开题报告-某弹体尺寸自动测量设备开发——测量部件设计

毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1 研究背景与意义随着现代检测技术的迅猛发展，和弹体生产制造的精度不断提高，我国军工企业对弹体关键尺寸的检测方法已不能满足其发展与试验需求。因此，为满足新时期弹体研制和检测需求，完成弹体静态参数的精确测量，研究弹体多尺寸检测系统的任务十分迫切。由于弹体结构复杂、尺寸相对较小的特点，目前在国内生产企业中，技术人员凭借各种卡规、量具来进行手工测量，测量结果的记录也采用人工方式。这种方式劳动强度大、过程繁琐，检测效率取决于检测人员经验的丰富程度，测量结果不够精确，因此不能满足大规模批量生产与检测的需求。与此同时，对于弹体合格与否的判定，应建立在对其各关键尺寸的检测结果之上，而在国内外的生产检测中，大多采用单一的检测方式完成弹体某一关键尺寸的检测，而没有将多种尺寸的检测过程集成化，虽然一些成型的检测方案或设备已被提出，但仍存在自动化程度不高，检测内容不全面等问题，无法满足弹体生产厂家对检测效率的要求。炮弹是各国武装应用最为广泛的武器装备，其特点是品种多、批量大，能装备所有兵种。为满足部队需要实施现代化技术改造积极推广先进制造技术和高新技术为主的在线自动测量技术，成为我国炮弹检测的一项重要任务。随着现代科学技术的迅猛发展和人类生产力水平的不断提高，生产加工领域对测量与检测技术的要求越来越高，因此如何快速可靠准确地完成检测任务，如何使用现代化检测工具和方式来提高检测结果精确度如何实现检测过程智化。2 文献综述长度检测技术（1）重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室基于对移动大尺寸工件形貌特征详细分析的基础之上，结合二维激光三角法与多传感器融合总则，建立水平与垂直虚拟测量基准面，通过测量工件两端端面与虚拟测量基准面的距离实现工件长度的非接触式测量，研制出了一种精度高、成本低的大尺寸移动工件长度自动检测系统，为了提高测量结果的精确度，文中采用了误差分离法对运动误差的影响进行修正，同时通过上位机对测量过程进行监测。在实际运用中，该系统可实现长度为（100025）mm、移动速度为 5cm/s 工件的在线检测，检测精度 100m，分辨率为 10m，检测过程稳定可靠，检测效率高，可为工业生产中对同类型规格工件的检测提供参考。（2）国防科技大学基于对光学三角测量原理详细分析的基础上，利用激光位移传感器对被测物位移变化量的感知特性，实现了某型号弹药外长尺寸的测量系统结构。系统以工业控制计算机为核心，通过运动控制器向伺服驱动器发送控制命令，驱动伺服电动机带动激光位移传感器沿被测弹药轴线方向移动，完成弹药不同外长尺寸的测量。外长尺寸是以弹头为起点，以各台阶转折点或弹尾为终点，由于激光位移传感器的特性，当扫描至弹头、各台阶和弹尾附近区域时，其读数值会有明显变化。因此通过该方法来判断每一处外长尺寸测量的终点。外长尺寸的测量采用相对测量法，在对系统标定过程中，可确定传感器测量起点的位置与传感器初始位置的距离，然后程序根据设定的尺寸找到各待测台阶的附近区域，伺服电机驱动激光位移传感器按照给定步距依次在该区域内采集测量数据，并对每次采集的数据作比较确定个台阶的转折点，通过计算各台阶转折点位置与传感器初始位置的距离，即可得到外长值。经现场调试验证，本系统对于外长的测量精度可达 100m。内径检测技术（1）浙江大学于保华等人研制了一套内孔珩磨尺寸在线气动测量系统，该系统基于对背压式气动测量原理详细分析的基础之上，利用硅压力传感器实现背压气室与测量气室之间的压力差测量，并将压力信号变换为电信号经无线数据传输模块将测量数据传送至数据处理显示模块，同时将处理后的数据反馈至内孔珩磨机的控制部分，为内孔珩磨的加工提供参考。为了提高系统的稳定性和缩短测量气路中的气容，将安置在内孔珩磨机上的气动测量模块转移到内孔珩磨连杆上，并将安置在压力测量环路中的气电滑环转移至供气环路上，同时系统所采用的扩撒硅压阻式半导体传感器，相比传统的波纹管、膜盒等压力检测元件，可进一步改善系统的动态测量性能。由于测量系统的可移动部件只有硅半导体传感器的感应部位，因此在检测过程中无任何摩擦损耗，对测量结果的影响可忽略不计。经研究表明，该系统可使内孔珩磨尺寸的检测精度 10m 级提高至微米级。（2）天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室克服气动测量中气压稳定性对测量结果的影响，提出一种基于光学式轴孔内径多方向在线测量方法。该方法借鉴气动测头中测量喷嘴的布局，将激光位移传感器均匀分布在测杆某一截面上，根据不同的轴孔结构特点，设计合适的测杆长度和截面层数，实现不同方向不同位置多处轴孔内径值的检测。此外，通过建立内经测量数学模型，利用遗传算法进行误差分析，找出影响检测精度的关键因素，为测杆的设计和侧头的装配提供参考。在测量过程中，利用标准环规对测杆进行标定，将轴孔内径的实际测量值与标定值相比较，得出该方法内径测量误差小于 5m，从而证明了该方法的可行性。（3）长春理工大学张连存等人基于对单光三角测量原理详细分析的基础之上，结合传感器技术、伺服驱动技术、半导体激光准直技术以及计算机技术，研制出了一种内径尺寸非接触式测量系统。该系统由光探头扫描系统、伺服控制系统、精密机械系统和计算机数据处理与控制系统组成。在计算机的综合控制下，伺服系统驱动光探头扫描系统实现直线往复与回转运动完成工件不同截面、不同方向上的内径测量。其中光探头扫描系统由半导体激光器和位置敏感器件 PSD 组成。在测量过程中，激光探头按一定角度间隔扫描工件内壁一周，得到某一截面处多个测量数据，并通过计算机处理将结果显示在外部设备上。经实验验证，该系统的分辨率为 0.01mm，实验标准差为0.013mm，证明了该检测方式的可行性。外径检测技术（1）长春理工大学张永枫等人采用基于模一数变换原理的数字式激光扫描法实现了对钢管外径实时在线非接触式测量。电机驱动玻璃四面体旋转，系统通过分光镜将入射光分成两束，随着玻璃四面体的旋转，一束完成钢管直径的扫描，其光路上光电接收器的输出信号经放大整形变为方波脉冲；另一束完成对光栅的扫描，其光路上光电接收器的输出信号经放大整形变为计量脉冲。最后根据方波脉冲的脉宽时间，计算计量脉冲个数，结合被扫描光栅节距的大小，即可得到被测工件直径值。由此可知，系统可对钢管直径和光栅同时进行扫描，该方法不仅通过光栅节距度量钢管直径，同时还避免了电机转速不稳定带来的误差。此外，在加工生产现场，该系统还实现了对钢管直径值的实时监测，将监测到的数据通过计算机与预先设定好的钢管直径值相比较，将得到的偏差值送至伺服控制器，伺服控制器控制钢管生产机直至正在加工的钢管直径与设定值相符为止。经现场实验验证，该方案可完成运行速度为 150m/min 的钢管外径检测，且测量精度为20m，可用于钢管的现场加工中。（2）同济大学为了满足国内制造企业对零件在线监测的要求，提出了一种基于多台 CMOS 激光传感器并进行检测方法。该方法不仅提高了零件在线检测的自动化水平，同时也克服了零件生产效率和加工精度与检测能力不匹配的问题。通过对零件外形特点的详细分析，采用激光传感器作为基础测量工具，将测量系统分为检测单元、控制单元、数据采集单元以及数据处理与显示单元。其工作过程为：工控机通过运动卡向伺服驱动器发送控制命令驱动交流伺服电机带动丝杠作垂直方向运动，使得被测零件处在系统测量范围内；激光发射器向零件发射激光，未被零件遮挡的光线射入装有CMOS 传感器的接收器上，传感器收集激光点的位置、像素等信息，并将采集到的信息送入数据处理与显示单元；经处理后的数据通过 RS-232 串行接口传入工控机中；工控机根据预先编制好的程序对零件进行合格与否判断，对于不合格零件通过 IO 卡控制指示报警器提示操作人员。经实验验证，该系统的测量精度为 5m，并以声光电的形式完成判断结果的显示。（3）北京邮电大学秦松设计出的一种基于 CCD 平行光投射发的外径测量系统。其原理基于双平行光路投影方法，将两条平行的光路通过工件的左、右两个边缘，工件的外径值通过计算两个 CCD 的阴影字段，加上平行光路在感光单元中的长度而得到的。使用该方法不仅扩大了系统的测量范围，同时还确保了测量精度。综上所述：以上所阅读文献都是对单尺寸的测量，检测内容没有用在自动化测量线上，通过借鉴以上各尺寸的测量原理及方法，结合计算机控制技术，选取多个高精度检测传感器，以流水线的形式实现大批量弹体多项尺寸参数同时在线检测，做到检测过程自动化，测量结果可视化。参考文献：1施文康，余晓芬.检测技术M.北京：机械工业出版社，2010.2周森，郭永彩，高潮.用于大尺寸工件的动态长度测量系统J.光学精密工程.2012,20(11):2472-2478.3谢旭辉，罗志超.弹药弹体尺寸自动测量系统.国防科技大学学报.2005,27(6):126-129.4孙克梅.在线实时工件测长系统J.沈阳航空工业学院学报.2004,21(4):89-90.5保华，胡小平，叶红仙.内孔珩磨尺寸在线气动测量系统J.农业机械学报.2008,39(10):202-206.6陈浩.光学式内径精密测量原理与技术研究D.天津大学，2010.7张连存，张亚婷，张国玉.一种内径尺寸光电非接触测量方法J.电子科技大学学报.2006,35(5):829-832.8张永枫，郭丹伟.基于激光扫描钢管直径在线检测研究J.现代电子技术.2011,34(23):208-210.9王晓丽，段春霞，周丹.高精度非接触式自动外径测量方法研究J.仪表技术与传感器.2011(8):79-81.10Qing Song，Di Wu，Jing Liu.Instrumentation design and precision analysis of the external diameter measurement system based on CCD parallel light projection methodC.2008 International Conference on Optical Instruments and Technology: Optical Systems and Optoelectronic Instruments.2009,7156(28).11谢兰英.航弹摆差与几何量检测系统研究D.长春理工大学，2006.12M.Jarvensivu,K.Saari,S.L.Jamsa Jounela.Intelligent Control System of an Industrial Lime Kiln Process.Control Engineering Practice.2001(9):589-606.13程保良.气动塞规法检测精密小孔孔径技术的研究D.哈尔滨工业大学，2008.14于明飞.弹药几何特征量检测系统研究D.长春理工大学，2008.15孙传友，翁惠辉.现代检测技术及仪表M.北京:高等教育出版社，2006.16廖先碧.LVDT 测量系统误差因素分析与补偿J.科技视界.2012(26):264-265.17薛明，李济顺，孙金花.薄壁轴承内外径气动测量装置测头的设计J.轴承.2007(6):33-34. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、研究的问题(1)测量系统整体结构设计，考虑测量工艺的布置(2)设计系统整体方案，在充分考虑系统检测效率与研制成本的基础之上，分别设计自动上料装置、传送装置以及下料分拣装置(3)根据弹体各被测尺寸的结构特点和检测度要求，选取合适的测量仪器，实现工件总长、底厚、两档外径、内径测量(4)根据弹体各被测尺寸的结构特点和检测精度要求，选取合适的测量仪器(5)差动式位移传感器工作原理，激光扫描法工作原理，气动测量工作原理设计测量方案1、测量系统开发中，应遵从“先进、实用、可靠、经济”的原则,根据被测几何参数的测试特点和要求，在对其进行综合考虑、分析的基础之上，选择合适的测量仪器，设计合理的检测方式，实现弹体几何参数的高精度检测。某型号弹体二维模型如下图所示：待测尺寸有：总长 L1、厚底 L2、导带槽直径 R3、筒底内径 r2 共 4 尺寸需进行测量。各尺寸检测精度为：(1)总长、底厚检测精度小于 10m；(2)内径检测精度小于 10m；(3)外径检测精度小于 10m。2、总长、底厚的检测总长和底厚的检测属于几何长度检测范畴，根据工件与测量仪器相对位置之间的关系，将测量方法分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量中常用的有卡规、卡尺以及各种特制量具，这种方法操作简单，性能稳定，但在测量过程中，需人力辅助，无法实现自动化测量，而测量结果的准确性与操作人员经验的丰富程度有直接关系。非接触式测量中常用的有电动测长仪、电动测微仪以及各类电子式测量仪器，该方法测量精度高，测量结果不受人为因素影响，但在对被测几何量进行转换时，由于受到噪声、电磁场、被测工件表面材料属性等环境因数的干扰，所以对测量精度也会产生一定的影响。针对弹体长度、底厚尺寸的几何特点和检测系统的技术要求，本文设计了一种基于 LVDT 差动式位移传感器的检测方式，由 PLC 和上位机实现检测过程的自动化。机械结构主要由测量支架、位移测量基准柱、LVDT 差动式位移传感器、导杆气缸、压紧块以及测量座等组成，如图总长、厚检测结构图1、1.测量支架 2、2.位移测量基准柱 3、3感器固定片 4、4.LVDT 差动式位移传感器 5、5.导杆气缸 6、6.导杆气缸连接件 7.压紧块 7.气动测头 8、8.测量座总长检测的结构如图 2.4（a）所示，为了保证检测结果在 LVDT 位移传感器的线性量程内，正式测量之前，需用弹体标准件校对其位置，即先将总长为 50.66mm 的标准件放入测量基座内，调整传感器位置，使其测头位于测量基准柱正上方，然后推动导杆气缸下行，使传感器测头与测量基准柱相接触但没有压缩量，此时压紧块的位置应与标准件筒口边缘相接触并将其压紧，最后，固定传感器位置，标定完成。底厚检测的结构如图 2.4（b）所示，其标定过程是将底厚为 1.98mm 的标准件置于测量基座内，导杆气缸驱动位移传感器和气动测头同时下行，气动测头伸入标准件内部，其端部与标准件底部相接触并将其压紧，此时传感器测头与测量基准柱相接触，但没有压缩量。最后，固定传感器位置，标定完成。在底厚检测中，气动测头不仅具有导向和定位作用，协助位移传感器完成检测任务，同时还可完成弹体筒底内径的检测。因此为了提高检测效率，降低检测成本，本文将底厚与筒底内径的检测过程集成到一个测量工位内同时进行。3、内径检测在机械加工现场，孔径的测量通常采用内径百分表，测量时测头与工件之间需要有一定的预压力，因此属于接触式测量。在测量过程中，测头与工件内侧相接触，由于测头的预压力作用，不仅会使工件内侧产生划痕，同时还会造成自身磨损，从而影响测量结果的准确性。另外，电子测量和光学测量易受周围环境因素影响，因此不适用于工件的生产加工现场。为了克服上述测量方法的不足，本系统采用气动测量，该方法属于非接触式测量，不仅可避免弹体的内侧被划伤，同时经气动测头流出的高压气体还会对内壁起到清洁的作用。其次，气动测头与测量仪器通过气管连接，气管的长度可以任意延长，便于实现分布式测量和数据的统一管理，这也是其它测量方法所不具备的特点。内径检测结构图4、外径检测本检测系统需对弹体的四处外径值进行检测，数量较多，经对多种检测技术和设备的研究，决定采用激光测径仪对弹体的四处外径进行