【文章內(nèi)容簡介】 石油管道過渡帶是兩管道接頭的部分，因為形狀不規(guī)則，不適合直接測量，因此我們利用激光位移傳感器來進行非接觸式的測試，這樣就有效的避免直接測量帶來的傳感器損壞問題，并且還可以對過渡帶內(nèi)表面進行有效的測量。圖 所示的是整個檢測系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)運行是通過單片機發(fā)出一定的脈沖信號，控制步進電機按照所設(shè)定的方式轉(zhuǎn)動，帶動絲杠按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動從而帶動滾珠絲杠螺母運動，這樣可以帶動螺母副上第二臺電動機運動，和電動機軸相連接的獨立軸上接有激光傳感器，這樣就能把傳感器運送到管道內(nèi)部需要檢測的指定位置，然后單片機對第二臺電動機發(fā)送脈沖信號，控制傳感器的旋轉(zhuǎn)從而進行管道內(nèi)表面圓周方向的檢測。傳感器把檢測得到的信號輸出，并經(jīng)過電感測微儀進行放大，再由 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送到單片機，然后單片機對采集來的信號進行即時分析和處理，得到相應(yīng)的結(jié)果。 圖 測試系統(tǒng)示意圖濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 數(shù)據(jù)處理本作品所設(shè)計的這樣檢測平臺包括兩臺步進電機，做兩個運動，這兩個運動都是靠單片機進行發(fā)出的脈沖數(shù)進行控制的。第一臺步進電機通過絲桿帶動檢測平臺在 X 軸方向運動，同時，檢測平臺上的第二臺步進電機帶動傳感器進行旋轉(zhuǎn)運動。這樣，兩臺步進電機完成了傳感器的 X 軸方向的進給運動和沿 X 軸向的旋轉(zhuǎn)運動，其中，進給速度和旋轉(zhuǎn)速度都是通過單片機所設(shè)定的值所控制。通過檢測系統(tǒng)我們可以得到兩組信號：一是檢測平臺在 X 軸上等距離運動的位置坐標(biāo)值，這是由第一臺步進電機帶動滾珠絲杠，滾珠絲杠帶動檢測平臺在 X 軸方向平移得到的；二是傳感器做圓周運動所得到的一組數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是傳感器在管道內(nèi)進行圓周運動，傳感器距管道內(nèi)個點的距離。單片機對數(shù)據(jù)行進處理分析，再通過仿真軟件對管道過渡帶內(nèi)表面的情況進行模擬仿真，更加直觀的得到其內(nèi)表面的情況。我們通過管道過渡帶內(nèi)表面的曲率半徑來分析管道內(nèi)表面的情況，而計算曲率半徑最簡單的方法就是三點擬合法。園的半徑是 R，圓心的坐標(biāo)值是 ，取三個比較相鄰的檢測點的坐標(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)(濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 雖然三點擬合法簡單，僅通過三個點便可計算出曲率半徑，但是，三點擬合法所要求的三個點事相距非常近的三個點，而現(xiàn)實中管道過渡帶內(nèi)表面是非常粗糙的，這樣就會加大在測量過程中的誤差，所得到的檢測結(jié)果也就不是很精確。為了使所得到的結(jié)果更加精確，我們采用多點擬合的法相，這樣就能減小測量誤差，是所得到的值更加接近真實值。 多點擬合法 多點擬合法計算過程如下：設(shè)圓的半徑為 R，圓心的坐標(biāo)值是 。取得管道內(nèi)表面檢測點的坐標(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）化簡為： (8)002??CYXY因為實際管道過渡帶的內(nèi)表面是不規(guī)則的圓形，實際檢測到的坐標(biāo)值與理想值存在一定的誤差，因此，把實際所測得的數(shù)值帶入理想圓是不正確的，存在相當(dāng)大的誤差。我們可以通過偏差函數(shù)來消除實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，所得到的曲率半徑最接近真實值，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?濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 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渡帶內(nèi)表面缺陷部分的曲率半徑 R: CYXR???20（19）在運用最小二乘法進行多點擬合過程中，所取得擬合點越多，得到的結(jié)果就越接近真實值，就可以減小在測量過程中因測量不準(zhǔn)確所造成的誤差。這樣的數(shù)值就能反應(yīng)更加真實的管道過渡帶內(nèi)表面的情況。濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 3 石油管道過渡帶內(nèi)表面缺陷檢測系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 滾珠絲杠副的設(shè)計滾珠絲杠螺母副是各種類型機床中不可缺少的一部分。滾珠絲杠的作用是把回轉(zhuǎn)運動變換成為直線運動。滾珠在絲槽中的滾動從而帶動螺母副的運動，所以產(chǎn)生摩擦力較小。它是一種比較優(yōu)良的的傳動方式。按滾珠的循環(huán)來分，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：1. 不易因磨損而造成損壞，使用壽命比較長，運動準(zhǔn)確性保持比較好。2. 傳動時摩擦比較小，傳動的效率也比較高，小的轉(zhuǎn)矩即可工作。3. 如果提高軸向剛度和反向運動的精度可通過預(yù)緊或減小間隙措施來提高。4. 傳動的靈敏度較高，傳動平穩(wěn)，在運行的過程中精度和定位精比較高。5. 傳動時摩擦比較小，傳動的效率也比較高，小的轉(zhuǎn)矩即可工作6. 運動是可逆的。 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。濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 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，每次絲杠旋轉(zhuǎn)一周時，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，螺母就會相對于是絲杠的軸向移動的距離。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以及標(biāo)注的方法（1）精度等級，滾珠絲杠副精度可以分級為和10級8個等級，表示的精度最高的為1級，其余的隨著數(shù)字降低。通常根據(jù)所需要的定位精度對滾珠絲杠的精度要求為1到5級。（2）標(biāo)注方法：現(xiàn)舉例說明, 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，單個螺母的工，單列排放，精度為C級，絲杠旋向為右旋，絲杠有螺紋部分總長度為800mm，絲杠的總長度為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?；瑒勇菪钡淖饔镁褪侵螜z測臺的重量，絲杠選用的強度能達到支撐平臺的重量即可，同時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45鋼。下面是對絲杠精度要求的計算：絲杠中經(jīng)d的計算，單位mm；通過對專業(yè)課本查找，梯形螺紋和矩形螺紋的設(shè)計公式： []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 《機械設(shè)計》P=10Mpa；整體式螺母，取φ=2；濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 帶入計算 故可得1028.≥≥但是如果絲杠直徑過小，承受能力低于整個平臺的重量，絲杠可能會發(fā)生彎曲變形，直接影響絲杠傳動的精度，所以絲杠的直徑要比計算所得的大一些。根據(jù)計算數(shù)據(jù)和實際因素，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算所得的值，這樣絲杠一定滿足實際的使用要求。根據(jù)設(shè)計方案的需求選擇 W1D2505 型滾珠絲杠副， 圈 1 列內(nèi)循環(huán)單螺母滾珠絲杠副，額定動載荷為 1230N 可以滿足要求，選定絲杠的精度等級為 3 級。絲杠的公稱直徑 為 25mm，絲杠大徑是 ,。絲杠長度 。對傳動效率0d m50?l的計算，過程如下 [5]： （1）)134()(tg39。39。39。?????t??? 滾珠絲桿螺母副的優(yōu)點（1）傳動效率高，在滾珠絲杠副中，自由滾動的滾珠將力與運動在絲杠與螺母之間傳遞。這一傳動方式取代了傳統(tǒng)螺紋絲杠副的絲杠與螺