玻璃尺寸检测装置设计开题报告.docx
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玻璃尺寸检测装置设计开题报告
毕业设计(论文)开题报告
1选题背景及其意义
(1)课题来源
□国家级□省部级■教师科研□企业项目□自选项目
本课题来自教师科研课题、教学需求和社会需要,设计一款新型的玻璃尺寸测量装置以取代三坐标测量仪。
(2)课题目的与意义
康宁公司是特殊玻璃和陶瓷材料的全球领导厂商。
基于150多年在材料学和制程工艺领域的知识,康宁创造并生产了众多被用于高科技消费电子、移动排放控制、电信和生命科学领域产品的关键组成部分。
目前对玻璃的外形尺寸的测量主要依靠三坐标测量仪,这种测量方法成本高,效率低不能满足大批量产品检测的需求,为了解决产品量大和检测速度慢的矛盾本课题为康宁玻璃的检测研发专用设备,能够大大提高。
2文献综述(国内外研究现状与发展趋势)
20世纪60年代以来,工业生产有了很大的发展,特别是机床、机械、汽车、航空航天和电子工业兴起后,各种复杂零件的研制和需要现先进的检测技术与仪器,因而体现三位测量技术的三坐标测量机应运而生,并迅速发展和日趋完善。
国外第一台测量机是在1959年由英国制造的。
现在,国内外的应用已相当普遍。
根据国际专业咨询公司统计,三坐标测量机的销售增长率在7%~25%左右。
发达国家拥有量较高,但增长率逐年下降,大约为7%~10%;发展中国家拥有量较低,但增长率不断提高大约为15%~25%。
目前,国内外三坐标测量机正迅速发展,世界上生产测量机的厂商已超过50家,品种规格也已达300钟以上。
国外概况国外三坐标测量机生产厂家较多,系列品种也很多,大多数都有划线功能。
著名的国外生产厂家有德国的蔡司(Zeiss)和莱茨(Leitz)、意大利的DEA、美国的布朗-夏普(Brown&Sharpe)、日本的三丰(Mitutouyo)等公司。
总的来说,国外的机器有一下特点:
①绝大多数机器总体布局为悬臂式,空间敞开性好,便于安装大的零件或整车;②采用AutoCAD和有限元法进行优化设计,结构较合理,造型优美;③专项开发力量强,专用软件和附件较多,能满足更多用户的特殊需要;④移动构建多数用合金铝材,移动件质量尽可能小,做到高刚度、低惯性;⑤配有21项误差补偿软件,可以廉价地提高机器精度;⑥配有32位DSP连续轨迹控制系统,它是一种能优于CPU的数据信号处理器,是超大规模集成电路。
它除了有较高的运算和控制功能外,还有内部存储的许多可供开发的高级语言程序;⑦绝大多数机器采用Rennishaw公司(英国)的点测头,功能齐全,质量可靠;⑧配有功能齐全的控制测量软件、专用和误差修正软件;⑨机器的性能高度稳定可靠,使用寿命长;⑩三坐标测量机技术近十多年来突飞猛进发展,特别是数控系统和测量软件每二三年便更新一代。
国内概况我国自20世纪70年代开始引进、研制三坐标测量机以来,也有了很大发展。
国内引进较多的是Zeiss、Brown&Sharpe、Leitz、DEA等公司的产品。
二国内的生产单位也有了很大的发展,主要的生产厂家有中国航空精密机械研究所、青岛前哨英柯发测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光仪器厂等。
现在,我国具有年产几百台各种型号测量机的能力。
国内的三坐标测量机近10年来发展也很快,但同国外相比还有一定差距,主要有以下几方面;系列品种较少,“三化”程度低;新产品开发周期长等;产品的稳定性较差,特别是电控系统,可靠性较差,故障率较高,寿命相对低,此外软件功能相对少,特别是专用软件更少,与计算机工作站和数控机床联网问题,仅有少数测量机刚刚起步,多数机器还没开始这项工作,有待进一步开发研究。
三坐标测量机未来的发展趋势
先进制造技术、各种工程项目与科学实验的需要也对三坐标测量机不断提出新的、更高的要求。
从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看,在今后一段时期内,它的主要发展趋势可以概括为以下几方面。
(1)普及高速测量质量与效率一直是衡量各种机器性能、生产过程优劣的两项主要指标。
传统的概念为了保证测量精度,测量速度不宜过高。
随着生产节奏不断加快,用户在要求测量机保证测量精度的同时,会对CMM的测量速度(MesuringSpeed)提出越来越高的要求。
而提高测量机测量速度这一目的,会为CMM带来以下几个方面的革新。
①测量机的结构设计改进及材料的变化,结构优化以提高刚性,减轻运动部件的质量;使用轻质材料来降低运动惯性,即由普通使用的花岗石等传统材料转变为密度与杨氏模数之比低的材料、薄壁空心结构等。
铝、陶瓷、人工合成材料在测量机中获得了越来越多的应用;②高速的动态性能要求提高动态补偿能力,动态误差与测量机的结构参数和运动规程有关。
在研究这些特性的基础上,既可以改进测量机的结构设计,提高控制系统性能,又可以进行动态误差补偿,在实现高速测量的同时保证高精度;③采用非接触式测头测量方式,在触测情况下,由于工件与测头的接触速度不能太大,这就给测量速度带来了很大的限制。
扫描测量方式虽比点位测量方式效率高得多,但仍受触测的限制。
采用非接触测头,可避免频繁加速、减速、碰撞等,大大提高测量速度。
特别从对可靠性与安全保护提出更高要求看,非接触测头也有很大的优越性;④脱机编程技术成为一种趋势,所谓脱机编程技术,就是在CAD技术的辅助下,在不上测量机的情况下,在三维图形的环境下完成对测量程序的编制工作。
这样不但能有效地提高测量机的实际使用效率,也提高了测量程序的编制效率。
脱机编程技术的应用使我们能完全与生产准备及生产过程同步进行测量的准备工作,从而更可以节约宝贵的CMM机时。
(2)新材料和新技术的应用为确保可靠高速的测量功能,国外十分重视研究机体原材料的选用,最近在传统的铸铁、铸钢基础上,增加了合金、石材、陶瓷等新材料。
Zeiss、Sheffield、Leitz、Ferranti(英国)、DEA等世界上的主要三坐标测量机制造厂商,大都采用了重量轻、刚性好、导热性强的合金材料,来制造测量机上的运动机构部件。
铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。
由于新型材料良好的导热性,所以在发生温度分布不均匀时,也能在极短的时间内迅速达到热平稳,将由温度变化所产生的热变形减至最低。
为此,近几年引起了厂商的改型高潮,新品种层出不穷。
技术指标的进步表现在两个方面:
①最高运动速度达到)15m/s以上;②环境温度要求可降低到20±4℃。
其它一些新技术,例如磁悬浮技术也会在测量机及其他测头中获得应用。
(3)控制系统的改进在现代制造系统中,测量的目的越来越不能仅仅局限于成品验收检验,而是向整个制造系统提供有关制造过程的信息,为控制提供依据。
从这一要求出发,必须要求测量机具有开放式控制系统,具有更大的柔性。
为此,要尽可能利用发展迅速的新的电子工业技术,尤其是计算机,设计新的高性能!
价格比系统。
近年来,计算机价格一直在降低,而性能愈来愈好。
如果能利用批量生产的价廉而性能高的计算机模板(例如80386、80486)来设计专用测量机数字控制系
统,那么就可推出新的价廉而性能高的测量机控制系统。
另外,也可以用复杂的控制系统进行紧凑设计,以求降低成本。
(4)测量机测头的发展三坐标测量机除了机械本体外,测头是测量机达到高精度的关键,也是坐标测量机的核心。
与其他各项技术指标相比,提高测头的性能指标难度最大。
理想测头最主要的性能指标是测头接近零件能力的参数:
在同等精度指标下,测头端部的测头体直径D与测杆长度L的长径比为L/D。
其值愈大,其性能愈好。
解决理想测头(L/D大于6,精度高于0.1µm,触发运动速度从0.5mm/s到80mm/s范围)的途径必然带动“固体传感器”技术的发展,并且探测方式应由“被
动”感知改为“主动”探测,否则,无法解决类似压电测头那种高灵敏度和低抵抗干扰性之间的矛盾。
此外,测量机测头的另一个重要趋势是,非接触测头将得到广泛的应用。
在微电子工业中有许多二维图案,如大规模集成电路掩模等,它们是用接触测头无法测量的。
近年来国外光学三坐标测量机发展十分迅速。
光学三坐标测量机的核心就是非接触测量。
与发展非接触测头的同时,具有高精度、较大量程、能用于扫描测量的模拟测头,以及能伸入小孔、用于测量微型零件的专门测头也将获得发展。
不同类型
的测头同时使用或交替使用,也是一个重要发展方向。
(5)软件技术的革新测量机的功能主要由软件决定。
三坐标测量机的操作、使用的方便性,也首先取决于软件,测量机每一项新技术的发展,都必须有相应
配套的软件技术跟上。
为了将三坐标测量机纳入生产线,需要发展与网络通信、建模、CAD、实现反向工程的软件;按样条函数、NURBS等进行拟合、建模以及各种仿真软件也在不断发展。
此外,加快普及使用通用测量软件(DMIS)以方便与CAD/CAM的数据交换;同时完善应用于不同类型工件之专用测量软件的开发和使用,最终形成基于同一种平台开发的测量软件族也成为软件革新的一种必然趋势。
可以说测量机软件是三坐标测量机中发展最为迅速的一项技术。
软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向发展,它至少将包括能进行自动编程、按测量任务对测量机进行优化、故障自动诊断等方面的内容。
此处增加以下内容:
(1)目前测量专用玻璃的方法
目前对玻璃的外形尺寸的测量主要依靠三坐标测量仪
(2)采用三坐标测量仪测量大批的专用玻璃的缺点。
三坐标测量仪这种测量方法成本高,效率低不能满足大批量产品检测的需求。
(3)提出设计专用的测量设备
为了解决产品量大和检测速度慢的矛盾本课题为康宁玻璃的检测研发专用设备来代替三坐标测量仪。
3研究内容
3.1玻璃测量的要求和数学方法
(1)玻璃厚度
通过10个垂直方向的传感器获得被测玻璃表面的10个点,通过公式计算出玻璃厚度。
(2)玻璃宽度
通过6个水平防线的传感器与气缸进给量,通过公式计算出玻璃宽度。
(3)玻璃大面的平面度
通过10个垂直防线的传感器获得被测玻璃表面的10个点,通过最佳平方逼近法计算出玻璃的平面度误差。
3.2玻璃尺寸检测装置工作原理
通过10个垂直方向的传感器与6个水平方向的传感器或者被测平板玻璃的精确坐标值,从而通过公式计算平板玻璃的厚度、宽度、平面度与垂直度。
玻璃侧边由气缸推动,触碰到侧边传感器时记录数值。
3.3接触式位移传感器
机械位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何量的一种传感器。
根据传感器的信号输出形式,可以分为模拟和数字式两大类。
机械位移传感器根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角度位移传感器。
机械位移传感器是应用最多的传感器之一,它在机械制造工业和其它工业的自动检测技术中占有很重要的地位,在很多领域也得到了广泛的应用。
(1).线绕电位器式传感器
线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成,电阻丝的种类很多,电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。
电阻丝越细,在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。
但电阻丝太细,在使用过程中容易断开,影响传感器的寿命。
(2).非线绕电位器式传感器
为了克服线绕电位器存在的缺点,人们在电阻的材料及制造工艺上下了很多工夫,发展了各种非线绕电位器。
[1]合成膜电位器
合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的,这种电位器的优点是分辨率较高、阻范围很宽(100—4.7MΩ),耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入—输出信号的线性度较好等,其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。
[2]金属膜电位器
金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法,沉积在瓷基体上一层薄膜制成。
金属膜电位器具有无限的分辨率,接触电阻很小,耐热性好,它的满负荷温度可达70℃。
与线绕电位器相比,它的分布电容和分布电感很小,所以特别适合在高频条件下使用。
它的噪声信
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