機電裝備儀器的工程化設(shè)計 研究生課件：12講創(chuàng)新設(shè)計-機械式雙量程壓力表和標(biāo)定器

1、機電裝備的工程化設(shè)計機電裝備的工程化設(shè)計總體設(shè)計總體設(shè)計-10-10主講教師：康宜華教授 黃禹副教授 孫燕華講師2011.09.18課課 程程 內(nèi)內(nèi) 容容 （1）儀器設(shè)計的需求分析）儀器設(shè)計的需求分析鋼絲繩無損檢測儀器（鋼絲繩無損檢測儀器（2） （2）儀器設(shè)計的需求分析）儀器設(shè)計的需求分析便攜式螺紋檢測儀器（便攜式螺紋檢測儀器（2） （3）總體設(shè)計）總體設(shè)計-設(shè)計過程設(shè)計過程-外觀外觀設(shè)計要領(lǐng)（設(shè)計要領(lǐng)（2） （4）總體設(shè)計）總體設(shè)計-設(shè)計分析設(shè)計分析-成本成本-決策決策-退路退路-鑄件鑄件（2） （5）回轉(zhuǎn)運動設(shè)計）回轉(zhuǎn)運動設(shè)計-驅(qū)動動力源的取舍驅(qū)動動力源的取舍-軸承軸承設(shè)計要領(lǐng)（設(shè)計要領(lǐng)（

2、2） （6）回轉(zhuǎn)運動設(shè)計）回轉(zhuǎn)運動設(shè)計-軸和連軸器軸和連軸器設(shè)計要領(lǐng)（設(shè)計要領(lǐng)（2） （7）往復(fù)運動設(shè)計（鋼管翻料器）往復(fù)運動設(shè)計（鋼管翻料器）-驅(qū)動動力源的取舍驅(qū)動動力源的取舍-氣缸氣缸-液壓缸液壓缸-電動電動氣缸（氣缸（2） （8）焊接件與螺紋連接設(shè)計要領(lǐng)（）焊接件與螺紋連接設(shè)計要領(lǐng)（2） （9）加工件設(shè)計要領(lǐng)加工件設(shè)計要領(lǐng) （2） （10）機構(gòu)設(shè)計方法與創(chuàng)新（機構(gòu)設(shè)計方法與創(chuàng)新（2） （11）創(chuàng)新設(shè)計方法）創(chuàng)新設(shè)計方法探頭搖臂（探頭搖臂（2） （12）創(chuàng)新創(chuàng)新設(shè)計方法設(shè)計方法機械雙量程壓力表和特殊驅(qū)動機構(gòu)（機械雙量程壓力表和特殊驅(qū)動機構(gòu)（2） （13）創(chuàng)新創(chuàng)新設(shè)計方法設(shè)計方法噴標(biāo)器設(shè)計噴

3、標(biāo)器設(shè)計-柔順機構(gòu)（柔順機構(gòu)（2） （14）機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計及實踐）機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計及實踐電火花刻傷機電火花刻傷機-微動和微機構(gòu)（微動和微機構(gòu)（2） （15）機電系統(tǒng)機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計及實踐創(chuàng)新設(shè)計及實踐電火花鉆孔機設(shè)計（電火花鉆孔機設(shè)計（2） （16）機電系統(tǒng)機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計及實踐創(chuàng)新設(shè)計及實踐電火花線切割機床設(shè)計（電火花線切割機床設(shè)計（2）影響創(chuàng)造力的影響創(chuàng)造力的非智力因素非智力因素1 1、創(chuàng)造欲望或創(chuàng)造動機；、創(chuàng)造欲望或創(chuàng)造動機；2 2、明確的目標(biāo)；、明確的目標(biāo)；3 3、勤奮實踐；、勤奮實踐；4 4、自信；、自信；5 5、謙虛、謙虛6 6、團隊精神。、團隊精神。 創(chuàng)創(chuàng) 新新影響創(chuàng)造力的影響

4、創(chuàng)造力的智力因素智力因素1 1、創(chuàng)造性思維及創(chuàng)新方法；、創(chuàng)造性思維及創(chuàng)新方法；2 2、知識因素；、知識因素；3 3、創(chuàng)造環(huán)境。、創(chuàng)造環(huán)境。創(chuàng)造技法創(chuàng)造技法1 1、還原法；、還原法；2 2、智力激勵法；、智力激勵法；3 3、檢核表法；、檢核表法；4 4、列舉法；、列舉法；5 5、組合法；、組合法；6 6、移植法；、移植法；7 7、形態(tài)分析法。、形態(tài)分析法。機械式雙程壓力表機械式雙程壓力表-精密機械設(shè)計精密機械設(shè)計工程要求：工程要求：采用單程機械壓力表的原理采用單程機械壓力表的原理, ,構(gòu)構(gòu)成一個雙程壓力表成一個雙程壓力表: :一個量程大、一個量程一個量程大、一個量程小，且小量程表具有過壓保護功能

5、。小，且小量程表具有過壓保護功能。應(yīng)用環(huán)境：石油行業(yè)、防爆要求，必須采用純機械設(shè)計。應(yīng)用環(huán)境：石油行業(yè)、防爆要求，必須采用純機械設(shè)計。波登管波登管機械式彈簧管壓力表機械式彈簧管壓力表 1彈簧管；2游絲；3指針；4小齒；輪5扇形齒輪；6自由端；7連接杠桿；8支點；9固定端；10表盤等構(gòu)件組成。 彈簧彎管是由金屬管(無縫銅管或無縫鋼管)制成的。管子截面呈扁圓形或橢圓形，它的一端固定在支撐座上，并與汽水介質(zhì)相通；另一端是封閉的自由端，與杠桿連接。杠桿的另一端連接扇形齒輪，扇形齒輪又與中心軸上的小齒輪相嚙合，壓力表的指針固定在中心軸上。當(dāng)彈簧彎管受到介質(zhì)壓力的作用時，它的截面有變成圓形的趨勢，迫使彈簧

6、彎管逐漸伸直，從而使彈簧彎管的自由端向上翹起。壓力越高，自由端向上翹起的幅度越大。這一動作使指針偏轉(zhuǎn)一個角度，在刻度盤上指示出壓力高低。當(dāng)被測介質(zhì)壓力降低時，彈簧管要恢復(fù)原狀，指針退回到相應(yīng)刻度處。隔膜壓力表隔膜壓力表 隔膜隔膜在被介質(zhì)作在被介質(zhì)作用下產(chǎn)生變形，密封用下產(chǎn)生變形，密封液被壓，形成一個相液被壓，形成一個相當(dāng)于當(dāng)于P P的壓力，傳導(dǎo)至的壓力，傳導(dǎo)至壓力儀表，顯示被測壓力儀表，顯示被測介質(zhì)壓力表。介質(zhì)壓力表。一個彈簧管能否帶動兩個指針？一個彈簧管能否帶動兩個指針？ 精密測量的量程不能用放大器放大？精密測量的量程不能用放大器放大？ 工作原理工作原理： 1彈簧管；2游絲；3大指針；4大齒

7、輪；5-5- 大齒輪大齒輪帶小齒輪放大機構(gòu)；帶小齒輪放大機構(gòu)； 6小指針；小指針；7扇形齒輪；8自由端；9連接杠桿；10支點；11固定端；12表盤等構(gòu)件組成。 齒輪間隙齒輪間隙回零誤差回零誤差驅(qū)動力驅(qū)動力難解難解兩個彈簧管能否直驅(qū)兩指針？兩個彈簧管能否直驅(qū)兩指針？ 精密測量的一致性？小量程儀表的保護精密測量的一致性？小量程儀表的保護創(chuàng)新技法：創(chuàng)新技法：加一加加一加工作原理工作原理： 1彈簧管1；2游絲1；3大指針；4大齒輪； 5扇形齒輪1；6彈簧管2；7游絲2；8大指針；9大齒輪；10扇形齒輪2；11自由端；12連接杠桿；13支點；14固定端；15表盤等構(gòu)件組成。 作業(yè)作業(yè)4：漏磁檢測探頭標(biāo)定

8、器設(shè)計：漏磁檢測探頭標(biāo)定器設(shè)計背景背景：漏磁檢測探頭中，一般在空間一條線上均勻安裝磁敏感元件，這些元件獨立輸出檢測信號，經(jīng)計算機采集和顯示多通道的檢測信號曲線。由于機械安裝誤差、每個敏感元件的靈敏度差異、信號放大電路差異等使得計算機采集到的最終信號幅度不一致（即,對同一個檢測對象，不同通道測量的信號幅度可能不一樣)。為此，需要對每個通道的檢測靈敏度實施修正，不論機械安裝和硬件電路的差異如何，調(diào)節(jié)軟件中的顯示縮放系數(shù)，達到多通道對同一檢測源測量信號的一致，這一處理過程通常稱為通道靈敏度標(biāo)定。通道靈敏度標(biāo)定。通道靈敏度標(biāo)定通道靈敏度標(biāo)定由標(biāo)定器標(biāo)定器實現(xiàn)。標(biāo)定器采用同一個磁信號源（通常是一個小磁鐵

9、）作勻速直線運動，遍歷每個磁敏感元件產(chǎn)生檢測信號，由于敏感方向的原因，磁信號源運動的方向僅能是同一方向。 根據(jù)上述要求設(shè)計一個電動標(biāo)定器，其直線運動長度為300 mm，速度600 mm/min，磁鐵大小為5* 3 mm，其運動軌跡正對敏感元件。與之配合的探頭結(jié)構(gòu)如圖1。敏感元件安裝位置敏感元件安裝位置齒條式電動開窗器齒條式電動開窗器平滑、暢順的強力輸出；上下固定平滑、暢順的強力輸出；上下固定或滑移式安裝；多種推程，最大可或滑移式安裝；多種推程，最大可達達1500mm；大于；大于10000次推出及拉回次推出及拉回測試；靜止?fàn)顟B(tài)的緊鎖拉力：測試；靜止?fàn)顟B(tài)的緊鎖拉力：2500N；保護等級：保護等級：

10、IP65電動滑臺電動滑臺參考：直線運動部件參考：直線運動部件 在鋼管檢測中通常采用了多通道陣列檢測探頭技術(shù)，因此，不可避免地存在單個磁敏感傳感器靈敏度和提離值的不同，同時也存在每個信號處理通道間增益的差異等因素，會造成在檢測相同裂紋產(chǎn)生的漏磁場時，每一個通道在計算機中反映的信號幅值不一致。通道之間的不匹配會嚴(yán)重影響檢測設(shè)備的性能，造成報警靈敏度的不一致。 電子標(biāo)定器設(shè)計電子標(biāo)定器設(shè)計現(xiàn)有的標(biāo)定多通道陣列檢測探頭靈敏度的方法是采用鋼管上的一個人工刻傷，通過直線移動和圓周轉(zhuǎn)動的復(fù)合運動，讓該傷經(jīng)過探頭中的每一個磁敏感傳感器.由于運動的不精確和控制困難，標(biāo)定過程時間長，穩(wěn)定性和可靠性差，輔助工裝多。

11、國外的機械式標(biāo)定器國外的機械式標(biāo)定器電子標(biāo)定器電子標(biāo)定器，該產(chǎn)品可替代在設(shè)備上的檢測探頭標(biāo)定，通過標(biāo)定器給出標(biāo)準(zhǔn)、一致的磁場信號，人工劃過探頭中的每一個磁敏感傳感器，由軟件采樣和顯示出它們的幅值大小，最后在軟件中修正每個通道的（軟件）增益增大小，使得各通道間信號幅值對同一磁信號源達到一致。 特點：特點：采用一個永磁源，信號穩(wěn)定一致。采用一個永磁源，信號穩(wěn)定一致。永磁源做高速、高精度旋轉(zhuǎn)運動，人永磁源做高速、高精度旋轉(zhuǎn)運動，人工劃過探頭的速度快慢不會影響標(biāo)定工劃過探頭的速度快慢不會影響標(biāo)定信號大小。信號大小。采用離線單個探靴依次標(biāo)定。采用離線單個探靴依次標(biāo)定。精度高、可靠性高、工作性能穩(wěn)定。精度

12、高、可靠性高、工作性能穩(wěn)定。手提便攜式設(shè)計，體積小巧，攜帶使手提便攜式設(shè)計，體積小巧，攜帶使用方便。用方便。電子標(biāo)定器設(shè)計電子標(biāo)定器設(shè)計8個探頭個探頭采集信號采集信號 調(diào)節(jié)后的調(diào)節(jié)后的8個個探頭采集信號探頭采集信號 調(diào)節(jié)了的調(diào)節(jié)了的8個個探頭采集信號探頭采集信號 電子標(biāo)定器標(biāo)定過程電子標(biāo)定器標(biāo)定過程特殊驅(qū)動機構(gòu)特殊驅(qū)動機構(gòu)廣義執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動源種類繁多。廣義執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動源種類繁多。 按能量分：按能量分：機、電、熱、光、聲、磁等。機、電、熱、光、聲、磁等。 按機理分：按機理分：結(jié)構(gòu)型和物性型。結(jié)構(gòu)型和物性型。驅(qū)動源總稱為執(zhí)行器（驅(qū)動源總稱為執(zhí)行器（ActuatorActuator）。）。物性型執(zhí)

13、行器（物性型執(zhí)行器（ActuatorActuator）- -特殊驅(qū)動機構(gòu)特殊驅(qū)動機構(gòu), ,主要有：主要有： 壓電驅(qū)動壓電驅(qū)動 形狀記憶合金驅(qū)動形狀記憶合金驅(qū)動 磁致伸縮材料驅(qū)動磁致伸縮材料驅(qū)動主要應(yīng)用于微小運動。主要應(yīng)用于微小運動。 壓電驅(qū)動機構(gòu)及應(yīng)用壓電驅(qū)動機構(gòu)及應(yīng)用 直接壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)由居里兄弟在1880 年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)把一重物放在一石英晶體上時，在晶體表面上出現(xiàn)了電荷，電荷量和重物的質(zhì)量成正比。1881 年，用圖解說明了反壓電效應(yīng)；當(dāng)把電壓加到晶體上時，晶體產(chǎn)生變形。壓電效應(yīng)表明了石英晶體的力學(xué)力學(xué)性質(zhì)和電學(xué)電學(xué)的耦合。右中圖所示為晶體壓電效應(yīng)的一個例子（根據(jù)Kelvin 的定性模型）。

14、每個硅原子用 + 號表示，每個氧原子用 - 號表示。當(dāng)受到應(yīng)變而使晶體沿Y 方向伸長時，負電荷就向左移動，而正電荷就向右（沿X 軸）移動。 壓電驅(qū)動機構(gòu)及應(yīng)用壓電驅(qū)動機構(gòu)及應(yīng)用 壓電定位工作臺壓電定位工作臺以壓電元件為驅(qū)動源。電極夾住壓電材料后，采用層疊結(jié)構(gòu)，隨在電極間附加電壓而伸張的性質(zhì)(逆壓電效應(yīng))，附加電壓和伸張量之間發(fā)生滯后現(xiàn)象。壓電定位臺基于結(jié)構(gòu)解析在最佳位置配置應(yīng)變計，通過閉環(huán)控制消除滯后現(xiàn)象，進行高精度超微動定位。 “10nm10nm”的高分解能力和高定位精度。 活動部的支撐機構(gòu)采用平行彈簧，能給壓電元件施加一定的預(yù)壓，從而實現(xiàn)無摩擦穩(wěn)定微小的傳送動作。 正壓電應(yīng)用于打火機上正壓

15、電應(yīng)用于打火機上微壓電噴墨打印頭微壓電噴墨打印頭源自愛普生獨創(chuàng)的微壓電技術(shù)。將許多微小壓電陶瓷放置在打印頭噴嘴附近，壓電陶瓷在兩端電壓變化作用下具有伸展或收縮形變的特性，壓電陶瓷的伸縮振動隨著圖像信息電壓的變化而變化，并使墨水保持在常溫常壓的穩(wěn)定狀態(tài)下，有效控制墨滴的大小及調(diào)和方式，均勻準(zhǔn)確地噴出墨水。 壓電驅(qū)動機構(gòu)及應(yīng)用壓電驅(qū)動機構(gòu)及應(yīng)用 壓電驅(qū)動機構(gòu)及應(yīng)用壓電驅(qū)動機構(gòu)及應(yīng)用壓電效應(yīng)纖維壓電效應(yīng)纖維：麻省理工（MIT）發(fā)明了壓電效應(yīng)的纖維。壓電效應(yīng)將電力直接轉(zhuǎn)換成動作，利用壓電效應(yīng)來做喇叭和麥克風(fēng)是很理想的，但研究出擁有適當(dāng)?shù)恼駝宇l率的材質(zhì)，一直是一個相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的難題。 麻省理工Yoel

16、Fink發(fā)現(xiàn)的方法，是在壓電感應(yīng)的材質(zhì)里加入石墨，產(chǎn)生出一種硬度足以震動發(fā)聲的細絲狀纖維，而且纖維的長度可以達到數(shù)十公尺，織成衣服后，iPod可以直接接在衣服上感受“音樂的震動”，學(xué)生上課也可以拿整件衣服當(dāng)錄音筆的麥克風(fēng)了！ 磁致伸縮材料及應(yīng)用磁致伸縮材料及應(yīng)用 微位移技術(shù)微位移技術(shù)是精密加工和超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于超精密加工中：（1）超精密車削中，金剛石刀具的切深微調(diào)要保證在亞微米級的精度。（2）在超精密磨削中，砂輪的微進給量要求達到百分之幾微米；（3）用于超精密機床的誤差補償微量進給機構(gòu)，其位移精度要求更高。 近年來，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，微機械研究的興起

17、，以及與之相應(yīng)的微操作的迫切需要，對微位移技術(shù)提出了越來越高的要求，其定位精度高、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大。 基于超磁致伸縮材料的電(磁)機械能轉(zhuǎn)換材料的微位移驅(qū)動系統(tǒng)是發(fā)展方向。 稀土鐵系超大磁致伸縮材料超大磁致伸縮材料是一種新型、高效的磁磁( (電電) )一機械一機械能轉(zhuǎn)換材料，是繼稀土永磁、稀土發(fā)光、稀土高溫超導(dǎo)材料之后興起的又一種稀土功能材料，是由美國水面武器中心的Clark博士于20世紀(jì)70年代初首先發(fā)現(xiàn)的在室溫和低磁場下有很大的磁致伸縮系數(shù)的三元稀土鐵化合物。與壓電材料(PZT)及傳統(tǒng)的磁致伸縮材料鎳、鉆等相比，超磁致伸縮材料具有獨特的性能：在室溫下的應(yīng)變值很大，是鎳的4

18、050倍，是壓電陶瓷的58倍；能量密度高 (1400025000J/m3)，是鎳的400500倍，是壓電陶瓷的1014倍；機電藕合系數(shù)大(0.72) ；響應(yīng)速度快(達到s級)；輸出力大，可達220880N。 磁致伸縮材料及應(yīng)用磁致伸縮材料及應(yīng)用1.冷卻水管 2.出水口 3.可控恒流源 4.進水口 5.超磁致伸縮材料 6.預(yù)壓彈簧 7.變形部分 8.永久磁鐵 9.導(dǎo)磁體 10.驅(qū)動線圈 原理簡圖超磁致伸縮微位移驅(qū)動系統(tǒng)超磁致伸縮微位移驅(qū)動系統(tǒng) 磁致伸縮材料及應(yīng)用磁致伸縮材料及應(yīng)用振動幅度由原來的10um減少到控制后的5um。 基于超磁致伸縮執(zhí)行器的切削振動控制系統(tǒng)基于超磁致伸縮執(zhí)行器的切削振動控

19、制系統(tǒng)主動振動控制主動振動控制 磁致伸縮材料及應(yīng)用磁致伸縮材料及應(yīng)用 形狀記憶合金及應(yīng)用形狀記憶合金及應(yīng)用 形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)來源熱彈性馬氏體相變。一般的馬氏體相變作為鋼的淬火強化，這時鋼轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體結(jié)構(gòu)，并硬化。這種相變在一定的溫度下一旦形成，隨著時間延長不再長大，為了增加馬氏體的量，必須進一步降低溫度，產(chǎn)生新的馬氏體。 在某些合金中有熱彈性馬氏體相變，馬氏體一旦產(chǎn)生可以隨著溫度降低繼續(xù)長大。相反，當(dāng)溫度回升時，長大的馬氏體又可以縮小，直至恢復(fù)到原來的狀態(tài)。由于馬氏體的體積一般比原始狀態(tài)要膨脹一些，而且馬氏體相變伴隨著晶體中規(guī)則的切變，因此熱彈性馬氏體相變隨之伴有形狀的變化。 用形狀記憶合金制作插頭與插座或管子連插