气动钉枪内部流场PIV实验测量系统的设计.pdf

2 0 1 2 年 1 月 中国制造业信息化第 4 1 卷第 1 期 气动钉枪内部流场 P I V实验测量系统的设计 徐晓初， 章巧芳， 彭伟， 宫林林， 翁金学 特种装备制造与先进加工技术教育部／ 浙江省重点实验室 浙江工业大学 ， 浙江 杭州 摘要 在气动钉枪 气动原理研 究的基础上， 根据 中国某款 气动钉枪的结构特点和 P I V光路布置 的 需要 ， 设计并制作 出一款可供 P I V测试的气动钉枪。另外 ， 为确保 实验的精度和可操作性 ， 实验 还设计一些辅助装置， 包括 固定装置、 自动打钉装置以及 同步控制 系统等。探 索出一套适合气动 钉枪 内部 流场 P I V 测试研 究的 实验 系统 。 关键词 P l V； 气动钉枪结构改进； 固定装置； 自动打钉装置 ； 同步控制 中图分类号 T S 9 1 4 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 6 1 6 2 0 1 2 0 1 0 0 6 4 0 4 气动钉枪 内部气体 的流动情况对于气动钉枪 性能的影响至关重要。传统 的实验方法 由于受测 量精度、 模型尺寸、 实验周期等问题的局限， 对气动 钉枪内部复杂流场分析研究很难实现， 只能依靠数 值方法进 行模 拟分 析。随着 粒子 图像测 速技术 P I V 的成熟和发展_ 1 J ， 对气动钉枪 内部 流场进行 准确可靠的实验研究成为可能。示踪粒子颗粒通 过发生器随着高压气体进入气动钉枪并均匀撒布 在内部流场 中， 用脉冲激光片光源照射被测流场区 域， 同时在与激光片光垂直方向通过成像系统在极 短时间内连续两次或多次曝光得到粒子图像 ， 运用 相关性算法分析粒子图像 ， 获得每一小区域 中粒子 图像的平均位移 ， 进 而算 出被测区域流场速度分 布 。 运用 P I V测量技术研究气动钉枪 内部流场的 过程中， 气动钉枪结构 的改进和一些辅助装置的设 计对于实验测量研究来说至关重要。本文主要根 据气动钉枪流道结构和 P I V测量系统的相关测试 原理 ， 在已有气动钉枪 的基础上设计改造 出适合 P I V测量的结构 ， 构建一套适合气动钉枪内部流场 P I V测试研究的实验测量系统。 1 气动钉枪结构改进设计 气动钉枪具有风道截面小、 结构复杂、 气压高、 枪体壁面薄等特点 ， 在结构改进的设计过程 中要综 合考虑光路 、 视窗、 测量 区域等核心问题 。气动钉 枪结构的合理设计是成功测量气动钉枪内部流场 的关键所在 j 。 1 ． 1 气动钉枪 P I V视窗位置的选择和设计 加 工 气动钉枪 P I V视 窗位置 的选择 ， 不仅要有代 表性能反映内部流场特性 ， 而且要符合 P I V设备 的测量特点。由气动钉枪流道结构和工作原理 的 分析可知 ， 平衡阀、 外气室 、 阻尼孔以及通风槽等部 件附近空间的流场变化 比较重要 叫J 。考虑到气 动钉枪 内部空间狭小和可拍摄性 ， 选择 3处内部空 间相 对较大 的关键部位平衡 阀下侧 空间 A 处 、 阻尼孔附近空间 B处 、 通气槽附近空 间 C 处 ， 在被测位置相互垂直 的两侧分别加工用于激 光器照射的激光孔和用于 C C D相机内窥镜拍摄 的 内窥镜孔 ， 具体位置如图 1 所示。 如图 2所示 ， 以 A处的 P I V视窗开设为例 ， 在 需要加工激光孔和内窥镜孔的部位进行堆焊 ， 以增 加枪体强度和安装部位的厚度 。激光视窗安装位 置需堆焊出 4 0 mm3 5 ram 的凸台， 厚度方 向保证 堆焊的厚 度大于 l O mm， 内窥镜 安装位 置需堆焊 3 5 mm3 0 ram 的 凸台。在堆 焊 凸台上加 工一个 4 ram2 1 ram 的视窗方孔用于激光照射视窗 ， 以及 安装用的 M3螺纹孔 4个。选用 2 5 mm厚度有机 玻璃 ， 其上加工 1 8 mm 的凸 台， 嵌入堆焊层及枪体 中， 其余的 7 mm平整部分用来安装 ， 通过 2 mm 的 橡胶平垫片加 以密封 。内窥镜通过堆焊 凸台上的 孔安装到枪体上 ， 通过 O形橡胶密封圈加以密封 。 1 ． 2气动钉枪 结构 改进后的 P I V观 测视 野 分析 假设相机 内窥镜 的拍摄 角度为5 0 。 ， 并且 内窥 收稿 日期 2 0 1 1 0 70 8 作者简介 徐晓初 1 9 8 7一 ， 男 ， 浙 江乐清人 ， 浙江工业大学硕士研究生 ， 主要从事实验流体力学及工程方面的学 习研究 。 应用研究 徐晓初章巧芳彭伟 等气动钉枪内部流场 P I V实验测量系统的设计 6 5 光孔 图 1 气动钉枪结构和改进示 意图 镜镜头的拍摄点与气动钉枪的外壳内壁平齐， 根据 前面的设计方案， 以A处为例， 由于气动钉枪内部 的结构特点 ， 如气缸对激光的阻挡等 ， 使得该位置 P I V测试只能观测到径 向 1 5 ． 1 mm、 轴向 2 1 ． 0 mm 的流场空 间， 如 图 3所示。用 同样的方法分析可 知 ， B处能观测 到径 向 1 2 ． 8 mm、 轴 向 2 3 ． 0 mm 的 流场空间； C处能观测到径向 1 0 ． 9 r n m、 轴向 2 ． 1 mm l 视 图一 激光孔加工要求示意图 且 、 --1 f 弋 j l ＼ 咖 1 3 通 孔 视图二 内窥镜孔加- E 要求示意图 视图三 各加工孔俯视示意图 图 2 气动钉枪 A处 P I V视 窗设 计加 工示意图 的流场空间。 图 3 气动钉枪 A处 P I V视窗观测视野示意 图 钉过程中枪体振动强烈， 甚至产生一定的位移， 这 2 气动钉枪固定装置的设计 就 使得 在测 量时， P I v 、坝 lJ 量 设 备和 气动 钉 枪之间 不 由于气动钉枪正常工作时冲击力 比较大 ， 在打 能有效稳定地对齐 ， 直接影响测量结果 ， 因此需要 敲 悌 ＼ 上装一 2 0 1 2 年 1 月 中国制造业信息化第 4 l 卷第 1 期 设计一个 固定装置 ， 以减少气动钉枪在打钉过程中 的振动 ， 不产生明显的位移 。固定装置在实现上述 功能的同时 ， 在结构上不能阻挡测量设备和被测枪 体之间的空间。如图 4所示 ， 固定装置主要以气动 钉枪的上下两组 的螺钉 为支撑来 固定整个枪体。 固定 气 动 钉 枪 的压 力 来 源 于 气 缸， 其 型 号 为 S DA 8 0 4 0 ， 通 以 0 ． 7 MP a 左右 的高压气体 ， 能产 生约 3 ． 5 k N左右的 向上推力 ， 通过杠杠装置施压 到气动钉枪上。固定装置固定后 ， 气动钉枪在打钉 工作过程 中只有轻微震动 ， 没有较大 的位移， 效果 良好 。 图 4气动钉枪 固定装置模 型图 3 气动钉枪自动打钉装置的设计 气动钉枪 自动打钉装置的设计不仅要满足扣 动扳机的要求 ， 而且能方便实现和激光发生器 以及 C C D相机 同步的功能。此外 ， 自动打钉装置最好 还可以控制扣动扳机的频率 ， 便于进一步研究不同 打钉频率和触发时间下气动钉枪的内部流场状态。 综合考虑上述各项因素， 实验采用适合的电磁铁进 行改装作为气动钉枪的 自动打钉装置来使用 。 3 ． 1 电磁 铁类型的选择 电磁铁是线圈通电后对铁磁物质产生吸力 ， 引 起铁磁物质机械运动 ， 把电能转换为机械能的一种 电磁元件_ 5 j 。已知气 动钉枪扣动扳机所需的力为 1 5 N左右 ， 扳机的行程约 1 0 ram。实验 中 自动打钉 装置所需 的扣动扳机力不大 ， 并且保 持 比较稳定 的、 可以控制的打钉频率， 因此直流电磁铁更容易 满足实验的要求。据此分析直流电磁铁的吸力特 性， 当工作气隙 较小时， 吸人式电磁铁的吸力特 性曲线与拍合式相近； 当工作气隙 较大时， 吸人 式 电磁铁的吸力特性曲线在拍合式之上 ， 因此 同等 条件下吸人式电磁铁 比较适用于所需行程较大的 情况。再考虑到电磁铁作为 自动打钉装置所处的 空间位置 ， 最终选用吸入式结构的直流电磁铁来作 为 自动打钉装置。 3 ． 2 自动打钉 装置打钉频 率的控制 确定吸入式直流电磁铁作为 自动打钉装置后 ， 通过控制直流电源和电磁铁之间的通电频率 ， 来实 现控制 自动打钉装置的打钉频率和触发时间。在 电源和电磁铁的电路 中间接入信号发生器 和场效 应管， 由信号发生器产生一定频率的信号控制场效 应管的开与关 ， 从而实现控制整个电路通电频率的 功能。 如 图 5 所示 ， 本实验采用绝缘栅型场效应管 ， 信号发生器接入场效应管的 G极和 S极 ， 直流 电 源和电磁铁接入场效应管的 D极和 S极 。由信号 发生器产生一定频率的0 V--5 V脉冲信号， 当信号 为 0 V， 即栅源电压 V 0 V时 ， 低于场效应管的 开启电压， G极和 S极间的漏极 电流 ， d0 ， 此时 直流 电源和 电磁 铁 间的电路断 开； 当信 号为 5 V 时， 即 V 5 V时， 大于场效应管的开启 电压 ， G 极和 S极间产生漏极电流， 此时直流电源和电磁铁 间的电路连通。因此， 通过调整信号发生器输出的 脉冲信号的频率 ， 就可 以控制 电磁铁 的通 电频率， 从而实现打钉频率和触发时间的控制。 图 5 自动打钉装置打钉频率控制 电路示意 图 4同步控制 系统的设计 同步控制 系统是整个 P I V系统的控制 中心， 用于图像 的捕捉 、 激光脉冲的时序和间隔数量的控 制以及实现外部触发等l 6 J 。实验 同步方案的设计 除了实现上述功能外 ， 主要是用来控制 P I V系统 激光器 、 C C D相机和 自动打钉装置的同步。 如图 6 所示 ， 把用于控制 自动打钉装置打钉频 率的信号发生器产生的脉冲信号输入到同步器， 通 图 6 同步控 制 系统 方案设计 的示意图 一 器 一 一 一 一 光 一 一 一 困 圈 ～ 一 是 应用研究 徐晓初章巧芳彭伟 等气动钉枪 内部流场 P I V实验测量系统的设计 6 7 过计算机内的程序软件设定拍摄模式为外触发。 同步器接到触发信号后， 计算机里面的控制程序能 同时控制激光器和 C C D相机实现同步拍摄。这样 就能实现在每次 自动打钉装置开始打钉的同时， 保 证 P I V系统进行连续拍摄[ 。 5 实验测量系统的构建 整个 实验 测量 系统 的核 心 是 由气动 钉枪 和 P I V测量系统所构成 ， 此外再加上气动钉枪 固定装 置 、 气动钉枪 自动打钉装置以及同步控制系统共同 组成了本实验 的测量系统。测量系统 由信 号发生 器产生一定频率的脉冲信号开始， 经控制电路触发 由电磁铁构成的 自动打钉装置扣动气动钉枪开始 打钉实验 。同时 ， 信 号通过另 一线路输 入到 同步 器 ， 通 过计 算 机 内部 的控 制程 序 控制 激 光器 和 C C D相机进 行 同步 拍摄。数 据采 集设 备把 C C D 相机拍摄到的图像数据传输到计算机上 ， 通过 P I V 系统 自带的图像数据处理软件进行图片数 据的分 析处理， 获取被i 贝 0 区域的流场信息。 6 结 论 本 文主要对气动钉枪 的结构进行改进使其适 合 P I V测试 ， 并在此基础 上构建一套适合气动钉 枪内部流场 P I V测试的实验测量系统， 具体包括 以下几方面内容 a ． 设计并改进气动钉枪的结构 ， 在最低限度影 响其气动性能 的前提下 ， 更好地满足 P I V实验测 量 的要求。 b ． 设计制作了一套适合气动钉枪用于实验测 量的固定装置和 自动打钉装置 ， 并能在不同打钉频 率下研究气动钉枪的气动性能。 c ． 改进 P I V系统中原有的激光器和 C C D相机 间同步控制系统 ， 实现打钉触发和激光器、 C C D相 机三者 的同步控制。 d ． 由各个组成部分搭建而成的能实现 P I V设 备用于测量气动钉枪 内部流场的整套实验系统。 参考文献 [ 1 ] 盛森芝， 徐月亭， 袁辉靖． 近十年来流动测量技术的新发展 [ 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e r i s t i c s o f PI V．i t d e s i g n s a n a p p l i c a b l e p n e u ma t i c g u n i n o r d e r t o me a s u r e t h e f l o w f i e l d ．Ad d i t i o n a l l y ，i t d e v e l o p s s e v e r a l o t h e r e x p e r i me n t a l a c c e s s o r y e q u i p me n t s f o r t h e q u a l i t y o f e x p e r i me n t ，wh i c h i n c l u d e a f i x i n g d e v i c e ，a n a u t o ma t i c t r i g g e r e q u i p me n t a n d a s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m．Th i s p r o v i d e s a p r o mi s i n g e x p e r i me n t a l s y s t e m b a s e d o n l I V t e c h n i q u e t o s t u d y f l o w f i e l d o f p n e u ma t i c g u n ． Ke y wo r d s P I VI mp r o v e me n t o f Pn e u ma t i c Gu n S t r u c t u r e ；F i x i n g De v i c e ；Au t o ma t i c Tr i g g e r Eq u i p me n t ； S y n c h r o n o u s C o n t r o l 上接第 6 3页 wh i l e t h e u p p e r c o mp r e s s i o n mo l d o f t h e s t r u c t u r a l d e s i g n i s a n i mp o r t a n t f a c t o r i n i t s ma n u f a c t u r e ．I t d e s c r i b e s t h e c u r r e n t s t r u c t u r e o n t h e u p p e r c o mp r e s s i o n mo l d a n d t h e p r o b l e m o f e x i s t e n c e ，d e s i g n s a n e w s t r u c t u r e o n t h e u p p e r c o mp r e s s i o n mo l d a n d i l l u s t r a t e s t h e p r o c e s s o f i t s wo r k，a n a l y z e s t h e u p p e r c o mp r e s s i o n mo l d i n F E A me t h o d． Ke y wo r d s NC F o l d i n g Ed g e M a c h i n e ；Up p e r C o mp r e s s i o n M o l d；Ne w Ty p e