光電儀器設(shè)計課程設(shè)計上傳版

1、光電儀器設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書一、題目：細(xì)絲直徑測試儀該儀器是用于對細(xì)銅絲直徑的尺寸參數(shù)進行測量的一種測試儀器。二、技術(shù)要求1 方法：非接觸式測量2 銅絲直徑：1±0.01mm3 測量精度：±1%；4 測量狀態(tài)：在線測量；5 超出銅絲直徑公差要有報警功能。三、設(shè)計任務(wù)對該儀器進行總體設(shè)計，具體內(nèi)容如下：1 設(shè)計任務(wù)分析；2 方案論證；3 系統(tǒng)設(shè)計（含局部單元設(shè)計）；4 精度估算。四、設(shè)計要求1.設(shè)計說明書一份(不少于500字)；2.時間：2015年11月20日-2015年11月27日2015年11月27日下午答辯交論文；3.參考文獻：自定。目 錄第一章 引言1§1.1

2、研究背景和意義1§1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2第二章 測量原理和方案論證4§2.1方案一：衍射法測量細(xì)銅絲直徑4§2.2方案二：雙光源投影法測細(xì)銅絲直徑4§2.3方案三：激光掃描法測細(xì)銅絲直徑4§2.4方案的對比及選定5第三章 機械系統(tǒng)設(shè)計6§3.1轉(zhuǎn)向棱鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計7§3.2 電機與玻璃四面體承座傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計7§3.3 玻璃四面體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定8§3.4電機轉(zhuǎn)速確定10第四章 精度分析11§4.1誤差分配11§4.2誤差合成13第五章 總結(jié)14參考文獻15附 錄16西安工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計（論文）

3、用紙第一章 引言§1.1研究背景和意義機械工業(yè)的技術(shù)水平和規(guī)模是衡量一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的重要標(biāo)志。世界上大多數(shù)國家，特別是工業(yè)發(fā)達的國家都非常重視機械工業(yè)的發(fā)展。機械工業(yè)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向就是提高產(chǎn)品的制造精度，進而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。從機械工業(yè)發(fā)展的歷史來看，機械制造精度的提高是和檢測技術(shù)發(fā)展相互依存，相互促進的。制造精度的提高一方面提高了測量器具的精度，另一方面也需要通過精確的檢測來體現(xiàn)和驗證檢測技術(shù)的水平在一定程度上制約并反映了機械制造的精度水平。根據(jù)國際計量大會的統(tǒng)計，機械零件制造精度大約每十年提高一個數(shù)量級，這都是因為檢測技術(shù)不斷發(fā)展的緣故。圓柱體直徑檢測

4、是長度測量中的一個重要研究方向，在測量技術(shù)中占有極其重要的位置，并且已經(jīng)達到了較高的測量精度。但對于微小直徑的圓柱體，在測量中尚存在以下兩個問題(1) 高精度的測量方法要求的工作條件苛刻，測量效率低，測量成本高，只適合實驗室中標(biāo)定使用，不能廣泛應(yīng)用；(2) 工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用傳統(tǒng)的接觸測量，由于接觸力的作用，測量精度較低，而其無法實現(xiàn)動態(tài)測量，測量效率低；應(yīng)用普通的光學(xué)測量，測量時間長，而且無法實現(xiàn)在線測量，越來越難滿足使用要求。而微小直徑的圓柱體在航空、航天、軍工及民用領(lǐng)域卻又必不可少，如精密儀器和尖端武器上的微細(xì)軸桿、集成電路引線、磁記錄器磁頭線圈、量針、小鉆頭、燈絲和光纖等，因此對這一直徑范

5、圍零件的精密測量可以實現(xiàn)：(1) 對量針類量具直徑的精密測量，可提高量針的制造精度，并為高精度的量值傳遞奠定了基礎(chǔ)，進而提高了以量針為量具的測量方法的測量精度。(2) 對精密儀器和尖端武器上微細(xì)軸桿直徑的精密測量，能提高儀器和武器性能，降低產(chǎn)品次品率。(3) 集成電路芯片通過貴重金屬引線與引腳相連，引線直徑直接影響芯片質(zhì)量。對引線直徑的精密測量，可提高集成電路的質(zhì)量，并可節(jié)省大量的貴重金屬，降低資源損耗；(4) 對線材的在線精密測量，大大提高測量效率，節(jié)省測量成本。因此對細(xì)圓柱體直徑高效而精密的測量有重要的理論意義和應(yīng)用價值，對細(xì)圓柱體直徑的精密測量技術(shù)研究十分必要。§1.2國內(nèi)外研

6、究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)由于自身的工業(yè)加工水平有限、測量原理的不完善和結(jié)構(gòu)搭理欠合理，所以，國內(nèi)生產(chǎn)的測徑儀測量精度沒有國外的精確，河北省激光研究所光電檢測控制室生產(chǎn)的JCJ-1激光測徑儀，是專為玻璃管生產(chǎn)線上玻璃管外徑的測量、控制、分選而設(shè)計的集激光、精密機械、計算機于一體的智能化精密儀器。通過激光光束高速（200次/秒）掃描被測玻璃管，計算機實時采樣處理，實現(xiàn)玻璃管直徑在線非接觸檢測、控制，測量范圍：0.5mm60mm，測量精度：±0.01mm。廣州一思通電子儀器廠生產(chǎn)的ETD-05系列激光測徑儀，測量范圍：0.2mm30mm，測量精度：±2m，ETD-05系列

7、激光測徑儀是一種基于激光掃描測量原理而設(shè)計的高精度非接觸式的外徑測量設(shè)備，儀器采用二維測量模式，有效消除工件振動造成的測量誤差，特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場的實時測量，適用于通信電纜、光纜、同軸電纜、漆包線、PVC管、銅管、纖維線等圓形線材的在線檢測，也可用于其它各種圓形工件的外徑測量。南京億佰泰科技有限公司生產(chǎn)的TLSM100激光掃描測微儀，測量范圍：0.2mm30mm，測量精度：±3m，是一種高精度、非接觸的尺寸測量儀器。它通過激光束的掃描獲得被測目標(biāo)的尺寸，廣泛用于測量熱的、軟的、易碎的以及其它傳統(tǒng)方法不易測量的物體，而且很適合生產(chǎn)中的在線測量或者線材、棒材、管材、機械和電子元件以及其它生

8、產(chǎn)過程的監(jiān)控。TLSM100的自動方式適用于連續(xù)的測量；手動方式適合單次測量。它可以設(shè)置上下偏差、峰值限制，當(dāng)超限后做相應(yīng)的報警；還可以計算最大值、最小值、平均值。例如：可以測量旋轉(zhuǎn)圓柱體的最大值、最小值，輥子的偏差。1.2.2國外研究現(xiàn)狀從18世紀(jì)工業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)以前所未有的速度在突飛猛進的發(fā)展，特別是近50年來，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對于加工零件的檢測速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測方向發(fā)展。為此，工業(yè)發(fā)達國家對于檢測儀器與設(shè)備速度與精度一直作為檢測儀器的主要指標(biāo)。CCD測徑儀特別適用 于電纜、電線的在線自動檢測，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量，降低原材料消

9、耗，降低生產(chǎn)成本，提高勞動生產(chǎn)率有著十分重要的意義，所以各國政府都很重視對測徑儀的研究。英國 Beta AS3 系列全新的激光測徑儀：LD1040-S(單向直徑測量儀)、LD1040XY-S(雙向直徑測量儀)，精度：0.1m，測量范圍最廣，單向測徑儀最大可測直徑達330.3mm，雙向測徑儀最大可測直徑值達100mm，測量精度最高，最高測量精度可達0.1m，是目前同類產(chǎn)品中的最高的測量精度。日本生產(chǎn)的LS-7000系列高速、高精度CCD測量 儀器，如：LS-7030M（配備測量攝影機）測量范圍：0.3mm30mm，測量精度：±2m，重復(fù)性精度：±1.5m。LS-7010M（配

10、備測量攝影機）測量范圍：0.04mm6mm，測量精度：±0.5m。第17頁第二章 測量原理和方案論證§2.1方案一：衍射法測量細(xì)銅絲直徑測量原理如圖2-1所示。根據(jù)單縫衍射原理，單色平面波經(jīng)單縫衍射后衍射場強度分布為 I=I0（sin/）2 又根據(jù)巴比涅原理，除中心點外，單縫和與之互補的細(xì)絲的衍射圖樣在復(fù)振幅分布上有位相差，而強度分布完全相同 于是可以直接利用單縫衍射的條紋間距公式e= x=f /a，在測出細(xì)絲的衍射條紋間距后，計算出細(xì)絲的直徑a 。為保證測量精度，消除細(xì)絲抖動帶來的誤差，CCD 的驅(qū)動電路要保證 CCD 的積分時間足夠短。圖2-1衍射法測量細(xì)銅絲直徑原理圖

11、§2.2方案二：雙光源投影法測細(xì)銅絲直徑 如果在測量信號中，不僅含有細(xì)絲直徑信息，也含有細(xì)絲位置信息，則可以糾正測量誤差。原來一個點光源變?yōu)閮蓚€相聚H的點光源，則他們各自將產(chǎn)生各自的細(xì)絲投影。這兩個投影在探測器上的分布有兩種可能，一是部分重合在一起，形成一階梯狀的光強分布，另一是陰影完全分離。在工作中，通過一種三角關(guān)系，通過測量他們分別對細(xì)絲投影的距離，可測出細(xì)絲晃動的軸向位置，達到對細(xì)絲兩個方向的測量；這就是此方法的實質(zhì)。§2.3方案三：激光掃描法測細(xì)銅絲直徑為了實現(xiàn)對細(xì)銅絲直徑在線檢測的目的，采用了數(shù)字式激光掃描的方法。該方法基于模數(shù)變換的原理，用電機帶動四面體棱鏡旋轉(zhuǎn)

12、，實現(xiàn)激光雙光束同時對細(xì)銅絲直徑和光柵的掃描，用光柵的柵距度量細(xì)銅絲直徑。其創(chuàng)新之處是采用激光雙光束同時掃描，克服電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)帶來的誤差。如圖2-2所示為激光掃描細(xì)銅絲直徑信息變換原理圖。圖2-2 激光掃描直徑信息變換原理§2.4方案的對比及選定通過理論方案的分析和對比，我們最終選定了采用激光掃描法在線測量細(xì)銅絲直徑。考慮到該測量儀具備未接觸式檢測，檢測速度快，精確度高及便于數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)忍攸c。我們采用了模-數(shù)式激光掃描的檢測方案，迅速的將檢測信息進行傳輸和反饋處理，具體的原理設(shè)計說明和結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如2-3所示：圖2-3 激光掃描法在線測量細(xì)銅絲直徑結(jié)構(gòu)原理圖 因此，可用于連續(xù)測量軸

13、向移動工件的直徑。由于兩個掃描光束是同步掃描，當(dāng)玻璃四面體旋轉(zhuǎn)一定角度時，兩光束掃過的位移是相等的，因此，這種測量方法與時間間隔無關(guān)，那么玻璃四面體旋轉(zhuǎn)速度的變化對直徑測量的精確度將沒有影響，即放寬了對玻璃四面體旋轉(zhuǎn)速度的要求。第三章 機械系統(tǒng)設(shè)計本精密機械系統(tǒng)最重要的作用是保證光學(xué)系統(tǒng)性能參數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。溫度變化、應(yīng)力、變形、振動、加工誤差等都會對光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)產(chǎn)生很大的影響；因此，對關(guān)鍵件的公差和材料給予了嚴(yán)格的要求，以確保整個系統(tǒng)的工作性能。箱體采用鑄件結(jié)構(gòu)，分箱蓋和箱底兩部分?？紤]到環(huán)境條件，本儀器采用了箱式全封閉結(jié)構(gòu)，箱蓋和箱底之間加密封物質(zhì)，用緊固件連接。又由于要保證光學(xué)系統(tǒng)

14、光軸在一個平面內(nèi)，因此對光學(xué)機械部件的機械設(shè)計，對整體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求較高。箱體內(nèi)鑄有不同高度的凸臺，以滿足固定不同光學(xué)部件的要求。各光學(xué)元件之間的相互位置關(guān)系，僅靠機械加工無法滿足這方面的要求，機械定位部分應(yīng)留有一定的調(diào)整空間，手工調(diào)整來檢測系統(tǒng)的各光學(xué)系統(tǒng)總體參數(shù)的要求。光學(xué)窗口采取密封結(jié)構(gòu)。此外，還需要考慮光學(xué)機械部件的干涉、材料的選擇、溫度的影響、受力的變形、精密調(diào)整、裝配和加工等一系列因素。圖3-1 細(xì)絲直徑掃描儀機械總圖§3.1轉(zhuǎn)向棱鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計由于光電測量儀器對光路的方向要求較為嚴(yán)密，所以要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配時在誤差范圍內(nèi)符合儀器的精度要求，但由于機械加工誤差的存在，使得裝

15、配時的位置不能盡如人意，所以要求轉(zhuǎn)向棱鏡處帶有一定的轉(zhuǎn)向功能圖3-2 棱鏡承座與底盤示意圖圖3-3 棱鏡承座裝配關(guān)系圖此設(shè)計可以使儀器裝配完成后，在后期的調(diào)試過程中可以對棱鏡進行微調(diào)，使光路更加準(zhǔn)確。§3.2 電機與玻璃四面體承座傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計如原理圖所示，電機帶動玻璃四面體轉(zhuǎn)動從而使掃描系統(tǒng)能夠正常運行，為了保證光學(xué)系統(tǒng)性能參數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在由于電機故障更換電機時最好使光學(xué)儀器保持原位，從而進行了以下設(shè)計：圖3-4 電機與玻璃四面體承座裝配關(guān)系圖電機和承座之間利用聯(lián)軸器連接，為了防止轉(zhuǎn)動過程中由于間隙索帶來的誤差，所以聯(lián)軸器兩端均用螺釘固定。§3.3 玻璃四面體結(jié)構(gòu)參

16、數(shù)確定3.3.1玻璃四面體掃描角度與掃描范圍的理論分析圖3-5掃描光線在玻璃四面體中的傳播關(guān)系圖如圖3-4所示為回轉(zhuǎn)四面體旋轉(zhuǎn)一定角度時，光線的掃面圖像。其中綠色的四面體投影為初始掃描位置，黑色的投影四面體為旋轉(zhuǎn)了角度的掃描位置，由幾何關(guān)系可知，此時光線的入射角與四面體掃描的角度相等。為入射角，光線通過折射以角射出，角度和滿足光線的折射定理，即:sini2=sini1/nk (1)又根據(jù)幾何關(guān)系可知，光束在四面體中傳播的距離L和四面的邊長a和折射角滿足：L=a/cosi2 (2)又根據(jù)幾何關(guān)系可知，此時光束相對初始位置的掃描高度h和光束在四面體中的傳播距離L和入射角、折射角又滿足一定的關(guān)系，即

17、：h=L*sin(i1-i2) (3)經(jīng)過以上的幾何分析，運用Matlab對（1）、（2）、（3）式結(jié)合處理，建立模型，得到下如圖3-5所示的四面體掃描工件一次回轉(zhuǎn)角度與掃描范圍的關(guān)系圖：圖3-6四面體掃描工件一次回轉(zhuǎn)角度與掃描范圍的關(guān)系圖通過分析上圖，我們可以得到以下信息：1) 光線實現(xiàn)一次完整的掃描，玻璃四面體需要旋轉(zhuǎn)90°；2) 在保證四面體轉(zhuǎn)動速度一定時，掃描光的掃面速度是非線性的；3) 由圖定性分析可知，光束向上掃面時，速度先慢后快；光線向下掃描時，速度先快后慢；當(dāng)選定玻璃四面體的材料選用K9玻璃（n=1.51630），玻璃四面體的幾何尺寸為邊長5mm，厚度為10mm的矩形

18、塊由圖可知，該回轉(zhuǎn)四面體的最大掃面范圍為-1.67mm1.67mm，符合設(shè)計要求。3.3.2玻璃四面體結(jié)構(gòu)參數(shù)和掃描范圍分析結(jié)果1) 確定了玻璃四面體的材料為K9玻璃，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為5mm*5mm*10mm；2) 通過理論計算和幾何分析驗證了掃描工件的角度周期為90°，明確了掃描的具體過程是非線性的；3) 通過理論分析計算出基于結(jié)構(gòu)參數(shù)下的極限掃描范圍：-1.67mm1.67mm，繼而綜合考慮可確定出該細(xì)絲非接觸式測量儀的工作范圍約在0到3mm之間；§3.4電機轉(zhuǎn)速確定綜合光電探測器的選擇和電動機轉(zhuǎn)速有限和轉(zhuǎn)速過大而帶來較大誤差的限制要求，我們最終選定型號為FF-180PH

19、的有刷直流電高速微型小電機，其磁力180，速度快，力量大，噪聲小。最高轉(zhuǎn)速為100000r/min，滿足我們的設(shè)計要求，其具體的技術(shù)參數(shù)如表4-5所示：功率0.3w尺寸3.2*2*1.5cm軸長5mm軸徑2mm電壓1.5-12V重量80g電流400mA轉(zhuǎn)速100000r/min表3-1電機的技術(shù)參數(shù)表經(jīng)計算，我們可以知道，該電機驅(qū)動下，激光的掃描速度為27.9m/s，應(yīng)該滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。第四章 精度分析§4.1誤差分配4.1.1位移誤差在高速掃描的情況下，工件移動速度較慢時，可以忽略位移誤差。但當(dāng)工件移動速度較快時，位移誤差不能忽略。如下圖4-1所示，細(xì)絲移動時，對應(yīng)不同位置直徑

20、的變化曲線，橫坐標(biāo)為位置量，縱坐標(biāo)為直徑量，設(shè)細(xì)絲的標(biāo)準(zhǔn)直徑為，A點為開始檢測位置。由于工件以速度移動，掃描光束離開工件時為B點位置，則給測量A點位置的直徑帶來誤差，為分析方便，設(shè)A點位置的直徑為，B點位置的直徑為。 圖4-1位移誤差示意圖設(shè)即直徑是位置的函數(shù)，工作移動速度為，掃描速度為，工件由A點移到B點時的位移為，在很小的情況下，直徑曲線的變化可視為線性變化，其變化斜率為。掃描光束掃過細(xì)絲直徑的時間為：t=D0/v2 (4)在此時間內(nèi)細(xì)絲的移動位置為：x=v1t (5)細(xì)絲直徑的增長量為： D=f'xA*x (6)將式（4）和式（5）代入式（6）得：D=D0f'xAv1/v

21、2從上述公式可以看出，位移誤差的大小正比于工件的移動速度與光束掃描速度之比。當(dāng)工件移動速度較慢，即時，可以忽略位移誤差，即工件速度的上限值受掃描速度和測量精確度的限制。4.1.1玻璃四面體的幾何形狀誤差理想的玻璃四面體是一個正方形四面體，能保證兩個掃描光束的位移量相等。實際加工過程中存在幾何形狀誤差（平行度 表面粗糙度 應(yīng)力折射等）這個誤差直接影響掃描光束的位移量，給測量直徑尺寸帶來誤差。4.1.2 溫度誤差因為溫度所帶來的工件變形導(dǎo)致的位移可能是儀器工作不穩(wěn)定，但是在第二章設(shè)計時已經(jīng)考慮了這個因素，儀器采用的鑄件外殼，很好的避免了這個問題，但是溫度同時也會帶來空氣折射率的改變，從而使該光電儀

22、器的光路發(fā)生變化，以下是對溫度誤差的分析：圖4-2溫度與氣體折射率的關(guān)系圖我們測量細(xì)絲直徑時，得到的細(xì)絲直徑圖樣是根據(jù)接受到的激光確定的，但是細(xì)絲周圍空氣溫度不同，導(dǎo)致氣體折射率不同，會使激光發(fā)生散射進而對檢測結(jié)果產(chǎn)生誤差，然而，由上圖數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，折射率的變化范圍極小，氣體溫度的變化對空氣折射率的影響幾乎可以忽略不計。4.1.3隨機誤差在檢測過程中，因工件受到震動使位置變化,光源波動使光束與工件相切點位置變化，電源波動都將引入誤差。所以進行多次直徑測量，取其平均值，可以使隨機誤差減小，甚至忽略。為此，可采用8面，16面玻璃體掃描，以提高掃描次數(shù)。§4.2誤差合成由上述誤

23、差分析表明，對于細(xì)絲直徑掃描儀的機械設(shè)計部分來說，影響系統(tǒng)精度的主要因素是位移誤差，其余的誤差無法計算或者可以忽略，但由于即細(xì)絲移動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于掃描速率，所以機械部分誤差可以忽略不計。第五章 總結(jié)§5.1成果此儀器的機械設(shè)計部分主要是為了固定內(nèi)部的光學(xué)鏡片和其他相關(guān)儀器，由于是光電儀器，所以對于內(nèi)部原件的穩(wěn)定性和光路的準(zhǔn)確性要求較高。對于原件的穩(wěn)定性這方面，整個箱體采用鑄件結(jié)構(gòu)，分箱蓋和箱底兩部分?？紤]到環(huán)境條件，本儀器采用了箱式全封閉結(jié)構(gòu)，箱蓋和箱底之間加密封物質(zhì)，用緊固件連接。很好的保證了內(nèi)部原件的穩(wěn)定性。對于光路的準(zhǔn)確性,對整個光學(xué)系統(tǒng)的光路行進方向起決定性方向的是兩個棱鏡以及中間的玻璃四面體，棱鏡固定方面，考慮到機械加工誤差，所以為了方便后期調(diào)校，所以對棱鏡的承座設(shè)計了一個轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，方便后期對于光路的微調(diào)，對于玻璃四面體的誤差，由于玻璃四面體起掃描作用，對光路的轉(zhuǎn)折起主要因素的是其加工誤差，無法避免，只能從另外的方面來避免這些誤差，比如后期的計算等。在機械設(shè)計這里，由于日常使用過程中，電機的損壞相對來說比較頻繁，可能會涉及的更換等方面，所以在這里使用了聯(lián)軸器，保證了更換電機的過程中對玻璃四面體的固定位置不會產(chǎn)生影