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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(dòng)原理。
CCD投影測量徑儀，由于電機(jī)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(qiáng)，由于少了許多機(jī)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(xì)，太細(xì)會(huì)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(xì)線的直徑，此技術(shù)與前兩項(xiàng)剛好相反，只適用于測小直徑的細(xì)絲，而且越細(xì)越好，因?yàn)榇思夹g(shù)是利用衍射原理，理論只有當(dāng)波長與被測物相近或大于被測長物時(shí)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)高，這是細(xì)絲測徑儀的一個(gè)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(dá)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(shí)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(gè)方向，一個(gè)是通過雙鏡頭實(shí)現(xiàn)，但這樣會(huì)犧牲一些小直徑的測量范圍，另一種是通過單鏡片實(shí)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(hào)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(jī)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(jìn)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(hào)就有一個(gè)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(jì)和計(jì)算機(jī)處理就很容易的得到凹口對應(yīng)的CCD像元數(shù)，從而計(jì)算出被測物體的尺寸。但是我們也很容易的發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(shí)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(dú)特的一般機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式測量儀無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，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(zhǔn)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(jì)和CCD輸出視頻信號(hào)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(diǎn)。下面讓我們來看一下，CCD測量的方法有哪些缺點(diǎn)：
(1)采用CCD接收然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(gè)部位接收到光，都會(huì)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，從而制約了CCD測量方法的測量精度。當(dāng)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(gè)沒辦法回避的矛。
(2)同時(shí)，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(hào)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(gè)一個(gè)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(jìn)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(shí)被遮斷，所以通過分析光電接受器輸出的信號(hào)，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(jì)量系統(tǒng)必須滿足以下三點(diǎn)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(yùn)動(dòng)；
(3)掃描時(shí)間必須測的很準(zhǔn)確。
而在現(xiàn)實(shí)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(huì)產(chǎn)生原理誤差。
綜上所述，我們可以看出，使用CCD進(jìn)行測量的這種方法有它的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有它自己無法克服的缺點(diǎn)。再看利用激光掃描測量直徑的方法，雖然會(huì)出現(xiàn)如掃描速度達(dá)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(jì) 任 務(wù) 書
1．畢業(yè)設(shè)計(jì)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(biāo)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(jì)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(jì)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(yàn)證。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書
3．對畢業(yè)設(shè)計(jì)成果的要求：
3.1 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告和說明書各一份；
3.2 提供氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖和布局圖；
3.3 所設(shè)計(jì)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(jì)工作進(jìn)度計(jì)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(jì)、開題報(bào)告撰寫；
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì) 開 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)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
1.1 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(shí)現(xiàn)。這種高強(qiáng)度、低效率的測量方式，勢必會(huì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)藥筒尺寸自動(dòng)測量的專用設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)該型藥筒尺寸自動(dòng)側(cè)量等功能，具有高效率、低誤差、高精度，可以實(shí)現(xiàn)柔性參數(shù)設(shè)定，實(shí)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(xiàn)［4］。
2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前藥筒尺寸的自動(dòng)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(jìn)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(dòng)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(jì)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(dòng)測量設(shè)備轉(zhuǎn)入以GPIB和CAMAC總線為主的
半自動(dòng)和自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化體制邁進(jìn)了一大步，提高了設(shè)備的重復(fù)利用
率；避免了各型號(hào)或同型號(hào)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(dá)到了相互交流和繼承，使用上達(dá)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(dòng)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(dòng)變壓器式傳感器可以被用于該藥筒長度測量。差動(dòng)變壓式傳感器是將線性變化的機(jī)械量轉(zhuǎn)化成電量的變化[11]。差動(dòng)變壓器式位移傳感器初級繞組接通交流電源后，兩個(gè)次級繞組由于互感作用產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢 E2-1與 E2-2。如果把兩個(gè)二次線圈的同名端相連接，會(huì)在另一對同名端產(chǎn)生一個(gè)與鐵芯位移成線性函數(shù)關(guān)系的特性曲線。當(dāng)鐵芯位于兩個(gè)二次線圈中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電動(dòng)勢相等（即 E2-1— E2-2＝0），輸出電壓為 0V，把此時(shí)的電壓值稱為零點(diǎn)電壓或殘余電壓當(dāng)鐵芯偏離中間位置時(shí)，兩組線圈產(chǎn)生的互感發(fā)生變化。兩個(gè)次級線圈中的感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)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(huì)有信號(hào)產(chǎn)生。然后通過光電傳感器將此信號(hào)傳到計(jì)
算機(jī)上進(jìn)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(dòng)量儀的設(shè)計(jì)原理是比較測量法，其測量方法是將長度信號(hào)轉(zhuǎn)化為氣流信號(hào)，再通過氣電轉(zhuǎn)換器將氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由發(fā)光管組成的光柱顯示出測量值。
一套運(yùn)用電子柱式氣動(dòng)量儀建立的完整氣動(dòng)測量系統(tǒng)，一般包括：氣壓閥、放大器、氣
動(dòng)測頭、標(biāo)定規(guī)、連接器及其他附件組成[14]
6、底厚測量
機(jī)器視覺技術(shù)以其處理速度快、包含信息量大和方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛
的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。機(jī)器視覺是運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺功能，代替人眼實(shí)
現(xiàn)測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺采集裝置，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行圖像采集，
然后將其轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)軟件，再對特征信息進(jìn)行分析處
理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)被計(jì)算機(jī)識(shí)別控制[15]
參考文獻(xiàn)：
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 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(dòng)測量控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(diǎn)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(jìn)行總體規(guī)劃，明確該型檢測設(shè)備機(jī)械部分如何開發(fā)設(shè)計(jì)， PLC 控制系統(tǒng)的搭建。并重點(diǎn)對控制系統(tǒng)的搭建與開發(fā)進(jìn)行詳細(xì)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(dá)檢測精度要求和自動(dòng)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(dòng)變壓器式位移傳感器可以被用于該型藥筒自動(dòng)測量的長度值測量。差動(dòng)變壓器式
位移傳感器是將線性變化的機(jī)械量轉(zhuǎn)化成電量的變化。
圖4.1差動(dòng)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(dòng)量儀，比較容易滿足于藥筒內(nèi)徑值檢測。電子式氣動(dòng)量儀是一種針對內(nèi)外徑尺寸，運(yùn)用非接觸式測量方法的精密測量儀器。它能夠滿足自動(dòng)化檢測要求，具有高效的測量效率。
圖4.2典型氣動(dòng)測量系統(tǒng)連接圖
針對該型藥筒外徑需要對多個(gè)尺寸進(jìn)行測量，最好尋求一種能夠一次測量完成多個(gè)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(shí)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(yùn)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(shí)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(jì) 開 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見：
張曉凱同學(xué)通過閱讀相關(guān)的文獻(xiàn)，對于所研究的課題的意義以及設(shè)計(jì)內(nèi)容都有了大體的了解。初步方案和設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了合理的安排，預(yù)計(jì)能夠按時(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。
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(dòng)測量設(shè)備開發(fā)
摘要：本篇文章主要是關(guān)于某型號(hào)藥筒尺寸的自動(dòng)測量設(shè)備的開發(fā)研究，本文詳細(xì)闡述了每個(gè)待測尺寸的測量方法，結(jié)合并借鑒其他機(jī)械測量的方法，應(yīng)用LVDT氣電內(nèi)徑測量系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、差動(dòng)式位移傳感器測長系統(tǒng)、激光測徑系統(tǒng)等等，實(shí)現(xiàn)對藥筒總長、底厚、內(nèi)外徑等尺寸的自動(dòng)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(dòng)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(shí)針對藥筒所要測量的尺寸進(jìn)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(jìn)行詳細(xì)的介紹，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)步驟進(jìn)行測量和檢驗(yàn)，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量，設(shè)計(jì)藥筒抓手實(shí)現(xiàn)其藥筒的移動(dòng)。
（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(jì)。
（5）針對每個(gè)測量儀器所得出的測量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)每個(gè)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(jì)進(jìn)行了藥筒尺寸自動(dòng)測量設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)的需求,通過s7 - 200 PLC控制整個(gè)系統(tǒng),形成一套完整的控制方案設(shè)計(jì)和相應(yīng)的控制程序來控制外圍繼電器回路，控制氣動(dòng)控制回路、步進(jìn)電機(jī)的操作,料斗振動(dòng)電機(jī)。本檢測系統(tǒng)的控制主要包括：升降平臺(tái)氣缸的控制、各檢測工位氣缸及氣動(dòng)夾爪的控制，以及相關(guān)電機(jī)的控制。本文具體設(shè)計(jì)了氣壓控制系統(tǒng)和PLC控制程序設(shè)計(jì)。
I
關(guān)鍵詞：藥筒，總長測量，外徑測量，內(nèi)徑測量，自動(dòng)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(dòng)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(kuò)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(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………15
4.1氣動(dòng)控制系統(tǒng)的組成……………………………………………………15
4.2氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)……………………………………………………15
V
4.3氣動(dòng)控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)內(nèi)容……………………………………………15
5.系統(tǒng)控制與設(shè)計(jì)……………………………………………………………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(jì)流程………………………………………………………18
5.3 控制任務(wù)分析……………………………………………………………18
5.4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………23
總結(jié)……………………………………………………………………………26
致謝……………………………………………………………………………27
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………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(jìn)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(huì)影響到戰(zhàn)斗的進(jìn)程，嚴(yán)重的還會(huì)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(yàn)藥筒是否合格，在出廠前有必要對藥筒主要尺寸進(jìn)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(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)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(xiàng)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(dòng)強(qiáng)度,也為以后藥筒的自動(dòng)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(dòng)測量設(shè)備對藥筒進(jìn)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(gè)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(dòng)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(huì)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(jī)，測長機(jī)是以線紋尺刻度或是光波波長作為已知長度，結(jié)合機(jī)械測頭對物體的長度尺寸進(jìn)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(yuǎn)距離測量目標(biāo)的距離進(jìn)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(yuǎn)距離進(jìn)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(dòng)，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(shí)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(biāo)測量機(jī)，利用三坐標(biāo)測量機(jī)，在空間坐標(biāo)上測得工件內(nèi)徑的坐標(biāo)值，再跟據(jù)相應(yīng)算法計(jì)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(dòng)測量內(nèi)徑的方法；（3）氣動(dòng)量儀，測量內(nèi)徑所使用的氣動(dòng)量儀測量方法是氣柱量儀，從而對工件的內(nèi)經(jīng)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行一個(gè)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(jìn)行安排；（2）基于對藥筒尺寸進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，選擇LDVT差動(dòng)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(dòng)量儀進(jìn)行選型然后對藥筒的內(nèi)徑進(jìn)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(jìn)行測量；（5）關(guān)鍵尺寸測量完之后，對藥筒進(jìn)行合格檢驗(yàn)，最終通過多次調(diào)試達(dá)到要求。
1.3.2 研究的意義
就某型號(hào)藥筒尺寸自動(dòng)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(gè)尺寸進(jìn)行精確測量后得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，此時(shí)就需要設(shè)計(jì)一套自動(dòng)測量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)精確測量[12]。本文旨在研究藥筒尺寸自動(dòng)測量，并且設(shè)計(jì)一整套自動(dòng)測量設(shè)備，當(dāng)然首先要做的是根據(jù)所要測量的尺寸進(jìn)行分析，然后根據(jù)所測得尺寸對測量尺寸進(jìn)行分類，再根據(jù)分類后的尺寸進(jìn)行測量儀器的選擇，按照測量工位進(jìn)行儀器使用及擺放的安排，根據(jù)測量儀器的特點(diǎn)設(shè)計(jì)符合藥筒尺寸檢測的控制方法和自動(dòng)測量控制方法，最后進(jìn)行安裝調(diào)試，接下來所要做的是進(jìn)行一批測試，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)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(dòng)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(cái)力，并且如果此次所設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)實(shí)際要求，則可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
3
2藥筒尺寸自動(dòng)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(jìn)行檢測前，先對藥筒有一個(gè)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(jì)，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(dá)到2000件/8小時(shí)，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(shí)，也就是是說每件的測量時(shí)間大約是14.4秒，如果在14.4秒內(nèi)檢測完成一個(gè)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(dòng)操作，在完成所有的尺寸測量后，再與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xì)介紹各種尺寸的測量方法以及流水線的詳細(xì)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(dòng)量儀更相對容易滿足對藥筒內(nèi)徑的測量。電子式氣動(dòng)量儀是一種精密的測量儀器，它是運(yùn)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(dòng)化檢測要求，同時(shí)具備相當(dāng)高效的測量效率。電子式氣動(dòng)量儀的精度可以達(dá)到測量范圍內(nèi)的偏差值。當(dāng)測量更小公差時(shí)，它的測量分辨率可達(dá)到。電子式氣動(dòng)量儀的原理主要是運(yùn)用嵌入式單片機(jī)技術(shù)，具備相對高效穩(wěn)定的運(yùn)算速率，對模擬信號(hào)可以進(jìn)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(shí)方便校量機(jī)上位機(jī)和下位機(jī) PLC 的數(shù)據(jù)采集，使的自動(dòng)化檢測控制成為可能。
電子柱式氣動(dòng)量儀的測量原理是將長度信號(hào)轉(zhuǎn)化為氣流信號(hào)，再把氣信號(hào)通過氣電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后顯示出測量值。完整的電子柱式氣動(dòng)量儀主要包括：氣動(dòng)測頭、氣壓閥、標(biāo)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(dòng)量儀:
圖2-2-1
電子柱式氣動(dòng)量儀
氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)量儀主要是用來測量藥筒的內(nèi)徑和外徑。兩個(gè)噴嘴氣動(dòng)測頭是成對分布的，是測量孔內(nèi)徑的，而兩噴嘴是成氣動(dòng)測量環(huán)規(guī)的測量圓外徑。如下圖所示為噴嘴氣動(dòng)測量示意圖。
圖2-2-2
噴嘴氣動(dòng)測量示意圖
對本次測量設(shè)備的設(shè)計(jì)，要選用量程和規(guī)格適當(dāng)?shù)碾娮邮綒鈩?dòng)量儀和特點(diǎn)適合藥筒尺寸大小的噴嘴測頭，來實(shí)現(xiàn)其內(nèi)徑的測量。
2.2.2長度的測量方法
對于某型號(hào)的藥筒的長度檢測，需要選擇一款適當(dāng)?shù)臋z測儀器來滿足其精度要求和自動(dòng)化的要求。通過查找資料對比后得知，測量該型號(hào)藥筒最佳測量工具是差動(dòng)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(jī)械量轉(zhuǎn)化成電量。差動(dòng)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(dá)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(jìn)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(shí)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(lì)電流時(shí)，線圈內(nèi)的鐵芯軸向移動(dòng)就會(huì)使次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，由于兩個(gè)次級線圈電壓的極性正好正負(fù)極相反，所以產(chǎn)生的真實(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢為兩線圈電動(dòng)勢之差，當(dāng)鐵芯在不同位置移動(dòng)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同的次級的電動(dòng)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(dòng)勢差值成線性關(guān)系。
差動(dòng)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?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)很多：（1）可以進(jìn)行無摩擦測量；（2）傳感器堅(jiān)固耐用、無限機(jī)械壽命；（3）可以不用擔(dān)心分辨率問題；（4）可實(shí)時(shí)進(jìn)行零位可重復(fù)性；（5）較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性 （6）可以進(jìn)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(dòng)化測量。
2.2.3外徑的測量方法
基于藥筒有3個(gè)外徑尺寸需要測量，與其他資料進(jìn)行對比得知，其他工具無法實(shí)現(xiàn)一次測量3個(gè)外徑，所以對藥筒的外徑尺寸進(jìn)行測量所采用的測量儀器是能夠隨時(shí)測量多個(gè)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(dāng)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(hào)，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(diǎn):
(1)與被測物體進(jìn)行非接觸測量時(shí)，不但可以保證被測工件的質(zhì)量和測量的實(shí)時(shí)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(dá)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(shí)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(huì)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(jì)出合理的機(jī)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(jì)過程中，保證證機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行性和實(shí)用性是非常重要的。大部分情況下一套成熟的機(jī)械設(shè)備，往往需要經(jīng)歷上百次的不斷改進(jìn)和完善，機(jī)械結(jié)構(gòu)的最終定型也需要經(jīng)歷時(shí)間的檢驗(yàn)與完善，因此，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)出測量藥筒尺寸工藝流程，首先對每個(gè)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(jìn)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(yàn)
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(jì)軟件 solidworks 中對藥筒的自動(dòng)測量設(shè)備進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都需要在后期實(shí)踐中不斷的進(jìn)行摸索改進(jìn)，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(chǔ)器。
PLC中存儲(chǔ)區(qū)分為以下幾個(gè)區(qū)：
（1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)
（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)存存儲(chǔ)區(qū)
（3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)
系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)存存儲(chǔ)區(qū)包括：邏輯線圈；數(shù)據(jù)寄存器；計(jì)時(shí)器；計(jì)數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲(chǔ)器。具體分為：
（1）I/O映象區(qū)；
（2）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)；
（3）用戶程序存儲(chǔ)區(qū)。
輸入/輸出模塊是PLC 進(jìn)行控制邏輯執(zhí)行的相當(dāng)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(jìn)行采集的，并且輸入模塊的采集是在PLC開啟后一直在進(jìn)行的掃描；輸出模塊是實(shí)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(shí)現(xiàn)對工業(yè)電機(jī)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(shí)現(xiàn)，那么控制順序是24V的弱點(diǎn)控制220V、380V或者更高的電壓，比如本次設(shè)計(jì)中就用到了氣缸控制閥中的電磁閥。
3.2擴(kuò)展模塊
數(shù)字量輸入/輸出模塊是擴(kuò)展可編程控制器的組成設(shè)備，在當(dāng)PLC 的控制點(diǎn)數(shù)減少，不符合系統(tǒng)項(xiàng)目建立的點(diǎn)數(shù)要求時(shí)，就必須使用輸入/輸出模塊使擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口。現(xiàn)場的采集的輸入信號(hào)，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(dòng)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(hào)，這些要通過輸入模塊送到PLC，這個(gè)過程中需要編制程序，量采對模擬集的信號(hào)進(jìn)行后處理，實(shí)現(xiàn)儀表式的可以供人類進(jìn)行讀取的數(shù)字信息。
PLC可以對電壓信號(hào)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(hào),收集范圍是4 - 20 mA,因?yàn)樾盘?hào)電流在每種傳感器中是不同的,所以要經(jīng)過信號(hào)變送器將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC可以采集的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。輸出模塊可以驅(qū)動(dòng)如電磁閥、燈光顯示。PLC的輸入輸出點(diǎn)可以進(jìn)行擴(kuò)展。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用個(gè)的是西門子的模擬量擴(kuò)展模塊EM223，該模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)的擴(kuò)展，完成對氣動(dòng)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(shí)數(shù)型（浮點(diǎn)數(shù)）。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號(hào)整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括16位符號(hào)整數(shù)（INT）和32位符號(hào)整數(shù)（DINT）。
2. 編程元件
（1） 輸入繼電器 I
（2） 變量存儲(chǔ)器V
（3） 中間輔助繼電器M
（4） 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器SM
（5） 定時(shí)器T
（6） 計(jì)數(shù)器C
（7） 累加器AC
3.4 程序編輯器
本設(shè)計(jì)中的程序設(shè)計(jì)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(shí)別，有利于編程人員發(fā)現(xiàn)控制邏輯的錯(cuò)誤，該編程軟件還可以對PLC進(jìn)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(shí)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(jìn)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(yùn)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(yùn)行。
在程序設(shè)計(jì)完成之后要下載到PLC中進(jìn)行調(diào)試，有的PLC 可以通過仿真軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，但是其調(diào)試結(jié)果的可信度很低，參考價(jià)值極地，所以要將編制好的程序下載到PLC中進(jìn)行實(shí)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(jìn)入STEP7-Micro/WIN軟件之后，打開項(xiàng)目進(jìn)行新建程序，如果已經(jīng)建立好了，可以直接進(jìn)入項(xiàng)目，然后選擇相應(yīng)的PLC型號(hào)，如圖所示3.2所示 ；
圖3.2 PLC型號(hào)選擇
（3）完成程序編制后，對PLC與PC機(jī)的通訊進(jìn)行通訊前準(zhǔn)備，首先要在通訊的接口進(jìn)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(jìn)行PC機(jī)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(jìn)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(yùn)行的具體情況，可以進(jìn)入程序之前的而程序編程框進(jìn)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(shí)候會(huì)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(shí)體PLC中進(jìn)行運(yùn)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(jì)過程中對編制好的程序進(jìn)行了仿真。第一步，先進(jìn)行仿真文件的配置，即導(dǎo)出*.awl文件；第二步，進(jìn)入仿真軟件，進(jìn)行PLC類型型號(hào)的配置，以及相關(guān)擴(kuò)展的數(shù)字量模塊進(jìn)行配置。如圖3.7所示，配置好的PLC及擴(kuò)展模塊的界面。
4氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1?氣動(dòng)控制系統(tǒng)的組成
氣動(dòng)控制系統(tǒng)中有:控制元件、動(dòng)力元件、傳感元件組成。氣動(dòng)發(fā)生裝置一般為空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能；氣動(dòng)執(zhí)行元件則將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，完成規(guī)定動(dòng)作；在這兩部分之間，根據(jù)機(jī)械或設(shè)備工作循環(huán)運(yùn)動(dòng)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(dòng)輔件連接起來。
4.2?氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在藥筒尺寸測量系統(tǒng)中，要求實(shí)現(xiàn)有四個(gè)工位的驅(qū)動(dòng)氣缸，由于一個(gè)傳動(dòng)盤上下的驅(qū)動(dòng)氣缸。在具體的控制過程中，每個(gè)氣缸要進(jìn)行上下的移動(dòng)，即進(jìn)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(jìn)行控制。
1.氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)
?。?）先了解設(shè)計(jì)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(jì)的內(nèi)容，進(jìn)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(gè)執(zhí)行元件在進(jìn)行于氣壓泵連接時(shí)的控制單元精細(xì)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(jì)好相關(guān)電控器件，并對限位開關(guān)的位置進(jìn)行合理的選擇。
2.根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，對空氣壓縮機(jī)的供氣量Qg可進(jìn)行計(jì)算，按下式簡單估算
Qg=N(1.2～1.5)（QZ+QO）m3/min
式中 QZ：一臺(tái)機(jī)器的用氣量
QO：機(jī)器和配管的漏氣量
N：工作臺(tái)數(shù)
4.3氣動(dòng)控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)內(nèi)容
在本藥筒自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的藥筒測量頭設(shè)計(jì)：將藥筒的底厚測量放在工位一，藥筒的總長測量設(shè)計(jì)在二工位中進(jìn)行；三工位進(jìn)行的是藥筒的內(nèi)徑測量；四工位進(jìn)行的是藥筒的外徑測量。由于氣動(dòng)控制的要求的，系統(tǒng)通過三位四通電磁閥，同時(shí)，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(shí)際控制中，氣體的氣壓、流量和速度將會(huì)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(shí)時(shí)對導(dǎo)氣管中的壓力，進(jìn)行壓力檢測，以滿足實(shí)際氣動(dòng)控制的進(jìn)行，同時(shí)在氣路中加入空氣過濾器，對氣體進(jìn)行一定的過濾，保護(hù)氣控設(shè)備有長久的使用壽命。
4.4氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖繪制
氣動(dòng)控制原理圖如圖4-1所示。(圖見下頁)
圖4-1氣動(dòng)控制原理圖
\
5.系統(tǒng)控制與設(shè)計(jì)
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(dòng)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(diǎn)有：
1）可靠性高
2） 易于擴(kuò)展
3） 控制能力強(qiáng)。
4）單片機(jī)采用了面向控制的指令，便于設(shè)計(jì)人員使用。
5）價(jià)格低廉。
綜上所述，選擇的控制系統(tǒng)，圍繞PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)。
5.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要前后進(jìn)行充分準(zhǔn)備，具體的而過程分別為方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試。
方案設(shè)計(jì)：確定氣缸、電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程和順序，協(xié)調(diào)機(jī)械結(jié)構(gòu)擬定系統(tǒng)實(shí)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(diǎn)，繪制電氣原理圖，確定PLC型號(hào)，并選擇相應(yīng)輔助設(shè)備；
程序設(shè)計(jì)：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(jìn)行軟件調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化硬件與軟件設(shè)計(jì)，直至滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為止。
5.3 控制任務(wù)分析
藥筒自動(dòng)檢測系統(tǒng)的順序控制，運(yùn)動(dòng)控制，過程控制在機(jī)電一體化的集成系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的管理下，實(shí)現(xiàn)藥筒自動(dòng)檢測尺寸的要求。
基于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，為實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化和安全可靠地運(yùn)行，本設(shè)計(jì)所選的S7-200控制外圍繼電器的通斷，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、氣缸的推動(dòng)、直流電機(jī)。
系統(tǒng)整體運(yùn)行方式為：當(dāng)藥筒到位后，按照預(yù)先編制好的程序，升降氣缸推動(dòng)圓盤上升至定位傳感器的有效監(jiān)測區(qū)域內(nèi)；然后機(jī)械手臂夾取彈料；PLC 驅(qū)動(dòng)電機(jī)，圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)到位，則開始進(jìn)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(jìn)行檢測。檢測完畢后，PLC 將采集到的各項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。當(dāng)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(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對工件總長、底厚的檢測，具體工作時(shí)序如圖5-1所示。
圖5-1工作時(shí)序
PLC主機(jī)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(chǔ)在 PLC 內(nèi)部寄存器中。導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)測頭做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)徑值的檢測；PLC 主機(jī)通過 RS-485 串口實(shí)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(jì)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(jìn)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(chǔ)在 PLC 內(nèi)部寄存器中。
由以上動(dòng)作過程可知，該控制系統(tǒng)的輸入控制信號(hào)主要包括三部分：系統(tǒng)運(yùn)行狀況、工位運(yùn)行限位開關(guān)信號(hào)、零件檢測信號(hào)。并確定了PLC的控制輸入輸出控制點(diǎn)，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(jī)運(yùn)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(dòng)盤
KM1
11
Q2.0
夾緊
YA11
12
I2.0
啟動(dòng)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(dòng)
YA9
21
Q0.6
三工位驅(qū)動(dòng)
YA7
22
Q0.4
二工位驅(qū)動(dòng)
YA5
23
Q0.2
一工位驅(qū)動(dòng)
YA3
24
I1.2
四個(gè)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(dòng)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(hào)包括啟動(dòng)、停止，通過按鈕的斷開、閉合實(shí)現(xiàn)，其中系統(tǒng)的運(yùn)行和停止通過上位機(jī)操作界面實(shí)現(xiàn)，因此需1個(gè)I/O 輸入點(diǎn)；接近開關(guān)感應(yīng)信號(hào)限位開關(guān)包括各檢測工件的來料信號(hào)檢測和傳送裝置定位檢測，共需9 個(gè) I/O 輸入點(diǎn)；限位開關(guān)控制信號(hào)用來判斷升降平臺(tái)的行程，需 3個(gè) I/O 輸入點(diǎn)，機(jī)械手臂的夾取需要一個(gè)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(jì)的控制系統(tǒng)共需14個(gè)輸入點(diǎn)，但在選擇PLC 型號(hào)是一定要留有控制點(diǎn)余量。
系統(tǒng)的輸出信號(hào)主要包括直流電機(jī)的控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)控制、電磁閥換向控制以及測量模塊移動(dòng)切換控制。對于直流電機(jī)的控制，本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)起停即可，因此需 1 個(gè) I/O 輸出點(diǎn)；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降平臺(tái)，而步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)采用專用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)轉(zhuǎn)需要一的輸出點(diǎn)進(jìn)行控制；PLC 通過控制電磁閥換向來實(shí)現(xiàn)氣缸的伸縮控制、測量模塊移動(dòng)的切換控制，因此需 10 個(gè) I/O 輸出點(diǎn)；為了使系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)更加直觀，人員操作方便，需設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)指示燈，分別對應(yīng)上述的系統(tǒng)啟動(dòng)、關(guān)閉輸出點(diǎn)。因此，系統(tǒng)共需 15個(gè)輸出點(diǎn)。
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(jī)型屬于 S7-200 系列的加強(qiáng)型，功能齊全，具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，而且外圍 I/O 資源豐富，有利于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其端口可以進(jìn)行自由通信、modbus通訊模式的選擇，等強(qiáng)大功能，可以便捷的進(jìn)行 I/O 點(diǎn)數(shù)擴(kuò)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(jì)
在硬件接線之前，必須根據(jù)選定的電氣元件設(shè)計(jì)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(hào)的走向。該藥筒尺寸測量系統(tǒng)的強(qiáng)電系統(tǒng)主要應(yīng)用中間繼電器的常開觸點(diǎn)作為控制元件控制氣缸的啟動(dòng)和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，將 PLC 的輸出信號(hào)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(gè)功能：
（1）PLC對進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)；
（2）控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)物料盤的振動(dòng)；
（3）控制氣缸電磁換向閥，并且對氣缸運(yùn)行位置檢測；
（4）與測量設(shè)備進(jìn)行通訊。
傳送裝置工作主要由步進(jìn)電機(jī)和氣動(dòng)升降設(shè)備控制，同時(shí)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(hào)反饋至 PLC，繼而控制傳送裝置的運(yùn)動(dòng)和停止。
藥筒的抓取和測量器件的驅(qū)動(dòng)都是氣缸實(shí)現(xiàn)，他們的具體運(yùn)動(dòng)邏輯由 PLC 控制?？刂齐娐啡鐖D 5-4 所示。 圖5-4工作時(shí)序
圖5-4
控制電路圖
29
本章主要是對藥筒尺寸自動(dòng)測量設(shè)備所涉及到的主體結(jié)構(gòu)及各個(gè)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試，在此過程中詳細(xì)指出了各個(gè)部分的框架構(gòu)建以及工作原理和流程。
（1）測量機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，可將測量機(jī)構(gòu)劃分為5個(gè)測量工位：首先主要是運(yùn)用位移傳感器對藥筒總長進(jìn)行測量；其次是運(yùn)用位移傳感器對藥筒底厚進(jìn)行測量；接著運(yùn)用電子柱式的氣量動(dòng)儀對藥筒內(nèi)徑進(jìn)行測量；然后采用激光測徑儀與螺旋升降平臺(tái)相結(jié)合對藥筒外徑的三個(gè)部位外徑尺寸進(jìn)行測量；最后，對各個(gè)藥筒進(jìn)行是否合格的檢測與分揀。
（2）抓手的設(shè)計(jì)，將藥筒的抓手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分為其上下、前后和左右的運(yùn)動(dòng)，以保證其可以抓住藥筒從一個(gè)位置移致另外一個(gè)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(gè)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(jì)一套完整的流水線操作過程。要做的工作有以下幾點(diǎn)：
（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(gè)步驟進(jìn)行測量和檢驗(yàn)，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量，設(shè)計(jì)藥筒抓手實(shí)現(xiàn)其藥筒的移動(dòng)。
（2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適儀器完成設(shè)計(jì)方案。
（3）根據(jù)每個(gè)測量儀器所測得的數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對每個(gè)待測尺寸進(jìn)行分析，使之盡可能的滿足測量要求。
（4）對測量系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)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(jìn)行檢測，若檢測結(jié)果穩(wěn)定，再進(jìn)行獨(dú)立的內(nèi)徑測量支氣路的設(shè)計(jì)。
致 謝
時(shí)光飛逝，歲月如梭。轉(zhuǎn)眼間，我的大學(xué)生活即將進(jìn)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(jì)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(xì)致的指導(dǎo)。每次遇到疑惑，找到曾老師，他都會(huì)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(xì)致地理解原理之后再使用相關(guān)元器件，這樣確實(shí)讓我對所用的部件更加明了，也節(jié)約更多時(shí)間。每次去見老師，他都會(huì)慢慢細(xì)致地給我們講解每個(gè)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(xì)、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(shí)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(lì)。感謝他們不遺余力的支持是我。我一定會(huì)不畏艱難，在未來的旅途中秉著一顆赤誠而又堅(jiān)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(lì)和期望，人生的社會(huì)階段。
參 考 文 獻(xiàn)
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