藥筒直焊縫自動檢測裝置數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)

專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化藥筒直焊縫自動檢測裝置數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)摘要：本課題主要研究一套可供企業(yè)檢測適用的藥筒直焊縫超聲自動檢測裝置。其筒體是焊接而成的。在焊接處，焊接后形成4～6mm寬的焊縫，且內(nèi)表面有起伏，不規(guī)則。在炮彈發(fā)射時，藥筒內(nèi)壓力很大，焊縫中的疵病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。軍方要求對焊縫百分之百的檢驗(yàn)。焊縫中主要會出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。為了適應(yīng)生產(chǎn)線批量生產(chǎn)自動檢測的要求，結(jié)合成本等因素，采用藥筒直焊縫相對于探頭沿下母線方向的掃描運(yùn)動，超聲的耦合采用水浸耦合方式。所設(shè)計(jì)的裝置要求成本低，操作方便，安全可靠，檢測精度高，自動化程度相對較高，在同類產(chǎn)品中有一定的競爭優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：焊縫，超聲，檢測，自動CartridgestraightseamdetectiondevicedigitalprototypedesignAbstract:ThistopicresearchasetofavailableforinspectionoftheenterpriseYaoTongstraightweldautomaticultrasonictestingdevices.Thecylinderisweldedtogether.Intheweldingandweldingformedafter4~6mmwide,andtheinnersurfaceoftheweldhadupsanddowns,irregular.InitsYaoTongwhenthepressureinsidethewelddefectsdiseasemaycauseseriousconsequences.Themilitaryrequirementofweld100%inspection.Mainwillappearintheweldtransversecracks,porosity,weldingdefectssuchaspartial.Inordertomeettheproductionbatchproductionautomaticdetectionrequirements,combiningfactorssuchasYaoTong,usecoststraightweldrelativetoprobethedirectionofmovement,thebusultrasonicscanningthecouplingwithwaterextractioncoupling.Thedevicedesignrequirementoflowcost,convenientoperation,safeandreliable,highaccuracy,highautomationdegreeofrelative,inthesimilarproductsinthecompetitiveadvantage.Keywords:weld，ultrasound，detection，automatic目錄1緒論 11.1本課題的概述與簡介 11.2本課題研究的背景及意義 31.3超聲檢測系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 42總體技術(shù)方案設(shè)計(jì) 62.1解決問題的初步方案 62.1.1課題具體闡述 62.1.2總體初步技術(shù)方案 72.1.3宜采用的設(shè)計(jì)方法 92.2主傳動系統(tǒng)方案 112.3進(jìn)給系統(tǒng)方案 112.4待測工件在工作臺上的定位和夾緊 113主傳動部分的設(shè)計(jì) 113.1電動機(jī)的選擇 113.1.1選擇電動機(jī)的類型和結(jié)構(gòu) 123.1.2步進(jìn)電機(jī)的選擇 143.1.3步進(jìn)電機(jī)的確定 153.2滾珠絲杠的選用 183.2.1軸向負(fù)荷的計(jì)算 193.2.3基本靜額定負(fù)荷Co 213.2.4基本動額定負(fù)荷ca 213.3hdl50三坐標(biāo)加工單元絲杠定位精度 213.4絲杠熱變形的解決辦法 213.5絲杠的壽命 234進(jìn)給傳動部分設(shè)計(jì) 244.1導(dǎo)軌的選用 244.1.1導(dǎo)軌的功用和分類 244.1.2導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求 244.2導(dǎo)軌的材料 244.3滑動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu) 254.3.1導(dǎo)軌的截面形狀及組合 254.3.2導(dǎo)軌間隙的調(diào)整 264.4滑動導(dǎo)軌的驗(yàn)算 264.5導(dǎo)軌的許用壓強(qiáng) 274.6導(dǎo)軌的潤滑與防護(hù) 274.7提高導(dǎo)軌耐磨性的措施 285裝置和具體零部件的設(shè)計(jì) 285.1裝置的框架 295.2水箱及探頭的定位 305.3絲杠軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 305.4步進(jìn)電動機(jī)與減速器之間的聯(lián)軸器 315.5藥筒的定位 335.5.1支撐桿1 335.5.2支撐桿2 345.5.3藥筒軸向定位件 346外包裝箱體的設(shè)計(jì) 35結(jié)論 36參考文獻(xiàn) 37致謝 401緒論1.1本課題的概述與簡介藥筒是炮彈的重要組成部分，它的出現(xiàn)和應(yīng)用，為武器的發(fā)展提供了必要的條件，使火炮實(shí)現(xiàn)了自動裝填及連發(fā)射擊，從而大幅度地提高了火炮的射速，增強(qiáng)了火炮的威力。鑒于本課題主要研究藥筒直焊縫的超聲自動檢測裝置設(shè)計(jì)，故只對其中的整體式藥筒和裝配式藥筒做簡要介紹[1]：整體式藥筒分為：整體引伸藥筒焊接藥筒筒體采用低碳薄鋼板卷制，再經(jīng)焊接而成。由于選用的材料規(guī)格和所采用的工藝不同，筒體焊縫有直焊縫和螺旋焊縫兩種。筒底采用中碳鋼鍛制的毛胚，經(jīng)輔助加工后，將筒體與筒底半制品焊接成一體，得到焊接藥筒的半制品。如圖1所示：圖1焊接藥筒1—筒體2—筒底裝配式藥筒的幾種典型結(jié)構(gòu)包括：卷筒式藥筒其筒體由低碳薄鋼板卷制而成，并由壓緊環(huán)壓緊在筒體上。筒體底部由兩層薄鋼板卷成，以防止火藥氣體對炮閂的破壞，由于消耗材料比較多，所以藥筒比較重。焊筒式藥筒筒體沿縱縫焊接，為了加強(qiáng)筒體的底部強(qiáng)度，以及防止高溫高壓的火藥氣體從筒體與筒底的接縫處泄出，在筒體內(nèi)還裝有密封用的襯墊和開有縱向缺口的套筒。如圖2所示圖2焊筒式藥筒1—筒體2—套筒3—壓緊螺母4—襯墊5—筒底整筒式藥筒筒體為一整體，由緊固件與筒底連接而成。超聲檢測是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一，與其它常規(guī)技術(shù)相比，它具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測靈敏度高、成本低、使用方便、速度快、對人體無傷害及便于現(xiàn)場使用等優(yōu)點(diǎn)。因此，超聲無損檢測技術(shù)是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻度最高且發(fā)展較快的一種無損檢測技術(shù)[2]。縱覽眾多的無損檢測方法，超聲無損檢測浸液法以其波穩(wěn)定、探頭不易磨損（即非接觸測量）、對工作表面質(zhì)量無嚴(yán)格要求和易于實(shí)現(xiàn)自動化而受到肯定和廣泛接納[3]。標(biāo)準(zhǔn)超聲檢測技術(shù)的當(dāng)今趨勢是使現(xiàn)有的方法精化，并進(jìn)一步發(fā)展各種自動檢測技術(shù)，后一項(xiàng)任務(wù)包括檢測工作自動評價技術(shù)的改進(jìn)，以及努力將由于這種活那種原因至今仍然只能手工方式操作的檢測方法自動化[4]。隨著電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,超聲無損檢測技術(shù)發(fā)展日趨先進(jìn)，涌現(xiàn)出一下幾種最前沿的檢測技術(shù)[5]：超聲導(dǎo)波技術(shù)2）聲發(fā)射新技術(shù)3）新型非接觸超聲換能方法4）另外，還有諸多新的技術(shù)也應(yīng)用在了超聲無損檢測上：人工智能技術(shù)如專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；自適應(yīng)技術(shù)；機(jī)器人技術(shù)；相關(guān)技術(shù)等。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明超聲檢測在無損檢測領(lǐng)域中的突出貢獻(xiàn)與重要地位，所以超聲檢測一直以來都是研究的熱點(diǎn)。隨著電子學(xué)的和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用人工智能技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、相關(guān)技術(shù)、信息融合技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造等技術(shù)與無損檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形面復(fù)合構(gòu)件的超聲掃描成像檢測，是近年來國外復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測領(lǐng)域研究的前沿課題[6]。1.2本課題研究的背景及意義由于大口徑自行火炮用藥筒的技術(shù)要求高，設(shè)計(jì)難度大，使藥筒的使用環(huán)境更為惡劣，以至于西方國家另辟溪徑尋找藥包替代藥筒，但是這種方式又給火炮的密封等諸多環(huán)節(jié)帶來了難以克服的技術(shù)難題，致使火炮發(fā)展舉步艱難。由于我國基礎(chǔ)工業(yè)薄弱，在火炮的密封技術(shù)上，關(guān)鍵密封件難以達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命要求，同時傳統(tǒng)的引伸藥筒的制造技術(shù)難以達(dá)到火炮對藥筒的技術(shù)要求而止步。一段時期使系統(tǒng)研究陷于停滯狀態(tài)，制約了系統(tǒng)的研制，影響了系統(tǒng)的總體進(jìn)度。經(jīng)過幾年的方案論證和試驗(yàn)，最終又以焊接鋼質(zhì)藥筒取代了藥包的裝填方案。焊接鋼質(zhì)藥筒作為現(xiàn)代炮彈藥筒家族中的重要組成之一，由于其在制造上的優(yōu)良特點(diǎn)：焊接鋼質(zhì)藥筒是一種不需要大型的壓力設(shè)備，制作工藝比較簡單的鋼質(zhì)藥筒，成本低，效益好，最適宜大中口徑高膛壓火炮的彈藥的應(yīng)用[7]。焊接鋼質(zhì)藥筒是國營753廠研制定型的火炮藥筒。其筒底和筒體是由環(huán)焊機(jī)焊接而成的。在焊接處，筒底厚度為2.6mm，筒體厚度1.6mm，焊接后形成4～6mm寬的環(huán)形焊縫，且內(nèi)表面有起伏，不規(guī)則。在炮彈發(fā)射時，藥筒內(nèi)壓力很大，焊縫中的疵病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。軍方要求對焊縫百分之百的檢驗(yàn)。焊縫中主要會出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。在過去，面對這樣的問題我國工作人員只能通過抽樣檢測的方法，將炮筒沿焊縫鋸開來檢查炮筒是否符合，這種檢測方法效率低，同時還有很大的可能漏檢。因此，我們需要一種高效，高質(zhì)的焊縫檢測裝置，來保證我們的生產(chǎn)要求。為了適應(yīng)生產(chǎn)線批量生產(chǎn)自動檢測的要求，結(jié)合成本等因素，采用水浸超聲自動檢測方法[8]。1.3超聲檢測系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢超聲檢測系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀：我國的無損檢測技術(shù)是從無到有，從低級階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化。五十年代，我國開始從國外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國的UCT-2超聲波檢測儀，重達(dá)24Kg，各單位積極開展試驗(yàn)研究工作，在一些工程檢測中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出CTS-10型非金屬超聲檢測儀，也是電子管式，儀器重約20Kg。該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當(dāng)時這種儀器只有個別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年代中期，因無損檢測技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的UCT-2，CTS-10型儀器。1976年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術(shù)交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國6個單位協(xié)作攻關(guān)。從此，無損檢測技術(shù)開始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。1978年10月，中國建筑科學(xué)院研制出JC-2型便攜式超聲波檢測儀。該儀器采用TTL線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為5Kg。同期研制出的超聲檢測儀器還有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器。超聲檢測系統(tǒng)的國外研究現(xiàn)狀：國際上超聲檢測系統(tǒng)的數(shù)字化逐漸成為超聲無損檢測技術(shù)研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前，國際上超聲檢測系統(tǒng)正朝著系統(tǒng)化、智能化、小型化的方向發(fā)展，國外一些生產(chǎn)和研究超聲波檢測儀器的公司已經(jīng)在這方面走上了前列，其中以德國的KrautKramer公司、英國的聲納公司，美國的泛美公司和通用公司、加拿大R/DTECH公司的產(chǎn)品最具代表性，上述這些公司生產(chǎn)的超生檢測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、分析和成像處理方面的技術(shù)水平較高，在世界上處于領(lǐng)先水平。德國KrautKramer公司生產(chǎn)的USM35XDAC超聲波探傷儀，探頭頻率在0.2MHZ~20MH內(nèi)連續(xù)可調(diào)，采樣頻率高達(dá)100MHZ，檢測精度可至0.5mm,增益范圍為0~110dB,采用A掃描方式，并具有彩色顯示功能。此外，國外一些超聲波檢測儀器研發(fā)公司還利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論克服了檢測過程中需要耦合劑和換能器接近被檢材料這一限制條件，如英國聲納公司的超聲波管道機(jī)器人探測器可自動調(diào)節(jié)位置和角度，使超聲波探頭始終處于良好的耦合狀態(tài)；意大利航空公司提出的超聲波自動監(jiān)測裝置采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)的控制可將換能器置于任意形狀結(jié)構(gòu)件需要檢測的位置，這些儀器的發(fā)明和問世擴(kuò)大了超生檢測的應(yīng)用領(lǐng)域，使超聲檢測方法在更多行業(yè)等到推廣[9]。超聲檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢:向高精度、高分辨率方向發(fā)展；高溫條件下的測量明顯增多，在線檢測、動態(tài)檢測增多；在若干領(lǐng)域向超聲無損評價發(fā)展，使得超聲檢測內(nèi)容有了新的內(nèi)涵%如超聲檢測技術(shù)與斷裂力學(xué)相結(jié)合，對重要構(gòu)件進(jìn)行剩余壽命評價，超聲檢測技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合、對材料進(jìn)行物理評價；在無損檢測方面向定量化、圖像化方向發(fā)展，超聲檢測系統(tǒng)將進(jìn)一步數(shù)字化、圖像化、自動化、智能化；現(xiàn)代信息處理技術(shù)如數(shù)值分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、遺傳算法、虛擬儀器技術(shù)將廣泛應(yīng)用于超聲檢測技術(shù)領(lǐng)域[10]。20世紀(jì)70年代以來，超聲檢測的數(shù)字化、自動化、智能化和圖象化成為超聲無損檢測技術(shù)研究的熱點(diǎn)，標(biāo)志著超聲無損檢測的現(xiàn)代化進(jìn)程。近年來，隨著傳感技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代無損檢測技術(shù)B經(jīng)進(jìn)人到以計(jì)算機(jī)控制為主舯信息加工時代。表現(xiàn)在：生產(chǎn)過程實(shí)時監(jiān)控和產(chǎn)品運(yùn)行過程的監(jiān)督(如對軋鋼的生產(chǎn)線的監(jiān)控)；對涂有各種厚度的防腐材料和保溫層的工程檢澍技術(shù)；能自動掃描、自動定位與跟蹤檢測對象的各種檢測機(jī)器人；對缺陷的自動識別與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的探人研究等。其中計(jì)算機(jī)模擬或仿真技木就是可以不通過制造試件(預(yù)埋有各種人工與自然缺陷)．獲得各種缺陷信號。采用計(jì)算機(jī)軟件方法模擬檢測過程。要對檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與缺路參數(shù)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型比較困難。所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用還相當(dāng)少[11]。在羅馬召開的第15屆世界無損檢測會議上，超聲檢測的發(fā)展集中體現(xiàn)在自動化、無耦合技術(shù)，特別是復(fù)合材料壓電換能器和100MHz以上超高頻換能器等也是研究重點(diǎn)[12]。目前在若干領(lǐng)域超聲檢測開始向超聲無損評價發(fā)展，使得超聲檢測內(nèi)容有了新的內(nèi)涵。如超聲波應(yīng)力與殘余應(yīng)力測量技術(shù)、超聲顯微鏡技術(shù)及超聲層析成像技術(shù)等[13]。2總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)2.1解決問題的初步方案2.1.1課題具體闡述本課題主要研究一套可供企業(yè)檢測適用的藥筒直焊縫超聲自動檢測裝置。其筒體是焊接而成的。在焊接處，焊接后形成4～6mm寬的焊縫，且內(nèi)表面有起伏，不規(guī)則。在炮彈發(fā)射時，藥筒內(nèi)壓力很大，焊縫中的疵病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。軍方要求對焊縫百分之百的檢驗(yàn)。焊縫中主要會出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。超聲波檢測是無損檢測領(lǐng)域中應(yīng)用和研究最活躍的方法之一，基于焊縫的超聲波檢測技術(shù)在過去的研究中已經(jīng)取得了初步的成果，但是在實(shí)際操作中仍然存在有待提高的方面，本次課題研究將主要著眼于儀器和探頭性能、檢測精密度及焊縫缺陷掃查的準(zhǔn)確率，在已有超聲自動檢測裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)水浸法超聲自動檢測直焊縫的裝置。本課題設(shè)計(jì)要求能實(shí)現(xiàn)藥筒直焊縫相對于探頭沿下母線方向的掃描運(yùn)動，超聲的耦合采用水浸耦合方式。技術(shù)要求：根據(jù)產(chǎn)品線設(shè)計(jì)要求（1）年生產(chǎn)任務(wù)6萬件（2）年有效工作天數(shù)為250天（3）每班有效工作小時為6小時設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)節(jié)拍為：每班產(chǎn)品量＝60000/250＝240件，每小時生產(chǎn)產(chǎn)品為240/6=40件，則每個產(chǎn)品生產(chǎn)時間＝3600/40＝90秒為此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的檢測速度為：90秒/件。設(shè)每件產(chǎn)品的輔助檢測時間為：30秒，直焊縫最大長度為：600mm，則每秒檢測速度為20mm/秒。被檢工件：圖2.1被檢工件運(yùn)動方式：探頭沿焊縫方向平動耦合方式：水浸耦合，要考慮防銹問題。2.1.2總體初步技術(shù)方案（主要為運(yùn)動方案方面的選擇）方案一：圖2.2機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2.3機(jī)械手運(yùn)動模型機(jī)械系統(tǒng)是運(yùn)動控制的載體，操縱探頭運(yùn)動和工件裝夾固定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時主要考慮兩個問題[14]：1）探頭與工件裝夾固定牢固2）各導(dǎo)軌精度高運(yùn)動平穩(wěn)。本課題中機(jī)械系統(tǒng)主要由機(jī)械手（裝有探頭夾持器）、運(yùn)動導(dǎo)軌、工作臺以及水槽等四部分組成，上圖1是該機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。1）.機(jī)械手：機(jī)械手是裝夾探頭、實(shí)現(xiàn)探頭自動掃描運(yùn)動的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械手上裝有探頭夾持器，它可分別繞Z向和Y向手動360°轉(zhuǎn)動。要實(shí)現(xiàn)焊縫的超聲自動掃描檢測，需要有水平方向(X、Y)、垂直方向(Z)及工件回轉(zhuǎn)方向角度四個自由度。其中機(jī)械手有x、Y和z三個方向的自由度，其運(yùn)動模型如圖所示，可以實(shí)現(xiàn)水平面、鉛垂面的平面弓字形掃查、平面回字形掃查，加上工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)圓盤類工件的平面圓環(huán)掃查、圓柱體的母線掃查等。機(jī)械手的自動掃查運(yùn)動是通過伺服電機(jī)來驅(qū)動的。2).導(dǎo)軌：本系統(tǒng)中。探頭有x、Y、z三個自由度，因此設(shè)計(jì)有x、Y、z三個方向的探頭運(yùn)動導(dǎo)軌，其中x、Y向?yàn)樘筋^水平運(yùn)動方向，z向?yàn)殂U直運(yùn)動方向。本系統(tǒng)采用了鋁合金外框的直線運(yùn)動導(dǎo)軌，通過高精度的滾珠絲杠傳動[15]。3)．工作臺：工作臺是實(shí)現(xiàn)工件裝夾固定的機(jī)構(gòu)。裝夾采用的是三爪式的夾緊機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，對于圓柱形、圓錐形工件具有自動對中夾緊功能。4).水槽：超聲自動檢測裝置采用的是水浸法，因此水槽是本系統(tǒng)的必備部分為了在檢測工作中方便觀察，本系統(tǒng)水槽設(shè)計(jì)時四面采用鋼化玻璃。方案二：圖2.4總體運(yùn)動方案簡圖一本方案相對于方案一簡單明了，制作簡單，操作方便，只需要放在水箱里的探頭固定在水箱里沿著X方向一個自由度移動即可實(shí)現(xiàn)檢測，此方案藥筒只需部分放置于水箱中，此方案明顯優(yōu)于方案一。2.1.3宜采用的設(shè)計(jì)方法方案二為最佳方案焊縫超聲正交掃描檢測法：疵病有點(diǎn)狀和線狀兩種。通過對藥筒及環(huán)焊縫的具體分析，從兩個方向?qū)缚p進(jìn)行正交檢測，這樣不易漏檢，也可根據(jù)兩個方向獲得的信息對缺陷進(jìn)行定性分析。三個探頭裝在一個探頭架上，全部采用水浸聚焦探頭。整個探頭和藥筒被測部分浸在水中發(fā)射探頭1，發(fā)射的縱波在水中傳播斜入射到藥筒筒體，在鋼板中產(chǎn)生板波。板波沿垂直于焊縫的方向傳播，在傳播的同時部分能量以縱波的形式向水中輻射，穿過焊縫的板波到達(dá)某一點(diǎn)時，其輻射的縱波能量被探頭2接收。當(dāng)板波聲束穿過的焊縫處有氣孔或焊偏缺陷時，探頭2接收到的信號變小[16]。探頭3發(fā)射的縱波斜入射到焊縫上，在焊縫中產(chǎn)生表面波，沿焊縫方向傳播，當(dāng)在焊道上距入射點(diǎn)一定距離內(nèi)有橫裂紋、氣孔等缺陷時，表面波沿焊縫方向反射，反射回波的部分能量以縱波的形式向水中輻射，被探頭3接收形成缺陷反射回波信號(無疵病時，信號幅度為零)。通過對兩組探頭信號的處理與綜合分析，可得出焊道上被測點(diǎn)的焊接情況。這就是檢測的基本原理和方法[17]。根據(jù)檢測方案，檢測系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：1）兩組探頭對同一點(diǎn)先后檢測，并把各自的回波信號進(jìn)行處理；2）提取回波信號的主要特征以便分析判斷；3）為了獲得整個焊道的信息，藥筒和探頭必須有相對運(yùn)動，使系統(tǒng)對整個直焊縫都能檢測到；4）整個系統(tǒng)由微機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)自動做出結(jié)論；5）遇到不合格的藥筒報警，并能在不合格的位置自動打標(biāo)記，以便操作人員進(jìn)行X射線檢驗(yàn)核對本課題最終結(jié)果不做出實(shí)物，完全借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Pro/E,solidworks等構(gòu)造出裝置的模型，并實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的仿真。2.2主傳動系統(tǒng)方案采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠間采用聯(lián)軸器連接。為裝置的主傳動系統(tǒng)。2.3進(jìn)給系統(tǒng)方案滾珠絲杠轉(zhuǎn)動帶動水箱左右移動。2.4待測工件在工作臺上的定位和夾緊依靠支撐桿1和支撐桿2的設(shè)計(jì)，以及軸向定位件的設(shè)計(jì)使得藥筒定位準(zhǔn)確。3主傳動部分的設(shè)計(jì)3.1電動機(jī)的選擇轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算為使執(zhí)行部件具有快速響應(yīng)能力，必須選用加速能力大的電動機(jī)，亦即能夠快速響應(yīng)的電機(jī)（如采用大慣量的伺服電機(jī)），但又不能盲目追求大慣量，否則由于不能充分發(fā)揮其加速能力，會影響其經(jīng)濟(jì)性。因此，必須使電機(jī)慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量有個合理的匹配[18]。通常在電動機(jī)慣量JM與負(fù)載慣量JL（折算至電動機(jī)軸）或者總慣量JR之間，推薦下列匹配關(guān)系：或或步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中的注意點(diǎn):1)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機(jī)功率大、效率高。2)步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。3)由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源，不過要考慮溫升。4)轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。5)電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。6)高精度時，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。7)電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。8)電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。9）應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。3.1.1選擇電動機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)選擇電機(jī)時可以選擇兩種電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能比較：[19]步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運(yùn)動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。1）控制精度不同兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°；德國百格拉公司（BERGERLAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動器每接收217=131072個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。2）低頻特性不同步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等[20]交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。3）矩頻特性不同步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。4）過載能力不同步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。5）運(yùn)行性能不同步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。6）速度響應(yīng)性能不同步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)?？紤]到本裝置的要求不高，綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用步進(jìn)電機(jī)比較合適[21]3.1.2步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。1）步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度（三相電機(jī)）等。2）靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負(fù)載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載[22]一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸）3）電流的選擇靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）4）力矩與功率換算步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米P=2πfM/400(半步工作）其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS)3.1.3步進(jìn)電機(jī)的確定脈沖當(dāng)量：一個指令脈沖使步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動拖動的移動距離（輸入一個指令脈沖工作臺移動0.01毫米）初選之相步進(jìn)電動機(jī)的步距角0.75°/1.5°，當(dāng)三相六拍運(yùn)行時，步距角其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)步進(jìn)電動機(jī)與滾珠絲桿間的傳動比ii===2.03勻速運(yùn)行，非精確計(jì)算可以套用以下公式：Ta=（Fa×I）/（2×3.14×n1）式中Ta：驅(qū)動扭矩kgf.mm；Fa：軸向負(fù)載N（Fa=F+μmg，F(xiàn)：絲杠的軸向切削力N，μ：導(dǎo)向件的綜合摩擦系數(shù)，m：移動物體重量(工作臺+工件)kg，g:9.8）；I：絲杠導(dǎo)程10mmn1：進(jìn)給絲杠的正效率。工況：水平使用，伺服電機(jī)直接驅(qū)動，2005滾珠絲杠傳動，25滾珠直線導(dǎo)軌承重和導(dǎo)向，理想安裝，垂直均勻負(fù)載20kgFa=F+μmg，設(shè)綜合摩擦系數(shù)μ=0.1，F(xiàn)=100N（無載荷時阻力）得：Fa=0.1×20×9.8+100=119.6N；Ta=（Fa×I）/（2×3.14×n1），設(shè)n1=0.94，得Ta=119.6×10/5.9032≈202N.mm=0.21N.M根據(jù)這個得數(shù)，可以選擇電機(jī)功率。所選電機(jī)為86mm系列大力矩混合式步進(jìn)電機(jī)，具體型號為：SM86120AA表3.1電機(jī)常規(guī)參數(shù)表表3.2電機(jī)參數(shù)表圖3.1電機(jī)尺寸圖3.2滾珠絲杠的選用圖3.2滾珠絲杠原理圖滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)[23]1）與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運(yùn)動,所以能得到較高的運(yùn)動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。2）高精度的保證3）微進(jìn)給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運(yùn)動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。4）無側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時,由于滾珠的斥力可使螺母部的剛性增強(qiáng))[24]。5）高速進(jìn)給可能滾珠絲杠由于運(yùn)動效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動)。3.2.1軸向負(fù)荷的計(jì)算1)（水平往復(fù)運(yùn)動）螺母及承載重物水平的往復(fù)運(yùn)動，其軸向負(fù)荷分析如下：向左等加速運(yùn)動：fa1=μ×mg+f+ma向左等速運(yùn)動：fa2=μ×mg+f向左等減速運(yùn)動：fa3=μ×mg+f-ma向右等加速運(yùn)動：fa4=-μ×mg-f-ma向右等速運(yùn)動：fa5=-μ×mg-f向右等減速運(yùn)動：fa6=-μ×mg-f+maa=Vmax/tVmax：為最高速度t：達(dá)到最高速度所用時間m：總質(zhì)量，指螺母帶動的所有物重μ：導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f：無負(fù)荷時的阻力由此可得向左等加速運(yùn)動或向右等加速運(yùn)動時螺母的載荷最大，但在運(yùn)動過程中，沒有加速運(yùn)動的情況，只有勻速運(yùn)動，因此在設(shè)計(jì)軸向載荷時應(yīng)該主要參考勻速運(yùn)動參數(shù)值[25]導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.01，螺母帶動的滑動桌子及固定在上面的水箱總質(zhì)量不超過50kg，滾珠絲杠無負(fù)荷時的阻力f=100N，則：fa1=μ×mg+f=0.1×100×9.8+100=198N同理，向右勻速運(yùn)動時Fa2=-μ×mg-f=-198N3.2.2因工作臺、主軸箱、工件等自重，對絲杠本身產(chǎn)生的壓縮負(fù)荷，所以必須驗(yàn)算對絲杠挫屈的安全性。如下公式分析：a:安全系數(shù)（取a=0.5)e:彈性系數(shù)i：絲杠軸牙底直徑（i=πdr4/640n/mm2)dr:絲杠軸牙底直徑（dr=絲杠節(jié)圓直徑-鋼珠直徑mm)l：安裝間距（絲杠兩端安裝的相對距離)m、n:依據(jù)絲杠安裝的方式而定的系數(shù)支持-支持m=5.1(n=1)固定-支持m=10.2(n=2)固定-固定m=20.3(n=4)固定-自由m=1.3(n=1/4)P=20.3=414729N3.2.3基本靜額定負(fù)荷Co即絲杠軸向靜止的負(fù)荷，是絲杠承受絲杠溝槽與鋼珠接觸點(diǎn)（即螺母與絲杠軸)的永久變形量和鋼珠本身的永久變形量的總和達(dá)到鋼珠直徑的0.01%時的最大的軸向力，此負(fù)荷即為基本靜額定負(fù)荷[26]。3.2.4基本動額定負(fù)荷ca動負(fù)荷是指一批相同規(guī)格的絲杠以相同條件轉(zhuǎn)10次，其中90%的絲杠不會因?yàn)槠诙a(chǎn)生剝離現(xiàn)象。此軸向負(fù)荷為動額定負(fù)荷[27]3.3hdl50三坐標(biāo)加工單元絲杠定位精度在機(jī)床進(jìn)給精度的誤差中，導(dǎo)程精度、進(jìn)給系統(tǒng)的剛性是研究的重點(diǎn)，其他像因溫升產(chǎn)生的熱變形和導(dǎo)引面的組裝精度等因素也須加以考慮。3.4絲杠熱變形的解決辦法絲杠軸因熱而伸長變形，會導(dǎo)致定位精度的變化。熱變形的多少可以由下列公式計(jì)算：其中：熱變形量：熱膨脹系數(shù)：絲杠軸的平均升溫L：絲杠的全長上式可以解釋為1000mm長的絲杠在每升1℃就會有產(chǎn)生12μm的伸長量。因此即使絲杠軸的導(dǎo)程經(jīng)過高精度的加工，也會因溫升產(chǎn)生的變形而無法滿足高精度的定位要求。另外絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)速度越高，則平均溫升也相對提高，熱變形也就越大。因此必須想出辦法解決此問題，如下有三種解決的方案[28]1)控制發(fā)熱量：a：選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力。b：選擇正確且適量的潤滑劑。c：加大滾珠絲杠的導(dǎo)程、降低轉(zhuǎn)數(shù)。2)施加強(qiáng)制冷卻a：采用中空絲杠，利用冷卻液通入，將產(chǎn)生的熱量帶走。b：絲杠軸外緣以潤滑油或空氣冷卻。3)避免溫升的影響：a：求出累積導(dǎo)程誤差的目標(biāo)值取負(fù)值補(bǔ)正。b：待機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)溫升后，再使用。c：絲杠安裝時施加預(yù)拉力。d：使用光柵尺進(jìn)行誤差補(bǔ)償；采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。絲杠熱變形的具體計(jì)算根據(jù)軸承的負(fù)荷能力，累計(jì)導(dǎo)程的目標(biāo)溫升3℃=12××3×600=0.022（mm）=20029N3.5絲杠的壽命絲杠在正常使用狀態(tài)下，在經(jīng)過一段時間后會因?yàn)楦鞣N原因惡化而無法使用，這段時間就是它的壽命。一般分為兩種[29]：a．疲勞壽命：即發(fā)生剝離現(xiàn)象時。b．精度壽命：因磨損而使精度惡化時。3.5.1壽命的計(jì)算疲勞壽命有三種表達(dá)形式：a：總回轉(zhuǎn)數(shù)b：總運(yùn)轉(zhuǎn)時間c：總行程長的壽命會使選擇的絲杠的尺寸太大，造成不經(jīng)濟(jì)的結(jié)果，因此大部分都會選擇在10000小時到20000小時。圖3.3滾珠絲杠螺桿

4進(jìn)給傳動部分設(shè)計(jì)4.1導(dǎo)軌的選用4.1.1導(dǎo)軌的功用和分類導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動的一方叫動導(dǎo)軌，不動的一方叫做支撐導(dǎo)軌[30]按摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。按運(yùn)動性質(zhì)可分為主運(yùn)動導(dǎo)軌、進(jìn)給運(yùn)動導(dǎo)軌和移置導(dǎo)軌。按受力狀況可分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。4.1.2導(dǎo)軌應(yīng)滿足的要求1）導(dǎo)向精度可分為幾何精度和接觸精度2）精確保持性3）低速運(yùn)動平穩(wěn)性4）結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好4.2導(dǎo)軌的材料1)鑄鐵鑄鐵是一種成本低，有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和切削加工的金屬材料。在動導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌中都有應(yīng)用[31]灰鑄鐵應(yīng)用最多的是HT200，在潤滑與防護(hù)較好的條件下有一定的耐磨性。鑄鐵—鑄鐵的導(dǎo)軌摩擦副適用于：需要手工刮研的導(dǎo)軌；對加工精度保持性要求不高的次要導(dǎo)軌；不經(jīng)常工作的導(dǎo)軌，其中包括移置導(dǎo)軌等。孕育鑄鐵孕育鑄鐵的耐磨性比灰鑄鐵高牌號為HT300。這種鑄鐵在車床、銑床、磨床上都有應(yīng)用。耐磨鑄鐵耐磨鑄鐵中的合金元素有細(xì)化石墨和促進(jìn)基體珠光體化的作用。具有力學(xué)性能好、耐磨性比孕育鑄鐵高1.5—2倍、鑄鐵質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn)，但成本較高，多用于精密機(jī)床，如坐標(biāo)鏜床和螺紋磨床等。鑄鐵導(dǎo)軌的淬火采用淬火的方法提高鑄鐵導(dǎo)軌表面的硬度，可以增強(qiáng)抗磨料磨損、粘著磨損的能力，防止劃傷與撕傷，提高導(dǎo)軌的耐磨性。2)鋼采用淬火鋼或氮化鋼的鑲鋼支撐導(dǎo)軌，可大幅度提高導(dǎo)軌的耐磨性。多用于數(shù)控機(jī)床的加工中心上[32]3)有色金屬多用于重型機(jī)床的動導(dǎo)軌上，與鑄鐵的支撐導(dǎo)軌相搭配。4）塑料5）導(dǎo)軌副材料的選用在導(dǎo)軌副中，為了提高耐磨性和防止咬焊，動導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌贏分別采用不同的材料。如果采用相同的材料，也應(yīng)采用不同的熱處理使雙方具有不同的硬度。目前在滑動導(dǎo)軌副中，應(yīng)用較多的是動導(dǎo)軌采用鑲裝氟塑料導(dǎo)軌軟帶，支撐導(dǎo)軌采用淬火鋼或淬火鑄鐵；其次是動導(dǎo)軌采用不淬火鑄鐵，支撐導(dǎo)軌采用淬火鋼或淬火鑄鐵。高精度裝置，因采用刮研進(jìn)行導(dǎo)軌的精加工，可采用不淬火的耐磨鑄鐵導(dǎo)軌副。只有移置導(dǎo)軌或不重要的導(dǎo)軌，才采用不淬火的普通灰鑄鐵導(dǎo)軌副[33]在直線運(yùn)動導(dǎo)軌中，長導(dǎo)軌用較耐磨的和硬度較高的材料制造。這是因?yàn)椋海?）長導(dǎo)軌各處使用難以均衡，磨損往往不均勻。不均勻磨損對精度的影響較大。因此，長導(dǎo)軌的耐磨性應(yīng)高一些。短導(dǎo)軌磨損比較均勻，即使磨損大一些，對加工精度的影響也不大。（2）減少修理的勞動量，短而軟的導(dǎo)軌容易刮研。（3）不能完全防護(hù)的導(dǎo)軌都是長導(dǎo)軌。它露在外面，容易被刮傷。4.3滑動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)4.3.1導(dǎo)軌的截面形狀及組合直線運(yùn)動導(dǎo)軌的截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合圖4.1導(dǎo)軌的截面形狀4.3.2導(dǎo)軌間隙的調(diào)整導(dǎo)軌集合面配合的松緊對機(jī)床的工作性能有相當(dāng)大的影響。配合過緊步進(jìn)操作費(fèi)力還會加快磨損；配合過松則將影響配合精度，甚至?xí)a(chǎn)生振動。因此，除災(zāi)裝配過程中應(yīng)仔細(xì)地調(diào)整導(dǎo)軌的間隙外，在使用一段時間后因磨損還需重調(diào)。常用鑲條和壓板來調(diào)整導(dǎo)軌的間隙[34]。鑲條用來調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾形導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保導(dǎo)軌面的正常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。常用的鑲條有平鑲條和楔形鑲條兩種圖4.2導(dǎo)軌間隙的調(diào)整壓板用于調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受顛覆力矩。4.4滑動導(dǎo)軌的驗(yàn)算導(dǎo)軌的主要變形是接觸變形，有時也應(yīng)考慮導(dǎo)軌部分局部變形的影響。導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)，首先初步確定導(dǎo)軌的型式和尺寸，然后進(jìn)行驗(yàn)算。對于滑動導(dǎo)軌，應(yīng)驗(yàn)算導(dǎo)軌的壓強(qiáng)和壓強(qiáng)的范圍內(nèi)部。壓強(qiáng)的大小直接影響導(dǎo)軌表面的耐磨性，壓強(qiáng)的分布影響磨損的均勻性。通過壓強(qiáng)的分布還可以判斷是否采用壓板，即決定導(dǎo)軌應(yīng)采用閉式還是開式的。驗(yàn)算滑動導(dǎo)軌的步驟是[35]：1）受力分析2）計(jì)算導(dǎo)軌的壓強(qiáng)4.5導(dǎo)軌的許用壓強(qiáng)導(dǎo)軌的壓強(qiáng)是影響導(dǎo)軌耐磨性的主要因素之一。設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時如將許用壓強(qiáng)取的過大，則會加劇導(dǎo)軌的磨損；若取的過小，又會增加導(dǎo)軌的尺寸。對于鑄鐵—鑄鐵和鑄鐵—鋼的導(dǎo)軌副，中等尺寸的通用機(jī)床，主運(yùn)動導(dǎo)軌和滑動速度較大的進(jìn)給運(yùn)動運(yùn)動導(dǎo)軌，平均許用壓強(qiáng)可取0.4—0.5MPa，最大許用壓強(qiáng)可取0.8—1.0MPa；滑動速度較低的進(jìn)給運(yùn)動導(dǎo)軌，平均許用壓強(qiáng)取1.2—1.5MPa，最大許用壓強(qiáng)2.4—3.0MPa。4.6導(dǎo)軌的潤滑與防護(hù)1）導(dǎo)軌的潤滑潤滑的目的是為了減少摩擦力、減少磨損、降低溫度和防止生銹。潤滑要求供給導(dǎo)軌清潔的潤滑油。油量可以調(diào)節(jié)。盡量采取自動和強(qiáng)制潤滑。潤滑元件要可靠。要有安全裝置[36]。導(dǎo)軌的潤滑方式有很多?？梢匀斯ざ〞r向?qū)к壝鏉灿停部稍谶\(yùn)動部件上裝油杯，使油沿著油孔流向或滴向?qū)к壝?，也可在運(yùn)動部件上裝潤滑電磁泵，或手動潤滑泵，定是拉動幾下供油。通?？窟\(yùn)動部件往復(fù)一定次數(shù)后出動油泵拉桿供油，用壓力油強(qiáng)制潤滑的方式比較好，潤滑可靠，與運(yùn)動速度無關(guān)，又可不斷地沖洗和冷卻導(dǎo)軌面，但必須有專門的供油系統(tǒng)。為使?jié)櫥驮趯?dǎo)軌面上較均勻的分布，保證潤滑效果，需在導(dǎo)軌面上開出油溝。潤滑油的選擇導(dǎo)軌常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂，滑動導(dǎo)軌用潤滑油，滾動導(dǎo)軌則兩種都可用。2）導(dǎo)軌的防護(hù)防止和減少導(dǎo)軌副磨損的重要方法之一，就是對導(dǎo)軌進(jìn)行防護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有可靠防護(hù)裝置的導(dǎo)軌，比外露導(dǎo)軌的磨損量可減少60%左右，導(dǎo)軌的防護(hù)方式有很多，常用的有以下幾種：a.刮板式能刮除落在導(dǎo)軌面上的灰塵，屬于間接防護(hù)裝置b.伸縮式有軟式皮腔式和疊層式，他們都是把導(dǎo)軌密閉起來的結(jié)構(gòu)，防護(hù)可靠。在滾動導(dǎo)軌和滑動導(dǎo)軌上都有應(yīng)用[37]。4.7提高導(dǎo)軌耐磨性的措施1）爭取無磨損2）爭取少磨損3）爭取均勻磨損4）磨損后應(yīng)能補(bǔ)償磨損量5裝置和具體零部件的設(shè)計(jì)圖5.1裝置裝配圖5.1裝置的框架圖5.2裝置支架圖裝置的框架主要由一個底板和兩個支撐板組成，支撐板由內(nèi)六角頭螺釘固定在地板上，導(dǎo)軌也用螺釘固定在底板上并在兩個支撐板之間。電機(jī)通過一張固定板定位在底板上，電機(jī)與滾珠絲杠間的連接靠聯(lián)軸器連接。藥筒放置在支撐板上固定著的支撐桿上，一個支撐板上的支持撐桿固定，另一個支撐板上的支撐桿可以上下移動調(diào)節(jié)位置，這樣可以調(diào)節(jié)藥筒的位置，以致藥筒的直焊縫能在一個水平的位置上，這樣才能與水充分耦合，便于檢測。結(jié)構(gòu)方面最重要的水箱的定位及探頭的定位[38]5.2水箱及探頭的定位圖5.3水箱及滑動小桌裝配定位圖最下面的小桌子作為動導(dǎo)軌與支撐導(dǎo)軌連接定位，具體設(shè)計(jì)定位方式見圖。探頭放置在小水箱中的十字定位塊上，可以實(shí)現(xiàn)精確定位。5.3絲杠軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1).軸的結(jié)構(gòu)工藝性軸的結(jié)構(gòu)工藝性是指軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)便于加工和裝配軸上的零件，并且生產(chǎn)效率高，成本低。一般的說，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量簡化。為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應(yīng)制出的倒角；需要磨削加工的軸段，應(yīng)留有砂輪越程槽；需要切制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽。為了減少裝夾工件的時間，同一軸上不同軸端的鍵槽應(yīng)布置（或投影）在軸的同一母線上。為了減少加工刀具種類和提高勞動生產(chǎn)率，軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽寬度、砂輪越程槽的寬度和退刀槽的寬度等應(yīng)盡可能采用相同的尺寸(2).根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段的直徑和長度軸端取直徑D=14mm。取L=25mm。(3).軸上零件的周向定位齒形同步帶輪與軸的周向定位采用平鍵連接。按dⅠ-Ⅱ=14mm查手冊（GB1095-79）得平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為25mm，同時為了保證帶輪與軸配合有良好的對中性，故選擇帶輪輪轂與軸的配合為。圓錐滾子軸承與軸的周向的定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。5.4步進(jìn)電動機(jī)與減速器之間的聯(lián)軸器選用聯(lián)軸器的基本步驟如下：選擇聯(lián)軸器的類型根據(jù)傳遞載荷的大小，軸轉(zhuǎn)速的高低，被聯(lián)接兩部件的安裝精度等，參考各類聯(lián)軸器特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。具體選擇時可考慮以下幾點(diǎn)[39]1)所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖減振功能的要求。例如，對大功率的重載傳動，可選用齒式聯(lián)軸器；對嚴(yán)重沖擊載荷或要求消除軸系扭轉(zhuǎn)振動的傳動，可選用輪胎式聯(lián)軸器等具有高彈性的聯(lián)軸器。2)聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小。對于高速傳動軸，應(yīng)選用平衡精度高的聯(lián)軸器，例如膜片聯(lián)軸器等，而不宜選用存在偏心的滑塊聯(lián)軸器等。3)兩軸相對位移的大小和方向。當(dāng)安裝調(diào)整后，難以保持兩軸嚴(yán)格精確對中，或工作過程中兩軸將產(chǎn)生較大的附加相對位移時，應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器。例如當(dāng)徑向位移較大時，可選滑塊聯(lián)軸器，角位移較大或相交兩軸的聯(lián)接可選用萬向聯(lián)軸器等。4)聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。通常由金屬元件制成的不需潤滑的聯(lián)軸器此較可靠；需要潤滑的聯(lián)軸器，其性能易受潤滑完善程度的影響，且可能污染環(huán)境。含有橡膠等非金屬元件的聯(lián)軸器對溫度、腐蝕性介質(zhì)及強(qiáng)光等比較敏感，而且容易老化。5）聯(lián)軸器的制造、安裝、維護(hù)和成本。在滿足便用性能的前提下，應(yīng)選用裝拆方便、維護(hù)簡單、成本低的聯(lián)軸器。例如剛性聯(lián)軸器不但結(jié)構(gòu)簡單，而且裝拆方便，可用于低速、剛性大的傳動軸。一般的非金屬彈性元件聯(lián)軸器(例如彈性套柱銷聯(lián)軸器、彈性柱銷聯(lián)軸器、梅花形彈性聯(lián)軸器等)，由于具有良好的綜合能力，廣泛適用于一般的中、小功率傳動。聯(lián)軸器屬于機(jī)械通用零部件范疇，不同的聯(lián)軸器有不同的作用，剛性聯(lián)軸器只能用來聯(lián)接兩根嚴(yán)格共軸線的軸。而撓性聯(lián)軸器，由于結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計(jì)，因而還有多方面的功能，綜合各種聯(lián)軸器的作用如下:1）補(bǔ)償由于制造和安裝誤差造成所聯(lián)接兩軸的軸向位移,徑向位移和角位移，避免軸端產(chǎn)生過大的附加載荷(鱉勁力)。2）緩和減速機(jī)工作時軸上的扭轉(zhuǎn)沖擊。3）改變軸系的共振轉(zhuǎn)速，例如當(dāng)沖擊吸收功相同時。以扭矩為基準(zhǔn)的扭轉(zhuǎn)角越大(即剛度小)，沖擊扭矩越小。共振轉(zhuǎn)速越低。此外，聯(lián)軸器的慣性矩也影響軸的共振轉(zhuǎn)速。4)減輕軸的扭轉(zhuǎn)振動。不過，這只有采用具有較大外阻尼(增大摩擦阻尼)的結(jié)構(gòu)或較大內(nèi)阻尼的材料(如橡膠、塑料等)做聯(lián)軸器的中間傳力件時，才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)機(jī)器受到意外的過載時，往往會造成傳動裝置或其他機(jī)件的損壞。如果在傳動軸系中采用安全聯(lián)軸器，利用聯(lián)袖器中聯(lián)接元件的破斷、分離或打滑，使傳動的力流中斷或限制力流的傳遞，就能起到安全保護(hù)作用[40]了解了聯(lián)軸器的作用，有利于我們更好的使用它，選擇它。在此裝置中我選用簡單方便的凸緣聯(lián)軸器型號YL3,；公稱轉(zhuǎn)矩25N.m;許用轉(zhuǎn)矩6400r/min，軸孔直徑14mm；軸孔長度32mm；質(zhì)量1.99kg；轉(zhuǎn)動慣量0.006kg.圖5.4聯(lián)軸器5.5藥筒的定位5.5.1支撐桿1圖5.5支撐桿1將藥筒的的一端固定在開槽部位5.5.2支撐桿2圖5.6支撐桿2有一定的斜度，可以很好的和藥筒的錐度吻合。這樣藥筒放在四個支架上定位更加準(zhǔn)確。5.5.3藥筒軸向定位件圖5.7藥筒軸向定位件主要功用是確定直焊縫位于水平最低位置。6外包裝箱體的設(shè)計(jì)圖6.1裝置包裝箱體圖四周及上表面都采用薄鐵皮包裝，用螺釘固定在裝置上，并采用鋁型材防護(hù)罩密封。起到了美觀、防護(hù)、防銹的作用。箱體材料全部選用鑄鐵：鑄鐵作床身有很多優(yōu)點(diǎn)：剛度好，減震好，自潤滑好，機(jī)加容易，價格低廉，但需要木模翻砂鑄造，適宜批量生產(chǎn)。左半部分開門，方便打開維修。防護(hù)罩的作用:[41]該防護(hù)罩適用于各類精密機(jī)床各個傳動方向上導(dǎo)軌的防護(hù)，它不但具有防塵、防切屑冷卻液等功能，還能夠增加機(jī)床的封閉性，延長使用壽命。安裝特殊設(shè)計(jì)的同步裝置，刮舌條，采用高標(biāo)準(zhǔn)聚氨酯合成橡膠材料，機(jī)械性能好，耐高溫、耐磨，不易變形且安裝方便，易于更換。刮舌板特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能防止切削液滲透，移動加速度和高速性能良好，移動平穩(wěn)，平行性好，沒有振動。表面處理采用特殊砂磨工藝，外觀漂亮，加載負(fù)荷小，有效避免了護(hù)罩運(yùn)行中的撞擊，防護(hù)更加安全可靠。結(jié)論本課題主要研究一套可供企業(yè)檢測適用的藥筒直焊縫超聲自動檢測裝置。其筒體是焊接而成的。在焊接處，焊接后形成4～6mm寬的焊縫，且內(nèi)表面有起伏，不規(guī)則。在炮彈發(fā)射時，藥筒內(nèi)壓力很大，焊縫中的疵病可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。軍方要求對焊縫百分之百的檢驗(yàn)。焊縫中主要會出現(xiàn)氣孔、橫裂紋、焊偏等缺陷。為了適應(yīng)生產(chǎn)線批量生產(chǎn)自動檢測的要求，結(jié)合成本等因素，采用藥筒直焊縫相對于探頭沿下母線方向的掃描運(yùn)動，超聲的耦合采用水浸耦合方式。本裝置技術(shù)成熟，檢測準(zhǔn)確，成本低，體積小，操作方便，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)[1]錢杏軒﹒鋼質(zhì)整體引伸藥筒的設(shè)計(jì)與制造﹒北京：國防工業(yè)出版社，1988﹒10～11[2]沈建中，黎連修.超聲無損檢測的進(jìn)展.無損檢測.1998.20(2).31[3]胡建愷.超聲檢測原理和方法.北京：電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.1993[4]牛伸克等.高壓開關(guān)出頭水浸超聲自動檢測裝置及其應(yīng)用.高壓電器.2001.37(2).53[5][英]J.西拉德﹒超聲檢測新技術(shù)﹒北京：科學(xué)出版社，1991﹒28[6]羅雄彪,陳鐵群;超聲無損檢測的發(fā)展趨勢﹒無損檢測;2005.03[7]何清﹒焊接鋼制藥筒設(shè)計(jì)理論與研究.中北大學(xué)博士學(xué)位論文2005.7.5[8]程耀瑜,韓焱.焊接藥筒環(huán)焊縫缺陷超聲自動檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì).2010.3.22[9]克洛力有限公司.[10]中建七局五公司試驗(yàn)室王琴等﹒超聲檢測技術(shù)應(yīng)用及其發(fā)展概況﹒科技信息.2006(9).254[11]張旭輝,馬宏偉.超聲無損檢測技求的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.機(jī)械制造.2002,40(455)[12]耿榮生.新千年的無