無縫鋼管內(nèi)徑測量設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　第一章 鋼管產(chǎn)品概述</p><p>　　1.1 我國無縫鋼管生產(chǎn)現(xiàn)狀</p><p>　　近年來我國無縫鋼管生產(chǎn)發(fā)展很快，自1953年10月27日鞍鋼無縫鋼管廠成功軋出我國第一根無縫鋼管以來，產(chǎn)量逐年增長，2004年，我國無縫鋼管產(chǎn)量達(dá)到908萬噸，其中不銹無縫鋼管為20萬噸，成為世界無縫鋼管生產(chǎn)大國。自2003年開始，我國已由凈進(jìn)口國變?yōu)閮舫隹趪?003年，無

2、縫鋼管進(jìn)口量為47萬噸，出口量為56萬噸；2004年進(jìn)口量為69萬噸，出口量為75萬噸，取得了長足進(jìn)步。目前中國還不是無縫鋼管的生產(chǎn)強(qiáng)國，現(xiàn)在國產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、低耗、高附加值無縫鋼管的品種還少，不能滿足國內(nèi)市場需求。如高強(qiáng)度、特殊密封扣、耐低溫、耐腐蝕（硫化氫、一氧化碳等）、抗壓潰等特殊油井管的缺口較大，致使油井管現(xiàn)在每年還需進(jìn)口30萬噸。此外，無縫鋼管的品種、質(zhì)量、消耗等方面，還難以超過設(shè)計(jì)水平。與國外先進(jìn)水平相比，還存在一定差距，尤其在質(zhì)

3、量、使用壽命、價(jià)格比等方面，還很難具備競爭力。我國現(xiàn)有的無縫鋼管生產(chǎn)布局不均勻，且較為分散，集中度差。從全國六大地區(qū)來看，西北地區(qū)的無縫鋼管產(chǎn)量極低，僅年產(chǎn)6萬噸。迄今為止，寧夏、甘肅、新疆、海南、香港、澳門和臺(tái)灣省、自治區(qū)、特區(qū)沒有無縫鋼管廠。全國26個(gè)生產(chǎn)廠的省、市中，其產(chǎn)量的差</p><p>　　1.2 中國無縫鋼管工業(yè)發(fā)展趨勢</p><p>　　受下游需求增長等因素的刺激，今年

4、國內(nèi)無縫鋼管生產(chǎn)加工投資大幅增長，我國無縫鋼管工業(yè)投資主體多元化格局已經(jīng)形成。新一批投資上馬的生產(chǎn)項(xiàng)目起點(diǎn)高，產(chǎn)品檔次高，這些項(xiàng)目一旦如期投產(chǎn)，國內(nèi)無縫鋼管主要產(chǎn)品生產(chǎn)能力將出現(xiàn)過剩，生產(chǎn)利潤將進(jìn)一步下降，企業(yè)間的并購重組步伐將開始。對(duì)此，企業(yè)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)當(dāng)前的中國無縫鋼管工業(yè)走勢，謹(jǐn)防投資和經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和世界加工制造業(yè)中心地位的確定，作為國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)重要基礎(chǔ)原材料工業(yè)之一的無縫鋼管工業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品品種規(guī)格不斷增加

5、，產(chǎn)量持續(xù)增長，國際貿(mào)易異常活躍，技術(shù)進(jìn)步不斷加快，國際地位越來越高。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的無縫鋼管工業(yè)跨進(jìn)了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，從2000年到2006年，國內(nèi)無縫鋼管表觀需求量由418.9萬噸增長到1303萬噸，短短六年之內(nèi)增長了三倍。與此同時(shí)，國內(nèi)無縫鋼管生產(chǎn)量由415.8萬噸增長到11484萬噸，增長了近3.6倍。生產(chǎn)量從2003年開始超過國內(nèi)表觀需求量，其差額也在逐年增大，2006年已達(dá)到180萬噸。預(yù)計(jì)2007年國內(nèi)無縫

6、鋼管生產(chǎn)能力將達(dá)到1950萬噸，大大超過國內(nèi)表觀需求量（預(yù)計(jì)1580萬噸），再加上焊管等</p><p>　　1.3 無縫鋼管工業(yè)呈現(xiàn)出四大特點(diǎn)</p><p>　?。?）無縫鋼管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，表現(xiàn)出中低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩而部分高端產(chǎn)品供應(yīng)不足的現(xiàn)象。這從無縫管進(jìn)出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以非常直觀的看出：2006年，國內(nèi)無縫鋼管進(jìn)口總量69.4萬噸，主要品種是高鋼級(jí)、特殊扣型油井用管、合金鋼鍋爐管等，平均

7、單價(jià)3448美元/噸；而同期無縫鋼管出口總量250.5萬噸，主要品種是普通油井用管、管線管，平均單價(jià)1141美元/噸。</p><p>　?。?）產(chǎn)業(yè)布局趨于合理，民營無縫鋼管企業(yè)產(chǎn)能發(fā)展迅速。目前，低端普管市場競爭十分激烈，國營大型無縫鋼管企業(yè)在低端市場已逐步處于競爭劣勢。近年發(fā)展最快是我應(yīng)屬華北、華東等地的民營企業(yè)，處于投資總額及投資回收期等因素的考慮，民營無縫鋼管企業(yè)主要采用的是穿孔+冷拔（軋）或熱軋（含“

8、土”連軋）等簡單、低投入的設(shè)備和生產(chǎn)工藝，絕大部分沒有熱處理能力，產(chǎn)品也主要是中心口徑（主要是Φ273一下）結(jié)構(gòu)用管、流體用管等普通管材，其產(chǎn)品成本非常低，加上靈活的銷售策略，民營無縫鋼管企業(yè)在普通管材的銷售上優(yōu)勢十分明顯，在部分普管市場已逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著普管市場的競爭加劇，部分實(shí)力較強(qiáng)的民營企業(yè)在裝備方面已逐步加大投入，新建了臉軋管機(jī)組、Accu-Roll機(jī)組和熱處理、車絲、精整等配套設(shè)備，大力開拓油井管、高壓鍋爐管等專用產(chǎn)品市

9、場，無縫鋼管市場競爭將向中高端產(chǎn)品方向發(fā)展。</p><p>　　（3）生產(chǎn)集中度大幅下降，有逐年向分散化方向發(fā)展的趨勢。</p><p>　?。?）替代產(chǎn)品的趨勢愈加強(qiáng)烈。目前國內(nèi)板帶、焊管產(chǎn)能都非常大，焊管是純替代產(chǎn)品，其對(duì)無縫鋼管的價(jià)格優(yōu)勢非常明顯，近年新上的焊管機(jī)組如ERW、UOE機(jī)組工藝先進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量高，將對(duì)無縫鋼管市場造成全線沖擊。</p><p>　　

10、1.4 無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)的新發(fā)展</p><p>　　鋼管主要應(yīng)用于能源開發(fā)、交通運(yùn)輸、機(jī)械結(jié)構(gòu)、化工、流體輸送等領(lǐng)域。近年來，在市場不斷萎縮，生產(chǎn)能力過剩，競爭更加激烈的情況下，國內(nèi)外鋼管廠不斷的開發(fā)新技術(shù)、新工藝，使得無縫鋼管行業(yè)從增加產(chǎn)量轉(zhuǎn)到提高產(chǎn)品質(zhì)量，擴(kuò)大品種，降低能耗，提高金屬收回率等方面上來，使產(chǎn)品具有更大的競爭力。</p><p>　　今后我國無縫鋼管工業(yè)的發(fā)展趨勢是：企業(yè)

11、的競爭更加激烈，生產(chǎn)利潤將進(jìn)一步下降；企業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，產(chǎn)品規(guī)格及檔次提高；企業(yè)主要向外向型經(jīng)濟(jì)發(fā)展，企業(yè)的競爭力將會(huì)得以提高；今后投資上馬的無縫鋼管項(xiàng)目起點(diǎn)高、產(chǎn)品檔次高，若這些項(xiàng)目能如期投產(chǎn)，國內(nèi)無縫鋼管主要產(chǎn)品生產(chǎn)能力將出現(xiàn)過剩，一方面大大減少相應(yīng)產(chǎn)品進(jìn)口，同時(shí)要面向國際市場，參與國際競爭；企業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，產(chǎn)品規(guī)格及檔次提高，將直接威脅中小企業(yè)的生存和發(fā)展；企業(yè)間的并購、重組將加快步伐；企業(yè)間競爭更加激烈，生產(chǎn)利潤空間減少，未來新投資增

12、長將趨緩；企業(yè)的競爭不僅面臨國內(nèi)市場，而且直接面臨國際市場，企業(yè)的科技研究將加強(qiáng)，在無縫鋼管行業(yè)將展開爭奪專業(yè)人才戰(zhàn)。</p><p>　　1.5 鋼管的用途及分類</p><p>　　按用途無縫鋼管可分為以下幾類：</p><p>　　輸送管 用于輸送液體、煤氣等。</p><p>　　鍋爐管和蒸汽輸送管 用于蒸汽鍋爐的管系、結(jié)構(gòu)和輸氣

13、，包括輸送 </p><p><b>　　高溫高壓的蒸汽。</b></p><p><b>　　儀器用管</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)管 廣泛用于航空、汽車、拖拉機(jī)等工業(yè)部門。</p><p>　　工業(yè)用管 主要用于石油和天然氣的開采，如套筒、鉆桿和油管，以</p><p

14、>　　及石油提煉加工用管等。</p><p>　?。?）機(jī)械制造用管 用這種鋼管來制造滾珠軸承的座圈、空氣泵和液壓泵 </p><p>　　的柱塞、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和集體等。</p><p>　　高壓容器 用于制造瓶、鍋爐及外殼等。</p><p>　　1.6 無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程</p><p>　　1.6.1 熱軋

15、無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程：</p><p>　　圓管坯→加熱→穿孔→三輥斜軋、連軋或擠壓→脫管→定徑（或減徑）→冷卻→矯直→水壓試驗(yàn)（或探傷）→標(biāo)記→入庫軋制無縫管的原料是圓管坯，圓管胚要經(jīng)過切割機(jī)的切割加工成長度約為１米的坯料鋼管，并經(jīng)傳送帶送到熔爐內(nèi)加熱。鋼坯被送入熔爐內(nèi)加熱，溫度大約為１２００攝氏度。燃料為氫氣或乙炔。爐內(nèi)溫度控制是關(guān)鍵性的問題.圓管坯出爐后要經(jīng)過壓力穿孔機(jī)進(jìn)行穿空。一般較常見的穿孔機(jī)是錐形輥穿

16、孔機(jī)，這種穿孔機(jī)生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，穿孔擴(kuò)徑量大，可穿多種鋼種。穿孔后，圓管坯就先后被三輥斜軋、連軋或擠壓。擠壓后要脫管定徑。定徑機(jī)通過錐形鉆頭高速旋轉(zhuǎn)入鋼胚打孔，形成鋼管。鋼管內(nèi)徑由定徑機(jī)鉆頭的外徑長度來確定。鋼管經(jīng)定徑后，進(jìn)入冷卻塔中，通過噴水冷卻，鋼管經(jīng)冷卻后，就要被矯直。鋼管經(jīng)矯直后由傳送帶送至金屬探傷機(jī)（或水壓實(shí)驗(yàn)）進(jìn)行內(nèi)部探傷。若鋼管內(nèi)部有裂紋，氣泡等問題，將被探測出。鋼管質(zhì)檢后還要通過嚴(yán)格的手工挑選。鋼管質(zhì)檢后，用油漆

17、噴上編號(hào)、規(guī)格、生產(chǎn)批號(hào)等。并由吊車吊入倉庫中。</p><p>　　1.6.2 冷拔（軋）無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程：</p><p>　　圓管坯→加熱→穿孔→打頭→退火→酸洗→涂油（鍍銅）→多道次冷拔（冷軋）→坯管→熱處理→矯直→水壓試驗(yàn)（探傷）→標(biāo)記→入庫。冷拔（軋）無縫鋼管的軋制方法較熱軋（擠壓無縫鋼管）復(fù)雜。它們的生產(chǎn)工藝流程前三步基本相同。不同之處從第四個(gè)步驟開始，圓管坯經(jīng)打空后，要

18、打頭，退火。退火后要用專門的酸性液體進(jìn)行酸洗。酸洗后，涂油。然后緊接著是經(jīng)過多道次冷拔（冷軋）再坯管，專門的熱處理。熱處理后，就要被矯直。鋼管經(jīng)矯直后由傳送帶送至金屬探傷機(jī)（或水壓實(shí)驗(yàn)）進(jìn)行內(nèi)部探傷。若鋼管內(nèi)部有裂紋，氣泡等問題，將被探測出。鋼管質(zhì)檢后還要通過嚴(yán)格的手工挑選。鋼管質(zhì)檢后，用油漆噴上編號(hào)、規(guī)格、生產(chǎn)批號(hào)等。并由吊車吊入倉庫中。</p><p>　　第二章 內(nèi)徑測量裝置綜述</p>&

19、lt;p>　　現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中管類零件的大量應(yīng)用對(duì)國民生活起著決定性的作用，管內(nèi)徑更是管類零件的一項(xiàng)重要指標(biāo)，由此管類零件的檢測變得越來越重要。</p><p>　　對(duì)于無縫鋼管的幾何尺寸, 如壁厚和外徑等, 傳統(tǒng)的測量方法是采用機(jī)械式管端人工逐根測量法, 即用游標(biāo)卡尺測量兩端的外徑, 用壁厚千分尺測量兩端的壁厚, 并用卷尺度量其長度。這種方法不但速度慢、勞動(dòng)效率低, 而且測量精度受操作人員等諸多因素的影響。

20、尤其是只能對(duì)鋼管的兩端進(jìn)行測量, 對(duì)于鋼管的中間部分則無能為力。這樣, 如果鋼管中間部分的壁厚與外徑和其兩端的不一樣, 則不能保證其尺寸精度。因此, 它不但不適應(yīng)現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要, 而且也不能滿足用戶對(duì)高精度鋼管幾何尺寸的要求, 所以, 采用現(xiàn)代先進(jìn)的自動(dòng)檢測技術(shù)對(duì)無縫鋼管的幾何尺寸進(jìn)行百分之百的全自動(dòng)在線測量, 就成為無縫鋼管生產(chǎn)廠家的當(dāng)務(wù)之急。</p><p>　　2.1本課題研究的意義</p>

21、<p>　　在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中, 為了保證管類產(chǎn)品的質(zhì)量, 提高生產(chǎn)效率、降低成本, 不僅需要經(jīng)常檢測鋼管的外徑, 而且還需要檢測鋼管的內(nèi)徑,以便及時(shí)調(diào)整軋制鋼管的設(shè)備, 減少鋼材的消耗。在無縫鋼管的加工中, 對(duì)鋼管直徑和形狀誤差的精確檢測也是必不可少的, 這直接關(guān)系到鋼管的加工質(zhì)量。在無縫鋼管生產(chǎn)中， 無論采用何種成型工藝，均會(huì)造成一定程度的外徑波動(dòng)及壁厚不均，從而影響鋼管的內(nèi)徑，而鋼管的內(nèi)徑精度又是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素

22、之一，因此在企業(yè)視質(zhì)量為生命的今天。對(duì)于鋼管壁厚及內(nèi)徑的檢測與分析則成為廠家嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)的主要手段。目前國內(nèi)的大多數(shù)廠家還停留在用量規(guī)檢測管徑的水平上, 只能檢驗(yàn)鋼管兩端的口徑, 因此不能全面反映鋼管內(nèi)徑的真實(shí)狀況。傳統(tǒng)的檢測方法精度低、速度慢，且工作量大，易產(chǎn)生較大誤差，已成為質(zhì)量保證體系中的“瓶頸”問題；而自動(dòng)（或半自動(dòng)）檢測，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理， 可保證檢測精度，提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。</p><

23、p>　　工業(yè)中存在著大量管類零件，如炮管、槍管、輸油管等，他們都是裝備的關(guān)鍵部件，這些部件的加工和檢測在工業(yè)占有重要的地位。目前，高新技術(shù)的發(fā)展對(duì)深孔管道測試技術(shù)提出了新的要求，同時(shí)，高新技術(shù)應(yīng)用也推動(dòng)了測試技術(shù)的飛速發(fā)展，測試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)水平成為一個(gè)國家檢測技術(shù)發(fā)展水平的標(biāo)志。各個(gè)發(fā)達(dá)國家的兵器測試技術(shù)隨著科技發(fā)展不斷創(chuàng)新，新的檢測方法和手段不斷出現(xiàn)。其中，管類零件的檢測是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)管類零件的加工質(zhì)量和使用壽命至關(guān)重要。我國

24、現(xiàn)階段檢測儀器落后，檢測參數(shù)單一，檢測機(jī)構(gòu)復(fù)雜，能用于管類零件的綜合參數(shù)檢測的設(shè)備還沒有成熟產(chǎn)品。對(duì)此，研究管類零件檢測意義非常重大。</p><p>　　本課題運(yùn)用光柵技術(shù)測量無縫鋼管的尺寸，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理，能及時(shí)有效地掌握各工序質(zhì)量信息，技術(shù)簡便易行，精度高。</p><p>　　2.2 管徑檢測的內(nèi)容和特點(diǎn)</p><p>　　本課題的檢測內(nèi)容主

25、要是對(duì)鋼管內(nèi)壁參數(shù)進(jìn)行檢測，即鋼管的內(nèi)徑。光電檢測可以用來對(duì)各種管類進(jìn)行幾何量參數(shù)、表面缺陷和加工質(zhì)量進(jìn)行測量。不僅可以對(duì)冶金工業(yè)的無縫鋼管，也可以應(yīng)用在兵器工業(yè)的炮管，槍管，石油化工，及核工業(yè)應(yīng)用到管類零件的行業(yè)。如石油化工的輸油管道的裂紋檢測，液壓領(lǐng)域的長型油缸等要求高精度的管形材料。現(xiàn)在存在的常用檢測方法對(duì)管道進(jìn)行檢測，如空氣賽規(guī)法、注水法、光電法、超聲法等測量方法，測量精度不高，也有一定的局限性，測量效率受到影響。對(duì)于深孔內(nèi)部無

26、法深入測量。對(duì)于非接觸的電感測量法，電渦流測量法等原理都是探頭與被測物體表面產(chǎn)生電磁現(xiàn)象，但是缺點(diǎn)是干擾大，精度低。而我們檢測深管有膛線，半徑小而且是變徑，管道長，傳統(tǒng)檢測無法做到。由于光柵技術(shù)進(jìn)步，尺寸變小，可以將其安裝進(jìn)入管道內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，這樣，本文提出新的內(nèi)徑檢測技術(shù)。</p><p>　　2.3 管內(nèi)表面測量技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中, 人們不斷地提出

27、了一些管徑測量方法, 如:</p><p>　?、俚聡退孤摴芄狙兄频摹凹す獬暡y量系統(tǒng)[1 ]”, 它是由脈沖激光器產(chǎn)生超聲波, 通過干涉來測量物體厚度, 是一種非接觸式測量. 該方法正在實(shí)驗(yàn)階段, 還未商品化. 這種非接觸式測量不但有其應(yīng)用的局限性, 而且系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴;</p><p>　?、凇俺暡y厚儀”, 國內(nèi)目前大量使用便攜式超聲波測厚儀[2, 3 ].

28、 該方法一般用于鋼板的厚度測量. 當(dāng)用于鋼管的測量時(shí), 存在精度低的問題. 主要是由于鋼管外形是圓柱體, 超聲波測量儀難以準(zhǔn)確沿管表面的法線方向定位, 稍微有一定的角度偏差, 將造成較大的測量誤差; </p><p>　　③破壞性實(shí)驗(yàn)法, 是目前在國內(nèi)鋼管生產(chǎn)現(xiàn)場普遍使用的一種手工測量方法. 它將被測管體按照一定尺寸分段, 沿橫向解剖成若干相等管段, 用壁厚千分尺對(duì)管段壁厚進(jìn)行測量, 再計(jì)算平均厚度. 該方法既費(fèi)

29、工又費(fèi)間, 還不精確.它屬于破壞性檢測法, 測量后的管材不能再利用。 </p><p>　　4）國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始采用光電儀器來檢測鋼管的內(nèi)徑。日本三菱電機(jī)公司應(yīng)用機(jī)器研究所的高塢和夫[4]于1986 年發(fā)明了管內(nèi)面形狀測定裝置, 該裝置采用光三角法, 以線性二極管作為信號(hào)接收器, 該裝置可以檢測鋼管內(nèi)徑和形狀,但在檢測管內(nèi)面橢圓度誤差時(shí), 效率較低, 檢測鋼管的長度為5m 左右。奧地利的AVL 公司應(yīng)用電

30、容式傳感器制作的圓筒量規(guī)裝置可以檢測口徑<(75～ 210) mm、長度10m 以內(nèi)的鋼管, 該裝置精度為0.05mm。</p><p>　　本文介紹一種應(yīng)用光柵技術(shù)的測量鋼管內(nèi)徑的檢測裝置。在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上有一定的創(chuàng)新，有很廣的使用范圍。 </p><p>　　接下來我們看看國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展的現(xiàn)狀：</p><p>　　東華大學(xué)的管道清洗機(jī)器人可用于中央空

31、調(diào)管道或除塵管道的清掃、消毒、噴涂、攝像檢測等。該機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)采用發(fā)明專利技術(shù)，如圖2.1所示，其具備自主管內(nèi)越障和防傾覆功能，適應(yīng)復(fù)雜的矩形管道或圓形管道環(huán)境清掃作業(yè)要求（國外產(chǎn)品大多僅適用于矩形管道，不具備管內(nèi)越障功能）；管道清洗機(jī)器人能進(jìn)入圓管260mm以上直徑、矩形管道140mm以上高度的空調(diào)、除塵管道進(jìn)行清洗（國外產(chǎn)品僅適用于300mm以上高度矩形管道）；機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單外產(chǎn)品大多采用錄像

32、機(jī)儲(chǔ)存資料）。</p><p>　　圖2.1管道清洗機(jī)器人</p><p>　　Libre de Bruxelles大學(xué)機(jī)械與機(jī)器人工程系動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室研制的管道機(jī)器人是螺旋輪行走機(jī)構(gòu)的代表。如圖2.2所示，這種行走機(jī)構(gòu)是由鉸接在一起的定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成的。定子是由一組延管道軸向行走的支承輪組成，各支承輪分別撐緊四周的管壁從而支承整個(gè)機(jī)器人。轉(zhuǎn)子是由一組具有一定傾角的動(dòng)力輪組成，動(dòng)力輪由

33、電機(jī)帶動(dòng)作螺旋運(yùn)動(dòng)從而推動(dòng)管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。這兩組輪子均安裝在懸掛裝置上，因此可以適應(yīng)管道的半徑曲率變化。管道機(jī)器人上裝有電池和無線電接受裝置，因此可自主行走。</p><p>　　圖2.2 Libre de Bruxelles大學(xué)螺旋輪管道機(jī)器人</p><p>　　類似的螺旋輪機(jī)構(gòu)還有東芝公司的TOKYO，如圖2.3，該機(jī)器人是針對(duì)25mm管徑設(shè)計(jì)的。</p><p&

34、gt;　　圖2.3東芝公司的TOKYO管道機(jī)器人</p><p>　　從國內(nèi)外的資料上看，小管徑內(nèi)表面檢測方法的研制、開發(fā)在國際上處于發(fā)展階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距，大部分只運(yùn)行一般大口徑的直管道。雖然大管道內(nèi)行走的機(jī)器人在在國內(nèi)外均有開發(fā)，且有的進(jìn)入實(shí)用化階段，但對(duì)于管徑25—40mm的炮管及相類似的管道的研究，剛剛起步并被人們廣泛關(guān)注并研制。如上微型管道機(jī)器人，只能進(jìn)行清淤，不能測量。TOKYO管道機(jī)器人

35、只能清楚障礙，不能檢測。</p><p>　　管道內(nèi)微型機(jī)器人研制和開發(fā)的難度除了與其他微電子機(jī)械系統(tǒng)一樣需涉及多學(xué)科的理論和技術(shù)以外，管內(nèi)操作系統(tǒng)還會(huì)碰到一系列特殊的問題。</p><p>　　根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)分析,目前管道內(nèi)機(jī)器人的研究雖末達(dá)到實(shí)用化程度,但從有關(guān)文獻(xiàn)來看,都經(jīng)過了試驗(yàn)測試,性能基本上能滿足設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎.應(yīng)該說管內(nèi)微型機(jī)器人在設(shè)計(jì)、制作等方面都有一定的突破.目前發(fā)

36、表的管內(nèi)機(jī)器人各有優(yōu)缺點(diǎn),如帶壓電移動(dòng)機(jī)構(gòu)的微型機(jī)器人和由氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的腸內(nèi)窺鏡微機(jī)器人,它們結(jié)構(gòu)簡單,尺寸相對(duì)較小,借用了仿生學(xué)的原理(仿照尺蠖蟲行進(jìn)方式),移動(dòng)時(shí)消耗能量相對(duì)較小,但由于供能運(yùn)用導(dǎo)線或氣管對(duì)機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)帶來不便,能源輸送亦不方便.基于螺旋原理的微小機(jī)器人吸取了像蜈蚣的結(jié)構(gòu),不僅能量消耗小,還可以在彎管中行進(jìn),但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因采用滾輪而尺寸還小不下來.還有些管道內(nèi)機(jī)器人由于感知,檢測系統(tǒng)等可以采用復(fù)合集成薄膜,徑向尺寸

37、相對(duì)可以減小,自動(dòng)程度高,但所占空間大?！?】</p><p>　　從目前報(bào)道的幾種管道內(nèi)微型機(jī)器人的文獻(xiàn)看,微小機(jī)器人的研制開發(fā)在國際上亦屬初期階段,還有許多懸而未決的問題須考慮和研究,并涉及到電磁、機(jī)械、光、化學(xué)、熱、生物等多科學(xué),它們雖未進(jìn)入物理上的微觀層次,但這些機(jī)械的性能和一些物理性質(zhì)與目前大于lcm的機(jī)械有很大的不同.這些問題有：</p><p>　　1.機(jī)械不應(yīng)該是傳統(tǒng)機(jī)械的

38、縮小,微小機(jī)器人也不是傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)器人的縮小(按比例的),常規(guī)機(jī)器人復(fù)雜部分分布不均勻,-般精密.復(fù)雜的傳感器和制動(dòng)器往往放在關(guān)節(jié)處,而微型機(jī)器人如按此辦理、制作,裝配則很困難,微型機(jī)器人的零部件也不是傳統(tǒng)的機(jī)械零部件,而是用機(jī)電光磁一體化加工出來的集成體.</p><p>　　2.計(jì)時(shí)須考慮尺寸效應(yīng).在常規(guī)的世界中對(duì)物體運(yùn)動(dòng)起作用的許多因素中起主要作用的因素,在微型機(jī)器人的領(lǐng)域中不見得起主要因素。</p&g

39、t;<p>　　3.新材料,新工藝問題.微型機(jī)器人制作加工將是基于微加工技術(shù)制造的,與微電子芯片一樣可實(shí)現(xiàn)大批量、低成本,可以集成為系統(tǒng),是真正的機(jī)電一體化的開始.所用材料也不限于傳統(tǒng)材料。</p><p>　　4.能源供應(yīng)和控制問題.電纜供電對(duì)管道微型機(jī)器人并不方便(纜繩妨礙機(jī)器人的活動(dòng)等).電池供電也往往由于體積和容量限制而不能采用.在控制方面,由于光波、微波、電磁波的方向性太強(qiáng)而不適用,從而使

40、微型機(jī)器人只能采用昆蟲式的小智能自律行動(dòng)控制。</p><p>　　5.管內(nèi)條件效應(yīng).由于管道內(nèi)的條件的限制,如管內(nèi)介質(zhì)、表面條件、管道形狀等等對(duì)微管道機(jī)器人的研究提出了挑戰(zhàn)。</p><p>　　2.4 管類零件測量技術(shù)發(fā)展趨勢 </p><p>　　有鑒于目前微管道機(jī)器人存在的問題,并要最終實(shí)現(xiàn)在線檢測這一宗旨,首先在以下幾個(gè)方面要有所突破.</p>

41、<p>　　1.微驅(qū)動(dòng)器:從微管道機(jī)器人的發(fā)展來看,微驅(qū)動(dòng)器技術(shù)起著關(guān)鍵作用,并且是微機(jī)器人水平的標(biāo)志,因此開發(fā)耗能低、結(jié)構(gòu)簡單、易于小型化、位移輸出和力輸出大,線性控制性能好,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的新型驅(qū)動(dòng)器是未來的研究方向.</p><p>　　2.微移動(dòng)機(jī)構(gòu):微移動(dòng)機(jī)構(gòu)決定微機(jī)器人的行走方式,其發(fā)展在一定程度上和微驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展是相關(guān)的,從目前的行走方式來看,振動(dòng)式和沖擊式適合于剛性管壁環(huán)境下應(yīng)用;具有柔

42、彈性的蠕動(dòng)機(jī)構(gòu)適合于在柔性管壁環(huán)境下應(yīng)用,因此柔彈性的蠕動(dòng)機(jī)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有其發(fā)展空間.在這里應(yīng)該指出為了實(shí)現(xiàn)在線作業(yè),微移動(dòng)機(jī)構(gòu)不應(yīng)該將管道橫截面全部賭上,而應(yīng)該留有一定的空間和縫隙以便介質(zhì)通過.</p><p>　　3.高度自治的控制系統(tǒng):微管道機(jī)器人要完成檢測、維修作業(yè),其自身定位及環(huán)境的識(shí)別能力是關(guān)鍵,開發(fā)微視覺系統(tǒng),提高微圖像處理速度,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及人工智能等先進(jìn)的技術(shù)來解決控制系統(tǒng)的高度自治難題是極

43、具吸引力的,也是最終自主化的關(guān)鍵.</p><p>　　第三章 鋼管內(nèi)徑測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</p><p>　　檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求：能夠?qū)︿摴艿膬?nèi)表面通過光柵檢測行走裝置進(jìn)行連續(xù)的內(nèi)徑檢測，并能夠?qū)ν膺M(jìn)行及時(shí)的反饋。給與測量人員準(zhǔn)確的信息。 </p><p>　　3. 1測量特點(diǎn)和需求分析</p><p>　　本課題的被測物體是無縫鋼管，測量

44、的目標(biāo)表面的基本幾何模型是一個(gè)“長度/半徑比”較大的圓柱體內(nèi)表面。被測物的典型樣本是無縫鋼管，但本課題所要研究的內(nèi)容比普通的管徑檢測要復(fù)雜，不僅僅是對(duì)無縫鋼管兩端口徑的檢測，也要求對(duì)無縫鋼管的內(nèi)壁管徑進(jìn)行連續(xù)的在線檢測。對(duì)測量裝置的要求也比較復(fù)雜。</p><p>　　被測量零件的表面的幾何形狀是一個(gè)圓柱狀內(nèi)表面，由于激光不能透射過工件表面，測量裝置只能安裝在鋼管的內(nèi)部，其結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足管道測量的特殊要求。即要在有

45、限空間里針對(duì)相應(yīng)的測量原理進(jìn)行裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧裝置的左右端固定、檢測頭的軸向運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的保持特性等。</p><p>　　目前采用的管道光柵測量裝置還處于實(shí)驗(yàn)階段，而且測量的直徑范圍一般都大于50mm。本課題的裝置設(shè)計(jì)上的重點(diǎn)是在原有130mm實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的基礎(chǔ)上分析和改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種適用于直徑為25mm—40mm變化管徑的光學(xué)測量裝置。該測量裝置針對(duì)無縫鋼管測量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，同時(shí)又能適用于其它管或孔的多

46、種測量場合。</p><p>　　3.2 設(shè)計(jì)思路的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　設(shè)計(jì)原理的實(shí)現(xiàn)主要有賴于測量所需的核心部件——光柵檢測裝置設(shè)計(jì)和選型，整個(gè)裝置的固定端的設(shè)計(jì)，然后通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)行走裝置來實(shí)現(xiàn)檢測功能。</p><p>　　左右端的固定：基于所檢測的產(chǎn)品是圓柱形的無縫鋼管，所以左右端的固定方式采用了比較常見的內(nèi)撐式的三角卡盤。</p>

47、<p>　　檢測部件：采用光柵技術(shù)，探頭桿帶動(dòng)探頭在鋼管的內(nèi)壁滑動(dòng)，探頭與內(nèi)壁接觸使光柵尺有一個(gè)準(zhǔn)確的感應(yīng)數(shù)值，進(jìn)而通過連接裝置對(duì)外向計(jì)算機(jī)輸出鋼管內(nèi)徑的檢測數(shù)值。從而實(shí)現(xiàn)檢測的目的。</p><p>　　3.3 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　從各部分的功能特性上劃分，無縫鋼管內(nèi)徑測量裝置的總體結(jié)構(gòu)由電機(jī)，左端固定部分，右端固定部分，檢測部分、采集與控制部分、計(jì)算機(jī)系

48、統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和被測物體等組成。</p><p>　　工作原理：首先將整個(gè)裝置固定，左端右端的固定方式采用三角爪子直接固定在被測鋼管的兩端，從而實(shí)現(xiàn)整套裝置的定位。傳動(dòng)部分用滾珠絲杠與電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器直接連接，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)檢測裝置在滾珠絲杠上面滑行來達(dá)到連續(xù)檢測鋼管內(nèi)徑的目的。</p><p>　　具體的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。</p><p>

49、;　　圖3.1 測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　3.4 檢測部分</b></p><p>　　3.4.1檢測裝置的組成與工作原理</p><p>　　系統(tǒng)的檢測部分是無縫鋼管內(nèi)徑測量裝置的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)徑測量的執(zhí)行部件。它主要是由光柵測量裝置和定心支撐裝置、傳動(dòng)控制裝置組成。光柵測量裝置由光柵尺、光柵尺讀取頭電路

50、板、探頭、探頭桿等組成。是實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑測量的核心部分。定心支撐裝置保證測量裝置的軸線和鋼管的軸線一致，在伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的牽引下，光柵測量裝置可在鋼管內(nèi)部行走，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)鋼管內(nèi)徑的測量，如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 檢測機(jī)構(gòu)原理圖</p><p>　　1-探頭 2-滑塊安裝架 3-光柵尺讀取頭電路板 4-傳動(dòng)套 5-探頭桿 6-探頭彈簧套

51、 7 光柵讀取頭安裝架</p><p>　　3.5.2行走裝置的設(shè)計(jì)</p><p>　　行走裝置定心支撐機(jī)構(gòu)的主要功能是在測量過程中保證測量裝置的軸線與身管的軸心線重合，具有自定心的作用。同時(shí)，如果身管內(nèi)徑發(fā)生微小變化時(shí)，定心行走裝置應(yīng)能夠適應(yīng)其變化，以保證測量裝置的軸線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。為了方便測量和減少軸的負(fù)荷，因此能在保證實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的情況下應(yīng)該選用盡量少的連接部件，來減少行走單元的重量

52、，同時(shí)對(duì)滾珠絲杠的質(zhì)量要求很高。具體校核見第四章。</p><p>　　行走裝置的核心部件是彈簧和滑塊，彈簧各項(xiàng)參數(shù)的確定將會(huì)直接決定定心機(jī)構(gòu)定心效果的好壞，以及裝置的使用是否方便。如果彈簧力不夠，在測量過程中測量裝置的軸線將會(huì)起伏不定，嚴(yán)重影響測量數(shù)據(jù)。如果彈簧力過大又會(huì)使行走裝置與管壁間的摩擦力增大，使得驅(qū)動(dòng)力加大，增加了驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)難度。因此必須取一個(gè)合適的力并兼顧各項(xiàng)功能。</p><

53、;p>　　壓緊彈簧的各項(xiàng)參數(shù)如下： </p><p>　　1)公稱直徑：=45</p><p><b>　　2)彈簧絲直徑：</b></p><p><b>　　3)彈簧螺距：</b></p><p><b>　　4)圈數(shù)：</b></p><p>

54、;<b>　　5)正常長度：</b></p><p><b>　　6)壓緊長度：</b></p><p>　　3.4.1 左端定位部分</p><p>　　左端定位部分是直接與電機(jī)連接的裝置，因此該部分的設(shè)計(jì)非常重要。它直接關(guān)系到整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響檢測的精確性。該部分采用常用的反撐式三角卡盤，動(dòng)力類型采用氣動(dòng)方式，

55、可方便快速的與不同管徑的鋼管固定，還可以安裝軸向定位器，增加軸向定位精度。</p><p>　　主要的組成部件：定位爪，定位爪壓板，支撐套，端面定位環(huán)，錐套，螺旋套筒，電機(jī)安裝架，彈性聯(lián)軸器等組成。</p><p><b>　　整體結(jié)構(gòu)見圖3-3</b></p><p>　　圖3-3 左端定位裝配圖</p><p>　

56、　3.4.1 右端定位部分</p><p>　　右端固定部分同左端固定部分一樣，同樣采用內(nèi)撐式三角卡盤一鋼管的端部固定，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的定位。</p><p><b>　　右端定位原理圖</b></p><p>　　1-定位爪 2-定位爪壓板 3-楔形套筒 4-楔形套 5-彈簧套筒 6-壓緊彈簧

57、 7-壓緊彈簧套 8-滾輪架</p><p>　　第四章 電機(jī)的選擇</p><p>　　4. 1伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的性能比較</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，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

58、的發(fā)展趨勢，運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。</p><p>　　一、控制精度不同　　兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 1.8°、0.9°，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

59、高性能的步進(jìn)電機(jī)通過細(xì)分后步距角更小。如（sanyo denki）生產(chǎn)的二相混合式步進(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?！　〗涣魉欧姍C(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)

60、2000線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/8000=0.045°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655?！　?#160;      二、低頻特

61、性不同　　步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)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(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常</p><p>　　4. 2伺服電機(jī)的選型原則</p><p>　　一、負(fù)載/電機(jī)慣量比</p><p>　　正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提，此點(diǎn)在

62、高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為突出。伺服系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整跟慣量比有很大的關(guān)系，若負(fù)載電機(jī)的慣量比過大，伺服參數(shù)調(diào)整越趨邊緣化，也越難調(diào)整，振動(dòng)抑制能力也越差，所以控制易變得不穩(wěn)定，在沒有自適應(yīng)調(diào)整的情況下，伺服系統(tǒng)的默認(rèn)參數(shù)在1-3倍負(fù)載電機(jī)慣量比之下，系統(tǒng)會(huì)達(dá)到最佳工作狀態(tài)，這樣就有了負(fù)載電機(jī)慣量比的問題，也就是我們一般所說的慣量匹配問題，如果電機(jī)慣量與負(fù)載慣量不匹配，就會(huì)出現(xiàn)電機(jī)慣量與負(fù)載慣量之間動(dòng)量傳遞時(shí)發(fā)生較大的沖擊。</p&g

63、t;<p><b>　　二、轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　電機(jī)選擇首先應(yīng)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的快速行程速度來計(jì)算，快速行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)，并應(yīng)在接近電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的范圍使用，以有效利用伺服電機(jī)的功率；額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速、允許瞬間轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：允許瞬間轉(zhuǎn)速>最大轉(zhuǎn)速>額定轉(zhuǎn)速。</p><p>　　伺服電機(jī)工作在最低轉(zhuǎn)

64、速和額定轉(zhuǎn)速之間時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，工作在額定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速之間時(shí)為恒功率調(diào)速，在運(yùn)行過程中，恒轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩是負(fù)載的轉(zhuǎn)矩決定，恒功率范圍內(nèi)的功率是負(fù)載的功率決定；恒功率調(diào)速是指電機(jī)低速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大，高速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩小，即輸出功率是恒定的；恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速是指電機(jī)高速、低速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩一樣大，即高速時(shí)輸出功率大，低速是輸出功率小。</p><p><b>　　三、轉(zhuǎn)矩</b></p>&l

65、t;p>　　伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩必須滿足實(shí)際需要，但是不需要留有過多的余量，因?yàn)橐话闱闆r下，其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3倍。</p><p>　　需要注意的是，連續(xù)工作的負(fù)載轉(zhuǎn)矩<伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，機(jī)械系統(tǒng)所需要的最大轉(zhuǎn)矩<伺服電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　在進(jìn)行機(jī)械方面的校核時(shí)，可能還要考慮負(fù)載的機(jī)械特性類型，負(fù)載的機(jī)械特性類型一般有：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，恒功率負(fù)載，二

66、次方律負(fù)載，直線律負(fù)載，混合型負(fù)載。</p><p>　　四、短時(shí)間特性（加減速轉(zhuǎn)矩）</p><p>　　伺服電機(jī)除連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域外，還有段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，如電機(jī)加減速，用最大轉(zhuǎn)矩表示；即使容量相同，最大轉(zhuǎn)矩也會(huì)因各電機(jī)而有所不同。最大轉(zhuǎn)矩影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加減速時(shí)間常數(shù),公式確定所需的電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，選定電機(jī)容量。</p><p><b>　　(4-1) &

67、lt;/b></p><p>　　式中，n—電機(jī)設(shè)定速度，n/min；</p><p>　　JL—電機(jī)軸換算負(fù)載慣量，kgcm2；</p><p>　　JM—電機(jī)慣量，kgcm2；</p><p>　　TMax—電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，；</p><p>　　TL—電機(jī)軸換算負(fù)載（摩擦、非平衡）轉(zhuǎn)矩，N m；</p&

68、gt;<p>　　五、連續(xù)特性（連續(xù)實(shí)效負(fù)載轉(zhuǎn)矩）</p><p>　　對(duì)要求頻繁起動(dòng)、制動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，為避免電機(jī)過熱，必須檢查它在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均方根值，并使它小于電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　4.3 選中伺服電機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)</p><p>　　圖4.1 伺服電機(jī)實(shí)體圖</p><p>　　1、電機(jī)型號(hào)

69、 GYS101DC2-T2A-B (實(shí)物見圖4.1) ;</p><p>　　2、額定轉(zhuǎn)速 3000r/min;</p><p>　　3、額定輸出 0.1kw；</p><p>　　4、額定轉(zhuǎn)矩 0.318 ；</p><p>　　5、最大轉(zhuǎn)矩 0.955 ；</p><p>　　

70、6、額定電流 0.85A;</p><p>　　7、最大電流 2.55A；</p><p>　　8、慣性矩 0.0371×10-4 kgcm2；</p><p>　　9、重量 0.7kg；</p><p>　　4.4伺服電機(jī)安裝使用注意事項(xiàng)</p><p>　　一．

71、伺服電機(jī)油和水的保護(hù)</p><p>　　1.伺服電機(jī)可以用在有水和油滴侵襲的場所但它不是全防水和防油的。因此，伺服電機(jī)不應(yīng)當(dāng)放置或使用在水中或油浸的環(huán)境中。</p><p>　　2.如果伺服電機(jī)連接到減速齒輪，使用伺服電機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)加油封，以防止減速齒輪的油進(jìn)入。</p><p>　　3.伺服電機(jī)的電纜不要浸沒在油或水中。</p><p>　　

72、二．伺服電機(jī)電纜減輕應(yīng)力</p><p>　　1.確保電纜不因外部彎曲力或自身重量而受到力矩或垂直負(fù)荷，尤其是電纜出口處或連接處。</p><p>　　2.在伺服電機(jī)移動(dòng)的情況下，應(yīng)把電纜（隨電機(jī)配置的）牢固的固定在一個(gè)靜止（相對(duì)于電機(jī)）的部分，并且應(yīng)當(dāng)用一個(gè)裝在電纜支座里的附加電纜來延長它這樣彎曲應(yīng)力就可以減到最小。</p><p>　　3.電纜的彎頭半徑盡可能大

73、。</p><p>　　三．伺服電機(jī)允許的軸端負(fù)載</p><p>　　1.在安裝一個(gè)剛性聯(lián)軸器時(shí)要格外小心，特別是過度的彎曲負(fù)荷可能導(dǎo)致軸端和軸承的損壞或磨損。</p><p>　　2.最好用柔性聯(lián)軸器，以便使徑向負(fù)荷低于允許值，此物是專為高機(jī)械強(qiáng)度的伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的。</p><p>　　四．伺服電機(jī)安裝注意</p><

74、p>　　1.在安裝、拆卸耦合部件到伺服電機(jī)軸端時(shí)，不要用錘子直接敲打軸端（錘子直接敲打軸端，伺服電機(jī)軸另一端的編碼器要被敲壞）。</p><p>　　2.竭力使軸端對(duì)齊到最佳狀態(tài)(對(duì)不齊，可能導(dǎo)致振動(dòng)或軸承損壞)。</p><p>　　第五章 主要部件的計(jì)算</p><p>　　5. 1 滾珠絲杠的校核</p><p>　　5.1.1

75、 計(jì)算滾珠絲杠副的主要參數(shù)</p><p>　　根據(jù)工作條件（平穩(wěn)或輕度沖擊），載荷系數(shù) fd=1.0～1.2,靜態(tài)安全系數(shù)，sj=1.0～2.0</p><p>　　計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 (5-1) </p><p>　　計(jì)算當(dāng)量載荷

76、 (5-2)</p><p>　　初步確定絲杠導(dǎo) (5-3)</p><p>　　計(jì)算絲杠預(yù)期工作轉(zhuǎn)速 (5-4)</p><p>　　計(jì)算絲杠所需的額定載荷

77、 (5-5)</p><p>　　5.1.2 三個(gè)方向滾珠絲杠副的校核</p><p>　　5.1.2.1 X軸校核</p><p><b>　　(1)穩(wěn)定性校核</b></p><p>　　工作載荷F=檢測頭裝置的重量=mg= 1.501×9.8＝14.710N (5-6)</p>

78、<p>　　彈性模量 E=2×105 N/mm2 </p><p><b>　　螺桿受壓長度 </b></p><p>　　螺桿小徑 10 mm</p><p>　　細(xì)長比 (5-7)</p><p><b>　　需校核<

79、/b></p><p>　　螺桿慣性矩 (5-8)</p><p>　　臨界載荷 (5-9)</p><p>　　2.5～4 (5-10)</p><p><b>　　穩(wěn)定性校核通過&l

80、t;/b></p><p><b>　　(2)極限速度校核</b></p><p>　　兩支撐間的最大距離(左、右端定位間的距離)=1000mm (5-11)</p><p>　　臨界轉(zhuǎn)速 r/min (5-12)</p><p>　　最大工作轉(zhuǎn)速 r/min

81、 (5-13)</p><p><b>　　通過校核</b></p><p>　　(3)絲杠副的剛度與變形計(jì)算</p><p>　　絲杠的剛度由絲杠的拉壓剛度、螺母支撐剛度和螺紋滾道接觸剛度R組成</p><p><b>　　(5-14)</b></p><

82、;p>　　當(dāng)絲杠支撐為兩端固定時(shí)，絲杠的抗拉剛度</p><p><b>　　(5-15)</b></p><p>　　式中：間絲杠的距離—兩端支撐</p><p><b>　　螺母的支撐剛度</b></p><p><b>　　(5-16)</b></p>

83、<p>　　式中：—螺母支撐面至有效滾道間長度</p><p>　　螺紋滾道接觸剛度 </p><p><b>　　(5-17)</b></p><p>　　當(dāng)預(yù)拉力時(shí)，接觸剛度</p><p><b>　　(5-18)</b></p><p><b>

84、;　　(5-19)</b></p><p><b>　　滾珠絲杠副的變形量</b></p><p><b>　　(5-20)</b></p><p>　　滾珠絲杠軸承的變形量</p><p><b>　　因?yàn)槭墙墙佑|球軸承</b></p><p&

85、gt;<b>　　(5-21)</b></p><p>　　式中：—軸承滾動(dòng)體數(shù)目</p><p><b>　　—軸承滾動(dòng)體直徑</b></p><p><b>　　—軸承接觸角</b></p><p>　　絲杠副變形量與軸承變形量之和小于許用變形量的一半，滿足要求。</

86、p><p><b>　　預(yù)緊轉(zhuǎn)矩計(jì)算</b></p><p><b>　　(5-22)</b></p><p><b>　　式中：—傳動(dòng)效率</b></p><p>　　5.1.2.2 Y軸校核</p><p><b>　　(1)穩(wěn)定性校核<

87、/b></p><p>　　工作載荷 F=電動(dòng)機(jī)的重量+檢測頭裝置的重量=(0.7+1.501)×9.8=21.57N</p><p><b>　　彈性模量 </b></p><p><b>　　絲杠受壓長度 </b></p><p>　　絲杠小徑 12mm</p>

88、<p>　　細(xì)長比 (5-23) </p><p>　　166.740 需校核</p><p>　　螺桿慣性矩 (5-24)</p><p>　　臨界載荷 (5-25)</p><p>　　2.5～4

89、 (5-26)</p><p><b>　　穩(wěn)定性校核通過</b></p><p><b>　　(2)極限速度校核</b></p><p>　　兩支撐間的最大距離(左、右端定位間的距離)=1000mm (5-27)</p><

90、;p>　　臨界轉(zhuǎn)速 r/min (5-28)</p><p>　　最大工作轉(zhuǎn)速 r/min (5-29)</p><p><b>　　通過校核</b></p><p>　　(3) 絲杠副的剛度與變形計(jì)算</p><p>　　絲杠的剛度由絲杠的拉壓剛度、螺母支

91、撐剛度和螺紋滾道接觸剛度R組成</p><p><b>　　(5-30)</b></p><p>　　當(dāng)絲杠支撐為兩端固定時(shí)，絲杠的抗拉剛度</p><p><b>　　(5-31)</b></p><p>　　式中：—兩端支撐間絲杠的距離</p><p><b>

92、　　螺母的支撐剛度</b></p><p><b>　　(5-32)</b></p><p>　　式中：—螺母支撐面至有效滾道間長度</p><p>　　螺紋滾道接觸剛度 </p><p><b>　　(5-33)</b></p><p>　　當(dāng)預(yù)拉力時(shí)，接觸剛

93、度</p><p><b>　　(5-34)</b></p><p><b>　　(5-35)</b></p><p><b>　　滾珠絲杠副的變形量</b></p><p><b>　　(5-36)</b></p><p>　　滾

94、珠絲杠軸承的變形量</p><p><b>　　因?yàn)槭墙墙佑|球軸承</b></p><p><b>　　(5-37)</b></p><p>　　式中：—軸承滾動(dòng)體數(shù)目</p><p><b>　　—軸承滾動(dòng)體直徑</b></p><p><b&g

95、t;　　—軸承接觸角</b></p><p>　　絲杠副變形量與軸承變形量之和小于許用變形量的一半，滿足要求。</p><p><b>　　預(yù)緊轉(zhuǎn)矩計(jì)算</b></p><p><b>　　(5-38)</b></p><p><b>　　式中：—傳動(dòng)效率</b>&

96、lt;/p><p>　　5.1.2.1 Z軸校核</p><p><b>　　(1)穩(wěn)定性校核</b></p><p>　　Z軸不受壓，故不用做穩(wěn)定性校核</p><p><b>　　(2)極限速度校核</b></p><p>　　兩支撐間的最大距離(左、右端定位間的距離) =1

97、000mm (5-39)</p><p>　　臨界轉(zhuǎn)速 r/min (5-40)</p><p>　　最大工作轉(zhuǎn)速 r/min (5-41)</p><p><b>　　通過校核</b></p><p>　　(3)絲杠副的剛度與變形計(jì)算<

98、/p><p>　　絲杠的剛度由絲杠的拉壓剛度、螺母支撐剛度和螺紋滾道接觸剛度R組成</p><p><b>　　(5-42)</b></p><p>　　當(dāng)絲杠支撐為兩端固定時(shí)，絲杠的抗拉剛度</p><p><b>　　(5-43)</b></p><p>　　式中：—兩端支撐

99、間絲杠的距離</p><p><b>　　螺母的支撐剛度</b></p><p><b>　　(5-44)</b></p><p>　　式中：—螺母支撐面至有效滾道間長度</p><p>　　螺紋滾道接觸剛度 </p><p><b>　　(5-45)</b

100、></p><p>　　當(dāng)預(yù)拉力時(shí)，接觸剛度</p><p><b>　　(5-46)</b></p><p><b>　　(5-47)</b></p><p><b>　　滾珠絲杠副的變形量</b></p><p><b>　　(5-4

101、8)</b></p><p>　　滾珠絲杠軸承的變形量</p><p><b>　　因?yàn)槭墙墙佑|球軸承</b></p><p><b>　　(5-49)</b></p><p>　　式中：—軸承滾動(dòng)體數(shù)目</p><p><b>　　—軸承滾動(dòng)體直徑&l

102、t;/b></p><p><b>　　—軸承接觸角</b></p><p>　　絲杠副變形量與軸承變形量之和小于許用變形量的一半，滿足要求。</p><p><b>　　預(yù)緊轉(zhuǎn)矩計(jì)算</b></p><p><b>　　(5-50)</b></p><

103、;p>　　式中：—傳動(dòng)效率 </p><p>　　5. 2 滾動(dòng)軸承的校核</p><p>　　5.2.1滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算</p><p>　　計(jì)算滾動(dòng)軸承基本壽命的公式：</p><p><b>　　(5-51)</b></p><p>　　式中: —以小時(shí)為單位的基本額定壽命(r/m

104、in);</p><p>　　C—基本額定動(dòng)載荷(N)；</p><p>　　P—當(dāng)量動(dòng)載荷(N)；</p><p>　　—壽命指數(shù)，對(duì)球軸承=3，滾子軸承=10/3</p><p>　　(1) X軸滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算</p><p>　　當(dāng)量動(dòng)載荷 (5-52)</p><p&g

105、t;　　式中：—徑向載荷(N);</p><p><b>　　—軸向載荷(N);</b></p><p>　　、—徑向系數(shù)和軸向系數(shù)； =1，=0</p><p>　　—沖擊載荷系數(shù)；=1.2 ～1.8，取=1.5</p><p>　　滾動(dòng)軸承的基本額定壽命</p><p><b>　

106、　(5-53)</b></p><p><b>　　滿足要求</b></p><p>　　(2)Y軸滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算</p><p>　　當(dāng)量動(dòng)載荷 (5-54)</p><p>　　式中：—徑向載荷(N);</p><p><b>　　—

107、軸向載荷(N);</b></p><p>　　、—徑向系數(shù)和軸向系數(shù)； =1，=0</p><p>　　—沖擊載荷系數(shù)；=1.2 ～1.8，取=1.5</p><p>　　滾動(dòng)軸承的基本額定壽命</p><p><b>　　(5-55)</b></p><p><b>　　

108、所以滿足要求</b></p><p><b>　　5. 3 鍵的校核</b></p><p>　　平鍵連接的可能實(shí)效形式有較弱零件工作面被壓潰、磨損、鍵的剪斷等。對(duì)于實(shí)際采用的材料和標(biāo)準(zhǔn)尺寸來說，壓潰和磨損常是主要失效形式，所以通常只進(jìn)行鍵連接的擠壓強(qiáng)度或耐磨性計(jì)算。</p><p>　　靜連接時(shí)，強(qiáng)度條件為：

109、 (5-56)</p><p>　　式中：—鍵連接工作表面的擠壓應(yīng)力(Mpa);</p><p><b>　　T—轉(zhuǎn)矩();</b></p><p><b>　　—軸的直徑()； </b></p><p><b>　　—鍵的接觸長度；</b

110、></p><p>　　—鍵與輪轂接觸剛度(，)；</p><p>　　5.3.1 X 鍵的校核</p><p><b>　　(5-57)</b></p><p>　　5.3.1 Y 鍵的校核</p><p><b>　　(5-58)</b></p>&l

111、t;p>　　5.3.1 Z 鍵的校核</p><p><b>　　(5-59) </b></p><p>　　第六章 潤滑與維修</p><p>　　隨著我國工程機(jī)械化水平的不斷提高，工程機(jī)械已成為影響工程進(jìn)度、質(zhì)量和成本的關(guān)鍵因素。保證工程機(jī)械經(jīng)常處于良好狀態(tài)、提高利用率、延長使用壽命，已是相關(guān)企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益和增強(qiáng)競爭能力的重要環(huán)節(jié)

112、。但由于在很多企業(yè)中，對(duì)機(jī)械設(shè)備普遍存在重使用、輕管理的思想，使其管理、使用與維修保養(yǎng)均存在不少問題。其中維修是恢復(fù)工程機(jī)械技術(shù)性能，排除故障及消除故障隱患，延長機(jī)械使用壽命的有效手段。因此，維修好機(jī)械設(shè)備，對(duì)提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)市場競爭能力、進(jìn)一步發(fā)展企業(yè)的機(jī)械化生產(chǎn)、降低安全事故的發(fā)生率極為有用。</p><p>　　工程機(jī)械的磨損分為有形磨損和無形磨損。項(xiàng)目使用機(jī)械時(shí)，由于摩擦、震動(dòng)使機(jī)械發(fā)生了形體磨

113、損。這是機(jī)械的主要磨損形式，這種磨損在機(jī)械的不同使用期也有所不同。機(jī)械在閑置停放中也要產(chǎn)生形體磨損。它主要由自然力作用引起，如溫度、濕度、灰塵、有害氣體等的影響，使其發(fā)生銹蝕、老化、變形等現(xiàn)象。項(xiàng)目使用和停放中發(fā)生的機(jī)械磨損都將使零部件的原始尺寸發(fā)生變化，改變零部件之間的形位公差，從而導(dǎo)致機(jī)械喪失精度，性能衰退，直至喪失工作能力。維修根據(jù)其目的與時(shí)機(jī)通?？梢苑譃椋?1)恢復(fù)性維修，又稱排除故障維修，是設(shè)備發(fā)生故障后使其恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)

114、行的全部活動(dòng)。它可以包括下屬一項(xiàng)或幾項(xiàng)活動(dòng)：故障定位、故障隔離、分解、更換、再裝、調(diào)準(zhǔn)及檢測等?；謴?fù)性維修常常是非計(jì)劃的。(2)預(yù)防性維修，通過對(duì)設(shè)備的系統(tǒng)檢查、檢測和發(fā)現(xiàn)故障征兆并采取措施以防止故障發(fā)生，使其保持在規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動(dòng)。它包括潤滑、操作人員監(jiān)控、定期檢查、定期維修和更換等工作。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工程機(jī)械設(shè)備維修不再是一種簡單的零部件更換或個(gè)人單打獨(dú)斗的工作模式，而是通過綜合的技術(shù)措施，使設(shè)備恢復(fù)和保持其技術(shù)性能的

115、可靠性、耐用性，使之發(fā)揮最大的機(jī)械</p><p>　　工程機(jī)械維修工作的原則工程機(jī)械維修工作不是簡單的通過各自的技術(shù)勞動(dòng)，解決具體的技術(shù)問題，而是需要不同類別的專業(yè)技術(shù)人員共同解決一些帶有共性的問題，并拿出最佳方案，以最經(jīng)濟(jì)的方式予以解決。機(jī)械維修工作原則應(yīng)從原則規(guī)定和技術(shù)要求兩個(gè)層面理解：第一原則是必須能保證工程機(jī)械通過維修達(dá)到使用要求，且可靠性、耐用性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；第二原則是以最少的人力、物力和較短的時(shí)間消

116、耗達(dá)到這一要求。</p><p>　　第七章 經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析</p><p>　　設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)器，或者使用一臺(tái)機(jī)器，要考慮許多方面，有質(zhì)量、價(jià)值、經(jīng)濟(jì)性、安全性等各個(gè)方面的內(nèi)容。我們?cè)O(shè)計(jì)一件產(chǎn)品或其它方面的東西都要考慮其經(jīng)濟(jì)方面。</p><p>　　設(shè)計(jì)或選擇機(jī)器時(shí)，應(yīng)該使所設(shè)計(jì)或選擇的機(jī)器盡量滿足生產(chǎn)過程和工藝系統(tǒng)的要求。設(shè)計(jì)或選擇的機(jī)器應(yīng)該力求它們的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。各

117、種機(jī)器在使用中的排序應(yīng)該充分考慮各自的傳動(dòng)特點(diǎn)和適應(yīng)條件。在經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的前提下，要盡量選擇效率高的機(jī)器。</p><p>　　設(shè)計(jì)或是選擇機(jī)器時(shí)，要使機(jī)器的尺寸大小盡量合理。在滿足使用功能的前提下重量盡量的小，使用壽命要長，效率要高，機(jī)器的成本要低，使用維護(hù)要方便，機(jī)器的布置要合理，機(jī)器的連續(xù)工作時(shí)間要長，需要維修的次數(shù)要少，運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，技術(shù)價(jià)值要高等等。</p><p>　　我們機(jī)械專業(yè)就