內窺鏡檢測裝置懸臂機構的設計

范晉偉，劉益嘉，陳 玲

（北京工業大學 機械與應用電子工程學院，北京 100024）

0 引言

由于某型藥柱內部深達7m，為了能夠精確的完成檢測和圖像采集，必須將裝有伺服電機驅動的攝像頭深入到藥柱內部進行拍攝，而藥柱內壁表面由于含有特殊材料，不能與檢測機構接觸，故不能鋪設輔助軌道，同時由于施工場地空間有限，所以最終選擇伸縮比較大的非剛性原件作為懸臂機構執行部件。

目前國內比較常用的是選擇液壓缸作為懸臂，控制精度高，但是液壓缸的剛度有限，容易產生較大的撓度。為了達到控制精度，本文設計了一種箱式伸縮懸臂，其結構剛度高，產生的撓度小，且控制精度高，生產制造成本低[1～4]。整體效果圖如圖1、圖2所示。

圖1 結構圖1

圖2 結構圖2

1 硬件結構

1.1 整體結構

本文設計的內窺鏡檢測裝置如圖3、圖4所示。

圖3 整體結構主視圖

圖4 整體結構俯視圖

懸臂經過兩個氣缸連接在底座小車上，通過氣缸伸縮控制懸臂的高度。懸臂的高度和伸縮距離通過激光測距儀a、b反饋到工控機，進行控制。懸臂前端通過伺服防爆電機連接攝像頭，通過對伺服防爆電機的控制，使得攝像頭完成360旋轉，進行拍照取樣。

1.2 懸臂伸縮機構

由于采集現場的特點，需要懸臂伸出4m，懸臂截面最大寬度小于50mm，且前端需要承載5kg，并保證撓度小于0.1mm，運動控制精度在0.5mm以下。通過實驗，最終選擇由單擊氣缸驅動，繩索滑輪傳動，定滑輪支撐的多級箱體懸臂機構。

懸臂機構包括全部五級箱體，第一級箱體固定在底板，其余四級箱體同時伸縮，其中有單級氣缸安裝在第二級懸臂箱體的前端，通過單級氣缸的伸縮帶動第二級箱體運動，箱體內部通過繩索連接其他三級箱體，則懸臂伸縮過程中，全部四級箱體同時運動。懸臂內部結構圖如圖5所示。

圖5 懸臂總裝圖

一級箱體1固定在底板上，二級箱體2則通過支撐滑輪12及其他滑輪安裝在一級箱體上，并且通過支撐滑輪12及其他定滑輪在一級箱體上滑動，完成懸臂的伸縮。同理，三級箱體通過支撐滑輪13安裝在二級箱體上，四級箱體通過支撐滑輪14安裝在三級箱體上，五級箱體通過支撐滑輪15安裝在四級箱體上。滑輪傳動使得各級箱體之間配合緊密，安裝緊湊，保證了精度。

當單級氣缸伸出時，帶動二級箱體2伸出，同時繩索滑輪6一起伸出，而繩索滑輪6的繩索兩端分別安裝在一級箱體1和三級箱體3上，則同時帶動三級箱體3伸出，同理三級3帶動四級箱體4伸出，再帶動五級箱體5伸出。直至所有整條懸臂伸出量達到最大為止。

當單級氣缸回收時，帶動二級箱體2縮回，同時繩索滑輪11一起回縮，而繩索滑輪11的繩索兩端分別安裝在一級箱體1和三級箱體3上，則同時帶動三級箱體3回縮，同理三級箱體3帶動四級箱體4回縮，再帶動五級箱體5回縮。直至整條懸臂所有箱體全部縮回為止。

2 懸臂的剛度檢驗

由于本套設備的精度要求較高，現場工作時，懸臂的振動和撓度都會對采集數據結果造成較大影響，故利用ANSYS軟件對懸臂進行靜態剛度檢驗，保證設備的精度[5～7]。假設E表示五級箱體的彈性模量，J表示五級箱體對中性軸的慣性矩，W表示施加的載荷，L表示五級箱體長度值，Δ表示撓度，kΔ表示五級箱體的剛度。

當五級箱體全部伸出時，在懸臂的最前端產生最大撓度，每級箱體的根部連接處都是危險點。設定整條一級箱體為固定，并在懸臂的最前端施加向下的重力50N和彎矩10N/m模擬伺服防爆電機和攝像頭產生的載荷。則得到懸臂的撓度結果和應力結果如圖6和圖7所示。

圖6 五級箱體的應變圖

由圖6可得，懸臂的最大應變發生在懸臂最前端，應變為0.079mm，而懸臂機構的允許值為0.1mm，則應變值合格。

圖7 五級箱體的應力圖

由圖7可得，懸臂的最大應變發生在懸臂二級箱體與一級箱體的連接處，最大應力為0.226Mpa，而懸臂的鋁合金材料的許用應力為90Mpa，則安全。

3 電氣控制系統

3.1 氣路控制系統

本套設備公有3個單級氣缸，兩個立式氣缸a、b提供懸臂的升降動力。一個平放氣缸連接懸臂，驅動懸臂伸縮。氣路原理圖如圖8所示。

圖8 氣路原理圖

空氣壓縮機1工作從大氣中抽取空氣儲存在儲氣罐2中，高壓空氣進入到三位五通電磁換向閥3和4中。電磁換向閥4控制平放氣缸驅動整條懸臂的伸縮。調速閥5和調壓閥6保證了氣缸運動平穩，便于懸臂的精確控制。而電磁換向閥3同時控制兩個同步氣缸的運動。為保證兩個氣缸的同步運動，選擇完全相同的調壓閥和調速閥，并設置同樣的壓力和速度。

3.2 電路控制系統

本套設備的控制系統采用Visual C++編程的軟PLC和工業控制機組合方式。VC++程序以工控機為載體控制兩個電磁換向閥、伺服防爆電機和攝像頭工作。在立式氣缸和懸臂的運動方向分別安裝有激光測距儀a和b，能夠通過RS232串口實時反饋懸臂的高度和懸臂的伸出距離到工控機，同時伺服防爆電機自帶的編碼器會實時反饋電機的轉動角度數據到工控機。工控機的自動程序每2ms掃描一次，完成對懸臂的高度，伸出距離和防爆伺服電機實時監控，并在設定的位置控制相機進行拍照取樣工作。本套設備的邏輯控制圖如圖9所示。

基于Visual C++開發了控制系統軟件，運用Timer計時器，以每2ms一次的頻率進行掃描，保證了控制系統的實時性和準確性，控制系統軟件界面如圖10所示。

4 結束語

圖9 邏輯控制圖

圖10 控制系統軟件界面

本文對藥柱內窺鏡檢測裝的置懸臂機構進行了改進，為了采集到精確的圖像樣本，設計了新型的懸臂機構。懸臂機構采用定滑輪和多級箱體的組合模式，結構穩定且運動平穩，并利用ANSYS對懸臂進行了有限元分析，得到的應力應變結果均符合要求，又設計了整套機構的電氣控制系統，并基于Visual C++開發了控制系統軟件，控制整套系統的運行。本文設計的懸臂機構已經成功應用在藥柱內壁表面檢測工程中，并取得了良好的效果。

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