某彈體尺寸自動測量設備開發(fā)——測量部件設計【三維SW】【含高清圖紙、文檔全套】【LB6】

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研究背景與意義隨著現(xiàn)代檢測技術的迅猛發(fā)展，和彈體生產制造的精度不斷提高，我國軍工企業(yè)對彈體關鍵尺寸的檢測方法已不能滿足其發(fā)展與試驗需求。因此，為滿足新時期彈體研制和檢測需求，完成彈體靜態(tài)參數(shù)的精確測量，研究彈體多尺寸檢測系統(tǒng)的任務十分迫切。由于彈體結構復雜、尺寸相對較小的特點，目前在國內生產企業(yè)中，技術人員憑借各種卡規(guī)、量具來進行手工測量，測量結果的記錄也采用人工方式。這種方式勞動強度大、過程繁瑣，檢測效率取決于檢測人員經(jīng)驗的豐富程度，測量結果不夠精確，因此不能滿足大規(guī)模批量生產與檢測的需求。與此同時，對于彈體合格與否的判定，應建立在對其各關鍵尺寸的檢測結果之上，而在國內外的生產檢測中，大多采用單一的檢測方式完成彈體某一關鍵尺寸的檢測，而沒有將多種尺寸的檢測過程集成化，雖然一些成型的檢測方案或設備已被提出，但仍存在自動化程度不高，檢測內容不全面等問題，無法滿足彈體生產廠家對檢測效率的要求。炮彈是各國武裝應用最為廣泛的武器裝備，其特點是品種多、批量大，能裝備所有兵種。為滿足部隊需要實施現(xiàn)代化技術改造積極推廣先進制造技術和高新技術為主的在線自動測量技術，成為我國炮彈檢測的一項重要任務。隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展和人類生產力水平的不斷提高，生產加工領域對測量與檢測技術的要求越來越高，因此如何快速可靠準確地完成檢測任務，如何使用現(xiàn)代化檢測工具和方式來提高檢測結果精確度如何實現(xiàn)檢測過程智化。2文獻綜述長度檢測技術（1）重慶大學光電技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室基于對移動大尺寸工件形貌特征詳細分析的基礎之上，結合二維激光三角法與多傳感器融合總則，建立水平與垂直虛擬測量基準面，通過測量工件兩端端面與虛擬測量基準面的距離實現(xiàn)工件長度的非接觸式測量，研制出了一種精度高、成本低的大尺寸移動工件長度自動檢測系統(tǒng)，為了提高測量結果的精確度，文中采用了誤差分離法對運動誤差的影響進行修正，同時通過上位機對測量過程進行監(jiān)測。在實際運用中，該系統(tǒng)可實現(xiàn)長度為（100025）mm、移動速度為5cm/s工件的在線檢測，檢測精度100m，分辨率為10m，檢測過程穩(wěn)定可靠，檢測效率高，可為工業(yè)生產中對同類型規(guī)格工件的檢測提供參考。（2）國防科技大學基于對光學三角測量原理詳細分析的基礎上，利用激光位移傳感器對被測物位移變化量的感知特性，實現(xiàn)了某型號彈藥外長尺寸的測量系統(tǒng)結構。系統(tǒng)以工業(yè)控制計算機為核心，通過運動控制器向伺服驅動器發(fā)送控制命令，驅動伺服電動機帶動激光位移傳感器沿被測彈藥軸線方向移動，完成彈藥不同外長尺寸的測量。外長尺寸是以彈頭為起點，以各臺階轉折點或彈尾為終點，由于激光位移傳感器的特性，當掃描至彈頭、各臺階和彈尾附近區(qū)域時，其讀數(shù)值會有明顯變化。因此通過該方法來判斷每一處外長尺寸測量的終點。外長尺寸的測量采用相對測量法，在對系統(tǒng)標定過程中，可確定傳感器測量起點的位置與傳感器初始位置的距離，然后程序根據(jù)設定的尺寸找到各待測臺階的附近區(qū)域，伺服電機驅動激光位移傳感器按照給定步距依次在該區(qū)域內采集測量數(shù)據(jù)，并對每次采集的數(shù)據(jù)作比較確定個臺階的轉折點，通過計算各臺階轉折點位置與傳感器初始位置的距離，即可得到外長值。經(jīng)現(xiàn)場調試驗證，本系統(tǒng)對于外長的測量精度可達100m。內徑檢測技術（1）浙江大學于保華等人研制了一套內孔珩磨尺寸在線氣動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于對背壓式氣動測量原理詳細分析的基礎之上，利用硅壓力傳感器實現(xiàn)背壓氣室與測量氣室之間的壓力差測量，并將壓力信號變換為電信號經(jīng)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將測量數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理顯示模塊，同時將處理后的數(shù)據(jù)反饋至內孔珩磨機的控制部分，為內孔珩磨的加工提供參考。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和縮短測量氣路中的氣容，將安置在內孔珩磨機上的氣動測量模塊轉移到內孔珩磨連桿上，并將安置在壓力測量環(huán)路中的氣電滑環(huán)轉移至供氣環(huán)路上，同時系統(tǒng)所采用的擴撒硅壓阻式半導體傳感器，相比傳統(tǒng)的波紋管、膜盒等壓力檢測元件，可進一步改善系統(tǒng)的動態(tài)測量性能。由于測量系統(tǒng)的可移動部件只有硅半導體傳感器的感應部位，因此在檢測過程中無任何摩擦損耗，對測量結果的影響可忽略不計。經(jīng)研究表明，該系統(tǒng)可使內孔珩磨尺寸的檢測精度10m級提高至微米級。（2）天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室克服氣動測量中氣壓穩(wěn)定性對測量結果的影響，提出一種基于光學式軸孔內徑多方向在線測量方法。該方法借鑒氣動測頭中測量噴嘴的布局，將激光位移傳感器均勻分布在測桿某一截面上，根據(jù)不同的軸孔結構特點，設計合適的測桿長度和截面層數(shù)，實現(xiàn)不同方向不同位置多處軸孔內徑值的檢測。此外，通過建立內經(jīng)測量數(shù)學模型，利用遺傳算法進行誤差分析，找出影響檢測精度的關鍵因素，為測桿的設計和側頭的裝配提供參考。在測量過程中，利用標準環(huán)規(guī)對測桿進行標定，將軸孔內徑的實際測量值與標定值相比較，得出該方法內徑測量誤差小于5m，從而證明了該方法的可行性。（3）長春理工大學張連存等人基于對單光三角測量原理詳細分析的基礎之上，結合傳感器技術、伺服驅動技術、半導體激光準直技術以及計算機技術，研制出了一種內徑尺寸非接觸式測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由光探頭掃描系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、精密機械系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)組成。在計算機的綜合控制下，伺服系統(tǒng)驅動光探頭掃描系統(tǒng)實現(xiàn)直線往復與回轉運動完成工件不同截面、不同方向上的內徑測量。其中光探頭掃描系統(tǒng)由半導體激光器和位置敏感器件PSD組成。在測量過程中，激光探頭按一定角度間隔掃描工件內壁一周，得到某一截面處多個測量數(shù)據(jù)，并通過計算機處理將結果顯示在外部設備上。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)的分辨率為0.01mm，實驗標準差為0.013mm，證明了該檢測方式的可行性。外徑檢測技術（1）長春理工大學張永楓等人采用基于模一數(shù)變換原理的數(shù)字式激光掃描法實現(xiàn)了對鋼管外徑實時在線非接觸式測量。電機驅動玻璃四面體旋轉，系統(tǒng)通過分光鏡將入射光分成兩束，隨著玻璃四面體的旋轉，一束完成鋼管直徑的掃描，其光路上光電接收器的輸出信號經(jīng)放大整形變?yōu)榉讲}沖；另一束完成對光柵的掃描，其光路上光電接收器的輸出信號經(jīng)放大整形變?yōu)橛嬃棵}沖。最后根據(jù)方波脈沖的脈寬時間，計算計量脈沖個數(shù)，結合被掃描光柵節(jié)距的大小，即可得到被測工件直徑值。由此可知，系統(tǒng)可對鋼管直徑和光柵同時進行掃描，該方法不僅通過光柵節(jié)距度量鋼管直徑，同時還避免了電機轉速不穩(wěn)定帶來的誤差。此外，在加工生產現(xiàn)場，該系統(tǒng)還實現(xiàn)了對鋼管直徑值的實時監(jiān)測，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過計算機與預先設定好的鋼管直徑值相比較，將得到的偏差值送至伺服控制器，伺服控制器控制鋼管生產機直至正在加工的鋼管直徑與設定值相符為止。經(jīng)現(xiàn)場實驗驗證，該方案可完成運行速度為150m/min的鋼管外徑檢測，且測量精度為20m，可用于鋼管的現(xiàn)場加工中。（2）同濟大學為了滿足國內制造企業(yè)對零件在線監(jiān)測的要求，提出了一種基于多臺CMOS激光傳感器并進行檢測方法。該方法不僅提高了零件在線檢測的自動化水平，同時也克服了零件生產效率和加工精度與檢測能力不匹配的問題。通過對零件外形特點的詳細分析，采用激光傳感器作為基礎測量工具，將測量系統(tǒng)分為檢測單元、控制單元、數(shù)據(jù)采集單元以及數(shù)據(jù)處理與顯示單元。其工作過程為：工控機通過運動卡向伺服驅動器發(fā)送控制命令驅動交流伺服電機帶動絲杠作垂直方向運動，使得被測零件處在系統(tǒng)測量范圍內；激光發(fā)射器向零件發(fā)射激光，未被零件遮擋的光線射入裝有CMOS傳感器的接收器上，傳感器收集激光點的位置、像素等信息，并將采集到的信息送入數(shù)據(jù)處理與顯示單元；經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)通過RS-232串行接口傳入工控機中；工控機根據(jù)預先編制好的程序對零件進行合格與否判斷，對于不合格零件通過IO卡控制指示報警器提示操作人員。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)的測量精度為5m，并以聲光電的形式完成判斷結果的顯示。（3）北京郵電大學秦松設計出的一種基于CCD平行光投射發(fā)的外徑測量系統(tǒng)。其原理基于雙平行光路投影方法，將兩條平行的光路通過工件的左、右兩個邊緣，工件的外徑值通過計算兩個CCD的陰影字段，加上平行光路在感光單元中的長度而得到的。使用該方法不僅擴大了系統(tǒng)的測量范圍，同時還確保了測量精度。綜上所述：以上所閱讀文獻都是對單尺寸的測量，檢測內容沒有用在自動化測量線上，通過借鑒以上各尺寸的測量原理及方法，結合計算機控制技術，選取多個高精度檢測傳感器，以流水線的形式實現(xiàn)大批量彈體多項尺寸參數(shù)同時在線檢測，做到檢測過程自動化，測量結果可視化。參考文獻：1施文康，余曉芬.檢測技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2010.2周森，郭永彩，高潮.用于大尺寸工件的動態(tài)長度測量系統(tǒng)J.光學精密工程.2012,20(11):2472-2478.3謝旭輝，羅志超.彈藥彈體尺寸自動測量系統(tǒng).國防科技大學學報.2005,27(6):126-129.4孫克梅.在線實時工件測長系統(tǒng)J.沈陽航空工業(yè)學院學報.2004,21(4):89-90.5保華，胡小平，葉紅仙.內孔珩磨尺寸在線氣動測量系統(tǒng)J.農業(yè)機械學報.2008,39(10):202-206.6陳浩.光學式內徑精密測量原理與技術研究D.天津大學，2010.7張連存，張亞婷，張國玉.一種內徑尺寸光電非接觸測量方法J.電子科技大學學報.2006,35(5):829-832.8張永楓，郭丹偉.基于激光掃描鋼管直徑在線檢測研究J.現(xiàn)代電子技術.2011,34(23):208-210.9王曉麗，段春霞，周丹.高精度非接觸式自動外徑測量方法研究J.儀表技術與傳感器.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謝蘭英.航彈擺差與幾何量檢測系統(tǒng)研究D.長春理工大學，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.氣動塞規(guī)法檢測精密小孔孔徑技術的研究D.哈爾濱工業(yè)大學，2008.14于明飛.彈藥幾何特征量檢測系統(tǒng)研究D.長春理工大學，2008.15孫傳友，翁惠輝.現(xiàn)代檢測技術及儀表M.北京:高等教育出版社，2006.16廖先碧.LVDT測量系統(tǒng)誤差因素分析與補償J.科技視界.2012(26):264-265.17薛明，李濟順，孫金花.薄壁軸承內外徑氣動測量裝置測頭的設計J.軸承.2007(6):33-34. 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：一、研究的問題(1)測量系統(tǒng)整體結構設計，考慮測量工藝的布置(2)設計系統(tǒng)整體方案，在充分考慮系統(tǒng)檢測效率與研制成本的基礎之上，分別設計自動上料裝置、傳送裝置以及下料分揀裝置(3)根據(jù)彈體各被測尺寸的結構特點和檢測度要求，選取合適的測量儀器，實現(xiàn)工件總長、底厚、兩檔外徑、內徑測量(4)根據(jù)彈體各被測尺寸的結構特點和檢測精度要求，選取合適的測量儀器(5)差動式位移傳感器工作原理，激光掃描法工作原理，氣動測量工作原理設計測量方案1、測量系統(tǒng)開發(fā)中，應遵從“先進、實用、可靠、經(jīng)濟”的原則,根據(jù)被測幾何參數(shù)的測試特點和要求，在對其進行綜合考慮、分析的基礎之上，選擇合適的測量儀器，設計合理的檢測方式，實現(xiàn)彈體幾何參數(shù)的高精度檢測。某型號彈體二維模型如下圖所示：待測尺寸有：總長L1、厚底L2、導帶槽直徑R3、筒底內徑r2共4尺寸需進行測量。各尺寸檢測精度為：(1)總長、底厚檢測精度小于10m；(2)內徑檢測精度小于10m；(3)外徑檢測精度小于10m。2、總長、底厚的檢測總長和底厚的檢測屬于幾何長度檢測范疇，根據(jù)工件與測量儀器相對位置之間的關系，將測量方法分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量中常用的有卡規(guī)、卡尺以及各種特制量具，這種方法操作簡單，性能穩(wěn)定，但在測量過程中，需人力輔助，無法實現(xiàn)自動化測量，而測量結果的準確性與操作人員經(jīng)驗的豐富程度有直接關系。非接觸式測量中常用的有電動測長儀、電動測微儀以及各類電子式測量儀器，該方法測量精度高，測量結果不受人為因素影響，但在對被測幾何量進行轉換時，由于受到噪聲、電磁場、被測工件表面材料屬性等環(huán)境因數(shù)的干擾，所以對測量精度也會產生一定的影響。針對彈體長度、底厚尺寸的幾何特點和檢測系統(tǒng)的技術要求，本文設計了一種基于LVDT 差動式位移傳感器的檢測方式，由 PLC 和上位機實現(xiàn)檢測過程的自動化。機械結構主要由測量支架、位移測量基準柱、LVDT 差動式位移傳感器、導桿氣缸、壓緊塊以及測量座等組成，如圖總長、厚檢測結構圖1、1.測量支架 2、2.位移測量基準柱 3、3感器固定片 4、4.LVDT 差動式位移傳感器5、5.導桿氣缸 6、6.導桿氣缸連接件 7.壓緊塊 7.氣動測頭 8、8.測量座總長檢測的結構如圖 2.4（a）所示，為了保證檢測結果在 LVDT 位移傳感器的線性量程內，正式測量之前，需用彈體標準件校對其位置，即先將總長為 50.66mm 的標準件放入測量基座內，調整傳感器位置，使其測頭位于測量基準柱正上方，然后推動導桿氣缸下行，使傳感器測頭與測量基準柱相接觸但沒有壓縮量，此時壓緊塊的位置應與標準件筒口邊緣相接觸并將其壓緊，最后，固定傳感器位置，標定完成。底厚檢測的結構如圖 2.4（b）所示，其標定過程是將底厚為 1.98mm 的標準件置于測量基座內，導桿氣缸驅動位移傳感器和氣動測頭同時下行，氣動測頭伸入標準件內部，其端部與標準件底部相接觸并將其壓緊，此時傳感器測頭與測量基準柱相接觸，但沒有壓縮量。最后，固定傳感器位置，標定完成。在底厚檢測中，氣動測頭不僅具有導向和定位作用，協(xié)助位移傳感器完成檢測任務，同時還可完成彈體筒底內徑的檢測。因此為了提高檢測效率，降低檢測成本，本文將底厚與筒底內徑的檢測過程集成到一個測量工位內同時進行。3、內徑檢測在機械加工現(xiàn)場，孔徑的測量通常采用內徑百分表，測量時測頭與工件之間需要有一定的預壓力，因此屬于接觸式測量。在測量過程中，測頭與工件內側相接觸，由于測頭的預壓力作用，不僅會使工件內側產生劃痕，同時還會造成自身磨損，從而影響測量結果的準確性。另外，電子測量和光學測量易受周圍環(huán)境因素影響，因此不適用于工件的生產加工現(xiàn)場。為了克服上述測量方法的不足，本系統(tǒng)采用氣動測量，該方法屬于非接觸式測量，不僅可避免彈體的內側被劃傷，同時經(jīng)氣動測頭流出的高壓氣體還會對內壁起到清潔的作用。其次，氣動測頭與測量儀器通過氣管連接，氣管的長度可以任意延長，便于實現(xiàn)分布式測量和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，這也是其它測量方法所不具備的特點。內徑檢測結構圖4、外徑檢測本檢測系統(tǒng)需對彈體的四處外徑值進行檢測，數(shù)量較多，經(jīng)對多種檢測技術和設備的研究，決定采用激光測徑儀對彈體的四處外徑進行檢測。如下圖本檢測方式可實現(xiàn)彈體端口、前端、導帶槽以及底部等四處外徑值的測量。5、設計傳送裝置實現(xiàn)彈體在各工位之間的自動傳送，同時為了保證傳送裝置定位的準確性，應具有高靈敏度的定位檢測開關以及高可靠性驅動元器件。6、當檢測設備出現(xiàn)故障時，能夠自動報警，且故障排除后可實現(xiàn)自動復位操作。7、實現(xiàn)對檢測結果的存儲、分析和管理，并根據(jù)檢測結果對產品質量進行判斷。二、研究的途徑(1)完成彈體尺寸測量系統(tǒng)整體結構設計，考慮測量工藝的布置。(2)搭建系統(tǒng)，選擇測量元器件，實現(xiàn)工件總長、底厚、兩檔外徑、內徑測量。(3)具體步驟：在對各尺寸詳細分析、合理歸類的基礎之上，將各類尺寸的檢測過程分工位進行；對每一類尺寸分別選取高精度測量儀器，分析其工作原理與檢測流程；針對底厚檢測與筒底內徑檢測的相似性，將兩種尺寸的檢測過程集成于一個工位上同時進行；為了提高系統(tǒng)整體檢測效率，設計由步進電機、齒輪箱以及螺旋副組成的外徑檢測裝置，實現(xiàn)四處外徑值的同時在線檢測；基于對各工位機械運行形式的分析，設計系統(tǒng)整體方案，同時為了保證檢測過程有序地進行，分別設計穩(wěn)定、可靠的上料裝置，方便、快捷的傳送裝置，以及精巧、合理的下料分揀裝置。 (4)最后繪制彈體尺寸測量系統(tǒng)的實體模型、生成系統(tǒng)裝配圖和零件圖。 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告指導教師意見： 報告表明，該同學近期查閱了一些文獻資料，通過閱讀和學習，對測量彈體的元器件和測量原理有了新的認識，對彈體測量技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展也有了一定的了解，并擬定了相應的研究方案和設計思路。 開題報告書寫規(guī)范，基本達到要求。 指導教師： 2016年3月22日所在系審查意見： 同意開題 系主任： 2016年3月22日