到瓶口等優(yōu)點[6].目前圓周振蕩機構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雙層調速多用振蕩器,振幅為20 mm.另外,也存在少數(shù)振幅可調的圓周振蕩機構,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,這類振幅可調的圓周振蕩機構在使用的過程中,振幅不具有可調性或調節(jié)較為復雜.不同的細菌或菌種等[7-8]的培養(yǎng)條件是不同的,這就使得圓周振蕩機構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構,因此提高了圓周振蕩機構的使用成本.

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

1 機構設計

1.1 偏心運動機構

圓周振蕩機構的振幅改變原理是機構中從動軸的軸線與主軸的軸線產(chǎn)生偏心距.基于此,本工作設計了偏心距調節(jié)機構,該機構由主軸、從動軸、銷軸及兩個偏心距調整螺釘組成(見圖1).相對于主軸的圓盤端,從動軸的圓盤端可以繞銷軸轉過一定的角度,且兩圓盤為剛性連接,這樣從動軸的軸線相對于主軸的軸線產(chǎn)生偏心距,轉角不同,偏心距也隨之改變.通過調節(jié)偏心距調節(jié)機構的調整螺釘,可以實現(xiàn)0～50 mm的任意擺正幅度,且該機構具有結構連接可靠,振幅調節(jié)簡單方便、速度快等特點.圖2為3種不同偏心距的偏心距調節(jié)機構.

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

在偏心距調節(jié)機構的基礎上設計偏心運動機構,該機構主要包括主電機、4個支撐軸、配重塊、方形板、底座和固定座,其中每個支撐軸由支撐上軸、支撐下軸、直線導軌和軸承座組成(見圖3).通過主電機帶動皮帶傳動驅動主軸回轉,主軸驅動偏心距調節(jié)機構和4個支撐軸回轉,實現(xiàn)方形板的圓周振蕩運動.當偏心距較大時,通過調整2個配重塊的夾角改變質量分布.固定座使用具有吸振作用的鑄鐵材料,且4個支撐腳固定在地面上,最大限度地減小了由于機器高速運轉而產(chǎn)生的移動,也可以在一定程度上調整固定座的高度.

圖2 3種不同偏心距的偏心距調節(jié)機構Fig.2 Eccentricity adjusting mechanism with different eccentricities

圖3 偏心運動機構Fig.3 Eccentric motion mechanism

1.2 自適應動平衡機構

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

設在線OD檢測機構質量為mhv,其中質量mh沿著x方向做水平運動,質量mv沿y方向做上下運動,三者之間的關系如下:

圖4 自適應動平衡實現(xiàn)原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of adaptive dynamic balance mechanism

兩個校正質量塊的質量分別為ma和mb,位置方位角分別為α和β,運動半徑為R.控制兩個校正質量塊的角平分線與不平衡質量的半徑呈180°,實現(xiàn)相位平衡控制;控制兩個校正質量塊同時接近或遠離,在保持角平分線不變的情況下,調整校正質量塊與不平衡質量中心點連線的夾角大小,實現(xiàn)質量平衡控制.圓周振蕩機構的動平衡實現(xiàn)原理如圖4所示.

根據(jù)離心力平衡公式,可得

根據(jù)上述分析設計自適應動平衡機構(見圖5).由圖5可以看出,該結構主要由圓形板、圓形導軌、外齒圈和兩個校正質量塊組成,其中每個校正質量塊由電機、小齒輪和電機固定板構成.電機驅動小齒輪旋轉,并與外齒圈嚙合,使得校正質量塊沿著圓形導軌做圓周運動.外齒圈和圓形導軌均固定在圓形板上.

1.3 振幅可調的圓周振蕩機構

圖6為振幅可調的圓周振蕩機構,該機構主要包括偏心運動機構、動平衡機構和工作臺.通過偏心運動機構中的主電機帶動皮帶傳動驅動主軸回轉,主軸驅動偏心距調節(jié)機構和4個支撐軸回轉,進而驅動動平衡機構和工作臺同時做圓周振蕩運動.該機構可以通過偏心距調節(jié)機構實現(xiàn)0～50 mm的擺正幅度可調,通過主電機調速實現(xiàn)2～36 rad/s的振蕩頻率可調,通過動平衡機構補償工作臺的質量不平衡對機器運行造成的不利影響.

圖5 自適應動平衡機構Fig.5 Adaptive dynamic balance mechanism

圖6 振幅可調的圓周振蕩機構Fig.6 Circumference oscillation mechanism with adjustable amplitude

2 動力學建模與仿真分析

將SolidWorks三維模型導入多體動力學仿真軟件MSC Adams 2013,對偏心運動機構進行動力學建模與仿真分析[12].仿真的基本步驟如下:首先,建立零件的三維模型;然后,確定運動零件以及各運動零件之間的約束關系;最后,進行機構仿真分析.仿真時不僅可以設置控制參數(shù),還可以與經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行比較,也可以添加必要的輔助分析工具如傳感器等,用以檢驗所建立的模型是否存在問題[13].建立虛擬樣機時要盡可能地簡化,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點原則[14].偏心運動機構運動情況的動力學仿真如圖7所示,此時調節(jié)偏心距為40 mm.

當主軸以一定方式運動時,各個零部件的運動位置、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的位移變化曲線和運動軌跡(見圖8).由圖8可知,方形板上任意一點的運動范圍均為40 mm.運動范圍由偏心距的大小決定,這與之前調節(jié)的40 mm偏心距保持一致,且運動軌跡是一個圓.應用后處理模塊查看和分析任意一點的瞬時運動參數(shù),在一個運動周期內,各零部件的位移為0,表示各零部件都回到原來的位置,并開始進入下一個運動周期.各個零部件間運動無干涉現(xiàn)象,從而驗證了該偏心運動機構的可行性.上述分析為物理樣機的加工提供了理論依據(jù).

圖7 偏心運動機構的模擬運動情況Fig.7 Simulation movement of the eccentric motion mechanism

圖8 方形板上任意一點的位移變化及運動軌跡Fig.8 Displacement curves and trajectory of a random point on the square plate

3 實驗

圖9為加工裝配調試后的振幅可調的圓周振蕩機構的物理樣機.首先,單獨對偏心運動機構進行實驗,將該物理樣機上方的動平衡機構拆下并調整為0,通過改變主電機的轉速,觀察偏心運動機構轉速為2～36 rad/s時的運行情況,結果表明該機構運行平穩(wěn).當偏心距在0～50 mm變化時觀察偏心運動機構的運行情況,結果表明機構運行良好.

圖9 振幅可調圓周振蕩機構的物理樣機Fig.9 Physical prototype of the circumference oscillation mechanism with adjustable amplitude

最后,對整個物理樣機進行實驗.為安全起見,首先從偏心距較小的實驗做起,在保證正常運行的前提下,逐漸增大主電機轉速直至36 rad/s,然后調整偏心距的大小(最大為50 mm),逐漸提高轉速(最大為36 rad/s)進行實驗,同時測量振幅的大小.主電機轉速為10 rad/s,偏心距分別為10,30,40 mm時振幅的測量結果如圖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,該物理樣機可以較好地實現(xiàn)0～50 mm的圓周振幅可調和2～36 rad/s的振蕩頻率可調,達到了設計目標.

圖10 偏心距不同時物理樣機的振幅測量結果Fig.10 Results of measured amplitude for the physical prototype with different eccentricities

4 結束語

針對目前的圓周振蕩機構的振幅在一般情況下不可調的問題,研制了振幅可調的圓周振蕩機構,然后通過動力學仿真分析驗證了偏心運動機構的可行性.實驗結果表明,本工作設計的振幅可調圓周振幅機構可以同時實現(xiàn)0～50 mm的擺正振幅可調和2～36 rad/s的振蕩頻率可調,其中動平衡機構可以補償工作臺質量不平衡對機器運行造成的不利影響,提高了機器的使用壽命.振幅可調的圓周振蕩機構具有振幅調節(jié)簡單方便、速度快,機構簡單緊湊、連接剛性、承載能力強、易維護等特點,在生物工程領域中的細菌培養(yǎng)、發(fā)酵、雜交及生物化學反應等過程中具有一定的應用價值.

[1]謝奎,雷云,黃鸝,等.高通量生物反應器Tubespin培養(yǎng)CHO細胞條件的優(yōu)化[J].中國生物制品學雜志,2011,24(6):715-719.

[2]RADTKE A L,HERBST-KRALOVETZ M M.Culturing and applications of rotating wall vessel bioreactor derived 3D epithelial cell models[J].Journal of Visualized Experiments,2012(62): e3868.

[3]王永紅,夏建業(yè),唐寅,等.生物反應器及其研究技術進展[J].生物加工過程,2013,11(2):14-23.

[4]DONG X,WANG K D.Prediction and simulation on the shear stress and mass transfer in perfused bioreactorsⅠ:circular bioreactors[C]//Chinese Control and Decision Conference.2008:4237-4242.

[5]WATERS S L,CUMMINGS L J,SHAKESHEFF K M,et al.Tissue growth in a rotating bioreactor [J].Mathematical Medicine and Biology,2006,23(4):311-337.

[6]THOUAS G A,THOMPSON M C,CONTRERAS K G,et al.Improved oxygen diffusion and mechanical aggregation of tumor colonies in a novel stirred mini-bioreactor[C]//International Conference of the IEEE Engineering in Medicine&Biology Society.2008:3586-3589.

[7]佟芳,王輝.WAVE生物反應器在生物制品生產(chǎn)中的應用[J].中國生物制品學雜志,2009,22(12): 1254-1258.

[8]晁洋,倪華,蘭青艷,等.使用旋轉式生物反應器體外擴增人表皮細胞[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學進展,2011, 11(13):2409-2412.

[9]SZITA N,BOCCAZZI P,ZHANG Z Y,et al.Development of a multiplexed microbioreactor system for high-throughput bioprocessing[J].Lab on a Chip,2005,5(8):819-826.

[10]汪建中.磨床砂輪動平衡的原理與應用[J].機械工程師,2005(10):49-50.

[11]叢培田,魏巍,韓輝.磨床砂輪動平衡中平衡塊調整量計算方法研究[J].工具技術,2014,48(3): 34-37.

[12]WANG Y P,ZHU H H,YU Y.Analysis on the simulation of kinematics control equipment based on Solidworks and ADAMS[C]//Chinese Control and Decision Conference.2011:635-640.

[13]蘆宏斌,陳瑋,程環(huán).搖床機構仿真分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2012,33(8):24-27.

[14]羅建國,何茂艷,陸震,等.基于UG的串并聯(lián)機器人ADAMS運動學仿真[J].機械設計,2007, 24(4):5-8.

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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

國家重大科學儀器設備開發(fā)專項資助項目(2012YQ150087)

柯顯信(1973—),男,副教授,博士,研究方向為機器人技術和機電裝備開發(fā)等. E-mail:xxke@staff.shu.edu.cn