（机械电子工程专业论文）复杂零件几何量检测技术研究与检测仪器的研制.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着汽摩制造业对零件加工质量要求的提高，特别是零件加工质量“零缺陷” 的提出，传统的零件抽样检测方式已不能满足要求，取而代之的是对每个零件的 加工质量逐个进行检测的完全检测方式，即在零件加工完毕后能对其加工质量合 格与否进行快速判别，及时将不合格零件剔除，避免其流入下道工序。这对检测 仪器的检测速度和精度提出了较高的要求。显然，传统的一些检测仪器已满足不 了这种需求，而目前市场上的通用检测仪成本高，价格昂贵，对工作环境要求严 格，使其不能用于加工现场。因此，开发一种适应性广、智能化程度高、能在生 产现场使用的检测仪无疑具有十分重要的意义。 论文课题为重庆工学院基金启动项目“车辆综合信息测控系统( 合同编号为 2 0 0 3 z d 3 8 ) 研究工作的重要组成部分，主要研究解决长期以来汽摩制造行业中普 遍存在着的大批量生产的复杂零件几何量误差检测问题。 本文根据复杂零件几何量检测的现实需求和技术可行性，对现行的复杂零件 几何量检测技术进行综合分析和研究，研制出了能对轴类复杂零件几何量误差进 行快速、准确检测的综合检测仪。整个仪器的研制涉及传感器技术、信息处理技 术以及嵌入式系统技术等领域的综合应用。 本文讲述的检测系统在实验仿真及样机测试效果较好。此外，本系统具有一 般性，可稍加修改，即可应用于便携式数据采集器、家电自动化等诸多领域。 关键词：几何量检测，电涡流，嵌入式系统，p c o s - i i ，可靠性设计 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a sr e q u i r e db yt h ea u t o m o b i l ea n dm o t o r c y c l ei n d u s t r yf o re n h a n c et h eq u a l i t yo f p a r t sm a n u f a c t u r i n g , e s p e c i a l l yt h e ”z f f f od e f e c t ”w a sp r o p o s e d , t h es a m p l et e s t i n gb y t r a d i t i o n a lt e c h n i q u eh a sb e e nu n a b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t , t ob ei n s t e a do ft h e e n d r e i l e s st e s t i n gw h i c ht e s t i n gt h eq u a l i t yo fp a r t sm a n u f a c t u r i n go n eb yo n e t h a t n l e a n sc a nc h e c kt h eq u a l i t ya r e rt h ep a r t sm a n u f a c t u r i n gf i n i s h e d , r e m o v i n gt h ed e f e c t p a r t si nt i m et oa v o i dg ot ot h en e x tw o r k i n gp r o c e d u r e a l lo ft h e s en e e dt h et e s t i n g i n s t r m n a n tw o r k i n gr a p i d l ya n da c c u r a t e l y a p p a r e n t l y , 自r a d i t i o n a lt e s t i n gi n s t r u m e n t c a n n o tc a r r yt h i sd e m a n d ，a n dt h eg e n e r a lt e s t i n gi n s t r u m e n to nt h em a r k e ta tp r e s e n t c o s th i g h l ya n de x p e n s i v e , c a n n o tu s ei nt h em a n u f a c t u r i n gs c c l l eb e c a u s eo fi t ss t r i c t d e m a n d so ft h ew o r ke n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t od e v e l o p m e n tat e s t i n gi n s t r u m e n t w h i c hh a st h e 丽d ca d a p t a b i l i t y , h i 曲l e v e lo fi n t e l l i g e n c ea n dc a nb eu s ei n t h e m a n u f a c t u r i n gs c a l eu n d o u b t e d l yh a sag r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ep r o g r a m “s y n t h e t i c a l l ym o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mo f a u t o m o b i l e o f t h ec o n t r a c tn n m b e r2 0 0 3 z d 3 8 ，w h i c hb e l o n g st o c h o n g q i n gi n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y s t u d ya n ds o l v et h em e a s u r e m e n tf o rg e o m e t r i c a l p a r a m e t e ro fc o m p l e xp a r t st h a te x i s ti nt h ea u t o m o b i l ea n dm o t o r c y c l ei n d u s t r ys i n c e l o n g a g o a c c o r d i n g t oa n a l y s i st h em e a s u r e m e n tf o rg e o m e t r i c a lp a r a m e t e ro f c o m p l e xp a r t s o nt h er e a l i s mr e q u i r e m e n ta n dt e c h n i q u ef e a s i b i l i t y , w es t u d yt h em & k q u r et e c h n i q u e f o rc o m p l e xp a r t sa n dr e s e a r c ht h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e rs y n t h e s i sm e a s u r ei n s t r u m e n t , w h i c hc a nm 既l q l l l es h a f tp a r t s g e o m e t r i c a lp a r a m e t e rr a p i d l ya n da c c u r a t e l y t h e e n t i r e l yr e s e a r c h o ft h em 瞄u r ei n s t r u m e n ti n v o l v e ss e n s o rt e s t i n gt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya sw e l la st h ee m b e ds y s t e mt e c h n o l o g y e x p e r i m e n te m u l a t i o na n dp r o t o t y p es h o wt h i si n s h 2 1 m e n t sm c a s u r es y s t e mc a n s a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s t h es y s t e mn o to n l yc a nb eu s e di nm e 黜i r ei n s t r u m e n t ，b u t a l s og a sb eu s e di no t h e rf i e l du n i v e r s a l l y , s u c ha st h ep o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o n ，h o m e a u t o m a t i o na n ds oo n k e yw o r d s ：g e o m e t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t , f a d yc u r r e n t , e m b e ds y s t e m , p c o s - r e l i a b l ed e s i g n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谓 意。 学位论文作者签名： 谭伟 签字日期： 刎年l z 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重左基盔堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 诲j 杀导师签名：牟芦书 签字日期：刎舌年f z 月日签字日期：僦年f 乙月曰 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 随着社会经济的飞速发展，自动化生产线和装配线已成为汽摩制造业发展的 主流。在大批量加工和交货的汽摩零部件中，如果其中任何一个零部件存在影响 装配的质量缺陷，都可能打断一条装配线的正常生产节奏，给企业造成经济损失。 为防止出现这种情况，美国三大汽车公司向汽车零件供应商提出了“零缺陷供货” 的苛刻要求，为实现这一日标，美国汽车制造业从日本引进了称为 p o k a - y o k e ”的 质量控制体系。”】为了达到“零缺陷”的质量控制水平，传统的零件抽样检测方式( 例 如从每十个零件中抽检一个零件) 已不能满足要求，必须采用对每一个零件的加工 质量逐个进行检测的完全检测方式，这就需要采用一种可在零件加工完毕后立即 对其加工部位的加工质量合格与否( g o n o g o ) 进行快速判别的检测技术，根据检 测结果，可将有缺陷的不合格零件及时剔除，避免其流入下道工序。【2 】显然，传统 的一些检测仪器和方法已不能满足这种检测方式对仪器的快速性和准确性的要 求，而目前市场上的高精度智能化检测仪由于成本高，价格昂贵，很难在中小型 企业中普及，同时由于其对操作环境、条件要求严格，通常仅限于测量室中使用， 不能用于加工现场。 重庆作为中国汽车摩托车的重要生产基地，目前已有汽车整车制造企业2 1 家， 摩托车整车厂1 0 9 家，发动机厂5 2 家，汽摩零部件企业1 0 0 0 余家，年总产值达 2 6 5 亿元，在重庆市的g d p 中占有很大的比重，成为了重庆市的第一支柱产业， 对重庆市地方经济的发展有重大的影响。长期以来，重庆的汽摩零部件配套企业 特别是摩托车零部件配套企业在生产过程中，由于资金上的原因，绝大部分都未 配置市场上成本高、价格昂贵的高精度智能化检测仪器，对零部件的检测还停留 在采用传统的一些检测技术和仪器进行产品质量检测的阶段，导致检测的速度慢、 精度低，无法实现产品的完全检测，从而达不到产品“零缺陷”的质量控制水平。检 测技术和设备的落后严重制约了重庆市摩托车零部件质量水平的提高以及整车在 市场上竞争力的提升。因此，开发一种成本低、适应性广、智能化程度和精度高 并能在生产现场使用的检测仪无疑具有十分重要的现实意义。【6 】 7 1 1 2 课题研究的目的和意义 本课题是重庆工学院基金项目“车辆综合信息测控系统 ( 合同编号为 2 0 0 3 z d 3 8 ) 研究工作的重要组成部分，主要研究解决长期以来重庆摩托车配套企 业中普遍存在着的，以花键轴为典型的大批量生产的轴类复杂零件几何尺寸检测 重庆大学硕士学位论文1 绪论 问题。花键轴作为摩托车重要的传动零部件，主要用于轴和带毂零件( 如齿轮等) 实现周向固定以传递扭矩的轴毂联接。目前，花键轴的加工工艺普遍采用的是冷 挤压成型工艺，挤压成型后，为了保证花键轴的圆度以及粗糙度，需要进行二次 加工。采用的方法是以外径定心方式( 即将花键轴的外圆柱面作为定心圆柱面) 对外圆进行磨削，而内圆不再加工由于在加工定位基准上的不同以及加工设备 存在的误差，导致了花键轴的内外圆跳动误差。径向跳动误差的存在不仅影响后 续的加工工序及装配，还会影响花键轴的回转精度，并把误差传递到下级运动部 件，从而直接影响整个机械系统的精度；径向跳动误差还会使花键轴的轴毂的联 接处因受力不均匀而造成不同程度的磨损，进而减少使用寿命。目前绝大多数企 业由于市场上的高精度智能化检测仪器价格较高，普遍采用的是低成本的一些手 工操作的检测仪( 例如偏摆检测仪) 进行检测。由于检测技术和设备的落后，无 法满足对产品进行完全检测的要求，达不到产品“零缺陷”的质量控制水平，制约了 产品质量的提升。 针对上述问题，本课题的研究目的是以花键轴的检测为典型对象，针对目前 重庆摩托车零部件生产企业中存在的轴类复杂零件的几何尺寸误差快速检测问 题，在深入研究分析轴类复杂零件几何量误差检测方法和检测技术的基础上，研 制开发一种低成本的智能化检测仪器，使其能对复杂轴类零件的几何量误差进行 快速、准确的检测，解决采用传统检测仪器中存在的速度慢、精度低等问题。 本课题的实施以及检测仪器的成功研制，对于提高重庆汽摩零部件配套企业 的产品质量检测水平，从而提升产品质量以及市场竞争力有着重大的现实意义。 同时，零部件产品质量的提高，对于重庆市的汽摩整车品质提升也具有很大的促 进作用，对重庆市摩托车支柱产业发展有着一定的推动作用。 1 3 国内外几何量检测的发展概况 1 3 1 检测技术的发展 零件检测技术是机械工业发展的重要条件，检测技术的发展水平直接影响着 机械制造行业的发展水平。近年来，几何量检测技术的发展主要体现在以下几个 方面： 2 1 【1 9 】 1 检测对象。中等尺寸检测的方法、技术及仪器，经过多年的发展不断进步， 己趋于成熟。目前，检测尺寸范围迅速朝着极大尺寸和极小尺寸两个极端方向发 展。一方面，现代武器、船舶、飞机、汽车、建筑、农用机械、大型化工、石油、 电力成套设备的空间尺寸，己从几米扩展到几十米、几百米甚至上千米，加工及 安装精度的要求也越来越高，且多要求在制造和安装现场进行检测，所以必须寻 求新的检测理论、更加灵活的检测方法和检测设备；另一方面，生命科学与微型 2 重庆大学硕士学位论文i 绪论 机械电子系统产品的研究与产业化，提出了一系列微检测问题，促进了纳米检测 技术的发展，其采用的是全新的理论与技术。 2 检测精度。随着精密工程技术、尖端技术和空间技术的迅速发展，精密零 件被广泛使用。中小尺寸常规机械加工、精密加工和超精密加工的精度不断提高， 微电子加工技术已达到了纳米甚至亚纳米级精度。虽然检测精度的提高也很快， 近年来已从精密检s u ( o 5 u m o 0 5 u r n ) 发展到超精密检s g ( o 0 5 u m o 0 0 5 u m ) ，并且 目前先进工业国家已研制出分辨率为i n m 的光栅尺、分辨率为0 2n n l 的激光干涉 仪、以及分辨率接近皮米的x 射线干涉仪等，但很多技术和仪器还未达到实用的 要求，检测精度离加工精度所要求的纳米精度检测( 5 0 n m 5 衄) 的要求还有一定的 差距。 一 3 检测效率。在制造业中，质量保证的目标是实行生产的零废品制造，而在 生产过程中对工件进行1 0 0 的在线检测，是实现这个目标的前提。这就需要具有 高检测效率的、适合于动态或准动态检测的设备，来实现被加工工件的实时检测。 运用现代信息分析手段，可从检测结果中适时获取加工误差及检测误差的特性， 了解加工机械精度及检测仪器精度的损失情况，做出加工质量预测。根据上述分 析结果，可对加工设备进行补充调整或反馈控制，防止废品的产生。目前，机械 加工朝高速化方向发展，这对在线检测仪器的检测效率提出越来越高的要求 4 检测规模。伴随制造系统的信息化、集成化、网络化和全球化，2 l 世纪检 测系统的规模必将大型化和复杂化：一个检测系统的检测控制参数可能成千上万， 检测对象不仅是一个零件或一台设备，还要解决离散制造系统和流程工业制造系 统全程的动态检测、决策和最优控制，以及网络化制造中的检测和质量保证问题。 检测、制造、控制、管理、决策的一体化，将是2 l 世纪检测理论和仪器发展的一 大特点。 1 3 2 检测仪器的发展 各个学科的快速发展和各学科越来越多的交汇融合，为检测技术的发展起了 极大的推动作用，同时也极大的推动了检测仪器的发展。目前，零件检测仪器正 朝着智能化方向发展，传感器技术、微电子技术、自动化技术、计算机技术和信 息处理技术的迅猛发展，使检测仪器在检测过程自动化、信息处理智能化和仪器 功能仿人化等方面都有了巨大的进步。 仪器仪表的计算机化是仪器发展的趋势，与计算机技术结合是检测仪器发展 的方向。计算机化仪器具有开放式的结构，能建立起适应各企业的高度柔性平台。 更为重要的是，各种不断完善的软件和硬件为数据采集、分析、描述和管理提供 了有效的解决方案，减少了测控领域的用户更新检测仪器的成本。并且随着仪器 仪表智能化程度、自动化程度的提高和数据处理能力的增强，过去许多依赖人工 重庆大学硕士学位论文i 绪论 操作的检测过程和数据分析、加工、处理过程逐渐由现代计算机系统所取代。 现代检测仪器的最主要特点是智能检测，包含了采样、检验、故障诊断，信 息处理和决策输出等多种内容，具有比传统的“检测”远远丰富的范畴，是检测设备 采用现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术和模仿人类专家信息 综合处理能力的结晶。现代的在线检测、精密测量发展的越来越迅猛，人类的信 息化时代必将为智能检测提供更为广阔的应用前景。 当前，检测仪器总的发展趋势是向着高可靠性、工艺稳定性、对使用现场的 适应性、准确性发展。其中，通用型设备、器具向着小型数字化发展；电子型设 备、器具向着电子元件和电路的集成化发展；光电大型综合设备、仪器检测技术 向着自动化、智能化、动态、高精度发展，检测结果向着数字化与图像化发展， 体积向着小型化发展，结构向着模块化、单元组合式发展，检测功能向着综合性、 多参数、多维发展。【1 2 】删 1 3 3 国内外发展水平 目前，国外典型的几何量检测仪生产厂家有：美国z y g o 和t s i 公司，英国 r e m i s h a w 公司，瑞士z a m b a c h 公司，德国z e i s s 和o p t o n 公司，日本安立、三菱、 松下公司等。它们的精度指标已达到0 1 微米，产值以每年1 0 的速度递增，占据 主要的国际市场。国内几何量检测仪的主要生产厂家有北京莱格超精光电研究所、 莱格光电仪器公司、长春光机学院等。其主要产品包括：c c d 成像光电检测仪、 形位误差光电综合测量机、电线电缆激光在线检测监控仪、光纤光缆激光在线检 测监控仪、激光扫描多功能检测仪、通用激光检测仪、激光圆度仪等。0 2 嗍 目前，我国的检测仪器发展水平与发达国家相比差距较大，主要在以下几个 方面存在着不足： 1 系列不全，成套水平低。世界上仪器仪表大约有2 5 0 0 0 种，而我国生产的 仪器仪表只有1 2 0 0 0 多种。这些品种大多数是中、低档产品，高水平的产品品种 不齐或不成系统，满足不了社会生产力发展的需要。 2 技术性能低、质量差。在精度上较国际水平约低l 2 个等级，故障率也 比较高。 3 标准化程度低。在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆盖率仅占1 8 ， 许多仪器仪表产品属于非标设备。这给设备的技术升级带来很大的困难，增加了 维护费用，同时也给用户带来了很大的不便。 4 新技术采用慢，产品更新换代周期长。国外的一些厂家产品的开发周期一 般为1 2 年，少则半年或几个月，元器件也均有一定的更新率，而我国则比较慢。 5 产品结构落后、功能少、智能化程度低。国际上已由单元组合式向功能组 合发展，而国内多为单元组合式。 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 4 论文的主要研究内容 1 广泛地查阅资料，深入研究复杂零件几何量误差检测技术原理。在分析研 究现行检测技术和检测仪器的基础上，综合检测仪的功能需求、工作环境、制造 成本等因素，采用最优的几何量误差检测技术方案对检测仪的研制进行总体方案 规划与设计，使仪器能对非连续零件表面进行自动化检测，同时满足检测速度和 检测精度的要求。 2 对检测仪的机械结构进行方案设计与开发，使机械结构能在检测过程中实 现相应的机械运动，满足检测仪功能的需要。 3 对检测仪嵌入式系统进行方案规划与开发。研制开发的嵌入式系统硬件模 块满足检测仪的实时性要求强、数据处理量大、现场应用和低成本等要求。同时， 根据仪器功能开发相应的嵌入式系统应用软件，使检测仪操作简单方便、自动化 程度高、检测结果显示直观以及适合加工现场的操作和使用 4 根据现场应用特点对检测仪进行可靠性设计，并在研制过程中采取相应的 措施，使检测仪具有较高的可靠性和稳定性。 重庆大学硕士学位论文 2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 2 1 检测技术基本原理 2 1 1 检测原则 根据检测对象的特点、精度要求以及设备条件的不同，几何量误差的检测可 以采用多种方案。g b l 9 5 8 - - 8 0 形状和位置公差检测规定将常用的检测方法概 括为五种检测原则：【1 6 】 检测原则一：与理想要素比较原则。将被测实际要素与理想要素直接进行比 较，得到一系列数据，再根据这些数据来评定几何量误差。 检测原n - - ：检测坐标值原则。这是指被测要素的测得数据为相对于某种坐 标系而言的坐标值，再根据这些数据评定几何量误差的一种原则。常用的坐标系 有直角坐标系、极坐标系和圆柱坐标系等，与此相应地检测到的坐标值，经过数 据处理后即可获得几何量误差。 检测原则三：检测特征参数原则。特征参数是指表征被测要素几何量误差的 某种具有代表性的参数。用特征参数来表征几何量误差，可使检测设备简单、检 测过程简化，从而提高检测效率和有较好的经济效果。 检测原则四：检测跳动原则。这是在被测要素绕基准轴线回转过程中，相对 于某参考点或线的变化情况来表示跳动值的一种原则。 检测原则五：控制实效边界原则。图样上按最大实体状态给出几何量公差时， 通常用综合量规来检验被测要素。检测原则五即用综合量规检验的原则。 其中，检测原则二在几何量误差检测中占有十分重要的地位，检测原则一、 三、四可以认为是检测原n - 的具体化。因为无论是平面的还是空间的被测要素， 它们的几何特征总是可以在适当的坐标系内反映出来。因此，形状误差、定向误 差、定位误差以及回转面的跳动，都可在确定被测要素的坐标值条件下求得。检 测原则三是以具有代表性的某种参数来表征被测要素的全貌，从概念来说有其不 够完善之处，但是该原则检测方法简单，容易在零件加工现场条件下实现，故在 生产中应用颇为广泛。 本课题涉及的轴类复杂零件的检测主要根据检测原则四检测跳动原则， 即检测被测要素绕基准轴线回转过程中，相对于某参考点或线的变化情况来判断 被测要素是否合格。 2 1 2 检测方法 检测方法的正确与否关系到检测结果是否可靠以及检测工作能否正常进行。 从不同出发点划分，几何量误差检测方法有不同分类： 2 1 竭 6 重庆大学硕士学位论文2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 1 直接检测、间接检测和组合检测。直接检测是指检测结果能够直接从预先 标定好的检测仪器的读数装置中获取，如用千分尺或百分表检测直径，直接检测 的特点是简单而迅速。间接检测是首先对与被检测有确定函数关系的物理量进行 直接检测，然后通过函数关系式计算求得检测结果的一类检测。间接检测通常用 于直接检测不易测准，或被测零件由于结构的限制而无法进行直接检测的场合。 组合检测是在检测中各个未知量以不同的组合形式出现，根据直接检测和问接检 测所得到的数据，通过解联立方程组来求出未知量的数值，组合检测一般比较复 杂，适用于科学实验和特殊场合。 2 绝对检测法和相对检测法。绝对法是从检测仪器上直接测出几何量的绝对 值；相对法是从检测仪器上直接测出被测几何量相对于标准件的偏差值。对于大 批量生产的零件，检查它的尺寸是否超出一定公差范围，以及几何量参数是否在 一定公差范围时，采用相对测量法可以应用高精度小检测范围的各类传感器，这 样能实现较高的检测精度。 3 接触式检测和非接触式检测。接触式检测是指在检测时仪器的测头与被测 对象有直接的接触。非接触式检测是指检测时仪器的传感器元件与被测对象不直 接接触，而是间接地承受被测参数的作用，感受其变化，达到检测目的的方法。 非接触式检测不会干扰被测对象的运动状态，特别是在一些使用接触方法无法胜 任的场合，使用非接触式检测方法就更为方便、安全和准确。非接触式检测技术 的最大优点是在被测零件加工过程中便可对其进行检测，即在线实时检测，从而 实现对加工过程的控制，降低废品率，可大大节省检测时间，提高生产效率，这 是接触式检测技术所无法比拟的。 4 在线检测和非在线检测。在线检测是在工件加工过程中进行的检测，它可 直接用来控制零件的加工过程，能在生产流水线上监控产品的质量，又被称为主 动检测。非在线检测是在零件完工后进行的检测，其作用仅限于检测产品、发现 并剔除废品，又被称为被动检测。 2 2 检测仪功能及技术要求 本课题研制的复杂零件几何量检测仪主要是针对轴类零件研制开发，属于轴 类零件的几何量误差智能化检测仪，要求能对轴类零件的圆度、直径、内外圆跳 动等误差进行快速、准确的检测。检测仪的功能及技术要求如下： 1 能够实现被测零件快速、准确的装夹和定位，满足检测的快速性要求。 2 具有自动化、智能化特点。被测零件在一次性装夹好后，能自动完成对被 测零件多个截面的检测和检测结果的处理、显示等，并能实现对不连续表面轴类 零件的快速检测。 7 重庆大学硕士学位论文 2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 3 具有人机交互模块，能根据不同检测任务对进行检测仪进行参数设置，并 且易于扩展功能。 4 操作简单、方便，结果显示直观，能对被测零件是否合格进行声光提示。 5 可靠性高，抗干扰能力强，能适应加工现场的环境要求，成本价格低廉。 6 要求检测仪测量系统的分辨率为0 0 0 5 r a m ，测量精度为0 0 1 m m 。 2 3 检测技术与检测方案研究 2 3 1 接触式检测技术 1 v 形检测技术8 1 2 】1 1 4 1 目前企业生产过程中普遍采用的v 形检测技术，主要用于被测零件的端面跳 动检测，其特点是结构简单、成本低。检测原理如图2 1 所示。 l 图2 1v 形检测法原理 f i 9 2 1 t h evs h a p em e a s u r ep r i n c i p l e 将被测零件放在v 形铁上，手工转动被测零件，通过人工观察安装在被测零 件上方的读数装置百分表( 千分表) 读数变化，从而确定被测零件的径向跳动是否合 格。v 形检测技术主要存在以下不足： ( 1 ) 检测基准与加工基准不统一，引入的误差大。 ( 2 ) 对于不连续表面的零件不能进行检测，如花健轴的内外圆跳动。 ( 3 ) 人工读数引入的人为误差大，检测速度慢、效率低。 ( 4 ) 不能对零件进行统计分析，从而有效地提出质量控制的办法。 2 偏摆检测仪跚1 0 】 偏摆检测仪是常用的轴类零件几何量误差综合检测仪器，目前在企业中应用 较为广泛，其基本结构如图2 2 所示。 重庆大学硕士学位论文 2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 图2 2 偏摆检测仪结构图 f i 9 2 2 t h es w a c t u r eo f o f f s e tm e a s u r ei n s t r u m e n t 主要由固定顶尖座l 、顶尖2 、底座3 、百分表夹4 、表支架座5 、顶尖座锁紧 手柄6 、活动顶尖座7 、顶尖锁紧手把8 、活动顶尖移动手柄9 等部分组成。其中 两顶尖连线对仪器座导轨面的平行度要求翊0 4 毫米。 与v 形检测法不同的是偏摆检测仪采用了顶尖来定位被测零件，实现了测量 基准与加工基准的统一。检测时，首先用锁紧手柄6 将固定顶尖座在仪器底座上 固定，按被零件长度将活动顶尖座固定在合适的位置，压下活动顶尖移动手柄9 装入零件使其中心孔顶在仪器的两顶尖上，拧紧把手8 将活动顶尖固定。移动表 支架座5 至所需位置后固定，通过其上所装的百分表( 千分表) 进行检测工作。 这种检测方法主要存在以下不足： ( 1 ) 采用百分表( 千分表) 进行测量读数，检测精度低，引入的人为误差大。 ( 2 ) 对不连续表面的零件进行检测时，接触式检测技术需要不断的调节百分表 探针，检测效率低，并且检测点少，达不到检测精度的要求。 ( 3 ) 与v 形检测法一样，仪器检测的速度慢，不能对零件进行统计分析，从而 有效地提出质量控制的办法。 综上所述，传统的接触式检测技术由于检测时检测仪器的探针或测头与被测 量对象有直接的接触，对于不连续的零件表面，需要不断调整探针或测头的位置， 若要实现检测仪器自动化、智能化检测，必须设计探针或测头的进给机构，使得 检测仪的结构复杂，成本较高。根据检测仪的功能及技术要求，否定了采用接触 式检测技术的技术方案。 2 3 2 非接触式检测技术 非接触检测技术对于各种测量目标都可以提供高灵敏度、高精度、高效率的 数据采集，从而实现对被测物各种参数的非接触检测。它不会造成被测表面的划 伤和损坏，能进行非连续表面的自动化检测，克服了接触式检测技术的不足。非 接触检测的最大优点是在被测物加工过程中便可对其进行检测，即在线实时检测， 从而实现对加工过程的控制，降低废品率，可大大节省检测时间，提高生产效率， 9 重庆大学硕士学位论文 2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 这是接触式检测技术所无法比拟的。目前常用的非接触式检测技术主要有激光衍 射及c c d 技术、超声波检测技术以及电涡流位移检测技术。 1 激光衍射及c c d 技术检测方案 2 6 1 3 2 】 激光衍射及c c d 技术对复杂零件几何量误差的非接触检测，是根据夫朗和费 单缝衍射原理，利用激光束通过棱缘与被测零件问的狭缝后形成的衍射条纹，用 c c d 接收衍射条纹的光强信号并通过a d 转换器及数据采集卡将离散的数据化 图像传入计算机，计算机接收到的视频信号经过滤波条纹搜索，进行暗条纹中心 的粗略定位，用最小二乘曲线拟合及两分法搜索找到暗条纹峰值点的坐标并得到 衍射条纹平均间距，从而计算出各采样点的缝宽( 即半径变化量) ，最后通过建立几 何量误差评定的数学模型得到误差值，实现复杂零件几何量误差的综合检测。检 测方案如图2 3 所示 胂一昏一 图2 3 激光衍射及c c d 技术检测方案 f i 9 2 3 t h es c h e m eo f l a s e rd i f f r a c ta n dc c d t e c h n i q u em e a s u r e m e n t 2 超声波检测技术方案【3 2 】 超声波检测技术不受光线、被测对象颜色等影响，对于被测物体处于黑暗、 有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力，因此在这些 方面有广泛的应用。由于在空气中超声波波速较慢，其回波信号中包含的沿传播 方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因此特别适用于空气中 测距。此外，超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。 超声波测距采用时间渡越法，即通过检测超声波传播时间t 计算位移。超声 波发射器向回转中的被测零件表面发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超 声波在传播途中遇到被测零件表面后反射，超声波接收器收到反射波后停止计时。 常温下超声波的传播速度是3 3 4 m s ，测得计时器记录的时间( t ) ，则探头到被测 零件表面的距离s = c a t 2 ，( c 为超声波波速) 。根据传感器探头到被测零件表面 间的位移变化量来实现几何量误差的检测。 超声波检测技术方案如图2 4 所示。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 被谢零件 图2 4 超声波检测技术方案 f i 鲒4 t h e s c h e m eo f u l t r a s o n i cm e a s u r e t e c h n i q u e 3 电涡流检测技术方案 2 8 1 1 2 9 1 1 3 2 1 电涡流位移传感器作为非接触测量的位移传感器，可以把位移、振幅等参数 变换成电量来进行测量，并且具有结构简单、不受油污等介质的影响、频响宽、 抗干扰能力强等优点。现已有用于汽轮机、空气压缩机、磁悬浮主轴单元等旋转 轴的振动测量以及钢板厚度测量，输电线探伤检测等的实际应用，并作为连续监 控装置。电涡流位移传感器分为探头和信号处理器模块两个部分，其实物示意图 如图2 5 所示。 图2 5 电涡流位移传感器实物图 f i 9 2 5 t h ep r a c t i c a l i t yo f e d d yc u r r e n ts e n s o r 根据电磁感应原理，当导体处在高频交变磁场内时，由于通过导体中的磁通 发生变化，导体内会产生相应的感生电流，由于导体的趋肤效应，这种电流一般 都集中在导体表面并自行闭合，通常称之为电涡流。电涡流位移传感器是基于导 体的电涡流效应制成的。传感器探头部分的作用是把被测体的位移信号变换为与 之对应的电量信号，信号处理器模块则把电量信号转换为线型电压( 电流) 输出。 电涡流位移传感器e c d s ( e d d yc u r r e n td i s p l a c e m e ms e n s o r ) 探头原理示意图 如图2 6 所示。 重庆大学硕士学位论文 2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 f 被测导体 c 并联谐振电窖 l 。传感嚣线圈 吼t 传感嚣线圈产生的交变磁场 导体内电祸流产生的交变磁场 d ，线圈与被铡导体之问的距离 h 导体内电祸藐的深度 m 。线圈与被测导体之闩的互盛 图2 6 电涡流传感器探头部分原理示意图 f i 9 2 6 t h ep r i n c i p l eo f e d d yc u r r e n ts e n s o r 其中，l 是一只固定在框架上的扁平线圈( 即探头头部线圈) ，它与一个电容c 并联，构成并联谐振回路。当探头绕制好后，探头电感值已经固定，改变并联电 容c 的值可把该回路调谐至某一频率( 例如1 m h z ) 。当线圈通上高频正弦交变电流 时( 例如1 m h z ) ，线圈端部周围的空间会产生交变磁场q l ，在头部附近没有测量体 时，币i 发散出去。当被测导体靠近传感器时，由于电磁感应，导体内会感生出呈 漩涡状流动的涡流( 涡流的大小、相位及流动形式受到被测导体的磁导率、电导率、 线圈与金属导体的距离等参数的影响) 。 被测导体表面的电涡流场产生一个方向与审l 相反的交变磁场啦，啦反作用于探 头且总是抵抗q l 的存在，因而会使线圈l 中电流的幅度和相位改变，即改变了线圈 的等效电感l 值或等效阻抗z 值，使l c 谐振电路失谐，影响输入端电信号的变化。 此外，从传感器探头的品质因素q 值来看，由于存在着电涡流损耗和磁能损耗，故 传感器的q 值也会变化，即被测导体的位移量变化也可以等价为探头q 值的变化。 所以对位移的检测就转换为对传感器q 值、等效电感l 值或等效阻抗z 变化的检测。 电涡流检测技术方案与超声波检测方案相似，也是通过检测传感器探头与回 转中的被测零件表面间的位移来实现几何量误差的检测。如图2 7 所示。 图2 7 电涡流检测技术方案 f i 9 2 7t h es c h e m eo f e d d yc u r r e n tm e a s u r et e c h n i q u e 由于电涡流检测原理的实质是对材料导电率的检测，因此电涡流检测技术非 1 2 重庆大学硕士学位论文2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 常适合于检测非铁磁体金属材料。此外，电涡流检测技术还可以检测出被加工表 面以及表面以下部位的材料缺陷。电涡流检测技术是采用的相对检测法，为了保 证检测的正确性和有效性，在进行实际检测之前，必须根据轮廓尺寸已知的标准 零件对检测仪器进行定标置零，然后以标准零件为检测基准对其它的未知零件进 行相对检测。检测方式通常是将被测零件的电信号与标准零件的电信号直接进行 比较，如果其误差超过了设定的公差范围，则判定其不合格并将其剔除。 综上所述，以上三种非接触式检测技术和检测方案相对于接触式检测技术在 实现检测仪器的智能化、提高检测速度以及检测精度方面有很大的优势。激光衍 射及c c d 技术方案检测结果精确，但由于光学器件的特性使其稳定性不高，难以 在加工现场中应用；超声波检测技术方案尽管现场应用性强，但其传感器的响应 频率不高，达不到检测仪快速性的设计要求；电涡流检测技术方案结构简单、抗 干扰能力强、检测精度高、速度快并且能检测出材料缺陷，同时由于加工的被测 零件为金属导体，满足电涡流检测对材料特性的要求。因此，检测仪的研制采用 电涡流检测技术方案。 2 4 检测仪基本结构 根据电涡流检测技术方案，规划设计出的检测仪基本结构如图2 8 所示。 l 】贼2 被测零件3 步进电机控制回转 4 倍感器运动桃构5 电涡漉位移传感器 图2 8 检测仪基本结构示意图 f i 9 2 8 t h es k e t c h - m a po f m e a s u r ei n s t r u m e n tb a s i cs w a c t u r e 其工作原理为：以a r m 单片机为核心的嵌入式系统控制步进电机带动被测零 件回转；用电涡流位移传感器进行位移信号的拾取，根据位移量的变化获得几何 量误差数据；由嵌入式数据采集系统读取并处理位移量检测数据，判别被测零件 是否合格，并显示检测结果。同时，嵌入式系统通过控制传感器运动机构使检测 仪能够对被测零件的多个截面进行几何量误差检测。 检测仪采用a r m 单片机作为检测数据采集与处理以及整个仪器控制的核心， 满足对检测仪的现场应用、低成本、智能化和自动化等要求。 1 3 重庆大学硕士学位论文 2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 该基本结构具有以下特点： 1 采用顶尖定位被测零件，以被测零件的回转中心( 即加工基准) 作为测量基 准，实现了加工基准与测量基准的统一，有利于检测精度的提高。 2 采用步进电机带动被测零件回转，能根据检测精度的设置控制转速。同时， 被测零件的匀速转动能实现被测点的均匀分布，便于检测数据的处理。 3 采用电涡流非接触式检测技术，使检测仪能够对非连续零件表面进行快速 检测。此外，还可以检测出被加工表面以及表面以下部位的材料缺陷。 4 采用自动化程度高的嵌入式处理系统对传感器拾取的位移量信号进行采 集、处理、分析并显示检测结果，能快速、准确的对零件进行检测，满足检测仪 智能化、快速性的要求。 5 成本低廉，结构简单，易于维护。 2 5 检测仪总体方案规划 2 5 1 机械结构方案规划 根据检测仪的基本结构，规划设计出的检测仪机械结构方案如图2 9 所示。 l 被测零件2 活动顶尖3 活动顶尖移动手柄4 位移传感嚣及支架 5 传感嚣导孰6 潼针轴承及零件套7 固定顶尖8 步避电机 图2 9 检测仪机械结构方案 f i 9 2 9 t h em e c h a n i s ms t r u c t u r es c h e m e 检测仪的机械结构方案采用的是传统偏摆检测仪的基本结构，作了如下改进 设计： 1 在偏摆检测仪的固定顶尖部分安装一个轴承以及根据不同被测零件设计的 零件套，由步进电机带动零件套回转实现被测零件的回转，使其能根据检测精度 要求控制被测零件的回转速度。 2 在偏摆检测仪一侧设计安装传感器运动机构，通过步进电机控制丝杆及传 重庆大学硕士学位论文 2 检测技术研究与检测仪总体方案规划 感器支架运动，从而使传感器能在被测零件的轴向上进行相应的运动，实现检测 仪对被测零件多截面的几何量误差检测。 通过以上改进，检测仪机械结构满足了对检测仪自动化快速检测的功能要求， 而且节约了成本。 2 5 2 嵌入式系统方案规划 分析检测仪工作原理和所需实现的功能，规划设计出的检测仪嵌入式系统基 本结构框架如图2 1 0 所示。 掣l 姗到掣 人机交互接口 _ j m r , o q 梭 f 麟口li 。o 荣口i l 传感舞 l 步避电机驱动嚣 前置电路 图2 1 0 嵌入式系统结构框架 f i 9 2 1 0 t h eb l o c kd