內(nèi)壁檢測(cè)裝置懸臂梁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

范晉偉，劉益嘉，陳 玲

FAN Jin-wei, LIU Yi-jia, CHEN Ling

（北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與應(yīng)用電子工程學(xué)院，北京 100024）

0 引言

本套內(nèi)窺鏡無(wú)損檢測(cè)裝置主要用來(lái)檢測(cè)導(dǎo)彈內(nèi)壁表面的裂紋，懸臂梁深入內(nèi)部，并進(jìn)行拍照取樣工作。由于被檢測(cè)的藥柱長(zhǎng)7米，故懸臂梁的長(zhǎng)度至少達(dá)到3.5米，從藥柱兩端分別伸出則可以完整檢測(cè)[1]。懸臂梁遠(yuǎn)端的極限位置安裝有伺服電機(jī)和照相機(jī)，通過(guò)懸臂的伸縮和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得相機(jī)可以拍攝到藥柱內(nèi)壁表面的任意位置。

但由于伺服電機(jī)和照相機(jī)的重力在懸臂伸出到3.5米的極限位置時(shí)會(huì)很大的力矩，使得整條懸臂運(yùn)動(dòng)阻力急劇增大，造成懸臂難以控制，無(wú)法保證精度。為了提高懸臂的可靠性和精度，必須對(duì)主要部件做動(dòng)力學(xué)研究，以ADAMS、ANSYS等為代表的虛擬動(dòng)力學(xué)研究是一種先進(jìn)的方法[2～4]。故需要對(duì)懸臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。懸臂的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸臂的整體結(jié)構(gòu)

1 硬件結(jié)構(gòu)

本文的懸臂梁主要包括五級(jí)箱體，各級(jí)箱體之間通過(guò)軸承連接，其中第二級(jí)箱體連接單級(jí)氣缸，工控機(jī)控制單級(jí)氣缸的伸縮帶動(dòng)第二級(jí)箱體的伸縮，第二級(jí)箱體前端安裝有定滑輪，鋼絲繩繞過(guò)第二級(jí)箱體的定滑輪分別固定在第一級(jí)和第三級(jí)箱體尾部，則第二級(jí)箱體運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)第三級(jí)箱體運(yùn)動(dòng)，第三級(jí)箱體帶動(dòng)第四級(jí)箱體運(yùn)動(dòng)，第四級(jí)箱體帶動(dòng)第五級(jí)箱體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)懸臂需要回收時(shí)，工控機(jī)控制單級(jí)氣缸回收，帶動(dòng)第二級(jí)箱體回收，則全部箱體同時(shí)回收。鋼絲繩和定滑輪的布置如圖2所示。

圖2 懸臂的整體結(jié)構(gòu)

本套設(shè)備的懸臂伸縮精度要求是±0.01mmm，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試分析，由于懸臂伸出量達(dá)到3.5m，且前端極限位置安裝重量為1.5kg的伺服電機(jī)和相機(jī)，在滿足撓度要求范圍的前提下，仍然在產(chǎn)生巨大的力矩，阻力增大，影響懸臂伸縮的控制精度。本文主要從懸臂各級(jí)箱體結(jié)構(gòu)，箱體之間軸承布置，和鋼絲繩張緊3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

2 懸臂結(jié)構(gòu)

本文針對(duì)現(xiàn)有的箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并運(yùn)用ANSYS對(duì)所有方案進(jìn)行了分析，找到最佳的方案。方案1是現(xiàn)有方案，懸臂全部為全包裹式的箱體結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。

圖3 懸臂的整體結(jié)構(gòu)

圖4 懸臂的整體結(jié)構(gòu)

方案1的結(jié)構(gòu)由于自重過(guò)大，導(dǎo)致懸臂變形嚴(yán)重，運(yùn)動(dòng)困難。所以又設(shè)計(jì)了方案2并制造了懸臂模型，如圖5、圖6所示。

圖5 懸臂的整體結(jié)構(gòu)

圖6 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)組裝圖

方案2在方案1的基礎(chǔ)上去除了上下兩板，改用材料更輕，更小的小塊鋁板，懸臂梁上下通透，減輕自重。又在方案2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減輕重量，設(shè)計(jì)了方案3，如圖7所示。

圖7 最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)圖

方案3在方案2的基礎(chǔ)上，在懸臂兩側(cè)非重要位置打孔，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下進(jìn)一步減輕重量。

利用ANSYS軟件對(duì)三種方案進(jìn)行靜態(tài)剛度檢驗(yàn)，假設(shè)E表示五級(jí)箱體的彈性模量，J表示五級(jí)箱體對(duì)中性軸的慣性矩，W表示施加的載荷，L表示五級(jí)箱體長(zhǎng)度值，Δ表示撓度，kΔ表示五級(jí)箱體的剛度。

五級(jí)箱體的撓度：

五級(jí)箱體的剛度：

當(dāng)五級(jí)箱體全部伸出時(shí)，在懸臂的最前端產(chǎn)生最大撓度，每級(jí)箱體的根部連接處都是危險(xiǎn)點(diǎn)。設(shè)定整條一級(jí)箱體為固定，并在懸臂的最前端施加向下的重力20N和彎矩10N/m模擬伺服防爆電機(jī)和攝像頭產(chǎn)生的載荷。得到懸臂的應(yīng)力結(jié)果和撓度結(jié)果。

方案1的應(yīng)力圖和撓度圖如圖8、圖9所示。

圖8 應(yīng)力圖

圖9 撓度圖

可以得到方案1中懸臂的最大應(yīng)力為7.6Mpa，產(chǎn)生的最大撓度為3.56mm，懸臂的重量為60kg。方案2的應(yīng)力圖和撓度圖如圖10、圖11所示。

圖10 應(yīng)力圖

圖11 撓度圖

得到方案2中懸臂的最大應(yīng)力為15.82Mpa，產(chǎn)生的最大撓度為6.72mm，懸臂的重量為50kg。方案3的應(yīng)力圖和撓度圖如圖12、圖13所示。

圖12 應(yīng)力圖

圖13 撓度圖

得到方案3中懸臂的最大應(yīng)力為12.93Mpa，產(chǎn)生的最大撓度為6.14mm，懸臂的重量為44kg。

而懸臂選擇的材料的最大許用應(yīng)力為90Mpa，懸臂極限位置的最大撓度為10mm，3種方案都完全滿足應(yīng)力和撓度的要求。通過(guò)對(duì)比三種方案的仿真結(jié)果可知，方案3的重量最輕，由于各級(jí)懸壁之間通過(guò)軸承連接，重量越輕越有利于各級(jí)箱體運(yùn)動(dòng)。最終選擇方案3的箱體結(jié)構(gòu)。

3 箱體傳動(dòng)

為了保證懸臂各級(jí)箱體的順利滑動(dòng)，懸臂采用的導(dǎo)軌軸承傳動(dòng)方式，則需要減小導(dǎo)軌與軸承之間的阻力。但是軸承之間的位置分布直接影響著傳動(dòng)的精度、壽命和性能[5]。所以需要找到一種合理的分布軸承位置的方法。各級(jí)箱體之間的驅(qū)動(dòng)力依靠張緊的鋼絲繩傳遞，當(dāng)懸臂經(jīng)過(guò)多次伸縮之后，鋼絲繩將會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，則需要保證鋼絲繩的張緊。

3.1 軸承布置

整條懸臂的第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)由于承受力矩較大，都安裝有雙層軸承，如圖14所示。

圖14 軸承布置圖

相應(yīng)的第二級(jí)、第三級(jí)和第四級(jí)都使用的型材，加工出雙層導(dǎo)軌如圖15所示。

圖15 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)圖

由于懸臂伸出長(zhǎng)度達(dá)到3.5米，在極限位置的2kg重量會(huì)使得整條懸臂都會(huì)有不同程度的變形，造成導(dǎo)軌彎曲。如果在所有的軸承放置點(diǎn)全部安裝軸承，會(huì)卡緊導(dǎo)軌，阻礙箱體運(yùn)動(dòng)。所以要求在滿足軸承，箱體強(qiáng)度的情況下，合理分布軸承，保證箱體運(yùn)動(dòng)順利。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，采用的軸承分布圖如圖16所示。

圖16 軸承分布位置圖

圖中每個(gè)十字交叉點(diǎn)都為軸承布置點(diǎn)，紅線為距箱體口40cm處，第二級(jí)箱體伸出到極限位置時(shí)，會(huì)預(yù)留40cm在第一級(jí)箱體處。

通過(guò)多次試驗(yàn)得知：軸承的布置需避免上下兩處同時(shí)安裝軸承，在箱體的首尾處，懸臂的力矩很小，不需要下側(cè)軸承限制力矩。只需要上側(cè)軸承承受重力，則首尾下側(cè)軸承點(diǎn)沒(méi)有布置軸承，紅線右側(cè)的軸承盡量遠(yuǎn)離箱體口，增長(zhǎng)力臂減小受力，則空出第二個(gè)布置點(diǎn)，但是為了防止箱體口處的二級(jí)箱體下垂，必須在最外端布置一個(gè)軸承，此處單個(gè)軸承的受力為70kg，選擇100kg的軸承。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，這種布置方式，能夠使懸臂運(yùn)動(dòng)自由。

3.2 鋼絲繩張進(jìn)

懸臂的伸縮運(yùn)動(dòng)依靠單級(jí)氣缸帶動(dòng)控制，在懸臂左側(cè)安裝有激光測(cè)距儀，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量反饋懸臂的伸出量，為了達(dá)到更高的控制精度必須保證動(dòng)力傳遞的連續(xù)性。則必須要求鋼絲繩完全張緊，但是懸臂具有叫復(fù)雜的鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，鋼絲繩較長(zhǎng)，容易產(chǎn)生鋼絲繩伸長(zhǎng)、下垂和振動(dòng)，從而影響懸臂的工作效率，為此，設(shè)置鋼絲繩張緊裝置，使鋼絲繩始終處于張緊狀態(tài)[6,7]。現(xiàn)有的鋼絲繩的張緊裝置如圖17所示。

圖17 現(xiàn)有張緊機(jī)構(gòu)

圖17中的紅色標(biāo)示的部分，為兩個(gè)縱列放置的螺釘，同時(shí)夾緊一根鋼絲繩。這種裝置在鋼絲繩安裝的時(shí)候用工具加緊，只能起到固定夾緊作用，如果鋼絲繩出現(xiàn)松動(dòng)，則很難進(jìn)行調(diào)整。

本文專門設(shè)計(jì)了鋼絲繩張緊裝置如圖18所示。

圖18 改進(jìn)后張緊機(jī)構(gòu)

鋼絲繩張緊機(jī)構(gòu)，如圖18所示，當(dāng)鋼絲繩松動(dòng)時(shí)，只需要用力拔出長(zhǎng)螺釘，拔到最緊，然后旋緊螺母，利用螺母與長(zhǎng)螺釘?shù)淖枣i力來(lái)張緊鋼絲繩，這種裝置不僅能松緊自如調(diào)節(jié)，而且可以在整臺(tái)裝置的壽命周期都能使用，并且簡(jiǎn)單易行，且造價(jià)低廉。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了使內(nèi)窺鏡檢測(cè)裝置的懸臂能夠更順利的伸縮，本文主要對(duì)現(xiàn)有的懸臂結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)裝置，進(jìn)行了改造。通過(guò)對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行ANSYS分析，驗(yàn)證了3種方案的合理性，并從中選擇了重量最輕的方案1。又經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，提出了軸承布置的方法，在保證強(qiáng)度的前提下，盡可能減小各級(jí)箱體之間的運(yùn)動(dòng)阻力。最后又對(duì)鋼絲繩張緊裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，內(nèi)窺鏡裝置的懸臂的伸縮運(yùn)動(dòng)阻力更小。更加順利。已經(jīng)成功的應(yīng)用在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。

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