管道彎管段脈沖渦流檢測探頭設(shè)計與電磁場分析講解

1、xx 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書題 目：管道彎管段脈沖渦流檢測探頭設(shè)計與電磁場分析完成日期：摘要管道在石油、化工和電力等行業(yè)中廣泛使用，由腐蝕或侵蝕引起的壁厚減薄 對其運(yùn)行的可靠性和安全性有著嚴(yán)重的威脅。 為此，對其進(jìn)行定期的無損檢測是 件極其重要而又有著深刻意義的事。 脈沖渦流檢測具有無須停機(jī)、 安全性好、 成 本低等優(yōu)點(diǎn)， 有望在對其檢測中成為一種比較好的方法之一。 但現(xiàn)有的脈沖渦流 檢測探頭多針對平板或直管進(jìn)行設(shè)計，實(shí)際檢測中管線的連接處還存在彎管段， 且該位置是腐蝕的易發(fā)區(qū)。 彎管段的曲面形狀復(fù)雜， 常規(guī)的檢測探頭在該段存在 盲區(qū)或檢測精度降低。 因此，有必要針對彎管段這一特殊位置進(jìn)行探頭的設(shè)

2、計與 電磁場分布研究。 本設(shè)計圍繞彎管段這一特殊位置， 設(shè)計出適合管道彎管段的脈 沖渦流檢測探頭和配套機(jī)構(gòu)， 并運(yùn)用 ANSYS軟件分析出脈沖激勵下新探頭與管道 的電磁場分布，解決常規(guī)探頭檢測彎管段時的盲區(qū)問題。關(guān)鍵詞 ：無損檢測，管道彎管段，壁厚減薄，脈沖渦流檢測，解析模型，有限元分析AbstractWall thinning caused by erosion or corrosion is most threatening to the reliability and safety of pipes which are commonly used in petroleum, chemic

3、al and power generation industries. Periodical nondestructive testing (NDT) is vital for continued safe operation. And this is a significant thing. Pulsed eddy current testing (PECT) has a powerful candidate to address this challenge, because it is an in-service safety and cost-effective method. But

4、 existing pulsed eddy current testing probe mostly design for flat or straight pipe, the joint of pipeline is curved section in practical testing, and the location is prone to corrosion. Because of complex shape of bending section, the conventional detection probe has blind area or lower accuracy in

5、 the segment. Therefore, it is necessary for the probe design of the special location and electromagnetic field distribution to study. This project designed pulsed eddy current testing probe and form a complete set of institutions around the bend pipe sections. Then it use ANSYS software to analysis

6、 the new probe and pipeline under impulse excitation of electromagnetic field distribution, and solve the problem of conventional probe detection at bending section of blind area.Keyword: Nondestructive testing; Pipe bending section; Wall thinning; Pulsed eddy current testing; Analytical model; ANSY

7、S目錄第一章 緒論 4.1.1課題概述 1. .1.2 脈沖渦流檢測技術(shù)的國內(nèi)外基本研究情況 2.1.3 論文主要內(nèi)容的結(jié)構(gòu)安排 3.第二章 3D 打印機(jī)方案確定 9.2.1 3D 打印機(jī)設(shè)計關(guān)鍵 9.2.2 總體方案分析 9.2.3 主要特色及任務(wù)要求 1.0第三章 機(jī)床折疊功能的實(shí)現(xiàn) 1.03.1 機(jī)架材料以及型號的選取 1.13.2機(jī)床結(jié)構(gòu)分析 1.2第四章 電機(jī)驅(qū)動部分選型與計算 1. 34.1 步進(jìn)電機(jī)的選取 1.34.2 步進(jìn)電機(jī)選型計算 1.6第五章 齒輪的強(qiáng)度計算 1.75.1 齒輪的損壞原因及形式 1.75.2 齒輪的強(qiáng)度計算與校核 1.7第六章 同步帶的設(shè)計計算 2.36.

8、1 同步帶傳動特點(diǎn) 2.36.2 同步環(huán)傳動失效形式 2.36.3 同步帶傳動計算與選型 2.4第七章 結(jié)語 2.7.參考文獻(xiàn) 2.8.插圖清單圖 1-1 FDM 工作原理圖 3 圖 1-2 桌面級 3D 打印機(jī) ReprapPro Mendel 4 圖 1-3 桌面級 3D 打印機(jī) Makerbot Replicator 25圖 1-4 Makerbot Replicator 2 打印效果宣傳圖 6圖 1-5 桌面級 3D 打印機(jī) Ultimaker 7 圖 1-6 Ultimaker 打印效果7圖 1-7 桌面級 3D 打印機(jī) UP 8圖 3-1 2020 歐標(biāo)鋁型材模型圖11圖 3-2

9、2020 歐標(biāo)鋁型材結(jié)構(gòu)參數(shù)圖12圖 3-3 鋁型材機(jī)架模型圖12圖 3-4 Y 床鋁型材螺栓固定模型圖13圖 4-1 步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)對照表 15圖 5-1 彎曲強(qiáng)度計算的齒向分布系數(shù) 21圖 6-1 工作情況系數(shù)表 24圖 6-2 同步帶選型圖 25圖 6-3 小帶輪最小齒數(shù)表 25圖 6-4 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量 26第一章 緒論1.1 課題概述能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)， 在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略 地位。節(jié)能、改善環(huán)境、提高能源的利用率是一個趨勢。在能源的傳送過程中， 管道是一個關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)備， 從而對管道的使用參數(shù)有著很高的要求。 在實(shí)際的 應(yīng)

10、用過程中， 管線的連接處還存在彎管段。 此處的鋼管內(nèi)壁是腐蝕的易發(fā)處， 腐 蝕機(jī)理與內(nèi)部承載的介質(zhì)有關(guān)， 在管道內(nèi)壁， 本來就存在著流動加速腐蝕， 而在 彎管段，還存在液滴沖擊腐蝕。當(dāng)管壁減薄到一定程度時，會突然出現(xiàn)爆裂，其 中包含的介質(zhì)就會噴放出來，從而對外部環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。 2004 年 8 月 9 日，日本關(guān)西電力公司福井縣美濱核電站 3 號機(jī)組渦輪機(jī)房的二回路蒸汽管線因 嚴(yán)重腐蝕穿孔，發(fā)生蒸汽泄漏事故，蒸汽廠房內(nèi)工人嚴(yán)重灼燙傷， 造成 4人死亡， 7人受傷。中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會、中國石油學(xué)會和中國化工學(xué)會聯(lián)合調(diào)查的數(shù)據(jù) 表明，對于各個行業(yè)來說，腐蝕造成的損失平均占國民生產(chǎn)總值的3%，

11、但對石油與石化行業(yè)尤其嚴(yán)重，約占產(chǎn)值的 6%。因此，為保障設(shè)備運(yùn)行的高可靠性開 展管道的檢測方法研究是非常有必要的。 對于電站、 石化廠中的管道， 由于管線 已經(jīng)安裝完成， 不方便使用像利用管內(nèi)機(jī)器人的方式進(jìn)行檢查， 優(yōu)先選用管外檢 測方式。在管外檢測方式中，脈沖渦流檢測（ PECT）作為一種新興起的方法， 在其中占有重要的先進(jìn)地位。它具有檢測速度快、人力耗費(fèi)小、成本低、安全性 高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 PECT 技術(shù)起源于 20 世紀(jì) 50 年代 Waidelich 博士在美國 阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的研究工作， 近年來由于老齡飛機(jī)結(jié)構(gòu)檢測的需求得到廣泛的研 究。當(dāng)然 PECT 技術(shù)用于鐵磁管道腐蝕檢測

12、現(xiàn)在也很火熱。隨著我國在能源、化 工等基礎(chǔ)建設(shè)方面不斷加大投入， 同時國家對于風(fēng)險評估手段的引入與推廣， 也 需要相應(yīng)的在役檢測技術(shù)來支撐。因此， PECT 技術(shù)和檢測設(shè)備應(yīng)用前景廣闊， 市場空間巨大。 但現(xiàn)有的脈沖渦流檢測探頭多針對平板或直管進(jìn)行設(shè)計， 實(shí)際檢 測中管線的連接處還存在彎管段， 且該位置是腐蝕的易發(fā)區(qū)。 彎管段的曲面形狀 復(fù)雜，常規(guī)的檢測探頭在該段存在盲區(qū)或檢測精度降低。 因此，有必要針對彎管 段這一特殊位置進(jìn)行探頭的設(shè)計與電磁場分布研究。 設(shè)計出適合管道彎管段的脈 沖渦流檢測探頭和配套機(jī)構(gòu)， 并運(yùn)用 ANSYS軟件分析出脈沖激勵下新探頭與管道 的電磁場分布，解決常規(guī)探頭檢測彎

13、管段時的盲區(qū)問題。1.2 脈沖渦流檢測技術(shù)的國內(nèi)外基本研究情況（針對管道）目前，基于脈沖渦流的隔離層檢測方法在日本被作為鐵磁性管道的檢測手段 而處于研究當(dāng)中， 達(dá)到實(shí)用化階段還需要一段時間。 而在其它國家該方法作為保 溫層材料下的管道壁厚減薄的調(diào)查手段而在研究中， 二十多年前美國 ARCO 公 司最初在世界上首次研制成了現(xiàn)場試驗(yàn)用的儀器。同時，荷蘭 RTD 公司生產(chǎn)了 產(chǎn)品化的用于對管道腐蝕缺陷檢測的脈沖渦流 INCOTEST 檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢 測時針對不同的管徑采用不同的傳感器尺寸， 實(shí)現(xiàn)了對不同管徑下缺陷的有效檢 測。同時，該檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測時不用去除管道的絕緣層和表面涂層。另外，該 檢

14、測系統(tǒng)還應(yīng)用于以下情況： 絕緣層是濕的、 不規(guī)則或不均勻； 絕緣層內(nèi)有加強(qiáng) 的金屬網(wǎng)；設(shè)備表面不潔凈、有附著物、粗糙或有硬殼；設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)等。 在這些條件下，設(shè)備的應(yīng)用均取得了良好的效果。2005 年，中國特種設(shè)備檢測研究院（ CSEI ）從 RTD 公司進(jìn)口了一套 INCOTEST 系統(tǒng)，用于帶保溫層鋼質(zhì)壓力容器和管道腐蝕檢測。 通過使用該設(shè)備， CSEI已成功檢測了數(shù)十條帶保溫層的工業(yè)管道和 100 多臺帶保溫層的壓力容器， 并發(fā)現(xiàn)了一些嚴(yán)重腐蝕性缺陷。另外， CSEI 與華中科技大學(xué)通過共同承擔(dān)國家 “十一五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，已經(jīng)成功開發(fā)了 PECT 系統(tǒng)樣機(jī)。華中科技大學(xué)武新 軍教授

15、等人根據(jù)脈沖渦流檢測基本原理， 研制出鋼腐脈沖渦流檢測系統(tǒng)。 該系統(tǒng) 可檢測出 120包覆層厚度下 10的鋼腐蝕變化。 當(dāng)包覆層外部為白鐵皮保護(hù) 層時，由于鐵磁材料的渦流集膚效應(yīng)， 檢測靈敏度會下降很多， 而白鐵皮保護(hù)層 在我國應(yīng)用很多， 下一步的工作是研制針對白鐵皮的傳感器， 提高檢測精度， 擴(kuò) 大脈沖渦流檢測系統(tǒng)的適用范圍。1.3 論文主要內(nèi)容的結(jié)構(gòu)安排針對上述問題，本文對管道彎管段脈沖渦流檢測理論與方法進(jìn)行了系統(tǒng)研 究，主要內(nèi)容包括： 脈沖渦流檢測的基本原理、 管道彎管段脈沖渦流檢測的理論 模型、管道彎管段脈沖渦流探頭及其配套機(jī)構(gòu)的設(shè)計。全文結(jié)構(gòu)安排如下 :第一章為緒論。 本章首先簡單介

16、紹了管道彎管段檢測的研究背景。 然后總結(jié) 了下國內(nèi)外脈沖渦流檢測技術(shù)在管道方面的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀。 最后指出了全文的 研究內(nèi)容和總體框架。第二章建立了彎管脈沖渦流檢測的理論模型。 本章首先對脈沖渦流檢測的原 理進(jìn)行了介紹。 然后建立彎管檢測的有限元模型， 查看各時刻管壁中渦流的分布 情況，以及接受線圈上任意一點(diǎn)的隨時間變化的感應(yīng)電壓信號。第三章對彎管段脈沖渦流探頭及配套機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。 首先對探頭檢測時的 位置要求作了分析， 然后針對要求做出方案， 最后建立出三維裝配圖， 畫出工程 圖。第四章為結(jié)語。 本章對全文進(jìn)行了總結(jié)， 并指出今后可進(jìn)一步對扶正機(jī)構(gòu)的 完善。第二章 3D 打印機(jī)方案確定2.

17、1 3D 打印機(jī)設(shè)計關(guān)鍵ANSYS 分析時 GUI 操作方式1. 指定工作文件名和分析標(biāo)題FileChange JobnameFileChange Title最后都是單擊“ OK ”確定。2.建立幾何模型建立管道的橫截面和旋轉(zhuǎn)軸2.1 建立圓面PreprocessorModelingCreateAreaCircleSolid Circle2.2 建立旋轉(zhuǎn)軸上的兩個關(guān)鍵點(diǎn)PreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS同樣的方法，建立兩圓面半徑分別為 0.0365m和 0.0265m在如上的對話框中依次鍵入 (0.073,0,0),(0.073,0.

18、073,0)兩個點(diǎn)， 最后單擊 OK結(jié)束。2.3 布爾運(yùn)算建立出圓環(huán)面PreprocessorModelingOperateBooleansSubtractArea2.4 建立管道模型 利用 Extrude 命令來旋轉(zhuǎn)和拉伸橫截面得到管道的一半模型PreprocessorModelingOperateExtrudeAreasAbout Axis(By XYZ Offset)2.5 建立激勵線圈和接收線圈的模型在建立模型之前先要平移工作面 WorkPlaneOffset WP by Increments ，然后再在此工作平 面做局部圓柱系 WorkPlaneLocal Coordinate Sy

19、stemsCreate Local CSAt WP Origin2.2 總體方案分析2.2.1 方案設(shè)計工作分配在有限的時間里， 要將整體設(shè)計完成需要花費(fèi)大量的時間與精力， 故而工作進(jìn)度 的合理安排對于提高工作效率尤為重要，主要工作大致分以下幾方面進(jìn)行：1、搜集資料，熟悉并了解國內(nèi)外桌面 3D 打印機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成及工作情況，分 析其優(yōu)劣，找出可以改進(jìn)或需要改進(jìn)的地方；并弄懂采用熔融沉積制造技術(shù)的 3D打印機(jī)的工作原理、工作特性。2 、總體方案設(shè)計，包括方案的提出與確定，方案的實(shí)現(xiàn)，必要的設(shè)計計算以 及必要的校核。3 、完成打印的裝配圖，及重要零件的零件圖，并完成設(shè)計說明書等。 具體的進(jìn)度安排靈

20、活運(yùn)用工作時間?？傮w方案及功能的實(shí)現(xiàn)：1 、機(jī)床框架采用 2020 歐標(biāo)鋁型材，便于組裝。2、為了追趕桌面 3D 打印機(jī)方便、快速的潮流，同時也考慮到應(yīng)用于辦公 環(huán)境的需求，設(shè)計最大打印尺寸為 200*200*280 （mm）。3、因采用熔融沉積制造技術(shù)，與大多數(shù)桌面 3D 打印機(jī)不一樣的是，噴頭 受水平分層數(shù)據(jù)控制在 X-Z 平面作聯(lián)動掃描，工作臺在 Y軸方向運(yùn)動，按照成形 件的截面輪廓作填充軌跡運(yùn)動，當(dāng)一層成形完后，再做 Z 軸方向運(yùn)動。4 、運(yùn)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動采用步進(jìn)電機(jī)， 步進(jìn)電機(jī)每步的精度在百分之三到百分 之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動的重復(fù) 性。5、

21、為了消除層層累加制造所產(chǎn)生的臺階效應(yīng)，提高打印精度， Z 軸方向步 進(jìn)電機(jī)機(jī)床導(dǎo)軌應(yīng)采用精度高的滾珠絲桿，然而，鑒于本方案中本款桌面 3D 打 印機(jī)的市場定位，滾珠絲桿價格太貴，故采用價格便宜，耐用的 T 型絲桿。6、為了實(shí)現(xiàn)折疊功能， Y軸鋁型材框架外部長度比 Z 軸鋁型材短 1mm。2.3 主要特色及任務(wù)要求2.3.1 主要特色基于桌面級的 3D 打印機(jī)現(xiàn)如今仍處于萌芽階段， 為了讓 3D打印走進(jìn)人類生 活，滿足各種需求，打印機(jī)的視覺沖擊無疑顯得格外重要，畢竟，要想讓人接受 并使用，就必須讓人產(chǎn)生濃厚的興趣，而視覺效果首當(dāng)其沖，故而，本設(shè)計采用 機(jī)床折疊方案， 極大縮小了機(jī)床存放和運(yùn)輸尺寸

22、， 具備很大的便攜性， 也具備很 大的市場潛力。2.3.2 任務(wù)要求鑒于時間的緊迫性和自身能力的局限性， 在完成總體設(shè)計任務(wù)的前提下， 本 方案設(shè)定預(yù)期目標(biāo)如下：1、能用 AutoCAD2013 建模；2、導(dǎo)出二維平面圖，完成完整的打印裝配圖，及重要零件的CAD圖。3、具備市場可執(zhí)行力。第三章 機(jī)床折疊功能的實(shí)現(xiàn)3.1 機(jī)架材料以及型號的選取桌面級 3D 打印機(jī)強(qiáng)調(diào)的是“桌面”二字，這就意味著打印機(jī)機(jī)身的整體尺 寸必須符合辦公環(huán)境的要求，也即尺寸不能過大，而且，隨著世界潮流的發(fā)展， 更多使用者更傾向于 DIY 模式，即自我組裝模式，這就要求 3D 打印機(jī)容易組裝， 同時在此方案中，為了實(shí)現(xiàn)打印

23、機(jī)便攜，美觀，折疊的功能，機(jī)架的選擇尤為重 要。基于以上要求以及本方案對于打印尺寸的界定，故選擇 2020 歐標(biāo)鋁型材作 為機(jī)架選材。鋁型材的使用范圍極廣泛，通用性強(qiáng)，它因環(huán)保、組裝拆卸方便、節(jié)省時間 和金錢的特點(diǎn)而聞名。其具備以下特點(diǎn)：1、鋁型材品種多、規(guī)格全，適合各類型機(jī)械裝置使用；2 、無須焊接過程、調(diào)整尺寸方便、更改結(jié)構(gòu)容易；3 、尺寸公差要求高、表面光潔度要求高；4 、組裝過程方便快捷，生產(chǎn)率高；5 、表面經(jīng)陽極氧化處理，防腐蝕、美觀大方，可提高產(chǎn)品附加價值。市場上常見工業(yè)鋁型材如下：圖 3-1P6-2020 適用于輕型結(jié)構(gòu)的框架組合，本方案中的桌面級 3D 打印機(jī)具備很 高的便攜性

24、，故而機(jī)體重量不大， 2020 鋁型材具體參數(shù)如下圖：圖 3-23.2 機(jī)床結(jié)構(gòu)分析本方案中， 為實(shí)現(xiàn)折疊功能， 設(shè)計整體機(jī)架如圖所示， 整個 Y 床的鋁型材外 部長度要比 Z 軸鋁型材內(nèi)部高度小 1mm。圖 3-3對于機(jī)床的穩(wěn)固問題，本方案采用滾花高頭螺栓以及和 2020 鋁型材相配套 的一字槽條配件結(jié)合來固定整個 Y 床，如圖所示：圖 3-4要實(shí)現(xiàn)折疊，只需將滾花高頭螺栓擰松直至脫離 Y 床鋁型材，然后將整個 Y 床移出 Z軸鋁型材框架向上折疊， 使其嵌入 Z軸鋁型材，使用時將其取出， 復(fù)擰 上滾花高頭螺栓即可。10第四章 電機(jī)驅(qū)動部分選型與計算4.1 步進(jìn)電機(jī)的選取首先，我們來比較一下步

25、進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，如下表： 從表中可以看出，步進(jìn)電機(jī)更適合本方案中小力矩，低速度，低價格的桌面 級 3D 打印機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是直接將電脈沖轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動的裝置， 通過控制施加在電機(jī)線圈 上的電脈沖順序、 頻率及數(shù)量， 可以實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、 速度以及旋轉(zhuǎn)角度 的控制。在不借助帶位置感應(yīng)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的情況下、 使用步進(jìn)電機(jī)與其 配套的驅(qū)動器共同組成的控制簡便、 低成本的開環(huán)控制系統(tǒng)， 就可以實(shí)現(xiàn)精確的 位置以及速度控制?？紤]到本方案中打印機(jī)需要正向 / 反向轉(zhuǎn)動，而且要求位置急停和鎖定功能 以及在低轉(zhuǎn)速條件下的精確位置控制功能，故而采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)。以 1.8 度兩相步進(jìn)電機(jī)為例：

26、當(dāng)兩相繞組都通電勵磁時，電機(jī)輸出軸將靜止 并鎖定位置。 在額定電流下使電機(jī)保持鎖定的最大力矩為保持力矩。 如果其中一 相繞組的電流發(fā)生了變向，則電機(jī)將順著一個既定方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8 度）。同 理，如果是另外一項(xiàng)繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機(jī)將順著與前者相反的方向旋 轉(zhuǎn)一步（ 1.8 度）。當(dāng)通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時，則電機(jī)會順 著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，運(yùn)行精度非常高。對于 1.8 度兩相步進(jìn)電機(jī)旋 轉(zhuǎn)一周需 200步。11伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制 精度 不同交流伺服電機(jī)的控制精度是步距角 為 1.8 的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的 1/655兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一 般為 1.8

27、 、0.9 ，五相混合 式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 0.72 、0.36 。低頻 特性 不同交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使 在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交 流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可 涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi) 部具有頻率解析機(jī)能（ FFT），可檢 測出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)在低速時易出現(xiàn)低頻 振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情 況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn) 為振動頻率為電機(jī)空載起跳頻 率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的 工作原理所決定的低頻振動現(xiàn) 象對于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不 利。頻性同 矩特不交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在 其額定轉(zhuǎn)速（一般為 2000RPM或 3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額

28、定轉(zhuǎn)矩， 在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升 高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會 急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn) 速一般在 300600RPM過載 能力 不同交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能 力，具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。 其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的二到三 倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬 間的慣性力矩步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能 力，在選型時為了克服這種慣 性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn) 矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作 期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩， 便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象運(yùn)行 性能 不同交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū) 動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號 進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度 環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的

29、丟步 或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制， 啟動頻率過高或負(fù)載過大易出 現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時 轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象， 所以為保證其控制精度，應(yīng)處 理好升、降速問題速度 響應(yīng) 性能 不同交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，從 靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速 3000RPM僅 需幾毫秒，可用于要求快速啟停的 控制場合步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn) 速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需 要 200 400 毫秒圖 4-1124.2 步進(jìn)電機(jī)選型計算上述已初步確定采用二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動， 下面對具體的電機(jī)型號進(jìn)行選取計 算，其中某些數(shù)據(jù)為大體估算值。1. 傳動比計算脈沖當(dāng)量：一個指令脈沖使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動拖動

30、的移動距離=0.01mm/p（輸入一個指令脈沖工作臺移動 0.01 毫米）初選二相步進(jìn)電機(jī)的步距角為 1.8 度，其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)：S=360/ （ 4-1 ）步進(jìn)電機(jī)與 T 型絲桿的傳動比：i=L/s =1.25 （4-2）T 型絲桿導(dǎo)程 2mm節(jié), 圓直徑 8mm。在步進(jìn)電機(jī)和 T型絲桿之間加 Z1=20，Z2=25模數(shù) m=2.5的一對齒輪。2. 計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量 JtJt=J1+ （ 1/i2）（J2+Js ）+W/g（S/2）2=0.043 g.cm.s2 （4-3）J1 、 J2 - 齒輪慣量 （Kg.cm.s2）Js - 絲桿慣量 （Kg.cm.s2）3

31、. 計算電機(jī)輸出的總力矩 MM=Ma+Mf+Mt=0.38 N.m （4-4 ）Ma= (Jm+Jt).n/ T1.02102（4-5）Mf=(u.W.s)/(2 i) 102（4-6）Mt=(Pt.s)/(2 i) 102（4-7）Ma - 電機(jī)啟動加速力矩（ N.m）Jm 、 Jt- 電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2)n- 電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（ r/min ）T- 電機(jī)升速時間（ s）Mf- 導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m)u- 摩擦系數(shù)- 傳遞效率13根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 M=0.38 N.m 和總轉(zhuǎn)動慣量 Jt=0.043 kg.cm.s2 ，選定步進(jìn)電 機(jī)型號為 42BYG250B

32、-0151兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其最大靜扭矩為 0.43N.m，轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)動慣量為 57 g.cm.s2 ，符合要求。第五章 齒輪的強(qiáng)度計算5.1 齒輪的損壞原因及形式齒輪傳動形式很廣，應(yīng)用廣泛，總體來說，齒輪傳動具備如下主要特點(diǎn)：效 率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠、壽命長，傳動比穩(wěn)定。齒輪的損壞形式分三種： 輪齒折斷、齒面疲勞剝落和移動換檔齒輪端部破壞。 輪齒折斷分兩種：一是輪齒受足夠大的沖擊載荷作用，造成輪齒彎曲折斷； 一是輪齒再重復(fù)載荷作用下齒根產(chǎn)生疲勞裂紋， 裂紋擴(kuò)展深度逐漸加大， 然后出 現(xiàn)彎曲折斷。齒輪工作時，一對相互嚙合，齒面相互擠壓，這時存在齒面細(xì)小裂縫中的潤 滑油油壓升高， 并導(dǎo)致裂縫

33、擴(kuò)展， 然后齒面表層出現(xiàn)塊狀脫落形成齒面點(diǎn)蝕。 他 使齒形誤差加大，產(chǎn)生動載荷，導(dǎo)致輪齒折斷。3D 打印機(jī)要求能夠進(jìn)行正反轉(zhuǎn)運(yùn)動，齒輪容易產(chǎn)生疲勞而出現(xiàn)彎曲或者折 斷現(xiàn)象。5.2 齒輪的強(qiáng)度校核與計算5.2.1 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)（1）3D 打印機(jī)擠出部分要求齒輪在豎直方向轉(zhuǎn)動，選用直齒圓柱齒輪傳動。（2）3D打印機(jī)為一般工作機(jī)器，故選用 7級精度（ GB 1009588）。（ 3）材料選擇。選擇小齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS，大齒輪材料 為 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS ，取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1。（

34、4）選擇小齒輪齒數(shù)為 z 1 =19，大齒輪齒數(shù) z2 =31。145）選取螺旋角，初選螺旋角3005.2.2 由齒面接觸強(qiáng)度計算3 2KtT1 u 1ZH Z3 2duHd1t5-1）5.2.2.1 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值1）試選 Kt =1.6 。2）選取區(qū)域系數(shù) ZH =2.22 。3）查表得 1 =0.63 ， 2 =0.66 ，則 = 1 + 2 =0.63+0.66=1.29 。4）許用接觸應(yīng)力H 1 KHN1 lim1 =540MPa（5-2）SH 2 K HN 2 lim 2 522.5MPa（5-3 ）SH = H1 H2 =513.25MPa（5-4）5.2.2.2 計算1

35、）試計算小齒輪分度圓直徑 d1t ，由計算公式得Te=595.5 105 Pn1595.5 105 109545105N mmd1t3 2 1.6 105 1 1.2922.6 2.22 189.8mm=64mm1.6 522.55-5）（5-6）2）計算齒寬 b 及模數(shù) mtb= d d1t =1 64=64mm15mt =d1t =z164 =3.77mm19h=2.55mt =2.25 3. 77 =7.58mmb 648.44h 7.58（3）計算縱向重合度=0.318 dz1 tan =0.318 1 19 tan304）計算載荷系數(shù) K已知使用系數(shù) KA =1,根據(jù) v=33.3m

36、/s ，7 級精度，查得動載系數(shù) KV =1.12 ，查得K H =1.423 ， K F =1.35,K H = K F =1 。K=KAKV KH KH =1 1.12 1.4 1.423 =1.594 （5）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，得d1 =d1t 3 K =64 3 1.594 mm=68.48mm1 1t 3 K t1.3d1 cos 68.48 cos300（6） 計算模數(shù) mn = 1 = =3.1mmnz119故載荷系數(shù)5.2.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計由式2KT1Y cos2 YFaYSad z12F5-7）5.2.3.1 確定計算參數(shù) （1）計算載荷系數(shù) K=K

37、A KV KF KF =1 1.12 1 1.35=1.512 。（2）查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE1 =500MPa，大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限 FE2 =380MPa。（3）取彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1 =0.85,K FN2 =0.88。16（4）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，得F 1 KHN1FE1 =0.85 500 =305.57MPa（5-8）F 2 1.512 105 m 3 * 2 0.01644 =2.58mm（5-10 ） 172由彎曲強(qiáng)度算得 的模 數(shù) 2.58 并 就近 圓整為 m=2.5mm，算 出小 齒輪 齒數(shù) z1 = 68.48 =27，z

38、 2 =1.6 27=40。1 2.58 25.2.4 幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑 d1=z1 m=28 2.5=70mm；d 2 =40 2.5=100mm（ 2）計算中心距 a=d1 d2 =85mm S 1.4F 2 K HN FE2 088 380 =238.86MPa（5-9 ）F 2 S 1.4（ 5）查齒形系數(shù)查得 YF 1=2.65,Y F 2 =2.226。（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)查得 YS 1 =1.58,Y S 2 =1.764。YY（ 7）計算大小齒輪的 YF YS 并加以比較YF 1YS 1 =2.65 1.58 =0.01379； YF 2YS 2 =2.226

39、 1.764 =0.01644F 1 303.57 F 2 238.86 大齒輪的數(shù)值大。5.2.3.2 設(shè)計計算 理方法、加工方法、精度等級等。因此，用于計算通用齒輪強(qiáng)度公式更為簡化 一些的計算公式來計算打印機(jī)齒輪，同樣可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。在這里所 選擇的齒輪材料為 40Cr。5.2.5 齒輪彎曲強(qiáng)度計算1）直齒輪彎曲應(yīng)力 WFt10K Kbty5-11)2Tg式中， W 彎曲應(yīng)力（MPa）；（N），F(xiàn)t10= d ，其中 Tg 為計算載荷（Nmm），d 為節(jié)圓直徑圖 5-1應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取 1.65；Kf 摩擦力影響系數(shù)，主動齒輪取 1.1，從動齒輪取 0.9；b 齒寬（ mm）

40、，取 20t端面齒距（ mm）；y齒形系數(shù)，如圖 5-1 所示輸出軸上的計算扭矩為：TgZ9maxZ10Z2Z15-12=170 1000 2.18 1.78=659668Nm2T故由 F10 2Tg 可以得出 Ft10 ；再將所得出的數(shù)據(jù)代入式（ 5-11）可得 d18w10 651.3MPaw9 5 33. 0M1Pa當(dāng)計算載荷取作用到輸出軸上的最大扭矩Temax 時，直齒輪的彎曲應(yīng)力在400850MPa 之間。5.2.6 齒輪接觸應(yīng)力 j0.41811zb5-13)式中， j 齒輪的接觸應(yīng)力（ MPa）；F 齒面上的法向力（ N）， F F1soc（/soc ）；F1 圓周力在（ N），

41、 F1 2Tg /d；節(jié)點(diǎn)處的壓力角（ ）；齒輪螺旋角（ ）；E齒輪材料的彈性模量（ MPa），查資料可取 E 190 103MPa ；b 齒輪接觸的實(shí)際寬度， 20mm；z、 b 主、從動齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（ mm）；5-14)5-15)直齒輪： z rz sinb rb sin其中， rz、rb 分別為主從動齒輪節(jié)圓半徑（ mm）將作用在輸出軸上的載荷 Temax 作為計算載荷時，打印機(jī)齒輪的許用接觸應(yīng)力j =1998.61 MPa，符合滲碳齒輪 19002000 MPa 區(qū)間，因此，所設(shè)計打印機(jī)齒輪 的接觸應(yīng)力基本符合要求。19第六章 同步帶的設(shè)計計算6.1 同步帶傳動特點(diǎn)帶傳動是一種

42、撓性傳動。 同步帶傳動是由一根內(nèi)表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行 帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。 它綜合了帶傳動、 鏈傳動以及齒輪傳動各自的優(yōu) 點(diǎn)。同步帶傳動對軸作用力小，傳動比精確，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油，耐磨性好，抗老 化性能優(yōu)越，對于本方案中低速運(yùn)行的 3D 打印機(jī)來說實(shí)為不二選擇。同步帶傳動運(yùn)用越來越廣泛，其特點(diǎn)如下：（1）可用于長距離傳動，中心距可達(dá) 10m以上；（2）后期維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤滑，維護(hù)費(fèi)用較低；（3）傳動效率比較高，可達(dá) 0.98 ；（4）傳動過程平穩(wěn)，具有減振、緩沖能力，噪聲低；（5）速比范圍大，具有較大的功率傳遞范圍，可達(dá)幾瓦到幾百千瓦；（6）傳動很精確，工作時無滑動現(xiàn)象，具備恒定

43、的傳動比。 同步帶齒分梯形齒和弧齒兩類， 弧齒又有三種系列： 圓弧齒 （H 系列又稱 HTD 帶） 、平頂圓弧齒 （S 系列又稱為 STPD帶）和凹頂拋物線齒（ R系列）。梯形齒同步帶分單面有齒和雙面有齒兩種， 簡稱為單面帶和雙面帶。 雙面帶 又按齒的排列方式分為對稱齒型（代號 DA）和交錯齒型 （ 代號 DB。梯形齒同步帶有兩種尺寸制：節(jié)距制以及模數(shù)制。我國現(xiàn)采用節(jié)距制。6.2 同步帶傳動失效形式同步帶傳動常見的失效形式有如下幾種：1）同步帶的承載繩斷裂破壞；2）同步帶的爬齒和跳齒；3）帶齒的剪切破壞；4）帶齒的磨損；5）同步帶帶背的龜裂。通過對同步帶傳動失效形式的分析， 可知帶、 輪的尺寸

44、控制嚴(yán)格， 如果同步20 帶與帶輪材料有較高的機(jī)械性能， 制造工藝合理， 安裝調(diào)試也正確， 那么許多失 效形式均可以避免。 因此， 在正常的工作條件下， 同步帶傳動的主要失效形式為 如下三種：(1) 同步帶的承載繩疲勞拉斷；(2) 同步帶的打滑和跳齒；(3) 同步帶帶齒的磨損。6.3 同步帶傳動計算與選型1、電機(jī)額定輸出功率估算P Tw 4.8 0.1 0.067 =7.16W2、確定計算功率電動機(jī)每天使用 24 小時左右，查表 4-1 得到工作情況系數(shù) K A =1.7 。則計算 功率為:Pca K AP 7.16 1.7 12.17W3、小帶輪轉(zhuǎn)速計算n v/r 0.1 0.067 60

45、8.96r /min4、選定同步帶帶型和節(jié)距由同步帶選型圖 6-1 可以看出， 由于在這次設(shè)計中功率轉(zhuǎn)速都比較小， 所以 帶的型號可以任意選取，現(xiàn)在選取 H 型帶，節(jié)距 Pb 12.7mm21圖 6-1圖 6-25、選取主動輪齒數(shù) z1查表 4-2 知道小帶輪最小齒數(shù)為 14，現(xiàn)在選取小帶輪齒數(shù)為 41 6 小帶輪節(jié)圓直徑確定z1Pb 41 12.7d1 1 b=165 .82 mm1 3.14圖 6-37、大帶輪相關(guān)數(shù)據(jù)確定由于系統(tǒng)傳動比為 1:1 ，所以大帶輪相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)與小帶輪完全相同。齒數(shù) z2 29 ，節(jié)距 Pb 12.7mm 8、帶速 v 的確定dn 3.14 117.29 8.9

46、60.1m/ s vmaxv60 1000 60 10009、初定周間間距根據(jù)公式220.7(d1 d2) a0 2(d1 d2) 得232mm a0 663mm 現(xiàn)在選取軸間間距為 600mm。10、同步帶帶長及其齒數(shù)確定L0 =2a0 2 ( d1 d2 )= 2 600 3.14 (165.82 165.82) / 2 =1720.67mm 11、帶輪嚙合齒數(shù)計算zm =20。由于在本次設(shè)計中傳動比為一，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即12、基本額定功率 P0 的計算(Ta mv2)v1000查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量表4-3 可以知道 Ta =2100.85N， m=0

47、.448kg/m。 所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為(2100.85 0.448 0.12 ) 0.1P0 =0.21KW0 1000圖 6-413、計算作用在軸上力 Fr1000Pd23=71.6N第七章 小結(jié)桌面級 3D 打印機(jī)隨著技術(shù)的成熟已經(jīng)滲透到人類日常生活，也許將來某一 天還能成為生活必不可少的一部分， 給人們帶來新的體驗(yàn)。 對于我們還沒有踏出 校門的學(xué)生來說，桌面級 3D 打印機(jī)的設(shè)計有助于提高我們的設(shè)計水平以及實(shí)踐 能力。對于本次設(shè)計，其特點(diǎn)是：步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)行，沒有大型機(jī)床的噪聲，容易 操控；不管是電機(jī)還是絲桿， 亦或是光軸等， 都充分參考了產(chǎn)品市場定價及規(guī)格， 屬于低成本制造，服

48、務(wù)于大眾，每個人都有能力購置這樣一臺 3D 打印機(jī)，市場 潛力巨大；組裝簡便，此設(shè)計遵循 DIY 設(shè)計原則，符合廣大 DIY 群體的需求， 給制造商減去諸多負(fù)擔(dān)，大大提高了生產(chǎn)率；零件構(gòu)架不是很復(fù)雜，易于加工。 當(dāng)然，這次設(shè)計也有諸多不足之處， 在產(chǎn)品選型方面， 并沒有嚴(yán)格按照計算所得 來選擇產(chǎn)品型號，而是在市場上尋找相似，功能可以相互替代的產(chǎn)品進(jìn)行構(gòu)建， 所以，此方案可能更偏向于實(shí)際而非理論， 故而缺乏一定的嚴(yán)謹(jǐn)性， 在以后的學(xué) 習(xí)和工作當(dāng)中，我會繼續(xù)研究桌面級 3D 打印機(jī)技術(shù)，力求將此方案設(shè)計的更加 合理。一個學(xué)期緊張忙碌的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲， 這次設(shè)計是對我大學(xué)四年來的 學(xué)習(xí)的一次最

49、綜合的檢驗(yàn)與考驗(yàn)， 也是一次綜合學(xué)習(xí)的過程。 畢業(yè)設(shè)計不僅使我 學(xué)習(xí)和鞏固了專業(yè)課知識而且深刻了解了不少相關(guān)專業(yè)的知識， 個人能力得到很 大提高。同時也鍛煉了與人協(xié)作的精神， 為以后我踏入社會工作打下了良好的基 礎(chǔ)。24參考文獻(xiàn)1 劉偉軍. 快速成型技術(shù)及應(yīng)用 M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005：1-13.2 徐人平. 快速原型技術(shù)與快速設(shè)計開發(fā) M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2008： 34-36.3 湯酞則. 材料成形工藝基礎(chǔ) M. 長沙：中南大學(xué)出版社， 2003: 221-226.4 王文斌機(jī)械設(shè)計手冊 .零部件設(shè)計常用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn) M4 版. 北京：機(jī)械工 業(yè)出版社， 20075 彭

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52、f concepts in design, manufacturing and analysis. Prototyping isan essential part of product development and manufacturing cycle required for assessing the form, fit and functionality of a design before a significant investment is made.Presently, a dominant technology for producing physical models f

53、or testing and evaluation purposes has beenrapid prototyping (RP). CNC prototyping has its own limitations involving the geometric errors due to machinetool accuracy and inaccuracy of machining and thermal errors arise due to frictional forces between the tool and thejob (Kosinar and Kuric 2011). Ot

54、her disadvantages includes the loss of the raw material as the process issubtractive, the fixtures required in CNC machining have their different complicated designs for different types ofparts, increased costing due to manufacturing of valves and fixtures themselves, tedious programming associatedwith the CNC s and hiring skilled labor for overviewing the process that adds to its cost