蘇世杰　陸亞琳　陳正原

摘 要：為保證隧道式連續(xù)洗滌機(jī)組在洗滌過程中能夠運(yùn)行良好，減少主籠由于變形、晃動產(chǎn)生的阻力，設(shè)計了一種非接觸式的幾何參數(shù)檢測平臺。該平臺在主籠勻速轉(zhuǎn)動的前提下，通過安裝在導(dǎo)軌上的激光位移傳感器測出的距離值來計算主籠的圓度和圓跳動。主籠和傳感器相對運(yùn)動，根據(jù)不同位置處的測量值計算主籠的圓柱度和全跳動，通過多次測量取其平均值使結(jié)果更加準(zhǔn)確。文章進(jìn)行了檢測平臺的總體設(shè)計及各主要功能組件的詳細(xì)設(shè)計，對主要受力零部件進(jìn)行了有限元分析，并研制了一臺實物樣機(jī)。

關(guān)鍵詞：隧道式連續(xù)洗滌機(jī)組；幾何參數(shù)檢測；檢測平臺；非接觸式測量

前言

隧道式連續(xù)洗滌機(jī)組采用多倉位連續(xù)洗滌技術(shù)，將布草的預(yù)洗、主洗、漂洗和后處理集成在同一臺設(shè)備上完成，大大提高了洗滌效率。由于其對水資源的合理利用及不間斷的運(yùn)行處理，在很大程度上避免了能源和水資源的浪費，是未來工業(yè)洗滌的發(fā)展方向[1-2]。

主籠是隧道式連續(xù)洗滌機(jī)組中進(jìn)行布草洗滌的核心部件，其質(zhì)量對洗滌機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)性、可靠性及使用壽命有很大的影響，而主籠的幾何形狀誤差（圓度、圓柱度、圓跳動、全跳動等）則是衡量主籠質(zhì)量的重要指標(biāo)[3]。目前企業(yè)采用普通百分表手工對主籠進(jìn)行圓跳動的檢測，不僅在生產(chǎn)節(jié)拍上遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了大批量生產(chǎn)的需要，而且還存在著可檢測項目少，檢測精度差，檢測數(shù)據(jù)完全靠人工進(jìn)行處理等一系列問題。目前市場上也存在著很多幾何參數(shù)檢測裝置[4-5]，但其功能與量程并不適用于主籠這種超大直徑的設(shè)備的測量，因此，設(shè)計一種能適用于主籠的非接觸式檢測平臺是很有必要的。

文章在研究隧道式連續(xù)洗滌機(jī)組主籠非接觸式幾何參數(shù)檢測方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了檢測平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核，并按照設(shè)計結(jié)果開發(fā)了一臺檢測平臺樣機(jī)，實際應(yīng)用結(jié)果表明，該檢測平臺可以實現(xiàn)對主籠的幾何形狀誤差的自動檢測與計算，大幅提高了檢測速度與精度。

1 隧道式連續(xù)洗滌機(jī)組主籠非接觸式幾何參數(shù)檢測方法研究

檢測平臺的工作原理為：在實現(xiàn)主籠夾緊后，電機(jī)帶動主籠勻速旋轉(zhuǎn)，安裝在檢測平臺上的2個激光位移傳感器則由步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠進(jìn)行驅(qū)動。開始檢測時，隨著主籠的不斷轉(zhuǎn)動和激光位移傳感器的不斷移動，工業(yè)PC通過傳感器獲得主籠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不斷變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算得到主籠的圓度、圓柱度、圓跳動及全跳動，同時判斷主籠幾何形狀是否合格。檢測結(jié)束后，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)帶動激光位移傳感器回到初始位置，結(jié)束主籠的幾何參數(shù)檢測。

主籠幾何參數(shù)檢測原理如圖1所示。在主籠兩側(cè)布置激光傳感器1和2，控制直線滑臺，調(diào)整2個激光傳感器的高度，使其射出的激光通過主籠的直徑方向的延長線，此時可以測得兩個激光傳感器分別到主籠的距離：L1和L2；激光傳感器1、2間的距離L則由光柵尺進(jìn)行測量；故主籠在該截面的直徑：

D=L-L1-L2

主籠旋轉(zhuǎn)一周，控制恒定的間隔時間，就可測得一系列直徑D1、D2……Dn，據(jù)此可計算出主籠在該截面的圓度和圓跳動；在主籠全長若干個截面上（如圖2所示，每個截面到起始位置的距離L1、L2……Li由光柵尺進(jìn)行測量）分別進(jìn)行上述測量即可計算出主籠的圓柱度和全跳動。這種檢測方法簡單，易于操作，只需要電腦簡單地記錄、分析就能達(dá)到效果。

2 隧道式連續(xù)洗滌機(jī)組主籠非接觸式幾何參數(shù)檢測平臺設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

主籠非接觸式幾何參數(shù)檢測平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由主籠、鎖緊卡盤、檢測臺、支撐系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及底座組成。由動力系統(tǒng)提供動力，通過傳動系統(tǒng)帶動主籠的勻速旋轉(zhuǎn)，配合檢測臺的固定和往復(fù)運(yùn)動來測量主籠的幾何參數(shù)。隧道式連續(xù)洗滌機(jī)組主籠直徑1800mm，由3mm厚不銹鋼圈拼接而成，總長近11m，重量約為1395kg。

2.2 支撐系統(tǒng)設(shè)計

檢測平臺的支撐系統(tǒng)是動力能否有效傳遞的紐帶，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性決定了整個檢測平臺的順利運(yùn)行和精確性，重要性不言而喻。支撐系統(tǒng)的設(shè)計要充分考慮主籠的質(zhì)量。主籠屬于大型尺寸，若采用軸承支撐，不僅加工配套的軸承座困難，而且軸承的外徑將超過2m，對于本裝置來說大大增加了制造成本，適用性較低。因此，在排除軸承支撐的情況下，需要對支撐系統(tǒng)進(jìn)行單獨設(shè)計，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，盡可能的降低制作成本和加工難度。如圖4所示，本支撐系統(tǒng)包括：支撐滾輪、支撐板、升降裝置、軌輪及一些配套零件。

2.3 檢測臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

檢測臺是完成檢測隧道式連續(xù)洗滌機(jī)組主籠幾何參數(shù)的功能主體。如圖1所示，檢測臺設(shè)計為“門”型結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)軌上可任意滑動。在水平位置靠近主籠直徑附近對稱安裝兩個直線滑臺，滑臺上安裝有激光位移傳感器。直線滑臺采用步進(jìn)電機(jī)提供動力，通過控制脈沖頻率控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的速度控制。

2.4 鎖緊卡盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

卡盤是輔助支撐系統(tǒng)的重要部分，是連接主籠與動力傳動系統(tǒng)的紐帶，同時也是保證主籠正常旋轉(zhuǎn)及與支撐系統(tǒng)共同保證同心旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。其結(jié)構(gòu)包括：卡盤、立車卡爪、連接軸等部件。其中，立車卡爪是鎖緊卡盤中鎖緊和定心最主要的部件，立車卡爪本身是可拆卸的，這樣有利于小范圍的調(diào)整和維修。用螺栓固定在卡盤上，通過內(nèi)六角扳手手動旋轉(zhuǎn)控制立車卡爪的張緊從而控制主籠的固定及定心。由于卡盤上有4排螺栓孔，這就意味著本裝置不僅能檢測直徑為1800mm的主籠，還可以通過改變立車卡爪的安裝位置來檢測不同直徑的圓筒狀部件。鎖緊卡盤整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.5 傳動系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械傳動系統(tǒng)的作用就是將原動機(jī)的運(yùn)動和動力傳遞到執(zhí)行構(gòu)件，故原動機(jī)類型和執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動形式、運(yùn)動參數(shù)及運(yùn)動方位等都決定著傳動系統(tǒng)的方案[6]。文章采用鏈輪傳動，通過選用合適的傳動比，分析傳動效率，最后完成電機(jī)的選型。如圖6所示，傳動系統(tǒng)由電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承座、鏈輪、鏈條、連接軸及相關(guān)配件和固定件組成。其中，軸承座是傳動系統(tǒng)與鎖緊卡盤的連接軸的支撐部件，通過螺栓連接安裝在箱體的上部。由于軸承座的安裝誤差將直接影響主籠安裝的同心程度，因此，采用雙軸承一體的箱體類軸承座。

3 檢測平臺關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析

3.1 箱體強(qiáng)度分析

箱體由鋼板焊接而成，不僅有安放傳動系統(tǒng)的功用，同時鏈輪與卡盤的連接軸通過的軸承座也安裝在箱體的上表面，自然而然地，箱體也就承受了很大的壓力，為防止箱體的變形或者斷裂，需要在加工制造箱體之前對箱體的強(qiáng)度進(jìn)行校核。經(jīng)計算，施加在箱體上的總壓力F≈8000N。添加約束條件：箱體底端固定，在安放軸承座處添加總壓力F。如圖7所示，由于箱體內(nèi)部對軸承支撐部位進(jìn)行加厚，變形最大位置集中于箱體中部的尖角位置。最大的變形量為0.62mm，相對于箱體整體而言，變形量很小，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。由圖8強(qiáng)度分布圖可分析：高強(qiáng)度區(qū)域分布在軸承座接觸的地方，最大值為11.64MPa，而不銹鋼0Cr18Ni的最大屈服強(qiáng)度為205MPa，完全符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 支撐板強(qiáng)度分析

本平臺兩處有支撐板，材料都是矩形鋼，形狀也基本相似，所以只要校核受力較大的一個支撐板就可以了。顯然，裝有升降臺的支撐板1不僅需要承受本身的重力，還要承受部分主籠的重力，受力明顯要比檢測臺的支撐板2大的多。下面將對支撐板1進(jìn)行強(qiáng)度校核，并參照變形結(jié)果進(jìn)行分析。添加約束：這部分力應(yīng)包括主籠重力施加到支撐板上的力，以及支撐架及升降臺的重力，經(jīng)計算，這部分的總力接近6000N，按照此數(shù)值進(jìn)行模擬計算，得出如下結(jié)果。

由于采用兩端支撐，中間懸空部位所受的應(yīng)力最大，所以其形變量最大。如圖9所示，中間部位的最大變形量約為1.23mm，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。圖10顯示了受力下支撐板的強(qiáng)度分布，高應(yīng)力分布區(qū)域主要集中在固定處附近和中間變形較大的部分，最大值為6.04MPa，矩形鋼為345MPa，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)度盈余也意味著允許在支撐板空余處放置其他物品而不影響強(qiáng)度。

4 檢測平臺應(yīng)用

文章所提及的檢測平臺在江蘇海獅機(jī)械集團(tuán)得到成功運(yùn)用，如圖11。經(jīng)測試，該平臺的各項性能指標(biāo)均符合要求，檢測效果理想，不僅節(jié)省了人力，提高了檢測效率與質(zhì)量，而且使整個檢測過程更具條理性和準(zhǔn)確性。

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