大型薄壁筒检测装置机械结构设计

郑 杰 陈志刚 文 学 朱梅玉 刘志辉 朱科军

（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）

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 μm[5]。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 μm 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性、经济性和实用性，广泛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1 000 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5.97×105N·m-2，出现在薄壁筒左端装夹固定区域；最大静态位移为2.19×10-3mm，位于薄壁筒的右端；薄壁筒的最大应变为1.82×10-6。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1.67×105N·m-2，出现在薄壁筒两端装夹固定区域；最大静态位移为2.81×10-4mm，位于薄壁筒的中间；薄壁筒的最大应变为5.71×10-7。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2.19×10-3mm降到2.81×10-4mm，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。

图2 两端装夹的薄壁筒静应力分析图

1.2 检测方法

结合薄壁筒的结构特点与测量需求，激光检测因具有非接触检测、高精度、高速度、测量范围大等优点，成为此类零件检测的首选。激光三角法的工作原理如图3 所示[7]，被测物体处于S0位置，激光光束经过聚光透镜垂直投射在H0位置，并在S0表面发生漫反射，其中一部分漫反射被成像透镜汇聚到线阵CCD 的M0区域。如果被测物体产生从S0到S1的位移时，CCD上的成像点会从M0位移到M1。通过成像位移和实际位移之间的三角关系，可以计算出实际位移。

图3 激光三角法原理

由几何光学关系，可知

式中：A为H0的成像物距；B为H0的成像相距；α为入射光线H1H0与反射光线H0M0的夹角；β为反射光线H0M0与线阵CCD 成像面M0M1的夹角。

2 检测装置总体方案

结合检测方法，检测装置的测量原理是通过柱面物镜将激光扩散为线激光，然后投射在目标物表面形成漫反射，使反射光在互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）上成像，随后通过检测位置和形状的变化测量位移和形状。检测装置的总体方案为线激光位移传感器发出条状的激光光束，每次可采集一条一定宽度的轮廓曲线，通过电机驱动其沿筒身匀速轴向扫描，得到被测表面3 个维度的数据。当一个轴向扫描流程完成后，运动控制系统将传感器头带回零点位置，通过伺服旋转电机带动传感器头旋转一定角度，再沿筒身轴向对表面的下一宽度区域进行匀速扫描。依次循环扫描，直到旋转360°为止，完成对薄壁筒的整周轮廓测量。

3 检测装置机械结构设计

针对薄壁筒检测装置的测量方案，对检测装置进行机械结构设计。检测装置总体结构如图4 所示，由机械传动组件、内外测量臂组件、工件夹持组件以及支撑组件等组成。运用SolidWorks 建立检测装置的三维模型，并对具体部件进行结构设计。

图4 检测装置总体结构

3.1 传动组件设计

机械传动组件结构，如图5 所示。传动组件主要由电机、减速器、联轴器、磁力驱动轮、磁力从动轮、安装板、环形导轨以及导轨滑块等组成。考虑检测的轮廓数据涉及拼接，电机需准确定位不能出现丢步或过冲现象，且要有较好的低频振动抑制和一定的转矩过载能力。经过综合分析，传动组件的电机采用伺服电机，搭配旋转编码器实时精确控制旋转角度。由于卡盘安装环需与安装板连接以固定夹持组件，传动轴无法通过机械结构直接使外壁测量臂实现旋转运动。因此，外壁测量臂的旋转运动采用磁力驱动，磁力驱动轮带动磁力从动轮旋转，磁力从动轮机械连接测量臂通过传动轴带动外壁测量臂实现旋转运动。

图5 机械传动组件结构

磁力传动是基于电磁学的基本理论，利用磁性物质同性相斥、异性相吸的原理，通过磁耦合实现力和力矩的非接触传递。为实现径向同轴结构的无接触式同步动力传输，传动结构采用主动磁组件和从动磁组件同心的圆环体结构。磁力驱动模型如图6 所示，永磁铁分别镶嵌在驱动轮和从动轮的圆周方向，采用径向充磁。驱动轮排列着与从动轮相同数量的N、S 极，以确保两轮的同步运动。当传动轴带动磁力驱动轮旋转时，在交互磁力矩影响下会产生连续的旋转驱动力，从而带动从动轮进行旋转运动。

图6 磁力驱动模型

3.2 测量臂组件设计

测量臂组件由导轨丝杠、丝杠电机、传感器安装支架和激光位移传感器等组成。在丝杠电机的驱动下，测量头沿导轨丝杠匀速轴向扫描，获取工件的轮廓数据，并传输给传感器控制器。考虑导轨丝杠的行程较长，悬臂结构的自重和测量头运行在不同位置会使测量臂产生形变，影响检测数据的精度。因此，测量臂采取两端受力结构，如图7 所示。内壁测量臂右侧通过连接板与连接杆连接。夹持组件可移动三爪卡盘的轴心处安装有活动轴承。连接杆与活动轴承装配做相对旋转运动，同时对测量臂起支撑作用。

图7 内壁测量臂组件结构

3.3 夹持组件设计

夹持组件用以装夹薄壁圆筒工件，结合薄壁筒的结构特性，通过静应力分析薄壁筒采取两端装夹固定。夹持组件结构由卡盘安装环、左侧的固定三爪卡盘、右侧的可移动三爪卡盘、两向移动滑台、滑台手动转柄、X轴滑动导轨以及Y轴滑动导轨等组成。工件装夹时，先由左端的固定三爪卡盘固定工件的一端，然后通过滑台手动转柄调节两向移动滑台至合适的位置，使右端可移动三爪卡盘固定夹持工件。

3.4 支撑组件设计

支撑组件承担整个检测装置的全部重量并保持工作台处于平稳状态。支撑组件由支撑框架、底座脚架、主安装板、电机安装板和导轨安装板组成。支撑框架下部设有4 个底座脚架，通过调整底座脚架保持工作台的平稳。主安装板固定安装在支撑框架上。电机安装板与主安装板固定连接，承托机械传动部件。导轨安装板与主安装板固定连接，承托轴向大导轨以及上面的夹持组件。

4 结语

运用SolidWorks 对薄壁筒检测装置进行结构设计，结合旋后薄壁筒壁薄、易变形的结构特性，提出基于激光三角法的线激光位移传感器检测方法，并设计了检测装置的整体方案。利用线激光位移传感器的条状线光源代替传统的点光源，能极大地提高数据采集的速度和效率。设计的检测装置可以同时扫描薄壁筒工件的内外壁轮廓，简化了薄壁筒的检测流程，提高了检测效率。检测装置机械结构合理，可以解决旋后薄壁筒因自身柔性大、稳定性差等成形特点导致传统接触式检测方法不适用的问题。