基于ADAMS的自動(dòng)化渦流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭北濤，楊宏偉

（沈陽化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，沈陽 110142）

0 引言

自改革開放以來，國家制造業(yè)技術(shù)迅速發(fā)展，制造業(yè)成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱，產(chǎn)品的高效率生產(chǎn)成為制造業(yè)企業(yè)首要目標(biāo)。為了保證產(chǎn)品的高質(zhì)量生產(chǎn)，無損檢測技術(shù)的應(yīng)用在制造業(yè)占據(jù)著越來越重要的地位。為了提高檢測效率和自動(dòng)化，設(shè)計(jì)了一種高效率的自動(dòng)化渦流檢測系統(tǒng)[1]。

該渦流檢測系統(tǒng)是一種利用PLC控制伺服電動(dòng)機(jī)撥動(dòng)被測工件的渦流檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠較穩(wěn)定地完成高效率的檢測。通過運(yùn)用SolidWorks軟件三維建模設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的三維圖，再利用虛擬樣機(jī)技術(shù)ADAMS軟件運(yùn)動(dòng)仿真獲得系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對整個(gè)渦流檢測系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析。通過仿真對比分析交叉輥?zhàn)訖z測系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效提高了檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性及檢測效率。

1 渦流檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 渦流檢測機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在研究該渦流檢測系統(tǒng)的過程中，需要對渦流檢測機(jī)構(gòu)建模設(shè)計(jì)，由于整個(gè)渦流檢測的機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，因此選擇專業(yè)建模軟件SolidWorks 進(jìn)行三維輔助建模。用SolidWorks軟件構(gòu)造出機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件，再將各零件整體裝配在一起構(gòu)造成整個(gè)檢測機(jī)構(gòu)，使得機(jī)構(gòu)的各部分能夠靈活操作[2]。

圖1 渦流檢測機(jī)構(gòu)三維圖

該渦流檢測系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為一種輥輪式的檢測機(jī)構(gòu)。聯(lián)軸器通過連接伺服電動(dòng)機(jī)和輥輪軸帶動(dòng)主動(dòng)輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)皮帶輪、從動(dòng)皮帶輪和張緊輪組成的皮帶傳動(dòng)通過主動(dòng)輥輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)輥輪；滾珠絲杠通過聯(lián)軸器與伺服電動(dòng)機(jī)連接以獲得轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，滑塊在滑動(dòng)導(dǎo)軌上通過滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)可以左右滑動(dòng)；傳感器支架末端設(shè)計(jì)為一個(gè)直槽口與傳感器探頭支架相連接，可以根據(jù)傳感器探頭與被測工件的距離測不同直徑大小的工件。

此次設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)利用PLC控制伺服電動(dòng)機(jī)，通過撥動(dòng)被測工件從而完成渦流檢測[3]。被測工件通過上料臺(tái)被送到兩輥輪之間，被測工件跟隨兩輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)通過PLC的控制轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠絲杠，滑塊在滑動(dòng)導(dǎo)軌上移動(dòng)。當(dāng)滑塊向下料端移動(dòng)時(shí)，撥桿會(huì)撥動(dòng)在兩輥輪間轉(zhuǎn)動(dòng)的被測工件移動(dòng)，工件在移動(dòng)中通過傳感器探頭檢測到被測工件的信息，被測工件被移動(dòng)到下料端，滑塊再通過PLC控制伺服電動(dòng)機(jī)控制滾珠絲杠向上料端移動(dòng)，從而完成整個(gè)流程的檢測。

1.2 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)該渦流檢測系統(tǒng)要滿足穩(wěn)定性好、精度高和快速響應(yīng)性，因此將該渦流檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)為閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)由PC信息處理系統(tǒng)、PLC控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成[4]。位置指令發(fā)送指令給控制器，PLC程序運(yùn)行發(fā)送脈沖到伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收的脈沖頻率和數(shù)量控制伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行距離和速度，滾珠絲杠通過聯(lián)軸器連接伺服電動(dòng)機(jī)，在伺服驅(qū)動(dòng)器的控制下運(yùn)轉(zhuǎn)，控制滑塊的移動(dòng)速度和距離。

伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程是指系統(tǒng)在輸入作用下從一個(gè)穩(wěn)態(tài)向新的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的過渡過程。伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析對于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、參數(shù)合理化設(shè)置和保證系統(tǒng)的動(dòng)力性能有重要的意義，伺服系統(tǒng)的執(zhí)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滾珠絲杠在系統(tǒng)運(yùn)行中一直處于動(dòng)態(tài)過程中，研究滾珠絲杠的動(dòng)態(tài)對于整個(gè)伺服系統(tǒng)是有一定意義的[5]。

圖3 滾珠絲杠工作臺(tái)系統(tǒng)的簡化動(dòng)力學(xué)模型

動(dòng)力學(xué)平衡方程式：式中：m1為工作臺(tái)的質(zhì)量；m2為滾珠絲杠的質(zhì)量；m為滾珠絲杠工作臺(tái)的等效集中質(zhì)量；c為絲杠工作臺(tái)導(dǎo)軌的黏性阻尼系數(shù)；k為絲杠螺母機(jī)構(gòu)的綜合拉壓剛度；y為工作臺(tái)的實(shí)際位移；x為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角折算到工作臺(tái)的等效位移，即指令位移。

對上式拉氏變換，得系統(tǒng)傳遞函數(shù)：式中：ωn為滾珠絲杠工作臺(tái)系統(tǒng)的固有頻率；ξ為系統(tǒng)縱向振動(dòng)阻尼比（即黏性阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比）。

因此，影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要參數(shù)是ωn和ξ，它們是由k、m和c決定的[6]。

2 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真研究

虛擬樣機(jī)ADAMS軟件是一款專門做仿真運(yùn)算的軟件，運(yùn)用ADAMS軟件對設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究[7]。將在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)另存為Parasolid（*.x_t）格式并導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。設(shè)置模型單位為MMKS單位制，設(shè)置重力加速度大小為9.806 N/kg，重力方向?yàn)閅軸的負(fù)方向。對不影響運(yùn)動(dòng)的2個(gè)不相交的物體進(jìn)行布爾操作，使其成為一個(gè)整體，化繁為簡，對動(dòng)力學(xué)模型各構(gòu)件添加約束[8-9]，如表1所示。

表1 約束條件

為研究被測工件在被撥動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，將傳感器探頭調(diào)節(jié)至距離被測工件上方1 mm處的傳感器探頭支架上。在被測工件的頂面圓中心點(diǎn)添加一MARKER點(diǎn)——MARKER70，在傳感器探頭下方渦流線圈的中心點(diǎn)添加一MARKER點(diǎn)——MARKER71，在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中測量兩個(gè)點(diǎn)之間的距離跳動(dòng)是檢測該渦流檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。被測工件與傳感器探頭之間的測量函數(shù)如下：

圖4 渦流檢測系統(tǒng)ADAMS仿真模型

DY（MARKER_71，MARKER_70）-15。

其中：DY為兩被測件在Y軸上的被測距離；15為被測工件的半徑。

針對本文設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)與市面上其他渦流檢測系統(tǒng)，通過仿真分析比較在運(yùn)行中的被測工件，確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選擇市面上一種利用主動(dòng)輥輪與從動(dòng)輥輪之間的角度帶動(dòng)工件行進(jìn)的交叉輥?zhàn)訙u流檢測機(jī)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 交叉輥?zhàn)訙u流檢測機(jī)構(gòu)

3 仿真結(jié)果分析

渦流檢測系統(tǒng)在ADAMS軟件中完成動(dòng)力學(xué)模型約束，檢測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)正常。設(shè)置該系統(tǒng)仿真終止時(shí)間為10 s，步數(shù)為400步，同樣設(shè)置交叉輥?zhàn)訙u流檢測機(jī)構(gòu)的仿真終止時(shí)間、步數(shù)等變量、約束與伺服控制渦流檢測系統(tǒng)完全一致[10]，查看兩個(gè)系統(tǒng)的被測工件與傳感器探頭的距離波動(dòng)圖和被測工件速度圖，如圖6 ～圖9 所示。

圖6 交叉輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)工件與探頭間距圖

圖6和圖7 曲線圖橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示被測工件隨時(shí)間與傳感器探頭之間距離大小的變化。圖6交叉輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)被測工件間距曲線圖幅值較大，曲線多處跳動(dòng)較大，其中被測工件在1.05 s和4.25 s時(shí)最不穩(wěn)定，兩者之間的距離分別 達(dá) 到2.85 mm和2.80 mm；如圖7 所示，本文設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)的被測工件間距曲線圖幅值較小，曲線跳動(dòng)較均勻，被測工件在0.3 s和4.5 s時(shí)間距最大，分別是0.95 mm和0.90 mm。通過比較圖6和圖7的被測工件與傳感器探頭間距曲線圖得出，本文設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)振動(dòng)小、運(yùn)行更加平穩(wěn)。

圖7 渦流檢測機(jī)構(gòu)工件與探頭間距圖

圖8和圖9曲線圖橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示被測工件隨時(shí)間增加速度的變化。如圖8所示，交叉輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)被測工件速度曲線圖多次有較大跳動(dòng)，在8.4 s時(shí)，被測工件迅速跳動(dòng)到150 mm/s，多次出現(xiàn)反方向的速度跳動(dòng)，被測工件的速度不穩(wěn)定。如圖9所示，本文設(shè)計(jì)的伺服控制渦流檢測系統(tǒng)的被測工件速度曲線圖沒有出現(xiàn)反方向的速度跳動(dòng)，工件最大速度是在9.5 s時(shí)的88 mm/s。通過比較圖8和圖9的被測工件速度曲線圖得出，本文設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)在工件檢測中波動(dòng)較小、速度更加穩(wěn)定，能夠保證平穩(wěn)地經(jīng)過傳感器探頭完成檢測，檢測精度更高。

圖8 交叉輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)工件速度圖

圖9 渦流檢測機(jī)構(gòu)工件速度圖

4 結(jié)論

利用SolidWorks平臺(tái)和虛擬樣機(jī)技術(shù)ADAMS平臺(tái)聯(lián)合設(shè)計(jì)、仿真分析，通過仿真分析比較本文所設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)與交叉輥?zhàn)訙u流檢測系統(tǒng)，結(jié)果表明：

1）本文設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)在運(yùn)行中被測工件與渦流探頭距離較穩(wěn)定，被測工件穩(wěn)定檢測，系統(tǒng)振動(dòng)較??；

2）本文設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)在運(yùn)行中被測工件在檢測中速度較穩(wěn)定，平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)通過檢測。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的渦流檢測系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地運(yùn)行工件并完成穩(wěn)定的檢測，大大提高了檢測效率和自動(dòng)化程度。該渦流檢測系統(tǒng)彌補(bǔ)了無損檢測效率低的不足。下一步將對該系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，繼續(xù)提高該系統(tǒng)的檢測效率。