畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)

1、1.緒論1.1無(wú)損檢測(cè)概述無(wú)損檢測(cè)以不損害被檢測(cè)對(duì)象的使用性能為前提，應(yīng)用多種物理原理和化學(xué)現(xiàn)象，對(duì)各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)間進(jìn)行有效的檢測(cè)和測(cè)試，借以評(píng)價(jià)它們的連續(xù)性、完整性、安全可靠性以及某些物理性能。包括探測(cè)材料或構(gòu)件中是否有缺陷，并對(duì)缺陷的形狀、大小、方向、取向、分布、和內(nèi)含物等情況進(jìn)行判斷，還能提供組織分布、應(yīng)力狀態(tài)以及某些機(jī)械和物理量等信息。20世紀(jì)70年代至90年代是國(guó)際無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的興旺時(shí)期，其特點(diǎn)是微機(jī)技術(shù)不斷向無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域移植和滲透，無(wú)損檢測(cè)本身的新方法和新技術(shù)也不斷出現(xiàn)，使無(wú)損檢測(cè)的時(shí)期得到了很大的提高。復(fù)合材料，膠接材料，陶瓷材料以及記憶合金等功能材料的出現(xiàn)，為無(wú)

2、損檢測(cè)提出了新的檢測(cè)課題。常規(guī)的五大無(wú)損檢測(cè)的方法有：超生檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)。此外還有激光全息無(wú)損檢測(cè)，微波無(wú)損檢測(cè)，紅外無(wú)損檢測(cè)等方法。目前無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用的范圍十分廣泛，已在機(jī)械制造、石油化工、造船、汽車(chē)、航空航天和核能等工業(yè)中被普遍采用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求，特別是產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的質(zhì)量問(wèn)題所造成的事故以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失，使人們更加認(rèn)識(shí)到了無(wú)損檢測(cè)的重要性。在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家中，無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)成為必不可少的重要工具。美國(guó)為了保持它在世界科技中的領(lǐng)先地位，在1979年的一次政府報(bào)告中提出了要成立六大技術(shù)中心，其中之一就是無(wú)損檢測(cè)中心1。美國(guó)前總

3、統(tǒng)里根說(shuō)，如果沒(méi)有先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，美國(guó)就不可能享有眾多領(lǐng)域的領(lǐng)先地位?？梢?jiàn)無(wú)損檢測(cè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性。2 1.2超聲波無(wú)損檢測(cè)概述所謂超生無(wú)損檢測(cè)就是在不損害材料及構(gòu)件的條件下，利用超聲波來(lái)探測(cè)物體表面或內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法。超聲無(wú)損檢測(cè)之所以成為無(wú)損檢測(cè)中的一種重要方法，是由超聲波的特性決定的，超聲波的特性如下:（1）超聲波的指向性好；（2）超聲波的穿透能力強(qiáng)，對(duì)一些金屬材料，其穿透能力可達(dá)數(shù)米；（3）超聲波的能量高（4）遇到界面時(shí)，超聲波間產(chǎn)生反射。折射和波形的轉(zhuǎn)換（5）對(duì)人體無(wú)害3 。1.2.1超聲無(wú)損檢測(cè)的歷史和現(xiàn)狀超聲波的研究經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的歷程，早在1830年，f.savet

4、曾用齒輪第一次產(chǎn)生了24khz的超聲。1876年f.galton用氣哨產(chǎn)生了30khz的超聲，然而人類(lèi)真正科學(xué)地開(kāi)展超聲波技術(shù)的研究還是從1880年j.curie,p.curie 發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)開(kāi)始的。由于海底冰山對(duì)遠(yuǎn)洋海輪有著很大的威脅，1912年有人提出利用超聲波探測(cè)海底冰山的設(shè)想，1916年p.langevin首次致力于研究水下超聲波探測(cè)物體內(nèi)部的缺陷和結(jié)構(gòu)最早是原蘇聯(lián)的sokolov于1929年提出的，并研制了第一臺(tái)連續(xù)波超聲波探傷儀。1931年德國(guó)人在專(zhuān)利中提出了工業(yè)應(yīng)用方案。在第二次世界大戰(zhàn)中，由于雷達(dá)技術(shù)和脈沖技術(shù)的發(fā)展以及戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，大大促進(jìn)了超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。近20年來(lái)，隨著

5、超聲全息、回波頻譜分析、超聲探頭和大規(guī)模集成電路以及計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，使得數(shù)字化、圖像化、智能化、自動(dòng)化技術(shù)變成了研究的熱點(diǎn)。超聲檢測(cè)進(jìn)入了現(xiàn)代發(fā)展階段。1992年10月，在巴西圣保羅召開(kāi)的第十三屆世界無(wú)損檢測(cè)大會(huì)上，成功的展出了計(jì)算機(jī)化寬頻帶超聲探傷儀和數(shù)字化、圖像化、智能化超聲探傷儀，顯示了超聲檢測(cè)向現(xiàn)代化發(fā)展的進(jìn)程。現(xiàn)代超聲檢測(cè)技術(shù)中，數(shù)字化、圖像化、智能化、自動(dòng)化是令人矚目的新技術(shù)，他們不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位、定性和定量的檢測(cè)，而且可以使這些功能自動(dòng)化、智能化，甚至可以使人眼看不見(jiàn)的物體內(nèi)部的缺陷真實(shí)、直觀的以圖像的形式顯示出來(lái)。由于這些新技術(shù)的發(fā)展，極大地克服了傳統(tǒng)超聲檢測(cè)不直觀、

6、判傷難和無(wú)記錄等不足。這也是對(duì)傳統(tǒng)超聲技術(shù)的挑戰(zhàn)，是超聲無(wú)損檢測(cè)發(fā)展的必然結(jié)果。數(shù)字化、智能化超聲儀是傳統(tǒng)超聲儀和計(jì)算機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，他的主要功能是在傳統(tǒng)超聲儀的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字化、智能化儀器的特點(diǎn)，增加了對(duì)超聲檢測(cè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要的記錄、存儲(chǔ)、分析的功能。它不僅使人眼的延伸，而且還可以代替或幫助人們從事檢測(cè)工作，成為人的大腦和手的延伸。圖像化超聲檢測(cè)技術(shù)是在電視技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，目前，已經(jīng)使用的成像技術(shù)包括：超聲b、c掃描成像技術(shù)、超聲顯微成像技術(shù)、alok成像技術(shù)、saft成像技術(shù)、p掃描成像技術(shù)、超聲全息成像技術(shù)、超聲ct成像技術(shù)等。總之，

7、現(xiàn)代超聲檢測(cè)是具有代表性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，具有以下特點(diǎn)：（1） 以計(jì)算機(jī)為核心，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，提高了檢測(cè)效率和檢測(cè)精度。（2） 運(yùn)用人工智能專(zhuān)家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波分析等現(xiàn)代工具，實(shí)現(xiàn)缺陷的定性、定位和定量檢測(cè)，提高了檢測(cè)的可靠性。（3） 在不同程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、數(shù)字化、圖像化和智能化。提高了檢測(cè)的重復(fù)性、直觀性和檢測(cè)效率。 可以預(yù)見(jiàn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能領(lǐng)域的新進(jìn)展，現(xiàn)代超聲檢測(cè)技術(shù)將會(huì)得到飛速發(fā)展，數(shù)字化、圖像化、智能化超聲儀有著廣闊的應(yīng)用前景，將在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮巨大的作用。經(jīng)過(guò)科研工作者的不懈努力，適合不同用途、具有不同功能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比

8、高的數(shù)字化、圖像化、智能化超聲波就設(shè)備將會(huì)問(wèn)世，從而不斷提高超聲檢測(cè)的可靠性。1.2.2超聲無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化發(fā)展的進(jìn)程 自1946年世界上第一臺(tái)超聲探傷儀問(wèn)世至今，超生探傷儀有了很大的發(fā)展和變化。但到目前為止，絕大多數(shù)超聲無(wú)損檢測(cè)方式仍以手工檢測(cè)為主，主要依靠檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)回波信號(hào)來(lái)判斷是否有缺陷以及缺陷的類(lèi)型。由于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)各不相同，所以監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果也不相同。而且隨著產(chǎn)量的不斷增加，手工檢測(cè)不僅人為因素多，而且檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，成本高。特別是對(duì)某些具有危險(xiǎn)性的檢測(cè)，勞動(dòng)保護(hù)將是主要問(wèn)題。為了克服這些不足，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的機(jī)械化、自動(dòng)化，已經(jīng)成為超聲檢測(cè)工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)問(wèn)

9、題之一。近幾年來(lái)，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)無(wú)損檢測(cè)提出了高速度、高精度、高可靠性等要求。超聲檢測(cè)的設(shè)備的自動(dòng)化和儀器的計(jì)算機(jī)化已成為發(fā)展的方向。兩者結(jié)合構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)，使檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可事先輸入計(jì)算機(jī)從而可對(duì)檢測(cè)結(jié)果作出自動(dòng)評(píng)價(jià)。超聲檢測(cè)自動(dòng)化石板隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展起來(lái)的。目前在日本的日剛、新日鐵的各個(gè)分廠、豐田汽車(chē)制造公司、機(jī)器人制造公司、小倉(cāng)電站、松下電器等公司，超聲無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)在大小鋼管、鋼板、輪軸等鋼鐵生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)物理聲學(xué)公司已成功地研制出了四軸自動(dòng)掃描系統(tǒng)適用于各種板、塊、軸累計(jì)曲面等零件的檢測(cè)。法國(guó)sofratest公司的自動(dòng)

10、化管材超聲掃描系統(tǒng)采用韌性軌道，可檢查不同直徑管道的表面或焊縫，全自動(dòng)雙軸步進(jìn)馬達(dá)控制超聲掃描器的定位精度可達(dá)0.05mm。我國(guó)目前已成功地研制生產(chǎn)出了用于探測(cè)平行板夾層、中厚板材、焊縫鋼管、飛行環(huán)形結(jié)構(gòu)件、實(shí)心圓柱形工件、吊環(huán)、輪轂等各種通用或?qū)Ｓ玫臒o(wú)損檢測(cè)設(shè)備、實(shí)現(xiàn)了超聲無(wú)損檢測(cè)的自動(dòng)化和半自動(dòng)化。1.2.3超聲無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì) 信息技術(shù)是促進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合，可以最大限度的從檢測(cè)過(guò)程中獲取信息。目前超聲無(wú)損檢測(cè)正向著數(shù)字信號(hào)處理和成像方面發(fā)展。已經(jīng)成為或正在研究采用的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是：時(shí)間渡越衍射技術(shù)、合成孔徑聚焦技術(shù)、裂譜技術(shù)、到譜技術(shù)、模式

11、識(shí)別和分析、自使用網(wǎng)絡(luò)等?？梢?jiàn)，信息技術(shù)與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的相互融合已經(jīng)是發(fā)展的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)代超聲無(wú)損檢測(cè)中，超聲成像技術(shù)是一種令人矚目的新技術(shù)，無(wú)損檢測(cè)的基本目的是檢測(cè)出物體中的缺陷，并確定其位置、大小和性質(zhì)。物體的超聲圖像可以提供大量的直觀的信息，直接反映物體的聲學(xué)和力學(xué)的性質(zhì)，而這些性質(zhì)恰是應(yīng)用斷力學(xué)評(píng)價(jià)材料的依據(jù)。此外，現(xiàn)代超聲成像技術(shù)大都有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)做出評(píng)價(jià)的功能，使超聲成像成為現(xiàn)代定量無(wú)損檢測(cè)的一種重要技術(shù)。超聲成像在醫(yī)療診斷、地震遙感、地質(zhì)勘探、海洋研究、材料科學(xué)等領(lǐng)域正在日益開(kāi)辟新的用途。超聲成像技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景。隨著新材料的不斷出現(xiàn)和檢測(cè)要求的不斷

12、提高，研制和開(kāi)發(fā)高智能化的超聲檢測(cè)儀器已經(jīng)成為發(fā)展的必然。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展為研制高智能化的超聲檢測(cè)儀器奠定了良好的基礎(chǔ)。未來(lái)的超生檢測(cè)儀器應(yīng)當(dāng)具有如下的特征：（1） 模塊化和插卡化。各種超聲檢測(cè)卡（含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理及接口的插卡）將大量問(wèn)世，借助于高速、高容量計(jì)算機(jī)，超聲檢測(cè)儀器的研制變得比較容易。（2） 高智能化和圖像顯示功能。未來(lái)的超生檢測(cè)儀器應(yīng)該是高智能化的，且檢測(cè)結(jié)果可用圖像顯示出來(lái)。高智能化表現(xiàn)在具有良好的用戶(hù)界面，它能開(kāi)機(jī)后自檢；用菜單選擇儀器測(cè)試參數(shù)；可調(diào)用或可存儲(chǔ)儀器的設(shè)定參數(shù)以及預(yù)祝計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊或傳輸數(shù)據(jù)。（3） 數(shù)據(jù)庫(kù)及自動(dòng)識(shí)別功能。未來(lái)超聲檢測(cè)儀器的一個(gè)

13、重要的進(jìn)步是具有對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的缺陷類(lèi)型進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別以及對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)價(jià)的功能。因此，它應(yīng)當(dāng)擁有比較完備的數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家評(píng)判系統(tǒng)。（4） 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)地研制。各部門(mén)對(duì)超聲檢測(cè)技術(shù)的要求是提高檢測(cè)自動(dòng)化程度和縮短檢測(cè)時(shí)間。特別是在惡劣的環(huán)境下，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)更具有決定意義。1.3本課題研究的意義和內(nèi)容超聲檢測(cè)是一種重要的無(wú)損檢測(cè)，在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著極其重要的地位，超聲無(wú)損檢測(cè)掃描裝置的自動(dòng)化是超聲檢測(cè)實(shí)現(xiàn)圖像化、智能化的前提，將是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)成批產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制的重要手段之一。實(shí)現(xiàn)超聲無(wú)損檢測(cè)的自動(dòng)化對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。超聲無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)掃描系統(tǒng)是實(shí)

14、現(xiàn)超聲無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)部件，是精確實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷定位、定量、定性檢測(cè)的重要保證之一，是提高重復(fù)檢測(cè)精度和檢測(cè)效率的重要手段。在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械零件形狀各異，給超聲檢測(cè)帶來(lái)諸多不便，尤其是一些具有復(fù)雜曲面的零件的超聲無(wú)損檢測(cè)，難度更大。利用一般的三坐標(biāo)自動(dòng)掃描系統(tǒng)將無(wú)法自動(dòng)檢測(cè)。為了解決復(fù)雜曲面零件內(nèi)部超聲檢測(cè)問(wèn)題，確保設(shè)備安全運(yùn)行，本次設(shè)計(jì)將研制五坐標(biāo)超聲無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)掃描系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)研究的超聲無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)掃描系統(tǒng)將以pc機(jī)為核心，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)超聲檢測(cè)自動(dòng)化。該系統(tǒng)采用五個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制五個(gè)軸來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面自動(dòng)掃描，整個(gè)研究?jī)?nèi)容包括：（1） 設(shè)計(jì)五坐標(biāo)自

15、動(dòng)掃描機(jī)械裝置，包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與選擇。（2） 部分零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。 2.超聲波無(wú)損檢測(cè)裝置的總體方案 超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)是保證檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)化的基礎(chǔ)部件，使超聲無(wú)損檢測(cè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、圖像化、智能化的重要前提。它涉及超聲無(wú)損檢測(cè)的檢驗(yàn)精度、效率等問(wèn)題，是將超聲無(wú)損檢測(cè)推向?qū)嵱没?，?shí)現(xiàn)在線的關(guān)鍵。2.1超聲無(wú)損檢測(cè)裝置的簡(jiǎn)介超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)是為自動(dòng)檢測(cè)平面、弧面乃至復(fù)雜形面的的零部件而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，整個(gè)系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入的被檢測(cè)零件的信息，控制探頭沿被檢測(cè)零件表面進(jìn)行掃描，從而獲取超聲信號(hào)。掃描原理如圖2.1（a）為掃描路徑，2.1（b）為探頭與工件的位置關(guān)系。 （a

16、）掃描路徑 （b）探頭與工件的關(guān)系圖2.1超聲掃描原理圖 該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、超聲探傷儀、高速數(shù)據(jù)采集卡、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械裝置等部分組成，其系統(tǒng)原理如圖2.2所示。將被檢測(cè)零件的信息通過(guò)鍵盤(pán)輸入給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行編譯處理，輸出控制信號(hào)給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)發(fā)出指令給機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械裝置帶動(dòng)超聲探傷儀對(duì)零件進(jìn)行掃描，同時(shí)高速數(shù)據(jù)采集卡將超聲探傷儀采集到的數(shù)據(jù)輸送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，并顯示檢測(cè)結(jié)果。 圖2.2超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)原理圖由此可見(jiàn)，超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)在超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，其掃描的速度、精度直接影響檢測(cè)的效率、精度和可靠性，該系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)精密機(jī)械技術(shù)、微

17、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等多門(mén)技術(shù)。本論文僅就機(jī)械子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。2.2超聲無(wú)損檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案 自動(dòng)掃描機(jī)械系統(tǒng)在超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)中的作用是帶動(dòng)探頭沿被檢測(cè)零件表面運(yùn)動(dòng)，并保證在檢測(cè)過(guò)程中探頭方向始終與零件上被檢測(cè)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)重合，從而獲得正確的檢測(cè)信息。為此，本次設(shè)計(jì)五坐標(biāo)超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，三個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)控制探頭檢測(cè)點(diǎn)的空間位置，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)控制探頭的方向，從而達(dá)到檢測(cè)復(fù)雜零件、提高檢測(cè)精度和檢測(cè)效率的目的。五坐標(biāo)機(jī)械裝置原理如圖2.3所示。由三個(gè)直線方向運(yùn)動(dòng)構(gòu)件1、2、3分別完成三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件4、5共同完成x方向和y方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。方案一： 方案一的工作原理是：由2完

18、成x方向的移動(dòng)，由3完成y方向的移動(dòng)，1為z方向的動(dòng)導(dǎo)軌，由1完成z方向的移動(dòng)，由4完成x方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)5使容器旋轉(zhuǎn)90，再利用4完成y方向的旋轉(zhuǎn)。此方案的缺點(diǎn)：（1） 由于容器中會(huì)裝入工件和水再加上旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的重量，為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，電機(jī)應(yīng)該裝入旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的內(nèi)部，用以完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣一來(lái)，電機(jī)需要負(fù)載的重量就會(huì)比較大，以此類(lèi)推，x向移動(dòng)，以及y向移動(dòng)所要負(fù)載的重量就會(huì)越來(lái)越大，從成本方面以及電機(jī)的負(fù)載方面，都不是最佳的選擇。（2） 4為了完成x軸的旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)導(dǎo)軌中需裝上電機(jī)，通過(guò)齒輪嚙合，來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。z向移動(dòng)導(dǎo)軌要實(shí)現(xiàn)z向的直線運(yùn)動(dòng)，如果給它中間安上電機(jī)，不僅不好給電機(jī)固定，而且

19、會(huì)影響z向動(dòng)導(dǎo)軌的穩(wěn)定。方案二：圖2.3超聲自動(dòng)掃描機(jī)械裝置原理圖 方案二克服了以上的缺點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接由4、5來(lái)完成，由電機(jī)直接帶動(dòng)，這樣也減輕了x向和y向的電機(jī)負(fù)載，z向動(dòng)導(dǎo)軌只需要完成z向的的移動(dòng)，這樣也會(huì)減輕z向的負(fù)載，容器避免了轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)防止工件受到磕、碰?？芍^是一舉兩得的好事情，通過(guò)各方面的比較，最總，采取方案二作為此次設(shè)計(jì)的最佳方案。系統(tǒng)使用迪卡爾所標(biāo)系，現(xiàn)對(duì)五個(gè)運(yùn)動(dòng)作如下規(guī)定。（1） x向運(yùn)動(dòng)，定義為沿導(dǎo)軌1的水平方向的運(yùn)動(dòng)，規(guī)定向右為正，行程為50cm（2） y向運(yùn)動(dòng)，定義為沿導(dǎo)軌2的水平方向的運(yùn)動(dòng)，規(guī)定向紙里為正，行程為40cm（3） z向運(yùn)動(dòng)，定義為沿導(dǎo)軌3的豎直方向的運(yùn)動(dòng)

20、，規(guī)定向上為正，行程為60cm（4） a向運(yùn)動(dòng)，定義為繞x軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，規(guī)定在垂直x軸平面oyz內(nèi)投影于y軸夾角的大小，按右手螺旋法則，大拇指方向與x軸正方向一致為正，反之為負(fù)，旋轉(zhuǎn)范圍正負(fù)。（5） b向運(yùn)動(dòng)，定義為繞y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，規(guī)定在垂直y軸平面ozx內(nèi)投影與z軸夾角的大小，按右手螺旋法則，大拇指方向與y軸正方向一致為正，反之為負(fù)，旋轉(zhuǎn)范圍正負(fù)。2.3設(shè)計(jì)參數(shù) x向的檢測(cè)范圍為50cmy向想的檢測(cè)范圍為40cmz向的檢測(cè)范圍為60cm 2.4小結(jié) 超聲自動(dòng)掃描系統(tǒng)是超聲無(wú)損檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要保證，其中涉及機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、伺服技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)等多門(mén)技術(shù)，是典型的機(jī)電一體

21、化產(chǎn)品。超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，本次設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置方案雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是也是超聲裝置設(shè)計(jì)的一次嘗試，為今后的發(fā)展做出一點(diǎn)鋪墊。3.超聲波無(wú)損檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算為了能完成對(duì)復(fù)雜曲面的自動(dòng)掃描，超生自動(dòng)掃描機(jī)械裝置至少要完成x、y、z、a、b五個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是確定任務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式以及機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)和選取，也就是進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.1超聲波無(wú)損檢測(cè)裝置傳動(dòng)方式的確定 自動(dòng)掃描機(jī)械系統(tǒng)作為自動(dòng)掃描系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，它的主要任務(wù)不僅是能完成一系列運(yùn)動(dòng)，而且這一系列運(yùn)動(dòng)必須是由計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)與控制的，面向機(jī)電伺服系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)首先要確定

22、伺服控制方式和伺服電機(jī)。3.1.1伺服控制方式的選擇 機(jī)電一體化中的機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也應(yīng)該是面向伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。伺服系統(tǒng)，亦稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)按控制方式的不同可分為：開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中無(wú)檢測(cè)反饋元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但精度較低；閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)和反饋，并根據(jù)輸出量對(duì)輸入量的實(shí)際偏差進(jìn)行控制，因而精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；半閉環(huán)在反饋控制環(huán)之外，性能介于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。伺服系統(tǒng)的選擇首先應(yīng)該考慮使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和精度，以

23、及良好的快速響應(yīng)性，其次還應(yīng)綜合考慮調(diào)速范圍、負(fù)載能力、可靠性、體積、質(zhì)量以及成本等各個(gè)方面的因素。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，但精度要低于閉環(huán)，五坐標(biāo)無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)掃描裝置的負(fù)載為探頭及其夾具，相對(duì)較小，對(duì)精度的要求也低于相應(yīng)的機(jī)床，綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸和生產(chǎn)成本，本次設(shè)計(jì)決定采用開(kāi)環(huán)控制方式。其控制精度的保證，一方面由采用無(wú)誤差累積的插補(bǔ)方法，另一方面，從提高系統(tǒng)剛度，采用精密導(dǎo)向元件，消除傳動(dòng)間隙上來(lái)進(jìn)行保證。3.1.2控制電機(jī)的選擇 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常從選擇執(zhí)行電機(jī)開(kāi)始。電動(dòng)機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，應(yīng)能方便的實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、平滑的、可逆調(diào)速，對(duì)控制信號(hào)反應(yīng)快捷，才能保證整個(gè)系統(tǒng)帶動(dòng)被控對(duì)象按所需要

24、的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)中常用的電機(jī)有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)等。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)電脈沖馬達(dá)，它可按照輸入的脈沖指令一步步的旋轉(zhuǎn)，可將輸入的數(shù)字指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于成本較低，一舉采用電動(dòng)機(jī)控制，因而被廣泛的應(yīng)用與開(kāi)環(huán)控制中。直流伺服電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)迅速、精度和效率較高、調(diào)速范圍寬、負(fù)載能力大、控制特性?xún)?yōu)良等特點(diǎn)，交流伺服電動(dòng)機(jī)在直流伺服電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電刷與換向器磨損等問(wèn)題，因而被廣泛應(yīng)用于閉環(huán)或半閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中。五坐標(biāo)無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)掃描裝置因采用開(kāi)環(huán)控制，從控制方式、成本、精度等方面綜合考慮，決定采用反應(yīng)時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。其具有如下特點(diǎn)

25、：（1） 位置量與輸入電脈沖數(shù)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，步距誤差不會(huì)積累。（2） 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（3） 控制性能好，在一定的頻率下，能按控制脈沖的要求快速起、停和反轉(zhuǎn)。改變控制脈沖頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就隨著變化，并且可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。（4） 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距角的限制。 所以，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以廣泛用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)，是開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的理想執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有很多種類(lèi)型。按其工作原理，可分為反應(yīng)式、永磁式、永磁感應(yīng)式、機(jī)械諧波式、電磁諧波式、滾切式以及若干混合式等。按勵(lì)磁相數(shù)，有3相、4相、5相、6相甚至8相。按

26、其功率，可分為快速步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)。目前在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用得最廣泛的實(shí)反應(yīng)式功率步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的工作方式如表（3-1）所示。表3-1步進(jìn)電機(jī)工作方式相數(shù)循環(huán)拍數(shù)通電規(guī)律 三相單三拍abca雙三拍abbccaab六拍aabbbcccaa 四相單四拍abcda雙四拍abbccddaab八拍aabbbcccdddaa由步距角計(jì)算可知，循環(huán)拍數(shù)越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大的影響。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)也對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能有很大的影響。為提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進(jìn)電機(jī)，并采用2*m拍工作方式。3

27、.1.3直線傳動(dòng)方式的確定機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)的任務(wù)是把動(dòng)力的機(jī)械能傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上去，機(jī)電一體化系統(tǒng)中機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是面向機(jī)電伺服系統(tǒng)的伺服機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)電有機(jī)結(jié)合的原則，機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)中采用了調(diào)速范圍大、可無(wú)級(jí)調(diào)速的控制電機(jī)，從而節(jié)省了大量用于進(jìn)行變速和換向的齒輪，軸承和軸類(lèi)零件，減少了差生誤差的環(huán)節(jié)，提高了傳動(dòng)效率，因此使機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)也得到了很大的簡(jiǎn)化，其機(jī)械傳動(dòng)方式也有傳統(tǒng)的串聯(lián)或串并聯(lián)方式演變?yōu)椴⒙?lián)的傳動(dòng)方式，即每一個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)都由單獨(dú)的控制電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的子系統(tǒng)來(lái)完成，各個(gè)運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系則由計(jì)算機(jī)來(lái)統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。因此機(jī)電一體化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)鏈短、轉(zhuǎn)動(dòng)

28、慣量小、盡可能采用線性傳遞、無(wú)間隙傳遞等設(shè)計(jì)特點(diǎn)。五坐標(biāo)超生無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)掃描裝置三個(gè)直線方向的運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)可以是齒輪齒條、絲杠螺母或其他形式，齒輪齒條可以獲得較大的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，消除傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)也較復(fù)雜，同步齒形帶本來(lái)是用于傳遞中心距較大的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，如果皮帶上連接上運(yùn)動(dòng)體，再加上導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，就可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)了，將同步齒形帶輪直接安裝在步進(jìn)電機(jī)輸出軸上，同步齒形帶與動(dòng)導(dǎo)軌相連，在靜導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。但是同步齒形帶，傳動(dòng)效率不高，從而對(duì)超

29、聲波無(wú)損檢測(cè)的精度就會(huì)有一定的影響。絲杠螺母，尤其是滾珠絲杠螺母或靜壓絲杠螺母具有較高的傳動(dòng)精度和效率，能夠有效地消除間隙和爬行現(xiàn)象。因此，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪嚙合傳動(dòng)，再通過(guò)滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲母連接件從而帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)了圖3.1所示的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 圖3.1 x、y、z向滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)水平方向的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)以及垂直方向的運(yùn)動(dòng)均采用圖3.1的形式。 1a向電機(jī)，2探頭，3b向電機(jī)圖3.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.1.4旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式的確定自動(dòng)掃描系統(tǒng)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要控制探頭的方向，保證探頭在被檢測(cè)點(diǎn)與被檢測(cè)的表面相垂直，其運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)采用步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)的

30、方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3.2所示。其中b向運(yùn)動(dòng)由b向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)探頭夾具體轉(zhuǎn)動(dòng)，a向運(yùn)動(dòng)由a向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)b向電動(dòng)機(jī)及探頭一起完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3.1.5導(dǎo)向件的選擇導(dǎo)向件的任務(wù)主要是使機(jī)械系統(tǒng)的各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)得到安全的支撐，并能準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)的導(dǎo)向件是導(dǎo)軌，它的作用是導(dǎo)向和支撐。一幅導(dǎo)軌主要有兩部分組成，在工作時(shí)一部分固定不動(dòng)，稱(chēng)為支撐導(dǎo)軌或靜導(dǎo)軌，另一部分相對(duì)支撐導(dǎo)軌作直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為動(dòng)導(dǎo)軌或滑座。作為導(dǎo)軌其應(yīng)滿(mǎn)足精度高、承載能力大、剛度好、摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、精度保持性好、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、便于加工、裝配、調(diào)整和維修、成本低等要求。導(dǎo)軌按結(jié)構(gòu)形式可以分為

31、開(kāi)式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。開(kāi)式導(dǎo)軌是指在部件自重和載荷的作用下，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌的工作面始終保持接觸、貼合。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是不能夠承受較大的（a）開(kāi)式導(dǎo)軌 （b）閉式導(dǎo)軌 圖3.3 開(kāi)始和閉式導(dǎo)軌顛覆力矩的作用。而閉式導(dǎo)軌借助于壓板是導(dǎo)軌承受較大的顛覆力矩作用。如圖3.3所示。根據(jù)導(dǎo)軌副之間的摩擦性質(zhì)，導(dǎo)軌分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌?；瑒?dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌之間為滑動(dòng)摩擦，滑動(dòng)導(dǎo)軌又分為普通話動(dòng)導(dǎo)軌和液體靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖分別如圖3.4（a）、（b）所示圖3.4 滑動(dòng)導(dǎo)軌示意圖（a）普通滑動(dòng)導(dǎo)軌 （b）液體靜壓導(dǎo)軌普通滑動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，剛度好，抗震性強(qiáng)，是機(jī)械產(chǎn)品中最廣泛使用的

32、導(dǎo)軌形式。機(jī)電一體化產(chǎn)品中為了減少磨損，提高定位精度，改善摩擦性質(zhì)，提出選用合適的導(dǎo)軌材料，采用適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ê图庸し椒?。液體靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌動(dòng)靜導(dǎo)軌面之間是純液體磨擦，磨損小、精度保持性好，承載能力大，因此，常用于精密和高精密設(shè)備。滾動(dòng)導(dǎo)軌動(dòng)靜導(dǎo)軌面間為滾動(dòng)磨擦，導(dǎo)軌面間直接放置滾珠、滾柱、滾針等滾動(dòng)體來(lái)實(shí)現(xiàn)兩導(dǎo)軌無(wú)滑動(dòng)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種導(dǎo)軌磨損小、壽命長(zhǎng)，定位精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，適用于工作部件要求移動(dòng)均勻，動(dòng)作靈敏以及定位精度高的場(chǎng)合。五坐標(biāo)超聲無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)掃描裝置主要靠選用合適的插補(bǔ)方法，精度較高的導(dǎo)向元件，無(wú)間隙的傳動(dòng)來(lái)保證系統(tǒng)的精度，同時(shí)還要考慮系統(tǒng)的成本，因此本次設(shè)計(jì)選用燕尾形滑動(dòng)導(dǎo)

33、軌作為無(wú)損檢測(cè)裝置三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖3.5。 圖3.5 燕尾形導(dǎo)軌3.2主要參數(shù)的確定3.2.1電機(jī)型號(hào)的選擇超聲無(wú)損檢測(cè)采用自動(dòng)掃描裝置采用線性傳遞，五個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)分別由五臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)主要考慮的幾個(gè)參數(shù)：步距角、最大靜轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)頻率、運(yùn)行參數(shù)，以及成像其分辨率對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的要求。步距角越小，檢測(cè)的分辨率越高，更能反映工件內(nèi)部缺陷的細(xì)節(jié)信息，電機(jī)的響應(yīng)速度快，整個(gè)系統(tǒng)的效率就能提高。（1） 確定脈沖當(dāng)量，步距角脈沖當(dāng)量小可提高加工精度，但是系統(tǒng)復(fù)雜，綜合考慮本次所設(shè)計(jì)裝置的精度和成本，選取步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量為0.01mm/step,初步確定步距角=1.5/step

34、,快移速度v=1m/min（2） 各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選擇1.x向步進(jìn)電機(jī)的選擇1） 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （1）式中： 脈沖當(dāng)量（mm/p） 步距角（度） 電機(jī)至絲杠的傳動(dòng)效率 x 向電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載為，工件、容器、容器中的水，以及x向工作臺(tái)。=30kg取容器的長(zhǎng)為60cm，寬為50cm, 高為70cm。取水的高度為30cm, =1000kg/m=10000.60.50.3=90kg工作臺(tái)的長(zhǎng)為60cm，寬為50cm，厚為25cm。由于中間做了燕尾形導(dǎo)軌切去的一部分長(zhǎng)為60cm，寬為32cm, 厚為10cm。=0.60.50.025-0.60.320.01=5.58 =7.8510kg/=7.851000

35、5.58=43.803kg+=90+30+43.803=163.803kgg=mg=163.8039.8=1605.2694 n因?yàn)槔玫氖琴N塑導(dǎo)軌，所以f=0.03-0.05p=fg=0.041605.2694=64.21n=0.97=0.85由（1）得=0.02887（n m）2）啟動(dòng)力矩 （nm） （2）由（2）得 =0.072175（nm）3） 最大靜轉(zhuǎn)矩 （nm） （3）由（3）得=0.083（nm）式中由表32查得相數(shù)334455拍數(shù)36485100.50.8660.7070.9070.8090.951 由表32區(qū)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍，這樣選取可得到較高的定位精度且傳動(dòng)平穩(wěn)。從而得=

36、0.8664）步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 （4）由（4）得 =1667根據(jù)所請(qǐng)確定的步距角、最大靜轉(zhuǎn)矩、工作頻率、選擇x向步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為：45bf005-，其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩為20 ncm、最高空載啟動(dòng)頻率3000(step/s)、重量4n、外形尺寸453.2.2滾珠絲杠副的選型計(jì)算 （1）.強(qiáng)度計(jì)算1).強(qiáng)度計(jì)算的原則滾珠絲杠副的強(qiáng)度計(jì)算原則與滾動(dòng)軸承相似，即防止疲勞點(diǎn)蝕。滾珠絲杠在工作過(guò)程中受軸向負(fù)載，使得滾珠和滾道型面間產(chǎn)生解除壓力。對(duì)滾道型面上某一點(diǎn)，是交變解除應(yīng)力。在這種交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后滾珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作能力，這是滾珠絲杠副

37、破壞的主要形式。因此，滾珠絲杠副首先應(yīng)滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度要求。即根據(jù)其額定動(dòng)載荷選用一批相同的滾珠絲杠副，在軸向載荷c作用下，運(yùn)轉(zhuǎn)10轉(zhuǎn)后，其中90%不產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，則c成為這種規(guī)格滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷。額定動(dòng)載荷是滾珠絲杠副的一項(xiàng)性能參數(shù)，可從產(chǎn)品樣本或手冊(cè)中查得。2）.強(qiáng)度計(jì)算 一般情況下，滾珠絲杠副的強(qiáng)度條件是當(dāng)量動(dòng)載荷c（工作中滾珠絲杠副的最大動(dòng)載荷）應(yīng)小于所選的滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷c，即cc。當(dāng)量動(dòng)載荷c（n）的計(jì)算方法與滾動(dòng)軸承相同。滾珠絲杠副的當(dāng)量動(dòng)載荷c為： （n） （5）式中：l壽命，單位：百萬(wàn)轉(zhuǎn)， 其中， （r/min） ：最大的進(jìn)給速度（m/min） ：絲桿螺距（mm）：壽

38、命時(shí)間，取1000015000小時(shí) 軸向平均載荷（n）,一般取 =64.21（n） 精度系數(shù)。1、2、3級(jí)絲杠=1；4、5、6級(jí)絲杠=0.9 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，=1.01.5，一般取1.2 應(yīng)度系數(shù)區(qū)之間表33表33：應(yīng)度系數(shù)：硬度hrc60555045硬度系數(shù)11.223.3由（5）得 (r/min) (百萬(wàn)轉(zhuǎn)).選擇導(dǎo)程 =1m/min=1000mm/min，=200r/min = 取=5mm 因此，初步選滾珠絲杠為25052.5其參數(shù)如下： 公稱(chēng)直徑25、外徑24.5、導(dǎo)程5、螺旋角338、鋼球直徑3.175、額定動(dòng)載荷9610n。（2）.剛度驗(yàn)算滾珠絲杠在軸向載荷的作用下將伸長(zhǎng)或縮短，從材料力

39、學(xué)中得知，滾珠絲杠在軸向載荷的作用下引起單個(gè)螺距t的變化量： （）式中： 絲杠螺距（） 軸向平均載荷（n）,一般取=64.21（n） 彈性模量（n/） 滾珠絲杠的截面積，按內(nèi)徑計(jì)算。 =200 490.625 （）通常用500長(zhǎng)絲杠螺距的變化量應(yīng)小于允許的螺距誤差: = =3.27 =3.27查表得=15 滾珠絲杠合格3.2.3齒輪的確定 在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，為達(dá)到一定的脈沖當(dāng)量，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的步距角、絲杠的導(dǎo)程選定后，可求得步進(jìn)電機(jī)與絲杠之間的齒輪副傳動(dòng)比。齒輪副傳動(dòng)比與步距角、導(dǎo)程之間的關(guān)系為： 一般采用一級(jí)齒輪或二級(jí)齒輪傳動(dòng)，故： 或 z，z為主動(dòng)齒輪齒數(shù)，z，z為從動(dòng)齒輪齒數(shù)。當(dāng)總傳動(dòng)比一定時(shí)

40、，通常按最小負(fù)載慣量原則來(lái)分配齒輪傳動(dòng)比，按該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)，折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量最小。本次設(shè)計(jì)采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)。 傳動(dòng)比為 選取模數(shù)為m=1.5，齒寬系數(shù)=0.7，材料為45鋼z=19，z=19=39.58，取z=40分度圓直徑：齒寬：取，4.校核計(jì)算 1）.絲杠的校核計(jì)算 當(dāng)絲杠受壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)，失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為： 式中： 最大軸向載荷（n）, = p=64.12（n）； ：安全系數(shù)，即2.55；取=4 ：彈性模量； ：螺桿截面的慣性矩（按中經(jīng)計(jì)算） :絲杠的工作長(zhǎng)度（m），取其良知承建的距離；：絲杠的軸端系數(shù)，有支撐條件決定，見(jiàn)表34表34 一端固定一段自由一端固定一端鉸支兩

41、端鉸支兩端固定=2=2/3=1不失穩(wěn)綜合考慮采用一端固定一端鉸支=2/3 絲杠行程：=50cm=0.5m （n） 滿(mǎn)足要求5.折算到步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的負(fù)載力矩的計(jì)算 精確地計(jì)算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩是比較復(fù)雜的，一般都是根據(jù)實(shí)際裝置實(shí)測(cè)求取。在選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，常常是用近似公式，估算出負(fù)載的轉(zhuǎn)矩。 b向電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載為探頭夾具體及探頭1）.負(fù)載轉(zhuǎn)矩 = =7.8（3.141.61.4+3.142.60.6-3.140.52）+2（2.610.4+ 3.140.50.4）+3.140.53.68.9 =54.675（）=0.055（）夾具體1折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸上的傳動(dòng)慣量為： = = = = 4.77

42、夾具體2折算到步進(jìn)電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 = = = = 1645.5（）=1.646（）探頭折算到步進(jìn)電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： =0.0047+1.646+0.118 =1.77=1.772).啟動(dòng)力矩 = 0.18（） 取0.13（）3）.最大靜轉(zhuǎn)矩 4）.步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 = 根據(jù)所確定的步距角、最大靜轉(zhuǎn)矩、工作頻率、選擇b向步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為：28bf001其特性如下最大靜轉(zhuǎn)矩1.8、最高空載啟動(dòng)頻率1800step/s、 重量0.75n、外形尺寸28306.馬大力矩的校核 1）.慣量匹配的計(jì)算 式中：伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位 負(fù)載慣量，單位為：參考手冊(cè)得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣

43、量：則： 根據(jù)慣性匹配條件： 所以，所選電機(jī)滿(mǎn)足慣量匹配條件。2）.馬達(dá)力矩的校核設(shè)快速空載啟動(dòng)所需力矩為，則應(yīng)滿(mǎn)足：空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩 式中：慣量，; ：系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)（或加速時(shí)間），單位為s，=（34）：電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)，單位為s :電機(jī)在執(zhí)行部件快移時(shí)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min由前面的計(jì)算結(jié)果容易求得：取=2s、=600r/min 則： =75可見(jiàn)，馬達(dá)力矩校核合格，由此知所選電機(jī)合適。按照上面的計(jì)算步驟依次選取其余電機(jī)的型號(hào)，從而列出所有的電機(jī)型號(hào)，以及絲杠型號(hào)，齒輪齒數(shù)以及模數(shù)。a向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：36bf003其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩8、最高空載啟動(dòng)頻率3100 s

44、tep/s、重量2n、外形尺寸3643b向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：28bf001其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩1.8、最高空載啟動(dòng)頻率1800 step/s、重量0.75n、外形尺寸2830x向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：45bf005-其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩為20 、最高空載啟動(dòng)頻率3000(step/s)、重量4n、外形尺寸45y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：75bf001其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩40、最高空載啟動(dòng)頻率1250(step/s)、重量10n、外形尺寸55z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：75bf001其特性如下：最大靜轉(zhuǎn)矩40、最高空載啟動(dòng)頻率1250(step/s)、重量10n、外形尺寸55x向滾珠絲杠型號(hào)為：250

45、52.5其參數(shù)如下： 公稱(chēng)直徑25、外徑24.5、導(dǎo)程5、螺旋角338、鋼球直徑3.175、額定動(dòng)載荷9610n。y向滾珠絲杠型號(hào)為：25062.5其參數(shù)如下：公稱(chēng)直徑25、外徑24.5、導(dǎo)程6、螺旋角42、鋼球直徑3.175、額定動(dòng)載荷9610n。z向滾珠絲杠型號(hào)為：20052.5其參數(shù)如下： 公稱(chēng)直徑20、外徑19.5、導(dǎo)程5、螺旋角433、鋼球直徑3.175、額定動(dòng)載荷8630n。x向的齒輪的參數(shù)：模數(shù)為m=1.5，齒寬系數(shù)=0.7，材料為45鋼齒數(shù)：z=19，z=40分度圓直徑：，齒寬：，y向的齒輪的參數(shù)：模數(shù)為m=1.5，齒寬系數(shù)=0.7，材料為45鋼齒數(shù)：z=19，z=48分度圓直

46、徑：，齒寬：， 由于z向傳動(dòng)距離比較大，在綜合考慮顫動(dòng)效率和穩(wěn)定性的因素，因而采用同步齒形帶傳動(dòng)。3.2.4同步齒形帶的選擇 同步齒形帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶通常是以鋼絲繩或玻璃纖維繩等為抗拉層、氯丁橡膠等為基體的帶。工作時(shí)，帶的凸輪與帶輪外緣上的齒槽進(jìn)行嚙合傳動(dòng)。由于抗拉層承載后變形小，能保持同步帶的周節(jié)不變，故帶與帶輪間沒(méi)有相對(duì)的滑動(dòng)，從而保證了同步傳動(dòng)。其主要用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中，這是有其特點(diǎn)決定的。同步齒形帶的優(yōu)點(diǎn)是：1. 無(wú)滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比。2. 預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受的載荷小。3. 帶的厚度小，單位長(zhǎng)度的質(zhì)量小，故允許的線速度較高。4.

47、帶的柔性好，故所用帶輪的直徑可以較小。其主要確定是：安裝時(shí)中心距的要求嚴(yán)格，且價(jià)格較高。 （a）梯形齒 （b）圓弧齒圖3.6同步齒形帶同步齒形帶根據(jù)齒形的不同可分為梯形齒同步齒形帶和圓弧同步齒形帶，其截面形狀如圖3.6所示梯形齒同步齒形帶在傳遞功率是由于應(yīng)力集中在齒根部位，使功率傳遞能力下降，同時(shí)由于與帶輪是圓弧接觸，當(dāng)帶輪直徑較小時(shí)，將使齒形變形，影響與帶輪的嚙合，不僅受力情況不好，而且在速度很高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)與噪音。而圓弧齒同步齒形帶克服了梯形齒同步齒形帶的缺點(diǎn)，均化了應(yīng)力，改善了嚙合，因此，選擇圓弧齒同步齒形帶作為本次設(shè)計(jì)所用。z向齒形帶和帶輪的設(shè)計(jì)1） 齒形帶的確定計(jì)算功率可按下

48、式計(jì)算： 式中：齒形帶所傳遞的功率 工作情況系數(shù)由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：=1.1根據(jù)z向齒形帶所帶的載荷?。?0.5kw 取=kw由表714、715查得：帶的節(jié)距=3、齒高=1.22、帶厚=2.41、帶寬=15根據(jù)齒形帶帶輪的轉(zhuǎn)速n=200r/min以及齒形帶所傳遞的計(jì)算功率=0.5kw，取帶的模數(shù)m=22） 帶輪直徑和寬度的選取 由表3143選取小帶輪的齒數(shù)z=20其參數(shù)如下：節(jié)距p=3、帶輪直徑、允許的最大孔徑為10。傳動(dòng)比： 所以，大帶輪的齒數(shù)取大帶輪的齒數(shù)根據(jù)公式：式中： 大帶輪外徑 節(jié)距節(jié)線差（節(jié)圓與齒頂圓間的距離，由表3153，表3154查得）大輪齒數(shù)查表的得=0.381 帶輪寬度為：由前面知=15，現(xiàn)取=183） 中心距的確定 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求初定中心矩：=95確定帶長(zhǎng)l根據(jù)帶長(zhǎng)公式：式中：初選中心矩（）