內窺鏡裝置的單級氣缸驅動繩索聯動懸臂的優化設計*

范晉偉　紀　實

(北京工業大學機械與應用電子工程學院，北京 100024)

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內窺鏡裝置的單級氣缸驅動繩索聯動懸臂的優化設計*

范晉偉紀實

(北京工業大學機械與應用電子工程學院，北京 100024)

針對固體火箭發動機內壁表面的檢測的問題，現有的內窺鏡檢測裝置懸臂設計伸縮量已經達到3.5m，為了滿足測量精度要求，故對基于ANSYS軟件分析平臺對懸臂前端的步進電機和工業相機及整條懸臂進行了靜力學分析和模態分析并進行優化。確保懸臂的力學特性能夠滿足要求，且保證電機的工作頻率避開懸臂的固有頻率，使得工業相機的拍攝環境相對穩定，檢測出會發生共振，因此對該裝置進行優化設計，增加阻尼器對裝置進行減振處理，以達到裝置正常運行。

懸臂振動；靜力學分析；模態分析

某彈道導彈的燃料內部為中空，由于是固體燃料棒，放置時間過長易導致燃料棒內部表面產生裂紋，因此設計了單級氣缸驅動繩索聯動內窺鏡檢測裝置，滿足對燃料棒內壁表面的檢測。該檢測裝置能夠伸出3.5m，通過兩端的分別伸入，完成對整個7m藥柱的全部檢測[1-3]。單級氣缸驅動繩索聯動內窺鏡裝置如圖1所示。

內窺鏡裝置前端安裝有步進電機和工業相機，當伸出3.5m時產生較大力矩，需要進行靜力學分析。按照工作步驟，當電機轉動一個角度過后，工業相機進行拍照，如步進電機的頻率與懸臂固有頻率相同，產生共振，會影響拍攝效果，故需進行模態分析。

1　整體結構

整個單級氣缸驅動繩索聯動內窺鏡裝置主要由單級氣缸、五級箱體、步進電動機、工業相機、激光測距儀，工業控制機、電氣柜、手動控制面板和空氣壓縮機等組成。

電氣控制系統包括手動控制方式和自動控制方式，當工控機接到前進的信號后，通過電磁換向閥控制單級氣缸的前進，單級氣缸驅動第四級箱體前進，懸臂的5級箱體聯動，完成整條懸臂的伸縮，懸臂的最大伸出量為3.5m。懸臂的伸縮量由激光測距儀反饋到工控機，進行實時監控。當懸臂伸出到固定位置后，工控機通過伺服驅動器控制電動機轉動，電動機每轉動15°，工業相機便拍攝照片取樣。當電動機轉動一圈后，懸臂伸出到下個位置，重復上述動作。懸臂伸出工作時的狀態如圖2所示。

由于被檢測的裝置是導彈藥柱，故需避免火花產生，備選有兩套方案，第一套方案是直接選擇EX防爆電動機，它具有強大的防爆外殼，能在特氣和粉塵環境中防爆能夠承受內部爆炸而不危及周邊環境，非常符合實驗的要求，但是其缺點是價格昂貴，且重量較大，如圖3所示。由于預算有限考慮到成本的問題，嘗試第二套方案。

第二套方案選擇普通步進電動機，在其外部增加防爆外殼，在防爆外殼的保護下經過測驗，結果表明第二套方案的設計也能夠滿足工業現場的防爆要求，但缺點是電動機轉角精度較差，考慮到此方案價格便宜，重量很輕，僅為1.5kg，基本滿足了實驗的要求，故選擇第二套方案為實驗方案，如圖4所示。

2　靜力學分析

2.1選伺服電動機

當整條懸臂伸出距離為3.5m時在最前端的伺服電動機處產生最大撓度，則選擇伺服電動機時，由于伺服電動機的質量為4.5kg，則施加45N載荷，以升降小車底部為固定端，通過ANSYS平臺進行分析得到的結果如圖5所示。

如圖5所示，可知在安裝伺服電動機狀態下懸臂的撓度為9.08mm，而懸臂的最大允許撓度為10mm，在允許范圍內。

2.2選步進電動機

同樣選擇懸臂伸出為3.5m，當安裝步進電動機時，對懸臂進行撓度測量。同樣選擇升降小車底部為固定端，施加15N載荷模擬步進電動機的重力載荷，進行ANSYS分析，得到的結果如圖6所示。

如圖6所示，可知在安裝伺服電動機狀態下懸臂的撓度為4.13mm，優于伺服電動機的9.08mm，同樣也在懸臂的最大允許撓度10mm范圍內。

在伺服電動機和步進電動機都滿足拍攝精度要求的前提下，步進電動機更加小巧輕便，懸臂的撓度較小，且費用較低。

3　模態分析

影響拍攝精度的因素除了懸臂的撓度以外，還包括工業相機拍攝時懸臂是否穩定。當懸臂工作時，懸臂伸入到一定的孔深度停止，電動機轉動15°，然后工業相機拍照。由于電動機停轉后與工業相機拍照的間隔時間極短，如電動機的轉動引起整條懸臂的共振，則會直接影響到拍攝精度。故應對其進行模態分析，以檢測懸臂的固有頻率是否與電動機的激勵頻率重疊進而引發共振。

3.1ANSYS模態分析

單級氣缸驅動繩索聯動內窺鏡檢測裝置工作時，升降小車的滑動小輪為固定狀態。則在ANSYS平臺中，選擇升降小車在X、Z方向為固定狀態，進行仿真運算，得到的結果如圖7所示。

為了模擬工作環境，對X、Z向施加方向約束后，從第三階開始具有頻率值，故從第三階開始，選取連續6階的頻率值與實驗作比較，如表1所示。

3.2步進電動機實驗檢測

本實驗采用LMS振動測試系統配備BK加速度傳感器對步進電動機進行振動測試，沿電動機軸線共布置6個加速度傳感器，對步進電動機工作時的共振頻率進行測量，測量現場設備如圖8、圖9所示。

表1　內窺鏡檢測裝置前6階頻率

通過現場試驗，得到步進電動機的工作共振頻率，如圖10所示。

經過試驗，得到步進電動機的工作振動頻率，取前5階頻率，結果如表2所示。

表2　步進電動機前5階頻率

通過對比表1單級氣缸驅動繩索聯動內窺鏡設備的固有頻率與表2步進電動機的工作共振頻率可知，在內窺鏡裝置上安裝此型號步進電動機在工作時會產生共振，故不能夠完全保證裝置的正常運行。

4　優化

為了確保此裝置毫無問題地進行運行就要解決共振的問題，想到對此裝置在運行過程中加振動抑制。

4.1阻尼器的選擇

消能減振技術作為一種被動控制方法，主要通過在結構的某些部位增設阻尼器或消能部件，為結構提供一定的附加剛度或附加阻尼，并以此來耗散輸入結構的能量，從而減輕結構動力反應，保護主體結構的安全。因此準備對該裝置增加減振裝置，減振材料的選擇是減振系統的最關鍵部分，一般有油阻尼器、粘滯阻尼器、粘彈性阻尼器、金屬阻尼器等。綜上選擇利用一種調諧彈性阻尼器(TVD)減振，既是彈性元件又是阻尼元件，通過調節橡膠的厚度及不同類型的橡膠材料，調節阻尼器的阻尼和剛度，利用動力吸振，達到阻尼器減振的效果。此阻尼器安裝在懸臂最遠端的正上方。

4.2阻尼器模態分析

基于整個裝置的幾何尺寸對阻尼器進行建模，阻尼器由橡膠及質量塊(鎢銅合金)組成，鎢銅合金市場占有率大，耐高溫耐磨抗粘性好，通過ANSYS進行模態分析，模態分析過程中固定方式為阻尼器橡膠與裝置接觸面(橡膠片的上表面)固定。分析結果，阻尼器前六階振型圖如圖11所示。

通過ANSYS分析結果可以看到，阻尼器前五階振型均為質量塊的左右擺動或者扭動，第六階振型為質量塊在垂直接觸面方向上的振動，因此設計阻尼器的第六階固有頻率與裝置頻率接近，起到共振吸能的作用。

5　結語

對現有的單級氣缸驅動繩索聯動內窺鏡檢測裝置電動機的選型進行了分析模擬實驗，通過對比防爆伺服電動機和普通步進電動機加裝防爆外殼的兩種方案，在都滿足懸臂撓度要求的情況下，基于費用最低、產生撓度更小的要求，選擇了普通步進電動機加裝防爆外殼的方案。又對懸臂進行了模態分析，并基于LMS測量出了步進電動機的工作共振頻率，通過對比數據可知，步進電動機工作時會引起整條懸臂的共振，不能夠保證測量精度，因此對裝置進行優化設計增加減振裝置,保證測量精度。

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(編輯孫德茂)

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Optimaldesignofasingle-stageboomcylinderdrirelinkage

FANJinwei,JIShi

(MechanicalandAppliedElectronicsEngineering,BeijingUniversityofTechnology，Beijing100024,CHN)

Againsttheinnerwallsurfaceofthesolidrocketmotortestingquestionandexistingendoscopicdetectiondevicedesignedtelescopicboomhasreached3.5m,inordertomeettherequirementsofaccuracy,sotheanalysisbasedonANSYSsoftwareplatformcantileveredfrontendsteppermotorsandindustrialcamerasandthewholearmwasstaticanalysisandmodalanalysisandoptimization.Toensurethatthemechanicalpropertiesofthecantilevertomeettherequirements,andtoensurethatthemotoroperatingfrequencytoavoidthenaturalfrequencyofthecantilever,makingindustrialcamerasshootingenvironmentrelativelystable.Thereforedetectedresonanceoccurstooptimizethedesignofthedevicetoincreasethevibrationdamperdeviceprocessingtoachievetheunitnormaloperation.

cantilevervibration;staticanalysis;modalanalysis

TP273

A

范晉偉，男，1965年生，博士， 教授，主要從事精密與超精密自動化裝備的研究。

2015-12-11)

160215

*國家科技重大專項資助項目(2013ZX04011013);國家自然科學基金資助項目(51275014)