位移影响线（共5篇）
位移影响线 篇1
0 引言
光栅位置检测系统作为数控机床的重要组成部分,主要用于数控机床的位置检测和闭环反馈控制,用来进行高精度检测直线位移和角位移,其测量精度直接决定了数控机床的精度[1]。德国海德汉公司是世界上最知名的光栅线位移传感器的生产厂家,其样本公布的指标可达:栅距0.512μm,分辨率0.001μm,准确度±0.1μm/m。我国高精度光栅线位移传感器研制及制造能力较弱,指标:栅距20μm,分辨率0.1μm,准确度±5μm/m,均属中低档产品,只能用于普通机床[2]。近年来,西安交通大学关于光栅位置检测系统的研究主要集中在高精度母板制造技术,长春光机所主要集中在绝对编码技术,国内对光栅线位移传感器的影响因素及结构优化分析较少。光栅尺的制造误差、温度特性及机械运动精度直接决定了光栅线位移传感器的精度,本文对影响光栅线位移传感器精度的若干因素进行了分析,重点讨论了光栅尺的制造误差和温度特性。
1 测量原理
光栅测量技术基于莫尔条纹原理,即相同的长度内具有相同刻线数的两块光栅做相对运动形成莫尔干涉条纹,光敏元件将光强的变化转化为电信号并经过放大、整形和细分实现位移测量。莫尔条纹是大量栅线共同作用的一个宏观效应,就像是栅线的放大,少数光栅标尺的栅线误差不会影响到测量精度[3]。莫尔条纹的条纹间距与光栅栅距呈线性关系,比例系数为夹角的倒数。图1是莫尔条纹的简化,条纹间距为B。
因两光栅的栅距近似相等,d1=d2=W。
则有:
当夹角极小时:
此公式只针对有微小夹角的情况,当θ≈180°时,不正确[4]。
2 光栅尺的制造误差
光栅线位移传感器的精度首先取决于光栅尺的制造精度和扫描质量,其次才是机械导向误差和电路质量[5]。光栅线位移传感器的误差来源主要包括:光栅尺制造误差、光栅尺稳定性误差、数字化误差、细分误差、机械运动误差和温度误差等。光栅尺的误差主要来源于光栅尺的精密机械加工及刻划工艺;相对运动部分产生的误差难以做定量分析;数字化误差一般为±1个最小数字显示值;细分误差可以通过高频示波器观察波形,记录A、B两相电路电压和相位差的变化,代入公式得出计算结果;温度误差是由温度变化引入的误差。分析误差组成及影响规律,对提高光栅线位移传感器精度有重要意义。
2.1 精密机械加工精度的影响
光栅尺在刻线之前的精密机械加工质量对光栅线纹刻划的质量有极大影响,影响指标是光栅刻线面的平面度和表面粗糙度。下图为光栅尺精密加工的表面质量对扫描质量的影响,当表面过于粗糙时,接收元件无法接收反射光线从而导致读数误差或者丢数。光栅尺的平直度会影响光栅副的间隙,从而影响信号质量。图2为刻线面的精密加工质量对扫描质量的影响图。
图3(a)、3(b)分别是经过精密抛光和不经精密抛光加工时的线纹,明显看出,图3(b)的线纹边缘清晰、陡直,线纹质量较好。
2.2 光栅尺刻划过程误差分析
无论用传统刻划方法还是采用激光束连续加工制造光栅尺,都会受机械传动、数据圆整、环境影响而产生光栅尺加工误差[6],本文只对刻划和检测过程中能做定量分析的因素产生的误差进行分析。刻划过程中主要影响因素是环境中的温度、湿度、气压值的波动对激光波长产生干扰,从而引起的空气折射率的变化,另外是机械系统引入的误差。
2.2.1 刻划过程环境影响
刻划过程的环境误差主要是指刻划空气的温度、湿度和气压值不符合最佳值或者有波动而导致激光波长的误差,这个测量方法有两种:一种是直接测出空气折射率进行补偿,另一种是实时测出环境的温度、气压、湿度值,送入计算机,根据Edlen色散公式对空气折射率进行修正[7~9],并实时补偿:
其中,Δn为空气折射率误差;
t为环境温度℃;
p为大气压mb;
f为湿度hPa。
从上式可知,温度项系数最大,对测量精度影响最大,其次是大气压的影响,湿度的影响较小。温度、气压值、湿度误差主要包括两大方面:仪器测量误差和刻划、检测过程中的波动,在刻划和检测光栅母板过程中,除了保证测量精度外,还要尽量使环境温度波动最小,即保证恒温、恒压、恒湿。
1 ) 温度的测量精度为ΔT1,此误差为系统误差,大小为ΔT1:
刻划过程中温度波动为偶然误差,大小为ΔT2:
则,温度因素引入的总误差为:
2)同上,气压计的测量精度为Δp1 mb,大小为:
刻划过程中气压波动量为偶然误差,其大小为:
总误差:
3) 湿度波动量非常小,仅湿度计的测量误差,此项误差为:
温度、湿度、气压的测量误差对波长修正产生的总误差:
2.2.2 机械系统误差
机械误差主要是指阿贝误差和机械传动系统的误差,主要分析阿贝误差。阿贝误差属于系统误差,是指被测工件和基准件在测量方向上没处在同一直线上而引入的误差包含水平和垂直方向两大部分。假设,水平阿贝误差为δ1- 21,垂直阿贝误差为δ1- 22,则:
则:
3 光栅尺的温度特性
光栅尺的温度特性是指在测量时由于温度变化产生的变形从而导致测量不准确。光栅尺是在20±0.1oC的温度下制造的,使用环境的温度改变会影响光栅尺的精度[4]。为了测出温度对光栅尺精度的影响,我们进行了一系列实验,实验结果如图4所示。
图4为温度对玻璃光栅尺测量精度影响的试验曲线。实验时,采用双频激光干涉仪作为比较基准,测量时,双频激光干涉仪实时采集环境温度、气压和湿度值,并自动补偿。恒温后室内温度值在20±0.5oC,湿度小于70%才能检测。曲线1为等温前的测量精度, 曲线2为等温24小时后的测量精度,其他条件相同,可以看出,等温后的曲线2精度值±1μm之内,未等温的曲线1精度值在0~6μm,即±3μm之间,可见温度不但对光栅尺的刻划精度有较大影响,对其工作时的测量精度也有极大影响。
图3说明了温度对光栅尺精度的影响,在光栅线位移传感器工作过程中,被测工件受温度变化也会发生变形,且不同材料的线膨胀系数不一致:玻璃的线膨胀系数约为8×10-6m/oC/m,铝的线膨胀系数约为23×10-6m/oC/m,而被测工件多为钢,其线膨胀系数约为10~12×10-6m/oC/m,温度变化1oC,就会产生数微米的误差。
为了降低温度变化引入的误差,海德汉、雷尼绍等厂家在读数头里加入了温度补偿电路,这种补偿方法把材料的线膨胀系数当做定值,即把伸长量和温度变化当做线性关系处理。事实上,物体的线膨胀系数随着温度变化而变化,且这种变化不能用一条既定的曲线来表示,所以这种补偿方法可以降低一部分误差,但并不能消除。此外,不同厂家给出的温度补偿系数不同,无法做出准确补偿,以钢件为例,如表1所示。
为了消除温度的影响,应选用与被测工件线膨胀系数接近的材料作为光栅尺的基体材料。国内外相关厂新研制出钢带光栅尺,这种光栅尺体积小,结构简单,但刻线面不易加工,在测量方向上的刚度差,安装时需要专门的安装支撑,且钢带光栅是在钢带上镀一层金,然后腐蚀,这种方法生产的钢带光栅成本较高,刻线不坚固[10],选择与工件线膨胀系数一致的金属基体光栅尺才是消除温度误差最好的办法。相对于玻璃光栅尺来说,金属基体光栅尺温度特性好、综合稳定性好、抗冲击,且光源和接收元件分布在光栅尺的同一侧,可以有效减小光栅线位移传感器的体积。金属光栅尺的制造工艺简单,靠腐蚀工艺刻划线纹,亮线和暗线都为光栅尺基体本身,成本较低,是光栅尺基体材料较好的选择。
4 结束语
提高光栅标尺刻线面的精密加工质量,主要是平面度和表面粗糙度可以大大提高线纹质量;严格控制光栅尺刻划和检测过程中的温度、气压和湿度,并根据Edlen公式进行补偿对于光栅尺线纹质量的提高和光栅尺稳定性有很大影响;选用与工件线膨胀系数一致的材料作为光栅尺基体可以大大提高光栅线位移传感器的温度特性。此外,有研究表明,采用多零位信号可以自动消除大量程光栅尺累积误差[11]。
参考文献
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位移影响线 篇2
焦化厂电除尘器的电晕线越细，产生的电晕越强烈，但因在电晕极周围的离子区有少量的粉尘粒子获得正电荷，便向负极性的电晕极运动并沉积在电晕线上，如果粉尘的黏附性很强不容易振打下来，于是电晕线的粉尘越积越多，即电晕线变粗，大大地降低电晕放电效果，形成电晕线肥大。消除电晕线肥大现象，可适当增大电极的振打力，或定期对电极进行清扫，使电极保持清洁。电晕线肥大的原因如下。
1、静电荷的作用，粉尘因静电荷作用而产生的附着力，最大为280N/m2。
2、工艺生产设备低负荷或停止运行时，静电除尘器的温度低于露点，使水或硫酸凝结在尘粒之间以及尘粒与电极之间，使其表面溶解，当设备再次正常运行时溶解的物质凝固成结块，产生大的附着力。
3、由于粉尘的性质，如黏结性大、水解而黏附或由于分子力而黏附。
位移影响线 篇3
关键词：空间凸轮,轮廓线,从动件,位移变化规律
空间凸轮是机械结构中重要的零部件, 其轮廓曲线的空间变化较为复杂, 运用解析法和图解法很难进行准确地求解, 给设计带来不便。利用计算机进行空间凸轮机构设计不仅可以大大提高设计效率和精度, 而且还可以采取动态仿真和三维造型技术, 模拟出空间凸轮的实际工作情况, 甚至可由设计参数直接生成数控加工程序代码, 然后传送到机械加工制造系统, 实现计算机辅助设计 (CAD) 和辅助制造 (CAM) 一体化, 提高了产品质量, 缩短了产品升级周期。文章根据从动件位移变化规律来确定空间凸轮的轮廓线, 进而设计出空间凸轮的轮廓模型。
1 空间凸轮模型构建
在Solid Works装配界面中建立如图1所示的装配体, 使凸轮的中心线和顶杆中心线重合, 为建立较为准确的装配体关系, 精确定位凸轮和顶杆的接触点位置, 将顶杆的头部设计成圆锥形。
2 约束和运动参数设置
2.1 约束设置
在cosmos Motion中建立运动模型时, 将导轨设为静止零件, 将凸轮、顶杆和导向滑块都设为运动零件。顶杆和导向滑块的装配关系已经映射为移动副约束, 在约束栏中对凸轮手动添加旋转副约束, 如图2所示。
2.2 运动参数设置
凸轮作匀速转动, 每秒转动90度。顶杆的运动是复杂的空间曲线, 可分为两分量:第一分量为沿导轨水平匀速往复直线移动, 由机构模型中的导向滑块实现;第二分量是顶杆沿自身的竖直方向移动。
第一分量的移动函数为:
第二分量的运动参数如表1所示, 为位移随时间变化的离散点。函数选取软件自带的三次样条函数 (CUB-SPL) , 将这些离散点进行曲线拟合。拟合后的函数曲线如图3所示。
3 仿真参数设置
模型运动仿真时, 各零部件必须完成一个完整的周期运动, 由表1所示顶杆一个循环的运动时间是4秒, 因此要将仿真总时间设置为4秒, 将凸轮的转速设为90度秒。在结果分析项中设置输出顶点相对凸轮的运动轨迹曲线, 即凸轮轮廓线。运行后所得结果如图4所示。
4 凸轮轮廓曲线后处理
首先将凸轮轮廓曲线以3D曲线的形式拷贝至凸轮基体零件中。然后生成一个与该曲线垂直的基准面, 在基准面上绘制一个凸轮槽截面图 (也可以是其他形状, 根据实际使用情况而定) , 如图5所示。使用“扫描”特征命令后得到如图6所示的空间凸轮模型。在数控加工时, 空间凸轮按照实际使用时的转动速度转动, 车刀的轴线垂直于空间凸轮的轴线, 按照顶杆的位移变化规律进给, 即可加工出所需的凸轮槽。
5 结语
利用计算机仿真技术和三维建模技术, 可以很好的解决空间凸轮结构设计的难题。在凸轮机构顶杆件只给出若干个独立位置的情况下, 即可采用Solid Works及cosmos Motion来设计凸轮轮廓线, 并能把生成的轮廓线再次输入到Solid Works, 创建出三维凸轮实体模型。
参考文献
[1]邱龙辉等著.SolidWorks三维机械设计实例教程[M].化学工业出版社, 2007.
[2]张晋西, 郭学琴编著.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].清华大学出版社, 2007.
位移影响线 篇4
中国空气动力研究与发展中心低速所再传捷报, 该所自主创新研究的基于线阵CCD的高精度实时空间位移测量系统成功应用于某型号试验, 标志着该系统具备了型号试验能力。该系统的研制, 成功解决了低速风洞试验中的瓶颈问题, 提高了模型位移、姿态角、轨迹、振动等参数的实时测量能力, 为天平校准和有关型号低速试验研究提供了有力的技术支撑。
在风洞试验中, 由于模型风载时的姿态与零载时的姿态不一致, 造成数据误差, 比如某大型飞机阻力系数0.0001的不确定度, 在远程巡航中将改变1%的有效载荷。采用光学非接触方法进行实时位移测量, 准确获取模型姿态角、轨迹、振动等参数, 是提高风洞试验精细化程度的一项关键技术。
该所研制了基于线阵CCD的高精度实时空间位移测量系统, 满足了低速风洞试验中模型位移、姿态角、轨迹、振动等参数的测量需求, 建立了低速风洞实时空间位移测量试验技术, 满足型号试验的工程实用要求。
位移影响线 篇5
部分盐岩层水平井钻井史表明，盐岩层造斜井段常出现井眼缩径、套管变形等问题。目前关于盐岩层大位移井井眼缩径规律的研究较少，并且都是用数值方法得出的结论，给现场提供的指导有限。曾德智等[13]针对盐岩井段易发生蠕变缩径，引起卡钻、固井后又易发生挤毁套管等事故，应用有限元方法，建立了描述盐岩层中斜井井眼蠕变缩径的空间力学模型。楼一珊等[14]在空间坐标变换的基础上建立了定向井三维蠕变模型，将应力在井斜角方位角的变化转换为井轴坐标系下的变化。林元华等[15]采用ADINA有限元软件研究盐岩层造斜井段砂岩和盐岩层地层、水泥环及套管耦合的三维力学模型，研究得到造斜段井斜和方位对井眼缩径的影响规律。他们的工作是基于有限元软件对盐岩蠕变规律进行分析，不利于表征盐岩层蠕变规律和影响因素之间的关系。因此，现推导了盐岩定向井三维解析模型，对中东某盐岩层大位移钻井进行指导。
1 理论模型
已知地层原始应力及方向，按如下方法建立井眼周围岩石应力分布。取上覆压力σ3沿铅垂方向，另两个地应力σ1和σ2沿水平方向，见图1。为方便起见，用直角坐标系xyz和圆柱坐标系rθz来表示斜井眼。P0是孔隙压力，设井斜角为α，相对σ1的方位角是φ。通过旋转坐标系建立地应力σ1，σ2，σ3与σx，σy，σz的转换关系，首先绕3轴逆时针转φ角成坐标系x1y1z1，然后绕y1轴逆时针转α角成新坐标系xyz。
新坐标系xyz与坐标系123之间的转换关系由变换矩阵给出[16]
两个坐标系中应力分量的转换关系为
假设岩石为线弹性和各向同性，井壁围岩处于平面应变状态，则井眼周围的径向应力σr和切向应力σθ的分布为
式(3)中，Pa为井眼内钻井液液柱压力;r为距井眼中心的径向距离;a为井眼半径。
蠕变模型采用开尔文-沃伊特模型:
式(4)中，eij为偏应力张量;GH为H体中弹簧的剪切模量，MPa;GK为K体中弹簧的剪切模量，MPa;scij为应力偏张量的恒定值，MPa;ηK为黏性系数，m Pa·s。
为了简化推导，对式(4)做如下简化处理，引入G0、G!、Tret，化简后方程如下
式(5)中，G0为初始剪切模量，MPa;G!为长期剪切模量，MPa;Tret为延迟时间，s;t为蠕变时间，s。
采用极坐标系将上式展开，其径向应变的蠕变方程为
式(6)中，σm为平均应力，MPa;εm为平均应变，%。
井眼变形属于广义平面应变问题，可得
由平均应变与平均应力的关系得
对式(1)～式(9)联立可得
式(10)中，f(θ)是刚体位移项，若把坐标原点选在井眼中心，f(θ)=0;u为绝对位移，则相对位移为
u'=u-u0;u0为井壁初始位移。
令r=a，可得井壁上相对位移位移u'a为
式(11)为盐岩层井壁发生蠕变时，井壁径向位移与井斜角、方位角、钻井液密度、井眼开钻时间的关系式，利用此关系式讨论这些变量对蠕变规律产生的影响。
2 蠕变规律分析
由油田Low Fars层地应力资料获知，盐岩层由于受异常高压的影响水平应力升高，地应力组合表现为最大水平地应力>垂向地应力>最小水平地应力。在此地应力条件下，分析钻井液密度、井斜角、方位角以及蠕变时间对盐岩层缩径的影响，基本参数见表1。
2.1 不同钻井液密度下盐岩层蠕变规律
本文分别计算了钻井液密度为1.8 g/cm[3]、2.0g/cm[3]、2.2 g/cm[3]和2.3 g/cm[3]条件下蠕变时间为12h、72 h和360 h时井眼收缩量，见图2。
由上图得知，在非均匀地应力场中井眼不再是圆形而是椭圆形，随着钻井液密度增大，井眼变形的椭圆度增加，钻井液密度对井眼变形影响很大;井眼变形量在最大水平地应力方向最大，最小水平地应力方向最小;随着时间的增加，井眼缩径程度不断扩大，缩径卡钻的风险也随之增大。
图2(a)和图2(b)表现为完全缩径，图2(c)和图2(d)在长轴附近表现为扩径，在短轴附近表现为缩径，表明泥浆密度达到一定条件时，井眼变形形式发生变化，对钻井会产生很大影响，详细分析见下面。
图3做出了不同钻井液密度下最大水平主应力σH和最小水平主应力σh两个方向下井径随时间的变化曲线。
由图3得知，最大(小)水平主应力方向，在外载作用下初始变形较大，随着时间的推移变形速率逐渐减小，最后趋于零，即井眼缩径达到一定程度就停止缩径，这与实际钻井工程相符。在最大水平主应力方向井径表现为缩径，钻井液密度越大，缩径越厉害;在最小水平主应力方向，存在钻井液敏感范围，当钻井液密度小于一定范围时，井径表现为缩径，当钻井液密度大于一定范围时，井径表现为扩径。
2.2 不同时间下盐岩层蠕变规律
为了分析盐岩层蠕变随时间的变化关系，做出了井径收缩速率随时间的变化曲线，见图4。根据现场施工经验，安全钻井的允许井眼收缩速率为0.001/h。
从上图可以看出，井径缩径速率在初始时刻很大，随着时间增加，井径缩径速率迅速减小，当蠕变时间超过70 h时，基本接近为0;不同钻井液密度下，达到安全钻井的井眼收缩速率的时间不同，钻井液密度越大，所需时间越短。
2.3 不同井斜角、方位角下盐岩层蠕变规律
本文分析了泥浆密度2.28 g/cm[3]，蠕变时间48h时，不同方位角下，盐岩层井眼变形随井斜角的变化规律，井眼变形见图5。
从井眼变形图中可以直观看出，当方位角沿0°、30°、60°、90°增大时，短轴井径与最大水平主应力的夹角会沿逆时针方向呈0°、30°、60°、90°变化随着井斜角的增大，短轴方向井径变小，长轴方向井径变大。
长短轴方向井径随井斜角和方向角变化曲线如图6所示。
由图6(a)可以看出，井眼长轴随着井斜角的增大而减小，特别是在30°～70°，井斜角的微小变化将引起较大的蠕变，在盐岩层钻定向井风险显著提高;相同井斜角下，随着方位角的增大，井眼收缩量逐渐增大，说明偏离最大水平地应力方向越大越危险。
由图6(b)可以看出，井眼短轴随着井斜角的增大而增大，说明在盐岩层钻定向井发生恶性卡钻的概率较直井低;相同井斜角下，井眼收缩量随着方位角的增大而增大，说明沿着最大地应力的方向钻进最安全。
3 结论
(1)从黏弹性理论出发，采用开尔文-沃伊特蠕变模型，结合直角坐标系和圆柱坐标系下斜井井壁应力分布，推导了盐岩层井壁发生蠕变时，井眼径向位移与井斜角、方位角、钻井液密度、井眼开钻时间的关系式。
(2)钻井液密度对井眼变形具有较大影响，在长轴方向井径表现为完全缩径，在短轴方向，存在钻井液敏感范围，当钻井液密度小于一定范围时，井径表现为缩径，当钻井液密度大于一定范围时，井径表现为扩径。