合理尺寸

合理尺寸（精选5篇）

合理尺寸 篇1

摘要：热态锻件尺寸的传统的手工在线测量耗时、精度不高,大大降低了生产效率,增加了生产成本,为此,本文对热锻件尺寸光学无接触在线测量方法的合理性进行了探讨,分析了可见光成像双目立体视觉测量、红外双目立体视觉测量、基于Gray编码和移相法的结构光双目立体视觉测量、激光三维扫描测量四种方法的原理、优缺点、适用场合、国内外现状及其他相关国内外现状,从而为工业实际中热锻件尺寸光学无接触在线测量方法的选择奠定良好的基础。

关键词：测量技术,热态锻件,在线测量,无接触,双目视觉,红外,结构光,激光

0引言

大锻件是制造重型机械和重大装备的关键件和基础件[1],广泛应用于钢铁、交通、造船业等领域,在国民经济中有非常重要的地位。目前国内锻造水压机生产的轴类锻件的长度已达21m,筒类锻件的直径已接近6m。在自由锻过程中,有时设置锻造温度为1100~1250℃,并且现场环境时刻伴随着强振动。为有效控制锻造过程的质量,需要对热态锻件进行在线测量。但是直到现在,我国锻压厂还大多采用简单的人工直接接触测量,靠工人在高温下用肉眼观察,工作环境艰苦,且难以保证精度。

如图1a所示,直径小于2m的轴类锻件由工人在距锻件不到1m处使用卡钳测量其直径;直径2m以上的轴类锻件径向尺寸通常采用简单的“量杆”进行测量,如图1b所示;图1c所示为采用钢尺测量盘类锻件的高度或直径;图1d所示为采用钢尺测量轴类锻件的长度;有些异形锻件的形状测量通过模板进行直接接触比对,如图1e所示。

限于测量手段,为了保证锻件合格率,不得不加大冷加工余量,造成很大浪费。由此产生的锻件损耗平均为15%[2]。因此,有必要采用在线无接触方式进行热态锻件尺寸的高精度快速测量。

无接触式测量,就是以光电、电磁等技术为依托,在不接触被测物体表面的情况下得到被测物体表面参数信息的测量方法[3]。锻件在线尺寸测量是指在锻造过程中,测量锻件的主要尺寸,从而判断其是否达到工艺文件要求[2]。 实现在线测量能节约原材料,减少锻造量及再加热次数,节省能源,缩短生产时间。

目前我国大型锻件的自由锻造生产设备和生产能力已达到世界先进水平,国内100MN以上的自由锻造液压机已达16台,其中主要包括一重的150MN、二重的160MN、上重的165MN和洛矿的185MN[4]。但目前大锻件的无接触在线测量技术却未见到在工业实际中成功应用的报道,一定程度上限制了上述先进的大型自由锻造的贵重设备的作用的更好发挥。其测量问题已然成为大锻件生产中需要迫切解决的重大技术问题,市场空间很大。

为此,本文对热锻件尺寸光学无接触在线测量方法的合理性进行了探讨,分析了可见光成像双目立体视觉测量、红外双目立体视觉测量、基于Gray编码和移相法的结构光双目立体视觉测量、激光三维扫描测量四种方法的原理、优缺点、适用场合、国内外现状及其他相关国内外现状。从而为工业实际中热锻件尺寸光学无接触在线测量方法的选择奠定良好的基础。

1可见光成像双目立体视觉测量方法

摄像机成像关系:被拍摄物体上某点和摄像机光心的连线与图像平面的交点就是所得到图像上对应点。摄像机的成像模型可以采用针孔模型,在双目立体视觉中,为了方便换算,摄像机模型采用前投影模型。参照图2,通过左摄像机得到空间任意一被测物点P的左像点pl,则由摄像机成像关系可知,物点P在左摄像机光心Ocl与左像点pl所确定的直线Oc lpl上;同理,物点P也在右摄像机光心Ocr与右像点pr所确定的直线Oc rpr上。即直线Oc lpl与直线Oc rpr的交点就是物点P。由于左右摄像机光心、左右像点的空间位置已知,所以可以确定物点P的空间位置。

这样,通过两个CCD摄像机就能确定被测物体表面各点的三维空间位置,从而确定被测物体的三维尺寸。另外,一个完整的双目立体视觉系统依次可分为:获取图像、摄像系统标定、特征提取、立体匹配、三维重建和三维表面描述[5]。

这种测量方法为被动式视觉测量,不需要加辅助光源,数据采集较快,克服了单目视觉测量的一些局限性,能够获取三维立体信息,可用于较远距离、较大范围测量,结构简单,成本较低,经济、实用,适合用于热态锻件测量。不过,该测量系统受光照条件限制,容易受测量现场烟雾等恶劣环境的影响,导致测量精度降低,测量不稳定,即使加了滤光片,也不能很好地克服影响。

图3所示为2007年已经实际应用于在线测量石油精制压力容器的壳体用环形锻件的径向尺寸测量系统。该系统由日本冈本阳等人开发,采用可见光

成像双目立体视觉测量原理,适用于大型高温环类、轴类锻件的直径尺寸测量如图3a所示,采用两个已知长度的小方形热态物体来代替环形锻件进行实验,两热态物体的外侧面之间的距离分别为4m、4.5m和6.5m,两摄像机与两热态物体端面之间的距离为15m。实验结果表明:外径测量精度在±5mm以下。参照图3b、c、d、e,其中所用锻造设备为8000t或4000t锻压机,被测环形锻件的外径为4m~6m,锻件温度为1200℃,两个摄像机与被测件端面间距离为20m左右,两摄像机在同一水平面上,两摄像机之间的距离根据视差进行调整,需要保证一定的视差,当该被测环形锻件的温度为500℃ 以上时,测量精度可为0.2%左右[7]。

该测量系统具有前文所述可见光成像双目立体视觉测量原理的优缺点,而且该测量系统还有缺点:测量装置固定在被测锻件轴向某个位置,不能移动,限制了所能测量的锻件的轴向长度,并且在锻件轴向需要较大的安装空间;一般用于测量被测锻件的径向尺寸,不太适合测量锻件的轴向长度。

2红外双目立体视觉测量方法

红外双目立体视觉测量系统主要由两台红外热像仪、红外图像采集系统和计算机等组成。两台红外热像仪拍摄高温锻件,得到相应的红外图像;然后红外图像采集系统将红外热像仪拍摄得到的模拟图像转换成数字图像;最后通过计算机对得到的数字图像处理,实现高温锻件轮廓特征的高精度重构,完成高温锻件三维尺寸的在线测量[8]。

红外热像仪的成像模型可以采用针孔成像模型,在红外双目立体视觉测量系统中,采用前投影模型。红外双目立体视觉测量原理和上文所述的双目立体视觉测量原理类似,是通过左热像仪的中心和左像点所在直线与右热像仪的中心和右像点所在直线的交点来确定被测点的空间位置的,并最终实现高温锻件三维尺寸的在线无接触测量。

这种测量方法的优点:能很好地克服高温锻件自身辐射与表面反射光叠加、烟雾等恶劣环境的影响,成像稳定性好,适用于高温等恶劣现场环境中锻件的尺寸测量;不需要辅助光源,数据采集快,结构简单,可用于较远距离、较大范围测量。缺点是:目前分辨率较高的热像仪基本都采用焦平面阵列成像,具有较强的空间非均匀性导致输出图像空间分辨率降低;由于背景和目标之间的热平衡等导致输出图像纹理较差,视觉效果模糊;目前红外热像仪的分辨率还不是很高、算法还不够成熟等原因,导致这种测量方法目前难以达到很高的测量精度;需要被测目标与周围空气等有明显的温度差别;目前红外热像仪价格较高,从而成本较高。

2001年天津大学陈炎华等提出了高温构件尺寸测量的单热像仪和一维精密平移台组合的红外双目视觉方案,采用美国FLIR公司的644×512像素的Photon640系列红外热像仪完成了实验环境下高温构件主要尺寸的测量和形貌重建。实验结果表明:测量尺寸与实际尺寸之间的相对误差小于3%,测量结果的标准差小于0.7mm[9]。测量精度和稳定性与通过可见光成像的双目视觉测量相比,差距较大,这主要是由于热像仪的像素低、算法不成熟等的限制。

2011年刘启海等采用两台美国FLIR公司的644×512像素的Photon640系列红外热像仪等构成双目视觉测量系统,完成了高温恶劣环境下高温构件的主要三维尺寸的测量和形貌重建,图4所示为其实验装置。实验表明:构件处于约900℃的高温状态时,在距离约1m处,可见光的影像误差约为远红外视觉的10倍;尺寸小于150mm的构件,10次重复测量结果的平均数与标称尺寸之间的相对误差均小于2%,测量结果的标准差小于0.4mm[8]。测量精度和稳定性与通过可见光成像的双目视觉测量相比,差距较小,也主要是由于热像仪的像素低、算法不成熟等的限制。

2012年崔素梅等采用两台美国FLIR公司的644×512像素的Photon640系列红外热像仪等构成双目视觉测量系统,围绕该测量方案的主要问题进行研究,提出了标定新方案等,实验结果表明:尺寸测量相对误差约为1%,具有较好的稳定性[10]。测量精度与通过可见光成像的双目视觉测量相比,差距进一步缩小。

3基于Gray编码和移相法的结构光双目立体视觉测量方法

如图5所示,该测量系统主要由光栅投影装置、两台CCD摄像机组成。该测量方法的原理与前述双目立体视觉测量的原理类似,也是通过“视差”测量原理,最终实现被测目标的三维重建,从而获得欲得到的尺寸信息等。但是,该测量方法通过光栅投影装置向被测目标表面投射结构光,属于主动式视觉测量。而且,该测量方法通过投射面光栅条纹将测量空间划分成带状区间,通过对结构光进行Gray编码实现各带状区间的匹配,通过移相法实现带状区间内部平行于带状区间边界的各线的匹配,通过外极线匹配法实现已匹配各线上各点的匹配。

该测量方法的优点:结构光易于控制,成像效果较好;通过提高结构光的亮度,可应用于远距离、大范围在线非接触测量;能很好地实现全局匹配,三维重建精度高,从而测量精度高。缺点:需要依次投影多幅编码的光栅条纹,连续投影移相光栅条纹,并拍摄图像,从而对实时性有一些影响;需要光栅投影装置,结构复杂一些,成本高一些。

2006年吉林大学的赵毅等采用数字滤光技术和结构光双目测量技术,实现了高温锻件的快速三维形貌测量,实验中,摄像头距离热态构件为2m左右,单幅测量范围可达1000mm×800mm,单幅测量时间可控制在5s以内[11]。该测量系统具有基于Gray编码和移相法的结构光双目立体视觉测量原理的优缺点。

4激光三维扫描测量方法

运用三维激光扫描法测量大型热态锻件尺寸采用了通过球面坐标来确定锻件上各点空间位置的思路,主要基于测距原理、测角原理和坐标变换原理[12]。下面简要介绍这几种原理。

4.1测距原理

三维激光扫描测量使用间接测距方法,主要有三角法测距、相位法测距和脉冲法测距[12]。其中使用脉冲法测距时,由于激光连续发射时间非常短,且瞬时功率很大,从而使这种测量方法方向性好,且有很强的抗干扰能力,不易受现场环境、被测目标表面状况等影响。脉冲法测距适合于远距离、大范围测量。

脉冲法测距原理如图6所示。脉冲激光器向被测物体发射激光脉冲信号,同时开始计时,设此时刻为t1,所发出的激光脉冲信号由于被测物体表面的漫反射而返回到光电探测器,并被光电探测器接收,接收到回波脉冲的同时,停止计时,设此时刻为t2。这样就得到了激光脉冲信号从脉冲激光器到达被测物体的往返时间T。从而光速与往返时间乘积的一半就是脉冲激光器与被测物体之间的距离。

4.2测角原理

三维激光扫描装置一般通过两个电机控制激光束在垂直与水平两个方向扫描。两个电机联合控制激光器转动,从而实现激光束投射点在物体表面有规律且连续地移动。扫描装置会记录下各点相应往返时间,同时,还会记录下各点相应垂直方向扫描角度和水平方向扫描角度。

4.3坐标变换原理

经过测距和测角,就得到了球面坐标系中被测物体上相应各点的球面坐标,再经过坐标变换就可以转化为相应空间直角坐标系中的坐标,这样就得到了各点在相应局部坐标系中三维点位坐标。如图7所示。

激光三维扫描测量的优点:不受光照条件的影响,能记录和显示整个锻造过程中锻件尺寸的变化过程,测量精度高,适合远距离、大范围无接触在线测量锻件尺寸。缺点:成本高,且扫描需要一定时间,对实时性有一定影响。

2006年世界上已经有运用激光扫描法测量大锻件尺寸的实例。图8所示为德国MINTEQ公司开发出的La Cam-Forge系统[13],高度为30cm,内部含有脉冲半导体激光器的扫描头安置在压力机外的一个位置,激光束经过多棱镜的反射并散射在锻件表面进行距离测量,能够对锻件进行在线扫描,基于时间飞行原理可以实时得到锻件的三维形状和尺寸。同时,控制室计算机能同步显示锻件的三维形状和尺寸变化。其中所采用的是波长为900nm的近红外激光脉冲。

该测量系统已经应用于5500吨、8000/ 10000吨压力机。以8000/10000吨压力机为例,扫描头与被测锻件之间的距离为9m,每次扫描的数据点为40000个,最大工件长度为15m,每次扫描时间小于10s。

该测量技术的主要优点是:能够在线实时动态测量,能够同步、定量、完整地记录和显示锻件的尺寸随时间的变化过程,能测量锻件的直线度和温度分布。缺点:装置较为复杂,成本较高;存在盲区,不能得到被测锻件的全三维信息,从而无法测量较为复杂的锻件;扫描用时较长;受扫描头固定和激光测量距离的限制,导致所能测量的工件长度有限。

2008年上海交通大学于鹏等提出采用激光测距传感器配合球面二自由度并联机构实现大锻件尺寸测量的方法,基本思想是测量球面并联机构的两输入角度和传感器的距离信息,然后采用坐标变换原理等最终实现锻件尺寸测量。将测量系统固定在距离锻压机20m左右的工作室内,进行纵向扫描来测量锻件的宽度,相对测量精度为1.2% 左右[14]。

该系统除具有前文所述激光三维扫描测量原理的优缺点外,因其采用球面二自由度并联机构,灵巧度高,精度高。

5其他相关国内外现状

2010年意大利MERMEC集团开发了TOPSCAN系统[15],如图10所示,该系统配有一个激光发射器、一个专用的发射激光束的镜头和一个带有光学透镜系统的高分辨率数字传感器,这三者构成了一个激光摄像三角测量系统。激光束的轴线、高分辨率高速光探测传感器的聚焦轴、激光源与摄像机镜头连线构成三角形,其中激光束的轴线与被测锻件表面垂直且和激光束与摄像机镜头的连线夹角为90°,激光源与摄像机镜头连线长度为定值,光探测传感器的聚焦轴和激光源与摄像机镜头的连线之间的夹角也在校准过程中确定,这样就能得到激光器与被测锻件表面之间的距离。并且探测传感器的自校准过程能定期检测和校正上文所述连线长度和相应两个夹角,从而保证了测量的稳定性。

该系统能够得到完整的锻件几何截面,从而可以与二维CAD剖面图进行比较,最终实现生产工艺的评价和优化。该系统也能根据在不同位置探测到的不同截面进行锻件轮廓的三维重建,更加直观。目前该系统轴向扫描范围是2m~15m,可测量锻件直径已达9m,所能测量的锻件的最大温度为1250℃;激光探头最大可视范围为5m,每次测量激光探头测量角度内相应轴截面的最长测量时间不超过1s;直径测量精度为±3mm左右,长度测量精度为±5mm左右。

优点:能直接得到完整的锻件几何截面,从而与工程图直接比较。缺点:扫描范围较小;随着被测锻件长度的增大,所需导轨的长度增加,结构趋于复杂;存在盲区,不能得到被测锻件的全三维信息,从而无法测量较为复杂的锻件。

2010年意大利MERMEC公司和布雷西亚大学已经合作开发了基于三维相移激光测距扫描的CLOUDSCAN系统[15]。图11所示为该系统工作流程示意图,根据系统结构的需要,主要是被测锻件形状的需要,该系统可设置一个或多个激光扫描仪,激光扫描仪投射两束不同波长的激光到被测锻件表面上,两束光波被反射到扫描仪上,通过两个光波的相位移动得到扫描仪与被测锻件表面的距离。这样,通过计算机控制各扫描仪的方位、进行校正等,然后扫描得到三维点云,通过处理软件对三维点云进行过滤、整合等,最终得到锻件的全三维描绘。

该测量系统能在几分钟内得到锻件的完整几何尺寸,激光扫描仪的测量范围为1~120m,扫描仪每秒可测量120000个三维点,通过旋转测量头使得水平可视范围为360°,通过旋转镜使得竖直可视范围为320°,对于直径、厚度、长度等几何测量值的精度为±5mm左右。

优点:能得到被测锻件的全三维信息,从而可以测量某些复杂锻件的有关尺寸;可远距离、大范围无接触在线测量。缺点:测量需要一定时间;随着锻件结构复杂度的增加,需要更多的激光扫描仪,系统也会变得更复杂,测量所需时间也会加长;所采用的不可见红外激光的安全等级为3R,直接观看光线会有危险,不能通过眨眼来保护眼睛,激光扫描仪的最小安全距离是1.5m,从而增加了整个测量系统的危险性;成本高。

美国国家标准与技术研究院(NIST)、俄亥俄州立大学、OGT公司(OG Technologies,Inc.)和密西根大学等在高温锻件尺寸测量方面一直保持着密切合作,2001年已经一起开发了利用激光在CCD图像传感器上成像测量锻件三维外形尺寸的Hot EyeTM系统[16]。Hot EyeTM系统可以用来分析锻造过程中锻件和模具之间的相互作用情况,由此得到一系列生产数据,指导工业实际生产。此外,该系统还可以对模锻情况进行实时在线监测,并利用监测结果帮助工程人员改善工艺,提高生产率,如可以通过在线检测减少模锻过程中锻件的飞边消耗。该系统对高温锻件的成像达到了常温下的效果水平,在测量小型锻件方面具有很好的效果。但是,该系统也具有明显缺点,不能用于大型锻件的测量。

荣获2008年度国家科学技术进步一等奖的“15000t锻造水压机”项目,由中国第一重型机械公司与燕山大学聂绍珉教授等合作完成,研制了一种基于CCD的大型锻件尺寸测量系统,如图13所示,该测量系统采用步进电机驱动一个4000像素线阵CCD摄像头在导轨上沿锻件轴向运动,在运动中从锻件侧面对锻件间断拍摄,对得到的数据进行处理,得到锻件的径向尺寸及形状,并显示在屏幕上。摄像头可设置在距水压机中心线约20m处;对于直径小于2.5m的锻件,误差可达1mm以下,直径大于2.5m的锻件,误差不超过2mm[17]。

优点:不用加滤光片;可实现远程非接触高精度在线测量;只用一个CCD摄像头,结构简单。缺点:应用范围较小,不能测量环形锻件的内径等;测量椭圆类锻件时需要锻件转动,操作较复杂;摄像头视场有限,从而需要导轨,随着工件的增长,导轨也要加长,结构趋向于复杂;需要摄像头在运动过程中间断拍摄,使得测量需要一定时间。

2013年中国第二重型机械集团公司的16000t水压机,已经引进了激光测量设备,用于测量热态锻件的直径、长度等尺寸[18]。至于引进的是什么样的系统,还不了解。

总之,目前在高温锻件测量系统的研究开发上,欧美等国家一直处于国际领先地位。欧美和日本等国家致力于采用CCD图像测量技术和激光扫描技术进行高温锻件的测量,并在相关领域取得了一系列成果,但是日本采用CCD图像测量的技术由于受光照条件影响、不能得到锻件的全三维信息等,已经落后于意大利、德国等欧美国家。国内有实际应用和研究热态锻件在线无接触测量系统的基本只有一重和二重。做方面研究的高校有很多,不过基本都还处于试验阶段。

6结论

(1)经过分析比较,较为先进的测量系统是德国的La Cam-Forge系统和意大利的CLOUNDSCAN系统,但是两种系统各有优缺点。La CamForge系统虽然能够无接触同步、定量、完整地记录和显示锻件尺寸随时间变化过程,但扫描用时较长,不能得到被测锻件的全三维信息,从而无法测量较为复杂的锻件,而且所能测量 的工件长 度有限 。CLOUNDSCAN系统虽然能得到被测锻件的全三维信息,可远距离、大范围进行无接触在线测量,但是测量需要一定时间,系统更复杂,而且所采用的激光具有一定危险性。另外 , 相比前两 种系统 , 意大利TOPSCAN系统的扫描范围较小,从而需要导轨。

(2)相比可见光成像双目立体视觉测量,红外双目立体视觉测量系统中高温、烟雾等恶劣环境对红外图像的影响较小,且不受光照条件限制,从而测量稳定性较好,但可见光成像双目立体视觉测量成本低,相比也较为成熟,适合当前应用。

(3) 相比可见光成像双目立体视觉测量和红外双目立体视觉测量,基于Gray编码和移相法的结构光双目立体视觉测量方法的测量精度较高,适用于精度要求较高的场合,不太适用于精度一般要求不高的大型热态锻件的测量。

(4)相比可见光成像双目立体视觉测量,基于线阵CCD的单目测量系统只用一个摄像头,结构简单,且不用滤光。但是该单目测量方法应用范围较小,不能测量环形锻件的内径等;测量椭圆类锻件时需要锻件转动,操作较复杂;需要摄像头在运动过程中间断拍摄,使得测量需要一定时间。可见光成像双目立体视觉测量应用范围较大,能测量环形锻件的内径;测量椭圆类锻件时无需锻件转动,操作较简单;数据采集较快,实时性较好。但是该测量方法需要两个摄像机,且一般需要滤光,较为复杂。

合理尺寸 篇2

这个未注公差适用于金属切削加工的尺寸，也适用于一般的冲压加工尺寸。这些极限偏差适用于：

线性尺寸：例如外尺寸、内尺寸、阶梯尺寸、直径、半径、距离、倒圆半径和倒角高度;

角度尺寸：包括通常不标出角度值的角度尺寸，例如直角(90°);

机加工组装件的线性和角度尺寸。这些极限偏差不适用于：

已有其他一般公差标准规定的线性和角度尺寸;

括号内的参考尺寸;

矩形框格内的理论正确尺寸。

表1 线性尺寸的极限偏差数值公差等级 尺寸分段 0.5～3 >3～6 >6～30 >30～120 >120～400 >400～1000 >1000～2000 >2000～4000 f(精密级) ±0.05 ±0.05 ±0.1 ±0.15 ±0.2 ±0.3 ±0.5 -

m(中等级) ±0.1 ±0.1 ±0.2 ±0.3 ±0.5 ±0.8 ±1.2 ±2 c(粗糙级) ±0.2 ±0.3 ±0.5 ±0.8 ±1.2 ±2 ±3 ±4 v(最粗级) - ±0.5 ±1 ±1.5 ±2.5 ±4 ±6 ±8

表2 倒圆半径与倒角高度尺寸的极限偏差数值公差等级 尺寸分段 0.5～3 >3～6 >6～30 >30 f(精密级) ±0.2 ±0.5 ±1 ±2 m(中等级) c(粗糙级) ±0.4 ±1 ±2 ±4 v(最粗级)

根据国际标准，以下为线性尺寸未注公差的公差表，

这个未注公差适用于金属切削加工的尺寸，也适用于一般的冲压加工尺寸。这些极限偏差适用于：

线性尺寸：例如外尺寸、内尺寸、阶梯尺寸、直径、半径、距离、倒圆半径和倒角高度;

角度尺寸：包括通常不标出角度值的角度尺寸，例如直角(90°);

机加工组装件的线性和角度尺寸。这些极限偏差不适用于：

已有其他一般公差标准规定的线性和角度尺寸;

括号内的参考尺寸;

矩形框格内的理论正确尺寸。

表1 线性尺寸的极限偏差数值公差等级 尺寸分段 0.5～3 >3～6 >6～30 >30～120 >120～400 >400～1000 >1000～2000 >2000～4000 f(精密级) ±0.05 ±0.05 ±0.1 ±0.15 ±0.2 ±0.3 ±0.5 -

m(中等级) ±0.1 ±0.1 ±0.2 ±0.3 ±0.5 ±0.8 ±1.2 ±2 c(粗糙级) ±0.2 ±0.3 ±0.5 ±0.8 ±1.2 ±2 ±3 ±4 v(最粗级) - ±0.5 ±1 ±1.5 ±2.5 ±4 ±6 ±8

表2 倒圆半径与倒角高度尺寸的极限偏差数值公差等级 尺寸分段 0.5～3 >3～6 >6～30 >30 f(精密级) ±0.2 ±0.5 ±1 ±2 m(中等级) c(粗糙级) ±0.4 ±1 ±2 ±4 v(最粗级)

合理尺寸 篇3

机械图样是工业生产中重要的技术文件，是设计者表达设计意图和交流技术思想的工具，它是工程技术界的语言。机械制图课程是高校中机械类和机电类专业的重要的专业基础课，它是研究机械图样绘制和识读的原理和方法的一门学科，机械图样中用一组视图和完整的尺寸分别表达机体的结构形状和尺寸大小。

二、现状

尺寸是机械图样构成要素中的重要组成部分，尺寸标注教学贯穿于整个制图课程的始终，从平面图形，基本体、组合体到零件再到装配体都有尺寸标注的内容，尺寸标注要求做到四性，即：“正确性、完整性、清晰性、合理性”。正确地标注尺寸是指尺寸标注要符合国家标准的相关规定；完整地标注尺寸是指用形体分析法来对零件的形状结构、全部尺寸进行标注；而清晰地标注尺寸指的是“仔细推敲每一个尺寸的标注位置”；合理地标注尺寸是指标注尺寸既要符合零件的设计要求、又要便于加工和检验，正是这一点，它成为制图课程教学的难点，学生理解困难，应用起来难把握，作业中出现的问题很多。总之，在该知识点上的教学效果较差。

三、原因分析

“合理地标注尺寸”成为制图课程教学的难点，究其原因有三，其一是教学内容上固有的缺陷。对零件尺寸进行合理性标注，必须具备机械设计和机械加工工艺两方面的知识，同时还要熟悉零件的检验，而这些知识是在后续的专业课程中才会学到的，而专业课程的学习又要以制图为基础，因此制图课程只能先行开设，这样从客观上就造成了知识结构的缺陷。其二是学生认知上的不足。通常制图课程是在一年级下学期开设，这对于刚高中毕业紧接着又踏入大学校门的学生而言，必然存在着机械加工知识及生产实践经验缺乏的困惑，加之学生的基础参差不齐，主观上学习的积极性也差，这样就形成了学生认知上的不足。其三是教材不能对教学起到真正的完全地指导作用。长期以来我们使用过的多个版本的教材在“合理标注尺寸”这个知识环节都编写得很全面和完善，可谓是“一步到位”、“一应俱全”，可是，它是以具备了机械设计和机械加工工艺知识以及拥有一定的生产实践经验这样的水平为标准，来构建知识体系的，很显然，它超越了学生的认知能力范围，所以不能完全按照这样的知识体系来实施教学。

四、制图课程中的教学定位

零件图是零件加工和检验的依据，尺寸标注是其重要的组成部分，但是它是在零件的结构设计和工艺设计后才能完成的图样，换言之，零件图是设计者设计思想的表达形式，很显然，完整、正确的零件图表达只能在专业知识都具备之后才能做到，更何况“合理标注尺寸”———这个与零件加工工艺联系紧密的标注要求，对于一个大学新生来说，很难做得很好，因此在制图课程中，针对这一标注要求，我们应该进行合理地教学定位。

我们知道，合理地标注尺寸大致涵盖以下几点：合理选择尺寸基准、功能尺寸直接注出、避免出现封闭尺寸链、按加工顺序标注尺寸、按实际加工方式和方便测量标注尺寸等等。上述几点中，在制图课程中，确定其中的前三点作为“合理标注尺寸”的标准要求，是符合学生的认知能力的，是可行的，而后三点则有待于他们在今后的专业课程学习后或者从事了一定的生产实践活动后逐步完善，事实上，“合理地尺寸标注”本身也是随着现代加工技术的发展而发生变化的，它是工程技术人员需要长期积累的重要的专业素养。

合理的教学定位是为了行之有效地执行，而执行的效果又可用来检验定位的合理性。在实际的教学过程中，“合理选择尺寸基准”是基础，可以视图分析为主补充基本的加工安装常识，按“基准的类型”—“基准的数量”—“基准的要素”的顺序展开。常以“对称平面、重要表面（主要加工面、安装底面）、端面、孔或轴的轴线”作为尺寸基准，不难看出，不同类型的零件其尺寸基准的选择是有规律可循的，教师可将这些规律归纳给学生并指导其应用。“功能尺寸直接注出”是重点，可从识读装配图或拆装装配体入手，把零件上反映所属机器或部件规格性能的尺寸，零件间有装配要求的尺寸以及保证机器或部件正确安装的尺寸找出来，直接注出。“避免出现封闭尺寸链”是关注点，可从“封闭”一词的词义理解并应用。“按加工顺序标注”、“按实际加工方式标注”、“按方便测量标注”均体现了尺寸标注的合理性，但都需要用机械加工工艺知识来理解，在制图课程中只作简介，不要求学生掌握。

结论

学习的过程是知识的积累和完善的过程。在“尺寸标注”这一问题上，单单学习了《机械制图》就能正确、完整、清晰、合理地标注尺寸是不切实际的，只有具备了较多的机械设计和机械加工工艺、检验知识，才能按以上“四性”要求很好地标注零件的尺寸。可见，尺寸标注是一个工程技术人员理论学习及生产实践综合知识的体现，因此在制图课程教学中，我们必须根据学生的认知能力进行合理的教学定位，方能取得良好的教学效果。

摘要：尺寸是机械图样中的重要组成部分, 标注尺寸必须做到“正确、完整、清晰、合理”。而合理地标注尺寸, 只有在具备了机械设计和机械制造工艺知识以及拥有一定的生产实践经验后才能做好。本文阐述了在制图课程中, 如何根据大学一年级学生的认知能力, 对“合理标注尺寸”进行教学定位。

关键词：合理标注尺寸,制图课程,教学定位

参考文献

合理尺寸 篇4

关键词：断层煤柱,应力场,位移,塑性区,数值模拟

0 引言

矿井生产过程中, 断层是影响煤炭开采的重要地质因素, 在采动影响下易发生断层突水。对于断层突水, 许多专家学者进行了大量研究[1,2,3,4]。吴基文等[5]研究发现:当煤柱减小到一定数值后将造成断层上、下盘岩体发生相对位移, 引发断层导水。彭苏平等[6]研究发现:断层突水容易在下列情况中出现:一是存在切割底板隔水岩层的导水断层, 二是断层带存在水压影响的扩展效应, 水压破坏向上扩展而与采动破坏相沟通, 引发底板突水。对于断层煤柱的留设, 以往的研究都是工作面向断层方向推进, 对于沿着断层方向推进的工作面, 研究甚少。

在前人研究基础上, 利用FLAC3D软件研究在留设不同尺寸的断层煤柱的情况下, 工作面和围岩的应力场、位移场和塑性区演化规律。为临近断层工作面布置合理留设断层煤柱提供科学依据。

1 工程背景

淮南潘三矿1642 (1) 综采工作面位于西三采区, 工作面长200m, 走向长1287m, 采高3m, 上下顺槽采用锚杆金属网支护, 工作面前方60m处开始用单体支柱进行超前支护。该工作面布置在F24断层一侧, 位于断层下盘, 最小煤柱宽度约35m。工作面沿煤层走向方向推进, 即沿断层走向推进。煤层倾角2~15°, 平均倾角6°, 为近水平煤层。F24断层倾角40~60°, 落差40~60m。1642 (1) 工作面走向长壁布置, 全部垮落法处理采空区。对该工作面产生影响的主要含水层是第四系松散砂层孔隙含水层, 该含水层直接覆盖煤系地层之上, 水量丰富, 并且和F24大型逆断层沟通。由于1642 (1) 工作面临近该断层开采, 易发生断层突水事故。见图1。

2 模型建立

根据工程背景, 建立如图2数值模型, 模型长600m, 宽400m, 高315m。工作面位于断层下盘。各岩层按照矿井钻孔柱状图确定, 力学参数按照矿井资料确定。岩层属性参数见表1, 断层的模拟通过在模型上下盘间添加接触面实现, 接触面主要参数参考文献[7], 法向刚度2GN/m, 剪切刚度5GN/m, 摩擦角20°, 内聚力0.5MPa。模型中X方向和Z方向为水平方向, Y方向为垂直方向。工作面沿Z方向推进。模型共220174个网格, 217669个节点。

边界条件:模型四周为滚动支撑, 底面固支, 顶面为自由面, 施加10MPa垂直压力模拟上覆岩层的自重载荷。

计算:先采用elastic模型计算平衡后, 将模型的速度和位移全部清零, 得到初始应力场, 然后采用mohr-coulomb本构进行开挖模拟。为消除边界影响, 开挖从z=100开始。工作面长度保持不变, 分别模拟留设50m、40m、30m、20m、10m煤柱情况下应力、位移和塑性区演化规律。

3 不同煤柱下水平应力演化规律

图3为不同煤柱下顶板水平应力云图。从图中可以看出煤层回采后, 应力重新分布。随着煤柱尺寸的减小, 工作面逐渐向断层靠近, 断层上盘水平应力逐渐增大, 上盘应力增高区域也逐渐变大。如图3 (a) 所示, 当留设50m煤柱时, 上盘出现明显应力增高区;如图3 (c) 所示, 当留设30m煤柱时, 应力集中区域开始转移到断层上盘;如图3 (d) 、 (e) 所示, 当留设20m、10m煤柱时, 应力集中已完全转移到断层上盘。

4 不同煤柱下垂直应力演化规律

图4为不同煤柱下垂直应力云图。从图中可以看出, 随着煤柱尺寸的减小, 靠近断层一侧煤柱的应力集中区域减小。和水平应力相似, 随着煤柱尺寸的减小, 断层上盘垂直应力逐渐增大。如图4 (b) 、 (c) 所示, 当留设40m煤柱时, 上盘开始出现应力增高区域, 当留设30m煤柱时, 上盘出现明显应力增高区。如图4 (e) 所示, 当留设10m煤柱时, 应力集中区域完全转移到断层上盘。和水平应力演化不同的是, 垂直应力的演化要滞后于水平应力。留设50m煤柱, 断层上盘发生明显水平应力增高区, 留设30m煤柱时, 断层上盘发生明显垂直应力增高区。

5 不同煤柱下顶板下沉量演化规律

图5为不同煤柱下, 老顶垂直位移云图。从图中可以看出, 随煤柱尺寸减小, 顶板最大位移的位置改变。如图5 (c) 所示, 当留设30m煤柱时, 顶板最大下沉位移开始向左侧转移。如图5 (d) 、 (e) 所示, 留设20m、10m煤柱时, 顶板最大下沉位置明显向断层靠近。

图6为不同尺寸煤柱下, 老顶垂直位移曲线。从图中可以看出随着煤柱尺寸的减小, 老顶下沉量增大, 并且最大下沉位置向断层靠近。

6 合理断层煤柱的留设

对于断层煤柱的留设, 要确保在安全开采的前提下, 尽量减小煤柱尺寸。对于布置在断层下盘的工作面, 由断层引发的突水主要来自于顶板。断层带是导水通道, 当开采引起的顶板破坏带与断层带导通时, 断层到工作面的导水通道形成, 此时就会引发突水事故。留设合理断层煤柱问题就是寻找一个临界煤柱尺寸, 该煤柱是顶板破坏带与断层带导通的临界值。图7为留设不同煤柱的情况下, 煤层回采后围岩塑性区图。从图中可以看出, 当留设40m及以上煤柱时, 塑性区没有与断层接触;当留设30m煤柱时, 塑性区与断层接触。说明留设30m煤柱时, 顶板破坏带与断层导通, 导水通道形成。因此, 在此工况下, 为防止发生断层突水事故, 煤柱尺寸必须大于30m。

图8为留设35m煤柱时塑性区图。从图可以看出, 塑性区刚好接触到断层。所以, 35m煤柱是顶板破坏带与断层导通时的临界尺寸。

7 工程验证

在1642 (1) 运输顺槽布置表面位移观测站和深部位移观测站。如图9, 在工作面煤壁前方100m每隔5m布置一个表面位移观测站, 共布置5个观测站。每个测站采用“十”字法测量巷道表面位移。如图10, 每隔10m布置一个深部位移观测站, 共3个观测站, 对巷道深部岩层位移观测采用KDW-1机械式多点位移计, 分别安装在巷道顶板和左帮, 测量最大深度8m。随着工作面的推进, 对每个测站实时进行测量。

图11、图12显示出, 本次数值模拟结果和现场实测的巷道位移结果一致。本次数值模拟确定的合理煤柱尺寸是35m, 潘三矿1642 (1) 临近F24大型逆断层工作面开采留设了最小35m煤柱, 现在工作面已收作, 没有发生突水事故, 完成安全高效生产的任务。说明了本次数值模拟的可靠性。

8 结论

1) 对于布置在断层下盘的工作面, 随着煤柱尺寸的减小, 靠近断层一侧的应力集中区域逐渐向断层上盘转移, 且水平应力转移的速率比垂直应力快。

2) 断层影响下, 采空区顶板运动规律受到影响。随着煤柱尺寸的减小, 顶板下沉量增大, 并且最大下沉位置逐渐向断层靠近。

合理尺寸 篇5

1 工程概况

木城涧矿开采标高由+1 050 m至-400 m, 随着生产服务年限的延长, 生产水平已经逐步向深部发展, 目前主要采区为+250 m水平3槽煤层, 该区域埋深600 m, 地层平均倾角45°, 平均煤厚2.2 m, 煤层结构简单;直接顶、直接底均为厚约3.5 m的粉砂岩, 基本顶为厚7~13 m的细粉砂岩, 基本底为厚5~10 m的细粉砂岩, 属低瓦斯矿井。3槽煤采用网格化锚固顶板无人工作面耙运开采方法, 巷道布置如图1所示。巷道断面为直角三角形, 尺寸为宽×高=3.0 m×2.5 m。

2 护巷煤柱合理尺寸模型

采用FLAC3D软件对3槽煤耙装开采进行模拟, 研究采空区下部实体煤壁支承压力峰值区域可近似判断巷道位置 (图1) , 结合不同区段护巷煤柱尺寸条件下采场围岩应力分布规律及塑性破坏特征, 进而确定所述开采条件下区段护巷煤柱的合理尺寸。

2.1 模型建立

岩石是一种脆性材料, 当荷载达到屈服强度后将发生破坏、弱化, 应属于弹塑性体, 模拟选择摩尔—库仑准则。岩石力学参数见表1。

根据煤矿现场工程实际条件, 对模型进行了一定的简化, 建立沿倾向x轴方向长90 m、沿走向y轴方向长80 m、沿竖直z轴方向高159 m的模型。模型4个侧面采用水平位移约束, 底边界施加水平及垂直位移约束。模型中的单元类型全部为8节点六面体单元, 最终模型的单元总数为234 240个, 节点总数为247 938个。模型效果如图2所示。

2.2 模拟方案

首先运用模拟软件对工作面进行开挖, 对采空区下部实体煤壁侧支承压力进行监测, 确定煤壁侧支承压力峰值出现位置, 进而依据将巷道布置于支承压力降低区的原则[5,6]制定煤柱留设方案, 预留煤柱尺寸分别为5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 m, 对不同煤柱尺寸情况进行模拟运算。在距下区段采准巷道上帮煤壁2 m、底板下方2m及顶板上方2 m巷道围岩内分别设置A、B、C三个测点对巷道围岩应力进行监测 (图3) 。

3 数值模拟结果分析

3.1 采场围岩应力分布规律

在未开掘下区段采准巷道的情况下, 对上区段工作面进行开挖, 采空区实体煤壁侧不同距离监测点所测支承压力曲线如图4所示。实体煤壁侧支承压力的峰值区域距煤壁3.5~5.0 m。为保证下区段采准巷道的安全使用, 下区段采准巷道应布置在支承压力降低区域, 即距实体煤壁小于3 m或大于5 m处。

工作面和下区段采准巷道同时开挖, 留设不同宽度煤柱情况下各监测点所受支承压力变化如图5所示。据图5分析知:随着留设煤柱宽度逐渐增加, 3个监测点所受支承压力均有减小趋势;两侧实体煤壁内所受支承压力大于巷道顶板2 m处压力, 护巷煤柱宽度在5~8 m时, 垂直应力减小速率较大, 在8~13 m时垂直应力减小速率较小, 煤柱宽度超过16 m时压力大小变化基本趋于稳定, 此时, 巷道围岩所受支承压力较小, 巷道处于安全范围。

3.2 围岩塑性区分布特征

图6为留设不同尺寸煤柱条件下, 工作面与下区段采准巷道围岩发生塑性破坏情况, 因篇幅有限仅给出煤柱宽度6, 9, 12, 15 m四种情况下模拟图。分析知:当煤柱宽度为5~6 m时, 下区段采准巷道的围岩破坏形态基本类似, 煤柱完全发生塑性破坏;煤柱宽度为9 m时中间有弹性区出现, 随着煤柱宽度继续增加, 弹性区域逐渐扩大;当煤柱宽12 m时两端破坏形态基本趋于稳定, 不再随宽度变化而发生变化。

3.3 护巷煤柱宽度的确定

下区段采准巷道应避开实体煤壁侧支承压力峰值区域, 由图4可知, 支承压力峰值在3.5~5.0 m区域, 煤柱宽度应该大于5 m;结合图5中3条应力监测曲线表明, 护巷煤柱宽度应超过16 m。

由图5围岩塑性破坏分布可看出, 巷道宽12 m时, 煤柱两侧塑性破坏区域基本稳定。但是结合急倾斜煤层倾角大于矸石自然安息角35°, 采空区顶板垮落碎石沿采空区滚落对煤柱产生巨大冲击, 造成煤柱承载能力降低考虑, 需在上述煤柱宽度数值确定时引用开采安全系数k (一般取1.10~1.45[5]) , 在此取1.35, 计算得护巷煤柱宽度为16.2 m。

4 煤柱合理尺寸理论计算

依据图7简化模型, 应用极限平衡理论, 结合矿井实测资料, 计算合理的护巷煤柱宽度公式如下:

根据文献[5]可知, 煤柱采空区侧塑性区宽度计算公式为:

煤层开采过程中, 采空区滚落碎石对煤柱冲击是影响煤柱稳定性的重要因素, 因此在公式中引入开采稳定系数d, d=1.5~3.0。则采空区侧煤柱塑性区宽度公式为:

由文献[6]知, 煤柱的极限承载强度为:

式中, a为留宽;H为采深。

据弹塑性理论求得巷道围岩塑性区宽度为:

式中, M为区段平巷高度, 取2.5 m;d为开采扰动系数, 取1.5;α为煤层倾角, 取45°;β为侧压系数, 取0.3;φ为煤层内摩擦角, 取30°;c为煤体内聚力, 取2.8 MPa;r0为巷道等效半径, 取2 m;γ1为岩体平均容重, 取42 k N/m3;Px为支护阻力, 取0 MPa;γ0为煤体平均容重, 取14 k N/m3;γ为上覆岩层容重, 取25 k N/m3。

为充分保证煤柱安全稳定, 弹性核宽度应不小于2倍采高, 即R=2 m。

经过计算, 区段煤柱尺寸最小为16.9 m, 与数值模拟结果对应, 最终采用17 m煤柱。

5 工程应用效果

护巷煤柱研究成果在木城涧煤矿+250 m水平3槽煤开采中进行了应用。3槽煤下区段护巷煤柱宽度留设为17 m, 为判断该尺寸合理性, 在现场进行巷道围岩位移监测, 巷道表面位移变形曲线如图8所示。

监测表明, 在工作面碎石冲击及上覆岩层压力作用下煤柱未出现破坏现象。下区段采准巷道围岩表面移近量较小, 顶底板和两帮最大移近量分别为59, 33 mm。随着时间延长, 相对移近速率逐渐减小, 可判断在3槽煤工况条件下留设17 m护巷煤柱可以较好地保持采准巷道的稳定。

6 结论

(1) 煤层倾角是急倾斜煤层护巷煤柱留设重要影响因素;急倾斜煤层采空区围岩内支承压力峰值距煤壁较近, 为充分保证煤柱安全稳定, 急倾斜煤层应选择大煤柱护巷。

(2) 针对木城涧矿井实际情况, 综合采用理论计算、数值分析的方法, 研究了急倾斜煤层耙运开采采场围岩应力分布规律及塑性破坏特征, 最终确定3槽煤耙装工作面区段护巷煤柱宽度为17 m。

摘要：为了解决急倾斜煤层网格化锚固顶板无人工作面耙运开采护巷煤柱合理尺寸的问题, 以木城涧煤矿+250 m水平南翼东一采区3槽煤为背景, 采用理论计算、数值分析的方法研究了采场围岩应力分布规律及塑性破坏特征, 确定了3槽煤区段护巷煤柱的合理尺寸, 对运用该采煤方法的同类急倾斜煤层采面留设合理煤柱尺寸提供了依据。

关键词：急倾斜煤层,耙装开采,护巷煤柱

参考文献

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