水下測(cè)試基陣機(jī)械掃描裝置的設(shè)計(jì)

薛璞，湯斌

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所自主研制了多種水下測(cè)試基陣機(jī)械掃描裝置，它能攜帶水下聲強(qiáng)傳感器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離環(huán)形掃描，并實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化位置反饋控制。該裝置為計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)中非標(biāo)計(jì)量裝置的機(jī)械輔助設(shè)備設(shè)計(jì)，已應(yīng)用于某高校水下艙段測(cè)試試驗(yàn);該裝置能夠最大限度的減少計(jì)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的誤差，提高計(jì)量檢定過(guò)程的工作效率。

這種機(jī)械設(shè)計(jì)方案可以有很多變化。本文基于本課題的實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)其環(huán)形基陣架進(jìn)行有限元分析，通過(guò)有限元分析的結(jié)果并結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工況的需要，確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1 機(jī)械功能指標(biāo)及電控系統(tǒng)方案

1.1 功能要求

水下測(cè)試基陣機(jī)械掃描裝置包括基陣架、掃描控制系統(tǒng)和掃描控制計(jì)算機(jī)，該裝置主要用于對(duì)指定水下艙段測(cè)試試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行環(huán)形掃描，由計(jì)算機(jī)控制，使掃描控制系統(tǒng)帶動(dòng)基陣架和聲強(qiáng)探頭運(yùn)動(dòng)，完成艙段試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭婧推矫娴穆晱?qiáng)測(cè)量，為相關(guān)的測(cè)量任務(wù)提供機(jī)械輔助［1］。其主要性能指標(biāo)如下:基陣架由接頭和連接桿構(gòu)成，形狀為環(huán)形;直徑約2.6 m;基陣架聲散射強(qiáng)度小于等于-20 dB;聲強(qiáng)探頭固定支架在圓環(huán)基陣架上固定位置的相對(duì)偏差小于等于1 mm。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，控制系統(tǒng)主要由四部分組成:現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)、控制計(jì)算機(jī)、電機(jī)控制系統(tǒng)和位置反饋系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)包括位移控制按鍵、LED 位移數(shù)碼顯示器、CAN 總線接口和電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器等。兩個(gè)拖動(dòng)電機(jī)的控制是根據(jù)編碼器的反饋信號(hào)進(jìn)行定位控制。

顯示電路實(shí)時(shí)將各位移編碼器的位移讀數(shù)顯示在LED 顯示器上。位移電機(jī)控制電路根據(jù)編碼器的讀數(shù)對(duì)位移電機(jī)進(jìn)行控制，使被控對(duì)象保持在要求的位置。CAN 總線或無(wú)線接口為遠(yuǎn)程控制提供了可靠的數(shù)據(jù)接口，操作人員可以在計(jì)算機(jī)上讀取當(dāng)前位移數(shù)據(jù)，并通過(guò)相應(yīng)指令對(duì)平臺(tái)和溫度探頭的位移進(jìn)行控制。

限位保護(hù)的功能是避免因位移部件的運(yùn)動(dòng)范圍超出系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許值而使整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械或電器發(fā)生損壞。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

此裝置進(jìn)行二級(jí)限位保護(hù)。限位控制信號(hào)是第一級(jí)限位保護(hù)，控制信號(hào)會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器中的微處理器產(chǎn)生中斷，從而使裝置不能在規(guī)定方向上運(yùn)動(dòng)，但可進(jìn)行其他方向的運(yùn)動(dòng)，從而脫離限位保護(hù)狀態(tài)。限位控制開關(guān)是第二級(jí)限位保護(hù)，如果控制電路損壞而導(dǎo)致電機(jī)失去控制就利用此限位開關(guān)進(jìn)行限位保護(hù)，如果位移部件的運(yùn)動(dòng)范圍超出機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)允許值，此時(shí)限位控制開關(guān)就會(huì)切斷電機(jī)的電源，從而避免設(shè)備的損壞［2］。

2 機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 基陣架機(jī)械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

基陣架機(jī)械結(jié)構(gòu)主體如圖2所示，位移機(jī)構(gòu)采用圓導(dǎo)向光軸與直線軸承的導(dǎo)向方式，采用齒輪齒條傳動(dòng)方式。

圖2 基陣架機(jī)械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

掃描架沿X 方向掃描范圍:艙段行程2300 mm。

基陣架主體結(jié)構(gòu)采用了碳纖維材料連接合金鋁件的方式，重量輕，強(qiáng)度高，同時(shí)可大大減小在水中對(duì)模型輻射聲場(chǎng)的影響。環(huán)形掃描架由8 根直徑40 mm的空心碳纖維桿和若干聯(lián)接接頭組成，碳纖維桿以45°圓弧為等分角依次連接，連接處安裝傳感器，此外每一根碳纖維桿上再安裝7 對(duì)傳感器，安裝完畢后，128個(gè)傳感器呈內(nèi)徑2600 mm 內(nèi)接圓。傳感器與艙段表面距離300 mm。

2.2 碳纖維桿的連接

八根碳纖維桿的連接采用定位銷加螺紋擰緊方式連接固定，如圖3所示，考慮到接頭強(qiáng)度直接影響最終掃描環(huán)的精度，接頭采用強(qiáng)度較高的鋁合金，不采用非金屬材料。

圖3 碳纖維桿的連接

3 基陣架水下測(cè)量有限元分析

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于整個(gè)圓環(huán)掃描架自身加上傳感器及其電纜后的重量比較大，在水中還有一定的阻力，安裝后會(huì)由于重力不能保證整個(gè)掃描架呈圓形掃描狀態(tài)，從而影響水下測(cè)量的準(zhǔn)確度。

為保證水下測(cè)量準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)中對(duì)基陣架主體進(jìn)行了有限元分析，如圖4所示，考慮到基陣架變形較大，左右兩側(cè)分別加上兩根直徑為16 mm 的碳纖維桿進(jìn)行拉拽，變形有限元分析如圖5所示。

圖4 基陣架主體有限元分析

由圖中可以看出，沒(méi)有帶拉桿的基陣架圓環(huán)最大變形120 mm，兩側(cè)帶拉桿的基陣架圓環(huán)最大變形46 mm，此外，變形最大點(diǎn)均在底端橫桿處。在底端再加兩根拉桿，進(jìn)行有限元分析，如圖6所示，此時(shí)基陣架圓環(huán)最大變形為6.7 mm。

圖5 兩側(cè)帶拉桿基陣架有限元分析

圖6 帶四根拉桿的基陣架有限元分析

從表1 有限元分析結(jié)果可以看出，當(dāng)基陣架帶四根拉桿的情況下能夠滿足整個(gè)水下測(cè)量誤差達(dá)到最小，但同時(shí)最大變形位置出現(xiàn)在底端桿部連接處，說(shuō)明整個(gè)圓環(huán)的圓度變形量可以控制在測(cè)量要求范圍內(nèi)，但在設(shè)計(jì)中要注意碳纖維桿連接處的強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了鋁合金作為碳纖維桿連接件的加工，所以能夠保證其強(qiáng)度。

表1 有限元分析結(jié)果

4 定位誤差

4.1 理論位移定位誤差計(jì)算

基陣架位移機(jī)構(gòu)采用圓導(dǎo)向光軸與直線軸承的導(dǎo)向方式，整個(gè)裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)采用齒輪齒條傳動(dòng)方式?；嚰芪灰茩C(jī)構(gòu)位移控制誤差計(jì)算如下［1］:

1)電機(jī)控制誤差:驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用了帶諧波齒輪減速機(jī)和編碼器反饋的步進(jìn)電機(jī)，自帶13∶1 行星齒輪減速機(jī)，輸入電壓?jiǎn)雾?xiàng)220 V，由所選電機(jī)手冊(cè)查得電機(jī)編碼器最大細(xì)分?jǐn)?shù)為2000 脈沖/r，可以得到

2)齒條加工精度:根據(jù)直線導(dǎo)軌技術(shù)要求，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，齒條加工誤差為0.2 mm;

3)齒輪齒條嚙合齒隙由安裝誤差確定，若齒輪齒條嚙合誤差按0.1 mm 計(jì)算;

由公式“位移機(jī)構(gòu)理論誤差=電機(jī)控制誤差+齒條加工誤差+齒輪齒條嚙合誤差”計(jì)算得出此位移機(jī)構(gòu)理論誤差為0.0029 +0.2 +0.1=0.3029(mm)，滿足定位誤差要求。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水下聲學(xué)計(jì)量檢測(cè)過(guò)程是在整個(gè)圓環(huán)基陣架沿艙段軸向方向的行程范圍內(nèi)，分別以相同位置間隔進(jìn)行實(shí)地多次檢測(cè)，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果分別取各點(diǎn)數(shù)據(jù)中的誤差最大值，并對(duì)誤差取平均值。而整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程分別采用不帶拉桿、帶兩根拉桿和帶四根拉桿三種機(jī)械連接方式，表2 為實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中三種不同結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移定位誤差和實(shí)際變形。

表2 實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中三種不同結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移定位誤差和實(shí)際變形

從實(shí)際檢測(cè)結(jié)果看出，定位誤差均能滿足使用要求，帶四根拉桿的結(jié)構(gòu)形變量能夠滿足要求。

5 小結(jié)

本文詳細(xì)介紹了水下測(cè)試基陣機(jī)械掃描裝置中環(huán)形基陣架的受力情況，并在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)幾種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比對(duì)分析，從而最終確定對(duì)測(cè)量誤差影響最小的一組方案，在計(jì)量輔助機(jī)械設(shè)備的研制過(guò)程中，這些機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力變形都會(huì)對(duì)實(shí)際計(jì)量過(guò)程產(chǎn)生影響，因此提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能對(duì)計(jì)量實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性有深遠(yuǎn)的影響。

［1］湯斌，王文健，王華.兩種升降回轉(zhuǎn)定位裝置的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2012，32(3):30-32.

［2］李國(guó)文，牟娟，孫千軍.五自由度位移平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2012，32(2):29-32.

［3］湯斌.高水壓環(huán)境下機(jī)械位移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2012，32(2):26-28，32.