大型薄壁筒检测装置机械结构设计.pdf

设 计 与 研 究75大型薄壁筒检测装置机械结构设计郑杰1,2陈志刚1,2文学1,2朱梅玉1,2刘志辉1,2朱科军1,2（1.邵阳学院 机械与能源工程学院，邵阳 422000；2.高效动力系统智能制造湖南省重点实验室，邵阳 422000）摘要：薄壁筒形件反旋工艺的成形特点使其自身柔性大、稳定性差，而易变形的结构特性使其旋压后成形精度判别困难。以旋压成形后的薄壁筒形件为研究对象，结合其结构特性，提出基于激光三角法的线激光位移传感器检测方法。根据非接触式激光检测方法设计装置的总体检测方案，依据检测方案设计检测装置的机械结构，并运用 SolidWorks 建立了检测装置的三维模型。关键词：薄壁筒尺寸检测；激光三角法；机械结构；三维模型Mechanical Structure Design of Large Thin-Walled Cylinder Detection DeviceZHENG Jie1,2,CHEN Zhigang1,2,WEN Xue1,2,ZHU Meiyu1,2,LIU Zhihui1,2,ZHU Kejun1,2(1.School of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Intelligent Manufacturing for Efficient Power System,Shaoyang 422000)Abstract:The forming characteristics of thin-walled cylindrical parts in the reverse spinning process make it flexible and unstable,and the structure characteristics of easy deformation make it difficult to distinguish the forming accuracy after spinning.Based on the structure characteristics of thin-walled cylindrical parts after spinning forming,a new detection method of linear laser displacement sensor based on laser triangulation method is proposed in this paper.According to the non-contact laser detection method,the overall detection scheme of the device is designed,and the mechanical structure of the detection device is designed according to the detection scheme.The three-dimensional model of the detection device is established by using SolidWorks.Keywords:thin-walled cylinder size detection;laser triangulation method;mechanical structure;three-dimensional model薄壁筒旋压成形过程中，相应的外径、内径、长度及壁厚都是时变的状态。壁薄、易变形的结构特点增加了制造过程中尺寸精度控制的难度，同时为薄壁筒成形精度的检测带来了挑战。在薄壁筒形件的成形精度检测中，因接触式检测方式易造成工件变形无法得到真实的轮廓数据，促使非接触式检测方式逐渐受到研究学者的青睐。谭志强等设计了薄壁筒形零件超声在线检测系统，可实现薄壁药筒金属缺陷的在线、定量、定位自动识别检测1。李邦义等将光栅投影到薄壁壳体上，并用电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相机采集投影光栅，通过图像处理得到工件圆度和外径信息2。这两种非接触式检测中超声波法主要应用于工件的探伤及壁厚检测，而机器视觉检测受光照及景深问题，对使用环境和工作场合的要求较高。结合薄壁筒形件的结构特点与测量需求，激光检测成为一种有效的手段。SCHALK 等利用激光位移传感器和集成现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA），提出一种基于激光三角法的管道偏心测量系统，通过估算管道上切点的位置来估计管道的偏心度，并将其作为直线度的度量3。赵士磊等提出了一种激光非接触式大尺寸内径自动测量系统，并与 FARO 激光跟踪仪测量结果比较，能够实现内径几何参数的准确测量4。郝金超等提出了一种薄壁筒形零件径向尺寸测量方法，使得薄壁筒壁厚的测量精度可达 20 m5。朱建杰等提出了一种基于激光三角法的高准确度管状物内轮廓测量方法，打破了传统定心测径的桎梏，使得内径检测结果误差控制在 5 m 范围内6。关于筒形件的激光检测主要采用点激光位移传感器，单点激光旋转扫描受回转误差的影响较大。结合薄壁筒形件的结构特性和现有检测方法，采用线激光位移传感器可以减小回转误差，且更易于测量头的定心流程。因此，以旋压成形后的薄壁筒形件为研究对象，利用激光三角法原理，提出基于线激光位移传感器的非接触式激光检测，并对检测装置进行机械结构设计。1薄壁筒结构特性与检测方法1.1薄壁筒结构特性旋压工艺由于其先进性、经济性和实用性，广泛基金项目：湖南省自然科学基金项目（2021JJ30631）；湖南省市联合基金项目（2022JJ50243）；湖南省教育厅优秀青年项目（20B534）；邵阳市科技局计划项目（2021GZ040）；邵阳学院研究生科研创新项目（CX2022SY064）。现 代 制 造 技 术 与 装 备762023 年第 9 期总第 322 期用于薄壁筒形件成形。文章以旋压成形后的薄壁筒形件为研究对象，通过对薄壁筒的静应力分析，对比薄壁筒卧式放置一端装夹和两端装夹时受自重影响的静应力参数，为设计合理的检测装置结构提供依据。薄壁筒仿真模型材质选用普通碳钢，设置薄壁筒壁厚为2 mm，长为 1 000 mm，内径为 600 mm。薄壁筒一端固定装夹的静应力分析图，如图 1 所示。薄壁筒的最大应力为 5.97105 N m-2，出现在薄壁筒左端装夹固定区域；最大静态位移为 2.1910-3 mm，位于薄壁筒的右端；薄壁筒的最大应变为 1.8210-6。薄壁筒两端固定装夹的静应力分析图，如图 2 所示。薄壁筒的最大应力为 1.67105 N m-2，出现在薄壁筒两端装夹固定区域；最大静态位移为 2.8110-4 mm，位于薄壁筒的中间；薄壁筒的最大应变为 5.7110-7。对比分析两者的静态位移量、应力、应变值，当采取两端固定装夹时，薄壁筒的最大静态位移量由 2.1910-3 mm 降到 2.8110-4 mm，相应的应力、应变值都降低，薄壁筒的变形量更小，更利于检测数据的准确性。von Mises（N m-2）ZZYYXX模型名称：薄壁筒 2 mm算例名称：静应力分析 3（默认）图解类型：静应力分析 节应力 应力 1变形比例：46 366.7模型名称：薄壁筒 2 mm算例名称：静应力分析 3（默认）图解类型：静态应变 应变 1变形比例：46 366.75.970105 5.472105 4.975105 4.478105 3.980105 3.483105 2.985105 2.488105 1.991105 1.493105 9.959104 4.985104 1.120102 屈服力：2.206108 ESTRN1.82110-6 1.66910-6 1.51810-6 1.36710-6 1.21610-6 1.06510-6 9.13310-7 7.62110-7 6.10810-7 4.59610-7 3.08410-7 1.57110-7 5.92210-9 （a）应力 （b）应变URES（mm）ZZYYXX模型名称：薄壁筒 2 mm算例名称：静应力分析 3（默认）图解类型：静态位移 位移 1变形比例：46 366.72.18910-3 2.00710-3 1.82510-3 1.64210-3 1.46010-3 1.27710-3 1.09510-3 9.12310-4 7.29810-4 5.47410-4 3.64910-4 1.82510-4 1.00010-30 （c）位移 （d）薄壁筒模型图 1一端装夹的薄壁筒静应力分析图von Mises（N m-2）ZZYYXX模型名称：薄壁筒 2 mm算例名称：静应力分析 3（默认）图解类型：静应力分析 节应力 应力 1变形比例：356 360模型名称：薄壁筒 2 mm算例名称：静应力分析 3（默认）图解类型：静态应变 应变 1变形比例：356 3601.665105 1.527105 1.388105 1.250105 1.111105 9.726104 8.341104 6.955104 5.570104 4.184104 2.799104 1.413104 2.756102 屈服力：2.206108 5.70810-7 ESTRN5.23610-7 4.76510-7 4.29410-7 3.82310-7 3.35110-7 2.88010-7 2.40910-7 1.93810-7 1.46610-7 9.95010-8 5.23810-8 5.24810-9 （a）应力 （b）应变设 计 与 研 究771.2检测方法结合薄壁筒的结构特点与测量需求，激光检测因具有非接触检测、高精度、高速度、测量范围大等优点，成为此类零件检测的首选。激光三角法的工作原理如图 3 所示7，被测物体处于S0位置，激光光束经过聚光透镜垂直投射在H0位置，并在S0表面发生漫反射，其中一部分漫反射被成像透镜汇聚到线阵 CCD 的M0区域。如果被测物体产生从S0到S1的位移时，CCD上的成像点会从M0位移到M1。通过成像位移和实际位移之间的三角关系，可以计算出实际位移。由几何光学关系，可知()sinsinsinAxyBx=+（1）式中：A为H0的成像物距；B为H0的成像相距；为入射光线H1H0与反射光线H0M0的夹角；为反射光线H0M0与线阵 CCD 成像面M0M1的夹角。聚光透镜激光源XBAyM1S1H1H0M0S0成像透镜线阵 CCD图 3激光三角法原理2检测装置总体方案结合检测方法，检测装置的测量原理是通过柱面物镜将激光扩散为线激光，然后投射在目标物表面形成漫反射，使反射光在互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）上成像，随后通过检测位置和形状的变化测量位移和形状。检测装置的总体方案为线激光位移传感器发出条状的激光光束，每次可采集一条一定宽度的轮廓曲线，通过电机驱动其沿筒身匀速轴向扫描，得到被测表面 3 个维度的数据。当一个轴向扫描流程完成后，运动控制系统将传感器头带回零点位置，通过伺服旋转电机带动传感器头旋转一定角度，再沿筒身轴向对表面的下一宽度区域进行匀速扫描。依次循环扫描，直到旋转 360为止，完成对薄壁筒的整周轮廓测量。3检测装置机械结构设计针对薄壁筒检测装置的测量方案，对检测装置进行机械结构设计。检测装置总体结构如图 4 所示，由机械传动组件、内外测量臂组件、工件夹持组件以及支撑组件等组成。运用 SolidWorks 建立检测装置的三维模型，并对具体部件进行结构设计。测量臂组件薄壁筒支撑组件传动组件夹持组件图 4检测装置总体结构URES（mm）ZZYYXX模型名称：薄壁筒 2 mm算例名称：静应力分析 3（默认）图解类型：静态位移位移 1变形比例：356 3602.80610-4 2.57310-4 2.33910-4 2.10510-4 1.87110-4 1.63710-4 1.40310-4 1.16910-4 9.35510-5 7.01610-5 4.67710-5 2.33910-5 1.00010-30 （c）位移 （d）薄壁筒模型图 2两端装夹的薄壁筒静应力分析图现 代 制 造 技 术 与 装 备782023 年第 9 期总第 322 期3.1传动组件设计机械传动组件结构，如图 5 所示。传动组件主要由电机、减速器、联轴器、磁力驱动轮、磁力从动轮、安装板、环形导轨以及导轨滑块等组成。考虑检测的轮廓数据涉及拼接，电机需准确定位不能出现丢步或过冲现象，且要有较好的低频振动抑制和一定的转矩过载能力。经过综合分析，传动组件的电机采用伺服电机，搭配旋转编码器实时精确控制旋转角度。由于卡盘安装环需与安装板连接以固定夹持组件，传动轴无法通过机械结构直接使外壁测量臂实现旋转运动。因此，外壁测量臂的旋转运动采用磁力驱动，磁力驱动轮带动磁力从动轮旋转，磁力从动轮机械连接测量臂通过传动轴带动外壁测量臂实现旋转运动。电机减速器联轴器环形导轨导轨滑块传动轴磁力从动轮卡盘安装环磁力驱动轮安装板图 5机械传动组件结构磁力传动是基于电磁学的基本理论，利用磁性物质同性相斥、异性相吸的原理，通过磁耦合实现力和力矩的非接触传递。为实现径向同轴结构的无接触式同步动力传输，传动结构采用主动磁组件和从动磁组件同心的圆环体结构。磁力驱动模型如图 6 所示，永磁铁分别镶嵌在驱动轮和从动轮的圆周方向，采用径向充磁。驱动轮排列着与从动轮相同数量的 N、S 极，以确保两轮的同步运动。当传动轴带动磁力驱动轮旋转时，在交互磁力矩影响下会产生连续的旋转驱动力，从而带动从动轮进行旋转运动。3.2测量臂组件设计测量臂组件由导轨丝杠、丝杠电机、传感器安装支架和激光位移传感器等组成。在丝杠电机的驱动下，测量头沿导轨丝杠匀速轴向扫描，获取工件的轮廓数据，并传输给传感器控制器。考虑导轨丝杠的行程较长，悬臂结构的自重和测量头运行在不同位置会使测量臂产生形变，影响检测数据的精度。因此，测量臂采取两端受力结构，如图 7 所示。内壁测量臂右侧通过连接板与连接杆连接。夹持组件可移动三爪卡盘的轴心处安装有活动轴承。连接杆与活动轴承装配做相对旋转运动，同时对测量臂起支撑作用。磁力从动轮磁力驱动轮图 6磁力驱动模型丝杠电机导轨丝杠导轨安装支架连接板连接杆激光位移传感器图 7内壁测量臂组件结构3.3夹持组件设计夹持组件用以装夹薄壁圆筒工件，结合薄壁筒的结构特性，通过静应力分析薄壁筒采取两端装夹固定。夹持组件结构由卡盘安装环、左侧的固定三爪卡盘、右侧的可移动三爪卡盘、两向移动滑台、滑台手动转柄、X轴滑动导轨以及Y轴滑动导轨等组成。工件装夹时，先由左端的固定三爪卡盘固定工件的一端，然后通过滑台手动转柄调节两向移动滑台至合适的位置，使右端可移动三爪卡盘固定夹持工件。3.4支撑组件设计支撑组件承担整个检测装置的全部重量并保持工作台处于平稳状态。支撑组件由支撑框架、底座脚架、主安装板、电机安装板和导轨安装板组成。支撑框架下部设有 4 个底座脚架，通过调整底座脚架保持工作台的平稳。主安装板固定安装在支撑框架上。电机安装板与主安装板固定连接，承托机械传动部件。导轨（下转第 85 页）设 计 与 研 究854.2冷却方式分析当永磁同步电机高速运转时，它的效率会逐渐降低。在车辆达到最高车速时，电机仅有不到 70%的输出效率，而其余效率被转化为内能。若散热不及时，电机温度会升高，可能导致电机损坏或缩短其寿命。此外，高温会对电机周围的其他元件造成影响5，如电容器和电线绝缘材料等，因此需保持良好的散热及冷却，以保证电机稳定运行并延长其寿命。热网络图是用于模拟和分析电机在运行过程中热特性的一种工具，可以显示电机不同部件之间传递热量的路径和大小，帮助工程师优化电机设计，提高电机的热效率和可靠性，更好地理解电机内部的热流动情况，进而指导散热系统的设计和优化。设定当电机转速为 4 200 r min-1的情况下水冷和风冷两种冷却方式仿真效果比对汇总，如表 5 所示。表 5两种冷却方式仿真效果比对参数名称水冷方式风冷方式温度场参数轴向最高温度/71.3112.0径向最高温度/70.7108.3定子最高温度/72.989.4转子最高温度/77.583.6散热效果传热系数/（Wm-2-2）6.84.3根据温度场和散热效果两方面比对可发现，两种冷却效果均未超过驱动电机绝缘温度上限（150），但综合而言水冷方式的冷却效果明显优于风冷方式。若忽略冷却系统的系统复杂度和成本因素，本设计优先采取水冷方案。5结语针对某款微型电动商用车的设计需求，通过动力匹配选定一台 12 kW 的永磁同步电机作为其动力设备，并对其进行几何建模和电磁设计。最后，对于该电机在水冷和风冷两种不同冷却方式下进行温度场建模，并进行最高温度和传热系数的有限元求解，初步确定该电机选择采用水冷方案。参考文献1 张雄，韩凯，王兴宇.低成本集成式永磁同步电机的研制 J.现代制造技术与装备，2022（3）：159-161.2 雷艳华，刘广民.大功率高速永磁同步电机设计分析 J.微特电机，2021（12）：59-62.3 张超，朱建国，韩雪岩，等.高速永磁电机综合设计与分析 J.电机与控制应用，2017（9）：9-15.4 任东明.电动汽车用永磁驱动发电机参数设计的分析研究 J.时代汽车，2021（16）：119-1205 曹敏.永磁同步电动机设计关键技术与方法研究 J.技术与市场，2017（7）：179-181.安装板与主安装板固定连接，承托轴向大导轨以及上面的夹持组件。4结语运用 SolidWorks 对薄壁筒检测装置进行结构设计，结合旋后薄壁筒壁薄、易变形的结构特性，提出基于激光三角法的线激光位移传感器检测方法，并设计了检测装置的整体方案。利用线激光位移传感器的条状线光源代替传统的点光源，能极大地提高数据采集的速度和效率。设计的检测装置可以同时扫描薄壁筒工件的内外壁轮廓，简化了薄壁筒的检测流程，提高了检测效率。检测装置机械结构合理，可以解决旋后薄壁筒因自身柔性大、稳定性差等成形特点导致传统接触式检测方法不适用的问题。参考文献1 谭志强，冷树林.薄壁筒形零件超声在线检测系统的设计实现 J.四川兵工学报，2010（12）：66-68.2 李邦义，韦凝男，徐汉涛.薄壁柱壳的圆度及三维变形测量技术 J.力学季刊，1999（4）：357-364.3SCHALK P，OFNER R，LEARY P O.Pipe eccentricity measurement using laser triangulationJ.Image and Vision Computing，2007（7）：1194-1203.4 赵士磊，曲兴华，邢书剑，等.激光非接触式大尺寸内径自动测量系统 J.红外与激光工程，2012（8）：2185-2191.5 郝金超，杨波，曾志强，等.薄壁筒形件径向尺寸自动 测 量 方 法 研 究 J.制 造 技 术 与 机 床，2013（12）：109-112.6 朱建杰，郑雨昊，曹营修，等.基于激光三角法的管状物内轮廓测量方法 J.中国测试，2018（4）：86-90.7 孙有春，庞亚军，白振旭，等.激光三角法应用技术 J.激光杂志，2021（4）：1-8.（上接第 78 页）