一种弱耦合两平移并联大米筛

1.本发明涉及大米振动筛分设备技术领域，特别涉及一种弱耦合两平移并联大米筛。


背景技术：

2.稻谷制米的工艺流程为：稻谷
→
清理除杂
→
砻谷
→
谷糙分离
→
碾米
→
抛光
→
色选。
3.稻谷经过初次筛分，以去除杂质，在经过砻谷、谷糙分离后进行第二次筛分，以去除未成熟米粒和破碎米粒。在碾米、抛光后进行第三次筛分，以筛取完整米粒，经过色选、包装、检验后即可销售。大米制备过程中，需进行多次筛分，如果筛分不当，不仅会影响大米制作质量，还会延长生产制备周期，造成加工成本的攀升。
4.振动筛是颗粒物料分级的重要设备，在农机、食品、冶金、选煤等行业应用广泛。现役振动筛按运动轨迹可分为直线振动筛、椭圆振动筛和圆振动筛，其提供平面直线、平面椭圆、平面圆周等单自由度运动。单自由度振动筛由于振动自由度少，难以使物料在筛面上快速均布，易造成物料局部富集，引发筛网堵塞，影响筛分效果与效率。目前，基于并联机构的多自由度振动筛在大米制备领域尚未得到应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的诸多不足，本发明旨在提供一种弱耦合两平移并联大米筛，以弥补单自由度振动筛筛分效率低、筛网易堵塞等问题，同时此并联机构存在冗余运动组件，可减少或消除机构奇异位置，且该并联机构属于低耦合拓扑机构，有利于降低运动学与动力学分析的复杂程度。
6.为实现上述技术目的，本发明采取了如下技术方案：
7.一种弱耦合两平移并联大米筛，包括筛网、静平台、第一运动组件、第二运动组件、第三运动组件和第四运动组件，所述筛网设置于所述静平台下方，所述静平台上设置有第一导轨、第二导轨和第三导轨，所述静平台下侧垂直设置有竖直连杆；所述第一运动组件一端与所述第一导轨相连接，另一端与所述筛网相连接；所述第二运动组件一端与所述第二导轨相连接，另一端与所述筛网相连接；所述第三运动组件一端与所述竖直连杆相连接，另一端与所述筛网相连接；所述第四运动组件一端与所述第三导轨相连接，另一端与所述筛网相连接；所述第一运动组件、所述第二运动组件、所述第三运动组件、所述第四运动组件和所述筛网形成并联机构；
8.所述第二导轨和所述第三导轨相互平行，所述第一导轨、所述第二导轨和所述竖直连杆两两垂直。
9.进一步地，所述第一运动组件包括移动副p1和平行四边形机构；所述第一导轨沿y轴方向布置；所述移动副p1与所述第一导轨轴向重合；所述平行四边形机构包括t形连杆l1、球副sa、球副sb、球副sc、球副sd、连杆l2、连杆l3和t形连杆l4，所述移动副p1一端与所述t型连
杆l1连接，所述球副sa和所述球副sb分别旋转连接于所述t形连杆l1未于所述移动副p1相连的两端，所述球副sa通过连杆l3与球副sd相连接，所述球副sb通过连杆l2与球副sc相连接，所述t形连杆l4一端与所述筛网固定连接，所述球副sd和所述球副sc分别旋转连接于所述t形连杆l4未于所述筛网相连的两端；所述平行四边形机构的一端通过移动副p1与第一导轨相连接，另一端与所述筛网固定连接。
10.进一步地，所述移动副p1为第一运动组件的主动副，通过移动副p1的运动使所述筛网沿y轴方向平移。
11.进一步地，所述第二运动组件包括圆柱副c1、连杆l5、转动副r1、连杆l6、转动副r2、连杆l7、转动副r3、连杆l8和转动副r4；所述第二导轨沿x轴方向布置；所述圆柱副c1的轴线与所述第二导轨轴向重合；所述连杆l5的一端通过所述圆柱副c1与所述第二导轨相连接，另一端通过转动副r1与所述连杆l6相连接；所述连杆l6的另一端通过所述转动副r2与连杆l7相连接；所述连杆l7的另一端通过转动副r3与所述连杆l8相连接；所述连杆l8的另一端通过转动副r4与所述筛网相连接；所述圆柱副c1、转动副r1、转动副r2的轴线相互平行，所述转动副r2、转动副r3、转动副r4两两垂直。
12.进一步地，所述圆柱副c1为第二运动组件的主动副，通过圆柱副c1的运动使所述筛网沿x轴方向平移。
13.进一步地，所述第三运动组件包括转动副r5、连杆l9、转动副r6、连杆l
10
、转动副r7；所述竖直连杆沿z轴方向布置且垂直连接于所述静平台下端；所述转动副r5的轴线与竖直连杆轴向重合；所述连杆l9的一端通过转动副r5与竖直连杆相连接，另一端通过转动副r6与连杆l
10
相连接；所述连杆l
10
的另一端通过转动副r7与所述筛网相连接；所述转动副r5、所述转动副r6、所述转动副r7的轴线相互平行。
14.进一步地，所述第三运动组件为随动运动组件，用于传递力与运动，提高并联机构的运动稳定性。
15.进一步地，所述第四运动组件包括圆柱副c2、连杆l
11
、转动副r8、连杆l
12
、转动副r9、连杆l
13
、转动副r
10
、连杆l
14
和转动副r
11
；所述第三导轨沿x轴方向布置；所述圆柱副c2的轴线与第三导轨轴向重合；所述连杆l
11
的一端通过圆柱副c2与第三导轨相连接，所述连杆l
11
的另一端通过转动副r8与所述连杆l
12
相连接；所述连杆l
12
的另一端通过转动副r9与所述连杆l
13
相连接；所述连杆l
13
的另一端通过转动副r
10
与所述连杆l
14
相连接；所述连杆l
14
的另一端通过转动副r
11
与所述筛网相连接；所述圆柱副c2、转动副r8、转动副r9的轴线相互平行；所述转动副r9、转动副r
10
、转动副r
11
两两垂直。
16.进一步地，所述第四运动组件与第二运动组件沿x轴对称布置，所述第四运动组件与第二运动组件的拓扑结构完全相同，所述第四运动组件为冗余运动组件；所述圆柱副c2为冗余驱动副，当并联机构出现奇异时，通过圆柱副c2的运动以减少或消除并联机构的奇异位置。
17.进一步地，所述并联机构为低耦合拓扑机构。
18.本发明的有益效果在于：
19.1.本发明所述的一种弱耦合两平移并联大米筛，可以实现筛网沿x轴方向、沿y轴方向的平移，有效弥补单自由度振动筛在大米筛分中存在的不足。
20.2.本发明所述的一种弱耦合两平移并联大米筛，其耦合度为1，所述并联机构为低
连接，所述球副sa和所述球副sb分别旋转连接于所述t形连杆l1未于所述移动副p1相连的两端，所述球副sa通过连杆l3与球副sd相连接，所述球副sb通过连杆l2与球副sc相连接，所述t形连杆l4一端与所述筛网1固定连接，所述球副sd和所述球副sc分别旋转连接于所述t形连杆l4未于所述筛网1相连的两端；所述平行四边形机构的一端通过移动副p1与第一导轨7相连接，另一端与所述筛网1固定连接；所述第一运动组件用于使筛网沿y轴方向的平移。
34.所述移动副p1为第一运动组件3的主动副，通过移动副p1的运动使所述筛网1沿y轴方向平移。
35.所述第二运动组件4包括圆柱副c1、连杆l5、转动副r1、连杆l6、转动副r2、连杆l7、转动副r3、连杆l8和转动副r4；所述第二导轨8沿x轴方向布置；所述圆柱副c1的轴线与所述第二导轨8轴向重合；所述连杆l5的一端通过所述圆柱副c1与所述第二导轨8相连接，另一端通过转动副r1与所述连杆l6相连接；所述连杆l6的另一端通过所述转动副r2与连杆l7相连接；所述连杆l7的另一端通过转动副r3与所述连杆l8相连接；所述连杆l8的另一端通过转动副r4与所述筛网1相连接；所述圆柱副c1、转动副r1、转动副r2的轴线相互平行，所述转动副r2、转动副r3、转动副r4两两垂直；所述第二运动组件用于使筛网沿x轴方向的平移。
36.所述圆柱副c1为第二运动组件4的主动副，通过圆柱副c1的运动使所述筛网1沿x轴方向平移。
37.所述第三运动组件5包括转动副r5、连杆l9、转动副r6、连杆l
10
、转动副r7；所述竖直连杆10沿z轴方向布置且垂直连接于所述静平台3下端；所述转动副r5的轴线与竖直连杆10轴向重合；所述连杆l9的一端通过转动副r5与竖直连杆10相连接，另一端通过转动副r6与连杆l
10
相连接；所述连杆l
10
的另一端通过转动副r7与所述筛网1相连接；所述转动副r5、所述转动副r6、所述转动副r7的轴线相互平行。
38.所述第三运动组件5为随动运动组件，用于传递力与运动，可提高并联机构的运动稳定性。
39.所述第四运动组件6包括圆柱副c2、连杆l
11
、转动副r8、连杆l
12
、转动副r9、连杆l
13
、转动副r
10
、连杆l
14
和转动副r
11
；所述第三导轨9沿x轴方向布置；所述圆柱副c2的轴线与第三导轨9轴向重合；所述连杆l
11
的一端通过圆柱副c2与第三导轨9相连接，所述连杆l
11
的另一端通过转动副r8与所述连杆l
12
相连接；所述连杆l
12
的另一端通过转动副r9与所述连杆l
13
相连接；所述连杆l
13
的另一端通过转动副r
10
与所述连杆l
14
相连接；所述连杆l
14
的另一端通过转动副r
11
与所述筛网1相连接；所述圆柱副c2、转动副r8、转动副r9的轴线相互平行；所述转动副r9、转动副r
10
、转动副r
11
两两垂直。
40.所述第四运动组件6与第二运动组件4沿x轴对称布置，所述第四运动组件6与第二运动组件4的拓扑结构完全相同，所述第四运动组件6为冗余运动组件；所述圆柱副c2为冗余驱动副，当机构出现奇异时，通过圆柱副c2的运动以减少或消除机构的奇异位置。
41.本实施例中的并联机构为低耦合拓扑机构，所述并联机构运动学与动力学分析复杂程度较低。
42.本发明公开的一种弱耦合两平移并联大米筛的工作原理如下：
43.第一运动组件3运动，移动副p1可沿y轴方向做直线振动运动，通过连杆l1、平行四边形机构可带动筛网1沿y轴方向做直线振动筛分运动；第二运动组件4运行，圆柱副c1可沿x轴方向做直线振动运动，通过连杆l5、转动副r1、连杆l6、转动副r2、连杆l7、转动副r3、连杆
l8、转动副r4可带动筛网1沿x轴做直线振动筛分运动；机构工作时，第三运动组件5和第四运动组件6均处于被动的随动状态；当机构出现奇异时，冗余副c2产生动作，沿x轴方向做直线振动运动，带动第四运动组件6以减少或消除机构的奇异位置。
44.以下将对本发明所述并联机构的运动自由度及耦合度进行理论计算，并对其机构特性作进一步说明。
45.机构正常工作时，第四运动组件6(即冗余运动组件)处于随动状态，对机构的正常工作不起作用，故在进行机构运动学分析时不予考虑第四运动组件。
46.所述第一运动组件的poc集方程为：
[0047][0048]
其中：m
bi
为第i条支链末端的poc集(i＝1,2,3，
……
，g)；t为移动自由度数；r为转动自由度数。
[0049]
所述第二运动组件为无约束运动组件，其poc集方程为:
[0050][0051]
其中，t为移动自由度数；r为转动自由度数。
[0052]
所述第三运动组件的poc集方程为：
[0053][0054]
其中，t为移动自由度数；r为转动自由度数。
[0055]
并联机构全周dof一般公式为：
[0056][0057]
v＝m-n 1，
[0058]
式中，f为机构自由度，fi为第i个运动服自由度，m为运动副数，n为构件数，v为独立回路数，ξ
lj
为第j个独立回路的独立位移方程数。m＝13，所述并联机构包括10个连杆及筛网、静平台，即n＝12，故：
[0059]
v＝m-n 1＝13-12 1＝2，
[0060]
所述第一运动组件与第三运动组件构成第一回路，所述第二运动组件和由第一回路组成的子并联机构构成第二回路。
[0061]
第一回路的独立位移方程数为：
[0062][0063]
由第一回路组成的子并联机构的poc集方程为：
[0064]
[0065]
其中，m
pa
为机构末端筛网的poc集。
[0066]
第二回路的独立位移方程数为：
[0067][0068]
故该并联机构的自由度为：
[0069][0070]
该并联机构筛网poc集方程为：
[0071][0072]
即筛网输出运动为沿x轴方向和沿y轴方向的平移。
[0073]
由基于单开链(soc)单元的机构组成原理可知，任一机构可分解为一系列单开链，单开链的约束度为：
[0074][0075]
式中，mj为第j个单开链的运动副数，ij为第j个单开链的驱动副数。第一回路中的移动副p1为驱动副，即i1＝1，第二回路中圆柱副c1为驱动副，即i2＝1，故第一回路约束度δ1、第二回路约束度δ2分别为：
[0076]
δ1＝(5 3)-1-6＝1，
[0077]
δ2＝6-1-6＝-1，
[0078]
基本运动链(basic kinematic chain,bkc)判别公式为：
[0079][0080]
可知该并联机构仅有一条基本运动链bkc1，因此，该并联机构耦合度为：
[0081][0082]
即该并联机构耦合度为1，属于弱耦合拓扑机构，所述并联机构运动学与动力学分析复杂程度较低，可用一维搜索得到位置问题的全部实数解。
[0083]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。