郭北濤，楊宏偉，張賢

（沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110142）

0 引言

近些年來，國(guó)家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，制造業(yè)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱。為了能夠高效率的生產(chǎn)產(chǎn)品，無損檢測(cè)技術(shù)在制造業(yè)占據(jù)著越來越重要的地位，制造業(yè)對(duì)無損檢測(cè)機(jī)構(gòu)的需求越來越高，市場(chǎng)上也涌現(xiàn)出一些無損檢測(cè)機(jī)構(gòu)。為了使無損檢測(cè)機(jī)構(gòu)更進(jìn)一步機(jī)械化和精確化，設(shè)計(jì)出一種檢測(cè)更加高效率的渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)[1-2]。

該渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)能夠解決渦流檢測(cè)線圈和工件之間所需的提高距離的高精度的要求，以更加高效率和高精度地制造生產(chǎn)。通過運(yùn)用SolidWorks軟件三維建模和ADAMS軟件運(yùn)動(dòng)仿真，建立運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)構(gòu)獲得運(yùn)動(dòng)參數(shù)，分析仿真結(jié)果驗(yàn)證渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)的可行性。

1 渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在研究渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)的過程中，由于該機(jī)構(gòu)的建模較為復(fù)雜，在仿真時(shí)較難在仿真軟件中直接建模，因此該機(jī)構(gòu)建模采用SolidWorks 軟件進(jìn)行輔助建模。利用SolidWorks軟件構(gòu)造出各部分零件的三維模型[3]，然后將各部分零件整體裝配，使各部分操作更加靈活。

此次設(shè)計(jì)渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)是一種輥輪式的檢測(cè)機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與輥輪軸相連，主動(dòng)輥輪獲取動(dòng)力，主動(dòng)輥輪通過皮帶輪、張緊輪和皮帶組成的皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)?；瑝K在導(dǎo)軌上滑動(dòng)可控制傳感器探頭在水平方向上的位置；傳感器支架末端設(shè)計(jì)為一個(gè)直槽口與傳感器探頭支架相連，可控制傳感器探頭的上下高度。

圖1 渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)三維圖

該渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為一種將工件原位檢測(cè)改進(jìn)為工件行進(jìn)狀態(tài)下檢測(cè)的機(jī)構(gòu)，使效率和精度更高。通過在兩個(gè)從動(dòng)輥輪支座上加一特定角度的斜塞，使從動(dòng)輥輪傾斜為一定的角度，工件能夠在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)行進(jìn)，完成在行進(jìn)狀態(tài)下檢測(cè)。為了進(jìn)一步地使機(jī)構(gòu)效率和精度更高，從動(dòng)輥輪傾斜的角度必須是機(jī)構(gòu)最高效檢測(cè)的角度，設(shè)定斜塞的角度成為最重要的問題。為了解決問題，需要利用虛擬樣機(jī)技術(shù)ADAMS軟件和SolidWorks軟件聯(lián)合仿真[4-5]。

2 ADAMS仿真研究

將SolidWorks軟件中創(chuàng)建好的渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)的裝配體保存為Parasolid(*.x_t)格式導(dǎo)入到ADAMS中生成剛性模型[6]，將一些不受仿真影響的零件省略，如螺釘、螺母等。設(shè)置模型的單位為MMKS單位制；設(shè)置重力為Y軸的負(fù)方向，大小為-9.806；將不影響運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)不相交的物體布爾操作，使其成為一個(gè)整體。對(duì)模型添加固定副、轉(zhuǎn)動(dòng)副、耦合副等約束，添加驅(qū)動(dòng)、重力、接觸力和設(shè)置摩擦力、速度、材料等參數(shù)[7]。

在添加從動(dòng)輥輪的轉(zhuǎn)動(dòng)副前，添加的MARKER點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置Z軸為負(fù)的從動(dòng)輥輪傾斜的角度。在傳感器探頭與被測(cè)工件上添加MARKER點(diǎn)，分別是MARKER_55和MARKER_54，測(cè)量機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)中被測(cè)工件與傳感器探頭之間的距離是了解該渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性與高精度的標(biāo)準(zhǔn)。被測(cè)工件和傳感器探頭之間的距離測(cè)量函數(shù)如下：

DY（MARKER_55，MARKER_54）-15

其中：DY表示Y軸坐標(biāo)之間的被測(cè)距離；MARKER_55表示傳感器探頭的中心點(diǎn)；MARKER_54表示被測(cè)工件的頂面圓的中心點(diǎn)；15表示被測(cè)工件的半徑。

本文設(shè)計(jì)了三種角度的渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)仿真分析比較，分別是斜塞為1.5°、2.0°和2.5°。將三種角度的SolidWorks裝配體模型分別導(dǎo)入到ADAMS軟件中約束仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為1.5 s，仿真總步數(shù)為100步[8]，開始仿真并通過后處理得到被測(cè)工件和傳感器探頭之間距離的曲線圖。

3 仿真結(jié)果分析

虛擬樣機(jī)建立完成后，在ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)交互仿真，查看渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，其目的在于檢查驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理、添加的約束是否正確及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件是否相對(duì)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的狀態(tài)是否平穩(wěn)，檢驗(yàn)各機(jī)構(gòu)是否有干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生等[9]。

在ADAMS軟件中查看后處理的結(jié)果，查看機(jī)構(gòu)從動(dòng)輥輪傾斜角度分別為1.5°、2.0°和2.5°的傳感器探頭與工件之間距離的曲線圖。隨著時(shí)間的變化，傳感器探頭與工件之間距離變化如圖3～圖5所示。

圖2 ADAMS對(duì)模型的約束

圖3 機(jī)構(gòu)傾斜角度為1.5°的間距圖

圖4 機(jī)構(gòu)傾斜角度為2.0°的間距圖

圖5 機(jī)構(gòu)傾斜角度為2.5°的間距圖

從曲線圖的仿真結(jié)果可以看出，渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)的各部件工作正常，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期要求，被測(cè)工件在主動(dòng)輥輪和傾斜從動(dòng)輥輪的帶動(dòng)下不僅轉(zhuǎn)動(dòng)而且是行進(jìn)狀態(tài)，各機(jī)構(gòu)部件約束及參數(shù)都是正確的[10]。

曲線圖的橫坐標(biāo)表示時(shí)間的變化，縱坐標(biāo)表示被測(cè)工件隨著時(shí)間的變化與傳感器探頭之間的距離變化。從圖3中可知，被測(cè)工件的頻率跳動(dòng)較快，工件在轉(zhuǎn)動(dòng)行進(jìn)中并不穩(wěn)定；圖4與圖3相比，工件在被測(cè)過程中比較穩(wěn)定，能夠平穩(wěn)運(yùn)行，幅值跳動(dòng)較小。圖5比圖2和圖4曲線幅值比較大，工件在被測(cè)過程中不太穩(wěn)定。綜上而言，圖4的曲線圖是較穩(wěn)定的，機(jī)構(gòu)從動(dòng)輥輪在傾斜2.0°時(shí)，工件能夠平穩(wěn)運(yùn)行，傾斜角度小于2.0°和大于2.0°時(shí)工件運(yùn)行都不穩(wěn)定。機(jī)構(gòu)從動(dòng)輥輪在傾斜角度為2.0°時(shí)效率最高、檢測(cè)精度最高。

4 結(jié)論

利用SolidWorks軟件和虛擬樣機(jī)技術(shù)ADAMS軟件的聯(lián)合設(shè)計(jì)、仿真分析，在機(jī)構(gòu)未被制造之前，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試仿真，大大縮短了研發(fā)周期并節(jié)約了大量的成本。通過SolidWorks軟件對(duì)渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)入ADAMS軟件仿真分析。仿真結(jié)果表明渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輥輪傾斜角度在2.0°時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行更加平穩(wěn)，檢測(cè)更加高效率和高精度。整個(gè)渦流檢測(cè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造生產(chǎn)，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以投入應(yīng)用。