深孔直線度檢測(cè)運(yùn)載裝置設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化

齊偉　陳新春　王燦　閆乃晴

本文研究了深孔直線度制造精度檢測(cè)途徑。借鑒激光跟蹤儀測(cè)量原理，設(shè)計(jì)深孔直線度檢測(cè)運(yùn)載裝置，建立運(yùn)載機(jī)構(gòu)仿真模型。利用ADAMS對(duì)運(yùn)載機(jī)構(gòu)中彈簧力進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化。結(jié)果表明，彈簧剛度為8.000N/mm，預(yù)載力為16N時(shí)，測(cè)得的正壓力為32.20N，滿足33±1N的設(shè)計(jì)要求。本研究為深孔直線度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試提供了技術(shù)支持。

一、前言

深孔是機(jī)械行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的形面之一，如工程機(jī)械中的液壓缸缸筒內(nèi)孔、壓路機(jī)振動(dòng)輪軸承座孔系、挖掘機(jī)大臂孔系等，這些形面的加工質(zhì)量直接影響著機(jī)械產(chǎn)品的使用性能。由于缺乏檢測(cè)手段，目前主要依賴加工設(shè)備保證制造精度，嚴(yán)重地限制了產(chǎn)品質(zhì)量提升。近年來(lái)，隨著技術(shù)進(jìn)步，機(jī)械行業(yè)開(kāi)始逐步探索深孔直線度、圓度、平行度和孔系同軸度等制造精度的檢測(cè)途徑。如何將孔信息傳遞給檢測(cè)單元，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。基于這種現(xiàn)狀，本研究借鑒激光跟蹤儀測(cè)量原理，設(shè)計(jì)深孔直線度檢測(cè)運(yùn)載裝置。利用ADAMS對(duì)彈簧力進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化，獲得滿足給定運(yùn)動(dòng)要求的檢測(cè)運(yùn)載裝置。

運(yùn)載機(jī)構(gòu)如圖1所示，包括橫筒、變幅輪架、鎖幅墊塊、鎖幅螺栓、銷軸、滾輪、調(diào)壓螺釘、立板、螺釘和彈簧。橫筒用于承載光敏元件、反光棱鏡等檢測(cè)單元，與立板通過(guò)定位銷、螺釘連接。變幅輪架用于支承所述滾輪，在彈簧作用下，使得滾輪壓于孔內(nèi)壁，與立板、滾輪通過(guò)銷軸連接。鎖幅墊塊用于鎖止變幅輪架動(dòng)作，通過(guò)鎖幅螺栓固定，在非工作狀態(tài)，三個(gè)鎖幅墊塊均處于鎖死狀態(tài)，防止彈簧丟失、運(yùn)載裝置受損，在直線度檢測(cè)中，三個(gè)鎖幅墊塊均卸下。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象，運(yùn)載裝置自適應(yīng)內(nèi)孔，并將內(nèi)孔信息傳遞給檢測(cè)單元。立板用于支承運(yùn)載裝置，并且兩塊立板處于平行狀態(tài)，同時(shí)確保滾輪圓周位置分別相對(duì)。橫筒、變幅輪架及立板均采用硬鋁合金材料制成，以便于輕量化運(yùn)載裝置。

檢測(cè)過(guò)程中，運(yùn)載機(jī)構(gòu)在內(nèi)孔中行走，滾輪在彈簧的作用力下對(duì)孔內(nèi)壁產(chǎn)生正壓力。但是，壓力過(guò)大會(huì)造成滾輪對(duì)孔內(nèi)壁劃傷，影響孔表面質(zhì)量；壓力過(guò)小會(huì)造成運(yùn)載機(jī)構(gòu)在行走過(guò)程中旋轉(zhuǎn)，影響檢測(cè)精度。因此，合理設(shè)計(jì)運(yùn)載機(jī)構(gòu)中滾輪對(duì)被測(cè)孔內(nèi)壁的壓力是保證檢測(cè)裝置有效性的最關(guān)鍵因素。

二、運(yùn)載機(jī)構(gòu)多剛體仿真模型的建立

簡(jiǎn)化模型既可以提高計(jì)算速度，又可以確保計(jì)算的精度。依據(jù)前期設(shè)計(jì)模型，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)過(guò)程、各部件問(wèn)的相互受力關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系。對(duì)螺釘、調(diào)整壓釘及銷軸等進(jìn)行忽略處理。

1.模型的導(dǎo)入

利用Pro/ENGINEER軟件將簡(jiǎn)化好的模型保存為xT格式，并在ADAMS軟件下打開(kāi)保存好的X-T格式模型。為了提高計(jì)算速度與精度，盡可能減少零部件和運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量。在ADAMS軟件下將沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部位進(jìn)行求和、命名并更改顏色，便于在后期操作過(guò)程中識(shí)別零件。

2.添加約束與彈簧

如圖3所示，簡(jiǎn)化模型中沒(méi)有建立被測(cè)孔模型，故將被測(cè)孔默認(rèn)為group。建立與滾輪接觸的加載平板，滾輪與加載平板通過(guò)點(diǎn)面接觸副相連，加載平板與group相連。變幅輪架與立板之間沿立板安裝孔添加旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)副的摩擦系數(shù)為0.3。根據(jù)運(yùn)載模型變幅輪架工作狀態(tài)，在變幅輪架與立板彈簧裝配位置創(chuàng)建對(duì)稱的marker點(diǎn)，并在marker點(diǎn)之間添加彈簧。

三、基于ADAMS動(dòng)態(tài)仿真及優(yōu)化

根據(jù)被測(cè)孔材料的物理性能，以及運(yùn)載機(jī)構(gòu)在孔內(nèi)平穩(wěn)行走，確定滾輪對(duì)內(nèi)孔的正壓力為33N±1N的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算，運(yùn)載機(jī)構(gòu)彈簧力初始設(shè)計(jì)參數(shù)為彈簧剛度為6.667N/mm，預(yù)載力為12N。

根據(jù)被測(cè)孔的精度，設(shè)計(jì)其行走方程為：

y=2sinw1

1.ADAMS動(dòng)態(tài)仿真

通過(guò)ADAMS軟件對(duì)初始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)仿真曲線測(cè)量結(jié)果可以得出初始設(shè)計(jì)狀態(tài)的孔內(nèi)壁所受最大壓力為30.87N，不滿足設(shè)計(jì)要求。由于運(yùn)載機(jī)構(gòu)在內(nèi)孔中行走，滾輪在彈簧的作用力下對(duì)孔內(nèi)壁產(chǎn)生正壓力。壓力小于設(shè)計(jì)要求，會(huì)造成運(yùn)載機(jī)構(gòu)在行走過(guò)程中旋轉(zhuǎn)，影響檢測(cè)精度。影響滾輪對(duì)被測(cè)孔壁正壓力的主要因素有滾輪結(jié)構(gòu)，裝置總質(zhì)量、彈簧剛度及預(yù)載力等?？紤]到盡可能地減少變動(dòng)零部件設(shè)計(jì)，因此需要對(duì)彈簧的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.ADAMS仿真優(yōu)化

運(yùn)載機(jī)構(gòu)對(duì)被測(cè)孔的壓力過(guò)小說(shuō)明彈簧剛度及預(yù)載力過(guò)小，增加彈簧剛度及預(yù)載力可以達(dá)到預(yù)期效果。針對(duì)彈簧剛度和預(yù)載力采用田口設(shè)計(jì)方法，選取兩因素三水平彈簧參數(shù)，進(jìn)行DOE實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

對(duì)比滾輪對(duì)內(nèi)孔的正壓力為33N+1N的設(shè)計(jì)要求，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果表1中可以看出當(dāng)彈簧剛度為7.273N/mm、預(yù)載力為16N；彈簧剛度為8.000N/mm、預(yù)載力為16N時(shí)，均符合33±1N設(shè)計(jì)要求。

由于運(yùn)載機(jī)構(gòu)實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，滾輪對(duì)被測(cè)量孔徑變化響應(yīng)速度越快，檢測(cè)效率與精度就越高，據(jù)此對(duì)上述優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了滾輪變化速度仿真優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，如表2所示。

從表2中可以看出，彈簧剛度為7.273N/mm、預(yù)載力為16N時(shí)，滾輪速度為24.34mm/s；彈簧剛度為8.000N/mm、預(yù)載力為16N時(shí)，滾輪速度為26.08mm/s。結(jié)果表明，當(dāng)彈簧剛度越大，滾輪變化速度越大，滾輪對(duì)被測(cè)量孔徑變化響應(yīng)速度就越快，檢測(cè)效率與精度就越高。因此，在設(shè)計(jì)檢測(cè)運(yùn)載裝置時(shí)最終選擇彈簧剛度為8.000N/mm，預(yù)載力為16N的參數(shù)組合。

四、結(jié)語(yǔ)

本研究圍繞深孔直線度檢測(cè)設(shè)計(jì)了直線度檢測(cè)運(yùn)載裝置，利用ADAMS軟件建立運(yùn)載機(jī)構(gòu)仿真模型，對(duì)彈簧參數(shù)進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化，得出了以下結(jié)論：

（1）借鑒激光跟蹤儀測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了直線度檢測(cè)運(yùn)載裝置。

（2）彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)為彈簧剛度8.000N/mm、預(yù)載力16N時(shí)，滿足滾輪對(duì)內(nèi)孔的正壓力33+1N的設(shè)計(jì)要求。

（3）本研究為深孔直線度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)、制造及調(diào)試提供了技術(shù)支持。