【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 石油管道過(guò)渡帶是兩管道接頭的部分，因?yàn)樾螤畈灰?guī)則，不適合直接測(cè)量，因此我們利用激光位移傳感器來(lái)進(jìn)行非接觸式的測(cè)試，這樣就有效的避免直接測(cè)量帶來(lái)的傳感器損壞問(wèn)題，并且還可以對(duì)過(guò)渡帶內(nèi)表面進(jìn)行有效的測(cè)量。圖 所示的是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)運(yùn)行是通過(guò)單片機(jī)發(fā)出一定的脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)按照所設(shè)定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)絲杠按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)滾珠絲杠螺母運(yùn)動(dòng)，這樣可以帶動(dòng)螺母副上第二臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，和電動(dòng)機(jī)軸相連接的獨(dú)立軸上接有激光傳感器，這樣就能把傳感器運(yùn)送到管道內(nèi)部需要檢測(cè)的指定位置，然后單片機(jī)對(duì)第二臺(tái)電動(dòng)機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，控制傳感器的旋轉(zhuǎn)從而進(jìn)行管道內(nèi)表面圓周方向的檢測(cè)。傳感器把檢測(cè)得到的信號(hào)輸出，并經(jīng)過(guò)電感測(cè)微儀進(jìn)行放大，再由 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送到單片機(jī)，然后單片機(jī)對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行即時(shí)分析和處理，得到相應(yīng)的結(jié)果。 圖 測(cè)試系統(tǒng)示意圖濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 數(shù)據(jù)處理本作品所設(shè)計(jì)的這樣檢測(cè)平臺(tái)包括兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，做兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)都是靠單片機(jī)進(jìn)行發(fā)出的脈沖數(shù)進(jìn)行控制的。第一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲桿帶動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)在 X 軸方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，檢測(cè)平臺(tái)上的第二臺(tái)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)完成了傳感器的 X 軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和沿 X 軸向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中，進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度都是通過(guò)單片機(jī)所設(shè)定的值所控制。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)我們可以得到兩組信號(hào)：一是檢測(cè)平臺(tái)在 X 軸上等距離運(yùn)動(dòng)的位置坐標(biāo)值，這是由第一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)在 X 軸方向平移得到的；二是傳感器做圓周運(yùn)動(dòng)所得到的一組數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是傳感器在管道內(nèi)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，傳感器距管道內(nèi)個(gè)點(diǎn)的距離。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)行進(jìn)處理分析，再通過(guò)仿真軟件對(duì)管道過(guò)渡帶內(nèi)表面的情況進(jìn)行模擬仿真，更加直觀的得到其內(nèi)表面的情況。我們通過(guò)管道過(guò)渡帶內(nèi)表面的曲率半徑來(lái)分析管道內(nèi)表面的情況，而計(jì)算曲率半徑最簡(jiǎn)單的方法就是三點(diǎn)擬合法。園的半徑是 R，圓心的坐標(biāo)值是 ，取三個(gè)比較相鄰的檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo))(0YX，,其中 i =1, 2, 3。則可得到圓的數(shù)學(xué)模型為：)(iYXQ， (1) 2020)()(RYXii ???方程解得： )](()([(2 ))(()))(( 31012131 2312122331210 YXYXXY ???? (2) (3) )()()(3103122310XY??? R= (4)20201)(濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 雖然三點(diǎn)擬合法簡(jiǎn)單，僅通過(guò)三個(gè)點(diǎn)便可計(jì)算出曲率半徑，但是，三點(diǎn)擬合法所要求的三個(gè)點(diǎn)事相距非常近的三個(gè)點(diǎn)，而現(xiàn)實(shí)中管道過(guò)渡帶內(nèi)表面是非常粗糙的，這樣就會(huì)加大在測(cè)量過(guò)程中的誤差，所得到的檢測(cè)結(jié)果也就不是很精確。為了使所得到的結(jié)果更加精確，我們采用多點(diǎn)擬合的法相，這樣就能減小測(cè)量誤差，是所得到的值更加接近真實(shí)值。 多點(diǎn)擬合法 多點(diǎn)擬合法計(jì)算過(guò)程如下：設(shè)圓的半徑為 R，圓心的坐標(biāo)值是 。取得管道內(nèi)表面檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值)(0YX，為 , i =1, 2, 3... n,則可得圓的方程為 [12]：)(iYXQ， (5) 2020)()(R???展開得到： (6) 0)(20202 YXYX設(shè) (7)202RC???則可以將公式（6）化簡(jiǎn)為： (8)002??CYXY因?yàn)閷?shí)際管道過(guò)渡帶的內(nèi)表面是不規(guī)則的圓形，實(shí)際檢測(cè)到的坐標(biāo)值與理想值存在一定的誤差，因此，把實(shí)際所測(cè)得的數(shù)值帶入理想圓是不正確的，存在相當(dāng)大的誤差。我們可以通過(guò)偏差函數(shù)來(lái)消除實(shí)際圓和理想圓存在的誤差。偏差函數(shù)如下： (9)CYXYiiiii ?????002由最小二乘法知，當(dāng)求得 為最小值時(shí)，所得到的曲率半徑最接近真實(shí)值，也就??ni12是我們想要得到的數(shù)值。設(shè)函數(shù) ,由極值條件的下微分方程：??niCYXW120)(， , , (10)0?0YW?C?濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 令 =2[（ ） （ ） 2] 1S?2iXn1i(11) =2[( ) （ ） （ ）] 12SiYX?n1iiY（12） = （ ） 13?)(23ii iX?）（ 2ii（13） =2[（ ） ] 2S2iYn12）（ i（14） = （ ） 23??)(32iiXiY??）（ 2iiX（15）將（9）式帶入（10）式解方程可得： 21230SX???（16） 212330SY（17） ])()()(2[1 200??????iiii YXXnC（18）由以上公式可以得出過(guò)渡帶內(nèi)表面缺陷部分的曲率半徑 R: CYXR???20（19）在運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行多點(diǎn)擬合過(guò)程中，所取得擬合點(diǎn)越多，得到的結(jié)果就越接近真實(shí)值，就可以減小在測(cè)量過(guò)程中因測(cè)量不準(zhǔn)確所造成的誤差。這樣的數(shù)值就能反應(yīng)更加真實(shí)的管道過(guò)渡帶內(nèi)表面的情況。濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3 石油管道過(guò)渡帶內(nèi)表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)滾珠絲杠螺母副是各種類型機(jī)床中不可缺少的一部分。滾珠絲杠的作用是把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換成為直線運(yùn)動(dòng)。滾珠在絲槽中的滾動(dòng)從而帶動(dòng)螺母副的運(yùn)動(dòng)，所以產(chǎn)生摩擦力較小。它是一種比較優(yōu)良的的傳動(dòng)方式。按滾珠的循環(huán)來(lái)分，滾珠絲杠可以分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠絲杠副優(yōu)點(diǎn)：1. 不易因磨損而造成損壞，使用壽命比較長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性保持比較好。2. 傳動(dòng)時(shí)摩擦比較小，傳動(dòng)的效率也比較高，小的轉(zhuǎn)矩即可工作。3. 如果提高軸向剛度和反向運(yùn)動(dòng)的精度可通過(guò)預(yù)緊或減小間隙措施來(lái)提高。4. 傳動(dòng)的靈敏度較高，傳動(dòng)平穩(wěn)，在運(yùn)行的過(guò)程中精度和定位精比較高。5. 傳動(dòng)時(shí)摩擦比較小，傳動(dòng)的效率也比較高，小的轉(zhuǎn)矩即可工作6. 運(yùn)動(dòng)是可逆的。 滾珠絲杠副的主要尺寸 圖 滾珠絲杠副的標(biāo)注絲杠大徑 d1，絲杠小徑 d2，螺母小徑 D3，螺母大徑 D2。濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 公稱直徑 ：滾珠中心到絲杠中心線的垂直距離。0d導(dǎo)程 Ph : 如果螺母不動(dòng)，每次絲杠旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，螺母的在橫向方位的位移。行程 λ：當(dāng)絲杠需要旋轉(zhuǎn)一定的角度時(shí)，螺母就會(huì)相對(duì)于是絲杠的軸向移動(dòng)的距離。滾珠直徑 Dw ：鑲嵌的滾珠螺母與絲杠之間，滾珠直徑與承載能力成正比。 滾珠絲桿副精度等級(jí)以及標(biāo)注的方法（1）精度等級(jí)，滾珠絲杠副精度可以分級(jí)為和10級(jí)8個(gè)等級(jí)，表示的精度最高的為1級(jí)，其余的隨著數(shù)字降低。通常根據(jù)所需要的定位精度對(duì)滾珠絲杠的精度要求為1到5級(jí)。（2）標(biāo)注方法：現(xiàn)舉例說(shuō)明, WD2022 —1/C右—8001200 表示調(diào)隙式的雙螺母滾珠絲杠螺母副，滾珠絲杠的具體參數(shù)為公稱直徑為20mm，絲杠導(dǎo)程為5mm，單個(gè)螺母的工，單列排放，精度為C級(jí)，絲杠旋向?yàn)橛倚?，絲杠有螺紋部分總長(zhǎng)度為800mm，絲杠的總長(zhǎng)度為1200mm。 滾珠絲桿副的選擇滾珠絲杠螺母副的選擇首要確定的是所要選用的結(jié)構(gòu)類型，然后就是確定滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式和螺母副預(yù)緊方式的選用?；瑒?dòng)螺旋副的作用就是支撐檢測(cè)臺(tái)的重量，絲杠選用的強(qiáng)度能達(dá)到支撐平臺(tái)的重量即可，同時(shí)還要考慮絲杠材料的耐磨度?？紤]以上因素我們選用的絲杠的材料時(shí)45鋼。下面是對(duì)絲杠精度要求的計(jì)算：絲杠中經(jīng)d的計(jì)算，單位mm；通過(guò)對(duì)專業(yè)課本查找，梯形螺紋和矩形螺紋的設(shè)計(jì)公式： []PFdφ≥其中：F是軸向載荷，單位N，假設(shè)F=1000N。P是材料的需用應(yīng)力，單位Mpa，轉(zhuǎn)速為低速，則查 《機(jī)械設(shè)計(jì)》P=10Mpa；整體式螺母，取φ=2；濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 帶入計(jì)算 故可得1028.≥≥但是如果絲杠直徑過(guò)小，承受能力低于整個(gè)平臺(tái)的重量，絲杠可能會(huì)發(fā)生彎曲變形，直接影響絲杠傳動(dòng)的精度，所以絲杠的直徑要比計(jì)算所得的大一些。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)際因素，本方案中選用絲杠的公稱直徑為 d=25mm；查表可知：基本導(dǎo)程 Ph=5mm，齒高為 。所選絲杠的公稱直徑大于計(jì)算所得的值，這樣絲杠一定滿足實(shí)際的使用要求。根據(jù)設(shè)計(jì)方案的需求選擇 W1D2505 型滾珠絲杠副， 圈 1 列內(nèi)循環(huán)單螺母滾珠絲杠副，額定動(dòng)載荷為 1230N 可以滿足要求，選定絲杠的精度等級(jí)為 3 級(jí)。絲杠的公稱直徑 為 25mm，絲杠大徑是 ,。絲杠長(zhǎng)度 。對(duì)傳動(dòng)效率0d m50?l的計(jì)算，過(guò)程如下 [5]： （1）)134()(tg39。39。39。?????t??? 滾珠絲桿螺母副的優(yōu)點(diǎn)（1）傳動(dòng)效率高，在滾珠絲杠副中，自由滾動(dòng)的滾珠將力與運(yùn)動(dòng)在絲杠與螺母之間傳遞。這一傳動(dòng)方式取代了傳統(tǒng)螺紋絲杠副的絲杠與螺