三級氣缸懸臂撓度補償機構(gòu)的設(shè)計

范晉偉，劉益嘉，陳 玲

（北京工業(yè)大學(xué) 機械與應(yīng)用電子工程學(xué)院，北京 100024）

0 引言

某型固體火箭發(fā)動機藥柱內(nèi)部深度達7米，為了完成對于藥柱的檢驗，設(shè)計了藥柱內(nèi)壁表面無損檢測裝置[1,2]。該裝置主要由升降小車，三級伸縮氣缸，伺服電機，工業(yè)相機等組成。由于三級氣缸前端的伺服電機和工業(yè)相機產(chǎn)生的力矩較大，為保證檢測精度，檢測時采用雙向檢測，則三級氣缸的伸縮距離控制在3.5米[3]。該檢測裝置已經(jīng)設(shè)計生產(chǎn)完畢，已經(jīng)投入生產(chǎn)試運行中。如圖1所示。

圖1 藥柱內(nèi)壁表面無損檢測裝置

當(dāng)伸縮距離較大時，由于伺服電機和工業(yè)相機的重力影響，仍然產(chǎn)生較大撓度，影響拍攝精度，故設(shè)計了三級氣缸懸臂撓度補償機構(gòu)，和撓度誤差檢測裝置，保證在懸臂的任何工作位置的撓度控制在3mm以內(nèi)。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

整臺藥柱內(nèi)壁表面無損檢測裝置有升降小車，三級氣缸，伺服電機，工業(yè)相機，電氣柜，氣泵等組成，整體結(jié)構(gòu)類似于懸臂梁，而三級氣缸是水平安裝在升降小車上，當(dāng)三級氣缸伸出時，會產(chǎn)生較大撓度。仿真效果圖如圖2所示。

圖2 仿真圖

為了滿足拍攝時的精度要求，減小撓度，對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進行了改進，利用反向補償?shù)脑恚淖內(nèi)墯飧姿椒胖玫慕Y(jié)構(gòu)，使三級氣缸前部上翹一定高度，三級氣缸與底板水平面之間產(chǎn)生一個仰角。通過對三級氣缸仰角的大小控制，保證三級氣缸前端的工業(yè)相機在任何伸出位置都能夠滿足拍攝位置要求。

在升降小車前端與三級氣缸的連接處，安裝一個液壓缸，液壓缸安裝在升降小車上，缸體與三級氣缸鉸接。而三級氣缸的后端改為與升降小車鉸接連接。當(dāng)三級氣缸伸出較長，工業(yè)相機產(chǎn)生撓度時，液壓缸工作，使得三級氣缸與小車產(chǎn)生仰角，補償撓度。撓度補償裝置設(shè)計圖如圖3所示。

圖3 撓度補償裝置

1.2 激光測距儀

對比圖2、圖3的結(jié)構(gòu)圖，由于三級氣缸的俯仰角發(fā)生了變化，激光測距儀也改為獨立安裝。為了監(jiān)測三級氣缸前端的撓度大小，改變了激光反射板。新舊反射板對比如圖4、圖5所示。

圖4 新反射板

圖5 舊反射板

新反射板高度只有10mm，激光測距儀指向中間，當(dāng)撓度超過額定范圍3mm時，激光測距儀不能得到反射數(shù)據(jù)，則控制系統(tǒng)無法測距，系統(tǒng)報錯，重新進行撓度補償。而圖5中的反射板由于面積過大，當(dāng)產(chǎn)生較大撓度的時候，仍然只能反饋三級氣缸伸出距離，不能實時監(jiān)測撓度大小。此裝置能夠保證系統(tǒng)的撓度，提高了工業(yè)相機的工作精度。

2 有限元仿真分析

2.1 三級氣缸的仿真分析

在設(shè)備的調(diào)試過程中，已經(jīng)對現(xiàn)有的設(shè)備進行了分析，利用ANSYS軟件對懸臂梁進行有限元分析。假設(shè)E表示多級氣缸的彈性模量，J表示多級氣缸對中性軸的慣性矩，W表示施加的載荷，L表示多級氣缸長度值，Δ表示撓度，kΔ表示多級氣缸的剛度[4～6]。

多級氣缸的撓度：

多級氣缸的剛度：

由于工作環(huán)境煙塵較多，且固體火箭發(fā)動機內(nèi)部燃料棒需要嚴(yán)格禁止煙火，故又對現(xiàn)有的伺服電機加裝了防爆外殼，加裝外殼后三級氣缸前端的圖像采集設(shè)備總質(zhì)量達到5kg，模擬工作環(huán)境在電機托架處施加壓力50N，以升降板底面為固定端，進行ANSYS仿真分析，取最遠端的極限位置氣缸伸出3.5m時，得到結(jié)果如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果示意圖

如圖6所示，三級氣缸懸臂的最大撓度產(chǎn)生在最前端的電機托架上，最大撓度為16.391mm。則必須對現(xiàn)有設(shè)備進行改造。

經(jīng)過設(shè)計，在前端安裝了液壓缸，當(dāng)液壓缸伸出，抬高三級氣缸的仰角后，仍然施加50N載荷，同樣的固定端，再進行ANSYS仿真分析，如圖7所示。

圖7 ANSYS仿真分析示意圖

如圖7可得，在三級氣缸伸出到3.5m時，撓度僅為1.53mm，而且滿足激光測距儀的3mm誤差識別范圍。本套設(shè)備在液壓缸正常工作的情況下最遠端的撓度能減小90.66%。本套設(shè)備在實際生產(chǎn)中具有重要意義。

2.2 液壓缸與三級氣缸的聯(lián)動

由于三級氣缸的生產(chǎn)裝配，缸體的剛度等原因，使得三級氣缸的最前端的撓度與三級氣缸的伸出距離并不是線性關(guān)系，本文選取了其中11個點，進行仿真分析，得到每個點的相應(yīng)撓度值，如表1所示。

表1 撓度值

而后應(yīng)用MATLAB進行描點，通過最小二乘法進行數(shù)據(jù)擬合，得到撓度與伸出距離的函數(shù)曲線。如圖8所示。

圖8 三級氣缸伸出距離與撓度關(guān)系圖

圖8中縱坐標(biāo)表示三級氣缸最前端產(chǎn)生的撓度，此撓度即為液壓缸需要伸出的距離。又通過MATLAB運算得到液壓缸的伸出量與三級氣缸的伸出距離的函數(shù)關(guān)系三階函數(shù)響應(yīng)如式(1)所示。

撓度補償液壓缸的伸出高度由三級氣缸的伸縮距離決定，并最終編寫程序通過PMAC運動控制器對三級氣缸和液壓缸按照式(1)中的函數(shù)關(guān)系進行聯(lián)動控制。

3 電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用以工控機為基礎(chǔ)，在工控機主板的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(ISA)擴展插槽插上帶有雙端口存儲器(RAM)的可編程運動控制卡(PMAC)，構(gòu)成以工控機為上位機，以PMAC為下位機的雙處理器控制系統(tǒng)[7]。PMAC通過電磁換向閥三級氣缸的伸縮，同時通過激光測距儀測距進行實時反饋，激光測距儀直接通過RSS232連接到工控機。同時PMAC通過激光測距儀反饋到工控機的距離進行程序運算得出應(yīng)該補償?shù)膿隙葦?shù)據(jù)，控制液壓缸升降進行撓度補償。

如果液壓缸的撓度補償超出了3mm，則激光測距儀無法收到反饋數(shù)據(jù)，則三級氣缸停止伸出，液壓缸繼續(xù)上升進行補償。激光測距儀能夠?qū)崟r保證撓度范圍在3mm之內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)圖如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)圖

工控機通過PMAC控制電磁換向閥使三級氣缸伸出，同時激光測距儀提供伸出距離的實時反饋數(shù)據(jù)，PMAC接收到伸出距離后，經(jīng)過式(1)的函數(shù)關(guān)系運算控制液壓缸升起進行補償，保證撓度誤差在3mm之間。當(dāng)誤差大于3mm時，前端的激光測距儀反射板過低，激光測距儀不能接收到信號，則此時PMAC控制三級氣缸停止運動，液壓缸繼續(xù)補償?shù)?mm之后，三級氣缸再繼續(xù)伸出。當(dāng)三級氣缸伸出到指定位置，電機轉(zhuǎn)動，工業(yè)相機拍照，進行取樣。

4 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有的三級氣缸懸臂內(nèi)壁檢測裝置通過加裝液壓缸，改變?nèi)墯飧籽鼋莵硖岣呔取１巨D(zhuǎn)置能夠在三級氣缸的最遠端減小撓度14.861mm，減小撓度約90.66%。其次通過對三級氣缸的不同伸出位置進行仿真，得到了該位置的撓度數(shù)據(jù)，利用MATLAB進行描點，通過最小二乘法進行數(shù)據(jù)擬合得到三級氣缸撓度與伸出距離的函數(shù)曲線。最后基于PMAC運動控制器利用得到的撓度與伸出距離函數(shù)確定了液壓缸與三級氣缸的運動關(guān)系，進一步整合了控制系統(tǒng)，最終達到了減小裝置撓度的目的。

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