毕业论文-螺纹参数虚拟检测平台的设计及数据处理.doc

螺纹参数虚拟检测平台的设计及数据处理 （安徽农业大学工学院 11级机械设计制造及其自动化四班 合肥230036）摘要: 20世纪80年代以后,电子科技和计算机技术的飞速发展导致了人们开始对新的数据处理方法的研究,从而产生了相关的数据处理的方法、理论和仪器的出现。这些新的一起技术新仪器新技术在很多方面突破了传统的仪器概念，测量仪器的使用和功能开始发生了质的变化。在这种背景下，测量的虚拟平台应运而生，虚拟的测量平台借助于计算机的软硬件平台建立测量与控制系统。 通过虚拟平台，用户可以根据自己的需求设计自己所需的虚拟测量仪器并对其所测量出来的数据进行处理，仅仅通过虚拟平台上的操作修改软件就能测量出所需要的数据，以满足各种各样的测量应用需求。 设计具有强大的数据分析和处理能力，具有高精度和灵活性，将实际性的操作在电脑上的虚拟平台上进行演示具有很大的实际意义。通过对螺纹参数的测量虚拟平台的建立和研究，文章提出了关于螺纹参数测量的虚拟平台的设计和测量出的数据进行处理。文章首先对测量仪器的原理、特点、应用进行了分析，在此基础上阐述了数据采集、处理系统的设计思想，并给出了数据的存储、分析和处理方法。作者利用测量的虚拟平台的建立，实现了包括数据采集、数据处理与分析在内的多个功能。关键词：工具显微镜 螺纹参数 虚拟平台 数据处理 螺距1. 引言1. 1工作内容本次设计的主要目的是对于螺纹参数的测量虚拟平台的建立和测量数据结果的处理。测量中的螺纹参数测量是以螺纹的螺距和螺纹的中径为例，如果螺距和中径不符合要求，会影响螺纹的可旋合性、可旋入性、连接强度和连接的可靠性。数据是通过JGX-1新型小型显微镜测量出来的，并将数据输入EXCEL表格中存储的，进行计算，使数据在EXCEL中完成存储、计算和处理的过程。然后得到最终的关于螺纹螺距和中径的测量结果数据，。利用计算机中的EXCEL实现处理数据的功能，这样我们就不必在完成初步测量之后又进行繁复的公式计算，实现了快速和方便。1. 2工作内容与实验步骤 本次设计主要从三个方面着手，第一是绘制测量工具JGX-1新型小型显微镜的装配图，了解测量工具的工作原理和组成结构，在这个过程中，首先应该做的是了解组成工具显微镜的结构，测量各个部件的尺寸大小，探究装配的方法，明白各个部件之间时如何组装的，在将这些工作都做完之后就可以开始着手绘制它的装配图了，使用的软件是solidwork，绘制装配图的步骤是先绘制各个部件的零件图，然后再将画好的零件图装配到一起形成工具显微镜的装配图。下面讲进行第二方面的设计。利用在第一方面绘制好的工具显微镜的装配图，将回执号的图片按顺序导入软件中形成动态的图片，演示测量的过程。在完成这一步的设计之后，设计工作到了最后一个步骤：数据处理。首先我们先要在工具显微镜上测量出所需要的数据，多次测量并记录下来，将获得的数据输入EXCEL表格中，在EXCEL种麦输入计算公式，由电脑完成计算并记录最终结果。1. 3设计流程图测量工具显微镜部件的尺寸绘制其三维图构建在工具显微镜上的测量过程的虚拟平台并以动态图演示其测量的过程将测量所获得的数据输入电脑EXCEL中进行输出的存储、计算和处理得到最终结果2. 虚拟检测平台2. 1虚拟测量平台对检测数据处理的演变和发展传统的电子测量仪器、精密测量仪器的数据处理与分析和处理基本是由人在实验室实际操作来收集数据，再由相关相关公式来计算出所需要的数据，可以看出大部分的任务都是人在实际操作中完成的。传统测量仪器经历了从模拟仪器到数字化测量仪器的重大变革，随着如今现代科学技术的不断发展和生产力的提高，测量项目日益增多，测量范围也在不断变大，对测量工作在精度、速度和功能这些方面也有了更高的要求，这些实际情况促使我们要不断的改进和完善测量仪器和测量方法，建立虚拟的测量平台，使测量逐步向智能化、自动化和虚拟化发展演变。虚拟的测量平台是将在实际手动测量过程中的操作步骤以动画的形式演示出来，从而能在实际操作中规避一些测量问题并提高测量效率，并具有一定的数据处理能力，它们的全部功能都是以硬件的型式存在的，通过鼠标和键盘来实现。近年来的许多智能测量仪器由于语言技术的发展和应用实现了测量结果的自报功能，有的增加了触屏功能，但无论是怎样的开发和应用都缺少了实际的灵活性。随着科学技术的进步，各种具有信号处理功能的软件的精度也越来越高，测量数据的速度也越来越快，在测量的数据处理与分析的部分，用软件代替硬件似乎逐渐变为一种可能，也就是算法代替了电子。根据实际的需要，采用不同的软件和硬件组合，用户就能在屏幕上建立、操作自己的虚拟测量平台，生成各种仪器模板。传统的测量仪器是由生产者、制造商来定义它的功能和操作，而虚拟测量平台是由用户根据自己的需求和实际使用情况来定义仪器的使用和功能，虚拟测量仪器是一种虚拟功能意义上的仪器是对于人们的传统仪器观念的重大变革，也带便了测量仪器今后发展的一个方向。 当下的虚拟仪器在应用上受到限制的主要来自于微博通讯领域的专用测量仪器等高端产品垄断了市场，而虚拟的测量仪器产品数量不多，在市场上难以占据一席之地。由于虚拟测量仪器是一种以计算机为操作显示平台，相对于其他的测量仪器来说具有方便灵活等特点，借助于计算机软件实现测量过程的模拟和数据的快速处理存储。2. 2虚拟测量平台的发展现状测量的虚拟平台的建立是对于传统意义上的仪器测量的重大突破，它是如今的计算机技术和传统的仪器测量技术概念的结合的产物。它利用了计算机强大的软件和硬件功能，在很大程度上突破了传统仪器测量在数据处理能力、操作演示、显示、传送和处理上的短板。使用户可以更加方便的了解仪器、操作实验过程并得到数据处理的结果。虚拟的测量平台在现如今已成为测试、测量教学、工业产品的设计的主流技术，随着虚拟测量平台的性能与技术的不断提高，在当下的许多实际应用中已然成为了传统仪器测量的主要替代方式之一。随着计算机技术、智能化、半导体技术等的进一步更新，未来的虚拟测量平台的发展将为测量系统的设计提供一个很好的模式。虚拟测量平台技术说到底其本质是计算机处理技术，随着如今产品趋向于多样性和功能结构上的复杂性，工程师们经常需要运用多个测量设备才能完成测试过程。但是虚拟平台可以极大的节约工程师们的时间、减少他们的工作量，只需运用几个虚拟平台在计算机上连接进行测试。3. 工具显微镜3. 1JGX-1新型小型工具显微镜的基本机构JGX-1新型小型工具显微镜的组成是目镜、游标、角度盘、调焦手轮、物镜、X轴测微器、工作台、角度盘制动螺旋、照明灯泡、Y轴测微器、游标制动螺旋。 图1.工具显微镜的装配图图2. 工具显微镜的主要结构示意图 图3. 工具显微镜的外观实物图及其对应的结构3. 2工具显微镜的工作过程测量时将被测物体置于工作台上，通过上下照明灯泡照射被测物体或工件进入显微光学系统，再通过物镜操作调焦手轮和X、Y轴测微器使得成像于米字划板上，经目镜进入测量者眼中进行检测。在侧中径时，倾斜立柱后转动测微螺杆手轮使工作台在横向和纵向上移动使得螺纹的影像的牙边中部与米子线的中点重合，再转动横向测微螺杆使螺牙的另一边也与米子线中间重合，分别读数。测螺距时，通过测微螺杆手轮使工作台移动至米字线中点与螺牙中部重合，转动手轮使米字线的中间虚线与牙边重合，然后记下千分筒的读数，再转动纵向千分筒，将影像移动几个螺距后再进行测量并读数。3. 3工具显微镜的目镜 图4. 绘制的工具显微镜目镜目镜是一个凸透镜，相当于一个放大镜然后通过目镜使实像正立。不同的目镜其放大倍数不一样，工具显微镜的放大倍数为30X，要得到清楚明亮的图像需要正确的对光和调焦。图5. 镜中观测到的图像3. 4工具显微镜的X、Y轴测微器X、Y轴测微器就是两个千分尺，是依据螺旋放大的原理制成的，它是比游标卡尺更为精确的精密测量仪器，主要用于测量长度。螺杆旋转一周，就沿着螺旋轴线方向前移或者后撤一个螺距的距离。所以，沿轴线方向移动的细微距离可以用圆周上的刻度读数读出来。测量精度为0.01mm，在使用前应当先检查零点，再确认零点无误之后再开始使用。转动微调旋钮使测微螺杆与小测砧接触到棘发出声音。这时的活动套筒上的零刻度线需要和固定在套筒上的长横线对齐，不然就有零误差。 图6.螺纹的各个部分名称其组成主要是由螺杆间的装配而成的，螺杆传过框架上的孔固定在测微器上，小砧是固定在显微镜工作台上的，从而使整个测微器与工具显微镜结合成为一个整体。读数结果为固定刻度、半刻度、可动刻度和估读四者之和。 图7.绘制的千分尺的装配的部件3. 5工具显微镜的工作台 图8. 工作台1 图9. 工具显微镜的底座 图10.工作台2作台是由两个相同大小的框架组成的，框架中间部分为露空的，在露空的正下方为下照明灯泡光源，X轴测微器是连接在下方的工作台上的，Y轴测微器是连接在上方工作台上的，工作台固定在工具显微镜的底座上。在上方工作台上有一个槽放置玻璃，被测工件就是放在玻璃上固定的，被测工件的X、Y轴方向上的移动就是在工作台上完成的。3. 6工具显微镜的工作原理工作的主要原理是用影像法测量工件：影像法的测量原理是利用米字线分划板上的一根分划线瞄准工件的影像边缘并在读数装置即是X、Y轴测微器刻度区上读出数值，然后使被测工件移动使一分划线瞄准工件影像的另一边再进行第二次读数，由于被测工件是与毫米刻度尺及工作台一起移动的，所以在轴测微器读数设置上两次读数有差值也就是工件的被测尺寸。4. 工具显微镜测量的数据处理 图11. 螺纹参数的数据参考表 图12.测得数据的记录和计算结果4. 1工具显微镜测量数据的步骤本次设计中的螺纹参数的测量主要选取了螺纹参数中的螺距和中径作为研究对象，在此就只介绍螺纹螺距和中径的测量方法。螺距P是指相邻两牙在中径线对应两点之间的轴向距离，中径是把螺纹截为牙形切口宽与牙形沟槽宽度相等并和螺纹轴线同轴的假想圆柱面的直径大小。首先介绍用工具显微镜是如何测量螺纹螺距的：a) 将被测工件放在工作台上固定好之后，转动X、Y轴测微器使X向和Y向滑板移动，工作台会随之移动，让工件能在目镜中观测的很清楚明亮；b) 旋转目镜调焦手轮使目镜中的米字线中心虚线与螺纹影像轮廓的一侧能够重合，记录X向的第一次读数；转动X向微调手轮，工作台会沿着X向移动（由于Y向的没有转动，所以在目镜中的米字线不旋转），使螺牙纵向移动大概n个螺距的长度。保持沿着轴线方向上相距n个螺牙的同侧影像轮廓与目镜中的米字线中心虚线向重合。，记录Y向的第二次读数数值，便是n个螺距的实际长度了。图13. 调试后目镜中的图像接下来介绍工具显微镜测量中径的步骤： 测量时，先倾斜立柱，目的是为了使轮廓影像清晰，方法是将立柱进行左右方向各一次的倾斜，需要观测的侧牙形方向要与螺纹的倾向方向一样； 倾斜立柱调好轮廓影像之后，转动测微螺杆手轮使工作台台移动至螺纹影像的牙边的中部与米字线中点重合（同时转动目镜的调焦手轮），记下Y向的第一次读数数值； 将立柱反向倾斜，转动Y轴测微器手轮（不再转动X向的，米字线也不转动），螺纹工件会沿着Y方向移动，在目镜中使螺牙的另一边与米字线中间虚线重合，记录Y向第二次读数数值，两次读数的差值就是螺纹的实际中径。4. 2计算公式螺纹中径为两次读数数值的平均值，计算公式为 ： 螺纹螺距为几次测量结果求和之后的平均值，计算公式： n个螺距的累积误差公式为： n个螺距的累积误差计算公式为： 温度导致的测量误差计算公式为： 4. 3误差分析和注意事项测量过程中的误差主要来源于安装误差，所以得在测量之前先消除安装误差，另一个误差来源于在千分尺上读数时的误差，这个属于实验测量过程中操作者要规避的。除提高检测装置和仪器的精度外，拟用函数逼近的方法求出螺纹的螺距和中径的近似方程式，以提高检测的精度，同时求其差值。在实际测量过程中还要注意温度对实验结果的影响，应在温度接近标准温度时进行测量切温度的变化量较小。在测量螺纹的中径时，被测螺纹在放置到工作要上时需要仔细的调整放置位置，应当尽量保证它的轴向和径向分别于X向和Y向的测量方向一样，并且保证轴线要水平。带有顶尖孔的螺纹要安装在两个顶尖上。安装误差是必定会存在的，如果螺纹的轴线方向与仪器工作台的X向移动不一样就会带来测量误差，造成的结果是牙形轮廓一侧测量得到的结果比实际的尺寸要大，而在另一侧测量结果又比实际值要小。根据误差出现的原因和规律，想要消除被测螺纹工件安装误差给测量结果带来的影响，我们可以对螺牙的两个侧面都做测量，运用正负误差相互抵消的方法作处理取平均值。对于螺纹工件的螺距在测量时的误差通常以螺距累积误差来评价。螺距累积误差也就是偏差是指在螺纹的全长上实际累积螺距对其公称值的最大差值。从螺纹全长的角度看，每个螺距的偏差都是可正可负的，所以不一定说是在全长处的累计值最大，可能在中间过两端的某一处。应当将每一个实际螺距按照顺序测量出来，与公称螺距表相比较得出的每个螺距的实际偏差，然后再进行输出处理就可以知道是哪一出的累计值最大从而求得累积误差。图14. 螺距累积误差5. 动态图的绘制5. 1动态图的绘制方法根据已经画好的工具显微镜的三维图，以工作台为基准设置几个位置，画几张各个位置的状态图片，然后用软件将他们按顺序排列点击播放就形成了演示用工具显微镜测量螺纹参数的数据的过程了。 第一步，先将被测螺纹工件放到显微镜的工作台上，固定好，倾斜立柱，旋转轴测微器，使目镜中有明亮清晰的螺纹图像，根据刻度画出此时工具显微镜的状态，图上需要有明显的刻度读书标记，位置标记以及目镜中的图像形状：第二步，旋转轴测微器，是螺牙的牙边与米字线重合，在图上画出此时轴测微器刻度区的读书和位置，以及此时目镜中被测螺纹工件的图形形状和位置的改变，做出标记：第三步，重复上述步骤，尽量将每次的刻度读数的改变量很小，这样就得到了一组比较细致的状态图片，最后将这些图片按照实验的先后顺序排列在一起，放在软件中运行就可以得到一个关于工具显微镜测量螺纹参数的操作过程的动态图了。图15.检测过程图6. 虚拟检测平台的应用与发展前景 虚拟检测平台的实现在很大程度上得益于如今科学技术的迅猛发展尤其是计算机技术，包括计算的数据处理能力的提高、计算机接口的技术、计算机的普及使用和信号处理能力，人们对于虚拟测量平台的需求是促进虚拟测量平台发展的主要因素。 它与传统的测量仪器相比优势十分明显：它是建立在数学模型基础智商的软件程序并于计算机相结合，测量环境的优越，数据储存、处理和分析能力的强大，灵活性大，代码可重用度大。当今的测量充分体现了软件就是仪器这一现代测量技术的发展观念。ETOMIC(European Traffic Observatory Measurement Infrastructure 欧洲流量观测基础设施 )是EVERGROW的一个子项目，该项目在欧洲各地布置了许多个测量节点，其目的是为了实现精确的虚拟测量平台的测量过程。AMP（active monitoring of broadband internet infrastructures，大规模的互联网基础设施检测），采用主动测量的方式对网络的进行测量和分析，在全球都布置了许多个测量设备，以被动测量的方式进行测量。我们也有理由相信，在未来像这种产业会越来越多，而虚拟测量平台技术也会随着发展日趋成熟与完善。在今后，各个测量任务会存在于一个或者多个操作系统中，再将虚拟化技术平台引入，从而让电脑自动高效的完成一个或者多个测量任务，并且不会对其他测量任务产生影响。各个测量平台任务稳定并且可以扩展，最终将有可能会完全取代传统的仪器测量，这样节省了大量的人力物力和财力，并且测量效率和测量的准确度都大大地提高。结 论本次毕业设计期间，作者通过对传统意义上的测量仪器和数据处理的方法的考察与研究，提出了一种新的测量方法，并将之以文字和图片的形式表达出来。虚拟的测量平台其主体是传统测量仪器，在绘制其三维图的过程中了解它的构造，熟悉他的结构以及测量的步骤与方法，并在绘制之后完成了其部件的装配。在三维图绘制完成之后再以动态图的形式将工具显微镜的测量过程和步骤表示、演示出来，而后将所得到的数据输入计算机运用相关公式快速计算出所需要的结果。纵观整个过程和结果，基本达到预期的效果。毕业设计主要收获和体会如下：c) 学到了产品的设计方法，产品的设计过程是具有创造性和严谨性的，差产品的设计过程应按科学程序进行，一个产品进行多次修改和改进才能完善和成熟；d) 提高了综合应用各科知识的能力。以前的课程设计相对于毕业设计来说知识面的限制更明显，比较窄，而且给予的时间也不是很多，有时发现了问题也未能及时的改进，借助这次毕业设计，再次把专业知识做了更深更全的了解；e) 夯实和提升了计算机绘图能力，以前用计算机画的图基本上都略显粗糙不怎么完整，这次从实际数据的采集，尺寸的测量都是自己亲手测量得到的，根据这个数据再来绘制三维图，极大的提高了绘图能力；f) 提高了收集资料和查阅的能力。做毕业设计的前期工作就是收集资料，所收集的资料直接关系到了毕业设计的进度；g) 培养了严谨的科学作风。尺寸的测量直接关乎到三维图的绘制，任何尺寸上的错误都有可能会导致装配的时候无法装配，所以必须严谨对待。 总之，对于我们每个毕业生来说，这次的毕业设计将会对我们今后从事第一线的生产、制造和设计工作产生十分重要的意义。致 谢随着论文的完成，我的大学生活也逐渐结束，将迎来人生的新生活，新的工作环境。在论文的设计和完成的过程中，我的指导老师孔晓玲老师给予了我很大的帮助。孔老师一再为我解答在毕业论文设计中所遇到的各种疑问，孜孜不倦的进行指导，同时对我的毕业论文提出了诸多宝贵意见才使我最终顺利的完成了毕业论文。再次，谨向孔老师表示深深的敬意和衷心的感谢。论文的完成是新的生活的开始，我会珍惜论文撰写过程中的点点滴滴，这都是人生的宝贵经历和历练，从开始进入课题到论文的顺利完成，同学们互相帮助，再次，对于帮助我的同学表示真挚的感谢。参考文献1.吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.第4版.高等教育出版社,2012.52. 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Together these new technologies and new equipment in many aspects of new technologies break through the traditional concept of instruments, measuring instruments and function using the beginning of a qualitative change. In this context, a virtual platform came into being measured, the measurement platform by means of a virtual computer hardware and software platform to establish measurement and control systems.Through a virtual platform, users can design their own needs according to their needs and their virtual measuring instrument measured data processing, will be able to measure only the required data by modifying the sof