12讲-机械式双量程压力表和标定器

1、机电装备的工程化设计总体设计-10主讲教师：康宜华教授黄禹副教授孙燕华讲师2019.09.18(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7) 气缸(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)课程内容仪器设计的需求分析一钢丝绳无损检测仪器（2）仪器设计的需求分析一便携式螺纹检测仪器（2）总体设计设计过程夕卜观设计要领（2）总体设计设计分析成本决策退路铸件（2）回转运动设计驱动动力源的取舍轴承设计要领（2） 回转运动设计轴和连轴器设计要领（2）往复运动设计（钢管翻料器）驱动动力源的取舍气缸液压缸电动（2）焊接件与螺纹连接设计要领（2）加工件设计要领（2）机构设计方法与创新（2）

2、创新设计方法一探头摇臂（2）创新设计方法一机械双量程压力表和特殊驱动机构（2） 创新设计方法一喷标器设计柔顺机构（2）机电系统创新设计及实践一电火花刻伤机微动和微机构（2） 机电系统创新设计及实践一电火花钻孔机设计（2） 机电系统创新设计及实践一电火花线切割机床设计（2）數剜彰溯E智力因素1. 创造欲望或创造动机; 2明确的目标；3.勤奋实践；4. 自信;5. 谦虚6.队精神。影响创造力的”蘇1. 创造性思维及创新方法;2. 知识因素；3. 创造环境。创造技法1. 还原法；2. 智力激励法；3. 检核表法；4. 列举法；5. 组合法；6. 移植法；人形态分析法。密压力MPa力我厂（復罩壳示数装

3、置 弹性元件仪表外壳机械式双程压力表精密机械设计传动放大机构haws工程要求：采用单程机械压力表的原理，构W逬成一个双程压力表:一个量程大._个量程小f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。机械式弹簧管压力表1弹簧官；2游丝；3旨针；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,波登管扇形齿轮又与中心轴上的小齿轮相啮合,压力表的 指轩固定在中

4、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W6 Rciirdx Tth«x-wWxkrtgludPpwu d r vUumvr IYXC YXNC YBF YTZ YSZ抗震坯助电接抗離电接不镌钢远传压力裘扩散硅压压力表点压力袤点压力表压力表力变送落压力表9 aw 1¥8面辱片so ctcn Diaoh ragm隔膜在被介质作用

5、下产生变形,密封液 被压,形成一个相当 于P的压力,传导至压 力仪表，显示被测介 质压力表。阻尼器克按软管连接砂歳连接角形连接54031.:Hl； d &1 | ' ! *春寻詈昌凸覩兰丄勰兰均勰用一个弹簧管能否带动两个指针?难解4/ 齿轮间隙 "难解回零误差驱动力工作原理:1弹簧管；2游丝;3大指针;4大齿轮;5-大齿轮带 小齿轮放大机构；6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。精密测量的量程不能用放大器放大?两个弹簧管能否直驱两指针?精密测量的一致性?小量程仪表的保护工作原理：1弹簧管1 ； 2游丝1 ; 3大指 针

6、；4大齿轮；5扇形齿轮彳；6弹贵管2；7游丝2； 8人指针；9人齿轮；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。创新技法：加一加作业4 :漏磁检测探头标定器设计背景：漏磁检测探头中,般在空间一条线上均匀安装磁敏感元件z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

7、数,达到多通道对同 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。通道灵敏度标定由标定器实现。标定器采用同一个磁信号源（通常是一个小 磁铁）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z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05* 3 mm ,其运动轨迹正对敏感元件。与之配参考:直线运动部件LME有扶心丟列线性电机电动滑台齿条式电动开窗器平滑、畅顺的强力输出；上下固定或滑移式安装；多种推程，最大可达1500mm；大于40000次推出及拉回 测试；静止状态的紧锁拉

8、力：2500N； 保护等级:IP65-0.1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。国外的机械式标定器 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

9、一磁信号源达到一致。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z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,稳定性和可靠性 差,辅助工装多。现有的标定标定过程时间长,特点：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，人工划过探头的速度快慢不会影响标定信号大小。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。手提便携式设计，体积小巧，携带使 用方便。电子标定器标定过程电子标定器标定过程8个探头采集信号调节后的8个探头采集信号isr调节了的8个探头采集信号特殊驱动机构广义执行机构的驱动源种类繁

10、多。按能量分:机.电.热.光.声.磁等。按机理分:结构型和物性型。驱动源总称为执行器(Actuator)。物性型执行器(Actuator) 特殊驱动机构,主要有: 压电驱动形状记忆合金驱动磁致伸缩材料驱动 主要应用于微小运动。压电驱动机构及应用直接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z晶体 产生变形。压电效应表明了石英晶 体的力学性质和电学的耦合。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）。每个 硅原子用+号表示,每个氧原子用

11、 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。力电L产壬唱Fr面切变模式h_ ，弯曲模武延伸模式厚度剪切模式共模耳度切变三次泛音厚度切变压电驱动机构及应用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。"10nm,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,从而实现开崖擦稳齐徴/1的信送动作.压电驱动机

12、构及应用压电驱动机构及应用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E卩头喷嘴附近，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，Upper eJectrodeNozzleCurrent Micro Piezo HeadNext-Generation Micro Piezo HeadP*ZT film thickness 25 pm, 16 layers并使墨水保持在常温常压的PZT film thickness 1 pm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。Displac

13、ement of 260 nm per 108 pm of CAV widthDisplacement of 400 nm per 55 pm of CAV width压电驱动机构及应用压电效应纤维: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，但硏究出拥有适当的振 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 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

14、以拿整件衣服当录音笔的麦克风了！磁致伸缩材料及应用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,其位移精度近年彙,随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展,微机 械硏究的兴起，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是一种新型

15、、高效的磁(电)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镇、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，是镇的40 50倍,是压 电陶瓷的5 8倍；能量密度高(14000 25000J/m3),是镇 的400 500倍,是压电陶瓷的10 14倍;机电藕合系数大 (0.72);响应速度快(达到ps级);输出力大，可达220880N。超磁致伸缩微位移驱动系统L冷却

16、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驱动线圈磁致伸缩材料及应用磁致伸缩材料及应用40 -0100 2(M 300 4M) 5«0 600 700BI矽庇強度(mT)3-06105原理简图987.磁致伸缩材料及应用磁致伸缩材料及应用基于超磁致伸缩执行器的切削振动控制系统主动振动控制刀底架<- 执行龄_>AWAW（工切削力F >振动幅度由原来的士 10u m减 少到控制后的±5ugt/sO 1234567891011切削振动系统动力学模型图形状记忆合金及应用形状记忆合金及应用形状记忆效应来源热弹

17、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。记忆合金管件用形状记忆合金制作插头与插座或管子连 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 J4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。智能阀件収厦甜自动控很朮窗:圈在暖气出水处加一随温度变化的记忆合金调节阀，当出水 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