工业内窥镜电机助力装置的参数优化设计与试验.pdf
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1、第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言近年来,内窥镜在检测领域炙手可热。内窥镜最早用于人体医学检查,逐渐发展出内窥镜手术机器人等分支1-2。20 世纪 50 年代开始逐渐进入工业检测领域,比如管道检测3、高温工业可视化检测4-5等。目前,现有的工业内窥镜设备基本可以实现无损检测机器内部裂痕、腐蚀等缺陷6,但由于内窥镜结构的限制,在使用时仍存在诸多不足。在进行无损检测时,通常要求检测人员一手持内窥镜,另一手将插入管插入设备内部以便后续进行
2、观察7。传统内窥镜通常是通过控制杆改变机构弯角进而控制内窥镜转向,但长时间操作不可避免地会出现手指疲劳,造成内窥镜控制不稳定、拍照画面不清晰等问题8。为解决推力较大使手指易疲劳的问题,现有技术提出了电动控制弯角方案9,即手指推动操纵杆,操纵杆给予电机指令驱动电机转动,带动钢丝绳移动,实现对弯角的操控10。通过电机驱动实现弯角的过程具有一定的延迟性,易造成内窥镜损坏,影响检测效率和精确度;且电机不会自行回转,操作者在完成弯角操作后如忘记回直,也容易造成内窥镜弯曲部的损坏11。本文提出一种电机助力系统,可在电机正常doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.006工业
3、内窥镜电机助力装置的参数优化设计与试验于永春1,金晓怡1,范瑜1,孔维彪2(1.201620上海市上海工程技术大学机械与汽车工程学院;2.201108上海市上海熠达光电科技有限公司)摘要 为解决现有内窥镜存在的使用时间长、手指易疲劳问题,提出了电机助力系统结构,对关键零部件抱紧装置进行优化设计与试验。首先,利用 ADAMS 软件分析得到抱紧装置摩擦片和助力轴套的角速度曲线图,验证了装置的平稳可靠;再根据不同电机参数下摩擦片的共速时间,结合 MATLAB 软件处理数据得出 2 个参数间的 4 阶关系式并求得最优参数解;最后搭建电机助力系统样机平台,针对不同电机转速分别进行试验。结果表明,当电机转
4、速为52.5()/s,即助力轴套转速为 39()/s 时共速所需时间最少,即电机助力质量最优。试验实例与运动学仿真结果进行对比存在 4.9%的误差,在许可范围内,再次验证了装置的可行性。关键词 工业内窥镜;结构设计;参数优化;试验对比 中图分类号 TH776 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0025-04 引用格式:于永春,金晓怡,范瑜,等.工业内窥镜电机助力装置的参数优化设计与试验 J.农业装备与车辆工程,2023,61(8):25-28.Parameter optimization design and testing of industrial endosc
5、opic motor power deviceYUYongchun1,JINXiaoyi1,FANYu1,KONGWeibiao2(1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China;2.ShanghaiEdascopeOptoelectronicsTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201108,China)AbstractInordertosolvetheproblemoffingerfatiguecausedbyp
6、rolongeduseofexistingendoscopes,themotorpowersystemstructurewssproposed,andthekeycomponentholdingdevicewasdesignedandtested.Firstly,theangularvelocitycurveofthefrictionplateandsleevewasobtainedbyADAMSsoftwaretoverifythestabilityandreliabilityofthedevice.Secondly,ADAMSsoftwarewasusedtoobtainthecommon
7、speedtimeoffrictionplateunderdifferentmotorparameters,combinedwithMATLABsoftwaredataprocessing,thefourthorderrelationshipbetweentwoparameterswasobtainedandtheoptimalparametersolutionwasobtained.Finally,theprototypeplatformofthemotorpowersystemwassetup,andtheexperimentswereconductedfordifferentmotors
8、peeds.Theresultsshowedthat,whenthemotorspeedwassetto52.5()/s,thentheminimumtimewasrequiredforthepowershaftsleevespeedwas39()/s,andthemotorpowerqualitywasoptimal.Therewasa4.9%errorinthecomparisonbetweenthetestexampleandthekinematicsimulationresults,whichonceagainverifiedthefeasibilityofthedevicewithi
9、nthescopeofthepermit.Key wordsindustrialendoscope;structuraldesign;parameteroptimization;trialcomparison基金项目:上海工程技术大学校企合作项目“工业内窥镜结构设计优化与研究”(21)JQ-059)收稿日期:2022-07-0926农业装备与车辆工程 2023 年助力的条件下,提高操作者对阻力的感知,优化操作手感。本研究首先利用 ADAMS 软件分析得到抱紧装置摩擦片和助力轴套的角速度曲线图,确认装置的平稳可靠性;再根据不同电机参数下摩擦片的共速时间,结合 MATLAB 软件处理数据得出 2
10、个参数间的 4 阶关系式,并求得最优参数解;最后搭建电机助力系统样机平台,针对不同电机转速分别进行试验,将试验实例与运动学仿真结果进行对比,检验装置的可行性。1 电机助力系统结构1.1 内窥镜电机助力系统结构内窥镜电机助力系统结构如图 1 所示,主要由驱动摇杆、钢丝绳、转轴、传动装置、抱紧装置以及电机装置组成12。1.2 内窥镜电机助力系统工作原理内窥镜电机助力系统工作原理为驱动摇杆能够上下左右转动,进而带动上下左右侧的钢丝绳卷绕在转轴上,转轴能够相应地顺时针或者逆时针转动,此处以顺时针转动为例:当转轴顺时针转动时,设置于转轴上的驱动轮顺时针转动,并带动其一侧的中间轮顺时针转动,摩擦片在驱动轮
11、的引导和中间轮的限位下向内运动,摩擦片内周面与由电机装置驱动的助力轴套的外周面接触产生摩擦阻力,从而获得电机助力。助力轴套再带动摩擦片顺时针旋转,从而使得驱动轮牵引钢丝绳进而带动向一个方向弯曲。但由于抱紧装置的摩擦片与电机驱动的助力轴套接触时因速度的不同而产生顿挫感,影响使用者的观察判断。所以下文主要对抱紧装置(参见图 2)进行动力学分析并进行试验验证,以得到顿挫感最轻的电机参数。2 动力学分析将抱紧装置的三维模型导入 ADAMS 软件,并设置相应的材料属性、构件颜色和约束驱动等。设置其驱动轮的速度为 15()/s,以电机驱动的助力轴套速度为 30()/s 为例,设置机构运动的时间为3s,步数
12、设定为 200 进行运动学仿真。通过后处理模块观察到仿真动画与工作原理无误,并得到 2个零件的速度变化图像。由于弹簧的存在,图像曲线会有轻微上下浮动。为方便研究讨论,将曲线进行平滑处理,得到的最终图像如图 3、图 4 所示。根据摩擦片和助力轴套的速度曲线图可知,摩擦片前 0.06s 为鼓轮作用下的加速阶段;0.061s 为摩擦片与助力轴套接触时由于存在速度差导致的震荡阶段;13s 为两者达到共速的共同运动阶段。在实际应用中,使用者有时需要助力的时间可能只需 34s。为提升电机助力的效率,在仿真过程中观察发现助力时间与电机转速有关,通过在ADAMS 软件中改变助力轴套的速度可得到不同速度下摩擦片
13、与助力轴套共速的时间差异。结果如表1 所示。图 2 抱紧装置结构示意图Fig.2 Structural schematic diagram of holding device1.驱动摇杆2.钢丝绳3.转轴4.传动装置5.抱紧装置6.电机装置图 1 内窥镜电动助力系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of endoscopic electric power assist system124356图 3 摩擦片速度随时间变化规律Fig.3 Friction sheet velocity changing regularly over time角速度/()/s)25.020.
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