【正文】 ?? = ?? = 由（ 1）得 mT =（ N m） 2） 啟動(dòng)力矩 ? ? ?? 2310360 牽PmT ????? ?? mq TT西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 （ N 取水的高度為 30cm, 水? =1000kg/m3 ???水m =1000? ? ? =90kg 工作臺(tái)的長(zhǎng)為 60cm，寬為 50cm，厚為 25cm。 （ 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)裝西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 置的精度和成本，選取步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量為 ,初步確定步距角 =,快移速度 V=1m/min （ 2） 各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的選擇 向步進(jìn)電機(jī)的選擇 ]11[ 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)。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)主要考慮的幾個(gè)參數(shù) ]10[ ：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。 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，精度西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 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)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 。 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。滑動(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 （ a）、（ b）所示 圖 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)品中最廣泛使用的導(dǎo)軌形式。如圖 所示。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是不能夠承受較大的 （ a）開式 導(dǎo)軌 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 （ b）閉式導(dǎo)軌 圖 開始和閉式導(dǎo)軌 顛覆力矩的作用。 導(dǎo)軌按結(jié)構(gòu)形式可以分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。 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)，稱為動(dòng)導(dǎo)軌或滑座。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) 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 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)。 圖 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 的形式。 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。 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)。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。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。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)的工作方式如表（ 31）所示。按其功率，可分為快速步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)。按其工作原理，可分為反應(yīng)式、永磁式、西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 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。 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)，是開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的理想執(zhí)行元件。 （ 4） 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低。 （ 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)。其具有如下特點(diǎn)： （ 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。 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、控制特性優(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。 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。 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)開始。 開環(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)決定采用開環(huán)控制方式。 伺服系統(tǒng)按控制方式的不同可分為：開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)等伺服系統(tǒng)，開環(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，性能介于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。 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) ]7[ 。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 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)。 設(shè)計(jì)參數(shù) X 向的檢測(cè)范圍為 50cm Y 向想的檢測(cè)范圍為 40cm Z 向的檢測(cè)范圍為 60cm 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)等多門技術(shù) ，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 （ 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 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 （ 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)，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) ? ?？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。 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，而且會(huì)影響 Z 向動(dòng)導(dǎo)軌的穩(wěn)定。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。 ，再利用 4 完成 Y 方向的旋轉(zhuǎn)。由三個(gè)直線 方向運(yùn)動(dòng)構(gòu)件 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 5 共同 完成 X 方向和 Y 方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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。本論文僅就機(jī)械子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。將被檢測(cè)零件的信息通過(guò)鍵盤輸入給計(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 。 掃描原理如圖 （ a） 為掃描路徑， （ b）為探頭與工件的位置關(guān)系 ][ 。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） 部分零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。 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。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)。 超聲無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)掃描系統(tǒng)是實(shí)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。 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、智能化的前西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 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。各部門對(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。因此，它應(yīng)當(dāng)擁有比較完備的數(shù)據(jù)庫(kù)和專家評(píng)判系統(tǒng)。 （ 3） 數(shù)據(jù)庫(kù)及自動(dòng)識(shí)別功能。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)。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。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)。超聲成像技術(shù)有著非常廣闊的發(fā)展前景 ][ 。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)。 現(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)。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)、模式識(shí)別和分析、自 使用網(wǎng)絡(luò)等 ]4[ 。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 ]2[ 。 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。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)。 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。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。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)題之一。西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院