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譯文：
激光測徑儀的發(fā)展
Daisuke Knono
測徑儀大至分激光掃描測徑儀，CCD投影測徑儀，激光衍射測徑儀，其中前兩者都屬光學(xué)的幾何原理，后者為利用光學(xué)的波動原理。
CCD投影測量徑儀，由于電機速度畢竟有限，而且掃描的平行光帶不太容易保證，再加上現(xiàn)在平行光管與CCD的技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在很多企業(yè)開始采用CCD成像法測量直徑，在國內(nèi)以上海歐勒在這方面做得較早，其光源采用波長較長的紅外光，抗干擾較強，由于少了許多機械件，所以設(shè)備較穩(wěn)定可靠，但CCD成像受相素的制約，在精度上不太容易拓展，特別是大直徑的物體測量，但又不能太細，太細會有掃描測徑儀相同的問題。
激光衍射測徑儀，利用衍射原理測量細線的直徑，此技術(shù)與前兩項剛好相反，只適用于測小直徑的細絲，而且越細越好，因為此技術(shù)是利用衍射原理，理論只有當波長與被測物相近或大于被測長物時衍射最明顯。據(jù)網(wǎng)上查詢，目前輝煌在這方面處于領(lǐng)先地位，其產(chǎn)品在測量5um到300um的細絲是沒問題的，根據(jù)其廣告宣傳最大可以測量到500um。其精度由于限于標準樣件和測試環(huán)境的影響，現(xiàn)在只有0.2um左右，但其重復(fù)精度相當高，這是細絲測徑儀的一個發(fā)展方向。
在大直徑測量方面， 據(jù)廣告資料顯示，現(xiàn)在市場上明銳做的測徑儀最大已經(jīng)可以測量400mm，而真尚有測徑儀通過多傳感器協(xié)同工作也可測直徑高達500mm，上海共久電氣有限公司測徑儀通過雙光路邊緣測量原理，已經(jīng)實現(xiàn)1600mm最大外徑測量，并以在大型管道行業(yè)投入應(yīng)用。大直徑測量主要有兩個方向，一個是通過雙鏡頭實現(xiàn)，但這樣會犧牲一些小直徑的測量范圍，另一種是通過單鏡片實現(xiàn)，但這樣對鏡頭的加工難度和質(zhì)量保證及成本控制上提出較大要求。
測量原理
目前，國內(nèi)比較常用的兩種非接觸測量方法，一種是基于CCD器件接收光信號的測量方法，另一種是激光掃描測量方法。兩種方法各有各的優(yōu)勢以及劣勢，下面讓我們來看看他們的基本工作原理。
第一種測量原理：CCD尺寸測量
CCD尺寸測量系統(tǒng)基本都由CCD像傳感器、光學(xué)系統(tǒng)、微機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成，我們先來看一下采用CCD測量的基本原理：
線陣CCD平行光法進行非接觸測量的基本原理：將線陣CCD置于平行光路，被測物放于CCD前方光路中，射向CCD的光就被物體擋住一部分，因此CCD輸出的信號就有一個凹口。顯然，凹口的寬度與物體的尺寸有一一對應(yīng)的關(guān)系，我們利用數(shù)字電路設(shè)計和計算機處理就很容易的得到凹口對應(yīng)的CCD像元數(shù)，從而計算出被測物體的尺寸。但是我們也很容易的發(fā)現(xiàn)一個問題：這種測量方法要求CCD光敏區(qū)的長度大于被測物體的尺寸，而大尺寸的CCD特別昂貴，所以必須通過其他方法來實現(xiàn)光的接收。
CCD尺寸測量基本原理
顯然CCD接收法它具有一些獨特的一般機械式、光學(xué)式、電磁式測量儀無法比擬的優(yōu)點，這與CCD本身的自掃描高分辨率高靈敏度結(jié)構(gòu)緊湊位置準確的特性密切相關(guān)，其中關(guān)鍵的技術(shù)就是光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和CCD輸出視頻信號的采集與處理，但是也存在著很多常見的問題，諸如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點。下面讓我們來看一下，CCD測量的方法有哪些缺點：
(1)采用CCD接收然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的方法，測量的精度受限于CCD像元的大小!我們知道CCD像元不管哪個部位接收到光，都會將接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，從而制約了CCD測量方法的測量精度。當然我們也可以采用盡量小的CCD像元，使它的測量誤差盡量減小。但我們也知道，CCD的像元越小，CCD的成本就越高，這是一個沒辦法回避的矛。
(2)同時，由于我們知道，CCD光敏區(qū)一般為28mm，這就直接限制了被測物體的大小，系統(tǒng)的型號受限。
(3)衍射，我們知道衍射在精密測量中是無法回避的問題。而在這里我們的CCD像元不是連續(xù)的，是一個一個像元互相緊密排列組成的，而由于衍射造成的光的傳播不是直線的，結(jié)果就很容易出現(xiàn)很大的誤差。
第二種測量原理：激光掃描測量
激光掃描測徑儀系統(tǒng)采用激光器發(fā)出的光束通過多面體掃描轉(zhuǎn)鏡和掃描光學(xué)系統(tǒng)后，形成與光軸平行的連續(xù)高速掃描光束，對被置于測量區(qū)域的的工件進行高速掃描，并由放在工件對面的光電接收器接收，投射到光電光電接收器上的光線在光束掃描工件時被遮斷，所以通過分析光電接受器輸出的信號，可獲得與工件直徑有關(guān)系的數(shù)據(jù)。為保證測量的高精度以及可靠性，光掃描計量系統(tǒng)必須滿足以下三點基本要求：
(1)激光束應(yīng)垂直照射被測物體表面；
(2)光束必須對物體表面做勻速直線掃描運動；
(3)掃描時間必須測的很準確。
而在現(xiàn)實情況下，掃描速度并不是常數(shù)，而是隨掃描轉(zhuǎn)鏡的角位移的變化而變化，這樣就會產(chǎn)生原理誤差。
綜上所述，我們可以看出，使用CCD進行測量的這種方法有它的優(yōu)點，但同時也有它自己無法克服的缺點。再看利用激光掃描測量直徑的方法，雖然會出現(xiàn)如掃描速度達不到均勻而產(chǎn)生的原理誤差，但是我們可以利用算法的不同降低這部分誤差。
3
畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書
1．畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)和要求：
1.1 了解所測零件的結(jié)構(gòu)特征；
1.2 熟悉和掌握目標零件各待測尺寸的測量原理和方法；
1.3 根據(jù)選定的測量方法和原理，設(shè)計出相應(yīng)的控制系統(tǒng)（包括氣、液路控制、電路控制等）；
1.4編制原理圖，控制邏輯圖，選定控制設(shè)備，編輯控制程序；
1.5 要求：系統(tǒng)簡單易行，工作可靠。
2．畢業(yè)設(shè)計的具體工作內(nèi)容：
2.1確定零件尺寸測量采用的基本原理和方法；
2.2完成控制系統(tǒng)的整體搭建，選定控制方法，元件；
2.3完成控制系統(tǒng)原理圖的繪制；
2.4 完成控制程序的編制；
2.5 完成程序的驗證。
畢 業(yè) 設(shè) 計 任 務(wù) 書
3．對畢業(yè)設(shè)計成果的要求：
3.1 提交畢業(yè)設(shè)計開題報告和說明書各一份；
3.2 提供氣動系統(tǒng)原理圖和布局圖；
3.3 所設(shè)計控制系統(tǒng)的控制原理圖；
3.4 提交相關(guān)內(nèi)容的外文翻譯一份。
4．畢業(yè)設(shè)計工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2016年
2月28日 ~ 3月26日
3月27日 ~ 5月28日
5月29日 ~ 6月15 日
資料收集、方案設(shè)計、開題報告撰寫；
結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計說明書撰寫；
資料整理、打印、論文提交、評閱、答辯。
學(xué)生所在系審查意見：
同意下發(fā)任務(wù)書。
系主任：
2016年3月22日
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)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
1.1 研究背景
某產(chǎn)品藥筒工件都是成批量加工生產(chǎn)，成型較復(fù)雜，且加工精度要求比較高。而現(xiàn)在藥筒尺寸合格與否的判定，都是依靠手工測量來實現(xiàn)。這種高強度、低效率的測量方式，勢必會引入人為主觀因素，造成測量誤差。因而需要開發(fā)一套自動化測量設(shè)備來代替手工檢測［1～3］。
1.2 研究意義
本研究課題為實現(xiàn)藥筒尺寸自動測量的專用設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)該型藥筒尺寸自動側(cè)量等功能，具有高效率、低誤差、高精度，可以實現(xiàn)柔性參數(shù)設(shè)定，實現(xiàn)程序系統(tǒng)易讀易改。降低了藥筒的生產(chǎn)成本，可以節(jié)省多名手工測量人員。而且該設(shè)備能夠使得該藥筒工件易于管理和質(zhì)量監(jiān)測，滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)要求，為提升我國軍用測量設(shè)備的水平做出貢獻［4］。
2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前藥筒尺寸的自動化測量，還沒有一套成型的系統(tǒng)測量方法，大多數(shù)關(guān)于藥筒測量方面的研究，只是針對單一或少量幾何尺寸進行測量，功能比較單一，集成化低，測量不夠全面［5～6］。
70年代以前，我國軍用測試設(shè)備的自動化程度是很低的，以手工操作為主，測量
設(shè)備是為了某種測量目的而專門設(shè)計制造的，難以改作它用，稱為第一代軍用測量系統(tǒng)。
70年代末80年代初，我國的軍用自動測量設(shè)備轉(zhuǎn)入以GPIB和CAMAC總線為主的
半自動和自動測試階段［7～9］。與以前的專用設(shè)備比較，采用GPIB總線和CAMAC總線武
器系統(tǒng)測量設(shè)備箱標準化、模塊化、通用化體制邁進了一大步，提高了設(shè)備的重復(fù)利用
率；避免了各型號或同型號不同批次測量設(shè)備的重復(fù)性研制，降低了設(shè)備投資，技術(shù)上
達到了相互交流和繼承，使用上達到了成果共享和設(shè)備通用，因此縮短了研制周期，節(jié)
省了人力和資金，成為第二代軍用測量系統(tǒng)。
90年代初，隨著VXI總線的逐漸普及，我國的軍用自動測試設(shè)備越來越多的采用
VXI總線，稱之為第三代測量系統(tǒng)。經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國的測量儀器的生產(chǎn)規(guī)模
和生產(chǎn)能力僅次于美國、日本、英國、德國、法國，居世界第六位。但這些測量儀器主
要是中、低檔儀器［10］。
3、長度尺寸測量
經(jīng)過廣泛查詢對比長度尺寸測量儀器資料，差動變壓器式傳感器可以被用于該藥筒長度測量。差動變壓式傳感器是將線性變化的機械量轉(zhuǎn)化成電量的變化[11]。差動變壓器式位移傳感器初級繞組接通交流電源后，兩個次級繞組由于互感作用產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢 E2-1與 E2-2。如果把兩個二次線圈的同名端相連接，會在另一對同名端產(chǎn)生一個與鐵芯位移成線性函數(shù)關(guān)系的特性曲線。當鐵芯位于兩個二次線圈中間位置時，兩個線圈的電動勢相等（即 E2-1— E2-2＝0），輸出電壓為 0V，把此時的電壓值稱為零點電壓或殘余電壓當鐵芯偏離中間位置時，兩組線圈產(chǎn)生的互感發(fā)生變化。兩個次級線圈中的感應(yīng)電動勢不再相等，便有電壓輸出，輸出電壓的大小和鐵芯的位移量有關(guān)，輸出電壓的相位取決于鐵芯移動的方向[12]。
4、外徑測量
激光測徑儀箱體內(nèi)帶有高速旋轉(zhuǎn)的HeNe激光發(fā)射器和激光接收器,由激光發(fā)射器
發(fā)出的激光束通過多面鏡反射后，透過發(fā)射透鏡變成平行光。工件只要擋住光束，通過
接收透鏡，傳到光電探測器上，就會有信號產(chǎn)生。然后通過光電傳感器將此信號傳到計
算機上進行處理,便可獲得測量工件的直徑值[13]。
5、內(nèi)經(jīng)測量
電子柱式氣動量儀的設(shè)計原理是比較測量法，其測量方法是將長度信號轉(zhuǎn)化為氣流信號，再通過氣電轉(zhuǎn)換器將氣信號轉(zhuǎn)換為電信號，由發(fā)光管組成的光柱顯示出測量值。
一套運用電子柱式氣動量儀建立的完整氣動測量系統(tǒng)，一般包括：氣壓閥、放大器、氣
動測頭、標定規(guī)、連接器及其他附件組成[14]
6、底厚測量
機器視覺技術(shù)以其處理速度快、包含信息量大和方便實現(xiàn)自動化等特點，已經(jīng)廣泛
的應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。機器視覺是運用計算機模擬人的視覺功能，代替人眼實
現(xiàn)測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺采集裝置，對目標區(qū)域進行圖像采集，
然后將其轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)軟件，再對特征信息進行分析處
理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號被計算機識別控制[15]
參考文獻：
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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）：
1研究的問題
本文藥筒幾何尺寸的測量集成了多種測量方式，包括全長測量、內(nèi)徑測量、兩檔外徑測量等。綜合以上測量類別，將藥筒測量歸結(jié)為三大類，即長度測量技術(shù)以及內(nèi)外徑測量技術(shù)。
本文主要研究內(nèi)容是某藥自動測量控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計，首先闡述課題的研究目的及意義，其次通過對藥筒尺寸特點分析，將藥筒尺寸分為對長度值、內(nèi)徑值、外徑值、的測量，按照不同的尺寸類型探討測量的方法及原理，然后進行總體規(guī)劃，明確該型檢測設(shè)備機械部分如何開發(fā)設(shè)計， PLC 控制系統(tǒng)的搭建。并重點對控制系統(tǒng)的搭建與開發(fā)進行詳細闡述。
2研究的方案
對于該型藥筒的長度尺寸檢測，為了滿足到達檢測精度要求和自動化檢測的要
求。需要尋找一款簡單適用的測量儀器。經(jīng)過廣泛查詢對比長度尺寸測量的儀器資料，
差動變壓器式位移傳感器可以被用于該型藥筒自動測量的長度值測量。差動變壓器式
位移傳感器是將線性變化的機械量轉(zhuǎn)化成電量的變化。
圖4.1差動變壓器式位移傳感器原理圖
針對該型藥筒的內(nèi)徑尺寸測量，經(jīng)過查找論證，選用成熟的電子式氣動量儀，比較容易滿足于藥筒內(nèi)徑值檢測。電子式氣動量儀是一種針對內(nèi)外徑尺寸，運用非接觸式測量方法的精密測量儀器。它能夠滿足自動化檢測要求，具有高效的測量效率。
圖4.2典型氣動測量系統(tǒng)連接圖
針對該型藥筒外徑需要對多個尺寸進行測量，最好尋求一種能夠一次測量完成多個外徑尺寸的方法。而且需要滿足測量效率和精度較高，方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制。經(jīng)過查找論證，選用成熟的激光測徑儀，可以滿足于該型藥筒外徑尺寸值測量。激光測徑儀是一種運用光電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。該設(shè)備采用激光掃描方式，對生產(chǎn)線上的圓形被測對象實行高速、高精度和非接觸式的測量。
圖4.3激光測徑儀測量原理圖
畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告
指導(dǎo)教師意見：
張曉凱同學(xué)通過閱讀相關(guān)的文獻，對于所研究的課題的意義以及設(shè)計內(nèi)容都有了大體的了解。初步方案和設(shè)計工作進行了合理的安排，預(yù)計能夠按時完成畢業(yè)設(shè)計。
同意開題。
指導(dǎo)教師：
2016年3月20 日
所在系審查意見：
系主任：
2016年3月22日
某藥筒尺寸自動測量設(shè)備開發(fā)
摘要：本篇文章主要是關(guān)于某型號藥筒尺寸的自動測量設(shè)備的開發(fā)研究，本文詳細闡述了每個待測尺寸的測量方法，結(jié)合并借鑒其他機械測量的方法，應(yīng)用LVDT氣電內(nèi)徑測量系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、差動式位移傳感器測長系統(tǒng)、激光測徑系統(tǒng)等等，實現(xiàn)對藥筒總長、底厚、內(nèi)外徑等尺寸的自動化測量。首先通過對總長的測量，其次對底厚的測量，然后對內(nèi)徑的測量，再次對外徑的測量和最后對藥筒是否合格的檢測以及此次系統(tǒng)的可靠性與可行性，可得出本藥筒尺寸自動測量設(shè)備具有可行性和高效率性的結(jié)論。
本文所完成的主要工作如下所示：
（1）了解藥筒測量技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展水平現(xiàn)狀，尤其是一些關(guān)于藥筒測量的相關(guān)檢測技巧和方法，同時針對藥筒所要測量的尺寸進行研究。
（2）描述了關(guān)于藥筒的各種尺寸的測量方法，并對相應(yīng)的測量原理和測量工具進行詳細的介紹，為系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。
（3）根據(jù)藥筒需要測量的關(guān)鍵尺寸的結(jié)構(gòu)要求，將待測尺寸分為5個步驟進行測量和檢驗，為了實現(xiàn)自動測量，設(shè)計藥筒抓手實現(xiàn)其藥筒的移動。
（4）根據(jù)藥筒所要測量的尺寸的結(jié)構(gòu)，對比選擇較合適的測量儀器，并根據(jù)測量控制要求，完成對測量系統(tǒng)的控制方案設(shè)計。
（5）針對每個測量儀器所得出的測量數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計每個所要測量測尺寸的分析方法，使之盡可能的滿足測量要求。
（6）本設(shè)計進行了藥筒尺寸自動測量設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)的需求,通過s7 - 200 PLC控制整個系統(tǒng),形成一套完整的控制方案設(shè)計和相應(yīng)的控制程序來控制外圍繼電器回路，控制氣動控制回路、步進電機的操作,料斗振動電機。本檢測系統(tǒng)的控制主要包括：升降平臺氣缸的控制、各檢測工位氣缸及氣動夾爪的控制，以及相關(guān)電機的控制。本文具體設(shè)計了氣壓控制系統(tǒng)和PLC控制程序設(shè)計。
I
關(guān)鍵詞：藥筒，總長測量，外徑測量，內(nèi)徑測量，自動控制，S7-200，氣壓控制，程序
II
Automatic sizes measuring equipment developed
of a cartridge
Abstract：This paper is a study of the development of a certain type of cartridge the size of an equipment, measurement methods described in detail for size, combined with the reference method for measurement of other machinery, gas-electric applications LVDT inner diameter of the measuring system, pneumatic system, poor fixed displacement sensor length measurement systems, laser diameter measurement systems, etc., to achieve the total length of the cartridge, thick bottom, inner and outer diameter and other dimensions of automated testing.?First, by measuring the total length, followed by measurement of the thickness of the bottom, then the measurement of the inner diameter, outer diameter was measured again and the last cartridge eligibility detect far more than the feasibility and reliability of the system, the drug can be drawn tube size automatic measuring equipment having a viable, high efficiency characteristics.
The main complete as follows:
(1) The level of understanding of domestic and international development status of the cartridge measurement technology, especially related to the detection cartridge measurement methods and techniques, and study for the test cartridge size.
(2) Describes the measurement method cartridge of various sizes, and the corresponding measurement principle and measurement tools in detail, for the design of the system provides a theoretical basis.
(3) According to the requirements of the critical dimensions of the structure to be measured of the cartridge to be tested is divided into five steps and inspection, in order to achieve automatic measurement, the cartridge design which lever for moving the cartridge.
(4) The structure of the test cartridge size, contrast selection Johnson appropriate
III
measuring instruments, according to the measurement and control requirements, the completion of the measurement system control design.
(5) For details of each measurement instrument characteristic measurement data, making it possible to meet the measurement requirements.
(6)This design were bullet size automatic measuring equipment control system design development, according to the demand of the system, through the S7 - 200 PLC control system as a whole, form a set of complete control scheme is designed and the corresponding control program to control the external relay circuit, gas control pneumatic control circuit, stepper motor operation, hopper vibration motor. The control of the detection system mainly includes: the control of the lifting platform cylinder, the control of the cylinder and the pneumatic clamping, and the control of the motor. The design of air pressure control system and PLC control program is designed in this paper.
Keywords:Cartridge, length measurement, diameter measurement, diameter measurement, automatic control, pressure control, S7-200 program
IV
目 錄
摘要……………………………………………………………………………I
Abstract………………………………………………………………………II
目錄……………………………………………………………………………III
1 緒論…………………………………………………………………………1
1.1課題的研究背景…………………………………………………………1
1.2測量技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀……………………………………………1
1.3研究的內(nèi)容及意義………………………………………………………2
1.3.1研究的內(nèi)容……………………………………………………………2
1.3.2研究的意義……………………………………………………………2
2 藥筒尺寸自動測量整體方案………………………………………………4
2.1藥筒尺寸的主要測量內(nèi)容………………………………………………4
2.2藥筒尺寸的檢測方案……………………………………………………4
2.2.1內(nèi)徑的測量方法………………………………………………………4
2.2.2長度的測量方法………………………………………………………6
2.2.3外徑的測量方法………………………………………………………7
2.3藥筒尺寸的整體方案……………………………………………………8
3可編程器簡介………………………………………………………………9
3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)…………………………………………………………9
3.2 擴展模塊…………………………………………………………………9
3.3 S7-200系列PLC元件功能………………………………………………10
3.4 程序編輯器………………………………………………………………10
4氣動控制系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………15
4.1氣動控制系統(tǒng)的組成……………………………………………………15
4.2氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計……………………………………………………15
V
4.3氣動控制系統(tǒng)具體設(shè)計內(nèi)容……………………………………………15
5.系統(tǒng)控制與設(shè)計……………………………………………………………18
5.1控制系統(tǒng)控制方式確定…………………………………………………18
5.2 控制系統(tǒng)設(shè)計流程………………………………………………………18
5.3 控制任務(wù)分析……………………………………………………………18
5.4 電氣系統(tǒng)設(shè)計……………………………………………………………23
總結(jié)……………………………………………………………………………26
致謝……………………………………………………………………………27
參考文獻………………………………………………………………………28
VI
1緒論
1.1 課題的研究背景
藥筒在武器發(fā)展的過程中占有很重要的地位，它不僅是彈體的重要組成部分，還是彈體研制成功的重要環(huán)節(jié)。藥筒的最基本的作用是:
(1)確定裝填藥的量；
(2)對彈頭、底火起連接作用，對發(fā)射藥進行密封；
(3)起密封作用，防止因發(fā)射產(chǎn)生的高溫高壓氣體從炮管后部沖出，對使用者產(chǎn)生危害。
一旦彈體在發(fā)射過程中藥筒出現(xiàn)諸卡殼現(xiàn)象，輕微的會影響到戰(zhàn)斗的進程，嚴重的還會對使用者造成誤傷。另外，武器能否順利發(fā)揮作用與藥筒系統(tǒng)的加工制造也密切相關(guān)。
所以為了檢驗藥筒是否合格，在出廠前有必要對藥筒主要尺寸進行測量。由于藥筒的基本尺寸相對較小，并且需要測量的重要尺寸又多，所以目前商家對于藥筒的檢測基本上都是借用技術(shù)工人加特制測量工具來測量，這樣檢測耗費巨大的人力、物力和財力，并且檢測效率低下，不能滿足現(xiàn)階段的檢測要求。隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，對于藥筒的檢測，有了一定的發(fā)展，這些檢測技術(shù)的出現(xiàn)使得藥筒的各項檢測結(jié)果能夠以數(shù)據(jù)的形式被檢測者所觀察到，在很大程度上減少了檢測對檢測人員的要求，緩解了測量工人的勞動強度,也為以后藥筒的自動化檢測的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。目前在藥筒檢測方面還沒有一套成型的方案被提出，有的只是對藥筒某些關(guān)鍵性技術(shù)的研究，所以，目前來說急需一套自動測量設(shè)備對藥筒進行全方位的檢測與測量，來滿足軍工市場的要求[6-8]。
因此，本課題就是利用現(xiàn)有設(shè)備檢測藥筒，全方位的檢測藥筒的各個關(guān)鍵尺寸，開發(fā)一套完整的檢測設(shè)備。
1.2 測量技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前關(guān)于藥筒幾何尺寸的自動化測量，并沒有系統(tǒng)的檢測方法，基本上都是一些關(guān)于藥筒檢測方面的研究，如果只是針對單一的幾何尺寸的檢測，功能單一，而且檢測所得結(jié)果將會是很是片面的。
本文關(guān)于藥筒幾何尺寸的測量采用了多種檢測方式，包括總長測量、底厚測量、內(nèi)徑測量和外徑測量。簡單地來說，也就是長度測量技術(shù)、內(nèi)徑測量技術(shù)和外徑測量技術(shù)。
目前，長度測量技術(shù)主要有以下幾種：（1）測長機，測長機是以線紋尺刻度或是光波波長作為已知長度，結(jié)合機械測頭對物體的長度尺寸進行接觸測量的測長工具[9]；（2）激光測距儀，激光測距儀是利用激光對遠距離測量目標的距離進行測量的技術(shù)；（3）激光位移傳感器，激光位移傳感器大體可以分為兩種，一種是利用回波分析法對遠距離進行測量的激光測距儀，一種是利用激光三角測量法激光三角測量法激光位移傳感器；（4）LVDT位移傳感器，LVDT的測量原理類似于變壓器原理，它是通過內(nèi)部的鐵芯移動，來引起內(nèi)部線圈的電壓變化，在一定范圍內(nèi)鐵芯位移引起的內(nèi)部電壓變化與鐵芯的位移關(guān)系成線性關(guān)系，測量時通過測量電壓的變化值來得到鐵芯位移量。
內(nèi)外徑的測量技術(shù)包括以下幾種：（1）三坐標測量機，利用三坐標測量機，在空間坐標上測得工件內(nèi)徑的坐標值，再跟據(jù)相應(yīng)算法計算測量工件的內(nèi)經(jīng)值（2）內(nèi)外徑千分尺，利用內(nèi)徑千分尺檢測圓筒內(nèi)徑是我國普遍使用的手動測量內(nèi)徑的方法；（3）氣動量儀，測量內(nèi)徑所使用的氣動量儀測量方法是氣柱量儀，從而對工件的內(nèi)經(jīng)進行測量；（4）激光掃描法，激光器發(fā)出的光束通過高速旋轉(zhuǎn)的多面體棱鏡和接收器共同測量[5]。
1.3 研究的內(nèi)容及意義
1.3.1 研究的內(nèi)容
綜上所述，本文主要需要進行的是：（1）根據(jù)藥筒的零件尺寸，首先分析待測藥筒的主要的尺寸，將各待側(cè)尺寸進行一個總體的分類，找出哪些尺寸可以選擇相同的測量儀器，然后對各工位的測量進行安排；（2）基于對藥筒尺寸進行分析的基礎(chǔ)上，選擇LDVT差動式位移傳感器作為總長與底厚的測量元器件；（3）通過對氣動量儀進行選型然后對藥筒的內(nèi)徑進行測量；（4）在測量完內(nèi)徑之后，在對藥筒外尺寸分析的基礎(chǔ)上，選擇激光測徑儀對外徑尺寸進行測量；（5）關(guān)鍵尺寸測量完之后，對藥筒進行合格檢驗，最終通過多次調(diào)試達到要求。
1.3.2 研究的意義
就某型號藥筒尺寸自動測量來說，假如一直采用人工測量法，在測量過程中所要涉及的各種精密儀器及精密測量都沒有辦法得到可靠的論證，更不可能對藥筒各個尺寸進行精確測量后得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，此時就需要設(shè)計一套自動測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)精確測量[12]。本文旨在研究藥筒尺寸自動測量，并且設(shè)計一整套自動測量設(shè)備，當然首先要做的是根據(jù)所要測量的尺寸進行分析，然后根據(jù)所測得尺寸對測量尺寸進行分類，再根據(jù)分類后的尺寸進行測量儀器的選擇，按照測量工位進行儀器使用及擺放的安排，根據(jù)測量儀器的特點設(shè)計符合藥筒尺寸檢測的控制方法和自動測量控制方法，最后進行安裝調(diào)試，接下來所要做的是進行一批測試，以實現(xiàn)整個運行過程表現(xiàn)出精良、穩(wěn)定等特性，這樣，不僅可以節(jié)省大量勞動力，還可以縮減對其的物力投資，在一定程度上節(jié)省出人力、物力和財力，并且如果此次所設(shè)計的測量系統(tǒng)能夠快速、準確的實現(xiàn)實際要求，則可以進一步實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
3
2藥筒尺寸自動測量整體方案
2.1藥筒尺寸的主要測量內(nèi)容
在對藥筒的主要的尺寸進行檢測前，先對藥筒有一個整體的了解，考慮需要測量哪些尺寸，并且需要哪些測量工具，藥筒的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
圖2-1
藥筒結(jié)構(gòu)圖
藥筒零件的工程圖如上圖所示，從圖上可知，這次檢測的尺寸有：總長L1、底厚L2、內(nèi)徑r、底部外徑R1、凸緣部外徑R2、筒口部外徑R3，經(jīng)過統(tǒng)計，一共需檢測6處零件尺寸。
2.2藥筒尺寸的檢測方案
由于待測工件所需測量的尺寸很多，而且測量系統(tǒng)要求效率高，需要達到2000件/8小時，測量質(zhì)量好，使用、維修均很方便，成本較低，工作可靠。對于2000件/8小時，也就是是說每件的測量時間大約是14.4秒，如果在14.4秒內(nèi)檢測完成一個工件的所有尺寸，檢測難度之大可想而知。所以將工件尺寸測量方案設(shè)定為流水線自動操作，在完成所有的尺寸測量后，再與標準數(shù)據(jù)進行對比，待綜合評定后，判定工件檢測是否合格。
因此，下面就要詳細介紹各種尺寸的測量方法以及流水線的詳細測量方案，以此來完成所需的要求。
2.2.1內(nèi)徑的測量方法
對于該型藥筒的內(nèi)徑尺寸測量，結(jié)合其他資料可知，選用電子式氣動量儀更相對容易滿足對藥筒內(nèi)徑的測量。電子式氣動量儀是一種精密的測量儀器，它是運用非接觸式測量方法從而測量內(nèi)外徑尺寸的。這種測量儀器容易滿足自動化檢測要求，同時具備相當高效的測量效率。電子式氣動量儀的精度可以達到測量范圍內(nèi)的偏差值。當測量更小公差時，它的測量分辨率可達到。電子式氣動量儀的原理主要是運用嵌入式單片機技術(shù)，具備相對高效穩(wěn)定的運算速率，對模擬信號可以進行A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接顯示出被測尺寸的絕對或相對測量值。同時方便校量機上位機和下位機 PLC 的數(shù)據(jù)采集，使的自動化檢測控制成為可能。
電子柱式氣動量儀的測量原理是將長度信號轉(zhuǎn)化為氣流信號，再把氣信號通過氣電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，最后顯示出測量值。完整的電子柱式氣動量儀主要包括：氣動測頭、氣壓閥、標定規(guī)、放大器、連接器及其他附件組成。下圖所示為AEC-300電子柱式氣動量儀:
圖2-2-1
電子柱式氣動量儀
氣動測量技術(shù)原理是通過空氣流量和壓力的比例關(guān)系從而得到工件尺寸大小的技術(shù)。氣動測量儀中接通的空氣流量和壓力存在一定的物理關(guān)系。電子式氣動量儀主要是用來測量藥筒的內(nèi)徑和外徑。兩個噴嘴氣動測頭是成對分布的，是測量孔內(nèi)徑的，而兩噴嘴是成氣動測量環(huán)規(guī)的測量圓外徑。如下圖所示為噴嘴氣動測量示意圖。
圖2-2-2
噴嘴氣動測量示意圖
對本次測量設(shè)備的設(shè)計，要選用量程和規(guī)格適當?shù)碾娮邮綒鈩恿績x和特點適合藥筒尺寸大小的噴嘴測頭，來實現(xiàn)其內(nèi)徑的測量。
2.2.2長度的測量方法
對于某型號的藥筒的長度檢測，需要選擇一款適當?shù)臋z測儀器來滿足其精度要求和自動化的要求。通過查找資料對比后得知，測量該型號藥筒最佳測量工具是差動變壓器式位移傳感器。它的轉(zhuǎn)換關(guān)系是將線性變化的機械量轉(zhuǎn)化成電量。差動變壓器式位移傳感器具有優(yōu)良的工作性能，他的最高測量精度為0.05%，最高絕對誤差和最高重復(fù)性精度都可以達到，分辨率一般為。本文采用LVDT位移傳感器來對藥筒的長度尺寸進行測量。如下圖所示為傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖：
圖2-2-3
傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
在LVDT的實物圖的上面的線圈為初級線圈，底部的兩組線圈為次級線圈，內(nèi)部橫穿一根鐵芯，一旦給初級線圈施加激勵電流時，線圈內(nèi)的鐵芯軸向移動就會使次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于兩個次級線圈電壓的極性正好正負極相反，所以產(chǎn)生的真實的感應(yīng)電動勢為兩線圈電動勢之差，當鐵芯在不同位置移動時，也會產(chǎn)生兩個不同的次級的電動勢差，在誤差所允許的范圍內(nèi)，鐵芯的位移量與感應(yīng)電動勢差值成線性關(guān)系。
差動變壓式位移傳感器在尺寸的測量上應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于小量程測量，因為其優(yōu)點很多：（1）可以進行無摩擦測量；（2）傳感器堅固耐用、無限機械壽命；（3）可以不用擔心分辨率問題；（4）可實時進行零位可重復(fù)性；（5）較強的環(huán)境適應(yīng)性 （6）可以進行輸入/輸出隔離。綜合以上所述，只要選用的位移傳感器的量程在允許范圍內(nèi)，便可用于該型藥筒長度尺寸的自動化測量。
2.2.3外徑的測量方法
基于藥筒有3個外徑尺寸需要測量，與其他資料進行對比得知，其他工具無法實現(xiàn)一次測量3個外徑，所以對藥筒的外徑尺寸進行測量所采用的測量儀器是能夠隨時測量多個外徑尺寸的激光掃描測徑儀。
激光掃描測徑儀的原理是利用激光掃描：激光源發(fā)出的光束穿過多面棱鏡和光學(xué)系統(tǒng)后，形成平行的掃描帶，對面的光電接收器接收平行掃描光束；當藥筒置于掃描帶區(qū)域的，掃描帶被藥筒的放入所打斷，被藥筒遮擋的平行線無法投射到光電接收器上，通過分析光電接受器輸出的信號，可以得出與藥筒直徑有關(guān)的數(shù)據(jù)。激光掃描測徑儀的原理如下圖所示：
圖2-2-4
激光掃描測徑儀的原理圖
通過對比激光測徑儀和其它測徑儀器得出以下特點:
(1)與被測物體進行非接觸測量時，不但可以保證被測工件的質(zhì)量和測量的實時性，而且可以避免發(fā)生接觸產(chǎn)生誤差。
(2)測量精度很高，最高精度可達1um。
(3)通過輸出接口和外顯示儀對接，可直接閱讀數(shù)據(jù)。
(4)在惡劣環(huán)境下也可以使用，使用壽命約長。
本文選用LMD系列的激光測徑儀，其實物圖如下圖所示：
圖2-2-5
LMD系列的激光測徑儀
以上就是這次主要的尺寸測量，由于其他的尺寸測量不是很重要，不會對正常使用產(chǎn)生較大的影響，所以這次不參與測量，可以留作以后的課題供其他人使用。
2.3藥筒尺寸的整體方案
設(shè)計出合理的機械結(jié)構(gòu)是對藥筒尺寸測量的保證，也是對測量的的精確性和可靠性的保證。在設(shè)計過程中，保證證機械結(jié)構(gòu)的可行性和實用性是非常重要的。大部分情況下一套成熟的機械設(shè)備，往往需要經(jīng)歷上百次的不斷改進和完善，機械結(jié)構(gòu)的最終定型也需要經(jīng)歷時間的檢驗與完善，因此，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計好與壞將將直接決定測量結(jié)果的好壞。
結(jié)合所需檢測的尺寸，設(shè)計出測量藥筒尺寸工藝流程，首先對每個工位合理安排測量內(nèi)容，并且繪制測量流程圖，然后不斷地進行可行性論證，最終制定出一套完善的檢測流程圖，流程圖如下圖所示：
上料
總長測量
底厚測量
內(nèi)徑測量
外徑測量
合格檢驗
下料
圖2-3-1
流程圖
根據(jù)藥筒尺寸檢測流程圖，在三維設(shè)計軟件 solidworks 中對藥筒的自動測量設(shè)備進行建模，經(jīng)過反復(fù)修改及論證后，建立的模型如下圖所示，在工廠一套成熟的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，都需要在后期實踐中不斷的進行摸索改進，那樣才能一直適用于成批量加工制造。
3 可編程器簡介
3.1PLC的基本結(jié)構(gòu)
PLC(西門子S7-200系列)是一種小型的可編程控制邏輯器件，分為6部分：中央處理單元(CPU)、電源、輸入電路、編程器、輸出電路、存儲器。
PLC中存儲區(qū)分為以下幾個區(qū)：
（1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)
（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)存存儲區(qū)
（3）用戶程序存儲區(qū)
系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)存存儲區(qū)包括：邏輯線圈；數(shù)據(jù)寄存器；計時器；計數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲器。具體分為：
（1）I/O映象區(qū)；
（2）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū)；
（3）用戶程序存儲區(qū)。
輸入/輸出模塊是PLC 進行控制邏輯執(zhí)行的相當重要的組成部分，這些里面輸入模塊是對接近開關(guān)、按鈕、行程開關(guān)、等開關(guān)量進行采集的，并且輸入模塊的采集是在PLC開啟后一直在進行的掃描；輸出模塊是實現(xiàn)PLC對設(shè)備控制的重要部分，輸出模塊的控制電壓是24V，所以真正的實現(xiàn)對工業(yè)電機等設(shè)備的三相電的控制需要繼電器和接觸器等設(shè)備間接來實現(xiàn)，那么控制順序是24V的弱點控制220V、380V或者更高的電壓，比如本次設(shè)計中就用到了氣缸控制閥中的電磁閥。
3.2擴展模塊
數(shù)字量輸入/輸出模塊是擴展可編程控制器的組成設(shè)備，在當PLC 的控制點數(shù)減少，不符合系統(tǒng)項目建立的點數(shù)要求時，就必須使用輸入/輸出模塊使擴展模塊實現(xiàn)點數(shù)的而增加。數(shù)字量輸入/輸出模塊是與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的控制點數(shù)或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口?，F(xiàn)場的采集的輸入信號，如行程開關(guān)、限位開關(guān)量、
模擬量輸入/輸出模塊是工廠自動化必須具備的基礎(chǔ)控制器件，模擬量輸入模塊在工廠中可以采集電壓、壓力、流量、溫度、電流等信號，這些要通過輸入模塊送到PLC，這個過程中需要編制程序，量采對模擬集的信號進行后處理，實現(xiàn)儀表式的可以供人類進行讀取的數(shù)字信息。
PLC可以對電壓信號處理,收集范圍可以設(shè)置,收集的電壓范圍0 - 5 v電壓,0到10 v電壓,也可以收集電流信號,收集范圍是4 - 20 mA,因為信號電流在每種傳感器中是不同的,所以要經(jīng)過信號變送器將傳感器的信號轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC可以采集的標準信號。輸出模塊可以驅(qū)動如電磁閥、燈光顯示。PLC的輸入輸出點可以進行擴展。本次設(shè)計應(yīng)用個的是西門子的模擬量擴展模塊EM223，該模塊可以實現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出點的擴展，完成對氣動系統(tǒng)的邏輯控制。
3.3 S7-200系列PLC元件功能
1. 數(shù)據(jù)類型
S7-200系列PLC的數(shù)據(jù)類型有：字符串型、布爾型（0或1）、整數(shù)型和實數(shù)型（浮點數(shù)）。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括16位符號整數(shù)（INT）和32位符號整數(shù)（DINT）。
2. 編程元件
（1） 輸入繼電器 I
（2） 變量存儲器V
（3） 中間輔助繼電器M
（4） 特殊標志位存儲器SM
（5） 定時器T
（6） 計數(shù)器C
（7） 累加器AC
3.4 程序編輯器
本設(shè)計中的程序設(shè)計使用的是STEP7-MicroWin編程軟件，使用的是梯形圖的編程模式，這樣有利于控制邏輯的識別，有利于編程人員發(fā)現(xiàn)控制邏輯的錯誤，該編程軟件還可以對PLC進行在線監(jiān)控調(diào)試，這樣也有利于編程人員快速的完成編程任務(wù)。同時該軟件還可以導(dǎo)出*.awl文件，這樣可以導(dǎo)入到仿真軟件中進行仿真調(diào)試，由于本次編制的控制程序基本是邏輯上的控制，所以，程雪在仿真軟件中可以很好的運行，但是對于復(fù)雜的程序，比如有子程序、中斷的程序就很難在仿真軟件中運行。
在程序設(shè)計完成之后要下載到PLC中進行調(diào)試，有的PLC 可以通過仿真軟件進行仿真調(diào)試，但是其調(diào)試結(jié)果的可信度很低，參考價值極地，所以要將編制好的程序下載到PLC中進行實際的調(diào)試，軟件則具體的操作步驟如下：
（1） 首先登錄STEP7-Micro/WIN軟件界面，如圖3.1所示 ；
圖3.1登錄軟件界面
（2） 進入STEP7-Micro/WIN軟件之后，打開項目進行新建程序，如果已經(jīng)建立好了，可以直接進入項目，然后選擇相應(yīng)的PLC型號，如圖所示3.2所示 ；
圖3.2 PLC型號選擇
（3）完成程序編制后，對PLC與PC機的通訊進行通訊前準備，首先要在通訊的接口進行設(shè)置，如果使用的是USB/485的通訊電纜則選擇COMX通訊口進行PC機與PLC的對接，其次還要設(shè)置通訊協(xié)議，具體如圖3.3所示。
圖3.3 PLC站地址及通信模式設(shè)置
（4）完成程序下載的任務(wù)之后，就可以對程序進行在線監(jiān)視調(diào)試，如圖3.4所示是程序在線監(jiān)視和調(diào)試相關(guān)按鈕，如果想看程序運行的具體情況，可以進入程序之前的而程序編程框進行軟元器件的監(jiān)視，如圖3.5所示。
圖3.4 PLC程序監(jiān)視按鈕
圖3.5 PLC程序軟元件監(jiān)視
本次只用的仿真軟件是第三方軟件，這樣在仿真模擬時候會有很多的問題，所以這樣的仿真調(diào)試只能是參考性的，最終的控制程序需要在實體PLC中進行運行調(diào)試完成。如圖2.6所示，是仿真軟件，
圖3.6 S7-200仿真軟件
設(shè)計過程中對編制好的程序進行了仿真。第一步，先進行仿真文件的配置，即導(dǎo)出*.awl文件；第二步，進入仿真軟件，進行PLC類型型號的配置，以及相關(guān)擴展的數(shù)字量模塊進行配置。如圖3.7所示，配置好的PLC及擴展模塊的界面。
4氣動控制系統(tǒng)設(shè)計
4.1?氣動控制系統(tǒng)的組成
氣動控制系統(tǒng)中有:控制元件、動力元件、傳感元件組成。氣動發(fā)生裝置一般為空氣壓縮機，它將原動機供給的機械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能；氣動執(zhí)行元件則將壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，完成規(guī)定動作；在這兩部分之間，根據(jù)機械或設(shè)備工作循環(huán)運動的需求、按一定順序?qū)⒏鞣N控制元件（壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥和邏輯元件）、傳感元件和氣動輔件連接起來。
4.2?氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計
在藥筒尺寸測量系統(tǒng)中，要求實現(xiàn)有四個工位的驅(qū)動氣缸，由于一個傳動盤上下的驅(qū)動氣缸。在具體的控制過程中，每個氣缸要進行上下的移動，即進工位和復(fù)位的控制，這樣就需要三位四通的控制閥，對方向進行控制。
1.氣動回路設(shè)計
?。?）先了解設(shè)計的控制系統(tǒng)控制對象的用途和使用環(huán)境；
?。?）初步設(shè)定工作的循環(huán)過程，簡單的而形成控制回路，并依據(jù)設(shè)計的內(nèi)容，進行元器件的類型、規(guī)格、性能的選擇，完成選型工作；
?。?）對于每一個執(zhí)行元件在進行于氣壓泵連接時的控制單元精細的選擇，搞清楚其中的互鎖、同步的問題，不能發(fā)生干繞；
（4）設(shè)計好相關(guān)電控器件，并對限位開關(guān)的位置進行合理的選擇。
2.根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，對空氣壓縮機的供氣量Qg可進行計算，按下式簡單估算
Qg=N(1.2～1.5)（QZ+QO）m3/min
式中 QZ：一臺機器的用氣量
QO：機器和配管的漏氣量
N：工作臺數(shù)
4.3氣動控制系統(tǒng)具體設(shè)計內(nèi)容
在本藥筒自動檢測系統(tǒng)設(shè)計中，氣動驅(qū)動的藥筒測量頭設(shè)計：將藥筒的底厚測量放在工位一，藥筒的總長測量設(shè)計在二工位中進行；三工位進行的是藥筒的內(nèi)徑測量；四工位進行的是藥筒的外徑測量。由于氣動控制的要求的，系統(tǒng)通過三位四通電磁閥，同時，由于控制系統(tǒng)中的導(dǎo)氣管、容器和附設(shè)裝置存在著氣容和氣阻現(xiàn)象，在實際控制中，氣體的氣壓、流量和速度將會發(fā)生振蕩，直接影響控制的精度。為此，在系統(tǒng)中引入壓力表，實時對導(dǎo)氣管中的壓力，進行壓力檢測，以滿足實際氣動控制的進行，同時在氣路中加入空氣過濾器，對氣體進行一定的過濾，保護氣控設(shè)備有長久的使用壽命。
4.4氣動控制系統(tǒng)原理圖繪制
氣動控制原理圖如圖4-1所示。(圖見下頁)
圖4-1氣動控制原理圖
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5.系統(tǒng)控制與設(shè)計
5.1控制系統(tǒng)控制方式確定
根據(jù)藥筒檢測系統(tǒng)的自動化控制要求，必須根據(jù)控制要求選擇合適的控制方式。PLC控制的優(yōu)點有：
1）可靠性高
2） 易于擴展
3） 控制能力強。
4）單片機采用了面向控制的指令，便于設(shè)計人員使用。
5）價格低廉。
綜上所述，選擇的控制系統(tǒng)，圍繞PLC進行設(shè)計。
5.2 控制系統(tǒng)設(shè)計流程
控制系統(tǒng)設(shè)計要前后進行充分準備，具體的而過程分別為方案設(shè)計、設(shè)備選型、程序設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試。
方案設(shè)計：確定氣缸、電機運動過程和順序，協(xié)調(diào)機械結(jié)構(gòu)擬定系統(tǒng)實現(xiàn)方法，根據(jù)藥筒的測試流程及要求確定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和主要電氣元件；
設(shè)備選型：根據(jù)控制邏輯，確定控制的輸入輸出點，繪制電氣原理圖，確定PLC型號，并選擇相應(yīng)輔助設(shè)備；
程序設(shè)計：編制 PLC 控制程序；
系統(tǒng)調(diào)試：在對硬件接線檢查無誤的情況下，進行軟件調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果進一步優(yōu)化硬件與軟件設(shè)計，直至滿足系統(tǒng)設(shè)計要求為止。
5.3 控制任務(wù)分析
藥筒自動檢測系統(tǒng)的順序控制，運動控制，過程控制在機電一體化的集成系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的管理下，實現(xiàn)藥筒自動檢測尺寸的要求。
基于控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，為實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的自動化和安全可靠地運行，本設(shè)計所選的S7-200控制外圍繼電器的通斷，控制步進電機轉(zhuǎn)動、氣缸的推動、直流電機。
系統(tǒng)整體運行方式為：當藥筒到位后，按照預(yù)先編制好的程序，升降氣缸推動圓盤上升至定位傳感器的有效監(jiān)測區(qū)域內(nèi)；然后機械手臂夾取彈料；PLC 驅(qū)動電機，圓盤轉(zhuǎn)動到位，則開始進行檢測，依次一工位、二工位、三工位、四工位的轉(zhuǎn)換，然后，各工位按照規(guī)定的檢測方式對被測工件的相應(yīng)尺寸進行檢測。檢測完畢后，PLC 將采集到的各項檢測數(shù)據(jù)傳送至上位機。當判斷出藥筒是否合格后，通過 PLC 控制分揀氣缸作出相應(yīng)的分揀動作，實現(xiàn)對工件總長、底厚的檢測，具體工作時序如圖5-1所示。
圖5-1工作時序
PLC主機通過與之對應(yīng)的測量系統(tǒng)對接，通過編制好的程序讀取測量采集系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，存儲在 PLC 內(nèi)部寄存器中。導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動氣動測頭做直線往復(fù)運動，實現(xiàn)工件內(nèi)徑值的檢測；PLC 主機通過 RS-485 串口實現(xiàn)與氣電電子柱測微儀的通信，根據(jù)測量儀器的數(shù)據(jù)傳輸格式計算通信地址，通過編制程序RS485通訊接口，或者以太網(wǎng)的通訊模式與測量模塊進行通訊，讀取氣電電子柱測微儀檢測到的測量數(shù)據(jù)，存儲在 PLC 內(nèi)部寄存器中。
由以上動作過程可知，該控制系統(tǒng)的輸入控制信號主要包括三部分：系統(tǒng)運行狀況、工位運行限位開關(guān)信號、零件檢測信號。并確定了PLC的控制輸入輸出控制點，則I/O分配表如表5-2所示。
表5-2 I/O分配表
1
Q2.4
直流電機運轉(zhuǎn)
KM3
2
I1.4
放松到位
SQ13
3
Q1.1
四工位復(fù)位
YA10
4
Q0.7
三工位復(fù)位
YA8
5
Q0.5
二工位復(fù)位
YA6
6
Q0.3
一工位復(fù)位
YA4
7
M0.4
開始檢測
8
Q2.3
有殘品
KM2
9
Q2.1
放松
YA12
10
Q2.2
轉(zhuǎn)動盤
KM1
11
Q2.0
夾緊
YA11
12
I2.0
啟動程序
SB1
13
M0.3
不合格品
14
M0.1
復(fù)位判斷
15
M0.0
起始
16
I1.1
四工位到位
SQ9
17
I0.7
三工位到位
SQ7
18
I0.5
二工位到位
SQ5
19
I0.3
一工位到位
SQ3
20
Q1.0
四工位驅(qū)動
YA9
21
Q0.6
三工位驅(qū)動
YA7
22
Q0.4
二工位驅(qū)動
YA5
23
Q0.2
一工位驅(qū)動
YA3
24
I1.2
四個復(fù)位到
SQ10
25
I1.0
三工位復(fù)位到
SQ8
26
I0.6
二工位復(fù)位到
SQ6
27
I0.4
一工位復(fù)位到
SQ4
28
I0.2
下移到位
SQ2
29
Q0.1
轉(zhuǎn)盤下移
YA2
30
I1.5
轉(zhuǎn)動到位
SQ12
31
I0.1
上升到位
SQ1
32
Q0.0
轉(zhuǎn)盤上升
YA1
33
I0.0
料斗來料
SQ11
系統(tǒng)的狀態(tài)信號包括啟動、停止，通過按鈕的斷開、閉合實現(xiàn)，其中系統(tǒng)的運行和停止通過上位機操作界面實現(xiàn)，因此需1個I/O 輸入點；接近開關(guān)感應(yīng)信號限位開關(guān)包括各檢測工件的來料信號檢測和傳送裝置定位檢測，共需9 個 I/O 輸入點；限位開關(guān)控制信號用來判斷升降平臺的行程，需 3個 I/O 輸入點，機械手臂的夾取需要一個限位開關(guān)的限制，以防夾取壓力太大，對零件有傷害。對于本設(shè)計的控制系統(tǒng)共需14個輸入點，但在選擇PLC 型號是一定要留有控制點余量。
系統(tǒng)的輸出信號主要包括直流電機的控制、步進電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動控制、電磁閥換向控制以及測量模塊移動切換控制。對于直流電機的控制，本系統(tǒng)要求實現(xiàn)起停即可，因此需 1 個 I/O 輸出點；步進電機驅(qū)動升降平臺，而步進電機的運轉(zhuǎn)采用專用驅(qū)動器進行細分驅(qū)動，其運轉(zhuǎn)需要一的輸出點進行控制；PLC 通過控制電磁閥換向來實現(xiàn)氣缸的伸縮控制、測量模塊移動的切換控制，因此需 10 個 I/O 輸出點；為了使系統(tǒng)的運行狀態(tài)更加直觀，人員操作方便，需設(shè)置運行狀態(tài)指示燈，分別對應(yīng)上述的系統(tǒng)啟動、關(guān)閉輸出點。因此，系統(tǒng)共需 15個輸出點。
本文藥筒尺寸測量系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的 S7-200 系列的CPU224XP型 PLC 作為主控制模塊核心器件，該機型屬于 S7-200 系列的加強型，功能齊全，具有很強的運算能力，而且外圍 I/O 資源豐富，有利于簡化系統(tǒng)設(shè)計。其端口可以進行自由通信、modbus通訊模式的選擇，等強大功能，可以便捷的進行 I/O 點數(shù)擴展，不需要程序的初始化。如圖5-3所示，為PLC CPU224XP。
圖5-3 CPU224XP
5.4 電氣系統(tǒng)設(shè)計
在硬件接線之前，必須根據(jù)選定的電氣元件設(shè)計電氣原理圖，便于明確系統(tǒng)電路整體結(jié)構(gòu)、電氣元件之間的相互關(guān)系以及控制信號的走向。該藥筒尺寸測量系統(tǒng)的強電系統(tǒng)主要應(yīng)用中間繼電器的常開觸點作為控制元件控制氣缸的啟動和電機的轉(zhuǎn)動信號，將 PLC 的輸出信號傳遞至各執(zhí)行元件，即DC24V的電壓控制高電壓。
具體有以下幾個功能：
（1）PLC對進行步進電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)；
（2）控制直流電機驅(qū)動物料盤的振動；
（3）控制氣缸電磁換向閥，并且對氣缸運行位置檢測；
（4）與測量設(shè)備進行通訊。
傳送裝置工作主要由步進電機和氣動升降設(shè)備控制，同時利用行程開關(guān)檢測傳送裝置是否到位，或者用磁性開關(guān)檢測氣缸中活塞的位置，將這些信號反饋至 PLC，繼而控制傳送裝置的運動和停止。
藥筒的抓取和測量器件的驅(qū)動都是氣缸實現(xiàn)，他們的具體運動邏輯由 PLC 控制?？刂齐娐啡鐖D 5-4 所示。 圖5-4工作時序
圖5-4
控制電路圖
29
本章主要是對藥筒尺寸自動測量設(shè)備所涉及到的主體結(jié)構(gòu)及各個關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和測試，在此過程中詳細指出了各個部分的框架構(gòu)建以及工作原理和流程。
（1）測量機構(gòu)設(shè)計，可將測量機構(gòu)劃分為5個測量工位：首先主要是運用位移傳感器對藥筒總長進行測量；其次是運用位移傳感器對藥筒底厚進行測量；接著運用電子柱式的氣量動儀對藥筒內(nèi)徑進行測量；然后采用激光測徑儀與螺旋升降平臺相結(jié)合對藥筒外徑的三個部位外徑尺寸進行測量；最后，對各個藥筒進行是否合格的檢測與分揀。
（2）抓手的設(shè)計，將藥筒的抓手機構(gòu)設(shè)計分為其上下、前后和左右的運動，以保證其可以抓住藥筒從一個位置移致另外一個位置。
（3）控制系統(tǒng)簡介，主要介紹了控制系統(tǒng)的組成及各部分電器件（例如PLC）的主要功能。
總 結(jié)
本文主要是研究藥筒各個尺寸的測量，其關(guān)鍵在于測量方法及得出的數(shù)據(jù)分析，設(shè)計一套完整的流水線操作過程。要做的工作有以下幾點：
（1）根據(jù)藥筒需要測量的關(guān)鍵尺寸的結(jié)構(gòu)要求，將待測尺寸分為5個步驟進行測量和檢驗，為了實現(xiàn)自動測量，設(shè)計藥筒抓手實現(xiàn)其藥筒的移動。
（2）根據(jù)設(shè)計要求選擇合適儀器完成設(shè)計方案。
（3）根據(jù)每個測量儀器所測得的數(shù)據(jù)的特點，對每個待測尺寸進行分析，使之盡可能的滿足測量要求。
（4）對測量系統(tǒng)進行詳細的設(shè)計開發(fā)，使之要滿足使用者的使用要求，針對內(nèi)徑檢測系統(tǒng)對氣壓要求進行檢測，若檢測結(jié)果穩(wěn)定，再進行獨立的內(nèi)徑測量支氣路的設(shè)計。
致 謝
時光飛逝，歲月如梭。轉(zhuǎn)眼間，我的大學(xué)生活即將進入尾聲，回首往昔，心中充滿無限的不舍。在畢業(yè)論文完成之際，我向所有關(guān)心、幫助過我的人表示感謝。?
在畢業(yè)設(shè)計的過程中，曾老師給了我很大的幫助，從系統(tǒng)的講解到工件的安排和選型，都給我細致的指導(dǎo)。每次遇到疑惑，找到曾老師，他都會給我提問題，這樣帶領(lǐng)著我對問題的一步步深入分析。曾老師的治學(xué)態(tài)度，也讓我受益，他對我要求深入細致地理解原理之后再使用相關(guān)元器件，這樣確實讓我對所用的部件更加明了，也節(jié)約更多時間。每次去見老師，他都會慢慢細致地給我們講解每個人的問題，幫助分析所做的任務(wù)及怎樣開展，和具體部件怎么理解和選用，這種平易近人、仔細、有耐心的態(tài)度，對我有很多幫助。?
在校期間，無論是本班老師還是其他老師都給了我許多指導(dǎo)和幫助，我衷心的向?qū)W校的所有老師表示感謝。同時感謝班里所有同窗好友的關(guān)心和幫助。?
感謝父母一直以來對我的關(guān)心和鼓勵。感謝他們不遺余力的支持是我。我一定會不畏艱難，在未來的旅途中秉著一顆赤誠而又堅毅的心，一路披荊斬棘戰(zhàn)勝沿途各種困難。?
學(xué)業(yè)即將完成，我將帶著師長、家人的鼓勵和期望，人生的社會階段。
參 考 文 獻
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