范晉偉，劉益嘉，陳 玲

（北京工業(yè)大學 機械與應用電子工程學院，北京 100024）

0 引言

由于某型藥柱內部深達7m，為了能夠精確的完成檢測和圖像采集，必須將裝有伺服電機驅動的攝像頭深入到藥柱內部進行拍攝，而藥柱內壁表面由于含有特殊材料，不能與檢測機構接觸，故不能鋪設輔助軌道，同時由于施工場地空間有限，所以最終選擇伸縮比較大的非剛性原件作為懸臂機構執(zhí)行部件。

目前國內比較常用的是選擇液壓缸作為懸臂，控制精度高，但是液壓缸的剛度有限，容易產生較大的撓度。為了達到控制精度，本文設計了一種箱式伸縮懸臂，其結構剛度高，產生的撓度小，且控制精度高，生產制造成本低[1～4]。整體效果圖如圖1、圖2所示。

圖1 結構圖1

圖2 結構圖2

1 硬件結構

1.1 整體結構

本文設計的內窺鏡檢測裝置如圖3、圖4所示。

圖3 整體結構主視圖

圖4 整體結構俯視圖

懸臂經(jīng)過兩個氣缸連接在底座小車上，通過氣缸伸縮控制懸臂的高度。懸臂的高度和伸縮距離通過激光測距儀a、b反饋到工控機，進行控制。懸臂前端通過伺服防爆電機連接攝像頭，通過對伺服防爆電機的控制，使得攝像頭完成360旋轉，進行拍照取樣。

1.2 懸臂伸縮機構

由于采集現(xiàn)場的特點，需要懸臂伸出4m，懸臂截面最大寬度小于50mm，且前端需要承載5kg，并保證撓度小于0.1mm，運動控制精度在0.5mm以下。通過實驗，最終選擇由單擊氣缸驅動，繩索滑輪傳動，定滑輪支撐的多級箱體懸臂機構。

懸臂機構包括全部五級箱體，第一級箱體固定在底板，其余四級箱體同時伸縮，其中有單級氣缸安裝在第二級懸臂箱體的前端，通過單級氣缸的伸縮帶動第二級箱體運動，箱體內部通過繩索連接其他三級箱體，則懸臂伸縮過程中，全部四級箱體同時運動。懸臂內部結構圖如圖5所示。

圖5 懸臂總裝圖

一級箱體1固定在底板上，二級箱體2則通過支撐滑輪12及其他滑輪安裝在一級箱體上，并且通過支撐滑輪12及其他定滑輪在一級箱體上滑動，完成懸臂的伸縮。同理，三級箱體通過支撐滑輪13安裝在二級箱體上，四級箱體通過支撐滑輪14安裝在三級箱體上，五級箱體通過支撐滑輪15安裝在四級箱體上?；唫鲃邮沟酶骷壪潴w之間配合緊密，安裝緊湊，保證了精度。

當單級氣缸伸出時，帶動二級箱體2伸出，同時繩索滑輪6一起伸出，而繩索滑輪6的繩索兩端分別安裝在一級箱體1和三級箱體3上，則同時帶動三級箱體3伸出，同理三級3帶動四級箱體4伸出，再帶動五級箱體5伸出。直至所有整條懸臂伸出量達到最大為止。

當單級氣缸回收時，帶動二級箱體2縮回，同時繩索滑輪11一起回縮，而繩索滑輪11的繩索兩端分別安裝在一級箱體1和三級箱體3上，則同時帶動三級箱體3回縮，同理三級箱體3帶動四級箱體4回縮，再帶動五級箱體5回縮。直至整條懸臂所有箱體全部縮回為止。

2 懸臂的剛度檢驗

由于本套設備的精度要求較高，現(xiàn)場工作時，懸臂的振動和撓度都會對采集數(shù)據(jù)結果造成較大影響，故利用ANSYS軟件對懸臂進行靜態(tài)剛度檢驗，保證設備的精度[5～7]。假設E表示五級箱體的彈性模量，J表示五級箱體對中性軸的慣性矩，W表示施加的載荷，L表示五級箱體長度值，Δ表示撓度，kΔ表示五級箱體的剛度。

當五級箱體全部伸出時，在懸臂的最前端產生最大撓度，每級箱體的根部連接處都是危險點。設定整條一級箱體為固定，并在懸臂的最前端施加向下的重力50N和彎矩10N/m模擬伺服防爆電機和攝像頭產生的載荷。則得到懸臂的撓度結果和應力結果如圖6和圖7所示。

圖6 五級箱體的應變圖

由圖6可得，懸臂的最大應變發(fā)生在懸臂最前端，應變?yōu)?.079mm，而懸臂機構的允許值為0.1mm，則應變值合格。

圖7 五級箱體的應力圖

由圖7可得，懸臂的最大應變發(fā)生在懸臂二級箱體與一級箱體的連接處，最大應力為0.226Mpa，而懸臂的鋁合金材料的許用應力為90Mpa，則安全。

3 電氣控制系統(tǒng)

3.1 氣路控制系統(tǒng)

本套設備公有3個單級氣缸，兩個立式氣缸a、b提供懸臂的升降動力。一個平放氣缸連接懸臂，驅動懸臂伸縮。氣路原理圖如圖8所示。

圖8 氣路原理圖

空氣壓縮機1工作從大氣中抽取空氣儲存在儲氣罐2中，高壓空氣進入到三位五通電磁換向閥3和4中。電磁換向閥4控制平放氣缸驅動整條懸臂的伸縮。調速閥5和調壓閥6保證了氣缸運動平穩(wěn)，便于懸臂的精確控制。而電磁換向閥3同時控制兩個同步氣缸的運動。為保證兩個氣缸的同步運動，選擇完全相同的調壓閥和調速閥，并設置同樣的壓力和速度。

3.2 電路控制系統(tǒng)

本套設備的控制系統(tǒng)采用Visual C++編程的軟PLC和工業(yè)控制機組合方式。VC++程序以工控機為載體控制兩個電磁換向閥、伺服防爆電機和攝像頭工作。在立式氣缸和懸臂的運動方向分別安裝有激光測距儀a和b，能夠通過RS232串口實時反饋懸臂的高度和懸臂的伸出距離到工控機，同時伺服防爆電機自帶的編碼器會實時反饋電機的轉動角度數(shù)據(jù)到工控機。工控機的自動程序每2ms掃描一次，完成對懸臂的高度，伸出距離和防爆伺服電機實時監(jiān)控，并在設定的位置控制相機進行拍照取樣工作。本套設備的邏輯控制圖如圖9所示。

基于Visual C++開發(fā)了控制系統(tǒng)軟件，運用Timer計時器，以每2ms一次的頻率進行掃描，保證了控制系統(tǒng)的實時性和準確性，控制系統(tǒng)軟件界面如圖10所示。

4 結束語

圖9 邏輯控制圖

圖10 控制系統(tǒng)軟件界面

本文對藥柱內窺鏡檢測裝的置懸臂機構進行了改進，為了采集到精確的圖像樣本，設計了新型的懸臂機構。懸臂機構采用定滑輪和多級箱體的組合模式，結構穩(wěn)定且運動平穩(wěn)，并利用ANSYS對懸臂進行了有限元分析，得到的應力應變結果均符合要求，又設計了整套機構的電氣控制系統(tǒng)，并基于Visual C++開發(fā)了控制系統(tǒng)軟件，控制整套系統(tǒng)的運行。本文設計的懸臂機構已經(jīng)成功應用在藥柱內壁表面檢測工程中，并取得了良好的效果。

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