机械毕业设计（论文）-药筒环焊缝自动检测装置数字样机设计【全套图纸】.doc

中北大学2011届毕业设计说明书1 绪论超声波检测也叫超声检测、超声波探伤，是无损检测的一种。无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验不见的表面和内部质量进行检查的一种检测手段。超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在萤光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。常用的超声检测的方法有穿透法、脉冲反射法、串列法等。超声波无损检测与评价技术有着方便快捷、投资少、见效快、对人体无危害等优点，用于产品的质量控制、运行监测、寿命评估等，能带来巨大的经济效益和社会效益，已在世界各主要工业国家得到重视和应用。我国在这方面起步较晚，但近年来也加快了步伐。这一技术可望用于航天、航空、石化、汽车、电厂、钢结构等部门，小到产品零件如发动机曲轴，大至大型金属结构如电站锅炉、管道，在制造过程中、制造完成后、安装、在役监控、维修中都可以使用。另外，还可用于实验室研究及材料在役检查中的定量分析与评价，如材料晶粒度、应力、管壁厚度等的测量。 济效益分析，超声波无损检测与评价技术带来的效益是多方面的，如： 1. 在产品制造过程中，早发现缺陷，及时采取补救措施或报废，避免或减少损 失。 2. 控制产品质量，减少运行故障，减少用户索赔，提高产品在用户心目中的地位，具有很大的近期和长远的经济效益和社会效益。 3. 评价在役缺陷，适当延寿，延长产品和结构的服役时间。 4. 方便、迅速地获得材料的性能参数，节省时间、人力、物力和财力。药筒环焊缝超声波检测台的设计与其控制部分相配合可以实现检测的自动化、数字化，很方便的实现了对药筒环焊缝的内部缺陷的检测和分析。1.1 研究的现状和意义超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。 八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展方向。但是，这些设备也仅停留在超声波检测频率较低的频段的信号处理上，主要是受到高速A/D和高速存储技术的限制。 为了减少人为因素对检测结果的影响，使波形能记录和保存，并达到检测结果的直观性，需实现超声波检测分析和成像处理，这就要求实现数据的高速采集和大数据量缓冲。因此，开展数据高速采集技术的研究和实现是非常必要的，它是能否实现超声波检测分析和成像处理的关键技术之一。目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的 R/D TECH公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。 国外已把100MHZ以上采样频率的高速A/D技术用于超声波信号的采集，大容量缓冲技术也达到一定的水平，信号的分析和成像处理已实现A、B、C扫描。虽然国内已开展这方面的研究与开发，但是在技术应用上还是存在一定的差距。 目前在市场上流行的超声检测设备，大多数都是比较轻便的检测仪，但是对于专门的检测和精度较高的检测达不到要求，对于大批量生产的零件的检测也不够专业化，这样对于批量生产的效率有所限制。盘类件超声检测台的设计针对于盘类件的结构特点，实现对盘类件的专业检测。这对于提高批量生产又有重要的意义。因为与计算机相结合实现了检测的自动化和数字化，提高了检测的精度同时降低了对工作人员的技术要求。由于大口径自行火炮用药筒的技术要求高，设计难度大，使药筒的使用环境更为恶劣，以至于西方国家另辟溪径寻找药包替代药筒，但是这种方式又给火炮的密封等诸多环节带来了难以克服的技术难题，致使火炮发展举步艰难。由于我国基础工业薄弱，在火炮的密封技术上，关键密封件难以达到设计使用寿命要求，同时传统的引伸药筒的制造技术难以达到火炮对药筒的技术要求而止步。一段时期使系统研究陷于停滞状态，制约了系统的研制，影响了系统的总体进度。经过几年的方案论证和试验，最终又以焊接钢质药筒取代了药包的装填方案。焊接钢质药筒作为现代炮弹药筒家族中的重要组成之一，由于其在制造上的优良特点：焊接钢质药筒是一种不需要大型的压力设备，制作工艺比较简单的钢质药筒，成本低，效益好，最适宜大中口径高膛压火炮的弹药的应用。但是因为技术操作等原因，在焊接时难免会出现这样或那样的焊接缺陷，如出现气孔、横裂纹、焊偏、虚焊等瑕疵。而这些表面完好的内部瑕疵很难被人们发现。然而，在炮弹发射时，药筒主要承担了闭气、承压等功能，焊缝中的疵病可能导致炸壳、开裂等严重的后果。在过去，面对这样的问题我国工作人员只能通过抽样检测的方法，将炮筒沿焊缝锯开来检查炮筒是否符合，这种检测方法效率低，同时还有很大的可能漏检。因此，我们需要一种高效，高质的焊缝检测装置，来保证我们的生产要求。而水浸超声检测正是符合生产线自动批量检测的低成本检测方法。1.2设计任务和要求设计要求：能实现药筒环焊缝相对于探头做周向扫描运动，超声的耦合采用水浸耦合方式。设计检测系统节拍为：每班产品量60000/250240件，每小时生产产品为240/6=40件，则每个产品生产时间3600/4090秒为此设计系统的检测速度为：90秒/件。设每件产品的辅助检测时间为：30秒，直焊缝最大长度为：600mm，则每秒检测速度为20mm/秒。具体工作内容：（1）制定总体方案；（2）设计三维装配图；（3）选取步进电机及驱动电源；（4）设计重要非标零件；（5）翻译外文资料。技术要求： 根据产品线设计要求（1）年生产任务6万件（2）年有效工作天数为250天（3）每班有效工作小时为6小时设计检测系统节拍为：每班产品量60000/250240件，每小时生产产品为240/6=40件，则每个产品生产时间3600/4090秒为此设计系统的检测速度为：90秒/件。设每件产品的辅助检测时间为：30秒，直焊缝最大长度为：600mm，则每秒检测速度为20mm/秒。被检工件：图1 工件运动方式：探头相对与工件旋转耦合方式：水浸耦合，要考虑防锈问题。 对毕业设计课题成果的要求（包括毕业设计、图纸、实物样品等)：（1）装配图 1张（2）外观图 1张（3）零件图 5张（4）设计说明书 1份（5）英文翻译资料 1份 1.3 本文的主要内容本文主要包括了药筒环焊缝超声波检测台的总体方案设计，主传动部分的设计，进给传动的设计，配套夹具的设计。总体方案的设计包含了对主传动部分传动形式的选定，进给传动部分传动形式的确定，工件的在机床上的定位及专用夹具设计。 2 总体方案的确定2.1主运动系统的设计主运动系统的设计即实现工作台（工件）的回转运动，拟采用如下的传动方式：2.1.1方案一 由已给题目及设计要求，我设计了如下设计方案：送货板两个：送货板1、送货板2，可向右抬起；挡板两个：挡板1、挡板2，可向左抬起；转轮两个，上导轨一条进货出货步骤：（1）：初始药筒为于最左端，送货板1位于“一”号位；挡板1落下锁死；送货板2位于“二”号位，落下锁死；挡板2落下锁死；转轮不断转动（2）：挡板2解锁抬起；送货板2右移至“三”号位；（3）：挡板2落下锁死；挡板1解锁抬起；送货板1右移至“二”号位，将药筒推至转轮上直至挡板2；（4）：转轮转动带动药筒转动，超声焊缝检测装置开始检测环焊缝；挡板1落下锁死；送货板1、送货板2解锁抬起，分别左移至“一” 、“二”号位；（5）：送货板1、送货板2落下锁死。至此，一个周期结束。（图2.1）图2.1 药筒环焊缝自动检测装置送货装置图（方案一）图2.2 药筒转轮旋转示意图2.1.2 方案二图2.3 药筒环焊缝自动检测装置送货装置图（方案二）如图2.3所示。两个转轮，一个是“卍字型转轮”，一个是“X字形转轮”。这两个转轮在每个送货周期各旋转了90，避免了来回作业，只需要单向旋转。减少了工作强度及设计复杂性。图2.4 药筒环焊缝自动检测装置送货装置图（方案二）由图2.4可知，在工作周期中，药筒不会掉下送货台，因此此设计足以保证货物送货稳定性。图2.5 药筒环焊缝自动检测抓紧固定装置（未抓紧）图2.6 药筒环焊缝自动检测抓紧固定装置（已抓紧）图2.5、图2.6为药筒抓紧装置。当药筒置于“X字形转轮”上时，为图2.5是的状态。此时于药筒左端施加一个向右的推力，在力的作用下三抓闭合，抓紧药筒，锁死药筒的径向及轴向自由度。而后整个卡盘带动药筒旋转开始检测。检测周期工作进货准备卐字形轴转动夹紧准备夹紧气缸启动检测准备检测准备时间/s4522460工作张开准备张开气缸启动出货准备X轴转动总时间时间/s224590图2.7 检测周期图比较两种方案，方案一因为药筒转动全部靠它与转轮之间的摩擦力来带动，因此有很大的可能性打滑，因此无法准确的旋转一周。方案二比方案一更加成熟。因此选用方案二作为设计定案。22进货出货系统的设计进货出货系统设计的即实现：工作人员将药筒放进进货台后，货物从进货台进入检测装置进行检测，在检测完成后，进入出货台，等待工作人员收取。这一系列的除检测外的自动运动设计。因为采用方案二，所以选用卐字形支架及X字形支架来完成进货出货。23待检测工件的定位及夹紧 因为设计属于单一零件批量检验，因此可以设计专用夹具。设计专用三爪卡盘来使药筒的夹紧及定位能够一步完成3 检测部分设计检测系统的检测部分包括，主轴，主轴电动机、主轴组件，三爪卡盘和气缸。要求其能够对药筒进行轴向，径向定位，绕轴向做圆周转动3.1 电动机的选择选择电动机的内容包括：电动机类型、结构形式、容量、要确定电动机具体型号。3.1.1 选择电动机类型和和结构型式电动机的类型和结构形式要根据电源（直流或交流）、工作条件（温度、环境、空间尺寸等）和载荷特点（性质、大小、启动性能和过载情况）来选择。因为药筒检测周期为90秒，二检测准备时间为30秒，所以检测时间为60秒，而因为是药筒环焊缝检测，所以仅仅需要60秒内转动360度即可，而后30秒内不需要转动。因为转速十分缓慢，如选用标准电动机的话，需要使用减速器来进行减速，增加了生产成本，因此使用步进电机来完成主轴的转动。3.1.2 步进电机的选择感应子式永磁步进电机是一种将电脉冲信号变换成角位移的机电元件，它的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与输入脉冲频率成正比。可通过改变脉冲率来调速，能快速启动、反转和制动，是数字控制系统的理想执行元件。感应子式步进电机具有步距角小，有较高的启动和运行频率，消耗功率小，不通电时有定位转矩等特点，广泛用于机床的数控系统，计算机的外围设备和其他数控装置中。步进电机的选用首先要保证步进电机的输出转矩大于负载所需的转矩。所以应先计算机械系统的负载转矩，并使所选电动机的输出转矩有一定的余量，以保证可高的运行。通常。其中为步进电机的最大静态转矩，M为负载转矩。其次，应使步进电机的步距角与机械系统匹配，以得到机床所需的脉冲当量。最后，应使被选步进电机与机械系统的负载惯量及机床要求的启动频率相匹配，并有一定的余量；还应使其最高工作频率满足机床移动部件快速移动的要求。直线进给系统中，进给系统的脉冲当量为（mm），步进电机的步距角为，滚珠丝杠的导程为S，他们之间有如下关系： 进给速度或取步距角得脉冲当量 进给速度 图3.1.1 步进电机矩频特性曲线90BYG550A 步 距 角：0.36 驱动方式：升频升压 驱动电压：40VAC 图3.1.2 频率转矩表技术参数：见下表表3.1.1 步进电机参数表安装尺寸：图3.1.3步进电机安装尺寸表3.1.2 安装尺寸表考虑主轴X轴方向三爪卡盘和卡盘底座的重量十字滑台的重量，及滑动丝杠螺母副的摩擦转矩近似估算得到 X轴方向的负载转矩。主轴的转速为n=1r/min螺母移动速度4 x 1=4螺杆作用载荷为F=1N旋转转矩 =1.5 x 10-3止推转矩 =8 x 10-5驱动转矩 =1.5 x 10-3 + 8 x 10-5=1.58 x 10-3其中：为螺纹中径=16mm 螺旋升角= 当量摩擦角= 摩擦系数f=0.17根据表3.1.1 和图3.1.2 步进电机的距频特性曲线选取竖直方向步进电机的型号为： 90BYG550A-SKAKRML-0301其相应的安装尺寸见表3.1.2 3.2 三爪卡盘的设计三爪卡盘设计思路：因为在环焊缝检测是时候，药筒实验轴心进行轴向转动，因此三爪卡盘需要完成药筒的轴向定位以及径向定位。设计思路源于饭店中抓盘子时使用的三爪取物器。如图3.2.1图3.2.1 三爪取物器三爪卡盘的三个爪对应三爪取物器上的三个勾爪。卡盘的外壳对应三爪取物器上哪个用来约束勾爪的铁片，卡盘的底座对应着黄色的底座。因此，对应利用三爪卡盘的三个爪来抓住药筒底部的凸沿，进而固定药筒的轴向和径向。而在检测完毕后，如要将药筒从三爪卡盘中卸出，只需要从右端将三爪卡盘底座向左端推，当三个爪有一半脱出三爪卡盘外壳是在摩擦力的作用下自动张开。材料采用45号钢。因为检测采用水浸耦合，因此需要进行防锈处理，采用表面氧化措施来进行防锈处理。设计后图如下：图3.2.2 三爪卡盘外壳图3.2.2 三爪卡盘外壳3D图3.2.4 三爪卡盘底座图3.2.5 三爪卡盘底座3D图3.2.6 三爪卡盘爪图3.2.7 三爪卡盘爪3D图3.2.8 三爪卡盘装配图1图3.2.9 三爪卡盘装配图13D图3.2.3 三爪卡盘装配图2图3.2.3 三爪卡盘装配图23D3.3 主轴的设计主轴设计思路：主轴的左端首先利用螺纹将主轴和三爪卡盘外壳连接在一起而后为了避免转动时脱扣，利用螺栓将主轴和三爪卡盘外壳锁死。因为在检测完毕后，如要将药筒从三爪卡盘中卸出，只需要从右端将三爪卡盘底座向左端推，当三个爪有一半脱出三爪卡盘外壳是在摩擦力的作用下自动张开，因此主轴必须中空，同时需要在主轴右端固定一个气缸来完成推杆左推的任务。因此还需要设计一个套筒来完成主轴和气缸的连接。同时，因为作为动力源的步进电机也必须与主轴相连。所以我用齿形带及齿带轮来进行连接，这样既不会发生打滑的情况同时也不会过于增加主轴负荷。轴与套筒的材料都采用45号钢。主轴校核：主轴转速：n=1r/min三爪卡盘+药筒质量估算：mpV=pr2h=80（kg）假设需1s加速到主轴额定转速角加速度a=v/t=/30 (rad/s2)线加速度a=ar=11.110-3m/s2功率P=Fv=mav=9.810-6kW力偶矩T=9549P/n=9.35810-2 N/m查表可知45号钢，G=80GPa，=40MPa，=1.5()/m因为是空心轴，内径r=30mm，外径R=40mm，壁厚h=10mmmax=Me/2r2h=1654.86因此强度符合Ip=(D4-d4)/32=2.7106max=Tmax/GIp=4.210-19因此刚度符合设计图如下：图3.3.1 主轴图3.3.2 主轴3D图3.3.3 套筒图3.3.4 套筒3D3.4 气缸的选择选择气缸的内容包括：气缸类型、缸径、推力、行程。首先，由于推杆这里并不属于高精密设施，因此只需要选用SI系列标准气缸就足以满足射击精度需要。图3.4.1 气缸理论出力表图3.4.2 ISO15552标准气缸规格图3.4.3 ISO15552标准气缸外部规格由轴以及套筒可知，气缸内径需D=60，所以选用缸径为125的气缸，同时根据三爪卡盘推杆所需推力可知缸径为125的ISO15552标准气缸足以满足设计需要。图3.4.3 ISO15552标准气缸行程表行程由设计需要，选择50mm。4 送货出货部分设计检测系统的送货出货部分主要包括卐字形支架、X形支架、支架支承轴、支承轴组建和支架步进电机。4.1 步进电机的选择根据3.1.2相同的计算方法近似确定卐字形支架和X形支架的负载转矩，从而确定卐字形支架和X形支架两个方向的步进电机的类型为90BYG550A-SKAKRML-0301，其相应的安装尺寸如表3.1.2中所示。4.2 卐字形支架的设计根据之前的设计方案设计出了卐字形支架来进行进货。这种情况下可以保证每周期只需支架转动90，即可进货一次，保证了进货准确性。材料采用45号钢；同时因为卐字形支架处于外部，因此采用表面氧化来进行防锈。根据药筒外观尺寸设计卐字形支架如下所示。图4.2.1 卐字形支架图4.2.2 卐字形支架3D4.3 X形支架的设计根据之前的设计方案以及以设计完的卐字形支架来进行设计。X形支架首先不能与卐字形支架想干涉，但是必须与卐字形支架距离足够的进，以保证当药筒从卐字形支架上落下时，能够落在X型支架上。材料采用45号钢，为了防锈，采用表面氧化来进行防锈处理。设计外形图如下：图4.3.1 X形支架图4.3.2 X形支架3D4.4支架轴的设计支架轴的设计思路：支架轴作为支撑X型支架和卐字形支架的支撑轴其强度及刚度必须符合要求。其次，支架轴的左端与动力源相连，与主轴相同同样适用齿形带与齿带轮来进行连接。采用45号钢来进行制作支架轴校核：支架轴需5s转过90支架轴转速：n=3r/min=/10 rad/s支架+药筒质量估算：mpV=7.91.210-3=0.01（kg）假设需1s加速到额定转速角加速度a=v/t=/10 (rad/s2)线加速度a=ar=53.410-3m/s2功率P=Fv=mav=2.8510-5kW力偶矩T=9549P/n=9.07910-2N/m查表可知45号钢，G=80GPa，=40MPa，=1.5()/m最小半径r=11mmmax=T/Wt=2T/r3=5.25因此强度符合Ip=r4/2=2.2910-8max=Tmax/GIp=4.9310-5因此刚度符合设计图如下：图4.4.1 支架轴图4.4.2 支架轴3D5 外壳、支撑部分设计作为支撑整个检测系统的外壳，总共有外壳底座，左右两个外壳上盖，中间的两个轴端支架。这些大件的主要功能首先是支承作用，即支持其它零部件。支承件的种类很多，它们的形状、尺寸、材料多种多样，但是它们都应该满足以下要求。（1）刚度 一般所说的度往往指的是静刚度。静刚度包括与材料性质、形状及尺寸有关的结构刚度，以及与接触材料、几何尺寸、硬度、接触面的粗糙度、几何精度、加工方法等有关的接触刚度。（2）抗振性 支承件的抗振性是指支承件抵抗受迫振动和自激振动的能力。（3）热变形 机床工作时，电动机、传动系统的机械摩擦过程等都会发热，产生热变形，从而影响工作精度和几何精度。因此应对支撑件的热变形及热应力加以控制。一般通过控制发热或使热量均匀分布及改善支承件散热条件等措施来减小热变形及其对精度的影响。（4） 内应力 支承件在铸造、焊接及粗加工的过程中，材料内部会产生内应力。在使用中，由于内应力的重新分布和逐渐消失会使变形增大，超出许用的误差范围。支承件的设计应从结构上和材料上保证其内应力要小，例如，对于铸造床身、立柱等大件，各处的金属分布应均匀，应尽可能避免壁厚突然转换的过渡面，并应在焊、铸等工序后进行时效处理。（5） 其他 支承件还应使排屑通畅，操作方便，吊运安全，润滑油的回收、加工及装配工艺性等。支承件的性能对整个检测装置的性能影响很大，其质量约占机床总质量的80%以上，同时支承件的性能对检测装置的性能影响很大，所以应正确地对支承件进行结构设计，并对主要的支承件进行必要的验证和试验，使其能够满足基本的要求，并在此前提下减轻重量，节省材料。5.1 下箱体底座的设计支架