內(nèi)窺鏡裝置的單級氣缸驅(qū)動繩索聯(lián)動懸臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

范晉偉　紀(jì)　實(shí)

(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)

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內(nèi)窺鏡裝置的單級氣缸驅(qū)動繩索聯(lián)動懸臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

范晉偉紀(jì)實(shí)

(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)

針對固體火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)壁表面的檢測的問題，現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡檢測裝置懸臂設(shè)計(jì)伸縮量已經(jīng)達(dá)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(jìn)電機(jī)和工業(yè)相機(jī)及整條懸臂進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析并進(jìn)行優(yōu)化。確保懸臂的力學(xué)特性能夠滿足要求，且保證電機(jī)的工作頻率避開懸臂的固有頻率，使得工業(yè)相機(jī)的拍攝環(huán)境相對穩(wěn)定，檢測出會發(fā)生共振，因此對該裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加阻尼器對裝置進(jìn)行減振處理，以達(dá)到裝置正常運(yùn)行。

懸臂振動；靜力學(xué)分析；模態(tài)分析

某彈道導(dǎo)彈的燃料內(nèi)部為中空，由于是固體燃料棒，放置時(shí)間過長易導(dǎo)致燃料棒內(nèi)部表面產(chǎn)生裂紋，因此設(shè)計(jì)了單級氣缸驅(qū)動繩索聯(lián)動內(nèi)窺鏡檢測裝置，滿足對燃料棒內(nèi)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(qū)動繩索聯(lián)動內(nèi)窺鏡裝置如圖1所示。

內(nèi)窺鏡裝置前端安裝有步進(jìn)電機(jī)和工業(yè)相機(jī)，當(dāng)伸出3.5m時(shí)產(chǎn)生較大力矩，需要進(jìn)行靜力學(xué)分析。按照工作步驟，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個角度過后，工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍照，如步進(jìn)電機(jī)的頻率與懸臂固有頻率相同，產(chǎn)生共振，會影響拍攝效果，故需進(jìn)行模態(tài)分析。

1　整體結(jié)構(gòu)

整個單級氣缸驅(qū)動繩索聯(lián)動內(nèi)窺鏡裝置主要由單級氣缸、五級箱體、步進(jìn)電動機(jī)、工業(yè)相機(jī)、激光測距儀，工業(yè)控制機(jī)、電氣柜、手動控制面板和空氣壓縮機(jī)等組成。

電氣控制系統(tǒng)包括手動控制方式和自動控制方式，當(dāng)工控機(jī)接到前進(jìn)的信號后，通過電磁換向閥控制單級氣缸的前進(jìn)，單級氣缸驅(qū)動第四級箱體前進(jìn)，懸臂的5級箱體聯(lián)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(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)懸臂伸出到固定位置后，工控機(jī)通過伺服驅(qū)動器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動，電動機(jī)每轉(zhuǎn)動15°，工業(yè)相機(jī)便拍攝照片取樣。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動一圈后，懸臂伸出到下個位置，重復(fù)上述動作。懸臂伸出工作時(shí)的狀態(tài)如圖2所示。

由于被檢測的裝置是導(dǎo)彈藥柱，故需避免火花產(chǎn)生，備選有兩套方案，第一套方案是直接選擇EX防爆電動機(jī)，它具有強(qiáng)大的防爆外殼，能在特氣和粉塵環(huán)境中防爆能夠承受內(nèi)部爆炸而不危及周邊環(huán)境，非常符合實(shí)驗(yàn)的要求，但是其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，且重量較大，如圖3所示。由于預(yù)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(jìn)電動機(jī)，在其外部增加防爆外殼，在防爆外殼的保護(hù)下經(jīng)過測驗(yàn)，結(jié)果表明第二套方案的設(shè)計(jì)也能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的防爆要求，但缺點(diǎn)是電動機(jī)轉(zhuǎn)角精度較差，考慮到此方案價(jià)格便宜，重量很輕，僅為1.5kg，基本滿足了實(shí)驗(yàn)的要求，故選擇第二套方案為實(shí)驗(yàn)方案，如圖4所示。

2　靜力學(xué)分析

2.1選伺服電動機(jī)

當(dāng)整條懸臂伸出距離為3.5m時(shí)在最前端的伺服電動機(jī)處產(chǎn)生最大撓度，則選擇伺服電動機(jī)時(shí)，由于伺服電動機(jī)的質(zhì)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(jìn)行分析得到的結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，可知在安裝伺服電動機(jī)狀態(tài)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(nèi)。

2.2選步進(jìn)電動機(jī)

同樣選擇懸臂伸出為3.5m，當(dāng)安裝步進(jìn)電動機(jī)時(shí)，對懸臂進(jìn)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(jìn)電動機(jī)的重力載荷，進(jìn)行ANSYS分析，得到的結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，可知在安裝伺服電動機(jī)狀態(tài)下懸臂的撓度為4.13mm，優(yōu)于伺服電動機(jī)的9.08mm，同樣也在懸臂的最大允許撓度10mm范圍內(nèi)。

在伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)都滿足拍攝精度要求的前提下，步進(jìn)電動機(jī)更加小巧輕便，懸臂的撓度較小，且費(fèi)用較低。

3　模態(tài)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(yè)相機(jī)拍攝時(shí)懸臂是否穩(wěn)定。當(dāng)懸臂工作時(shí)，懸臂伸入到一定的孔深度停止，電動機(jī)轉(zhuǎn)動15°，然后工業(yè)相機(jī)拍照。由于電動機(jī)停轉(zhuǎn)后與工業(yè)相機(jī)拍照的間隔時(shí)間極短，如電動機(jī)的轉(zhuǎn)動引起整條懸臂的共振，則會直接影響到拍攝精度。故應(yīng)對其進(jìn)行模態(tài)分析，以檢測懸臂的固有頻率是否與電動機(jī)的激勵頻率重疊進(jìn)而引發(fā)共振。

3.1ANSYS模態(tài)分析

單級氣缸驅(qū)動繩索聯(lián)動內(nèi)窺鏡檢測裝置工作時(shí)，升降小車的滑動小輪為固定狀態(tài)。則在ANSYS平臺中，選擇升降小車在X、Z方向?yàn)楣潭顟B(tài)，進(jìn)行仿真運(yùn)算，得到的結(jié)果如圖7所示。

為了模擬工作環(huán)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(xù)6階的頻率值與實(shí)驗(yàn)作比較，如表1所示。

3.2步進(jìn)電動機(jī)實(shí)驗(yàn)檢測

本實(shí)驗(yàn)采用LMS振動測試系統(tǒng)配備BK加速度傳感器對步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行振動測試，沿電動機(jī)軸線共布置6個加速度傳感器，對步進(jìn)電動機(jī)工作時(shí)的共振頻率進(jìn)行測量，測量現(xiàn)場設(shè)備如圖8、圖9所示。

表1　內(nèi)窺鏡檢測裝置前6階頻率

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，得到步進(jìn)電動機(jī)的工作共振頻率，如圖10所示。

經(jīng)過試驗(yàn)，得到步進(jìn)電動機(jī)的工作振動頻率，取前5階頻率，結(jié)果如表2所示。

表2　步進(jìn)電動機(jī)前5階頻率

通過對比表1單級氣缸驅(qū)動繩索聯(lián)動內(nèi)窺鏡設(shè)備的固有頻率與表2步進(jìn)電動機(jī)的工作共振頻率可知，在內(nèi)窺鏡裝置上安裝此型號步進(jìn)電動機(jī)在工作時(shí)會產(chǎn)生共振，故不能夠完全保證裝置的正常運(yùn)行。

4　優(yōu)化

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

4.1阻尼器的選擇

消能減振技術(shù)作為一種被動控制方法，主要通過在結(jié)構(gòu)的某些部位增設(shè)阻尼器或消能部件，為結(jié)構(gòu)提供一定的附加剛度或附加阻尼，并以此來耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量，從而減輕結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全。因此準(zhǔn)備對該裝置增加減振裝置，減振材料的選擇是減振系統(tǒng)的最關(guān)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(diào)諧彈性阻尼器(TVD)減振，既是彈性元件又是阻尼元件，通過調(diào)節(jié)橡膠的厚度及不同類型的橡膠材料，調(diào)節(jié)阻尼器的阻尼和剛度，利用動力吸振，達(dá)到阻尼器減振的效果。此阻尼器安裝在懸臂最遠(yuǎn)端的正上方。

4.2阻尼器模態(tài)分析

基于整個裝置的幾何尺寸對阻尼器進(jìn)行建模，阻尼器由橡膠及質(zhì)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(jìn)行模態(tài)分析，模態(tài)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(jié)果，阻尼器前六階振型圖如圖11所示。

通過ANSYS分析結(jié)果可以看到，阻尼器前五階振型均為質(zhì)量塊的左右擺動或者扭動，第六階振型為質(zhì)量塊在垂直接觸面方向上的振動，因此設(shè)計(jì)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(jié)語

對現(xiàn)有的單級氣缸驅(qū)動繩索聯(lián)動內(nèi)窺鏡檢測裝置電動機(jī)的選型進(jìn)行了分析模擬實(shí)驗(yàn)，通過對比防爆伺服電動機(jī)和普通步進(jìn)電動機(jī)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(fèi)用最低、產(chǎn)生撓度更小的要求，選擇了普通步進(jìn)電動機(jī)加裝防爆外殼的方案。又對懸臂進(jìn)行了模態(tài)分析，并基于LMS測量出了步進(jìn)電動機(jī)的工作共振頻率，通過對比數(shù)據(jù)可知，步進(jìn)電動機(jī)工作時(shí)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)增加減振裝置,保證測量精度。

范晉偉，譚福濤，王志遠(yuǎn).運(yùn)動控制器內(nèi)壁圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014,5(5):131-137.

許學(xué)春，付京來，王峰.固體推進(jìn)劑藥柱使用壽命的研究.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2011,30(5):70-85.

范晉偉,劉益嘉,陳玲,等.藥柱內(nèi)窺鏡裝置氣缸及氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì).制造技術(shù)與機(jī)床,2015(6):142-145.

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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(xiàng)資助項(xiàng)目(2013ZX04011013);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275014)