隧道式連續洗滌機組主籠非接觸式幾何參數檢測平臺研制

蘇世杰　陸亞琳　陳正原

摘 要：為保證隧道式連續洗滌機組在洗滌過程中能夠運行良好，減少主籠由于變形、晃動產生的阻力，設計了一種非接觸式的幾何參數檢測平臺。該平臺在主籠勻速轉動的前提下，通過安裝在導軌上的激光位移傳感器測出的距離值來計算主籠的圓度和圓跳動。主籠和傳感器相對運動，根據不同位置處的測量值計算主籠的圓柱度和全跳動，通過多次測量取其平均值使結果更加準確。文章進行了檢測平臺的總體設計及各主要功能組件的詳細設計，對主要受力零部件進行了有限元分析，并研制了一臺實物樣機。

關鍵詞：隧道式連續洗滌機組；幾何參數檢測；檢測平臺；非接觸式測量

前言

隧道式連續洗滌機組采用多倉位連續洗滌技術，將布草的預洗、主洗、漂洗和后處理集成在同一臺設備上完成，大大提高了洗滌效率。由于其對水資源的合理利用及不間斷的運行處理，在很大程度上避免了能源和水資源的浪費，是未來工業洗滌的發展方向[1-2]。

主籠是隧道式連續洗滌機組中進行布草洗滌的核心部件，其質量對洗滌機組運行的平穩性、可靠性及使用壽命有很大的影響，而主籠的幾何形狀誤差（圓度、圓柱度、圓跳動、全跳動等）則是衡量主籠質量的重要指標[3]。目前企業采用普通百分表手工對主籠進行圓跳動的檢測，不僅在生產節拍上遠遠滿足不了大批量生產的需要，而且還存在著可檢測項目少，檢測精度差，檢測數據完全靠人工進行處理等一系列問題。目前市場上也存在著很多幾何參數檢測裝置[4-5]，但其功能與量程并不適用于主籠這種超大直徑的設備的測量，因此，設計一種能適用于主籠的非接觸式檢測平臺是很有必要的。

文章在研究隧道式連續洗滌機組主籠非接觸式幾何參數檢測方法的基礎上，進行了檢測平臺結構設計和強度校核，并按照設計結果開發了一臺檢測平臺樣機，實際應用結果表明，該檢測平臺可以實現對主籠的幾何形狀誤差的自動檢測與計算，大幅提高了檢測速度與精度。

1 隧道式連續洗滌機組主籠非接觸式幾何參數檢測方法研究

檢測平臺的工作原理為：在實現主籠夾緊后，電機帶動主籠勻速旋轉，安裝在檢測平臺上的2個激光位移傳感器則由步進電機帶動絲杠進行驅動。開始檢測時，隨著主籠的不斷轉動和激光位移傳感器的不斷移動，工業PC通過傳感器獲得主籠在運轉過程中不斷變化的相關數據，經過計算得到主籠的圓度、圓柱度、圓跳動及全跳動，同時判斷主籠幾何形狀是否合格。檢測結束后，電機停止旋轉，步進電機帶動激光位移傳感器回到初始位置，結束主籠的幾何參數檢測。

主籠幾何參數檢測原理如圖1所示。在主籠兩側布置激光傳感器1和2，控制直線滑臺，調整2個激光傳感器的高度，使其射出的激光通過主籠的直徑方向的延長線，此時可以測得兩個激光傳感器分別到主籠的距離：L1和L2；激光傳感器1、2間的距離L則由光柵尺進行測量；故主籠在該截面的直徑：

D=L-L1-L2

主籠旋轉一周，控制恒定的間隔時間，就可測得一系列直徑D1、D2……Dn，據此可計算出主籠在該截面的圓度和圓跳動；在主籠全長若干個截面上（如圖2所示，每個截面到起始位置的距離L1、L2……Li由光柵尺進行測量）分別進行上述測量即可計算出主籠的圓柱度和全跳動。這種檢測方法簡單，易于操作，只需要電腦簡單地記錄、分析就能達到效果。

2 隧道式連續洗滌機組主籠非接觸式幾何參數檢測平臺設計

2.1 總體方案設計

主籠非接觸式幾何參數檢測平臺結構如圖3所示，主要由主籠、鎖緊卡盤、檢測臺、支撐系統、傳動系統及底座組成。由動力系統提供動力，通過傳動系統帶動主籠的勻速旋轉，配合檢測臺的固定和往復運動來測量主籠的幾何參數。隧道式連續洗滌機組主籠直徑1800mm，由3mm厚不銹鋼圈拼接而成，總長近11m，重量約為1395kg。

2.2 支撐系統設計

檢測平臺的支撐系統是動力能否有效傳遞的紐帶，結構的強度和穩定性決定了整個檢測平臺的順利運行和精確性，重要性不言而喻。支撐系統的設計要充分考慮主籠的質量。主籠屬于大型尺寸，若采用軸承支撐，不僅加工配套的軸承座困難，而且軸承的外徑將超過2m，對于本裝置來說大大增加了制造成本，適用性較低。因此，在排除軸承支撐的情況下，需要對支撐系統進行單獨設計，在滿足系統穩定性的前提下，盡可能的降低制作成本和加工難度。如圖4所示，本支撐系統包括：支撐滾輪、支撐板、升降裝置、軌輪及一些配套零件。

2.3 檢測臺結構設計

檢測臺是完成檢測隧道式連續洗滌機組主籠幾何參數的功能主體。如圖1所示，檢測臺設計為“門”型結構，在導軌上可任意滑動。在水平位置靠近主籠直徑附近對稱安裝兩個直線滑臺，滑臺上安裝有激光位移傳感器。直線滑臺采用步進電機提供動力，通過控制脈沖頻率控制步進電機轉動的速度和加速度，從而實現機構的速度控制。

2.4 鎖緊卡盤結構設計

卡盤是輔助支撐系統的重要部分，是連接主籠與動力傳動系統的紐帶，同時也是保證主籠正常旋轉及與支撐系統共同保證同心旋轉的關鍵。其結構包括：卡盤、立車卡爪、連接軸等部件。其中，立車卡爪是鎖緊卡盤中鎖緊和定心最主要的部件，立車卡爪本身是可拆卸的，這樣有利于小范圍的調整和維修。用螺栓固定在卡盤上，通過內六角扳手手動旋轉控制立車卡爪的張緊從而控制主籠的固定及定心。由于卡盤上有4排螺栓孔，這就意味著本裝置不僅能檢測直徑為1800mm的主籠，還可以通過改變立車卡爪的安裝位置來檢測不同直徑的圓筒狀部件。鎖緊卡盤整體結構如圖5所示。

2.5 傳動系統設計

機械傳動系統的作用就是將原動機的運動和動力傳遞到執行構件，故原動機類型和執行構件的運動形式、運動參數及運動方位等都決定著傳動系統的方案[6]。文章采用鏈輪傳動，通過選用合適的傳動比，分析傳動效率，最后完成電機的選型。如圖6所示，傳動系統由電機、聯軸器、軸承座、鏈輪、鏈條、連接軸及相關配件和固定件組成。其中，軸承座是傳動系統與鎖緊卡盤的連接軸的支撐部件，通過螺栓連接安裝在箱體的上部。由于軸承座的安裝誤差將直接影響主籠安裝的同心程度，因此，采用雙軸承一體的箱體類軸承座。

3 檢測平臺關鍵部件強度分析

3.1 箱體強度分析

箱體由鋼板焊接而成，不僅有安放傳動系統的功用，同時鏈輪與卡盤的連接軸通過的軸承座也安裝在箱體的上表面，自然而然地，箱體也就承受了很大的壓力，為防止箱體的變形或者斷裂，需要在加工制造箱體之前對箱體的強度進行校核。經計算，施加在箱體上的總壓力F≈8000N。添加約束條件：箱體底端固定，在安放軸承座處添加總壓力F。如圖7所示，由于箱體內部對軸承支撐部位進行加厚，變形最大位置集中于箱體中部的尖角位置。最大的變形量為0.62mm，相對于箱體整體而言，變形量很小，符合設計標準。由圖8強度分布圖可分析：高強度區域分布在軸承座接觸的地方，最大值為11.64MPa，而不銹鋼0Cr18Ni的最大屈服強度為205MPa，完全符合設計標準。

3.2 支撐板強度分析

本平臺兩處有支撐板，材料都是矩形鋼，形狀也基本相似，所以只要校核受力較大的一個支撐板就可以了。顯然，裝有升降臺的支撐板1不僅需要承受本身的重力，還要承受部分主籠的重力，受力明顯要比檢測臺的支撐板2大的多。下面將對支撐板1進行強度校核，并參照變形結果進行分析。添加約束：這部分力應包括主籠重力施加到支撐板上的力，以及支撐架及升降臺的重力，經計算，這部分的總力接近6000N，按照此數值進行模擬計算，得出如下結果。

由于采用兩端支撐，中間懸空部位所受的應力最大，所以其形變量最大。如圖9所示，中間部位的最大變形量約為1.23mm，符合設計標準。圖10顯示了受力下支撐板的強度分布，高應力分布區域主要集中在固定處附近和中間變形較大的部分，最大值為6.04MPa，矩形鋼為345MPa，符合設計標準。強度盈余也意味著允許在支撐板空余處放置其他物品而不影響強度。

4 檢測平臺應用

文章所提及的檢測平臺在江蘇海獅機械集團得到成功運用，如圖11。經測試，該平臺的各項性能指標均符合要求，檢測效果理想，不僅節省了人力，提高了檢測效率與質量，而且使整個檢測過程更具條理性和準確性。

參考文獻

[1]SISSELL K.Industry disputes findings of cleaning products study[J].Chemical Week，2012，174（8）：33-33.

[2]李桂林，等.隧道洗衣機的發展與趨勢[J].中外洗衣，2009（10）：20-23.

[3]陳宏，谷獻磊，王琪，等.隧道式連續洗衣機內滾筒設計及強度分析[J].輕工機械，2012，5：37-41.

[4]連強強，趙轉萍，陳富林.大距離多孔零件同軸度檢測系統的多功能測頭設計[J].現代測試技術，2012，35（7）：152-154

[5]黃風山，錢惠芬，馬海榮.大型軸類零件形位誤差自動測量儀的設計[J].河北工業科技，1999，16（2）：18-24.

[6]閆利文.高精度大型軸類零件在位測量方法及關鍵技術研究[D].上海：上海大學，2008.