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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
1 研究背景與意義
隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的迅猛發(fā)展，和彈體生產(chǎn)制造的精度不斷提高，我國軍工企業(yè)對彈體關(guān)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(wù)十分迫切。由于彈體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸相對較小的特點，目前在國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)中，技術(shù)人員憑借各種卡規(guī)、量具來進(jìn)行手工測量，測量結(jié)果的記錄也采用人工方式。這種方式勞動強(qiáng)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(jié)果不夠精確，因此不能滿足大規(guī)模批量生產(chǎn)與檢測的需求。與此同時，對于彈體合格與否的判定，應(yīng)建立在對其各關(guān)鍵尺寸的檢測結(jié)果之上，而在國內(nèi)外的生產(chǎn)檢測中，大多采用單一的檢測方式完成彈體某一關(guān)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(shè)備已被提出，但仍存在自動化程度不高，檢測內(nèi)容不全面等問題，無法滿足彈體生產(chǎn)廠家對檢測效率的要求。
炮彈是各國武裝應(yīng)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(shù)改造積極推廣先進(jìn)制造技術(shù)和高新技術(shù)為主的在線自動測量技術(shù)，成為我國炮彈檢測的一項重要任務(wù)。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和人類生產(chǎn)力水平的不斷提高，生產(chǎn)加工領(lǐng)域?qū)y量與檢測技術(shù)的要求越來越高，因此如何快速可靠準(zhǔn)確地完成檢測任務(wù)，如何使用現(xiàn)代化檢測工具和方式來提高檢測結(jié)果精確度如何實現(xiàn)檢測過程智化。
2文獻(xiàn)綜述
長度檢測技術(shù)
（1）重慶大學(xué)光電技術(shù)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(xì)分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)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(zhǔn)面，通過測量工件兩端端面與虛擬測量基準(zhǔn)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(jié)果的精確度，文中采用了誤差分離法對運(yùn)動誤差的影響進(jìn)行修正，同時通過上位機(jī)對測量過程進(jìn)行監(jiān)測。在實際運(yùn)用中，該系統(tǒng)可實現(xiàn)長度為（1000±25）mm、移動速度為5cm/s工件的在線檢測，檢測精度100μm，分辨率為10μm，檢測過程穩(wěn)定可靠，檢測效率高，可為工業(yè)生產(chǎn)中對同類型規(guī)格工件的檢測提供參考。
（2）國防科技大學(xué)基于對光學(xué)三角測量原理詳細(xì)分析的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)。系統(tǒng)以工業(yè)控制計算機(jī)為核心，通過運(yùn)動控制器向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制命令，驅(qū)動伺服電動機(jī)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(zhuǎn)折點或彈尾為終點，由于激光位移傳感器的特性，當(dāng)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(biāo)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(shè)定的尺寸找到各待測臺階的附近區(qū)域，伺服電機(jī)驅(qū)動激光位移傳感器按照給定步距依次在該區(qū)域內(nèi)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(zhuǎn)折點，通過計算各臺階轉(zhuǎn)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(diào)試驗證，本系統(tǒng)對于外長的測量精度可達(dá)100μm。
內(nèi)徑檢測技術(shù)
（1）浙江大學(xué)于保華等人研制了一套內(nèi)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(xì)分析的基礎(chǔ)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(nèi)孔珩磨機(jī)的控制部分，為內(nèi)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(nèi)孔珩磨機(jī)上的氣動測量模塊轉(zhuǎn)移到內(nèi)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(zhuǎn)移至供氣環(huán)路上，同時系統(tǒng)所采用的擴(kuò)撒硅壓阻式半導(dǎo)體傳感器，相比傳統(tǒng)的波紋管、膜盒等壓力檢測元件，可進(jìn)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(dǎo)體傳感器的感應(yīng)部位，因此在檢測過程中無任何摩擦損耗，對測量結(jié)果的影響可忽略不計。經(jīng)研究表明，該系統(tǒng)可使內(nèi)孔珩磨尺寸的檢測精度10μm級提高至微米級。
（2）天津大學(xué)精密測試技術(shù)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(jié)果的影響，提出一種基于光學(xué)式軸孔內(nèi)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(jié)構(gòu)特點，設(shè)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(nèi)徑值的檢測。此外，通過建立內(nèi)經(jīng)測量數(shù)學(xué)模型，利用遺傳算法進(jìn)行誤差分析，找出影響檢測精度的關(guān)鍵因素，為測桿的設(shè)計和側(cè)頭的裝配提供參考。在測量過程中，利用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)對測桿進(jìn)行標(biāo)定，將軸孔內(nèi)徑的實際測量值與標(biāo)定值相比較，得出該方法內(nèi)徑測量誤差小于5μm，從而證明了該方法的可行性。
（3）長春理工大學(xué)張連存等人基于對單光三角測量原理詳細(xì)分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合傳感器技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)，研制出了一種內(nèi)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(jī)械系統(tǒng)和計算機(jī)數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)組成。在計算機(jī)的綜合控制下，伺服系統(tǒng)驅(qū)動光探頭掃描系統(tǒng)實現(xiàn)直線往復(fù)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動完成工件不同截面、不同方向上的內(nèi)徑測量。其中光探頭掃描系統(tǒng)由半導(dǎo)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(nèi)壁一周，得到某一截面處多個測量數(shù)據(jù)，并通過計算機(jī)處理將結(jié)果顯示在外部設(shè)備上。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)的分辨率為0.01mm，實驗標(biāo)準(zhǔn)差為0.013mm，證明了該檢測方式的可行性。
外徑檢測技術(shù)
（1）長春理工大學(xué)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(jī)驅(qū)動玻璃四面體旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，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(jié)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(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定帶來的誤差。此外，在加工生產(chǎn)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(jī)與預(yù)先設(shè)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(chǎn)機(jī)直至正在加工的鋼管直徑與設(shè)定值相符為止。經(jīng)現(xiàn)場實驗驗證，該方案可完成運(yùn)行速度為150m/min的鋼管外徑檢測，且測量精度為±20μm，可用于鋼管的現(xiàn)場加工中。
（2）同濟(jì)大學(xué)為了滿足國內(nèi)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(jìn)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(chǎn)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(xì)分析，采用激光傳感器作為基礎(chǔ)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(jī)通過運(yùn)動卡向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制命令驅(qū)動交流伺服電機(jī)帶動絲杠作垂直方向運(yùn)動，使得被測零件處在系統(tǒng)測量范圍內(nèi)；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(jī)中；工控機(jī)根據(jù)預(yù)先編制好的程序?qū)α慵M(jìn)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5μm，并以聲光電的形式完成判斷結(jié)果的顯示。
（3）北京郵電大學(xué)秦松設(shè)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(kuò)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(xiàn)都是對單尺寸的測量，檢測內(nèi)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(jié)合計算機(jī)控制技術(shù)，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(jié)果可視化。
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畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
２．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(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮測量工藝的布置
(2)設(shè)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(chǔ)之上，分別設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)徑測量
(4)根據(jù)彈體各被測尺寸的結(jié)構(gòu)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(shè)計測量方案
1、測量系統(tǒng)開發(fā)中，應(yīng)遵從“先進(jìn)、實用、可靠、經(jīng)濟(jì)”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(jìn)行綜合考慮、分析的基礎(chǔ)之上，選擇合適的測量儀器，設(shè)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(dǎo)帶槽直徑R3、筒底內(nèi)徑r2共4尺寸需進(jìn)行測量。各尺寸檢測精度為：
(1)總長、底厚檢測精度小于10μm；
(2)內(nèi)徑檢測精度小于10μm；
(3)外徑檢測精度小于10μm。
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(guān)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(jié)果的準(zhǔn)確性與操作人員經(jīng)驗的豐富程度有直接關(guān)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(jié)果不受人為因素影響，但在對被測幾何量進(jìn)行轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)要求，本文設(shè)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(jī)實現(xiàn)檢測過程的自動化。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由測量支架、位移測量基準(zhǔn)柱、LVDT 差動式位移傳感器、導(dǎo)桿氣缸、壓緊塊以及測量座等組成，如圖
總長、厚檢測結(jié)構(gòu)圖
1、1'.測量支架 2、2'.位移測量基準(zhǔn)柱 3、3’感器固定片 4、4'.LVDT 差動式位移傳感器5、5'.導(dǎo)桿氣缸 6、6'.導(dǎo)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(jié)構(gòu)如圖 2.4（a）所示，為了保證檢測結(jié)果在 LVDT 位移傳感器的線性量程內(nèi)，正式測量之前，需用彈體標(biāo)準(zhǔn)件校對其位置，即先將總長為 50.66mm 的標(biāo)準(zhǔn)件放入測量基座內(nèi)，調(diào)整傳感器位置，使其測頭位于測量基準(zhǔn)柱正上方，然后推動導(dǎo)桿氣缸下行，使傳感器測頭與測量基準(zhǔn)柱相接觸但沒有壓縮量，此時壓緊塊的位置應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)件筒口邊緣相接觸并將其壓緊，最后，固定傳感器位置，標(biāo)定完成。底厚檢測的結(jié)構(gòu)如圖 2.4（b）所示，其標(biāo)定過程是將底厚為 1.98mm 的標(biāo)準(zhǔn)件置于測量基座內(nèi)，導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動位移傳感器和氣動測頭同時下行，氣動測頭伸入標(biāo)準(zhǔn)件內(nèi)部，其端部與標(biāo)準(zhǔn)件底部相接觸并將其壓緊，此時傳感器測頭與測量基準(zhǔn)柱相接觸，但沒有壓縮量。最后，固定傳感器位置，標(biāo)定完成。在底厚檢測中，氣動測頭不僅具有導(dǎo)向和定位作用，協(xié)助位移傳感器完成檢測任務(wù)，同時還可完成彈體筒底內(nèi)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(nèi)徑的檢測過程集成到一個測量工位內(nèi)同時進(jìn)行。
3、內(nèi)徑檢測
在機(jī)械加工現(xiàn)場，孔徑的測量通常采用內(nèi)徑百分表，測量時測頭與工件之間需要有一定的預(yù)壓力，因此屬于接觸式測量。在測量過程中，測頭與工件內(nèi)側(cè)相接觸，由于測頭的預(yù)壓力作用，不僅會使工件內(nèi)側(cè)產(chǎn)生劃痕，同時還會造成自身磨損，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，電子測量和光學(xué)測量易受周圍環(huán)境因素影響，因此不適用于工件的生產(chǎn)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(nèi)側(cè)被劃傷，同時經(jīng)氣動測頭流出的高壓氣體還會對內(nèi)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(nèi)徑檢測結(jié)構(gòu)圖
4、外徑檢測
本檢測系統(tǒng)需對彈體的四處外徑值進(jìn)行檢測，數(shù)量較多，經(jīng)對多種檢測技術(shù)和設(shè)備的研究，決定采用激光測徑儀對彈體的四處外徑進(jìn)行檢測。如下圖
本檢測方式可實現(xiàn)彈體端口、前端、導(dǎo)帶槽以及底部等四處外徑值的測量。
5、設(shè)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(zhǔn)確性，應(yīng)具有高靈敏度的定位檢測開關(guān)以及高可靠性驅(qū)動元器件。
6、當(dāng)檢測設(shè)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(fù)位操作。
7、實現(xiàn)對檢測結(jié)果的存儲、分析和管理，并根據(jù)檢測結(jié)果對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行判斷。
二、研究的途徑
(1)完成彈體尺寸測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)徑測量。
(3)具體步驟：在對各尺寸詳細(xì)分析、合理歸類的基礎(chǔ)之上，將各類尺寸的檢測過程分工位進(jìn)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(nèi)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(jìn)行；為了提高系統(tǒng)整體檢測效率，設(shè)計由步進(jìn)電機(jī)、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(jī)械運(yùn)行形式的分析，設(shè)計系統(tǒng)整體方案，同時為了保證檢測過程有序地進(jìn)行，分別設(shè)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(shè) 計 開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
報告表明，該同學(xué)近期查閱了一些文獻(xiàn)資料，通過閱讀和學(xué)習(xí)，對測量彈體的元器件和測量原理有了新的認(rèn)識，對彈體測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展也有了一定的了解，并擬定了相應(yīng)的研究方案和設(shè)計思路。
開題報告書寫規(guī)范，基本達(dá)到要求。
指導(dǎo)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