A four-axis vibration scheme
Luo Yu1，Fan He 2
(1. SHAANXI POLYTECHNIC INSTITUTE, Xianyang,712000, China;
2. Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)
Abstract: In the vibration system of the brick making machine, the best vibration effect is to make the material quality at each point in the mold box compact and uniform in the shortest possible time. The four-axis vibration system has the characteristics of short-time start-up and vibration elimination, which can reduce harmful vibrations during product molding and shorten the molding production cycle.
Keywords: Four-axis vibration; drive; controller
0 引言
制砖机在制造砌块的过程中，其砖块的成型强度和质量很大程度上是由振动来解决的，其中砖块的振动密实的本质就是将集料放置在模箱中，并使其发生流变液化，从而使得集料当中的相关颗粒能够再一次停留在稳定位置并实现凝结的过程。所以，想要实现砖块的密实，就得让液压砖机振动系统按照相应的要求， 进而产生相应的合理的液化振动参数[1]。制砖机的振动系统主要由振动在和、振动发生器（振动器）、弹性元件（弹簧）和机架等构成。其中，振动器一般是利用高速旋转的偏心质量产生正弦波形的离心力，从而使系统以受迫振动方式吧能量传递给新拌混凝土，使之充分“液化”，快速密实成型[2]。通过无间断运行，无需频繁启动，能有效的均匀传递激振力，更好地控制产品及离散型，产品成型时间更短，密实度更高[3]。
实践证明，定向垂直振动可有效避免物料填充流动过程中的涡流，成型效率最高[4]。所以实际采用的振动器，一般采用成对偏心轴相向旋转的方式，其离心力水平分量相互抵消，垂直分量得加驱动系统做简谐振动[5]。
1 四轴振动系统
四轴振动系统包括四个平行安装的振动旋转轴，每一个旋转轴都用单独的伺服电机驱动，四轴旋转角速度完全相等、旋转方向互为相反，使其处于xoy坐标系上，沿X方向水平离心分力相互抵消，从而会产生沿Y轴方向垂直定向振动[6]。四台伺服电机各在其电机轴上通过机械装置转换联接偏心振动块，其中1、4为一组，2、3为另一组。两组相位角可控制在0°-180°之间，当两组之间角度差为180°时，如同波峰遇到波谷一样，电机虽然高速运转但产生的激振力相互抵消，振幅、激振力均为0，振动台无振动现象。如下图（1）所示。
图1 偏心转动块180°转动
在运动状态下通过改变偏心振动块间的角度变化来控制振动台振幅大小、振动强弱。如下图2所示。
图2 偏心转动块任意角度转动
由于振动器离心块的转速和相位角，均可以单项调整，可以在同转速下改变角度或同角度下改变速度获取所需的振动频率和振幅，与生产制品相匹配。
2 方案设计
四轴振动系统的相位角误差要求小于0.1°，对控制器的运算速度要求很高，需在短时间内完成运算、通信等。系统中主控制器为AC800系列智能机械可编程控制器，程序执行周期0.5ms，支持Ethercat通信、多功能扩展。驱动器采用ES810 多机传动伺服驱动器，共直流母线结构节省安装空间。电机采用IPM永磁同步电机，在出力、温升、抗退磁、稳定性、抗振性、调速范围等重点性能上有优异的性能表现。
图3 通信方式下的系统拓扑图
上图中列出使用通信方式下的系统拓扑图，使用通信方式将四轴系统与主机系统连接，实现数据传送、监控。四轴振动系统需同过不同接口与外部连接。系统设计与外部连接的方式有：通信方式、多段速方式。
主机通过通信接口（485、以太网）发送控制命令字、目标角度、目标速度，接收运行状态字、错误码。多段速方式：此方式下通过触摸屏进行回零操作、参数设置、手动运行。端口输入包含振动启动、多段速选
择端子（4个）；端口输出包含错误、回原完成、使能状态、启停状态、动作到达。
3 方案优势
四轴振动系统具有两项特点：一是提高了产品最终的品质、降低了成型生产周期；二是振动器离心块的转速和相位角，均可以单项调整，以获取所需的振动频率和振幅，与生产制品相匹配。具备以下优势：
（1）成型周期减少0.5～1.5秒；
（2）由于制品密实度更好，可减少原材料浪费；
（3）与其它类型振动器相比，可节省水泥用量；
（4）与其它类型振动器相比，可降低电耗；
（5）激振力频率可调至75 HZ；
（6）采用总线控制，拥有更高的抗干扰能力，可有效减少故障隐患。
4 结束语
本文简略介绍了一种四轴振动系统的设计，经过实际测试，激振力可通过调整转速或相位角实现，起振、消振时间可达120ms内（与配置有关），相位角误差角度小于0.1°。四轴振动系统可提高产品最终的品质、降低了成型生产周期。
参考文献
[1]翟弘毅. 高精度低振动四轴码垛机器人轨迹规划及运动控制研究[D].上海交通大学,2019.
[2]孟祥猛.液压砖机激振力计算方法及影响因素[J].科技创新导报,2017,14(18):121-122.
[3]邹国勋,丁伟.浅谈小型振动台在预制混凝土预制块的应用[J].城市建设理论研究(电子版),2017(12):95-96.
[4]化春键,袁浩.一种新型高低频复合振动装置的研究[J].机械设计与制造工程,2016,45(02):90-94.
[5]石云江.一种新型振动装置研究[J].山西焦煤科技,2013,37(09):20-21.
[6]余安平,杨金娥.一种新型小型振动装置的设计[J].泰州职业技术学院学报,2013,13(03):53-54.
作者简介
罗瑜（1992-），女，陕西西安，汉，硕士，助教，主要研究方向：先进控制理论，应用电子技术。e-mail：luoyu101123@163.com。
樊赫（1992-），男，陕西西安，汉，硕士，助理研究员，主要研究方向：火炮总体技术研究