1、机电装备的工程化设计机电装备的工程化设计总体设计总体设计-10-10主讲教师：康宜华教授 黄禹副教授 孙燕华讲师2011.09.18课课 程程 内内 容容 （1）仪器设计的需求分析）仪器设计的需求分析钢丝绳无损检测仪器（钢丝绳无损检测仪器（2） （2）仪器设计的需求分析）仪器设计的需求分析便携式螺纹检测仪器（便携式螺纹检测仪器（2） （3）总体设计）总体设计-设计过程设计过程-外观外观设计要领（设计要领（2） （4）总体设计）总体设计-设计分析设计分析-成本成本-决策决策-退路退路-铸件铸件（2） （5）回转运动设计）回转运动设计-驱动动力源的取舍驱动动力源的取舍-轴承轴承设计要领（设计要领（
2、2） （6）回转运动设计）回转运动设计-轴和连轴器轴和连轴器设计要领（设计要领（2） （7）往复运动设计（钢管翻料器）往复运动设计（钢管翻料器）-驱动动力源的取舍驱动动力源的取舍-气缸气缸-液压缸液压缸-电动电动气缸（气缸（2） （8）焊接件与螺纹连接设计要领（）焊接件与螺纹连接设计要领（2） （9）加工件设计要领加工件设计要领 （2） （10）机构设计方法与创新（机构设计方法与创新（2） （11）创新设计方法）创新设计方法探头摇臂（探头摇臂（2） （12）创新创新设计方法设计方法机械双量程压力表和特殊驱动机构（机械双量程压力表和特殊驱动机构（2） （13）创新创新设计方法设计方法喷标器设计喷
3、标器设计-柔顺机构（柔顺机构（2） （14）机电系统创新设计及实践）机电系统创新设计及实践电火花刻伤机电火花刻伤机-微动和微机构（微动和微机构（2） （15）机电系统机电系统创新设计及实践创新设计及实践电火花钻孔机设计（电火花钻孔机设计（2） （16）机电系统机电系统创新设计及实践创新设计及实践电火花线切割机床设计（电火花线切割机床设计（2）影响创造力的影响创造力的非智力因素非智力因素1 1、创造欲望或创造动机；、创造欲望或创造动机；2 2、明确的目标；、明确的目标；3 3、勤奋实践；、勤奋实践；4 4、自信；、自信；5 5、谦虚、谦虚6 6、团队精神。、团队精神。 创创 新新影响创造力的影响
4、创造力的智力因素智力因素1 1、创造性思维及创新方法；、创造性思维及创新方法；2 2、知识因素；、知识因素；3 3、创造环境。、创造环境。创造技法创造技法1 1、还原法；、还原法；2 2、智力激励法；、智力激励法；3 3、检核表法；、检核表法；4 4、列举法；、列举法；5 5、组合法；、组合法；6 6、移植法；、移植法；7 7、形态分析法。、形态分析法。机械式双程压力表机械式双程压力表-精密机械设计精密机械设计工程要求：工程要求：采用单程机械压力表的原理采用单程机械压力表的原理, ,构构成一个双程压力表成一个双程压力表: :一个量程大、一个量程一个量程大、一个量程小，且小量程表具有过压保护功能
5、。小，且小量程表具有过压保护功能。应用环境：石油行业、防爆要求，必须采用纯机械设计。应用环境：石油行业、防爆要求，必须采用纯机械设计。波登管波登管机械式弹簧管压力表机械式弹簧管压力表 1弹簧管；2游丝；3指针；4小齿；轮5扇形齿轮；6自由端；7连接杠杆；8支点；9固定端；10表盘等构件组成。 弹簧弯管是由金属管(无缝铜管或无缝钢管)制成的。管子截面呈扁圆形或椭圆形，它的一端固定在支撑座上，并与汽水介质相通；另一端是封闭的自由端，与杠杆连接。杠杆的另一端连接扇形齿轮，扇形齿轮又与中心轴上的小齿轮相啮合，压力表的指针固定在中心轴上。当弹簧弯管受到介质压力的作用时，它的截面有变成圆形的趋势，迫使弹簧
6、弯管逐渐伸直，从而使弹簧弯管的自由端向上翘起。压力越高，自由端向上翘起的幅度越大。这一动作使指针偏转一个角度，在刻度盘上指示出压力高低。当被测介质压力降低时，弹簧管要恢复原状，指针退回到相应刻度处。隔膜压力表隔膜压力表 隔膜隔膜在被介质作在被介质作用下产生变形，密封用下产生变形，密封液被压，形成一个相液被压，形成一个相当于当于P P的压力，传导至的压力，传导至压力仪表，显示被测压力仪表，显示被测介质压力表。介质压力表。一个弹簧管能否带动两个指针？一个弹簧管能否带动两个指针？ 精密测量的量程不能用放大器放大？精密测量的量程不能用放大器放大？ 工作原理工作原理： 1弹簧管；2游丝；3大指针；4大齿
7、轮；5-5- 大齿轮大齿轮带小齿轮放大机构；带小齿轮放大机构； 6小指针；小指针；7扇形齿轮；8自由端；9连接杠杆；10支点；11固定端；12表盘等构件组成。 齿轮间隙齿轮间隙回零误差回零误差驱动力驱动力难解难解两个弹簧管能否直驱两指针？两个弹簧管能否直驱两指针？ 精密测量的一致性？小量程仪表的保护精密测量的一致性？小量程仪表的保护创新技法：创新技法：加一加加一加工作原理工作原理： 1弹簧管1；2游丝1；3大指针；4大齿轮； 5扇形齿轮1；6弹簧管2；7游丝2；8大指针；9大齿轮；10扇形齿轮2；11自由端；12连接杠杆；13支点；14固定端；15表盘等构件组成。 作业作业4：漏磁检测探头标定
8、器设计：漏磁检测探头标定器设计背景背景：漏磁检测探头中，一般在空间一条线上均匀安装磁敏感元件，这些元件独立输出检测信号，经计算机采集和显示多通道的检测信号曲线。由于机械安装误差、每个敏感元件的灵敏度差异、信号放大电路差异等使得计算机采集到的最终信号幅度不一致（即,对同一个检测对象，不同通道测量的信号幅度可能不一样)。为此，需要对每个通道的检测灵敏度实施修正，不论机械安装和硬件电路的差异如何，调节软件中的显示缩放系数，达到多通道对同一检测源测量信号的一致，这一处理过程通常称为通道灵敏度标定。通道灵敏度标定。通道灵敏度标定通道灵敏度标定由标定器标定器实现。标定器采用同一个磁信号源（通常是一个小磁铁
9、）作匀速直线运动，遍历每个磁敏感元件产生检测信号，由于敏感方向的原因，磁信号源运动的方向仅能是同一方向。 根据上述要求设计一个电动标定器，其直线运动长度为300 mm，速度600 mm/min，磁铁大小为5* 3 mm，其运动轨迹正对敏感元件。与之配合的探头结构如图1。敏感元件安装位置敏感元件安装位置齿条式电动开窗器齿条式电动开窗器平滑、畅顺的强力输出；上下固定平滑、畅顺的强力输出；上下固定或滑移式安装；多种推程，最大可或滑移式安装；多种推程，最大可达达1500mm；大于；大于10000次推出及拉回次推出及拉回测试；静止状态的紧锁拉力：测试；静止状态的紧锁拉力：2500N；保护等级：保护等级：
10、IP65电动滑台电动滑台参考：直线运动部件参考：直线运动部件 在钢管检测中通常采用了多通道阵列检测探头技术，因此，不可避免地存在单个磁敏感传感器灵敏度和提离值的不同，同时也存在每个信号处理通道间增益的差异等因素，会造成在检测相同裂纹产生的漏磁场时，每一个通道在计算机中反映的信号幅值不一致。通道之间的不匹配会严重影响检测设备的性能，造成报警灵敏度的不一致。 电子标定器设计电子标定器设计现有的标定多通道阵列检测探头灵敏度的方法是采用钢管上的一个人工刻伤，通过直线移动和圆周转动的复合运动，让该伤经过探头中的每一个磁敏感传感器.由于运动的不精确和控制困难，标定过程时间长，稳定性和可靠性差，辅助工装多。
11、国外的机械式标定器国外的机械式标定器电子标定器电子标定器，该产品可替代在设备上的检测探头标定，通过标定器给出标准、一致的磁场信号，人工划过探头中的每一个磁敏感传感器，由软件采样和显示出它们的幅值大小，最后在软件中修正每个通道的（软件）增益增大小，使得各通道间信号幅值对同一磁信号源达到一致。 特点：特点：采用一个永磁源，信号稳定一致。采用一个永磁源，信号稳定一致。永磁源做高速、高精度旋转运动，人永磁源做高速、高精度旋转运动，人工划过探头的速度快慢不会影响标定工划过探头的速度快慢不会影响标定信号大小。信号大小。采用离线单个探靴依次标定。采用离线单个探靴依次标定。精度高、可靠性高、工作性能稳定。精度
12、高、可靠性高、工作性能稳定。手提便携式设计，体积小巧，携带使手提便携式设计，体积小巧，携带使用方便。用方便。电子标定器设计电子标定器设计8个探头个探头采集信号采集信号 调节后的调节后的8个个探头采集信号探头采集信号 调节了的调节了的8个个探头采集信号探头采集信号 电子标定器标定过程电子标定器标定过程特殊驱动机构特殊驱动机构广义执行机构的驱动源种类繁多。广义执行机构的驱动源种类繁多。 按能量分：按能量分：机、电、热、光、声、磁等。机、电、热、光、声、磁等。 按机理分：按机理分：结构型和物性型。结构型和物性型。驱动源总称为执行器（驱动源总称为执行器（ActuatorActuator）。）。物性型执
13、行器（物性型执行器（ActuatorActuator）- -特殊驱动机构特殊驱动机构, ,主要有：主要有： 压电驱动压电驱动 形状记忆合金驱动形状记忆合金驱动 磁致伸缩材料驱动磁致伸缩材料驱动主要应用于微小运动。主要应用于微小运动。 压电驱动机构及应用压电驱动机构及应用 直接压电效应压电效应由居里兄弟在1880 年发现的。当把一重物放在一石英晶体上时，在晶体表面上出现了电荷，电荷量和重物的质量成正比。1881 年，用图解说明了反压电效应；当把电压加到晶体上时，晶体产生变形。压电效应表明了石英晶体的力学力学性质和电学电学的耦合。右中图所示为晶体压电效应的一个例子（根据Kelvin 的定性模型）。
14、每个硅原子用 + 号表示，每个氧原子用 - 号表示。当受到应变而使晶体沿Y 方向伸长时，负电荷就向左移动，而正电荷就向右（沿X 轴）移动。 压电驱动机构及应用压电驱动机构及应用 压电定位工作台压电定位工作台以压电元件为驱动源。电极夹住压电材料后，采用层叠结构，随在电极间附加电压而伸张的性质(逆压电效应)，附加电压和伸张量之间发生滞后现象。压电定位台基于结构解析在最佳位置配置应变计，通过闭环控制消除滞后现象，进行高精度超微动定位。 “10nm10nm”的高分解能力和高定位精度。 活动部的支撑机构采用平行弹簧，能给压电元件施加一定的预压，从而实现无摩擦稳定微小的传送动作。 正压电应用于打火机上正压
15、电应用于打火机上微压电喷墨打印头微压电喷墨打印头源自爱普生独创的微压电技术。将许多微小压电陶瓷放置在打印头喷嘴附近，压电陶瓷在两端电压变化作用下具有伸展或收缩形变的特性，压电陶瓷的伸缩振动随着图像信息电压的变化而变化，并使墨水保持在常温常压的稳定状态下，有效控制墨滴的大小及调和方式，均匀准确地喷出墨水。 压电驱动机构及应用压电驱动机构及应用 压电驱动机构及应用压电驱动机构及应用压电效应纤维压电效应纤维：麻省理工（MIT）发明了压电效应的纤维。压电效应将电力直接转换成动作，利用压电效应来做喇叭和麦克风是很理想的，但研究出拥有适当的振动频率的材质，一直是一个相当有挑战性的难题。 麻省理工Yoel
16、Fink发现的方法，是在压电感应的材质里加入石墨，产生出一种硬度足以震动发声的细丝状纤维，而且纤维的长度可以达到数十公尺，织成衣服后，iPod可以直接接在衣服上感受“音乐的震动”，学生上课也可以拿整件衣服当录音笔的麦克风了！ 磁致伸缩材料及应用磁致伸缩材料及应用 微位移技术微位移技术是精密加工和超精密加工的关键技术之一，被广泛应用于超精密加工中：（1）超精密车削中，金刚石刀具的切深微调要保证在亚微米级的精度。（2）在超精密磨削中，砂轮的微进给量要求达到百分之几微米；（3）用于超精密机床的误差补偿微量进给机构，其位移精度要求更高。 近年来，随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，微机械研究的兴起
17、，以及与之相应的微操作的迫切需要，对微位移技术提出了越来越高的要求，其定位精度高、响应速度快、转换效率高、功率密度大。 基于超磁致伸缩材料的电(磁)机械能转换材料的微位移驱动系统是发展方向。 稀土铁系超大磁致伸缩材料超大磁致伸缩材料是一种新型、高效的磁磁( (电电) )一机械一机械能转换材料，是继稀土永磁、稀土发光、稀土高温超导材料之后兴起的又一种稀土功能材料，是由美国水面武器中心的Clark博士于20世纪70年代初首先发现的在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物。与压电材料(PZT)及传统的磁致伸缩材料镍、钻等相比，超磁致伸缩材料具有独特的性能：在室温下的应变值很大，是镍的4
18、050倍，是压电陶瓷的58倍；能量密度高 (1400025000J/m3)，是镍的400500倍，是压电陶瓷的1014倍；机电藕合系数大(0.72) ；响应速度快(达到s级)；输出力大，可达220880N。 磁致伸缩材料及应用磁致伸缩材料及应用1.冷却水管 2.出水口 3.可控恒流源 4.进水口 5.超磁致伸缩材料 6.预压弹簧 7.变形部分 8.永久磁铁 9.导磁体 10.驱动线圈 原理简图超磁致伸缩微位移驱动系统超磁致伸缩微位移驱动系统 磁致伸缩材料及应用磁致伸缩材料及应用振动幅度由原来的10um减少到控制后的5um。 基于超磁致伸缩执行器的切削振动控制系统基于超磁致伸缩执行器的切削振动控
19、制系统主动振动控制主动振动控制 磁致伸缩材料及应用磁致伸缩材料及应用 形状记忆合金及应用形状记忆合金及应用 形状记忆效应形状记忆效应来源热弹性马氏体相变。一般的马氏体相变作为钢的淬火强化，这时钢转变为马氏体结构，并硬化。这种相变在一定的温度下一旦形成，随着时间延长不再长大，为了增加马氏体的量，必须进一步降低温度，产生新的马氏体。 在某些合金中有热弹性马氏体相变，马氏体一旦产生可以随着温度降低继续长大。相反，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的状态。由于马氏体的体积一般比原始状态要膨胀一些，而且马氏体相变伴随着晶体中规则的切变，因此热弹性马氏体相变随之伴有形状的变化。 用形状记
20、忆合金制作插头与插座或管子连插头与插座或管子连结器结器有很大的优点。先把形状记忆合金做成比需连结的不锈钢管略小的管连接器，将它冷至Mf温度以下，加以扩径至比连接管略大，然后顺利套在连接管上，最后升温至Af以上(即使用温度)，连接器即自动收缩，于是两根管被牢固地连接起来。美国空军F-14飞机曾经用此类连接器连接油压系统和加压水系统的管道，据说近30万个接头，无一发生事故，在海军的潜艇和军舰上也大量使用形状记忆合金管接头，因为在这些场合中，管道排列十分密集，一般的方法无法实行管道的连接。 形状记忆合金及应用形状记忆合金及应用记忆合金管件记忆合金管件在暖气出水处加一随温度变化的记忆合金调节阀，当出水
21、温度高时它调节流量减少，否则增加，就可较为容易的自动控制暖气温度，节省能源。将“随温度变化记忆合金”材料制作成螺旋弹簧形状，其与阀芯相连，通过其在活塞中的运动控制出水量来达到调节暖气温度的目的。 形状记忆合金及应用形状记忆合金及应用智能阀件智能阀件微机械手和机器人微机械手和机器人外形28 mm20 mm4 mm，材料为铍青铜，由TiNi形状记忆合金制成的螺旋弹簧(简称SMA弹簧)为驱动元件。由两个左右对称的四连杆机构组成，全部铰链均采用柔性铰链结构（柔（柔顺机构）。顺机构）。当SMA弹簧加热至一定工作温度时，构件a在垂直向下的SMA弹簧作用下，向下作平动，带动b、c作平动和转动，形成指端的相向运动和夹持动作。当温度下降至室温时，微机械手恢复呈张开的状态。 形状记忆合金及应用形状记忆合金及应用
