內(nèi)窺鏡檢測裝置懸臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

范晉偉，劉益嘉，陳 玲

（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

由于某型藥柱內(nèi)部深達(dá)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(jī)驅(qū)動(dòng)的攝像頭深入到藥柱內(nèi)部進(jìn)行拍攝，而藥柱內(nèi)壁表面由于含有特殊材料，不能與檢測機(jī)構(gòu)接觸，故不能鋪設(shè)輔助軌道，同時(shí)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(jī)構(gòu)執(zhí)行部件。

目前國內(nèi)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(chǎn)生較大的撓度。為了達(dá)到控制精度，本文設(shè)計(jì)了一種箱式伸縮懸臂，其結(jié)構(gòu)剛度高，產(chǎn)生的撓度小，且控制精度高，生產(chǎn)制造成本低[1～4]。整體效果圖如圖1、圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)圖1

圖2 結(jié)構(gòu)圖2

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的內(nèi)窺鏡檢測裝置如圖3、圖4所示。

圖3 整體結(jié)構(gòu)主視圖

圖4 整體結(jié)構(gòu)俯視圖

懸臂經(jīng)過兩個(gè)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(jī)，進(jìn)行控制。懸臂前端通過伺服防爆電機(jī)連接攝像頭，通過對(duì)伺服防爆電機(jī)的控制，使得攝像頭完成360旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行拍照取樣。

1.2 懸臂伸縮機(jī)構(gòu)

由于采集現(xiàn)場的特點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)控制精度在0.5mm以下。通過實(shí)驗(yàn)，最終選擇由單擊氣缸驅(qū)動(dòng)，繩索滑輪傳動(dòng)，定滑輪支撐的多級(jí)箱體懸臂機(jī)構(gòu)。

懸臂機(jī)構(gòu)包括全部五級(jí)箱體，第一級(jí)箱體固定在底板，其余四級(jí)箱體同時(shí)伸縮，其中有單級(jí)氣缸安裝在第二級(jí)懸臂箱體的前端，通過單級(jí)氣缸的伸縮帶動(dòng)第二級(jí)箱體運(yùn)動(dòng)，箱體內(nèi)部通過繩索連接其他三級(jí)箱體，則懸臂伸縮過程中，全部四級(jí)箱體同時(shí)運(yùn)動(dòng)。懸臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 懸臂總裝圖

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

當(dāng)單級(jí)氣缸伸出時(shí)，帶動(dòng)二級(jí)箱體2伸出，同時(shí)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(jí)箱體1和三級(jí)箱體3上，則同時(shí)帶動(dòng)三級(jí)箱體3伸出，同理三級(jí)3帶動(dòng)四級(jí)箱體4伸出，再帶動(dòng)五級(jí)箱體5伸出。直至所有整條懸臂伸出量達(dá)到最大為止。

當(dāng)單級(jí)氣缸回收時(shí)，帶動(dòng)二級(jí)箱體2縮回，同時(shí)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(jí)箱體1和三級(jí)箱體3上，則同時(shí)帶動(dòng)三級(jí)箱體3回縮，同理三級(jí)箱體3帶動(dòng)四級(jí)箱體4回縮，再帶動(dòng)五級(jí)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(yàn)

由于本套設(shè)備的精度要求較高，現(xiàn)場工作時(shí)，懸臂的振動(dòng)和撓度都會(huì)對(duì)采集數(shù)據(jù)結(jié)果造成較大影響，故利用ANSYS軟件對(duì)懸臂進(jìn)行靜態(tài)剛度檢驗(yàn)，保證設(shè)備的精度[5～7]。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)箱體長度值，Δ表示撓度，kΔ表示五級(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50N和彎矩10N/m模擬伺服防爆電機(jī)和攝像頭產(chǎn)生的載荷。則得到懸臂的撓度結(jié)果和應(yīng)力結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 五級(jí)箱體的應(yīng)變圖

由圖6可得，懸臂的最大應(yīng)變發(fā)生在懸臂最前端，應(yīng)變?yōu)?.079mm，而懸臂機(jī)構(gòu)的允許值為0.1mm，則應(yīng)變值合格。

圖7 五級(jí)箱體的應(yīng)力圖

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

3 電氣控制系統(tǒng)

3.1 氣路控制系統(tǒng)

本套設(shè)備公有3個(gè)單級(jí)氣缸，兩個(gè)立式氣缸a、b提供懸臂的升降動(dòng)力。一個(gè)平放氣缸連接懸臂，驅(qū)動(dòng)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(jī)1工作從大氣中抽取空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐2中，高壓空氣進(jìn)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(qū)動(dòng)整條懸臂的伸縮。調(diào)速閥5和調(diào)壓閥6保證了氣缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，便于懸臂的精確控制。而電磁換向閥3同時(shí)控制兩個(gè)同步氣缸的運(yùn)動(dòng)。為保證兩個(gè)氣缸的同步運(yùn)動(dòng)，選擇完全相同的調(diào)壓閥和調(diào)速閥，并設(shè)置同樣的壓力和速度。

3.2 電路控制系統(tǒng)

本套設(shè)備的控制系統(tǒng)采用Visual C++編程的軟PLC和工業(yè)控制機(jī)組合方式。VC++程序以工控機(jī)為載體控制兩個(gè)電磁換向閥、伺服防爆電機(jī)和攝像頭工作。在立式氣缸和懸臂的運(yùn)動(dòng)方向分別安裝有激光測距儀a和b，能夠通過RS232串口實(shí)時(shí)反饋懸臂的高度和懸臂的伸出距離到工控機(jī)，同時(shí)伺服防爆電機(jī)自帶的編碼器會(huì)實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)到工控機(jī)。工控機(jī)的自動(dòng)程序每2ms掃描一次，完成對(duì)懸臂的高度，伸出距離和防爆伺服電機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在設(shè)定的位置控制相機(jī)進(jìn)行拍照取樣工作。本套設(shè)備的邏輯控制圖如圖9所示。

基于Visual C++開發(fā)了控制系統(tǒng)軟件，運(yùn)用Timer計(jì)時(shí)器，以每2ms一次的頻率進(jìn)行掃描，保證了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，控制系統(tǒng)軟件界面如圖10所示。

4 結(jié)束語

圖9 邏輯控制圖

圖10 控制系統(tǒng)軟件界面

本文對(duì)藥柱內(nèi)窺鏡檢測裝的置懸臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，為了采集到精確的圖像樣本，設(shè)計(jì)了新型的懸臂機(jī)構(gòu)。懸臂機(jī)構(gòu)采用定滑輪和多級(jí)箱體的組合模式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，并利用ANSYS對(duì)懸臂進(jìn)行了有限元分析，得到的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果均符合要求，又設(shè)計(jì)了整套機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)，并基于Visual C++開發(fā)了控制系統(tǒng)軟件，控制整套系統(tǒng)的運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的懸臂機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功應(yīng)用在藥柱內(nèi)壁表面檢測工程中，并取得了良好的效果。

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