开题报告-胶辊激光检测仪机械结构设计.doc

中国海洋大学本科毕业论文开题报告题 目 胶辊激光检测仪机械结构设计 院 系 工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化2011级 学生姓名 学 号 指导教师 教务处制表 2015 年 4 月 2 日一、选题依据 1.课题来源 指导老师自拟题目，本课题的主要对一种胶辊激光检测仪的机械结构进行设计，该检测仪采用非接触式测量方法，对印刷机械所用胶辊的几何尺寸以及形位误差进行检测。根据胶辊激光检测仪的非接触测量的要求，该胶辊激光检测仪选用非接触式激光测头。为了满足其自动检测的需求，选用2轴伺服进给驱动，即激光测头的纵向移动和胶辊的旋转。需要了解胶辊激光检测仪测量原理，确定其总体测量方案和测控系统，根据测量要求完成其机械结构的设计。2.选题依据胶辊是由金属辊为内芯向外覆盖橡胶层而组成的橡胶制品之一，是国民经济同步发展不可缺少的产业，其产品广泛应用于工业部门和办公文教部门。改革开放30年来，胶辊生产的主要企业引进了国外先进的工装设备、生产技术及检测仪器，从而带动了行业的发展，使国内胶辊的生产有了长足的进步，产品质量及寿命有了很大的提高，基本上满足了国内各个工业部门和办公文教部门的需要。但是，随着用户发展的进一步要求，有些产品仍未能满足需求，我国的胶辊企业需要加大力度，尽快与国内各工业部门同步发展。胶辊是在现代工业生产中占有非常重要的地位，广泛应用于机械、印刷、纺织等行业。由此，胶辊的生产就尤为重要，而检测是胶辊生产的最后一个环节，对胶辊的投入以及使用具有重大意义。激光扫描检测具有检测距离远、调试方便、精准度高等特点，而且不受现场、设置环境的影响，可靠性高。利用激光扫描测量直径的方法，可有效地提高胶辊检测的效率。因此本次课题进行胶辊激光检测仪的机械结构设计。3.背景情况改革开放以后，我国胶辊行业有了发展的生机，一些骨干企业，经过对国外引进先进技术、工装设备等进行技术改造后，胶辊的生产有了长足的进步，产品品种不断扩大、性能不断提高，但按发展的要求还有较大的差距。现就国内胶辊企业现状，简单介绍如下:（1） 产品品种少、精细产品不足。目前我国胶辊生产的产品大致有造纸胶辊、印染胶辊、印刷胶辊、其它胶辊(如制革胶辊、复印机胶辊、打印机胶辊、传真机胶辊等)。产品品种少，有很多特殊用途的胶辊还是要靠进口来维持配套，其主要原因是制造胶辊用的材质质量不稳定、加工性能差;制造胶辊的工装条件差也是另一个主要因素。（2） 企业小而分散，专业化、规模化生产水平低。我国胶辊生产企业的规模从二三十人到几百人不等。企业小而分散，专业化、规模化生产无条件可言。（3） 科研力量弱、新品开发缓慢。 （4） 工装设备老旧，检测手段较低。 （5） 标准化工作跟不上形势，执行标准低。要提高中国胶辊行业的发展水平，除优化产业结构，加强科研力量之外，升级生产设备也是非常重要的一个环节。本次课题研究的是胶辊生产过程中的最后一个环节胶辊的检测。胶辊激光检测仪是检测胶辊尺寸的机械机构，对胶辊最终投入应用具有重要作用。采用激光检测的方法对胶辊进行测量，在国外已经被广泛应用，胶辊激光检测仪以其超高的精确性、高效性以及稳定性，成为越来越多企业的选择。本次课题将对胶辊激光检测仪的机械结构进行设计。3. 研究价值近年来，随着经济的发展以及新兴产业的兴起，胶辊作为工业生产中的常用部件，我国对其需求不断增长。以印刷业为例，近年来印刷业随着互联网和数字化等信息业和传媒的迅猛崛起而得到了很大的发展，国外在印刷生产技术和装备上都有很大的改进以适应新的性能要求。作为印刷行业重要配件的印刷胶辊也出现了新的生产技术和发展趋势。国内胶辊的生产方式还一直停留于包粘法和包缠法等传统落后工艺，大部分高速胶辊及几乎所有的生产设备技术依赖进口。除此之外，我国在对塑料机械胶辊及工业胶辊的需求一直保持在较高的水准，胶辊在我国各个产业中都占有重要作用。胶辊的检测作为胶辊生产过程中的最后一个过程，对胶辊的质量起着重要作用。本次课题胶辊激光检测仪的研究，是对胶辊检测步骤的设计，不仅能够更精确的检测胶辊的形位误差，还能最大程度的节省人力，高效精确地对胶辊进行检测。本次胶辊激光检测仪的毕业课题设计，旨在设计一套高效精确的胶辊检测装置，为能促进提高企业的产品的技术水平做出贡献，帮助提升我国胶辊产业的技术标准。二、文献综述国内外的研究及发展目前国内外胶辊测量的方法有接触式测量和非接触式测量。1. 接触式测量接触式测量，就是测量器械要与胶辊相接处，主要有人工测量和接触式触针测量。（1)人工测量人工测量采用的工具主要是是游标卡尺、千分尺和千分表等。由于人工测量的全部工序都有工人操作，因此测量结果误差大，效率低。并且测量器械要与胶辊表面接触，接触时的压力容易造成胶辊表面的破损。 (2）接触式触针测量 该种测量方式是采用机械触针与被测胶辊表面相接触对被测胶辊进行逐点扫描后获得相关数据，然后进行分析。这种测量方法所用到的测量工具有三坐标测量机、轮廓仪、圆度仪和形状测量仪等，所以测量精度高、测量稳定可靠、重复性高。但这些仪器几个比较昂贵，对环境要求高，所以应用时非常具有局限性。 2.非接触式测量非接触测量是采用光学测量技术，利用聚焦探测法，将光束汇聚成光学探针，利用光电探测器接收返回的光线，并将其转化为电信号输出，反映被测胶辊的相对于物镜焦点的位移量。此方法对应的产品有非接触式轮廓仪、3D共聚焦显微镜、白光干涉仪、激光检测仪等。主要有CCD尺寸测量和激光扫描测量。（1） CCD测量技术随着生产技术的发展，生产自动化程度越来越高，光电检测技术在各部门的应用将会越来越广泛，数控技术和计算机辅助设计进步，促进了光电检测和光电传感技术的发展，CCD技术与计算机的有机结合，实时地将信息反馈给自动控制系统，促进了生产过程控制的自动化。物体几何尺寸的精密测量在检测技术中是一个应用十分普遍且有实际应用，而利用CCD测量具有无接触、准确度高、便于计算机处理，易于和自动控制设备连接等一系列优点。图1 CCD测量原理图CCD尺寸测量系统由CCD图像传感器、光学系统、微机数据采集和处理系统组成，其基本原理为：将线阵CCD置于平行光路，被测胶辊放于CCD前方的光路中，射向CCD的光就会被物体挡住一部分，利用CCD摄像头拾取胶辊图像，经图像采集卡送入计算机进行图像处理;再经过数据采集软件（如LabVIEW7.1虚拟仪器软件等）和图像处理软件（如IMAQ Vision等）实现图像平滑、图像增强、边缘检测等预处理;通过形位误差检测算法，得出胶辊的直径、圆柱度误差和跳动误差;最后经系统标定，将测量所得的像元数转化为实际值，从而计算出被测物体的尺寸。这种测量方法要求CCD光敏区的长度大于被测物体的尺寸，而大尺寸的CCD特别昂贵，所以必须通过其他方法来实现光的接收。CCD尺寸测量法它具有一些独特的优点，是一般机械式、光学式、电磁式测量仪器无法比拟的，这与CCD本身的自扫描高分辨率高灵敏度结构紧凑位置准确的特性密切相关，其中关键的技术就是光学系统的设计和CCD输出视频信号的采集与处理，但是也存在着很多常见的问题。比如：测量的精度受限于CCD像元的大小，由于CCD像元的任何部位接收到光以后都会将接收到的光信号转化成电信号，从而制约了CCD测量方法的测量精度。采用尽量小的CCD像元，可以使它的测量误差尽量减小。但是CCD的像元越小，CCD的成本就越高；CCD光敏区一般为28mm，这直接限制了被测物体的大小，是的采用CCD尺寸测量法生产的设备的型号受限；还有一个就是衍射，CCD像元不是连续的，是一个一个像元互相紧密排列组成的，而由于衍射造成的光的传播不是直线的，结果就很容易出现很大的误差。综上所述,CCD尺寸测量法具有它的优点，但同时也有诸如结构复杂、成本高等它自己无法克服的缺点。（2） 激光扫描测量法随着目前工业自动化的飞速发展，自动精度、高速度、高稳定性则是衡量一种测控产品好坏的主要标准。激光技术的发展为测量领域带来了一场革命。人们研制开发出了一系列高性能的尺寸测量产品。因其满足所有测控产品的高精度、高性能、高稳定性以及易于现场安装等优越性能，正日渐为工业测控领域所关注。图2 激光测量法原理图如图所示，激光扫描测量是将激光器发出的光束通过扫描转镜多面体和扫描光学系统处理后变成平行光，对被置于测量区域的工件进行高速扫描，被测胶辊只要挡住光束，就会在接收器上产生信号，所以通过分析光电接收器输出的信号，获得与胶辊直径有关系的数据。激光扫描检测具有检测距离远、调试方便、精准度高等特点，而且不受现场、设置环境的影响，可靠性高。利用激光扫描测量直径的方法，虽然会出现如扫描速度达不到均匀而产生的原理误差，但是我们可以利用算法的不同降低这部分误差。参考文献1徐志刚. 胶辊的发展方向J. 特种橡胶制品, 1994, 15（5）：31-342苏秀琴. CCD测量系统设计方案. 2000: 16-17, 25-263唐宇慧，杨敏，刘其洪. 基于机器视觉的机械零件直线边缘精确检测J.机床与液压2004, (12）:188-1894朱铮涛. 基于计算机视觉图像精密测量的关键技术研究D. 广东: 华南理工大学，2004: 34-405贲春雨，郑宇，郭蕴纹，陈礼华，张国玉，方杨，宋鸿飞. 大尺寸直径非接触光电检测系统研究J. 仪器仪表学报，2006（01）.6唐宇慧.圆轴直径的自动视觉精密检测D. 仪器仪表与检测，2004 (11 ): 73-747杨继红，张耀鹏. 同轴度误差和径向跳动误差的区别.内江科技，2007, 4 (12 ): 18-218马和，赵丽娟. 激光在跳动误差测量中的应用. 工程设计，2000, 4: 95-979孙长库. 激光测量技术M. 天津: 天津大学出版社，2001: 44-4910叶声华. 激光在精密计量中的应用M. 北京: 机械上业出版社，1979: 25-30三、研究内容1.学术构想与思路 本课题的主要对一种胶辊激光检测仪的机械结构进行设计，该检测仪采用非接触式测量方法，对印刷机械所用胶辊的几何尺寸以及形位误差进行检测。根据胶辊激光检测仪的非接触测量的要求，该胶辊激光检测仪选用非接触式激光测头。为了满足其自动检测的需求，选用2轴伺服进给驱动，即激光测头的纵向移动和胶辊的旋转。需要了解胶辊激光检测仪测量原理，确定其总体测量方案和测控系统，根据测量要求完成其机械结构的设计。2.主要研究内容以及拟解决方案（1）测量仪器的选择CCD测量的精度受限于CCD像元的大小，从而制约了CCD测量方法的测量精度。尽管采用尽量小的CCD像元，可以使它的测量误差尽量减小。但是CCD的像元越小，CCD的成本就越高；CCD光敏区一般为28mm，这直接限制了被测物体的大小，是的采用CCD尺寸测量法生产的设备的型号受限；还有一个就是衍射，CCD像元不是连续的，是一个一个像元互相紧密排列组成的，而由于衍射造成的光的传播不是直线的，结果就很容易出现很大的误差。激光扫描检测具有检测距离远、调试方便、精准度高等特点，而且不受现场、设置环境的影响，可靠性高。利用激光扫描测量直径的方法，虽然会出现如扫描速度达不到均匀而产生的原理误差，但是可以利用算法的不同降低这部分误差。激光扫描测量则同时满足了上述各项优点，所以，本次设计采用激光检测法。（2）胶辊绕轴的周向转动为了减少测量误差，需要从多个角度测量胶辊直径。为实现这一操作，需要检测器绕胶辊的轴心转动或者检测器固定胶辊转动。检测器结构复杂，不宜做复杂的运动，并且胶辊绕轴转动容易实现，因此采用胶辊转动的方式。（3） 检测仪的相对于胶辊的轴向移动从多个部位测量胶辊的直径，增加检测的准确性。实现该步骤只需要一个简单的往复动作，拟采用检测器平行移动的方式实现该步骤。（4） 驱动装置本次机械结构设计拟采用2个驱动，一个用于驱动胶辊的转动，另一个驱动检测器的往复移动。4. 实施方案以及可行性分析(1)检测装置的选择根据所需测量胶辊的直径、误差范围等技术参数，选择合适的激光测量装置。可行性：由于市场上有专门的激光测量仪，所以这个方案可以实施。(2) 实现胶辊的周向转动321图3 胶辊周向转动简图如图3所示，2为主动件，3为惰轮。胶辊的一端放置于1与2的中间。电动机带动2转动的同时，通过惰轮3的作用，同时带动1转动，1与2的转动方向相同，从而带动胶辊的运动。可行性：适当提高1与2表面的摩擦力，就能够带动胶辊的轴向转动，此方案可行。 （3）实现检测装置的往复运动 图4 检测仪往复运动简图如图4所示，采用丝杠传动，将检测装置与导轨连接，驱动装置通过丝杠带动检测装置在导轨上往复运动。综上所述，用简单的机械原理能够使胶辊实现周向转动以及相对激光测量仪的平动，因此该方案能够实施。四、论文（设计）进度安排起止时间主要内容预期目标2015年3月8日 3月31日 查阅关于胶辊激光检测技术的国内外现状与发展趋势的相关资料，了解胶辊激光检测技术的应用，熟悉胶辊激光检测仪的工作原理。学习相关三维设计软件的使用，翻译相关外文文献。参加毕业实习，了解实习单位与毕业设计题目相关的应用。 确定胶辊激光检测仪的总体设计方案，撰写开题报告，完成开题。 2015年4月1日 4月10日进一步明确胶辊激光检测仪机械部分的总体设计方案。根据胶辊激光检测仪的使用功能和设计要求，选择合适的激光检测仪、伺服电机、支撑结构等。确定胶辊激光检测仪机械部分的结构方案。确定关键零件的结构和尺寸，并对其结构参数进行计算和校核。 完成机械结构的设计，包括关键零件的结构和尺寸，完成计算和校核任务。2015年4月11日 4月30日设计胶辊激光检测仪的总体机械