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

某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱內(nèi)部深度達(dá)7米，為了完成對(duì)于藥柱的檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)了藥柱內(nèi)壁表面無(wú)損檢測(cè)裝置[1,2]。該裝置主要由升降小車，三級(jí)伸縮氣缸，伺服電機(jī)，工業(yè)相機(jī)等組成。由于三級(jí)氣缸前端的伺服電機(jī)和工業(yè)相機(jī)產(chǎn)生的力矩較大，為保證檢測(cè)精度，檢測(cè)時(shí)采用雙向檢測(cè)，則三級(jí)氣缸的伸縮距離控制在3.5米[3]。該檢測(cè)裝置已經(jīng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)完畢，已經(jīng)投入生產(chǎn)試運(yùn)行中。如圖1所示。

圖1 藥柱內(nèi)壁表面無(wú)損檢測(cè)裝置

當(dāng)伸縮距離較大時(shí)，由于伺服電機(jī)和工業(yè)相機(jī)的重力影響，仍然產(chǎn)生較大撓度，影響拍攝精度，故設(shè)計(jì)了三級(jí)氣缸懸臂撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，和撓度誤差檢測(cè)裝置，保證在懸臂的任何工作位置的撓度控制在3mm以內(nèi)。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

整臺(tái)藥柱內(nèi)壁表面無(wú)損檢測(cè)裝置有升降小車，三級(jí)氣缸，伺服電機(jī)，工業(yè)相機(jī)，電氣柜，氣泵等組成，整體結(jié)構(gòu)類似于懸臂梁，而三級(jí)氣缸是水平安裝在升降小車上，當(dāng)三級(jí)氣缸伸出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大撓度。仿真效果圖如圖2所示。

圖2 仿真圖

為了滿足拍攝時(shí)的精度要求，減小撓度，對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，利用反向補(bǔ)償?shù)脑恚淖內(nèi)?jí)氣缸水平放置的結(jié)構(gòu)，使三級(jí)氣缸前部上翹一定高度，三級(jí)氣缸與底板水平面之間產(chǎn)生一個(gè)仰角。通過(guò)對(duì)三級(jí)氣缸仰角的大小控制，保證三級(jí)氣缸前端的工業(yè)相機(jī)在任何伸出位置都能夠滿足拍攝位置要求。

在升降小車前端與三級(jí)氣缸的連接處，安裝一個(gè)液壓缸，液壓缸安裝在升降小車上，缸體與三級(jí)氣缸鉸接。而三級(jí)氣缸的后端改為與升降小車鉸接連接。當(dāng)三級(jí)氣缸伸出較長(zhǎng)，工業(yè)相機(jī)產(chǎn)生撓度時(shí)，液壓缸工作，使得三級(jí)氣缸與小車產(chǎn)生仰角，補(bǔ)償撓度。撓度補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 撓度補(bǔ)償裝置

1.2 激光測(cè)距儀

對(duì)比圖2、圖3的結(jié)構(gòu)圖，由于三級(jí)氣缸的俯仰角發(fā)生了變化，激光測(cè)距儀也改為獨(dú)立安裝。為了監(jiān)測(cè)三級(jí)氣缸前端的撓度大小，改變了激光反射板。新舊反射板對(duì)比如圖4、圖5所示。

圖4 新反射板

圖5 舊反射板

新反射板高度只有10mm，激光測(cè)距儀指向中間，當(dāng)撓度超過(guò)額定范圍3mm時(shí)，激光測(cè)距儀不能得到反射數(shù)據(jù)，則控制系統(tǒng)無(wú)法測(cè)距，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，重新進(jìn)行撓度補(bǔ)償。而圖5中的反射板由于面積過(guò)大，當(dāng)產(chǎn)生較大撓度的時(shí)候，仍然只能反饋三級(jí)氣缸伸出距離，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)撓度大小。此裝置能夠保證系統(tǒng)的撓度，提高了工業(yè)相機(jī)的工作精度。

2 有限元仿真分析

2.1 三級(jí)氣缸的仿真分析

在設(shè)備的調(diào)試過(guò)程中，已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行了分析，利用ANSYS軟件對(duì)懸臂梁進(jìn)行有限元分析。假設(shè)E表示多級(jí)氣缸的彈性模量，J表示多級(jí)氣缸對(duì)中性軸的慣性矩，W表示施加的載荷，L表示多級(jí)氣缸長(zhǎng)度值，Δ表示撓度，kΔ表示多級(jí)氣缸的剛度[4～6]。

多級(jí)氣缸的撓度：

多級(jí)氣缸的剛度：

由于工作環(huán)境煙塵較多，且固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃料棒需要嚴(yán)格禁止煙火，故又對(duì)現(xiàn)有的伺服電機(jī)加裝了防爆外殼，加裝外殼后三級(jí)氣缸前端的圖像采集設(shè)備總質(zhì)量達(dá)到5kg，模擬工作環(huán)境在電機(jī)托架處施加壓力50N，以升降板底面為固定端，進(jìn)行ANSYS仿真分析，取最遠(yuǎn)端的極限位置氣缸伸出3.5m時(shí)，得到結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果示意圖

如圖6所示，三級(jí)氣缸懸臂的最大撓度產(chǎn)生在最前端的電機(jī)托架上，最大撓度為16.391mm。則必須對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，在前端安裝了液壓缸，當(dāng)液壓缸伸出，抬高三級(jí)氣缸的仰角后，仍然施加50N載荷，同樣的固定端，再進(jìn)行ANSYS仿真分析，如圖7所示。

圖7 ANSYS仿真分析示意圖

如圖7可得，在三級(jí)氣缸伸出到3.5m時(shí)，撓度僅為1.53mm，而且滿足激光測(cè)距儀的3mm誤差識(shí)別范圍。本套設(shè)備在液壓缸正常工作的情況下最遠(yuǎn)端的撓度能減小90.66%。本套設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)中具有重要意義。

2.2 液壓缸與三級(jí)氣缸的聯(lián)動(dòng)

由于三級(jí)氣缸的生產(chǎn)裝配，缸體的剛度等原因，使得三級(jí)氣缸的最前端的撓度與三級(jí)氣缸的伸出距離并不是線性關(guān)系，本文選取了其中11個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行仿真分析，得到每個(gè)點(diǎn)的相應(yīng)撓度值，如表1所示。

表1 撓度值

而后應(yīng)用MATLAB進(jìn)行描點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到撓度與伸出距離的函數(shù)曲線。如圖8所示。

圖8 三級(jí)氣缸伸出距離與撓度關(guān)系圖

圖8中縱坐標(biāo)表示三級(jí)氣缸最前端產(chǎn)生的撓度，此撓度即為液壓缸需要伸出的距離。又通過(guò)MATLAB運(yùn)算得到液壓缸的伸出量與三級(jí)氣缸的伸出距離的函數(shù)關(guān)系三階函數(shù)響應(yīng)如式(1)所示。

撓度補(bǔ)償液壓缸的伸出高度由三級(jí)氣缸的伸縮距離決定，并最終編寫(xiě)程序通過(guò)PMAC運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)三級(jí)氣缸和液壓缸按照式(1)中的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

3 電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用以工控機(jī)為基礎(chǔ)，在工控機(jī)主板的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(ISA)擴(kuò)展插槽插上帶有雙端口存儲(chǔ)器(RAM)的可編程運(yùn)動(dòng)控制卡(PMAC)，構(gòu)成以工控機(jī)為上位機(jī)，以PMAC為下位機(jī)的雙處理器控制系統(tǒng)[7]。PMAC通過(guò)電磁換向閥三級(jí)氣缸的伸縮，同時(shí)通過(guò)激光測(cè)距儀測(cè)距進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，激光測(cè)距儀直接通過(guò)RSS232連接到工控機(jī)。同時(shí)PMAC通過(guò)激光測(cè)距儀反饋到工控機(jī)的距離進(jìn)行程序運(yùn)算得出應(yīng)該補(bǔ)償?shù)膿隙葦?shù)據(jù)，控制液壓缸升降進(jìn)行撓度補(bǔ)償。

如果液壓缸的撓度補(bǔ)償超出了3mm，則激光測(cè)距儀無(wú)法收到反饋數(shù)據(jù)，則三級(jí)氣缸停止伸出，液壓缸繼續(xù)上升進(jìn)行補(bǔ)償。激光測(cè)距儀能夠?qū)崟r(shí)保證撓度范圍在3mm之內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)圖如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)圖

工控機(jī)通過(guò)PMAC控制電磁換向閥使三級(jí)氣缸伸出，同時(shí)激光測(cè)距儀提供伸出距離的實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，PMAC接收到伸出距離后，經(jīng)過(guò)式(1)的函數(shù)關(guān)系運(yùn)算控制液壓缸升起進(jìn)行補(bǔ)償，保證撓度誤差在3mm之間。當(dāng)誤差大于3mm時(shí)，前端的激光測(cè)距儀反射板過(guò)低，激光測(cè)距儀不能接收到信號(hào)，則此時(shí)PMAC控制三級(jí)氣缸停止運(yùn)動(dòng)，液壓缸繼續(xù)補(bǔ)償?shù)?mm之后，三級(jí)氣缸再繼續(xù)伸出。當(dāng)三級(jí)氣缸伸出到指定位置，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，工業(yè)相機(jī)拍照，進(jìn)行取樣。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有的三級(jí)氣缸懸臂內(nèi)壁檢測(cè)裝置通過(guò)加裝液壓缸，改變?nèi)?jí)氣缸仰角來(lái)提高精度。本轉(zhuǎn)置能夠在三級(jí)氣缸的最遠(yuǎn)端減小撓度14.861mm，減小撓度約90.66%。其次通過(guò)對(duì)三級(jí)氣缸的不同伸出位置進(jìn)行仿真，得到了該位置的撓度數(shù)據(jù)，利用MATLAB進(jìn)行描點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到三級(jí)氣缸撓度與伸出距離的函數(shù)曲線。最后基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制器利用得到的撓度與伸出距離函數(shù)確定了液壓缸與三級(jí)氣缸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，進(jìn)一步整合了控制系統(tǒng)，最終達(dá)到了減小裝置撓度的目的。

[1] 李東.固體推進(jìn)劑藥柱表面裂紋動(dòng)態(tài)力學(xué)[D].南京：南京理工大學(xué)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院.2008.

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

[3] 范晉偉,譚福濤.基于數(shù)字圖像處理的藥柱內(nèi)壁裂紋提取與特征測(cè)量[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2014(31)：524-525.

[4] 崔偉清,董良太,趙振紅.基于ANSYS的液壓支架立柱的有限元分析[J].煤礦機(jī)械,2014(35)：112-113.

[5] FBG懸臂梁應(yīng)力傳感器的ANSYS仿真及實(shí)驗(yàn)[J].光通信技術(shù)2013(3)：12-14.

[6] 李新華,陳澤宇,劉洋.基于ANSYS的起重機(jī)新型弧弦主梁力學(xué)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014,36,79-81.

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