大型薄壁筒检测装置机械结构设计.pdf
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1、设 计 与 研 究75大型薄壁筒检测装置机械结构设计郑杰1,2陈志刚1,2文学1,2朱梅玉1,2刘志辉1,2朱科军1,2(1.邵阳学院 机械与能源工程学院,邵阳 422000;2.高效动力系统智能制造湖南省重点实验室,邵阳 422000)摘要:薄壁筒形件反旋工艺的成形特点使其自身柔性大、稳定性差,而易变形的结构特性使其旋压后成形精度判别困难。以旋压成形后的薄壁筒形件为研究对象,结合其结构特性,提出基于激光三角法的线激光位移传感器检测方法。根据非接触式激光检测方法设计装置的总体检测方案,依据检测方案设计检测装置的机械结构,并运用 SolidWorks 建立了检测装置的三维模型。关键词:薄壁筒尺寸
2、检测;激光三角法;机械结构;三维模型Mechanical Structure Design of Large Thin-Walled Cylinder Detection DeviceZHENG Jie1,2,CHEN Zhigang1,2,WEN Xue1,2,ZHU Meiyu1,2,LIU Zhihui1,2,ZHU Kejun1,2(1.School of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000;2.Hunan Provincial Key Laboratory of Intellige
3、nt Manufacturing for Efficient Power System,Shaoyang 422000)Abstract:The forming characteristics of thin-walled cylindrical parts in the reverse spinning process make it flexible and unstable,and the structure characteristics of easy deformation make it difficult to distinguish the forming accuracy
4、after spinning.Based on the structure characteristics of thin-walled cylindrical parts after spinning forming,a new detection method of linear laser displacement sensor based on laser triangulation method is proposed in this paper.According to the non-contact laser detection method,the overall detec
5、tion scheme of the device is designed,and the mechanical structure of the detection device is designed according to the detection scheme.The three-dimensional model of the detection device is established by using SolidWorks.Keywords:thin-walled cylinder size detection;laser triangulation method;mech
6、anical structure;three-dimensional model薄壁筒旋压成形过程中,相应的外径、内径、长度及壁厚都是时变的状态。壁薄、易变形的结构特点增加了制造过程中尺寸精度控制的难度,同时为薄壁筒成形精度的检测带来了挑战。在薄壁筒形件的成形精度检测中,因接触式检测方式易造成工件变形无法得到真实的轮廓数据,促使非接触式检测方式逐渐受到研究学者的青睐。谭志强等设计了薄壁筒形零件超声在线检测系统,可实现薄壁药筒金属缺陷的在线、定量、定位自动识别检测1。李邦义等将光栅投影到薄壁壳体上,并用电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)相机采集投影光栅,通过图像处
7、理得到工件圆度和外径信息2。这两种非接触式检测中超声波法主要应用于工件的探伤及壁厚检测,而机器视觉检测受光照及景深问题,对使用环境和工作场合的要求较高。结合薄壁筒形件的结构特点与测量需求,激光检测成为一种有效的手段。SCHALK 等利用激光位移传感器和集成现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA),提出一种基于激光三角法的管道偏心测量系统,通过估算管道上切点的位置来估计管道的偏心度,并将其作为直线度的度量3。赵士磊等提出了一种激光非接触式大尺寸内径自动测量系统,并与 FARO 激光跟踪仪测量结果比较,能够实现内径几何参数的准确测量4。郝金超等提出了
8、一种薄壁筒形零件径向尺寸测量方法,使得薄壁筒壁厚的测量精度可达 20 m5。朱建杰等提出了一种基于激光三角法的高准确度管状物内轮廓测量方法,打破了传统定心测径的桎梏,使得内径检测结果误差控制在 5 m 范围内6。关于筒形件的激光检测主要采用点激光位移传感器,单点激光旋转扫描受回转误差的影响较大。结合薄壁筒形件的结构特性和现有检测方法,采用线激光位移传感器可以减小回转误差,且更易于测量头的定心流程。因此,以旋压成形后的薄壁筒形件为研究对象,利用激光三角法原理,提出基于线激光位移传感器的非接触式激光检测,并对检测装置进行机械结构设计。1薄壁筒结构特性与检测方法1.1薄壁筒结构特性旋压工艺由于其先进
9、性、经济性和实用性,广泛基金项目:湖南省自然科学基金项目(2021JJ30631);湖南省市联合基金项目(2022JJ50243);湖南省教育厅优秀青年项目(20B534);邵阳市科技局计划项目(2021GZ040);邵阳学院研究生科研创新项目(CX2022SY064)。现 代 制 造 技 术 与 装 备762023 年第 9 期总第 322 期用于薄壁筒形件成形。文章以旋压成形后的薄壁筒形件为研究对象,通过对薄壁筒的静应力分析,对比薄壁筒卧式放置一端装夹和两端装夹时受自重影响的静应力参数,为设计合理的检测装置结构提供依据。薄壁筒仿真模型材质选用普通碳钢,设置薄壁筒壁厚为2 mm,长为 1 0
10、00 mm,内径为 600 mm。薄壁筒一端固定装夹的静应力分析图,如图 1 所示。薄壁筒的最大应力为 5.97105 N m-2,出现在薄壁筒左端装夹固定区域;最大静态位移为 2.1910-3 mm,位于薄壁筒的右端;薄壁筒的最大应变为 1.8210-6。薄壁筒两端固定装夹的静应力分析图,如图 2 所示。薄壁筒的最大应力为 1.67105 N m-2,出现在薄壁筒两端装夹固定区域;最大静态位移为 2.8110-4 mm,位于薄壁筒的中间;薄壁筒的最大应变为 5.7110-7。对比分析两者的静态位移量、应力、应变值,当采取两端固定装夹时,薄壁筒的最大静态位移量由 2.1910-3 mm 降到
11、2.8110-4 mm,相应的应力、应变值都降低,薄壁筒的变形量更小,更利于检测数据的准确性。von Mises(N m-2)ZZYYXX模型名称:薄壁筒 2 mm算例名称:静应力分析 3(默认)图解类型:静应力分析 节应力 应力 1变形比例:46 366.7模型名称:薄壁筒 2 mm算例名称:静应力分析 3(默认)图解类型:静态应变 应变 1变形比例:46 366.75.970105 5.472105 4.975105 4.478105 3.980105 3.483105 2.985105 2.488105 1.991105 1.493105 9.959104 4.985104 1.1201
12、02 屈服力:2.206108 ESTRN1.82110-6 1.66910-6 1.51810-6 1.36710-6 1.21610-6 1.06510-6 9.13310-7 7.62110-7 6.10810-7 4.59610-7 3.08410-7 1.57110-7 5.92210-9 (a)应力 (b)应变URES(mm)ZZYYXX模型名称:薄壁筒 2 mm算例名称:静应力分析 3(默认)图解类型:静态位移 位移 1变形比例:46 366.72.18910-3 2.00710-3 1.82510-3 1.64210-3 1.46010-3 1.27710-3 1.09510-
13、3 9.12310-4 7.29810-4 5.47410-4 3.64910-4 1.82510-4 1.00010-30 (c)位移 (d)薄壁筒模型图 1一端装夹的薄壁筒静应力分析图von Mises(N m-2)ZZYYXX模型名称:薄壁筒 2 mm算例名称:静应力分析 3(默认)图解类型:静应力分析 节应力 应力 1变形比例:356 360模型名称:薄壁筒 2 mm算例名称:静应力分析 3(默认)图解类型:静态应变 应变 1变形比例:356 3601.665105 1.527105 1.388105 1.250105 1.111105 9.726104 8.341104 6.9551
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