一種超聲檢測機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)①

劉新柱， 王樹林， 姜慶昌， 孫紅旗， 王玉花， 姜永成

(佳木斯大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院;b.理學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

無損檢測技術(shù)是在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷大小、位置、性質(zhì)等信息，是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水平.無損檢測技術(shù)所能帶來的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，是機(jī)械工業(yè)的四大支柱之一.無損檢測可分為射線檢測(RT)、超聲檢測(UT)、磁粉檢測(MT)渦流檢測(ET)、和液體滲透檢測(PT)五大類.超聲檢測具有缺陷定位準(zhǔn)確、檢測速度快、靈敏度高、對人體及環(huán)境無害等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代制造業(yè)中的到了廣泛的應(yīng)用[1].將無損檢測技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等融為一體的超聲檢測自動(dòng)化技術(shù)可以代替人完成繁重枯燥的檢測任務(wù)，特別是在各種惡劣的環(huán)境下代替人工操作，有效地解放了生產(chǎn)力.但目前我國超聲檢測自動(dòng)化設(shè)備還依賴于進(jìn)口，限制了超聲檢測自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及普及，因此迫切需要研制開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、性價(jià)比高的超聲無損檢測機(jī)械手.

1 超聲檢測系統(tǒng)構(gòu)成

超聲檢測是利用超聲波在兩種不同聲阻抗介質(zhì)的交界面上發(fā)生反射這一原理來檢測構(gòu)件內(nèi)部的缺陷，根據(jù)這一檢測原理，超聲檢測機(jī)械手由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和超聲檢測機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示.其工作過程為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過單片機(jī)將控制信號傳遞給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)由超聲探傷儀和超聲波探頭組成的超聲檢測機(jī)構(gòu)對被測構(gòu)件進(jìn)行掃描(掃描路徑如圖2所示)，同時(shí)超聲探傷儀將檢測得到的信號實(shí)時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜合整理后得到被測構(gòu)件的二維掃描圖像.

本文設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、姿態(tài)調(diào)整速度快的超聲檢測機(jī)械手，該機(jī)械手通用性強(qiáng)，在不增加成本的前提下，與現(xiàn)有超聲探傷儀及計(jì)算機(jī)設(shè)備相連接及可實(shí)現(xiàn)超聲檢測自動(dòng)化.

圖1 超聲檢測系統(tǒng)工作原理

2 超聲檢測機(jī)械手機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是帶動(dòng)超聲檢測探頭對被測構(gòu)件進(jìn)行掃描，因此要求其應(yīng)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[2].為了滿足上述要求，可以選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有控制性能好、誤差不積累、步距精確等優(yōu)點(diǎn)[3];選擇齒輪齒條作為傳動(dòng)元件，因?yàn)辇X輪齒條傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠、傳動(dòng)比準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn).超聲檢測機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖2 超聲掃描檢測系統(tǒng)探頭的掃查路徑

圖3 五自由度超聲檢測機(jī)械機(jī)構(gòu)

2.1 xy平面掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了讓機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)在xy平面的自動(dòng)掃描，本文設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)立柱和平動(dòng)橫梁的組合機(jī)構(gòu).立柱通過軸承約束安裝在底座內(nèi)，底座上安裝有步進(jìn)電機(jī)，通過齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)立柱可以進(jìn)行360°圓周自由旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)橫梁轉(zhuǎn)到任意指定方向.橫梁安裝在立柱內(nèi)的導(dǎo)軌上，驅(qū)動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)連接的齒輪與橫梁上的齒條嚙合在一起，從而驅(qū)動(dòng)橫梁在導(dǎo)軌上往復(fù)平動(dòng).按照計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)立柱轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)橫梁平動(dòng)，帶動(dòng)安裝在立桿末端的超聲探頭可以到達(dá)xy平面內(nèi)的任意指定點(diǎn)進(jìn)行檢測.如圖2所示，超聲探頭在xy平面內(nèi)的掃描路徑為以立柱軸線為圓心的圓弧.

2.2 z軸方向掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

立桿安裝在橫梁內(nèi)的導(dǎo)軌上，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可以沿z軸方向平動(dòng)，從而帶動(dòng)超聲探頭到達(dá)任意指定高度對被測構(gòu)件進(jìn)行檢測.按照超聲檢測原理，超聲探頭應(yīng)沿法線方向?qū)Ρ粶y構(gòu)件進(jìn)行檢測[4]，因此在立桿下端安裝有兩臺步進(jìn)電機(jī)，按照控制系統(tǒng)的指令，控制超聲探頭繞x、y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，令超聲探頭始終位于被測構(gòu)件的法線方向，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜曲面的超聲檢測.

式中:ω為自由端撓度，F(xiàn)為立桿等構(gòu)件的重力，l為橫梁的長度，E為橫梁材料的彈性模量，I為橫梁截面對中性軸的慣性矩.

考慮立桿、步進(jìn)電機(jī)、探頭以及橫梁自身所受重力，取F=16N;按照設(shè)計(jì)的檢測范圍，取l=400mm;由橫梁的材料取E=200×109Pa;由橫梁的截面尺寸可算得I=4.5×10－8m3;將上述數(shù)據(jù)代入公式(1)，可得自由端最大撓度為ω=－0.038×10－3m，滿足超聲檢測所需的定位精度要求.

3 超聲檢測機(jī)械手定位精度分析

本文設(shè)計(jì)的五自由度超聲檢測機(jī)械手是一種開環(huán)控制系統(tǒng)，其定位精度取決于機(jī)械機(jī)構(gòu)各環(huán)節(jié)的制造和裝配精度以及橫梁和立柱的剛度，其中橫梁的剛度為影響定位精度的主要因素.如圖3所示，按照約束條件，橫梁可視為懸臂梁，在立桿等構(gòu)件的重力作用下橫梁將產(chǎn)生變形，由材料力學(xué)計(jì)算方法可知，其自由端最大撓度為:

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低的超聲檢測用機(jī)械手，該機(jī)械手可以對復(fù)雜曲面進(jìn)行超聲檢測，具有檢測范圍大、姿態(tài)調(diào)整速度快、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn).

(2)介紹了該機(jī)械手的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)及其工作原理，分析了影響檢測精度的因素，計(jì)算了橫梁的撓度，該掃描機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求的檢測精度.

(3)在不增加成本的前提下，與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)及超聲探傷儀連接，可以實(shí)現(xiàn)超聲檢測自動(dòng)化.結(jié)合超聲測距原理，利用反求技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)被測工件的曲面模型重建.

[1]趙靜.機(jī)械零件缺陷的無損檢測方法發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2005，1:39－40，42.

[2]姜慶昌，王軍，田春英.水浸超聲C掃描檢測系統(tǒng)掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，25(5):641－643.

[3]劉寶志.步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué)，2010.

[4]王艷穎，周曉軍，程耀東，等.復(fù)雜形狀工件超聲測量、曲面建模和超聲檢測一體化技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2004，8:11－12.